碳纳米管、碳纳米片、石墨烯及其复合物的制备和场发射性能的研究

【摘要】： 碳纳米材料具有多样的结构、优异的物理和化学性质,近年来引起了科学工作者的广泛关注并取得了重大研究进展。理论与实验研究表明,碳纳米管、碳纳米片/墙和石墨烯等碳纳米材料都具有卓越的场发射性质和优异的电子输运性质,有望应用于新一代场发射显示器及其它先进纳米电子器件。其中二维的碳纳米材料,如碳纳米片/墙和石墨烯,以其高的比表面积和尖锐的边缘结构特点,在场发射、燃料电池、高性能电容器和微电子纳米技术等方面呈现出潜在的应用前景。在众多的碳纳米材料制备方法中,等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法是低温制备碳纳米材料的重要方法,也是制备大尺寸碳纳米材料的有效方法。采用PECVD方法,通过调控反应气体组分和压强等实验参数,可以有效地调节碳源气体分解速率和浓度,从而控制碳纳米材料的生长速率和生长形貌。 本文的主要研究工作为:(1)探讨氧气在PECVD方法制备碳纳米管中的作用,分别研究了氧气对催化剂薄膜刻蚀处理和在碳纳米管生长过程中的作用,以此获得高产率、高纯度碳纳米管阵列的实验参数;基于氧气热刻蚀催化剂薄膜,调控不同反应气体的组分和总的气体压强,制备了多种结构的碳纳米材料,研究了不同气体组分和总的气体压强对碳纳米材料结构、形貌的影响;(2)证实了碳纳米片/碳纳米管复合物具有优异的场发射性能,为碳纳米片和碳纳米管及其复合物在微电子器件方面的应用提供了实验依据;(3)采用PECVD方法制备出定向生长的少层石墨烯,利用Ar等离子体刻蚀对石墨烯进行了表面处理,极大地提高了石墨烯片的场发射性能,为少层石墨烯片在场发射器件的实际应用奠定了研究基础。