[发明专利]一种氮化硼包覆的碳纳米管及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硼包覆的碳纳米管及其制备方法和用途，属于纳米材 料制备技术及应用领域。

背景技术

碳纳米管自1991年被日本电子公司(NEC)实验室的Iijima首次发现后， 以其独特的性能引起了科学家的广泛关注，被预测将在许多领域引起革命性的 变革。碳纳米管机械强度高(其强度为钢的100-1000倍)，导电、导热性好，具 有很大的长径比和极小的尖端曲率半径，化学性质稳定，兼具金属性和半导体 性，具有较低的开启场强和阈值场强，因此它是一种理想的场发射电子源。但 是对于碳纳米管的商业化应用，发射电流密度、发射稳定性和均匀性方面仍不 够理想，因此寻找能够提高和改善碳纳米管场发射性能的方法是其走向产业化 的重要一步。降低碳纳米管的表面电子逸出功是提高其场发射性能的重要途径 之一，而改变碳纳米管表面性质是降低其表面逸出功的有效手段。因此，如何 可控地对碳纳米管进行表面改性影响着这种材料在场发射领域的应用。

目前主要有以下两种方法来改变碳纳米管的电子结构，从而实现对碳纳米 管表面性质的有效改变。

(1)吸附：吸附是通过吸附分子或者原子来可以改变碳纳米管的局部电子结 构，增强碳纳米管尖端的局域态，或者减小碳纳米管尖端的功函数，增强隧穿 效应，进而改变碳纳米管的场发射性能。例如水分子吸附在碳纳米管上后，碳 纳米管的离化能降低，降低电子发射的难度，而水分子团簇的形成可以进一步 降低碳纳米管的离化能；一氧化碳吸附在碳纳米管上后，可以与碳纳米管尖端 的五边形碳原子形成非常强的键，进而破坏尖端结构，改变其场发射性能。不 过这种方法的缺点是吸附物与碳纳米管之间的作用力较弱，在加热和高电压下 容易脱付，造成场发射的不稳定。

(2)掺杂：掺杂是改变半导体导电性质最常用的方法。例如，氮原子和硼原 子(分别比碳原子多一个电子和少一个电子)是最常用的n型和P型掺杂原子， 它们通过在费米面附近引入施主能级和受主能级来改变碳纳米管的电子结构。 与纯的碳纳米管相比，氮掺杂的碳纳米管可以在较低的阈值电压下表现出较高 的电流密度和稳定的发射电流；碳纳米管通过碱金属(钾、铷、铯)掺杂后， 几何结构几乎不变，但费米面附近的电子态明显改变，金属性碳纳米管和半导 体性碳纳米管无法区分，场强因子增大，从而导致开启场强降低，发射电流增 大，而且发射比较稳定。但这种方法只能改变碳纳米管的局域电子结构，而且 会引入结构缺陷，并且没办法精确控制掺杂的位置和浓度，不适合工业界的应 用及普及。

因此，发展一套便捷、可控的改变碳纳米管表面性质从而降低表面逸出功的 方法对这种材料在场发射领域的应用具有实际的意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氮化硼包覆 的碳纳米管及其制备方法和用途，本发明利用薄膜原位反应技术，通过溶液挥 发沉积氧化硼和化学气相反应的方法在不改变碳纳米管几何结构的前提下，可 控地在碳纳米管外表面包覆厚度可控的氮化硼薄膜，改变碳纳米管的表面性质， 从而实现碳纳米管场发射性能的提高和改善。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮化硼包覆的碳纳米管，其在碳纳米管外表面包覆厚度可控的氮化硼 薄膜，所述氮化硼包覆的碳纳米管的场发射性能≥30.0mA/cm²。

优选地，所述氮化硼包覆的碳纳米管的场发射性能≥60.0mA/cm²；进一步 优选地，≥92.5mA/cm²。

优选地，所述氮化硼厚度为3-50nm。

优选地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

优选地，所述碳纳米管为碳纳米管阵列。

本发明还提供上述氮化硼包覆的碳纳米管的制备方法，该方法包括以下步 骤：

(1)将三氧化二硼溶于无水乙醇中制得三氧化二硼的饱和乙醇溶液，然后将 碳纳米管悬置于所述三氧化二硼的饱和乙醇溶液上方，通过所述溶液的挥发在 所述碳纳米管外表面包覆三氧化二硼薄膜；

(2)将步骤(1)所得包覆三氧化二硼的碳纳米管放入化学气相沉积反应炉中， 在氩气和氢气的保护下，升温至600-1200℃，优选至900℃；然后在氩气保护下， 与氨气发生反应，然后降至室温(一般指10-30℃)，获得氮化硼包覆的碳纳米 管。