高纯少壁碳纳米管的功能化及其光电应用

论文摘要

随着纳米光电子学研究的深入,特殊功能的纳米复合光电材料已逐渐成为研究热点。由于具有大的共轭体系,碳纳米管（CNTs）在高速低耗的光电子器件、光伏电池等方面具有应用前景。通过多种功能化和分析方法研究不同结构碳纳米管的光电性质已经成为实现其应用价值的重要途径。本文以单壁CNTs （SWNT）和少壁CNTs （FWNT）为研究对象,研究其制备和室温纯化,功能化及其各项光电性质,为其进一步在纳米光电器件领域的应用提供依据。以液相室温氧化法对气相沉积法（CVD）法制备的FWNT粗产物进行纯化,透射电镜（TEM）显示粗产物在H2O2中缓慢氧化1w后可得到产率为10%高纯FWNT。拉曼光谱和热失重分析表明H2O2可以选择性地去除产物中的碳杂质,但不会破坏FWNT的管壁和化学结构。选择CNTs和Na2PdCl4的质量比为1:4,得到金属钯纳米粒子（平均粒径为7.3 nm）表面修饰的SWNT和FWNT。与纯CNTs相比,SWNT/Pd NPs和FWNT/Pd NPs薄膜的导电率分别提高了近5倍和2倍。分离结果显示钯纳米粒子更倾向于选择性地附着在金属态SWNT表面。通过N-取代共价键合方法制备3,4,9,10-N,N’-甲基芘-苝酰亚胺（PDI-PY）,利用芘和CNTs之间的π-π共轭吸附作用,合成了高效宽谱吸收的PDI-PY/CNTs复合体。通过PDI-PY与SWNT的选择性非共价功能化,能有效地分离金属态和半导体态SWNT。通过HNO3质子化获得具有一系列高导电FWNT透明薄膜,以此为电极制备结构为FWNT/P3HT:PCBM/Al的有机光伏电池。结果显示最佳光伏器件（FWNT薄膜T=70%, Rs=86Ω/□）的光电转换效率为0.61%,与以ITO为电极的相同电池的转换效率（0.68%）相近。所得到的三维网状FWNT薄膜易于导电聚合物的交叉渗入,有利于光伏性能的提高。通过共价键合法制备三种具有不同电子推拉结构的偶氮苯生色团-CNTs复合体（SWNT-AZO-NO2、FWNT-chain-AZO、MWNT-AZO-NH2）。偶氮苯与CNTs共轭体系的相互作用导致SWNT-AZO-NO2和MWNT-AZO-NH2中的偶氮苯生色团的吸收峰发生了蓝移和红移,在紫外光诱导下,与SWNT-AZO-NO2和MWNT-AZO-NH2相比,碳纳米管和偶氮苯之间的长烷基链导致FWNT-chain-AZO呈现出快速敏感的光响应特性,偏振光初步结果显示偶氮苯基团的光致取向作用使MWNT-AZO-NH2薄膜呈现各向异性,碳纳米管在与入射偏振光平行的方向上有序程度提高并发生定向排列,这一结果为设计具有快速敏感的光响应的偶氮苯-CNTs各向异性薄膜提供了重要的实验基础。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管的发现
• 1.2 碳纳米管的结构
• 1.2.1 化学和拓扑结构
• 1.2.2 壁层结构
• 1.2.3 光电结构
• 1.3 碳纳米管的制备
• 1.3.1 化学气相沉积法（CVD）
• 1.3.2 电弧放电法
• 1.3.3 激光或离子蒸发法
• 1.3.4 电解碱金属卤化物法
• 1.3.5 水热/溶剂热晶化法
• 1.4 碳纳米管的选择性分离与纯化
• 1.4.1 选择性分离
• 1.4.2 碳纳米管的纯化
• 1.5 碳纳米管的功能化
• 1.5.1 非共价功能化
• 1.5.2 共价功能化
• 1.5.3 双功能化的碳纳米管
• 1.5.4 碳纳米管的管内填充
• 1.6 碳纳米管在光电器件领域的应用
• 1.6.1 电输运特性
• 1.6.2 场发射性能
• 1.6.3 光伏性能
• 1.6.4 光学偏振性能
• 1.6.5 荧光性能
• 1.6.6 非线性光学性能
• 1.6.7 超级电容器
• 1.6.8 传感器
• 1.7 课题的提出
• 1.7.1 研究思路
• 1.7.2 研究内容和步骤
• 第二章 室温纯化高纯FWNT 的研究
• 2.1 引言
• 2.2.1 实验原料与仪器
• 2.2.2 FWNT 的CVD 法制备
• 2.2.3 FWNT 的纯化
• 2.2.4 结构与性能表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 FWNT 纯化效果的微观形貌分析
• 2.3.2 FWNT 表面形貌分析
• 2.3.3 激光拉曼光谱分析
• 2.3.4 热失重分析（TGA）
• 2.3.5 可见光-近红外吸收光谱
• 2.4 本章小结
• 第三章 金属钯纳米粒子修饰碳纳米管高导电薄膜的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料与仪器
• 3.2.2 金属钯纳米粒子修饰SWNT（SWNT/Pd NPs）
• 3.2.3 金属钯纳米粒子修饰FWNT（FWNT/Pd NPs）
• 3.2.4 结构与性能表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 金属钯纳米粒子修饰的CNTs 的微观形貌分析
• 3.3.2 SWNT 表面修饰的金属钯纳米粒子的粒径分布
• 3.3.3 薄膜的表面电阻测试
• 3.3.4 激光拉曼光谱分析
• 3.3.5 可见光-近红外吸收光谱分析
• 3.3.6 场效应晶体管器件性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 芘-苝酰亚胺复合碳纳米管的制备及其选择性分离
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料与仪器
• 4.2.2 3, 4, 9, 10-N, N’ 甲基芘-苝酰亚胺（PDI-PY）的制备
• 4.2.3 PDI-PY / FWNT 复合体的制备
• 4.2.4 PDI-PY 功能化选择性分离SWNT
• 4.2.5 结构与性能表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 傅立叶变换红外光谱分析
• 4.3.2 微观形貌分析
• 4.3.3 紫外-可见光吸收光谱分析
• 4.3.4 荧光发光光谱分析
• 4.3.5 激光拉曼光谱分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 高导电FWNT 透明电极在有机光伏器件中应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料与仪器
• 5.2.2 有机固体薄膜光伏器件的原理
• 5.2.3 高导电FWNT 透明薄膜的制备
• 5.2.4 以FWNT 薄膜为电极的有机光伏电池的制备
• 5.2.5 结构与性能表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 多种壁层结构的FWNT 的微观形貌分析
• 5.3.2 薄膜的表面电阻和透过率测试
• 5.3.3 FWNT 薄膜的表面形貌分析
• 5.3.4 激活层薄膜紫外-可见光吸收光谱分析
• 5.3.5 以FWNT 薄膜为电极的有机光伏电池的性能测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 偶氮苯衍生物共价键合碳纳米管的光致取向研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验原料与仪器
• 6.2.2 合成路线
• 6.2.3 酸化碳纳米管的表面改性
• 6.2.4 多种偶氮苯共价键合碳纳米管的制备
• 6.2.5 结构和性能表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 偶氮苯-碳纳米管复合体的微观形貌分析
• 6.3.2 傅立叶变换红外光谱分析
• 6.3.3 紫外-可见光吸收光谱分析
• 6.3.4 光响应异构化特性分析
• 6.3.5 光致取向分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢