單壁碳納米管的制備提純分離及其在納電子器件中的應(yīng)用

單壁碳納米管的制備、提純、分離及其在納電子器件中的應(yīng)用ThePreparation,Purification,DispersionandApplicationinNanoscaleElectronicDevicesofSingle-walledCarbonNanotubes電子學(xué)系99級(jí)趙曉雪摘要本文簡(jiǎn)要介紹了單壁碳納米管的電弧法制備和提純。為使其能夠應(yīng)用于納電子器件中，對(duì)提純后的樣品進(jìn)行了超聲波分離。選用了不同的溶劑、濃度配比和超聲時(shí)間。初步嘗試出乙醇和異丙醇為較好的溶劑。樣品純度對(duì)分離的效果有直接的影響。AbstractSingle-walledcarbonnanotubes(SWCNTs)arepreparedbythestandardarc-dischargemethodandthenpurified.InordertopavethewayfortheapplicationofSWCNTsinnanoscalefield-effecttransistor(FET),wedispersethetubesinseveraldifferentsolventsultrasonicallytoattainindividualtubes.Thebestresultswereobtainedusingethanolandisopropanol.Theeffectofdispersiondependsremarkablyonthesamplepurity.=1\*CHINESENUM3一、碳納米管的制備=1\*GB4㈠、碳納米管的種類理想的碳納米管（CNT）是由碳原子形成的石墨片層卷成的無(wú)縫、中空的管體，可包含一層到上百層石墨層。只有一層石墨片層的稱為單壁碳納米管(Single-walledcarbonnanotube，SWNTorSWCNT)，含有一層以上石墨片層的則稱為多壁碳納米管(Multi-walledcarbonnanotube，MWNTorMWCNT)。（圖1）襯圖昆1斧石墨看片層駛從1萄層到撲5層塔的碳吹納米彼管話SW俯CN頃Ts練的直孟徑一妥般在館1－漲6攪nm銜，目框前觀麗察到耍的S牌WC滾NT按的最伶小直屈徑約賠為0怖.3幻3妹nm銷[1剃]，館并已排能合苗成直屈徑0雁.4趟nm蘇的S傍WC柔NT蛇s陣調(diào)列[完2]沃。直戶徑達(dá)景6n抽m的饑SW眨CN豐Ts會(huì)也已頓有報(bào)圍道[幕3]礙。一鴿般認(rèn)府為，蓮SW煙CN道T的晶直徑榴大于失6n摧m以漿后特鈔別不志穩(wěn)定逗，容港易發(fā)過(guò)生S晴WC遙NT亦管的咱塌陷拉。單堆壁碳拿納米謝管的竄長(zhǎng)度布則可漿達(dá)幾違百納凝米到餅幾十做微米向。多孝壁碳殿納米愿管的秀層間酷距約粒為0吉.3躁4納什米，少外徑些在幾榨個(gè)納協(xié)米到塑幾百睛納米暴，而綱已發(fā)茶現(xiàn)的濟(jì)最小籌內(nèi)徑緒為0砍.4款nm惑[4糕]。青其長(zhǎng)拐度一插般在痛微米滋量級(jí)橫，最項(xiàng)長(zhǎng)者善可達(dá)搭數(shù)毫乳米。甩無(wú)論竊是師MW惡CN取T還期是滴SW趟CN們T都臨具有鉆很高優(yōu)的長(zhǎng)傷徑比謙，一厘般為今10膀0～題10祝00饅，有哨的甚干至可砌達(dá)1凈00俘0～術(shù)10數(shù)00旗0，瞧是非地常好循的準(zhǔn)姜一維快納米丑材料笛。=2\*GB4鉆㈡留、單誕壁碳么納米否管的形制備抹目前漢常用選于制夸備單稠壁碳億納米傘管的故只有蠶電弧鎮(zhèn)放電吳法、婆化學(xué)崗氣相貧沉積乘法、殘激光握蒸發(fā)宅法這憑三種途。電帝弧法壁的主蛇要原棟理是如在充想有一啟定壓彩力的吉惰性德氣體窩的真似空反慧應(yīng)室耀中，漲采用揚(yáng)面積裹較大它的石綢墨棒想(直層徑為蔬20慣mm表)作棍陰極匙，面嶄積較化小的齒石墨興棒路(直褲徑為廢10厲mm鋪)為嘴陽(yáng)極克。在刷電弧盯放電兼過(guò)程睡中，覽兩石炎墨電揀極間飲通過(guò)不反饋草始終躺保持限約篇1m浮m的澇小間互隙。擱陽(yáng)極爽石墨招棒不蹤斷被演消耗罩，在政陰極獅沉積行出含異有碳姜納米閑管、糾富勒諷烯（廟Fu稻ll史er禾en樣es彈）、噴石墨席微粒蠢、無(wú)狀定形累碳和亂其它讀形式吐的碳抖納米進(jìn)顆粒誘的混甜合物件，同靠時(shí)在夏反應(yīng)戰(zhàn)室的堪壁上引沉積揀有由勺無(wú)定蠢形碳挺和F勝ul點(diǎn)le域re犬ne洪s等萄碳納斃米顆州粒組漿成的狹煙灰物(S稀oo蹦t)嶺。關(guān)會(huì)鍵的他制備弓工藝兵參數(shù)遙有:挎電弧霉電流陪和電扇壓、巡緩沖紛氣體烘種類愁與氣鞭壓、曲電極悠的冷緊卻速題度等捕。電硬弧電露流一舟般為和70鴿-2怨00嬌A，桃過(guò)低色時(shí)電鍵弧不拒穩(wěn)定磁，過(guò)削高時(shí)鈴則會(huì)昨使無(wú)要定形摧碳、聯(lián)石墨榜微粒艘等雜匪質(zhì)增杠多，勝給其高后的勻純化寇處理爪帶來(lái)郵困難產(chǎn)。此呢外，亮由于盤與其沒(méi)它的忘副產(chǎn)晃物如割無(wú)定頌形碳大、石悲墨微名粒等擺雜質(zhì)千燒結(jié)州于一問(wèn)體，遲對(duì)隨每后的玉分離萄和提壓純不危利，膽因此豆常用拍水冷助等方魂法來(lái)脅降低割石墨最陰極偵的溫獎(jiǎng)度，據(jù)從而瀉制備逐出結(jié)呢構(gòu)更擊完美饒、更莊純的派碳管遲。披圖2盾傳嫂統(tǒng)電婆弧放艙電法扒制備誓碳納士米管村的裝芝置示銳意圖納此后鮮，人示們對(duì)父電弧唇法作不了更賠深入縱的研親究和貸技術(shù)支改進(jìn)景。比虜如用慕氦氣里取代炎氬氣脊作為霜緩沖盲氣體獻(xiàn)，并湯將氣塵體壓促力提甜高到襪6啊.7艘×末10雕-燦2怒MP被a。廢這一鑼調(diào)整蠟使碳陽(yáng)納米渠管的狂產(chǎn)量蝕達(dá)到耐了克苗量級(jí)損，而鑰且其陵純度姐也大提大提鉗高。紋電弧梢法由軟于設(shè)孩備較鋪簡(jiǎn)單派，技多術(shù)成榜熟等魔優(yōu)點(diǎn)轟而被功廣泛湖的應(yīng)栽用于燭CN俯Ts亡。但漆電弧伯法所誰(shuí)制備琴的C巴NT資s的曉缺陷炸較多千，且醉易于或與其槳它的逆副產(chǎn)巧物如覽無(wú)定肢形碳?xì)W、納名米微梨粒等半雜質(zhì)才燒結(jié)羅在一持起，雹對(duì)隨磚后的世分離閘和提餃純不扛利。=2\*CHINESENUM3黎二莖、碳賺納米多管的拆提純史由于笨CN成Ts僚的制馬備過(guò)電程中萄，通懲常都抬會(huì)同親時(shí)生是成F懶ul眼le童re黃ne窩s、激石墨尸微粒邪、無(wú)猶定形升碳和挪其它吼形式查的碳訊納米島顆粒艱。這個(gè)些雜泥質(zhì)與強(qiáng)碳納羨米管釀混雜槽在一繭起，醬且化壇學(xué)性賊質(zhì)相賓近，符用一郵般的拒方法忠很難芒進(jìn)行拿分離直，給胃碳納殿米管殲更深織入的貴性質(zhì)潔表征夏和應(yīng)舞用研運(yùn)究都橫帶來(lái)籃了極籮大的淹不便栗。因章而一其般都福需要次采取枯各種因物理鋪化學(xué)欄方法乘對(duì)制功備所老得的揀碳納急米管賊初產(chǎn)末品進(jìn)咱行純?cè)慊?，孟得到劉純度媽更高票的C凡NT婚s。蔽碳管唇的提改純主邀要有盒兩個(gè)沸過(guò)程幻：=1\*GB4掏㈠騎、催小化劑體的去促除男由于拔催化餐劑一慣般都俗是過(guò)煙渡金曲屬或柴者鑭筆系金石屬的叉氧化希物，斯而載訴體一帳般都在是A義l舉2敗O洋3押、M妄gO告等。轉(zhuǎn)所以攏通常辱是用哀過(guò)量驅(qū)的酸拼去與潛制備淡所得擊CN親Ts斑初產(chǎn)理物充虛分反必應(yīng)，慢然后拐經(jīng)過(guò)繼過(guò)濾僑、干照燥等垂步驟貍，去智除催居化劑正。=2\*GB4汗㈡迫、石咸墨微穴粒、畏無(wú)定兆形碳榮和其結(jié)它形快式的寇碳納飛米顆那粒的版去除站去除難各種輔碳納突米顆莊粒的盤方法叛是采饅用合教適的使氧化氧劑將飾附著閥在管希壁四彼周的輕碳納征米顆暮粒氧充化除舊掉，認(rèn)從而進(jìn)只剩拾下C散NT移s。貧其機(jī)顫理是錘利用頸氧化循劑對(duì)煤CN憶Ts本和碳篇納米摟顆粒鉗兩者腥的氧險(xiǎn)化速霧率不柿一致絮完成落的。對(duì)CN競(jìng)Ts價(jià)的管爪壁由迫六邊液形排假列的衛(wèi)碳原豎子葬(即姓六元師環(huán)惱)組寶成，間六元原環(huán)與甩五元分環(huán)、問(wèn)七元版環(huán)相崖比，蜓沒(méi)有弓懸掛搜鍵，玻因而滔比較亡穩(wěn)定立。在咳氧化登劑存萍在的特情況拋下，斃有較息多懸臉掛鍵刮的五剩元環(huán)細(xì)和七莊元環(huán)亂優(yōu)先削被氧健化，摘而無(wú)饞懸掛膽鍵的槐六元逼環(huán)需蛇要較憑長(zhǎng)時(shí)鄭間才絕能被世氧化扒，C佩NT著s的季封口剃被破擺壞后智，由蜘六元邀環(huán)組鑰成的仔管壁萌被氧我化的燭速度單十分羽緩慢覆，而毅碳納倆米顆缺粒則吼被一城層一嘆層氧舉化。肺可供張選擇宏的氧唱化劑熔很多且，如薪空氣寨或氧乳氣流賴、高霧錳酸魔鉀、然硝酸偷等等析。在勁空氣片流下駕氧化檢是最柔為簡(jiǎn)份便的靈常用朽方法遺。S捉WC斜NT硬s由妻于只棗有一趣層管瘦壁，歉因此偵其熱珠穩(wěn)定仙性相碎對(duì)M份WC騙NT腎s要陵差，今在碳針納米糟顆粒采的氧某化過(guò)贈(zèng)程中算也氧落化的玩比較愉厲害怒。=3\*CHINESENUM3秀三燒、單罪壁碳侄納米可管的挽分離賠制備戴的產(chǎn)饞品中晃的S倍WC固N(yùn)T肯s通墳常都稱不是靜一根燥根分探立的找，而指是以酷管束豎(b綢un助dl事e)艱的形綱式存?zhèn)髟诘呐?，即螞幾根咳甚至妹幾百貿(mào)根的具單壁貌碳納飼米管列沿著夸相同某的軸畝方向物平行志的結(jié)指合在謎一起形，形惹成直各徑約聲幾納示米到剃幾十將納米恨的單撫壁碳猜納米貝管束銹。這小些構(gòu)雖成管素束的超SW軋CN危Ts麥的直免徑可國(guó)以相善當(dāng)?shù)幕揖唤?，而指且以繡密堆項(xiàng)的形逃式排芹列，刷使得名bu霉nd況le揭本身盤可能嫁出現(xiàn)陰一定貧程度抬的晶蹦化[驚5]寒。戶圖3椅晶攻化程描度相嗓當(dāng)高積的S礦WC練NT坦s管景束鈴利用浸單根蠟的碳錢管可妖以構(gòu)晚造納伙電子瞞器件腦的基參本元芳件辰——礎(chǔ)碳納回米管濫場(chǎng)效墻應(yīng)管尼（C獄NT虜F喝ET浩）。鍵因此鎖，為朱了將寸其應(yīng)躍用于蔥納電蒼子器吐件之騎中，末需要蠅對(duì)碳附管管器束進(jìn)覆行分艘離，春目標(biāo)渠是得慕到單嫌根的漁碳管水。=1\*GB4麻㈠錯(cuò)、分球離方魂法郊我們餐采用濱的是肉將碳均管粉起末溶查于溶茫劑之似中再繞長(zhǎng)時(shí)詢間超規(guī)聲的棚方法徒，從險(xiǎn)而達(dá)葡到將是其分考離的喂目的島。分歲離的克效果府主要單取決厲于溶末劑的安種類再和超漿聲的梢時(shí)間扒。將乳處理窗后碳末管溶叛液滴皺到硅炊片上姨制成縮樣品受，然旨后用籃掃描玉電鏡絹（S肌EM濕）觀發(fā)察分沙離效怠果。=2\*GB4汗㈡秤、分皆離過(guò)越程及破結(jié)果湖一共居嘗試俗了乙愿醇、屬丙酮倡、四弱氯化閉碳、炸異丙盆醇四躺種溶美劑。療并且滾每種葉溶劑徐都嘗號(hào)試了釋不同真的碳漠管濃蠻度及湖超聲序時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