[发明专利]处理碳纳米管的方法、碳纳米管以及碳纳米管元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种处理碳纳米管的方法、由此得到的碳纳米管以及使用该碳纳米管制备的元件。

背景技术

碳纳米管(CNT)作为一维纳米材料，具有许多优异的电学、力学和化学特性，因此日益受到人们的关注。随着对纳米材料研究的不断深入，碳纳米管的广阔应用前景也正不断地涌现，例如用于场发射电子源、纳米场效应晶体管、储氢材料以及高强度纤维等。

碳纳米管根据形成管壁的碳原子的层数可以分为单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)，其中多壁碳纳米管可以理解为由不同直径单壁碳纳米管套装而成。在实际的研究和应用中，单壁碳纳米管、层数较少的多壁碳纳米管由于拥有突出的性能而具有重要的地位。

碳纳米管根据其导电性能又可以分为金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管，其中前者可以用于场发射电子源和电极材料等，后者可以用于纳米场效应晶体管和传感器等。Saito等人在论文“Saito R et al，Material Secience andEnginerring，1993，B19：185～191”中经理论分析后认为，根据单壁碳纳米管的直径和螺旋角度，其中大约有1/3是金属性的，而其余2/3则是半导体性的。在实际制备的产品中，由于制备方法、工艺参数等的变化，所得到的产品中金属性和半导体性碳纳米管的比例并不严格遵循上述理论。随着碳原子管壁层数增加，碳纳米管的金属性逐渐增加并最后变为纯金属性的。

常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法以及激光蒸发法等。通过这些方法所得到的碳纳米管的产物通常既包括金属性碳纳米管又包括半导体性碳纳米管，二者混合在一起。因此，将金属性和半导体性碳纳米管投入实际应用的前提之一就是从制备产物中将不同导电性能的碳纳米管彼此分离。碳纳米管的分离已成为当前研究的重要课题之一。

目前，人们已经提出了多种利用金属性和半导体性碳纳米管的化学、物理性能方面的差异而分离碳纳米管的方法。

Yasumitsu Miyata等人在论文“Selective Oxidation of SemiconductingSingle-Wall Carbon Nanotubes by Hydrogen Peroxide，Yasumitsu Miyata et al，J.Phys.Chem.B；2006；110(1)pp25-29(Letter)”(以下简称非专利文献1)以及在日本专利申请公开JP2006-188380A(以下简称专利文献1)中都提出了一种使用过氧化氢(H₂O₂)的水溶液处理SWNT以富集金属性SWNT(M-SWNT)的方法。

在上述非专利文献1的方法中，使用了Carbon Nanotechnologies Inc.(美国)利用铁微粒等作为催化剂在高压下分解一氧化碳而制得的HiPco(高压一氧化碳法)-SWNT。将HiPco-SCNT放入H₂O₂水溶液中在90℃下进行热处理。进行47分钟热处理之后，99％的SWNT被分解。对剩余的1％的SWNT的分析结果表明，金属性SWNT的比例提高到了80％左右。

上述非专利文献1表明半导体性SWNT的反应特性比金属性SWNT高，利用二者不同的反应特性，可进行有选择的分离。过去普遍认为金属性SWNT的反应特性比半导体性SWNT高，但该方法的结果却完全相反。对此，可能的原因为，H₂O₂的弱空穴掺杂效应使得半导体性SWNT的费米能级结构的电子态密度(DOS)变得比金属性SWNT的DOS大，从而导致半导体性SWNT的反应活性变得比金属性SWNT的高。该反应中H₂O₂通过两个阶段对SWNT进行氧化：第一阶段是SWNT从H₂O₂中获得氧的氧化反应，这使得SWNT活化；第二阶段就是由H₂O₂产生活性氧，对活化的SWNT进行氧化和分解并使其变成二氧化碳(CO₂)。

非专利文献1：Yasumitsu Miyata et al，J.Phys.Chem.B；2006；110(1)pp25-29(Letter)；和

专利文献1：JP2006-188380A

发明内容