公开了一种在衬底上形成碳纳米管的方法。该方法的一个实施例包括：在该衬底上沉积复合催化剂层，氧化该复合催化剂层，还原该氧化的复合催化剂层，以及在该复合催化剂层上生长阵列。该复合催化剂层可包括由合金沉积到该衬底上的ＶＩＩＩ族元素和非催化元素。在另一实施例中，该复合催化剂层包括铁和镧系元素的交替层，该镧系元素优选为钆或镧。该复合沉积层可再次用于生长多个碳纳米管阵列，而不额外处理该衬底。该方法可包括通过在多个颗粒衬底上形成碳纳米管的体合成，该颗粒衬底具有包含ＶＩＩＩ族元素和非催化元素的复合催化剂层。在另一实施例中，该复合催化剂层沉积在衬底的两面上。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请主张于2006年10月19日提交的题为“Catalyst and Method forManufacturing Carbon Nanostructured Materials”的美国临时专利申请 60/862，123 的利益。
技术介绍
碳纳米管用于多种多样的应用，例如传感器、复合材料的增强等。虽然有许多不同 方式形成碳纳米管，但有两种不同类型的碳纳米管，即通过体合成(bulk synthesis)所形 成的单独纳米管以及通过表面或定向合成所形成的纳米管阵列。单独纳米管很像意大利式 细面条，其中每个纳米管随机取向地生长。对齐的纳米管的阵列几乎可以包括并排形成于 衬底上的数十亿个纳米管。形成越来越长的纳米管是一直以来的目标。如果形成更长纳米管的阵列，就可以 将纳米管织成纤维，这种纤维可能比任何现有的纤维都更强和更轻，并且这种纤维可以导 H1^ ο长度短的纳米管对于其许多应用来说已经成为障碍。具有受控形态的碳纳米管的 生长是集中研究的领域。在超过一平方厘米的大表面积上生长具有均质一致结构的碳纳米 管阵列的能力将使碳纳米管阵列可以用于许多不同的结构和感测应用。传统上，通过化学气相沉积将碳沉积于催化衬底上而形成碳纳米管。一种有效的 催化衬底是铁。镍和钴也已成功使用。
技术实现思路
本专利技术的前提是认识到，通过将碳气相沉积于涂有催化剂的衬底上，可以获得带 有长度大于1毫米，直至且超过2厘米的碳纳米管的碳纳米管阵列。衬底上的复合催化剂 为分层薄膜结构，其包括例如铁、镍、钴或其它VIII族元素的已知纳米管催化剂与对于形 成碳纳米管而言本身不是有效催化剂的元素的组合。具体而言，非催化元素优选为镧系金 属，例如但不限于钆(Gd)、镧(La)或铕(Eu)。在一个优选实施例中，通过在空气中热处理 将复合催化剂层至少部分氧化。接下来，将氧化的复合催化剂层还原为单质形式，然后引入 反应气体来生长碳纳米管阵列。在一个实施例中，在除去已生长碳纳米管阵列之后留在衬底上的剩余复合催化剂 层被再次用于生长多个阵列，而不对衬底进行额外处理。在另一个实施例中，将复合催化剂层涂在颗粒衬底上，以用于碳纳米管的体合成。本专利技术的目的和优点通过以下的详细说明及附图将会更加清楚，其中附图说明图1是本专利技术方法的实施例的流程图；图2是具有复合催化剂层的衬底的实施例的剖视图，其中该复合催化剂层上形成5有多个碳纳米管；图3是具有复合催化剂层的衬底的另一实施例的剖视图，其中该复合催化剂层由 含有VIII族元素和非催化元素的合金沉积而成；图4A是衬底的另一实施例的剖视图，其中该复合催化剂层包括VIII族元素层和 非催化元素的交替层；图4B是衬底的另一实施例的剖视图，其中该复合催化剂层包括VIII族元素和非 催化元素的四个交替层；图4C是衬底的另一实施例的剖视图，其中该复合催化剂层包括VIII族元素和非 催化元素的三个交替层；图5A是具有图案化于衬底上的不连续复合催化剂层的衬底的另一实施例的剖视 图；图5B是衬底的另一实施例的剖视图，其中图案化的复合催化剂层包括VIII族元 素层和非催化元素的交替层；图5C是衬底的另一实施例的剖视图，其中图案化的催化剂层包括VIII族元素和 非催化元素的四个交替层；图6A是具有复合催化剂层的颗粒衬底的另一实施例的剖视图，其中该复合催化 剂层沉积为VIII族元素和非催化元素的两个交替层；图6B是具有催化衬底的颗粒衬底的另一实施例的剖视图，其中该催化衬底沉积 为VIII族元素和非催化元素的四个交替层；以及图6C是具有催化衬底的颗粒衬底的另一实施例的剖视图，其中该催化衬底沉积 为VIII族元素和非催化元素的合金。具体实施例方式碳纳米管可以通过多种技术例如定向合成和体合成来生长。在定向合成中，碳纳 米管对齐，并以阵列的形式生长于衬底上。该阵列含有许多沿一个方向生长的碳纳米管。 在体合成中，碳纳米管随机生长于许多单独的衬底例如颗粒衬底上。有多种碳纳米管形态。 碳纳米管通常根据碳纳米管具有的壁的数目进行分类。例如，有多壁碳纳米管(MWCNT)、双 壁碳纳米管(DWCNT)和单壁碳纳米管(SWCNT)。除非另有说明，本文所述的碳纳米管一般指 这些形态中的任何一种。参照图1和2，在本专利技术的一个实施例中，在与气相沉积工艺相容的衬底20上形成 碳纳米管阵列10。最初，将复合催化剂层30沉积于包括二氧化碳层22和氧化铝层24的衬 底20上，如图2所示。有多种气相沉积工艺用于沉积和处理衬底20的各层。举例而非限 制性地，电子束沉积、热蒸镀、旋涂、电化学沉积、化学(electroless)沉积、等离子体喷涂 沉积、磁控溅射、脉冲激光沉积(PLD)及化学气相沉积(CVD)等。虽然可能具体参照CVD进 行说明，但该术语包括已知的对CVD的修改，包括例如等离子体增强CVD、微波CVD和激光增 强CVD等。另外，可以使用其它气相沉积工艺来根据本专利技术备方面生长碳纳米管。衬底20是单晶硅晶片，因为关于其在化学气相沉积中的使用方面有很详细的文 件资料。但是，也可以使用惰性衬底，例如陶瓷、石英、多晶硅、蓝宝石、氧化铝等。当衬底20 为硅时，对其进行处理，以在其平坦表面上形成二氧化硅层22。然后，通过例如电子束沉积将铝薄膜沉积在二氧化硅层22上。铝层的厚度并非关键所在。一般来说，其为约10纳米 至约20纳米，以15纳米为优选。通过等离子体氧化将铝氧化，以形成也叫矾土的氧化铝层24。氧化铝层24提供多 孔表面。这实际上在衬底的整个表面上产生了微小的空腔。这些空腔可以容纳复合催化剂 层30，从而形成用于纳米管的成核和生长的临时辅助区域(staging area) 0也可以通过其它薄膜沉积方法来形成氧化铝层24，例如氧化铝的直接磁控溅射或 氧化铝的直接化学气相沉积。形成氧化铝层的方法并不是本专利技术的关键。其它惰性微孔物 质也可以用作容纳用于形成碳纳米管的催化剂的基底。接着，在沉积有二氧化硅层22和氧化铝层24的衬底20上，沉积复合催化剂层 30。可以使用任何典型的碳纳米管催化剂。一般而言，这些是VIII族元素，包括铁(Fe)、 钴(Co)、镍(Ni)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(0s)、铱(Ir)及钼(Pt)，或这些元素的组合。 在一个实施例中，铁是优选的催化剂，因为其与其它VIII族元素相比，熔点低且成本低。除了 VIII族元素，复合催化剂层30还包括非催化金属，优选为镧系元素，例如 镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬 (Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。也可以使用其它惰性金属，例如金。复合催化剂 衬底的VIII族元素与镧系元素的重量百分比(重量％)比率为5/95至95/5。对产生碳纳 米管更为有效的重量百分比比率包括20/80，优选为50/50，以及更优选为95/5。复合催化剂层30可以通过任何公知方法例如电子束沉积、磁控溅射或化学气相 沉积以至少两种方式之一进行沉积。为了获得所需的催化剂比率，可以使用VIII族元素和 镧系元素(或非催化金属)的合金来沉积复合催化剂层30。也可以通过从多个溅射靶同时 溅射来形成复合催化剂层30。接着本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在衬底上形成多个碳纳米管的方法，包括：在所述衬底上沉积复合催化剂层，其中所述复合催化剂层包括Ⅷ族元素和非催化元素，所述非催化元素包括本身不催化纳米管生长的金属；氧化所述复合催化剂层，以形成氧化的复合催化剂层；还原所述氧化的复合催化剂层，以形成还原的复合催化剂层；以及在所述还原的复合催化剂层上生长所述碳纳米管。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：维塞林N沙诺夫，安德鲁戈顿，尹汝兴，马克J舒尔茨，
申请(专利权)人：辛辛那提大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。