一种原位生长TiC纳米管的方法技术

本发明专利技术公开了一种原位生长TiC纳米管的方法，属于复合材料技术领域。包括以下步骤：制备碳纳米管；在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长Ti或TiO

【技术实现步骤摘要】
一种原位生长TiC纳米管的方法
本专利技术属于复合材料
，更具体地，涉及一种原位生长TiC纳米管的方法。
技术介绍
碳化钛是具有金属光泽的灰黑色晶体，其晶体结构属于面心立方结构，具有共价键、金属键和离子键。多种价键使其具备很多类似金属的特性，熔点高、沸点高、硬度仅次于金刚石、导电、导热性好，以及在高温和腐蚀性环境中具有极好的稳定性。基于以上特性，碳化钛可广泛应用于机械工业、微电子学等领域，常用作切削工具、耐磨材料以及复合材料的增强材料。另外，具有特殊形貌的碳化钛纳米材料在场发射、电化学等领域表现出优异的特性。因此，制备一维纳米碳化钛材料并对其进行进一步的应用具有极其重要的意义。目前已有很多报道用于制备TiC的一维纳米材料，如纳米管、纳米线、纳米颗粒等，其传统制备方式主要有：(1)化学气相沉积法，将TiCl4作为钛源，CNT、CH4等作为碳源，在H2的辅助下，发生TiCl4(g)+2H2(g)+C(s)-TiC(g)+4HCl(1)反应，生成TiC；(2)将碳纳米管作为模板，球磨和火花等离子体烧结相结合。碳纳米管为模板，碳纳米管自身的结构特性可以对TiC纳米材料的形成起一定的限制作用，而且生长多壁碳纳米管过程中其表面会有无定形碳的生成，这些无定形碳可以在TiC纳米材料相对低温生长过程中提供部分碳源；(3)真空碳热还原，一般将Ti/TiO2作为钛源，在高温下和C反应生成TiC。反应机制如：Ti+C＝TiC；TiO2+C＝Ti0+C；TiO2+Ti＝2TiO(g)；TiO(g)+2C＝TiC+CO。这些传统的制备方式通常是将钛源和碳源研磨之后，高温烧结反应生成TiC纳米材料，由于研磨会破坏器件的结构，无法满足特殊形貌的器件要求，所以这些方式不适用于特殊器件结构的包覆，只适用于粉末样品的制备，大大限制了TiC纳米材料的应用范围。另一方面传统的沉积方式，如电子束蒸发、磁控溅射等，只能在非高深宽比的结构表面实现均匀包覆。随着微电子器件尺寸的不断减小，深宽比的不断增加，这些方式已经不能实现对结构的均匀包覆，甚至不能渗入结构内部，只能在结构上表面沉积材料，显然不能满足微纳制造领域的一些要求。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种原位生长TiC纳米管的方法，旨在解决研磨等传统制备方式破坏器件形貌结构的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种原位生长TiC纳米管的方法，包括以下步骤：制备碳纳米管；在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长Ti或TiO2；进行真空高温烧结，生成TiC纳米管。进一步地，生长Ti或TiO2时，通过调整反应时间控制Ti或TiO2的膜厚。进一步地，在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长TiO2包括：利用热原子层沉积设备，将Ti[N(CH3)2]4和H2O作为前驱体源，按照一定的脉冲序列在200℃-300℃的生长温度下制备TiO2薄膜。进一步地，在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长TiO2包括：利用热原子层沉积设备，将(EtCp)Ti(NMe2)3和臭氧作为前驱体源，在250℃-300℃的生长温度下制备TiO2薄膜。进一步地，所述在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长Ti包括：采用TiCl4作为钛源，1，4-bis(trimethylsilyl)-2-methyl-2，5-cyclo-hexadiene或1，4-bis(trimethylsilyl)-1，4-dihydro-pyrazine作为还原剂制备Ti薄膜。进一步地，制备碳纳米管包括：使用表面抛光的硅片作为原生衬底，依次用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水清洗表面，之后用N2吹干，再去除硅片表面的水分和有机物残留；在硅片表面依次沉积缓冲层和催化剂层，使用化学气相沉积方式制备碳纳米管。优选地，所述缓冲层采用TiN、Al2O3或沸石。优选地，所述催化剂层采用Fe、Co或Ni。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：(1)采用原子层沉积Ti/TiO2的方式，不仅保留碳纳米管阵列原本的形貌结构，可以有效实现对碳纳米管阵列的均匀包覆，从而规避了其他传统沉积方式的弊端，而且沉积Ti/TiO2的前驱体源很丰富，选择性更高。原位生长TiC纳米管不仅有利于充分发挥碳纳米管阵列结构的特性，而且可以充分发挥TiC的电学和机械性能，拓宽了TiC纳米管在器件中的应用。(2)本专利技术利用Ti/TiO2和碳纳米管阵列真空高温烧结制备TiC纳米管，主要是利用多壁碳纳米管中无定形碳等缺陷在高温下的还原性，且在本专利技术条件下碳和Ti/TiO2易生成TiC，烧结温度更低。附图说明图1是本专利技术实施例的原位生长TiC纳米管的流程示意图；图2是本专利技术实施例生长所得的碳纳米管的示意图；图3是本专利技术实施例原子层沉积Ti/TiO2的沉积示意图；图4是本专利技术实施例原位生长TiC纳米管的示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。为了拓宽TiC纳米材料的应用范围，在借鉴传统制备方式的基础上，可以考虑在特殊形貌结构的碳纳米管阵列表面上涂覆TiC薄膜或者涂覆一层和碳纳米管阵列反应的钛单质或者化合物。本专利技术采用涂覆一层钛单质或者化合物的方案。在碳纳米管阵列表面利用原子层沉积方式均匀沉积一层Ti/TiO2，可以实现对器件结构的均匀包覆，与传统的球磨混合相比，这种方式不会破坏器件结构，而且和碳纳米管混合更加均匀、接触面积更大。有实验表明，增加反应物之间的接触面积、使用更小颗粒的钛源或者增大反应过程的真空度，可以降低反应温度和反应时间。基于此，本专利技术提供的这种生长方法可以在相对低温的条件下烧结形成TiC纳米管。在烧结过程中，该反应机制是碳纳米管为反应提供形核场所，限制TiC的生长方向，同时多壁碳纳米管表面的无定形碳等缺陷优先提供碳源，反应过程中生成的副产物CO也可以继续为TiC的生长提供碳源，在相对低温下将Ti/TiO2还原生成TiC，从而形成TiC纳米管。该过程涉及到的反应过程为：TiO2+3C＝TiC+2CO；Ti+C＝TiC；TiO2+C＝TiO+CO；Ti+TiO2＝2TiO(g)；TiO+2C＝TiC+CO；TiO+3CO＝TiC+2CO2。利用原子层沉积自限制反应机制，能够以出色的覆盖率以及精确膜厚控制的优势，有效解决研磨等传统制备方式破坏器件形貌结构的问题。如图1所示，本专利技术实施例公开了一种原位生长TiC纳米管的方法，包括以下步骤：1、使用表面抛光的硅片作为原生衬底，依次用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水清洗表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位生长TiC纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n制备碳纳米管；/n在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长Ti或TiO

【技术特征摘要】
1.一种原位生长TiC纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备碳纳米管；
在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长Ti或TiO2；
进行真空高温烧结，生成TiC纳米管。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生长Ti或TiO2时，通过调整反应时间控制Ti或TiO2的膜厚。


3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长TiO2包括：
利用热原子层沉积设备，将Ti[N(CH3)2]4和H2O作为前驱体源，按照一定的脉冲序列在200℃-300℃的生长温度下制备TiO2薄膜。


4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述碳纳米管表面采用原子层沉积的方式生长TiO2包括：
利用热原子层沉积设备，将(EtCp)Ti(NMe2)3和臭氧作为前驱体源，在250℃-300℃的生长温度下制备TiO2薄膜。
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【专利技术属性】
技术研发人员：杜欢欢，孙雷蒙，王玉容，肖东阳，涂良成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42