定向生长碳纳米管的研究进展

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，已利用各种方法成合成出碳纳米管，特别是利用化学气相沉积（CVD）方法制备了高度准直的碳纳米管，实现了碳纳米管的定向生长，使得碳纳米管具有更加广泛的应用价值和研究价值。本文综述了近几年CVD定向生长碳纳米管的方法和生长机制，分析和讨论了不同制备方法对碳纳米管生长过程的影响，同时还着重分析了催化剂颗粒在碳纳米管的生长过程中对定向生长碳纳米管的作用。     

纳米颗粒与碳纳米管的合成

金属纳米颗粒和碳纳米管是两种重要的纳米材料。本文采用一个简单的方法合成了铁钴(Fe/Co)纳米颗粒,并采用化学气相沉积法实现了碳纳米管的批量合成,纳米颗粒的尺寸分布均匀,碳纳米管管径均匀、高纯度、结构完美。合成的碳纳米管机械强度高,同时还有独特的金属或半导体导电性。     

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。     

稀土元素修饰催化剂对碳纳米管生长的影响

在催化裂解乙烯生长碳纳米管时，在将稀土元素加入过渡金属催化剂可使合成碳纳米管的温度降至560℃，在稀土元素影响温区（＜600℃），内，碳纳米管的产率可提高约250％，合成的碳纳米管直径随温度变化的测试表明，在反应温度为560℃时直径最小，约为10nm以下，且非晶碳颗粒最少。     

碳纳米管的合成与制备

金属纳米颗粒和碳纳米管是两种重要的纳米材料,要实现碳纳米管的大批量制备,必须首先解决催化剂连续投放问题和催化剂与产物及时导出的问题.通过特殊的反应装置和工艺可以实现碳纳米管的连续制备,从而达到低成本大批量制备碳纳米管的目的.本文采用一个简单的方法合成了铁钴(Fe/Co)纳米颗粒,并采用化学气相沉积法实现了碳纳米管的批量合成,纳米颗粒的尺寸分布均匀,碳纳米管管径均匀、高纯度、结构完美.合成的碳纳米管机械强度高,同时还有独特的金属或半导体导电性.     

硫辅助填充高压Fe5C2/Fe7C3单晶相的碳纳米管研究

硫可以用作生长促进剂制备具有不同形态的碳纳米结构, 例如: Y型和海胆状结构, 单壁碳纳米管(SWCNTs), 双壁碳纳米管薄膜等. 此外, 研究表明低浓度的硫和低气体流量可实现碳纳米管中高压Fe7C3和Fe5C2相晶体的填充. 然而, 碳纳米管中高压相的填充条件以及连续垂直取向的碳纳米管薄膜的合成和形貌控制的条件尚需进一步研究. 本文采用化学气相沉积(CVD),使用硫和二茂铁的混合物作为生长促进剂和碳源, 在氩(Ar)气环境中将Si/SiO2基底作为局部生长区域, 实现了在碳纳米管内填充碳化铁相, 并通过对所得碳结构进行详细表征, 揭示填充的碳化物相(Fe5C2和Fe7C3)之间可能存在结合, 这些结果在磁数据存储方面将有潜在应用.     

硫辅助填充高压Fe_5C_2/Fe_7C_3单晶相的少壁碳纳米管研究（英文）

硫可以用作生长促进剂制备具有不同形态的碳纳米结构,例如:Y型和海胆状结构,单壁碳纳米管(SWCNTs),双壁碳纳米管薄膜等.此外,研究表明低浓度的硫和低气体流量可实现碳纳米管中高压Fe_7C_3和Fe_5C_2相晶体的填充.然而,碳纳米管中高压相的填充条件以及连续垂直取向的碳纳米管薄膜的合成和形貌控制的条件尚需进一步研究.本文采用化学气相沉积(CVD),使用硫和二茂铁的混合物作为生长促进剂和碳源,在氩(Ar)气环境中将Si/SiO_2基底作为局部生长区域,实现了在碳纳米管内填充碳化铁相,并通过对所得碳结构进行详细表征,揭示填充的碳化物相(Fe_5C_2和Fe_7C_3)之间可能存在结合,这些结果在磁数据存储方面将有潜在应用.     

基板焙烧温度与合成时间对V形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形火焰法,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500～600℃时产物的产量和质量最优。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。2 min后碳管开始生长,7 min得到的碳管均匀覆盖于基板表面,管壁笔直,杂质少。可见,V形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。     

气相沉积方法生长TiC纳米棒

用碳纳米管限制反应,采用气相沉积方法生成TiC的纳米棒,TiC纳米棒的形貌依赖于碳纳米管的形状和生长条件,其直径大于碳纳米管的直径,并且对TiC纳米棒的生长机制进行了讨论。     

优化催化剂密度改善碳纳米管薄膜纯度与场发射特性

对涂敷有不同浓度催化剂的硅基生长出的碳纳米管薄膜的生长状况和特性进行了研究，并且获得了催化剂的优化浓度，在基底上涂敷氢氧化铁溶胶从而引入催化剂颗粒，用低压化学气相沉积法生长出碳纳米管薄膜，工艺表明，碳纳米管薄膜的生长状况受到催化剂密度的影响，当密度太高时，碳纳米管薄膜的尖端效应不明显，且杂质含量较高；当密度太低时，无法生长出均匀的碳纳米管薄膜，扫描电镜分析和场发射特性测试表明，涂敷有优化浓度的催化剂生长出的碳纳米管薄膜，具有更明显的尖端效应，更高的纯度，阈值电压降到95V，透射电镜观察到的碳纳米管直径为10-100nm。     

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。     

电弧法获得的几种奇异碳纳米管的研究

用电弧法制备碳纳管时,在阴极沉积物中,伴随大量正常的离散碳纳米管的产生,发现了孪生碳纳米管、菱形碳纳米管、“Y”形短管和碳纳米纤维等几种奇异的碳纳米形态。给出了这些奇异碳纳米管的透射电镜（TEM）照片,对它们的生长、闭合过程进行了研究,认为碳原子流、电场等因素的影响是奇异碳纳米管形成的关键,借助碳纳米管以内层为模板的开口生长模型,可以定性地理解它们的形成过程及生长机理。     

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。     

钛基底上碳纳米管束阵列的制备与电化学性质

用热化学气相沉积法在阳极氧化4min的钛片上直接生长了有序碳纳米管束阵列。扫描电镜和透射电镜表征分析证明碳纳米管呈有序束状,管束由缠绕的碳纳米管组成。用半导体参数测试仪测得的电流-电压特性曲线接近线性,表明碳纳米管和钛片间近似欧姆接触。X射线衍射（XRD）表明TiC层的存在,进而通过对C-Ti二相图的分析确定TiC层是实现碳纳米管与钛基底近似欧姆接触的原因。用交流阻抗和循环伏安研究了碳纳米管阵列的电化学性质,证明其具有良好的电容特性。     

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。     

稀土元素Sm修饰催化剂对碳纳米管生长的影响

稀土催化剂是一种稳定性好、选择性高、很活泼的催化剂，在石油的催化裂解方面得到了广泛的应用．以CVD方法生长碳纳米管经稀土元素Sm修饰过渡金属催化剂，进一步增强了催化剂的活性，有效降低了碳氢气的催化裂解温度，从而使合成温度降低到630℃以下，合成的碳纳米管维度也有所改善，这对于大量工业化生长优质碳纳米管具有一定的应用前景．     

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.     

气相纳米颗粒合成法

纳米技术是个热点的话题，但是对这种技术后面相关过程的基础的科学方面却并未受到学术界应有的重视，本书至少是在气相法的基础方面填补了这一空白。书中内容涉及纳米颗粒系统动力学中的力、气体蒸发与气体沉积、纳米颗粒的激光辅助合成法、纳米颗粒生长过程的原位结构研究等。本书是众多作者的集大成之作。     

多壁碳纳米管的纯化

研究了碳纳米管中各种不同形态的碳相在氢气氛下的甲烷化行为及其在碳纳米管纯化中的应用,研究结果表明,不同稳定性的碳相在氢气氛下的起始甲烷化温度是不一样的,构成碳纳米管主体的六元环的碳,较之类似活性碳的杂形碳以及主要由五元环和七元环构成的碳纳米小颗粒,在氢气氛下是较为稳定的,实验表明,通过控制甲烷化的温度以及尾气的相色谱检测可实现碳纳米管的纯化及纯化进程的实时在线监控。     

碳纳米管的电镜图象

运用Ｘ６５０扫描电镜、Ｈ８００透射电镜等对各种碳纳米管的形貌和结构进行了观察,发现碳纳米管呈纤维状,且有一定的弯曲;碳纳米管管端始终是封闭的,管子四周被碳纳米颗粒包围;纯化后的碳纳米管管壁四周的碳纳米颗粒消失,管口同时被打开．此外,还对其形成原因进行了分析