[发明专利]一种制备高纯度单壁碳纳米管垂直阵列的方法

说明书

技术领域

本发明是一种制备垂直排列单壁碳纳米管阵列的方法，具体而言涉及一种常压下水分辅助化学气相沉积法制备高纯度单壁碳纳米管垂直阵列的方法，属于纳米技术领域。

背景技术

碳纳米管是由碳原子形成的石墨片层卷曲而成的一维中空纳米材料。结构上的特殊性决定了碳纳米管具有一系列优异的性能，如极高的机械强度、独特的导电性、良好的传热能力、高的比表面积、化学稳定性、以及良好的场发射性能等等。因此，自从上世纪90年代，碳纳米管一经发现就引起了国际学术界和产业界的广泛关注。

在碳纳米管所构成的各种宏观体材料中，如碳纳米管纤维、碳纳米管纱线、碳纳米管薄片等，垂直排列的碳纳米管阵列由于具有良好的方向性，因此可以最大程度地保留单根碳纳米管的优异性质，可以广泛应用于场发射阴极材料、热界面材料、集成电路互连、传感器、催化剂载体等方面。

根据构成碳纳米管的石墨片的层数，碳纳米管通常分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种。垂直排列的单壁碳纳米管阵列由于具有出色的导电性、结晶性和极高的比表面积，因此在催化、吸附、过滤、储能及纳米电子器件等方面都具有重要的应用前景。

   从上世纪90年代开始，人们对于多壁碳纳米管阵列的制备进行了广泛的研究。先后采用热CVD和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法，制备出垂直排列的多壁碳纳米管阵列。经过近些年的研究，多壁碳纳米管的制备技术渐臻成熟，目前已经能够实现样品的较大规模制备。然而，对于单壁碳纳米管阵列而言，由于工艺控制难度大，因此到目前为止的大多数研究还只限于实验室规模，并且所获得样品的纯度和制备效率都很低。乙醇化学气相沉积法(Alcohol CVD)，是

由S. Muruyama等人于2002年（S. Maruyama, R. Kojima, Y. Miyauchi, S. Chiashi, M. Kohno. Chem. Phys. Lett. 2002, 360: 229-234）提出的。该技术引入乙醇蒸汽作为碳源，虽然可以生长垂直排列的单壁碳纳米管阵列，但是生长效率却很低，十分钟只能获得几十微米高的单壁碳纳米管。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术制备单壁碳纳米管的弊端，如常规CVD方法生长单壁碳纳米管阵列难度大，所获得碳纳米管纯度不高等缺点，提供一种常压下的水分辅助化学气相沉积技术。

   本发明的制备垂直排列单壁碳纳米管阵列的方法，基于常压化学气相沉积技术，以氧化铝负载的过渡金属Fe为催化剂，惰性气体和氢气为载气，通过向生长气氛中添加50-1000ppm浓度的水分以提高催化剂效率和寿命，制得垂直于基片排列的高纯度单壁碳纳米管。

本发明所提供的制备垂直排列单壁碳纳米管阵列的方法，可以包括如下步骤：

（1）将带有催化剂的基片放入化学气相沉积系统的石英管中，密封好后升温，升温过程中以惰性气体和氢气的混合气体作为保护气体，将反应体系从室温加热到生长温度；

（2）达到生长温度后，先通入带有水分的惰性气体，保温1-10分钟；然后通入碳源气体，生长5-30分钟； 

（3）生长结束后，除惰性气体外，关闭所有反应气体（水蒸汽、氢气、碳源气体），并加大惰性气体流量吹扫尾气，同时反应体系开始降温。

上述过程中，所述升温过程为：10-15分钟，将反应体系温度升至 750-850℃，升温是以室温为起点的。    

上述过程中，所述惰性气体包括高纯氩气或氦气，升温过程中惰性气体与氢气的体积比可为1:9～9:1。

上述过程中，碳纳米管生长中所需的水分由一路通过鼓泡器的惰性气体提供，水分在生长气氛中的体积浓度可为50-1000ppm。

上述过程中，步骤（1）中，所述惰性气体与氢气的总流量可为500-10000sccm。

上述过程中，步骤（2）全过程所通入气体的总流量与步骤（1）中相同，以保证步骤（1）阶段到步骤（2）阶段切换时气体总流量不变 。

上述过程中，所述碳源气体为高纯乙烯，碳源气体的流量可为10-500sccm，优选50-100sccm。

上述过程中，所述基片为单晶硅片或金属合金片；所述催化剂为沉积在基片上的氧化铝负载的Fe薄膜。且氧化铝薄膜厚度10-30nm，铁薄膜厚度为1-2nm。

上述过程中，所述气体的流向可与基片平行或垂直。

上述过程中，所添加的水分在单壁碳纳米管生长过程中，起到提高催化剂效率和寿命的重要作用。

上述过程中，可通过控制催化剂分布，制备不同形状的碳纳米管阵列结构。