碳/碳氮一维纳米材料的制备、物性以及相关器件的研究

论文摘要

本文研究、优化了浮动催化化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的生长参数,可控地制备出几种不同形貌的单壁碳纳米管并开展了相应的物性研究。在此基础上,开展了单壁碳纳米管器件的设计、构建以及电学输运特性研究。另外,利用气相沉积方法制备了富氮的碳氮微纳米线。主要内容如下:1.利用浮动催化CVD方法制备了三种不同形貌的单壁碳纳米管:单根单壁碳纳米管、单壁碳纳米管网格和单壁碳纳米管膜;利用不同的手段研究了单壁碳纳米管样品的形貌、结构和管径分布。在硅基底上制备了规则排列的金图案,并使同一根单壁碳纳米管同时沉积在硅和金的表面。拉曼光谱研究结果表明:与普通拉曼散射相比,表面增强拉曼散射能够更有效地实现对单根单壁碳纳米管的探测和表征。2.以PMMA光刻胶作为牺牲层,制备了悬空的单根碳纳米管器件;并在室温和低温下研究了碳纳米管器件的电学输运特性,观测到了半导体性碳管器件p/n型电导的双极性行为和明显的库仑振荡现象;测量结果表明碳纳米管-金属电极间的肖特基势垒对悬空碳纳米管器件的电学输运性质有着重要的影响。利用聚焦离子束技术将器件中单根碳管的两端开口,分别在真空和水蒸气气氛下研究了开口单根碳管的电学性质。通过一种经过改进的四电极方法从实验上证明:水可以进入到开口的单壁碳纳米管中,碳管的自由载流子与管内极性水分子存在一定程度的相互耦合;在外加电场的作用下,碳管内定向运动的载流子通过这种耦合引起水分子的定向运动。而水分子的定向运动可以在同一碳纳米管的另一部分导致载流子的运动和积累,从而建立起一个稳定的电动势。这说明水填充的单壁碳纳米管可以用作电能和水流动能的转换器。3.利用金刚石拉丝模对所制备的单壁碳纳米管膜进行后处理,得到了高密度、定向排列的碳纳米管样品。这种样品以单壁碳纳米管为结构单元构成了二维三角格子,晶格常数为19.62 ?;由于单壁管之间的距离与石墨层间距类似,在碳纳米管晶体中首次观测到尖锐、峰位与石墨（002）峰接近的衍射峰。同时,拉曼散射研究发现碳纳米管晶体中的呼吸模与原始的碳纳米管膜呼吸模相比存在明显的区别:在碳纳米管晶体中,较大管径碳管的呼吸模受到明显的抑制。碳纳米管晶体具有较大的密度、较小的电阻率和优良的光电导性能。4.对化学气相沉积方法进行了改进,采用具有较高热稳定性的碳氮粉末作为前驱物,在较低的实验温度下首次实现了富氮碳氮微纳米线的大规模制备。获得的碳氮微纳米线具有大的长径比和较好的石墨层状结构,样品表现出典型的sp2价键特征,并且在蓝绿光波段具有荧光特性。我们提出了富氮碳氮一维结构的气-固生长模型,并且认为在热蒸发过程中由碳氮原子组成的杂苯环（C3N3）及其衍生结构没有被破坏,而是作为基本的结构单元在温度和气流合适的位置沉积并生长成一维结构,从而保证了产物具有高的含氮量。实验结果对制备高含氮量的碳氮纳米结构和富氮掺杂的碳纳米管具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管的结构
• 1.2.1 碳纳米管的发现及其分类
• 1.2.2 单壁碳纳米管的形貌与结构模型
• 1.2.3 单壁碳纳米管的电子及声子结构
• 1.2.4 双壁与多壁碳纳米管的结构
• 1.3 单壁碳纳米管的制备
• 1.3.1 单壁碳纳米管的制备方法
• 1.3.2 单壁碳纳米管的生长模型
• 1.3.3 定向单壁碳纳米管的制备
• 1.4 单壁碳纳米管的性质及其应用
• 1.4.1 单壁碳纳米管的电输运性质及其应用
• 1.4.2 单壁碳纳米管的力学性质及其应用
• 1.4.3 单壁碳纳米管一维限制特性及其应用
• 1.4.4 单壁碳纳米管的其它性质
• 1.5 碳氮材料的研究现状
• 1.5.1 碳氮化合物及其性质
• 1.5.2 氮掺杂碳纳米管
• 1.5.3 碳氮一维微纳米材料的研究进展
• 1.6 本论文的研究目的与内容
• 参考文献
• 第二章 不同形貌单壁碳纳米管的制备及其拉曼散射研究
• 2.1 引言
• 2.2 单壁碳纳米管的拉曼光谱
• 2.2.1 单壁碳纳米管的呼吸模
• 2.2.2 单壁碳纳米管的切向振动模
• 2.2.3 单壁碳纳米管的D 模
• 2.2.4 单壁碳纳米管的其它拉曼特点
• 2.3 实验装置与方法
• 2.4 不同形貌单壁碳纳米管的表征
• 2.4.1 形貌与结构表征手段
• 2.4.2 实验结果与讨论
• 2.4.3 浮动催化CVD 法制备单壁碳纳米管的特点
• 2.5 单根单壁纳米管表面增强/普通拉曼散射的比较研究
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 样品制备方法
• 2.5.3 实验结果与讨论
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 悬空单根单壁碳纳米管器件的电输运性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 悬空单根单壁碳纳米管器件的制备
• 3.3 测量设备
• 3.3.1 Keithley 4200-SCS 半导体特性分析系统
• 3.3.2 Oxford 低温强磁场系统
• 3.4 半导体性碳纳米管器件的电输运性质
• 3.4.1 p 型碳纳米管器件的电输运特性
• 3.4.2 栅极电压引起的碳纳米管的p 型/n 型转变
• 3.5 水分子在单壁碳纳米管中的流动与能量转换
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 器件结构与测量方法
• 3.5.3 实验结果与讨论
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 高密度、定向排列单壁碳纳米管的制备及其物性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法与表征手段
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 表征手段
• 4.3 形貌与结构表征
• 4.3.1 样品形貌
• 4.3.2 高密度、定向排列单壁碳纳米管的结构
• 4.4 相关物性研究
• 4.4.1 密度
• 4.4.2 拉曼散射性质研究
• 4.4.3 光电导性质研究
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 富氮碳氮一维微纳米材料的制备及其物性研究
• 5.1 引言
• 5.2 富氮碳氮前驱物的制备及其表征
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验方法与表征手段
• 5.2.3 实验结果与讨论
• 5.2.4 三聚氰胺的缩聚过程
• 5.3 富氮碳氮微米线的制备及其物性研究
• 5.3.1 实验方法与表征手段
• 5.3.2 形貌与结构表征
• 5.3.3 生长机理
• 5.3.4 热稳定性研究
• 5.3.5 荧光性质研究
• 5.3.6 碳氮微米结构的尺寸与形貌控制
• 5.4 富氮碳氮一维纳米结构的制备
• 5.4.1 生长方法
• 5.4.2 碳氮纳米线
• 5.4.3 碳氮纳米带
• 5.4.4 相关问题的讨论
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 攻读博士学位期间发表和完成的论文
• 致谢