直立石墨烯和纳米金刚石薄膜的简易制备及场发射性能研究
发布时间：2021-07-09 20:39
碳纳米材料/结构由于具有丰富且独特的物理、化学性能及良好的生物兼容性,在电子信息、新能源、新材料和生物医药等领域得到了广泛应用。作为两种典型的碳纳米材料/结构,直立石墨烯纳米片大的高宽比和纳米金刚石薄膜低/负的电子亲和势使它们具有良好的场发射性能,可用于新一代冷阴极场发射器件中。目前,它们一般是通过基于气相碳源的等离子体增强化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）或热丝CVD生长获得,存在设备和维护成本高、操作控制系统复杂、气相碳源和掺杂源使用、存储的安全性以及规模化制备等问题。针对上述问题,我们开发了基于管式炉中的热化学生长技术,通过调节前驱体成分并优化实验参数,实现了本征及掺杂的直立石墨烯纳米片阵列和纳米金刚石薄膜的制备,并对其场发射性能进行了研究。本论文的主要内容包括:1.简要介绍了直立石墨烯纳米片和纳米金刚石薄膜的研究背景和现状,归纳总结了它们的主要制备方法及功能特性,阐述了本论文的研究意义、内容及测试与表征方法。2.以甲烷（CH4）气体为碳源,通过优化实验参数,包括催化剂预处理温度、生长温度、时间和气压等,实现了直立石墨...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
碳基电子和能源器件的可持续循环周期图示
博士学位论文 直立石墨烯和纳米金刚石薄膜的简易制备及场发射002 年，Wu 等研究人员报道了在使用 MPECVD 生长碳纳米管的过加直流偏压时，通过催化剂 NiFe 的催化作用，在基底（硅片、二蓝宝石）上生长了垂直于基底的碳纳米墙[33,34]。这是首次报道使用上制备二维直立石墨烯纳米片（碳纳米墙）。他们采用 MPECVD配备了一个 500 W 的微波源和一个横向矩形腔，该横向矩形腔将英管生产等离子体。将两个平行板电极（间距为 2 cm）置于石英纵向施加直流偏压，以此促进纳米管和纳米墙阵列生长，碳纳米墙如图 1.3 所示。研究发现，当基底温度在 650 700 °C 范围内、炉内 Torr 时，基底上施加的直流偏压切断或基底从直流偏压电极上分离到基底上生长的都是碳纳米墙，没有碳纳米管的出现，如图 1.4 所
图 1.4 Wu 等制备的碳纳米墙的扫描图像[34]。比例尺大小：（a）100 nm，（b）1 μm随后，Srivastava 等人同样使用 MPECVD，无需对基底施加直流偏压，在相对低的温度下，生长直立石墨烯纳米片[35]。实验参数为：基底温度在 350 650 °C范围内，炉内气体压强为 5 Torr，微波功率为 300 450 W。研究发现，随着微波功率的增加和基底温度的升高，类花瓣状直立石墨烯纳米片的密度增大，纳米片的尺寸减小。此外，他们研究了催化剂对于直立石墨烯纳米片生长的重要性，发现在没有催化剂的基底上没有直立石墨烯纳米片/碳纳米管的出现。然而，Tanaka 等人却发现，在对基底施加直流偏压时，使用 MPECVD，无需添加催化剂就可以实现直立石墨烯纳米片的生长[36]。相关实验参数为：直流偏压为 185 V，炉内气体压强为 1.7 Torr，微波功率为 500 W。研究发现在未添加催化剂的二氧化硅基底上，直立石墨烯纳米片仍呈良好势头生长，且随着生长时间的增加，直立石墨烯纳米片阵列的高度、厚度以及纳米片间网孔尺寸均增大。值得注意的是，直立石墨烯纳米片的生长速率高达 10 μm/h。同样,Wang 等人采用大功率 MPECVD 在硅晶圆上生长垂直基底的石墨烯纳米片[37]。他们使用的微波功率高达 2 kW，基体温度为 950 °C，炉内气体压强为 70 Torr。这种方法尽管
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔碳材料的设计合成及其在能源存储与转换领域中的应用[J]. 刘明贤,缪灵,陆文静,朱大章,徐子颉,甘礼华,陈龙武. 科学通报. 2017(06)
本文编号：3274457
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
碳基电子和能源器件的可持续循环周期图示
博士学位论文 直立石墨烯和纳米金刚石薄膜的简易制备及场发射002 年，Wu 等研究人员报道了在使用 MPECVD 生长碳纳米管的过加直流偏压时，通过催化剂 NiFe 的催化作用，在基底（硅片、二蓝宝石）上生长了垂直于基底的碳纳米墙[33,34]。这是首次报道使用上制备二维直立石墨烯纳米片（碳纳米墙）。他们采用 MPECVD配备了一个 500 W 的微波源和一个横向矩形腔，该横向矩形腔将英管生产等离子体。将两个平行板电极（间距为 2 cm）置于石英纵向施加直流偏压，以此促进纳米管和纳米墙阵列生长，碳纳米墙如图 1.3 所示。研究发现，当基底温度在 650 700 °C 范围内、炉内 Torr 时，基底上施加的直流偏压切断或基底从直流偏压电极上分离到基底上生长的都是碳纳米墙，没有碳纳米管的出现，如图 1.4 所
图 1.4 Wu 等制备的碳纳米墙的扫描图像[34]。比例尺大小：（a）100 nm，（b）1 μm随后，Srivastava 等人同样使用 MPECVD，无需对基底施加直流偏压，在相对低的温度下，生长直立石墨烯纳米片[35]。实验参数为：基底温度在 350 650 °C范围内，炉内气体压强为 5 Torr，微波功率为 300 450 W。研究发现，随着微波功率的增加和基底温度的升高，类花瓣状直立石墨烯纳米片的密度增大，纳米片的尺寸减小。此外，他们研究了催化剂对于直立石墨烯纳米片生长的重要性，发现在没有催化剂的基底上没有直立石墨烯纳米片/碳纳米管的出现。然而，Tanaka 等人却发现，在对基底施加直流偏压时，使用 MPECVD，无需添加催化剂就可以实现直立石墨烯纳米片的生长[36]。相关实验参数为：直流偏压为 185 V，炉内气体压强为 1.7 Torr，微波功率为 500 W。研究发现在未添加催化剂的二氧化硅基底上，直立石墨烯纳米片仍呈良好势头生长，且随着生长时间的增加，直立石墨烯纳米片阵列的高度、厚度以及纳米片间网孔尺寸均增大。值得注意的是，直立石墨烯纳米片的生长速率高达 10 μm/h。同样,Wang 等人采用大功率 MPECVD 在硅晶圆上生长垂直基底的石墨烯纳米片[37]。他们使用的微波功率高达 2 kW，基体温度为 950 °C，炉内气体压强为 70 Torr。这种方法尽管
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔碳材料的设计合成及其在能源存储与转换领域中的应用[J]. 刘明贤,缪灵,陆文静,朱大章,徐子颉,甘礼华,陈龙武. 科学通报. 2017(06)
本文编号：3274457
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