定向碳纳米管的CVD制法综述

定向碳纳米管的CVD制法综述姓名：王飞学号：06007225摘要：随着集成电路功能越来越强大，电路中的元件越做越小，器件的性能发生了一些变化，如功率转换特性，I/O密度等。为了解决这些问题，人们发现碳纳米管在这方面的应用前景，而要进一步的研究碳纳米管在这方面的应用，就必须要有成熟的方法来制备定向碳纳米管。[1]近年来，已有各种方法能合成碳纳米管，特别是化学气相沉积(CVD)方法，可以制备高准直的碳纳米管.实现了碳纳米管的定向生长，使进一步的研究成为了可能。本文综述了近年来CVD定向生长碳纳米管的方法和生长机制。[2]Abstract:Asintegratedcircuitperformsmoreandmorepowerful,devicesarebecomingsmallerandsmaller,andthecharacteristicschangedasaresult,suchaspowerdelivery,I/Odensity，etc.Toaddresstheseproblems,peoplefindtheprospectofcarbonnanotubes.Andaprofessionalwaytoproducealignedcarbonnanotubes(CNTs)isamustifpeoplewanttohaveafurtherresearchinCNTsapplicationsinthisaspect.Recently,therehavebeensortsofways,especiallythechemicalvapordeposition(CVD),whichcanproducehighlyalignedcarbonnanotubes.Therealizationofproducintalignedcarbonnanotubesmakefurtherresearchespossible.ThisthesistalksaboutCVDnanotubegrowthandmechanism.定向碳纳米管CVD生长机制刖言：碳纳米管是由碳原子的六角点阵二维石墨片绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝管状结构。它具有的独特结构、特殊的物理性能和化学性能（如高的长径（长度与直径）比、高的力学强度和依赖于直径和螺旋性而成为导体或半导体的性能等），因而它是一种应用广泛的材料（如用来存储氢、锂离子电池的电极等）。因此，自从1991年;lijima发现了碳纳米管之后，碳纳米管的研究一直倍受人们的关注，特别是近几年对碳纳米管的研究在世界范围内形成了高潮。目前，已利用各种方法制备出了碳纳米管。如弧光放电，激光烧蚀，火焰燃烧，热解碳氢化合物，化学气相沉积（CVD）等。而且利用CVD制备出了高度准直的碳纳米管，实现了碳纳米管的定向生长，使得碳纳米管优良的性能愈来愈呈现出来。使它的应用前景更加广泛。由于具有高的长径比、独特的导电性能等特征，它能够在较低的电场下发射电子，是一种理想的场发射阴极材料，是制备平面显示器中的最佳材料。因此制备高度准直碳纳米管具有重大的意义。正文部分先介绍了热化学气相沉积法的实验方法和碳纳米管的生长机制，指明这些是研究的基础，然后列举了一些关于定向碳纳米管的最新研究成果⑵正文:1.热化学气相沉积(CVD)法⑶的实验步骤实验原材料为N型＜111＞单晶硅抛光片(电阻率4-4.8Q*cm),使用前经过超声波清洗。多孔硅是用适当浓度的氢氟酸通过阳极氧化方法形成的，反应在自制的装备上进行的(如图1)。以硅片为阳极，阴极有铂材料制成，电解液为HF-H2O(体积比1:1)溶液。阳极氧化电流密度10mA/cm2，时间3min。首先采用磁过滤离子束沉积技术，在处理后的基底上沉积一层铁膜作为生长碳纳米管的催化剂，其厚度小于10nm;。将衬底放在石英舟上，推入管状电炉中的石英管(长2m，外径70mm)恒温区内，密封后在通N2气氛下升温。先将炉温稳定在600°C左右，使铁膜在金气氛下还原半小时以消除铁膜置于空气环境中被氧化所带来的影响。然后继续升温至700C，通入阳3(100mL/min)对铁膜进行预处理10min。保持炉温700C，通入流量比为75/400(mL/min)的C2H2和E开始生长，时间20min。生长结束后册2气氛下冷至500C以下取样。借助于日立S-3500N型扫描电子显微镜(SEM)对碳管及衬底表面形貌进行了观察。图1阳极氧化装置示意图研究者们通过一些改进，就可以得到其他的一些方法，如等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)法，微波等离子体气相沉积法等，然后再分别利用这些方法，结合碳纳米管的基本生长机制，进行更细致的改进，以得到的定向性尽可能好的碳纳米管凶2.碳纳米管定向生长的机制目前一般认为有下面两种生长碳纳米管的机制。一种机制认为含碳气体(如C2H2CH4等)吸附到催化剂的表面上发生分解形成碳原子，然后碳原子溶解在催化剂中并进行扩散。当碳原子在催化剂中达到过饱和时，从催化剂的顶端析出形成顶端由非六角点阵的石墨片封闭的碳纳米管生长，而催化剂颗粒则结合到衬底上囹［8］。另一种机制认为碳原子是从催化剂与衬底的结合处析出形成碳纳米管结构生长，碳纳米管的顶端由催化剂颗粒封闭［刀，它与前者的区别主要是碳原子的析出部位不同。碳纳米管究竟以哪一种机制生长，取决于催化剂与衬底的结合强度。如果催化剂与衬底的结合强度高，则以第一种机制生长，否则，以第二种机制生长。碳纳米管定向生长机制是在上述机制的基础上提出的，目前主要有下面几种：（1）密度控制机制。Y.C.Choi等［6］通过增强碳纳米管的生长密度，实现了碳纳米管的定向生长。他们认为当碳纳米管的核化密度达到一定值时，由于碳纳米管生长空间的限制，迫使碳纳米管仅沿一个方向生长，而其它方向的生长受到限制，不得不改变为沿垂直的方向生长。（2） 速率控制机制。M.Jang等［7］在实验时发现低浓度的C2H2不能够生长准直的碳纳米管，而在高浓度C2H2的情况下实现了碳纳米管的定向生长。并且碳纳米管在生长的初期，其生长速率较高，随着时间的延长，生长速率逐渐降低。认为在碳纳米管的生长过程中，只有在足够的碳源情况下才能够满足碳纳米管的快速生长，从而使得碳纳米管准直。因而他们提出了速率控制机制。（3） X.B.Wang等认为由于碳纳米管之间范德华力的作用而使得碳纳米管的密度增加，导致了碳纳米管的准直。（4） 等离子体诱导机制。C.Bower及其合作者利用微波等离子体CVD在不同形状的Si衬底上定向生长了仅与衬底表面垂直的碳纳米管，而且碳纳米管的生长与衬底表面的形状无关。认为在高频等离子体中，在衬底表面形成自负偏压，电力线始终垂直衬底的表面，而沿电力线方向，能量上易实现碳纳米管的定向生长。因此提出了等离子体诱导碳纳米管定向生长的机制。（5） S.H.Tsai等在利用微波等离子体CVD生长碳纳米管时，通过给衬底施加负偏压，实现了碳纳米管的定向生长。他们认为由于负偏压电场的作用，氢离子从电场中获得能量后对衬底的轰击，腐蚀掉了非垂直生长的碳纳米管，仅保存了准直的碳纳米管。（6） LingboZhu等［1］发现在800°C下，碳纳米管的平均生长速度为100〃m/min,长出了高度定向的碳纳米管，如图2。总结：可以说，第一个应用CVD技术来生长定向碳纳米管的人很有开创性，可以说是在思维上有所突破，而之后的人则是在此基础上进行进一步的理论实验研究即可，这些人只需有足够的专业基础，加上艰苦的努力即可。正如伟大的是那个发现碳纳米管的，而将碳纳米管进一步研究的便次要一些。所以，在搞科研的时候，切记要有艰苦奋斗的精神，同时更要发散自己的思维方式，不要拘泥，但也不要钻牛角尖。我相信，经过这么多人的努力，定向碳纳米管的未来一定一片灿烂，而它的应用也一定让人们的生活更加的方便舒适，这应该才是科研的最终目的。参考文献：LingboZhu,YangyangSun,JianwenXu,ZhuqingZhang,DennisW.Hess,C.P.Wong,AlignedCarbonNanotubesforElectricalInterconnectandThermalManagement[J],IEEE,2010.3王必本，王万录，刘高斌，SeunghoChoi,定向生长碳纳米管的研究进展，重庆大学学报，2002年8月。刘长虹，程国安，艾云龙，热化学气相沉积法制备定向碳纳米管薄膜[J],南昌大学学报，2005年2月。LEECJ,PARKJ.Growthmodelofbamboo-shapedcarbonnanotubesbythermalchemicalvapordeposition[J].Appl.Phy.Lett.,2000,77(21):3397-3399.YOONYJ,BAIKHK.Cathlyticgrowthofcarbonnanofibersthroughchemicalvapordeposition[J].DiamondandRelatedMaterials,2001,10:1214-1217.CHOIYC,KIMDW,LEETJ,etal.Growthmechanismsofverticallyalignedcarbonnanotubesonsiliconsubstrates[J].syntheticMetals,2001,117:81-86.JUNGM,EUMKY,BAIK