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DOI : 10.2240/azojono0123

有特殊用途的唯一和多被圍住的碳 Nanotubes 的選擇由導電性和場致發射屬性的在原處描述特性的

DESYGN IT - 特刊

設計、 Nanotubes 綜合和增長行業技術的

亞娜 Andzane,約瑟夫 M. Tobin, Zhonglai 李, Juris Prikulis,標記 Baxendale、 Håkan Olin,賈斯廷 D. Holmes 和 Donats Erts

版權 AZoM.com 有限公司 Pty。

這是在許可證無限制的使用提供原始工作適當地被援引,但是被限制到非商業配電器和再生產的 AZo 槳被分配的一個偶氮開路獎勵系統 (AZo 槳) 條款 http://www.azonano.com/oars.asp 條件下

提交: 2007年th 11月 6日

張貼: 2007年th 11月 16日

DOI : 10.2240/azojono0123

包括的事宜

摘要

背景

方法和材料

SWCNTs Nanotubes

管類型 MWCNTs

竹類型 MWCNT

SCF 增長的 Nanotubes

結果和論述

場致發射屬性

使用二探測方法的電子描述特性

Nanotube 質量

結論

鳴謝

參考

聯絡詳細資料

摘要

使用一個原地傳輸電子顯微鏡掃描挖洞顯微鏡 (TEM-STM) 技術,各自的唯一和多被圍住的碳 nanotubes 導電性和場致發射屬性,增長用化工蒸氣和超臨界可變的證言技術,被估計了。 傳導性和場致發射評定從 nanotube 電極距離得到了并且與觀察聯繫。 實驗場地所有碳 nanotubes 的放射特性調查很好適合對捕野禽者Nordheim 等式,當不同的功函是應用的。 在場致發射上的區別和導電性屬性被分析并且與碳 nanotubes 的結構有關。 存在的這個方法這裡適用於 CNT 的在原處選擇與期望屬性的特殊電子應用的。

背景

碳 nanotubes (CNTs) 是與各種各樣潛在的應用的有吸引力的材料。 CNT 基於多種電子設備,例如晶體管 [1-5],邏輯電路 [6 個] nanoelectromechanical 設備, [7-9] 傳感器 [10,11] 被展示了。 在 1995 從 CNTs 的場致發射報告了 [12,13] 和 nanotubes 成為有為的候選人作為域電子放射器。 [14-17]。 高長寬比 (對直徑的長度) CNTs 導致一個高域改進系數,有利對場致發射。

這些應用需求有形資產的一個異常的組合,例如結構上的堅硬、電傳導性和小的密度,仅擁有由 CNTs。 電子設備應該也承受焦耳熱化和高強度重點造成的高溫避免設備故障。

因為 nanotubes 可以用與多種結構的不同的方法增長, CNT 的一種適當的類型的選擇一種有選擇性的應用的是一項富挑戰性的任務。 CNTs 可以用多種方法準備例如弧光放電、激光燒蝕,化學氣相沉積 (CVD),超臨界流動 (SCF) 和其他 [18-20] 與 CVD 生產最用途廣泛的方法。

對於很大數量的應用,例如場致發射,調查在 CNT 影片或列陣主要進行了。 在各自的 nanotubes 的直接比較評定比在列陣或很大數量的 CNTs 的平均描述特性情報。

場致發射和各自的 nanotubes 的導電性屬性以及降低和故障參數由很多個組調查,例如, (參見 [21-24]。 然而,就我們所知,那裡有是在不同的 nanotubes 執行的研究調查在相同的試驗條件下。 單獨情況是現在可以得到的在壽命、各自的 nanotube 放射器 [21,23,24 的] 降低和故障以及在導電性屬性,電子細分各自的 nanotubes 的結構和參數在二點的描述特性 [22 時],但是它經常是有問題的比較不同的 nanotubes 屬性由於是的試驗條件相同的。

在本文我們報告導電性和場致發射屬性的一個系統的研究單一圍住的,多被圍住,包括竹子構建的碳 nanotubes (BCNTs) 和單一被圍住的 CNT 充滿 C60 分子。 所有結構在相同的情況下調查并且被比較了。 最近被開發的在原處技術 [25-29] 聯絡安排和形狀可以被調整和被觀察在評定期間用於我們的實驗。 nanotubes 用化學氣相沉積和 (CVD)超臨界可變的 (SCF) 方法準備。

方法和材料

掃描挖洞顯微鏡,編譯在傳輸電子顯微鏡 (TEM-STM) [29,30 的] 範例持有人,用於操作和探查 nanotubes 如圖 1. 所示。 nanotubes 是保稅的在金子技巧上使用電子導電性粘合劑 CW2400,電觸點被聯繫; 第二個技巧在 TEM 使用了作為對電極,并且能直接地被觀察。

測量建立的圖 1. 概要在傳輸電子顯微鏡裡面的

實驗在運行在 80 kV 的飛利浦 TEM-301 顯微鏡被執行了,裝備用圖像購買的一臺敏銳的圖 II CCD 照相機。 在範例房間的真空是大約 10-3 Pa。 偏壓和範例當前是由來源儀表 (Keithley 6430) 控制的。

碳 nanotubes 是由 CVD 和 SCF 技術導致的。 nanotubes 的長度在 600 毫微米和 8 µm 之間,并且半徑在 7 和 50 毫微米之間。 非從 Aldrich 的被淨化的多被圍住的碳 nanotubes 被評定了供參考。

CVD 增長的牆壁和 multiwall CNTs 在 MgO 支持的 Co/Mo (管類型 nanotubes) CNTs 被綜合了和 Pd/Mo (竹類型 nanotubes) 催化劑。 MgO 由 Mg 準備 (OH)2 在 450 ºC 的2 CO 的3 分解在 6 hr [31]。

SWCNTs Nanotubes

Co (不) .6H0 和3 (2NH2) MoO.HO 的4水溶液6242準備并且混合有與 Co 的 MgO 技術支持:3:2 Mo 槽牙比例通過烘乾按照在烤箱在 80Co。 乾前體粉末然後被鍛燒了在 550 ºC 這種催化劑的 0.3 g 在石英管安置了,并且加熱對 800 在 H/Ar 一塊還原氣層的 ºC 以 300 ml 分鐘的流速-1 30 Min. 甲烷然後被投向管以 50 ml Min. 的流速。-1 SWNT 形成的增長期間被設置了在 60 分鐘,在後熔爐冷卻了對室溫。 要獲取純 SWNT 材料,準備的材料對待與 6 M HNO3 和由水洗滌去除這種催化劑。

管類型 MWCNTs

Co (不) .6H0 和3 (2NH2) MoO.HO 的4水溶液6242準備并且混合有與 Co 的 MgO 技術支持:Mo 3:4 體重比通過烘乾按照在烤箱在 80Co。 乾前體粉末然後被鍛燒了在 550 ºC 這種催化劑的 0.3 g 在石英管安置了,并且加熱到在 H/Ar 一塊還原氣層的 ºC 以2 300 ml 分鐘的流速 -1 30 Min. 甲烷然後被投向管以 200 ml 分鐘的流速與-1 H/Ar 的 8002 100 ml Min. 的流速。-1 MWNT 形成的增長期間被設置了在 60 分鐘,在後熔爐冷卻了對室溫。 要獲取純 MWNT 材料,準備的材料對待與 6 M HNO3 和由水洗滌去除這種催化劑。

竹類型 MWCNT

Pd (不) .xHO 和 (3NH2)2 MoO.HO 的4水溶液6242與 MgO 技術支持混合,跟隨由 30 最小和乾燥的聲處理。 乾前體粉末被銲接了在 ºC 這種催化劑 6 時數 0.3 g 在石英管安置的 500,并且加熱對 900 在 H/Ar 一塊還原氣層的 ºC 以 300 ml 分鐘的流速-1 30 Min. 甲烷然後被投向管以 100 ml Min. 的流速。-1 BCNTs 形成的增長期間被設置了在 30 分鐘,在後熔爐冷卻了對室溫。 要獲取純 BCNTs 材料,準備的材料對待與 6 M HNO3 和由水洗滌去除這種催化劑。

SCF 增長的 Nanotubes

SCF 增長的 nanotubes 在 MgO 準備支持 3 wt.% Co 和 4 wt.% Mo 催化劑 [20]。 在一個典型的 SCF 證言實驗, 0.5 g Co/MgO 催化劑被安置了到高壓反應器 (Inconel 625 GR2- 短冷期tite, Inc.) 和減少了使用 H/Ar2 (V/V=20/180 ml 分鐘-1) 在 750 30 个最少的 CO 的 °C,當碳源首先被添加了到在 40 °C 的一個 450 ml 不鏽鋼水庫在溫度控制的熱水鍋。 流經系統通過連接碳源水庫的入口和出口閥設立,包括一個活塞,到各自 260 ml ISCO 注射器泵 (林肯 NE) 和回應船。 一個反壓力管理者維護了這個系統以恆定的壓并且通過這個系統控制了 CO 的流速。 回應時間被設置了對 60 Min。 在反應器冷靜了冷卻對室溫後,碳/催化劑粉末對待與 6M HNO3

結果和論述

場致發射屬性

对場致發射實驗高電潛在 (250 V) 是應用的在 CNT 和對電極之間。 TEM-SPM 設置允許 CNT 的位置的準確控制和評定相對陽極和其他周圍的對象 (圖 2a)。 這個局部域估計使用 [21],其中 應用的潛在, 是間極距離, 是域改進系數。 他們的長度 L 和半徑取決於 nanotubes 的幾何域改進系數γ 作為γ = (0.87L/r+ 4.5) [32,33]。 在我們的情況,域改進系數超過 100 大多的 nanotubes 調查除了 CVD 像γ=20 的 MWNTs 的增長的管 (表 1)。

圖 2b 和表 1 場致發射當前顯示比較作為碳 nanotubes 的所有調查的類型的局部域功能。

圖 2. a) 一 CVD 增長的 multiwall 碳 nanotube 的 TEM 圖像在場致發射評定期間的; b) 對局部域的當前依賴性 CNT 的不同的類型的。 實線符合使用功函 8.1 eV 被計算的捕野禽者Nordheim 原理像 nanotubes 的竹子的和其他的 - 5.1 eV。

一般,在 Co/Mo 催化劑 MWCNT 的場致發射增長的持續在 1.5 - 4.1 V/nm (表 1) 和飽和在局部域的 3.0 - 4.6 V/nm 的局部域,與文件數據是可比較的為多被圍住的碳 nanotubes [21]。 我們的數據為 CVD 增長的 SWNTs 沒裝載和沒充滿 C60 分子向顯示場致發射開始在幾乎相同的電壓對對 MWNTs 觀察的那些。 商業 CVD 增長的新穎的超臨界可變的 (SCF) 證言方法展覽幾乎相同的場致發射特性增長到的 nanotubes (從 Aldrich) 和 MWCNTs 對那些增長用在 Co/Mo 催化劑 (圖 2b) 的 CVD 方法。 場致發射和 CNTs 的導電性特性受程度石墨化的影響 [34]。 根據我們的發現,這種情形是更加複雜的。 CVD 增長的 SWCNTs 和 SCF 增長的 nanotubes 的 (圖 3) 喇曼光譜在 G 和 D 範圍顯示出區別高度比例。 G 和 D 範圍對應於 sp2 (導電性結構) 和 sp3 (绝緣的結構) 接合在 CNTs。 雖則 G/D 範圍比例和結果高度石墨化對在 Co/Mo 催化劑增長的 CNTs 被觀察,我們不觀察在 CVD 和 SCF 增長的 nanotubes 場致發射屬性的卓越的 diffrences。 竹子的 G/D 比例像結構高於為 CVD 增長的 SWCNTs,然而,在 MgO 支持的 Pd/Mo 催化劑竹子被塑造的 MWCNTs 的場致發射增長的用 CVD 方法設置了在更高的局部域 7-8 个 V/nm (圖 2b)。

圖 3. CVD 增長的唯一牆壁甲烷分解準備的 CNTs 的喇曼光譜在 800C 和由 CO 不相當的 SCF 增長的 multiwall CNTs 在 750C。

當前依賴性對為所有調查的 nanotubes 得到的局部域很好適合對捕野禽者Nordheim 設計 (參見,圖 2b 實線),闡明,當前 (i) 每臺放射器隨這個局部域變化在放射器的表面 (a) [36,37] :

(1)

那裡Φ是功函, V 是應用的電壓; 并且 d 是間極距離。

对所有 nanotubes,除了 BCNTs,場致發射特性適合對捕野禽者Nordheim 設計,當使用了石墨 5.1 eV [5 的] 功函的一個值。 要求 8.1 eV 的一個功函值使用為從 BCNTs 的放射需要的奇怪局部域。 在這些的連接點 BCNTs 可能影響有效 L/r 比例,確定域改進系數,使放射閾值域更大。

平均場致發射當前是確定的在飽和 (為 CVD 像 MWCNTs 的增長的管參見表 1) 和變化從 10 nA 到 500 nA,從 100 nA 到 1.5 BCNTs 的 µA 和從 150 nA 到 2 SCF 增長的 MWCNTs 的 µA。 商業可用的 (Aldrich) MWCNTs 展覽更高的場致發射當前 - 10 μA。 以前場致發射飽和電流的報告的值 CVD 增長的 nanotubes 的在一個非常大間隔變化從 2 nA 到 9 µA [19]。 場致發射 CVD 從 100 nA 變化的增長的 SWCNTs 的飽和電流到 5 空的 µA 和 10 C 的 µA60 裝載了 SWCNTs。 在場致發射期間各自的 nanotubes 場致發射當前的描述特性在飽和的動搖及時大約 50% 平均值,類似於以前報告的那些 [38]。

表 1. CNTs 的場致發射特性增長在不同的情況。

屬性

MWCNT

管狀

SWCNT

SWCNT 充滿 C60

MWCNT

Aldrich

MWCNT

SCF

MWCNT

像竹子

放射開始局部域, V/nm

1.5-4.1

3.0-4.9

3.5- .4

4.5-5.5

2.5-4.5

8-10

場致發射當前, μA

0.01-0.5

0.1 - 5.0

0.1 - 10.0

5 - 15

0.15 - 2.0

0.1 - 1.5

中斷當前, μA

0.1-1.0

0.15-10.0

2.5-10.0

10-0 25

0.45-3.5

0.45-2.0

中斷局部域, V/nm

3.0 - 6.0

4.0 - 6.0

4.0 - 9.0

6.0 - 8.0

3.5 - 8.0

9.0 - 12.0

中斷安排

在聯絡

在聯絡

逐漸破壞

逐漸破壞

在聯絡

在聯絡,逐漸破壞

域改進系數

20±5

110±30

90±10

105±15

135±30

150±30

在高局部域 nanotubes 的故障被觀察了 (圖 4,表 1)。 故障當前高於飽和電流是大約 2 次。 故障局部域在表 1 存在并且從管狀的 MWCNTs 的 3-4.6 V/nm 和像竹子的 MWCNTs 的 12 个 V/nm 變化。 中斷 CVD 增長的 nanotubes 的局部域的文件值從在間隔變化的不同的組 3 个到 10 个 V/nm [19,21]。

而 C 充滿的 SWNTs 陳列了一高穩定性與中斷局部域至 9 个 V/nm,中斷 SWCNTs 的60局部域和 MWCNTs (6 个 V/nm) 是可相比較。 C 充滿的 SWNTS 的一個逐漸降低60和在高應用的電壓 (200-250V) 的 BCNTs 放射器被觀察了如圖 4 所顯示 (也參見表 1.),當其他 nanotubes 失效在 CNT 和金子技巧之間時的弱的聯絡; 在這種情況下,當發射電流不非常高時, CNT 從金子技巧充分地去除。

圖 4。 單一被圍住的 CNT 的逐漸破壞充滿 C60 分子捆綁在恆定的電壓 (200 V) 適用。 圖像之間的時間是 10 S。

使用二探測方法的電子描述特性

如圖 5a 所顯示,為了評定單個 CNTs 的電傳導性, nanotube 被帶領進入與一個對電極的直接聯繫。 我 (V) CNTs 的所有類型的特性在本文在圖 5c 解決了顯示。

表 CVD 增長的 CNTs 的 2. 導電性和中斷的特性

屬性

SWCNT

SWCNT 充滿 C60

MWCNT
管喜歡

MWCNT
竹子喜歡

MWCNT
SCF

MWCNT
Aldrich

中斷電壓, V

4.5 - 6.0

5.0 - 11.0

4.0 - 4.5

≥25

0.7 - 8.0

0.7 - 5.0

中斷當前, μA

12 - 19

7 - 80

10 - 18

≥0.3

0.0003- 0.01

0.0005 - 0.005

中斷安排

在聯絡附近

在中間名附近

在中間名附近

在中間名附近

在中間名附近

在中間附近,在聯絡附近

相應地所有 nanotubes 的阻力可以分開成二個組。 第一個組的阻力 (管狀的 MWCNTs 和 SWCNTs) nanotubes 在間隔變化 250 kΩ - 1MΩ,為 CVD 增長的 CNTs [19 的] 二探測描述特性是典型的。 在此組的阻力減少按 CVD 像 MWCNTs 的增長的管的順序,空和用 C SWCNTs60 (圖 5c) 裝載。 與60未裝滿的 SWNTS 比較, C 充滿的 SWNTS 陳列了更低的阻力。 對於 CVD 增長的 BCNTs、商業 MWCNTs 和 SCF 增長的 MWNTs,被評定的阻力由 3 個數量級是高與數據比較為報告的第一個組 nanotubes 以上。 這樣區別的原因 SCF 和商業 nanotubes 的可能是一個更低的程度石墨化與在 C0/Mo 催化劑增長的 nanotubes 比較。 如喇曼光譜所顯示 (圖 3), SCF nanotubes 陳列更低的程度石墨化與在 Co/Mo 催化劑增長的 nanotubes 比較用 CVD 方法。 我們的看法是商務和 SCF 增長的 nanotubes 有與高密的零星外殼缺陷。 在一個二點的描述特性的情況下,對電極聯絡處理對有缺陷的外殼而不是當前運載較没有缺陷的內殼層。 通過內殼層要提供電子運輸,要求更高的電壓。 如報告以前,碳 nanotubes 外面層是統治的在電子運輸並且確定 nanotubes [22 的] 傳導性。 因此可能內在層參加在場致發射上的場致發射重大的區別在 CVD 之間,并且 SCF 增長的 nanotubes 未被觀察 (圖 2b) 與在阻力 (圖 5c) 上的區別比較。 是可能的連接點當前在像結構的竹子均勻地減少在 CNTs 的外面和內在牆壁的傳導性。 此屬性可能增加場致發射和傳導性阻力。

Nanotube 質量

要分析 nanotubes 的質量,確定故障當前和電壓 (參見表 2)。 Nanotube 故障當前是 20 CVD 增長的 SWNTs 和 MWNTs 的 µA 和 80 C 充滿的 SWNTs 的60 µA。 故障電壓是 SWNTs 的 5 个 V 和 C 充滿的 SWNTs 的 10 个60 V (參見表 2)。 意味著的竹類型 CNTs 是穩定的甚而在 25 个 V 這些 nanotubes 可以用於高電場應用。 圖 5b 向顯示 nanotube 在其中間名附近被打亂,對 nanotubes 的所有類型被觀察了。 此結果建議管 resistively 激昂,并且這個溫度成為局部足够高汽化石墨牆壁; 因而,故障的地點由焦耳熱化的沒有取決於缺陷出現在 CNT 的。 結果,缺陷的地點沒有對 CNT 的斷點的作用在觀察下。 在其他工作 [19,21 個] nanotube 故障被找到在這個中間名附近和在聯絡地區。

CVD 方法 5. a) MWCNT 增長的中斷在二探測評定期間的和 b) nanotube; c) 之間比較我 (V) CNTs 的不同的類型曲線: 1 - singlewall CNTs 充滿 C60 分子, 2 - 请倒空 singlewall CNTs, 3 - multiwall 在 Co/Mo 催化劑增長的 CNTs, 4 - Aldrich 商業可用的 multiwall CNTs, 5 - multiwall 在 Pd/Mo 催化劑增長的 CNTs, 6 - multiwall CNTs 增長用超臨界可變的方法。

結論

SWNTs 和 MWNTs 種類場致發射和導電性屬性在傳輸電子顯微鏡裡面的相同的條件下被學習了。 傳導性和場致發射屬性是 nanotube 結構受撫養者。 在屬性上的區別,是否導電性或場致發射,取決於外面層的結構,連接點出現在竹類型 nanotubes 的,并且 nanotubes 是否充滿了 C60 分子。 Nanotubes 用 C 分子60 裝載了顯示改進的導電性和場致發射屬性。 與其他 CNT 結構比較,竹結構陳列了更加粗劣的場致發射屬性; 然而,這些 nanotubes 是穩定在更高的電場。 我們建議 nanotubes 外面層的質量可能由 3 個數量級減少 nanotubes 傳導性,无需重大影響場致發射屬性。 Filled 單一圍住了,并且像 multiwall 碳 nanotubes 展覽更高的中斷的域的竹子與空比較選拔和像 multiwall 碳 nanotubes 的管。 在二探測評定期間 nanotubes 的故障在高電場的在或者靠近 nanotube 中間名發生了。 這些結果建議焦耳熱化沒有取決於這個中斷的安排由缺陷的地點在 nanotubes 裡面的,然而。 並且, nanotubes 的逐漸破壞在場致發射期間的對 C 被裝載的60 SWNTs 和竹類型 MWNTs 被觀察了。 這些實驗向顯示 TEM SPM 裝備 DC 電極被證明是為各自的碳 nanotubes 的系統的描述特性的一個重要的工具。 可以被認為優越在石版印刷方法由於結果的更加快速的購買。

鳴謝

此工作由歐盟特定被瞄準的研究計劃 DESYGN-IT (沒有 NMP4-CT-2004-505626) 和拉脫維亞國家程序在材料學支持。 J.A. 和 J.P. Acknowledge 技術支持從 ESF。

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聯絡詳細資料

亞娜 Andzane, Juris Prikulis 和 Donats Erts

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并且

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Date Added: Nov 14, 2007 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 15:50

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