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CN101209832B - 碳纳米管阵列的制备方法 - Google Patents

碳纳米管阵列的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种碳纳米管阵列的制备方法，其包括以下步骤：提供一基底；在上述基底一表面形成一催化剂层；通入碳源气与载气的混合气体流经上述催化剂层表面；以及将激光束通过一振镜扫描系统聚焦照射在上述基底上从而生长碳纳米管阵列。

Description

碳纳米管阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管阵列的制备方法，尤其涉及采用激光辅助化学气相沉积法制备碳纳米管阵列的方法。
背景技术
碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料。碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，在科学研究以及产业应用上也受到越来越多的关注。
目前比较成熟的制备碳纳米管的方法主要包括电弧放电法(Arcdischarge)、激光烧蚀法(Laser Ablation)及化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition)。其中，化学气相沉积法和前两种方法相比具有产量高、可控性强、与现行的集成电路工艺相兼容等优点，便于工业上进行大规模合成，因此近几年备受关注。
用于制备碳纳米管的化学气相沉积法一般包括传统热化学气相沉积法(Thermal Chemical Vapor Deposition，CVD)、等离子化学气相沉积法(PlasmaChemical Vapor Deposition，PCVD)和激光辅助化学气相沉积法(Laser-Induced Chemical Vapor Deposition，LICVD)。
现有的激光辅助化学气相沉积法一般以激光为快速加热热源，利用激光束直接照射在生长所需的基底上使其温度升高，达到生长所需的温度。当含碳反应气体流经高温基底表面时，受基底影响升温，通过与基底上的催化剂作用，反应气体产生热解或化学反应，从而实现碳纳米管的生长。
然而，现有的激光辅助化学气相沉积法生长碳纳米管有以下不足之处：首先，该方法一般需要在一密封的反应炉内进行，并使得反应气体充满整个反应空间，其设备较为复杂，且难以制作大型的反应炉用于在大面积玻璃基板上通过化学气相沉积法生长碳纳米管阵列。其次，该方法采用激光束直接正面照射在碳纳米管生长所需的基底上，由于激光场强度较高，容易破坏碳纳米管的生长。再次，现有的方法一般不能精确控制激光束的移动，容易由于激光束聚焦不良无法实现图案化碳纳米管阵列的生长。
发明内容
本发明提供一种激光辅助化学气相沉积生长碳纳米管阵列的方法，该方法可以实现图案化生长碳纳米管阵列。
一种碳纳米管阵列的制备方法，其包括以下步骤：提供一基底；在上述基底一表面形成一催化剂层；通入碳源气与载气的混合气体流经上述催化剂层表面；以及将激光束通过一振镜扫描系统聚焦照射在上述基底上从而生长碳纳米管阵列。
相较于现有技术，本发明实施例碳纳米管阵列的制备方法采用振镜扫描系统控制激光束聚焦照射在基底上，由于振镜本身具有较高的扫描频率，可以实现激光束高速扫描过程照射在基底上从而实现图案化生长碳纳米管阵列.另外，由于采用含碳催化剂层或光吸收层，本发明实施例碳纳米管阵列的制备方法无需在一密封的反应室内进行，方法简单可控.
附图说明
图1为本发明实施例碳纳米管阵列的制造方法的流程示意图。
图2为本发明实施例碳纳米管阵列的制备方法所用的振镜扫描系统的结构示意图。
图3为本发明实施例采用含碳催化剂层获得的碳纳米管阵列图形的扫描电镜照片。
图4为本发明实施例采用光吸收层获得的碳纳米管阵列图形的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明实施例碳纳米管阵列的制备方法主要包括以下几个
步骤：
步骤一：提供一基底。
本实施例中基底材料选用耐高温材料制成。优选地，本实施例中基底材料还可分别选用硅、二氧化硅或金属材料等不透明材料或为玻璃、可塑性有机材料等透明材料。
步骤二：在上述基底的一表面均匀形成一催化剂层。
该催化剂层的形成可利用热沉积、电子束沉积或溅射法来完成。催化剂层的材料选用铁，也可选用其它材料，如氮化镓、钴、镍及其合金材料等。进一步地，该催化剂层可通过高温退火等方式氧化催化剂层，形成催化剂氧化物颗粒。
另外，本发明实施例催化剂层也可选用形成一种含碳的催化剂层，或者在该催化剂层与基底之间预先形成一光吸收层。
当选用形成一种含碳的催化剂层时，该含碳的催化剂层的制备方法包括以下步骤：提供一种分散剂和一种含碳物质的混合物，并与一溶剂混合形成溶液；将该溶液进行超声波处理分散；在该分散后的溶液中加入金属硝酸盐混合物溶解得到一催化剂溶液；将该催化剂溶液均匀涂敷于基底表面；烘烤该涂敷有催化剂溶液的基底从而在基底表面形成一含碳的催化剂层。
其中，该含碳物质包括碳黑或石墨等含碳材料。该分散剂用于将含碳物质均匀分散，优选为十二烷基苯磺酸钠(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate，SDBS)。溶剂可选择为乙醇溶液或水。该分散剂和含碳物质的质量比为1∶2～1∶10，本实施例优选为将0～100毫克的十二烷基苯磺酸钠与100～500毫克的碳黑混合物与乙醇溶液混合形成溶液。
该金属硝酸盐混合物包括硝酸镁(Mg(NO3)2·6H2O)与硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)、硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)或硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)中任一种或几种组成的混合物。本实施例优选为将硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)和硝酸镁(Mg(NO3)2·6H2O)加入到溶液中形成催化剂溶液，该催化剂溶液中含有0.01～0.5摩尔/升(mol/L)的硝酸镁和0.01～0.5mol/L的硝酸铁.
烘烤的温度为60～100℃。烘烤的作用为将催化剂溶液中的溶剂蒸发从而形成一含碳催化剂层。
本实施例中，该含碳的催化剂层的厚度为10～100微米。催化剂溶液涂敷于基底表面可采用旋转涂敷的方式，其转速为1000～5000转/分(rpm)，优选为1500rpm。
当选用在该催化剂层与基底之间预先形成一光吸收层时，该光吸收层的制备方法包括以下步骤：将一含碳材料涂敷于上述基底表面，该含碳材料要求能与基底表面结合紧密；在保护气体环境中，将涂敷有含碳材料的基底逐渐加温到约300℃以上，并烘烤一段时间；自然冷却到室温形成一光吸收层于基底表面。
本发明实施例中，保护气体包括氮气或惰性气体，含碳材料优选为目前广泛应用于电子产品如冷阴极显像管中的石墨乳材料。进一步地，该石墨乳可通过旋转涂敷方式形成于基底表面，其转速为1000～5000rpm，优选为1500rpm。所形成的光吸收层的厚度为1～20微米。另外，烘烤的目的在于使得含碳材料中的其他材料蒸发，如将石墨乳中的有机物蒸发。
进一步地，当使用光吸收层时，该催化剂层可通过将一催化剂溶液涂敷于光吸收层上形成，其具体步骤包括：提供一催化剂乙醇溶液；将该催化剂乙醇溶液涂敷于上述光吸收层表面。
本实施例中，该催化剂乙醇溶液为将金属硝酸盐混合物与乙醇溶液混合形成。该金属硝酸盐混合物为硝酸镁(Mg(NO3)2·6H2O)和硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)、硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)或硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)中任一种或几种组成的混合物。优选地，该催化剂乙醇溶液为硝酸镁和硝酸铁组成的混合物的乙醇溶液，溶液中硝酸铁的含量为0.01～0.5mol/L，硝酸镁的含量为0.01～0.5mol/L。该催化剂乙醇溶液可通过旋转涂敷形成于光吸收层表面，其转速优选为约1500rpm。所形成的催化剂层的厚度为1～100纳米。
步骤三：通入碳源气与载气的混合气体流经上述催化剂表面从而使催化剂附近达到所需的碳源气深度。
该碳源气优选为廉价气体乙炔，也可选用其它碳氢化合物如甲烷、乙烷、乙烯等。载气气体优选为氩气，也可选用其他惰性气体如氮气等。本实施例中，碳源气与载气可通过一气体喷嘴直接通入到上述催化剂层表面附近。载气与碳源气的通气流量比例为5∶1～10∶1，本实施例优选为通以200标准毫升/分(sccm)的氩气和25sccm的乙炔。
步骤四：将激光束通过一振镜扫描系统聚焦照射在上述基底从而生长碳纳米管阵列。
激光束可通过传统的氩离子激光器、二氧化碳激光器或半导体激光器产生。本实施例中，激光束优选为采用激光二极管，其功率为2瓦，激光波长为808纳米。
请参阅图2，该振镜扫描系统10包括按照激光传播方向依次排列的一准直透镜12，一第一偏转振镜14，一第二偏转透镜16及一聚焦透镜18.激光器20产生的激光束22首先传播到准直透镜12，由于准直透镜12作用后平行入射到第一偏转振镜14.该准直透镜12应确保出射的平行激光束22的截面积小于第一偏转振镜14的面积.经第一偏转振镜14反射后，激光束22又经过对应于第一偏转振镜14设置的第二偏转振镜16反射后入射到聚焦透镜18.通过聚焦透镜18的聚焦作用，激光束22被聚焦照射在具有催化剂的基底24上.
本实施例中，第一偏转振镜14与第二偏转振镜16均为形成有反射膜的水平镜面，该反射膜的材料和所用激光波长相关，需确保入射激光束22的反射率要达到最大值。第一偏转振镜14与第二偏转振镜16可分别沿着X、Y轴高速偏转振动反射激光束22。进一步地，可通过用计算机编程控制第一偏转振镜14与第二偏转振镜16高速偏转，从而控制激光束22高速扫描照射在基底24上。
该聚焦透镜18可选用具有较大直径的F-θ透镜对出射的激光束22进行聚焦，并将基底24设置在聚焦透镜18的焦点上，从而可实现控制激光束22在较大范围内扫描聚焦照射在基底24上。
可以理解，该聚焦后的激光束22可从正面直接照射在上述基底24催化剂层表面，当基底24材料为透明材料或厚度较薄时，该激光束22也可聚焦后照射在基底24的反面，当激光束22照射在基底24的反面时，该激光束22能量可迅速透过基底24传递到催化剂层并加热催化剂。
由于催化剂的作用，以及激光束22照射在基底24催化剂层上加热催化剂，通入到基底22附近的碳源气在一定温度下热解成碳单元(C＝C或C)和氢气。其中，氢气会将被氧化的催化剂还原，碳单元吸附于催化剂层表面，从而生长出碳纳米管。另外，本实施例中，利用含碳催化剂层或光吸收层吸收激光能量的作用，该化学气相沉积法反应温度可低于600摄氏度。另外，该含碳催化剂层或光吸收层可在反应过程中释放出碳原子促进碳纳米管的成核及生长。
由于本发明实施例利用振镜扫描系统10控制激光束22聚焦照射在基底24上，第一偏转振镜14与第二偏转振镜16的扫描频率很高，一般为1000～100000赫兹，故可实现高速激光扫描照射。同时，该振镜扫描系统10可按照预定图案通过计算机编程控制振镜扫描过程，从而可实现图案化的碳纳米管阵列生长。
另外，由于本发明实施例采用激光聚焦照射生长碳纳米管阵列，催化剂局部温度在较短时间内能够被加热并吸收足够的能量，同时，碳源气为直接通入到被加热的催化剂表面附近。因此，本发明实施例无需一密封的反应室，即可同时保证生长碳纳米管阵列的催化剂附近达到所需的温度及碳源气的浓度，且，由于碳源气分解产生的氢气的还原作用，可确保氧化的催化剂能够被还原，并促使碳纳米管阵列生长。
请参阅图3，当本发明实施例采用含碳的催化剂层时，通过振镜扫描控制激光束间隔且垂直地从反面照射在玻璃基底的催化剂上，可得到如图3所示的图案化的碳纳米管阵列。每个碳纳米管阵列为山丘形状，且垂直于玻璃基底生长。该碳纳米管阵列的直径为50～80微米，高度为10～20微米。每个碳纳米管的直径为40～80纳米。
请参阅图4，当本发明实施例采用石墨乳层作为光吸收层时形成于基底与催化剂层之间时，通过振镜扫描控制激光束间隔且垂直地从反面照射在玻璃基底的催化剂上，可得到如图4所示的图案化的碳纳米管阵列。每个碳纳米管阵列为山丘形状，且垂直于基底生长。该碳纳米管阵列的直径为100～200微米，高度为10～20微米。每个碳纳米管的直径为10～30纳米。
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。

Claims (25)

1.一种碳纳米管阵列的制备方法，其包括以下步骤：
提供一基底；
在上述基底一表面上形成一催化剂层；
通入碳源气与载气的混合气体流经上述催化剂层表面；以及
将激光束通过一振镜扫描系统聚焦照射在上述基底上从而生长碳纳米管阵列。
2.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该振镜扫描系统包括依激光传播方向依次排列的一准直透镜、一第一偏转振镜、一第二偏转振镜及一聚焦透镜。
3.如权利要求2所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该第一偏转振镜和第二偏转振镜分别按照X和Y轴方向偏转振动反射激光束。
4.如权利要求2所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该聚焦透镜为F-θ透镜。
5.如权利要求2所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该激光束聚焦后从正面直接照射在催化剂层上。
6.如权利要求5所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该基底材料为硅、氧化硅或金属。
7.如权利要求2所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该激光束聚焦后从反面透过基底照射在催化剂层上。
8.如权利要求5所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该基底材料为玻璃或可塑性有机材料。
9.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该催化剂层为含碳的催化剂层，其制备方法包括以下步骤：
提供一种分散剂和一种含碳物质的混合物；
将该混合物与一溶剂混合形成溶液；
将该溶液进行超声波处理分散；
在该分散后的溶液中加入金属硝酸盐混合物溶解得到一催化剂溶液；
在该基底表面上均匀涂敷该催化剂溶液；以及
烘烤该涂敷有催化剂溶液的基底从而在该基底表面上形成一含碳的催化剂层。
10.如权利要求9所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该含碳物质为碳黑或石墨，该分散剂为十二烷基苯磺酸钠。
11.如权利要求10所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该分散剂与含碳物质的质量比为1∶2～1∶10。
12.如权利要求9所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该金属硝酸盐混合物为硝酸镁与硝酸铁、硝酸钴或硝酸镍中任一种或几种组成的混合物。
13.如权利要求9所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该溶剂为乙醇溶液或水。
14.如权利要求9所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该催化剂层的厚度为10～100微米。
15.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，进一步包括在所述基底表面上形成一光吸收层，所述催化剂层形成在该光吸收层表面上。
16.如权利要求15所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该光吸收层的形成包括以下步骤：
在上述基底表面上形成一含碳材料层；
在氮气环境中，将涂敷有含碳材料的基底逐渐加温到300℃以上并烘烤；以及
自然冷却到室温，从而在该基底表面上形成一光吸收层。
17.如权利要求16所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该含碳材料为石墨乳。
18.如权利要求17所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该石墨乳层通过旋转涂敷形成在所述基底表面上。
19.如权利要求15所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该光吸收层的厚度为1～20微米。
20.如权利要求15所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该催化剂层的形成包括以下步骤：
提供一催化剂溶液；以及
在上述光吸收层表面上涂敷该催化剂溶液。
21.如权利要求20所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该催化剂溶液为含有金属硝酸盐混合物的乙醇溶液。
22.如权利要求21所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该金属硝酸盐混合物为硝酸镁和硝酸铁、硝酸钴或硝酸镍中任一种或几种组成的混合物。
23.如权利要求15所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该催化剂层的厚度为1～100纳米。
24.如权利要求1所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该碳源气包括甲烷、乙烷、乙烯或乙炔，该载气包括氩气或氮气。
25.如权利要求24所述的碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，该载气和碳源气的通气流量比例为5∶1～10∶1。
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