[发明专利]同时制备多方向水平定向单壁碳纳米管阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种同时制备多方向水平定向单壁碳纳米管阵列的方法。

背景技术

碳纳米管的研究已成为纳米材料领域的研究热点之一。单壁碳纳米管是碳纳米管的一种重要的类型。近年的研究表明单壁碳纳米管具有优异的物理、电学、光学、表面吸附等性能，因此在量子物理研究、纳电子器件、纳米探针、场发射源、超大电容、高强度复合材料等众多领域表现出广泛的应用潜力。

实现单壁碳纳米管沿着某一方向定向地生长是碳纳米管研究领域一直所追求的，因为定向生长的单壁碳纳米管将便于研究单壁碳纳米管的电学性能以及构建基于单壁碳纳米管的纳电子器件，将促进单壁碳纳米管在纳电子器件领域的应用。

目前，国内外已经有一些文献报道实现了单壁碳纳米管的定向生长。Liu，J.等人(Liu，J.等，Adv.Mater.2003，15，1651.)通过衬底快速升温和控制CO气体流量的方法实现了在SiO₂/Si衬底上沿着气流通过方向水平定向生长的单壁碳纳米管阵列。Dai，H.等人(Dai，H.等，Appl.Phys.Lett.2001，79，3155.)以及Lieber，C.M.等人(Lieber，C.M.等，Nano Lett.2002，2，1137.)都通过在衬底的电极两端施加一定强度的电场的方法获得了在电极之间沿着电场方向水平定向生长的单壁碳纳米管阵列。Zhou，C.等人(Zhou，C.等J.Am.Chem.Soc.2005，127，5294.)以及Yu，Q.等人(Yu，Q.等，J.Phys.Chem.B 2006，110，22676.)采用晶向为(1120)或(1102)的蓝宝石作为衬底，在蓝宝石衬底上得到了沿着某一特定晶向方向水平定向生长的单 壁碳纳米管阵列。Ismach，A.等人(Ismach，A.等，J.Am.Chem.Soc.2005，127，11554.)采用晶体切割方法在C晶向蓝宝石衬底上形成原子级高度的台阶，并在这种衬底上获得了沿着台阶方向水平定向生长的单壁碳纳米管阵列。Rogers，J.等人(Rogers，J.等，J.Am.Chem.Soc.2006，128，4540.)也通过切割方法在石英衬底上形成原子级高度的台阶，并在这种石英衬底上得到了沿着台阶方向水平定向生长的单壁碳纳米管阵列。北京大学李彦等人(Li，Y等，Nano Lett.2007，7，2073.)也通过控制甲烷和氢气的流量实现了在SiO₂/Si衬底上沿着气流通过方向水平定向生长的单壁碳纳米管阵列。

尽管上述技术可以在衬底上获得沿着某一方向生长的单壁碳纳米管阵列，但是采用上述方法：1)只能实现单壁碳纳米管沿着一个方向定向生长(如沿着气流方向或衬底的某个晶向或原子级台阶方向)；2)蓝宝石衬底价格昂贵，而且不易在蓝宝石衬底上进行刻蚀等再加工以构建基于定向单壁碳纳米管的电子器件；3)在蓝宝石或石英衬底上切割形成原子级高度台阶的方法操作复杂，且难于精确控制台阶的高度。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在表面为Si或者SiO₂的衬底上同时实现多方向水平定向生长单壁碳纳米管阵列的方法，其特征在于采用铁蛋白作为制备单壁碳纳米管的催化剂源并且采用含有钠离子的溶液处理衬底。含有钠离子的溶液选自钠的氯化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、有机酸盐的水溶液、有机溶液或其任意混合的溶液。本发明的实施步骤为：

采用铁蛋白作为制备单壁碳纳米管的催化剂源并且采用含有钠离子的溶液处理表面为Si或者SiO₂的衬底，包括以下步骤：

1)衬底处理和铁蛋白的固定

可以采用下述三种方式中任意一种：

i)先将铁蛋白固定在衬底上，然后采用含有钠离子的溶液处理衬底。

ii)先采用含有钠离子的溶液处理衬底，然后将铁蛋白固定在衬底上。

iii)同时进行含有钠离子的溶液处理衬底及将铁蛋白固定在衬底上。

2)将处理后的衬底干燥后放入化学气相沉积系统的石英管中，将衬底在空气或氧气气氛下加热到400℃-800℃，并保持5-30分钟；

3)排空石英管中的空气或氧气，将衬底在惰性气体或氮气气氛中加热到800℃-1100℃；