高密度碳纳米管阵列制备研究

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1、第14卷专辑3中国有色金属学报2004年．u月Vol·14S3TheChineseJournalofNonferrousMetals0ct．2004文章编号：1004—0609(2004)S3～0201～05高密度碳纳米管阵列制备研究①程国安，郑瑞廷，赵勇，彭宜斌，刘华平，梁昌林(北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室，材料科学与工程系，北京100875)摘要：采用热化学气相沉积技术在单晶硅基底上制备了定向生长的碳纳米管，系统研究了定向生长碳纳米管阵列的制备工艺。综合调整催化剂的厚度、氮刻蚀温度和刻蚀时间，可以获得高颗粒密度分布的催化剂薄膜。厚度为10nm左右的催

2、化剂铁膜结构于750℃氨刻蚀后可以在单晶硅表面得到分布密度较高的铁颗粒膜。利用这种催化剂薄膜，以乙炔和氢气分别作为碳源和载气，流量体积比为150／400mL／min时，可以获得管型准直、排列紧密的碳纳米管阵列。最后对碳纳米管的生长随时间变化的规律进行了研究。关键词：碳纳米管；列阵；生长机制；化学气相沉积FabricationofverticallyalignedarraysofcarbonnanotubeswithhighdensityCHENGGuo—an，ZHENGRui—ting，ZHAOYong，PENGYi—bin，LIUHua—ping。LIANGChang—l

3、in(KeyLaboratoryofRadiationBeamTechnologyandMaterialsModificationofMinistryofEducation，DepartmentofMaterialsScienceandEngineering，BeijingNormalUniversity，Beijing100875，China)Abstract：Verticallyalignedarraysofcarbonnanotubes(CNTs)arefabricatedbythermalchemicalvapordeposi—tion(TCVD)onsilicon

4、substrate．Itisobservedthatdensityoftransitionmetalsclusterscanbecontrolledbythead—justmentofiron—filmthicknessandreactiontemperature．Ahighdensityofironclusterscanbeobtainedbyammoniaetchingofironfilmwiththicknessof10nmat750℃．Straightandwell—alignedcarbonnanotubearrayswithexcel—lentmorphalog

5、ycanbeobtainedattheC2H2densitywith27．3％．Atlast，thegrowthstagesofCNTsareinvestiga—ted．Keywords：carbonnanotubes；verticallyalignedarrays；growththeoryCVD自1991年日本NEC公司电镜专家Iijima教授[13首先在高分辨电子显微镜下发现碳纳米管以来，碳纳米管以其良好的性能，吸引了物理、化学、材料、电子等领域专家的极大关注，在全世界掀起了一股碳纳米管热。目前，关于碳纳米管自身的特性和制备方法的研究取得了很大进展，研究重点正转向规模化

6、加工及其应用。众多研究[3’43表明，碳纳米管阵列具有较低的发射阀值电压和较高的发射电流，是一种理想的场发射阴极材料，是下一代平面显示器的理想替代材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容，这就为碳纳米管器件和硅器件的集成提供了可能。因此在硅基上制备定向生长的对碳纳米管阵列有着十分重要的意义。近来，已有许多制备定向碳纳米管薄膜的报道，包括采用各种方法制备催化剂金属纳米颗粒以及不同的化学气相沉积(CVD)合成方法。CVD方法的改进包括等离子体增强的CVD(PECVD)法[5]、等离子体增强热丝CVD(PEHFCVD)法[6]等。制备纳米级金属颗

7、粒的方法更多，例如在平板或介孔材料基底上沉积一层薄的铁、钴、镍膜，然后在随后的热处理中形成纳米颗粒[73；或者利用化学方法将金属纳米颗粒镶嵌在介孔材料的孔洞中‘8·93等。①基金项目：国家自然科学基金资助项目(10275005)；北京市科技院萌芽计划资助项目通讯作者：程国安(1963一)I电话l010—62208124‘E-mail：mail：gacheng{园buu．edu．ca中国有色金属学报2004年10月采用简单的热CVD方法在硅基底上制备定向生长的碳纳米管，设备要求不高，工艺简单，具备大规模生产的潜力。但