碳纳米管阵列薄膜的合成及气敏性能的研究

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1、中文摘要碳纳米管是典型的一维纳米材料，其结构的特殊性使其对气体具有很强的吸附能力，将其制成气敏传感器具有灵敏度高、工作温度低、尺寸小等优点。阵列碳纳米管薄膜有着垂直于基片取向性的特殊结构，表现出更优异的气敏特性，但是针对不同的基体还没有成熟的生长碳纳米管工艺。如何可控地合成具有特定结构或性质的碳纳米管，是实现阵列碳纳米管传感器应用的关键性因素。本文通过物理法和直接化学气相沉积法分别在A1203或Si基底上制备了碳纳米管(阵列)膜，考察了制备方法、沉积工艺、基体材料等对碳纳米管阵列气敏特性的影响。在氩气保护下，通过高温催

2、化裂解C2H4制备了碳纳米管，其中金属催化剂由Fe(N03)3·9H20和Mg(N03)2。9H20共沉淀得到。以A1203为基底，将碳纳米管悬浊液涂覆在电极间，制成简易的气敏传感器。气敏实验结果表明，采用上述物理方法制备的传感器对气体的敏感性较差，而且对NH3没有敏感特性。采用双注射法，以二茂铁为催化剂、乙醇为碳源、乙二胺为氮源，分别在A1203和Si基体上制备了掺N碳纳米管溥膜。利用扫描电镜(SEM)、场发射透射电子显微镜(HRTEM)、X光电子能谱(XPS)对制备的阵列碳纳米管薄膜进行了形貌观察和结构表征。当反应

3、温度9500C、反应时间60min、乙二胺注射速率5．0ml／h、二茂铁乙醇溶液浓度为0．0125：g／ml、注射速率为10．0ml／h时，获得了纯度高、取向性好的碳纳米管阵列膜，A1203基板上的碳纳米管薄膜厚约160p．m，Si基片上的膜厚约831am。碳纳米管气敏传感器的气敏性能测试结果表明，在上述工艺下制备的阵列碳纳米管薄膜气敏性能最佳，A1203基板上阵列碳纳米管薄膜对Ar的灵敏度为69．44％，对于NH3(2500ppm)的灵敏度为50％；Si基片上的阵列碳纳米管薄膜对于Ar的灵敏对为40．00％，对于NH

4、3(2500ppm)的灵敏度为28．57％。通过对比不同工艺条件和不同基体上制备的碳纳米管传感器的气敏性可以发现：碳纳米管薄膜的取向性越好、碳管越长，其气敏特性就越高；N的掺杂使碳纳米管长成竹节状，提高了薄膜对于NH3的灵敏度。关键词：碳纳米管气敏传感器取向N掺杂竹节状ABSTRACTCarbonnanotube(CNT)isakindoftypicalone—dimensionalnanomaterial．Duetoitsspecialstructure．CNTshavegoodabsorptionpropertie

5、sforgas．ThegassensormadefromCNTshasbeaersensitivity,lowerworkingtemperatureandsmallerdimension．Vertically-alignedCNTsfilmdisplaysexcellentgas—sensitivity．However’thereisstilllackofamaturetechniqueforfabricationofCNTbasedsensordevices．ThekeytotheapplicationofCNTs

6、arrayasgassensorsishowtosynthesizetheCNTswiththedesiredstructureandproperty．Inthispaper，CNTsarrayfilmswerefabricatedontheA1203andSisubstratesbyaphysicalmethodandthedirectchemicalvapordeposition(CVD)process．Theinfluencesofthepreparationmethods，thetechnologicparam

7、etersoffabricationandthechoiceofsubstratesonthegassensitivityofCNTsamywerestudied．CNTswerepreparedthroughcatalyticcrackingofC2I-hinArflow．ThemetalliccatalystwasobtainedbythecoprecipitationofFe(N03)3‘9H20andMg(N03)2’9H20．GassensorwasfabricatedbycoatingtheCNTsonto

8、aA1203substrate．Measurementshowedthatthegassensorthusmadeexhibitedpoorsensitivitytogases，withoutdetectablesignalstoNH3．Nitrogen-dopedCNTswerepreparedonA1203andSisubst