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化学气相沉积法制备的垂直排列氮掺杂多壁碳纳米管的场发射特性

DOI：10.1016/j.matpr.2018.04.039 期刊：Materials Today: Proceedings 出版年份：2018 更新时间：2025-09-12 10:27:22
摘要： 采用化学气相沉积法（CVD）在900°C下，以咪唑与二茂铁混合物分别作为碳氮源和催化剂，合成了垂直排列的氮掺杂多壁碳纳米管（N-MWNTs）。研究了氨气（NH3）和氢气（H2）流速对N-MWNTs生长的影响（分别记为A-N-MWNTs和H-N-MWNTs）。透射电镜（TEM）显示N-MWNTs具有竹节状结构，且竹节间距随氮浓度升高而减小。X射线光电子能谱（XPS）分析表明N-MWNTs氮浓度为0.55 at.%，而流速为10标准立方厘米每分钟（sccm）的A-N-MWNTs（10A-N-MWNTs）和H-N-MWNTs（10H-N-MWNTs）氮浓度分别为1.14 at.%和4.06 at.%。研究发现当NH3与H2流速均为10 sccm时，氮掺杂多壁碳纳米管（MWNTs）的氮掺杂效果最佳。场发射测试结果显示N-MWNTs、10A-N-MWNTs和10H-N-MWNTs的开启电场分别为6.7 V/μm、4.3 V/μm和3.1 V/μm，场增强因子（β）分别为5230、10805和20390。此外，N-MWNTs的电流密度随氮原子含量增加而提升。结果表明基于N-MWNTs的场发射具有低开启电场和高场增强因子的优异特性，氮掺杂多壁碳纳米管是极具潜力的高性能场发射材料。
作者： Pongpanot Rindhatayathon，Worawut Muangrat，Mati Horprathum，Suphakan Kijamnajsuk，Wolfgang Pfeiler，Chaisak Issro
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究采用化学气相沉积法（CVD），通过咪唑与二茂铁混合体系制备垂直排列的氮掺杂多壁碳纳米管（N-MWNTs）的合成过程及其场发射特性，以及氨气（NH3）和氢气（H2）流速对N-MWNTs生长与性能的影响。

研究成果

通过化学气相沉积法（CVD）在900°C下使用咪唑与二茂铁混合物，成功合成了垂直排列的氮掺杂多壁碳纳米管（N-MWNTs）。合成过程中通过调节氨气和氢气的流量，可控制N-MWNTs的直径、长度及氮浓度。当氢气流量为10标准立方厘米/分钟（sccm）时，获得了最高氮掺杂水平（4.06原子百分比）的最优条件。对于基于N-MWNTs的场发射体，其开启电场和β值取决于氮掺杂水平。这些结果表明，碳纳米管的氮掺杂为高电流密度应用提供了一种极具前景的工艺方法。

研究不足

该研究聚焦于特定条件（900°C、咪唑-二茂铁混合物、氨气和氢气流速）下N-MWNTs的合成及其场发射特性，未探究其他参数或替代合成方法的影响。

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