[论文解读] Enhanced field emission from multiwall carbon nanotube films by secondary growth

Christian Klinke, Erik Delvigne+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2006

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 25被引用 30

一句话总结

本研究证明，通过二次化学气相沉积（CVD）在主碳纳米管（CNT）薄膜侧壁上生长次级多壁碳纳米管（MWCNTs），可显著提升场致发射性能。使用镍或肌红蛋白作为催化剂时，次级纳米管在主纳米管上形成，增加了有效发射体密度，提升了发射电流和均匀性，而场增强因子未发生变化，这是由于更多发射体朝向阳极排列。

ABSTRACT

We have studied nickel, gold, and ferritin coatings on catalytically grown multiwall carbon nanotubes, as well as the generation of secondary nanotubes by resubmitting the decorated nanotubes to the chemical vapor deposition process. Nickel layers sputtered on nanotubes show a stronger interaction with the nanotube walls than gold coatings. At ambient temperature this results in a metal film that is more homogeneous for Ni than for Au. Surface mass transport at elevated temperatures leads to a transformation of the coating to nanoscale clusters on the nanotube surface. The resulting Au clusters are sphere-like with a very small contact area with the nanotube whereas the Ni clusters are stretched along the tube axis and have a large contact area. Secondary nanotubes were established by growing nanotubes directly on the walls of primary nanotubes. Thin Ni layers or ferritin served as catalyst. We compared the field emission properties of samples with and without secondary nanotubes. The presence of secondary nanotubes enhances the field emission substantially.

研究动机与目标

• 为平面显示器和电子源应用提升碳纳米管薄膜的场致发射效率和均匀性。
• 研究金属催化剂（Ni与Au）在修饰主MWCNTs中的作用及其热演化行为。
• 开发一种直接在主纳米管侧壁上生长次级纳米管的方法，以提高有效发射体密度。
• 比较主CNT薄膜与经Ni或肌红蛋白催化生长次级纳米管的薄膜在场致发射性能上的差异。
• 评估次级纳米管形貌与分布对场致发射特性的影响。

提出的方法

• 在660 °C下，使用C2H2作为碳源，通过化学气相沉积（CVD）以肌红蛋白或硝酸铁为催化剂合成主MWCNTs。
• 在主CNTs上溅射5–15 nm的镍涂层，或沉积金涂层以实现催化剂种子化。
• 使用肌红蛋白溶液涂覆CNTs以实现次级成核，随后进行再CVD以生长次级纳米管。
• 通过电阻加热进行原位透射电子显微镜（TEM）观察，监测金属簇的演化与纳米管生长过程。
• 采用125 µm的CVD阴极与不锈钢阳极间距进行场致发射测量，电流通过Keithley 237源测单元测量。
• 对比具有和不具有次级纳米管的样品的I–V特性、开启场强（Eto）和阈值场强（Eth）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ni和Au涂层在常温和高温下与MWCNTs的相互作用有何不同？
• RQ2 次级纳米管的生长对场致发射电流密度和均匀性有何影响？
• RQ3 若场增强因子未增加，为何次级纳米管的生长能改善场致发射性能？
• RQ4 催化剂类型（Ni与肌红蛋白）及纳米管形貌如何影响次级纳米管生长的均匀性与性能？
• RQ5 当存在次级纳米管时，主纳米管的直径在场致发射中起到多大程度的影响？

主要发现

• 镍涂层在室温下与MWCNTs表面的相互作用更强，形成比金更均匀的薄膜。
• 加热至660 °C后，镍形成沿管轴方向接触面积较大的长条状簇，而金则形成接触面积最小的球形簇。
• 使用Ni或肌红蛋白作为催化剂，在主MWCNTs侧壁上直接生长出次级纳米管，长度为50–100 nm。
• 具有次级纳米管的样品场致发射性能显著提升：以肌红蛋白催化主CNTs的样品，Eth从7.9 V/µm降低至6.6 V/µm。
• 以硝酸铁催化主CNTs的样品，Eth从>8 V/µm降低至6.7 V/µm，Eto从5.2 V/µm降低至5.0 V/µm，次级生长后性能提升。
• 场致发射性能的提升归因于侧壁上次级纳米管使有效发射体数量增加，而非场增强因子的提升。