金属型碳纳米管的获取方法与流程

1.本发明涉及一种金属型碳纳米管的获取方法。


背景技术：

2.单壁碳纳米管是一种非常具有研究潜能的纳米材料。基于其纳米级的尺寸以及特殊的结构，单壁碳纳米管具有良好的电学性能、光电性能以及半导体性能。单壁碳纳米管可以分为金属型和半导体型两种类型。传统的获取金属型碳纳米管的方法通常采用拉曼光谱法或者电学测量的方法分辨出金属型碳纳米管之后进行获取。但是上述方法由于操作复杂导致效率较低。扫描电镜因其具有较高的辨别效率，被越来越多的人用来分辨金属型碳纳米管。现有的采用扫描电子显微镜辨认金属型碳纳米管的方法中，一般将碳纳米管放置在一硅衬底上，在常压下施加外部电压，并采用扫描电子显微镜观察，通过扫描电子显微镜照片中碳纳米管的亮度不同来分辨和获取金属型碳纳米管。
3.然而，现有金属型碳纳米管的辨认和获取方法中碳纳米管直接与硅基底接触，硅衬底会吸收大量的热量，因此需要施加很大的外部电压才能辨认出金属型碳纳米管，浪费资源；而且现有金属型碳纳米管需要扫描子显微镜进行观察，成本较高；另外，在常压下加电压碳纳米管非常容易氧化，很难获取纯净的金属型碳纳米管。


技术实现要素：

4.有鉴于此，确有必要提供一种金属型碳纳米管的辨认方法和获取方法，该金属型碳纳米管的辨认方法和获取方法可以克服以上缺点。
5.一种金属型碳纳米管的获取方法，其包括以下步骤：
6.步骤s1，提供一绝缘基底，该绝缘基底包括镂空部分和非镂空部分交替分布，在该绝缘基底的表面设置多个电极，该多个电极位于非镂空部分的上方且该多个电极被镂空部分间隔开；
7.步骤s2，在绝缘基底上生长多个碳纳米管，该多个碳纳米管平行间隔设置于所述绝缘基底的表面并与所述多个电极直接接触，该多个碳纳米管横跨多个镂空部分，位于所述绝缘基底的镂空部分的碳纳米管悬空设置；
8.步骤s3，将所述绝缘基底、电极以及碳纳米管形成的整体结构放置到一腔体内，并对该腔体抽真空；
9.步骤s4，在任意两个电极之间施加电压，并采用一相机对两个电极之间悬空设置的碳纳米管进行拍照获得碳纳米管照片，其中，碳纳米管照片中亮度较暗的为半导体型碳纳米管，亮度较亮的为金属型碳纳米管；以及
10.步骤s5：去除所述半导体型碳纳米管，得到所述金属型碳纳米管。
11.一种金属型碳纳米管的辨认方法，包括以下步骤：
12.步骤s
′
1，提供一绝缘基底，该绝缘基底包括镂空部分和非镂空部分交替分布，在该绝缘基底的表面设置多个电极，该多个电极位于非镂空部分的上方且该多个电极被镂空
部分间隔开；
13.步骤s
′
2，在绝缘基底上生长多个碳纳米管，该多个碳纳米管平行间隔设置于所述绝缘基底的表面并与所述多个电极直接接触，该多个碳纳米管横跨多个镂空部分，位于所述绝缘基底的镂空部分的碳纳米管悬空设置；步骤s
′
3，将所述绝缘基底、电极以及碳纳米管形成的整体结构放置到一腔体内，并对该腔体抽真空；以及
14.步骤s
′
4，在任意两个电极之间施加电压，并采用一相机对两个电极之间悬空设置的碳纳米管进行拍照获得碳纳米管照片，其中，碳纳米管照片中亮度较暗的为半导体型碳纳米管，亮度较亮的为金属型碳纳米管。
15.相较于现有技术，本发明所提供的金属型碳纳米管的获取方法和辨认方法在真空中进行，而且由于碳纳米管悬空设置，碳纳米管聚集的热量不会被衬底吸收，因此，施加一个很小的外部电压就可以分辨出金属型碳纳米管。由于该获取方法和辨认方法在真空中进行，碳纳米管不容易氧化，可以获取比较纯净的金属型碳纳米管。另外，本发明采用一普通相机就可以分辨出金属型碳纳米管，相对于扫描电子显微镜成本较低。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的金属型碳纳米管的获取方法的流程图。
17.图2为本发明实施例提供的绝缘基底的部分横截面的示意图。
18.图3为本发明实施例提供的绝缘基底的俯视图。
19.图4为本发明实施例提供的绝缘基底以及电极形成的整体结构的示意图。
20.图5为采用放风筝法在绝缘基底的表面生长碳纳米管之后的示意图。
21.图6为在两个相邻的钼电极之间施加电压后，两个钼电极之间悬空设置的碳纳米管的照片。
22.主要元件符号说明
23.无
24.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
25.以下将结合附图对本发明提供的金属型碳纳米管的获取方法进一步的详细说明。
26.请参阅图1，本发明实施例提供一种金属型碳纳米管的获取方法，其包括以下步骤：
27.步骤s1，提供一绝缘基底，该绝缘基底包括镂空部分和非镂空部分交替分布，在该绝缘基底的表面设置多个电极，该多个电极位于非镂空部分的上方且该多个电极被镂空部分间隔开；
28.步骤s2，在绝缘基底上生长多个碳纳米管，该多个碳纳米管平行间隔设置于所述绝缘基底的表面并与所述多个电极直接接触，该多个碳纳米管横跨多个镂空部分，位于所述绝缘基底的镂空部分的碳纳米管悬空设置；
29.步骤s3，将所述绝缘基底、电极以及碳纳米管形成的整体结构放置到一腔体内，并对该腔体抽真空；
30.步骤s4，在任意两个电极之间施加电压，并采用一相机对两个电极之间悬空设置
的碳纳米管进行拍照获得碳纳米管照片，其中，碳纳米管照片中亮度较暗的为半导体型碳纳米管，亮度较亮的为金属型碳纳米管；以及
31.步骤s5：去除所述半导体型碳纳米管，得到所述金属型碳纳米管。
32.在步骤s1中，所述绝缘基底包括一基底主体以及设置在基底主体上的绝缘层。该基底主体的材料可以为导电材料、绝缘材料或半导体材料。例如，所述基底主体可以为金属基底、导电有机物基底或硅基底。所述绝缘层的材料可以为氧化物或者高分子材料。本实施例中，所述基底主体为硅基底，硅基底的表面设置有二氧化硅绝缘层。所述基底主体的厚度范围优选300微米-700微米。所述绝缘层的厚度优选为50纳米-200纳米。请参阅图2，本实施例中，所述硅基底的厚度为500微米，所述二氧化硅层设置在所述硅基底的两个相对的表面，所述二氧化硅层的厚度为100纳米，所述si3n4层间隔设置在所述二氧化硅层的两个相对的表面，所述si3n4层的厚度为100纳米。可以理解，所述绝缘层并不限定于本实施例中的设置在所述基底主体的两个相对表面，也可以仅设置在基底主体的一个表面。所述掩模层不是所述绝缘基底的必要元件，可以去除。
33.图3为所述绝缘基底的俯视图。该绝缘基底的具体制备方法包括：提供一基底主体，在该基底主体的表面设置一绝缘层；在所述绝缘层的表面间隔设置掩模层；以及将上述表面设置有绝缘层和掩模层的基底主体浸泡在一刻蚀溶液中，其中，表面没有覆盖掩模层的基底主体以及绝缘层被刻蚀掉，得到所述镂空部分，表面覆盖有掩模层的基底主体以及绝缘层为非镂空部分。可以理解，所述绝缘基底的制备方法可以进一步包括一去除所述掩模层的步骤。本实施例中，所述绝缘基底的具体制备方法包括：提供一硅基底，在该硅基底的表面设置一二氧化硅(sio2)层；在所述sio2层的表面间隔设置氮化硅(si3n4)层作为掩模层；以及将表面设置有二氧化硅层和所述氮化硅(si3n4)层的硅基底浸泡在koh溶液中，其中，表面没有覆盖si3n4层的硅基底被腐蚀掉得到所述镂空部分，表面覆盖有所述si3n4层sio2层和si基底为非镂空部分。可以理解，所述绝缘基底的材料和制备方法并不限于本实施例中，例如，也可以采用激光直接刻蚀出所述镂空部分，此时，所述绝缘层并不限定于设置在所述基底主体的两个相对表面，也可以仅设置在基底主体的一个表面。
34.所述镂空部分的形状和大小根据实际需要进行设计。请参阅图4，本实施例中，每个镂空部分的形状为一矩形，所述矩形的宽度为300微米。所述镂空部分在整个绝缘基底的占比根据实际需要进行限定。优选的，所述镂空部分占整个绝缘基底的20％-50％。本实施例中，所述镂空部分占整个绝缘基底的30％。
35.所述电极可以为金属、导电聚合物、导电胶、锑锡氧化物(ato)、石墨电极或铟锡氧化物(ito)等。所述电极优选为耐高温的电极。本实施例中，所述电极为钼电极，任意两个相邻的非镂空部分之间均设置一钼电极。所述在该绝缘基底的非镂空部分设置多个电极的方法，可以采用导电粘结剂将电极直接粘结在所述绝缘基底的非镂空部分；也可以先将电极浆料涂覆在所述绝缘基底的非镂空部分，固化之后形成所述电极；也可以采用化学沉积法或电子束蒸镀等方法在所述绝缘基底的非镂空部分形成所述电极。所述电极的厚度根据实际需要进行限定，优选的，所述电极的厚度大于等于20纳米。本实施例中，采用电子束蒸镀的方法将所述钼电极设置在绝缘基底的表面，所述钼电极的厚度为50纳米。
36.步骤s2中，优选的，采用放风筝法在设置有电极的绝缘基底上生长多个碳纳米管。所述放风筝法在设置有电极的绝缘基底上生长碳纳米管的方法包括：提供一生长装置，且
该生长装置包括一反应室以及间隔设置于该反应室内的一旋转平台与一固定平台，反应室包括一进气口与一出气口，且所述固定平台设置于靠近进气口一边，所述旋转平台设置于靠近出气口一边；提供一生长基底以及所述设置有导电电极的绝缘基底作为接收基底，并在该生长基底表面沉积一单分散性催化剂层；将所述生长基底放置于该固定平台上，将所述绝缘基底放置于该旋转平台上；通入碳源气，沿着气流的方向生长超长碳纳米管；停止通入碳源气，超长碳纳米管平行且间隔的形成在绝缘基底表面；更换生长基底，并多次重复上述生长超长碳纳米管的步骤，在绝缘基底上形成多个平行且间隔设置的碳纳米管。所述放风筝法生长碳纳米管的方法详见2018年2月1号申请，2015年6月3号公告的申请号为200810066048.7，公告号为cn101497436b的中国专利。采用放风筝法生长的碳纳米管中不含任何催化剂，为一纯碳纳米管；而且采用该方法得到的多个碳纳米管平行且有序排列，碳纳米管之间有一定的空隙，碳纳米管之间基本无缠绕，且可以得到超长碳纳米管，有利于半导体型碳纳米管的分辨和获取。图4为采用放风筝法在绝缘基底的表面生长碳纳米管之后的示意图。
37.步骤s3中，采用一真空泵对所述腔体抽真空。如果抽气太快，碳纳米管容易受到破坏，因此，可进一步在该腔体与真空泵之间设置一流量控制阀，用于调节真空泵的流导，进而避免由于抽气太快导致碳纳米管受到破坏。优选的，对所述腔体抽真空使所述腔体中的气压不高于0.1pa。
38.步骤s4中，优选的，在任意两个电极之间施加电压的大小为6v-15v。更优选的，在任意两个电极之间施加电压的大小为8v-12v。本实施例中，在相邻两个电极之间施加电压，施加电压的大小为10v。
39.步骤s5中，所述碳纳米管照片中，亮度较亮的为金属型碳纳米管，较暗的为半导体型碳纳米管，两者之间的亮度差别用肉眼就可以分辨出来。推断金属型碳纳米管与半导体型碳纳米管之间产生亮度差的原因，应是与钨丝灯的原理相同。电流通过碳纳米管时产生热量，碳纳米管不断将热量聚集，使得碳纳米管的温度不断升高，当碳纳米管的温度达1700℃以上，碳纳米管处于白炽状态时，就能发出光来。碳纳米管的温度越高,发出的光就越亮。根据公式电阻越大，发热越少，碳纳米管的温度越低，发出的光就越暗。半导体型碳纳米管的电阻远大于金属型碳纳米管的电阻，例如，当施加3v的电压时，金属型碳纳米管的电流大概在10微安左右，半导体型碳纳米管的电流大概在0.5微安左右，当施加相同的电压时，金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管的电流相差特别大，进一步说明金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管的电阻相差很大。因此，当施加相同的电压时，金属型碳纳米管的亮度和半导体型碳纳米管的亮度相差非常大，金属型碳纳米管发光特别亮，而半导体型碳纳米管特别暗，用肉眼就可以容易的分辨出来半导体型碳纳米管。
40.请参阅图6，当在两个相邻的钼电极之间施加电压时，两个钼电极之间悬空设置的碳纳米管的发光情况有两种，一类碳纳米管发光很亮，另一类碳纳米管发光很暗，发光亮的碳纳米管和发光暗的碳纳米管的亮度相差非常明显，用肉眼非常容易分辨出来。其中发光亮的为金属型碳纳米管，发光暗的为半导体型碳纳米管。
41.可进一步包括一图像显示器与所述相机连接，所述相机的照片传输到所述图像显示器上，在图像显示器上观察碳纳米管反的亮度，并根据亮度的差别分辨半导体型碳纳米
管，亮度较亮的为金属型碳纳米管，较暗的为半导体型碳纳米管。
42.步骤s5中，可以根据照片中碳纳米管的亮度，采用一针状结构选取亮度较亮的碳纳米管，直接获取得到金属型碳纳米管。也可以采用一针状结构将亮度较暗的半导体型碳纳米管全部戳断，进而得到金属型碳纳米管。优选的，所述图像显示器与所述相机连接，根据图像显示器中碳纳米管的亮度，采用一针状结构选取亮度较亮的碳纳米管，直接获取得到金属型碳纳米管；也可以采用一针状结构将亮度较暗的半导体型碳纳米管全部戳断，进而得到金属型碳纳米管
43.当需要获取单根金属型碳纳米管时，可进一步将所述步骤s5中去除半导体型碳纳米管之后的金属型碳纳米管的表面沉积硫纳米颗粒，使所述金属型碳纳米管在光学显微镜下可视，然后在光学显微镜下选取单根金属型碳纳米管，选取之后将单根金属型碳纳米管表面的硫纳米颗粒去除。
44.本发明提供的金属型碳纳米管的获取方法在真空中进行，而且由于碳纳米管悬空设置，碳纳米管聚集的热量不会被衬底吸收，因此，施加一个很小的外部电压就可以分辨出金属型碳纳米管。另外，由于该获取方法在真空中进行，碳纳米管不容易氧化，可以获取比较纯净的金属型碳纳米管。所述碳纳米管采用放风筝法生长得到，碳纳米管中不含其它杂质，为一纯碳纳米管，而且采用该方法得到的多个碳纳米管平行且有序排列，碳纳米管之间基本无缠绕，有利于金属型碳纳米管的分辨和获取。另外，本发明采用一普通相机就可以分辨出金属型碳纳米管，相对于扫描电子显微镜成本较低。本发明的金属型碳纳米管的分辨方法以及获取方法操作简单，设备也非常容易搭建。
45.另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。