[发明专利]在碳纳米管上沉积金属或准金属的方法和系统

说明书

本发明涉及在碳纳米管(CNT)上沉积金属或准金属的方法和工业系统。

碳纳米管是在制造金属基体(制造金属-CNT合金)或复合陶瓷方面非常有前途的增强材料。然而，试验已表明，在这样的应用中，CNT的力学性能低于预期的那些。已经发现解释这些结果的若干种原因。

一方面，当将CNT置于使它们的结构和它们的性能恶化并使它们的增强性能降低的氧化气氛中时，它们具有与金属基体相互作用的倾向。而且，CNT和金属基体之间的界面结合是弱的，这增大了粘合力(cohesion)损失的风险。

而且，在金属-CNT合金的制备期间，所达到的温度导致碳纳米管之间的反应，该反应产生碳化物。这损害了纳米管的微结构和界面性质。

为了解决该问题，已经提出了若干种方法：

1-所提出的第一种方法在于向碳纳米管的壁上沉积无机材料例如金属的层。

为了这样做，存在若干种沉积方法：

a)-湿法途径：

该方法是简单的并且可以在低温下进行。然而，难以完全清洗掉产物的残余物和精确地控制沉积在CNT表面的颗粒的尺寸。而且，CNT的高表面张力和高疏水性使它们难以润湿。最后，所述颗粒可以不可控方式填充CNT的空穴。

b)-蒸气途径(物理气相沉积(PVD)或金属有机化学气相沉积(CVD))

蒸气途径最佳地改善了对沉积的控制，因为可改变流动速率和暴露时间。由此可以精确地控制颗粒在CNT表面的生长。然而，合适的反应性分子的缺乏将该方法的应用限于金属沉积。

而且，在CNT上进行的沉积实验已经表明，难以成功地在CNT表面完美地沉积精细且均匀的膜。这是因为这些技术可适用于平坦的基底；对于纳米管，它们的效力降低，对于纳米管束更是如此。

c)-固体途径：

已经尝试各种固体途径方法以改善气相沉积工艺。

在Q.Kuang等人的文章“Controllable fabrication of SnO₂-coatedmultiwalled carbon nanotubes by chemical vapor deposition”(Carbon，44(2006)，第1166-1172页)中描述了一种通过将SnH₄前体注入到在550℃下加热并且处于23.2托即3×10^-2巴的压力下的反应器中而沉积二氧化锡的方法。该方法需要使用硝酸来纯化CNT。

一种描述于例如专利US 2006/0043649A1中的方法被开发用于硼的沉积。该方法在于将MgB₂粉末与用氢氟酸(HF)纯化的CNT混合。一旦混合，便用铊箔包住所述组合体(assembly)并且将其置于处于1100℃和0.5托即6×10^-4巴的压力下的炉子中。

一种描述于L.Fu，Z.Liu等人的标题为“Carbon Nanotubes Coated withAlumina as Gate Dielectrics of Field Transistor”的文章(Adv.Matter，2006，18，第181-185页)中的方法被开发用于沉积铝。该方法使用超临界途径。将CNT溶解在含有硝酸铝九水合物的乙醇溶液中。在35℃下注入超临界CO₂。形成乙醇和CO₂的混合溶液并且其使硝酸铝九水合物溶解。然后将该组合体在80℃下加热6小时。

最后，已经尝试以有机前体尤其是乙酰丙酮合铜(II)为原料的铜沉积实验。CNT用硝酸进行纯化，然后通过所述前体进行浸渍，然后置于处于300℃下并且具有200ml/min的氢气流速的炉子中30分钟。该实验描述于G.Wenli，Z.Yue，L.Tongxiang的题为“Preparation of Copper Coated Carbon Nanotubesby Decomposition of Cu(II)acetylacetonate in Hydrogen Atmosphere”的文章(J.Mater.Sci.，41，2006，第5462-5466页)中。

这些技术难以变换为连续生产并且需要限制性的条件。而且，CNT必须进行纯化以改善沉积效率。