简谈刻蚀高质量单壁碳纳米管生长调控和特性如何写

摘要：单壁碳纳米管(SWNTs)是一种典型的一维纳米材料，具有与其直径、手性紧密相关的电学、光学以及化学等方面的优异性能，且半导体性SWNTs的带隙与其直径成倒数联系。然而，目前所制备的SWNTs样品中绝大多数是由多种具有不同直径和手性的SWNTs组成的，且难以分离，由此无法保证SWNTs基器件性能的均一性，这已经成为阻碍SWNTs大规模运用于纳电子器件的科学难题之一。此外，当前在利用电弧放电法进行高效率、低成本、大规模制备SWNTs方面还有着诸多不足，尤其体现在催化剂的催化效率低下方面，一方面导致产物中含有大量杂质，需要经过繁琐的后续提纯处理，另一方面导致SWNTs制备效率不高，难以大幅度降低SWNTs的生产成本。针对上面陈述的不足，本论文在对电弧放电历程进行深入浅析的基础上开展了优化制备工艺、调控SWNTs成核、生长历程、低纯度样品提纯及选择性刻蚀金属性SWNTs等方面的探讨工作。首先对电弧放电历程中各影响因素进行了深入细致的浅析，重点探讨了催化剂的引入方式、不同阴极尺寸等因素对所制备SWNTs的纯度和产量的影响。实验结果表明，催化剂以金属盐的方式引入时能够显著地改善其在阳极石墨棒的分布均匀性，有利于提升催化效率，大大提升了产物中SWNTs的纯度。适当增加阴极直径有利于改善SWNTs成核、生长环境，提升产物中SWNTs的纯度，通过调控阴极直径（0.8cm～2.5cm）可以实现对SWNTs长度的调控。提出了通过引入低压反应性气体对SWNTs成核、生长历程进行主动干预来实现调控SWNTs直径分布的思想。在电弧放电历程中，引入的低压反应性气体（CO、CO2和N2O）能够影响SWNTs的成核、生长历程。增加反应性气体在缓冲气体中的含量能够实现抑制小直径SWNTs的形成，而使SWNTs直径分布向大直径SWNTs方向移动。同时，引入少量反应性气体在一定程度上可以提升产物中SWNTs的纯度。首次利用横向磁场制约磁性催化剂在电弧等离子体中的运动行为；利用电磁场来调控电弧等离子体参数(等离子体密度、电子温度)、带电碳原子簇的运动行为、电子运动方向等。通过转变磁场强度、方向能够制约电弧等离子体的喷射方向，也即制约了催化剂以及带电碳原子簇的运动状态，最终达到对SWNTs成核、生长以及沉积方向的调控。施加横向磁场后，在定向电弧等离子体前、后、左、右等四个区域收集的SWNTs样品具有不同的直径分布，尤其当Fe/Mo作为催化剂时，转变横向磁场强度与方向能够对SWNTs直径分布与定向沉积方向进行更加有效地调控。同时，探讨结果表明磁场对SWNTs制备历程的调控主要是通过影响催化剂粒子在非均匀磁场中的尺寸分布来实现的，洛伦兹力转变尽管能够调控SWNTs的直径分布但并未起到决定性作用。另外，首次利用施加横向磁场可诱导SWNTs定向沉积这一特点将非连续单反应室SWNTs的单批次制备产量由10克提升到50克以上。针对低纯度SWNTs样品提纯这一难题，提出利用分步离心逐级提升SWNTs纯度与湿法氧化相结合的综合策略进行SWNTs提纯处理。具体来讲，首先通过空气氧化去除大部分无定形碳成分；然后将样品均匀分散形成SWNTs-SDS水溶液，然后分别在4500、9000、12000和15000rpm等四种转速下离心分离逐步将杂质沉淀分离出来；接着采取H2O2加热回流的方式氧化去除残余的超细杂质粒子，并通过稀酸酸洗反应掉残余的催化剂粒子，最后获得洁净的SWNTs样品。该提纯策略对SWNTs结构产生的破坏很小，能很好地保留了初始样品中SWNTs直径分布的信息，这为探讨直径可控性生长及后续的测试浅析提供保障。利用金属性与半导体性SWNTs在电学性能上的差别，我们首次分别采取Ar、H2、N2和He四种室温等离子体对提纯后的SWNTs进行选择性刻蚀，利用UV-vis-NIR吸收光谱对等离子体刻蚀前后金属性与半导体性SWNTs比例的变化进行表征。结果表明，通过制约等离子体功率、气压和刻蚀时间等参数可实现对金属性SWNTs的选择性刻蚀，而剩下半导体性SWNTs。该策略还适用于其他气体等离子体，尤其是反应性气体等离子体。关键词：电弧放电法论文单壁碳纳米管论文生长调控论文横向磁场论文室温等离子体论文选择性刻蚀论文

摘要3-6

ABSTRACT6-14

第一章 绪论14-43

1.1 碳纳米管的结构和性能14-19

1.1.1 SWNTs 的结构15-16

1.1.2 SWNTs 的电子结构16-18

1.1.3 SWNTs 的性能及其运用18-19

1.2 SWNTs 的制备技术及生长机理19-24

1.2.1 电弧放电法20-23

1.2.2 化学气相沉积（CVD）法23-24

1.2.3 激光蒸发法24

1.3 SWNTs 的生长调控24-29

1.3.1 基于 CVD 法的 SWNTs 生长调控24-27

1.3.2 基于电弧放电法的 SWNTs 生长调控27-29

1.4 SWNTs 的运用29-35

1.4.1 场效应晶体管(FET)29-31

1.4.2 气体传感器31-33

1.4.3 SWNT 基二极管33-34

1.4.4 SWNT 基逻辑器件34-35

1.5 本论文拟解决的不足及探讨思路35-37

.3 样品表征51

2.4 阳极石墨棒热处理温度对其电阻率的影响51-55

2.4.1 实验与表征52

2.4.2 结果与讨论52-55

2.5 催化剂引入方式对制备 SWNTs 的影响55-62

2.5.1 实验与表征56

2.5.2 结果与讨论56-62

2.6 阴极直径变化对制备 SWNTs 历程的影响62-68

2.6.1 实验与表征62-63

2.6.2 结果与讨论63-68

2.7 本章小结68-69