催化剂设计调控单壁碳纳米管的导电属性及阵列密度

发布时间：2022-01-01 06:48

　　单壁碳纳米管可看作是由单层石墨烯按照一定的方向卷曲而成的一维中空管状结构,根据其卷曲方式的不同而具有不同的导电属性,即金属性和半导体性。金属性碳管可用作器件互联导线,半导体性碳管是理想的晶体管沟道材料,因此碳纳米管被认为最有可能替代硅,成为下一代芯片的基元材料。然而要实现单壁碳纳米管在纳电子器件领域的应用,首先需要获得高密度的单壁碳纳米管水平阵列与高纯度的半导体性单壁碳纳米管。目前单壁碳纳米管的可控生长的机理尚不明晰,这极大地阻碍了对其结构及性能的精细控制。催化剂是决定碳纳米管结构的最关键因素之一。因此,本论文从催化剂的负载方式、催化剂的结构和成分角度出发,探索高密度单壁碳纳米管水平阵列和半导体性富集单壁碳纳米管的可控制备方法,并研究其机理。取得的主要结果如下:建立了蒸发持续形核方法,实现了高活性催化剂颗粒在碳管生长过程中的连续供给,避免了催化剂颗粒在碳管生长过程中的团聚、失活现象,实现了高密度单壁碳纳米管水平阵列的制备。蒸发持续形核技术可具体描述为:将Fe催化剂预先储存在SiO2/Si基片表面,在高温生长过程中,Fe原子蒸发释放,在单晶石英基底表面沉积、形核、长大成为Fe纳米颗粒,并... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

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【部分图文】：

图１．１各种碳材料的结构示意图化（ａ）石墨；（ｂ）金刚石；（ｃ）富勒烯Ｃ６〇；?（ｄ）单壁??碳纳米管；（ｅ）石墨烯??

—－＞??麵?－＞??图１．２单壁碳纳米管的手性结构示意图Ｗ及典型结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｈｉｒａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ＳＷＣＮＴｓ?ａｎｄ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＳＷＣＮＴ??ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．??１．２．２单壁碳纳米管的电子学结构??单壁碳纳米管的独特电学特性与其手性角相关，随着手性角的变化，其能隙??在接近零到ｌ．ＯｅＶ范围内变化，相应的导电属性分为：金属性、准金属性和半导??体性。单壁碳纳米管可以看作是由石墨烯卷曲而成的，因此可以利用紧束缚近似??模型通过石墨烯来推导出其电子结构［９，１（）］。单层的石墨烯是带隙为零的导体，由??图１．３ａ看到，其导带和价带在第一布里渊区的六个顶点（即狄拉克点）处相交。??当石墨烯卷曲成碳纳米管时，波矢在轴向连续不变，在径向需要满足手性螺旋矢??量的周期性边界条件而量子化。此时单壁碳纳米管的手性指数会确定一系列垂直??于１＾－１＾平面的截面，用这些截面截取石墨烯的能带而获得一系列线条，即为单??壁碳纳米管的能带图［１１］。如果这些线条在布里渊区上的投影直线过狄拉克点

对应于电子态密度（ＤＯＳ）的尖峰，即ＶａｎＨｏｖｅ奇点。镜像的ＶａｎＨｏｖｅ奇点之??间的能量带隙是电子跃迁能Ｅ，，（／＝ｌ，?２，?３．．．），一般金属性单壁碳纳米管的电子??跃迁能写作Ｍ，，，半导体性单壁碳纳米管的电子跃迁能写作Ｓ，ｖ。图１．４为通过紧??束缚模型模拟计算得到的单壁碳纳米管的ＤＯＳ图Ｍ。（９，?０）和（１０，?０）碳管虽??然手性指数很相近，可是电学特性却具有很大差异。金属性的（９，?０）有分波跨??过费米能级，而半导体性的（１０，?０）碳管费米能级所在区域的电子态密度为零。??而且，半导体性单壁碳纳米管的直径与其带隙成反比（如图１．４ｃ）?［１１，１３＞１４］。??ａ?ｂ??§過重｛隱Ｕ??－４．０?－３．０?－２．０?－１．０?０．０?１．０?２．０?３．０?４．０?－４?０?＿３．０?—２．０?＿１０?０．０?１?０?２０?３．０?４０??ｍ＾／ｒ〇?＼ｍ／ｒ〇??Ｃ?＞５?—＇￣－Ｔ－＊—■￣Ｉ￣￣￣￣￣Ｉ￣■—？￣￣■￣＞—??ｉ＇；?Ｖ?；??ｒ．??Ｎａｎｏｔｕｂｅ?ｒａｄｉｕｓ?（ｎｍ）??图１．４?（ａ）金属性（９，?０）和（ｂ）半导体性（１０，?０）单壁碳纳米管的电子态密度图％??（ｃ）半导体性单壁碳纳米管的带隙与直径的关系??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｏｆ?ｓｔａｔｅｓ?ｏｆ?ＳＷＣＮＴｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｈｉｒａｌｉｔｉｅｓ：?（ａ）?（１０，?０）?ａｎｄ??（ｂ）?（９


本文编号：3561836