铝基定向碳纳米管薄膜的制备及应用

论文摘要

碳纳米管独特的结构使得它在轴向上表现出十分优异的性能。已有大量的研究表明阵列式碳纳米管膜具有优异的电学、导热性能和场发射性能,在场发射电极材料、散热片等领域都存在潜在的应用价值。本文以二茂铁为催化剂前驱体,采用化学气相沉积法裂解二甲苯,通过组合催化剂的引入方式,碳源种类,催化剂使用剂量以及反应温度在石英衬底上获得了不同形态的碳纳米管薄膜。同时通过转基底技术将石英基底上的碳纳米管成功转移至铝箔上制备出了铝基定向碳纳米管复合膜。并且在用扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）对其结构行进观测和分析的基础上改进实验参数以制备出高质量的铝基碳纳米管复合膜。对实验制备出的铝基碳纳米管薄膜样品进行了导热性能和场发射性能测试。研究结果如下:（1）催化剂与碳源比1.5g:30ml,温度为850℃时易于得到管形较好,阵列程度明显,杂质较少的碳纳米管。采用乙醇和二甲苯作碳源所生成的碳纳米管结构有很大的不同。二甲苯为碳源,沉积的碳纳米管为管状,而无水乙醇作碳源得到的碳纳米管呈带状。（2）采用转基底技术可以把石英上CNTs全部转移至铝箔上,得到多次CNTs薄膜,且每次所揭膜均为阵列式,很好地提高了CNTs薄膜的利用率。（3）铝基碳纳米管复合膜的电性能和胶层的厚度有关,施加于工质的压力及加热的时间和温度直接影响胶层的厚度,从而影响复合膜的电阻。在300℃下加热40分钟,复合膜的电阻降为0.3Ω以下。（4）随着温度的升高,复合膜的热导率线性下降。25℃时,复合膜最后的热导率为1.53W/（m.k）,远远小于碳纳米管本身的热导率（3000W/（m.k））。（5）铝基碳纳米管复合膜最后的开启场强为1.15V/μm（发射电流密度10μA/cm2）,发射电流密度达到1ma/cm2所需要的电场强度为1.81V/μm,达到该电流密度则可满足场发射平板显示器的需求。F-N曲线呈线性关系证明电子发射确为场致发射。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 碳纳米管简介
• 1.2 定向碳纳米管的制备
• 1.2.1 切片法
• 1.2.2 过滤法
• 1.2.3 化学气相沉积法
• 1.3 碳纳米管的生长机理
• 1.3.1 电弧中碳纳米管的生长机理模型
• 1.3.2 激光蒸发法制备碳纳米管的生长机理
• 1.3.3 催化热解法制备碳纳米管的生长机理
• 1.4 CVD法制备定向碳纳米管薄膜的取向机制
• 1.4.1 密度控制机制
• 1.4.2 速率控制机制
• 1.4.3 等离子体诱导机制
• 1.4.4 取向生长碳纳米管与工艺参数的关系
• 1.5 碳纳米管性能和应用前景
• 1.5.1 碳纳米管的性能
• 1.5.2 碳纳米管的应用前景
• 1.6 本文工作研究意义和内容
• 1.6.1 课题的研究意义
• 1.6.2 课题研究内容
• 第2章 实验材料和实验方法
• 2.1 实验设备和仪器
• 2.1.1 沉积碳纳米管薄膜的实验设备（自制卧式反应炉）
• 2.1.2 碳纳米管薄膜基底转换设备（自制小型滚轮式弹性平压机）
• 2.1.3 场发射测试设备
• 2.1.4 导热性能测试设备
• 2.1.5 阵列式碳纳米管薄膜性能检测设备
• 2.1.6 其他仪器
• 2.2 实验材料
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 沉积石英基底阵列式碳纳米管薄膜方法
• 2.3.2 制造铝基碳纳米管薄膜的方法
• 2.3.3 检测碳纳米管薄膜的方法
• 2.3.4 薄膜电阻测量方法
• 2.3.5 场发射性能测试方法
• 2.3.6 铝基底碳纳米管导热性能测试方法
• 第3章 定向碳纳米管膜的制备
• 3.1 实验准备
• 3.2 阵列式碳纳米管膜的表征
• 3.2.1 碳纳米管的结构
• 3.2.2 CNTs膜层结构
• 3.3 结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳纳米管转移至铝箔上的工艺研究
• 4.1 前言
• 4.2 石英基底上碳纳米管的形貌
• 4.3 碳纳米管从石英基底上转移至铝箔后的形貌
• 4.3.1 各层膜的宏观形貌
• 4.3.2 转移碳纳米管膜的微观形貌
• 4.4 影响碳纳米管膜从石英基底转移到铝箔基底上的因素
• 4.4.1 原膜沉积质量
• 4.4.2 石英玻璃片表面粗糙度的影响
• 4.4.3 碳纳米管膜表面处理的影响
• 4.4.4 压力的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 铝基定向碳纳米管导热性能和场发射性能的研究
• 5.1 铝基碳纳米管膜的电阻
• 5.2 铝基阵列式碳纳米管的导热性能
• 5.2.1 导热原理
• 5.2.2 铝基阵列式碳纳米管的导热性能测试结果
• 5.2.3 结果分析和讨论
• 5.2.4 存在的问题和今后努力的方向
• 5.3 铝基碳纳米管膜的场发射性能
• 5.3.1 场致发射的基本原理
• 5.3.2 场致发射的评价指标
• 5.3.3 铝基碳纳米管薄膜样品场发射性能测试
• 5.3.4 铝基碳纳米管薄膜的场发射特性
• 5.3.5 铝基碳纳米管薄膜场发射特性结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果