一种氮在碳纳米尖端中掺杂的有效方法技术

本发明专利技术提供一种氮在碳纳米尖端中掺杂的有效方法，在Si衬底上沉积一层金膜作为催化剂层，以CH4、H2和N2为反应气体，在利用等离子体增强热丝化学气相沉积制备碳纳米尖端的过程中，将氮有效地掺入碳纳米尖端中；其中，金膜的厚度为5~30nm；反应气体中，CH4的浓度15~20%，H2的浓度50~65%，N2的浓度15~40%；衬底温度为800~900℃；反应室的工作压强为1500~3000Pa；偏压电流120~160mA；生长时间20~30分钟。本发明专利技术利用金催化剂层制备的碳纳米尖端为非晶碳纳米尖端，含氮量可达11%以上，有sp3C-N和sp2C-N成分。尤其是发现金催化剂颗粒位于碳纳米尖端的顶端，解决了碳纳米尖端顶端制备电极的困难，为它在发光二极管(LED)的应用奠定了基础。它将来可用作白光发光二极管(LED)、场电子发射器制备和光催化的候选材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氮在碳纳米尖端中的一种有效掺杂方法，具体涉及催化剂的选择和用金催化剂层制备的掺氮非晶碳纳米尖端。
技术介绍
碳纳米尖端是近年来发现的新型碳纳米材料，其形貌类似锥形。到目前为止，已发现三种结构的碳纳米尖端，分别为管状碳纳米尖端、由与生长方向垂直的石墨稀片堆垛起来的碳纳米尖端和非晶碳纳米尖端。它们具有良好的电学性能和力学性能如低的场电子发射开启电场和高的杨氏模量，非常适合于用作场电子发射器、扫描探针尖端和纳米光刻等领域的材料。 上述三种结构的碳纳米尖端中，非晶碳纳米尖端是由5/73 C-C和5/72 C-C键组成。SPi C-C键是目前所有化学键中键能最高的化学键，主要决定碳材料的力学性能，6P2 C-C主要决定碳材料的光学性能和电学性能。因此，由5/73 C-C和5/72 C-C形成的非晶碳纳米尖端能够显示出光学、电学、力学和结构等综合的优异性能。所以，有关非晶碳纳米尖端结构和性能的研究引起了人们的极大关注。然而，由印3 C-C和5/72 C-C形成的非晶碳纳米尖端中含有较多的缺陷和载流子少等原因，如非晶碳纳米尖端中的悬挂键往往是电子的非辐射复合中心，降低非晶碳纳米尖端的发光效率，使其在微电子领域和光电子领域的应用受到一定的限制，需要对非晶碳纳米尖端进行掺杂处理来提高它的性能。其中，氮是一种常用的/7型掺杂元素，通过氮掺杂可提高材料的有关性能。然而，有关氮在晶体碳纳米尖端(管状碳纳米尖端、由与生长方向垂直的石墨稀片堆垛起来的碳纳米尖端)的掺杂很少见到报道，这主要是由于晶体碳纳米尖端的六方结构很难被氮掺杂，或者氮掺杂是深掺杂不易提高晶体碳纳米尖端的光学和电学性能。而氮在非晶碳材料中的掺杂属于/7型浅掺杂，如果氮能够在非晶碳纳米尖端有效地掺杂，通过改变非晶碳纳米尖端的成分和结构，有利于非晶碳纳米尖端在微电子领域和光电子领域的应用，这是由于氮是五价元素，印3 C-C和5/72 C-C中的碳原子被氮原子取代形成印3 C-N和5/72 C-N后，可以形成一孤对电子(LP)或提供一个载流子。例如，5/72 C-C键形成的芳香族碳结构中的碳原子被氮原子取代后形成类吡啶(氮杂苯)结构，它有LP电子对或单电子产生，它们在禁带中产生相应的LP能级和N JI *能级示意图如图I和图2所示。因此，氮在非晶碳纳米尖端中有效地掺杂后，它的光学和电学性能将得到提闻。目前国内外主要以CH4、H2和N2的混合气体为反应气体，采用等离子体增强热丝化学气相沉积方法在沉积碳膜的Si衬底上制备非晶碳纳米尖端的过程中实现氮在非晶碳纳米尖端中的掺杂，或用C2H2、H2、和队和Ar的混合气体为反应气体，采用电子回旋共振化学气相沉积在Si衬底上制备非晶碳纳米尖端的过程中实现氮掺杂。根据报道，氮在非晶碳纳米尖端的氮含量较低，一般在5 9%，很少达到10%。利用镍催化剂制备的碳纳米尖端主要是晶体结构的碳纳米尖端，其镍颗粒位于管状碳纳米尖端的顶端，或位于石墨稀片堆垛起来的碳纳米尖端的底部。但镍催化剂与微电子和光电子器件不匹配，将对微电子和光电子器件产生不良的影响。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种氮在非晶碳纳米尖端的掺杂方法，有效提高氮在氮在非晶碳纳米尖端中的含量；同时，与微电子和光电子器件匹配的金属颗粒位于非晶碳纳米尖端的顶端，以解决非晶碳纳米尖端顶端制备电极的困难。实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，其特征在于，在Si衬底上沉积一层金膜作为催化剂层，以CH4、H2和N2为反应气体，在利用等离子体增强热丝化学气相沉积制备碳纳米尖端的过程中，将氮有效地掺入碳纳米尖端中，形成金颗粒位于顶端的非晶碳纳米尖端； 其中，金膜的厚度为5 30 nm ;反应气体中，CH4的浓度15 20%，H2的浓度50 65%，N2的浓度15 40% ;衬底温度为80(T90(TC ;反应室的工作压强为150(T3000Pa ;偏压电流12(Tl60mA ;生长时间2(Γ30分钟。反应气体的浓度均为体积百分比。进一步，所述金膜的制备是利用溅射方法将金膜沉积到Si表面上； 制备碳纳米尖端时，先将沉积有金膜的Si衬底放入反应室中，然后开始抽真空；当反应室的压强低于2 Pa时，向反应室通入反应气体；当压强达到工作压强时，加热反应室中的钨丝(钨丝到衬底Si片的距离flOmm)，利用钨丝加热衬底Si片；当衬底Si片达到所需的温度时，开启偏压电源产生等离子体，将偏压电流固定到某一值，开始生长碳纳米尖端。相比现有技术，本专利技术具有如下的有益效果 本专利技术利用金催化剂层制备的碳纳米尖端为非晶碳纳米尖端，金催化剂颗粒位于碳纳米尖端的顶端，含氮量可达11%以上，有印3 C-N和5/72 C-N成分。它将来可用作白光LED、场电子发射器制备和光催化的候选材料。通过用金作为催化剂层，将氮有效地掺入碳纳米尖端中；在Si衬底上沉积一层金膜作为催化剂层，以CH4、H2和N2为反应气体，在利用等离子体增强热丝化学气相沉积制备碳纳米尖端的过程中，将氣有效地惨入碳纳米尖端中。对于半导体，/ 型掺杂后的Fermi能级G相对于未掺杂的Fermi能级Z7i的改变与施主原子浓度怂的关系为(Mr,')I^n-FiOrAn j 式中，η,为未掺杂时半导体的载流子浓度。根据此式可知，氮的掺杂使碳纳米尖端的Fermi能级向其导带靠近。根据功函数的定义(真空能级与Fermi能级之差)，氮的有效掺杂可降低碳纳米尖端的功函数Φ。描述场电子发射性能的Fowler-Nordhelm方程为τ 1.56 网2 f' 6.83 XIO3 Φ33J =-iexp —- Φ I βΕ J 式中，/为电流密度，卢为场增强因子，万为电场强度。根据Fowler-Nordhelm方程,氮的有效惨杂可提闻碳纳米尖端的场电子发射性能。本专利技术制备的非晶碳纳米尖端，金颗粒位于其顶端，解决了碳纳米尖端顶端电极制备的困难。利用金催化剂制备的氮掺杂非晶碳纳米尖端中含有5/73 C-N和5/72 C-N成分，成为新的发光中心，提高了非晶碳纳米尖端的发光效率。文献(carbon，2012，50:3561-3571)已报道非晶碳纳米尖端中与印3 C-N和印2 C-N成分有关的发光带中心分别是波长为506 nm绿光和波长为405 nm的蓝光，因此顶端有金颗粒的掺氮非晶碳纳米尖端可用于白光LED的研制。附图说明图I是5/72 C-C键形成的芳香族碳结构LP能级示意 图2是5/72 C-C键形成的芳香族碳结构N 31 *能级示意 图3是本专利技术第一实施例扫描电子显微镜照片； 图4是本专利技术第一实施例透射电子显微镜照片； 图5是本专利技术第一实施例X射线光电子谱； 图6是本专利技术第一实施例N Is的X射线光电子谱； 图7是本专利技术第一实施例N Is的X射线光电子谱的拟合谱。图8是本专利技术第二实施例扫描电子显微镜照片； 图9是本专利技术第二实施例透射电子显微镜照片； 图10是本专利技术第二实施例X射线光电子谱； 图11是本专利技术第二实施例N Is的X射线光电子谱； 图12是本专利技术第二实施例N Is的X射线光电子谱的拟合谱。具体实施例方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明。在沉积金膜的Si衬底上不同条件下制备的非晶碳氮纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮在碳纳米尖端中掺杂的有效方法，其特征在于，在Si衬底上沉积一层金膜作为催化剂层，以CH4、H2和N2为反应气体，在利用等离子体增强热丝化学气相沉积制备碳纳米尖端的过程中，将氮有效地掺入碳纳米尖端中，金颗粒位于形成的碳纳米尖端顶端；其中，金膜的厚度为5~30?nm；反应气体中，CH4的浓度15~20%，H2的浓度50~65%，N2的浓度15~40%；衬底温度为800~900℃；反应室的工作压强为1500~3000Pa；偏压电流120~160mA；生长时间20~30分钟。

【技术特征摘要】
1.一种氮在碳纳米尖端中掺杂的有效方法，其特征在于，在Si衬底上沉积一层金膜作为催化剂层，以CH4、H2和N2为反应气体，在利用等离子体增强热丝化学气相沉积制备碳纳米尖端的过程中，将氣有效地惨入碳纳米尖端中，金颗粒位于形成的碳纳米尖端顶端； 其中，金膜的厚度为5 30 nm ;反应气体中，CH4的浓度15 20%，H2的浓度50 65%，N2的浓度15 40% ;衬底温度为80(T90(TC ;反应室的工作压强为150(T3000Pa ;偏压电流12(Tl60mA...

【专利技术属性】
技术研发人员：王必本，全学军，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：