单壁碳纳米管的生长原理、定向制备及其红外敏感性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 饶伏波 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-06-12 |
| 授予单位 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 |
| 授予地点 | 上海微系统与信息技术研究所 |
| 导师 | 王跃林 |
| 关键词 | 单壁碳纳米管 定向制备 生长原理 红外敏感 VLS |
| 其他题名 | Single-walled Carbon Nanotubes:Growth Mechanism, Alignment and the Application in Infrared Detecting |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 中文摘要 | 单壁碳纳米管(SWNTs)具有优异的电学、力学、光学等性质，在纳电子器件、传感器以及未来的集成电路方面均表现出了很大的应用潜力。但是SWNTs在各领域尤其是在纳电子器件和集成电路领域的应用还处于初步阶段。采用金属催化剂制备SWNTs以及难于控制SWNTs生长方向是导致SWNTs在各领域应用滞后的重要因素。采用金属催化剂制备SWNTs不可避免会带来的金属沾污使得SWNTs不适合与CMOS工艺集成构建纳电子器件及集成电路。而采用常规方法制备SWNTs因其生长方向呈随机分布，SWNTs相互缠绕不利于分散而不利于SWNTs的应用。另外，碳纳米管的研究虽经历了多年的发展，但人们对SWNTs生长机理的认识还不完全清楚。目前普遍被接受的Vapor-Liquid-Solid (VLS)模型并不能解释SWNT制备实验中所得到的所有结果，特别是近两年来人们获得的一些实验结果。同时，随着碳纳米管研究的不断深入，建立并研究基于碳纳米管的器件已成为碳纳米管研究的重要发展趋势。 本论文针对上述问题首先自建了一套热式化学气相沉积(CVD)系统。采用该CVD系统，以CH4和H2为碳源气体实现了高质量SWNTs的制备。深入研究了热式CVD法制备SWNTs时，衬底、H2的相对浓度、温度、催化剂布置方式对SWNTs的质量与产率的影响。 其次，在国际上首次采用金刚石纳米颗粒及富勒烯实现了SWNTs的制备。该方法完全避免了采用常规金属催化剂制备SWNTs时不可避免的，由残留的催化剂带来的非碳元素对SWNT产物的污染，实现了CMOS工艺相容的SWNTs的制备。由于采用金刚石纳米颗粒及富勒烯实现SWNTs的制备是VLS模型所不能解释的，本论文提出了SWNT生长的“表面扩散模型”。本文认为，C原子在形成SWNT结构的过程中可以不需经过在催化剂颗粒内部的溶解-扩散-析出过程。催化剂纳米颗粒在SWNTs的初始成核以及连续生长过程中可仅起到提供纳米级尺寸模板的作用。自由C原子在催化剂纳米颗粒表面被吸附，并在热作用下扩散并重构成键形成SWNT的初始端部结构。这种连续的吸附-扩散-成键过程保证了SWNT的连续生长。采用SiO2纳米颗粒，TiO2纳米颗粒，CdSe/ZnS量子点分别实现了SWNTs的制备验证了该生长模型的有效性。 进一步，实现了水平定向生长的SWNTs的制备。获得了与衬底及催化剂无关的、无需电场辅助的、无需快速升温的制备定向生长的SWNTs的方法。研究了定向SWNTs的生长特性，发现定向生长的SWNTs可以跨越宽度达40μm的沟槽和高度达6μm的台阶并继续保持沿着原方向定向生长。基于其生长特性提出了SWNT的定向新机理。同时，实现了高生长速度的、具有宏观量长度的定向SWNTs的制备。SWNT的长度可在10min内达到大于5mm，其生长速度大于8.33μm/s。另外，还首次通过在SiO2/Si衬底上引入NaCl获得了多方向定向生长的SWNTs的制备方法。发现非晶SiO2在高温以及Na离子的催化下析晶形成方石英晶体是实现SWNTs呈多方向定向生长关键因素。方石英的晶向被认为起着引导SWNTs定向生长的作用。 最后，基于低密度的SWNT网络和定向生长的SWNT阵列构建了红外探测器件，并研究了其红外敏感性能。结果表明基于SWNT阵列的器件比基于SWNT网络的器件具有更好的红外响应性能和更高的信噪比，更有利于获得SWNT本身的红外探测性能。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-03-06 |
| 页码 | 149 |
| 源URL | [http://ir.sim.ac.cn/handle/331004/83426]  |
| 专题 | 上海微系统与信息技术研究所_微系统、冶金所学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 饶伏波. 单壁碳纳米管的生长原理、定向制备及其红外敏感性能研究[D]. 上海微系统与信息技术研究所. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所. 2008. |
入库方式： OAI收割
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