碳纳米管电离式气体传感器的基础研究

摘要

碳纳米管具有优良的气体吸附性能及电学性能，在气体传感领域具有巨大的应用潜力。目前国内外对碳纳米管气体传感器的研究主要集中在晶体管型、电导型以及电容型，这些传感器主要是利用碳纳米管吸附气体后电学性能的变化来检测气体的，但是其应用受到诸如低吸附性气体检测困难、化学吸附具有不可逆性、受检测环境影响等因素的限制。而电离式气体传感器不受上述因素限制，尤其是利用碳纳米管尖端纳米尺度的曲率半径，在较低的电压下使气体发生电离，可以得到高性能电离式气体传感器。但目前对碳纳米管电离式气体传感器的研究还处于探索阶段，有些基础问题尚需研究。 本文首先从碳纳米管的制备开始，在理论分析的基础上，研究氦气保护气压、生长促进剂FeS及不同生长位置等因素对电弧放电方法得到的碳纳米管的影响，确定了SWNTs制备的最佳工艺；然后采用水汽氧化法对制备的单壁碳纳米管进行提纯，并用旋涂法制备碳纳米管薄膜，对其导电性能进行研究；利用单壁碳纳米管薄膜为电极，研究了多种气体的气体放电性能，并同阵列式多壁碳纳米管薄膜的气体放电性能进行比较；最后研究制备35μm电极间距的电离式单壁碳纳米管气体传感器的原理性器件，测试其基本性能。主要研究结果如下： 经过对不同工艺制备的碳纳米管样品进行分析和表征，发现氦气保护气压、生长促进剂FeS和采样位置对电弧放电法制备碳纳米管的纯度和直径有影响。同一大气压下，网状产物中SWNTs含量最高。较高的氦气气压有利于SWNTs的生长，其原因是由于高气压时冷却速率高，有利于碳纳米管生长。FeS高温分解后的气态硫使催化剂颗粒表面的液相区在一个更大的温度范围和空间内存在，有利于碳纳米管的生长，硫作为交联剂也可以提高SWNTs产率；硫能使大尺寸的形核基稳定存在从而生长出直径较大的SWNTs。根据理论分析和试验结果确定了最佳工艺。使用水蒸汽在高温800℃下对原始样品处理12小时后酸洗，可以获得纯度达93％的SWNTs，表明水蒸汽氧化处理能选择性地去除原始样品中的杂质，且对单壁碳纳米管的破坏较小。利用旋涂法在电极上制备出无序碳纳米管薄膜；薄膜导电性较好，适合作为气体电离传感器的放电电极；还发现其电流一电压关系为非线性，在同一测量电压下，薄膜的电流与膜厚成直线关系。 对旋涂法得到的单壁碳纳米管薄膜的气体放电特性及其影响因素进行了研究。在电极间距为150μm时，待测气体能够在较低的电压下(100～307V)电离，不同的气体电离阀值电压各不相同，据此可以对气体进行检测。其机理是部分碳纳米管尖端伸出薄膜表面和负极构成了一种典型的point-to-plane电晕放电电极结构，单壁碳纳米管纳米尺度的曲率半径导致在较低的外加电压下就会在其尖端附近形成高强度非均匀电场，使气体发生电晕放电。气体压力对气体电离的阈值电压影响不大，放电电流与单位体积气体分子摩尔数的对数成正比。气体的电离阈值电压随电极间距的减小而降低。碳纳米管的直径越小，阈值电压越小。与化学气相沉积方法得到的直立式多壁碳纳米管相比较，旋涂法单壁碳纳米管薄膜电极的气体电离阈值电压要低30V左右，等离子处理对改善直立式多壁碳纳米管的气体放电性能有帮助。 利用硅的微加工技术以及碳纳米管涂布技术制备了电极间距35μm的电离式碳纳米管气体传感器。对器件的在不同气氛中的电离阈值电压进行了测试，结果表明，对于该器件，Ar，N<,2>，CO，H<,2>分别在12.5V 17.5V32.5V和15V左右发生电离。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1气体检测、气体传感器的应用

1.1.1气体检测的分类

1.1.2气体传感器的应用

1.1.3传统气体传感器及其缺点

1.2气体传感器的微型化与微结构气体传感器

1.2.1微结构气体传感器的研究现状

1.2.2微结构气体传感器的发展趋势

1.3碳纳米管的性能及应用

1.3.1碳纳米管的结构

1.3.2碳纳米管的性能及其应用

1.4碳纳米管气体传感器的研究现状

1.4.1单壁碳纳米管场效应晶体管气体传感器

1.4.2碳纳米管电导式气体传感器

1.4.3电容式碳纳米管气体传感器

1.5本文的研究意义与研究内容

1.5.1本文的研究意义

1.5.2本文的研究内容

第二章电弧放电法制备碳纳米管的影响因素和工艺优化研究

2.1引言

2.2制备碳纳米管的电弧放电理论分析

2.2.1电弧放电的典型物理条件

2.2.2阴极表面碳纳米管沉积的分析

2.3电弧放电法制备SWNTs的装置和工艺流程

2.3.1电弧放电装置介绍

2.3.2电弧放电法制备CNT的工艺流程

2.4电弧放电法制备SWNTs的工艺参数研究

2.4.1不同收集区域对SWNTs含量的影响

2.4.2缓冲气体和气压对SWNTs制备的影响

2.4.3生长促进剂对SWNTs制备的影响

2.5其它影响因素分析

2.5.1放电电流对SWNTs制备的影响

2.5.2电极尺寸与间距对SWNTs制备的影响

2.5.3催化剂种类对SWNTs制备的影响

2.6最佳工艺的确定

2.7本章小结

第三章碳纳米管提纯、旋涂法制备碳纳米管薄膜及电学性质

3.1引言

3.2碳纳米管的提纯方法介绍

3.2.1物理法

3.2.2化学法

3.2.3综合法

3.3水汽氧化法提纯SWNTs的研究

3.3.1实验方法

3.3.2结构表征与性能测试

3.3.3实验结果与讨论

3.4混酸回流氧化法提纯SWNTs的研究

3.4.1实验工艺

3.4.2实验原理

3.4.3实验结果与讨论

3.5碳纳米管薄膜制备及其电学性能

3.5.1旋涂法制备单壁碳纳米管薄膜电极

3.5.2碳纳米管薄膜的电学性质

3.6本章小结

第四章碳纳米管薄膜电极的气体放电特性

4.1引言

4.2气体电晕放电原理介绍

4.2.1气体放电

4.2.2电晕放电原理

4.3单壁碳纳米管的气体放电特性研究

4.3.1制备单壁碳纳米管薄膜电极

4.3.2测试设备

4.3.3单成分气体的气体放电性能测试

4.3.4气压对气体放电电压和电流的影响

4.3.5间距对气体放电性能的影响

4.3.6多组分混合气体的气体电离放电特性

4.3.7气体正电晕放电和负电晕放电

4.3.8碳纳米管直径对气体电离阈值电压的影响

4.4多壁碳纳米管的气体电离特性研究

4.4.1多壁碳纳米管的生长工艺

4.4.2多壁碳纳米管的电离性能测试

4.4.3多壁碳纳米管表面处理的研究

4.5本章小结

第五章单壁碳纳米管气体电离传感器的制备研究

5.1引言

5.2传感器结构总体设计

5.2.1电离式气体传感器结构设计需要考虑的主要因素

5.2.2传感器结构

5.2.3器件制备

5.3传感器性能测试

5.3.1传感器性能测试设备

5.3.2测试结果及讨论

5.4小结

第六章结束语

6.1总结

6.2创新点

6.3展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文