[发明专利]碳毫微管的形成方法

说明书

本发明涉及碳毫微管的形成方法，更具体而言是涉及使用等离子体来生长和纯制碳毫微管。

碳是包括人在内的所有生物的最重要的组成元素，其与氧、氢、氮等结合，而且具有独特的晶体结构，包括钻石、石墨、富勒烯和碳毫微管。具体而言，碳毫微管是指生长有单壁或多个壁的螺旋管状结构，其可通过卷绕由多个六方体形成的片材而形成的，而所述片材是通过各碳原子结合三个相邻碳原子形成的。碳毫微管的直径在几毫微米至几百毫微米之间的数量级上。根据螺旋管的卷绕形状和直径，碳毫微管有类似于金属作为导体或者作为半导体的功能。同样，其具有预定长度的中空结构使得产生良好的机械、电和化学性质，因此碳毫微管可作为场发射装置、氢容器和可充电电池的电极。

最开始是Sumio Iijima在题目为“石墨碳的螺旋微管(HelicalMicrotubules of Graphitic Carbon)，，的文章中(Nature，第354卷，1991年11月7日，第56-58页)发现并报道了在两个石墨棒之间通过电弧放电产生的碳毫微管。该技术通常用于制造碳毫微管，但是相对于最终产物，纯碳毫微管的产率仅为约15％。因此，对于特殊的装置应用必须进行复杂的纯制过程。

其他常规制造碳毫微管的方法描述于Michiko Kusunoki的题目为“通过升华分解碳化硅而自组的外延碳毫微管膜(Epitaxial Carbon NaotubeFilm Self-organized by Sublimation Decomposition of Silicon Carbide)”的文章中(Appl.Phys.Lett.，第71卷，2620页，1977年)，其是在高温下通过用激光照射石墨或碳化硅来制造碳毫微管。在该情况下，碳毫微管是在约1200℃或更高的温度下由石墨以及在约1600-1700℃下由碳化硅制成的。但是，该方法也需要多个纯制步骤，并增加成本。另外，该方法在大装置应用时有困难。

W.Z.Li等人在题目为“直线排列的碳毫微管的大规模合成(Large-Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes)”的文章中(Science，第274卷，1996年12月6日，1701-1703页)报道了通过热分解烃系列气体由化学气相沉积(CVD)制造碳毫微管的方法。该技术仅适用于不稳定的气体，如乙炔或苯。例如，该技术不能使用甲烷(CH₄)来制造碳毫微管。

本发明的目的是提供一种形成碳毫微管的方法，其中使用高密度等离子体生长高密度的碳毫微管。

本发明的另一个目的是提供一种形成碳毫微管的方法，其中碳毫微管是通过使用高密度等离子体除去石墨或碳颗粒来纯制碳毫微管，使得碳毫微管可容易地高密度生长。

为达到本发明的第一个目的，提供一种形成碳毫微管的方法，其中以10¹¹cm^-3或更高的密度使用等离子体化学气相沉积法在基底上生长碳毫微管。优选的是，基底是其上形成有催化金属层的无定形硅或聚硅基底。在碳毫微管层的生长过程中，可使用烃系列气体作为等离子体源气体，基底的温度可在600-900℃范围内，而压力可在10-1000mTorr范围内。

为达到本发明的第二个目的，提供一种形成碳毫微管的方法，其包括通过等离子体沉积在基底上生长碳毫微管层，直至具有预定的厚度。接下来，通过等离子体蚀刻纯制碳毫微管。然后重复碳毫微管的生长和纯制。

优选的是，生长碳毫微管层是在10¹¹cm^-3或更高的高等离子体密度下通过等离子体化学气相沉积法来进行的。在纯制碳毫微管层的过程中，可使用含卤素气体或含氧气体作为用于蚀刻的等离子体源气体。

根据本发明，通过用高密度等离子体分解稳定的CH₄气体可生长高密度的碳毫微管。同样，可通过重复碳毫微管的生长和纯制过程容易地形成高纯度的碳毫微管。

参考附图更详细地说明优选的实施方案，本发明的以上目的和优点由此将更为明显，在附图中：

图1是显示用于形成根据本发明之优选实施方案的碳毫微管的基底的截面图；

图2-6是说明形成根据本发明之优选实施方案的碳毫微管的各个阶段的截面图；

图7是在本发明的优选实施方案中形成的碳毫微管平面的扫描电子显微(SEM)图象；

图8是在本发明的优选实施方案中形成的碳毫微管的垂直截面的SEM图象；