The Study on Growth of Carbon Nanotubes Using Single-pulse Discharge Method

隨著奈米碳管應用的方式與目的不同，使得碳管在多元的應用上被賦予相當多的期待，目前最常製備奈米碳管的方法，分別是:電弧法、化學氣相沉積法與雷射蒸發法。然而在生成上需配合高電流、真空腔、特殊氣體、催化劑與長的反應時間來營造出碳管生成氣氛，使得奈米碳管的製程條件複雜與缺乏擇區生長的彈性。因此，本論文提出一種新的奈米碳管製程技術，將藉由微放電加工的方式，期待符合奈米碳管多元應用之需求，另一方面可擴展微放電加工技術至奈米碳管製程產業中。研究創新提出以放電加工的方法，在大氣下生成奈米碳管，更特別的是本製程並不需高電流與催化劑來營造生成氣氛。在研究中，自行製作了一套單脈衝放電迴路與機構，並以放電電流與放電幅寬為製程的主要參數。由奈米碳管生成的形貌與趨勢，歸納出本製程技術之奈米碳管生成參數範圍，成功的生成多壁與尖狀的奈米碳管。研究結果顯示，製程中提供過大的電流量與放電幅寬時，雖然可產生較多的碳源，但電極尖端的消耗亦隨之增加，而引發電弧的不穩定，使得放電坑內的碳濃度反而下降，而並未能有碳管長成。另一方面，當電流量與放電幅寬過小時，放電坑內卻又無足夠的碳源與持續的溫度場，給予成核點吸附碳源，同樣的亦無碳管的長成。這意味著碳管的生成與電流、放電幅寬有關，但並無比例的關係。由一次性單脈衝放電 Ip=4A,τ=1200μs的條件所製得的奈米碳管叢中發現，其碳管的頭型為尖型，這將有利於場發射電極的應用，其碳管的生長率更高達22.5mm/min。觀上述本研究的製程與分析，我們已成功的在無催化劑、大氣下生及無操作腔體限制之環境下生成奈米碳管，藉由微放電的製程確實可為奈米碳管的生成提供更簡易、快速與可擇區的製程。The principal methods for producing CNTs have arc discharge method, chemical vapor deposition (CVD) method and laser ablation. Owing to the different applications of CNTs, many methods are created to meet this purpose. The application of CNTs in many fields is hopefully expected. In this research we will offer a new fabrication technology for CNTs by micro electro-discharge machining (MEDM). This method not only can comply with different applications of CNTs but also extend the MEDM method to the CNTs industry.n contrast to the typical CNT preparation method, the current micro-electro discharge method can be used to prepare CNTs under atmospheric environment without the necessity of expensive vacuum system. In this study, a self-design micro electro discharge-system was used to prepare carbon nanotubes. The effect of processing parameters including the applied peak current and pulse duration were investigated. The results reveal that the carbon concentration in the hole is decreased while high current and widen arc width are used, so no CNTs can be obtained. On the other hand, insufficient carbon source and temperature field can provide the energy for CNT growth under low current and narrow arc with. Therefore, the current and arc width play important roles for the CNT growth but no proportional relationship between the parameters and production is observed. The CNTs with tape tip can be prepared under Ip=4A,τ=1200μs under single-pulse discharge, which is benefit for the field emission application. The growth rate is up to 22.5mm/min。t is concluded that the CNTs can be produced by using MEDM even without any protection gas, cooling system, special preparation and cavity. Furthermore, using this simplified equipments and preparation process of MEDM, as another beneficial option, can be applied to producing CNTs in the near future.誌謝 I文摘要 II文摘要 III錄 V目錄 VIII目錄 IX號說明 XIV一章 緒論 1.1 前言 1.2 奈米碳管的特性 3.3 奈米碳管生長機制概述 5.4 奈米碳管相關製程 6.4.1電弧法 6.4.2化學氣相沉積法 8.4.3雷射蒸發法 9.5 研究動機與目的 10.5 .1研究動機 10.5 .2研究目的與方法 11.6 本文架構 12二章 文獻回顧 14.1 前言 14.2 大氣下之奈米碳管製程相關研究 14.3 無催化劑之奈米碳管製程相關研究 19.4 其它影響奈米碳管製程之相關文獻 22.4.1氣體與壓力之影響 22.4.2催化劑之影響 24.5 單脈衝放電相關研究 25.6 文獻回顧小結 28三章 實驗方法及步驟 30.1實驗流程 30.2微放電機構設計 32.2.1機構配置 32.2.2單脈衝放電迴路設計 34.2.3放電參數 37.2奈米結構分析法 37.2.1掃描式電子顯微鏡 37.2.2穿透式電子顯微鏡 38.2.3奈米碳管場發射特性量測與分析 38.3實驗電極與試片準備 40四章 實驗結果與討論 46.1有催化劑之奈米碳管製程 46.1.1 SEM檢測分析 50.1.2 TEM檢測分析 65.1.3 場發射檢測分析 69.2無催化劑之奈米碳管製程 70.2.1 SEM檢測分析 72.2.2 TEM檢測分析 83.2.3 場發射檢測分析 86.2.4 放電坑與熱影響區分析 87.3 單脈衝放電對碳管成長機制探討 89.3.1 有催化劑之碳管成長機制探討 89.3.2 無催化劑之碳管成長機制探討 93.4 本章小結 96五章 結論與未來展望 99.1 結論 99.1.1碳管生成部分 99.1.2研究創新部分 100.2 未來研究方向與展望 101考文獻 10