碳和掺杂碳纳米管的制备和性能研究

本论文首先采用催化热解的方法制备出碳纳米管、碳氮纳米管、硼碳氮纳米管、镓掺杂碳纳米管和硼掺杂碳纳米管，并通过SEM、TEM、拉曼光谱仪对各种纳米管进行研究。镍／二茂铁催化作用下生成的多壁碳纳米管直径分布主要集中在50nm左右。在980℃下制备的碳氮纳米管的直径在15～60nm之间，呈现“竹节”状结构管体，存在大量弯曲分子面。BCN纳米管中“竹节”状较为明显，每一节的间距基本相等，直径约50nm，壁厚约7nm。结晶程度较高，在外管壁上没有发现大量的无定形碳。镓掺杂碳纳米管为常规中空管，弯曲较少，直径在30-70nm范围内。对其进行能谱分析，测得管中镓的含量小于1％。硼掺杂碳纳米管长度在20μm左右，直径30～100nm之间，类竹节结构。 利用丝网印刷方法制得各种纳米管薄膜。在高真空系统(5.0×10-5Pa)下对各种纳米管薄膜的场发射性能进行研究。实验中测得碳纳米管的开启电场为2.22V／μm，当电场增加到5.7V／μm时，电流密度达到1400μA／cm2。碳氮纳米管的开启电场为1.1V／μm，当电场增加到5.7V／μm时，电流密度达到3000μA／cm2，硼碳氮纳米管的开启电场为4.4V／μm，然而硼碳氮纳米管的发射电流非常微弱，当电场升至5.7V／μm时，电流密度仍在50μA／cm2以下，镓掺杂碳纳米管的开启电场为1.0V／μm,当电场增加到2.6V／μm时，电流密度达到5000μA／cm2，硼掺杂纳米管开启电压为2.1V／μm，当电场增加到3.5V／μm时，电流密度达到2000μA／cm2，结果发现镓掺杂碳纳米管场发射性能要远优越于其他四种纳米管薄膜。