CN102320594A - 氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体性单壁碳纳米管的直接、大量、可控制备领域，具体为一种氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法。以二茂铁为催化剂前驱体、适量的硫粉为生长促进剂、氢气为载气、在一定温度下同时通入碳源气体和微量氧气进行单壁碳纳米管的生长及原位刻蚀小直径和金属性单壁碳纳米管，最终获得半导体性单壁碳纳米管占优的样品，其含量到达90wt％，直径分布在1.4-1.8nm之间。本发明实现了较窄直径分布的半导体性单壁碳纳米管大量、直接控制生长，克服了现有化学和物理方法分离过程中对单壁碳纳米管本征结构破坏严重、过程复杂、而直接制备技术中样品量少、直径分布较宽、且直径较小等问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体性单壁碳纳米管的直接、大量、可控制备领域，具体为一种氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，在浮动催化剂化学气相沉积生长单壁碳纳米管过程中原位引入适量的氧气，实现了窄直径分布的半导体性单壁碳纳米管的宏量、可控的直接生长。
背景技术
单壁碳纳米管的导电属性与其结构紧密相关，因构成其石墨烯片层的卷曲方式不同可表现为金属性或半导体性，而且碳纳米管具有优异的传输特性，因此碳纳米管被认为是构建纳电子器件的理想材料，实现单壁碳纳米管在纳电子器件中应用的一个关键是实现单壁碳纳米管的选择性生长。而选择性生长的终极目标就是得到大量结构完美且一致性高的单壁碳纳米管，进而搭建性能一致的纳电子器件及构建出大规模集成电路。因此，均一导电属性碳纳米管的制备研究倍受关注。
目前，碳纳米管制备工作还具有很多不可控性，如结构缺陷和拓扑缺陷的存在使碳纳米管的电学性质和力学性质存在不均一性和不确定性。所以，碳纳米管研究中的一个难点和热点问题就是如何实现碳纳米管的结构控制。前期研究主要从两个方面着手：第一是制备手性分布窄的单壁碳纳米管，这种控制方式能得到某种手性富集的单壁碳纳米管样品，但是里面金属性单壁碳纳米管的含量仍然较高，难以用于构建高开关比的纳电子器件；第二是控制制备半导体性单壁碳纳米管。目前获得半导体性单壁碳纳米管的方法主要是通过分离、选择性去除金属性单壁碳纳米管和选择生长半导体性或某些手性结构单壁碳纳米管(文献1，TTanaka，H Jin，Y Miyata，S Fujii，H Suga，Y Naitoh，T Minari，T Miyadera，KTsukagoshi，H Kataura.Nano Lett.9(4)：1497-1500(2009)；文献2，YY Zhang，YZhang，XJ Xian，J Zhang，ZF Liu.J.Phys.Chem.C 112(10)：3849-3856(2008)；文献3，L Ding，A Tselev，JY Wang，DN Yuan，HB Chu，TP Mcnicholas，Y Li，J Liu.NanoLett.9(2)：800-8055(2009))。其中，分离和去除过程难免引入杂质和缺陷，因此选择性制备显得尤为重要。目前已有研究称可以获得高于90％的半导体性单壁碳纳米管表面平行阵列和96％的半导体性单壁碳纳米管垂直阵列，但是这些方法得到的半导体性单壁碳纳米管或者量很少、或者直径很小、或者直径分布很宽，对于直径分布较窄的半导体性单壁碳纳米管宏量制备鲜有报道。直径为1.6nm左右的单壁碳纳米管具有更好的电接触，并且具有较宽带隙，因而适于构筑具有超高开关比性能的单分子场效应晶体管，同时窄的直径分布直接决定了由其构筑的纳电子器件的性能稳定性。
目前的主要问题是：如何通过调控单壁碳纳米管的生长条件，直接制备大量、高纯、且直径分布适宜的半导体性单壁碳纳米管。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接制备大量、高纯、直径分布适宜的半导体属性单壁碳纳米管的浮动催化剂化学气相沉积方法，首次实现了窄直径、直径分布适宜的半导体性单壁碳纳米管的宏量、直接、可控制备。
本发明解决的一个技术问题是克服现有化学和物理方法分离过程中步骤繁琐、对单壁碳纳米管本征结构破坏严重等问题；本发明解决的另一技术问题是克服现有直接制备半导体性单壁碳纳米管的量少、直径分布范围广、直径小等问题。
本发明的技术方案是：
一种氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法直接、大量生长直径分布窄、直径适宜的半导体性单壁碳纳米管；以二茂铁为催化剂前驱体、适量的硫粉为生长促进剂、氢气为载气、在一定温度下同时通入碳源气体和微量氧气进行单壁碳纳米管的生长及原位刻蚀小直径和金属性单壁碳纳米管；将制备得到的单壁碳纳米管样品在空气气氛下低温、长时间氧化以去除无定形炭等杂质，温度为：350～380℃，氧化时间为：3～10小时；再用盐酸溶液(浓度为15～35wt％)浸泡上述样品以去除金属催化剂颗粒、并用去离子水进行多次清洗和真空干燥；最终获得了大量、高纯、直径分布窄且适宜、半导体性单壁碳纳米管占优的样品，其含量达到90wt％以上，直径分布在1.1-2.2nm(优选为1.4-1.8nm)之间。
所述氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法直接、大量生长直径分布窄、直径适宜的半导体性单壁碳纳米管，具体步骤如下：以有机气态烃(如：甲烷、乙炔、乙烯或丙烯等)为碳源气体，以氢气为载气，二茂铁为催化剂前驱体，以一定比例的硫粉为生长促进剂，在氢气保护下，将化学气相炉温度升至900～1200℃；再通入碳源气体和适量的氧气，并将二茂铁和硫粉同时推到炉温为60～100℃处，进行化学气相沉积生长单壁碳纳米管及对小直径(直径为＜1.1nm)和金属性单壁碳纳米管的原位刻蚀，载气流量为300～1000毫升/分钟，二茂铁与硫粉的重量比为40～0.1(优选为5～0.5)，碳源气体的流量为1～5毫升/分钟，氧气流量为0.1～0.5毫升/分钟(优选为0.2～0.3毫升/分钟)，时间为5～60分钟。
本发明方法中加入适量的氧是实现半导体性单壁碳纳米管控制生长的关键。因为金属性单壁碳纳米管比半导体性单壁碳纳米管的反应活性更高，小直径管比大直径管的反应活性高，基于此，适当调节氧的加入量，可以优先原位刻蚀掉小直径和金属性单壁碳纳米管，从而得到半导体性单壁碳纳米管。
本发明方法中生长促进剂硫的加入量可调节单壁碳纳米管的直径，硫的加入量越多、碳纳米管的直径越大，适量硫的加入可以调控单壁碳纳米管的直径在所需范围。
采用本发明方法所得到产品中，评价单壁碳纳米管的半导体属性或金属性的表征技术有：多波长拉曼光谱、吸收光谱和场效应晶体管性能测试。
采用本发明方法所得到产品中，高纯指单壁碳纳米管在样品中的比例以及单壁碳纳米管中半导体属性单壁碳纳米管的比例，单壁碳纳米管的含量(纯度1)≥99wt％，而单壁碳纳米管中半导体属性单壁碳纳米管的含量(纯度2)≥90wt％，纯度1根据热重/差热曲线定量计算，纯度2根据去背底后的吸收光谱定量计算得到，每批次得到的半导体属性单壁碳纳米管的含量由反应炉管的直径决定，对于直径为25mm的反应管来说，每批次得到的样品量为5～30mg。
采用本发明方法所得到产品中，单壁碳纳米管的直径分布范围为1.4-1.8nm，该直径分布是通过高分辨透射电镜照片统计得到的数值，共测量了156根单壁碳纳米管的直径，而该直径分布范围与从拉曼光谱计算得到的直径分布一致；该直径分布恰好是单壁碳纳米管作为电子器件应用的理想直径范围，该直径范围的半导体性单壁碳纳米管被认为最适宜用于纳电子器件，有望得到实际应用。
根据化学气相沉积反应炉(CVD炉)尺寸不同，大量可实现每批次毫克-克量级的半导体性单壁碳纳米管的获得，且浮动催化化学气相沉积法是一种可连续或半连续生产过程，因而将来有望实现工业化规模生产。
本发明的优点是：
1、本发明建立直接选择性生长半导体性单壁碳纳米管的氧辅助浮动催化剂化学气相沉积法，在浮动催化剂化学气相沉积生长单壁碳纳米管过程中原位引入适量的氧气，实现了宏量、窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的直接生长，克服了现有化学和物理方法分离过程中步骤繁琐、对单壁碳纳米管本征结构破坏严重等问题。
2、本发明方法以二茂铁为催化剂前驱体、适量的硫粉为生长促进剂、氢气为载气、在一定温度下同时通入碳源气体和微量氧气进行单壁碳纳米管的生长及原位刻蚀小直径和金属性单壁碳纳米管，可得到含量在90wt％以上的半导体属性单壁碳纳米管，直径分布为1.4-1.8nm，实现了直径分布窄、且直径适宜的半导体性单壁碳纳米管的制备，克服了现有制备半导体性单壁碳纳米管的直径分布范围广、且直径小等问题。
3、本发明实现了半导体性单壁碳纳米管的大量(根据所用化学气相沉积炉的尺寸不同，每炉在毫克-克量级)、直接选择性制备。该方法具有简单、大量、易于规模化等特点，突破了现有直接制备方法中仅限于表面生长法在量上的瓶颈(肉眼不可见)，具有良好的工业应用前景。
附图说明
图1.从透射电镜照片中统计得到的半导体属性单壁碳纳米管的直径分布图。
图2.不同加氧量下所得单壁碳纳米管样品的拉曼光谱(激发光波长为633nm)。
图3.不同加氧量下所得单壁碳纳米管样品的吸收光谱，其中的插图是实施例一和比较例的放大M11区域。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
实施例1.
将一片含50wt％硫粉的二茂铁(硫粉与二茂铁的重量比为1∶1)放置在化学气相沉积还原炉(CVD炉，直径为25mm，恒温区长度为4cm)的低温区，在500ml/min的氢气气氛下以30℃/分钟的升温速率升到1100℃，通入3ml/min的甲烷和0.2ml/min的氧气，并将二茂铁同时推到炉温为80℃处，进行单壁碳纳米管的生长，生长时间为30分钟。化学气相沉积结束后，关闭甲烷、氧气，在氢气保护下降到室温。
将步骤(1)制备得到的单壁碳纳米管10mg均匀置于直径为25mm，恒温区长度为4cm的加热炉炉管内，在370℃下氧化10h。待样品冷却到室温后，取出并浸泡于盐酸溶液(浓度为15-35wt％)中，在80℃下清洗多次，直至盐酸溶液不再变色为止。用去离子水清洗该样品直至pH为7，在120℃下真空干燥该样品，样品重量为：2mg。
对步骤(2)处理后的样品分别进行透射电镜、拉曼光谱和吸收光谱表征。根据热重曲线可以计算得到，最终样品中单壁碳纳米管的含量为99wt％。在透射电镜下对156根单壁碳纳米管的直径进行了测量和统计，统计结果如图1所示，单壁碳纳米管的直径分布为1.4-1.8nm，拉曼(图2，0.2-SWCNTs)和吸收光谱(图3，0.2-SWCNTs)表明，该条件下制备得到的单壁碳纳米管基本上是半导体性，根据金属性和半导体性单壁碳纳米管在吸收光谱中所对应的峰的峰面积进行积分，定量算出半导体属性单壁碳纳米管的含量为93wt％。
实施例2.
(1)将一片含硫粉的二茂铁(硫粉与二茂铁的重量比为1∶10)放置在化学气相沉积还原炉(CVD炉，直径为25mm，恒温区长度为4cm)的低温区，在600ml/min的氢气气氛下以30℃/分钟的升温速率升到1100℃，通入3ml/min的甲烷和0.1ml/min的氧气，并将二茂铁同时推到炉温为80℃处，进行单壁碳纳米管的生长，生长时间为30分钟。化学气相沉积结束后，关闭甲烷、氧气，在氢气保护下降到室温。
(2)将步骤(1)制备得到的单壁碳纳米管10mg均匀置于直径为25mm，恒温区长度为4cm的加热炉炉管内，在370℃下氧化10h。待样品冷却到室温后，取出并浸泡于盐酸溶液(浓度为15-35wt％)中，在80℃下清洗多次，直至盐酸溶液不再变色为止。用去离子水清洗该样品直至pH为7，在120℃下真空干燥该样品，样品重量为：2mg。
(3)对步骤(2)处理后的样品分别进行、透射电镜、拉曼光谱和吸收光谱表征。根据热重曲线可以计算得到，最终样品中单壁碳纳米管的含量为99.5wt％。在透射电镜下对80根单壁碳纳米管的直径进行了测量和统计，单壁碳纳米管的直径分布为1.2-1.9nm，拉曼(图2，0.1-SWCNTs)和吸收光谱(图3，0.1-SWCNTs)表明，该条件下制备得到的单壁碳纳米管中金属性碳管的样品含量明显减少，根据金属性和半导体性单壁碳纳米管在吸收光谱中所对应的峰的峰面积进行积分，定量算出半导体属性单壁碳纳米管的含量约为90wt％。
实施例3.
(1)将一片含硫粉的二茂铁(硫粉与二茂铁的重量比为1∶5)放置在化学气相沉积还原炉(CVD炉，直径为25mm，恒温区长度为4cm)的低温区，在800ml/min的氢气气氛下以30℃/分钟的升温速率升到1100℃，通入3ml/min的甲烷和0.3ml/min的氧气，并将二茂铁同时推到炉温为80℃处，进行单壁碳纳米管的生长，生长时间为30分钟。化学气相沉积结束后，关闭甲烷、氧气，在氢气保护下降到室温。
(2)将步骤(1)制备得到的单壁碳纳米管5mg均匀置于直径为25mm，恒温区长度为4cm的加热炉炉管内，在370℃下氧化10h。待样品冷却到室温后，取出并浸泡于盐酸溶液(浓度为15-35wt％)中，在80℃下清洗多次，直至盐酸溶液不再变色为止。用去离子水清洗该样品直至pH为7，在120℃下真空干燥该样品，样品重量为：1mg。
(3)对步骤(2)处理后的样品分别进行、透射电镜、拉曼光谱和吸收光谱表征。根据热重曲线可以计算得到，最终样品中单壁碳纳米管的含量为99.6wt％。在透射电镜下对80根单壁碳纳米管的直径进行了测量和统计，单壁碳纳米管的直径分布为1.4-1.9nm，拉曼(图2，0.3-SWCNTs)和吸收光谱(图3，0.3-SWCNTs)表明，该条件下制备得到的单壁碳纳米管样品中金属性碳管的含量明显减少，根据金属性和半导体性单壁碳纳米管在吸收光谱中所对应的峰的峰面积进行积分，定量算出半导体属性单壁碳纳米管的含量约为91wt％。
比较例
(1)将一片含硫粉的二茂铁(硫粉与二茂铁的重量比为1∶1)放置在化学气相沉积还原炉(CVD炉，直径为25mm，恒温区长度为4cm)的低温区，在500ml/min的氢气气氛下以30℃/分钟的升温速率升到1100℃，通入3ml/min的甲烷，并将二茂铁同时推到炉温为75℃处，进行单壁碳纳米管的生长，生长时间为30分钟。化学气相沉积结束后，关闭甲烷，在氢气保护下降到室温。
(2)将步骤(1)制备得到的单壁碳纳米管10mg均匀置于直径为25mm，恒温区长度为4cm的加热炉炉管内，在370℃下氧化10h。待样品冷却到室温后，取出并浸泡于盐酸溶液(浓度为15-35wt％)中，在80℃下清洗多次，直至盐酸溶液不再变色为止。用去离子水清洗该样品直至pH为7，在120℃下真空干燥该样品，样品重量为：2mg。
(3)对步骤(2)处理后的样品分别进行、透射电镜、拉曼光谱和吸收光谱表征。根据热重曲线可以计算得到，最终样品中单壁碳纳米管的含量约为98wt％。在透射电镜下对101根单壁碳纳米管的直径进行了测量和统计，单壁碳纳米管的直径分布为0.8-2.5nm，拉曼(图2，0-SWCNTs)和吸收光谱(图3，0-SWCNTs)表明，该条件下制备得到的单壁碳纳米管基本上是金属性和半导体性共存。
实施例结果表明，本发明可以通过在单壁碳纳米管原位生长过程中引入适量的氧，实现半导体性单壁碳纳米管的宏量直接生长，且直径分布缩窄为1.1-2.2nm之间。本发明的关键在于在单壁碳纳米管生长过程中引入适量的氧气及在催化剂二茂铁中加入适量的生长促剂硫，硫的加入抑制了小直径单壁碳纳米管的生长，而适当调节氧的加入量，可以优先原位刻蚀掉小直径和金属性单壁碳纳米管，最终得到窄直径分布、直径适宜、半导体性单壁碳纳米管。
Claims (9)
1.一种氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，直接选择性制备半导体性单壁碳纳米管的具体步骤如下：
以氢气为载气，二茂铁为催化剂前驱体，硫粉为生长促进剂；在氢气保护下，将化学气相炉温度升至900～1200℃；再通入碳源气体和氧气，并将二茂铁同时推到炉温为60～100℃处，进行化学气相沉积生长单壁碳纳米管及对小直径和金属性单壁碳纳米管的原位刻蚀，载气流量为300～1000毫升/分钟，二茂铁与硫粉的重量比为40～0.1，碳源气体的流量为1～5毫升/分钟，氧气流量为0.1～0.5毫升/分钟，时间为5～60分钟。
2.按照权利要求1所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，将制备得到的单壁碳纳米管样品在空气气氛下低温、长时间氧化以去除无定形炭杂质，温度为：350～380℃，氧化时间为：3～10小时；再用浓度为15～35wt％的盐酸溶液浸泡上述样品以去除金属催化剂颗粒、并用去离子水清洗干净和真空干燥；最终获得半导体性单壁碳纳米管占优的样品，其含量达到90wt％以上。
3.按照权利要求2所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，半导体性单壁碳纳米管直径分布在1.4-1.8nm之间，该直径分布恰好是单壁碳纳米管作为电子器件应用的理想直径范围。
4.按照权利要求1所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，碳源气体是有机气态烃。
5.按照权利要求1或2所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，氧气流量优选为0.2～0.3毫升/分钟，氧气流量是实现半导体性单壁碳纳米管控制生长的关键，金属性单壁碳纳米管比半导体性单壁碳纳米管的反应活性更高，小直径管比大直径管的反应活性高，优先原位刻蚀掉小直径和金属性单壁碳纳米管，从而得到半导体性单壁碳纳米管。
6.按照权利要求1或2所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，二茂铁与硫粉的重量比优选为5～0.5，生长促进剂硫的加入量调节单壁碳纳米管的直径，硫的加入量越多、碳纳米管的直径越大，硫的加入调控单壁碳纳米管的直径在所需范围。
7.按照权利要求1或2所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，单壁碳纳米管在样品中的比例由热重曲线算得，单壁碳纳米管的含量≥99wt％。
8.按照权利要求1或2所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，半导体性单壁碳纳米管在纯净的单壁碳纳米管中的含量，是由去背底后的吸收光谱定量计算得到，半导性单壁碳纳米管的含量≥90wt％。
9.按照权利要求8所述的氧辅助浮动催化剂直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，每批次得到的半导体属性单壁碳纳米管的含量由反应炉管的直径决定，对于直径为25mm的反应管来说，每批次得到的样品量为5～30mg。
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