生长和收获碳纳米管的方法技术

一种在平面基底如硅片上直接生长碳纳米管、特别是单壁碳纳米管、然后将纳米管转移到聚合物薄膜的表面上或者从平面基底上分离收获碳纳米管的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】 相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C. §119(e),要求于2005年6月28日提交的美 国临时申请序号No. 60/694,545的权益，该申请在此通过引用的方式特 意整体并入本文。
技术介绍
本专利技术涉及生产碳纳米管的催化剂及其使用方法的领域，更确切地 说，但不是作为限制，本专利技术涉及单壁碳纳米管及生产包括碳纳米管的 聚合物和产品的方法。碳纳米管(CNT)是具有完全的富勒烯管帽(cap)的石墨片材的 无缝管，其首先作为多层同心管或者多壁碳纳米管(MWNT)被发现， 随后作为过渡金属催化剂存在下的单壁碳纳米管(SWNT)。碳纳米管 已经表现出有希望前景的应用，这些应用包括纳米规模的电子器件、高 强度材料、电子场致发射、扫描探针显微镜的尖端和气体贮藏。通常，对于在这些应用中的使用，单壁碳纳米管优于多壁碳纳米管， 因为它们具有较少缺陷，因此比相似直径的多壁碳纳米管的强度更大且 导电性更好。SWNT与MWNT相比，缺陷出现的可能性较小，因为 MWNT通过在不饱和碳价之间形成桥接从而能够承受偶然的缺陷而存 在，然而SWNT没有邻近的器壁来补偿缺陷。SWNT特别地显示优越的化学及物理特性，这些化学及物理特性已 经研发了许多可能的应用。然而，CNT和SWNT的可用性、特别是实际应用所需的质量和形 式仍然是有问题的。生产高质量SWNT的大规模方法仍然是需要的，并 且SWNT应用于各种技术的合适形式仍然是需要的本专利技术涉及满足这 些需要。涉及生产碳纳米管的催化剂和方法的在先美国专利及申请在此特 意通过引用的方式整体并入本文，包括美国专利No. 6,333,016、美国专 利No. 6,413，487 、美国公开申请2002/0165091 (美国序号No. 09/988,847 )、和美国公开申请2003/0091496(美国序号No. 10/118,834 )。附图说明图1显示了 (A)在平面基底上生长的碳纳米管的显微照片，和 (B) (A)的碳纳米管的拉曼光谱。图2显示了 (A)在平面基底上生长的碳纳米管的显微照片，和(B) (A)的碳纳米管的拉曼光谱。图3显示了 (A)在平面基底上生长的碳纳米管的显微照片，和(B) (A)的碳纳米管的拉曼光谱。图4是显示了纳米管从平面上聚合物转移的步骤(A、 B、 C)的示 意图。图5显示纳米管在纳米管从平面上聚合物转移的三个阶段的拉曼光谱。图6显示了在硅片(silicon wafer)上生产的具有不同浓度的催化剂 溶液的S額T的SEM图像(a) 0.38, (b)0.19%, (c)0.02%。 浓度以金属总重量计。这些载量相当于下述金属的面积载量(areal loading) : ( a) 16 |Lig/cm2, ( b ) 8昭/cm2,以及(c ) 0.8 |ig/cm2。图7显示了 VSWNT的结构特征(a)未进行任何提纯的除去硅 片的VSWNT材料的TEM图像，(b )激发激光波长为633纳米(实线) 和488纳米(虚线)的所生产的VSWNT的拉曼光谱。图8显示了 SWNT的SEM照片(左列)与具有不同浓度的催化剂 溶液的相应硅片的AFM图像(右列)的并列比较，催化剂浓度分别为 (a)0.02wt%, (b)0.19wt%, (c)0.38wt%。浓度(％wt)是指金 属总重。AFM图像是在硅片在50(TC的炉中焙烧之后获得的。SEM图像 中的所有图解比例尺都是500纳米，除板a2中的三维正方体之外，AFM 三维正方体的宽度都是1米，a2中为5米。图9显示了举例说明V-SWNT的3级结构的设想生长机制的原理 图从左至右是单管的第一级结构、管束的第二级结构、以及可以是2D (xy)草丛(grass)或ID (z)森林(forest)的第三级结构。图10显 示了通过快干法(a)和栅格屏蔽溅射镀膜(b)形成图案的SWNT的有 序排列的SEM图像。获取了具有较低放大率(1)和较高放大率(2) 的图像。图ll是从平面生长和收获碳纳米管的连续法的略图。图12是从平面生长和收获碳纳米管的另一种连续法的略图。图13 显示了当V-SWNT直接在空气中从平面移除时的SEM图像。(A) V-SWNT附着于平面时的SEM图像；(B ) V-SWNT从平面上移除后的 SEM图像。图14显示了显示没有金属杂质的V-SWNT的TEM图像。 图15显示了 V-SWNT在相对于V-SWNT顶面的不同入射角处的 XANES光镨。图16显示了 (/和兀*峰强度的实验数据和拟合数据的图表。图17显示了通过SEM得到的典型V-SWNT样品的顶视图(A)和 侧视图(B )的SEM显微照片。图18显示了通过一系列反应时间周期而获得的V-SWNT的SEM图 像。这些图像中的图解比例尺为0秒、30秒、60秒和3分钟时为l微 米，10分钟时为2微米，且30分钟时为5微米。图19显示了通过一 系列反应时间周期而获得的V-SWNT的拉曼光 语自下至上为0.5分钟、3分钟和10分钟。这三条曲线相对于520cm" 的Si谱带规格化。插图是当相对于G谱带规格化时，在0.5分钟(实线) 和10分钟(虚线)时分别获得的V-SWNT的G谱带。具体实施例方式本专利技术涉及在平面(平面基底)例如其上配置了少量催化金属如钴 和钼的硅片上生产荷载CNT的膜、优选荷载SWNT的膜的方法。这里生产的碳纳米管聚合物膜组合物可以用作例如其中导电聚合 物膜可用于生产或对生产来说是必需的任何产品或材料中的电子场辐 射体、聚合物填料。在平面上生长的CNT可以通过不同方式从平面上 除去(包括但不限于，如实施例中的剥离、剪切、声处理、以及平面的 化学浸蚀)，以得到可以用于任何CNT应用的高纯度CNT。平面CNT 材料还可以用于例如传感器、互联器(interconnect)、晶体管、场致发 射装置及其他装置的应用中。本专利技术的平面基底包括具有连续(非微粒)表面和其中具有一条或 多条沟的表面的基底，该连续表面可以是全平的(平面的)，或者可以 具有一定曲率(包括凸面和凹面)。其还可以显示一定的粗糙性，该粗 糙性相对于基底的宏观规模来说很小。预期用作本文所述的平面基底或者催化剂的支撑材料的具有平面的材料可以包括下述物质或可由下述物质构成(但不限于)Si02薄片 (wafer)和片材、Si、有机金属二氧化硅、有或者没有S^层的p或n 掺杂的Si薄片、Si3N4、 A1203、 MgO、石英、玻璃、氧化硅表面、碳化 硅、ZnO、 GaAs、 GaP、 GaN、 Ge、和InP，金属片材如铁、钢、不锈钢、 和钼以及陶资如氧化铝、氧化镁和二氧化钛。本专利技术中使用的催化材料是通过在平面基底(例如硅片)上沉淀不 同比浓度的金属溶液而在一个实施方式中制备的。例如，Co/Mo催化剂 可以通过用硝酸钴和七钼酸铵(或者氯化钼)的水溶液浸渍各种硅片来 获得所选择组成的双金属催化剂(参见美国专利6,333，016,该专利的全 部内容通过引用的方式特意并入本文)。总的金属载量优选为0.001到 1000毫克/平方厘米。金属沉淀后，催化平面基底优选先在空气中在室 温下干燥，然后在烘箱中在例如100-120。C下干燥，最后在流动空气中 在400。C-600。C下焙烧。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成碳纳米管的方法，该方法包括：　在活动支承机构上设置平面基底；　在该平面基底上施加催化剂前体溶液，形成催化平面基底；　将该催化平面基底设置在反应器内部；并且　在引发在该催化平面基底上产生碳纳米管的条件下，将该催化平面基底暴露于加热的含碳气体或者气化液体，由此形成负载了碳纳米管的催化平面基底。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔E里萨斯科，利安德罗巴尔赞诺，L张，
申请(专利权)人：俄克拉荷马州大学评议会，丹尼尔E里萨斯科，利安德罗巴尔赞诺，L张，
类型：发明
国别省市：US[美国]