摘 要：在镍催化剂的催化作用下，利用微波等离子体化学气相沉积法合成了纳米碳管，分析了不同腔体压力对所合成的碳材料结构的影响.研究表明，当腔体压力增大时，基片温度上升，有利于纳米碳管管状结构的形成，提高纳米碳管的石墨化程度.
关键词：纳米碳管；微波等离子体化学气相沉积法；管结构；腔体压力
0 引 言
自1991年发现纳米碳管以来，纳米碳管以其优异的性能和众多的潜在用途吸引了人们的广泛关注［1，2］.曾经作为合成C60所获得的副产品的纳米碳管以其独特的物理化学性能，如独特的金属或半导体性能、极高的机械强度、良好的储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力，以及作为新型准一维功能材料、介孔材料而日益受到人们的重视.科学家们预测在不远的将来，纳米碳管有望在储能材料、介孔组装材料、化学传感器以及场发射器方面取得较大的突破［1］.目前合成纳米碳管的方法很多，主要分为电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法三类.相比较而言，化学气相沉积法在低温合成纳米碳管方面优势明显［3，4，5］.本论文利用微波等离子体化学气相沉积法低温合成了纳米碳管，分析了腔体压力对纳米碳管结构的影响.
1 实 验
1.1 实验仪器与原料
合成纳米碳管所用仪器为本实验室自行研制的微波等离子体化学气相沉积装置［4］.电镀装置为自制的电镀槽及40V直流稳压电源.配制电镀液的硫酸镍及硼酸均为分析纯，合成纳米碳管用碳源为甲烷，载气为氢气，纯度均大于99.9%.
1.2 催化剂制备及纳米碳管合成
准确称取30g NiSO4·6H2O、30g H3BO3加入到去离子水中配制成1L电镀液，升温至40℃.以研磨抛光后的镍片为阴极进行电镀，电镀电压为40V，电镀时间为1min.电镀完毕后将镍片取出，用去离子水冲洗，烘干，放入微波等离子体化学气相沉积装置中进行纳米碳管的合成.纳米碳管的合成条件为：甲烷和氢气的流量分别为1 mL／min（标准状态下）和50mL／min（标准状态下）.合成过程中等离子体球底部与镍板接触，合成时间为30min.在本研究中没有采用任何辅助加热措施，镍基板温度的上升源于等离子体的加热.为分析合成温度对产物结构的影响，在将微波输入功率稳定在200W的条件下，在2.0～3.5 kPa范围内调节腔体内气压，使镍片具有不同的温度.
1.3 纳米碳管结构表征
纳米碳管合成后，分别利用JOEL公司生产的扫描电子显微镜（JSM－5510LV）和透射电子显微镜（JEM－100CXⅡ）观察纳米碳管的形貌与结构，利用拉曼光谱仪（Renishaw System RM－1000）分析不同形貌纳米碳管的石墨化程度.
2 结果与分析
图1为不同压力条件下合成产物的扫描电镜和透射电镜图谱.从表面形貌可知，在镍催化剂的催化作用下，镍片表面上形成了大量的一维碳材料.通过比较可以发现当腔体压力为2.0kPa，镍片温度为450℃时，合成产物为表面粗糙的碳材料（图1）.而当压力为2.5kPa，镍片温度约为500℃时，产物为竹节状的纳米碳管（图2）.当压力进一步增大到3.5kPa时，此时镍片温度为570℃，合成产物为内外径都比较一致的纳米碳管（图3）.这表明碳材料的管结构随着合成压力的提高得到明显改善.
图1 腔体压力为2.0kPa，镍片温度为450℃时产物的扫描电镜图像（a）和透射电镜图像（b）
Fig.1 SEM image（a）and TEM image（b）of yields when the chamber pressure is 2.0kPa and the substrate temperature is about 450℃
图2 腔体压力为2.5kPa，镍片温度为500℃时产物的扫描电镜图像（a）和透射电镜图像（b）
Fig.2 SEM image（a）and TEM image（b）of yields when the chamber pressure is 2.5kPa and the substrate temperature is about 500℃
图3 腔体压力为3.5kPa，镍片温度为570℃时产物的扫描电镜图像（a）和透射电镜图像（b）
Fig.3 SEM image（a）and TEM image（b）of yields when the chamber pressure is 3.5kPa and the substrate temperature is about 570℃
由图4所示的合金催化剂合成产物的喇曼谱可知，当合成压力非常小时，由于温度很低，通过催化剂扩散形成的产物的石墨化程度很低，在其喇曼谱图上位于1 580cm－1的G带的强度很小.而对于在3.5kPa压力条件下合成的纳米碳管，G带强度明显增加.这表明随着腔体压力的增大，基片温度上升，合成产物的结构完整性大大加强，缺陷数量相对减少.
从上述实验结果可知，当腔体内压力不同时，所合成产物的结构差异很大.随着压力的增大，基板温度上升，纳米碳管的结构趋于完整，其石墨化程度有所提高.在利用化学气相沉积法合成纳米碳管时，合成温度对纳米碳管的生长有着非常重要的影响.一方面，温度的上升有利于提高碳原子在催化剂颗粒内部的扩散速度，提高纳米碳管的产量.同时，温度的上升有利于提高纳米碳管的石墨化程度，使纳米碳管的结构趋于完整.
图4 不同压力下获得产物的喇曼谱
Fig.4 Raman spectrum of yields prepared under different chamber pressure（a）2.0kPa；（b）2.5kPa；（c）3.5kPa
3 结 语
利用微波等离子体化学气相沉积法合成了纳米碳管.通过对腔体压力的调整，研究了不同基板温度对纳米碳管结构的影响.研究表明，在本文所采用的功率条件下，随着腔体压力增大，基片温度上升，这有利于提高纳米碳管的石墨化程度.
