[发明专利]一种非金属催化剂SiC制备半导体性单壁碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及半导体性单壁碳纳米管控制制备领域，具体为一种非金属催化剂SiC制备半导体性单壁碳纳米管的方法。以离子溅射方法获得的碳化硅纳米颗粒为催化剂，先在高温、氢气气氛预处理，使碳化硅纳米颗粒表面的硅原子蒸发，在表面留下的碳原子形成碳帽；再在氢气气氛下通入碳源，具有刻蚀作用的氢气刻蚀高活性金属性碳帽，从而得到半导体性富集的单壁碳纳米管。本发明利用预处理过程中催化剂表面原子的微量自身分解形成碳帽，再利用氢气的刻蚀性作用去除高活性金属性碳帽，实现了不含金属杂质的半导体性富集单壁碳纳米管的可控生长。

技术领域

本发明涉及半导体性单壁碳纳米管控制制备领域，具体为一种高熔点非金属SiC纳米颗粒可控制备半导体性单壁碳纳米管的方法，通过高温处理，碳化硅纳米颗粒表面的硅原子蒸发，在表面留下的碳原子形成碳帽，利用具有刻蚀作用的氢气刻蚀高活性金属性碳帽，进一步调控单壁碳纳米管生长条件，实现了半导体性单壁碳纳米管的控制制备。

背景技术

单壁碳纳米管可以被看作是由石墨烯按照一定的方式卷曲而成的一维中空管，由于构成单壁碳纳米管的石墨烯片层相对于轴向的夹角及管径的不同，其可表现为金属性或半导体性。碳纳米管自从1991年被发现以来，由于其优异的物理和化学性能而在很多领域中展示出广阔的应用前景，比如：复合材料、薄膜与涂层、电子器件、储能、环境、生物科技等领域。特别是在半导体科技领域中，2013年美国斯坦福大学的研究者们使用碳纳米管替代了传统硅材料，制造出了全新的晶体管及全球第一台碳纳米管计算机。但是，由于所用的碳纳米管为金属性和半导体性碳管的混合物，该计算机只能完成非常基本的运算功能且速度较慢，因此半导体性单壁碳纳米管的可控制备至关重要。

目前已经有很多研究者致力于开展碳纳米管的可控制备，发展了多种可控制备方法。化学气相沉积方法由于制备方法简单、可控性强而被广泛应用，并取得了很多技术突破。目前的研究结果表明，可通过调节温度、生长气氛、催化剂结构来调控单壁碳纳米管的导电属性。其中，催化剂的选择和调控被认为是关键因素。然而，已有工作大多是采用金属颗粒为催化剂，而残留的金属催化剂由于较高的活性会影响所构建器件的本征性能，因而非金属纳米颗粒催化生长的半导体性单壁碳纳米管将有利于器件性能的稳定性。目前已有一些关于非金属催化剂制备单壁碳纳米管的工作，金属研究所成会明研究组采用离子溅射法在硅片表面沉积30nm厚的SiO₂薄膜，生长制备了单壁碳纳米管(文献1，B.L.Liu,W.C.Ren,L.b.Gao,S.S.Li,S.F.Pei,C.Liu,C.B.Jiang,H.M.Cheng.Metal-Catalyst-FreeGrowth of Single-Walled Carbon Nanotubes.J.Am.Chem.Soc.2009,131:2082-2083)。北京大学张锦研究组利用C₆₀为种籽，通过调节预处理温度，形成不同大小的碳帽，然后外延生长出了直径呈台阶状分布的碳纳米管(文献2，X.C.Yu,J.Zhang,W.Choi,J.Choi,J.M.Kim,L.B.Gan,Z.F.Liu.Cap Formation Engineering:From Opened C₆₀to Single-WalledCarbon Nanotubes.Nano Lett.2010,10(9),3343–3349)。但是，至今未有半导体性单壁碳纳米管可控生长的报道。因此，开发新型非金属催化剂制备半导体性单壁碳纳米管，研究其机理具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种以非金属SiC为催化剂选择性生长半导体性单壁碳纳米管的方法，该方法利用前处理过程中催化剂表面原子的微量自身分解形成碳帽，再利用氢气的刻蚀性作用去除高活性金属性碳帽，实现了不含金属杂质的半导体性富集单壁碳纳米管的可控生长。从而，解决了现有残留金属催化剂高活性所导致的器件在高温高湿等苛刻条件下性能不稳定的问题。

本发明的技术方案是：