專利名稱：?jiǎn)伪谔技{米管的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管的生長(zhǎng)方法，尤其涉及一種低溫生長(zhǎng)單壁碳納米管的 方法。
背景技術(shù)：
單壁碳納米管廣泛應(yīng)用在4鼓電子、納米器件、材料合成、儲(chǔ)氫等許多領(lǐng)域。另 外，由于單壁碳納米管的埸發(fā)射域值電壓大大低于多壁碳納米管的埸發(fā)射域值電 壓，因此采用單壁碳納米管作為埸發(fā)射陰極的埸發(fā)射器件，可以在較低的電壓下工 作，其功耗大大低于采用多壁碳納米管作為埸發(fā)射陰極的埸發(fā)射器件。
目前，現(xiàn)有技術(shù)中生長(zhǎng)單壁碳納米管的方法主要有電弧法、激光蒸發(fā)法、太陽(yáng) 能法和催化熱解法等。其中，比較適合大規(guī)模生長(zhǎng)碳納米管的方法為催化熱解法， 但是，該類催化熱解法的反應(yīng)溫度普遍較高。
因此，確有必要提供一種低溫生長(zhǎng)單壁^ 友納米管的方法。

發(fā)明內(nèi)容
下面將以實(shí)施例說明一種單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，該生長(zhǎng)方法可以在較低溫 度下進(jìn)行。
一種單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，該生長(zhǎng)方法主要包括以下步驟 提供一基底；
在基底上形成一氧化銦錫電極，氧化銦錫電極的厚度為5納米~100納米； 在氧化銦錫電極上沉積一鋁過渡層，鋁過渡層的厚度為5納米~40納米； 在鋁過渡層上沉積一催化劑層，催化劑層的厚度為3納米~10納米； 將沉積有催化劑層、鋁過渡層和氧化銦錫電極的基底放置在空氣中，在 300。C 500。C下熱處理10分鐘~12小時(shí)，催化劑層經(jīng)退火后形成氧化顆粒；
將基底放置在反應(yīng)裝置中，在反應(yīng)裝置內(nèi)通入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣體的保護(hù)下
加熱至640。C 900。C;以及
通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，加熱至640。C 900。C反應(yīng)30分鐘 60分 鐘生長(zhǎng)出單壁碳納米管。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法是在氧化銦錫電極和鋁過 渡層上直接生長(zhǎng)，且生長(zhǎng)溫度較低。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法的流程示意圖。 圖2是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法所得到的單壁碳納米管的 拉曼散射譜。
圖3是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法得到的單壁碳納米管的掃 描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM )照片。
圖4是圖3中單壁碳納米管的高分辨率的透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)照片。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實(shí)施例單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法。 本發(fā)s月實(shí)施例單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法包括以下步驟
(一)提供一個(gè)硅或二氧化硅材料的基底10，如硅基底、石英基底或者玻璃
基底；
(二 )在基底10上形成氧化銦錫電極20，其厚度為5納米~100納米； 氧化銦錫電極20可以通過光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、 干法刻蝕技術(shù)或者濕法刻蝕技術(shù)在基底10上形成，但不以此為限。 釆用光刻技術(shù)形成氧化銦錫電極20的方法包括以下步驟 首先將基底10置于真空腔內(nèi)，以氧化鋅(ZnOx)、鈮酸鋰(LiNbOx)、鈦 酸鋰(LiTiOx)或者鉭酸鋰(LiTaOx)為濺鍍把材，以氬氣(Ar )與氧氣為'減鍍 氣體，于該基底10的表面濺鍍一個(gè)壓電薄膜層，濺鍍的方法可以為反應(yīng)性直流濺
鍍(DC Reactive Sputtering)或反應(yīng)性射頻濺鍍(RF Reactive Sputtering)，控制反 應(yīng)參數(shù)使得壓電薄膜層的厚度約為0.02-5微米；在壓電薄膜層表面涂覆一層光阻 層；然后將一個(gè)光罩罩于光阻層表面，該光罩的圖案與所需金屬電極相對(duì)應(yīng)；用雷 射光或紫外光照射該光罩，在光阻表面形成一個(gè)曝光區(qū)；取下光罩后，將曝光的光 阻層置于顯影液內(nèi)，去除曝光區(qū)的曝光光阻，露出部分壓電薄膜層；接著利用濺鍍 法在剩余光阻和露出的部分壓電薄膜層表面鍍一層氧化銦錫層，氧化銦錫層的厚度 約為5納米~100納米；洗去剩余光阻和附著在光阻上的金屬膜層，剩余的氧化銦 錫層即形成所需的氧化銦錫電極20。
采用濕法刻蝕技術(shù)形成氧化銦錫電極20的方法包括以下步驟 首先在基底IO上利用蒸鍍或?yàn)R射的方法形成一個(gè)氧化銦錫層，氧化銦錫層的 厚度約為5納米~100納米；將如光致抗蝕劑的刻蝕保護(hù)材料涂覆到氧化銦錫層的 表面形成刻蝕保護(hù)層；曝光或顯影去除刻蝕保護(hù)層中選定的部分，以便有選擇的露 出氧化銦錫層；將露出的氧化銦錫層與刻蝕劑反應(yīng)以便將其去除，其中，刻蝕劑以 電解液的形式施加，電化學(xué)或化學(xué)地刻蝕露出的氧化銦錫層，電解液中包括不能以 刻蝕的方式與氧化銦錫層反應(yīng)的中性鹽、酸或堿以及能夠以刻蝕方式與露出的氧化 銦錫層反應(yīng)的化學(xué)氧化成分；利用有機(jī)物溶劑如純丙酮有機(jī)物溶劑去除剩余的刻蝕 保護(hù)材料，刻蝕保護(hù)材料下覆蓋的剩余氧化銦錫層即形成所需的氧化銦錫電極20。
(三) 在氧化銦錫電極20上利用蒸鍍或者濺射的方法形成一個(gè)鋁層30作為過 渡層，鋁過渡層30的厚度為5納米~40納米，最優(yōu)地，鋁過渡層30的厚度為40 納米；
(四) 在鋁過渡層30上形成催化劑層40,催化劑可以選用鐵(Fe)、鈷(Co )、 鎳(Ni)或者其任意組合的合金之一，催化劑層40的厚度與選擇的催化劑種類相 對(duì)應(yīng)，當(dāng)選用鐵作為催化劑時(shí)，鐵催化劑層的厚度為3納米 10納米，優(yōu)選地，鐵 催化劑層的厚度為5納米；
(五) 將沉積有催化劑層40、鋁過渡層30和金屬電極20的基底10放置在空 氣中，在300。C 500。C下熱處理10分鐘 12小時(shí)，催化劑層40經(jīng)退火后形成氧化 顆粒；
(六) 將基底10放置在適于化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)
反應(yīng)的反應(yīng)裝置(圖中未顯示)中，在反應(yīng)裝置內(nèi)通入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣體的保 護(hù)下加熱到一個(gè)預(yù)定溫度，通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，加熱至
640。C 900。C反應(yīng)30分鐘~60分鐘從而生長(zhǎng)出碳納米管50。
其中，預(yù)先通入保護(hù)氣體加熱到一個(gè)預(yù)定溫度的作用是防止催化劑層形成的氧 化顆粒在碳納米管50的生長(zhǎng)過程中進(jìn)一步被氧化從而影響碳納米管50的生長(zhǎng)條 件，該預(yù)定溫度因使用的催化劑不同而不同， 一般為400°C 750。C,當(dāng)選用鐵作 為催化劑時(shí)，預(yù)定溫度優(yōu)選為650°C,另外，預(yù)先加熱時(shí)使用的保護(hù)氣體為惰性氣 體或氮?dú)?，?yōu)選地，保護(hù)氣體為氬氣。在預(yù)先加熱過程后，可以通入氫氣或者氨氣 還原催化劑層形成的氧化顆粒從而得到納米級(jí)的催化劑顆粒410,但是，在通入碳 源氣加熱時(shí)，碳源氣分解也可以將氧化顆粒還原形成納米級(jí)的催化劑顆粒410，因 此，通入氫氣或者氨氣還原的過程不是必須，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。碳源氣與保護(hù) 氣體的混合氣體中的碳源氣為碳?xì)浠衔?，可為乙炔、乙烯等，?yōu)選地，碳源氣為 乙炔；保護(hù)氣體為惰性氣體或者氮?dú)?，?yōu)選地，保護(hù)氣體為氬氣。
請(qǐng)參閱圖2,圖2為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法所得到的單壁 碳納米管的拉曼散射譜，其中在175cm"與300cm"之間的一系列波峰是單壁碳納 米管的呼吸模特征峰。本實(shí)施例獲得拉曼散射鐠的單壁碳納米管的具體生長(zhǎng)步驟大 致上包括提供一個(gè)玻璃基底；在玻璃基底上形成氧化銦錫層，然后采用濕法刻蝕 技術(shù)形成所需的氧化銦錫電極；在氧化銦錫電極上濺射厚度約為40納米的鋁過渡 層；在鋁過渡層上賊射厚度約為5納米的鐵層作為催化劑層；將沉積有鐵催化劑層、 氧化銦錫電極和鋁過渡層的基底放置在空氣中，在約300°C下熱處理約10分鐘， 退火后鐵催化劑層形成氧化鐵顆粒；將帶有氧化鐵顆粒的基底放置在石英反應(yīng)舟 中，將反應(yīng)舟裝入管狀石英爐中央的反應(yīng)室內(nèi)，通入氬氣加熱至約640。C;通入氫 氣使氧化鐵顆粒還原形成納米級(jí)的鐵催化劑顆粒；通入乙炔和氬氣的混合氣體，加 熱至約640。C,反應(yīng)約40分鐘生長(zhǎng)出單壁碳納米管。
請(qǐng)參閱圖3和圖4,圖3為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法得到的 單壁碳納米管的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microsc叩e， SEM)照片；圖 4為圖3中單壁碳納米管的高分辨率的透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)照片。本實(shí)施例獲得的SEM、 TEM照片中生長(zhǎng)單壁碳納米管
的具體步驟大致上包括提供一個(gè)硅基底；在硅基底上蒸鍍厚度約為100納米的氧 化銦錫層，然后采用濕法刻蝕技術(shù)形成所需的氧化銦錫電極；在氧化銦錫電極上濺 射厚度約為40納米的鋁過渡層；在鋁過渡層上濺射厚度約為5納米的鐵層作為催 化劑層；將沉積有鐵催化劑層、氧化銦錫電極和鋁過渡層的基底放置在空氣中，在 約300°C下熱處理約10分鐘，退火后鐵催化劑層形成氧化鐵顆粒；將帶有氧化鐵 顆粒的基底放置在石英反應(yīng)舟中，將反應(yīng)舟裝入管狀石英爐中央的反應(yīng)室內(nèi)，通入 氬氣加熱至約740。C;通入氫氣使氧化鐵顆粒還原形成納米級(jí)的鐵催化劑顆粒；通 入乙炔和氬氣的混合氣體，加熱至約740。C,反應(yīng)約40分鐘生長(zhǎng)出碳納米管。 在未采用氧化銦錫電極或者鋁過渡層而其它生長(zhǎng)條件與本發(fā)明實(shí)施例單壁碳
納米管，而未發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管。
另夕卜，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明 精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，該生長(zhǎng)方法主要包括以下步驟提供一基底；在基底上形成一氧化銦錫電極，氧化銦錫電極的厚度為5納米～100納米；在氧化銦錫電極上沉積一鋁過渡層，鋁過渡層的厚度為5納米～40納米；在鋁過渡層上沉積一催化劑層，催化劑層的厚度為3納米～10納米；將沉積有催化劑層、鋁過渡層和氧化銦錫電極的基底放置在空氣中，在300℃～500℃下熱處理10分鐘～12小時(shí)，催化劑層經(jīng)退火后形成氧化顆粒；將基底放置在反應(yīng)裝置中，在反應(yīng)裝置內(nèi)通入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣體的保護(hù)下加熱至640℃～900℃；以及通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，加熱至640℃～900℃反應(yīng)30分鐘～60分鐘生長(zhǎng)出單壁碳納米管。
2. 如權(quán)利要求1所述的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述的氧化 銦錫電極可以通過光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、千法刻蝕技 術(shù)或者濕法刻蝕技術(shù)在基底上形成。
3. 如權(quán)利要求2所述的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述的鋁過渡 層采用蒸鍍或者濺射的方法沉積在氧化銦錫電極上。
4. 如權(quán)利要求3所述的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述的基底 為硅基底、石英基底或者玻璃基底。
5. 如權(quán)利要求4所述的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，其特征在于，在通入碳源 氣和保護(hù)氣體的混合氣體前，可以通入氫氣或者氨氣將所述的氧化顆粒還原形成納 米級(jí)的催化劑顆粒。
6. 如權(quán)利要求5所述的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述的催化 劑為鐵、鈷、鎳或者其任意組合的合金之一。
7. 如權(quán)利要求6所述的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，其特征在于，采用光刻技 術(shù)形成氧化銦錫電極的方法包括以下步驟將基底置于真空腔內(nèi)，以氧化鋅、鈮酸鋰、鈦酸鋰或者鉭酸鋰為濺鍍靶材，以 氬氣與氧氣為濺鍍氣體，在基底的表面濺鍍一個(gè)壓電薄膜層，濺鍍的方法可以為反應(yīng)性直流濺鍍或者反應(yīng)性射頻濺鍍,控制反應(yīng)參數(shù)使得壓電薄膜層的厚度為0.02~5 微米；在壓電薄膜層表面涂覆一層光阻層；將一個(gè)光罩罩于光阻層表面，該光罩的圖案與所需金屬電極相對(duì)應(yīng)；用雷射光 或紫外光照射該光罩，在光阻表面形成一個(gè)曝光區(qū)；取下光罩后，將曝光的光阻層置于顯影液內(nèi)，去除曝光區(qū)的曝光光阻，露出部 分壓電薄膜層；接著利用濺鍍法在剩余光阻和露出的部分壓電薄膜層表面鍍一層氧 化銦錫層，氧化銦錫層的厚度約為5納米 100納米；以及洗去剩余光阻和附著在光阻上的金屬膜層，剩余的氧化銦錫層即形成所需的氧 化銦錫電極。
8.如權(quán)利要求6所述的單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，其特征在于，釆用濕法刻 蝕技術(shù)形成氧化銦錫電極的方法包括以下步驟在基底上利用蒸鍍或'減射的方法形成一個(gè)氧化銦錫層，氧化銦錫層的厚度約為 5納米 100納米；將刻蝕保護(hù)材料涂覆到氧化銦錫層的表面形成刻蝕保護(hù)層；曝光或顯影去除刻 蝕保護(hù)層中選定的部分，以便有選擇的露出氧化銦錫層；將露出的氧化銦錫層與刻蝕劑反應(yīng)以便將其去除，其中，刻蝕劑以電解液的形 式施加，電化學(xué)或化學(xué)地刻蝕露出的氧化銦錫層，電解液中包括不能以刻蝕的方式 與氧化錮錫層反應(yīng)的中性鹽、酸或堿以及能夠以刻蝕方式與露出的氧化銦錫層反應(yīng) 的化學(xué)氧化成分；以及利用有機(jī)物溶劑去除剩余的刻蝕保護(hù)材料，刻蝕保護(hù)材料下覆蓋的剩余氧化銦 錫層即形成所需的氧化銦錫電極。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種單壁碳納米管的生長(zhǎng)方法，主要包括以下步驟提供一基底；在基底上形成一氧化銦錫電極，氧化銦錫電極的厚度為5納米～100納米；在氧化銦錫電極上沉積一鋁過渡層，鋁過渡層的厚度為5納米～40納米；在鋁過渡層上沉積一催化劑層，催化劑層的厚度為3納米～10納米；將沉積有催化劑層、鋁過渡層和氧化銦錫電極的基底放置在空氣中，在300℃～500℃下熱處理10分鐘～12小時(shí)，催化劑層經(jīng)退火后形成氧化顆粒；將基底放置在反應(yīng)裝置中，在反應(yīng)裝置內(nèi)通入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣體的保護(hù)下加熱至640℃～900℃；以及通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，加熱至640℃～900℃反應(yīng)30分鐘～60分鐘生長(zhǎng)出單壁碳納米管。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101104513SQ200610061618
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月12日
發(fā)明者亮 劉, 湲 姚, 范守善, 直 鄭 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司