[发明专利]一种制备碳纳米管垂直阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米技术领域，更具体地涉及纳米管阵列制备技术，进一步而言，涉及一种制备碳纳米管垂直阵列(包括但不限于单壁碳纳米管垂直阵列)的方法。

背景技术

单壁碳纳米管可以形象地看成是由单层的石墨片(即石墨稀)按一定方向卷成的直径在几个纳米(例如5纳米)以下的无缝管。根据卷曲方向(手性)的不同，单壁碳纳米管可能表现为金属性或半导体性。除单壁碳纳米管以外，还有多壁碳纳米管。多壁碳纳米管可以看成是由许多直径不同的单壁碳纳米管相互套嵌而成的，其中单壁碳纳米管的层间距与石墨的相近。多壁碳纳米管表现为金属属性。

碳纳米管是一种理想的一维纳米材料，其长径比可达132,000,000∶1，高于其它常规材料，并具有显著不同于块状石墨、金刚石以及零维富乐稀(碳60，碳70等)的特异物理性能。例如，单壁碳纳米管的带宽一般在0-2eV之间；最大电流密度可达10¹³A/m²，是铜的1000倍；导热率达～2000W/(m·K)，是铜的5倍；杨氏模量约1TPa，最大抗拉强度约100GPa，强度比钢高100倍，而重量只有钢的六分之一。这使得碳纳米管在光学、电子和机械领域具有非常广泛的应用前景。例如，碳纳米管可以用于碳纳米管增强复合材料、透光导电薄膜、场发射器件、纳米晶体管、纳米传感器、超级电容、热管理器件和超大规模集成电路互联线等等。由于单壁碳纳米管既有金属属性的，又有半导体属性的，因此其应用前景较多壁碳纳米管更为广泛。当前，碳纳米管的应用受到了其制备技术的严重制约，主要制约因素在于无法在生产过程中有效控制催化剂的活性，也难以在生产过程中有效控制碳纳米管的特性：如取向、密度、质量、纯度、直径和手性等等。

目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法，固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法以及聚合反应合成法等。但是多数方法只能制备杂质含量(主要是金属催化剂和其它形态的碳材料)很高，取向杂乱的碳纳米管粉末。化学气相沉积法是目前最主要的用于碳纳米管定向生长的方法，其在碳纳米管的质量、纯度、取向、长度、密度和面积，尤其是选择性集成生长等方面具有其它方法无法比拟的优越性。

在单壁碳纳米管垂直阵列制备方面，最具有代表性的是Maruyama Shigeo等人于2004年提出的技术方案。所述技术方案利用常压热化学气相沉积方法，以酒精作为原料首次制备出了单壁碳纳米管垂直阵列。其缺点是产率极低，碳纳米管只能生长到几微米厚。随后Hata Kenji等人和Zhong Guofang等人分别制备出了毫米级的单壁碳纳米管垂直阵列。前者使用常压水蒸气辅助热化学气相沉积方法，但是使用乙烯作为碳源，通过向生长气氛中添加百万分之几十至几千水蒸汽的方法获得极高的产率，能够快速制备1-2毫米的碳纳米管(例如，制备速度大约为200微米/分钟)，不过催化剂的寿命一般不超过半小时，生长的单壁碳纳米管直径偏大(例如，平均直径达3-4纳米)，其长度密度控制非常困难；后者则利用远程微波等离子体化学气相沉积方法，尽管单位时间的产率不高，但是催化剂的寿命达到几十小时以上，另外其适中的生长速率(例如，制备速度大约为20微米/分钟)使得碳纳米管的长度控制成为可能。

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻现有技术制备单壁碳纳米管的弊端，通过尽可能简单的技术和工艺实现单壁碳纳米管的制备。

为实现上述目的，本发明提供一种制备单壁碳纳米管垂直阵列的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在基片表面上沉积厚度为3-20纳米的铝膜；

(2)根据需要，在室温下氧化或者在低于200摄氏度的温度下氧化所述铝膜；

(3)在所述铝膜或氧化铝膜上沉积0.2-1.0纳米的催化剂层；

(4)在所述催化剂层上沉积不厚于0.5纳米的铝膜；

(5)将步骤(4)的产物即沉积了催化剂/支撑膜的基片放入低压化学气相沉积系统的真空室内的样品加热台或加热器上，对真空室抽真空至优于0.01毫巴以上，然后在0.1-100毫巴氢气气氛下将所述基片于1-10分钟内从室温加热到550-850摄氏度的生长温度；或者将所述基片放入低压化学气相沉积系统真空室内的样品传送机构上，对真空室抽真空使背底真空度优于0.01毫巴，然后在0.1-100毫巴氢气气氛下将样品加热台从室温加热到550-900摄氏度，再用样品传送机构将所述基片传送到加热器上，使基片得以快速加热到550-850摄氏度的生长温度。