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碳纳米管的制备、纯化和场发射计算

韩东  
【摘要】: 本文主要研究了碳纳米管的制备、纯化,对单壁碳纳米管的场发射进行了计算。 自从上世纪90年代日本科学家饭岛博士发现碳纳米管以来,在全世界科技领域内掀起了对碳纳米管研究的高潮。特别是碳纳米管的物性、制备方法以及应用前景已经成为科技界热点之一。 在综述中介绍了碳纳米管的结构,物理性质以及应用,介绍了制备碳纳米管的三种主要方法,即等离子体电弧法、激光蒸发法和碳氢化合物催化分解法。 在碳纳米管的制备中,利用等离子体电弧法进行制备,采用化学方法对得到的实验样品进行纯化。实验中,采用Fe、Co、Ni为催化剂,H_2和Ar为缓冲气体,S为助长剂。为使实验原料容易成块状,用球磨机对原料进行了处理,得到了预期的效果。在纯化过程中,我们采用盐酸以及硫酸加重铬酸钾两个步骤来纯化实验得到的样品。通过透射电镜对纯化前后的样品检测照片比对,得知纯化实验起到了较好的纯化作用。从透射电镜检测照片观察,碳纳米管的分布比较均匀,管比较清晰,说明了碳纳米管的制备和纯化实验获得了成功。 在单壁碳纳米管的场发射计算中,从Maxwell电磁场理论出发,建立了物理模型、相应的数理方程及其边界条件,对金属型单壁碳纳米管场发射阴极尖端附近的电场分布进行了理论推导,得到了电势、电场强度以及场增强因子的解析表达式,为进行数值计算提供了必要的理论基础。进而计算了不同长度和管径单壁碳纳米管的电势和电场强度分布曲线,给出了不同几何参数单壁碳纳米管尖端附近的电场分布。分析得知,在单壁碳纳米管半径和长度一定的情况下,在管外随与管尖端的径向距离或轴向距离的增加场强迅速下降,即碳纳米管产生的激发场为极强的小范围的局域场;单壁碳纳米管场增强因子随管的长度增加而线性增加,随管的半径增加而迅速下降;单壁碳纳米管具有低的场发射阈值和大的发射电流密度。本文所得结果为单壁碳纳米管做场发射材料提供了有价值的理论参考。


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