[发明专利]一种碳纳米管薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管薄膜的制备方法，尤其涉及一种从单壁碳纳米管中高效、简易、低成本分离出单一性质的半导体性碳纳米管来制备纯半导体性碳纳米管薄膜的方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)作为典型的一维纳米材料，重量轻，韧性高、导电性强、场发射性能优良，兼具金属性和半导体性，有“超级纤维”之称。自1991年被发现以来，碳纳米管在光电子器件、复合材料、生物与化学传感器等众多领域的应用前景吸引了广泛关注。

用单壁碳纳米管制造的碳纳米管薄膜拥有很好的应用前景，举以半导体性碳纳米管作为导电沟道的碳纳米管场效应晶体管(CNT-FET)为例，CNT-FET具有高的开关电流比、理想的亚阈值特性、低温下可实现弹道输运和可以进行更大规模的集成等优良性能。构筑场效应晶体管需要半导体性碳纳米管，但现有条件下一般制备出的碳纳米管产品均是1/3金属性和2/3半导体性碳纳米管的混合物，影响CNT-FET的各项性能，使其应用受到严重限制。因此，近年来国际上不少国家的科研机构都致力于碳纳米管分离技术的研究。

碳纳米管的分离技术总体上可分为直接生长分离法和生长后处理分离法的两种方法。直接生长法虽然能获得利于场发射的定向CNT薄膜阵列，但其工艺温度超过了玻璃基板的软化温度，不适宜大面积CNT薄膜的制备。对于适宜于大面积CNT薄膜制备的生长后处理分离法，目前科技人员的努力可分为以下四个方向：(1)、通过消除单壁管混合物中的金属性碳纳米管获得半导体性碳纳米管或与之相反，即消除法。目前这个方向的研究都是以消除金属性碳纳米管而获得半导体性碳纳米管。例如Liu的研究小组报道了通过重氮试剂选择性地与金属性碳纳米管反应而达到上述目的的实验方法。(2)、通过特定的制备条件使其中一种单壁管的产量占优势，即趋向生长法。DaiH的研究小组在600℃下用等离子体增强气相化学沉积法(Plasmaenhancedchemicalvapordeposition，PEVCD)制得了半导体管含量约占90％的碳纳米管。但是从碳纳米管生长基底的选择和催化剂的制备，到碳纳米管的生长过程，该方法对实验手段的要求较苛刻。(3)、使导电性发生转变，即转化法。在为数不多的实验研究中Kamaras等利用共价化学方法将金属性碳纳米管转化为半导体碳管的工作较有代表性。(4)、分离两种碳纳米管而不对其中任何一种进行破坏，即非破坏性分离法。目前这方面的报告比较多，较有代表性的研究是Michael等人的利用超高速密度离心法分离单壁碳纳米管的研究工作。

国内在金属性和半导体性碳纳米管分离方面的文献鲜见报道。但近年也出现了一些专利申请。例如北京大学陈卓等人的“一种金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法”；兰州大学刘彩虹等人的“从单壁碳纳米管中分离金属性和半导体性纳米管的方法”；以及北京大学张锦等的专利“一种生长半导体性单壁碳纳米管的方法”等。至于以分离后的半导体性碳纳米管来制备薄膜的国内专利还未见报道。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种碳纳米管薄膜的制备方法，利用廉价设备及简便的工艺步骤，实现在短时间内从单壁碳纳米管中高效、简易、低成本地分离出单一性质的半导体性碳纳米管，进而同步制备纯的半导体性碳纳米管薄膜。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种碳纳米管薄膜的制备方法，在分散的碳纳米管溶液中，加入与半导体性碳纳米管选择性吸附的介质，并在介质表面形成半导体性碳纳米管富集层，最后分离、提纯碳纳米管溶液中的半导体性碳纳米管薄膜；

其中，具体为：

I、将碳纳米管超声溶解制成碳纳米管分散液，并将碳纳米管分散液添加到吸附用容器中；

II、向吸附用容器里添加吸附用介质，以浸润的方式形成介质表面的半导体性碳纳米管富集层；

III、将吸附用介质和半导体性碳纳米管富集层放入添加有酸性溶液的容器中，酸化、碱化、调节PH值，溶解并去除吸附用介质，得到纯的半导体性碳纳米管薄膜。

其中，步骤I中所述碳纳米管为由激光蒸发法、电弧放电法或化学气相沉积法所制备的任何一种含有金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

其中，步骤II中所述吸附用介质为核糖、蛋白质、高分子聚合物，以及无机或有机高分子弹性凝胶中的任何一种或多种混用。

优选的，所述吸附用介质和碳纳米管分散液之一含有非表面活性剂。