碳纳米管生长机理研究现状及固-液界面生长模型探索

分析讨论了电弧法、激光蒸发法、CVD法制备碳纳米管的生长模型,结合催化剂的熔点,尝试性提出了CVD法制备碳纳米管的固-液界面生长模型.     

气流控制的碳纳米管的定向生长研究

通过严格控制气流的方向和催化剂颗粒的密度,加以利用材料自身的重力作用,用热化学气相沉积（T-CVD）的方法在硅衬底上制备了长度可控且与衬底平行的碳纳米管（CNTs）。并研究了催化剂的厚度,生长时间和重力等因素对碳纳米管定向生长的影响。利用扫描电镜对制备的碳纳米管进行了表征。     

催化剂厚度对碳纳米管直径的影响

由于碳纳米管具有独特的结构和性能，因而自从被发现以来一直受到人们的关注。近年来，已利用各种方法成功地合成出碳纳米管，特别是利用化学气相沉积方法制备高度准直的碳纳米管。分析了该方法中催化剂厚度对碳纳米管直径的影响，利用负衬底偏压热灯丝CVD系统和不同厚度的NiFe催化剂在Si衬底上直接生长，并用扫描电子显微镜来研究碳纳米管的生长过程。结果表明催化剂颗粒封闭了碳纳米管的顶端，催化剂厚度对碳纳米管的直径有较大的影响，碳纳米管的平均直径随催化剂厚度的增大而增大。     

工艺参数对碳纳米管定向薄膜生长的影响

为了生长出高质量的定向碳纳米管薄膜 ,研究了反应时间、反应温度等工艺参数对薄膜生长的影响。试验采用二甲苯为碳源 ,二茂铁为催化剂 ,在石英基底上催化裂解生长碳纳米管定向薄膜。通过扫描电子显微镜 (SEM)和透射电子显微镜 (TEM)观察表明 ,得到的薄膜是由定向性良好的多壁碳纳米管 (MWNTs)组成 ,管径为 2 0～ 5 0 nm。反应时间对定向生长的碳纳米管长度有决定性影响 ;随反应时间的增长 ,定向性更好。同时 ,较适合碳纳米管薄膜定向生长的反应温度区间为 10 5 3～ 1113K。而反应温度和反应时间对薄膜中碳纳米管的直径无明显影响。     

催化剂、基底对ECR-CVD法制备碳纳米管的影响

采用电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积技术(ECR CVD),CH4和H2为气源,分别以Fe3O4,Co纳米粒子及Fe(NO)3溶胶为催化剂在多孔硅基底上制备了碳纳米管;在Si(111)和石英基底上以Fe3O4纳米粒子为催化剂实现了碳纳米管的生长·使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对样品的形貌、尺寸及结构进行表征·讨论了催化剂和基底对碳纳米管形貌、密度和取向性的影响·结果表明:催化剂影响碳纳米管的成核密度和生长速度,基底通过影响催化剂的特性和分布均匀性,对碳纳米管的形貌和生长模式产生重要影响,以Fe3O4为催化剂在多孔硅上实现了碳纳米管的最优定向生长·     

镍粒子在单壁碳纳米管生成中的催化机制

用CVD法制备单壁碳纳米管，一般加入镍金属颗粒作为催化剂，由于镍金属颗粒不同晶体表面对碳原子的吸附具有不同的活性，在制备单壁碳纳米管时，导致镍颗粒（液态）吸附的碳原子在其表面由活性小的晶面活性大的晶面扩散并沉积，结果围绕镍金属颗粒形成空腔，单壁碳纳米管得以生成，在单壁碳纳米管生长过程中，镍原子作为替位式原子，总是处在碳纳米管六角网络的最外端，起着缺陷稳定剂的并促进其生成，笔者阐述了镍金属颗粒催化剂的催化机制，并对单壁碳纳米管产物的形貌作了合理解释。     

导电活性碳层/碳纸基底上碳纳米管阵列的可控制备

通过热催化化学气相沉积法,在催化剂前驱体预置法处理过的碳纸上制备出了定向生长的碳纳米管阵列,并使用扫描电子显微镜(SEM)考察了反应温度、反应混合气线速度等工艺条件对定向碳纳米管阵列微观形貌的影响。研究表明:反应区温度在750～800℃,碳源二甲苯的摩尔分数4.6%,反应混合气线速度为1.40 cm/s,二茂铁与二甲苯摩尔比为1∶50～1∶30时能够获得定向生长的碳纳米管阵列,管径范围为30～40 nm。在二甲苯中添加少量乙醇时,碳纳米管聚集成独立束状结构,其生长速率较大,管的长度较大。在实验的基础上,初步探讨了在导电碳黑层基底上碳纳米管阵列定向生长的机理。     

碳纳米管在碳纤维纸上的生长研究

采用酞菁铁(FePc)作为碳源和催化剂源,利用化学气相沉积(CVD)法在碳纤维纸(CFP)上生长碳纳米管(CNTs),从而制备了碳纳米管/碳纤维纸复合材料,并利用扫描电镜(SEM)测试、X射线衍射(XRD)测试、接触角测试、电导率测试和孔隙率测试等方法对其结构和性能进行了表征.结果表明,碳纳米管能在碳纤维纸表面生长;表面生长碳纳米管后,碳纤维纸的疏水性、孔隙率和电导率均有所提高.     

短碳纳米管的制备

本文利用活性碳、氧化硅和二茂铁的混合物通过气相高温的方法在石英衬底上制备了直径在30～100mm、长约为1μm的短碳纳米管,并通过扫描电镜、投射电镜、电子衍射以及EDS对碳纳米管的形貌及成分进行分析。并对短碳纳米管的形成作了讨论．     

GaN纳米线的成核及生长机制研究

报道了利用CVD方法研究GaN纳米线的成核和生长机理的最新结果,着重强调了生长温度和催化剂对纳米线生长的影响。通过分析GaN纳 米线的形貌、显微结构与生长温度、催化剂等影响因素之间的依赖关系,详细研究了GaN纳米线的生长过程。这一结果有助于了解一维纳米结构的生长机理,实现纳米材料的可控制生长,并有可能直接应用于GaN纳米器件的制备。     

不同过渡层和电场方向对碳纳米管或纤维生长的影响

利用等离子体增强化学气相沉积系统沉积了碳纳米管或纤维，并用扫描电子显微镜研究了它们的生长和结构．为避免碳纳米管或纤维在生长过程中从衬底Si表面上脱落，先在Si表面上溅射沉积了金属过渡层Ti或Ta，然后再沉积催化剂NiFe．结果发现Ti和Ta过渡层对碳纳米管或纤维的结构有很大的影响．另外，还发现衬底Si放在支架的不同位置，碳纳米管或纤维的生长方向不同，这可能是由于辉光放电产生的非均匀电场所致．对不同过渡层和电场方向对碳纳米管或纤维生长的影响进行了分析和讨论．     

基板焙烧温度与合成时间对V型火焰法于不锈钢基板直接生长碳纳米管的影响

为了实现于锅炉中直接制备附着碳纳米管的各类构件,采用自主研发的V型火焰法,在不锈钢基板上直接快速生长碳纳米管。通过SEM、XRD谱和Raman光谱分析了基板预处理温度和合成时间对碳纳米管生长过程,并对不同条件下产物的形态、结晶度进行了分析;通过EDS分析了附着碳纳米管的基板元素含量变化。结果表明：通过调整基板的焙烧温度,能够控制基板上碳管的密度和质量,焙烧温度为500~600oC时产物的产量和质量最优;本实验条件下,铁是促进碳纳米管生长的活性位点;碳纳米管的生长经过碳的溶解、扩散和析出的过程,本实验条件下,2min后碳管开始生长,7min得到的碳管均匀覆盖于基板表面,管壁笔直,杂质少。可见,V型火焰法能够直接在经过焙烧的不锈钢板上生长碳管,且合成时间短,预处理过程简单,为批量生产附着碳纳米管构件提供了简单有效的途径。     

Alignment of Multi-walled Carbon Nanotubes in Polyacrylonitrile Fibers by Mechanical Drawing

Polyacrylonitrile(PAN)/multi-walled carbon nanotubes(MWNTs)nanocomposites were prepared by an in-situ polymerization method and the fibers from these composites were obtained by a wet-spinning process.The orientation behavior of MWNTs in the PAN fibers was investigated by X-ray diffraction and sound velocity methods.The dispersion and the alignment of the nanotubes were also studied by scanning electron microscopy.     

铁基多元催化剂组分对V型火焰法生长碳纳米管的影响

为了实现火焰法批量制备碳纳米管,采用自行研发的V型火焰燃烧器,深入研究催化剂组分对碳纳米管的影响,并开发新型催化剂。利用扫描电镜、能谱仪和拉曼光谱仪分析不同催化剂所得产物的形态、质量和结晶度;通过分析程序升温还原曲线和X射线光电子能谱,研究不同催化剂活性组分及助催化组分对催化剂性质的影响。结果表明:通过选择活性组分和配合组分,能够控制碳纳米管的形态和质量,开发了能够生长高密度簇状碳纳米管的三元催化剂;本实验条件下,铁作为活性组分要优于镍,少量的镍以游离态NiO存在,激活催化剂催化活性;铬不适合作为活性组分,在催化剂中起到分散剂的作用,使活性组分分散,促进簇状碳纳米管的形成;Fe~(2+)/Fe~(3+)的比例影响催化剂催化活性,Fe~(2+)/Fe~(3+)比例减小能够提高催化剂的还原性及催化活性。可见,通过深入研究不同组分的作用,进而研制新型催化剂,能够改善V型火焰法生长碳纳米管的形态及产量,为批量生产特定形态的碳纳米管提供低成本、简单易操作的有效方法。     

Y型分叉碳纳米管的研究

Y型结构碳纳米管几何结构独特,具有典型的应用价值,可作为网络状增强组分应用于高性能复合材料中,在三极管纳米电子器件等领域发挥作用,因此引起众多研究者的关注.用电弧法制备了Y型碳纳米管,研究了它的形成机理和制备工艺参数,并利用透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和电子能谱(EDS)考察了它们的形貌和结构特征.研究结果显示,Y型碳管在其拐点处存在催化剂粒子,由于催化剂的作用,在体系内产生了七元环拓扑缺陷,进而形成Y型分叉结构.Y型碳管结构的形态与制备参数有关,催化剂含量愈高,形成Y型和其它奇异结构碳管愈多.     

氯化铁为前驱态催化剂的纳米碳管制备和表征

利用氯化铁为催化剂前驱体 ,结合悬浮催化剂法和基体法的优点 ,采用一种我们称之为悬浮催化 -基体的新方法在 70 0℃生长出了管壁清洁、直径均匀的纳米碳管 ,同时讨论了经不同时间氢气预处理的催化剂铁颗粒对生长纳米碳管直径和缺陷的影响 .实验显示该方法很有希望实现纳米碳管廉价、大批量生产     

碳纳米管复合材料的有效热导率

考虑到碳纳米管的空间取向分布特征,建立了碳纳米管复合材料的有效热导率模型。根据Maxwell理论,推导出了计算碳纳米管复合材料有效热导率的简单公式。应用实例表明,该模型能够很好地解释在碳纳米管纳米流体中观察到的热导率异常增加现象,还可以用来分析纳米管复合材料的渗流性质,而且理论计算结果与实验结果吻合较好。     

Direct growth of single-walled carbon nanotubes on substrates

As one of the most promising candidate material for next generation electronic devices, the reliable and controllable synthesis of high quality single-walled carbon nanotubes (SWNTs) has long been an essential and important issue in the field. Direct growth of SWNTs on flat substrates by chemical vapor deposition (CVD) process is the best way to obtain SWNTs because it is immediately ready for building nano-devices. The orientation of the SWNTs has been well controlled by gas flow or substrate lattice during the CVD growth process. The chirality and structure control of SWNTs is still a big challenge. However, the conductivity selective growth has already partially succeeded. New catalysts have been explored to obtain SWNTs of higher quality. Along with the further progress in the study of the SWNT growth, the precise control over the orientation, position and conductivity of SWNTs is expected to meet the requirements of carbon-based nanoelectronics.     

N/C对碳氮膜修饰的多壁碳纳米管细胞相容性的影响

为改善碳纳米管的细胞相容性,通过离子束辅助沉积方法在由化学气相沉淀法制备的多壁碳纳米管表面沉积纳米厚度的碳氮膜以进行表面修饰.通过观察L929小鼠肺部成纤维细胞、EAHY926人内皮细胞和兔血红细胞在修饰前后的碳纳米管表面的黏附和生长状态可知,沉积CNx膜的多壁碳纳米管的细胞相容性优于沉积前,表现出良好的生命活性和增殖状态,同时,较高的N/C比有利于细胞在沉积CNx膜碳纳米管表面的增殖和生长以及细胞形态的伸展.