碳纳米管阵列的制备装置及制备方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
碳纳米管阵列的制备装置及制备方法。
背景技术
[0002] 碳纳米管是一种新型的一维
纳米材料，其具有优良的综合
力学性能，如高
弹性模量、高
杨氏模量和低
密度，以及优异的电学性能、热学性能和
吸附性能。随着碳纳米管碳
原子排列方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或
半导体性质。由于碳纳米管的优异特性，因此可望其在纳米
电子学、材料科学、
生物学、化学等领域中发挥重要作用，而
碳纳米管阵列因其中的碳纳米管排列整齐有序，使其更有利于工业应用。
[0003] 形成碳纳米管阵列的方法主要是
化学气相沉积法(CVD)。化学气相沉积法主要是运用纳米尺度的过渡金属或其
氧化物作为催化剂，在一定
温度下
热解碳源气体来制备碳纳米管阵列。目前化学气相沉积法一般选用平面型的生长基底，而该平面型的生长基底由于受反应室尺寸的限制，其面积无法做到很大，从而使得生长于其上的碳纳米管阵列面积也无法做到很大。
[0004] 范守善等人于2007年12月26日公开的第CN101092234A号中国发明
专利申请公布
说明书中揭示了一种大面积生长碳纳米管膜的方法。该方法具体为提供一筒状基底，并在该基底的外表面上沉积一催化剂层；将该沉积有催化剂层的基底放置于一反应室内；向该反应室内通入保护气体，使该反应室保持一预定气压；加热反应室至一预定温度；向反应室内通入碳源气体，一预定时间后，在基底上得到一层碳纳米管膜。该专利申请采用筒状基底作为碳纳米管膜生长的载体，使得一定容量空间的反应室内可容纳更大面积的基底，从而实现碳纳米管膜在较小反应室内的大面积生长。
[0005] 然而，上述制备方法通过加热反应室的方式加热基底，当在筒状基底的外表面生长碳纳米管时，基底表面形成碳纳米管膜后，热量将通过该碳纳米管膜传递到所述基底表面，由于碳纳米管将会吸收一部分热量，使得加热基底上催化剂的时间变长，从而使得热解碳源气的速度减慢，最终使得生长碳纳米管的速度减慢。随着碳纳米管生长高度的增加，这一现象将变得尤为明显。
发明内容
[0006] 有鉴于此，确有必要提供一种基底的加热速度较快、进而使碳纳米管的生长速度较快的碳纳米管阵列的制备方法及制备装置。
[0007] 一种碳纳米管阵列的制备方法，其包括以下步骤：提供一筒状基底，该筒状基底具有一平滑的外表面，该外表面沉积有一催化剂层；提供一反应室，将该沉积有催化剂层的筒状基底设置在该反应室内；提供一加热装置，使该加热装置设置于该筒状基底的内部，并将所述反应室内的空气排出，之后，采用该加热装置加热该筒状基底至一预定温度；向该反应室内通入碳源气体，从而在该筒状基底上生长获得一碳纳米管阵列。
[0008] 一种碳纳米管阵列的制备方法，其包括以下步骤：提供一外表面具催化剂层的筒状基底，将其设置于一通有保护气体的反应室内；提供一加热装置，将其设置于上述筒状基底内部，并将该反应室内的空气排出，之后，采用该加热装置加热该筒状基底至一预定温度；以及向该反应室内通入一预定分压的碳源气，从而在该筒状基底外表面生长一碳纳米管阵列。
[0009] 一种碳纳米管阵列的制备装置，其包括：一反应室，该反应室包括一进气口和一出气口；一设置于该反应室内的一筒状基底；其中，该碳纳米管阵列的制备装置进一步包括一设置于该筒状基底内部的一加热装置。
[0010] 相较于
现有技术，本发明直接将加热装置设置于所述筒状基底的通孔内部，使所述加热装置与所生长获得的碳纳米管阵列分别置于所述筒状基底的两侧，从而使该加热装置所传导的热量不易被所生长的碳纳米管或其他介质所吸收且可充分被所述基底所吸收。因此，该方法可使所述基底的加热速度加快，并进一步使碳纳米管的生长速度加快。
附图说明
[0011] 图1为本发明
实施例提供的碳纳米管阵列的制备方法
流程图。
[0012] 图2为本发明实施例提供的碳纳米管阵列的制备装置示意图。
[0013] 图3为本发明实施例提供的具有开口的筒状基底剖视图。
[0014] 主要元件符号说明
[0015] 筒状基底 10
[0016] 外表面 12
[0017] 催化剂层 14
[0018] 通孔 16
[0019] 开口 18
[0020] 反应室 20
[0021] 进气口 22
[0022] 出气口 24
[0025] 加热装置 30
[0026] 碳纳米管阵列 40
具体实施方式
[0027] 以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的碳纳米管阵列的制备方法及制备装置。
[0028] 请参阅图1，图2及图3，本发明实施例提供一种碳纳米管阵列的制备方法，其包括以下步骤：
[0029] 步骤一：提供一筒状基底10，该筒状基底10具有一外表面12。
[0030] 所述筒状基底10为一中空柱体结构，该筒状基底10具有一通孔16，该通孔16的横截面可为圆形、椭圆形、三
角形、四边形，或者其它规则或不规则的多边形，且该整个基底10的横截面也可为圆形、椭圆形、三角形、四边形，或者其它规则或不规则的多边形。该筒状基底10的材料由耐高温的材料制成，如
石英、陶瓷、耐高温玻璃基底、
硅或金属材料。本实施例中，该筒状基底10和其通孔16的横截面均为圆形，其材料为石英。为能获得一有序排列的碳纳米管阵列40，该筒状基底10需具有一平滑的外表面12，该平滑的外表面12可通过机械
抛光或
电化学抛光等方法获得。进一步地，请参阅图3，该筒状基底10的筒壁上可进一步包括一开口18，该开口18的具体形状及大小不限，可根据实际需要而具体
选定，优选为，该开口18的尺寸以能将该制备方法的后续步骤中的加热装置置入所述筒状基底10的通孔16内为宜。
[0031] 步骤二，在该筒状基底10的外表面12形成一催化剂层14。
[0032] 所述催化剂层14的材料可选用
铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或者该几种金属的氧化物，该催化剂层14可采用热沉积、电子束沉积、蒸
镀或
磁控溅射等方法形成于上述筒状基底10的外表面12。该催化剂层14的厚度可根据实际需要而具体设定，本实施例中，其厚度为1纳米至10纳米即可。
[0033] 该步骤可进一步包括
退火处理该催化剂层14，使得该催化剂层14形成
纳米级的催化剂颗粒。若催化剂为金属，则在退火过程中伴随着发生氧化反应，将金属氧
化成金属氧化物。该退火后得到的颗粒的大小将决定以后生长碳纳米管的直径大小。
[0034] 步骤三：提供一反应室20，将该形成有催化剂层14的筒状基底10设置在该反应室20内。
[0035] 所述反应室20包括分别设置于该反应室20两端的一进气口22及一出气口24。本实施例中，该反应室为一石英管，该进气口22及出气口24位于石英管沿轴向的两端。该步骤进一步包括提供一支撑体26并通过该支撑体26将所述筒状基底10固定于所述反应室20内。优选地，该筒状基底10沿该反应室20的轴线方向放置，即该筒状基底10的通孔
16的延伸方向沿该反应室20的轴线方向。该设置方式可使得从进气口22进入反应室20的反应气体被筒状基底10阻挡的量最少，从而避免降低碳纳米管的生长速度。同时，由于该筒状基底10的形状为筒状，相较于平面状的基底，该筒状基底10可有效利用该反应室的空间，使得其可容纳更大面积的基底，从而可获得更大面积的碳纳米管阵列。
[0036] 步骤四：提供一加热装置30，使该加热装置30设置于该筒状基底10的内部，并将所述反应室20内的空气排出，之后，采用该加热装置加热该筒状基底10至一预定温度。
[0037] 具体地，该加热装置30设置于该筒状基底10的通孔16内，其具体设置方式以使该整个筒状基底10均匀加热为目的，可依据整个筒状基底10和通孔16的横截面积而具体设定。本实施例中，由于该筒状基底10及其通孔16的横截面均为圆形，因此该加热装置30设置于该筒状基底10的通孔16的
中轴线处，从而可使整个筒状基底10受热均匀。该加热装置30可通过所述筒状基底10的通孔16的两端装入该筒状基底10内，也可通过所述筒状基底10的缺口处装入。所述加热装置30可为
电阻丝加
热管、红外线加热
灯管或硅钼棒加热器等。本实施例中，所述加热装置30可为一红外线石英加热灯管，该红外线加热灯管的两端可通过一支架28夹持并固定于筒状基底10内。
[0038] 将该加热装置30设置于该筒状基底10内后，需将反应室20内的空气排出，以防止后续步骤中的碳源气体与空气发生反应，之后再采用该加热装置30加热该筒状基底10至一预定温度。
[0039] 排出空气的方式可包括以下三种：直接将反应室抽
真空；向反应室内通入保护气体，通过该保护气体将反应室内的空气排出；另外，该方式也可将反应室20抽真空之后通入保护气体，并使该保护气体在该反应室20内保持一预定的气压。本实施例中选择了第三种方式。
[0040] 通入保护气体的具体方式为：从上述进气口22向反应室20内通入保护气体，该保护气体可选用氩气，也可为氮气或其它不与后续通入的碳源气体发生反应的气体。该保护气体的输入可使反应室20内的空气经由该出气口24排出。优选地，该步骤在通入保护气体之前先对该反应室20抽真空处理。在所述保护气体的环境下，采用上述加热装置30将该筒状基底10表面的催化剂层14加热至碳纳米管的生长温度，即500℃～800℃。
[0041] 步骤五：向该反应室20内通入一碳源气，以生长碳纳米管阵列40。
[0042] 所述碳源气体为乙烯、甲烷、乙烷、乙炔或其它气态
烃类。本实施例中，该碳源气体为乙烯。反应时间为10分钟～2个小时，从而在所述筒状基底10的外表面12生长获得一碳纳米管阵列40。
[0043] 具体地，该碳源气体和保护气体以一预定体积比并以一定的流速从上述进气口22通入反应室20内，并同时将该混合气体以相同的流速从出气口24输出反应室20，这样可保持碳源气体在反应室20内处于流动状态，反应室20内参加反应的碳源气体会得到及时的更新以使其浓度基本维持不变，从而可得到高品质的碳纳米管阵列40。该保护气体与碳源气体的体积比优选为1∶0～1∶10，该保护气体的流速和碳源气体的流速依据反应室20的腔体的具体尺寸而定，若反应室20的腔体直径为4寸～6寸时，保护气体的流速可为200sccm(Standard Cubic Centimeters Minute)～500sccm，碳源气体的流速可为20sccm～60sccm。本实施例中，该反应室20的腔体的直径为4寸，保护气体的流速为360sccm；碳源气体的流速为40sccm。
[0044] 进一步地，本实施例制备碳纳米管阵列40的方法中，所述反应室20可直接由一加热炉(图未示)的腔体构成，该加热炉也可进一步与加热装置30同时加热该反应室20，从而使所述反应室20更快达到生长碳纳米管阵列40的反应温度。
[0045] 请参阅图2及图3，具体地，上述碳纳米管阵列40的制备方法中所采用的制备装置包括：一反应室20，该反应室20包括一进气口22和一出气口24；一设置于该反应室20内的一筒状基底10；及一设置于该筒状基底10内部的一加热装置30。此外，该制备装置还进一步包括一用于支撑该筒状基底10的支撑体26，该筒状基底10的筒壁上还可进一步设置一开口18。该制备装置的具体结构在上述实施例的制备方法中已经详细描述，在此将不再赘述。
[0046] 在上述实施例的制备方法及制备装置中，由于所述加热装置设置于所述筒型基底的内部，因此在所述加热装置与所述筒型基底之间除所述保护气体与碳源气体之外无其它介质吸收该加热装置所产生的热量，使得加热生长基底的速度较快，从而使碳纳米管可具有更快的生长速度。另外，该方法可均匀加热所述基底，且通过控制所述加热装置就可直接控制所述基底的加热速度和加热温度，使基底的温度可控，进而可较好地控制碳纳米管的生长速度。
[0047] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
