碳纳米管制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米管制备方法，其包括以下步骤：将表面沉积有一催化剂层的基底置于一石英舟内，该石英舟具有一开口；将所述石英舟置于一反应炉内，该反应炉包括一进气口，使所述石英舟的开口朝向该进气口；加热使反应炉温度达到一预定温度并通入碳源气以在基底上生长碳纳米管；待生长结束后，通过一导气装置引入载气气体到该石英舟内，以降低该石英舟内的碳源气浓度，使碳纳米管停止生长，防止形成常见的包覆结构；在外力作用下分离碳纳米管与催化剂层，得到开口碳纳米管或其阵列。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳纳米管的制备方法，尤其是涉及开口碳纳米管的制备方法。
技术介绍
碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料。碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，包括场发射平板显示，单电子器件，原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)针尖，热传感器，光学传感器，过滤器等等。因此，实现碳纳米管的可控生长，降低碳纳米管的合成成本，是将碳纳米管推向应用的关键。目前为了提高碳纳米管的性能，研究以各种方法制备所需特定形态的碳纳米管。例如碳纳米管尖端对场发射有显著的影响，同时，不同尖端形态的碳纳米管在吸附、掺杂等物理化学性质上的研究以及在构件电子器件方面都有重要的意义。一般来说，碳纳米管尖端有闭口与开口两种形态。闭口碳纳米管是指碳纳米管的尖端连接半个富勒烯球面从而使端口封闭，碳纳米管尖端没有悬挂键；开口碳纳米管则是端口敞开，未被富勒烯球面封闭，通常尖端有悬挂键并容易吸附其他分子。目前制备碳纳米管主要有三类方法1991年S.Iijima在Nature，354，56，Helical microtubules of graphitic carbon上公开的电弧放电法；1992年T.W.Ebbesen等人在Nature，358，220，Large-scale Synthesis of Carbon Nanotubes上公开的激光烧蚀法及1996年W.Z.Li等人在Science，274，1701，Large-Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes上公开的化学气相沉积法。电弧放电法和激光烧蚀法不能控制碳纳米管的直径和长度，制备方法所用设备昂贵，很难在大尺寸基片上大规模生长碳纳米管，且制得产物中碳纳米管均与其他形态的碳产物共存，分离纯化困难收率较低，难以规模化。目前较常用的是化学气相沉积法，其利用含碳气体作为碳源气，在多孔硅或沸石基底上生长出多壁或单壁碳纳米管，和前两种方法相比具有产量高、可控性强、与现行的集成电路工艺相兼容等优点，便于工业上进行大规模制备。其中，有一种沸腾床催化裂解法可批量制备直而开口率较高的碳纳米管。其主要原理如下在沸腾床催化裂解反应器中，将反应气体以一定的流速通入，将催化剂“吹”成“沸腾”状态。因催化剂颗粒一直处于运动之中，催化剂颗粒之间的距离较大，催化剂表面上易生长出较直的碳纳米管，又因催化剂颗粒之间的相互碰撞使碳纳米管很容易折断，这两种作用的结果保证了直而开口率较高的碳纳米管的形成。然而，上述沸腾床催化裂解法中所述开口是通过催化剂颗粒之间的相互碰撞使断碳纳米管容易折断而形成的，虽然易行，但不能确保碳纳米管的均匀长度，且对碳纳米管本身结构也将造成破坏。有鉴于此，提供简单易行，开口率高且对碳纳米管本身结构破坏较小的十分必要。
技术实现思路
下面将以具体实施例说明一种。提供一种，其包括以下步骤提供一基底，该基底的一表面沉积有一催化剂层；将所述基底置于一石英舟内，该石英舟具有一开口；将所述石英舟置于一反应炉内，该反应炉包括一进气口，使所述石英舟的开口朝向该进气口；加热使反应炉的温度达到一预定温度，并通入反应气体利用化学气相沉积法在基底上生长碳纳米管；待生长结束后，通过一导气装置引入载气气体到所述石英舟内，以降低该石英舟内的碳源气浓度，使碳纳米管停止生长；在外力作用下分离碳纳米管与催化剂层，得到开口碳纳米管或其阵列。相较于现有技术，所述，在生长结束阶段，通过导气装置引入大流量的载气气体到石英舟内，使催化剂层附近的碳源气浓度迅速降低，则碳纳米管将不能维持继续生长，同时催化剂层自身溶有的碳量也不足以生成石墨层，可避免催化剂包覆在其中，从而不容易形成常见的包覆结构，经外力作用分离碳纳米管与催化剂层可制备出开口的碳纳米管或其阵列。附图说明图1是本专利技术实施例的所使用装置的结构示意图。图2(a)是根据本专利技术实施例的制备出的碳纳米管根部与催化剂颗粒接触的示意图。图2(b)是根据本专利技术实施例的制备出的开口碳纳米管的示意图。图3是本专利技术实施例的获得的开口碳纳米管的高倍率透射电子显微镜照片。图4是本专利技术实施例的获得的开口碳纳米管的低倍率透射电子显微镜照片。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术制备方法的实施例作进一步的详细说明。请参见图1，本专利技术实施例提供的所使用的一种碳纳米管制备装置10，其包括一加热装置16；一反应炉20；一石英舟30，其设置在反应炉20内；一导气装置，其一端通入该石英舟30；一基底40，其设置在石英舟30内，该基底40表面形成有一催化剂层50。所述反应炉20包括一进气口22及与其相对的一出气口24，其中该进气口22用于通入反应气体12，例如在碳纳米管生长前阶段及生长阶段可分别通过该进气口22向该反应炉20通入载气气体及碳源气或载气气体与碳源气的混合气体。所述载气气体包括氢气、氨气、氮气或惰性气体。该载气气体例如在碳纳米管生长前阶段通入到所述反应炉20及所述石英舟30中，可将其内部的空气排出；在生长阶段可与碳源气一同通入到所述反应炉20及所述石英舟30中，可防止因碳源气浓度过高导致碳纳米管之间产生无形碳而影响产量的问题；在生长结束阶段通入到所述石英舟30内，可迅速降低催化剂层50附近的碳源气浓度，从而避免碳纳米管形成常见的包覆结构。所述碳源气包括碳氢化合物，如乙炔、甲烷、乙烷、乙烯等，在生长阶段热解生成碳单元，该碳单元吸附在所述催化剂层50表面，从而生长出碳纳米管。所述石英舟30为一半封闭型容器，具有一开口32，该开口32朝向所述进气口22，而其他端为封闭，该封闭端由若干个封闭端面构成。所述反应炉包括石英管。所述导气装置包括一导气管34，该导气管34一端通入所述石英舟30，形成一吹气口36。该导气管34从与开口32相对的端面通入该石英舟30内，也可以从半封闭型石英舟30的侧壁上开口接入，只要使吹气口36对准基底40，使其输出的载气气体能直接吹到基底40生长碳纳米管的表面即可。其中，侧壁是指介于开口以及与开口相对的端面之间的容器壁。并且，该吹气口36与基底40的距离尽可能小，以求通入载气气体14的瞬间能迅速降低石英舟30内催化剂层50附近的碳源气浓度，从而避免形成常见的包覆结构。所述基底40用于生长碳纳米管，其表面的催化剂层50可利用热沉积、电子束沉积、蒸镀或溅射法来完成。参见图1、图2(a)及图2(b)，具体说明本专利技术实施例提供的，其包括以下步骤首先，提供一基底40，该基底40的一表面沉积有一催化剂层50；将上述基底40置于一石英舟30内，该石英舟具有一开口32；提供一导气装置，其包括一导气管34，该导气管34一端通入该石英舟30，形成一吹气口36；将上述石英舟30置于一反应炉20内，该反应炉20包括一进气口22及一出气口24。所述基底40材料可选用硅，也可选用其它材料，如氧化镁、石英等。所述催化剂层50可选用催化剂粉末层或催化剂金属膜层。该催化剂金属膜层的材料可选用铁、钴、镍及其合金材料等；该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管制备方法，其包括以下步骤：提供一基底，该基底的一表面沉积有一催化剂层；将所述基底置于一石英舟内，该石英舟具有一开口；将所述石英舟置于一反应炉内，该反应炉包括一进气口，使所述石英舟的开口朝向该进气口；加热使反应炉的温度达到一预定温度，并通入反应气体利用化学气相沉积法在基底上生长碳纳米管；待生长结束后，通过一导气装置引入载气气体到所述石英舟内，以降低该石英舟内的碳源气浓度，使碳纳米管停止生长；在外力作用下分离碳纳米管与催化剂层，得到开口碳纳米管或其阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锴，姜开利，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]