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氯掺杂提高多壁碳纳米管的电导率及其导电机理研究

高建生  
【摘要】:碳纳米管(CNTs)及其复合材料由于巨大的潜在应用价值受到研究者们越来越多的关注。CNTs的电学性质与CNTs的螺旋性、形态、层数、直径以及缺陷等因素有关,而这些因素在制备CNTs的过程中难以精确控制,制备出的CNTs的电学性能存在很大的不确定性,给CNTs的应用带来困难。掺杂是控制CNTs电学性能以及其它性能的一种行之有效的方法,掺杂的优越性体现在其可控性,并且掺杂后的CNTs往往会产生一些奇特的电子输运性质。本文用氯掺杂多壁碳纳米管(MWNTs),从材料的制备、导电性能及掺氯MWNTs的导电机理等方面进行研究。 1.掺氯MWNTs的制备 采用气体吸附的方法制备掺氯MWNTs样品:氯气由H2S0。和Ca(C10)2反应产生,气体经过硅胶干燥后,对未处理、HNO。处理和高温处理MWNTs进行掺杂。在不同的掺氯时间、掺氯温度以及增加紫外光照射的条件下,制备了一系列掺氯MWNTs样品。 2.掺氯MWNTs的导电性能研究 首先研究了HNO3和高温处理对MWNTs电导率的影响,然后在不同的条件下对MWNTs进行掺氯,研究掺氯前后MWNTs电导率的变化。结果表明:经高温处理后,MWCNTs的电导率降低为原来的一半左右,经HNO3处理后, MWNTs的电导率略有降低;高温处理MWNTs掺氯后,其电导率降低为掺氯前的一半左右;低温、高温和紫外光照射条件下,未处理和HNO3处理MWNTs掺氯后,其电导率都有不同程度的提高,相比于HNO3处理MWNTs,未处理MWNTs的掺氯效果更佳,在低温和紫外光照射条件下,其电导率达到1548.3s/m,超过掺氯前MWNTs电导率的5倍。 3.掺氯MWNTs导电机理的研究 氯在掺氯MWNTs中存在三种状态,即物理吸附、化学吸附和成键作用。通过热重和XPS分析计算了三种形式的氯所占的比例,得出化学吸附的氯对电导率的提高起着积极作用。 测量了掺氯MWNTs电导率随温度的变化关系,研究结果表明:掺氯MWNTs具有半导体性质。对掺氯MWNTs样品进行傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱、固体紫外光谱以及XPS等分析测试,结果表明:掺氯后,MWNTs中的π电子云向氯偏移,提高了MWNTs的共轭度。 研究了掺氯MWNTs的导电机理:氯与MWNTs存在相互作用,MWNTs的电子云向氯偏移,在MWNTs的价带和导带之间产生杂质能带,杂质能带降低了价带和导带之间的能隙Eg,增强了π电子从价带向导带跃迁的能力,电子和空穴载流子的浓度增加,提高了掺氯MWNTs的电导率。


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