CN102020262A - 一种无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单壁纳米碳管的制备技术，具体为一种无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，适于高效制备高质量、无金属杂质残留的单壁纳米碳管。该方法以离子溅射方法制备的二氧化硅薄膜为催化剂前驱体，在600～1100℃条件下通过碳源的裂解制备单壁纳米碳管。其中，碳源为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷等碳氢化合物或乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳等，载气为氢气或氢气与氩气、氦气等惰性气体的混合气。本发明提出以离子溅射方法得到的SiO2镀膜为催化剂前驱体，高效生长不含有任何金属杂质的高质量单壁纳米碳管，具有操作简便、成本低、与易于在硅基体上定位生长和图案化生长单壁纳米碳管的特点，对要求无金属杂质的单壁纳米碳管的应用奠定了基础。
Description
技术领域：
本发明涉及单壁纳米碳管的制备技术，具体为一种不使用任何金属催化剂，以离子溅射方法制备的二氧化硅(SiO2)薄膜为催化剂前驱体，在有热氧化层的硅衬底等任意形状(一维、二维、三维)的耐高温块体材料表面高效生长高质量单壁纳米碳管的方法，适用于高效制备不含有任何金属杂质污染的高质量单壁纳米碳管样品。
背景技术：
单壁纳米碳管是一维纳米材料的典型代表，其优良的电学、光学、热学和力学性质，使得它在纳电子器件、光电子器件、传感器、催化剂载体、复合材料以及药物输运和生物医学等领域都存在广阔的应用前景。自纳米碳管发现以来，其理论研究和应用探索一直以来都是国内外物理化学界和材料学界的前沿和热点课题。其中，单壁纳米碳管的制备研究是对其物性研究和应用探索的前提和基础。
经过各国科学家多年的努力，目前在单壁纳米碳管的制备方面已取得了多项成果，如利用铁、钴、镍等过渡金属催化剂，人们已经成功实现了单壁、双壁、多壁纳米碳管及其阵列、薄膜、定向绳等宏观体的制备，并且已基本实现硅衬底表面上单壁纳米碳管的定位生长、定向生长和图案化生长等。这些成果极大推动了纳米碳管的研究进展，但是目前在纳米碳管的制备方面仍然存在许多的困难和挑战。比如，目前几乎所有制备单壁纳米碳管的方法都要使用金属催化剂，而残留在单壁纳米碳管中的金属杂质会极大地影响单壁纳米碳管在诸多领域的实际应用(如纳电子器件、光电子器件、催化剂载体、生物和医学领域等)。已经发展起来的提纯方法，不但不能彻底去除单壁纳米碳管中的金属催化剂杂质，而且这些后处理过程会不可避免地对单壁纳米碳管的结构造成破坏，降低其质量。因此，单壁纳米碳管中残留的金属杂质在一定程度上阻碍了人们对其本征结构和性质的研究，同时对其在很多领域的实际应用造成了极大的障碍。根据纳米碳管的生长过程，如果在制备过程中不使用金属物质作为催化剂，那么将会得到不含有任何金属杂质的单壁纳米碳管样品。这种不含有任何金属杂质的单壁纳米碳管，对基于单壁纳米碳管的纳电子器件、光电子器件、催化剂载体、生物和医学领域的应用具有巨大的潜在优势和吸引力。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种高质量、不含有任何金属杂质的单壁纳米碳管的高效制备方法，它是无金属催化剂生长单壁纳米碳管的方法。该方法具有成本低、操作简单、重复性好、可定位生长和可图案化生长等优点。
本发明的技术方案是：
一种无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，该方法以离子溅射方法制备的二氧化硅(SiO2)薄膜为催化剂前驱体，以硅、二氧化硅、二氧化硅/硅(“二氧化硅/硅”指表面有二氧化硅热氧化层的硅基底)、氧化铝、石英、碳化硅等的平面体、球面体或任意形状(一维、二维、三维)的耐高温块体材料为衬底，在高温下通过碳源的裂解制备单壁纳米碳管。具体步骤如下：
首先，通过还原处理在衬底表面形成SiO2催化剂纳米颗粒；然后，在高温下通入碳源和载气，碳源分解释放出的碳活性物种吸附在SiO2催化剂纳米颗粒表面，并在SiO2催化剂纳米颗粒的辅助下成核，最终形成单壁纳米碳管。
本发明中，SiO2催化剂薄膜厚度为5～100nm，优选范围为30～100nm；
本发明中，碳源为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷等碳氢化合物以及乙醇、甲醇、丙酮或一氧化碳等之一种或两种以上，碳源流速为1～1000毫升/分钟，优选范围为5～500毫升/分钟。
本发明中，载气为氢气；或者，载气为氢气与氩气或氦气等惰性气体的混合气(其中氢气体积比≥1/10)，载气流速为1～2000毫升/分钟，优选范围为20～800毫升/分钟。
本发明中反应温度为600～1100℃，优选范围为650～950℃。
采用本发明获得的单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm。本发明的有益效果是：
1、本发明提出采用二氧化硅(SiO2)薄膜为催化剂前驱体，不使用任何金属催化剂制备高质量单壁纳米碳管，产物中无任何金属杂质污染物。
2、本发明采用的二氧化硅(SiO2)催化剂不具有催化裂解碳源的能力，因此可极大地减慢单壁纳米碳管的生长速率，进而可通过精确控制反应时间来实现对单壁纳米碳管长度的控制和短单壁纳米碳管的制备，适于可控制备具有不同长度、最短可达～20nm的单壁纳米碳管。
3、本发明方法简单、高效、重复性好、成本低。
4、本发明可实现单壁纳米碳管在硅衬底表面的定位生长、图案化生长和集成，为其在纳电子器件领域的应用奠定了基础。
附图说明：
图1为无金属催化剂制备单壁纳米碳管的反应装置示意图。图中，1气体入口；2表面溅射有二氧化硅(SiO2)薄膜的耐高温块体材料；3热电偶；4气体出口。
图2为产物单壁纳米碳管的表征。其中，(a)为扫描电子显微镜照片；(b)为原子力显微镜照片；(c)为共振激光拉曼光谱；(d)为高分辨透射电镜照片。
图3为产物表面的X-射线光电子能谱表征。其中，(a)为全谱；(b)为Fe元素的高分辨X-射线光电子能谱；(c)为Co元素的高分辨X-射线光电子能谱；(d)为Ni元素的高分辨X-射线光电子能谱。深色谱线来自样品表面，浅色谱线为样品经过离子溅射之后再采集的谱图。
图4为以二氧化硅(SiO2)为催化剂的单壁纳米碳管的生长速度曲线。
图5为以二氧化硅(SiO2)为催化剂制备的短单壁纳米碳管的原子力显微镜照片。其中，(a)生长时间为20秒，(b)生长时间为40秒，(c)生长时间为60秒。(a)、(b)、(c)图右侧分别对应的图为相应生长时间下单壁纳米碳管的长度统计分布图。
图6为单壁纳米碳管的定位生长和图案化生长(使用条带状硅片作为镀SiO2薄膜时的挡板)。其中，(a)为低倍扫描电子显微镜照片；(b)为高倍扫描电子显微镜照片。图中，左侧亮区为镀有SiO2薄膜的区域，在该区域可以发现有生长的单壁纳米碳管；右侧暗区为未镀有SiO2薄膜的区域，在该区域没有发现任何单壁纳米碳管。
图7为单壁纳米碳管的定位生长和图案化生长(使用透射电镜用Cu微栅作为镀SiO2薄膜时的挡板)。其中，(a)为低倍扫描电子显微镜照片；(b)为高倍扫描电子显微镜照片。图中，微栅的每个镂空处为镀有SiO2薄膜的区域，在该区域可以发现有生长的单壁纳米碳管(亮区)；微栅骨架覆盖处没有SiO2薄膜，在该区域没有发现任何单壁纳米碳管(暗区)。
图8为以二氧化硅(SiO2)为催化剂，短单壁纳米碳管的图案化生长和定位生长。其中，(a)为镀SiO2薄膜时所使用的钨(W)微栅的示意图，(b)为图案化生长和定位生长的短单壁纳米碳管的扫描电子显微镜照片，(c)为b图中实线矩形区的原子力显微镜照片，(d)为b图中虚线矩形区的原子力显微镜照片。
具体实施方式：
下面通过实施例和附图进一步详述本发明。
实施例1
如图1所示，本发明装置采用水平式反应炉，水平式反应炉两端分别设有气体入口1和气体出口4，表面溅射有二氧化硅(SiO2)薄膜的耐高温块体材料2置于水平式反应炉高温区，热电偶3伸入水平式反应炉的高温区，以实时监控反应温度。
首先，将采用离子溅射方法镀有SiO2薄膜的硅衬底(SiO2薄膜的厚度为30nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至900℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和500毫升/分钟，反应炉升温速度为40℃/分钟)；待炉温升至900℃后，通入甲烷和氢气的混合气体(气体流速分别为甲烷500毫升/分钟和氢气500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为20分钟。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为10μm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜、共振激光拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜观察表明，样品为致密的单壁纳米碳管网络，表面干净，质量高，其中单壁纳米碳管的密度大于100根/μm2。
实施例2
装置如附图1。
首先，将采用离子溅射方法镀有SiO2薄膜的硅衬底(SiO2薄膜的厚度为100nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至900℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和500毫升/分钟，反应炉升温速度为40℃/分钟)；待炉温升至900℃后，通入甲烷和氢气的混合气体(气体流速分别为甲烷500毫升/分钟和氢气500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为20分钟。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为10μm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜和共振激光拉曼光谱观察表明，样品为致密的单壁纳米碳管网络，其中单壁纳米碳管的密度约为100根/μm2。
实施例3
装置如附图1。
首先，将采用离子溅射方法镀有SiO2薄膜的硅衬底(SiO2薄膜的厚度为30nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至650℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和200毫升/分钟，反应炉升温速度为30℃/分钟)；待炉温升至650℃后，通过氩气鼓泡的方式带入乙醇(其中，氩气的流速为50毫升/分钟，乙醇放置于0℃的孟氏洗瓶中)，同时通入氢气(气体流速为500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为20分钟。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为8μm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜、共振激光拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜观察表明，样品为致密的单壁纳米碳管网络，样品表面很干净，质量很高，其中单壁纳米碳管的密度大于100根/μm2。
实施例4
装置如附图1。
首先，将采用离子溅射方法镀有SiO2薄膜的硅衬底(SiO2薄膜的厚度为30nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至700℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和200毫升/分钟，反应炉升温速度为30℃/分钟)；待炉温升至700℃后，通过氩气鼓泡的方式带入乙醇和甲醇的混合碳源(其中，氩气流速为50毫升/分钟，乙醇和甲醇放置于0℃的孟氏洗瓶中，体积比为10∶1)，同时通入氢气(气体流速为500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为20分钟。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为9μm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜、共振激光拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜观察表明，样品为致密的单壁纳米碳管网络，样品表面非常干净，其中单壁纳米碳管的密度约为80根/μm2。
实施例5
装置如附图1。
首先，将采用离子溅射方法镀有SiO2薄膜的石英球(SiO2薄膜的厚度为30nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至900℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和500毫升/分钟，反应炉升温速度为40℃/分钟)；待炉温升至900℃后，通入甲烷和氢气的混合气体(气体流速分别为甲烷500毫升/分钟和氢气500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为20分钟。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为10μm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜、共振激光拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜观察表明，样品为致密的单壁纳米碳管网络，表面干净，质量高，其中单壁纳米碳管的密度大于100根/μm2。
实施例6
装置如附图1。
首先，将采用离子溅射方法镀有SiO2薄膜的硅衬底(SiO2薄膜的厚度为30nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至900℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和500毫升/分钟，反应炉升温速度为40℃/分钟)；待炉温升至900℃后，通入甲烷和氢气的混合气体(气体流速分别为甲烷500毫升/分钟和氢气500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为20秒。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为149nm，最短可达～20nm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜、共振激光拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜观察表明，表面干净，质量高，其中单壁纳米碳管的密度大于50根/μm2。
实施例7
装置如附图1。
首先，将采用离子溅射方法镀有SiO2薄膜的硅衬底(SiO2薄膜的厚度为30nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至900℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和500毫升/分钟，反应炉升温速度为40℃/分钟)；待炉温升至900℃后，通入甲烷和氢气的混合气体(气体流速分别为甲烷500毫升/分钟和氢气500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为40秒。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为342nm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜、共振激光拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜观察表明，表面干净，质量高，其中单壁纳米碳管的密度大于60根/μm2。
实施例8
装置如附图1。
使用透射电镜用Cu微栅作为模板，在硅衬底表面的部分区域选择性蒸镀SiO2薄膜；首先，将选择性镀有SiO2薄膜的硅衬底(SiO2薄膜的厚度为30nm)放置于水平式反应炉中央区域(反应区，在此位置有热电偶实时监测炉温)；然后，将SiO2薄膜在氢气和氩气混合气气氛中加热至900℃(加热过程中氢气和氩气流速分别为200毫升/分钟和500毫升/分钟，反应炉升温速度为40℃/分钟)；待炉温升至900℃后，通入甲烷和氢气的混合气体(气体流速分别为甲烷500毫升/分钟和氢气500毫升/分钟)，开始生长单壁纳米碳管，生长时间为2分钟。本实施例中，单壁纳米碳管的直径为0.8～2nm，平均长度约为1μm。
扫描电子显微镜、原子力显微镜和共振激光拉曼光谱观察表明，只有在图案化镀有SiO2薄膜的区域生长出单壁纳米碳管网络。
如图1所示，图中进气口一端有四个质量流量计，可选择性地控制通入氩气、氦气、氢气、甲烷、乙烷、一氧化碳等气体。液体碳源(如乙醇、甲醇、苯、甲苯、环己烷等)置于0℃的孟氏洗瓶中，通过氩气或氩气与氦气的混合气鼓泡带入。
如图2所示，从(a)扫描电子显微镜和(b)原子力显微镜照片可以看出，采用SiO2作为催化剂生长出的样品为致密的薄膜，并且表面干净；从(c)共振激光拉曼光谱可以看出，D模与G模强度比约为0.04，表明产物单壁纳米碳管具有很高的质量；从(d)高分辨透射电镜照片可以产出，产物为结构完美的单壁纳米碳管，并且大多以单根或小管束的形式存在。
如图3所示，从产物表面的X-射线光电子能谱可以看出，样品中仅含有Si、O和C元素，不含有任何其他金属杂质，其中Si和O来自于SiO2镀膜。
如图4所示，以20秒，40秒和60秒生长的单壁纳米碳管的长度计算出来的以SiO2为催化剂时单壁纳米碳管的生长速率只有8.3nm/s，该速度远小于普通金属催化剂生长单壁纳米碳管的速度(如在相同条件下，金属Co催化剂生长单壁纳米碳管的速度为2.5μm/s)。说明使用SiO2为催化剂时，能显著减慢单壁纳米碳管的生长速度，进而达到精确控制其长度，选择性生长短单壁纳米碳管的目的。
如图5所示，从不同反应时间得到的单壁纳米碳管的原子力照片和长度统计图可以看出，通过简单地控制生长时间等实验参数，可以选择性得到一系列长度可调节的短单壁纳米碳管样品。如生长时间为20秒的样品平均长度只有149nm，最短长度只有～20nm。
如图6所示，从单壁纳米碳管的定位生长和图案化生长(使用条带状硅片作为镀SiO2薄膜时的挡板)可以看出，只有在镀有SiO2薄膜的区域才有单壁纳米碳管，说明可以通过使用特定模板实现单壁纳米碳管的定位生长，为其在纳电子器件领域的应用奠定了基础。
如图7所示，从单壁纳米碳管的定位生长和图案化生长(使用透射电镜用Cu微栅作为镀SiO2薄膜时的挡板)可以看出，只有在镀有SiO2薄膜的区域才有单壁纳米碳管，说明可以通过使用特定模板实现单壁纳米碳管的定位生长。
如图8所示，从单壁纳米碳管的定位生长和图案化生长(使用透射电镜用W微栅作为镀SiO2薄膜时的挡板)可以看出，只有在镀有SiO2薄膜的区域才有单壁纳米碳管，说明可以通过使用特定模板实现单壁纳米碳管的定位生长。此外，单壁纳米碳管可以定位生长在宽度只有～5μm的催化剂条带上，而没有明显的穿插现象发生，显示以SiO2为催化剂时单壁纳米碳管的定位生长和图案化生长的精度远高于普通的金属催化剂，这为其在纳电子器件领域的应用奠定了基础。
上述结果表明，本发明提出以离子溅射方法得到的SiO2镀膜为催化剂前驱体，高效生长不含有任何金属杂质的高质量单壁纳米碳管，具有操作简便、成本低与易于在硅基体上定位生长和图案化生长单壁纳米碳管的特点，对要求无金属杂质的单壁纳米碳管的应用奠定了基础。此外，以SiO2为催化剂的单壁纳米碳管的生长速率较金属催化剂显著减小，因此可以通过控制反应时间精确控制其长度，为研究不同长度单壁纳米碳管及超短纳米碳管的物性和应用提供了前提。
Claims (6)
1.一种无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，其特征在于：该方法以离子溅射方法制备的二氧化硅薄膜为催化剂前驱体，以硅、氧化硅、氧化硅/硅、氧化铝、石英或碳化硅的平面体、球面体或任意形状的耐高温块体材料为衬底，在600～1100℃下通过碳源的裂解制备单壁纳米碳管。
2.按照权利要求1所述的无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，其特征在于：首先，通过还原处理在衬底表面形成SiO2催化剂纳米颗粒；然后，在高温下通入碳源和载气，碳源分解释放出的碳活性物种吸附在SiO2催化剂颗粒表面，并在SiO2催化剂颗粒的辅助下成核，最终形成单壁纳米碳管。
3.按照权利要求2所述的无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，其特征在于：反应过程中，碳源为碳氢化合物甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷以及乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上，碳源流速为1～1000毫升/分钟。
4.按照权利要求2所述的无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，其特征在于：反应过程中，载气为氢气；或者，载气为氢气与惰性气体的混合气，其中氢气体积比≥1/10，载气总流速为1～2000毫升/分钟。
5.按照权利要求2所述的无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，其特征在于：反应温度为650～950℃。
6.按照权利要求1所述的无金属催化剂高效生长单壁纳米碳管的方法，其特征在于：SiO2催化剂薄膜厚度为5～100nm。
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2009
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