一种以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的制备方法技术

本发明专利技术提供以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的方法，首先，将载有催化剂前驱体的第一衬底与第二衬底面对面组合在一起；随后，在氩气的保护下，将反应室的温度升至生长温度（T1），继而通入氢气，并持续一段时间，然后通过移动石英管快速将第一衬底和第二衬底的温度升至T1，同时通入碳源进行化学气相沉积生长，待生长完毕停止通入碳源和氢气，最后在氩气的保护下降至室温；步骤四，在第一衬底和第二衬底上得到单壁碳纳米管水平阵列。本方法生长的单壁碳纳米管水平阵列中不含金属元素，且方法简单。且方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的制备方法


[0001]本专利技术涉及单壁碳纳米管制备领域，特别是一种以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的制备方法。

技术介绍

[0002]自从1991年人们发现碳纳米管以来，由于其出色的性能表现，一直是研究者们关注的重点。特别是在纳电子学领域中，许多研究表明其是少数有望替代硅基CMOS导体的候选材料之一。单壁碳纳米管水平阵列由于其纳米级尺寸和优异的电子性能，因此被认为是下一代高度集成电子器件的极具前景的选择。在过去的几十年中，人们已经研究出了多种方法来使用金属催化剂原位生长单壁碳纳米管水平阵列。这些方法包括：多周期原位加载催化剂法（铁或铜催化剂），特洛伊催化剂法(铁催化剂)和镁辅助锚定催化剂法（钯或铜催化剂）等。但在这些碳纳米管中会残留一定量的金属，残留的金属杂质会降低碳纳米管的导电性和载流子迁移率，会严重限制单壁碳纳米管水平阵列在电学方面的应用。而且没有很好的办法在完全去除金属残留的同时保证碳纳米管的结构性能不变。因此，使用非金属催化剂原位生长单壁碳纳米管水平阵列可能是有效解决这一问题的方法之一。
[0003]CN103303904A公开了一种以非金属氧化硅为催化剂优先生长金属性单壁碳纳米管的方法，以Ar离子束物理沉积法，在带有纳米二氧化硅热氧化层的硅基底上沉积氧化硅膜，通过控制预处理条件，实现纳米颗粒的形核析出，并且实现了粒径大小和分布的调控，最终在合适的生长条件下获得直径在1.2 nm左右的金属性单壁碳纳米管，其含量为单壁碳纳米管总数的80%以上。该方法中催化剂制备方法是通过离子束沉积技术，随后控制预处理条件使析出二氧化硅纳米颗粒的大小一致，最后在硅片上生长导电性更好的金属性单壁碳纳米管薄膜。
[0004]李等人（DOI:10.1002/smll.200900654）和黄等人（DOI:10.1021/ja809635s）公开了一种被称为“刮针”的方法。该方法利用针或硅片在生长基底（石英或硅片）表面进行刻划，从而产生微小的损伤和凹陷，使得表面形成合适尺寸的二氧化硅纳米颗粒，这些颗粒可以被用来制备单壁碳纳米管。其中该方法使用的催化剂全部来自于生长基底（石英或者硅片），但人为刻划制备催化剂的过程只能随机地产生适合单壁碳纳米管生长的纳米颗粒，因此实验结果的重复性较差。
[0005]本专利技术的目的是提供一种以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的方法，该方法成本低，操作简单，并且解决了金属催化剂生长碳纳米管会有金属残留的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的方法，该方法成本低，操作简单，并且解决了金属催化剂生长碳纳米管会有金属残留的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种以硅氧化合物直
接生长单壁碳纳米管水平阵列的方法（参见图1所示），步骤一，处理生长衬底，过程如下：将第一衬底和第二衬底依次在超纯水、丙酮、乙醇和超纯水中各超声清洗15 min，再用氮气吹干后，置于马弗炉中，在3 h内由室温升至950℃恒温8 h，再在10 h内降温至300℃，随后自然冷却至室温；步骤二，将载有催化剂前驱体的第一衬底与第二衬底面对面组合在一起；步骤三，在氩气的保护下，将反应室的温度升至生长温度（T1），继而通入氢气，并持续一段时间，随后通过移动石英管快速将第一衬底和第二衬底的温度升至T1，同时通入碳源进行化学气相沉积生长，待生长完毕停止通入碳源和氢气，最后在氩气的保护下降至室温；步骤四，在第一衬底和第二衬底上得到单壁碳纳米管水平阵列。
[0008]进一步，步骤二中，适合单壁碳纳米管水平阵列生长的衬底包括r
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cut石英、ST
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cut石英、r面α氧化铝、a面α氧化铝、氧化镁等单晶衬底。
[0009]进一步，步骤二中，所述催化剂前驱体为可热解的有机硅化合物，硅酸乙酯，苯基三甲基硅氧烷，二甲基二乙氧基硅烷等，优选硅酸乙酯。
[0010]进一步，步骤三中，氩气流量为1 sccm~1000 sccm，优选为50 sccm~100 sccm。
[0011]进一步，步骤三中，催化剂成核过程和单壁碳纳米管水平阵列的生长过程均需要通入具有抑制催化剂失活作用的氢气，氢气流量为1 sccm~1000 sccm，优选为50 sccm~100 sccm。
[0012]进一步，步骤三中，单壁碳纳米管水平阵列的生长温度为600℃~1200℃，具体为800℃~850℃。
[0013]进一步，步骤三中，生长单壁碳纳米管水平阵列的时间为10 min~30 min。
[0014]进一步，步骤三中，化学气相沉积步骤方法中，碳源是含碳气体或蒸汽压较大并易裂解的含碳液体，为C2H4或乙醇或CH4或异丙醇等，优选为乙醇，碳源的气体流量为10 sccm~200 sccm。
[0015]进一步，步骤三中，需要持续通入1 min~10 min的氢气之后，才可以快速将第一衬底和第二衬底的温度升至T1。
[0016]本专利技术的有益效果体现在：1，本专利技术提供的一种以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的方法，为催化剂前驱体的选择提供了更多的可能。且成本低，操作简单，并且在制备单壁碳纳米管水平阵列的过程中不含有金属。
[0017]2，本专利技术提供的以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的方法，通过对生长基底的组合，再通过快速加热的方式，为催化剂成核提供了全新思路，实现了单壁碳纳米管水平阵列的生长。
[0018]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
[0019]下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。
[0020]图1是以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的示意图。
[0021]图2是清洗后（无催化剂）的第二衬底的AFM图。
[0022]图3是经过快速升温处理之后，催化剂锚定在第二衬底的AFM图。
[0023]图4是以实例1中第二衬底生长结果的SEM图。
[0024]图5是以实例1中第一衬底生长结果的SEM图。
[0025]图6是以实例2中第二衬底生长结果的SEM图。
[0026]图7是以实例2中第一衬底生长结果的SEM图。
具体实施方式
[0027]以下通过实施例来详细说明本专利技术的技术方案，以下的实施例仅仅是示例性的，仅能用来解释和说明本专利技术的技术方案，而不能解释为对本专利技术技术方案的限制。
[0028]以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列。本专利技术利用对生长基底的组合，通过快速加热的方法，在氢气的帮助下，获得适合碳纳米管生长的硅氧化合物纳米颗粒。
[0029]工作原理：本专利技术采用快速加热
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化学气相沉积法直接生长单壁碳纳米管阵列，将清洗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以硅氧化合物直接生长单壁碳纳米管水平阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，将载有催化剂前驱体的第一衬底与第二衬底面对面组合在一起；步骤二，在氩气的保护下，将反应室的温度升至生长温度（T1），继而通入氢气，并持续一段时间，随后通过移动石英管快速将第一衬底和第二衬底的温度升至T1，同时通入碳源进行化学气相沉积生长，待生长完毕停止通入碳源和氢气，最后在氩气的保护下降至室温；步骤三，在第一衬底和第二衬底上得到单壁碳纳米管水平阵列；上述步骤中还包括如下步骤；在所述两个衬底组合前，需对所述两个衬底进行预处理；所述预处理还包括如下步骤：将上述两个衬底依次在超纯水、丙酮、乙醇和超纯水中各超声清洗15 min，再用氮气吹干后，置于马弗炉中，在3 h内由室温升至950℃恒温8 h，再在10 h内降温至300℃，随后自然冷却至室温。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中适合单壁碳纳米管水平阵列生长的衬底包括r
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cut石英、ST
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cut石英、r面α氧化铝、a面α氧化铝、氧化镁等单晶衬底，优选ST
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cut石英基底。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡悦，林思哲，叶涛，杨植，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：