[发明专利]制备碳纳米管膜的方法、碳纳米管膜和碳纳米管元件

说明书

技术领域

本申请涉及制备碳纳米管(CNT)膜的方法，具体地涉及制备透明导电碳纳米管膜的方法，以及由所述方法制备的CNT膜。本申请也涉及包含所制备的碳纳米管膜的碳纳米管元件。

背景技术

对于一维纳米材料，碳纳米管(CNT)越来越成为多学科研究的焦点，并且它们独特的物理和化学性质以及它们用于实际应用的前景给基础科学和新技术带来了许多崭新的机会。CNT同时具有强度和柔性，所以它们非常适用于柔性电子组件。最近，由CNT制成的柔性透明的导电薄膜引起了众多关注，并且已经成为了目前兴趣的焦点，这在某种程度上是因为它们能够应用于电致发光、光导体和光伏器件中。

虽然光学透明和高导电性的铟锡氧化物(ITO)已经广泛地用于光电应用中，但是ITO的固有脆性严重限制了膜的柔性。CNT薄膜的性质使得它们适合于代替ITO。例如，能够重复地弯曲CNT膜而不破碎。具有低薄层电阻的CNT薄膜在可见光和红外区域也是透明的。而且，低成本和可调的电子性质赋予了CNT薄膜进一步优势。

在碳纳米管膜的实际应用中，需要同时考量碳纳米管膜的透明性和导电率。增加碳纳米管膜的厚度将增加膜的导电性，但是会降低膜的透明性，反之亦然。

现有技术中一般使用过滤法(参见Wu，Z，et al.，A.G.Science 2004，305，1273)或者喷射法(参见Geng，H.-Z et al.，J.Am.Chem.Soc.2007，129，7758来制备碳纳米管膜。

一般而言，在通过例如化学气相沉积(CVD)和电弧法等方法制得碳纳米管后，将碳纳米管分散在溶剂中，通过过滤制备碳纳米管膜。但是该基于过滤制备碳纳米管膜的方法需要使用大量表面活性剂，而且还需要使用薄膜过滤器。此外，除去薄膜过滤器需要大量的时间，并且在浸渍过程中需要大量的“清洗剂”(例如丙酮)。如果不能够完全除去该薄膜过滤器，就将会增加CNT膜的薄层电阻，并降低它们的透明性。

在使用喷射法制备碳纳米管膜的过程中，同样需要使用表面活性剂来将碳纳米管分散成小束。

而且，在使用超声波来分散碳纳米管的时候，超声会损害碳纳米管的侧壁。此外，碳纳米管上未除净的表面活性剂可能会通过在碳纳米管上的随机吸附导致稳定分散，而且会覆盖碳纳米管或使碳纳米管变性。

因此，本领域需要获得高导电率和高透明性的碳纳米管膜的方法。

发明内容

本申请的第一方面提供制备透明导电碳纳米管膜的方法，其包括以下步骤：

(a)在基板上制备均匀催化剂层；和

(b)利用化学气相沉积(CVD)法，在得自步骤(a)的均匀催化剂层上生长透明导电碳纳米管膜。

在本申请第一方面的一种实施方式中，步骤(a)可以包括使用溶剂配制催化剂溶液，在基板上获得均匀催化剂溶液膜，以及干燥获得的均匀催化剂溶液膜，形成所述均匀催化剂层。在该实施方式中，优选所述均匀催化剂溶液膜的湿膜厚度为11～33微米。优选所述溶剂选自醇类溶剂、醚类溶剂和酮类溶剂。在该实施方式中，优选所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、乙醚和甘油。

在本申请第一方面的一种实施方式中，所述CVD法可以包括将催化剂层中的催化剂还原。在该实施方式中，所述CVD法还可以包括使用碳源和载气生长透明导电碳纳米管膜。

在本申请第一方面的一种实施方式中，所述CVD法使用600℃-1200℃的温度生长透明导电碳纳米管膜，优选使用900℃-1000℃的温度。

在本申请第一方面的一种实施方式中，所述CVD法使用600℃-1200℃的温度还原催化剂，优选使用900℃-1000℃的温度。

在本申请第一方面的一种实施方式中，使用20-2000sccm的氢气还原催化剂。

在本申请第一方面的一种实施方式中，催化剂的还原时间为5-200分钟，优选催化剂的还原时间为10-40分钟。

在本发明第一方面的实施方式中，在CVD方法中碳源与载气的流速比可以为1∶8至3∶4。

在本申请第一方面的一种实施方式中，催化剂选自过渡金属、过渡金属盐及其组合。在本申请第一方面的另一实施方式中，所述催化剂选自铁盐、铜盐、钴盐、钼盐及其组合。