纳米科技是在20世纪80年代末才发展起来的多学科交叉、基础研究与应用探索相结合的新兴学科。近年来，随着纳米技术的兴起和在高新技术领域的广泛应用，纳米材料的研究不断发展和深入。作为碳纳米材料家族的新秀，纳米碳管因其在力学、电学等多方面的优异性能及在商业方面巨大的潜在应用前景，自发现以来就成为纳米材料的研究热点。尽管有关纳米碳管的研究已经取得了令人瞩目的成果，但仍然存在许多问题和挑战，特别是纳米碳管的生长机制还未有定论，这关系到纳米碳管材料的可控制备和纳米碳管材料的广泛应用。本课题针对硅基底上纳米碳管的可控生长问题，从气体组分、催化剂种类以及催化剂结构等方面探讨纳米碳管在硅基底上的生长机理，获得了几种在硅基底上高效率生长单壁纳米碳管的工艺条件；发展了硅基针尖上催化剂纳米颗粒的可控制备方法，应用于纳米碳管针尖的制备，提高了制备效率；另外还探索了几种可控制备纳米碳管异质结构及纳米碳管复合材料的方法，并对其性能进行了研究。论文的主要研究内容和结论如下：　　 （一）系统研究了以甲烷和乙醇作为碳源时，气体组分、催化剂种类以及催化剂结构对纳米碳管在硅基底上生长的影响，获得了几种高效率生长纳米碳管的工艺条件，并对其生长机制进行了探讨。　　 催化剂和碳源之间存在着明显的匹配效应：铁或铁钌双金属纳米粒子作为催化剂制备纳米碳管时，甲烷比乙醇更适宜做碳源；而当以钴作催化剂时，乙醇作为碳源的效果比甲烷要好。由于钴的硅化物比铁的硅化物生成温度要高得多，而且在使用乙醇做碳源时，即使在焙烧处理时有钴的硅化物生成，在生长条件下也将会被还原成Co，因此还是能够在后续的CVD过程中催化纳米碳管生长。因此，当以钴作为催化剂时，可以催化乙醇分解在未经氧化处理的硅片表面高效率生长单壁纳米碳管，这对于提高纳米碳管－硅异质结构，以及用化学气相沉积法制备纳米碳管AFM针尖的效率，都具有十分重要的意义。　　 气体组分对纳米碳管的生长有很大影响：甲烷做碳源时，加入适量的氢气，能够抑制无定形碳的生成，提高纳米碳管的质量。添加少量的乙烯，可有效提高纳米碳管的生长效率，而且对纳米碳管的形态有显著影响，得到的主要产物为弯曲的纳米碳管；同甲烷作碳源的情况有所不同，乙醇作碳源时，氢气的加入不利于纳米碳管的生长，即使加入少量氢气，也会造成纳米碳管产量的下降。向乙醇中添加适量环己烷，能够提高纳米碳管的生长效率。　　 对于纳米碳管在硅片表面的生长，存在一个适宜纳米碳管生长的温度区间，甲烷做碳源的最佳生长温度为900-925℃，乙醇做碳源时最佳的生长温度为850℃。此外，还研究了FeRu纳米粒子的结晶结构对甲烷分解制备纳米碳管的影响：当具有不同结晶结构的FeRu纳米粒子，催化甲烷分解生长纳米碳管时，在组成成分相同的情况下，其结晶情况对纳米碳管的生长有很大影响，孪晶纳米颗粒比多晶和单晶纳米粒子具有更高的催化活性。这对研制用于纳米碳管制备的高效率催化剂，研究纳米碳管的生长机理具有一定的参考意义。　　 （二）发展了在AFM针尖上定位生长单颗催化剂纳米粒子的方法，研究了影响纳米颗粒尺寸的因素；利用电场辅助CVD法，由单个催化剂颗粒修饰的AFM探针制备纳米碳管针尖时，能够有效避免多针尖的生成，提高制备效率。　　 根据AFM针尖电场的分布特点，用十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰AFM探针，外加电场定点活化探针的尖端区域，使表面疏水的甲基转化成亲水的羧基；利用羧基吸附金属阳离子，再经过还原剂还原，制备了单个银、金和铜纳米颗粒修饰的AFM探针。整个过程，可用针尖粘附力的变化进行监测和表征。在此基础上，进一步简化了制备步骤：将金属盐溶液沉积在导电基片表面，控制AFM针尖和导电基片之间的距离，施加一个脉冲，利用电化学还原方法，直接在AFM针尖尖端生长单个纳米颗粒。针尖表面越疏水，相对湿度越低，电压作用时间越短，得到的纳米颗粒尺寸越小。　　 采用电场辅助的CVD方法，可由单个催化剂颗修饰的AFM探针制备纳米碳管探针，纳米碳管的生长方向由电场控制，没有生长纳米碳管的探针可重复进行生长。由于针尖表面只有一个催化剂颗粒，探针表面只能生长单根或者单束纳米碳管，能够有效避免多针尖现象的生成，提高其制备效率。在最佳条件下，纳米碳管针尖的制备成功率可达60％。纳米碳管针尖具有很大的长径比，可用于扫描深宽比很大的样品，提高成像的分辨率。　　 （三）研究利用化学气相沉积法制备纳米碳管异质结构，以电场辅助化学气相沉积法，实现了纳米碳管－非晶碳纳米线的可控制备；利用两步化学气相沉积法，制备了分支状纳米碳管。　　 在利用电场辅助CVD法制备纳米碳管时，当电场很强时(>105 V/m)，镍催化乙醇分解生成的主要产物为非晶碳纳米线。理论计算结果显示，在外加电场下，催化剂纳米颗粒所受的电场力远远大于纳米碳管所受到的电场力。由于催化剂颗粒受到强大的电场力作用，将会沿着电场的方向移动；另一方面，由于碳原子与Ni的亲和力小，碳原子在催化剂颗粒中的扩散速度小，主要沿颗粒的边缘扩散。在上面两种因素的共同作用下，析出的碳原子来不及组装成石墨层，形成非晶碳纳米线。降低电场强度(<102V/m)，将会降低催化剂颗粒和纳米碳管所受电场力的差别，得到的产物将会是纳米碳管。根据此结果，通过控制电场开关，实现了纳米碳管－非晶碳纳米线异质结构的可控制备。　　 非晶碳纳米线的力学性质很差，限制了纳米碳管－非晶碳纳米线异质结构的实际应用。而完全由纳米碳管构成的异质结构，如分支状纳米碳管，具有良好的机械和电学性能。在参考碳纤维表面生长纳米碳管研究报道的基础上，我们设计利用两步化学气相沉积法制备分支状碳纳管。首先用过硫酸钾氧化对纳米碳管进行改性处理，然后利用浸渍沉淀法，在纳米碳管表面生成氧化铁纳米颗粒，然后利用甲烷CVD制备分支状纳米碳管。TEM结果显示，氧化铁纳米颗粒的平均粒径约为10纳米，并且在纳米碳管表面的分布很均匀。以负载氧化铁纳米粒子的纳米碳管作催化剂，采用甲烷化学气相沉积，可有效在纳米碳管表面形成分支。由于在高温反应的条件下，氧化铁颗粒会沿着纳米碳管的表面迁移而团聚，只有当氧化铁的负载量低于10 wt％时，才能在纳米碳管表面生长分支。　　 （四）利用水热方法，以未经处理的纳米碳管和铁盐为原料，一步制备CNT-Fe3O4复合材料，研究了影响复合材料形貌的因素，以及复合材料的磁性和催化性能。　　 以二乙二醇(DEG)为溶剂，未经修饰的纳米碳管和铁盐为起始原料，采用水热方法一步制备了CNT-Fe3O4复合材料。该方法无需对纳米碳管进行修饰，因而能完整保持纳米碳管的结构，不会对纳米碳管的电学和机械等性能造成破坏。TEM结果显示，Fe3O4纳米颗粒在纳米碳管的表面分布非常均匀，粒径分布范围窄，平均粒径约为6 nm。纳米碳管表面Fe3O4纳米颗粒的密度，可以通过调节FeCl3和CNTs的质量比进行调节。由于四氧化三铁纳米粒子的平均粒径不超过10 nm，低于要表现出铁磁性所需的25 nm的直径，复合材料表现出超顺磁性，并且复合材料的磁性可以通过改变Fe3O4的负载量调节。DEG在复合材料的生成过程中，同时起到了分散剂和还原剂的作用，而且DEG特殊的分子结构和适宜的粘度，有利于制备形貌均匀的复合材料。升温速率对产物的形貌有很大影响：当升温速率不超过10℃/min时，Fe3O4纳米粒子在纳米碳管的表面分布很均匀，而升温速率超过15℃/min时，Fe3O4纳米粒子在纳米碳管的表面分布开始变得不均匀，超过30℃/min时，则会有单独的Fe3O4纳米粒子生成。　　 由于Fe3O4在纳米碳管表面的分散性特别好，即使经过高温处理，Fe3O4纳米粒子也不会发生严重团聚的情况，而且纳米碳管同时起到了电子助剂的作用，相对于没有负载的Fe3O4纳米粒子，CNT-Fe3O4复合材料作为CO高温变换反应的催化剂时，具有更高的催化活性和热稳定性，CO转化率在400℃时达到了90.3％。CNT-Fe3O4纳米复合材料，可用于制备过电催化过氧化氢传感器，测试结果表明，传感器对H202具有快速的响应，信号达到95％所需的时间小于4s，且在H202浓度为20 μM～5.5 mM的范围内呈线性响应。