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一种碳纳米管/硅巢状阵列的制备与场发射、湿敏性能研究

姜卫粉  
【摘要】: 自1991年被日本科学家Lijima发现以来,碳纳米管(CNT)因其独特的结构和物理化学性质使之在平板显示、传感器、纳米器件及SPM探针等诸多领域具有重要的应用前景。碳纳米管因具有小的尖端曲率半径、大的长径比、相对低的功函数、高的热导和化学稳定性等特点,作为大面积平板显示器的电子发射阴极具有大的优势,被人们寄予厚望。但CNT场发射器件的场发射性能远未达到理论计算,如发射电流密度较低、发射点密度不够高、电子发射不够稳定等问题,在生长机理上也存有争议。CNT场发射性能的改善是其走向产业化的重要一步。另一方面,CNT因具有大的比表面积,近年来作为新兴的传感材料,在气敏和湿敏方面的报道不断出现。然而,尽管电阻型CNT敏感材料在检测NO_2、HN_3及H_2S等毒性气体时呈现出高的器件响应和快的速度响应,但在湿度检测时却伴随有器件响应低、响应时间较长和随湿度的非线性响应等缺点。本研究小组已制备出一种具有独特结构特征的衬底——硅纳米孔柱阵列(Si-NPA),已有的结果显示它具有好的场发射性能和湿敏性能,并归因于其表面结构形貌。本论文研究的目的就是结合CNT的性能优势和Si-NPA的结构优势,针对CNT作为场发射冷阴极和湿敏传感器的上述一些问题展开。首先采用热CVD技术制备了一种碳纳米管/硅巢状阵列(NACNT/Si-NPA)。然后分别从碳纳米管/硅巢状阵列的生长工艺、浮动催化裂解法制备碳纳米管的生长机理、场发射性能优化、电阻以及电容型湿度传感器性能的改善几方面进行了较为深入的研究。 1.制备了具有准周期性阵列异质结构的NACNT/Si-NPA,并对其表面形貌和微观结构进行了表征。在不同的温度下,采用化学气相沉积方法在硅纳米孔柱阵列上进行不同时间的碳纳米管生长。通过对所制备的样品进行整体形貌、质量和单根碳纳米管的结构及场发射性能的分析、比较,优化了碳纳米管/硅巢状阵列的制备条件,并分析了温度对碳纳米管/硅巢状阵列的影响。 2.研究了NACNT/Si-NPA的生长过程,提出了无催化剂、预浸渍催化生长及浮动催化生长碳纳米管的一些可能的生长机理。为研究CNT形成过程中衬底Si-NPA的作用,催化剂与衬底之间的作用,及浮动催化生长模式,分别在无催化剂、预浸润催化剂和浮动催化剂等多种条件下生长碳纳米管/硅纳米孔柱阵列,并采用SEM、TEM、拉曼以及选区电子衍射等手段进行表面形貌观察和成分分析,同时采取二次生长等方法,比较深入地分析了各种沉积条件下碳纳米管的生长机理,提出了一些新的碳纳米管生长模式。 3.优化了NACNT/Si-NPA场发射性能。将不同温度、不同时间下制备的NACNT/Si-NPA进行场发射性能测试及比较,得出最优制备条件。与当前文献报道的碳纳米管场发射的性能作了比较,结果发现碳纳米管/硅巢状阵列具有低的开启场强、较低电压下能提供较大的电流密度,对场发射机理进行了深入分析,提出了多级发射机理。这些结果对碳纳米管的实际应用有一定的指导意义。 4.测试了NACNT/Si-NPA的湿敏性能,得到了较好的结果。同样利用碳纳米管对外界环境所表现出的奇特的电学性能及结构优势,对不同条件下的碳纳米管/硅巢状阵列的湿敏性能进行了研究,结果显示,相比单个衬底和碳纳米管材料,二者的复合结构材料具有更高的灵敏度,更好的稳定性。相比已有的文献报道,电阻型的复合结构传感器不但灵敏度有了大的增加,电阻随湿度的变化呈现非常好的线性。电容型的复合结构传感器除响应快、灵敏度高,将电容值取对数,使对数电容随相对湿度的变化也呈现非常好的线性。由于电容随湿度的变化为非线性是所有电容型传感器的通病,本文通过简单的函数变换,使之成为线性关系,这必将为电容型传感器的研究提供新的思路。碳纳米管巢基的湿敏传感器好的感湿性能被归因于独特的表面结构、形貌及化学惰性。同时从能带角度对感湿机理进行了深入分析,并提出了一定的模型。


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