[发明专利]碳纳米管开尖端和净化碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及处理碳纳米管(carbon nanotube)的方法，特别涉及碳纳米管开尖端和净化碳纳米管的方法。

碳纳米管是其直径在几纳米数量级和其纵横比为10-1000的微型圆柱型结构。碳纳米管具有蜂巢状的六边形图形，其中各碳原子与三个相邻的碳原子结合。此外，取决于碳纳米管的结构，碳纳米管具有象金属的导电性或半导体特性，预计这些碳纳米管的应用领域将是广泛的。

已知碳纳米管具有优异的电子发射能力。由于这些性能，因而认为碳纳米管是用于制造包括平板显示器等各种显示器的理想材料。

电子主要从碳纳米管的尖端而不是侧边发射。这样，对于在电子器件应用中的最佳电子发射来说，碳纳米管必须在衬底上垂直取向地生长。

近来，提出了批量合成垂直取向的碳纳米管的许多方法。在作为这些方法之一的化学汽相淀积(CVD)的情况下，使用催化剂来形成碳纳米管，在碳纳米管尖端的取向角度和碳纳米管的长度会改变，因而需要调节取向角度和长度。并且，在碳纳米管尖端的空穴存有起催化作用的金属颗粒，因而必须去除留下的起催化作用的金属颗粒。

在外侧的碳纳米管侧壁仅由具有六角形的石墨组成，而碳纳米管的尖端是具有包括简单圆柱形、玉米形(com)或多边形等各种形状的闭合管。由此，在碳纳米管的尖端产生原子能级方面的布局缺陷，引起碳纳米管的变形。

另一方面，直到现在，合成碳纳米管的许多方法都随同碳纳米管的生长产生诸如碳纳米颗粒或非晶颗粒之类的碳的副产品。几乎所有这些副产品都位于碳纳米管的外壁。

因此，对于利用碳纳米管的电子发射性能的碳纳米管在电子器件中的应用来说，在碳纳米管合成之后，需要调节碳纳米管的长度和尖端的形状以及净化原生(crude)碳纳米管。

为了满足这些要求，已经采用在空气中或在氧气中或氨气氛中进行热处理的技术和在等离子体气氛中的表面处理。这些常规方法在移去粘附于碳纳米管表面的碳颗粒方面相对地有效。可是，该方法不足以从尖端附近的空穴去除起催化作用的金属颗粒，并且不能调节碳纳米管的长度。

本发明的第一目的是提供一种碳纳米管开尖端的方法，用该方法可调节碳纳米管的长度和尖端的形状。

本发明的第二目的在于提供一种净化碳纳米管的方法，该方法可有效地去除在碳纳米管尖端的起催化作用的金属颗粒，和去除在碳纳米管外壁的诸如碳颗粒之类的副产品。

利用碳纳米管开尖端的方法来实现本发明的第一目的，该方法包括在衬底上使原生碳纳米管垂直取向；在预定高度沿平行于衬底主表面的方向对垂直取向的原生碳纳米管施加物理能，以从原生碳纳米管去除尖端。

最好，在施加物理能中，使用载流热金属线(hot wire)。对于这种情况，在施加物理能之前，还包括相对于垂直取向的原生碳纳米管将热金属线的高度精细调节到预定高度，和使热金属线在预定高度与原生碳纳米管接触。

最好，在施加物理能中，平行于衬底主表面地移动热金属线，使其与原生碳纳米管接触。或者，移动衬底，使原生碳纳米管与热金属线接触。

最好，热金属线由铬(Cr)、钨(W)或耐热合金构成。

最好，在施加物理能中，使用激光束。在这种情况下，可相对于原生碳纳米管把激光束照射点精细地调节到预定高度，然后，在预定高度处用激光束照射原生碳纳米管。

最好，激光束源为KrF激光器、ArF激光器、红宝石激光器、氩激光器、氦氖(He-Ne)激光器和二氧化碳(CO₂)激光器中的一种。

利用净化碳纳米管的方法来实现本发明的第二目的，该方法包括：在衬底上垂直取向原生碳纳米管；在预定高度沿平行于衬底主表面的方向对垂直取向的原生碳纳米管施加物理能，以去除粘附于原生碳纳米管尖端和外壁的不需要的材料。

最好，在施加物理能中，使载流热金属线在预定高度与原生碳纳米管接触，或用激光束照射原生碳纳米管。

通过按照本发明开出碳纳米管的尖端和净化碳纳米管，可简单地调节尖端的形状和碳纳米管的长度。此外，可有效地去除留在原生碳纳米管尖端附近的空穴中的起催化作用的金属颗粒、和粘附于碳纳米管外壁的碳纳米颗粒和诸如非晶碳之类的其它副产品。

通过参照附图详细地说明优选实施例，上述目的和优点将更加明了，其中：

图1A至1C是展示本发明优选实施例的碳纳米管开尖端的方法和净化碳纳米管方法的连续步骤的剖面图；

图2是展示在本发明的碳纳米管开尖端和净化碳纳米管中用载流热金属线作为物理能施加装置的剖面图；和