一种碳纳米管线团及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纳米管线团，由单根或多根直径为0.6-5nm，长度为1mm-5m的碳纳米管无规则缠绕形成，该碳纳米管线团的平铺面积在0.001-10mm2之间，密度在1-200CNTs/μm。制备方法包括：将催化剂负载于生长基底置于反应器中，通入混合惰性气体还原催化剂后，再通入混合反应气体并加热制备得到超长碳纳米管；向反应器中加入声波，使得超长碳纳米管在声波诱导的漩涡中发生屈曲缠绕；10-20min改通入所述混合惰性气体并停止输送声波，降温至400℃以下后取出即得碳纳米管线团。本发明专利技术实施例的碳纳米管线团高密度、大面积且手性一致，拓宽了碳纳米管本身的应用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料制备
，具体而言，涉及一种碳纳米管线团及其制备方法。
技术介绍
碳纳米管是一种具有中空管状结构的高长径比特殊碳纳米材料，可以看作是由二维石墨烯沿一定方向卷曲而成，不同的旋转轴方向使得形成的碳纳米管具有不同旋光性和手性参数。凭借其独特的中空管状结构和优异的力学、热学、电学和光学性能，碳纳米管近些年来在超级电容器、锂硫电池、薄膜晶体管、橡胶轮胎等方面取得了令人瞩目的成就，并有望取代硅迎来碳基集成电路时代，最终实现制造高性能碳纳米管计算机的梦想。然而实现碳纳米管在集成电路方面应用的一个重要前提是实现特定结构碳纳米管的可控制备。IBM指出新一代碳基集成电路对碳纳米管材料的要求是具有超高纯度的半导体选择性、高密度和完美结构，尽管近些年来针对单方面的材料条件要求取得了很大进展，但要想同时实现这几项要求还需要更长时间的探索。结构决定性质，在碳纳米管生长过程中，出现任何结构缺陷都会降低碳纳米管实际应用性能。在众多不同种类的碳纳米管中，超长碳纳米管具有全同手性的完美原子结构和宏观长度，实际性能与碳纳米管理论上应具有的超级性能最为接近。目前已报道的最长超长碳纳米管长度可以达到55cm，并且具有完美结构、全同手性和高半导体选择性，但其密度却仅有2～3CNTs/100μm，严重限制了其在大规模光电器件方面的应用。尽管近些年来针对提高碳纳米管密度有了很大进展，如采用“特洛伊”催化剂制备出密度高达130CNTs/μm的碳纳米管阵列，以及借助石墨烯或SiO2纳米球减少催化剂聚并，提高超长碳纳米管阵列密度等方法，但所制备的碳纳米管阵列均无法满足高半导体选择性和完美结构的要求。另一方面，通过优化催化剂设计，可以实现纯度达92％的手性为(12,6)的碳纳米管阵列制备，但其不具有半导体选择性，同时在密度和完美结构方面均无法满足应用条件。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种碳纳米管线团，所述碳纳米管线团高密度、结构完美且手性一致，拓宽了碳纳米管本身的应用领域，在微纳米电子器件及光电器件领域具有极大的应用潜力。本专利技术的第二目的在于提供一种碳纳米管线团的制备方法，所述方法前后步骤衔接紧密、设计合理，简单易行，操作条件温和，所涉及材料均可通过市面购买得到，且环保无污染，最终能够得到手性一致、结构完美、高密度且超长的纳米管线团。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术实施例提供了一种碳纳米管线团，由单根或多根直径为0.6-5nm，长度为1mm-5m的碳纳米管无规则缠绕形成，该碳纳米管线团的平铺面积在0.001-10mm2之间，密度在1-200CNTs/μm。现有技术中对碳纳米管的研究可谓日新月异，主要的研究方向在于碳纳米管的手性结构、长度以及密度等方面，但是问题在于市面上还没有能够兼顾长度、密度以及手性结构等指标均较优的产品问世，因此如何研发出一种高密度、手性一致的碳纳米管材料是现有技术中主要的研究方向。基于目前研究现状，本专利技术提供一种超长碳纳米管线团，是采用具有一定的直径以及长度要求的碳纳米管经过无规则缠绕形成，可原位获得高密度、、结构完美、手性一致的高半导体选择性超长碳纳米管线团，其显著的优点为其高密度的性能，是现有技术中任何一款产品所不可能比拟的。用其制作的场效应晶体管器件可以同时实现高电流密度和高开关比，在微纳米电子器件及光电器件领域具有极大的应用潜力。本专利技术的碳纳米管线团，是采用具有特定的直径以及长度的碳纳米管无规则缠绕形成的，碳纳米管的直径需要在0.6-5nm之间，长度需要在1mm-5m，所以在进行选材时如果长度以及直径并不在本专利技术所揭示的方案范围之内，其是不可能形成具有本专利技术的这种高密度性能的碳纳米管线团的，另外形成的碳纳米管线团的各个参数指标也需要在适宜的范围内，平铺面积在0.001-10mm2之间，密度在1-200CNTs/μm，尤其是密度最高可以达到200CNTs/μm，相较于现有技术中的碳纳米管的密度，其完全属于高密度产品，还有其虽然缠绕的不具有规则性，但是其平铺开来所覆盖的面积可达到10mm2之多，正因为碳纳米管线团具有如此优异的性能，因此其在应用时也有更广阔的应用领域。在本专利技术中，每根碳纳米管的直径最好为0.7-4nm，长度最好为1-5m，直径还可以为0.8nm、3nm以及3.5nm等，长度还可以为2m、3m、4m以及4.5m等。形成的碳纳米管线团的平铺面积更优在0.1-8mm2之间，密度更优在100-150CNTs/μm之间，平铺面积还可以为9mm2、9.5mm2、8.5mm2、7mm2等，密度还可以为190CNTs/μm、195CNTs/μm、198CNTs/μm等。对于碳纳米管线团还有一个比较重要的参数指标就是手性结构，而本专利技术的碳纳米管线团可以达到具有一致的手性结构，即单一的手性选择性可达100％，纯度100％，通过瑞利散射表征该碳纳米管线团也能证明其具有手性一致的结构，而且瑞利散射表征的方法本身可快速、准确区分不同手性的碳纳米管，筛分金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管也可以直接判断出碳纳米管手性结构发生变化的具体位置，因此其表征结果具有很高的准确性。本专利技术实施例除了提供了一种碳纳米管线团，还提供了一种该碳纳米管线团的其中一种制备方法，当然现有技术中的其他制备方法只要得到本专利技术的碳纳米管线团产品均在本专利技术的保护范围内。本专利技术揭示的这种碳纳米管线团的制备方法主要包括如下步骤：(A)将催化剂负载于生长基底置于反应器中，通入惰性气体与氢气的混合惰性气体还原催化剂后，再通入碳源与氢气的混合反应气体并加热制备得到超长碳纳米管；(B)向反应器中加入声波，使得超长碳纳米管在声波诱导的漩涡中发生屈曲缠绕，其中所述声波由频率控制在10μHz-10kHz之间，振幅控制在5mVpp-70Vpp的电信号经电声转换形成；(C)10-20min改通入所述混合惰性气体并停止输送声波，降温至400℃以下后取出即得碳纳米管线团。其中步骤(A)中，如何制备超长碳纳米管现有技术中本身已有揭示，这里不需要赘述，优选地，碳纳米管生长催化剂为Fe、Mo、Co、Cu、Ni等单一金属或金属合金，碳纳米管生长催化剂为纳米颗粒，催化剂负载方式为按压、光刻蚀、旋涂、蒸镀和管壁预沉积中至少一种，混合反应气应为应为高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管线团，其特征在于，由单根或多根直径为0.6‑5nm，长度为1mm‑5m的碳纳米管无规则缠绕形成，该碳纳米管线团的平铺面积在0.001‑10mm2之间，密度在1‑200CNTs/μm。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管线团，其特征在于，由单根或多根直径为
0.6-5nm，长度为1mm-5m的碳纳米管无规则缠绕形成，该碳纳米
管线团的平铺面积在0.001-10mm2之间，密度在1-200CNTs/μm。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管线团，其特征在于，每
根碳纳米管的直径为0.7-4nm，长度为1-5m。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管线团，其特征在于，所
述碳纳米管线团的平铺面积在0.1-8mm2之间，密度在100-150
CNTs/μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种碳纳米管线团，其特征
在于，该碳纳米管线团具有一致的手性结构。
5.权利要求1-4任一项所述的碳纳米管线团的制备方法，其特
征在于，包括如下步骤：
(A)将催化剂负载于生长基底置于反应器中，通入惰性气体
与氢气的混合惰性气体还原催化剂后，再通入碳源与氢气的混合反
应气体并加热制备得到超长碳纳米管；
(B)向反应器中加入声波，使得超长碳纳米管在声波诱导的
漩涡中发生屈曲缠绕，其中所述声波由频率控制在10μHz-10kHz
之间，振幅控制在5mVpp-70Vpp的电信号经电声转换形成；
(C)10-20min改通入...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏飞，朱振兴，谢欢欢，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11