TWI408246B - 分枝型奈米碳管之製備方法 - Google Patents

Description

分枝型奈米碳管之製備方法

本發明涉及一種奈米碳管之製備方法，尤其涉及一種分枝型奈米碳管之製備方法。

奈米碳管(CNTs)自90年代初由日本學者Iijima發現以來(Iijima S.,Nature,1991,354(7),56-58)，立即引起科學界及產業界之極大重視，係近年來國際科學研究之熱點。奈米碳管由六元環組成之石墨片層結構捲曲而形成之同心圓筒構成。分枝型奈米碳管因其三維管狀結構而具有獨特之電學開關性及導熱性。隨著現代電子工藝更一步地微型化，分枝型奈米碳管可作為電極材料、聚合物增強劑、電晶體或電化學產品而廣泛地應用於奈米尺度之電晶體、放大器或電極材料等方面。

先前之製備分枝型奈米碳管之方法有電弧放電法及化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)。其中，通過電弧放電法製備之分枝型奈米碳管之產率極低，從而限制了該方法之推廣。目前，CVD法為製備分枝型奈米碳管之主要方法。該方法為利用含有分枝型通孔之模板，於通孔中生長分枝型奈米碳管，或者利用揮發性有機金屬化合物於高溫下分解而得到分枝型奈米碳管 。然，利用模板之方法製備分枝型奈米碳管過程複雜，且所得到之奈米碳管之品質較差；利用有機金屬化合物分解之方法製備分枝型奈米碳管，因金屬催化劑係於氣相下分解，不容易實現分枝型奈米碳管之定位生長，不利於奈米碳管於微電子器件中之應用。

有鑒於此，提供一種可實現定位生長、有利於後期應用之分枝型奈米碳管之簡單製備方法實為必要。

以下以實施例說明一種分枝型奈米碳管之製備方法，其包括以下步驟：提供一基底；形成一隔離層於該基底之表面；形成一催化劑層於該隔離層之表面，於奈米碳管之生長溫度下，催化劑層與隔離層之材料係互不浸潤；將表面形成有隔離層及催化劑層之基底置於一反應爐內；加熱使反應爐之溫度達到一預定溫度，通入保護氣退火一段時間後，再往反應爐內通入碳源氣，反應一段時間即得到分枝型奈米碳管。

與先前技術相比，該分枝型奈米碳管之製備方法具有以下優點：(1)以乙炔、甲烷、乙烯等純碳氫氣體為碳源氣，降低了生產成本；(2)採用鍍膜之方法製備催化劑層，故可利用光刻等方法以實現奈米碳管之定位生長；(3)製備出之分枝型奈米碳管多數頂端包覆有金、銀、鉑等導電性佳之金屬，從而提高了奈米碳管與電路之電性連接，有利於奈米碳管之後期應用；(4)該方法製備之分枝型奈米碳管之產率可達到50%。

10‧‧‧基底

12‧‧‧隔離層

14‧‧‧催化劑層

16‧‧‧分枝型奈米碳管

圖1係本發明實施例中分枝型奈米碳管之製備過程示意圖。

圖2係本發明實施例中所形成之分枝型奈米碳管之掃描電子顯微鏡(SEM)照片。

圖3係本發明實施例中分枝型奈米碳管之生長過程示意圖。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步之詳細說明。

請參閱圖1，本發明提供一種分枝型奈米碳管之生長方法，具體包括以下步驟：步驟一：首先提供一基底10，並於該基底10之一表面沈積一隔離層12。基底10之材料可為矽、玻璃、石英等。該隔離層12為通過熱沈積、電子束蒸鍍或濺射等方法形成之氧化鋁、二氧化矽等材料，該隔離層12之厚度為大於1奈米(nm)。

於本實施例中，基底10之材料為矽，隔離層12為通過電子束蒸鍍法形成於基底10上之厚度約為10 nm之氧化鋁層。

步驟二：形成一催化劑層14於隔離層12之表面。催化劑層14為通過熱沈積、電子束蒸鍍、或濺射等方法形成之金、銀、銅、鉑、鉛等導電性佳之貴金屬材料。該催化劑層之厚度為0.5nm至1.5nm。於奈米碳管之生長溫度下，催化劑層14與隔離層12之材料係互不浸潤。

於本實施例中，催化劑層14為通過電子束蒸鍍法形成於隔離層12上之厚度為1nm之金層。

步驟三：將表面依次形成有隔離層12與催化劑層14之基底10置於一反應爐內。該反應爐為先前CVD法中常用之管式反應爐，反應爐之直徑約為1英寸。

步驟四：加熱反應爐到一預定溫度，先通入保護氣退火一段時間後，再通入碳源氣反應一段時間，可於隔離層12之表面，沿平行於基底10表面之方向生長出分枝型奈米碳管16。

本實施例中，反應爐溫度為880~950℃(攝氏度)，優選為900~950℃。該爐溫係由催化劑之種類來決定之，催化劑不同，爐溫會相差較大。保護氣包括氬氣與氫氣，其中氬氣之流量為0~140立方厘米/分鐘(sccm)，氫氣之流量約為200sccm。通入保護氣退火之時間為10-30分鐘。通入的氫氣主要作用係還原催化劑，以保持其催化活性。優選地，氬氣與氫氣流量比為140：200，反應時間為25分鐘。碳源氣為乙炔、甲烷、乙烯、一氧化碳或乙醇等氣體，通入碳源氣之流量為10~50sccm，反應時間為5分鐘至30分鐘。優選地，以乙炔作為碳源氣，流量為10~25sccm，反應時間為15分鐘。

請參閱圖2及圖3，於本發明所提供之分枝型奈米碳管16之製備過程中，分枝型奈米碳管16之具體生長過程如下：催化劑層14在反應爐溫度之作用下熔化，由於催化劑層14與隔離層12互不浸潤，熔化之催化劑收縮成球形催化劑顆粒，且於隔離層12之表面具有流動性。碳源氣於熔化之催化劑顆粒表面分解、析出碳原子，從而沿平行於基底10之方向生長出奈米碳管。催化 劑顆粒位於奈米碳管之生長頂端。當兩個奈米碳管之生長頂端之催化劑顆粒相遇時，兩個較小之催化劑顆粒可合併成一個較大之催化劑顆粒，而後再從較大之催化劑顆粒上生長出新的奈米碳管，即可得到Y型之分枝型奈米碳管16(如圖2(a)及圖3(a)所示)。如果，該Y型之分枝型奈米碳管16之生長頂端之催化劑顆粒再與另一奈米碳管之催化劑顆粒相遇，則可得到多極的Y型之分枝型奈米碳管16(如圖3(b)所示)。同理，當兩個奈米碳管之催化劑顆粒頭對頭地正面相遇即得到┴字型或十型的分枝型奈米碳管16(如圖3(c)及圖3(d)所示)；當複數奈米碳管之催化劑顆粒同時相遇即得到多分枝型的分枝型奈米碳管16(如圖3(e)所示)；當一個奈米碳管之催化劑顆粒與另一奈米碳管之側壁相遇可得到L型的分枝型奈米碳管16(如圖2(b)及圖3(f)所示)。該方法製備之分枝型奈米碳管之產率為30%~50%。

該方法製備之分枝型奈米碳管16通過組裝將奈米碳管與電子電路之電極相連，從而保證奈米碳管與電路良好之歐姆接觸。另外，由於採用鍍膜方法製備催化劑，故可實現分枝型奈米碳管16之定位生長，有利於奈米碳管器件有選擇地定向地製備。

與先前技術相比，該分枝型奈米碳管之製備方法具有以下優點：(1)以乙炔、甲烷、乙烯等純碳氫氣體為碳源氣，降低了生產成本；(2)採用鍍膜之方法製備催化劑層，故可利用光刻等方法以實現奈米碳管之定位生長；(3)製備出之分枝型奈米碳管多數頂端包覆有金、銀、鉑等導電性佳之金屬，從而提高了奈米碳管與電路之電性連接，有利於奈米碳管之後期應用；(4)該 方法製備之奈米碳管之產率可達到50%。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (8)

1. 一種分枝型奈米碳管之製備方法，其包括以下步驟：提供一基底；採用鍍膜的方法形成一隔離層於所述之基底的表面；形成一催化劑層於所述之隔離層的表面，該催化劑層之材料為金、銀、銅、鉑或鉛，於奈米碳管之生長溫度下，該催化劑層與上述隔離層之材料係互不浸潤的；將表面形成有隔離層及催化劑層之基底置於一反應爐內；加熱使反應爐之溫度達到一預定溫度，使所述催化劑層熔化收縮成球形催化劑顆粒，且使該球形催化劑顆粒在緩衝層所述隔離層表面具有流動性；先向反應爐內通入保護氣退火一段時間；以及往反應爐內通入碳源氣，所述催化劑顆粒位於奈米碳管之生長頂端，反應一段時間即得到分枝型奈米碳管。
2. 如請求項1所述之分枝型奈米碳管之製備方法，其中該隔離層之材料為氧化鋁或二氧化矽。
3. 如請求項1所述之分枝型奈米碳管之製備方法，其中該隔離層之厚度大於1奈米。
4. 如請求項1所述之分枝型奈米碳管之製備方法，其中該催化劑層之厚度為0.5奈米至1.5奈米。
5. 如請求項1所述之分枝型奈米碳管之製備方法，其中該預定溫度為880~950℃。
6. 如請求項1所述之分枝型奈米碳管之製備方法，其中碳源氣為乙炔、甲烷、乙烯、一氧化碳或乙醇中之一種或多種。
7. 如請求項1所述之分枝型奈米碳管之製備方法，其中該奈米碳管沿著隔離層之表面生長。
8. 如請求項1所述之分枝型奈米碳管之製備方法，進一步包括以下步驟：當兩個奈米碳管之生長頂端之催化劑顆粒相遇，所述兩個催化劑顆粒合併成一個催化劑顆粒；以及從該合併後之催化劑顆粒上生長出新的奈米碳管。