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玻璃上低温沉积碳纳米管薄膜及其场发射研究
摘要：
碳纳米管（carbonnanotubes，CNTs）作为一种新型纳米材料，具有极强的力学性能、导电性和热稳定性，在纳米电子学、催化剂和生物学领域得到广泛应用。本文采用玻璃上低温沉积方法，成功制备了碳纳米管薄膜，通过扫描电镜、透射电镜和拉曼光谱等测试手段对其形貌、结构等进行了表征，同时研究了其场发射性能。研究结果表明，本研究方法制备的碳纳米管薄膜具有较好的排列性能和较高的场发射性能，为其在场发射器件等领域的应用提供了基础。
关键词：碳纳米管；低温沉积；场发射；玻璃
Abstract：
Asanewtypeofnanomaterials,carbonnanotubes(CNTs)havestrongmechanicalproperties,electricalconductivityandthermalstability,andhavebeenwidelyusedinmanyfieldssuchasnanoelectronics,catalystsandbiology.Thispapersuccessfullypreparedcarbonnanotubethinfilmsbylow-temperaturedepositiononglass,andcharacterizedtheirmorphology,structureandfieldemissionpropertiesbyscanningelectronmicroscopy,transmissionelectronmicroscopyandRamanspectroscopy.Theresultsshowthatthecarbonnanotubethinfilmspreparedbythismethodhavegoodalignmentandhighfieldemissionperformance,whichprovidesabasisfortheirapplicationinfieldemissiondevicesandotherfields.
Keywords:carbonnanotubes;low-temperaturedeposition;fieldemission;glass
一、引言
碳纳米管（carbonnanotubes，CNTs）是由一层或多层碳原子经过卷曲形成的中空圆柱体结构，在直径、壁厚、长度等方面均具有纳米级别的特点。由于其独特的物理化学性质，如极强的力学性能、导电性和热稳定性，碳纳米管已经成为纳米科技领域中备受关注的材料之一。同时，碳纳米管的各种性能也为其在催化剂、传感器、纳米电子学等领域的应用提供了广阔的前景。
目前，制备碳纳米管的方法主要包括：电弧放电法、化学气相沉积法、化学液相沉积法等。然而，这些方法都存在一定的缺陷，如制备成本高、操作复杂、生产效率低等。因此，发展一种简单、便捷、成本低廉的碳纳米管制备方法具有非常重要的意义。
本文采用玻璃上低温沉积方法，制备了碳纳米管薄膜，并对其形貌、结构等进行了表征。同时，研究了其场发射性能，以期为碳纳米管在场发射器件等领域的应用提供基础。
二、实验方法
1.实验材料
本实验所用气体有氢气、甲烷和氮气；玻璃基底的大小为10mm×10mm，厚度为1mm。
2.制备过程
在室温下，玻璃基底经过等离子体处理后，放入反应室中。当反应室温度升至400℃时，开始将少量甲烷气体通入反应室，并维持2h左右的反应时间。最后，通过透射电镜等测试手段对所得样品进行表征。
3.测试方法
本研究主要采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和拉曼光谱仪等测试手段，对碳纳米管薄膜的形貌、结构等进行了表征。同时，采用场发射仪测试其场发射性能。
三、实验结果与分析
1.碳纳米管薄膜的形貌与结构
如图1所示，采用SEM观察玻璃基底上的碳纳米管薄膜样品，可以看到样品表面分布有大量的纤维状物质。这些纤维状物质呈现出细长的形状，长度达数十微米，直径约为10nm左右。这些特征表明，样品中存在大量的碳纳米管。
接着，我们采用TEM对样品进行进一步的表征。如图2所示，TEM图像中可以看到，观察区域中存在大量具有中空圆柱体结构的纳米管。进一步分析可以发现，这些碳纳米管在直径上存在一定的分布，但大部分的直径均在10纳米左右。此外，在碳纳米管的长度方面也存在一定分布，但主要集中在数百纳米至数微米范围内。
我们还使用拉曼光谱仪对样品进行了分析。如图3所示，样品的拉曼光谱呈现出了两个明显的峰。其中，D带是由于晶格缺陷而产生的Raman水平模式，而G带来自于完整晶格的振动。通过分析D带和G带的相对强度比值（I_D/I_G）可以得到，样品中存在一定数量的缺陷。
2.场发射性能的测试
接下来，我们测试了样品的场发射性能。如