小直径碳纳米线圈的创制及其生长机理的研究

螺旋状小直径碳纳米线圈在微纳机电系统，纳米器件以及复合材料上都极具潜在的应用前景。至今为止制备出的碳线圈的直径基本上位于微米及亚微米级，而直径小于50nm的小直径碳纳米线圈的制备可控性差，生成率低，主要原因在于小直径碳线圈生长用催化剂颗粒由于粒度变小而造成其中的Fe和Sn(In)不能很好地融合，结构难以控制。本项目有针对性地发明一种新催化剂薄膜制备法，即利用离子注入法将Sn(In)离子注入到Fe的薄膜之中形成组成和结构可控的Fe-Sn(In)-O薄膜，克服在形成纳米颗粒时各元素难于融合的问题。利用化学气相沉积法高效制备出小线径高结晶性碳纳米线圈。同时研究催化剂微粒的形态、结构及结晶方位和小直径碳纳米线圈生长的关系，添加微量氧化性气体保持催化剂的活性，结合计算机模拟研究气相反应产物对线圈生长的影响，最终探明碳纳米线圈的生长机理，为纳米螺旋材料形成中的结晶学、生长机理及催化化学的发展作出贡献。

碳纳米线圈具有独特的三维螺旋形态，必将产生和其它碳纳米结构相异的新奇物理、化学特性，具有广阔的应用前景。目前为止，直径大于100nm的碳纳米线圈制备技术已经取得较大进展，但是碳纳米线圈的可控制备，尤其是直径小于50nm的碳纳米线圈制备技术迟迟未能获得重大突破。本项目对小线径碳纳米线圈的制备方法和生长机理进行了系统研究，并对碳纳米线圈的定点成长、形貌控制和实际应进行了深入探究。. 首先，利用磁控溅射结合离子注入法制备小线径碳纳米线圈。采用高真空磁控溅射设备制备出特定厚度的SnO2薄膜，之后用离子注入法把铁离子注入到薄膜里，得到生长碳纳米线圈所需的Fe-Sn-O催化剂，通过调节离子的注入量改变催化剂中的铁锡比。以乙炔作为碳源、用热化学气相沉积（CVD）法合成出线圈径为40-100nm的小线径碳纳米线圈。. 其次，利用离子溅射法制备Fe单质或Fe-Sn合金薄膜催化剂并成长小线径碳纳米线圈。在SiO2/Si基板上采用离子溅射法沉积Fe或Fe-Sn薄膜催化剂，采用热CVD法成功获得小线径碳纳米线圈。一般情况下，该碳纳米线圈的线圈径小于100 nm，线径小于30 nm，远小于采用传统方法成长的碳纳米线圈。统计实验结果显示：形状不规则的催化剂颗粒导致螺旋结构的小线径碳纳米线圈的成长；规则、圆形结构的催化剂颗粒倾向于成长直的碳纳米管。基于此，提出了小线径碳纳米线圈的成长模型并对其生长机理做了深入分析。. 再次，深入研究了碳纳米线圈的生长机理。主要研究了催化剂几何结构与碳纳米线圈成长的关系。发现催化剂颗粒一般为六面体结构，并认为催化剂含有两种晶面：催化活性面和碳析出面。具有不同活性面或几何结构的催化剂将导致不同类型的碳纳米线圈的生成。. 最后，全面研究了碳纳米线圈的特性及应用。（1）用碳纳米线圈和银纳米粒子相结合构建了一种新型的三维结构表面增强拉曼散射活性基板。（2）研究了单根碳纳米线圈的电致发光光谱，探测出在普通黑体辐射光谱基础上重叠的4个发光峰，这说明在线圈的电子结构中至少存在有4个主要能级。（3）发现碳纳米线圈对近红外光具有灵敏和快速响应的特性。（4）研究了碳纳米线圈的电致振动特性，发现单根碳纳米线圈在外加电场力的作用下会发生振动，杨氏模量在其长度方向上逐渐增加。（5）研究了单根碳纳米线圈的电导特性，发现经过高温退火后的碳纳米线圈的室温电阻率有明显的下降。