TWI406808B - 奈米碳管結構之製備方法 - Google Patents

Description

奈米碳管結構之製備方法

本發明涉及一種奈米碳管結構之製備方法。

奈米碳管(Carbon Nanotube, CNT)係一種由石墨烯片卷成之中空管狀物，其具有優異之力學、熱學及電學性質，故具有廣闊之應用領域。由於單根奈米碳管之尺寸為奈米級，難於進行加工，為便於實際應用，人們嘗試將複數奈米碳管作為原材料，製成具有較大尺寸之宏觀結構。該宏觀結構由複數奈米碳管組成，可以係膜狀、線狀或其他形狀。先前技術中一般將由複數奈米碳管組成之宏觀膜狀結構稱為奈米碳管膜（Carbon Nanotube Film），將由複數奈米碳管組成之宏觀線狀結構稱為奈米碳管線（Carbon Nanotube Wire）或奈米碳管線纜（Carbon Nanotube Cable）。姜開利等人於2008年11月21日公告之第I303239號台灣發明專利說明書中揭露了一種從奈米碳管陣列中直接拉取獲得之奈米碳管線，這種奈米碳管線具有宏觀尺度且能夠自支撐，其包括複數在凡德瓦爾力作用下首尾相連之奈米碳管。由於該奈米碳管線中奈米碳管基本沿同一方向排列，故該奈米碳管線能夠較好之發揮奈米碳管軸向具有之導電及導熱等各種優異性質，具有極為廣泛之應用前景。另外，與上述拉取奈米碳管線相似地，可從奈米碳管陣列中拉取一奈米碳管膜。

先前技術中之奈米碳管陣列一般採用化學氣相沈積法生長獲得，具體為將一平整之圓形矽片作為基底，一表面形成一催化劑薄膜，放置於反應爐中加熱，並通入碳源氣及保護氣體，該碳源氣在矽片表面之催化劑作用下分解，並在矽片表面生長獲得平面圓形之奈米碳管陣列。目前用於生長奈米碳管陣列之反應爐通常為管式反應爐。由於在上述生長過程中，管式反應爐內之氣壓小於爐外之大氣壓力，管式反應爐之爐壁將承受向內之壓力，使該管式反應爐之內徑難以做到很大。一般地，當管式反應爐之直徑為10英寸，長度為2米，內部氣壓為10托（Torr）時，內外壁壓力差為5萬牛頓。而當管式反應爐之直徑增加到40英寸時，內外壁壓力差可達到20萬牛頓。並且，當直徑增加時，由於管式反應爐之爐壁曲率下降，其支撐作用也會減弱，使管式反應爐之穩定性和使用壽命受到影響。

故，當採用圓形矽片作為基底在管式反應爐內生長奈米碳管陣列時，該圓形矽片之最大直徑受到管式反應爐內之直徑之限制，使生長於其上之奈米碳管陣列之最大直徑亦受到限制，從而使從該圓形矽片生長之奈米碳管陣列中拉取之奈米碳管結構之尺寸，如奈米碳管膜之寬度、面積或奈米碳管線之長度受到限制。

有鑒於此，提供一種能夠獲得尺寸較大之奈米碳管結構之製備方法實為必要。

一種奈米碳管結構之製備方法，其包括以下步驟：提供一筒狀奈米碳管陣列；採用一拉伸工具與該筒狀奈米碳管陣列接觸，從該筒狀奈米碳管陣列中選定一奈米碳管片段；以及沿該筒狀奈米碳管陣列之徑向方向移動該拉伸工具遠離該筒狀奈米碳管陣列，拉取該選定之奈米碳管片段，從而形成一奈米碳管結構，該奈米碳管結構一端連接該拉伸工具，另一端連接該筒狀奈米碳管陣列，在拉伸過程中，在所述奈米碳管結構與該筒狀奈米碳管陣列之連接處，該筒狀奈米碳管陣列之切面與該奈米碳管結構成一角度，該角度大於等於0度，小於等於60度。

相較於先前技術，由於該奈米碳管陣列為筒狀，故在相同之先前反應爐中製備之該筒狀奈米碳管陣列比平面奈米碳管陣列具有更大之尺寸，使從中拉取獲得之奈米碳管結構也具有更大之尺寸。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例奈米碳管結構之製備方法。

請參閱圖1至圖6，本發明第一實施例提供一種奈米碳管結構100之製備方法，其包括以下步驟：

步驟一：提供一筒狀奈米碳管陣列120。

步驟二：採用一拉伸工具與該筒狀奈米碳管陣列120接觸，從該筒狀奈米碳管陣列120中選定一奈米碳管片段143。

步驟三：使該拉伸工具沿該筒狀奈米碳管陣列120之徑向方向移動，並遠離該筒狀奈米碳管陣列120拉取該選定之奈米碳管片段143，從而形成一奈米碳管結構100，該奈米碳管結構100一端連接該拉伸工具，另一端連接該筒狀奈米碳管陣列120，在拉伸過程中，在所述奈米碳管結構100與該筒狀奈米碳管陣列120之連接處，該筒狀奈米碳管陣列120之切面與該奈米碳管結構100成一角度。

下面分別對各步驟展開說明。

首先對步驟一進一步說明。該筒狀奈米碳管陣列120係通過化學氣相沈積法形成於一基底140表面，優選為超順排之筒狀奈米碳管陣列120。本實施例中，該超順排筒狀奈米碳管陣列120之製備方法具體包括：

（a）提供一基底140，該基底140包括至少一柱面；

（b）在該基底140之所述至少一柱面上均勻形成一催化劑層；

（c）將上述形成有催化劑層之基底140在300℃~900℃之空氣中退火約30分鐘~90分鐘；

（d）將基底140置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到400℃~900℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到超順排之筒狀奈米碳管陣列120。

該基底140為筒狀體，其外周面可形成所述柱面，其中該柱面可為圓柱面、橢圓柱面或具有導角之棱柱面，該棱柱面包括三棱柱面或四棱柱面等；可進一步在筒狀體外周面筒壁沿筒狀體軸向設置長條狀開口，該長條狀開口平行於筒狀體之軸向，從而形成軸向具有開口之柱面，此時該筒狀體之橫截面呈未封閉之圓、橢圓或者圓角多邊形等，為方便描述，將設有開口（未封閉）和未設有開口（封閉）之這兩種情況統稱為筒狀體。具體地，請參閱圖2，在本實施例中，該基底140係截面為圓形之筒狀體，所述筒狀奈米碳管陣列120形成於該筒狀體之外周面，從而形成一筒狀奈米碳管陣列120。請參閱圖3，該基底140a可以為具有一平行於筒狀體軸向之開口142之未封閉筒狀體，該筒狀體之橫截面為未封閉之圓形。所述筒狀奈米碳管陣列120a形成於該未封閉筒狀體之外周面，形成一未封閉之筒狀奈米碳管陣列120a，即該未封閉之筒狀奈米碳管陣列120a包括一平行於該筒狀奈米碳管陣列120a軸向之開口。請參閱圖4，該基底140b也可以係截面為矩形之筒狀體，該矩形具有圓角144。所述筒狀奈米碳管陣列120b形成於該筒狀體之外周面，形成一封閉之筒狀奈米碳管陣列120b。請參閱圖5，該基底140c還可以為具有一平行於筒狀體軸向之開口142之未封閉筒狀體，該筒狀體之截面為未封閉之圓角矩形。所述筒狀奈米碳管陣列120c形成於該未封閉筒狀體之外周面，形成一未封閉之筒狀奈米碳管陣列120c，即該未封閉之筒狀奈米碳管陣列120c包括一平行於該筒狀奈米碳管陣列軸向之開口。可以理解，所述基底不限於上述形狀，該基底之截面也可係橢圓或者具有圓角之其他多邊形等。

該基底也可以包括但不限於以下形狀，從而得到所述柱面：該基底可為柱狀體（實心體），該柱狀體外周面形成所述柱面，其中，與上述筒狀體相似，該柱狀體之橫截面可以係圓、橢圓或者圓角多邊形，也可進一步在柱狀體外周面沿軸向設置長條狀溝槽，從而形成軸向具有缺口之柱面，此時該柱狀體之橫截面呈未封閉之圓、橢圓或者圓角多邊形等。

該基底可選用石英基底、耐高溫玻璃基底、P型或N型矽基底，金屬基底、或選用形成有氧化層之矽基底，本實施例中，該基底140優選為一具有較為平滑表面之石英管。

該催化劑層材料可選用鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）或其任意組合之合金之一，優選為約5奈米厚之鐵催化劑層。該催化劑層可形成在該石英管之外周面。

當所述反應爐為管式反應爐時，該基底140可沿管式反應爐之軸向設置於該管式反應爐內，即該基底140之軸線方向平行於管式反應爐之軸線方向。進一步地，可通過一支架支撐該基底140之兩端，該支架可使該基底140懸於該反應爐內並可繞該基底140之軸線方向原位旋轉。該碳源氣可選用乙炔、乙烯、乙烷等，優選為乙炔等化學性質較活潑之碳氫化合物，保護氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。

該筒狀奈米碳管陣列120包括複數奈米碳管，其中，大多數奈米碳管基本彼此平行且垂直於該基底140表面。該筒狀奈米碳管陣列120之頂面為與該基底140表面平行之柱面。通過上述控制生長條件，該筒狀奈米碳管陣列120中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留之催化劑金屬顆粒等。該筒狀奈米碳管陣列120中之奈米碳管彼此通過凡德瓦爾力緊密接觸形成陣列。該筒狀奈米碳管陣列120之生長面積可以與上述基底140面積基本相同。該筒狀奈米碳管陣列120中之奈米碳管可以至少包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中之一種。該筒狀奈米碳管陣列120中奈米碳管之高度為2微米~10毫米，優選為100~900微米。該奈米碳管之直徑為1~50奈米。

其次，對步驟二進一步說明，請參閱圖6，在該步驟中，該奈米碳管片段143由該筒狀奈米碳管陣列120中之一個或相鄰之複數奈米碳管145組成，該複數奈米碳管145通過凡德瓦爾力相互作用。該拉伸工具用於選定並拉取該奈米碳管片段143。該拉伸工具可以為鑷子、夾子、膠帶或表面具有黏膠之硬質基條。該選定所述奈米碳管片段143之過程可以係採用鑷子或夾子夾取筒狀奈米碳管陣列120中之部分奈米碳管145，或者係採用膠帶或基條之黏膠接觸該筒狀奈米碳管陣列120。

具體地，所述拉伸工具可直接沿平行於所述筒狀奈米碳管陣列120之軸線方向選定所述奈米碳管片段143，請參閱圖3，當該筒狀奈米碳管陣列120a具有一開口時，所述拉伸工具可從該筒狀奈米碳管陣列120a靠近開口之邊緣處沿平行於所述筒狀奈米碳管陣列120a之軸線方向選定所述奈米碳管片段，從而避免有不參與後續拉伸之奈米碳管黏結到拉伸工具上，降低所拉伸獲得之奈米碳管結構100之品質。

當該拉伸工具選定之奈米碳管片段143之寬度與所述筒狀奈米碳管陣列120之軸長度（沿平行於基底140之軸線方向之尺寸）相同時，該拉伸工具可在後續拉伸之步驟之後獲得一具有固定寬度之奈米碳管膜或固定直徑之奈米碳管線。

最後，對步驟三進一步說明。所述徑向指垂直於筒狀奈米碳管陣列120軸向之方向。具體地，該拉伸工具沿該筒狀奈米碳管陣列120之徑向方向移動之過程中，由於相鄰之奈米碳管之間存在相互之凡德瓦爾力作用，從而使複數奈米碳管首尾相連地被連續拉出，即該奈米碳管結構100中之奈米碳管連續不斷地從該筒狀奈米碳管陣列120中拉出，進而形成一連續之奈米碳管結構100。另外，由於所述基底140可活動且可繞其軸向原位旋轉，故當所述拉伸工具在外力之作用下逐漸移動時，所述基底140也可在外力之作用下同時繞其軸向原位旋轉以補償筒狀奈米碳管陣列120中奈米碳管之消耗，從而在筒狀奈米碳管陣列120中之奈米碳管逐漸脫離所述基底140。另外，若所述基底140固定不能旋轉，則所述拉伸工具可在拉伸過程中隨著奈米碳管逐漸脫離所述基底140之同時繞該基底140逐漸調整拉伸位置以確保補償所述筒狀奈米碳管陣列120之消耗。該奈米碳管結構100可以為一奈米碳管膜或一奈米碳管線。該形成之奈米碳管結構100係奈米碳管線還係奈米碳管膜由該拉伸工具選定之奈米碳管片段143之寬度決定。

此外，在拉伸過程中，在所述奈米碳管結構100與該筒狀奈米碳管陣列120之連接處，該筒狀奈米碳管陣列120之切面與該奈米碳管結構100需成一角度，該角度可大於等於0度，小於等於60度，優選為大於0度小於等於15度，本實施例中，該角度為15度。具體為，如果該角度為0°，所拉出之奈米碳管結構100容易與所述筒狀奈米碳管陣列120之生長基底140接觸，由於生長基底140可能殘留有催化劑或無定形碳，這些雜質會吸附到奈米碳管結構上影響該奈米碳管結構之品質；若角度太大，奈米碳管結構中奈米碳管片段之間之凡德瓦爾力會變小，使得奈米碳管片斷結合不牢固，容易破裂。

以下將分別就該形成奈米碳管線及奈米碳管膜之兩種情況進行具體介紹。

當該選定之奈米碳管片段之寬度較窄時，可形成一奈米碳管線。具體地，當該拉伸工具沿該筒狀奈米碳管陣列120之徑向方向拉取該奈米碳管片段時，與該選定之奈米碳管片段相鄰之奈米碳管片段通過凡德瓦爾力之作用被首尾相連地不斷從筒狀奈米碳管陣列120中拉出並形成一奈米碳管線。

另外，當所選定之奈米碳管片段之寬度較寬時，通過拉伸可形成一寬度較窄之奈米碳管膜，為形成一奈米碳管線，該過程可進一步包括採用一有機溶劑處理該寬度較窄之奈米碳管膜，使該奈米碳管膜中之奈米碳管迅速在聚攏形成所述奈米碳管線。本實施例具體為使該奈米碳管膜通過該有機溶劑浸潤並彙聚成奈米碳管線後使該有機溶劑揮發。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。請參閱圖7和圖8，在揮發性有機溶劑揮發時產生之表面張力之作用下，該奈米碳管膜中之奈米碳管通過凡德瓦爾力聚攏，從而形成一非扭轉之奈米碳管線102。

該形成奈米碳管線之過程還可進一步包括扭轉所述碳米管膜，從而使所述奈米碳管膜扭轉成一扭轉之奈米碳管線，具體可在移動所述拉伸工具之同時，使該拉伸工具繞拉伸工具之移動方向旋轉該拉伸工具，從而使奈米碳管膜也隨之旋轉，從而形成一扭轉之奈米碳管線。

該奈米碳管線包括複數奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連。具體地，該奈米碳管線包括複數連續且定向排列之奈米碳管片段。該複數奈米碳管片段通過凡德瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數相互平行之奈米碳管，該複數相互平行之奈米碳管通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管片段具有任意之長度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管線長度不限，直徑與所形成之筒狀奈米碳管陣列120之軸長度有關，當該筒狀奈米碳管陣列120之軸長度為400寸時，該奈米碳管線之直徑可達300微米。請參閱圖7，當該奈米碳管線為非扭轉之奈米碳管線時包括複數基本平行於所述奈米碳管線長度方向排列之奈米碳管。請參閱圖8，當該奈米碳管線為扭轉之奈米碳管線時包括複數繞該奈米碳管線軸向螺旋排列之奈米碳管。

當選定之奈米碳管片段之寬度較寬時，可形成一奈米碳管膜。具體地，當該拉伸工具沿該筒狀奈米碳管陣列120之徑向方向拉取該奈米碳管片段時，一連續之奈米碳管膜便從奈米碳管陣列中拉出。

請參閱圖9，所述奈米碳管膜係由若干奈米碳管組成之自支撐結構。所述若干奈米碳管為沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向係指在奈米碳管膜中大多數奈米碳管之整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管之整體延伸方向基本平行於奈米碳管膜之表面。進一步地，所述奈米碳管膜中多數奈米碳管係通過凡德瓦爾力首尾相連。具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸之大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰之奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連。當然，所述奈米碳管膜中存在少數隨機排列之奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管膜中大多數奈米碳管之整體取向排列構成明顯影響。所述自支撐為奈米碳管膜不需要大面積之載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管膜置於（或固定於）間隔一固定距離設置之兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間之奈米碳管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管膜中存在連續之通過凡德瓦爾力首尾相連延伸排列之奈米碳管而實現。

具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸之多數奈米碳管，並非絕對之直線狀，可以適當之彎曲；或者並非完全沿延伸方向排列，可以適當之偏離延伸方向。故，不能排除奈米碳管膜之基本朝同一方向延伸之多數奈米碳管中並列之奈米碳管之間可能存在部分接觸。

具體地，請參閱圖6，所述奈米碳管膜包括複數連續且定向排列之奈米碳管片段143。該複數奈米碳管片段143通過凡德瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段143包括複數相互平行之奈米碳管145，該複數相互平行之奈米碳管145通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管片段143具有任意之長度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管膜中之奈米碳管145沿同一方向擇優取向排列。所述奈米碳管膜之厚度為0.5奈米~100微米，最大寬度與所述筒狀奈米碳管陣列120之軸長度相等。該奈米碳管膜106之比表面積大於100平方米每克。該奈米碳管膜具有較好之透光性，可見光透過率可以達到75%以上。

請參閱圖10，本發明第二實施例提供一種奈米碳管結構200之製備方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟一：提供一筒狀奈米碳管陣列220。

步驟二：預處理該筒狀奈米碳管陣列220，使在該筒狀奈米碳管陣列220之表面形成至少一凹槽22，該至少一凹槽22可將該筒狀奈米碳管陣列分割成至少一子奈米碳管陣列。

步驟三：採用一拉伸工具接觸該子奈米碳管陣列，從該子奈米碳管陣列中選定一寬度與該子奈米碳管陣列之寬度相同之奈米碳管片段。

步驟四：使拉伸工具沿該筒狀奈米碳管陣列220之徑向方向移動並遠離該筒狀奈米碳管陣列220，拉取該選定之奈米碳管片段，從而形成一奈米碳管結構200，該奈米碳管結構200一端連接該拉伸工具，另一端連接該子奈米碳管陣列，在拉伸過程中，在所述奈米碳管結構200與該子奈米碳管陣列之連接處，該筒狀奈米碳管陣列之切面與該奈米碳管結構構成一角度，該角度大於等於0度，小於等於60度。

下面分別對各步驟展開說明。

本實施例中之步驟一與步驟四與上述第一實施例之步驟一與步驟三完全相同，在此將不再贅述以下將僅對步驟二和步驟三進行說明。

首先，對步驟二進一步說明。

本實施例中，為獲得實際需求尺寸之奈米碳管結構200，可將所述筒狀奈米碳管陣列220分割成至少一個具有一預定尺寸之子奈米碳管陣列。即可根據實際需要奈米碳管結構200之尺寸，將筒狀奈米碳管陣列220分割成具有預定尺寸之子奈米碳管陣列，從該具有預定尺寸之子奈米碳管陣列中便可拉伸出所述實際需求尺寸之奈米碳管結構200。具體地，採用鐳射刻蝕之方法在所述筒狀奈米碳管陣列220之表面加工形成至少一凹槽22，該至少一凹槽22可將所述筒狀奈米碳管陣列220分割成至少一個子奈米碳管陣列，該子奈米碳管陣列具有一預定尺寸。如所形成之至少一凹槽22沿該筒狀奈米碳管陣列220之軸向螺旋延伸，從而將該筒狀奈米碳管陣列220分割成至少一呈連續之螺旋形纏繞在基底240表面之帶狀子奈米碳管陣列，或者該至少一凹槽環繞該筒狀奈米碳管陣列220，從而將該筒狀奈米碳管陣列220分割成至少兩個筒狀子奈米碳管陣列。

形成所述呈螺旋形之帶狀子奈米碳管陣列之方法具體為:

S101，固定筒狀奈米碳管陣列220連同基底240。

S102，提供一可移動之鐳射器。

所述鐳射器包括固體鐳射器、液體鐳射器、氣體鐳射器或半導體鐳射器。本實施例中，所述鐳射器為二氧化碳鐳射器。所述鐳射器之移動方法不限，可以通過外力移動鐳射器使其按照一固定路徑移動，也可以通過其他方法移動鐳射器。本實施例中，該二氧化碳鐳射器之鐳射光束之照射路徑通過電腦程式控制，將確定好筒狀奈米碳管陣列220中所需要形成之螺旋帶之圖形和位置等資料登錄電腦程式中。

S103，移動該鐳射器使鐳射光束照射該筒狀奈米碳管陣列220，使筒狀奈米碳管陣列220中被鐳射處理過之部分形成一凹槽22，該凹槽22在所述筒狀奈米碳管陣列220上沿該筒狀奈米碳管陣列220之軸向螺旋延伸。

經過上述鐳射處理，凹槽22處奈米碳管之高度小於100微米。且該凹槽22可使中間未被鐳射處理之筒狀奈米碳管陣列220也被分割成具有一固定寬度之呈連續之螺旋形纏繞在基底240表面之帶狀子奈米碳管陣列。

上述被形成之呈螺旋形之帶狀子奈米碳管陣列之寬度可通過控制由凹槽22構成之螺旋線之螺旋角大小加以控制。本實施例中，所述呈螺旋形之帶狀子奈米碳管陣列寬度為1英寸。

所採用之鐳射光束為波長為1064奈米之紅光鐳射光束、波長為10640奈米之二氧化碳鐳射光束或波長為532奈米之綠光鐳射光束。所述鐳射光束之掃描速度為50毫米/秒至150毫米/秒。所述鐳射光束之功率密度優選地為5×10⁷ 瓦/平方米至5×10⁹ 瓦/平方米。本實施例中，採用波長為1054奈米之紅外鐳射光束，該紅外鐳射光束之掃描速度為100毫米/秒，功率密度為1×10⁸ 瓦/平方米。

鐳射照射過程中，由於鐳射光束所具有之高能量被奈米碳管吸收，產生之高溫將處於鐳射照射路徑處之奈米碳管全部或部分燒蝕，從而在筒狀奈米碳管陣列220中形成預定深度和距離之凹槽22。鐳射處理後奈米碳管之高度會降低，當被鐳射處理後之奈米碳管之高度小於100微米時，則該部分奈米碳管就無法參與後續之拉伸過程。以拉伸獲得一奈米碳管膜為例，即只要被鐳射處理後之奈米碳管之高度小於100微米，就可保證所製備之奈米碳管膜具有一致之寬度。但若要所製備之奈米碳管膜不僅寬度一致，且奈米碳管膜中奈米碳管之密度分佈均勻，則凹槽22處被處理後之奈米碳管之高度不可太低，其應大於1微米。這係因為，在後續之拉膜步驟中，僅有凹槽22處之奈米碳管具有一固定高度才可保持對與其相鄰之奈米碳管之凡德瓦爾力之作用。故在拉膜過程中，與凹槽22相鄰之奈米碳管之消耗速度同不與凹槽22相鄰之奈米碳管消耗速度基本相同，從而保證所得之膜之寬度一致性以及奈米碳管膜中奈米碳管之均勻性。如果凹槽22處之奈米碳管高度太低，該凹槽22中奈米碳管對與其相鄰之並未被鐳射處理之奈米碳管就會沒有凡德瓦爾力作用，故，與凹槽22相鄰之奈米碳管之消耗速度將大於不與凹槽22相鄰之奈米碳管消耗速度。如此在拉膜過程中使筒狀奈米碳管陣列220中消耗奈米碳管之邊界線呈弧形，則使所製備之奈米碳管膜不僅寬度不一致，而奈米碳管膜中奈米碳管之密度也不一致。故，通過控制鐳射之功率以及掃描速度等參數以使鐳射處理過之凹槽22中之奈米碳管之高度範圍為1-100微米。優選地，凹槽22中之奈米碳管之高度為50-100微米。本實施例中，所述凹槽22中之奈米碳管之高度為100微米。

所述凹槽22之寬度優選之大於筒狀奈米碳管陣列220中奈米碳管之高度。這係因為，在拉膜過程中，位於凹槽22之另一側之奈米碳管有可能傾倒從而跨過凹槽22之間隙參與到位於螺旋狀凹槽22之間之奈米碳管之拉膜過程中。這將會導致獲取之奈米碳管膜之寬度不一致。本實施例中，奈米碳管陣列中之奈米碳管之高度為200微米，故控制凹槽22之寬度為250微米。

可以理解，該採用鐳射處理筒狀奈米碳管陣列220之製備方法還可以為固定鐳射裝置，移動筒狀奈米碳管陣列220使鐳射照射該筒狀奈米碳管陣列220之方法，其具體包括以下步驟：提供一固定之鐳射器，該鐳射器在一固定區域形成一鐳射掃描區；使筒狀奈米碳管陣列220連同基底240以一固定之速度經過該鐳射掃描區，使筒狀奈米碳管陣列220表面形成一由凹槽22構成之螺旋線。

此外，也可在該筒狀奈米碳管陣列220之表面刻蝕兩條以上由凹槽22構成之相互間隔且平行排列之螺旋線，形成兩個以上之螺旋形帶狀子奈米碳管陣列，從而可在該處理後之奈米碳管陣列上同時拉出兩個以上之奈米碳管結構。

所述將筒狀奈米碳管陣列220採用鐳射刻蝕之方法刻蝕成複數具有固定軸長度之圓筒形之子奈米碳管陣列與上述方法基本相同，在此將不再贅述。

其次，對步驟三進一步說明。

具體地，該步驟中，本實施例與第一實施例之區別在於，在第一實施例中，若拉伸工具選擇之奈米碳管片段143之寬度小於所述基底140之長度時，雖然初始被選定之奈米碳管片段143之寬度一固定，然由於在拉伸過程中所選定之奈米碳管片段143之邊緣處之奈米碳管與其附近之奈米碳管之間存在凡德瓦爾力，故在拉伸過程中，這些與選定之奈米碳管片段143中之奈米碳管相鄰之奈米碳管也會由於凡德瓦爾力之相互作用而陸續被拉出，從而使得奈米碳管膜之寬度並不等於所選定之奈米碳管片段143之寬度，或奈米碳管線也並不具有固定之直徑。而係在拉伸過程中，奈米碳管膜之寬度或奈米碳管線之直徑逐漸增大。

為獲得具有固定寬度之奈米碳管膜或固定直徑之奈米碳管線，上述第一實施例可採用拉伸工具直接選定一寬度與筒狀奈米碳管陣列120之軸向長度相同之奈米碳管片段。而本實施例中可採用所述拉伸工具在該呈螺旋形帶狀子奈米碳管陣列上選定一寬度與該螺旋形帶狀子奈米碳管陣列寬度相同之奈米碳管片段，或在上述被加工成之複數具有固定軸長度之圓筒形子奈米碳管陣列之其中之一個中選定一寬度與該加工後之圓筒形子奈米碳管陣列軸長度相同之奈米碳管片段，從而在拉伸過程中拉伸獲得一具有固定寬度之奈米碳管膜和具有固定直徑之奈米碳管線，可見，本實施例中，可根據實際需要奈米碳管結構200之尺寸，將筒狀奈米碳管陣列220分割成具有預定尺寸之子奈米碳管陣列，從該具有預定尺寸之子奈米碳管陣列中拉伸出所述實際需求尺寸之奈米碳管結構200。

由於本發明之基底包括柱面，用於生長奈米碳管陣列，其具有較大之表面積，與平面基底比較，在相同之反應爐中，可充分利用反應爐內之空間，生長出較大尺寸之奈米碳管陣列，從而使從該奈米碳管陣列中拉取獲得之奈米碳管膜具有較大之面積，尤其軸向全尺寸拉取膜時可以獲得較大之具有固定尺寸之膜，可以用於製備大尺寸之產品，而拉取獲得之奈米碳管線具有較大之直徑或長度。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100，200‧‧‧奈米碳管結構

120，120a，120b，120c，220‧‧‧筒狀奈米碳管陣列

22‧‧‧凹槽

140，140a，140b，140c，240‧‧‧基底

142‧‧‧開口

143‧‧‧奈米碳管片段

144‧‧‧圓角

145‧‧‧奈米碳管

圖1係本發明第一實施例中從筒狀奈米碳管陣列中拉伸獲得一奈米碳管膜之過程示意圖。

圖2係本發明第一實施例形成於圓形筒狀體外周面之筒狀奈米碳管陣列垂直於筒狀體軸向之剖視示意圖。

圖3係本發明第一實施例形成於具有開口之圓形筒狀體外周面之筒狀奈米碳管陣列垂直於筒狀體軸向之剖視示意圖。

圖4係本發明第一實施例形成於具有導角之矩形筒狀體外周面之筒狀奈米碳管陣列垂直於筒狀體軸向之剖視示意圖。

圖5係本發明第一實施例形成於具有開口和導角之矩形筒狀體外周面之筒狀奈米碳管陣列垂直於筒狀體軸向之剖視示意圖。

圖6係本發明第一實施例一奈米碳管片段之結構示意圖。

圖7係本發明第一實施例非扭轉之奈米碳管線之掃描電鏡照片。

圖8係本發明第一實施例扭轉之奈米碳管線之掃描電鏡照片。

圖9係本發明第一實施例奈米碳管膜之掃描電鏡照片。

圖10係本發明第二實施例從具有螺旋形帶狀子奈米碳管陣列中拉伸獲得一奈米碳管線之過程示意圖。

100‧‧‧奈米碳管結構

120‧‧‧筒狀奈米碳管陣列

140‧‧‧基底

Claims (21)

1. 一種奈米碳管結構之製備方法，其包括以下步驟：
   提供一筒狀奈米碳管陣列；
   採用一拉伸工具與該筒狀奈米碳管陣列接觸，從該筒狀奈米碳管陣列中選定一奈米碳管片段；以及
   沿該筒狀奈米碳管陣列之徑向方向移動該拉伸工具遠離該筒狀奈米碳管陣列，拉取該選定之奈米碳管片段，從而形成一奈米碳管結構，該奈米碳管結構一端連接該拉伸工具，另一端連接該筒狀奈米碳管陣列，在拉伸過程中，在所述奈米碳管結構與該筒狀奈米碳管陣列之連接處，該筒狀奈米碳管陣列之切面與該奈米碳管結構成一角度，該角度大於等於0度，小於等於60度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該奈米碳管片段由該筒狀奈米碳管陣列中之一個或相鄰之複數奈米碳管組成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述筒狀奈米碳管陣列之製備方法包括以下步驟：
   提供一基底，所述基底包括至少一柱面；
   在所述基底之至少一柱面上均勻形成一催化劑層；以及
   採用化學氣相沈積法在該基底之至少一柱面上形成一筒狀奈米碳管陣列。
4. 如申請專利範圍第3項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該柱面為圓柱面、橢圓柱面或具有導角之棱柱面。
5. 如申請專利範圍第3項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該基底為金屬基底、石英基底、耐高溫玻璃基底、P型矽基底、N型矽基底或形成有氧化層之矽基底。
6. 如申請專利範圍第3項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該基底為一實心柱體或筒狀體，該實心柱體或筒狀體之外周面形成所述柱面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該筒狀體具有一平行於筒狀體軸向之開口，所述選定之奈米碳管片段位於該筒狀體之開口之邊緣處。
8. 如申請專利範圍第3項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述被選定之奈米碳管片段之寬度為所述柱面之軸向之長度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述筒狀奈米碳管陣列包括複數基本相互平行之奈米碳管，該奈米碳管之高度為100微米~900微米。
10. 如申請專利範圍第9項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該筒狀奈米碳管陣列進一步經過預處理，在該筒狀奈米碳管陣列表面形成至少一凹槽。
11. 如申請專利範圍第10項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述筒狀奈米碳管陣列表面形成有至少一凹槽沿該筒狀奈米碳管陣列之軸向螺旋延伸，該至少一凹槽將該筒狀奈米碳管陣列分割成至少一呈連續之螺旋形纏繞在基底表面之帶狀子奈米碳管陣列。
12. 如申請專利範圍第11項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，採用所述拉伸工具選定所述螺旋形帶狀子奈米碳管陣列中之一奈米碳管片段，該奈米碳管片段之寬度等於該螺旋形帶狀子奈米碳管陣列之寬度。
13. 如申請專利範圍第10項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述筒狀奈米碳管陣列表面形成有至少一個凹槽環繞該筒狀奈米碳管陣列，該至少一個凹槽將所述筒狀奈米碳管陣列分割成至少兩個筒狀子奈米碳管陣列。
14. 如申請專利範圍第10項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述凹槽處奈米碳管之高度為0~100微米。
15. 如申請專利範圍第10項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述預處理該筒狀奈米碳管陣列之方法為鐳射刻蝕法。
16. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述採用拉伸工具拉伸形成一奈米碳管結構之過程中，所述基底原位旋轉以補償所述筒狀奈米碳管陣列中奈米碳管之消耗。
17. 如申請專利範圍第16項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述採用拉伸工具拉伸形成一奈米碳管結構之過程中，所述筒狀奈米碳管陣列之切面與該奈米碳管結構所構成的角度維持不變。
18. 如申請專利範圍第17項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述筒狀奈米碳管陣列之切面與該奈米碳管結構所構成的角度大於0度小於等於15度。
19. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述奈米碳管結構為奈米碳管膜或奈米碳管線。
20. 如申請專利範圍第19項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該方法進一步包括採用一有機溶劑處理所述奈米碳管膜，使該奈米碳管膜中之奈米碳管聚攏形成所述奈米碳管線的步驟。
21. 如申請專利範圍第19項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，該方法進一步包括扭轉所述奈米碳管膜，從而拉伸形成一扭轉之奈米碳管線的步驟。