欢迎访问有用文档网!

当前位置: 有用文档网 > 作文大全 >

衬底温度对制备出CNT膜的影响

| 浏览次数:

摘 要:在陶瓷衬底上通过磁控溅射方法镀上金属钛层,用含铁杂质的氧化硅对钛层进行抛光,通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在不同的温度下短时间里制备出CNT膜。利用扫描电子显微镜、拉曼光谱,X射线衍射,分析了薄膜的结构和表面形貌。仔细研究不同温度下制备的CNT膜,得出衬底温度400 ℃时制备的碳膜是以非晶碳为主,600 ℃时置备的碳膜是良好的碳纳米管膜,800 ℃制备的碳纳米管膜的缺陷变得很多,以碳纳米链为主。最后得出了温度对催化活性有很大影响的结论。

关键词:微波等离子体化学气相沉积; 碳纳米管;碳纳米链; 陶瓷衬底

中图分类号:TB383;O484 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)12-0176-03

Effect of Substrate Temperature on Structure of CNT Film

ZHANG Wu-qin1,2, GAO Jin-hai2

(1.College of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450044, China;

2. Department of Physics, Zhengzhou Teachers College, Zhengzhou 450044, China)

Abstract:The CNT films are prepared by microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) method at different growth temperature in a short time. The ceramic with a Ti mental layer is used as the substrate of CNT film. Before preparation, the substrate is polished by SiO2 with Fe. The structure and the surface topography of CNT film are analyzed with Raman scattering spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM). By MPCVD method, the carbon film whose main component is amorphous carbon can be prepared at the substrate temperatures of 400℃, the carbon film prepared at the substrate temperatures of 600℃ is carbon nanotube film, and the carbon nanotube film prepared at the substrate temperatures of 800℃ has many defects.

Keywords:microwave plasma chemical vapor deposition; carbon nano tube; carbon nano chain; ceramic

0 引 言

自1991年碳纳米管被发现以来[1] ,由于其独特的物理、化学性能引起了科研工作者的广泛兴趣,碳纳米管的制备和应用研究成为纳米材料和纳米技术的研究热点。目前合成碳纳米管的方法有很多,主要可分为电弧法、激光熔蒸发法、高温分解法和化学气相沉积法几类[2-6]。其中化学气相沉积法由于其制备的碳纳米管纯度高、产量大,因此被科研工作者所青睐。众所周知,碳纳米管的制备是离不开催化剂的,催化剂的厚度、形状对碳纳米管的形成及其形状有很大影响[7-10]。在此利用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)在甲烷的含量与氢气的含量比为1/10的情况下,改变不同的衬底温度,制备出了不同结构的碳膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、对碳膜的表面行貌和内部微结构进行了分析。分析表明:衬底温度低于400 ℃沉积的碳膜是非晶碳膜,而衬底温度高于600 ℃后的碳膜形貌发生了很大的变化,表现为碳纳米管,在温度800 ℃的条件下沉积的碳膜是碳纳米链膜,并对其原因做了初步探讨。

1 实 验

在陶瓷衬底上通过磁控溅射的方法镀上一层金属钛,利用含铁杂质的二氧化硅微粉经过对金属钛机械抛光后。以此为衬底经过丙酮超声清洗10 min,去离子水超声清洗10 min,再放入MPCVD沉积室中。在沉积过程中微波的功率1 700 W,氢气流量100 sccm(标准状态毫升/分),甲烷流量10 sccm,反应室气压分别为2 kPa,4 kPa,6 kPa,衬底的温度分别为400 ℃,600 ℃,800 ℃,反应时间5 min。利用扫描电子显微镜(SEM)、喇曼(Raman)光谱,X射线衍射(XRD)测试了薄膜结构与表面形貌。显示出该膜的不同CNT的结构。

2 分析和讨论

表1是经过含铁杂质的二氧化硅微粉对金属钛机械抛光后衬底表面元素的成分表。经过抛光可以增加衬底表面的缺陷、掺入催化剂促进碳膜的制备。 图1是的衬底表面的EDS图像。从图中可以很清楚地看出衬底表面有大量的铁催化剂存在,作为碳管制备的条件。

表1 衬底表面元素的成份表

元素 重量百分比 原子百分比

OK 42.45 63.87

MgK 2.19 2.17

A1K 8.30 7.41

SiK 14.72 12.62

FeK 32.34 13.94

总重 100.00

图1 衬底表面的EDS图像

图2是仅温度不同沉积条件下所制备碳膜的扫描电镜(SEM)图像。其中图2(a)~(c)分别表示衬底温度为400 ℃,600 ℃,800 ℃的沉积碳膜扫描电子显微镜的图像。可见,随着温度的增加,碳膜的微观形貌有很大变化。400 ℃的沉积温度下的图片中基本上看不到碳纳米管,仅仅是一层薄薄的非晶碳。600 ℃以上的温度开始出现碳纳米管。在温度600 ℃中沉积的碳管管型比较均匀,但在800 ℃温度时制备出的碳管形成了链状,粗细不均匀,管壁上存在大量的缺陷。在图2(c)中镶嵌的是在800 ℃温度下制备的一条碳纳米链的投射电镜的放大的图像。从中可以很清楚地看出链状结构。

图3(a)~(c)分别是衬底温度为400 ℃,600 ℃,800 ℃状态下沉积碳膜的拉曼光谱。从图可看出400 ℃沉积的碳膜与600 ℃,800 ℃的沉积的碳膜相比,其拉曼光谱有很大不同。从图3(a)中可以看到在1 335.4 cm-1和1 596.2 cm-1处有两个鼓包形的拉曼峰。其中1 596.2 cm-1 对应C=C键的E2g伸缩振动峰(G峰),1 335.4 cm-1对应sp2C的无序结构(D峰),这是典型的非晶碳的拉曼谱。而600 ℃,800 ℃的碳膜的拉曼光谱,D峰、G峰很尖锐,显示了样品的石墨化程度很高。D带和G带的相对强度(ID/IG)可以反映出样品的无序程度或缺陷密集度,从图3(b),(c)中可以看出D峰与G峰的比值,即ID/IG增大,说明该样品无序性增强。这与SEM中观察到的800 ℃比600 ℃温度下制备CNT缺陷增多的结果是一致的。

图2 温度不同沉积条件下的SEM图

图3 不同沉积温度下所制备碳膜的Raman谱

关于CVD方法制备碳纳米管的生长机理还不是非常清楚,目前普遍的观点认为CVTs的生长分为2个步骤:首先吸附在催化剂上的碳氢分子裂解产生碳原子,然后碳原子通过扩散到催化剂另一面沉积形成 CNTs。基底温度过低时,意味着等离子体温度低,因而沉积气氛中氢气分子的离解速率减慢,基体上方等离子球中原子氢的浓度较低,另外,过低的基体温度还会大大降低原子氢的活性,从而减弱了原子氢对基底的选择刻蚀作用,使基底催化剂表面附着过多的碳氢分子,从而使其活性降低;随着基底温度的升高,吸附在催化剂上的碳氢分子的裂解、析出,形成很规则的CNT。当基底温度过高,催化剂变得越来越不稳定,甚至变成液态[9-10]。催化剂变形、分裂时使制备出的CNT也很不稳定,从而形成链状的碳管。

3 结 语

在甲烷和氢气的比例是1/10的条件下,利用MPCVD法制备了碳膜。不同衬底温度下制备的碳膜的表面形貌和碳膜的结构有很大不同。衬底温度400 ℃时制备的碳膜是以非晶碳为主,600 ℃时置备的碳膜是良好的碳纳米管膜,800 ℃制备的碳纳米管膜的缺陷变得很多,以碳纳米链为主。这说明衬底的温度不同,催化剂的活性也不同,因此制备出的碳膜的主要成分也不同。

参考文献

[1]IIJIMA S. Helical microtubules of graphitic carbon[ J] . Nature, 1991, 354: 56-58.

[2]W A de Heer, CHATELAIN A, UGARTE D. A carbon nanotube field-emission electron source[J]. Science, 1995, 270: 1179-1180.

[3]GAO Jin-hai, ZHANG Lan, ZHANG Bing-lin, et al. Fab- rication of globe-like diamond microcrystalline aggregate films and investigation of their field emission properties[J]. Thin Sold Film, 2008, 516(21), 7807-7811.

[4]高金海,张兰,姚宁,等.金刚石微米聚晶结构的场发射性能研究[J].功能材料,2007,38(9):1447-1449.

[5]高金海,张武勤,张兵临.类球状微米金刚石聚晶膜的场发射稳定性的研究[J].发光学报,2009,30(6):872-876.

[6]DAI H, HAFNER J H , RINZLER A G, et al. Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy[J] .Nature, 1996, 384: 147-150.

[7]EEN Y, SHEN Z. Synthesis of carbon nanocoils on surface morphology changed silicon substrates[ J] . Materials Le-tters, 2001, 39(15): 2369-2386.

[8]SATIO Y, YOSHIKAWA T. Bamboo-shaped carbon tube filled partially with nickel[ J] . Cryst.Growth, 1993, 134(1-2): 154-156.

[9]KAWASHIMA Y, KATEGIRIG. Raman spectra of highly oriented pyrolytic graphite[ J] . Phys. Rev., 1995, 52: 391-396.

[10]KUKOVITSKY E F, LVOV S G, SAINOV N A. A novel low temperature synthesis method for semiconductor nanowires[ J] . Chem. Phys. Lett., 2000(317): 65-70.

[11]李晓兰,薛琴,王建秋.脉冲激光沉积系统(PLD)的应用:制备GaN薄膜[J] .现代电子技术,2008,31(22):12-14.

[12]石立春.工作在动态阈值MOS的特性研究[J] .现代电子技术,2006,29(23):127-128.

推荐访问:衬底 制备 温度 影响 CNT

热门排行Top Ranking

支部组织生活方面存在问题清单和整改措施 党组织生活个人问题整改清单

下面是小编为大家精心整理的支部组织生活方面存在问题清单和整改措施党组织生活个人问题整改清单文章,供大家阅读参考

2021年党员个人问题清单及整改措施 党组织生活个人问题整改清单

下面是小编为大家精心整理的2021年党员个人问题清单及整改措施党组织生活个人问题整改清单文章,供大家阅读参考。

浅析军队战斗力损耗的新变化

关键词:军队;战斗力损耗;新变化军队战斗力的结构,是战斗力各要素间的结合方式和相互关系。军队战斗力的

小学六年级毕业演讲稿100字左右9篇

小学六年级毕业演讲稿100字左右9篇小学六年级毕业演讲稿100字左右篇1敬爱的老师,亲爱的同学们:大

问题及整改措施 (2) 药房个人存在问题及整改措施

下面是小编为大家精心整理的问题及整改措施(2)药房个人存在问题及整改措施文章,供大家阅读参考。精品文章《问题及

个人问题清单及整改措施(最新) 能力作风建设个人问题清单及整改措施

下面是小编为大家精心整理的个人问题清单及整改措施(最新)能力作风建设个人问题清单及整改措施文章,供大家阅读参考。在认真

疫情防控赞美警察诗朗诵 关于警察的诗朗诵

下面是小编为大家精心整理的疫情防控赞美警察诗朗诵关于警察的诗朗诵文章,供大家阅读参考。疫情防控赞美警

纳税人满意度调查存在不足及对策探讨 提升纳税人满意度的方式方法有哪些

下面是小编为大家精心整理的纳税人满意度调查存在不足及对策探讨提升纳税人满意度的方式方法有哪些文章,供大家阅读参考。纳

小学思想品德教育面临的问题及对策

摘要:小学思想品德课程是小学教育教学过程中不可或缺的一门综合性课程,它对学生良好品德的形成具有重要影

2020党支部班子查摆问题清单及整改措施 农村党支部问题清单

下面是小编为大家精心整理的2020党支部班子查摆问题清单及整改措施农村党支部问题清单文章,供大家阅读参

消防安全检查简报 派出所校园消防安全检查简报

下面是小编为大家精心整理的消防安全检查简报派出所校园消防安全检查简报文章,供大家阅读参考。简报第2期申扎县中学

2021教师党员年度个人总结8篇

2021教师党员年度个人总结8篇2021教师党员年度个人总结篇1敬爱的党组织:我是一个普通年轻的人民