影响CNT生长的关键参数

15.8.1.1 温度

温度影响所合成CNT的直径尺寸和类型，例如是形成SWCNT还是形成WMC-NT。实验中可以观察到，随着温度增加所合成CNT的直径也增大。在固定床反应器中，随着温度的增加，CNT的平均外径从20nm增加到150nm，CNT生长速度则从1.6μm/min增加至2.8μm/min^[25]。相反，很多研究者没有观察到这个现象：随着温度的变化，CNT外径发生显著的改变^[26]。而Nerushev等人证明，CNT的直径取决于颗粒物的尺寸、生长温度和碳流速度等多个因素，而不只是温度。在特定的临界条件下，能够生长出直径相同的CNT^[27]。因此，需要进一步的研究来探明CNT的生长过程对温度的依赖性。图15.7所示为CNT的生长速率和直径随温度的变化情况。15.8.1.2 压力

流化床反应器（fluidized bed reactor，用于FDCVD）通常在大气压下进行反应。目前还没有显著的迹象表明，FDCVD的反应过程会受压力变化的影响。研究人员已发现，在等离子体增强CVD技术中，通过控制压力能改变CNT的直径、质量和生长速率等参数^[28]。随着压力的降低，CNT直径增加、质量提高和生长速率变快。相比低压系统，高压系统中CNT的生长速率更高，直径更小，且石墨化特征更优良。具体而言，低压系统中，CNT的生长速率为0.1mm/min，CNT直径在60～80nm，且CNT会形成竹状结构；而高压系统中CNT的生长速率在1～3mm/min，CNT直径小于30nm，CNT呈良好的石墨化特征。

图15.7 CNT生长速率和直径随温度的变化示意图(www.xing528.com)

15.8.1.3 碳源

CVD工艺中使用的碳源如下：一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔^[23]、苯^[29]、樟脑^[30]、甲醇^[31]和乙醇^[31]。碳源的不同结构如直链或者苯环，影响着生成的CNT的类型和热力学性质（如焓）。通过观察发现，甲烷和芳香烃分子有利于形成SWCNT。Nishii等人^[32]和Liu等人^[33]使用一氧化碳、甲烷和乙烯作为碳源生长SWCNT。15.8.1.4 金属催化剂

过渡金属催化剂常被用来生长MWCNT和SWCNT。钴^[34]、镍^[35]、铁^[36]的金属纳米颗粒和它们的合金在CVD工艺中充当催化剂。为了提高CVD工艺中CNT产物的选择性，人们把铂、钼、铜金属与这些金属催化剂结合使用。金属催化剂是CNT合成过程中一个很重要的参数，它决定了产物的碳沉积速率、产量、选择性和质量。且不同金属组成的合金催化剂比纯金属纳米颗粒催化剂更有优势。辛辛那提大学展示了目前最长的MWCNT，长度为18mm。它是通过一种新的复合催化剂合成的。此外，通过使用FeZrN等合金催化剂，使得在低温下生长CNT成为可能^[37]。金属催化剂与基板表面的相互作用有助于理解催化剂在基板上的形态，从而有助于理解CNT的生长机理：底面生长或是末端生长。在化学气相沉积技术中，如氧化铝、氧化镁或二氧化硅等典型基板被用作催化剂的载体，以便把催化剂分散在基板表面，从而实现CNT的生长。15.8.1.5 颗粒尺寸

颗粒物的尺寸在决定CNT的尺寸和类型（MWCNT或SWCNT）过程中扮演着重要的角色^[38]。催化剂颗粒的尺寸决定CNT的性质这一机理现在并不明确，需要继续研究。研究表明，催化剂颗粒的尺寸同时决定CNT的生长速率和最高产量。在CVD中，催化剂纳米颗粒和CNT的直径存在着矛盾的关系。例如，在使用直径为20nm催化剂颗粒时，通过底面生长机理合成的CNT直径较小；而通过末端生长机理合成的CNT的直径与催化剂颗粒的直径相同。此外，不论催化剂颗粒的尺寸大小，CNT的直径可通过控制反应气体在反应室中停留的时间来改变^[39]。