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二氧化硅纳米粒子催化生长单壁碳纳米管及生长机理研究

作　者: 胡亚莉
导　师: 黄少铭
学　校: 温州大学
专　业: 物理化学
关键词: 单壁碳纳米管化学气相沉积 SiO2纳米颗粒非金属催化生长生长机理光刻法
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

作为一维纳米材料,碳纳米管尤其是单壁碳纳米管由于具有特殊的结构和优越的理化性能,使得其在电子、光学电子、场效应晶体管、化学与物理传感器、催化剂载体、复合材料、燃料电池等诸多领域的潜在应用越来越广泛。长期以来,金属催化剂尤其是铁系元素及其合金被认为是生长碳纳米管所不可或缺的。2006年以来,很多其它金属例如Au、Ag、Cu、Pt、Pd、Mn、Mo、Cr、Sn、Mg和Al等被发现都可以催化生长碳纳米管。但同时也存在另一方面的问题,就是残留在碳纳米管中的金属催化剂颗粒和无定形碳将会影响其内在性能和应用,特别是碳纳米管在纳电子和生物医药方面的应用。除去碳纳米管中的金属催化剂而又不会使其产生缺陷和污染,这在目前来说仍然是该领域的重要难题之一。使用非金属催化剂生长碳纳米管不仅有助于研究碳纳米管的本征性质和为其应用提供材料而且有助于深入了解碳纳米管的生长机理,为可控生长碳纳米管打下基础。本论文通过采用不同的催化剂前驱体和合适的处理方法来得到二氧化硅纳米粒子,并以甲烷或乙醇为碳源,采用化学气相沉积法（CVD）合成了单壁碳纳米管。实验中采用SEM、AFM、TG、Raman、TEM、GC等表征手段对合成的非金属催化剂SiO₂和单壁碳纳米管进行形貌与结构分析,研究了碳纳米管的生长密度、结构与催化剂以及生长条件之间的关系并探讨了二氧化硅催化生长碳纳米管的生长机理。这将有利于开拓催化碳纳米管生长的催化剂的范围,有利于更好地选择合适高效的催化剂用于生长碳纳米管。（1）采用溶胶凝胶法,以原硅酸四乙酯（TEOS）为前驱体,在酸性或碱性条件下先制得SiO₂溶胶,经过热处理之后得到分散性较好的SiO₂纳米粒子。采用AFM和SEM手段研究了SiO₂纳米粒子的分散受基片在溶液中静置时间的影响。静置时间对粒子的分散是一个重要的影响参数。所形成的粒子对碳纳米管生长的影响也作了进一步研究。结果表明,SiO₂对碳纳米管的催化生长显示出高活性,并且碳纳米管的生长密度取决于基片上SiO₂的分散密度。（2）证明了SiO₂是一种高效催化剂。相对于Fe/Mo催化剂来说,从倍半硅氧烷（POSS）前驱体获得的SiO₂颗粒制备出的碳管直径均一、缺陷少,有很好的结构和电学一致性,而且发现生长的单壁碳纳米管有82%是金属型,为选择性生长金属型碳管及应用在纳电子器件领域提供了途径。（3）定向的、图形化的碳纳米管在平板显示器中的电子发射器、分子过滤薄膜、微电子领域和单分子传递器等方面以及其它领域的应用具有重要的意义。我们通过光刻的办法在硅基片表面制作图形,从而能够生长得到图形化的单壁碳纳米管。

二氧化硅纳米粒子催化生长单壁碳纳米管及生长机理研究

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