基于过渡金属的单壁碳管刻蚀、结构及特性研究

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本论文利用浮动催化化学气相沉积法制备高质量的单壁碳纳米管薄膜或离散的单根单壁碳纳米管,以此为原材料进行了一系列的研究。通过在单壁碳纳米管薄膜样品的一端热蒸镀5 nm左右的铁、镍等金属薄膜,利用在氢气气氛下的高温热处理,研究了金属颗粒对小直径单壁碳纳米管的选择性刻蚀以及单壁碳纳米管纵向解开成石墨烯纳米带,并对其机理进行了讨论;进一步地,在高度离散的单根单壁碳纳米管一端蒸镀0.5 nm镍或钴膜,然后在氢气保护下高温热处理,发现单壁碳纳米管能够部分解开成单壁碳纳米管/石墨烯纳米带异质结构;以金刚石拉丝模技术作为辅助工艺,研究了单壁碳纳米管绳的热电效应。主要研究内容如下:  1.单壁碳纳米管绳的热电效应:以单壁碳纳米管薄膜为原材料,利用不同直径的金刚石拉丝模具逐渐拽拉单壁碳纳米管薄膜,以得到高密度的单壁碳纳米管绳。在单壁碳纳米管绳的两端引入两个电极,分别作为冷端、热端,保持冷端温度不变,逐渐调整热端温度,利用电测量系统Keithley4200-SCS实时监测冷热两端的电导以及温差电压的变化,发现不同热端温度情况下电流-电压曲线仍然保持平行,说明单壁碳纳米管绳两端的电导随热端温度的变化而基本保持不变。由此计算了大气条件下单壁碳纳米管绳的温差电动势率(或塞贝克系数)为正值,大约为17.8±1.0μV/K。此外,通过测试了正偏流、零偏流和负偏流情况下电压随时间的动态变化曲线,确定了温差电压的方向。对其可能的机理进行了解释。  2.单壁碳纳米管薄膜的选择性刻蚀:将单壁碳纳米管薄膜转移到硅衬底上,在薄膜一端热蒸镀5 nm的铁膜,进行850℃、氢气保护下的热处理15 min,发现铁颗粒能够沿着管壁进行定向移动;借助拉曼技术,在不同激光波长514、633、785 nm下测量了热处理前后样品的拉曼谱,分析了热处理前后碳管薄膜的直径分布情况,发现小直径的碳纳米管容易被刻蚀掉。通过一系列的对比实验,例如其他金属金、镍等对碳管薄膜的刻蚀作用,对选择性刻蚀的机理进行了详细讨论。  3.单壁碳纳米管/石墨烯纳米带异质结的制备:在氢气氛围、900℃温度下,将一端镀有铁膜的单壁碳纳米管薄膜热处理30 min,研究了金属颗粒对单壁碳纳米管膜的辅助刻蚀作用,发现单壁碳纳米管能够被解开成单层的石墨烯纳米带;借助拉曼光谱研究了石墨烯纳米带的拉曼谱特征,发现石墨烯纳米带具有类似于碳管呼吸模的类呼吸模以及单层石墨烯的拉曼谱特征;借助透射电子显微镜表征技术表征了纳米带的宽度。此外,在高度离散的单根单壁碳纳米管一端蒸镀0.5nm左右的镍或钴,利用镍或钴在氢气氛围下的辅助刻蚀作用,在850℃下热处理15 min,借助原子力显微镜和拉曼对刻蚀后的样品进行了详细的研究,发现单壁碳纳米管能够部分解开成碳管与石墨烯纳米带无缝连接的异质结构,且通过拉曼光谱进一步证实了这一结论。这为未来制备基于单壁碳纳米管/石墨烯纳米带异质结的电子器件打下了基础。  
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