【精品】奈米碳管及场发射显示器介绍50.ppt

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1、奈米碳管及場發射顯示器介紹授課老師：鄒文正學生：陳信吉大綱奈米碳管的結構奈米碳管的幾種主要的製程奈米碳管的各種應用與性質電子場發射理論FED主要技術與種類介紹各種FED技術比較奈米碳管的結構奈米碳管以石墨層數來分，可分為單層奈米碳管(SWNTS)與多層奈米碳管(MWNTS)。而單層奈米碳管又可依石墨層所捲曲的方式不同分為三大類：arm-chair、zig-zag與chiral，而在相同的石墨結構下，不同的螺旋角可以影響奈米碳管為金屬性或半導性，這是奈米碳管在電性上極為特別的現象。單層奈米碳管三大類Zi

2、gzagSingle-WalledNanotubeArmchairSingle-WalledNanotubeChiralSingle-WalledNanotube.單層奈米碳管的分類方法數學上可以用二維向量(n,m)來表示石墨層捲曲的方式，其中n和m被限制為大於零的整數，且n>m。以六碳環組成之平面來說明如下圖，以某一向量Cn=(n,m)之六碳環捲成圓桶狀並與(0,0)六碳環重合時，即可得一SWNT。當螺旋角(chiralangle)θ=0度，即m=0時為zig-zag型；當θ=30度，即n=m為ar

3、m-chair型；而當0度<θ<30度時為chiral型之SWNT。符合n–m=3q（q為零或正整數）條件的SWNT具金屬性（價帶與導帶重疊），其餘則具半導性（價帶與導帶間有能隙），而所有arm-chair形式的SWNT都是金屬性，而zigzag或chiral形式的SWNT各有1/3具金屬性，另2/3具半導性。單層奈米碳管的分類方法圖示奈米碳管的幾種主要的製程(1)電弧放電法(2)雷射剝蝕法(3)化學氣相沉積(4)碳氫化合物汽相熱分解法電弧放電法電弧放電法，是以石墨棒作為陰、陽兩極，將反應腔體內通入鈍

4、氣(如He或Ar)，並維持在數百mbar的氣壓下，通入直流電源(20~30V，75~100A)，此時兩極間會產生弧光放電，而可在陰極上收集到一些碳的產物，通常以弧光放電法所收集得的產物中，除了奈米碳管外還包含如非晶質碳、石墨微粒及煤灰(soot)等雜質，因此需經純化後才可得到奈米碳管。用這個方法合成奈米碳管時，通常會在陽極石墨棒中添加過渡金屬顆粒作為催化劑，常用的如鐵、鈷、鎳等，就能更有效增加奈米碳管之產率，所以要以大量CNT粉末的量產為目標，弧光放電法顯然是最佳的製程方法，不過由於需要純化過程去除雜

5、質，且弧光放電法對於CNT的品質、長短、直徑等，無法有效的控制。電弧放電法示意圖雷射剝蝕法雷射剝蝕法是由AndreasThess等人所提出，他們將石墨靶材混合鈷、鎳金屬，放置於石英管中，以高溫爐加熱至1200℃後，通入氬氣，再以波長532nm之脈衝雷射照射，結果在高溫爐出口附近以銅柱冷卻收集得到黑色碳灰的堆積，將其萃取純化後可得奈米碳管，而此法產率雖然不高，但最大之優點在於可製造產率超過70%以上的單層奈米碳管(SWNT)。雷射剝蝕法示意圖化學氣相沉積製造奈米碳管的化學汽相沉積法中，除傳統之高溫熱分解

6、法外，還有微波電漿化學汽相沉積法，以及熱燈絲法等數類。這些方法的特點，主要先以濺鍍、熱蒸鍍或者是液相塗佈等方法，將過渡金屬催化劑鍍於基材上，在將基板至於高溫爐中退火或還原，使催化劑成為奈米級金屬顆粒或矽化物，再以乙炔、甲烷等含碳元素的氣體作為碳源，進行化學汽相沉積奈米碳管。其優點是製程溫度低(550~900℃)，分布均勻，純度高不需純化，大面積、易成長排列整齊之奈米碳管，並且成本低廉。碳氫化合物汽相熱分解法使用兩段式高溫爐，分為預熱區與碳管合成區；中間放進一根內徑10mm的石英管，一次製程中放進100

7、mg的二茂鐵在石英舟中，且置於第一段的高溫爐中(見圖中1stfurnace)，第一段高溫爐昇至350℃大於二茂鐵沸點249℃。隨後通入Ar將二茂鐵蒸氣帶入第二段的高溫爐，第二段高溫爐溫度為1100℃，而大量碳管粉末會堆積在第二段高溫爐前端。碳氫化合物汽相熱分解法示意圖奈米碳管各種製程優缺點比較優缺弧光放電法產率高生成物雜質多雷射剝蝕法高純度碳管費時、產率低化學汽相沉積法高純度、便宜、製程溫度低、產率高、大面積碳氫化合物的汽相熱分解法產率高費時奈米碳管的各種應用與性質(1)強化複合材料及高強度結構體的應

8、用(2)儲氫材料的應用(3)顯微鏡(AFM、STM)掃描探針的應用(4)奈米碳管應用在場發射電子源強化複合材料及高強度結構體的應用由於奈米碳管具有非常好的機械強度(強度比鋼高100倍，有非常高的楊氏係數、可以達到5%的伸長量、高韌性)，又具有低重量得特性(比重只有鋼的1／6)。故非常適合加入金屬、陶瓷和高分子中，一起作為複合材料，可應用在需要強度高、重量輕方面的應用上，比方飛機的結構體、運動器材、各種建築材料等。此外奈米碳管及碳纖也可以與塑膠形成複合材料