[发明专利]单一手性且密排的碳管阵列薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种单一手性且密排的碳管阵列薄膜及其制备方法，该薄膜包括：若干根呈平行排列的单壁碳管；其中，单壁碳管的直径为1nm～2nm；相邻两单壁碳管之间的间距为0.3nm～0.4nm。本发明的碳管阵列薄膜面积可任意选择；性能优异，载流子迁移率大于4000cmsupgt;2/supgt;Vsupgt;‑1/supgt;Ssupgt;‑1/supgt;，开态电流密度大于1mA/μm，电流承载能力大于8mA/μm；制备方法操作简单、成本低廉且可以大规模生产。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，特别是涉及一种单一手性且密排的碳管阵列薄膜及其制备方法。

背景技术

单壁碳纳米管(SWCNTs)具有独特的一维中空管状结构和优异的性能，其宽谱响应、高光吸收系数使其成为未来碳基高性能器件的材料基础之一，其独特的一维中空管状结构使其具备优异的电学、热学、力学特性，潜在应用范围涉及电子器件、能量储存、光电传感、柔性显示、生物医药、复合材料等。但是碳纳米管在电子器件中获得广泛应用的前提是实现其宏量可控制备。

在本世纪初，SWCNTs主要还是基于CVD生长的单根碳管，做场效应晶体管的演示，那时候主要待解决的问题是如何提高单根碳管的器件质量，比如用不同功函数的金属做接触。当接触问题被解决后，基于碳管薄膜制备大规模器件的研究逐渐变多，但是由于碳管薄膜中碳管的取向极大地影响了碳管器件的性能，只有当器件沟道中的碳管完全平行时，器件才会获得最优的性能。于是才开始致力于获得基于平行排列碳管得到的薄膜。目前主要通过以下两条路径实现：一是直接在衬底上生长碳管薄膜；二是通过一系列后处理方法将独立的碳管组装成准直的薄膜。在技术应用中，每个晶体管需要数个并行的单壁碳管通道，为了超越硅基互补金属氧化物半导体(Si-CMOS)的性能，Patil等人预测单壁碳管密度必须大于每平方微米250根管子。此外，射频应用、塑料电子、显示技术、传感器和电极等领域也需要高密度的大规模平行单壁碳管阵列。理想的碳管薄膜应该是手性单一、完全准直的密排单壁碳管阵列薄膜，理想的碳管薄膜甚至可以被称为碳管晶体，但是这种完美的碳管薄膜目前还未能可控制备。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单一手性且密排的碳管阵列薄膜及其制备方法，用于解决现有技术中未有较大尺寸的手性单一、完全准直的密排单壁碳管阵列薄膜以及其制备方法等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单一手性且密排的碳管阵列薄膜，所述碳管阵列薄膜包括：若干根呈平行排列的单壁碳管；其中，

所述单壁碳管的直径为1nm～2nm；

相邻两所述单壁碳管之间的间距为0.3nm～0.4nm。

可选地，所述碳管阵列薄膜生长于原子级平整度的衬底上，且所述碳管阵列薄膜与原子级平整度的所述衬底之间的间距为0.3nm～0.5nm。

进一步地，原子级平整度的所述衬底为六方氮化硼衬底或石墨衬底。

本发明还提供一种单一手性且密排的碳管阵列薄膜的制备方法，用于制备上述任意一项所述的单一手性且密排的碳管阵列薄膜，所述制备方法包括以下步骤：

提供具有原子级平整度的衬底；

于所述衬底表面蒸镀金属纳米催化剂颗粒；

将蒸镀有所述金属纳米催化剂颗粒的所述衬底置于炉管中进行加热，并通入甲烷或乙炔或乙醇的碳源气体，以在所述衬底上生长单一手性且密排的碳管阵列薄膜；其中生长温度为600℃～1200℃，保持所述生长温度不变生长的生长时间超过30min，生长过程中通入氢气作为保持所述金属纳米催化剂颗粒活性的气体；当所述碳源气体为甲烷时，生长过程中所述碳源气体与所述氢气的流量比大于10:1；当所述碳源气体为乙炔时，生长过程中所述碳源气体与所述氢气的流量比大于1:2；

关闭所述碳源气体，在保护气体的作用下，降温至室温。