阵列式碳纳米管制备研究

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:503

孙晓刚，曾效舒

（南昌大学机电学院，江西南昌 330029）

摘要：cvd工艺制备碳纳米管阵列，二甲苯（c6h4（ch3）2作为碳源气体，二茂铁（c10h10fe)作为催化剂前驱体，反应温度为700~800℃，碳纳米管直径30~60nm,长度50~60μm。

关键词：阵列式碳纳米管；碳纳米管；cvd工艺

中图分类号：tn304.18;tb383文献标识码：a文章编号：1671-4776（2003）09-0019-03

1引言

碳纳米管自发现以来，其物理、化学及电子学性能的研究一直在广泛和深入的进行中。碳纳米管具有极高的强度和韧性、优异的导电性能及非常大的长径比，因此被广泛认为是制造场发射器件冷阴极的理想材料。碳纳米管阴极发射管可用于场发射显示器的阴极电子发射枪，在平板显示器中有巨大的应用潜力，是当前碳纳米管应用研究的主要领域之一，并在商业化生产方面取得重要进展，已有40×2.54 cm（40英寸）的碳纳米管平板显示器样机问世。5×2.54 cm（5英寸）彩色样机像素达到240×320；32×2.54 cm（32英寸）彩色样机像素达到480×720。此外，碳纳米管阴极发射管还可用于荧光灯、气体放电管、x射线机和微波发生器的制造。

碳纳米管阴极发射管有两种制备方法。一是将制备好的碳纳米管涂敷在阴极极板上，然后通过化学修饰的方法，进一步改善其电子发射性能；二是通过化学合成工艺，直接使碳纳米管垂直生长在阴极极板上［1～5］，形成碳纳米管阵列制成场阴极发射管。阵列式碳纳米管制备工艺是碳纳米管场阴极发射管的主流方向。阵列碳纳米管制备工艺主要有cvd[6]、直流等离子体热丝cvd、微波等离子体cvd和射频等离子体cvd[7]等。为了在极板上获得所需的几何图形，可以在极板上放置具有相应图案的模板，控制碳纳米管的生长区域，获得具有所需几何图案的碳纳米管阵列[8]。

2实验

本实验采用cvd法制备阵列式碳纳米管，以二甲苯（c6h4(ch3)2)作为碳源，二茂铁（c10h10fe)作为催化剂前驱体，氩气为保护气体，氢气为工作气体，石英玻璃片为阵列式碳纳米管生长基底。

2.1确定反应温度

在未放入石英片的情况下，将二茂铁和二甲苯配成一定浓度的溶液，反应时间设定为30min ，各种反应温度下获得的实验产物情况如下。

反应温度为300～400 ℃时，此时几乎无固体产物，有少量二甲苯未汽化，以液态方式存在于液体滴入处。此温度下不能生成碳纳米管。

反应温度为400～500 ℃时，石英管反应室中有少量黑色物质，经透射电镜（tem）检验，为碳纤维和非晶碳颗粒混合物。

反应温度为500～600 ℃时，石英管反应室中长出一些黑色细小粉末状及绒状物质。

反应温度为600～700 ℃时，石英管管壁上生成较多细小绒状物质，并有少量团絮状物质和颗粒状物质生成。所得产物取样经tem检测，确认为由碳纳米管、粗碳纤维和碳颗粒组成，碳纳米管含量比例较高。

反应温度为700～800 ℃时，石英管内生成大量黑色沉积物质。经ｔｅｍ检测发现，沉积物主要由碳纳米管和少量碳颗粒组成，碳纳米管管壁光滑，管径约20nm左右。

反应温度为800～900℃时，石英管内产物比700～800℃时减少，出现片状物。

反应温度为900～1000℃时，产物中碳纤维较多，碳纳米管管壁较厚，出现大量黑色片状物质。

由实验可知，采用此种工艺合成碳纳米管，600～800℃为较理想的反应温度区间。在此温度区间合成的碳纳米管纯度较高，管型较好，质量稳定。

2.2阵列式碳纳米管制备

石英片超声（5～10 min），烘干后放入反应室。按一定的比例配置好二甲苯的二茂铁溶液，混合均匀，装进滴定管中。反应炉通入保护气体氩气，排出管中的空气并开始升温，当炉温达700～800℃度时，通入h2关闭氩气，并开始将溶液滴入石英管中。约30min 结束反应取出样品。氢气流量一般为60～100 l／h，液体流量约
1ml／min。

实验样品sem照片见图1，2。

3 结果与讨论

二茂铁和二甲苯相比热解温度更低，因此，在二茂铁和二甲苯的混合溶液导入反应室后，二茂铁首先分解出铁原子，分解出的铁原子相互碰撞形成铁原子团簇和铁纳米颗粒催化剂。铁团簇和纳米颗粒形成后立即催化分解二甲苯并生成阵列碳纳米管，从而避免了二甲苯高温下自行热解生成非晶碳颗粒和碳纤维。

催化剂的活性是维持阵列碳纳米管不断生长的关键。因此，保持铁催化剂的活性有利于制备长度大的碳纳米管阵列。阵列碳纳米管的直径和催化剂颗粒的大小密切相关。小颗粒的催化剂更有利于