CN108190862A - 利用微波气相沉积制备掺氮碳纳米管的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微波气相沉积制备掺氮碳纳米管的方法及装置。包括以下步骤：将碳纳米管粉末置于密闭腔体中，对腔体抽真空；向腔体内通入氮气，调节氮气流量、气压，同时进行微波照射，使得腔体内部气体吸收微波能量并激发产生等离子体；等离子化后的氮原子会掺到碳纳米管表面和内部结构中，形成掺氮碳纳米管，控制微波功率和掺氮时间，得到不同氮含量的氮碳纳米管。采用微波等离子体技术对氮气气源进行等离子化处理。由于微波功率较高，能量密度较大，而且基团具有较高的活性，会使得气体较易发生离解；通过该方法制备的氮碳纳米管，该产物的质量纯度较高，有利于铁磁学、光学等性能的测试和表征，所制得的样品表现出较好的铁磁性。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种利用微波等离子体化学气相沉积技术制备掺氮碳纳米管的方法。
背景技术
碳纳米管是由单层或多层的石墨片围绕中心轴按一定螺旋角卷曲而成的无缝纳米碳管一维纳米材料。随着碳纳米管(CNTs)和不同元素掺杂类型的碳纳米管的发展，碳管因其独特的结构，所表现出优异的性质而备受关注，当掺杂入不同类型的元素时，碳纳米管六圆环的结构会发生一定的变化使其性能得到改变或改善。纳米碳管材料在电子光学器件，电化学，热传导等方面具有广泛的应用。将氮原子掺入到碳纳米管的晶格中，使CNT结构稳定性降低，结构中N原子周围呈现多电子状态，N-C原子间的离子键增强，而共价性减弱，表面碱性增强，从而改变了碳纳米管表面的吸附性能；掺杂在碳纳米管晶格中的氮原子的高电子云密度还导致碳纳米管在电子、材料和电化学方面具有独特的性能。
研究表明，掺氮的碳纳米管在转变温度910K和1120K反磁性会降低，但与之相关的研究结果却不尽相同，其主要原因在于碳纳米管的管腔内部是纳米级中空结构，但碳纳米管的管径尺寸太小、表面缺陷多等问题却影响着碳纳米管在实际中的应用。制备氮碳纳米管方法很多，大都利用化学气相沉积技术，但由于反应时间和反应程度难以把控，导致所得产物中存在一些杂质元素。虽然使用不同的氮源物质，如甲烷、氮气等，可以有效减少氮碳纳米管中的其他元素杂质组分，但碳纳米管和含碳组分的团聚，以及前驱体和温度均能影响碳纳米管的掺氮量及其铁磁性。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用微波等离子体化学气相沉积装置制备掺氮碳纳米管的技术方法，并找到掺氮碳纳米管的铁磁性明显增强下的最优参数条件。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种掺氮碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
将碳纳米管粉末置于密闭腔体中，对腔体抽真空；
向腔体内通入氮气，调节氮气流量、气压，同时进行微波照射，使得腔体内部气体吸收微波能量并激发产生等离子体；
等离子化后的氮原子会掺到碳纳米管表面和内部结构中，形成掺氮碳纳米管，控制微波功率和掺氮时间，得到不同氮含量的氮碳纳米管。
按上述方案，微波功率为120W，氮气流量为30-50sccm，工作气压为2kPa-5kPa，微波照射时间为10-120min。
一种掺氮碳纳米管的制备装置，包括腔体、进气口、抽气口、压缩矩形波导、石英玻璃管、微波发生器；
在腔体内部，设置有基片台和升降机构，基片台安装在升降机构上；
在腔体上下两端开有进气口和抽气口；
腔体的中部设有石英玻璃管，微波透过石英玻璃管在腔体内进行传输；
腔体固定有可上下移动的金属法兰，上金属法兰位于石英玻璃管的上方，下金属法兰位于石英玻璃管的下方，腔体由上下金属法兰与压缩矩形波导相连，压缩矩形波导与微波发生器相连。
按上述方案，所述抽气口与真空泵与真空管道相连，真空管道上设有真空粗调阀和微调阀。
按上述方案，所述进气口为氮气进气口。
按上述方案，所述基片台采用钼基片。
本发明首次采用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)，利用通入氮气气体激发产生的等离子体掺杂入碳纳米管中，控制相应的参数条件从而制备出高质量的氮碳纳米管一维材料(利用氮气作为氮源，通过微波激发反应气体产生等离子体，在钼基片上对碳纳米管进行氮化处理)。该微波等离子体化学气相沉积技术是以高频微波作为能量源，使气相组分能从中够获得较高的能量，进而增加气相组分离化的几率。该方法具有源物质摄入量易于控制，沉积气压较低，微波功率可调性等优点。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
采用微波等离子体技术对氮气气源进行等离子化处理。由于微波功率较高，能量密度较大，而且基团具有较高的活性，会使得气体较易发生离解。
等离子体在基片上方形成，在与基片表面的碳纳米管粉末相接触时提供了足够的温度，这种等离子体的自加热方式，一定程度上也促进了氮基团掺杂进入碳纳米管粉末中。
通过该方法制备的氮碳纳米管，该产物的质量纯度较高，有利于铁磁学、光学等性能的测试和表征，所制得的样品表现出较好的铁磁性。
附图说明
图1：本发明掺氮碳纳米管的制备装置结构示意图；
图2：本发明掺氮碳纳米管的扫描电镜SEM碳、氮含量示意图；
图3：本发明不同掺氮时间掺氮碳纳米管的磁滞回线对比图；
其中图1，1-基片台；2-金属法兰；3-腔体；4-压缩矩形波导；5-进气口；6-抽气口；7-石英玻璃管；
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明掺氮碳纳米管的制备装置示意图参照附图1所示，包括腔体3、进气口5、抽气口6、压缩矩形波导4、石英玻璃管7、微波发生器；
在腔体内部，设置有基片台1和升降机构，基片台1安装在升降机构上；
在腔体上下两端开有进气口5和抽气口6；
腔体的中部设有石英玻璃管7，微波透过石英玻璃管7在腔体3内进行传输；
腔体固定有可上下移动的金属法兰2，上金属法兰2位于石英玻璃管7的上方，下金属法兰位于石英玻璃管的下方，腔体3由上下金属法兰2与压缩矩形波导4相连，压缩矩形波导4与微波发生器相连。由微波发生器产生的2.45GHz微波能量会由压缩矩形波导4经石英玻璃管7进入腔体3内进行传输并在腔体内耦合，气体进入腔体后，吸收微波能量后会激发产生等离子体。
所述抽气口6与真空泵与真空管道相连，真空管道上设有真空粗调阀和微调阀。
所述进气口5为氮气进气口。
实施例1
(1)依次使用乙醇、丙酮溶液对基片进行超声清洗，去除表面杂质。随后，将适量的碳纳米管粉末样放在基片台中心位置的基片上并置于密闭腔体中，随后密封金属法兰，排除空气。
(2)对腔体抽真空处理，并通入氮气，调节氮气流量、气压(腔体内氮气的气压)，进行微波照射；
(3)腔内气体吸收微波能量激发产生等离子体，使用的工艺参数为：氮气流量50sccm，工作气压为2.0kPa；
(4)通入氮气，调节气体流量，待等离子体状态稳定。反应结束后，关闭微波源，腔体冷却后，取出氮化后的样品，实验中使用的工艺参数分别为：微波功率120W，掺氮时间分别设置为10、30、60、90、120min。
可证实所制得的样品为掺氮的碳纳米管，且该氮碳纳米管材料的质量纯度为92％，如图2所示。
将本实施例制备的微波功率为120W下碳纳米管不同掺氮时间10、30、60、90、120min产物与未掺氮的碳纳米管利用综合物性测量系统PPMS，在温度为300K条件下测试了样品的铁磁特性，通过与未掺氮的碳纳米管对比其磁滞回线，证实了该方法所制得的样品能使碳纳米管的铁磁性得到进一步改善和优化，如图3所示。
实施例2
(1)依次使用乙醇、丙酮溶液对基片进行超声清洗，去除表面杂质。随后，将适量的碳纳米管粉末样放在基片台中心位置的基片上并置于密闭腔体中，随后密封金属法兰，排除空气。
(2)对腔体抽真空处理，并通入氮气，调节氮气流量、气压(腔体内氮气的气压)，进行微波照射；
(3)腔内气体吸收微波能量激发产生等离子体，使用的工艺参数为：氮气流量50sccm，工作气压为3.0kPa。
(4)从气体进气口导入氮气，控制调节气体流量，待等离子体状态稳定。反应结束后，关闭微波源，待腔体冷却，取出样品，实验中使用的工艺参数分别为：微波功率240W，掺氮时间10、30、60、90、120min，且该氮碳纳米管材料的质量纯度为91％。
将本实施例制备的氮碳纳米管材料与未掺氮的碳纳米管在300K下磁滞回线测试曲线比较，由测试曲线可看出在一定的氮化时间下，铁磁性能会有较好的提升。于是可说明通过本技术方法制备的掺氮碳纳米管能使碳纳米管的铁磁性得到进一步改善和优化。
实施例3
(1)依次使用乙醇、丙酮溶液对基片进行超声清洗，去除表面杂质。随后，将适量的碳纳米管粉末样放在基片台中心位置的基片上并置于密闭腔体中，随后密封金属法兰，排除空气。
(2)对腔体抽真空处理，并通入氮气，调节氮气流量、气压(腔体内氮气的气压)，进行微波照射；
(3)腔内气体吸收微波能量激发产生等离子体，使用的工艺参数为：氮气流量50sccm，工作气压为2.0kPa。
(4)从气体进气口导入氮气，控制调节气体流量，待等离子体状态稳定。反应结束后，关闭微波源，待腔体冷却，取出样品，实验中用的工艺参数分别为：微波功率360W，掺氮时间10、30、60、90、120min，且该氮碳纳米管材料的质量纯度为90％。
Claims (6)
1.一种掺氮碳纳米管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将碳纳米管粉末置于密闭腔体中，对腔体抽真空；
向腔体内通入氮气，调节氮气流量、气压，同时进行微波照射，使得腔体内部气体吸收微波能量并激发产生等离子体；
等离子化后的氮原子会掺到碳纳米管表面和内部结构中，形成掺氮碳纳米管，控制微波功率和掺氮时间，得到不同氮含量的氮碳纳米管。
2.如权利要求1所述掺氮碳纳米管的制备方法，其特征在于微波功率为120W，氮气流量为30-50sccm，工作气压为2kPa-5kPa，微波照射时间为10-120min。
3.一种掺氮碳纳米管的制备装置，其特征在于包括腔体、进气口、抽气口、压缩矩形波导、石英玻璃管、微波发生器；
在腔体内部，设置有基片台和升降机构，基片台安装在升降机构上；
在腔体上下两端开有进气口和抽气口；
腔体的中部设有石英玻璃管，微波透过石英玻璃管在腔体内进行传输；
腔体固定有可上下移动的金属法兰，上金属法兰位于石英玻璃管的上方，下金属法兰位于石英玻璃管的下方，腔体由上下金属法兰与压缩矩形波导相连，压缩矩形波导与微波发生器相连。
4.如权利要求3所述掺氮碳纳米管的制备装置，其特征在于所述抽气口与真空泵与真空管道相连，真空管道上设有真空粗调阀和微调阀。
5.如权利要求3所述掺氮碳纳米管的制备装置，其特征在于所述进气口为氮气进气口。
6.如权利要求3所述掺氮碳纳米管的制备装置，其特征在于所述基片台采用钼基片。
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| CN113186517A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-30 | 上海征世科技股份有限公司 | 一种改善气体分布的沉积室及mpcvd装置 |
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