[发明专利]一种在基底表面制备取向性碳纳米管的方法和产品

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体涉及一种利用原位等离子体刻蚀技术在基底表面制备取向性碳纳米管的方法和产品。

背景技术

碳纳米管是是由碳原子以sp²杂化为主并混有sp³杂化所构筑成的曲面网络结构，它是一种由单层或多层石墨烯绕同轴缠绕而成的柱状或层套状的管状物。碳纳米管的制备方法主要有电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法等。碳纳米管在机械、导电、传热、光学等方面具有良好的性质，表现出广阔的应用前景。特别是它一维的纳米结构赋予其独特的各向异性特质。例如，它的中空结构是一个天然的分子通道，各种分子在管内的流速比通常的微孔流速快4～5个数量级，特别是水分子。然而，碳纳米管的一维结构特点决定了在利用碳纳米管优良性能时，必须保证碳纳米管的结构和空间规整性，这就要求碳纳米管尽可能以延展状态、以一定取向的方式排列存在。

目前，碳纳米管取向性排列的方法已多有报道，主要分为前处理法和后处理法。其中，前处理法主要通过预先设计好的催化剂、纳米沟槽、外加电场和磁场等方法，在碳纳米管的形成过程中就发生取向性排列，从而制备得到取向性碳纳米管。后处理法主要通过将碳纳米管分散在有机溶液或高分子溶液中，借助流体运行产生的剪切力，或在流体运行中施加电场和磁场，或直接通过纳米操作等技术实现碳纳米管的取向性排列。另已有文献对之前的报道做过简单综述(Iakoubovskii,Konstantin，Central European Journal of Physics,2009,4,645-653.)。

在取向碳纳米管的制备方面，目前比较常用的方法是从碳纳米管合成起始通过合理地设计制备碳纳米管阵列。公开号为CN 1757595 A的专利文献公开了一种多壁碳纳米管的自组装方法，采用化学气相沉积法，以二茂铁为催化剂，碳氢化合物如环己烷、苯、二甲苯等为碳源，硅片为基板，通过进样口添加水蒸气、二氧化碳等氧化性组分，在硅基板表面上一步合成得到垂直且定向排列的具有微米尺度的碳管。

公开号为CN 101338452 B的专利文献公开了一种高密度碳纳米管阵列的制备方法，提供一碳纳米管阵列形成于一基底，沿着平行于基底的方向，施加压力挤压上述碳纳米管阵列，从而得到高密度碳纳米管阵列。

上述专利文献都属于前处理法碳纳米管的方法。对于已有的碳纳米管进行后处理获得取向性碳纳米管的方法也多有报道。公开号为CN 101254895 A的专利文献公开了一种碳纳米管的定向排列方法及制备装置，方法步骤为：将聚合物和碳纳米管混合物注入到缸体内，用活塞压缩使之通过层流场、磁场，或者用活塞压缩使之通过层流场、电场，使碳纳米管在聚合物中进行定向排列。

除此之外，公开号为CN103303898A的专利文献公开了一种水平定向碳纳米管阵列及其制备方法，制备方法包括：向由碳纳米管组成的集合体施加一拉伸力，在所述拉伸力的拉伸作用下，在所述集合体的表面的至少部分区域中形成定向排列的碳纳米管阵列；将所述集合体置于一基底上，使所述定向排列的碳纳米管阵列与所述基底直接接触，朝着所述基底向所述集合体施加一压力，使得所述定向排列的碳纳米管阵列中的至少一部分附着在所述基底上；从所述基底上移除所述集合体，从而在所述基底上得到水平定向单层碳纳米管阵列。

公开号为CN103723700A的专利文献公开了一种在高分子膜表面制备定向碳纳米管的方法，首先将碳纳米管进行改性处理并分散在极性溶剂中，通过过滤法将改性碳纳米管分散液均匀沉积在高分子膜表面，再将另外一层高分子膜覆盖在上述沉积过改性碳纳米管的膜表面，形成三层结构；三层结构经热压处理后，再将三层结构外两层膜通过缓慢撕拉剥离开来，得到定向碳纳米管。

公开号为CN1807359A的专利文献公开了一种微细加工技术，其采用将单纯的碳纳米管做成薄膜，然后对这个碳纳米管膜通过顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜而实现对表面形貌的调控，制备方法包括：先是一次或者多次使用化学反应性气体，对碳纳米管薄膜进行反应离子辅助等离子体处理，然后使用物理作用性气体，对碳纳米管薄膜进行等离子体表面处理，从而实现无序排布碳纳米管在薄膜表面的取向性暴露。该专利文献的薄膜由碳纳米管构成，由于碳纳米管本身比较稳定，需要多种等离子体技术进行刻蚀，工艺本身难度较大。