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单壁碳纳米管阵列制备及其粘附力研究

作　者: 班书宝
导　师: 顾济华；吴东岷
学　校: 苏州大学
专　业: 光学
关键词: 单壁碳纳米管阵列 化学气相沉积法 粘附力 临界槽口宽度
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 29次
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内容摘要


自1991年发现碳纳米管以来,碳纳米管以其优异的物理、化学、电学等性能引起了广大科研工作者的研究兴趣。自从1993年发现单壁碳纳米管以来,有关单壁碳纳米管的制备受到了极大的关注,单壁碳纳米管的制备方法很多,包括电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法(CVD)等。由于能耗较低,易于放大,可以实现连续或半连续生产等原因,CVD法成为目前大规模生产单壁碳纳米管最有前途的方法。单壁碳纳米管的制备技术是研究单壁碳纳米管物理化学性质及其应用的基础,这方面的研究已经取得了较大的进展,然而,单壁纳米碳管的大规模制备和碳纳米管阵列的定向生长始终是瓶颈,极大限制了单壁纳米碳管应用方面的研究。本文以三氯化铁(FeCl3)乙醇溶液为催化剂,甲烷(CH4)为碳源,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为分散剂,采用化学气相沉积法(CVD),在单晶石英基底上生长定向水平单壁碳纳米管阵列。研究中使用刻有线条的不锈钢金属板作为掩模,喷涂催化剂,在石英基底上形成整齐、规则排列的催化剂条,较好地实现了碳纳米管阵列的大面积生长。分别使用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和共聚焦拉曼光谱仪对生长的碳纳米管阵列进行表征分析,实验结果表明,所得的产物是结构缺陷少、纯度高,直径均匀的单壁纳米碳管阵列。本文根据小形变时的简单梁理论,给出了由碳纳米管悬空部分粘附时的几何形貌来计算平行碳纳米管之间粘附力的理论模型,推导出了平行碳纳米管之间粘附力的计算公式以及碳纳米管粘附到沟槽基底时和沟槽基底的粘附力计算公式。估算了不同间距的平行碳纳米管能够粘附在一起所需要的临界槽口宽度;以及碳纳米管恰好粘附到沟槽基底时,槽口宽度和沟槽深度之间的对应关系。初步探究了碳纳米管悬空结构的制备工艺。

全文目录


中文摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 碳纳米管的发现  10
  1.2 碳纳米管的分类和结构  10-13
    1.2.1 碳纳米管的分类  10-12
    1.2.2 碳纳米管的结构  12-13
  1.3 碳纳米管的性能以及应用  13-17
    1.3.1 碳纳米管的力学性能及应用  14-16
    1.3.2 碳纳米管的电学性能及应用  16
    1.3.3 碳纳米管的热学性能及应用  16-17
  1.4 本课题开展的工作和意义  17-18
第二章 碳纳米管的生长制备  18-34
  2.1 碳纳米管制备方法综述  18-21
    2.1.1 电弧放电法  18-19
    2.1.2 激光蒸发法  19
    2.1.3 化学气相沉积法  19
    2.1.4 其他的制备方法  19-20
    2.1.5 碳纳米管的生长机理  20
    2.1.6 水平单壁碳纳米管阵列生长研究进展  20-21
  2.2 定向单壁碳纳米管阵列的生长制备  21-23
    2.2.1 化学气相沉积法（CVD）基本原理以及所需的仪器设备  21-22
    2.2.2 催化剂及其配制  22
    2.2.3 不锈钢金属板的设计  22-23
  2.3 石英基底上碳纳米管的生长  23-25
    2.3.1 石英基底预处理  23-24
    2.3.2 催化剂的沉积  24
    2.3.3 碳纳米管生长  24-25
  2.4 碳纳米管的表征分析  25-31
    2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）表征及分析  25-26
    2.4.2 原子力显微镜（AFM）表征及分析  26-27
    2.4.3 拉曼表征及分析  27-30
    2.4.4 实验结果与讨论  30-31
  2.5 蓝宝石基底上碳纳米管阵列的生长制备研究  31-33
    2.5.1 蓝宝石基底预处理  31
    2.5.2 催化剂沉积  31
    2.5.3 抛光基底与不抛光基底上碳纳米管的生长  31-32
    2.5.4 实验结果与讨论  32-33
  2.6 本章小结  33-34
第三章 碳纳米管粘附力研究  34-42
  3.1 引言  34-35
  3.2 理论模型和公式推导  35-38
  3.3 结果分析  38-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章 实验部分  42-51
  4.1 光学曝光工艺过程和光刻胶基本性质简介  42-44
    4.1.1 光学曝光工艺过程  42-44
    4.1.2 光刻胶的基本性质  44
  4.2 碳纳米管悬空结构制备  44-50
    4.2.1 光刻工艺  45-47
    4.2.2 腐蚀  47-48
    4.2.3 实验结果及分析  48-50
  4.3 本章小结  50-51
第五章 总结与展望  51-53
  5.1 论文创新点  51-52
  5.2 研究展望  52-53
参考文献  53-59
攻读硕士学位期间发表的论文  59-60
致谢  60-61

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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