真空度对碳纳米管生长过程的影响

　　功能材料与器件学报文章编号1007真空度对碳纳米管生长过程的影响徐幸梓王必本张兵刘天模！1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044；2.北京工业大学应用数理学院，北京122制备出准直碳，管，并用扫描电子，镜研究了它们料长和结构，结果度对其生长和结构有较大的影响。当真空度为4和21时准直碳纳米管较容易生长，并且真空度为2000！1时生长的碳纳米管平均长度大于真空度为4时碳纳米管的平均长度。但真空度为6673时碳纳米管生长困难。根据热力学和辉光放电理论，分析了真空度对准直碳纳米管生长和结构的影响。

　　1引言自从1991年叫3用电子显微镜观察到碳纳米管之后，碳纳米管以其的性能如高的长径比高的力学强度2依赖于直径和螺旋性的导电性能3等，受到了人们的极大关注，并在全世界范围收稿日期2003内形成了研究高潮。它可用来存储氢14金属5用作电池的电极，等碳纳米管具有低的场电子发射阈值，是制备电子器件的佳侯选材料78并且科学工作者已开始了将它用于制备纳米电子器件的研究1.目前，利用化学气相沉积化，在催化剂的作用下很容易地制备出碳纳米管，它是由碳从催化剂中析出而形成的⑴沉积条件如温度真空度的变化等对碳纳米管的生长都将产生定的影响，有关温度的影响研究较多14〃51.但是，真空度对碳纳米管的生长影响报道很少，尤其从理论上研究真空度对碳纳米管生长的影响还未到报道。本工作利用等离子体增强热丝化学气相沉积系统制备准直碳纳米管，并研究真空度对其生长和结构的影响。

　　2实验和结果制备准直碳纳米管的，0系统1.灯丝为41！1的螺旋钨丝，其温度加热到1950左右。灯丝与衬底之间的距离为2衬底靠灯丝的热辐射进行加热，其温度为550左右。反应气体是田和压的混合气体扎乐和压的流量分别为2，3.灿4，31和4，3.，由气体质量流量计进行控制。沉积碳纳米管时的真空度为66740003.灯丝与衬底之间的河，网用来作为偏压电路的正极，Mo网与衬底之间的距离为6mm，相对于添，网的负偏压通过衬底支架施加到衬底上。

　　在沉积碳纳米管之前，先利用RF射频等离子体溅射，在Si衬底上沉积100nm的Ta层以及10nm碳纳米管生长过程中发生脱落。将沉积好催化剂的31片放人反应室中，当反应室内的真空达到1.53时，通人压，待反应室的真空度达到工作要求后，开始加热灯丝。当灯丝加热到1950尤左右时，通人乐和0扎，同时将负偏压加到衬底上，当负偏压大于43，时，气体产生辉光放电，将负偏压固定在450，生长碳纳米管，生长时间为电极20003和667时，准直碳纳米管生长的扫描电子显微镜50照片。由23和13可知，当真空度为4000320003时，其平均长度为1.681和2.15，明真空度为2000时人0，的平均长度大于真空度为40003时人0化的平均长度。当真空度为6673时，碳纳米管生长极其困难。

　　3分析与讨论以上结果明真空度对其生长和结构有极大的影响，这与气体产生的辉光放电有关。辉光放电之后，在衬底面附近的阴极鞘层内形成大量的离子和在衬底面附近形成很强的电场。在强电场作用下，离子对队，6层轰击使其形成了较小的州6颗粒61.由于6颗粒的减小，其熔点相对于块材将降低。因而，在生长碳纳米管的过程中山6颗粒或其层被熔化71.碳氮和氢原子的半径都1人，都易溶解于Ni与Fe中18l.催化剂NiFe中，Ni与Fe的比例是89，其主要成分是。氢在温度高于室温时就从中逸出因此，在生长碳纳米管的过程中，可认为只有碳和氮溶解于催化剂№Fe中形成溶液。为分析方便，将溶液看成是加0溶液。该溶液的摩尔0出自由能为，能，为组元；的摩尔分数，4=1为组元的作用参数。碳的化学势叫为，溶液中的作用参数。由于碳纳米管是石墨结构度。因，在中的溶解度较低，1站厂，1 2处，处=0.由2和3式可得到0的活度为和认分别为如，州，和，的结合能12.1.在固体状态下，队，2.686.在溶液状态下，该值有所增大，但在理想溶液的状态下，即与0无相互作用时，该值才为0，即，0.在6的溶液中为0.132撕与的性质相似，因而，取在队的溶液中0，即，的活度此随着处和抑的增大而增大。气体在辉光放电时，离子的平均速度与真空度的关系为底所加的负偏压，为离子的平均自由程，为阴极鞘层的厚度。由于，人户，在定时，为常数，则为常数。将=代人5式得将6式对户微分可得中7式明离子的速度随着真空度的降低而减小。因此，由辉光放电形成的含碳离子和含氮离子到达6面形成原子后，溶解到6中的速率也随着真空度的降低而减小，导致和仙随着真空度度的降低而减小。碳从阶心中析出随着其活度的增大而加快，因而，碳纳米管的生长速率随着真空度的降低而减小。结果，2中碳纳米管的平均长度大于23中碳纳米管的平均长度。当真空度太高，离子的速度太快以致于含碳离子和含氮离子很快地到达面，由于温度较低，它们不能够及，地形成原子溶解到6中，而是聚集在；面，使催化剂中毒，阻止了后来的含碳离子和含氮离子在，槐砻娴慕，徊椒纸狻R虼耍，谕疾；中，碳纳米管生长极其困难。这点也被。等的结果所证明，即在低温高真空度下，碳纳米管的产量极其低，基本为零。

　　4结论真空度对碳纳米管的生长过程有直接的影响。

　　当真空度较低时，准直碳纳米管较容易生长，并且随着真空度的降低，其平均长度增大。但真空度过高，不利于碳纳米管的生长。

　　张通和，吴瑜光。离子注入面优化技术河。北足冶金工业出版社，199397.

　　肖纪美，朱逢吾。材料能量学肘。上海上海科学技术