专利名称：可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法
技术领域：
本发明涉及一种可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法。
本发明所述的一种可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法，包括以下工艺步骤1.用磁过滤真空弧等离子体薄膜沉积或磁控溅射的方法在衬底上镀上一层催化剂薄膜。
2.将镀了催化剂的衬底在氢气气氛下，在600摄氏度的温度下还原处理；3.使用流量比为1∶10的乙炔和惰性气体混合气体为反应气体，在700摄氏度下生长碳纳米管；4.在惰性气体气氛下降温。
本发明所述的方法简单，仅仅控制催化剂薄膜的厚度和氢气的还原时间这两个参数，即可实现控制碳纳米管的直径和分布密度。对用本发明所述的方法制备的碳纳米管用SEM和TEM进行观察，发现催化剂的厚度越厚，形成的颗粒越大，生长的碳纳米管的直径越大，而随催化剂层厚度的增加，形成的颗粒密度增加，生长的碳纳米管的密度也增加。而对于不同还原时间的催化剂薄膜，用氢气得还原时间越长，颗粒越小，生长的碳纳米管直径也越小。
2.将镀了催化剂的衬底在氢气气氛下，在600摄氏度的温度下还原处理15分钟至5小时，还原时间的长短可以控制形成的催化剂颗粒的大小和密度；3.使用流量比为1∶10的乙炔和氩气混合气体为反应气体，在700摄氏度下生长碳纳米管；4.在氩气气氛下降温。
使用上述方法，在硅衬底上生长一系列不同直径和密度的碳纳米管1.镀催化剂利用磁过滤真空弧等离子体薄膜沉积系统在衬底上沉积催化剂(铁)层，并进行实时的厚度监控，沉积一系列不同厚度5nm，10nm，20nm，30nm，40nm的铁层；2.氢处理把镀有铁的衬底用氢气在600摄氏度下进行还原处理2小时，其流量110ml/min；3.长纳米管样品经还原处理后，在700摄氏度下反应，通入氩气(300ml/min)和乙炔(30ml/min)的混合气体，反应5分钟；4.反应完毕后，在氩气气氛下降温至室温。
用SEM对所制备的样品的表面形貌进行了观察，并测试它们的场发射特性。还原处理后样品表面形貌见
图1，a，b，c，d，e的铁的厚度分别为5nm，10nm，20nm，30nm，40nm；催化剂颗粒大小，密度随催化剂层厚度的增加而增加。生长了碳纳米管的样品形貌如图2，a，b，c，d，e的铁膜的厚度分别为5nm，10nm，20nm，30nm，40nm，碳纳米管的直径以及密度也随催化剂层厚度增加而增加。当催化剂层很薄(小于20nm)的时候，还原后催化剂颗粒小而且稀，对应生长的碳纳米管直径密度小，管弯曲躺倒(样品1，2)，随着催化剂层厚度增加，颗粒变大变密，碳纳米管变粗变密，当催化剂层达到一定的厚度(大于20纳米)，碳纳米管就能直立生长了(样品3，4，5)。这是由于粗(大于50纳米)的碳纳米管更容易长直，而且到了一定的密度，由于相邻的碳纳米管互相排挤，各自就朝直立的方向生长。
各样品的场致发射结果如图3所示，从场致发射结果来看，发射最好的是样品4，其次是样品3，5，最差的是样品2，这说明直的管发射好，弯的管发射差，比较样品1，2，样品1比样品2发射好，这是因为样品2的管长得太密，相邻的碳纳米管发生静电屏蔽效应。比较样品3，4，5，样品4管直且密度适中，因此发射最好，样品3因为长得还不够直，样品5因为长得太密，所以发射不如样品4。
权利要求
1.一种可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法，其特征在于其包括以下工艺步骤(a)用磁过滤真空弧等离子体薄膜沉积或磁控溅射的方法在衬底上镀上一层催化剂薄膜；(b)将镀了催化剂的衬底在氢气气氛下，在600摄氏度的温度下还原处理；(c)使用流量比为1∶10的乙炔和惰性气体混合气体为反应气体，在700摄氏度下生长碳纳米管；(d)在惰性气体气氛下降温。
2.按权利要求1所述的一种可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法，其特征在于步骤(a)所用的催化剂是铁，钴或镍。
3.按权利要求1的一种可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法，其特征在于所述的催化剂的厚度为5-100纳米，氢气还原的时间为15分钟至5小时。
4.按权利要求3所述的可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法，其特征在于所述的催化剂的厚度为厚度为20-50纳米；氢气还原时间为2小时。
全文摘要
本发明公开了一种可控生长具有一定直径和分布密度的碳纳米管的方法。其包括以下工艺步骤:(1)用磁过滤真空弧等离子体薄膜沉积或磁控溅射的方法在衬底上镀上一层催化剂薄膜;(2)将镀了催化剂的衬底在氢气气氛下,在600摄氏度的温度下还原处理;(3)使用流量比为1∶10的乙炔和惰性气体混合气体为反应气体,在700摄氏度下生长碳纳米管;(4)在惰性气体气氛下降温。本发明所述的方法简单,仅仅控制催化剂薄膜的厚度和氢气的还原时间这两个参数,即可实现控制碳纳米管的直径和分布密度。
文档编号C01B31/02GK1388059SQ0211509
公开日2003年1月1日 申请日期2002年4月17日 优先权日2002年4月17日
发明者许宁生, 冯宇涛, 陈军, 邓少芝, 佘峻聪 申请人:中山大学