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碳奈米管之製備與應用 實習報告 授課教師：李明崴 教授 學 生：中興大學環工系博一研究生 盧啓元 日 期：2005/07/20 目的 本實驗乃是採用TCVD(Thermal Chemical Vapor Deposition)成長奈米碳管，選用Fe奈米粒子為裂解反應觸媒，將觸媒灑佈在反應基板上，裂解乙炔氣體成長碳管。 原理 化學氣相沈積法最早是被使用來製作碳纖維，直到西元1993 年，由Yacaman 等人17 成功地改良此法而製作出奈米碳管。此法以乙炔(或甲烷)為主之碳氫化合物氣體通入高溫石英爐管中(500-1100℃)，將碳催化分解吸附在催化劑表面上進而沈積成長，所獲得的奈米碳管直徑通常較電弧放電法所製作的奈米碳管直徑寬廣，約在25~130nm 之間。此一方法改善了電弧放電法中碳管長度太短、低產率及高製程成本的缺點。由此法所得之奈米碳管長度可提升到60μm 以上，並使產率提高，且降低了製程成本。 奈米碳管主要是利用散佈於基板中的催化劑金屬微粒作為碳管生長的起源，將碳氫化合物或石墨棒經高溫熱裂解後，沉積在催化劑金屬微粒根基底部，氣化後的碳源不斷的往催化劑底部沉積且慢慢將金屬微粒往上推。直到碳源中斷或催化劑失去活性後即停止生長。成長反應機制如下圖所示。一般而言，(1)製備時間控制CNT tube成長的長度。(2)催化劑大小(PARTICL 大小)控制CNT碳管管徑。(3)外加電場控制CNT碳管生長的方向。 儀器 本實驗所使用的設備裝置如圖所示: A為真空閥門，包含粗調與細調節二部份。 C.D.E.F為質量流量控制計,分別控制 C2H2 、N2 及H2的氣體流量，F目前未使用。 Button1為總閥門開關; 而Button 分別為C2H2 、N2 、H2 及空氣之個別閥門開關。 G為活動閥門，做為裝填/取出樣品之用。 H為空壓機，破真空前需確定為已開啟狀態。 高溫管狀加熱爐抽氣閥A-粗調 高溫管狀加熱爐 抽氣閥A-粗調 抽氣閥A-細調 活動閥-G 空壓機-H 機械幫浦 真空計緊急停止按鈕 真空計 緊急停止按鈕 流量計C 流量計D 流量計E 流量計F B1 B2 B3 B4 B5 步驟 將灑佈好鐵奈米粒子之基板(如下圖)由活動閥門G放入石英管中 將機械PUMP啟動，並緩慢打開手動抽氣閥，至真空計上的讀數穩定為止。 打開空壓機H後，再通入氮氣70 sccm，並注意真空計的讀數，維持壓力於20-30 torr之間，不可超過100Torr。若壓力大於100Torr則需調整抽氣閥至適當的壓力。 將高溫爐溫度提升由室溫至500℃後，再注入氫氣並維持15分鐘。此時石英管中的氫氣為10 sccm，氮氣則為70 sccm。 15分鐘後關閉氫氣，並將溫度提升至700℃後，注入乙炔，並維持60分鐘以上，注入的乙炔體積流量為40 sccm。 關閉乙炔，並將高溫爐的溫度調降到室溫。待溫度冷卻後，關閉氮氣及真空pump及空壓機。 破真空取樣品時，按下B5以及B1，有聽到斯斯聲即可。待壓力計上讀數回到一大氣壓即可取下活動閥門取出樣品。 實驗完成時關閉各流量計及氣體，並關閉高溫爐電源以及流量計的總電源。 p.s. p.s. 1. 注入氣體的方式?以氮氣為例，調整氮氣流量計到適當的大小，並切下Gas On 以及Flow的切換鈕，按下B1以及B3注入氮氣即可。 2. 整個實驗過程中，氮氣均維持注入的狀態，且流量一定要比氫氣以及乙炔來的高，否則會有爆炸的危險。 3. 整個實驗過程中，最需注意的是加入乙炔做長成時，由於乙炔裂解會產生氫氣，因此會導致壓力上升，所以須適時的調整壓力閥來控制腔體內的壓力，不可使腔體內壓力大於100Torr。 結果 外觀的觀察 比較灑佈在基板上反應前後的硝酸鐵粒子，可發現於反應前硝酸鐵粉末呈現橘黃色，在反應的過程中，硝醹鐵粒子首先會於500℃與氫氣進行還原反應，由硝酸鐵還原成還原態的鐵奈米粒子而成為本實驗進行化學氣相沉積法成長奈米碳管所不可或缺的觸媒。接著還原鐵觸媒於750℃催化乙炔氣體進行熱裂解反應以成長奈米碳管，反應後則呈現為黑色粉末狀。 反應後反應前 反應後 反應前 SEM電顯圖 由SEM的電顯圖(如圖所示)，可觀察本實驗製備的奈米碳管之管長、管狀結構、管徑等。本實驗所成長的奈米碳管可知其管徑約70~80 nm為一大孔洞的孔徑，管長則成長至幾十微米以上。而奈米碳管呈現交錯無序的方向變曲生長，無直立同向生長的碳管出現。歸納影響碳管成長好壞與否的因素包含: 真空壓力、反應有機氣體濃度、裂解溫度、反應時間、反應所使用的觸媒等。 20K倍10K倍 20K倍 10K倍 20K倍15K倍 20K倍 15K倍 本次實驗，成功的在設定的最佳條件下，生長出奈米碳管，惟除