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奈米碳粒 四技化四乙 48940016 李幸芬 48940062 陳雅音 前言 奈米碳粒與奈米碳管於1991 年一起被 發現。到目前為止，有關奈米碳管的文 獻已超過10,000 篇。然而對奈米碳粒 的研究卻非常少，過去文獻報導多是在 製造奈米碳管的同時發現少量中空奈米 粒，但因為產量實在太少（可能要以百 粒來計算），連許多基礎的科學研究都 無法進行。 奈米碳粒之合成方法 目前奈米碳粒成長的方法有很多種，不 過大致可歸類為兩種類型 一.電弧放電方法 二.觸媒式化學氣相沉積法( CCVD ) 此外，也有將Fe、Co、Ni 的奈米金屬 顆粒跟鑽石的奈米顆粒混合在一起，混 合物再放置於中央鑽洞的石墨棒裡，然 後在1700℃高溫下真空退火30 分鐘而 產生奈米碳粒。 電弧放電 （Arc-discharge） 基本原理在陽極碳棒中心添加金屬催化 劑如鐵、鈷後，將整個系統進行抽真 空後再通入惰性氣體，接著15~30 V 的驅動電壓及 50~130 A 的電流，然 後將陽極等速緩慢靠近陰極，當兩電 極距離非常近（1mm），會於兩極間 會產生一高溫（4,000K）的電弧，同 時將陽極的碳與催化金屬進行高溫氣 化並沉積在陰極石墨棒表面，此時所 得的陰極沉積物即有奈米碳粒存在。 此研究必須特別注意的是：兩電 極距離必須保持一定的適當距離 才易生成奈米碳粒，否則將會生 成大量的奈米碳管。由電弧放電 法所得到的奈米碳粒粒徑約在 10~30 nm，以電弧法合成奈米 碳粒的操作所需注意的變數主要 有反應時的環境、電極材料、電 壓大小與電極距離等。 觸媒式化學氣相沉積 ( catalytic chemical vapor deposition ) 先將金屬催化劑（Co、Fe⋯等）鍍在晶 片上，厚度約在10~60 nm 間，再將 其放入微波輔助CVD裝置中成長奈米 碳粒，所採用的氣體為甲烷與氫氣的 混合氣體，反應溫度大約在400~650 ℃之間，在適當的壓力與流量比例下 可以合成出高密度的奈米碳粒，粒徑 分布在50~100 nm 之間。 這種方法是利用一些碳氫氣體(大部分為 CH4、C2H2、C2H4、C6H6等氣體)或一 氧化碳在一些過渡性金屬上裂解，其產 物可能為奈米碳粒、奈米碳管、非晶質 碳和實心的碳纖等等。其產物和溫度、 成長時間、氣源、流量和觸媒金屬的種 類與顆粒的大小有關。其中合成奈米碳 粒以微波電漿輔助化學氣相沉積法最為 常見。 奈米碳粒的相關應用 填充金屬奈米碳粒的外層石墨結構可 提供內部奈米金屬粒子一個穩定存在 的環境；在奈米碳粒中，顆粒不會再 聚集長大、或受到環境氧化破壞，使 其結構以及量子效應等性質得以長久 保存；外層石墨結構亦可進行化學修 飾改質，使其易分散於溶劑中而方 便利用，並增加親和力。 填充金屬奈米碳粒的特性會因為填入 不同類的金屬而改變；可以據此開發 出各式功能性的奈米碳粒衍生物材料， 擴大應用範圍。以下就奈米碳粒的應 用做一簡單的介紹： • • • • 場發射電子元件 磁紀錄材料 磁性材料 放射性廢料的處理 場發射電子元件 電子場發射材料技術已經被廣泛地使用於許多 電子元件上。如：平面顯示器、電子顯微鏡中 的電子槍、微波功率放大器，就技術面而言， 場發射材料應具有低驅動電場以及在高電流下 非常穩定，顯示器要求電流密度為1-10mA/cm2 ， 而對微波功率放大器而言其電流密度需大於 500 mA/cm2。基於低驅動電場以及高電流密 度的要求，奈米碳管首先被廣泛地應用於場發 射電子元件上，最近已有研究團隊發現奈米碳 粒具有低驅動電場以及高電流密度，它們同時 把奈米碳粒應用於三極體元件上，亦得到相當 不錯的電性效果。 奈米碳粒在應用上比奈米 碳管具優勢的地方 1. 穩定性：因為奈米碳管為管狀，所以太長容易 彎曲而造元件漏電流或短路，太短又必須考慮 到方向性的問題，而奈米碳粒因為顆粒狀的關 係就沒有這樣的煩惱。 2. 製程溫度：奈米碳粒的製程溫度要比一般奈米 碳管製程溫度低。 3. 製備難易度：奈米碳粒製備容易且密度高，同 時不用考慮方向性的問題。 磁紀錄材料 奈米結晶鐵磁性金屬材料是目前常見的磁紀錄 材料，它們具有非常大的表面積，造成擁有很 大的體積比以及很高的活性，在一般環境下容 易產生磁性下降的現象，在工業的應用上，這 是一個相當大致命傷。奈米碳粒的出現是一個 重大的突破，因為有研究發現奈米碳粒包覆在 外面的石墨可以阻隔一般環境對裡面包覆的奈 米結晶鐵磁性金屬產生影響。奈米碳粒具抗氧 化，同時外層的石墨又是最佳的潤滑劑，再加 上石墨層可以減少顆粒與顆粒之間的磁偶合 (magnetic coupling)的產生，所以在磁紀錄媒 體的材料應用上有相當大的幫助 磁性材料 如 磁流體(magnetic fluid)、磁 墨水(magnetic ink)等等，也有 研究指出外層為石墨裡面包覆有 鎳金屬顆粒的奈米碳粒在室溫下 顯示有超順磁性的特性產生。 放射性廢料的處理 有一些稀有金屬可以以碳化物的型態被 石墨所包覆，目前發現對於人體會產生 放射性傷害的釷(Th)以及鈾(U)，可以以 ThC2和UC2等物質包在奈米碳粒內，這 也就是說這些放射性物質可以包在奈米 碳粒內而不會外洩，這對放射性廢料的 處有相當應用潛力