纳米碳材料之制作及薄膜透明导电及场发射特性研究

《纳米碳材料之制作及薄膜透明导电及场发射特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、纳米碳材料之制作及薄膜透明导电及场发射特性研究第一章绪论1.1.纳米碳材料的形成、分类、制备、表征近年来，针对各种纳米材料的研究应用，品种繁多、范围广泛。金属材料的局限性主要在其资源的有限性和重金属材料对环境的危害。有机材料的问题在于合成方法较为复杂和对环境的严重污染。因此，人们把目光转向了资源丰富、环境友好的无机材料。其中，纳米碳材料由于其优异的结构、电学等特性，被广泛研究应用于能源、电子器件、传感器、催化等领域，成为近年来的研究热点之一。1.1.1.纳米碳材料的形成碳原子的电子结构为Is22s22p2。最外层电子数为4，结构为2s22pxl2pyl，表示在2s、2p轨

2、道上分别有两个电子[1]。碳原子在成键时，发生电子的激发和原子轨道的杂化。处于2s轨道的一个电子激发到2pz轨道上，最外层电子结构为2sl2pxl2pyl2pzl,碳原子从基态转变为激发态，如图1.1所示。按照sp方式杂化的碳原子，其一个2s轨道和一个2p轨道杂化形成两个5P轨道。这两个#轨道性质相同，在空间中形成直线结构，轨道对称轴之间的夹角为180°。剩下的两个未杂化轨道2py2pz与杂化轨道相互垂直，如图L2所示。碳原子之间以sp2杂化方式成键，每个碳原子与其他三个碳原子的轨道重叠形成三个0键，剩下一个2pz轨道同时与其他碳原子发生联系形成71键。基于杂化碳

3、原子，可以形成不同维数的碳元素的同素异形体，例如：零维碳单质富勒炼、一维碳单质纳米碳管、二维碳单质石墨稀。石墨稀的层与层之间由于71键，以范德华力相结合形成三维单质石墨。碳原子之间以spi杂化方式成键，每个碳原子与其他四个碳原子的sp3轨道重叠形成四个0键。基于?sp3杂化碳原子，可以形成三维碳单质金刚石。1.1.2.纳米碳材料的分类按照空间结构，纳米碳材料可分为零维富勒稀、一维纳米碳管、二维石墨稀、三维石墨和金刚石。1)富勒炼（FuUerene)富勒烯通常指由碳原子形成的非平面的五元环、六元环等构成的封闭式中空的球形和椭球形结构。Kroto等于1985年报道了其在研究激

4、光作用于石墨的研究中所发现的一种碳原子数目为60的物质，并命名为富勒稀，即C6()[3]。富勒烯的制备方法主要有电弧法[4]、热蒸发法[5]、燃烧法[6]和化学气相沉积法[7]。2)纳米碳管（Carbonnanotube,T)lijima于1991年通过电弧放电法制备了纳米碳管，并用透射电镜确定了其由单层石墨稀层状包裹所形成的空心结构[8]。纳米碳管按照所包含的石墨烯层数可以分为单壁碳管和多壁碳管。其中，多壁碳管的石墨层间距离约为0.34mn，层间的作用力主要为分子间作用力。纳米碳管具有稳定良好的力学性能，强度高、硬度大、柔朝性好；同时具有良好的传热导电性能。这些特质使得

5、纳米碳管作为理想的光电材料，广泛研究应用于透明导电薄膜、场发射显示阴极。纳米碳管的制备方法主要有：电弧放电法[9]、激光烧烛法[10]、化学气相沉积法[11]。3)石墨稀(Graphene)石墨炼是单层石墨片，它是由s/杂化碳原子形成的六元环所构成的单层二维结构。二维石墨烯是碳元素在5P2杂化世界中的单元结构，其卷曲后可以得到一维纳米碳管和零维富勒炼。Novoselov等于2004年通过胶带剥离法制备单层石墨稀，从此掀起了研究二维纳米材料的热潮[12]。石墨烯的制备方法主要有剥离法、外延生长法等。其中剥离法包括：胶带剥离法[12]、液相超声分离法[13]、化学剥离法[M]

6、，以及本论文中提出的脉冲激光剥离法[15]、液相脉冲激光剥离法等。外延生长法又分为：高温分解碳化桂，使得桂元素升华，从而析出碳原子构成石墨炼[16];在衬底上利用化学气相沉积法生长石墨炼[17]。4)金刚石（Diamond)金刚石是自然界中存在的最坚硬的物质。在金刚石晶体中，每一个碳原子都通过杂化方式与其他三个碳原子形成共价键，构成正四面体结构[18]。碳原子的价电子都参与到共价键的形成，因而金刚石中没有自由电子，不导电。金刚石具有高硬度、高电阻率、高热导率等性能。金刚石的合成方法主要有：高温高压法[19]、化学气相沉积法[20]、脉冲激光法[21]等。第二章脉冲激光作用

7、于聚碳苯制备二维纳米碳片的实验和机理研究2.1.引言二维纳米碳材料可以分为两类：二维纳米碳片(Carbonnanosheet,S)和石墨稀。二维纳米碳片是指厚度在几纳米到十几纳米的二维纳米碳结构；石墨稀是指单层石墨片。其中，二维纳米碳片根据碳原子的杂化方式又可以分为：杂化含量较多、无定形（?？2和s/杂化都有）、s/杂化含量较多、纯>9/杂化。当二维纳米碳片由纯叹杂化碳原子组成时，可以称之为少层石墨烯。可见，少层石墨稀可以被认为是二维纳米碳片的一个特殊类别。脉冲激光被用来制备各种维数的纳米碳结构，包括：零维纳米碳结构富勒