[发明专利]一种具有手性选择性取向的单壁碳纳米管阵列及对其手性结构进行表征的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有手性选择性取向的单壁碳纳米管阵列及对其手性结构进行表征的方法。

背景技术

单壁碳纳米管根据单层石墨卷曲矢量的不同具有多样的手性结构，进而表现出各异的物化性能。如何便捷精确地测定单壁碳纳米管的手性结构，严重制约着其在纳电子学等诸多领域中的应用价值。目前，表征单根单壁碳纳米管手性结构的常用方法有：超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM)，高分辨透射电子显微镜(HRTEM)，共聚焦显微共振拉曼光谱等。然而，这些方法受限于仪器成本高，操作条件严苛以及制样工序复杂等因素。因此，发明一种快捷简便和低成本的表征单壁碳纳米管手性结构的方法，对于碳纳米管的基础研究和规模化应用至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种以石墨为基底且具有手性选择性取向的单壁碳纳米管阵列及其表征方法。

本发明所提供的以石墨为基底且具有手性选择性取向的单壁碳纳米管阵列是按照包括下述步骤的方法制备得到的：

1)制备表面具有规则刻痕的石墨基底；

2)将具有用于生长单壁碳纳米管的催化剂的基底与步骤1)中表面具有规则刻痕的石墨基底一并紧邻置于化学气相沉积系统中，利用气流定向法在所述石墨基底上生长单壁碳纳米管，得到石墨基底表面具有手性选择性取向的单壁碳纳米管阵列。

其中，步骤1)中所述规则刻痕主要为沿zigzag方向的刻痕。此处刻痕的设计与制备的单壁碳纳米管的手性选择性定向无关，其仅在表征碳纳米管时起到基准或内标的作用。

步骤1)中制备表面具有规则刻痕的石墨基底的具体方法如下：利用Scotch Tape机械剥离法在具有氧化层的硅基底表面制备不同层数的石墨，然后在所述石墨表面制备用于刻蚀石墨的催化剂，最后在化学气相沉积系统中对石墨样品进行刻蚀反应，得到具有规则刻痕的石墨基底。所述具有氧化层的硅基底中氧化层的厚度可为100-1000nm，如300nm。

上述利用Scotch Tape机械剥离法制备石墨的原料可为Kish-石墨或高定向裂解石墨，优选Kish-石墨。

所述用于刻蚀石墨的催化剂可为Fe，Co，Ni，Cu，Mo，W，Ru，Rh和Pd等金属纳米颗粒，也可为SiO₂无机纳米粒子，优选Fe，Co或Ni纳米颗粒。

在石墨表面制备上述催化剂的方法可为旋涂法、电子束蒸镀镀膜法或热蒸镀镀膜法，优选旋涂法。采用旋涂法时，是将上述金属的盐溶液旋涂于石墨表面，通过高温还原反应，得到相应的金属纳米颗粒。如当制备Fe纳米颗粒催化剂时，可将浓度为0.01-0.5mmol/L的FeCl₃/EtOH溶液旋涂于石墨表面，转速可为1000-5000rpm。

上述制备具有特定刻痕石墨基底的过程中，进行刻蚀反应的气氛为Ar和H₂还原气氛，反应温度为600℃-1000℃，优选700℃；反应时间为15-60min；Ar的气体流量为50-500sccm，优选300sccm，H₂的气体流量为50-500sccm，优选300sccm，Ar与H₂的气体流量比为1∶0.5-1∶5，优选为1∶1。

步骤2)中用于生长单壁碳纳米管的催化剂可为Fe，Co，Ni，Cu，Mo，W，Ru，Rh和Pd等金属纳米颗粒，也可为纳米金刚石和SiO₂无机纳米粒子，优选Fe，Co或Ni纳米颗粒。

步骤2)中所述基底可为SiO₂/Si(即具有氧化层的硅基底)，Si₃N₄，石英等，优选SiO₂/Si。

在基底上制备用于生长单壁碳纳米管的催化剂的方法可为微接触印刷法、旋涂法、电子束蒸镀镀膜法或热蒸镀镀膜法，优选微接触印刷法。

为了避免生长单壁碳纳米管的催化剂对石墨基底的进一步刻蚀，同时增加碳纳米管飘落在石墨基底上的几率，所述用于生长单壁碳纳米管的催化剂通常处于其基底的边缘位置。上述单壁碳纳米管的制备过程中，通常使具有催化剂的基底中与催化剂位置较近的一侧与石墨基底紧邻。

在单壁碳纳米管的制备过程中，均需保持催化剂基底位于气流上游端，石墨基底位于气流下游端。

步骤2)中生长单壁碳纳米管所用的气体碳源可为CH₄，C₂H₄或乙醇，优选乙醇；生长温度可为900℃-1200℃，优选900℃-950℃；生长的时间可为10-60min，优选30min。