[发明专利]一种小直径、金属性单壁碳纳米管的生长方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及金属性单壁碳纳米管的直接、可控制备领域，具体为一种小直径、金属性单壁碳纳米管的生长方法和应用。

背景技术

碳纳米管具有独特而优异的电传输特性，被认为是构建下一代纳电子器件的理想材料之一。单壁碳纳米管的导电属性可表现为金属性或半导体性，取决于构成其石墨烯片层的卷曲方式。半导体性单壁碳纳米管可用于构建场效应晶体管和光电子器件，而金属性单壁碳纳米管可用作高频装置或器件间的互连导线。目前制备得到的单壁碳纳米管通常是金属性和半导体性碳纳米管的混合物，这在很大程度上妨碍了单壁碳纳米管在微电子器件等领域的应用及相关研究。因此，单一导电属性单壁碳纳米管的制备研究倍受关注。目前，半导体性单壁碳纳米管的控制制备研究进展较大，主要利用金属性和半导体性单壁碳纳米管在反应活性上的细微差异。金属性单壁碳纳米管的反应活性相对较高，在制备过程中引入刻蚀性气体或光辐照等会优先刻蚀掉金属性单壁碳纳米管。相比于半导体性单壁碳纳米管，金属性单壁碳纳米管的控制制备进展缓慢。仅有Avetik等人报道通过改变催化剂热处理所用的气体种类，来调控催化剂的形貌，制备出含量为91％的金属性单壁碳纳米管(文献1,Harutyunyan AR,Chen GG,Paronyan TM,Pigos EM,Kuznetsov OA,Hewaparakrama K,Kim SM,Zakharov D,Stach EA,Sumanasekera GU,Science2009,326(5949),116-120)。

氮作为异质原子掺杂在碳纳米管的石墨烯面层，会影响费米面的上下移动，从而导致其电学性能的改变。尽管氮对单壁碳纳米管生长过程的影响有了初步的研究(改变其直径分布)，也有研究表明氮掺杂可使单壁碳纳米管表现为金属性(文献2,Y.Liu,Z.Jin,J.Wang,R.Cui,H.Sun,F.Peng,L.Wei,Z.Wang,X.Liang,L.Peng,and Y.Li,Adv.Funct.Mater.2011,21,986-992)，但是通过氮掺杂直接调控碳纳米管的导电属性为金属性的研究还尚未报道，并且氮对碳纳米管直径分布的影响还存在争议(文献3,Z.Zhu,H.Jiang,T.Susi,A.G.Nasibulin and E.I.Kauppinen,Journal of the American Chemical Society,2010,133,1224-1227；文献4,T.Thurakitseree,C.Kramberger,P.Zhao,S.Aikawa,S.Harish,S.Chiashi,E.Einarsson and S.Maruyama,Carbon,2012,50,2635-2640)。而这些争议的主要原因在于：各体系使用的氮源和催化剂不同，即催化剂和氮源的裂解程度影响碳纳米管生长和刻蚀之间竞争的主导关系。此外，已有关于氮掺杂单壁碳纳米管的制备研究均采用金属颗粒为催化剂，金属颗粒的残留会影响单壁碳纳米管的本征性能。

目前的主要问题是：如何通过调控单壁碳纳米管的生长和掺杂条件，实现在非金属纳米颗粒上生长氮掺杂单壁碳纳米管，通过氮与非金属颗粒的作用调控碳纳米管的生长，最终直接制备金属性单壁碳纳米管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用氮调控非金属催化剂表面的活性位而直接生长小直径、金属性单壁碳纳米管的生长方法和其应用，实现了金属性单壁碳纳米管直接控制生长，且得到的样品不含金属污染物，突破了直接制备金属性单壁碳纳米管的瓶颈，克服了现有后处理分离方法获得金属性碳纳米管的缺点，即对碳纳米管本征结构破坏严重、过程复杂等问题。

本发明的技术方案是：

一种小直径、金属性单壁碳纳米管的生长方法，以液态含氮有机物为碳源和氮源，以氢气和氩气为载气，以非金属氧化硅为催化剂，通过氮元素与非金属催化剂的作用调控碳纳米管的生长，同时原位掺杂，制备小直径、金属性单壁碳纳米管，样品中不含金属杂质，具体步骤如下：