高質(zhì)量單壁碳納米管的生長調(diào)控與特性研究.pdf

1、單壁碳納米管(SWNTs)是一種典型的一維納米材料，具有與其直徑、手性緊密相關(guān)的電學(xué)、光學(xué)以及化學(xué)等方面的優(yōu)異性能，且半導(dǎo)體性SWNTs的帶隙與其直徑成倒數(shù)關(guān)系。然而，目前所制備的SWNTs樣品中絕大多數(shù)是由多種具有不同直徑和手性的SWNTs組成的，且難以分離，因此無法保證SWNTs基器件性能的均一性，這已經(jīng)成為阻礙SWNTs大規(guī)模應(yīng)用于納電子器件的科學(xué)難題之一。此外，當(dāng)前在利用電弧放電法進行高效率、低成本、大規(guī)模制備SWNTs方面還存

2、在諸多問題，尤其表現(xiàn)在催化劑的催化效率低下方面，一方面導(dǎo)致產(chǎn)物中含有大量雜質(zhì)，需要經(jīng)過繁瑣的后續(xù)提純處理，另一方面導(dǎo)致SWNTs制備效率不高，難以大幅度降低SWNTs的生產(chǎn)成本。針對上述問題，本論文在對電弧放電過程進行深入分析的基礎(chǔ)上開展了優(yōu)化制備工藝、調(diào)控SWNTs成核、生長過程、低純度樣品提純及選擇性刻蝕金屬性SWNTs等方面的研究工作。
　　首先對電弧放電過程中各影響因素進行了深入細致的分析，重點研究了催化劑的引入方式、不同

3、陰極尺寸等因素對所制備SWNTs的純度和產(chǎn)量的影響。實驗結(jié)果表明，催化劑以金屬鹽的方式引入時能夠顯著地改善其在陽極石墨棒的分布均勻性，有利于提高催化效率，大大提高了產(chǎn)物中SWNTs的純度。適當(dāng)增加陰極直徑有利于改善SWNTs成核、生長環(huán)境，提高產(chǎn)物中SWNTs的純度，通過調(diào)控陰極直徑（0.8 cm～2.5 cm）可以實現(xiàn)對SWNTs長度的調(diào)控。
　　提出了通過引入低壓反應(yīng)性氣體對SWNTs成核、生長過程進行主動干預(yù)來實現(xiàn)調(diào)控SWN

4、Ts直徑分布的思想。在電弧放電過程中，引入的低壓反應(yīng)性氣體（CO、CO2和N2O）能夠影響SWNTs的成核、生長過程。增加反應(yīng)性氣體在緩沖氣體中的含量能夠?qū)崿F(xiàn)抑制小直徑SWNTs的形成，而使SWNTs直徑分布向大直徑SWNTs方向移動。同時，引入少量反應(yīng)性氣體在一定程度上可以提高產(chǎn)物中SWNTs的純度。
　　首次利用橫向磁場控制磁性催化劑在電弧等離子體中的運動行為；利用電磁場來調(diào)控電弧等離子體參數(shù)(等離子體密度、電子溫度)、帶電碳

5、原子簇的運動行為、電子運動方向等。通過改變磁場強度、方向能夠控制電弧等離子體的噴射方向，也即控制了催化劑以及帶電碳原子簇的運動狀態(tài)，最終達到對SWNTs成核、生長以及沉積方向的調(diào)控。施加橫向磁場后，在定向電弧等離子體前、后、左、右等四個區(qū)域收集的SWNTs樣品具有不同的直徑分布，尤其當(dāng) Fe/Mo作為催化劑時，改變橫向磁場強度與方向能夠?qū)WNTs直徑分布與定向沉積方向進行更加有效地調(diào)控。同時，研究結(jié)果表明磁場對SWNTs制備過程的調(diào)控

6、主要是通過影響催化劑粒子在非均勻磁場中的尺寸分布來實現(xiàn)的，洛倫茲力改變盡管能夠調(diào)控SWNTs的直徑分布但并未起到?jīng)Q定性作用。另外，首次利用施加橫向磁場可誘導(dǎo)SWNTs定向沉積這一特點將非連續(xù)單反應(yīng)室SWNTs的單批次制備產(chǎn)量由10克提高到50克以上。
　　針對低純度SWNTs樣品提純這一難題，提出利用分步離心逐級提高SWNTs純度與濕法氧化相結(jié)合的綜合方法進行SWNTs提純處理。具體來講，首先通過空氣氧化去除大部分無定形碳成分；然

7、后將樣品均勻分散形成SWNTs-SDS水溶液，然后分別在4500、9000、12000和15000 rpm等四種轉(zhuǎn)速下離心分離逐步將雜質(zhì)沉淀分離出來；接著采用H2O2加熱回流的方式氧化去除殘余的超細雜質(zhì)粒子，并通過稀酸酸洗反應(yīng)掉殘余的催化劑粒子，最后獲得潔凈的SWNTs樣品。該提純方法對SWNTs結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞很小，能很好地保留了初始樣品中SWNTs直徑分布的信息，這為研究直徑可控性生長及后續(xù)的測試分析提供保障。
　　利用金屬性與