碳纳米管基薄膜材料报告

碳纳米管基薄膜材料报告

引言：

碳纳米管是典型的一维纳米材料，自1991年被发现以来，由于其优异的力学性能、电学特性、极高的热导率、良好的热稳定性和化学稳定性等特点，都使其在纳米结构及功能复合材料、场效应晶体管、透明电极、锂离子电池、超级电容器等诸多领域中具有广阔的应用前景，受到人们的广泛关注。其具有特异的物理和化学性能，是由石墨层片卷曲后形成的无缝管，在范德华力作用下可形成2种不同的晶体结构：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。研究表明，只有将碳纳米管组装成宏观材料，如薄膜，才能充分发挥碳纳米管的优越性能，实现其潜在应用。因此，如何连续制备碳纳米管薄膜并保持单根碳纳米管的优良性能就成为了科学界和产业界人士的共同梦想。

一、制备方法

碳纳米管可以通过电弧法、化学气相沉积法和激光烧蚀法等方法直接在各种衬底上生长。在实际应用上，需将碳纳米管在低温情况下沉积到诸如ITO 玻璃、柔性透明薄膜上以实现大面积制备。

这种需求可以通过溶液法将碳纳米管沉积到单壁碳纳米管 多壁碳纳米管

衬底上来实现场致电子发射的冷阴极也可以通过溶液法制备。但碳纳米管和衬底间的附着力较差，从而成为阻碍溶液法制备均匀碳纳米管薄膜的一个关键问题。为了克服此缺陷，在沉积碳纳米管之前，需要在衬底上覆盖一层缓冲层来提高碳纳米管与衬底之间的粘附性。

目前制备碳纳米管薄膜的方法有很多，主要有：化学气相沉积法、电泳沉积法、电弧放电法、浇铸法、层-层吸附自组装法、电化学沉积法、自组装成膜法、浸渍涂布法、改性表面吸附法、过滤-转移法和LB技术等方法。

但是这些方法在制备过程中需要高温作用、表面活性剂、催化剂，设备昂贵，制备过程较为复杂。所以本文主要介绍一种由喷涂和旋涂相结合的方法，在优化工艺参数的条件下，可以制备出透明导电碳纳米管薄膜，成本低廉，制备工艺简洁，为其在场发射器件、透明导电薄膜、电磁屏蔽材料等方面的应用提供了有效的理论依据。

1.碳纳米管溶液的制备

取20mg碳纳米管，溶于100 mL无水乙醇中，在室温下，置于超声波清洗器中（通冷却循环水）分散24 h，得到高浓度的分散均匀的碳纳米管溶液，分别配置成不同浓度（0.008、0.010、0.012、0.014mg/mL）的碳纳米管溶液，待用。

2.碳纳米管薄膜的制备

用去离子水、丙酮（分析纯）、无水乙醇（分析纯）依次清洗石英基片，然后在真空干燥箱中烘干备用；用手持式喷雾器将碳纳米管分散液喷洒在石英玻璃衬底上（或采用匀胶机对其进行旋涂），待分散剂自然挥发干燥后，再进行第二层喷涂（或旋涂），如此反复多次，得到不同厚度的碳纳米管薄膜。

3.碳纳米管薄膜的表征

碳纳米管的透射电镜测试：JEM-2010 F 型高分辨率透射电子显微镜.

薄膜的导电性能测试：RTS-8型四探针电阻测试仪.

薄膜的透光率测试：UV-2550型紫外可见分光光度计.

二、实验原理

旋转涂膜是在衬底旋转时利用离心力的作用成膜的。影响薄膜性能的溶液性

质主要是流变性能和表面张力，如溶液的粘度、浓度、触变性和表面张力等。影响薄膜厚度的因素也比较复杂。Emslie ，Bonner 和Pecr 等人认为，在简化条件后，薄膜厚度h 和旋转时间t 存在如下关系:

积分后得：

式中：

ρ为溶液密度，ω为旋转角速度，η为溶液粘度；h 0为初始薄膜厚度。积分后式子成立的前提是保持K 为常数。但随着涂膜时间增加，溶剂挥发必然导致密度和粘度的增大，式(2)便不再成立。在旋转涂膜的后期，溶剂挥发带来的影响将成为决定薄膜厚度的主要因素。

三．薄膜测试与分析

1. 碳纳米管溶液及碳纳米管薄膜

碳纳米管细长而纯净 ，没有发现铁颗粒，该碳纳米管的石墨层基本与其轴向平行，有较好的石墨化结构，这样的结构就有利于构成电子通道，

用此碳纳碳纳米管的透射电子显微镜图 50nm

10nm

米管制备的薄膜同样具备这样的结构，纳米管束之间互相交错，构成四通八达的通道使电子能够较顺利的流通，使其导电成为可能.

由图得知，用去离子水、丙酮、无水乙醇依次清洗石英基片，可以洗掉石英基片表面的灰尘和油污。经过喷涂或旋涂，待无水乙醇挥发后，可以得到均匀的碳纳米管薄膜。

2. 制备方法与薄膜厚度对薄膜电阻的影响

在40℃时，碳纳米管溶液的浓度取0.014 mg/mL ，采用喷涂法和旋涂法制备了不同厚度的薄膜对薄膜电阻值的影响 ，如表所示。

旋涂法制备的碳纳米管薄膜，随着薄膜厚度的增加，电阻先稍有增加，石英基片和碳纳米管薄膜

当厚度达到130nm后逐渐下降；如果采用喷涂法制备碳纳米管薄膜，随着薄膜厚度的增加，电阻逐渐增加。在厚度接近138nm时，两种方法测量值几乎相同，这说明，旋涂法和喷涂法作为制备碳纳米管薄膜的两种主要方法，在制备厚度低于140nm的碳纳米管薄膜时，选用喷涂法对制备高导电率的碳纳米管薄膜有优势；在制备厚度高于140nm的碳纳米管薄膜时，选用旋涂法对制备高导电率的碳纳米管薄膜具有优势。

图2中直线为拟合的，其斜率与具体实验条件有关，如溶液溶度、粘度、基底表面状况、溶剂挥发速度等，一般对同一溶液，环境和基底不变情况下，旋转速度越大，制备的薄膜越薄。

3.温度对薄膜电阻影响

碳纳米管溶液的浓度取0.014mg/mL，在不同加热温度条件下制备厚度130nm的薄膜。实验数据见表2，不同加热温度对薄膜电阻的影响见图

由图可知，随着加热温度的升高，薄膜电阻值呈先降低后增加的趋势，在25℃时，形成的薄膜较致密均匀，导电性能良好，此时薄膜的电阻值最小，导电率最大；而当温度超过25℃以后，薄膜的电阻值明显有增大的趋势。比较不同温度条件下制备碳纳米管薄膜的电阻值分析得出：当加热温度达到30℃以上时，薄膜的电阻值明显增大，可能是因为乙醇在较高的加热温度条件下，挥发的速度较快，促使薄膜与衬片的附着性能下降，乙醇的快速挥发使碳纳米管发生蜷曲，薄膜表面不均匀，从而使薄膜的导电性能下降。

结论：

①制备透明导电碳纳米管薄膜的较为适宜的方法，是采用喷涂法和旋