[发明专利]一种单手性单壁碳纳米管的制备方法

说明书

本发明公开一种单手性单壁碳纳米管的制备方法，所述单手性单壁碳纳米管的制备方法如下：(1)合成一系列二维过渡金属硫族化合物(TMDs)催化剂前驱体。(2)将步骤(1)中合成的催化剂前驱体转移在适于单手性单壁碳纳米管生长的单晶生长基底上或者直接在含有TMDs催化剂前驱体的基底上生长单手性单壁碳纳米管。(3)将步骤(2)中的基底进行两次化学气相沉积，即可制备出单手性单壁碳纳米管，以MoS₂为催化剂前驱体为例，制备出的单壁碳纳米管中，(13,12)管含量≥90％，半导体性单壁碳纳米管含量≥95％，密度可达5‑10根/微米，克服了现有制备单手性单壁碳纳米管方法的局限性、多缺陷等问题。该方法在纳电子器件、生物医药和催化合成等高端领域有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于微纳米材料制备技术领域，具体涉及一种单手性单壁碳纳米管的制备方法。

背景技术

单壁碳纳米管具有完美的共轭结构和优异的物理性能，自1991年被日本科学家Iijima发现以来，便成为纳米科学领域中研究的热点之一。它也被认为是后摩尔时代纳电子器件中的主体材料。单壁碳纳米管看成是由层状石墨烯按照特定的两个矢量方向卷曲而成的一维纳米材料，根据结构的不同有金属性和半导体性之分。由于单壁碳纳米管优异的电学、光学及力学等性能使其在纳电子器件、能源转换、生物传感及复合材料等诸多领域具有广阔的应用前景。尤其在纳电子学领域，许多研究表明，硅基CMOS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术在2020年左右将达到其极限，在为数不多的替代材料中，碳纳米管是唯一可以通过减小器件直至5纳米节点而继续提高系统整体性能的材料。

然而，当前制约单壁碳纳米管在纳电子器件领域，尤其是大规模集成电路中应用的关键问题在于碳纳米管的结构控制。那么，如何获得手性可控的单壁碳纳米管是碳纳米管领域研究中最令人关注的问题。

现主要有两种方法来直接控制生长单手性单壁碳纳米管。一种是种子生长法，另一种方法就是基于催化剂法，通过设计金属(合金)催化剂的结构，调控催化剂的成分或形状，来控制碳纳米管的成核、生长。但是，如何设计获得均匀单分散的催化剂仍然是一个学界亟待克服的难题。

基于此问题，本申请人提出本项申请。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种单手性单壁碳纳米管的制备方法。该方法采用二维过渡金属硫族化合物(TMDs)作为催化剂前驱体生长手性可控单壁碳纳米管，实现在不同基底上单壁碳纳米管的手性控制。

为实现上述目的，本发明的技术方案为如下方法一、方法二或方法三：

方法一包括如下步骤：在单晶生长基底I上加载TMDs，进行两次化学气相沉积，即在所述单晶生长基底I上得到所述单手性单壁碳纳米管。

方法二包括如下步骤：在单晶生长基底II上加载TMDs，进行两次化学气相沉积，即在所述单晶生长基底II上得到所述单手性单壁碳纳米管。

方法三包括如下步骤：在单晶生长基底III上加载TMDs，进行两次化学气相沉积，即在所述单晶生长基底III上得到所述单手性单壁碳纳米管。

上述方法中，构成所述单晶生长基底I的材料为ST切二氧化硅。

构成所述单晶生长基底II的材料为ST切石英或R切石英，优选ST切石英；

构成所述单晶生长基底III的材料为a面α氧化铝、r面α氧化铝、c面α氧化铝或氧化镁，优选a面α氧化铝；

所述TMDs均选自合成的MoS₂、WS₂、NbS₂和TaS₂中的至少一种，本发明实施例以合成的MoS₂为例；