[发明专利]一种碳纳米管的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：(1)在基片上制备催化剂阵列；(2)将基片放入CVD反应装置中，并抽真空；(3)通入氢气，并调整气体流量为50‑500sccm；(4)调节CVD反应装置内的气压为10‑80mBar；(5)加热基片，使其温度为600‑900℃并保温；(6)使基片温度降低5‑500℃并保温，通入碳源气体生长碳纳米管；(7)碳纳米管生长结束后，使基片温度降低至室温，取出基片，得到碳纳米管阵列。本发明根据催化剂裂解形成纳米颗粒的温度与碳纳米管生长的最佳温度不同这一新发现，分别设定适于催化剂裂解的温度和适于碳纳米管生长的温度，得到缺陷少、长度一致的碳纳米管阵列。

技术领域

本发明属于碳纳米管技术领域，具体涉及一种碳纳米管的制备方法。

背景技术

碳纳米管是一种一维纳米材料，碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成一层到数层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2～50nm。碳纳米管作为一维纳米材料，其重量轻，六边形结构连接完美，因而具有许多特殊的力学、电学和物理化学性能。碳纳米管的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍，碳纳米管具有良好的导电性能、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，特别地，碳纳米碳管还具有优异的场发射性能，具有场增强因子高、阈值电压低、发射电流密度大、稳定性高等优点，尤其适合用做场发射阴极。

但是，碳纳米管用做场发射阴极存在两个不足：1、碳纳米管的长度一致性差，使得碳纳米管场致发射阴极不能在大面积范围内满足发射一致性和均匀性。如果碳纳米管在垂直于发射面方向上的高度有差异的话，那么其场增强因子将出现很多差异，导致在外加同一电场时，每根碳纳米管顶端的实际电场强度将出现很大的差异，由场致发射的基本原理可知，在电场强度高于阈值电场后，电场强度的轻微变化将导致发射电流的巨大变化，特别在电场强度比较高的情况下，其场致发射的I-V特性是陡峭的非线性特征。一般真空电子要求其阴极的发射电流非常高，电流密度要求大于2A/cm²以上，这种情况下，外加的电场强度相对比较高，碳纳米管的场致发射电流特性非常陡峭，如果碳纳米管的垂直高度一致性比较差，则局部碳纳米管发射电流将过大而出现“过热点”导致烧毁，甚至引发打火现象损坏整个阴极。经理论和实践证明碳纳米管的局部过热烧毁是导致碳纳米管场致发射阴极性能不稳定、寿命短的最重要原因之一；2、碳纳米管内部和表面的缺陷多，因为这些缺陷的存在会对碳纳米管的场致发射性能产生较大的影响，特别是对场致发射的稳定性和寿命起着决定性作用。在碳纳米管缺陷较多的情况下，其导电导热性能大大降低，耐高温性能也大大降低，容易出现坍塌现象，碳纳米管在没有达到实际需要的电流下将导致焦耳热非常大而将碳纳米管烧毁，也导致碳纳米管阴极的损坏。

目前制备碳纳米管主要有四种方法：电弧放电法，激光烧蚀法，电解法及化学气相沉积法(CVD)，其中，化学气相沉积法利用含碳气体作为碳源气，然后在过渡金属的催化作用下，含碳气体经过催化剂表面时分解，沉积在催化剂的表面形成碳纳米管，其制备条件简单，容易控制，可以实现批量生产，是目前碳纳米管主要的制备方法，而CVD方法制备碳纳米管基本上都是基于催化剂的制备方法，因此，催化剂在这类碳纳米管生长过程中扮演着举足轻重的角色。催化剂颗粒吸收碳源气体分子后，碳原子从气体分子中裂解出来融于催化剂颗粒中，并在催化剂颗粒中扩散。扩散中的碳原子在一定条件下能够形成稳定的碳碳共价键，这种共价键的形成是碳纳米管生长的基础。碳原子首先从催化剂颗粒的某个达到饱和的表面区域中沉积出来而形成碳纳米管一个半球端面，从而开始了碳纳米管的生长。其中，催化剂颗粒为纳米颗粒，一般通过真空镀膜的方式镀在基底上形成连续薄膜，然后在高温下裂解成纳米颗粒。纳米颗粒的形成、形状、表面能态、体表温度和内部温度等因素都对碳纳米管的生长有重要影响，其中，碳纳米管的直径主要由纳米颗粒的尺寸决定，碳纳米管的长度一致性则与纳米颗粒尺寸的一致性有关。

传统CVD法生长的碳纳米管的直径和长度离散性非常大，而不同直径的碳纳米管难于保证其结晶性能均处于比较好的条件，因此含有大量缺陷的碳纳米管也非常多。综上，传统化学气相沉积法所生产的碳纳米管存在较多缺陷以及长度一致性差的根本原因是催化剂纳米颗粒尺寸的一致性差。