徐 強(qiáng) 楊光敏

（1.長春工程學(xué)院勘查與測(cè)繪工程學(xué)院，吉林 長春 130000；2.長春師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引言

二十多年來，碳納米管因優(yōu)異的場發(fā)射性能受到了人們的極大關(guān)注[2]。其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，高的場增強(qiáng)因子，從而使碳納米管躋身于理想場發(fā)射材料的候選人之列。如何進(jìn)一步提高碳納米管的場發(fā)射性能是近年來研究的焦點(diǎn)之一。除通過各種技術(shù)改變碳納米管自身的特點(diǎn)之外（例如直徑大小、碳管之間的距離、缺陷度等），部分研究聚焦在如何通過復(fù)合提高碳納米管的場增強(qiáng)因子（分支碳納米管等）[3]，另一部分聚焦在通過復(fù)合減少電子發(fā)射勢(shì)壘（氧化鋅、氧化鋇、氧化鍶、氧化鎂等材料）[4]。這些復(fù)合材料分別不同程度地提高了碳納米管的發(fā)射電流密度和發(fā)射穩(wěn)定性。

在本文中，我們使用RF-PECVD技術(shù)合成了碳納米管/分支碳納米管的復(fù)合物，并對(duì)此復(fù)合物的生長機(jī)理進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為了生長碳納米管/分支碳納米管的復(fù)合物，我們通過磁控濺射技術(shù)在硅片上沉積了約20nm厚Ti薄膜，然后，在Ti膜上鍍了15nm厚的Co膜作為催化劑。鐵納米顆粒是通過氣相傳輸過程涂覆在垂直排列的碳納米管上。為了合成了分支碳納米管，首先，取兩端被厚鋼板密封的陶瓷管，其管徑為6mm，在兩片鋼板的中心位置分別鉆一個(gè)小孔，將高純度的二茂鐵（0.01）放在陶瓷管里面，然后，將陶瓷管的兩端用兩片薄的鋼板封住，用短而細(xì)小的鋁線將薄的鋼板牢牢地固定在陶瓷管上，以防止二茂鐵在升溫過程中快速揮發(fā)。將事先沉積在硅片上的碳納米管放在氣流下端，距離陶瓷管4mm處。隨著溫度的升高，我們通過反應(yīng)室的窗口可以看到鋁線逐漸熔化，在800℃附近，我們發(fā)現(xiàn)兩塊薄鋼板開始慢慢偏離陶瓷管兩端，此時(shí)，二茂鐵分解出來的鐵原子將會(huì)在碳納米管的管壁上快速聚集成鐵的納米小顆粒，我們開啟射頻電源，調(diào)節(jié)功率為230W，基底溫度保持在800℃，CH4、H2的流量比為15/80sccm，沉積時(shí)間20min。隨后，系統(tǒng)在H2的氣氛下冷卻至室溫，我們得到了分支碳納米管復(fù)合在碳納米管上的復(fù)合體系。

我們用掃描電鏡、透射電鏡分別對(duì)樣品進(jìn)行了表征，透射電鏡樣品的制備方法是用薄的刀片對(duì)硅片上的樣品進(jìn)行剝離，然后，將樣品放在微柵網(wǎng)上進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

場發(fā)射測(cè)量儀主要結(jié)構(gòu)包括陽極板（導(dǎo)電玻璃）、陰極（樣品）和真空室，陽極板和陰極之間距離為200μm，用玻璃絲隔開。用無油渦輪分子泵將真空室的真空度抽到低于1.2×10-7Pa，然后，進(jìn)行場發(fā)射測(cè)量。

圖1（a）是碳納米管/分支碳納米管復(fù)合物的掃描電鏡圖，從圖中我們可以看出，原碳納米管的直徑和長度分別約40nm和2μm。當(dāng)碳納米管管身被覆蓋鐵納米顆粒后，細(xì)小的碳納米管將在鐵顆粒處成核、生長。我們從圖1（a）可以看出，分支碳納米管的直徑依次是6nm，這些分支碳納米管分別出現(xiàn)在原碳納米管的表面和尖端。圖1（b）是圖1（a）的透射電鏡圖，從圖中可以清晰的看出，分支碳納米管長在管身上，直徑大約為6nm。隨著甲烷氣體的通入，等離子體中大量的碳?xì)浠钚曰鶊F(tuán)將在催化劑鐵顆粒的表面發(fā)生裂解反應(yīng)，裂解出來的碳原子將溶解到納米鐵顆粒中，在其中溶解并擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到過飽和時(shí)將析出、生長出分支碳納米管[5-6]。在以往的試驗(yàn)中，氫源、充足的碳源、催化劑是生長碳納米管的要素[7]，在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)氫氣/甲烷的比例是很高的，所以氫離子將會(huì)嚴(yán)重地刻蝕分支碳納米管，阻礙其快速生長，但是，我們?nèi)匀怀晒Φ睾铣闪朔种技{米管，其中的原因可能是小尺寸的鐵納米顆粒具有很高的催化活性。

圖1

圖1（a）-（b）分別是碳納米管/分支碳納米管的復(fù)合物，其分支碳管直徑分別為6 nm的掃描電鏡圖；（b）是圖（a）中的分支碳管的透射電鏡圖，箭頭標(biāo)示的部分為分支碳管。

3 結(jié)論

我們利用PECVD技術(shù)合成了碳納米管/分支碳納米管的復(fù)合物，催化劑的催化活性、溫度、氫氣量對(duì)其生長過程起關(guān)鍵作用。樹狀碳納米管在場發(fā)射應(yīng)用方面有潛在的應(yīng)用前。

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