專利名稱：碳納米管陣列制備裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管陣列制備裝置及方法，尤其是利用化學(xué)氣相沉積法的碳納米管陣列制備裝置及方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種新型碳材料，由日本研究人員S Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)，可參見″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳納米管具有極優(yōu)異的導(dǎo)電特性，傳熱特性及機械特性等。目前已廣泛應(yīng)用于電子、光電，熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域。
一般而言，碳納米管分為單壁碳納米管與多壁碳納米管兩種。多壁碳納米管是由2～50層同心圓柱管狀結(jié)構(gòu)疊套而成，這些圓柱管由碳原子構(gòu)成，就好像是把石墨片卷起來那樣，碳原子在管壁上呈六邊形排列，兩端由五邊形或七邊形碳環(huán)組成的端冒封口，形成凹或凸的結(jié)構(gòu)。單壁碳納米管直徑一般為1～6nm(最小直徑為0.4nm)，只有一層石墨結(jié)構(gòu)。由于單壁碳納米管具有單層壁結(jié)構(gòu)，其相對于多壁毯納米管而言，具有更少的原子缺陷。進而更具較大的應(yīng)用潛力。
現(xiàn)有技術(shù)中，單壁碳納米管的制備方法有(1)Smalley等人在Science 273，483～487(1996)，Crystalline Ropes of Metallic Carbon Nanotubes一文中揭露的激光蒸發(fā)法，其采用聚焦激光束消融碳-鎳-鈷混合物制備出由100～500根單壁碳納米管組成的碳納米管束，該碳納米管的定向性較好，產(chǎn)出率為70％。(2)Journet等人在Nature 388，756～758(1997)，Large-scale production ofsingle-walled carbon nanotubes by the electric-arc technique一文中揭露的電弧放電法，其采用直流電弧法制備出大量的單壁碳納米管束，該大量單壁碳納米管束的取向較混亂。(3)Dai等人在Chemical Physics Letters 292，567～574(1998)，Chemical Vapor Deposition of Methane for Single-WalledCarbon Nanotubes一文中揭露的化學(xué)氣相沉積法，其以甲烷為碳源氣，氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、或氧化鎳/氧化鈷(NiO/CoO)層作為催化劑；當(dāng)采用晶態(tài)氧化鋁納米粒子作為催化劑支撐體時，制備出大量單根的單壁碳納米管及少量的單壁碳納米管束；當(dāng)采用非晶態(tài)硅石(Amorphous Silica)作為催化劑支撐體時，僅能制備出單壁碳納米管束。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)僅可制備出單根的單壁碳納米管，及單根或定向性較好的單壁碳納米管束；而難以實現(xiàn)單壁碳納米管的陣列式生長，也即難以制備出單壁碳納米管陣列。其將限制單壁碳納米管陣列在場發(fā)射平面顯示器、場發(fā)射平面光源、以及熱界面材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。
有鑒于此，有必要提供一種碳納米管陣列制備裝置及方法，其可實現(xiàn)單壁碳納米管陣列的生長。

發(fā)明內(nèi)容下面將以具體實施例說明一種碳納米管陣列制備裝置及方法，其可實現(xiàn)單壁碳納米管陣列的生長。
為實現(xiàn)以上內(nèi)容，提供一種碳納米管陣列制備裝置，其包括一反應(yīng)腔；一局部加熱裝置，用以加熱裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的碳納米管生長用催化劑；及一氣態(tài)碳供給裝置，用以在裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的催化劑的上游位置向該反應(yīng)腔提供一氣態(tài)碳。
優(yōu)選的，所述局部加熱裝置為一高頻爐或加熱臺。
優(yōu)選的，所述氣態(tài)碳供給裝置包括一石墨塊及一激光裝置，通過該激光裝置產(chǎn)生一激光束轟擊該石墨塊以產(chǎn)生一氣態(tài)碳。
可優(yōu)選的，所述氣態(tài)碳供給裝置包括一對石墨電極及一電弧放電裝置，通過電弧放電裝置使該對石墨電極進行電弧放電以產(chǎn)生一氣態(tài)碳。
也可優(yōu)選的，所述氣態(tài)碳供給裝置包括一石墨塊及一與該石墨塊串聯(lián)形成電氣回路的電源，通過該電源加熱該石墨塊至石墨氣化溫度以產(chǎn)生一氣態(tài)碳。
以及，提供一種碳納米管陣列制備方法，其包括以下步驟將形成有一催化劑層的基底置于一反應(yīng)腔內(nèi)；向該反應(yīng)腔內(nèi)通入保護氣體，以使該反應(yīng)腔內(nèi)的空氣排出；對該反應(yīng)腔內(nèi)的基底進行局部加熱，將催化劑加熱至碳納米管生長溫度；
在基底的上游位置(Upstream)向反應(yīng)腔內(nèi)提供一氣態(tài)碳；向該反應(yīng)腔內(nèi)通入一碳源氣，以進行碳納米管陣列生長。
優(yōu)選的，所述碳納米管生長溫度為650～1200℃。
優(yōu)選的，所述氣態(tài)碳是通過向一石墨塊通以一加熱電流使其到達高溫而形成的。
可優(yōu)選的，所述氣態(tài)碳是通過采用激光束蒸發(fā)一石墨塊而形成的。
也可優(yōu)選的，所述氣態(tài)碳是通過采用電弧放電法使一對石墨電極進行電弧放電而形成的。
所述基底包括硅、玻璃或氧化鋁。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)方案所提供的碳納米管陣列制備裝置及方法，其通過一局部加熱裝置及氣態(tài)碳供給裝置，可在反應(yīng)腔的催化劑層位置處形成明顯的溫度梯度，及在反應(yīng)腔內(nèi)提供充足的碳源；其可實現(xiàn)碳納米管陣列的快速生長，且可在基底上生長出單壁碳納米管陣列。

圖1是本發(fā)明第一實施例單壁碳納米管陣列制備裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明第一實施例在950℃生長條件下生長出的單壁碳納米管拉曼光譜(Raman Shift)圖。
圖3是本發(fā)明另一實施例在1000℃生長條件下生長出的單壁碳納米管拉曼光譜(Raman Shift)圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖將對本發(fā)明實施例作進一步的詳細(xì)說明。
第一實施例參見圖1，本發(fā)明第一實施例所提供的碳納米管陣列制備裝置100，其包括一反應(yīng)腔10，一局部加熱裝置20，及一氣態(tài)碳供給裝置30。
反應(yīng)腔10具有一進氣口12，及一與該進氣口12相對設(shè)置的出氣口14。該反應(yīng)腔10可為現(xiàn)有技術(shù)中化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管常用的石英管。該進氣口12與出氣口14分別設(shè)于該反應(yīng)腔10的兩端。進氣口12可用于向反應(yīng)腔10提供保護氣體(如，氬氣、氮氣、氦氣、或其混合)及生長碳納米管用碳源氣(如，甲烷、乙烯或乙炔等碳?xì)浠衔?。出氣口14可用于排放氣體。
局部加熱裝置20用以對裝載于反應(yīng)腔10內(nèi)的基底40進行局部加熱，以將基底40表面上的催化劑層42加熱至碳納米管生長溫度。該催化劑層42用作碳納米管生長的觸媒層。該局部加熱裝置20的選用以能實現(xiàn)僅對形成在基底40表面的催化劑42加熱為佳。本實施例中選用高頻爐，其只能對導(dǎo)體加熱；因此其可實現(xiàn)僅對形成在基底40表面的催化劑層42加熱，進而可在催化劑層42位置與催化劑層42上方形成明顯的溫度梯度，有利于碳納米管的快速生長。當(dāng)然，局部加熱裝置20也可選用一加熱臺，其可對整個基底40加熱，但非對整個反應(yīng)腔加熱；其也可在催化劑層42位置與催化劑層42上方形成明顯的溫度梯度。
氣態(tài)碳供給裝置30用以向反應(yīng)腔10提供一額外碳源。該氣態(tài)碳供給裝置30可產(chǎn)生氣態(tài)碳，并在反應(yīng)腔10的裝載有碳納米管生長用催化劑層42的上游位置提供氣態(tài)碳。所述上游位置是指催化劑層42的位于進氣口12一側(cè)某一位置處。所述氣態(tài)碳供給裝置30與反應(yīng)腔10密封連接。該氣態(tài)碳供給裝置30包括一石墨塊(圖未示)及一激光裝置(圖未示)，該激光裝置產(chǎn)生一激光束轟擊該石墨塊即可產(chǎn)生一氣態(tài)碳，該氣態(tài)碳可經(jīng)由通入惰性氣體將其導(dǎo)入反應(yīng)腔10內(nèi)的催化劑層42的上游位置。該氣態(tài)碳供給裝置30也可采用其它結(jié)構(gòu)形式，如其包括一對石墨電極及一電弧放電裝置，將該對石墨電極裝載于該電弧放電裝置內(nèi)以進行電弧放電；進而產(chǎn)生一氣態(tài)碳。向該電弧放電裝置內(nèi)通入一惰性氣體可將該氣態(tài)碳導(dǎo)入反應(yīng)腔10內(nèi)的催化劑層42的上游位置。
當(dāng)然，也可以另一種氣態(tài)碳供給裝置，其包括一石墨塊及與該石墨塊串聯(lián)形成一電氣回路的電源。該石墨塊直接放置于反應(yīng)腔內(nèi)裝載催化劑的上游位置，該電源設(shè)于反應(yīng)腔10外部；使用一穿過進氣口12的導(dǎo)線實現(xiàn)石墨塊與電源的電氣連接。該電源可于石墨塊兩端施加加熱電路以使石墨塊到達石墨的氣化溫度而于反應(yīng)腔10裝載催化劑層42的上游位置產(chǎn)生一氣態(tài)碳。
下面將詳細(xì)描述本實施例中碳納米管陣列制備裝置100的操作過程。
(1)向反應(yīng)腔10提供一上表面有一催化劑層42的基底40。該基底40的基體材質(zhì)可為半導(dǎo)體材料(如，硅)、或玻璃及氧化鋁等。所述催化劑層42為一金屬膜，其厚度以納米量級(小于1μm)為佳；該催化劑層42的材質(zhì)可選用常用的碳納米管生長用催化劑，如鐵、鈷、鎳、或其合金等。
(2)經(jīng)由該進氣口12向該反應(yīng)腔10內(nèi)通入保護氣體，以使該反應(yīng)腔10內(nèi)的空氣經(jīng)由該出氣口14排除。并且，在后續(xù)催化劑層42加熱及碳納米管生長過程中持續(xù)通入該保護氣體。其中，保護氣體可選用氬氣、氮氣、氦氣等惰性氣體，或其混合。
(3)通過一局部加熱裝置30，將該基底40表面的催化劑層42加熱至碳納米管生長溫度。碳納米管生長溫度一般為650℃～1200℃。本實施例中，局部加熱裝置30為一高頻爐，其將基底50加熱至950℃。
(4)在基底50的上游位置(Upstream)向反應(yīng)腔提供一氣態(tài)碳。該氣態(tài)碳是由氣態(tài)碳供給裝置30提供，該氣態(tài)碳的提供方法可為下列方法之一(1)啟動Nd:YAG等激光裝置產(chǎn)生一激光束轟擊一石墨塊產(chǎn)生一氣態(tài)碳，同時采用一惰性氣體將該氣態(tài)碳導(dǎo)入反應(yīng)腔10中的基底50的上游位置。通過控制激光功率可控制氣態(tài)碳的蒸出量，進而可控制碳納米管的生長速度。(2)將一對石墨電極裝載于電弧放電裝置，并使該對石墨電極的間距足夠小(小于1mm)；啟動該電弧放電裝置使石墨電極發(fā)生電弧放電產(chǎn)生一氣態(tài)碳。向電弧放電裝置內(nèi)通入一惰性氣體以將該氣態(tài)碳導(dǎo)入反應(yīng)腔10中的基底50的上游位置。通過控制電弧放電的放電電流的大小可控制氣態(tài)碳的蒸出量，進而可控制碳納米管的生長速度。(3)在反應(yīng)腔內(nèi)裝載的催化劑層42的上游位置放置一石墨塊，通過一位于反應(yīng)腔10外部的電源向石墨塊通入加熱電流，使其到達石墨氣化溫度以在催化劑層42的上游位置產(chǎn)生一氣態(tài)碳。通過控制加熱電流的大小可控制氣態(tài)碳的蒸出量，進而可控制碳納米管的生長速度。
(5)經(jīng)由進氣口12向該反應(yīng)腔10內(nèi)通入一碳源氣，以進行碳納米管生長。為精確控制碳納米管陣列的生長高度，以在在通入氣態(tài)碳的同時通入碳源氣為佳。在碳源氣及保護氣體的攜帶作用下，氣態(tài)碳被攜帶至基底40上的催化劑層42位置。碳源氣在催化劑層42的高溫下分解出碳和氫氣；碳源氣遇高溫分解出的碳及向反應(yīng)腔10通入的氣態(tài)碳與催化劑層42中的催化劑粒子形成金屬碳化物，當(dāng)金屬碳化物中的碳達到飽和后，其中的碳將向低溫方向(即催化劑層42上方位置)析出而形成碳納米管。其中，碳源氣可選用碳納米管生長常用的甲烷、乙烯或乙炔等碳?xì)浠衔?。圖1中箭頭所指方向為氣流方向。在碳納米管生長過程中，保護氣體與碳源氣的體積比優(yōu)選為1∶1～1∶10；反應(yīng)腔10內(nèi)的氣壓優(yōu)選為400Torr～600Torr；保護氣體的流速優(yōu)選為200sccm～500sccm；碳源氣的流速優(yōu)選為20sccm～60sccm。本實施例中，反應(yīng)腔10內(nèi)的氣壓為500Torr；保護氣體的流速為360sccm；碳源氣選用乙炔，其流速為40sccm。
本實施例中，單壁碳納米管的生長速率極快，在40秒生長時間中單壁碳納米管陣列高度達1mm以上，甚至可達2.5mm/s(毫米每分鐘)。圖2為本實施例中，950℃生長條件下生長出的單壁碳納米管陣列中的單壁碳納米管的拉曼光譜圖；由圖2可知，該單壁碳納米管陣列中單壁碳納米管的最高計數(shù)徑向呼吸模式顯示179.92cm-1，其對應(yīng)的單壁碳納米管的直徑為1.29nm。
本實施例中，通過實現(xiàn)基底40的局部加熱，在反應(yīng)腔10的基底40位置處形成明顯的溫度梯度，其有利于碳向溫度低方向析出及催化劑的成核率的提升，進而實現(xiàn)碳納米管的快速生長；通過提供氣態(tài)碳，有其利于碳納米管快速生長過程中的碳供給；并且，充足的碳分子與催化劑形成金屬碳化物可放出大量熱。而單壁碳納米管的熱傳導(dǎo)性質(zhì)最佳，為使熱量快速傳導(dǎo)出去，其將可在基底40上生長出單壁碳納米管陣列。
另一實施例中，設(shè)置碳納米管生長溫度為1000℃。圖3為1000℃生長條件下生長出的單壁碳納米管陣列中的單壁碳納米管的拉曼光譜圖；由圖3可知，該單壁碳納米管陣列中單壁碳納米管的徑向呼吸模式顯示的主要峰位有184.9cm-1，165.76cm-1，148.21cm-1；其分別對應(yīng)的單壁碳納米管的直徑為1.25nm，1.40nm，1.58nm。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如適當(dāng)變更反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓，保護氣體及碳源氣的流速，碳納米管陣列生長溫度等設(shè)計以用于本發(fā)明，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管陣列制備裝置，其包括一反應(yīng)腔；一局部加熱裝置，用以加熱裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的碳納米管生長用催化劑；及一氣態(tài)碳供給裝置，用以在裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的催化劑的上游位置向該反應(yīng)腔提供一氣態(tài)碳。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管陣列制備裝置，其特征在于所述局部加熱裝置為一高頻爐或加熱臺。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管陣列制備裝置，其特征在于所述氣態(tài)碳供給裝置包括一石墨塊及一激光裝置，通過該激光裝置產(chǎn)生一激光束轟擊該石墨塊以產(chǎn)生一氣態(tài)碳。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管陣列制備裝置，其特征在于所述氣態(tài)碳供給裝置包括一對石墨電極及一電弧放電裝置，通過電弧放電裝置使該對石墨電極進行電弧放電以產(chǎn)生一氣態(tài)碳。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管陣列制備裝置，其特征在于所述氣態(tài)碳供給裝置包括一石墨塊及一與該石墨塊串聯(lián)形成電氣回路的電源，通過該電源加熱該石墨塊至石墨氣化溫度以產(chǎn)生一氣態(tài)碳。
6.一種碳納米管陣列制備方法，其包括以下步驟將形成有一催化劑層的基底置于一反應(yīng)腔內(nèi)；向該反應(yīng)腔內(nèi)通入一保護氣體；對該基底進行局部加熱，將催化劑加熱至碳納米管生長溫度；在該基底的上游位置向反應(yīng)腔內(nèi)提供一氣態(tài)碳；向該反應(yīng)腔內(nèi)通入一碳源氣，以進行碳納米管陣列生長。
7.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述碳納米管生長溫度為650～1200℃。
8.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述氣態(tài)碳是通過向一石墨塊通以一加熱電流使其到達高溫而形成的。
9.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述氣態(tài)碳是通過采用激光束蒸發(fā)一石墨塊而形成的。
10.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述氣態(tài)碳是通過采用電弧放電法使一對石墨電極進行電弧放電而形成的。
11.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述基底包括硅、玻璃或氧化鋁。
12.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述保護氣體包括氬氣、氮氣、氦氣、或其混合。
13.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述碳源氣包括甲烷、乙烯或乙炔。
14.如權(quán)利要求6所述的碳納米管陣列制備方法，其特征在于所述催化劑層的材質(zhì)為鐵、鈷、鎳、或其合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管陣列制備裝置，其包括一反應(yīng)腔；一局部加熱裝置，用以加熱裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的碳納米管生長用催化劑；及一氣態(tài)碳供給裝置，用以在裝載于該反應(yīng)腔內(nèi)的催化劑的上游位置向該反應(yīng)腔提供一氣態(tài)碳。本發(fā)明通過設(shè)置一局部加熱裝置及氣態(tài)碳供給裝置，可在反應(yīng)腔的催化劑層位置處形成明顯的溫度梯度，及在反應(yīng)腔內(nèi)提供充足的碳源；其可實現(xiàn)碳納米管陣列的快速生長，且可在基底上生長出單壁碳納米管陣列。本發(fā)明還提供一碳納米管陣列制備方法。
文檔編號B82B3/00GK1915805SQ20051003674
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月19日
發(fā)明者姜開利, 陳卓, 范守善 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司