氮化硼纳米管的制备及应用.doc

氮化硼纳米管的制备及气敏特性 院系：11级材料与广电物理学院微电子三班 姓名：张子珣 学号：2011700726 摘要：氮化硼纳米管异质结在纳米电子器件中具有较好的应用前景，而氮化硼纳米管异质结的气敏特性是其应用的基础之一，对其进行研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的实用价值，也是当前国内外重视的研究领域。采用密度泛函理论计算研究了氮化硼纳米管及碳掺杂氮化硼纳米管对CH4，C02，H2，H20，N202，N02，F2十余种气体小分子的气敏特性．研究结果表明：氮化硼纳米管对CH4，C02，H2，H20，N2，NH3等气体分子不敏感，而对02，N02，F2等气体分子比较敏感．虽然碳掺杂氮化硼纳米管可以明显地改变其表面的化学反应活性，增强了气体分子与氮化硼纳米管之问的相互作用，但是并不能明显地改变其对所研究气体分子的敏感性。 关键词：氮化硼纳米管的制备；氮化硼纳米管；气体分子；掺杂；气敏传感器；密度泛函理论 氮化硼纳米管的制备 氮化硼纳米管(Bomn Nitride Nanotubes，BNNTS)的理论研究表明，与碳化硅纳米管相比，它具有更宽的能带间隙[1]，而且其电学性质与纳米管的直径、手性等性质接近无关。氮化硼纳米管[2]不仅具有高的热传导率和抗氧化性，而且具有高的热稳定性和稳定的化学性质，这使得氮化硼纳米管在高温、高功率等恶劣环境下的电子器件中具有良好的应用前景[3]。氮化硼纳米管材料的制备是其应用的基础，为此人们在其制备上开展了大量的研究工作。Chopra等人在1995年采用等离子体电弧放电法首次合成了氮化硼纳米管[4]，经过大量的探索，多种方法都成功的制备了氮化硼纳米管，最常见的制备方法可以分成三类：机械法、物理法和化学法。 机械法 主要是指机械球磨法，主要过程为：在室温下，以惰性气体为保护气体，对硼粉和氮化硼粉进行球磨，然后经过适当温度的退火，就可以制备氮化硼纳米管。这些制备的氮化硼纳米管在结构上难免存在缺陷，对其工艺的改进具有重要的意义。 物理法 这类方法主要包括电弧放电法、电弧熔融法和激光烧蚀法。电弧放电法与碳纳米管制备的设备相似，不同的是电极材料和保护气体。电弧熔融法就是将氮化硼粉(或硼粉)与金属或金属氧化物压片，然后在氮气中用电弧熔融就可以制备氮化硼纳米管，在该方法制备的纳米管中通常包含有金属粒子。激光烧蚀法利用一定频率和波长的激光在氩气或氮气的载体下，对氮化硼、镍等的粉末烧结靶进行烧蚀。 化学法 该方法主要有两种：碳纳米管取代反应法和化学反应法。碳纳米管取代反应法是用碳纳米管作为模板，用硼原子、氮原子取代碳原子，用这种方法不但可以制得氮化硼纳米管，而且也可以制得C-B-N纳米倒。化学反应法是用CO(NH2)2和C3BO3作为原料，加入AgN03后溶于水，然后将水蒸干得到一种混合物，在700℃下用氢对这种混合物进行还原，就可以得到氮化硼纳米管。对碳纳米管研究取得的巨大成功吸引了人们对于纳米管材料研究的极大热情，不仅成功的合成了碳化硅纳米管和氮化硼纳米管，而且成功的制备了其它纳米管，主要有氧化锰纳米管、氧化铝纳米管、氧化钛纳米管、氧化锡纳米管、硫化钨纳米管、硫化铜纳米管等。 这些纳米管的制备成功不仅为纳米管材料的制备积累了宝贵的经验而且为其应用的研究提供了材料基础。 氮化硼纳米管气敏特性 氮化硼纳米管是继实验上合成CNT之后成功合成的复合材料纳米管之一．其电子学特性与CNT有明显的不同，它是一种宽带隙半导体纳米管，其带隙宽度与直径、螺旋度等结构参数几乎无关，这使其成为制造纳米电子器件的重要材料之一，引起了人们广泛的关注．最近，Schmidt课题组采用密度泛函理论(DFT)计算研究了CO和NO在BNNT和碳掺杂C-BNNT表面的吸附．结果表明，BNNT对CO和NO不敏感，而碳掺杂BNNT之后，增强了其与C0和NO之间的相互作用，明显地改变了C-BNNT的导电特性，因此，C-BNNT可以用做制造CO和NO气敏传感器的原材料．然而，BNNT与大多数常见气体分子，特别是一些易燃易爆气体分子(如C地，H2等)之间相互作用的研究报道很少。而对这些气体分子的检测具有重要的意义．为此，本文采用DFT方法研究了BNNT及C-BNNT与CH4，C02，H2，H20，N2，NH3，N02，02，F2等若干气体小分子之间的相互作用，试图揭示其对不同气体分子的气敏特性，为BNNT在气敏传感器方面的应用提供理论指导。 胡承忠等[5]提出，BNNT和C—BNNT不适合作为CH4，C02，H2，H20，N2和NH3等气体分子的气敏传感器．02，N02和F2与BNNT之间的相互作用比较强，对BNNT的电子结构影响也比较大．碳掺杂BNNT以后，02，N02和F2非常容易化学吸附在碳掺杂位，形成不同电子学特性的复合体系．因