本論文主要是以催化及非催化的方式成長奈米碳管探討其生長的情形。過去Fe、Co、Ni 等金屬常被用來作為催化劑卻鮮少以銅觸媒作為催化劑，主要是因為利用此觸媒作為催化劑無法催化奈米碳管生長。論文前段則是以硫酸銅作為觸媒，含浸在三種不同特性的碳煙
(N550、FW200、BP2000)上，利用化學氣相沉積法來成長奈米碳管，比較不同載量的催化劑於三種碳煙上成長奈米碳管的情形，包括產率、管徑、石墨化程度及形貌之差異。論文後段主要是利用非催化的方式來成長奈米碳管，因為目前不管用何種方法來製造奈米碳管，催
化劑的移除均是一大考驗，因為管中若存在金屬顆粒便會直接影響其應用特性，特別是導電性，因為這些金屬顆粒一般為奈米尺度，若被隔絕在奈米碳管中，因為金屬與碳的導電與導熱性有差異，會造成局部熱點(hot-spot)的問題而影響其特性。所以本文後段係利用化學氣相沉積法，於不同碳煙及不同前處理後的石墨表面上成長奈米碳管，比較其不同成長溫度、時間、氣體比例之產率、管徑、石墨化程度及形貌之差異。奈米碳管的成長機制眾說紛紜，但大多僅局限於催化成長碳管的部份，本文以高純度石墨為系統提出一非催化的情形下奈米碳管的成長機制。

none

摘要..................................................... I
目錄...........................................................................................................III
圖目錄.. .................................................V
表目錄.........................................................................................VIII
第一章、序論.............................................................................................1
1－1 奈米碳管的研究歷史...............................................................2
1－2 奈米碳管的特性與製程...........................................................6
1－3 奈米碳管的應用.....................................................................15
1－4 奈米碳管成長機制的探討.....................................................18
1－5 研究動機.................................................................................24
第二章、實驗方法..................................................................................26
2－1 實驗樣品.................................................................................26
2－2 實驗裝置.................................................................................27
2－3 實驗步驟.................................................................................28
2－4 分析方法.................................................................................31
1.場發射型掃描式電子顯微鏡(SEM).....................................31
2.場發射穿透式電子顯微鏡(TEM).........................................31
3.拉曼光譜(Raman) ..................................................................32
4.X 光粉末繞射儀(XRD).........................................................32
第三章、結果與討論..............................................................................33
3－1 利用催化方式成長奈米碳管.................................................33
3－1－1 催化劑的選用...........................................................33
3－1－2 催化劑於不同碳煙上成長奈米碳管之比較..........34
3－1－3 不同載量催化劑於碳煙上成長奈米碳管之比較..38

3－1－4 與其他催化劑成長奈米碳管之差異......................42
3－2 利用非催化方式成長奈米碳管.............................................47
3－2－1 碳源比例與流速對於成長奈米碳管之影響..........48
3－2－2 不同前處理碳煙對於成長奈米碳管之影響..........54
3－2－3 溫度與時間對於成長奈米碳管之影響..................56
3－2－4 載體（He、H2）對於成長奈米碳管之影響..........59
3－2－5 不同碳煙對於成長奈米碳管之差異......................62
3－3 非催化反應下奈米碳管成長機制之探討............................73
3－3－1 不同前處理石墨對於成長奈米碳管之差異..........73
3－3－2 利用實驗佐證文獻想法...........................................78
第四章、結論...........................................................................................81
第五章、參考文獻..................................................................................82

圖1-1 (a)John Abrahamson 和Peter Wiles 拍攝的碳纖維片,(b)M.Endo
利用穿透式電子顯微鏡拍攝碳管的形貌,(c) M.Endo 當時推測碳管生
長的過程................................................. 2
圖1-2 Fullerenes(C60 及C70)的基本結構...................... 2
圖1-3 左為多壁奈米碳管,右為單壁奈米碳管的TEM 照片................4
圖1-4 單層奈米碳管管束TEM 照片......................... 5
圖1-5 石墨結構以及unit cell ..................................................................6
圖1-6 奈米碳管纖維織布........................................................................9
圖1-7 電弧放電法合成奈米碳管裝置圖..............................................11
圖1-8 雷射剝離法合成奈米碳管裝置圖..............................................12
圖1-9 化學氣相沉積法合成奈米碳管裝置圖......................................13
圖1-10 太陽能法合成奈米碳管裝置圖................................................14
圖1-11 單壁奈米碳管用於場效電晶體之線路設計示意圖................16
圖1-12 左為薄型化映像管示意圖, 右為傳統大型映像管示意圖..............................................................................................................17
圖1-13 單壁奈米碳管作為AFM 用的探針頭.....................................18
圖1-14 氣-液-固(VLS)生長機制示意圖...............................................19
圖1-15 單壁奈米碳管固-液-固(SLS)生長機制示意圖........................20
圖1-16 單壁奈米碳管生長模型示意圖................................................21
圖1-17 利用電弧放電法在He(a)20 torr(b)100 torr(c)500 torr 的環境下
生長奈米碳管之顯微鏡圖......................................................................22
圖1-18 電子顯微鏡分析圓柱狀及珠狀奈米碳管示意圖....................23
圖1-19 左為快速升溫法形成之奈米碳球, 右為慢速升溫法製得之奈
米碳角 .....................................................................................................23
圖2-1 儀器設備......................................................................................29

圖2-2 實驗步驟......................................................................................30
圖3-1 左上至右下分別為鎳-碳、鈷-碳、鐵-碳、銅-碳相圖............34
圖3-2 5%Cu 含浸於碳煙上生長奈米碳管之電子顯微鏡影像
圖……………………………………………………………..................37
圖3-3 5%Cu 含浸於碳煙上生長奈米碳管之電子顯微鏡影像
圖……………………………………………………………..................38
圖3-4 不同比例Cu 含浸在碳煙上生長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖
...................................................................................................................40
圖3-5 不同比例Cu 含浸於BP2000 成長奈米碳管之拉曼光譜
圖……………………………………………………………..................40
圖3-6 不同比例Cu 含浸於FW200 成長奈米碳管之拉曼光譜
圖..............................................................................................................41
圖3-7 不同比例Cu 含浸於N550 成長奈米碳管之拉曼光譜圖.........41
圖3-8 不同金屬觸媒含浸於BP2000 上生長奈米碳管之電子顯微鏡圖
...................................................................................................................43
圖3-9 不同金屬觸媒含浸於BP2000 上生長奈米碳管之拉曼光譜…44
圖3-10 各催化劑所成長的奈米碳管TEM 的影像圖.........................45
圖3-11 各催化劑所成長的奈米碳管拉曼光譜分析............................45
圖3-12 不同碳源比例生長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖................48
圖3-13 不同碳源比例生長奈米碳管之拉曼分析光譜圖....................50
圖3-14 不同氣體總流速成長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖............52
圖3-15 不同氣體總流速成長奈米碳管之拉曼光譜圖........................53
圖3-16 不同前處理對於奈米碳管成長之電子顯微鏡影像圖............55
圖3-17 不同前處理碳煙成長奈米碳管之拉曼光譜分析圖................56
圖3-18 不同溫度不同前處理條件下成長奈米碳管之電子顯微鏡影像
...................................................................................................................58
圖3-19 不同溫度對於成長奈米碳管之拉曼光譜分析圖....................58

圖3-20 不同載氣成長奈米碳管之拉曼分析光譜圖............................60
圖3-21 不同載氣成長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖........................61
圖3-22 不同碳煙成長奈米碳管之拉曼分析光譜圖............................64
圖3-23 不同碳煙不同前處理條件下成長奈米碳管之電子顯微鏡影
像圖...........................................................................................................64
圖3-24 Microstructural model of carbon black according to(a)Riley(b)
Bouland(c) Schultz(d) Heckman....................................................... 66
圖3-25 不同碳煙成長奈米碳管其拉曼光譜分析圖............................68
圖3-26 不同碳煙成長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖........................69
圖3-27 酸化不同時間碳煙N550 長奈米碳管之拉曼光譜分析圖.....71
圖3-28 酸化不同時間碳煙N550 長奈米碳管之電子顯微鏡影像......71
圖3-29 高溫氫氣處理前後電子顯微鏡影像圖....................................72
圖3-30 石墨長碳管空白實驗................................................................74
圖3-31 酸處理後於石墨表面生長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖....75
圖3-32 氧化處理前後於石墨表面生長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖
...................................................................................................................76
圖3-33 雷射轟擊後於石墨表面生長奈米碳管之電子顯微鏡影像圖77
圖3-34(a)活化後的非晶質碳(b)快速升溫法的奈米碳粒(c)慢速升溫法
的奈米碳角...............................................................................................78
圖3-35(a)直徑為0.33nm 的單壁奈米碳管電子顯微鏡影像圖(b)~(d)直
徑為0.33nm 的單壁奈米碳管結構示意圖............................................80
表目錄
表2-1 碳煙規格......................................................................................27
表3-1 5%Cu 含浸於碳煙上生長奈米碳管總產率................................37
表3-2 不同比例Cu 含浸在碳煙上生長奈米碳管之總產率...............39
表3-3 不同金屬觸媒含浸於BP2000 上生長奈米碳管之總產率.......42
表3-4 各催化劑所成長的奈米碳管的比較..........................................42
表3-5 不同碳源比例生長奈米碳管之總產率圖..................................49
表3-6 不同氣體總流速成長奈米碳管之總產率..................................51
表3-7 不同溫度不同前處理條件下成長奈米碳管之總產
率 ………………………………………………………………………58
表3-8 不同載氣成長奈米碳管之總產率..............................................60
表3-9 不同碳煙不同前處理條件下成長奈米碳管之總產率..............62
表3-10 各種碳煙表面積及生長奈米碳管總產率................................68
表3-11 N550 經由不同酸處理時間後之各項比較...............................71

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