[发明专利]一种具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及异质结碳纳米管垂直阵列结构的可控制备领域，具体为一种具有异质结碳（氮掺杂/未掺杂）的碳纳米管垂直阵列结构的可控制备方法。

背景技术：

碳纳米管独特的结构特征（一维结构、大长径比、中空管腔、大比表面积等）和优异的力学、电学、光学、热学和化学性质使其在复合材料、纳电子与光电子器件、传感器、能源与催化等领域具有广泛的应用前景。

两种不同结构或者不同类型的碳纳米管可在连接处形成异质结。碳纳米管异质结的种类很多，包括不同手性、结构、成分的单壁碳纳米管（SWNT）/SWCNT；或者成分结构不同的多壁碳纳米管（MWCNT）/MWCNT。已有研究表明不同手性的SWCNT/SWCNT或氮掺杂多壁碳纳米管（N-MWCNT）/MWCNT（文献1，Y.Yao,Q.Li,J.Zhang,R.Liu,L.Jiao,Y.T.Zhu,Z.Liu.Nature materials,6,283-286(2007);文献2，K.Xiao,Y.Q.Liu,P.A.Hu,G.Yu,W.P.Hu,D.B.Zhu,X.Y.Liu,H.M.Liu,D.X.Wu.Applied Physics A 83,5356,(2006);文献3，Y.Chai,X.L.Zhou,P.J.Li,W.J.Zhang,Q.F.Zhang,J.L.Wu.Nanotechnology 16,2134-2137,(2005);W.J.Zhang,Q.F.Zhang,Y.Chai,X.Shen,J.L.Wu,Nanotechnology 18,395205,(2007).）构成的异质结表现出二极管的性质，这引起了科学家们的广泛关注。然而文献报道的这两种异质结是在合成过程中随机生成的，很难根据应用需求实现对其结构的精确控制。因而，可控制备碳纳米管异质结是其性能和应用开发的重要基础和前提。

目前，碳纳米管垂直阵列结构的可控制备已取得了很大进展，2004年Haa小组提出的“H₂O”辅助超级生长法合成的SWCNT垂直阵列高度达到mm级别。其他小组也陆续提出了高效生长单壁、双壁和多壁碳纳米管阵列结构的制备方法。长度可控定向排列的碳纳米管垂直阵列有利于碳纳米管的性能研究及其在器件中的应用。因而，具有异质结结构的碳纳米管垂直阵列的可控制备，将极大地推动碳纳米管在纳电子器件中的应用。

目前的主要问题是：如何制备含有异质结的碳纳米管垂直阵列，并对异质结的长度、结构和成分等进行有效调控。

发明内容：

本发明的目的是提供一种简单制备具有异质结（氮掺杂/未掺杂）的碳纳米管垂直阵列结构的方法，可以对异质结的长度、个数和结构等进行有效、精确控制。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法，以沉积在Si基片或SiO_X/Si基片上的铁为催化剂，碳源为碳氢有机物，含氮碳源为乙腈，采用化学气相沉积法，先在Ar/H₂混合气氛下，用碳氢有机物合成未掺杂的碳纳米管，根据需要生长一段时间后，用Ar气载入乙腈蒸气，生长氮掺杂碳纳米管，获得不同结构的氮掺杂/未掺杂碳纳米管垂直阵列。

所述的具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法，铁沉积在Si基片或SiO_X/Si基片上的方法采用离子束辅助沉积法，沉积铁膜的厚度为：0.5nm～10nm。

所述的具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法，碳源为乙烯、乙炔或乙醇。

所述的具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法，氮掺杂量为：0.1～5at%。

所述的具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法，异质结的个数、长度、结构精确可控，异质结的个数范围为1～10个，掺杂及未掺杂部分碳纳米管垂直阵列结构的长度可控范围为1μm～5mm，异质结的结构：直径为2～50nm，长度为5nm～100nm，氮掺杂碳管为竹节状或管状。

所述的具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法，异质结的个数通过改变含氮碳源通入的次数来控制，长度通过碳源、含氮碳源的通入时间、碳管生长温度、催化剂浓度控制，异质结碳管的弯曲度、直径、结晶度通过调控氮掺杂量进行调控。

所述的具有异质结的碳纳米管垂直阵列结构的制备方法，异质结分界处结构明显、过渡区短而均匀，过渡区在50nm以内。