碳納米管的化學(xué)氣相沉積制備工藝及其氮離子束轟擊的研究.pdf

1、碳納米管自被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以來,經(jīng)過人們長年累月的不斷研究,對碳納米管的機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)等各個(gè)方面都有了比較深刻的了解,并在科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域取得了重要的科學(xué)進(jìn)展,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了碳納米管的工業(yè)化生產(chǎn)。目前碳納米管制備領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是能否制備出滿足人類特定要求的碳納米管。本課題基于本學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的基本條件,系統(tǒng)地研究了碳納米管的生長影響因素,優(yōu)化了其制備工藝;并探索了氮離子束轟擊碳納米管的實(shí)驗(yàn)參數(shù)工藝,以實(shí)現(xiàn)碳納米管性能的改變。利

2、用接觸角測量儀,光電子能譜,拉曼光譜儀,掃描電子顯微鏡以及透射電子顯微鏡對實(shí)驗(yàn)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測和分析,進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:碳納米管制備實(shí)驗(yàn)中,影響碳納米管生長的因素主要有溫度、催化劑和生長環(huán)境等,反應(yīng)溫度對碳納米管的生長起主要性的作用。碳管直徑隨反應(yīng)溫度升高呈現(xiàn)上升的趨勢,且管徑趨于均勻,并在860℃達(dá)到最大104nm;但隨溫度進(jìn)一步增加,碳管直徑減小,當(dāng)溫度為900℃時(shí),碳管直徑減小到78nm左右。催化劑濃度主要通過

3、鐵膜厚度來體現(xiàn),它影響著碳納米管的直徑大小和粗細(xì)程度。當(dāng)鐵膜厚度為15nm時(shí),催化劑濃度達(dá)到最大,碳納米管長得粗細(xì)比較均勻,雜質(zhì)較少。在含氮碳納米管制備實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)反應(yīng)溫度為950℃時(shí),碳管長得十分均勻,無定型碳等雜質(zhì)較少,在基底上形成一層均勻的碳納米管薄膜;碳納米管的外徑集中在50-100nm之間,內(nèi)徑為10-20nm;樣品表面碳納米管的接觸角為124.69°,判斷為疏水性材料;XPS分析結(jié)果顯示,樣品表面的氮原子含量隨溫度的升高呈上升

4、趨勢,樣品表面N/C比最大達(dá)到1/23,其氮原子百分比最大為4.06％,同時(shí)氮原子結(jié)合能也增大為401.10eV。經(jīng)分析TEM結(jié)果發(fā)現(xiàn),樣品中碳納米管由周期性的納米級齒形節(jié)組成的,確實(shí)是竹節(jié)碳納米管。在碳納米管改性的研究中,利用超高真空離子束輔助沉積系統(tǒng)對碳納米管薄膜進(jìn)行氮離子束轟擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著N轟擊束流強(qiáng)度的增加,碳納米管的親水性呈現(xiàn)增大趨勢,氮元素改變了實(shí)驗(yàn)樣品的親水性。當(dāng)束流強(qiáng)度增大為15mA時(shí),接觸角減小為72.64