一种通过控制水解程度影响碳纳米管生长形貌的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过控制水解程度影响碳纳米管生长形貌的方法，包括如下步骤：步骤1：制备含铁离子的前驱液薄膜；步骤2：将附着有前驱液薄膜的基片在恒温烘箱中烘烤一定时间直至烘干；步骤3：将烘干后的基片放入管式炉的恒温区，进行退火处理；步骤4：制备颗粒尺寸和密度可控的铁催化剂薄膜；步骤5：制备不同长度和形貌的碳纳米管阵列：在管式炉内，升温至一定温度下，通入乙炔和氩气，乙炔气体在含铁催化剂颗粒的薄膜表面分解并析出直立的碳纳米管阵列。本发明专利技术的有益效果：实现了我们通过控制水解程度影响碳纳米管生长形貌的目的，取得了意想不到的效果，有效的优化了碳纳米管生长的工艺，降低了工业生产的成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳纳米管
，尤其涉及一种通过控制催化剂形貌制备碳纳米管的方法。
技术介绍
碳纳米管(Carbon nanotube)作为近二十年来研究的新兴热点材料，因其具有高的电子迁移率、热导率，以及极好的机械性能和化学稳定性而被广泛的关注。现在，在已知的制备方法中，想要大规模生产高质量的碳纳米管，应用得最广泛的方法还是热化学气相沉积法(TCVD，Thermal Chemical Vapor D印osition)。而在该方法中，催化剂纳米颗粒的制备是得到高质量碳纳米管的前提，铁、钴、镍作为该方法中常用和有效的催化剂。近年来，许多研究小组的工作都放在如何控制催化剂在基片上的尺寸大小和密度分布。2008 年，Chris Papadopoulos等人利用一种胶体高分子作为掩模，成功制取了密度可控的纳米催化剂颗粒，得到分散的单壁碳纳米管(详细文献见=Chris Papadopoulos and Badr Qmrane. Nanometer-scale catalyst patterning for control led growth of individual single-walled carbon nanotubes. Adv. Mater. 2008 ；20 :1344-1347.)；该方法的不足是需要用到胶体高分子作为模板，并且在完成纳米催化剂颗粒制备后还必须将胶体高分子去除，增加了工艺难度和成本。2009年，Sandra Rizk等人的工作是利用氢气等离子体放电，将作为催化剂的连续铁膜刻蚀成不同尺寸的利于碳纳米管生长的纳米催化剂颗粒(详细文献见=Sandra Rizk, Badreddine M. Assouar, Controlled nanostructuration of catalyst particles for carbon nanotubes growth. J. Phys. Chem. C 2009 ;113 :8718-8723.)，该方法需要使用昂贵的磁控溅射设备和等离子体辅助化学气相沉积设备，也显著的增加了工艺难度和成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的制备碳纳米管的方法中，在形成大小和密度可控的纳米催化剂颗粒的过程中，所需工艺难度大和成本高的不足，提出了。本专利技术的技术方案是，包括如下步骤步骤1 制备含铁离子的前驱液薄膜将含铁离子的前驱液放置在室温条件下，水解一定时间后，吸取一定量的前驱液滴到生长碳纳米管所需的基片上进行甩胶，得到在基片表面均勻分布的前驱液薄膜；步骤2 将附着有前驱液薄膜的基片在恒温烘箱中烘烤一定时间直至烘干；步骤3 将烘干后的基片放入管式炉的恒温区，进行退火处理；步骤4 制备颗粒尺寸和密度可控的铁催化剂薄膜将退火处理后的基片在管式炉内进行升温还原处理，得到附着在基片上的颗粒尺寸和密度可控的铁催化剂薄膜；步骤5 制备不同长度和形貌的碳纳米管阵列在管式炉内，升温至一定温度下， 通入乙炔和氩气，乙炔气体在含铁催化剂颗粒的薄膜表面分解并析出直立的碳纳米管阵列。本专利技术的有益效果本专利技术申请首次公开含铁离子的前驱液在不同的水解时间下可以在基片表面形成不同的铁催化剂颗粒的尺寸大小和密度分布这一技术现象；因此通过控制含铁离子的前驱液的水解时间，提高水解程度，有效的控制了铁催化剂颗粒的尺寸大小和在基片表面的密度分布；从而影响了碳纳米管阵列的长度和取向。碳纳米管的生长长度即生长的速率随着铁催化剂前驱液的水解时间的延长而不断的提高，且碳纳米管的直立度也伴随着水解时间的延长而不断的改善，实现了我们通过控制水解程度影响碳纳米管生长形貌的目的，取得了意想不到的效果，有效的优化了碳纳米管生长的工艺，降低了工业生产的成本。附图说明图1是本专利技术铁催化剂薄膜的AFM表面形貌图(前驱液水解至M小时甩胶，退火、 还原后)。图2是本专利技术铁催化剂薄膜的AFM表面形貌图(前驱液水解至72小时甩胶，退火、 还原后)。图3是本专利技术铁催化剂薄膜的AFM表面形貌图(前驱液水解120小时甩胶，退火、 还原后)。图4是本专利技术铁催化剂薄膜的AFM表面形貌图(前驱液水解168小时甩胶，退火、 还原后)。图5是本专利技术碳纳米管的SEM截面形貌图(基片为图1所示样品)。图6是本专利技术碳纳米管的SEM截面形貌图(基片为图2所示样品)。图7是本专利技术碳纳米管的SEM截面形貌图(基片为图3所示样品)。图8是本专利技术碳纳米管的SEM截面形貌图(基片为图4所示样品)。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的说明，包括如下步骤步骤1 制备含铁离子的前驱液薄膜将含铁离子的前驱液放置在室温条件下，水解一定时间后，吸取一定量的前驱液滴到生长碳纳米管所需的基片上进行甩胶，得到在基片表面均勻分布的前驱液薄膜；本步骤的具体实施过程和参数如下将采用溶胶-凝胶法制备好的含铁离子的前驱液放置在室温条件下二4小时后开始第一次甩胶并将该次甩胶后的基片作为样品一，以后每隔48小时选取一个基片进行一次甩胶，直到溶液放置到168小时，这样一共甩胶4次， 总共得到样品一、样品二、样品三和样品四共四个不同的样品。甩胶机的转速和时间分别设定为5500转/分钟和60秒。基片采用带300nm厚度的SW2氧化层的Si (001)基片。本具体实施例中，含铁离子的前驱液的配置过程如下在室温条件下，将10毫升无水乙醇和10毫升正硅酸乙酯的混合溶液，加入15毫升0. 5摩尔每升的硝酸铁溶液中，搅拌均勻后，向体系中加入20微升的氢氟酸，磁力搅拌1个小时，得到含铁离子的催化剂前驱液。上述过程即为溶胶-凝胶法，本领域的技术人员应该意识到还有许多其他的公知方法可以配置同样的前驱液，但是考虑到溶胶-凝胶法和其他公知方法属于本领域的公知常识，故没有对前驱液的配置做进一步的详细说明。步骤2 将附着有前驱液薄膜的基片在恒温烘箱中烘烤一定时间直至烘干；每个样品甩胶结束后，将其放置于80°C的恒温烘箱中烘3小时取出。步骤3 将烘干后的基片放入管式炉的恒温区，进行退火处理；本步骤的具体实施过程和参数如下将烘干后的样品放置于陶瓷舟中，利用送样杆将陶瓷舟推送到管式炉的恒温区，进行退火处理。整个退火过程在0. IPa的真空环境中进行。具体退火工艺为从室温经过60分钟升温至450°C，在450°C保温10小时后，自然降温。待温度降至室温后，将样品取出，存放于干燥箱内。本领域的普通技术人员应该意识到上述真空环境和退火温度以及保温时间可以在上述具体数据上的一定范围内变化，并不会影响本步骤的实施。步骤4 制备颗粒尺寸和密度可控的铁催化剂薄膜将退火处理后的基片在管式炉内进行升温还原处理，得到附着在基片上的颗粒尺寸和密度可控的铁催化剂薄膜；本步骤的具体实施过程和参数如下当四个样品都经过退火处理后，将其均勻的放置于石英管中，推送至管式炉的恒温区，设置升温还原工艺参数。整个还原过程通入 600ml/min的混合气体，混合气体的组分分别为94%的氩气，6 %的氢气，具体工艺流程是(1)经过60min，从室温升至500°C ；(2)在 500°C保温 90min ；(3)经过 15min，从 500°C升温至 650°C ；(4)自然降温至室温附近。待管式炉温度降至室温后，将样品取出，放置于干燥箱本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种通过控制水解程度影响碳纳米管生长形貌的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤１：制备含铁离子的前驱液薄膜：将含铁离子的前驱液放置在室温条件下，水解一定时间后，吸取一定量的前驱液滴到生长碳纳米管所需的基片上进行甩胶，得到在基片表面均匀分布的前驱液薄膜；步骤２：将附着有前驱液薄膜的基片在恒温烘箱中烘烤一定时间直至烘干；步骤３：将烘干后的基片放入管式炉的恒温区，进行退火处理；步骤４：制备颗粒尺寸和密度可控的铁催化剂薄膜：将退火处理后的基片在管式炉内进行升温还原处理，得到附着在基片上的颗粒尺寸和密度可控的铁催化剂薄膜。步骤５：制备不同长度和形貌的碳纳米管阵列：在管式炉内，升温至一定温度下，通入乙炔和氩气，乙炔气体在含铁催化剂颗粒的薄膜表面分解并析出直立的碳纳米管阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林媛，刘升华，赵小伟，曾慧中，黄文，潘泰松，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90