一種單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集方法與專用裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單壁碳納米管薄膜的可控、均勻收集技術(shù)，具體為一種浮動催化劑法生長的單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集方法與專用裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]單壁碳納米管因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)特性，適合用于制備透明導(dǎo)電薄膜和柔性薄膜晶體管電路等。單壁碳納米管薄膜電子器件在未來的電子紙、柔性電池、電子標簽、柔性透明顯示、甚至取代硅基半導(dǎo)體材料等領(lǐng)域可望具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]目前，利用浮動催化劑化學(xué)氣相沉積方法生長及收集的單壁碳納米管薄膜展示了誘人的光電性能。[文獻 I，Sun DM, Timmermans MY, Tian Y, Nasibulin AG, KauppinenEI，Kishimoto S，Mizutani T, OhnoY, NatureNanotechnology, 2011, 6 (3) 156-161 ;文獻 2，Sun DM, Timmermans MY, Kaskela A，Nasibulin AG，Kishimoto Sj Mizutani T，KauppinenEIj Ohno Yj Nature Communicat1ns, 2013，4:2302.]。其設(shè)計的收集裝置為針式微孔濾膜過濾收集裝置，即在浮動催化生長單壁碳納米管裝置的排氣端加裝針式過濾器，生成的單壁碳納米管隨載氣流出生長裝置、并沉積在微孔濾膜上。濾膜上的碳納米管薄膜可以轉(zhuǎn)移到包括塑料、玻璃、石英、硅片和金屬等基底上。[文獻3，NasibulinAG，Kaskela A，Mustonen K, Anisimov AS, Ruiz V, Kivsto S，Rackauskas S，TimmermansMY，Pudasj Mj Aitchison B，Kauppinen M，Brown DPj Okhotnikov, OGj Kauppinen EIj ACSNano, 2011，5 (4)，3214—3221]。
[0004]該方法目前存在的主要問題是:(1)過濾器在進氣口以及出氣口處管徑發(fā)生收縮和放大會產(chǎn)生渦流，影響單壁碳納米管在基底上的均勻分布；(2)基底材質(zhì)僅限于多孔濾膜，需要根據(jù)應(yīng)用進行相應(yīng)轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)移過程中會引入污染物影響碳納米管的本征性能；
(3)針式過濾器加裝在排氣管上，距離單壁碳納米管生長室遠，這導(dǎo)致高質(zhì)量的大長徑比單壁碳納米管易黏附在管路的壁上；而所收集薄膜中的單壁碳納米管長度較短，這顯著增加了碳納米管間的接觸電阻，進而導(dǎo)致所構(gòu)建器件的載流子迀移率、電導(dǎo)率等性能降低。因而，目前的主要問題是如何縮短收集室與碳納米管生長室之間的距離、避免渦流現(xiàn)象，實現(xiàn)高長徑比、均勻分布的單壁碳納米管薄膜收集，以滿足高質(zhì)量、高性能光電器件的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一在于提供一種高長徑比單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集方法與專用裝置，克服目前浮動催化劑化學(xué)氣相沉積法收集的單壁碳納米管長徑比小這一技術(shù)難題。
[0006]本發(fā)明的目的之二在于提供一種常溫、常壓下不受基底形狀、材質(zhì)限制的單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集方法與專用裝置，克服已有的單片濾膜收集方法局限于基底種類以及轉(zhuǎn)移過程中引入污染物的問題。
[0007]本發(fā)明的目的之三在于提供一種均勻、密度可控的單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集方法與專用裝置，克服目前薄膜收集方法存在的碳納米管薄膜分布不均勻問題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]一種單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集方法，在化學(xué)氣相沉積碳納米管生長爐尾端設(shè)計安裝球閥開關(guān)和薄膜收集室，在不改變?nèi)魏紊L條件的前提下，在各種薄膜基底表面直接、連續(xù)收集高質(zhì)量碳納米管薄膜，通過調(diào)節(jié)沉積時間、載氣流速實現(xiàn)均勻、厚度可控的單壁碳納米管薄膜的收集。
[0010]所述的單壁碳納米管薄膜連續(xù)收集裝置的薄膜基底不受限制，薄膜基底為多孔濾膜、濾紙、PET類塑料基底、硬質(zhì)硅片或石英片，收集到的薄膜直接作為透明導(dǎo)電薄膜、透明電極或者光電器件薄膜晶體管的溝道材料。
[0011]所述的單壁碳納米管薄膜的密度通過收集時間和載氣流速進行調(diào)控，薄膜透光率在99%以下均勻可控。
[0012]所述的單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集方法的專用裝置，該裝置包括化學(xué)氣相沉積碳納米管生長爐、薄膜收集室、真空泵、循環(huán)水冷裝置，具體結(jié)構(gòu)如下:
[0013]化學(xué)氣相沉積碳納米管生長爐中設(shè)置單壁碳納米管生長室，單壁碳納米管生長室與球閥開關(guān)的一端通過配套的法蘭和法蘭開關(guān)密封連接，球閥開關(guān)的另一端通過配套的法蘭和法蘭開關(guān)與薄膜收集室的一端密封連接，薄膜收集室的另一端與回路的一端通過配套的法蘭和法蘭開關(guān)密封連接；在薄膜收集室后部延伸出一出氣口連接真空泵，真空泵上設(shè)置真空泵氣路開關(guān)，真空泵的抽氣系統(tǒng)由真空泵氣路開關(guān)控制，薄膜收集室中設(shè)置成膜收集固定裝置、薄膜基底；回路的另一端與化學(xué)氣相沉積碳納米管生長爐的單壁碳納米管生長室和載氣出口相通，單壁碳納米管和載氣出口外側(cè)設(shè)置循環(huán)水冷裝置；所述回路上設(shè)置三通閥、旁路氣路開關(guān)，三通閥的兩通分別與回路相通，三通閥的第三通與出氣口相連。
[0014]所述的薄膜收集室為勻徑圓管或變徑圓管，其管腔內(nèi)設(shè)置有溝槽用來放置成膜收集固定裝置，成膜收集固定裝置在溝槽內(nèi)移動來調(diào)節(jié)薄膜基底接收薄膜的位置，薄膜基底由成膜收集固定裝置上的壓片固定。
[0015]所述的球閥開關(guān)、薄膜收集室分別與化學(xué)氣相沉積碳納米管生長爐中的單壁碳納米管生長室不變徑相連。
[0016]所述的化學(xué)氣相沉積碳納米管生長爐中合成的單壁碳納米管隨載氣勻速流至薄膜收集室，并沉積在預(yù)制的薄膜基底上，當膜厚達到要求時，關(guān)閉球閥開關(guān)、打開三通閥、拆卸成膜收集固定裝置，更換薄膜基底、打開真空泵排盡裝置內(nèi)空氣、打開球閥開關(guān)，通過重復(fù)上述步驟，連續(xù)收集單壁碳納米管薄膜。
[0017]所述的單壁碳納米管的薄膜收集室安裝在橫式或豎式化學(xué)氣相沉積爐上進行碳納米管薄膜收集。
[0018]所述的單壁碳納米管生長、收集過程中的氣路轉(zhuǎn)換通過三通閥實現(xiàn)，保證體系內(nèi)壓強恒定。
[0019]所述的薄膜收集室連接有抽真空裝置，排出因打開裝置取出基底而從外界進入的空氣。
[0020]本發(fā)明的設(shè)計思想是:
[0021]浮動催化劑化學(xué)氣相沉積法合成的單壁碳納米管在載氣的攜帶下，由生長室流動至收集室，沉積在基底上成膜。通過調(diào)節(jié)碳納米管在基底上的沉積時間、氣流量等實現(xiàn)對基底表面單壁碳納米管密度的調(diào)節(jié)。薄膜連續(xù)收集可以由球閥裝置以及氣路三通閥共同控制，調(diào)節(jié)氣路開關(guān)，可以在不影響碳納米管生長參數(shù)下實現(xiàn)連續(xù)收集高質(zhì)量的單壁碳納米管薄膜。收集室安裝在反應(yīng)爐尾端，可實現(xiàn)高長徑比單壁碳納米管的收集?；淄ㄟ^卡槽設(shè)計來固定薄膜收集基底，因而基底材質(zhì)不受限制。生長室與收集室之間有水冷裝置，保證了收集室的溫度恒定。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是:
[0023]1、本發(fā)明涉及的單壁碳納米管薄膜的連續(xù)收集技術(shù)與專用裝置，與目前普遍采用的針式過濾器法裝置相比，可實現(xiàn)更高質(zhì)量、大長徑比單壁碳納米管的直接成膜。對沉積基底沒有選擇性，即可以在任意基底上沉積單壁碳納米管薄膜，收集薄膜過程中不會對反應(yīng)爐內(nèi)的氣氛產(chǎn)生任何影響，保證單壁碳納米管的生長和薄膜收集兩個過程獨立，且互不影響。
[0024]2、本發(fā)明裝置易拆卸安裝，適應(yīng)性好，可安裝于豎式，橫式等不同類型的化學(xué)氣相沉積爐。該方法克服了目前普遍采用從化學(xué)反應(yīng)爐中引出導(dǎo)管后利用針式