大直径半导体性单壁碳纳米管的制备及碳纳米管基光电探测器的研究
发布时间：2021-07-02 12:08
单壁碳纳米管具有独特的一维中空管状结构和优异的性能,其宽谱响应、高光吸收系数使得其成为极具前景的光电探测材料。但迄今为止,碳纳米管基高性能电子器件仍未获得实际应用。其主要原因是结构一致、单一导电属性单壁碳纳米管的宏量制备问题尚未解决。针对这一问题,本论文采用浮动催化剂化学气相沉积法,利用羟基自由基的刻蚀性,通过原位反应刻蚀宏量制备高质量大直径半导体性单壁碳纳米管;进而探索大直径单壁碳纳米管在光电探测方面的应用,为高性能碳纳米管基光电探测器的构建提供思路。取得的主要研究结果如下:高质量、大直径半导体性单壁碳纳米管的控制制备。基于不同导电属性及不同直径单壁碳纳米管在化学反应活性上的差异,利用低碳醇高温裂解产生的羟基自由基在单壁碳纳米管生长过程中进行原位选择性刻蚀;发现OH/C比是实现半导体性富集碳纳米管生长的关键,在优化条件下实现了高纯度（>91%）半导体性单壁碳纳米管的宏量制备;所得半导体性单壁碳纳米管的结晶度较高,其集中抗氧化温度达～670℃;直径主要分布在1.8-2.3nm;利用所得半导体性单壁碳纳米管构建了光热电（PTE）响应机制的光电探测器。柔性、大面积单壁碳纳米管基光电探...
【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
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?（ａ）单壁碳纳米管；（ｂ）双壁碳纳米管；（ｃ）多壁碳纳米管??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?（ａ）?Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?（ｂ）?Ｄｏｕｂｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ??ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ａｎｄ?（ｃ）?Ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．??
?第一章绪论???图１．２?（ａ）单壁碳纳米管；（ｂ）双壁碳纳米管；（ｃ）多壁碳纳米管??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?（ａ）?Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?（ｂ）?Ｄｏｕｂｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ??ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ａｎｄ?（ｃ）?Ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．??１．１．２单壁碳纳米管的电学性能??石墨稀为零带隙半导体材料，其能带结构是连续的，卷曲形成单壁碳纳米管??时，径向由于要满足周期性边界条件，原来连续的能带结构就被相应的切割成条??带状，如图１．３所示。当这些条带经过Ｋ点，碳纳米管带隙为零，为金属型；当??这些条带不经过Ｋ点，碳纳米管存在带隙，为半导体型。??－０．６?－０Ａ?－０．２?０．０?０．２?０．４?０６?－０．６?－０．４?－０．２?０．０?０．２?０．４?０．６??ｋｘ（２ｎ／ａ）?ｋｘ（２ｎ／ａ）??图１．３石墨烯和碳纳米管的能带结构关系，其中虚线为碳纳米管的能带结构：（ａ）虚??线经过Ｋ点，碳纳米管能带没有带隙，为金属型；（ｂ）虚线不经过Ｋ点，碳纳米管存在带??隙，为半导体型［６］??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ａｎｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｉｉｂｅｓ，??ｗｈｅｒｅ?ｔｈｅ?ｄｏｔｔｅｄ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｔｕｂｅｓ，?（ａ）?Ｗｈｅｎ?ｔｈｅ?ｄｏｔｔｅｄ?ｌｉｎｅ?ｐａｓｓｅｓ??ｔｈｒｏｕｇｈ?ｔｈｅ?ｐｏｉｎｔ?Ｋ，?ｔｈｅ
?第一章绪论???计算表明，由于单壁碳纳米管的径向波矢存在较多的范霍夫奇点（ｖａｎ?Ｈｏｖｅ??Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ），因而具备较多、较强的光学吸收峰。利用单粒子紧束缚模型计算得??到的碳纳米管的能带结构如图１．４所示［２４］。碳纳米管的导带底和价带顶具备相??同的Ｋ值，因此为直接带隙材料，且其能带包含多个子带。碳纳米管的带隙与其??直径紧密相关，碳纳米管也因此具备超宽的吸收谱线［２５，２６］。理论上，对于直径分??布广泛的碳纳米管薄膜，其吸收光谱可覆盖紫外到红外波段。图〗．５ａ为Ｋａｔａｕｒａ??教授测量到的碳纳米管薄膜从紫外到红外的光吸收谱［２５］。由图可知，碳纳米管具??有三个典型的吸收峰，分别对应半导体性碳纳米管的Ｅｌｌ、Ｅ２２和金属性碳纳米管??Ｅｎ吸收峰。Ｂｒｏｗｎ等计算了尺寸在０．７?ｎｍ到３?ｎｍ范围内所有手性单壁碳纳米??管带隙ＥＨ?（ｄｔ）与其直径（０．７ｎｍ＜ｄｔ＜３ｎｍ）的关系，如图１．５ｂ所示［２７］。利用此??图可以迅速查找某一直径的单壁碳纳米管的带隙值。??（ａ）?（ｂ）?ｙｕ＝２．９０ｅＶ??Ｉ?Ｉ＊??ｉ?…ｐ７Ｔｔｒ??ｉ；＾?－??〇?１?１?３?ｒ?５?￣６?０．０?１．０?２．０?３．０??Ｐｈｏｔｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?（ｅＶ）?＂，?［ｎｍ］??图１．５?（ａ）碳纳米管的光吸收谱；（ｂ）经典的Ｋａｔａｕｒａ?Ｐｌｏｔ图，计算中选取的跳跃积分为??２．９０?ｅＶ，碳管直径分布为０，７?ｎｍ？３?ｎｍ［２７］。??Ｆｉｇｕｒｅｌ．５?（ａ）Ｌｉｇｈｔ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｓｐｅｃｔｒａ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．?（ｂ）Ｔｈｅ?ｃｌａｓｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Review Featuring Fabrication, Properties and Applications of Carbon Nanotubes（CNTs） Reinforced Polymer and Epoxy Nanocomposites[J]. Sobia Imtiaz,Muhammad Siddiq,Ayesha Kausar,Sedra Tul Muntha,Jaweria Ambreen,Iram Bibi. Chinese Journal of Polymer Science. 2018(04)
本文编号：3260434
【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
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?（ａ）单壁碳纳米管；（ｂ）双壁碳纳米管；（ｃ）多壁碳纳米管??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?（ａ）?Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?（ｂ）?Ｄｏｕｂｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ??ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ａｎｄ?（ｃ）?Ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．??
?第一章绪论???图１．２?（ａ）单壁碳纳米管；（ｂ）双壁碳纳米管；（ｃ）多壁碳纳米管??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?（ａ）?Ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?（ｂ）?Ｄｏｕｂｌｅ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ??ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ａｎｄ?（ｃ）?Ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．??１．１．２单壁碳纳米管的电学性能??石墨稀为零带隙半导体材料，其能带结构是连续的，卷曲形成单壁碳纳米管??时，径向由于要满足周期性边界条件，原来连续的能带结构就被相应的切割成条??带状，如图１．３所示。当这些条带经过Ｋ点，碳纳米管带隙为零，为金属型；当??这些条带不经过Ｋ点，碳纳米管存在带隙，为半导体型。??－０．６?－０Ａ?－０．２?０．０?０．２?０．４?０６?－０．６?－０．４?－０．２?０．０?０．２?０．４?０．６??ｋｘ（２ｎ／ａ）?ｋｘ（２ｎ／ａ）??图１．３石墨烯和碳纳米管的能带结构关系，其中虚线为碳纳米管的能带结构：（ａ）虚??线经过Ｋ点，碳纳米管能带没有带隙，为金属型；（ｂ）虚线不经过Ｋ点，碳纳米管存在带??隙，为半导体型［６］??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｇｒａｐｈｅｎｅ?ａｎｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｉｉｂｅｓ，??ｗｈｅｒｅ?ｔｈｅ?ｄｏｔｔｅｄ?ｌｉｎｅ?ｉｓ?ｔｈｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｂａｎｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｔｕｂｅｓ，?（ａ）?Ｗｈｅｎ?ｔｈｅ?ｄｏｔｔｅｄ?ｌｉｎｅ?ｐａｓｓｅｓ??ｔｈｒｏｕｇｈ?ｔｈｅ?ｐｏｉｎｔ?Ｋ，?ｔｈｅ
?第一章绪论???计算表明，由于单壁碳纳米管的径向波矢存在较多的范霍夫奇点（ｖａｎ?Ｈｏｖｅ??Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ），因而具备较多、较强的光学吸收峰。利用单粒子紧束缚模型计算得??到的碳纳米管的能带结构如图１．４所示［２４］。碳纳米管的导带底和价带顶具备相??同的Ｋ值，因此为直接带隙材料，且其能带包含多个子带。碳纳米管的带隙与其??直径紧密相关，碳纳米管也因此具备超宽的吸收谱线［２５，２６］。理论上，对于直径分??布广泛的碳纳米管薄膜，其吸收光谱可覆盖紫外到红外波段。图〗．５ａ为Ｋａｔａｕｒａ??教授测量到的碳纳米管薄膜从紫外到红外的光吸收谱［２５］。由图可知，碳纳米管具??有三个典型的吸收峰，分别对应半导体性碳纳米管的Ｅｌｌ、Ｅ２２和金属性碳纳米管??Ｅｎ吸收峰。Ｂｒｏｗｎ等计算了尺寸在０．７?ｎｍ到３?ｎｍ范围内所有手性单壁碳纳米??管带隙ＥＨ?（ｄｔ）与其直径（０．７ｎｍ＜ｄｔ＜３ｎｍ）的关系，如图１．５ｂ所示［２７］。利用此??图可以迅速查找某一直径的单壁碳纳米管的带隙值。??（ａ）?（ｂ）?ｙｕ＝２．９０ｅＶ??Ｉ?Ｉ＊??ｉ?…ｐ７Ｔｔｒ??ｉ；＾?－??〇?１?１?３?ｒ?５?￣６?０．０?１．０?２．０?３．０??Ｐｈｏｔｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?（ｅＶ）?＂，?［ｎｍ］??图１．５?（ａ）碳纳米管的光吸收谱；（ｂ）经典的Ｋａｔａｕｒａ?Ｐｌｏｔ图，计算中选取的跳跃积分为??２．９０?ｅＶ，碳管直径分布为０，７?ｎｍ？３?ｎｍ［２７］。??Ｆｉｇｕｒｅｌ．５?（ａ）Ｌｉｇｈｔ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｓｐｅｃｔｒａ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．?（ｂ）Ｔｈｅ?ｃｌａｓｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Review Featuring Fabrication, Properties and Applications of Carbon Nanotubes（CNTs） Reinforced Polymer and Epoxy Nanocomposites[J]. Sobia Imtiaz,Muhammad Siddiq,Ayesha Kausar,Sedra Tul Muntha,Jaweria Ambreen,Iram Bibi. Chinese Journal of Polymer Science. 2018(04)
本文编号：3260434
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3260434.html
