专利名称：分支型碳纳米管的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管的制备方法，尤其涉及一种分支型碳纳米管的制 备方法。
背景技术：
碳纳米管(CNTs)自90年代初由日本学者Iijima发现以来(Iijima S.， Nature, 1991, 354(7)， 56-58),立即引起科学界及产业界的极大重视，是近年来国际科学 研究的热点。碳纳米管由六元环组成的石墨片层结构巻曲而形成的同心圆筒构 成。分支型碳纳米管因其三维管状结构而具有独特的电学开关性及导热性。随 着现代电子工艺更一步地微型化，分支型碳纳米管可作为电极材料、聚合物增 强剂、晶体管或电化学产品而广泛地应用于纳米尺度的晶体管、放大器或电极 材料等方面。
现有的制备分支型碳纳米管的方法有电弧放电法及化学气相沉积法 (Chemical Vapor Deposition, CVD )。其中，通过电弧放电法制备的分支型碳纳 米管的产率极低，从而限制了该方法的推广。目前，CVD法为制备分支型碳纳 米管的主要方法。该方法为利用含有分支型通孔的模板，在通孔中生长分支型 碳纳米管，或者利用挥发性有机金属化合物在高温下分解而得到分支型碳纳米 管。然而，利用模板的方法制备分支型碳纳米管过程复杂，且所得到的碳纳米 管的质量较差；利用有机金属化合物分解的方法制备分支型碳纳米管，由于金 属催化剂是在气相下分解，不容易实现分支型碳纳米管的定位生长，不利于碳 纳米管于微电子器件中的应用。
有鉴于此，提供一种可实现定位生长、有利于后期应用的分支型碳纳米管 的筒单制备方法是必要的。
发明内容
以下以实施例说明一种分支型碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤提供一基底；形成一緩沖层于该基底的表面；形成一催化剂层于该緩冲层 的表面，在碳纳米管的生长温度下，催化剂层与緩沖层的材料是互不浸润的； 将表面形成有緩冲层及催化剂层的基底置于一反应炉内；加热使反应炉的温度 达到一预定温度，先通入保护气退火一段时间后，再往反应炉内通入碳源气， 反应 一段时间即得到分支型碳纳米管。
与现有技术相比，该分支型碳纳米管的制备方法具有以下优点(l)以乙 炔、曱烷、乙烯等纯碳氢气体为碳源气，降低了生产成本；(2)釆用镀膜的方 法制备催化剂层，因此可利用光刻等方法以实现碳纳米管的定位生长；(3)制 备出的分支型碳纳米管多数顶端包覆有金、银、铂等导电性佳的金属，从而提 高了碳纳米管与电路的电性连接，有利于碳纳米管的后期应用；(4)该方法制 备的碳纳米管的产率可达到50%。
图1是本发明实施例中分支型碳纳米管的制备过程示意图。 图2是本发明实施例中所形成的分支型碳纳米管的扫描电子显微镜(SEM) 照片。
图3是本发明实施例中分支型碳纳米管的生长过程示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
请参阅图l,本发明提供一种分支型碳纳米管的生长方法，具体包括以下 步骤
步骤一首先提供一基底10，并在该基底10的一表面沉积一緩沖层12。 基底10的材料可为硅、玻璃、石英等。该緩冲层12为通过热沉积、电子束蒸 镀或溅射等方法形成的氧化铝、二氧化硅等材料，该緩沖层12的厚度为大于1 纳米(nm)。
在本实施例中，基底10的材料为硅，緩冲层12为通过电子束蒸镀法形成 于基底10上的厚度约为10 nm的氧化铝层。
步骤二形成一催化剂层14于緩冲层12的表面。催化剂层14为通过热沉积、电子束蒸镀、或溅射等方法形成的金、4艮、铜、铂、铅等导电性佳的贵金
属材料。该催化剂层的厚度为0.5nm至1.5nm。在碳纳米管的生长温度下，催 化剂层14与緩冲层12的材料是互不浸润的。
在本实施例中，催化剂层14为通过电子束蒸镀法形成于緩沖层12上的厚 度为lnm的金层。
步骤三将表面依次形成有緩冲层12与催化剂层14的基底10置于一反应 炉内。该反应炉为现有CVD法中常用的管式反应炉，反应炉的直径约为1英寸。
步骤四加热反应炉到一预定温度，先通入保护气退火一段时间后，再通 入碳源气反应一段时间，可在緩冲层12的表面，沿平行于基底IO表面的方向 生长出分支型碳纳米管16。
本实施例中，反应炉温度为880~950°C (摄氏度)，优选为900~950°C。该 炉温是由催化剂的种类来决定的，催化剂不同，炉温会相差较大。保护气包括 氩气与氢气，其中氩气的流量为0~140立方厘米/分钟(sccm)，氢气的流量约 为200 sccm。通入保护气退火的时间为10-30分钟。通过氢气主要是还原催化 剂，以保持其催化活性。优选地，氩气与氢气流量比为140:200,反应时间为 25分钟。碳源气为乙炔、曱烷、乙烯、 一氧化碳或乙醇等气体，通入碳源气的 流量为10 50sccm,反应时间为5分钟至30分钟。优选地，以乙炔作为石友源气， 流量为10-25 sccm,反应时间为15分钟。
请参阅图2及图3，在本发明所提供的分支型碳纳米管16的制备过程中， 分支型碳纳米管16的具体生长过程如下
催化剂层14的在反应炉温度的作用下熔化，由于催化剂层14与緩冲层12 不浸润，熔化的催化剂收缩成球形催化剂颗粒，且在緩沖层12的表面具有流动 性。碳源气在熔化的催化剂颗粒表面分解、析出碳原子，从而沿平行于基底IO 的方向生长出碳纳米管。催化剂颗粒位于碳纳米管的生长顶端。当两个碳纳米 管的生长顶端的催化剂颗粒相遇时，两个较小的催化剂颗粒可合并成一个较大 的催化剂颗粒，而后再从较大的催化剂颗粒上生长出新的碳纳米管，即可得到 Y型的分支型碳纳米管16 (如图2 (a)及图3 (a)所示)。如果，该Y型的分 支型碳纳米管16的生长顶端的催化剂颗粒再与另一碳纳米管的催化剂颗粒相 遇，则可得到多极的Y型的分支型碳纳米管16 (如图3 (b)所示)。同理，当两个碳纳米管的催化剂颗粒头对头地正面相遇即得到丄字型或十型的分支型碳
纳米管16 (如图3 (c)及图3 (d)所示)；当多个碳纳米管的催化剂颗粒同时 相遇即得到多分支型的分支型碳纳米管16 (如图3 (e)所示)；当一个碳纳米 管的催化剂颗粒与另一碳纳米管的侧壁相遇可得到L型的分支型碳纳米管16 (如图2(b)及图3(f)所示)。该方法制备的分支型碳纳米管的产率为30% 50%。 该方法制备的分支型碳纳米管16通过组装将碳纳米管与电子电路的电极 相连，从而保证碳纳米管与电路良好的欧姆接触。另外，由于釆用镀膜方法制 备催化剂，故可实现分支型碳纳米管16的定位生长，有利于碳纳米管器件有选 择地定向的制备。
与现有技术相比，该分支型碳纳米管的制备方法具有以下优点(1 )以乙 炔、曱烷、乙烯等纯碳氢气体为碳源气，降低了生产成本；(2)采用镀膜的方 法制备催化剂层，因此可利用光刻等方法以实现碳纳米管的定位生长；(3)制 备出的分支型碳纳米管多数顶端包覆有金、银、铂等导电性佳的金属，从而提 高了碳纳米管与电路的电性连接，有利于碳纳米管的后期应用；(4)该方法制 备的碳纳米管的产率可达到50%。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。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。
权利要求
1.一种分支型碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤提供一基底；形成一缓冲层于该基底的表面；形成一催化剂层于该缓冲层的表面，在碳纳米管的生长温度下，该催化剂层与上述缓冲层的材料是互不浸润的；将表面形成有缓冲层及催化剂层的基底置于一反应炉内；加热使反应炉的温度达到一预定温度；先通入保护气退火一段时间；往反应炉内通入碳源气，反应一段时间即得到分支型碳纳米管。
2. 如权利要求1所述的分支型碳纳米管的制备方法，其特征在于该緩冲 层的材料为氧化铝或二氧化硅。
3. 如权利要求1所述的分支型碳纳米管的制备方法，其特征在于该緩冲 层的厚度大于1纳米。
4. 如权利要求1所述的分支型碳纳米管的制备方法，其特征在于该催化 剂层的材料为金、银、铜、铂或铅。
5. 如权利要求1所述的分支型碳纳米管的制备方法，其特征在于该催化 剂层的厚度为0.5纳米至1.5纳米。
6. 如权利要求1所述的分支型碳纳米管的制备方法，其特征在于该预定 温度是由催化剂的种类来决定的。
7. 如权利要求1所述的分支型碳纳米管的制备方法，其特征在于碳源气 为乙炔、曱烷、乙烯、 一氧化碳或乙醇中的一种或多种。
8. 如权利要求1所述的分支型碳纳米管的制备方法，其特征在于该碳纳 米管沿着緩冲层的表面生长。
全文摘要
本发明涉及一种分支型碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤提供一基底；形成一缓冲层于该基底的表面；形成一催化剂层于该缓冲层的表面，在碳纳米管的生长温度下，该催化剂层与上述缓冲层的材料是互不浸润的；将表面形成有缓冲层及催化剂层的基底置于一反应炉内；加热使反应炉的温度达到一预定温度，先通入保护气退火一段时间后，再往反应炉内通入碳源气，反应一段时间即得到分支型碳纳米管。该方法制备的分支型碳纳米管的产率可达到50％。
文档编号B82B3/00GK101314465SQ200710074810
公开日2008年12月3日 申请日期2007年6月1日 优先权日2007年6月1日
发明者亮 刘, 姜开利, 罗春香, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司