[发明专利]低温热化学汽相淀积设备及利用该设备合成碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及合成碳纳米管的方法，特别涉及利用热化学汽相淀积(CVD)合成碳纳米管的方法。

碳纳米管具有直径为几纳米、高宽比为10-1000的微小圆柱结构。碳纳米管具有蜂窝状六边形图形，其中每个碳原子与三个相邻的碳原子结合。另外，根据其结构，碳纳米管可以象金属一样作为导体或作为半导体，所以，预计这些碳纳米管的应用领域将被拓展。

人们已采用了放电法、激光淀积法、使用碳氢化合物的化学汽相淀积法大规模地合成碳纳米管。具体说，放电技术利用碳电极的弧光放电生长碳纳米管。激光淀积法通过用激光照射石墨合成碳纳米管。然而，这两种方法不能控制碳纳米管的直径和长度，以及含碳材料的结构，所以，合成碳纳米管期间很难获得优异的结晶结构。另外，同时会产生大量非晶碳块，所以，碳纳米管的合成后，还需要复杂的净化工艺，所以造成工艺复杂化。这些方法的另外一个缺点是不能在较宽面积上合成碳纳米管。所以，这些方法不能应用于各种各样的器件。

有人提出了利用等离子CVD合成碳纳米管的方法。然而，由于等离子的撞击，会损伤碳纳米管，并且难以在较大基片上合成碳纳米管。

近年来，已有人公开了利用碳氢化合物的热分解在基片上合成碳纳米管的热CVD法。这种现有热CVD技术的优点是，可以大规模生产高纯碳纳米管。然而，要在700℃或更高的高温下进行利用热CVD的碳纳米管合成，所以，该方法不能应用于玻璃基片。例如，如果玻璃基片不能用于制造如场发射显示器等显示器件，从技术和经济角度出发都是不利的。要使用玻璃基片，碳纳米管合成的温度必须等于或低于玻璃开始变形的温度650℃。另一方面，由于几乎所有现已开发出的电子器件都具有电互连，这些电互连几乎都由熔点为700℃或更低的铝构成，所以在700℃或更高的温度进行的常规热CVD法不能应用于这些电子器件的制造。

本发明的目的是提供一种热化学汽相淀积(CVD)设备，利用该设备能够简单经济地在低温下制造高纯碳纳米管。

本发明的另一目的是提供一种利用低温CVD法合成碳纳米管的方法，该方法可应用于采用玻璃基片的显示器件和电子器件的制造。

根据本发明的一个方面，提供了一种热化学汽相淀积(CVD)设备，包括：具有气体输入部分和排气部分的反应管，该反应管被分成第一区和第二区，第一区在空间上邻接气体输入部分，用于热分解经气体输入部分进入的气体，第二区空间上邻接排气部分，用于利用在第一区中分解的气体合成碳纳米管；围绕反应管安装的第一电阻加热器，用于保持第一区的温度为第一温度；围绕反应管安装的第二电阻加热器，用于保持第二区的温度为低于第一温度的第二温度；以及设于第一和第二电阻加热器间用于隔开它们的隔离件。

优选地，第一和第二电阻加热器是电阻线圈。优选地，第一区通过第一电阻加热器保持在700-1000℃的温度，第二区通过第二电阻加热器保持在450-650℃的温度。

根据本发明的第二方面，提供了一种合成碳纳米管的方法，包括在第一基片上形成第一金属催化膜。用腐蚀气腐蚀第一金属催化膜，形成大量纳米级催化颗粒；利用具有分成保持在不同温度下的第一和第二区的反应管的热化学汽相淀积(CVD)设备热分解碳源气，其中碳源气在反应管的较高温度的第一区分解。然后，在其温度低于第一区的第二区中，利用分解的碳源气，在催化颗粒上合成碳纳米管。

第一基片优选由玻璃、石英、硅、氧化铝或氧化硅构成。第一金属催化膜优选由钴、镍、铁或它们的合金构成。腐蚀气优选是氨气、氢气或氢化物气体。更优选用氨气作腐蚀气体。

优选地，在反应管的第二区中进行催化颗粒的形成。这里第二区保持在450-650℃的温度。

在分解碳源气时，第一区可以保持在700-1000℃的温度。在合成碳纳米管时，第二区可以保持在450-650℃的温度。

可以用具有1-20个碳原子的碳氢化合物气体作碳源气，更优选使用乙炔或乙烯。

碳纳米管合成法还可以包括在第二基片上形成第二金属催化膜，其中在第一金属催化膜和第二金属催化膜以隔开预定距离相互面对的状态下，进行催化颗粒的形成。优选地，在催化颗粒以隔开预定距离面对第二金属催化膜的状态下，进行碳纳米管的合成。

第二金属催化膜优选由铬或钯构成。

该碳纳米管合成法还可以包括在第一基片上形成绝缘膜，用以防止第一基片与第一金属催化膜之间的反应。该绝缘膜优选由氧化硅或氧化铝构成。

根据本发明的碳纳米管合成法可以包括在第一基片上形成金属膜。所说金属膜优选由钛、氮化钛、铬或钨构成。