TWI246503B - Method for producing a carbon nanotube array - Google Patents

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1246503 玖、發明說明 内容、實 (發，說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術 施方式及圖式簡單說明） 【發明領域】 本电明係關於一種奈米碳管生長方法，尤指一種奈米碳管陣列生‘ 方法。 又* 【發明背景】 奈米碳管係一種由碳原子組成之直徑為奈米量級之中空管狀物，在 奈米碳管石墨層中央部分都係六元環，而在末端或轉折部分則有五元環 或七元環。奈米碳管係在1991柏Iijima在電孤放電的產物中首次# 現，發表在1991年出版的Nature 354，56。奈米碳管之特殊結構決定 其具有優良的綜合力學性能，如高彈性模量、高楊氏模量與低密度，以 及優異之電學性能、熱學性能及吸附性能。隨著奈米碳管之長度、直徑 及螺旋方式之變化，絲碳f可呈灿金屬性或半導雖冑。由於奈米 碳管的優異特性，因此可望其在奈米電子學、材料科學、生物學、^匕學 等領域中發揮重要作用。 子 ，目前製備奈米碳管之方法主要有電弧放電法、脈衝雷射蒸發法及春 學氣相沈積法_。電赋電及脈衝雷射紐法形叙奈轉管有以下 幾個缺點.⑴奈米碳管產量較低；⑵奈純管與其他奈麵粒混雜， 以成奈米％1官的純度很低’還需要複雜之淨化卫藝，增加製造成本.⑶ 奈米碳管之生長方向無法控制，所形成之奈米碳f無序絲，難於工業 上應^ °㈣财縣米碳管_財法目社要触學氣相沈積法。 4匕學範相沈積主要係職奈米尺度的過渡金屬或其氧化物作為催化劑， 相對低的'皿度^熱解含碳之源氣體來製備奈米石炭管陣列。 續次H (發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 1246503 發明說明 范守善等人在文獻 Science 283，512-514(1999)，Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties中所描述的製備方法係：首先提供一多孔矽基底，其孔經大 小約為3奈米，然後通過光罩用電子束蒸發法在基底上形成一層具有規 則圖案之催化劑一鐵層，然後將沈積有鐵之基底在空氣中3⑽。匚條件下 退火，然後將基底放在石英反應舟裏送入石英管式反應爐之中央反應室 中，在氬氣保護下，將反應爐加熱到7〇〇它後，以流量1〇〇〇sccm通入乙 烯氣，反應15-60分鐘，然後將反應爐冷卻到室溫，有序奈米碳管陣费 即沈積在基底上含鐵之區域，且奈米碳管垂直於基底。 惟，奈米碳管生長過程中，無定型碳會同時沈積在奈求碳管之外表 面，使奈米碳管之間的凡德瓦爾力降低，故依該法生長所得之奈米碳管 陣列中的奈米碳管之間凡德瓦_力較弱。“圖係依該方法生長所得之 奈米碳管陣列放人二氣乙财超聲侧1G分鐘後之騎好顯微鏡 OEM’ Transmission ElectronMicr〇sc〇pe)照片，由第九圖可看出，超 聲作用後，奈米碳管陣列中奈米碳管已基本分散在二氯乙烧中。鲁 有鑑於此，提供-種改進之奈米碳管陣列生長方法實為必要。 【發明目的] 本發明之目的在於提供—齡米碳轉耻長方法，Μ =管_中的奈料管表面乾淨帽，通軌德㈣力結合成穩料 束狀’即為束狀奈米碳管陣列。 【發明特徵】 本發明奈米辟陣列生長方法包括以下步驟：提供一平滑基底，將 續次頁（㈣朗頁砸科，咖錢用續頁） 7 1246503 發明說明、4賣頁 催化劑沈積⑽基底上，將沈射雜_基餘一 預定溫度後通人麵氣與保護氣體之混合氣體，並且保持慨外^产鱼 環境溫度之溫差在5(TC以上，魏氣之分壓低於，使奈鱗^歹^ 基底長出。該生長出之奈米碳管_為束狀奈米碳#_。 【較佳實施例】 請參閱第-圖，本發明之生長方法包括以下步驟：首先提供一平滑 基底，於其上沈積催化劑，紐進行熱_，預加熱基底後通入混合氣 體長出奈米碳管陣列。 ^ 睛-併蒼閱第二圖與第三圖’首先提供一平滑基底1〇，可選用p型或 N型或曰本_晶片或表面有—層氧化_♦晶片為基底，本發明中選用p 型石夕=或表面有-層氧化㈣％晶片作為基底1()，其為圓形，直徑為 5: 08，米’厚?5。微米’將該基細拋域得平滑基&。將金屬催化義 利^電子束蒸發沈積、熱沈積錢射法等方法形餅該基底上，其厚度 為幾^到幾百奈米，其中金屬催化劑2〇可為鐵(Fe)、钻(Co)、_^ 或/、5至之，本貫施例選用鐵為催化劑2〇，沈積厚度為5奈米。 將沈積有催化劑20的基底1〇在空氣中， 於300-400°C之溫度條件下 =、⑽小日t ’使催化舰化成顆粒，然後再將其用氫氣錢氣還原形 成奈米級雛，再將處理後的基底切赋矩形基底10。 、=/、中一片矩形基底10裝入一反應舟中，一般為石英反應舟，將反 3舟裝入管狀石英爐中央的反應室裏，在氣體保護下加熱至-預定溫 ^ :中孩保濩氣體為惰性氣體或氬氣，本實施例選用氬氣，該預定 ’皿度與催化劑有關，當選職為催化劑，則—般—7 為650°c。 k IB續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁） 8 1246503 ~ ——~* 發明說明續頁 · 通入碳源氣與保護氣體的混合氣體，其中碳源氣為碳氫化合物，可 為乙炔、乙烯等，本實施例選用乙炔；該保護氣體為惰性氣體或氤氣，-本實施例選用氬氣。通過控制碳源氣的流量來控制催化劑的局部溫度 Tc，環境溫度直接通過控制石英爐溫度Tl來調節，使催化劑的溫度t與反 應爐中環境溫度TL形成一溫差ΔΤ至少在50°c以上，控制碳源氣與保護氣 體的流量比，使碳源氣之分壓至少在20%以下，優選為分壓在1〇%以 反應5一30分鐘使奈米碳管陣列30從基底上.10長出，如第四圖所示，其掃 描電子顯微鏡照片請參閱第五圖。 ^ 因為奈米碳管生長速度與催化劑溫度和環境溫度的溫差成正比，溫 差越大，奈米碳管生長越快；而無定型碳的沈積速度與碳源氣分壓成正 比，碳源氣分壓越低，無定型碳的沈積速度越慢。故，本發明通過控制 催化劑的溫度Tc與環境溫度Tl的溫差Δτ至少在5(rc以上，使奈米碳^的 生長速度提高；通過調節碳源氣與混合氣體的流量比，使碳源氣得分壓 至少在20%以下’使無定型碳的沈積速度減慢。採用此工藝條件後生長出 的奈米碳管具乾淨光滑之表面，且奈米碳管之間凡德瓦爾力較大，^ 基底為平滑基底，生長出的奈米碳管較在多孔基底上生長出的奈米碳| 更緊密，故，奈米碳管易於因凡德瓦爾力而聚集形成束狀，其透射^ 顯微鏡照片請參閱第六圖所示。 兒 ▲故，採財發明之方法製備的絲碳管_為束狀奈米碳管陣列， 且該束狀結構很穩定，將以本發明之方法生長所得之奈米石炭管陣列在二 乳乙烧中超聲伽1G分鐘，拍得顶⑽，如第七騎示，辦列中的奈 米碳管沒有分散在二氣乙烷中，仍然保持束狀結構。 不 綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟， 國續次頁（翻麵頁不驗鹏，纖記雌職頁） 1246503 以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉

依本案創作精神所作之等致修 圍内。 '• 厂 ] 發明說明續頁 凡熟悉本案技藝之人士，在援 皆應包含於以下之申請專利範

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Claims (1)

1246503 申 '專物dgl第6項所述之奈米碳管物生長方法，其中還原後還 匕括將該基底切割成矩形。 · 10.如申請專利範圍第9項所述之奈米碳管陣列生長方法，其中通入混 合氣體之前進-步包括將該矩形基底裝入反應舟，送入石英爐之中 央反應室裏。 π.如申請專利範細G項所述之奈米碳管陣列生長方法，其中該反應 爐為管狀。 、 # .如申請專利範圍㈣項所述之奈米碳管陣列生長方法，其中將基， 送入石英反應爐後，通入混合氣體之前進一步包括將該基底在氣體 保護下，預加熱到5〇〇。〇700°C。 13.如申請專利範圍第1()項所述之奈米碳管_生長方法，其中將基底 送入石英反應爐後，通入混錢體之前進—步包括將該基底錄體 保護下，預加熱到650°C。 C2) R如申請專利範圍第丨項所述之奈米碳管陣列生長方法，其中步驟士 中通入之碳源氣為乙炔或乙烯。 15. 如申請翻麵第丨_狀奈米碳管_生長方法，射步驟⑶ 中通入之保護氣體為氬氣或惰性氣體。 16. 如申料概圍第1項所述之奈米碳管_生長方法， 合氣體後’需反應5-30分鐘。 此