直立石墨烯和納米金剛石薄膜的簡易制備及場發(fā)射性能研究
發(fā)布時間：2021-07-09 20:39
碳納米材料/結(jié)構(gòu)由于具有豐富且獨特的物理、化學(xué)性能及良好的生物兼容性,在電子信息、新能源、新材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為兩種典型的碳納米材料/結(jié)構(gòu),直立石墨烯納米片大的高寬比和納米金剛石薄膜低/負(fù)的電子親和勢使它們具有良好的場發(fā)射性能,可用于新一代冷陰極場發(fā)射器件中。目前,它們一般是通過基于氣相碳源的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition,CVD）或熱絲CVD生長獲得,存在設(shè)備和維護(hù)成本高、操作控制系統(tǒng)復(fù)雜、氣相碳源和摻雜源使用、存儲的安全性以及規(guī)模化制備等問題。針對上述問題,我們開發(fā)了基于管式爐中的熱化學(xué)生長技術(shù),通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體成分并優(yōu)化實驗參數(shù),實現(xiàn)了本征及摻雜的直立石墨烯納米片陣列和納米金剛石薄膜的制備,并對其場發(fā)射性能進(jìn)行了研究。本論文的主要內(nèi)容包括:1.簡要介紹了直立石墨烯納米片和納米金剛石薄膜的研究背景和現(xiàn)狀,歸納總結(jié)了它們的主要制備方法及功能特性,闡述了本論文的研究意義、內(nèi)容及測試與表征方法。2.以甲烷（CH4）氣體為碳源,通過優(yōu)化實驗參數(shù),包括催化劑預(yù)處理溫度、生長溫度、時間和氣壓等,實現(xiàn)了直立石墨...
【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：134 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
碳基電子和能源器件的可持續(xù)循環(huán)周期圖示
博士學(xué)位論文 直立石墨烯和納米金剛石薄膜的簡易制備及場發(fā)射002 年，Wu 等研究人員報道了在使用 MPECVD 生長碳納米管的過加直流偏壓時，通過催化劑 NiFe 的催化作用，在基底（硅片、二藍(lán)寶石）上生長了垂直于基底的碳納米墻[33,34]。這是首次報道使用上制備二維直立石墨烯納米片（碳納米墻）。他們采用 MPECVD配備了一個 500 W 的微波源和一個橫向矩形腔，該橫向矩形腔將英管生產(chǎn)等離子體。將兩個平行板電極（間距為 2 cm）置于石英縱向施加直流偏壓，以此促進(jìn)納米管和納米墻陣列生長，碳納米墻如圖 1.3 所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基底溫度在 650 700 °C 范圍內(nèi)、爐內(nèi) Torr 時，基底上施加的直流偏壓切斷或基底從直流偏壓電極上分離到基底上生長的都是碳納米墻，沒有碳納米管的出現(xiàn)，如圖 1.4 所
圖 1.4 Wu 等制備的碳納米墻的掃描圖像[34]。比例尺大�。海╝）100 nm，（b）1 μm隨后，Srivastava 等人同樣使用 MPECVD，無需對基底施加直流偏壓，在相對低的溫度下，生長直立石墨烯納米片[35]。實驗參數(shù)為：基底溫度在 350 650 °C范圍內(nèi)，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為 5 Torr，微波功率為 300 450 W。研究發(fā)現(xiàn)，隨著微波功率的增加和基底溫度的升高，類花瓣狀直立石墨烯納米片的密度增大，納米片的尺寸減小。此外，他們研究了催化劑對于直立石墨烯納米片生長的重要性，發(fā)現(xiàn)在沒有催化劑的基底上沒有直立石墨烯納米片/碳納米管的出現(xiàn)。然而，Tanaka 等人卻發(fā)現(xiàn)，在對基底施加直流偏壓時，使用 MPECVD，無需添加催化劑就可以實現(xiàn)直立石墨烯納米片的生長[36]。相關(guān)實驗參數(shù)為：直流偏壓為 185 V，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為 1.7 Torr，微波功率為 500 W。研究發(fā)現(xiàn)在未添加催化劑的二氧化硅基底上，直立石墨烯納米片仍呈良好勢頭生長，且隨著生長時間的增加，直立石墨烯納米片陣列的高度、厚度以及納米片間網(wǎng)孔尺寸均增大。值得注意的是，直立石墨烯納米片的生長速率高達(dá) 10 μm/h。同樣,Wang 等人采用大功率 MPECVD 在硅晶圓上生長垂直基底的石墨烯納米片[37]。他們使用的微波功率高達(dá) 2 kW，基體溫度為 950 °C，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為 70 Torr。這種方法盡管
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]多孔碳材料的設(shè)計合成及其在能源存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 劉明賢,繆靈,陸文靜,朱大章,徐子頡,甘禮華,陳龍武. 科學(xué)通報. 2017(06)
本文編號：3274457
【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：134 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
碳基電子和能源器件的可持續(xù)循環(huán)周期圖示
博士學(xué)位論文 直立石墨烯和納米金剛石薄膜的簡易制備及場發(fā)射002 年，Wu 等研究人員報道了在使用 MPECVD 生長碳納米管的過加直流偏壓時，通過催化劑 NiFe 的催化作用，在基底（硅片、二藍(lán)寶石）上生長了垂直于基底的碳納米墻[33,34]。這是首次報道使用上制備二維直立石墨烯納米片（碳納米墻）。他們采用 MPECVD配備了一個 500 W 的微波源和一個橫向矩形腔，該橫向矩形腔將英管生產(chǎn)等離子體。將兩個平行板電極（間距為 2 cm）置于石英縱向施加直流偏壓，以此促進(jìn)納米管和納米墻陣列生長，碳納米墻如圖 1.3 所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基底溫度在 650 700 °C 范圍內(nèi)、爐內(nèi) Torr 時，基底上施加的直流偏壓切斷或基底從直流偏壓電極上分離到基底上生長的都是碳納米墻，沒有碳納米管的出現(xiàn)，如圖 1.4 所
圖 1.4 Wu 等制備的碳納米墻的掃描圖像[34]。比例尺大�。海╝）100 nm，（b）1 μm隨后，Srivastava 等人同樣使用 MPECVD，無需對基底施加直流偏壓，在相對低的溫度下，生長直立石墨烯納米片[35]。實驗參數(shù)為：基底溫度在 350 650 °C范圍內(nèi)，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為 5 Torr，微波功率為 300 450 W。研究發(fā)現(xiàn)，隨著微波功率的增加和基底溫度的升高，類花瓣狀直立石墨烯納米片的密度增大，納米片的尺寸減小。此外，他們研究了催化劑對于直立石墨烯納米片生長的重要性，發(fā)現(xiàn)在沒有催化劑的基底上沒有直立石墨烯納米片/碳納米管的出現(xiàn)。然而，Tanaka 等人卻發(fā)現(xiàn)，在對基底施加直流偏壓時，使用 MPECVD，無需添加催化劑就可以實現(xiàn)直立石墨烯納米片的生長[36]。相關(guān)實驗參數(shù)為：直流偏壓為 185 V，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為 1.7 Torr，微波功率為 500 W。研究發(fā)現(xiàn)在未添加催化劑的二氧化硅基底上，直立石墨烯納米片仍呈良好勢頭生長，且隨著生長時間的增加，直立石墨烯納米片陣列的高度、厚度以及納米片間網(wǎng)孔尺寸均增大。值得注意的是，直立石墨烯納米片的生長速率高達(dá) 10 μm/h。同樣,Wang 等人采用大功率 MPECVD 在硅晶圓上生長垂直基底的石墨烯納米片[37]。他們使用的微波功率高達(dá) 2 kW，基體溫度為 950 °C，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為 70 Torr。這種方法盡管
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]多孔碳材料的設(shè)計合成及其在能源存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 劉明賢,繆靈,陸文靜,朱大章,徐子頡,甘禮華,陳龍武. 科學(xué)通報. 2017(06)
本文編號：3274457
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