[发明专利]碳纳米管晶体片材

说明书

薄膜带电为极性。使溶液中的碳纳米管(CNT)的表面获取所述极性的电荷。所述溶液通过所述薄膜过滤。所述极性的所述薄膜与所述极性的所述CNT之间的电磁排斥使所述CNT自发排列以形成晶体结构。

技术领域

本发明总体上涉及一种碳纳米管的制造装置，以及用于所述制造的方法和设备。更具体地，本发明涉及碳纳米管的晶体片材，以及用于制造碳纳米管的晶体片材的方法和设备。

背景技术

在说明性实施例的范围内-

(a)碳纳米管(CNT)：是指基本上完全由碳原子形成的单壁中空开口圆柱形圆管状结构。

(b)片材(Film)：指的是片状结构，其厚度与其表面积相比可忽略不计。例如，与1平方英寸的表面积相比，厚度可以为30-300纳米(nm)的量级。

(c)结晶CNT(CCNT)，CNT的晶体结构：是指以这样的方式排列的CNT：使得在CNT膜的横截面中，所述单独的CNT的中心形成周期性排列(晶格)。例如，所述CNT可以布置成六边形格子，在这种情况下，任何3个最近的CNT的所述中心将形成等边三角形。

(d)结晶CNT片材(CCF)：由CNT形成的片材，其中更多的CNT处于结晶排列。基于验证方法的CCF定义如图4所示，并在后面进行介绍。

碳纳米管具有几种非凡的物理性能，并且在电子、光学和材料工程中具有广泛的应用。CNT是所有材料中载流量最高的导体之一，它们还是最坚固的材料之一，抗拉强度比钢高约100倍。

CNT在光学中也有许多应用，特别是考虑到碳纳米管激子的能量在红外电信范围内。碳纳米管在能源科学领域也有许多前瞻性应用，包括超级电容器、光伏和电池。

碳纳米管的某些应用依赖于隔离碳纳米管并将其作为个体并入电子或光学装置中。然而。其他应用涉及厚或薄的片材中的大量碳纳米管。通常，这些纳米管膜是无序的，即，其中CNT未以任何特定布置来布置。以前，除了碳纳米管的无序片材之外，还制造了碳纳米管的结晶绳。然而，所述绳索尺寸很小(直径＜50nm)，所述绳索本身的放置也很混乱。

此外，绳索在结构上与片材实质上不同。所述片材的表面积类似于所述绳索的所述横截面，所述片材的所述厚度类似于所述绳索的长度，并且相对于绳索结构的所述表面积而言，所述厚度不再像用于片材结构那样可忽略不计。

所述说明性实施例认识到将所述碳纳米管排列成单晶体对于许多应用将是期望的。CCF是本文考虑的有序CNT的单块晶体的实例。例如，对于电子产品，六边形排序的CCF将具有最高可能的纳米管密度，因此具有最高的载流量。作为另一示例，对于光学应用，这种高密度的纳米管将导致更强的光学活性。对于依赖碳纳米管发光的应用来说，较强的光学活性可以转化为更亮的发射，而对需要碳纳米管具有强烈的chi-3光学非线性的光学应用而言，所述较强的光学活性可以转化为更强的非线性。对于机械应用，预期所述纳米管晶体片材比无序纳米管的片材更强。

说明性实施例描述了有序的CNT的单晶体的结构，例如，本文描述的CCF，以及制造它们的方法。说明性实施例提供一种形成晶体碳纳米管的均匀致密片材的方法。通过说明性实施例产生的CCF可以使用所描述的方法容易地缩放至晶片尺寸的片材。这种晶片尺寸的片材在使用合适的基底材料的晶片的半导体和/或金属片材制造中特别有用。

此外，所述说明性实施例的方法产生多晶片材，即，包括多个晶畴的片材。实验表明该方法能够产生多晶畴(polycrystalline domains)，其中每个晶畴大约为25nmx25nm，并且观察到100个或更多CNT的晶畴。换句话说，已经发现在实验中观察到的晶格具有重复的三角结构，该六边形晶格形成具有约25nm×25nm的晶畴尺寸的六边形晶格。晶格常数约为1.6nm。实验生产的CCF的总直径为1英寸，厚度可从30nm调整到300nm。注意，在说明性实施例的考虑范围内，晶畴是多个晶体结构的集合，其中两个或更多个晶体结构共享一个或更多个纳米管。