专利名称：一维纳米材料方向及形状调整方法
技术领域：
本发明是关于纳米材料的修整方法，特别是关于一维纳米材料的形状的调整方法。
背景技术：
纳米材料是一类具有特殊电学、磁学、光学、热学、力学或化学性质的新型材料，在介观领域及纳米器件研制方面有极其重要的应用前景。一维纳米材料是在两维方向上为纳米尺度，长度方向上比上述两维方向上的尺度大得多的纳米材料。目前应用较广的是碳纳米管，碳纳米线等。典型的碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度一般为微米级。
碳纳米管具有极优异的导电性能，且其具有几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积愈小，其局部电场愈集中)，所以碳纳米管是已知的最好的场发射材料，它具有极低的场发射电压(小于100伏)，可传输极大的电流密度，并且电流极稳定，因而非常适合做场发射显示器的发射元件。
但是，目前碳纳米管的生长方法，包括电弧放电法、激光蒸发法以及化学气相沉积法等等，所制造出来的碳纳米管直接用作场发射材料均具有一定缺陷。例如粉体催化剂生长的碳纳米管长短不一，方向杂乱无序，且容易缠绕在一起，直接作为场发射材料均匀性较差，发射点少因而发射电流密度难以提高，限制了碳纳米管的场发射效率；化学气相沉积法生成的碳纳米管阵列虽然垂直有序，高度一致，但过高的密度会引起碳纳米管间强烈的电场屏蔽效应，尖端亦可能残留有起催化作用的金属颗粒，影响电子发射。
请参见图10，2001年4月25日中国专利公开第CN1292354A号揭露一种碳纳米管开尖端和净化碳纳米管的方法，先将碳纳米管112在衬底110上垂直取向，再调整支架146和激光器144的位置，使得激光枪142在预定高度且平行衬底112表面方向上发射激光束140，进而截断碳纳米管112，该方法需精确调整激光束140发射点的位置，对于高度不同的待修整的碳纳米管而言，需分别调整，增加困难；并且，截断后的碳纳米管间距非常小，密度大，碳纳米管之间存在强烈的电场屏蔽效应，提高了整体场发射的电场阀值。
其它一维纳米材料，如纳米线、纳米棒作为场发射材料时也面临类似问题，因此，提供一种步骤简单、容易实现的方法来提高碳纳米管、纳米线、纳米棒等一维纳米材料的场发射性能实为必要。
发明内容本发明的目的在于提供一种调整一维纳米材料形状和方向，进而提高其场发射性能的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种调整一维纳米材料形状和方向的方法，包括下列步骤提供一基板，该基板上含有垂直取向的一维纳米材料阵列；在一定气体压力下用激光束沿选定方向照射一维纳米材料，使基板上的一维纳米材料阵列顶端形成具有锥形的尖端，并且该尖端朝向激光束射来的方向。
相对于现有技术，本发明具有如下优点步骤简单，容易形成明显尖端，减弱电场屏蔽效应，同时可清洁一维纳米材料阵列的表面，达到降低场发射电压阈值的目的。
图1是本发明方法用于调整碳纳米管形状和方向的流程图。
图2是本发明方法第一实施例用于调整碳纳米管形状和方向初始时碳纳米管阵列的示意图。
图3是本发明方法第一实施例用于调整碳纳米管形状和方向中激光束照射碳纳米管阵列的示意图。
图4是本发明方法第一实施例用于调整碳纳米管形状和方向中照射后得到的碳纳米管阵列形状的竖截面示意图。
图5是本发明方法第二实施例用激光束照射碳纳米管阵列的示意图。
图6是本发明方法第二实施例激光束照射后得到的碳纳米管阵列形状的竖截面示意图。
图7是本发明方法第一实施例激光照射前的碳纳米管阵列SEM图。
图8是本发明方法第一实施例激光照射后的碳纳米管阵列SEM图。
图9是本发明方法第二实施例激光照射后的碳纳米管阵列SEM图。
图10是现有技术碳纳米管截断方法的示意图。
具体实施方式
请参见图1，是本发明方法具体用于调整碳纳米管形状和方向的流程图，包括下列步骤步骤1是提供一基板，该基板可以是玻璃、硅或金属基板，用以支持碳纳米管；步骤2是将碳纳米管置于该基板上，其中碳纳米管可以直接在玻璃、硅或金属基板上生长，通常用化学气相沉积法，或者是将制备好的碳纳米管阵列移植到该基板上；步骤3是提供激光束发射源，准备用于发射激光束照射碳纳米管阵列；步骤4是调整激光束发射源的发射角度，即调整激光束发射源相对碳纳米管阵列基板的夹角；步骤5是开启激光束发射源发射激光照射碳纳米管上表面，重复照射，直至碳纳米管阵列形状调整到所需要的形状为止，防止过强的激光束损坏碳纳米管和基板之间的稳固连接，可以调整激光强度和激光脉冲；步骤6是关闭激光发射源；下面结合具体实施例详细说明本发明方法具体过程。
请一并参见图2、图3以及图4，是本发明方法第一实施例具体调整过程。
本实施例以碳纳米管阵列为例。首先，提供基板10并在基板10上直接生长碳纳米管阵列12或通过移植方法将碳纳米管阵列12移植到基板10上，其中，基板的材料可以为玻璃、硅或金属及其氧化物，初始时碳纳米管阵列如图2所示，该碳纳米管阵列12包含有许多碳纳米管(图未标)垂直于基板10，该碳纳米管可通过化学气相沉积法直接在基板10上生长，也可以先制备好以后再移植到基板10上，通常制备出来的碳纳米管阵列上表面有一薄层取向杂乱，直径不均一且形态较差的碳纳米管，薄层的厚度约为2微米或更薄，阵列顶部亦可能残留有起催化作用的金属颗粒；然后，利用激光束垂直入射碳纳米管阵列12，即激光束入射方向垂直于基板表面。其中，激光束可为脉冲激光，照射过程应避免在氧气含量过高的气氛中进行，因在纯氧气氛中碳纳米管即使在室温中也容易被烧蚀掉，可以选择室温下，在空气、氮气、氢气或含部分氧气的气体其中之一种或多种混合气体环境气氛中进行，另外，环境气体压力小于0.2大气压时难以形成尖端，所以，气体压力应大于0.2大气压，优选为0.5至1.5大气压。本实施例采用空气气氛，1大气压，室温中利用308nm准分子激光器发射脉冲激光束照射碳纳米管阵列12。其中，脉冲激光束单个脉冲功率为150mJ，照射面积为0.5cm2，照射20次脉冲。脉冲激光烧蚀掉碳纳米管阵列表面的薄层，可去除残留的金属颗粒，并使碳纳米管顶端开口，同时由于表面向下数十微米的高度范围内碳纳米管之间的气体被加热而瞬间膨胀，挤压旁边的碳纳米管，使其形成大小不等的针尖状结构。如图4所示，多次重复脉冲激光照射后，碳纳米管阵列12逐渐形成多个大小不等的锥形的尖端15，并且尖端垂直朝上，即朝向激光束14射来的方向。待形成所需的尖端形状以后，停止激光照射。
为避免碳纳米管之间的气体过度膨胀损害碳纳米管阵列12与基板10之间的结合强度，可调节脉冲激光强度和脉冲次数，采用弱的激光、较多的脉冲次数可以达到强激光、较少脉冲次数相同的效果，但却可以保护碳纳米管阵列12和基板10之间结合牢固，不致脱落。
再请参见图4，本发明方法处理碳纳米管阵列得到的多个碳纳米管形成的尖端15，其由几十至几千根长度不等的碳纳米管集束形成，该尖端15高度和处理前的碳纳米管阵列高度变化很小，经过激光照射以后，尖端15端部碳纳米管具有开口，有利于在较低的电场下形成有效发射，相邻针尖之间有一定间距，避免互相产生电场屏蔽效应，从而改善场发射效果。
图7和图8分别是本发明第一实施例激光处理前和处理后得到得碳纳米管阵列的SEM图，对比两图可发现处理后的碳纳米管阵列具有明显的针状尖端，下端呈圆柱形，顶端呈锥形，典型的尖端深度为30微米，下端圆柱形直径10微米，顶端锥形直径为几十纳米。相邻尖端之间具有明显间距。
请参见图5及图6，本发明方法第二实施例用激光束照射碳纳米管阵列的示意图，其中，准备碳纳米管阵列12的步骤、环境气氛、激光参数均和第一实施例相同，不同的是，调整脉冲激光发射角，使脉冲激光束14相对碳纳米管阵列12倾斜一定角度，脉冲激光从基板10右上方倾斜照射碳纳米管阵列12。其中，最大倾斜角度和碳纳米管阵列的密度以及气体压力有关，碳纳米管阵列密度越高，气体压力越大，最大倾斜角度越大，当入射角大于最大倾斜角时，将难以形成尖端。一般而言，倾斜的角度大于0度且小于35度时容易形成有效尖端，当大于35度时形成类似波的起伏形状，本实施例选用30度。经过照射20次脉冲，关闭脉冲激光源，得到由倾斜的针状尖端15组成的新碳纳米管阵列，该尖端15为倾斜的圆锥形，并且，该尖端15朝向脉冲激光束14射来的方向，即相对碳纳米管阵列12倾斜30度。从针尖15的竖截面来看，有一边倾斜，倾斜方向与激光入射方向一致，另一边保持竖直不变。
图9是本发明第二实施例激光照射处理以后得到的碳纳米管阵列的SEM图，从图9可以看出，处理后的碳纳米管阵列形成具有明显间距的针状尖端，且该尖端有一倾斜度，倾斜的角度与激光入射的角度一致，尖端的下部呈圆柱形，顶部呈锥形，典型的尖端深度为30微米，下部圆柱形直径10微米，顶部锥形直径为几十纳米。
本发明方法可以用于处理碳纳米管，也可用于处理纳米纤维、纳米丝等一维纳米材料。针对不同材料，调整脉冲激光强度、脉冲次数或环境气氛，可达到同样效果。
权利要求
1.一种一维纳米材料方向及形状调整方法，该方法包括步骤提供一基板，其具有一平整表面；在该基板表面上直接生长一维纳米材料阵列或者将一维纳米材料阵列移植至该基板表面，其中该一维纳米材料阵列具有平行基板表面的上表面；提供一激光发射源；开启激光发射源，发射激光束照射上述一维纳米材料阵列的上表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中一维纳米材料阵列垂直于该基板表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该激光束是脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该一维纳米材料是碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该一维纳米材料是纳米线、纳米棒或纳米纤维材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该激光束垂直入射到该一维纳米材料阵列的上表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该激光束倾斜入射到该一维纳米材料阵列的上表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中该激光束与一维纳米材料阵列纵向形成0度至35度夹角。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该方法是在空气、氮气、氢气、含部分氧气的气体之一种或多种混合气体中进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于其中该气体形成的气压大于0.2大气压。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于其中该气体形成的气压为0.5至1.5大气压范围内。
全文摘要
本发明涉及一种调整一维纳米材料的形状和方向的方法，利用脉冲激光束按选定方向照射一维纳米材料阵列，形成锥形的尖端，改变其形状及方向，并清洁阵列的上表面，从而降低场发射电场阀值，消除电场屏蔽效应，提高场发射效果。
文档编号H01J9/02GK1483669SQ0213477
公开日2004年3月24日 申请日期2002年9月17日 优先权日2002年9月17日
发明者亮 刘, 刘亮, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司