單壁碳納米管可看作是由單層石墨烯按照一定的方向卷曲而成的一維中空管狀結(jié)構(gòu),根據(jù)其卷曲方式的不同而具有不同的導(dǎo)電屬性,即金屬性和半導(dǎo)體性。金屬性碳管可用作器件互聯(lián)導(dǎo)線,半導(dǎo)體性碳管是理想的晶體管溝道材料,因此碳納米管被認(rèn)為最有可能替代硅,成為下一代芯片的基元材料。然而要實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管在納電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用,首先需要獲得高密度的單壁碳納米管水平陣列與高純度的半導(dǎo)體性單壁碳納米管。目前單壁碳納米管的可控生長的機(jī)理尚不明晰,這極大地阻礙了對其結(jié)構(gòu)及性能的精細(xì)控制。催化劑是決定碳納米管結(jié)構(gòu)的最關(guān)鍵因素之一。因此,本論文從催化劑的負(fù)載方式、催化劑的結(jié)構(gòu)和成分角度出發(fā),探索高密度單壁碳納米管水平陣列和半導(dǎo)體性富集單壁碳納米管的可控制備方法,并研究其機(jī)理。取得的主要結(jié)果如下:建立了蒸發(fā)持續(xù)形核方法,實(shí)現(xiàn)了高活性催化劑顆粒在碳管生長過程中的連續(xù)供給,避免了催化劑顆粒在碳管生長過程中的團(tuán)聚、失活現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了高密度單壁碳納米管水平陣列的制備。蒸發(fā)持續(xù)形核技術(shù)可具體描述為:將Fe催化劑預(yù)先儲存在SiO2/Si基片表面,在高溫生長過程中,Fe原子蒸發(fā)釋放,在單晶石英基底表面沉積、形核、長大成為Fe納米顆粒,并... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：131 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１各種碳材料的結(jié)構(gòu)示意圖化（ａ）石墨；（ｂ）金剛石；（ｃ）富勒烯Ｃ６〇；?（ｄ）單壁??碳納米管；（ｅ）石墨烯??

—－＞??麵?－＞??圖１．２單壁碳納米管的手性結(jié)構(gòu)示意圖Ｗ及典型結(jié)構(gòu)??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｈｉｒａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ＳＷＣＮＴｓ?ａｎｄ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＳＷＣＮＴ??ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．??１．２．２單壁碳納米管的電子學(xué)結(jié)構(gòu)??單壁碳納米管的獨(dú)特電學(xué)特性與其手性角相關(guān)，隨著手性角的變化，其能隙??在接近零到ｌ．ＯｅＶ范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的導(dǎo)電屬性分為：金屬性、準(zhǔn)金屬性和半導(dǎo)??體性。單壁碳納米管可以看作是由石墨烯卷曲而成的，因此可以利用緊束縛近似??模型通過石墨烯來推導(dǎo)出其電子結(jié)構(gòu)［９，１（）］。單層的石墨烯是帶隙為零的導(dǎo)體，由??圖１．３ａ看到，其導(dǎo)帶和價帶在第一布里淵區(qū)的六個頂點(diǎn)（即狄拉克點(diǎn)）處相交。??當(dāng)石墨烯卷曲成碳納米管時，波矢在軸向連續(xù)不變，在徑向需要滿足手性螺旋矢??量的周期性邊界條件而量子化。此時單壁碳納米管的手性指數(shù)會確定一系列垂直??于１＾－１＾平面的截面，用這些截面截取石墨烯的能帶而獲得一系列線條，即為單??壁碳納米管的能帶圖［１１］。如果這些線條在布里淵區(qū)上的投影直線過狄拉克點(diǎn)

對應(yīng)于電子態(tài)密度（ＤＯＳ）的尖峰，即ＶａｎＨｏｖｅ奇點(diǎn)。鏡像的ＶａｎＨｏｖｅ奇點(diǎn)之??間的能量帶隙是電子躍遷能Ｅ，，（／＝ｌ，?２，?３．．．），一般金屬性單壁碳納米管的電子??躍遷能寫作Ｍ，，，半導(dǎo)體性單壁碳納米管的電子躍遷能寫作Ｓ，ｖ。圖１．４為通過緊??束縛模型模擬計算得到的單壁碳納米管的ＤＯＳ圖Ｍ。（９，?０）和（１０，?０）碳管雖??然手性指數(shù)很相近，可是電學(xué)特性卻具有很大差異。金屬性的（９，?０）有分波跨??過費(fèi)米能級，而半導(dǎo)體性的（１０，?０）碳管費(fèi)米能級所在區(qū)域的電子態(tài)密度為零。??而且，半導(dǎo)體性單壁碳納米管的直徑與其帶隙成反比（如圖１．４ｃ）?［１１，１３＞１４］。??ａ?ｂ??§過重｛隱Ｕ??－４．０?－３．０?－２．０?－１．０?０．０?１．０?２．０?３．０?４．０?－４?０?＿３．０?—２．０?＿１０?０．０?１?０?２０?３．０?４０??ｍ＾／ｒ〇?＼ｍ／ｒ〇??Ｃ?＞５?—＇￣－Ｔ－＊—■￣Ｉ￣￣￣￣￣Ｉ￣■—？￣￣■￣＞—??ｉ＇；?Ｖ?；??ｒ．??Ｎａｎｏｔｕｂｅ?ｒａｄｉｕｓ?（ｎｍ）??圖１．４?（ａ）金屬性（９，?０）和（ｂ）半導(dǎo)體性（１０，?０）單壁碳納米管的電子態(tài)密度圖％??（ｃ）半導(dǎo)體性單壁碳納米管的帶隙與直徑的關(guān)系??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｏｆ?ｓｔａｔｅｓ?ｏｆ?ＳＷＣＮＴｓ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｈｉｒａｌｉｔｉｅｓ：?（ａ）?（１０，?０）?ａｎｄ??（ｂ）?（９


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