[发明专利]透明且导电的单壁碳纳米管

说明书

发明背景

本发明涉及碳纳米管领域，且更特别涉及均一的导电和光学透明的单壁碳纳米管(SWNT)膜。 

发明背景

碳具有四种已知的通常结构，其包括金刚石、石墨、富勒烯和碳纳米管。结晶结构指的是原子的晶格排列。碳纳米管指的是生长有单壁或多壁的管状结构，它可以认为是多个六边形形成的卷起的片，片通过合并其中的每个碳原子与三个相邻的碳原子形成。碳纳米管具有几埃到几百纳米级的直径。根据六边形碳原子晶格相对管轴和管直径的取向，碳纳米管可以用作导电体，类似金属，或者用作半导体。 

最初，如Sumio lijima的题目为“Helical Microtubules ofGraphitic Carbon”的文章(Nature，Vol.354，Nov.7，1991，pp.56-58)所报道的，碳纳米管通过两个石墨棒之间的电弧放电制备。这种技术大部分制备的是多壁碳纳米管。制备大部分单壁碳纳米管的方法是D.S.Bethune和其同事后来公开和报道的(Nature，Vol.363，pp.605(1993))。 

对于光学透明、导电的膜存在大量的应用。作为产品，由于单壁碳纳米管已知基本构成本质上为金属性的纳米管的部分(典型地为大约1/3)，纳米管膜可以用于这些应用中，只要这些膜是光学透明的，在其面积上具有均一的光学密度并且整个膜都具有良好的导电性。光学透明性要求将膜制备的足够薄。在通光孔上的均一的光学密度要求纳米管均匀分布在膜上。最后，整个膜良好的导电性要求有足够的纳米管-纳米管交迭遍布膜。 

制备满足这些薄度、均匀性和良好的管间接触要求的纳米管膜中主要的问题在于在任何可蒸发的溶剂中纳米管溶解性的不足。假设这样一种溶剂，纳米管可以简单的以稀释的浓度溶解于其中并且然后在表面上的薄的均匀的层中浇铸或喷雾，一旦溶剂蒸发，就留下期望的透明纳米管层。由于已知没有这样的用于纳米管的溶剂，如果试图沉淀，其中纳米管被分散(例如通过超声法)在例如乙醇的溶剂中，就会导致沉淀区域面积上不均匀的纳米管丛。 

纳米管可以借助于稳定剂例如表面活性剂和聚合物或通过纳米管侧壁的化学改性均匀悬浮在溶剂中。但是稳定剂防碍了要求的纳米管膜的电学连续性。稳定剂通常是电绝缘体。一旦溶剂蒸发，纳米管和稳定剂都会保留下来，稳定剂防碍了管之间的电接触。在纳米管侧壁化学改性的情况中，纳米管本身的导电性降低。 

结果是当纳米管的薄的且适当透明的膜制备用于某些科学目的时，例如记录光学透射光谱，这些膜不能提供足够的导电性，所述导电性是需要提供高导电性和光学透明性的膜的应用(例如光学透明的电极)所必须的。 

发明概述

一种光学透明且导电的单壁碳纳米管(SWNT)膜，其包含多个互相贯穿的单壁碳纳米管SWNT，其中对于100nm的膜，该膜具有足够的互穿(interpenetration)以提供25℃下小于200欧姆/sq的薄层电阻(sheet resistance)。在整个0.4μm到5μm的波长范围内，该膜还提供了至少20％的光学透射率。在优选的实施方案中，膜的形态学包含堆叠的平面，在平面中SWNT具有随机的取向。在0.4μm到5μm内光学透射率可以是至少30％。 

这种SWNT膜可以包括至少一种掺杂剂。在这个实施方案中，对于100nm厚的膜，薄层电阻通常＜50欧姆/平方(ohm/suqare)。掺杂剂可以选择由卤素和石墨插层剂例如碱金属组成的组。膜通常基本由SWNT组成(以重量计＞99％)。 

附图简介

本发明较完整的理解以及其中的特征和优点在评论以下详细描述和附图中一起完成，其中： 

图1说明了一种透明的300nm厚SWNT膜的拉伸穿过铝板上的孔洞的扫描图像，该膜按照根据本发明形成膜的优选的方法形成。 

图2说明了安装在塑料片上与图1所示膜相比较薄的(大约90nm)、但是较大直径的膜的透明性。 

图3说明了根据本发明实施方案形成的在石英基质上的50nm的SWNT膜和240nm厚的无支撑物(freestanding)的SWNT膜透射光谱，对于掺杂的未掺杂的膜，其在整个可见光和NIR范围内显示了高透射率。无支撑物的、更厚的膜允许在广泛的光谱范围内记录透射率而不会防碍来自载体基质的吸收。 

发明详述