碳納米管基薄膜材料報(bào)告

碳納米管基薄膜材料報(bào)告引言：碳納米管是典型的一維納米材料，自1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其優(yōu)秀的力學(xué)性能、電學(xué)特性、極高的熱導(dǎo)率、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，都使其在納米構(gòu)造及功效復(fù)合材料、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、透明電極、鋰離子電池、超級(jí)電容器等諸多領(lǐng)域中含有廣闊的應(yīng)用前景，受到人們的廣泛關(guān)注。其含有特異的物理和化學(xué)性能，是由石墨層片卷曲后形成的無(wú)縫管，在范德華力作用下可形成2種不同的晶體構(gòu)造：?jiǎn)伪谔技{米管和多壁碳納米管。研究表明，只有將碳納米管組裝成宏觀材料，如薄膜，才干充足發(fā)揮碳納米管的優(yōu)越性能，實(shí)現(xiàn)其潛在應(yīng)用。因此，如何持續(xù)制備碳納米管薄膜并保持單根碳納米管的優(yōu)良性能就成為了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界人士的共同夢(mèng)想。單壁碳納米管多壁碳納米管單壁碳納米管多壁碳納米管制備辦法碳納米管能夠通過(guò)電弧法、化學(xué)氣相沉積法和激光燒蝕法等辦法直接在多個(gè)襯底上生長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用上，需將碳納米管在低溫狀況下沉積到諸如ITO玻璃、柔性透明薄膜上以實(shí)現(xiàn)大面積制備。這種需求能夠通過(guò)溶液法將碳納米管沉積到襯底上來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)致電子發(fā)射的冷陰極也能夠通過(guò)溶液法制備。但碳納米管和襯底間的附著力較差，從而成為妨礙溶液法制備均勻碳納米管薄膜的一種核心問(wèn)題。為了克服此缺點(diǎn)，在沉積碳納米管之前，需要在襯底上覆蓋一層緩沖層來(lái)提高碳納米管與襯底之間的粘附性?，F(xiàn)在制備碳納米管薄膜的辦法有諸多，重要有：化學(xué)氣相沉積法、電泳沉積法、電弧放電法、澆鑄法、層-層吸附自組裝法、電化學(xué)沉積法、自組裝成膜法、浸漬涂布法、改性表面吸附法、過(guò)濾-轉(zhuǎn)移法和LB技術(shù)等辦法。但是這些辦法在制備過(guò)程中需要高溫作用、表面活性劑、催化劑，設(shè)備昂貴，制備過(guò)程較為復(fù)雜。因此本文重要介紹一種由噴涂和旋涂相結(jié)合的辦法，在優(yōu)化工藝參數(shù)的條件下，能夠制備出透明導(dǎo)電碳納米管薄膜，成本低廉，制備工藝簡(jiǎn)潔，為其在場(chǎng)發(fā)射器件、透明導(dǎo)電薄膜、電磁屏蔽材料等方面的應(yīng)用提供了有效的理論根據(jù)。1.碳納米管溶液的制備取20mg碳納米管，溶于100mL無(wú)水乙醇中，在室溫下，置于超聲波清洗器中（通冷卻循環(huán)水）分散24h，得到高濃度的分散均勻的碳納米管溶液，分別配備成不同濃度（0.008、0.010、0.012、0.014mg/mL）的碳納米管溶液，待用。碳納米管薄膜的制備用去離子水、丙酮（分析純）、無(wú)水乙醇（分析純）依次清洗石英基片，然后在真空干燥箱中烘干備用；用手持式噴霧器將碳納米管分散液噴灑在石英玻璃襯底上（或采用勻膠機(jī)對(duì)其進(jìn)行旋涂），待分散劑自然揮發(fā)干燥后，再進(jìn)行第二層噴涂（或旋涂），如此重復(fù)多次，得到不同厚度的碳納米管薄膜。碳納米管薄膜的表征碳納米管的透射電鏡測(cè)試：JEM-F型高分辨率透射電子顯微鏡.薄膜的導(dǎo)電性能測(cè)試：RTS-8型四探針電阻測(cè)試儀.薄膜的透光率測(cè)試：UV-2550型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì).實(shí)驗(yàn)原理旋轉(zhuǎn)涂膜是在襯底旋轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)用離心力的作用成膜的。影響薄膜性能的溶液性質(zhì)重要是流變性能和表面張力，如溶液的粘度、濃度、觸變性和表面張力等。影響薄膜厚度的因素也比較復(fù)雜。Emslie，Bonner和Pecr等人認(rèn)為，在簡(jiǎn)化條件后，薄膜厚度h和旋轉(zhuǎn)時(shí)間t存在以下關(guān)系:積分后得：式中：ρ為溶液密度，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，η為溶液粘度；h0為初始薄膜厚度。積分后式子成立的前提是保持K為常數(shù)。但隨著涂膜時(shí)間增加，溶劑揮發(fā)必然造成密度和粘度的增大，式(2)便不再成立。在旋轉(zhuǎn)涂膜的后期，溶劑揮發(fā)帶來(lái)的影響將成為決定薄膜厚度的重要因素。薄膜測(cè)試與分析碳納米管溶液及碳納米管薄膜10nm50nmmmmm10nm50nmmmmm碳納米管的透射電子顯微鏡圖碳納米管的透射電子顯微鏡圖碳納米管細(xì)長(zhǎng)而純凈，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鐵顆粒，該碳納米管的石墨層基本與其軸向平行，有較好的石墨化構(gòu)造，這樣的構(gòu)造就有助于構(gòu)成電子通道，用此碳納米管制備的薄膜同樣含有這樣的構(gòu)造，納米管束之間互相交錯(cuò)，構(gòu)成四通八達(dá)的通道使電子能夠較順利的流通，使其導(dǎo)電成為可能.石英基片和碳納米管薄膜石英基片和碳納米管薄膜由圖得知，用去離子水、丙酮、無(wú)水乙醇依次清洗石英基片，能夠洗掉石英基片表面的灰塵和油污。通過(guò)噴涂或旋涂，待無(wú)水乙醇揮發(fā)后，能夠得到均勻的碳納米管薄膜。制備辦法與薄膜厚度對(duì)薄膜電阻的影響在40℃時(shí)，碳納米管溶液的濃度取0.014mg/mL，采用噴涂法和旋涂法制備了不同厚度的薄膜對(duì)薄膜電阻值的影響，如表所示。旋涂法制備的碳納米管薄膜，隨著薄膜厚度的增加，電阻先稍有增加，當(dāng)厚度達(dá)成130nm后逐步下降；如果采用噴涂法制備碳納米管薄膜，隨著薄膜厚度的增加，電阻逐步增加。在厚度靠近138nm時(shí)，兩種辦法測(cè)量值幾乎相似，這闡明，旋涂法和噴涂法作為制備碳納米管薄膜的兩種重要辦法，在制備厚度低于140nm的碳納米管薄膜時(shí)，選用噴涂法對(duì)制備高導(dǎo)電率的碳納米管薄膜有優(yōu)勢(shì)；在制備厚度高于140nm的碳納米管薄膜時(shí)，選用旋涂法對(duì)制備高導(dǎo)電率的碳納米管薄膜含有優(yōu)勢(shì)。圖2中直線為擬合的，其斜率與具體實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，如溶液溶度、粘度、基底表面狀況、溶劑揮發(fā)速度等，普通對(duì)同一溶液，環(huán)境和基底不變狀況下，旋轉(zhuǎn)速度越大，制備的薄膜越薄。溫度對(duì)薄膜電阻影響碳納米管溶液的濃度取0.014mg/mL，在不同加熱溫度條件下制備厚度130nm的薄膜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，不同加熱溫度對(duì)薄膜電阻的影響見(jiàn)圖由圖可知，隨著加熱溫度的升高，薄膜電阻值呈先減少后增加的趨勢(shì)，在25℃時(shí)，形成的薄膜較致密均勻，導(dǎo)電性能良好，此時(shí)薄膜的電阻值最小，導(dǎo)電率最大；而當(dāng)溫度超出25℃后來(lái)，薄膜的電阻值明顯有增大的趨勢(shì)。比較不同溫度條件下制備碳納米管薄膜的電阻值分析得出：當(dāng)加熱溫度達(dá)成30℃以上時(shí)，薄膜的電阻值明顯增大，可能是由于乙醇在較高的加熱溫度條件下，揮發(fā)的速度較快，促使薄膜與襯片的附著性能下降，乙醇的快速揮發(fā)使碳納米管發(fā)生蜷曲，薄膜表面不均勻，從而使薄膜的導(dǎo)電性能下降。結(jié)論：制備透明導(dǎo)電碳納米管薄膜的較為適宜的辦法，是采用噴涂法和旋涂法相組合的辦法。即制備厚度為100-140nm的碳納米管薄膜時(shí)，選擇噴涂法比旋涂法制備的碳納米管薄膜的電阻更低；制備厚度為140-180nm的碳納米管薄膜時(shí)，選用旋涂法比噴涂法制備的碳納米管薄膜的電阻更低.采用無(wú)水乙醇作為溶劑來(lái)配制碳納米管溶液，制備低電阻薄膜時(shí)較為適宜的加熱溫度是25℃。在其它條件不變的狀況下，隨著碳納米管濃度的增加，薄膜的透光率逐步減少，電阻值先減少后增加。薄膜特點(diǎn)電學(xué)性質(zhì)對(duì)碳納米管的能帶構(gòu)造已有了較進(jìn)一步的研究。碳納米管不同的金屬性、半導(dǎo)體性重要是由石墨烯彎曲角度的不一致引發(fā)的。對(duì)于集成裝置而言，一種核心問(wèn)題是碳納米管與金屬電極之間的接觸電極。不同的金屬與碳納米管作用有不同的功函數(shù)、費(fèi)米能級(jí)、潤(rùn)濕行為，因此不同金屬會(huì)有明顯不同的接觸電阻。傳輸性質(zhì)對(duì)單根碳納米管的傳輸性質(zhì)已有廣泛的研究。單壁碳納米管有極高的流動(dòng)性和電流承載能力。數(shù)據(jù)顯示，1/3的單壁碳納米管是金屬性質(zhì)的，2/3的碳納米管是半導(dǎo)體性質(zhì)的。金屬性質(zhì)和半導(dǎo)體性質(zhì)的碳納米管的傳輸性質(zhì)是明顯不同的。半導(dǎo)體性質(zhì)的碳納米管隨著溫度的變化導(dǎo)電性也會(huì)明顯變化。多壁碳納米管也有類(lèi)似的傳輸性質(zhì)，但由于碳納米管之間的互相耦合作用，體現(xiàn)還是有些不同。同理，對(duì)于碳納米管束而言，碳納米管之間的耦合也是需要考慮的光電性質(zhì)由于薄膜是稀疏的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，厚度在1~100nm的碳納米管薄膜含有較高的導(dǎo)電性和在可見(jiàn)光范疇內(nèi)的透光性。薄膜的透光性和導(dǎo)電性質(zhì)很大程度上取決于管的純度、摻雜的程度、管的長(zhǎng)度以及分散的質(zhì)量。材料的質(zhì)量以及實(shí)驗(yàn)的具體操作過(guò)程也會(huì)影響薄膜的性質(zhì)。力學(xué)性質(zhì)由于含有較大的長(zhǎng)徑比和強(qiáng)的化學(xué)鍵，因此單根碳納米管含有較好的機(jī)械力學(xué)性質(zhì)、較大的彈性和較強(qiáng)的負(fù)載能力。應(yīng)用與前景盡管納米級(jí)薄膜材料是新出現(xiàn)的研究領(lǐng)域，但是由于它們的數(shù)據(jù)含有較好的重現(xiàn)性，納米級(jí)材料的物理性質(zhì)及個(gè)別納米級(jí)材料的集成裝置已經(jīng)被廣泛研究。由于碳納米管既含有金屬性也含有半導(dǎo)體性，碳納米管薄膜呈現(xiàn)了隨薄膜厚度的增加，薄膜從半導(dǎo)體性質(zhì)向金屬性過(guò)渡的現(xiàn)象?，F(xiàn)在，有許多有關(guān)碳納米管薄膜裝置應(yīng)用的研究，如由于碳納米管薄膜的密度靠近于滲流閾值，能夠用來(lái)作薄膜晶體管、半導(dǎo)體的活化層。厚度在10-100nm范疇的薄膜含有很高的透光率和電導(dǎo)性，能夠用來(lái)替代ITO電極。微米級(jí)厚的納米薄膜是納米多孔的，能夠用來(lái)作超級(jí)電容器、燃料電池、普通電池的電極。能夠在諸如海水淡化，空氣凈化和工業(yè)氣體分離等應(yīng)用中得到較好的應(yīng)用。碳納米管薄膜商業(yè)化應(yīng)用的一種重要障礙是要找到一種可靠的辦法，對(duì)金屬性和半導(dǎo)體性的碳納米管進(jìn)行有效分離。將碳納米管分離有助于兩大應(yīng)用，半導(dǎo)體碳納米管有助于晶體薄膜的應(yīng)用，金屬碳納米管有助于高導(dǎo)電性質(zhì)的電極，用于傳輸導(dǎo)體的應(yīng)用。這兩個(gè)方面的應(yīng)用是碳納米管薄膜的重要應(yīng)用。有許多工業(yè)領(lǐng)域?qū)@兩方面的商業(yè)化應(yīng)用很感愛(ài)好。因此，更加好地理解碳納米管薄膜的物理化學(xué)性質(zhì)更有助于發(fā)展。參考文獻(xiàn)：[1]尹艷紅,吳子平,羊建高,黎業(yè)生,陳一勝,王智祥.碳納米管薄膜的制備及其性能的研究[J].有色金屬科學(xué)與工程,,3(03):27-32.[2]碳納米管在APTES自組裝膜表面沉積的研究[J].彭倚天,胡元中,王慧.微細(xì)加工技術(shù).(03)[3]大面積碳納米管薄膜的低溫制備與表征[J].劉興輝,朱長(zhǎng)純,田昌會(huì),劉衛(wèi)華.功效材料.(05)[4]邢亞娟,陳宏源,陳名海,姚亞剛,李清文.碳納米管在熱管理材料中的應(yīng)用[J].科學(xué)通報(bào),,59(Z2):2840-2850.[5]High-densitycarbonnanotubebuckypaperswithsuperiortransportandmechanicalproperties.Zhang,Ling,Zhang,Guang,Liu,Changhong,Fan,Shoushan.NanoLetters.[6]陳君君.碳納米管薄膜[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā),,44(03):35-39.[7]Printablethinfilmsupercapacitorsusingsingle-walledcarbonnanotubes.Kaempgen,Martti,Chan,CandaceK.,Ma,J.,Cui,Yi,Gruner,George.NanoLetters.[8]Engineeredmacroporosityinsingle-wallcarbonnanotubefilms.Das,RajibK.,Liu,Bo,Reynolds,JohnR.,Rinzler,AndrewG.NanoLetters.[9]Self-orientedregulararraysofcarbonnanotubesandtheirfieldemissionproperties.FanS.S,ChaplineM.G,FranklinN.R,etal.Science.19