单壁碳纳米管在基材表面的生长和转移研究

论文摘要

化学气相沉积法(CVD)表面生长单壁碳纳米管(SWNTs)是其器件制备和应用的基础。SWNTs可以是导体也可以是半导体,在纳米器件方面有着广泛的应用,如场效应晶体管等。但是其性能不仅取决于螺旋性也和它的直径有关。因此,如何控制它的螺旋性和直径是该领域面临的需要解决的两个重要的难题。本文通过CVD方法,对催化剂在基底表面的分散、不同催化剂、碳源等对SWNTs在基材表面的生长和直径的影响进行了研究,并对SWNTs的定向生长的机理和表面碳纳米管的转移进行了探索。(1)通过对硅基底的化学修饰来改变其表面的性质,研究了Fe/Mo纳米催化剂粒子在不同性质表面的分散规律及对SWNTs生长的影响。结果表明基底表面的疏水性的增加有助于催化剂的均匀分散,从而减少催化剂在高温下的聚集,生长的SWNTs直径较小和较均匀。同时发现定向超长SWNTs的直径要比短的无序的SWNTs小,并且催化剂在表面良好的分散可以提高定向超长SWNTs的生长效率。(2)研究了不同催化剂包括Fe/Mo、FeP、Te、Au、Ag等催化生长SWNTs的活性和所生长的碳纳米管的结构特征。结果发现Fe/Mo纳米粒子具有高的活性,Ag和Au同样具有高的催化活性,但Ag催化生长的SWNTs的直径明显比Fe/Mo催化的要小,并且更均匀,其原因是Ag在高温下相对易挥发,因此Ag是生长直径小分布窄的SWNTs的好催化剂。通过合成FeP纳米棒,在高温下分解原位形成Fe纳米粒子可以生长出小直径较均匀的SWNTs,并且可以对基底表面的修饰使FeP纳米棒在表面进行自组装获得SWNTs的网络结构或高密度膜。同时通过高温裂解有机Te的化合物首次发现Te金属具有催化生长SWNTs的能力。(3)通过选用Fe/Mo或Ag作为催化剂,采用高温裂解乙醇的方法,在硅片表面生长出了超长定向的SWNTs,并对其生长机理进行了研究,实验证明这些超长定向的SWNTs在生长过程中是以顶部生长机理在气流中悬浮生长的。同时为解决碳纳米管只能生长在硅片、石英片等耐高温的基底上的问题,本文对表面上生长SWNTs进行了转移研究,结果发现聚氨酯是很好的转移材料,可以容易的将SWNTs从硅片上转移下来,从而扩大了碳纳米管的使用范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.1.1 碳纳米管的发现
• 1.1.2 碳纳米管的结构和分类
• 1.1.3 碳纳米管的制备方法
• 1.1.4 碳纳米管的性能及应用
• 1.2 CVD方法制备单壁碳纳米管最新研究进展
• 1.2.1 生长基底的选择
• 1.2.2 催化剂的选择
• 1.2.3 碳源的选择
• 1.2.4 单壁碳纳米管定向生长简介
• 1.3 碳纳米管生长机理研究
• 1.4 选题的目的和意义
• 第二章 实验方法、试剂及其仪器
• 2.1 实验方法
• 2.2 实验试剂和仪器
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 第三章 基底性质对表面生长单壁碳纳米管的研究
• 3.1 实验过程
• 3.1.1 硅基底表面的修饰
• 3.1.2 催化剂的分散
• 3.1.3 碳纳米管的生长
• 3.2 实验结果和分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 不同催化剂表面生长单壁碳纳米管的研究
• 4.1 Fe/Mo催化剂
• 4.1.1 实验过程
• 4.1.2 实验结果和分析
• 4.2 FeP催化剂
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 实验结果和分析
• 4.3 Ag催化剂
• 4.3.1 Ag纳米颗粒溶液作为催化剂
• 4.3.2 电化学沉积Ag作为催化剂
• 4.4 Te催化剂
• 4.4.1 实验过程
• 4.4.2 实验结果和分析
• 4.5 Au催化剂
• 4.5.1 实验过程
• 4.5.2 实验结果和分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 单壁碳纳米管定向生长、机理及其转移研究
• 5.1 单壁碳纳米管定向生长
• 5.1.1 定向生长单壁碳纳米管简单介绍
• 5.1.2 实验过程
• 5.1.3 实验结果和分析
• 5.2 单壁碳纳米管生长机理
• 5.2.1 实验过程
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.3 单壁碳纳米管的转移
• 5.3.1 单壁碳纳米管转移的简单介绍
• 5.3.2 实验过程
• 5.3.3 实验结果和分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
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