納米碳管

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納米碳管范文第1篇

【關鍵詞】碳納米管；等離子體增強化學氣相沉積；分支碳納米管

0 引言

二十多年來，碳納米管因優異的場發射性能受到了人們的極大關注[2]。其獨特的幾何結構，高的場增強因子，從而使碳納米管躋身于理想場發射材料的候選人之列。如何進一步提高碳納米管的場發射性能是近年來研究的焦點之一。除通過各種技術改變碳納米管自身的特點之外（例如直徑大小、碳管之間的距離、缺陷度等），部分研究聚焦在如何通過復合提高碳納米管的場增強因子（分支碳納米管等）[3]，另一部分聚焦在通過復合減少電子發射勢壘（氧化鋅、氧化鋇、氧化鍶、氧化鎂等材料）[4]。這些復合材料分別不同程度地提高了碳納米管的發射電流密度和發射穩定性。

在本文中，我們使用RF-PECVD技術合成了碳納米管/分支碳納米管的復合物，并對此復合物的生長機理進行了探討。

1 實驗部分

為了生長碳納米管/分支碳納米管的復合物，我們通過磁控濺射技術在硅片上沉積了約20nm厚Ti薄膜，然后，在Ti膜上鍍了15nm厚的Co膜作為催化劑。鐵納米顆粒是通過氣相傳輸過程涂覆在垂直排列的碳納米管上。為了合成了分支碳納米管，首先，取兩端被厚鋼板密封的陶瓷管，其管徑為6mm，在兩片鋼板的中心位置分別鉆一個小孔，將高純度的二茂鐵（0.01）放在陶瓷管里面，然后，將陶瓷管的兩端用兩片薄的鋼板封住，用短而細小的鋁線將薄的鋼板牢牢地固定在陶瓷管上，以防止二茂鐵在升溫過程中快速揮發。將事先沉積在硅片上的碳納米管放在氣流下端，距離陶瓷管4mm處。隨著溫度的升高，我們通過反應室的窗口可以看到鋁線逐漸熔化，在800℃附近，我們發現兩塊薄鋼板開始慢慢偏離陶瓷管兩端，此時，二茂鐵分解出來的鐵原子將會在碳納米管的管壁上快速聚集成鐵的納米小顆粒，我們開啟射頻電源，調節功率為230W，基底溫度保持在800℃，CH4、H2的流量比為15/80sccm，沉積時間20min。隨后，系統在H2的氣氛下冷卻至室溫，我們得到了分支碳納米管復合在碳納米管上的復合體系。

我們用掃描電鏡、透射電鏡分別對樣品進行了表征，透射電鏡樣品的制備方法是用薄的刀片對硅片上的樣品進行剝離，然后，將樣品放在微柵網上進行測試。

2 結果與討論

場發射測量儀主要結構包括陽極板（導電玻璃）、陰極（樣品）和真空室，陽極板和陰極之間距離為200μm，用玻璃絲隔開。用無油渦輪分子泵將真空室的真空度抽到低于1.2×10-7Pa，然后，進行場發射測量。

圖1（a）是碳納米管/分支碳納米管復合物的掃描電鏡圖，從圖中我們可以看出，原碳納米管的直徑和長度分別約40nm和2μm。當碳納米管管身被覆蓋鐵納米顆粒后，細小的碳納米管將在鐵顆粒處成核、生長。我們從圖1（a）可以看出，分支碳納米管的直徑依次是6nm，這些分支碳納米管分別出現在原碳納米管的表面和尖端。圖1（b）是圖1（a）的透射電鏡圖，從圖中可以清晰的看出，分支碳納米管長在管身上，直徑大約為6nm。隨著甲烷氣體的通入，等離子體中大量的碳氫活性基團將在催化劑鐵顆粒的表面發生裂解反應，裂解出來的碳原子將溶解到納米鐵顆粒中，在其中溶解并擴散，當達到過飽和時將析出、生長出分支碳納米管[5-6]。在以往的試驗中，氫源、充足的碳源、催化劑是生長碳納米管的要素[7]，在實驗中我們發現氫氣/甲烷的比例是很高的，所以氫離子將會嚴重地刻蝕分支碳納米管，阻礙其快速生長，但是，我們仍然成功地合成了分支碳納米管，其中的原因可能是小尺寸的鐵納米顆粒具有很高的催化活性。

圖1

圖1（a）-（b）分別是碳納米管/分支碳納米管的復合物，其分支碳管直徑分別為6 nm的掃描電鏡圖；（b）是圖（a）中的分支碳管的透射電鏡圖，箭頭標示的部分為分支碳管。

3 結論

我們利用PECVD技術合成了碳納米管/分支碳納米管的復合物，催化劑的催化活性、溫度、氫氣量對其生長過程起關鍵作用。樹狀碳納米管在場發射應用方面有潛在的應用前。

【參考文獻】

[1]H. J. Kim， I. T. Han， P. Y. Jun， J. M. Kim， J. B. Park， B. K. Kim， N. S. Lee， Synthesis of hybrid multiwall carbon nanotubes and their enhanced field emission properties[J].Chem. Phys. Lett.，2004，396：6.

[2]J. Kim， I. T. Han， P. Y. Jun， J. M. Kim， J. B. Park， B. K. Kim， N. S. Lee， Synthesis of hybrid multiwall carbon nanotubes and their enhanced field emission properties[J].Chem. Phys. Lett.， 2004，396：6.

[3]H. Yu， Z. Li， G. Luo， F. Wei， Growth of branch carbon nanotubes on carbon nanotubes as support[J].Diam. Relat. Mater.，2006，15：1447.

[4]C. Liu， K. S. Kim， J. Baek， Y. Cho， S. Han， S. Kim， N. Min， Y. Choi， J. Kim， C. Lee， Improved field emission properties of double-walled carbon nanotubes decorated with Ru nanoparticles[J].Carbon，2009，47：1158.

[5]W. Z. Li， S. S. Xie， L. X. Qian， B. H. Chang， B. S. Zou， W. Y. Zhou， Large-scale synthesis of aligned carbon nanotubes[J].Science，1996，274：1701.

納米碳管范文第2篇

2、碳納米管可以應用于碳納米管觸摸屏。碳納米管觸摸屏首次于2008年間成功被開發出，至今已有多款智慧型手機上使用碳納米管材料制成的觸摸屏。

3、碳納米管可以作為模具。在碳納米管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿碳納米管，就可以制備出最細的納米尺度的導線。

4、碳納米管可用作電雙層電容器電極材料。電雙層電容器既可用作電容器也可以作為一種能量存儲裝置。超級電容器可大電流充放電，幾乎沒有充放電過電壓，循環壽命可達上萬次，工作溫度范圍很寬。

納米碳管范文第3篇

摘要：研究了利用微波等離子體化學氣相沉積法制備碳納米管時各種工藝參數的影響。在化學氣相沉積中催化劑起著至關重要的作用，為分析催化劑對碳納米管生長情況的影響，采用常用的催化劑Fe和Ni作對比實驗，并利用掃描電子顯微鏡表征手段分析不同催化層對碳納米管生長情況的影響，發現使用Fe催化層在較高溫度下，碳納米管生長形貌較Ni催化層要好。而沉積溫度在制備碳納米管的過程中也起這重要的作用，所以實驗針對不同沉積溫度進行碳納米管生長，結果發現600℃左右溫度較適合碳納米管生長。

關鍵詞：碳納米管；催化劑；化學氣相沉積；掃描電子顯微鏡

中圖分類號：TB302.2文獻標識碼：A

Grown Parameters of Multiwalled Carbon Nanotube with

Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition

ZHANG Tie-jun，CHEN Ze-xiang

（School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and

Technology of China, Chengdu610054，China)

Abstract: The article summarized the preparation, characters and the trend of development of carbon nanotube (CNT).Experiments have done to studied the influence of technical parameters in microwave plasma chemical vapor deposition (MWPECVD).The catalyst is playing a very important role in chemical vapor deposition (CVD), the article did some experiments with Fe and Ni catalyst for discovering the catalyst influence in carbon nanotube growth by scanning electron microscope (SEM). Experimental data revealed that CNTs appearance are better with Fe catalyst than Ni catalyst in higher temperature. The deposition temperature also are important to CNT growth, a series of experiments under several different temperatures have been executed, and the results showed that the most appropriate temperature is about 600℃ in the article.

Keywords: CNT；catalyst；MWPCVD；SEM

引言

自從1991年Iijima[1]發現碳納米管以來,由于其具有的化學穩定性、高熱導率、良好力學性能等特性,使得人們越來越關注其在各領域潛在的應用。基于碳納米管的重要性，各種制備碳納米管的方法相繼出現，最為常用的有電弧法、激光燒蝕法、化學氣相沉積法（chemical vapor deposition, CVD）。其中CVD法由于操作簡單，設備要求低，產率高，適合用于批量生產，是目前最有工業化前景的方法[2~5]。TomitaA[6]等人以Al2O3為薄膜作為模板,用化學氣相沉積的方法在微孔內合成了碳納米管,管徑恰好等于孔徑,將氧化鋁溶掉后,得到了平行的碳納米管薄膜。在微波等離子體化學氣相沉積（microwave plasma chemical vapor deposition, MWPCVD）法中，催化劑是碳納米管制備不可缺少的因素。催化劑作為碳源分解活性中心以及石墨碳沉積中心，對裂解產物的形貌和結構起著至關重要的作用。催化劑同時也是碳納米管生長的成核中心和能量輸運者，它的選取、制備、以及載體的選取也將對碳納米管的成核、生長速率、密度、分離、純化等有很大影響，將導致碳納米管具有不同的形貌和結構，是碳納米管制備中重要影響因素。

利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope ,SEM）對成品進行表征分析，本文研究了Ni、Fe這兩種催化劑及沉積溫度在基于微波等離子體增強化學氣相沉積制備工藝下對碳納米管形貌的影響。

1 實驗描述

本實驗主要是研究催化劑和溫度對碳納米管生長的影響。首先，鐵、鎳催化層由鍍膜設備沉積在N型材料的拋光硅片上，Ni、Fe催化層都大約為2.1nm左右的厚度，沉積好的樣品迅速轉移到如圖1所示的反應室內，進行碳納米管生長實驗。

樣品放入反應室后，首先進行熱刻蝕，使催化劑層裂解成均勻分布的催化劑顆粒，而后相繼通過微波及反應氣體進行碳納米管定向的生長，生長時間為5min。

實驗基本條件：使用基底材料為n型（100）面拋光硅片，通入混合氣體H2占90%，CH4占10%，反應室氣壓保持在27mbar，預熱時間定為15min，微波功率設置為1,000W。在這個基本實驗條件下，我們分別就常見Ni、Fe催化層作為碳納米管生長的催化劑，且對每種催化劑，設定一個基底溫度變化范圍：從510℃~748℃，分別做5次實驗。實驗如表1所示：

從圖2以及圖3的SEM照片中可看出：碳納米管薄膜是高度取向的有序陣列還是雜亂取向的無序膜，碳納米管是否均勻分布以及高度取向有序膜的高度，從而可以算出碳納米管薄膜的生長速度。本實驗將得到的SEM照片作對比觀察發現：使用Fe作催化層時，在較低溫度下，管狀結構很難發現（和Ni對比），但是在較高溫度下，碳納米管生長形態較Ni催化層要好。Wei-Qiao Deng等人[7]對不同碳溶解度的幾種催化金屬在碳形核（決定了生成碳納米管的密度和數量）階段和碳管生長階段的催化性能進行了研究。實驗結果表明：在碳形核階段，金屬的催化活性大小依次為Mo、Cr、Co、Pt、Fe、Ni、Cu；在碳納米管生長階段，催化劑活性依次為Fe、Ni、Mo、Co、Pt、Cr、Cu。然而在本實驗中并未發現鎳催化層在碳納米管生長中明顯的相對優勢。

在同一催化層的前提下，溫度的不同也會產生不同的生長結果。在較低溫度510℃的情況下，很難發現管狀物體的存在，說明在此溫度下，催化劑膜并沒有發生分裂，仍保持連續狀態。而生成碳納米管的首要條件是必須有納米級的納米顆粒存在，且催化劑顆粒尺寸與CNT的直徑成線性關系[8]，因此在此狀態下，不能形成碳納米管。而溫度過高也不利于碳納米管的生長，從SEM圖像可以看出碳納米管在600℃左右生長情況較好。

3 總結

本文通過微波等離子體化學氣相沉積法制備碳納米管工藝參數的研究，討論了兩種主要用于碳納米管生長的Fe、Ni催化層在一定溫度范圍內對碳納米管生長形貌的影響，利用SEM表征樣品的形貌，根據實驗結果得出，使用Fe作催化層時，在較低溫度下，管狀結構很難發現（和Ni對比），但是在較高溫度下，碳納米管生長形態較Ni催化層要好，從實驗結果并沒得出Fe和Ni誰更適合碳納米管生長的結論。同時分析了同一催化層在不同溫度下的情況，得出較低溫度不利于碳納米管的生長，在沒達到最佳溫度前，催化層薄膜只能達到剛剛可以分裂的狀態，因而形成的催化劑顆粒較大，較大的催化劑顆粒不易維持碳納米管的生長，從而只能在較小的催化劑顆粒處有碳納米管長出，因此碳管的長度很短，并且數量很少。同時，甲烷的分解反應也需要一定的溫度，溫度過低抑制了甲烷的分解，使反應不能順利進行，分解的碳活性原子過少，活性小。因此，在反應溫度較低時，由于催化劑的活性低和甲烷的分解較為困難的雙重作用，導致反應不完全。

參考文獻

[1]Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon[J].Nature, 1991, 56(5):201-205.

[2]Colomer J F, Stephan C, Lefrant S, et a1.Large-scale synthesis of single-wall carbon nanotubes by catalytic chemical vapordeposition[J].Chem. Phys. Lett. , 2000, 83(7):300-304.

[3]Ebbesen T W, Ajayan P Marge-scalesynthesisof carbon nanotubes [J].Nature, 1992, 22(3):358-361.

[4]Thess A. Crystalline ropes of metallic carbon nanotubes [J]. Science, 1996, 28(10):483-486.

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[6]Kyotani T, Tsai L, Tomita A. Preparation of ultrafine carbon tubes in nanochannels of anodic aluminum oxide fikIl [J].Chem. Mater. , 1996, 10(8):106-109.

[7]Weiqiao Deng, Xing Xu, William A Goddard. A two-stage mechanism of bimetallic catalyzed growth of single-walled carbon nanotubes [J]. Nano. Lett. , 2004, 4(12):2331-2334.

[8]Zhang X X, Li X Q, Wen G H, et al. Microstructure and growth of bamboo-shaped carbon nanotubes[J]. Chem. Phys. Lett. , 2001, 333(6):509.

納米碳管范文第4篇

8、超級X光

以碳納米管為基礎的新成像系統生成的圖像，將比現在使用的X光和CT掃描更加清晰，而且成像更快。X光掃描儀的工作原理是，它內部的金屬絲被加熱到臨界高溫時會釋放出電子，這些電子穿越人體，撞擊到人體另一側的金屬電極，生成圖像。CT掃描則通過交替改變電子來源，產生三維圖像。美國研究人員通過給碳納米管施加電壓，讓它們同時發射出數百個電子。由于沒有金屬絲需要加熱，這種新系統比常規X光儀的速度更快，而且這種多功能納米管發射器還能在不需移動的情況下，從多角度拍攝圖片。

7、開發氫燃料車

制造由氫燃料電池供能的汽車一直是人類的清潔能源之夢，但其價格一直居高不下，這是因為要使用鉑催化劑來加速電池反應的速度。美國一個科研組發現，利用上面涂有氮的碳納米管，可以制成更加有效的催化劑。雖然目前納米管的造價也非常高，但取自石墨的碳納米管未來終究會比鉑劃算。

6、快速的醫療診斷

西班牙研究人員發現，碳納米管有助于解決非常棘手的醫療問題，比如可以制成用來診斷真菌傳染病的生物傳感器。傳統方法在收集細胞樣本后，要在實驗室的培養皿里進行培養，查看它里面是不是有白色念珠茵出現。而新的方法則利用碳納米管和抗體(主要攻擊假絲酵母細胞)制成晶體管。把細胞樣本放在傳感器上，酵母細胞和抗體之間的互動，改變了該裝置的電流。傳導性極好的納米管記下這種改變，研究人員根據記錄結果，可以測量出樣本中出現酵母細胞的數量。

5、世界上最小的芯片

科學家可以利用碳納米管制成芯片，取代現有硅芯片。幾個科研組已經找到把碳納米管展開，制成厚度僅為一個原子的石墨烯薄片的方法。石墨烯跟硅一樣，都是半導體，但是可大大提高電腦芯片的處理能力。展開納米管要求非常嚴格，科學家把納米管粘貼在高分子膜上，然后利用氬氣腐蝕掉“管子”之間的“紐帶”，從而形成石墨烯薄片。

4、模仿壁虎研制強效黏合劑

壁虎的腳上覆蓋著數百萬根微小的纖毛，每根纖毛的頂端都堤壓板形。由于壁虎腳落在物體表面時，會產生強大的吸引力，即范德華力，因此壁虎可以克服重力，在天花盤上如履平地。研究人員模仿壁虎腳掌的結構，把納米管垂直排列，然后把更短的納米管連接在它們頂端，看起來像分叉的樹梢一樣。這種黏合劑在多種物體表面上都能用，無論是粗糙的砂紙抑或光滑的玻璃。

3、柔軟可彎曲的電子設備

無論是折疊起來，還是像揉報紙一樣把它揉成一團，它的性能竟一點不受影響，你相信有這樣的電腦屏幕嗎?日本研究人員用有機發光二極管(用有彈性的成對納米導管制造的)制成一個顯示器。當有電流通過時，有機發光二極管里的有機成分會發光，從而使這種顯示器不需要背后照明，因此它們比傳統顯示器更薄。

2、太空梯

研究人員利用碳納米管制成氣凝膠，結果發現它像鋼鐵一樣結實。給它施加電壓后，這種材料的柔軟度會比橡膠還好。這種材料的應用途徑有哪些呢?其中一種是用納米管制成繩索，當作太空梯的電纜。太空梯可以把宇航員、貨物送入軌道。近10萬千米長的太空梯必須非常結實，柔韌性非常好，這樣才能抵御大氣風暴和太空碎片的侵襲，同時它們還必須非常輕，這樣才不會被自身重量墜斷。

納米碳管范文第5篇

針對困擾碳基電子學發展的這一基礎與核心問題，北京大學化學與分子工程學院李彥教授課題組近年來開展了系統深入的研究工作，取得了一系列的進展和突破。

據悉，催化劑是碳納米管可控生長的關鍵因素，研究人員在適宜于器件應用的碳納米管生長催化劑研究中發展了銅和鉛兩種生長單壁碳納米管的新催化劑，與國內外合作者開展的器件方面的合作研究表明這兩種催化劑制備出的單壁碳納米管構筑的器件具有優異的性能。

在方向可控的制備方面，他們發展了超低氣流量的單壁碳納米管陣列制備方法，實現了陣列的方便、可靠、批量制備，NatureCHINA網站曾以“Nanotubes：SlowlybutSurely”為題進行了報道。通過氣流的導向作用還實現了碳納米管生長方向的靈活控制，可控地獲得了各種非直線型單壁碳納米管陣列。

單壁碳納米管的性質可控生長無疑是納米管生長研究中最富挑戰性的問題。北京大學的課題組還與杜克大學課題組合作，利用基底晶格的控制作用并通過合適碳源的選擇，在石英基底上獲得了適合于構筑場效應晶體管及其他器件的高純度的半導體性單壁碳納米管。

――Mary

美國國家半導體推出中文版SIMPLE SWITCHER易電源設計工具

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