[发明专利]一种定向有序碳纳米管制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管材料制备领域，特别涉及一种可以实现碳纳米管材料定向有序生长的制备方法。

背景技术

碳纳米管（Carbon nanotubes，简称CNTs）是一种具有特殊结构的一维量子材料，CNTs可以简单地描述为是由相互连接的碳原子层卷曲而成的管状结构，直径从一纳米到几十纳米不等，长度最长可达数厘米。按照组成碳纳米管管壁的层数可将碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，多壁碳纳米管一般由几个或者几十个单壁碳纳米管组成。碳纳米管具有较大的长径比，其在力学、电学、磁学、热力学等方面具有突出的性能，包括高的机械强度、弹性模量、热导性和电导性等。碳纳米管具有的很大的强度，以及巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维，并且碳纳米管可以以相对低的成本批量生产，其具有的优异性能和广泛的应用前景，长期吸引了大量研究人员的目光，在学术研究和工业领域引起广泛关注，经过长期研究，在碳纳米管制备及应用方面均取得了较大的进展。

碳纳米管按其取向状态可分为定向有序和缠绕无序两大类。常规方法制备的碳纳米管往往处于无取向性、互相缠绕的无序状态，这严重影响了碳纳米管在物性、生长机理等方面的基础性研究以及碳纳米管的应用开发研究，特别是碳纳米管在器件化方面的应用。定向碳纳米管作为生长方向一致的碳纳米管，与杂乱无序的碳纳米管相比，其生长密度大，相互之间的分离性能好，更易分散、测量和应用。

目前制备碳纳米管的方法有电弧放电法、化学气相沉积法、激光蒸发法、模版法、热解催化、电解法等，但这些方法制备的碳纳米管存在以下问题:(1) 制备的碳纳米管大多自由取向，杂乱分布，长度和管径分布不均匀；(2) 电弧放电制成的CNTs被烧结成束，管与管之间夹杂着杂质或烧结在一起；(3) 制成的CNTs长度只有几十微米，只能用扫描隧道显微镜和原子力显微镜等非常规的方法来测量其物理性能。虽然经过长期的研究，碳纳米管的制备方法日趋成熟，但各个方法仍存在缺点和不足。首先，如何获得操作易控、生产成本低、原料利用率高、结构缺陷少、纯度高的制备方法还需进一步深入研究；其次，一些碳纳米管制备方法的生长机理研究不够深入。

目前，定向碳纳米管的制备主要是以化学气相沉积法为基础，其制备定向碳纳米管的取向机制主要有：密度控制机制、速率控制机制、模板限制机制、等离子体诱导机制。形成的主要典型技术有模板法、等离子体增强化学气相沉积法和有机金属化合物催化热解法。

常规化学气相沉积(CVD)的模板合成法，因碳管端开口，非常适合填充其他材料，适应于制作具有光、电、热、力学等优异综合性能的纳米复合材料。但这种方法也存在一些缺陷，如模板的去除、碳管间距及管径不能自由调节、不能在基体上直接生长等问题。相比之下，等离子体增强化学气相沉积技术在碳纳米管有序化技术中显得更加重要，这种技术可在基体上实现碳纳米管的大面积、高度有序、直接离散生长，碳管间距和管径可调，制成的产品具有优异的场发射性能，可望应用于超薄高效平板显示器。同时，在阵列微电极、光电转换器(如太阳能电池)等器件方面的应用研究具有良好的市场应用前景。但是该技术的有序化生长机制及影响因素等尚不完全清楚，严重限制了该技术的进一步完善和相关应用研究的开展。

发明内容

本发明提出一种定向有序碳纳米管制备方法，采用镍（Ni）、铁（Fe）等磁性催化剂，在碳纳米管制备过程中在生长区域外加定向磁场，外加磁场与磁性纳米催化剂颗粒相互作用，利用磁性纳米催化剂在磁场中受到的定向磁场力的作用带动碳纳米管定向生长，实现碳纳米管的有序定向生长，该方法可以根据实际需要通过改变磁场方向获得特定生长方向的碳纳米管阵列，该方法可解决背景技术中所提到的定向有序碳纳米管材料制备方法复杂、定向有序碳纳米管材料不容易制备的难题，本发明提出的这种有序碳纳米管制备方法制备工艺简单，可以获得质量较高的定向有序分布的碳纳米管阵列。

本发明提出一种定向有序碳纳米管制备方法，该方法解决碳纳米管生长非取向性的方案如下：首先对生长碳纳米管的衬底进行化学清洗、氮（N）等离子体刻蚀清洗；然后在清洗后的衬底上制备一层3-5nm厚度的镍或铁等磁性催化剂材料薄膜，并高温退火形成规则分布的磁性纳米颗粒阵列催化剂材料；最后在碳纳米管生长区域外加定向平行磁场，使磁场与磁性纳米颗粒相互作用，磁性纳米颗粒在磁场中受到定向的磁场力的作用，在碳纳米管生长过程中磁性催化剂纳米颗粒带动碳纳米管进行生长，实现本发明所提出的定向有序碳纳米管阵列。