[发明专利]一种碳纳米管阵列的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管，尤其是涉及一种低能耗、无炉生长超长(mm级)碳纳米管阵列的方法。

背景技术

碳纳米管是20世纪90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者半导体性等。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、原子力显微镜针尖、热传感器和过滤器等。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。

目前合成碳纳米管有多种方法，例如：1991年S.Iijima(S.Iijima，Nature，354，56)公开的电弧放电法，1992年T.W.Ebbesen等人(T.W.Ebbesen，et al，Nature，358,220)发表的激光烧蚀法以及1996年W.Z.Li等人(W.Z.Li，et al，Science，274，1701)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，合成方法所用仪器昂贵，且碳纳米管的产量低，很难在大尺寸基片上大规模生长碳纳米管，故目前主要用于实验阶段，很难走向工业应用。

传统的化学气相沉积法是利用含碳气体作为碳源气，在平滑基底上面沉积一层催化剂颗粒，然后利用电阻炉加热分解含碳气体，生长单壁或者多壁碳纳米管，与前两种方法相比，具有产量高、可控性强等特点，并且可以生长出有序性好的碳纳米管阵列。在传统的化学气相沉积中，管式炉则是最常用的一种加热方式，但基于管式炉设计上的特点，存在一些自身难以克服的缺点，如功耗大(多数为2000W)，能量利用率低，热容大，温度变化缓慢，产物效率低；中心温度受真空度、气体流速等多种因素的影响，温度控制不准确，且由中心向两端温度逐渐降低。这与现在合成实验的环保化、精确化、能量高利用率等趋势不相适应，尤其是对需要快速温变、温度控制精准的化学气相沉积实验体系，更是管式炉的致命弱点。

因此，提供一种快速升温降温、节能的方法合成碳纳米管阵列，显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管阵列的生长方法。

本发明的技术方案是直接利用加热片作为加热装置，通过程序灵活控制基底温度，可实现快速温度变化(大于200℃/s)，从而快速达到所需温度，合成出高质量的碳纳米管阵列。

本发明包括以下步骤：

1)提供一基底，在该基底上表面依次溅射一层缓冲层和一层催化剂层，得上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底；

2)将上表面溅射有一层缓冲层和一层催化剂的基底放在加热片上；

3)启动微区加热控制电源，直接以加热片为加热装置对基底加热；

4)通入载气和碳源气；

5)关闭微区加热控制器电源，将基底取出，得到样品。

对所获样品可进行性能测试。

缓冲层最好为氧化铝层，氧化铝层的厚度可选为10～30nm；催化剂可为单质铁、单质钴或单质镍等，催化剂也可为单质铁、单质钴、单质镍三者的合金，单质铁、单质钴、单质镍三者之间的配比可任意，催化剂最好为单质铁，催化剂层的厚度可选为0.5～2nm。

基底可选为硅片、石英片等，加热片可选为硅片、石墨片、陶瓷片、金属片等，最好以硅片作为加热片。加热的温度最好为750～850℃，温度的设定由具体化学气相沉积反应要求的反应温度确定。

载气可选择氮气与氢气的混合气，或惰性气体与氢气的混合气，载气最好为氩气和氢气的混合气。碳源可为甲烷、乙烯或乙炔等含碳气源，碳源最好为乙炔。按体积比，载气与碳源气的通气量为(10～40)∶1，最好为25∶1。