廖成伟JAP论文：大电场诱导CVD法生长阵列“奶牛乳房状”碳微/纳米复合结构

自Iijima在1991年发现碳纳米管以来，碳纳米材料以其优良的电学、磁学、光学和力学等性能受到广泛的关注。独特的结构和优良的性能使其具有许多潜在的应用价值，如场发射平板、碳聚合物增强复合材料、传感器、储能材料、电池电极材料以及各种纳米电子器件等。到现在为止，已利用各种方法制备出了多种形貌和结构的碳纳米材料，如碳纳米管、石墨纳米锥、空心碳球、碳纳米胶囊、碳纳米棒、碳纳米针、碳纳米纤维以及其它的结构，包括Y型、螺旋型、竹节型和念珠型，等等。

大量的研究表明，电场或磁场对一维碳纳米材料的生长具有明显的诱导作用。特别是通过施加外电场，可以非常改变和容易地控制和改变碳纳米管的形貌、方向、直径、微结构特征等。例如，鲍桥梁等通过在火焰周围引入一对平板电极，施加一个较小的电场，就能制备出阵列形态良好、面积大、重复性高、稳定性好的直立碳纳米管（Qiangliang Bao and Chunxu Pan: “Electric field induced growth of well-aligned carbon nanotubes from ethanol flames”, Nanotechnology, 2006, 17: 1016-1021.）。

武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组的博士生廖成伟等使用自制的CVD系统，通过外加大电场的方式合成了一种结构新颖的阵列式碳材料，称之为“奶牛乳房状”微/纳米碳同质异构结构（“cow nipple-like”micro-nano carbon isomeric structure，CNCMCS）。实验研究表明，这种复合结构的高度在90-250 nm之间，由一个大直径的碳球（30-120nm）和一根小直径的碳纳米管（10-40nm）连接组成，在碳球和碳管的结合处有尺寸上的突变。同时，它具有很好的可控性，通过控制催化剂的涂覆量和通入乙炔气体的时间，可以有效控制其阵列生长的形态，如密度、高度和直径等。此外，针对这种新颖的碳材料，廖成伟博士还提出了一个可能的生长模型，并进行了理论计算。这种特殊的形貌结构将在场发射领域有重要的应用。研究结果发表在物理学著名刊物《Journal of Applied Physics》上。

论文链接：Chengwei Liao, Yupeng Zhang, and Chunxu Pan: “High-voltageelectric-field-induced  growth  of  aligned  “cow-nipple-like” submicro-nano  carbon isomeric  structure  via  chemical  vapor  deposition”,  Journal of Applied Physics，2012, 112: 114310 (8pages)

图1（a）实验装置示意图；（b）670 ℃时CVD反应炉内温度分布图

图2 加300V电压后阴阳极的宏观电场分布，（a）Y-Z平面；（b）X-Y平面

图3 阵列CNCMCSs的SEM形貌图，结构模型及拉曼光谱图，（a）SEM俯视图，（b）拉曼光谱图

图4 （a）CNCMCS的SEM形貌图；（d）CNCMCS的高分辨俯视图；（b），（c），（e）和（f）CNCMCS中Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ和Ⅳ各部位的侧面高分辨图。

图5 施加不同电压时的SEM形貌图:（a）100V；（b）200V；（c）300V；

图6 在300V电压下不同催化剂涂覆量时阵列CNCMCSs的SEM形貌图

（a）0.05ml；（b）0.1ml；（c）0.15ml；（d）0.25ml；

图7 CNCMCSs直径和阵列密度与催化剂涂覆量之间的关系

图8 在300V电压下不同二茂铁含量时阵列CNCMCSs的拉曼光谱图和ID/IG比值

图9 在300V电压下不同乙炔通气时间CNCMCSs的SEM形貌图

（a）5min；（b）10min；（c）15min；（d）30min。

图10 乙炔通气时间与CNCMCSs高度的关系

图11 在300V电压下不同乙炔通气时间时阵列CNCMCSs的拉曼光谱图和半高宽数据。

图12  100nm长的碳管在300V电压下所受电场情况

图13 CNCMCSs的生长模型

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