專利名稱：分支型碳納米管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管的制備方法，尤其涉及一種分支型碳納米管的制 備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管(CNTs)自90年代初由日本學(xué)者Iijima發(fā)現(xiàn)以來(Iijima S.， Nature, 1991, 354(7)， 56-58),立即引起科學(xué)界及產(chǎn)業(yè)界的極大重視，是近年來國際科學(xué) 研究的熱點。碳納米管由六元環(huán)組成的石墨片層結(jié)構(gòu)巻曲而形成的同心圓筒構(gòu) 成。分支型碳納米管因其三維管狀結(jié)構(gòu)而具有獨特的電學(xué)開關(guān)性及導(dǎo)熱性。隨 著現(xiàn)代電子工藝更一步地微型化，分支型碳納米管可作為電極材料、聚合物增 強劑、晶體管或電化學(xué)產(chǎn)品而廣泛地應(yīng)用于納米尺度的晶體管、放大器或電極 材料等方面。
現(xiàn)有的制備分支型碳納米管的方法有電弧放電法及化學(xué)氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD )。其中，通過電弧放電法制備的分支型碳納 米管的產(chǎn)率極低，從而限制了該方法的推廣。目前，CVD法為制備分支型碳納 米管的主要方法。該方法為利用含有分支型通孔的模板，在通孔中生長分支型 碳納米管，或者利用揮發(fā)性有機金屬化合物在高溫下分解而得到分支型碳納米 管。然而，利用模板的方法制備分支型碳納米管過程復(fù)雜，且所得到的碳納米 管的質(zhì)量較差；利用有機金屬化合物分解的方法制備分支型碳納米管，由于金 屬催化劑是在氣相下分解，不容易實現(xiàn)分支型碳納米管的定位生長，不利于碳 納米管于微電子器件中的應(yīng)用。
有鑒于此，提供一種可實現(xiàn)定位生長、有利于后期應(yīng)用的分支型碳納米管 的筒單制備方法是必要的。

發(fā)明內(nèi)容
以下以實施例說明一種分支型碳納米管的制備方法，其包括以下步驟提供一基底；形成一緩沖層于該基底的表面；形成一催化劑層于該緩沖層 的表面，在碳納米管的生長溫度下，催化劑層與緩沖層的材料是互不浸潤的； 將表面形成有緩沖層及催化劑層的基底置于一反應(yīng)爐內(nèi)；加熱使反應(yīng)爐的溫度 達(dá)到一預(yù)定溫度，先通入保護(hù)氣退火一段時間后，再往反應(yīng)爐內(nèi)通入碳源氣， 反應(yīng) 一段時間即得到分支型碳納米管。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，該分支型碳納米管的制備方法具有以下優(yōu)點(l)以乙 炔、曱烷、乙烯等純碳?xì)錃怏w為碳源氣，降低了生產(chǎn)成本；(2)釆用鍍膜的方 法制備催化劑層，因此可利用光刻等方法以實現(xiàn)碳納米管的定位生長；(3)制 備出的分支型碳納米管多數(shù)頂端包覆有金、銀、鉑等導(dǎo)電性佳的金屬，從而提 高了碳納米管與電路的電性連接，有利于碳納米管的后期應(yīng)用；(4)該方法制 備的碳納米管的產(chǎn)率可達(dá)到50%。


圖1是本發(fā)明實施例中分支型碳納米管的制備過程示意圖。 圖2是本發(fā)明實施例中所形成的分支型碳納米管的掃描電子顯微鏡(SEM) 照片。
圖3是本發(fā)明實施例中分支型碳納米管的生長過程示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參閱圖l,本發(fā)明提供一種分支型碳納米管的生長方法，具體包括以下 步驟
步驟一首先提供一基底10，并在該基底10的一表面沉積一緩沖層12。 基底10的材料可為硅、玻璃、石英等。該緩沖層12為通過熱沉積、電子束蒸 鍍或濺射等方法形成的氧化鋁、二氧化硅等材料，該緩沖層12的厚度為大于1 納米(nm)。
在本實施例中，基底10的材料為硅，緩沖層12為通過電子束蒸鍍法形成 于基底10上的厚度約為10 nm的氧化鋁層。
步驟二形成一催化劑層14于緩沖層12的表面。催化劑層14為通過熱沉積、電子束蒸鍍、或濺射等方法形成的金、4艮、銅、鉑、鉛等導(dǎo)電性佳的貴金
屬材料。該催化劑層的厚度為0.5nm至1.5nm。在碳納米管的生長溫度下，催 化劑層14與緩沖層12的材料是互不浸潤的。
在本實施例中，催化劑層14為通過電子束蒸鍍法形成于緩沖層12上的厚 度為lnm的金層。
步驟三將表面依次形成有緩沖層12與催化劑層14的基底10置于一反應(yīng) 爐內(nèi)。該反應(yīng)爐為現(xiàn)有CVD法中常用的管式反應(yīng)爐，反應(yīng)爐的直徑約為1英寸。
步驟四加熱反應(yīng)爐到一預(yù)定溫度，先通入保護(hù)氣退火一段時間后，再通 入碳源氣反應(yīng)一段時間，可在緩沖層12的表面，沿平行于基底IO表面的方向 生長出分支型碳納米管16。
本實施例中，反應(yīng)爐溫度為880~950°C (攝氏度)，優(yōu)選為900~950°C。該 爐溫是由催化劑的種類來決定的，催化劑不同，爐溫會相差較大。保護(hù)氣包括 氬氣與氫氣，其中氬氣的流量為0~140立方厘米/分鐘(sccm)，氫氣的流量約 為200 sccm。通入保護(hù)氣退火的時間為10-30分鐘。通過氫氣主要是還原催化 劑，以保持其催化活性。優(yōu)選地，氬氣與氫氣流量比為140:200,反應(yīng)時間為 25分鐘。碳源氣為乙炔、曱烷、乙烯、 一氧化碳或乙醇等氣體，通入碳源氣的 流量為10 50sccm,反應(yīng)時間為5分鐘至30分鐘。優(yōu)選地，以乙炔作為石友源氣， 流量為10-25 sccm,反應(yīng)時間為15分鐘。
請參閱圖2及圖3，在本發(fā)明所提供的分支型碳納米管16的制備過程中， 分支型碳納米管16的具體生長過程如下
催化劑層14的在反應(yīng)爐溫度的作用下熔化，由于催化劑層14與緩沖層12 不浸潤，熔化的催化劑收縮成球形催化劑顆粒，且在緩沖層12的表面具有流動 性。碳源氣在熔化的催化劑顆粒表面分解、析出碳原子，從而沿平行于基底IO 的方向生長出碳納米管。催化劑顆粒位于碳納米管的生長頂端。當(dāng)兩個碳納米 管的生長頂端的催化劑顆粒相遇時，兩個較小的催化劑顆粒可合并成一個較大 的催化劑顆粒，而后再從較大的催化劑顆粒上生長出新的碳納米管，即可得到 Y型的分支型碳納米管16 (如圖2 (a)及圖3 (a)所示)。如果，該Y型的分 支型碳納米管16的生長頂端的催化劑顆粒再與另一碳納米管的催化劑顆粒相 遇，則可得到多極的Y型的分支型碳納米管16 (如圖3 (b)所示)。同理，當(dāng)兩個碳納米管的催化劑顆粒頭對頭地正面相遇即得到丄字型或十型的分支型碳
納米管16 (如圖3 (c)及圖3 (d)所示)；當(dāng)多個碳納米管的催化劑顆粒同時 相遇即得到多分支型的分支型碳納米管16 (如圖3 (e)所示)；當(dāng)一個碳納米 管的催化劑顆粒與另一碳納米管的側(cè)壁相遇可得到L型的分支型碳納米管16 (如圖2(b)及圖3(f)所示)。該方法制備的分支型碳納米管的產(chǎn)率為30% 50%。 該方法制備的分支型碳納米管16通過組裝將碳納米管與電子電路的電極 相連，從而保證碳納米管與電路良好的歐姆接觸。另外，由于釆用鍍膜方法制 備催化劑，故可實現(xiàn)分支型碳納米管16的定位生長，有利于碳納米管器件有選 擇地定向的制備。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，該分支型碳納米管的制備方法具有以下優(yōu)點(1 )以乙 炔、曱烷、乙烯等純碳?xì)錃怏w為碳源氣，降低了生產(chǎn)成本；(2)采用鍍膜的方 法制備催化劑層，因此可利用光刻等方法以實現(xiàn)碳納米管的定位生長；(3)制 備出的分支型碳納米管多數(shù)頂端包覆有金、銀、鉑等導(dǎo)電性佳的金屬，從而提 高了碳納米管與電路的電性連接，有利于碳納米管的后期應(yīng)用；(4)該方法制 備的碳納米管的產(chǎn)率可達(dá)到50%。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化。當(dāng)然，這些依據(jù) 本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種分支型碳納米管的制備方法，其包括以下步驟提供一基底；形成一緩沖層于該基底的表面；形成一催化劑層于該緩沖層的表面，在碳納米管的生長溫度下，該催化劑層與上述緩沖層的材料是互不浸潤的；將表面形成有緩沖層及催化劑層的基底置于一反應(yīng)爐內(nèi)；加熱使反應(yīng)爐的溫度達(dá)到一預(yù)定溫度；先通入保護(hù)氣退火一段時間；往反應(yīng)爐內(nèi)通入碳源氣，反應(yīng)一段時間即得到分支型碳納米管。
2. 如權(quán)利要求1所述的分支型碳納米管的制備方法，其特征在于該緩沖 層的材料為氧化鋁或二氧化硅。
3. 如權(quán)利要求1所述的分支型碳納米管的制備方法，其特征在于該緩沖 層的厚度大于1納米。
4. 如權(quán)利要求1所述的分支型碳納米管的制備方法，其特征在于該催化 劑層的材料為金、銀、銅、鉑或鉛。
5. 如權(quán)利要求1所述的分支型碳納米管的制備方法，其特征在于該催化 劑層的厚度為0.5納米至1.5納米。
6. 如權(quán)利要求1所述的分支型碳納米管的制備方法，其特征在于該預(yù)定 溫度是由催化劑的種類來決定的。
7. 如權(quán)利要求1所述的分支型碳納米管的制備方法，其特征在于碳源氣 為乙炔、曱烷、乙烯、 一氧化碳或乙醇中的一種或多種。
8. 如權(quán)利要求1所述的分支型碳納米管的制備方法，其特征在于該碳納 米管沿著緩沖層的表面生長。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分支型碳納米管的制備方法，其包括以下步驟提供一基底；形成一緩沖層于該基底的表面；形成一催化劑層于該緩沖層的表面，在碳納米管的生長溫度下，該催化劑層與上述緩沖層的材料是互不浸潤的；將表面形成有緩沖層及催化劑層的基底置于一反應(yīng)爐內(nèi)；加熱使反應(yīng)爐的溫度達(dá)到一預(yù)定溫度，先通入保護(hù)氣退火一段時間后，再往反應(yīng)爐內(nèi)通入碳源氣，反應(yīng)一段時間即得到分支型碳納米管。該方法制備的分支型碳納米管的產(chǎn)率可達(dá)到50％。
文檔編號B82B3/00GK101314465SQ200710074810
公開日2008年12月3日 申請日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者亮 劉, 姜開利, 羅春香, 范守善 申請人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司