一种生长半导体性单壁碳纳米管的方法技术

本发明专利技术公开了一种生长半导体性单壁碳纳米管的方法。本发明专利技术所提高的生长半导体性单壁碳纳米管的方法，包括如下步骤：１）在基底上放置催化剂；２）将所述基底放置于两个电极板之间，在化学气相沉积系统中采用化学气相沉积方法在所述基底上生长得到半导体性单壁碳纳米管阵列；所述电极板上施加有电压，两个电极板中间形成有电场。本发明专利技术采用电场辅助的方法使金属性单壁碳纳米管在生长的过程中受到扰动，从而使半导体性单壁碳纳米管和金属性单壁碳纳米管在生长过程中得到分离，最终选择性生长出半导体性单壁碳纳米管，相对于后处理的方法，直接合成的半导体性碳纳米管没有经过其它处理，具有更完美的结构和分散性，更适合用来构建各种碳纳米管器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
碳纳米管具有优良的电学性质，在诸如纳电子器件、光电器件、生物化学传感器 件等很多领域具有非常广阔的应用前景。目前各种制备方法合成的单壁碳纳米管都是金属性单壁碳纳米管和半导体性单壁碳纳米管的混合物，其中约含有1/3的金属性单 壁碳纳米管。然而，金属性碳纳米管的存在会降低碳管器件的性能，因此对许多应用 而言，都需要纯粹的半导体性碳纳米管。目前，主要是通过生长后的处理来分离出半 导体性单壁碳纳米管或者去除掉金属性碳纳米管，这些生长后的处理方法大致可以分 为溶液相法和非溶液相法两大类。另外也有少量关于选择性合成半导体性单壁碳纳米管的报道，现综述如下1、 溶液相法a.利用单链DNA分子包裹单壁碳纳米管，然后经色谱柱分离，获 得半导体性的单壁碳纳米管(Zheng, M.等，sc/ewce 2003， 302 (5650)， 1545-1548; Ato Mater 2003， 2 (5),338-342; 」肌C/zew. Soc. 2007， 7" (19),6084陽6085) 。 b.利用表面 活性剂包裹单壁碳纳米管，然后经离心分离，获得半导体性的单壁碳纳米管(Arnold, M. S.等，WMmofec/mo/. 2006，7(1),60-65) 。 c.利用金属性碳纳米管/半导体性碳纳米 管的选择性修饰或反应，分离出半导体性单壁碳纳米管或去除金属性单壁碳纳米管(Strano, M. S.等，Sc/e"ce 2003， ， (5639),1519-1522; An, L.等爿w, C7^肌Soc. 2004， W6(34),10520-10521)。利用溶液相法能在一定程度上获得很高半导体管含量，然而， 溶液相法具有非常大的局限性。首先，其处理过程复杂，都有复杂的物理/化学处理步 骤，会对碳纳米管造成很大的破坏和损伤，通常还会引入新的杂质。其次，溶液相中 处理过的碳纳米管不易分散放置到特定的位置上去，这给可控构建碳纳米管器件，尤 其给单根管构成的碳纳米管器件的构建，带来了很大的麻烦。2、 非溶液相法a.利用electrical break-down的方法，选择性烧断金属性碳纳米 管，获得高性能的器件。其不足是每次只能对一个或几个器件进行处理，效率很低， 很难批量处理(Collins，P. C等，Sc/ewce2001，292(5517),706-709)，而且同时会破坏 一部分半导体性单壁碳纳米管。b.利用不同波长的激光也能去除一些与激光能量匹配， 发生共振的金属管。然而此方法选择性不高，效率也很低，并不具有实用性(饭岛澄男等，中国专利CN 1678522A; Huang， H. J.等， /尸/ ". C7zem. 5 2006， (14),7316-7320) 。 c.利用甲垸等离子体选择性刻蚀具有特定直径的金属性单壁碳纳米 管，能获得很高的半导体管含量(Zhang, G.Y.等，Sde"ce 2006， 3W (5801 )，974-977)。这些非溶液相的后处理方法也都会对半导体性单壁碳纳米管造成一定的破坏和误伤， 而理想的解决方案是从合成上解决半导体管制备的问题，直接合成半导体性单壁碳纳 米管。3、选择性生长半导体性单壁碳纳米管(1)利用Co-Mo催化剂，在一定条件 下可以合成(n， m)值分布很窄的单壁碳纳米管(Bachilo, S.M.等， /C/z纖.Soc. 2003，/Z5(37),11186-11187)。该方法合成过程中用到催化剂载体，要经过复杂的溶 液纯化处理去除非碳管类的杂质。(2)利用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition, PECVD)，在一定条件下可以获得很高的半导体 管含量(Li,Y.M.等，Mmo丄饥2004，4(2),317-321.)。此方法设备价格比较贵，碳管 质量不易控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提高一种基于电场辅助化学气相沉积方法生长半导体性单壁碳 纳米管的方法。本专利技术所提高的生长半导体性单壁碳纳米管的方法，包括如下步骤1) 在基底一端放置催化剂；2) 将所述基底放置于两个电极板之间，在化学气相沉积系统中采用化学气相沉 积方法在所述基底上生长得到半导体性单壁碳纳米管；所述电极板上施加有电压，两 个电极板之间形成有电场。其中，基底包括各种常见基底，如单晶硅基底、表面带有介电层的单晶硅基底、 单晶石英基底、熔融石英基底、单晶蓝宝石基底等。基底与电极板的角度为0-90度， 优选为90度。两个电极板中间的电场强度为10V/mm—20V/mm。在实际操作中，电极 板的间距和电压是影响两电极板中电场强度的参数，不过为了便于操作及设备要求， 两个电极板的间距一般为0.5 — 5.0cm，电压一般为50—1,000V。本专利技术采用电场辅助的方法使半导体性单壁碳纳米管和金属性单壁碳纳米管在 生长过程中得到分离，从而选择性生长出半导体性单壁碳纳米管，相对于后处理的方 法，直接合成的半导体性碳纳米管没有经过其它处理，具有更完美的结构和分散性， 更适合用来构建各种碳纳米管器件。而且，采用本专利技术方法不仅能生长出半导体性单壁碳纳米管，而且还可以在平整的基底表面直接生长出水平排列的半导体性碳纳米管 阵列，该半导体性碳纳米管阵列在构建和高密度集成碳纳米管电子器件、光学器件、 生物化学传感器件等方面具有重大的实用价值和广阔的应用前景。附图说明图1为垂直基底表面加电场生长碳纳米管示意图，其中气流方向为由左到右方向。图2为图1沿AA， BB线的剖面示意图，电场与基底表面垂直，同时和气流方向 垂直，其中气流方向为由左到右方向。图3为垂直基底表面加电场生长半导体性碳纳米管阵列过程的示意图，电场与基 底表面垂直，同时和气流方向垂直，其中气流方向为由左到右方向。图4为为垂直基底表面加电场生长的半导体性碳纳米管阵列的示意图，电场与基 底表面垂直，同时和气流方向垂直，其中气流方向为由左到右方向。图5为垂直基底表面加电场生长碳纳米管阵列的SEM表征图。电极间距13mm，电 场强度0V/ra。图6为垂直基底表面加电场生长碳纳米管阵列的SEM表征图。电极间距13mm，电 场强度10V/m。图7为垂直基底表面加电场生长碳纳米管阵列的SEM表征图。电极间距13ram，电 场强度12V/m。图8为垂直基底表面加电场生长碳纳米管阵列的SEM表征图。电极间距13mm,电 场强度15V/m。图中l一电极；2 —基底；3 —催化剂；4一金属性碳纳米管；5 —半导体性碳纳米管；6 —碳纳米管前端的催化剂粒子。具体实施例方式本专利技术新的半导体性单壁碳纳米管生长技术，由以下步骤构成(1) 在基底一端放置催化剂。(2) 将经上述步骤(1)处理过的带有催化剂的基底放在两个平行的电极板之间， 放入化学气相沉积系统中生长单壁碳纳米管阵列。(3) 在生长的过程中，在两个电极板上施加一定的电压，在两个电极板中间形成一定强度的电场。金属性碳纳米管受到电场的强烈扰动，很容易接触基底并停止生长；而受扰动较弱的半导体性碳纳米管仍沿气流方向定向生长，从而生长出半导体性单壁碳纳米管。本专利技术的工作原理为在利用气流定向生长的碳纳米管阵列中，碳纳米管阵列沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生长半导体性单壁碳纳米管的方法，包括如下步骤：１）在基底上放置催化剂；２）将所述基底放置于两个电极板之间，在化学气相沉积系统中采用化学气相沉积方法在所述基底上生长得到半导体性单壁碳纳米管；所述电极板上施加有电压，两个电极板之间形成有电场。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦，张永毅，张依，王星昱，姜珊，刘忠范，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]