TWI688544B - 一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其具體包括以下步驟：提供一生長有之奈米碳管陣列之基底；加熱所述基底，並通入氧氣或含氧氣的混合氣體，使所述奈米碳管陣列與氧氣反應；分離所述奈米碳管陣列及基底。

Description

一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法
本發明涉及一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法。
奈米碳管係九十年代初才發現之一種新型一維奈米材料。奈米碳管之特殊結構決定了其具有特殊之性質，如高抗張強度和高熱穩定性；隨著奈米碳管螺旋方式之變化，奈米碳管可呈現出金屬性或半導體性等。由於奈米碳管具有理想之一維結構以及在力學、電學、熱學等領域優良之性質，其在材料科學、化學、物理學等交叉學科領域已展現出廣闊之應用前景，在科學研究以及產業應用上亦受到越來越多之關注。
目前比較成熟之製備奈米碳管之方法主要包括電弧放電法(Arc discharge)、鐳射燒蝕法(Laser Ablation)及化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)。其中，化學氣相沉積法和前兩種方法相比具有產量高、可控性強、與現行之積體電路工藝相相容等優點，便於工業上進行大規模合成，是以近幾年備受關注。
採用化學氣相沉積法在基底上生長出奈米碳管陣列後，奈米碳管陣列往往附著在基底表面上，不易與生長基底分離。通常採用一刀片或鑷子等工具籍由機械外力將奈米碳管陣列從基底上剝離，然而由於奈米碳管陣列與基 底之間之附著力較大，籍由前述機械剝離方法分離得到之奈米碳管陣列中含有較多之催化劑顆粒，影響奈米碳管之品質及應用產品之使用效果。
有鑑於此，確有必要提供一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，該方法可以簡單、方便地使奈米碳管陣列與其生長基底分離，且分離得到之奈米碳管陣列中含有較少或不含有催化劑顆粒。
一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其具體包括以下步驟：提供一生長有奈米碳管陣列之基底；加熱所述基底，並通入氧氣或含氧氣的混合氣體，使所述奈米碳管陣列與氧氣反應；分離所述奈米碳管陣列及基底。
相較先前技術，本發明提供之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，使奈米碳管陳列與氧氣反應，在高溫環境下，與奈米碳管陣列之頂端和側壁相比，奈米碳管陣列中缺陷較多之根部更容易與氧氣反應，生成二氧化碳，從而減少了奈米碳管陣列與基底之間之接觸力，使奈米碳管陣列與其生長基底分離，分離得到之奈米碳管陣列中含有較少或不含有催化劑顆粒，方法簡單、可實現規模化及工業化。
圖1係本發明提供之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法之流程示意圖。
以下將結合附圖及具體實施例詳細說明本技術方案所提供之奈米碳管之製備方法。
請參閱圖1，本技術方案提供了一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，具體包括以下步驟：
步驟一：提供一生長有奈米碳管陣列之基底。
本實施例中，採用化學氣相沉積法生長奈米碳管陣列，其具體包括以下步驟：
首先，提供一具有平滑表面之基底。提供之基底要耐高溫、並且不與後續步驟通入之氣體發生化學反應及原子滲透等現象，基底之材料可以係矽、石英片等。優選之，矽基底表面形成一保護層，如氧化矽薄層，厚度一般為1~1000奈米(nm)。所述基底表面可以經過機械拋光、電化學拋光等方法處理，以保證其平滑以適應生長奈米碳管陣列之需要。所述基底之形狀與尺寸不限，形狀可以係平板形、曲面形或其它形狀，尺寸可以係4英寸、8英寸或12英寸等。
其次，在所述基底表面沉積一催化劑層。可以籍由蒸鍍、濺鍍或化學沉積之方法在所述基底表面形成一催化劑層，催化劑層之材料可以係鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合之合金之一。催化劑層之厚度為1~10nm，優選為1~5nm。然後，空氣氣氛下，在200~400攝氏度(℃)下，對催化劑進行8~12小時(h)之退火處理，使基底表面之催化劑薄膜變成均勻分佈之催化劑奈米顆粒，從而提高催化劑之催化活性。
最後，將表面沉積有催化劑之基底放入一反應爐中，在保護氣體之環境下，加熱所述基底至600~720℃，優選為620~700℃，然後通入碳源氣與保護氣體之混合氣體，所述碳源氣可以係乙炔、乙烯、甲烷、乙烷等，所述保護氣體為惰性氣體或氮氣，反應10~40分鐘(min)，利用化學氣相沉積法在所述基底表面生長得到奈米碳管陣列。
步驟二：加熱所述基底，並通入氧氣，使所述奈米碳管陣列與氧氣反應。
這一過程中，維持環境之氣壓為2~8托(Torr)。
加熱基底之方式有兩種：其一，將所述生長有奈米碳管陣列之基底放在一反應爐內，籍由反應爐加熱爐內環境加熱所述基底；其二，將所述生長有奈米碳管陣列之基底放在一密封通氣設備中，採用一局部加熱裝置加熱所述基底，所述局部加熱裝置可以為電熱阻絲、高頻爐、鐳射加熱裝置或奈米碳管通電加熱裝置等，具體地，可以將所述基底放置在所述密封通氣設備中之一基座上，基座表面設有電熱阻絲或奈米碳管，或者基座下方設有高頻爐或鐳射加熱裝置。
加熱所述基底至500~800℃，通入氧氣之流量為300~500標準毫升/分鐘(sccm)，所述奈米碳管陣列與氧氣反應5~20min。可以理解，可以通入純淨的氧氣，也可以通入含氧氣的混合氣體，如空氣或氧氣與其它氣體的混合氣體。
本實施例中，將所述基底放在一反應爐內，加熱所述基底至700℃，氧氣之流量為500sccm，使所述奈米碳管陣列與氧氣反應9~10min。在某個實施例中，步驟二具體包括：將所述基底放在一反應爐內，加熱所述基底至800攝氏度，氧氣之流量為300sccm，所述奈米碳管陣列與氧氣反應5~7min。在另一個實施例中，步驟二具體包括：將所述基底放在一反應爐內，加熱所述基底至500攝氏度，氧氣之流量為500sccm，所述奈米碳管陣列與氧氣反應16~20min。
在奈米碳管陣列生長過程中，奈米碳管之頂端最先生長出來，奈米碳管之根部最後生長，在生長後期，催化劑之催化活性下降，導致後期生長之奈米碳管根部與奈米碳管頂端和側壁相比存在較多缺陷；在高溫環境下，氧 氣與奈米碳管之頂端、側壁和根部均會發生反應，但與奈米碳管頂端和側壁相比，奈米碳管根部之缺陷較多，故氧氣較易與根部反應，生成二氧化碳(CO2)，從而奈米碳管陣列與其生長基底分離；而奈米碳管之側壁較乾淨、缺陷少，在有限之反應時間內與氧氣反應較少或不與氧氣反應，從而可以保持奈米碳管陣列之完整性。
所述奈米碳管陣列與氧氣之反應溫度、反應時間及氧氣之流量這三個參數值與提供之奈米碳管陣列之品質有關，當提供之所述奈米碳管陣列之品質較低時，例如奈米碳管陣列中含有較多之缺陷及無定形碳時，可以適當降低反應溫度、縮短反應時間或減少氧氣之流量；當提供之所述奈米碳管陣列之品質較高時，例如奈米碳管陣列為基本不含有雜質之超順排奈米碳管陣列時，可以適當提高反應溫度、延長反應時間或增加氧氣之流量。
可以理解，當反應溫度及氧氣之流量一定時，所述奈米碳管陣列與氧氣反應之時間不可過長，反應時間過長時，奈米碳管陣列受損嚴重，其高度將大大減少；所述奈米碳管陣列與氧氣反應之時間亦不可過短，反應時間過短時，奈米碳管陣列與氧氣接觸反應之時間少，導致所述奈米碳管陣列不易與生長基底分離。
步驟三，分離所述奈米碳管陣列與基底。
所述奈米碳管陣列與氧氣反應一段時間後，停止通入氧氣，繼續通入保護氣體，此時可以加大保護氣體之流通量，使所述基底之溫度自然降至350℃以下，此時簡單地機械振動即可使所述奈米碳管陣列與所述基底自然分離。奈米碳管陣列從靠近基底之根部與基底分離，而催化劑留在基底表面，與基底分離之奈米碳管陣列中含有很少或不含有催化劑金屬顆粒。
本發明提供之一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，具有以下優點：其一，通入氧氣，使奈米碳管陣列與氧氣反應，氧氣更容易與缺陷較 多之奈米碳管陣列之根部反應生成二氧化碳，從而使奈米碳管陣列與生長基底分離；其二，氧氣與奈米碳管陣列反應後，奈米碳管陣列從根部與基底分離，催化劑會留在基底表面，而與基底分離之奈米碳管陣列中含有很少或不含有催化劑顆粒，改善了奈米碳管之品質；其三，該奈米碳管陣列與生長基底分離之方法簡單、可實現規模化及工業化，有利於奈米碳管在產業上之大規模應用。
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例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知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。

Claims (10)

  1. 一種奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其包括以下步驟：提供一生長有奈米碳管陣列之基底；加熱所述基底，並通入氧氣或含氧氣的混合氣體，使所述奈米碳管陣列與氧氣反應，所述奈米碳管陣列之根部與氧氣反應，所述奈米碳管陣列之頂端及側壁不與氧氣反應；反應結束后，使所述奈米碳管陣列從根部與所述基底分離，且所述奈米碳管陣列之結構保持完整。
  2. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，所述奈米碳管陣列與氧氣反應之溫度為500~800攝氏度。
  3. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，通入氧氣之流量為300~500標準毫升/分鐘。
  4. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，所述奈米碳管陣列與氧氣反應5~20分鐘。
  5. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，所述氧氣與所述奈米碳管陣列之根部反應生成二氧化碳。
  6. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，所述分離所述奈米碳管陣列及基底之步驟包括：機械振動使所述奈米碳管陣列與生長基底自然分離。
  7. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，所述加熱所述基底之步驟包括：將所述基底放在一反應爐內，籍由反應爐加熱爐內環境來加熱所述基底。
  8. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，所述加熱所述基底之步驟包括：將所述基底放在一密封通氣設備中，採用一局 部加熱裝置來加熱所述基底。
  9. 如請求項第8項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，所述局部加熱裝置為電熱阻絲、高頻爐、鐳射加熱裝置或奈米碳管通電加熱裝置中之一種或幾種之組合。
  10. 如請求項第1項所述之奈米碳管陣列與生長基底分離之方法，其中，在所述奈米碳管陣列與氧氣反應過程中，環境之氣壓維持為2~8托。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111128637B (zh) * 2018-11-01 2021-02-26 清华大学 场发射体的制备方法
CN111115615B (zh) * 2018-11-01 2021-08-31 清华大学 碳纳米管阵列的转移方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7538422B2 (en) * 2003-08-25 2009-05-26 Nanoconduction Inc. Integrated circuit micro-cooler having multi-layers of tubes of a CNT array
US20110158894A1 (en) * 2009-12-28 2011-06-30 Korea University Research And Business Foundation Method and device for cnt length control
TWI406807B (zh) * 2008-06-20 2013-09-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 奈米碳管薄膜的製備方法
TWI499553B (zh) * 2009-09-14 2015-09-11 Univ Nat Cheng Kung 奈米碳管及其製備方法
TWI519471B (zh) * 2009-03-04 2016-02-01 東麗股份有限公司 含有奈米管之組成物、奈米碳管製造用觸媒體及奈米碳管水性分散液

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100418876C (zh) 2005-08-19 2008-09-17 清华大学 碳纳米管阵列制备装置及方法
TWI313670B (en) 2005-08-26 2009-08-21 Hon Hai Prec Ind Co Ltd Apparatus and method for fabrication of carbon nanotube array
CN101348248B (zh) * 2008-09-05 2010-12-15 清华大学 一种基于氧化处理分离碳纳米管阵列与基板的方法
CN101905877B (zh) * 2009-06-02 2013-01-09 清华大学 碳纳米管膜的制备方法
CN102086035B (zh) 2009-12-03 2013-06-19 北京富纳特创新科技有限公司 碳纳米管膜及其制备方法
TWI406810B (zh) 2010-01-22 2013-09-01 Beijing Funate Innovation Tech 奈米碳管膜及其製備方法
CN103382023B (zh) 2012-05-04 2015-07-01 清华大学 碳纳米管结构及其制备方法
WO2014192498A1 (ja) * 2013-05-27 2014-12-04 日立造船株式会社 カーボンナノチューブシート及びその製造方法
JP2015143169A (ja) * 2013-12-25 2015-08-06 日立造船株式会社 カーボンナノチューブ生成用基板、カーボンナノチューブ生成用基板の製造方法及びカーボンナノチューブ生成用基板の再利用方法
CN105439117A (zh) * 2014-09-19 2016-03-30 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种大面积碳纳米管垂直阵列快速无损转移方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7538422B2 (en) * 2003-08-25 2009-05-26 Nanoconduction Inc. Integrated circuit micro-cooler having multi-layers of tubes of a CNT array
TWI406807B (zh) * 2008-06-20 2013-09-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 奈米碳管薄膜的製備方法
TWI519471B (zh) * 2009-03-04 2016-02-01 東麗股份有限公司 含有奈米管之組成物、奈米碳管製造用觸媒體及奈米碳管水性分散液
TWI499553B (zh) * 2009-09-14 2015-09-11 Univ Nat Cheng Kung 奈米碳管及其製備方法
US20110158894A1 (en) * 2009-12-28 2011-06-30 Korea University Research And Business Foundation Method and device for cnt length control

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Carbon, 45, 12, 2007, Oct., pp.2341-2350 *
Carbon, 45, 12, 2007, Oct., pp.2341-2350。
J. Phys. Chem. B 2002, 106, pp. 11085-11088. *

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Publication number Publication date
TW201902817A (zh) 2019-01-16
CN108996487B (zh) 2021-01-26
CN108996487A (zh) 2018-12-14
US10562774B2 (en) 2020-02-18
US20180354802A1 (en) 2018-12-13

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