CN109775690A - 一种连续制备碳纳米管阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续制备碳纳米管阵列的方法。提供一卷6‑12微米左右厚度的金属箔，在金属箔两面生长催化剂层；将生长了催化剂层的金属箔剪裁成多个同样大小的小片后放入反应腔，通入反应气体，在一定温度条件下采用化学气相沉积法使碳纳米管阵列从基底的上下表面同时长出。本发明方法具有连续进样、无需单独升温降温的优点，这种方法大大减少了制备碳纳米管阵列的生产时间，提高了生产效率，且制备的碳纳米管阵列形貌质量与传统方法相近。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用卷对卷式磁控溅射真空镀膜装置和三腔连续进样式等离子体化学气相沉积装置制备碳纳米管阵列的方法。
背景技术
由于碳纳米管独特的电学和热学性质，其在纳米集成电路、单分子器件等领域有这广阔的应用前景。目前在实验室中制备碳纳米管的方法已经比较成熟，大面积碳纳米管阵列的合成也有了很大进展。但在需求低成本高产量的大规模工业生产中，目前的制备方法仍有不足。
目前制备碳纳米管的主要方法主要有电弧放电法、脉冲激光蒸发法及化学气相沉积法等。但是这些制备方法主要存在以下几种缺点：(1)产量低，不适合工业生产；(2)成本高；(3)生长方向不好控制，难以在工业上应用。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种使用卷对卷式磁控溅射真空镀膜装置和三腔连续进样式等离子体化学气相沉积装置制备碳纳米管阵列的方法。
本发明采用的技术方案是：
本发明方法包括以下步骤：提供一卷6-12微米左右厚度的金属箔，在金属箔两面生长催化剂层；将生长了催化剂层的金属箔剪裁成多个同样大小的小片后放入反应腔，通入反应气体，在一定温度条件下采用化学气相沉积法使碳纳米管阵列从基底的上下表面同时长出。
所述的金属箔选自铝箔或者铜箔。
所述的催化剂层的材料为铁、钴、氧化铝中一种或其组合。
所述的催化剂层的形成方法为使用卷对卷式高效磁控溅射真空镀膜法，催化剂层的厚度约为5-10nm。
所述的等离子体化学气相沉积装置具有三个依次连通的真空腔，三个真空腔第一个为进样腔，第二个为反应腔，第三个为取样腔，三个真空腔由真空管依次水平连接，三个真空腔中连续依次放置多个反应舟形成队列式反应舟，用于连续进样，反应舟中放置生长了催化剂层的基底。
所述磁控溅射装置包括溅射室和进样室，实现了基底催化剂层的连续生产。
所述化学气相沉积法为等离子体化学气相沉积法，一定温度条件为580-630摄氏度温度，等离子体化学气相沉积法的等离子体功率为150W，等离子体化学气相沉积法的压强范围为300-330Pa。
所述的反应气体为碳源气与载气的混合气体，所述碳源气为乙炔，所述载气为氢气和氩气的混合气体。
所述气体流量分别为氩气200SCCM、氢气60SCCM、乙炔20SCCM。
所述的反应腔内通入反应气体，具体为：先往反应腔中通入200sccm的氩气，排出反应腔中的空气，然后开始升温并同时通入60sccm的氢气作为还原性气体，当温度达到温度580-630摄氏度后关闭氩气，通入20sccm的乙炔气体作为碳源气，同时打开等离子体。
本方法在碳纳米管阵列制备过程中的催化剂生长和碳纳米管生长的两个步骤中，均采用了连续进样和生长装置。
在本发明中采用的三腔连续进样式等离子体化学气相沉积装置省去了碳纳米管阵列制备过程中，装置中升温降温的过程，每批样品约节省了40分钟左右的制备时间，提高了生产效率。
本发明的有益效果是：
与现有的技术相比，本发明方法具有连续进样、无需单独升温降温的优点。其在碳纳米管阵列的制备过程中，每批次产品间无需单独降温取样和再次升温生长，减少了生产时间，提高了生产效率，同时生产出的碳纳米管形貌质量与传统方法保持不变。
附图说明
图1为等离子体化学气相沉积装置的真空腔结构示意图。
图2-图3为实施例1制成的碳纳米管阵列的SEM图。
图4为实施例2制成的碳纳米管阵列的SEM图。
图5为实施例3制成的碳纳米管阵列的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。
本发明实施例如下：
实施例1
提供一卷平滑的金属基底，该金属箔基底选用铜箔，厚度为8微米左右，宽度为80mm，表面平整度为小于300纳米，使得后续碳纳米管生长用催化剂层可以均匀的附着在基底表面。
使用卷对卷式磁控溅射真空镀膜装置，在金属箔表面溅射一层催化剂。该催化剂溅射过程靶材选用纯度为99.95％的铁靶。催化剂溅射的工艺参数采用功率80W，溅射时间60秒，生长出的催化剂厚度约为8nm。该磁控溅射装置包括溅射室和进样室，实现了基底催化剂层的连续生产。
采用等离子体化学气相沉积装置，如图1所示，具有三个依次连通的真空腔，三个真空腔第一个为进样腔，第二个为反应腔，第三个为取样腔，三个真空腔由真空管依次水平连接，三个真空腔中有多个队列式反应舟。
将生长有催化剂层的金属箔基底剪裁成大小相等的小片，放置在三腔连续进样式等离子体化学气相沉积装置的队列式样品舟中。向炉中通入反应气体，在预定温度条件下采用等离子体化学气相沉积法使碳纳米管阵列在金属基底表面生长。具体为：将反应舟送入进样腔和反应腔中，往腔体中通入200sccm的氩气五分钟，排出炉中的空气，然后开始升温，同时通入60sccm的氢气作为还原性气体。当温度达到预定温度580摄氏度后，关闭氩气，通入20sccm的乙炔气体作为碳源气，同时打开等离子体。
等离子体功率为150W，腔内气压维持在330Pa之间，碳纳米管阵列生长时间为80分钟。
本实施例经SEM测试，本方法制备的碳纳米管阵列形貌良好，碳纳米管在长达7微米的情况下，仍然很少出现卷曲的情况，阵列的形貌与传统生产方法相近。其SEM图如图2和图3所示。本发明实施例采用连续进样装置，省去了每次制备碳纳米管阵列过程中，等离子体化学气相沉积装置升温降温的过程，每批产品的生产时间约节省了40分钟，大大提高了生产效率。
实施例2
提供一卷平滑的金属基底，该金属箔基底选用铜箔，厚度为8微米左右，宽度为80mm，表面平整度为小于300纳米，使得后续碳纳米管生长用催化剂层可以均匀的附着在基底表面。
使用卷对卷式磁控溅射真空镀膜装置，在金属箔表面溅射一层催化剂。该催化剂溅射过程靶材选用纯度为99.95％的铁靶。催化剂溅射的工艺参数采用功率80W，溅射时间60秒，生长出的催化剂厚度约为8nm。该磁控溅射装置包括溅射室和进样室，实现了基底催化剂层的连续生产。
采用等离子体化学气相沉积装置，如图1所示，具有三个依次连通的真空腔，三个真空腔第一个为进样腔，第二个为反应腔，第三个为取样腔，三个真空腔由真空管依次水平连接，三个真空腔中有多个队列式反应舟。
将生长有催化剂层的金属箔基底剪裁成大小相等的小片，放置在三腔连续进样式等离子体化学气相沉积装置的队列式样品舟中。向炉中通入反应气体，在预定温度条件下采用等离子体化学气相沉积法使碳纳米管阵列在金属基底表面生长。具体为：将反应舟送入进样腔和反应腔中，往腔体中通入200sccm的氩气五分钟，排出炉中的空气，然后开始升温，同时通入60sccm的氢气作为还原性气体。当温度达到预定温度580摄氏度后，关闭氩气，通入20sccm的乙炔气体作为碳源气，同时打开等离子体。
等离子体功率为150W，腔内气压维持在330Pa之间，碳纳米管阵列生长时间为40分钟。此实施例的碳纳米管阵列生长时间较短，适合生产长度需求较短的碳纳米管阵列。
本实施例经SEM测试，本方法制备的碳纳米管阵列形貌良好，碳纳米管长度约为5.8微米，碳管笔直很少出现卷曲的情况，且长度均匀一致，阵列的形貌与传统生产方法相近。其SEM图如图4所示。本发明实施例采用连续进样装置，省去了每次制备碳纳米管阵列过程中，等离子体化学气相沉积装置升温降温的过程，每批产品的生产时间约节省了40分钟，大大提高了生产效率。
实施例3
提供一卷平滑的金属基底，该金属箔基底选用铜箔，厚度为8微米左右，宽度为80mm，表面平整度为小于300纳米，使得后续碳纳米管生长用催化剂层可以均匀的附着在基底表面。
使用卷对卷式磁控溅射真空镀膜装置，在金属箔表面溅射一层催化剂。该催化剂溅射过程靶材选用纯度为99.95％的铁靶。催化剂溅射的工艺参数采用功率80W，溅射时间60秒，生长出的催化剂厚度约为8nm。该磁控溅射装置包括溅射室和进样室，实现了基底催化剂层的连续生产。
采用等离子体化学气相沉积装置，如图1所示，具有三个依次连通的真空腔，三个真空腔第一个为进样腔，第二个为反应腔，第三个为取样腔，三个真空腔由真空管依次水平连接，三个真空腔中有多个队列式反应舟。
将生长有催化剂层的金属箔基底剪裁成大小相等的小片，放置在三腔连续进样式等离子体化学气相沉积装置的队列式样品舟中。向炉中通入反应气体，在预定温度条件下采用等离子体化学气相沉积法使碳纳米管阵列在金属基底表面生长。具体为：将反应舟送入进样腔和反应腔中，往腔体中通入200sccm的氩气五分钟，排出炉中的空气，然后开始升温，同时通入60sccm的氢气作为还原性气体。当温度达到预定温度630摄氏度后，关闭氩气，通入20sccm的乙炔气体作为碳源气，同时打开等离子体。
等离子体功率为150W，腔内气压维持在330Pa之间，碳纳米管阵列生长时间为120分钟。此实施例碳纳米管阵列生长温度较高，生长时间较长，适合生产长度需求较短的碳纳米管阵列。
本实施例经SEM测试，本方法制备的碳纳米管阵列形貌良好，碳纳米管在长达30微米的情况下，仍然很少出现卷曲的情况，阵列的形貌与传统生产方法相近。其SEM图如图5所示。本发明实施例采用连续进样装置，省去了每次制备碳纳米管阵列过程中，等离子体化学气相沉积装置升温降温的过程，每批产品的生产时间约节省了40分钟，大大提高了生产效率。
由此而可见，本发明方法大大减少了制备碳纳米管阵列的生产时间，提高了生产效率，且同时制备的碳纳米管阵列形貌质量与传统方法相近保持不变。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
提供一卷6-12微米左右厚度的金属箔，在金属箔两面生长催化剂层；将生长了催化剂层的金属箔剪裁成多个同样大小的小片后放入反应腔，通入反应气体，在一定温度条件下采用化学气相沉积法使碳纳米管阵列从基底的上下表面同时长出。
2.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的金属箔选自铝箔或者铜箔。
3.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的催化剂层的材料为铁、钴、氧化铝中一种或其组合。
4.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的催化剂层的形成方法为使用卷对卷式高效磁控溅射真空镀膜法，催化剂层的厚度约为5-10nm。
5.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的等离子体化学气相沉积装置具有三个依次连通的真空腔，三个真空腔第一个为进样腔，第二个为反应腔，第三个为取样腔，三个真空腔由真空管依次水平连接，三个真空腔中连续依次放置多个反应舟形成队列式反应舟，用于连续进样，反应舟中放置生长了催化剂层的基底。
6.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述化学气相沉积法为等离子体化学气相沉积法，一定温度条件为580-630摄氏度温度，等离子体化学气相沉积法的等离子体功率为150W，等离子体化学气相沉积法的压强范围为300-330Pa。
7.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的反应气体为碳源气与载气的混合气体，所述碳源气为乙炔，所述载气为氢气和氩气的混合气体。
8.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述气体流量分别为氩气200SCCM、氢气60SCCM、乙炔20SCCM。
9.根据权利要求1所述的一种连续制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的反应腔内通入反应气体，具体为：先往反应腔中通入200sccm的氩气，排出反应腔中的空气，然后开始升温并同时通入60sccm的氢气，当温度达到温度580-630摄氏度后关闭氩气，通入20sccm的乙炔气体作为碳源气，同时打开等离子体。
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