[发明专利]磁诱导电弧放电法制备单壁碳纳米管定向薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体是一种在磁场作用下电弧放电法制备单壁碳纳米管定向薄膜的方法。

背景技术

自1991年lijima发现碳纳米管(Carbon nanotubes；CNT)后，其卓越的机械性能、独特的电学、光学性能已经引起科学界的广泛关注，并被广泛应用在材料科学、化学、物理学、电子学以及其他交叉学科领域中。碳纳米管可分为单璧碳纳米管(SWNT)、双璧碳纳米管(DWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。其中SWNT被认为是一种准一维的纳米材料，因其具有较高的比表面积、载流子迁移率和直径相关的能带结构而被用作制造气体传感器、薄膜晶体管、光电器件等纳米器件。研究发现在使用SWNT大规模制造纳米器件时，碳管的取向对整体器件的性能有着较大的影响。因此在大规模制造SWNT基纳米器件过程中急需定向良好的SWNT薄膜。

直流电弧放电法是一种常用的高效制备单壁碳纳米管的方法，其所制备的SWNT具有结晶度高、缺陷少等特点。但由于其制备过程影响SWNT生长的因素较多，因此选择性制备SWNT定向薄膜存在较大困难。研究发现通过施加外磁场可以影响等离子体的几何形状和等离子体密度，进而有可能影响SWNT的生长过程并生成定向的SWNT薄膜。经对现有文献检索发现，Bin Wang等人2010年《先进材料》上发表了题为“Facile and Scalable Fabrication of Well-Aligned and CloselyPacked Single-Walled Carbon Nanotube Films on Various Substrates”，该论文通过在电弧放电设备中SWNT收集区域施加磁场，从而使得形成的SWNT飞入收集区域后在磁场作用下在不同基底上排布成定向SWNT薄膜。但是该论文中所用磁场必须是强磁场(0.56T)，可能会对对电弧放电产生不良影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单、所得产物中SWNT纯度高、具有高度有序性的磁诱导电弧放电法制备单壁碳纳米管定向薄膜的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

磁诱导电弧放电法制备单壁碳纳米管定向薄膜的方法，将催化剂、硫粉、高纯石墨粉按比例充分混合后制得阳极石墨棒，将制得的阳极石墨棒放在充有缓冲气体的电弧室内与阴极正对，通过调整放电电压和放电电流，使阴、阳两极发生电弧放电，通过调节施加在阴阳电极间磁场的强度和方向即可在阴、阳两极侧部基底上制得单壁碳纳米管定向薄膜。

所述的催化剂为铁或其化合物与钴、镍、钼中的一种或几种混合。

所述的催化剂、硫粉、高纯石墨粉的摩尔比为的(1.5-4.5)∶(0.5-1)∶(94-98)。

所述的阳极石墨棒还可以加入粘结剂煤焦油并在高温炉中1000℃处理3-4小时，粘结剂的加入量为阳极石墨棒的25wt％。

所述的缓冲气体为氩气、氦气或氢气中的一种或几种。

电弧放电的放电电压范围为40～80V，放电电流范围为60～120A。

所述的磁场的强度为0.001～0.1T。

所述的磁场的方向与电场方向垂直。

所述的基底包括硅片、石英片、玻璃片或云母片。

与现有技术相比，本发明采用弱磁场诱导直流电弧法制备单壁碳纳米管定向薄膜，工艺简单、所得产物中SWNT纯度高、具有高度有序性。

附图说明

图1为弱磁场诱导电弧放电过程示意图；

图2是施加磁场后电弧放电过程中等离子体变化的图片；

图3是基片上收集的单壁碳纳米管定向薄膜的扫描电镜照片。

图中，1为磁铁、2为阴极、3为阳极、4为等离子体、5为基片、6为单壁碳纳米管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

将高纯石墨粉、Fe粉、Mo粉和硫粉按照摩尔比为98％∶1.0％∶0.5％∶0.5％的比例充分混合均匀后，填充于内径φ为4mm，深度为4cm的石墨棒中制得阳极石墨棒。直流电弧放电在通有21kPa氩气和14kPa氢气的电弧室内进行，其中放电电流为60～70A，放电电压为40～50V，施加磁场为0.001T，放电时间为10分钟，采用石英片作为基片，即可得到单壁碳纳米管定向薄膜。

实施例2