一種碳納米管-硅巢狀陣列的制備與場(chǎng)發(fā)射、濕敏性能研究.pdf

1、自1991年被日本科學(xué)家Lijima發(fā)現(xiàn)以來(lái)，碳納米管(CNT)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)使之在平板顯示、傳感器、納米器件及SPM探針等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。碳納米管因具有小的尖端曲率半徑、大的長(zhǎng)徑比、相對(duì)低的功函數(shù)、高的熱導(dǎo)和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，作為大面積平板顯示器的電子發(fā)射陰極具有大的優(yōu)勢(shì)，被人們寄予厚望。但CNT場(chǎng)發(fā)射器件的場(chǎng)發(fā)射性能遠(yuǎn)未達(dá)到理論計(jì)算，如發(fā)射電流密度較低、發(fā)射點(diǎn)密度不夠高、電子發(fā)射不夠穩(wěn)定等問(wèn)題，在生長(zhǎng)機(jī)理上

2、也存有爭(zhēng)議。CNT。場(chǎng)發(fā)射性能的改善是其走向產(chǎn)業(yè)化的重要一步。另一方面，CNT。因具有大的比表面積，近年來(lái)作為新興的傳感材料，在氣敏和濕敏方面的報(bào)道不斷出現(xiàn)。然而，盡管電阻型CNT敏感材料在檢測(cè)NO<,2>、HN<,3>及H<,2>S等毒性氣體時(shí)呈現(xiàn)出高的器件響應(yīng)和快的速度響應(yīng)，但在濕度檢測(cè)時(shí)卻伴隨有器件響應(yīng)低、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)和隨濕度的非線性響應(yīng)等缺點(diǎn)。本研究小組已制備出一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)峙征的襯底——硅納米孔柱陣列(Si-NPA)，已有的

3、結(jié)果顯示它具有好的場(chǎng)發(fā)射性能和濕敏性能，并歸因于其表面結(jié)構(gòu)形貌。本論文研究的目的就是結(jié)合CNT的性能優(yōu)勢(shì)和Si-NPA的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)CNT作為場(chǎng)發(fā)射冷陰極和濕敏傳感器的上述一些問(wèn)題展開(kāi)。首先采用熱CVD技術(shù)制備了一種碳納米管/硅巢狀陣列(NACNT/Si-NPA)。然后分別從碳納米管/硅巢狀陣列的生長(zhǎng)工藝、浮動(dòng)催化裂解法制備碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理、場(chǎng)發(fā)射性能優(yōu)化、電阻以及電容型濕度傳感器性能的改善幾方面進(jìn)行了較為深入的研究。 1．

4、制備了具有準(zhǔn)周期性陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)的NACNT/Si-NPA，并對(duì)其表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在不同的溫度下，采用化學(xué)氣相沉積方法在硅納米孔柱陣列上進(jìn)行不同時(shí)間的碳納米管生長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)所制備的樣品進(jìn)行整體形貌、質(zhì)量和單根碳納米管的結(jié)構(gòu)及場(chǎng)發(fā)射性能的分析、比較，優(yōu)化了碳納米管/硅巢狀陣列的制備條件，并分析了溫度對(duì)碳納米管/硅巢狀陣列的影響。 2．研究了NACNT/Si-NPA的生長(zhǎng)過(guò)程，提出了無(wú)催化劑、預(yù)浸漬催化生長(zhǎng)及浮動(dòng)催化生長(zhǎng)碳

5、納米管的一些可能的生長(zhǎng)機(jī)理。為研究CNT形成過(guò)程中襯底Si-NPA的作用，催化劑與襯底之間的作用，及浮動(dòng)催化生長(zhǎng)模式，分別在無(wú)催化劑、預(yù)浸潤(rùn)催化劑和浮動(dòng)催化劑等多種條件下生長(zhǎng)碳納米管/硅納米孔柱陣列，并采用SEM、TEM、拉曼以及選區(qū)電子衍射等手段進(jìn)行表面形貌觀察和成分分析，同時(shí)采取二次生長(zhǎng)等方法，比較深入地分析了各種沉積條件下碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理，提出了一些新的碳納米管生長(zhǎng)模式。 3．優(yōu)化了NACNT/Si-NPA場(chǎng)發(fā)射性能。將

6、不同溫度、不同時(shí)間下制備的NACNT/Si-NPA進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試及比較，得出最優(yōu)制備條件。與當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的碳納米管場(chǎng)發(fā)射的性能作了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳納米管/硅巢狀陣列具有低的開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)、較低電壓下能提供較大的電流密度，對(duì)場(chǎng)發(fā)射機(jī)理進(jìn)行了深入分析，提出了多級(jí)發(fā)射機(jī)理。這些結(jié)果對(duì)碳納米管的實(shí)際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。 4．測(cè)試了NACNT/WSi-NPA的濕敏性能，得到了較好的結(jié)果。同樣利用碳納米管對(duì)外界環(huán)境所表現(xiàn)出的奇特的電學(xué)性能及

7、結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，對(duì)不同條件下的碳納米管/硅巢狀陣列的濕敏性能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，相比單個(gè)襯底和碳納米管材料，二者的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料具有更高的靈敏度，更好的穩(wěn)定性。相比已有的文獻(xiàn)報(bào)道，電阻型的復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器不但靈敏度有了大的增加，電阻隨濕度的變化呈現(xiàn)非常好的線性。電容型的復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器除響應(yīng)快、靈敏度高，將電容值取對(duì)數(shù)，使對(duì)數(shù)電容隨相對(duì)濕度的變化也呈現(xiàn)非常好的線性。由于電容隨濕度的變化為非線性是所有電容型傳感器的通病，本文通過(guò)簡(jiǎn)單的函數(shù)變換，使之