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)
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。
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。
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。
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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