可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法
2023-05-28 01:31:31
專利名稱：可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法
技術領域：
本發明涉及一種可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法。
本發明所述的一種可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法，包括以下工藝步驟1.用磁過濾真空弧等離子體薄膜沉積或磁控濺射的方法在襯底上鍍上一層催化劑薄膜。
2.將鍍了催化劑的襯底在氫氣氣氛下，在600攝氏度的溫度下還原處理；3.使用流量比為1∶10的乙炔和惰性氣體混合氣體為反應氣體，在700攝氏度下生長碳納米管；4.在惰性氣體氣氛下降溫。
本發明所述的方法簡單，僅僅控制催化劑薄膜的厚度和氫氣的還原時間這兩個參數，即可實現控制碳納米管的直徑和分布密度。對用本發明所述的方法製備的碳納米管用SEM和TEM進行觀察，發現催化劑的厚度越厚，形成的顆粒越大，生長的碳納米管的直徑越大，而隨催化劑層厚度的增加，形成的顆粒密度增加，生長的碳納米管的密度也增加。而對於不同還原時間的催化劑薄膜，用氫氣得還原時間越長，顆粒越小，生長的碳納米管直徑也越小。
2.將鍍了催化劑的襯底在氫氣氣氛下，在600攝氏度的溫度下還原處理15分鐘至5小時，還原時間的長短可以控制形成的催化劑顆粒的大小和密度；3.使用流量比為1∶10的乙炔和氬氣混合氣體為反應氣體，在700攝氏度下生長碳納米管；4.在氬氣氣氛下降溫。
使用上述方法，在矽襯底上生長一系列不同直徑和密度的碳納米管1.鍍催化劑利用磁過濾真空弧等離子體薄膜沉積系統在襯底上沉積催化劑(鐵)層，並進行實時的厚度監控，沉積一系列不同厚度5nm，10nm，20nm，30nm，40nm的鐵層；2.氫處理把鍍有鐵的襯底用氫氣在600攝氏度下進行還原處理2小時，其流量110ml/min；3.長納米管樣品經還原處理後，在700攝氏度下反應，通入氬氣(300ml/min)和乙炔(30ml/min)的混合氣體，反應5分鐘；4.反應完畢後，在氬氣氣氛下降溫至室溫。
用SEM對所製備的樣品的表面形貌進行了觀察，並測試它們的場發射特性。還原處理後樣品表面形貌見
圖1，a，b，c，d，e的鐵的厚度分別為5nm，10nm，20nm，30nm，40nm；催化劑顆粒大小，密度隨催化劑層厚度的增加而增加。生長了碳納米管的樣品形貌如圖2，a，b，c，d，e的鐵膜的厚度分別為5nm，10nm，20nm，30nm，40nm，碳納米管的直徑以及密度也隨催化劑層厚度增加而增加。當催化劑層很薄(小於20nm)的時候，還原後催化劑顆粒小而且稀，對應生長的碳納米管直徑密度小，管彎曲躺倒(樣品1，2)，隨著催化劑層厚度增加，顆粒變大變密，碳納米管變粗變密，當催化劑層達到一定的厚度(大於20納米)，碳納米管就能直立生長了(樣品3，4，5)。這是由於粗(大於50納米)的碳納米管更容易長直，而且到了一定的密度，由於相鄰的碳納米管互相排擠，各自就朝直立的方向生長。
各樣品的場致發射結果如圖3所示，從場致發射結果來看，發射最好的是樣品4，其次是樣品3，5，最差的是樣品2，這說明直的管發射好，彎的管發射差，比較樣品1，2，樣品1比樣品2發射好，這是因為樣品2的管長得太密，相鄰的碳納米管發生靜電屏蔽效應。比較樣品3，4，5，樣品4管直且密度適中，因此發射最好，樣品3因為長得還不夠直，樣品5因為長得太密，所以發射不如樣品4。
權利要求
1.一種可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法，其特徵在於其包括以下工藝步驟(a)用磁過濾真空弧等離子體薄膜沉積或磁控濺射的方法在襯底上鍍上一層催化劑薄膜；(b)將鍍了催化劑的襯底在氫氣氣氛下，在600攝氏度的溫度下還原處理；(c)使用流量比為1∶10的乙炔和惰性氣體混合氣體為反應氣體，在700攝氏度下生長碳納米管；(d)在惰性氣體氣氛下降溫。
2.按權利要求1所述的一種可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法，其特徵在於步驟(a)所用的催化劑是鐵，鈷或鎳。
3.按權利要求1的一種可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法，其特徵在於所述的催化劑的厚度為5-100納米，氫氣還原的時間為15分鐘至5小時。
4.按權利要求3所述的可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法，其特徵在於所述的催化劑的厚度為厚度為20-50納米；氫氣還原時間為2小時。
全文摘要
本發明公開了一種可控生長具有一定直徑和分布密度的碳納米管的方法。其包括以下工藝步驟:(1)用磁過濾真空弧等離子體薄膜沉積或磁控濺射的方法在襯底上鍍上一層催化劑薄膜;(2)將鍍了催化劑的襯底在氫氣氣氛下,在600攝氏度的溫度下還原處理;(3)使用流量比為1∶10的乙炔和惰性氣體混合氣體為反應氣體,在700攝氏度下生長碳納米管;(4)在惰性氣體氣氛下降溫。本發明所述的方法簡單,僅僅控制催化劑薄膜的厚度和氫氣的還原時間這兩個參數,即可實現控制碳納米管的直徑和分布密度。
文檔編號C01B31/02GK1388059SQ0211509
公開日2003年1月1日 申請日期2002年4月17日 優先權日2002年4月17日
發明者許寧生, 馮宇濤, 陳軍, 鄧少芝, 佘峻聰 申請人:中山大學