带电粒子束作用下碳纳米管结构转变的实验研究
碳纳米材料由于其独特的结构和物理化学性质，已对物理、化学、材料科学产生了深远的影响，在应用方面显示了诱人的前景。碳的各种同素异形体结构之间的转变研究也成为材料研究领域的热点之一，受到了各国科研人员的高度重视。通过不同的粒子束辐照技术来研究碳的各种纳米结构之间的转变，可以对不同转变阶段进行观察，对于研究结构转变过程和转变机制具有非常重要的意义。
本文通过电子柬、等离子体和离子束与碳纳米管的相互作用，研究了在不同的实验条件下碳纳米管的结构转变。首先，利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)和热化学气相沉积法(TCVD)制备了多壁碳纳米管；然后，研究了粒子种类、温度、能量、辐照剂量等实验参数对碳纳米管结构转变的影响。
实验结果表明：采用能量为40keV的Ar+离子在室温下辐照，辐照剂量为5×1016ion/cm2时碳纳米管完全转变为无定形碳纳米线，而当辐照剂量提高到1×1018ion/cm2时，形成了镶嵌有氩泡的无定形碳纳米线。在扫描电子显微镜(SEM)中用能量为5keV电子束辐照碳纳米管，其发生了明显的膨胀效应。随着电子束能量提高，碳纳米管的膨胀速率也增大。采用透射电子显微镜(TEM)中能量为200keV的电子束辐照，在碳纳米管内部形成了纳米碳洋葱结构。高能聚焦电子束的辐照使碳纳米管中的石墨层遭到了破坏，同时碳纳米管的被辐照区域形成了一个高温区，促使被破坏的石墨层形成了更加稳定的碳洋葱结构。
碳纳米管在室温下转变为无定形碳纳米线后加温到700℃继续用能量为60keV的N+离子辐照，形成了大量的碳纳米洋葱结构。形成碳洋葱直径在30～50nm之间。N+离子的辐照剂量为1×1018ion/cm2，低于这个剂量则没有碳纳米洋葱结构形成。提高辐照时样品的温度，得到的碳纳米洋葱的结构也更加完美。
在850℃下，1～2×10-3Pa的真空中退火处理，分散在硅衬底上的碳纳米管转变成了由单晶碳化硅纳米棒和碳化硅纳米晶粒组成的多晶碳化硅纳米线。将分散在硅衬底上的碳纳米管加热到700℃，在5～10Pa的真空中用氢等离子体处理，形成了外层为无定形氧化硅壳层、内部为多壁碳纳米管的一种特殊的碳硅纳米线。
采用能量为60keV的40Ar+离子辐照碳靶合成了镶嵌于扭曲石墨结构碳膜中的纳米金刚石颗粒，尺寸最大者可达微米量级。40Ar+离子辐照下，在无定形碳中形成了大量sp3键的形成，有利于金刚石的形核和生长。
- 作者：
- 胡建刚
- 学位授予单位：
- 中国科学院上海应用物理研究所
- 专业名称：
- 粒子物理与原子核物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2006年
- 导师姓名：
- 朱志远；巩金龙
- 中图分类号：
- TB383
- 关键词：
- 粒子束
-