碳納米管及氧化鋅納米棒陣列的制備與表征.pdf

1、一維納米材料的制備與表征是目前晶體生長領(lǐng)域的重要研究方向。本論文的研究涉及兩種一維納米材料：碳納米管及ZnO納米棒。碳納米管具有與金剛石相同的熱導(dǎo)性和獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)、大的長徑比以及納米尺度的中空孔道，在場(chǎng)發(fā)射、電極修飾、分子電子器件、探針顯微鏡針尖、復(fù)合材料的增強(qiáng)劑、氣體儲(chǔ)存、催化劑載體等眾多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，屬六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV。ZnO在光電、壓電、

2、鐵電、鐵磁等諸多領(lǐng)域都具有優(yōu)異的性能，ZnO一維納米結(jié)構(gòu)還在激光、場(chǎng)發(fā)射、光波導(dǎo)、非線性光學(xué)、光電子器件等領(lǐng)域有新的潛在的應(yīng)用前景。由于碳納米管和ZnO納米棒陣列獨(dú)特的性能和潛在的應(yīng)用前景，它們是所有一維納米材料中研究得最廣泛最深入的兩種。高純度納米碳管的大量制備、ZnO納米棒陣列的大規(guī)模制備及其摻雜則是它們被廣泛應(yīng)用的前提。 本論文簡(jiǎn)要綜述了碳納米管和氧化鋅納米棒的形貌、結(jié)構(gòu)、物理性能、制備方法及其生長機(jī)理。以納米碳酸鈣作為催

3、化劑載體，應(yīng)用CVD法制備了碳納米管，并詳細(xì)研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)碳納米管合成的影響。應(yīng)用化學(xué)溶液沉積法在由溶膠凝膠法制備的ZnO/Si襯底上制備了ZnO納米棒陣列，并研究了其反應(yīng)機(jī)理。應(yīng)用低溫水熱法在ZnO/Si襯底和ZnO/Al襯底上分別制備了ZnO納米棒和ZnO：Al納米片陣列，并對(duì)ZnO納米棒陣列的Ni和Co元素的水熱摻雜進(jìn)行了初步研究。 為了使CVD法合成的粗產(chǎn)物易于純化，本文詳細(xì)研究了納米碳酸鈣載體負(fù)載金屬催化劑，裂解乙炔

4、合成碳納米管的實(shí)驗(yàn)參數(shù)研究，包括金屬催化劑的種類和含量、反應(yīng)溫度和時(shí)間等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)物不僅易于純化，而且提純工藝不會(huì)破壞碳納米管表面的結(jié)構(gòu)特征。碳納米管的產(chǎn)率明顯地受到了催化劑和催化劑載體熱穩(wěn)定性的影響。高溫條件通常有利于碳?xì)錃怏w的裂解和金屬催化劑活性的發(fā)揮，但是納米碳酸鈣載體的分解程度也隨溫度的升高而加劇，從而影響到金屬催化劑的團(tuán)聚和分布，并導(dǎo)致碳納米管產(chǎn)率的降低。因此，為了保證碳納米管的產(chǎn)率，一個(gè)適當(dāng)?shù)闹械鹊姆磻?yīng)溫度是必需的。

5、 采用溶膠凝膠法在Si基底上制備ZnO前驅(qū)體薄膜(pre-coatingfilm)，經(jīng)熱處理后采用化學(xué)溶液沉積法在上述制備的ZnO/Si襯底上制備了窄直徑分布、晶體取向高度一致的ZnO納米棒陣列。這種方法具有大面積、大批量、工業(yè)化生產(chǎn)ZnO納米棒陣列膜的潛力。促使ZnO一維生長的主要機(jī)制是低過飽和度機(jī)制。反應(yīng)溶液中，ZnO晶體在ZnO/Si襯底的納米ZnO薄膜上優(yōu)先形核，ZnO薄膜的納米晶粒為ZnO納米棒的生長提供籽晶。所制備的

6、ZnO納米棒陣列的微觀形貌受襯底上納米ZnO薄膜影響，通過控制氧化鋅納米薄膜的制備條件可以控制氧化鋅納米棒陣列的均勻性、納米棒直徑分布和取向度。 采用低溫水熱法在ZnO/Si襯底上制備了窄直徑分布、晶體取向高度一致的ZnO納米棒陣列。隨著前軀體濃度的升高，ZnO納米棒的平均直徑增加。在相同的前軀體濃度下，納米ZnO薄膜的制備工藝也對(duì)ZnO納米棒陣列的棒徑分布及定向度有重要影響。在相同的反應(yīng)條件下，在ZnO/Al襯底上制備了ZnO