CN101372327B - 一种碳纳米管阵列的生长方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纳米管阵列的生长方法，涉及一种碳纳米管，尤其是涉及一种低能耗、无炉生长超长碳纳米管阵列的方法。提供一种碳纳米管阵列的生长方法。提供一基底，在该基底上表面依次溅射一层缓冲层和一层催化剂层，得上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底；将上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底放在加热片上；启动微区加热控制电源，直接以加热片为加热装置对基底加热；通入载气和碳源气；关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品。

Description

一种碳纳米管阵列的生长方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管，尤其是涉及一种低能耗、无炉生长超长(mm级)碳纳米管阵列的方法。

背景技术

碳纳米管是20世纪90年代初才发现的一种新型一维纳米材料，碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性。随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或者半导体性等。由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，包括场发射平板显示、单电子器件、原子力显微镜针尖、热传感器和过滤器等。因此，实现碳纳米管的可控生长，降低碳纳米管的合成成本，是将碳纳米管推向应用的关键。

目前合成碳纳米管有多种方法，例如：1991年S.Iijima(S.Iijima，Nature，354，56)公开的电弧放电法，1992年T.W.Ebbesen等人(T.W.Ebbesen，et al，Nature，358,220)发表的激光烧蚀法以及1996年W.Z.Li等人(W.Z.Li，et al，Science，274，1701)公开的化学气相沉积法。

电弧放电法和激光烧蚀法不能控制碳纳米管的直径和长度，合成方法所用仪器昂贵，且碳纳米管的产量低，很难在大尺寸基片上大规模生长碳纳米管，故目前主要用于实验阶段，很难走向工业应用。

传统的化学气相沉积法是利用含碳气体作为碳源气，在平滑基底上面沉积一层催化剂颗粒，然后利用电阻炉加热分解含碳气体，生长单壁或者多壁碳纳米管，与前两种方法相比，具有产量高、可控性强等特点，并且可以生长出有序性好的碳纳米管阵列。在传统的化学气相沉积中，管式炉则是最常用的一种加热方式，但基于管式炉设计上的特点，存在一些自身难以克服的缺点，如功耗大(多数为2000W)，能量利用率低，热容大，温度变化缓慢，产物效率低；中心温度受真空度、气体流速等多种因素的影响，温度控制不准确，且由中心向两端温度逐渐降低。这与现在合成实验的环保化、精确化、能量高利用率等趋势不相适应，尤其是对需要快速温变、温度控制精准的化学气相沉积实验体系，更是管式炉的致命弱点。

因此，提供一种快速升温降温、节能的方法合成碳纳米管阵列，显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管阵列的生长方法。

本发明的技术方案是直接利用加热片作为加热装置，通过程序灵活控制基底温度，可实现快速温度变化(大于200℃/s)，从而快速达到所需温度，合成出高质量的碳纳米管阵列。

本发明包括以下步骤：

1)提供一基底，在该基底上表面依次溅射一层缓冲层和一层催化剂层，得上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底；

2)将上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底放在加热片上；

3)启动微区加热控制电源，直接以加热片为加热装置对基底加热；

4)通入载气和碳源气；

5)关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品。

对所获样品可进行性能测试。

缓冲层最好为氧化铝层，氧化铝层的厚度可选为10～30nm；催化剂可为单质铁、单质钴或单质镍等，催化剂也可为单质铁、单质钴、单质镍三者的合金，单质铁、单质钴、单质镍三者之间的配比可任意，催化剂最好为单质铁，催化剂层的厚度可选为0.5～2nm。

基底可选为硅片、石英片等，加热片可选为硅片、石墨片、陶瓷片、金属片等，最好以硅片作为加热片。加热的温度最好为750～850℃，温度的设定由具体化学气相沉积反应要求的反应温度确定。

载气可选择氮气与氢气的混合气，或惰性气体与氢气的混合气，载气最好为氩气和氢气的混合气。碳源可为甲烷、乙烯或乙炔等含碳气源，碳源最好为乙炔。按体积比，载气与碳源气的通气量为(10～40)∶1，最好为25∶1。

与现有的热化学气相沉积法合成碳纳米管阵列相比较，本发明所提供的生长碳纳米管阵列的方法具有以下优点：1)生长周期短，升温和降温速度快，只要5s左右时间就可以达到所需温度，降到室温也只需要几分钟时间，可以节省能源和冷却所需的载气量，同时也提高了加热的效率；2)节约试验成本，对于管式炉，反应室必须使用可以承受高温且价格昂贵的石英管，而本发明中，加热片的温度高达七八百摄氏度，但是外层玻璃反应管受加热片辐射达到的温度不高于400℃，可以使用普通玻璃管，节约了试验成本，也给反应管形状加工带来了许多方便；3)便于试验现象的观察，对于管式炉，反应管置于管式炉中，反应的实际情况无法观察，而本发明，整个实验反应过程都可以透过玻璃管直接观察，这也给试验带来了方便；4)生长速率快，生长15min所得到的碳纳米管阵列的高度就可以达到3.5mm，并且质量很好；5)可以通过移动硅片的方法，实现碳纳米管阵列在连续的基底上生长，达到大规模、流水线式生长碳纳米管阵列的目的。

由于本发明使用微区加热控制器合成碳纳米管阵列，所使用的催化剂以及载气和碳源气都是价格低廉，且能源消耗低，能源利用率大大提高，使得整个生长方法的成本进一步降低。选择合适的电源和加热片，可以实现工业上大规模加热合成碳纳米管阵列。

附图说明

图1是本发明实施例获得的碳纳米管阵列的照片。在图1中，标尺的刻度为1cm。

图2是本发明实施例制备的碳纳米管阵列局部放大的扫描电镜照片。

图3是本发明实施例制备的碳纳米管阵列中一束碳纳米管的透射电镜照片。在图3中，标尺为100nm。

图4是本发明实施例制备的多壁碳纳米管的透射电镜照片。在图4中，标尺为5nm。

具体实施方式

实施例1

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质铁层；

2)将该镀铁基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为750℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和30sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

从图1和2可以看出，生长的碳纳米管阵列比较均一，长度达3.5mm，且质量很好，杂质很少，管径直，管与管之间彼此紧密，经过乙醇超声10min以后，依然成束状排列(参见图3)，管径约为10nm(参见图4)。

实施例2

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层1nm单质铁层；

2)将该镀铁基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为750℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和30sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例3

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层0.5nm单质铁层；

2)将该镀铁基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为750℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和30sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例4

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射20nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质铁层；

2)将该镀铁基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为750℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和40sccm；

)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例5

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质钴层；

2)将该镀钴基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为800℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和30sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例6

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质镍层；

2))将该镀镍基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为800℃；

4))通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和40sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例7

1)以石英片作为基底，在其光滑面，首先溅射20nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质铁、单质钴、单质镍的合金层；

2)将该基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为750℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和30sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例8

1)以石英片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质铁层；

2)将该镀铁基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以陶瓷片作为加热片，设定温度为800℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和30sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例9

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质铁层；

2)将该镀铁基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以金属钨片作为加热片，设定温度为800℃；

4)通入氩气、氢气和乙炔，气体流量分别为560sccm、200sccm和50sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

实施例10

1)以硅片作为基底，在其光滑面，首先溅射10nm氧化铝，然后再在其上面溅射一层2nm单质铁层；

2)将该镀铁基底置于微区加热器的加热片上；

3)启动微区加热控制电源，以硅片作为加热片，设定温度为800℃；

4)通入氮气、氢气和乙烯，气体流量分别为560sccm、200sccm和40sccm；

5)反应15min后，关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品并测试。

Claims (7)

1.一种碳纳米管阵列的生长方法，其特征在于包括以下步骤：

1)提供一基底，在该基底上表面依次溅射一层缓冲层和一层催化剂层，得上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底，所述缓冲层为氧化铝层，氧化铝层的厚度为10～30nm，所述催化剂为单质铁，或单质钴，或单质镍，或单质铁、单质钴、单质镍三者的合金，催化剂层的厚度为0.5～2nm；

2)将上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底放在加热片上；

3)启动微区加热控制电源，直接以加热片为加热装置对基底加热；

4)通入载气和碳源气；

5)关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品。

2.如权利要求1所述的一种碳纳米管阵列的生长方法，其特征在于基底为硅片或石英片。

3.如权利要求1所述的一种碳纳米管阵列的生长方法，其特征在于加热片为硅片、石墨片、陶瓷片或金属片。

4.如权利要求1所述的一种碳纳米管阵列的生长方法，其特征在于加热的温度为750～850℃。

5.如权利要求1所述的一种碳纳米管阵列的生长方法，其特征在于载气为氮气与氢气的混合气，或惰性气体与氢气的混合气。

6.如权利要求5所述的一种碳纳米管阵列的生长方法，其特征在于所述惰性气体为氩气。

7.如权利要求1所述的一种碳纳米管阵列的生长方法，其特征在于碳源为甲烷、乙烯或乙炔含碳气源；按体积比，载气与碳源气的通气量为10～40∶1。

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