超长手性碳纳米管和制备方法、应用及高性能光电器件
阅读：527发布：2020-05-13
专利汇可以提供超长手性碳纳米管和制备方法、应用及高性能光电器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种超长 手性 碳 纳米管 和制备方法、应用及高性能光电器件，涉及 碳纳米管 技术领域，所述超长手性碳纳米管的直径为1.5-5.5nm，长度为100-650mm；其中，所述超长手性碳纳米管包括 双壁碳纳米管 和三壁碳纳米管，各管层均为 半导体 性且 螺旋 角 均大于10°，本发明提供的超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管，其 原子 排列完美，结构稳定，具有窄手性分布，且管壁间具有独特的手性关联性，因而具有优异光、电、 力 和热学性能，在高性能光电器件领域具有广阔的应用前景。，下面是超长手性碳纳米管和制备方法、应用及高性能光电器件专利的具体信息内容。
1.一种超长手性碳纳米管，其特征在于，所述超长手性碳纳米管的直径为1.5-5.5nm，长度为100-650mm；其中，所述超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管中的至少一种，各管层均为半导体性且螺旋角均大于10°。
2.根据权利要求1所述的超长手性碳纳米管，其特征在于，所述超长手性碳纳米管的最小带隙分布在0.2-0.45eV。
3.根据权利要求1所述的超长手性碳纳米管，其特征在于，所述双壁碳纳米管的直径为
1.5-3.5nm，管层间的螺旋角差值为α，0°＜α＜15°，且至少包含一层螺旋角为β的管壁，其中，β＞25°或β＝19±3°；
优选地，25°＜β≤30°；
优选地，所述双壁碳纳米管的直径为2-3.5nm，长度为154-650nm。
4.根据权利要求1所述的超长手性碳纳米管，其特征在于，所述三壁碳纳米管的直径为
2.5-5.5nm，各管层的螺旋角均不相等，且至少包含一层螺旋角为γ的管壁，其中，γ＞25°或γ＝19±3°；
优选地，25°＜γ≤30°；
优选地，所述三壁碳纳米管的长度为154-650nm。
5.一种权利要求1-4任一项所述的超长手性碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将催化剂以固态、液态或气态形式负载于反应器中，并在反应器中放入生长基底；
(b)在惰性还原气体的保护下将反应器升温至反应温度，再将碳源和载气的混合气体通入反应器中进行反应；
(c)反应结束后，在反应器中通入惰性还原气体，冷却，得到超长手性碳纳米管。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂包括过渡金属单质和/或过渡金属化合物；
优选地，所述过渡金属包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、Ti、Pd、Pt和Au中至少一种；
优选地，所述催化剂在反应器中的负载方式包括旋涂、压印、蒸镀和气相沉积中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，反应温度为900-1200℃，反应时间为6-50min；
优选地，反应时间为6-15min，得到第一超长手性碳纳米管，所述第一超长手性碳纳米管的长度为L1，50mm＜L1≤100mm，且所述第一超长手性碳纳米管的纯度为50-60％；
优选地，反应时间为20-30min，得到第二超长手性碳纳米管，所述第二超长手性碳纳米管的长度为L2，100mm＜L2≤150mm，且所述第二超长手性碳纳米管的纯度为80-90％；
优选地，反应时间为35-50min，得到第三超长手性碳纳米管，所述第三超长手性碳纳米管的长度为L3，150mm＜L3≤650mm，且所述第三超长手性碳纳米管的纯度为100％。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(b)中，碳源在反应器中进行反应时，超长手性碳纳米管在生长基底上生长，生长速度为70-150μm/s；
优选地，在步骤(b)中，碳源在反应器中进行反应时，原位引入外场；
优选地，所述外场包括电场、磁场、声场和光波中的至少一种；
优选地，在步骤(b)中，反应器的升温速度为10-60℃/min；
优选地，所述惰性还原气体为惰性气体和氢气的混合气体；
优选地，所述载气为氢气；
优选地，所述载气中，氢气和碳源的体积比为1-5:1；
优选地，所述碳源包括甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、乙烯、丙烯和一氧化碳中至少一种；
优选地，所述载气的含水量为0.3-0.6wt％；
优选地，所述惰性气体包括氦气、氖气和氩气中的至少一种。
9.根据权利要求1-4任一项所述的超长手性碳纳米管或根据权利要求5-8任一项所述的制备方法制备得到的超长手性碳纳米管在高性能光电器件中的应用。
10.一种高速器件，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的超长手性碳纳米管或根据权利要求5-8任一项所述的制备方法制备得到的超长手性碳纳米管。
超长手性碳纳米管和制备方法、应用及高性能光电器件
技术领域
背景技术
[0002] 碳是生命的基础元素，最简单的碳原子链式组合便是碳纳米管。这种中空管状结构、高长径比的特殊碳材料可以看作是由二维石墨烯沿一定方向卷曲而成，不同旋转轴的方向形成的碳纳米管具有不同的旋光性和手性参数。在特定温度、压力和气体环境下，上百亿个碳原子对可以超高的飞行时间按照螺旋位错形式在模板上精确组装。精准调控碳纳米管的手性不仅有利于发挥其本征优异的光、电、力和热学性能，对于生命信息碳骨架的解构与认知更有极大的促进作用。如果将碳纳米管的手性视为性状，那么决定其准确表达的遗传信息在于催化剂与碳纳米管界面处扶手椅形和锯齿形原子的界面能，手性与催化剂结构的匹配程度决定碳原子动态组装速度。采用理性设计方法实现特定手性性状的表达，要求催化剂具有多重对称的晶面结构及合适的碳原子界面能，然而这部分信息与手性之间对应关系的缺失给这种自上而下的调控方式带来了极大的困难。另一方面，实际表达出的手性性状也难以做到长期稳定并且完美，这给宏量制备碳纳米管并在实际应用中发挥其理论优异性能带来了巨大挑战，尤其对于结构更为复杂的多壁碳纳米管，如何维持原子结构长期稳定更是未解之谜。
[0003] 有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
[0004] 本发明的目的之一在于提供一种超长手性碳纳米管，以缓解现有碳纳米管难以维持原子结构长期稳定的技术问题。
[0005] 本发明提供的超长手性碳纳米管的直径为1.5-5.5nm，长度为100-650mm；其中，所述超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管中的至少一种，各管层均为半导体性且螺旋角均大于10°。
[0006] 进一步的，所述超长手性碳纳米管的最小带隙分布在0.2-0.45eV。
[0007] 进一步的，所述双壁碳纳米管的直径为1.5-3.5nm，管层间的螺旋角差值为α，0°＜α＜15°，且至少包含一层螺旋角为β的管壁，其中，β＞25°或β＝19±3°；
[0008] 优选地，所述双壁碳纳米管的直径为2-3.5nm，长度为154-650nm。
[0009] 进一步的，所述三壁碳纳米管的直径为2.5-5.5nm，各管层的螺旋角均不相等，且至少包含一层螺旋角为γ的管壁，其中γ＞25°，或γ＝19±3°。
[0010] 优选地，25°＜γ≤30°；
[0011] 优选地，所述三壁碳纳米管的长度为154-650nm。
[0012] 本发明的目的之二在于提供一种超长手性碳纳米管的制备方法，以利于超长手性碳纳米管的连续批量生产，实现规模化制备与应用。
[0013] 本发明提供的超长手性碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：
[0014] (a)将催化剂以固态、液态或气态形式负载于反应器中，并在反应器中放入生长基底；
[0015] (b)在惰性还原气体的保护下将反应器升温至反应温度，再将碳源和载气的混合气体通入反应器中进行反应；
[0016] (c)反应结束后，在反应器中通入惰性还原气体，冷却，得到超长手性碳纳米管。
[0017] 进一步的，催化剂包括过渡金属单质和/或过渡金属化合物；
[0018] 优选地，所述过渡金属包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、Ti、Pd、Pt和Au中至少一种；
[0020] 进一步的，步骤(b)中，反应温度为900-1200℃，反应时间为6-50min；
[0021] 优选地，反应时间为6-15min，得到第一超长手性碳纳米管，所述第一超长手性碳纳米管的长度为L1，50mm＜L1≤100mm，且所述第一超长手性碳纳米管的纯度为50-60％；
[0022] 优选地，反应时间为20-30min，得到第二超长手性碳纳米管，所述第二超长手性碳纳米管的长度为L2，100mm＜L2≤150mm，且所述第二超长手性碳纳米管的纯度为80-90％；
[0023] 优选地，反应时间为35-50min，得到第三超长手性碳纳米管，所述第三超长手性碳纳米管的长度为L3，150mm＜L3≤650mm，且所述第三超长手性碳纳米管的纯度为100％。
[0024] 在步骤(b)中，碳源在反应器中进行反应时，超长手性碳纳米管在生长基底上生长，生长速度为70-150μm/s；
[0025] 优选地，在步骤(b)中，碳源在反应器中进行反应时，原位引入外场；
[0027] 优选地，在步骤(b)中，反应器的升温速度为10-60℃/min；
[0028] 优选地，所述惰性还原气体为惰性气体和氢气的混合气体；
[0029] 优选地，所述载气为氢气；
[0030] 优选地，所述载气中，氢气和碳源的体积比为1-5:1；
[0033] 优选地，所述惰性气体包括氦气、氖气和氩气中的至少一种。
[0034] 本发明的目的之三在于提供上述超长手性碳纳米管或根据上述制备方法制备得到的超长手性碳纳米管在高性能光电器件中的应用。
[0035] 本发明的目的之四在于提供一种高性能光电器件，包括上述超长手性碳纳米管或根据上述制备方法制备得到的超长手性碳纳米管。
[0036] 本发明提供的超长手性碳纳米管直径为1.5-5.5nm，长度为100-650mm，包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管中的至少一种，各管层均为半导体性且螺旋角均大于10°，其原子排列完美，结构稳定，具有窄手性分布，因而具有优异光、电、力和热学性能，在高性能光电器件领域具有广阔的应用前景。
[0038] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039] 图1为本发明实施例1提供的超长手性碳纳米管的扫描电镜图；
[0040] 图2为本发明实施例1提供的单根超长手性碳纳米管(图1箭头所指)的拉曼光谱图；
[0041] 图3为本发明实施例1提供的单根超长手性碳纳米管(图1箭头所指)转移至微栅上的透射电镜图和电子衍射花样图；
[0042] 图4为本发明实施例2中单根超长手性碳纳米管的拉曼光谱图；
[0043] 图5为本发明实施例2中单根超长手性碳纳米管转移至微栅上的透射电镜图和电子衍射花样图；
[0044] 图6为本发明实施例2提供的单根超长手性碳纳米管的白激光瑞利散射图；
[0045] 图7为本发明实施例1提供的单根超长手性碳纳米管(图1箭头所指)在不同长度区域内采集的拉曼光谱图；
[0046] 图8为本发明实施例2提供的超长手性碳纳米管生长速度测定图。
具体实施方式
[0047] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048] 根据本发明的一个方面，本发明提供了一种超长手性碳纳米管，所述超长手性碳纳米管的直径为1.5-5.5nm，长度为100-650mm，其中，所述超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管中的至少一种，各管层均为半导体性且螺旋角均大于10°。
[0049] 典型但非限制性的，超长手性碳纳米管的直径如为1.5、1.8、2、2.2、2.5、3、3.5、4、4.5或5nm，超长手性碳纳米管的长度如为100、120、150、180、200、250、300、350、400、450、
500、550、600或650mm。
500、550、600或650mm。
[0050] 在本发明中，碳纳米管的手性可以用(n，m)表示，n和m为手性指数。如果n－m＝3k(k为整数)，碳纳米管为金属性，如果n－m＝3k+1(k为整数)，碳纳米管为半导体性。
[0051] 在本发明中，碳纳米管螺旋角θ，按照如下公式计算得到：
[0052]
[0053] 在本发明中，超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管中的至少一种，其中，双壁碳纳米管的各管层的螺旋角均大于10°，且各管层均为半导体性；三壁碳纳米管的各管层的螺旋角均大于10°，且各管层均为半导体性。
[0054] 上述“至少一种”指的是超长手性碳纳米管既可以为双壁碳纳米管，也可以为三壁碳纳米管，还可以为双壁碳纳米管和三壁碳纳米管的混合物。
[0055] 本发明提供的超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管，其原子排列完美，结构稳定，具有窄手性分布，因而具有优异的光、电、力和热学性能，在超导材料和高速器件领域具有广阔的应用前景。
[0056] 在本发明的一种优选实施方式中，超长手性碳纳米管各管层的螺旋角均大于10°且小于等于30°。
[0057] 在超长碳纳米管各管层的螺旋角均大于10°，且小于等于30°时，各管层的结构手性分布更窄，结构更均一。
[0058] 在本发明的一种优选实施方式中，超长手性碳纳米管的最小带隙分布在0.2-0.45eV，从而使得超长手性碳纳米管具有更为优异的光、电、力和热学性能。
[0059] 典型但非限制性的，超长手性碳纳米管的最小带隙分布在0.2eV、0.25eV、0.3eV、0.35eV、0.4eV或0.45eV。
[0060] 在本发明的一种优选实施方式中，双壁碳纳米管的直径为1.5-3.2nm，管层间的螺旋角差值为α，0°＜α＜15°，且至少包含一层螺旋角为β的管壁，其中，β＞25°或β＝19±3°，以使得双壁碳纳米管的原子排列更为完美和稳定，手性分布更窄，光、电、力和热学性能更为优异。
[0061] 典型但非限制性的，双壁碳纳米管的直径如为1.5、1.6、1.8、2、2.2、2.5、2.8、3或3.2nm；各管层间螺旋角的差值如为1°、2°、5°、8°、10°、12°、13°、14°、14.5°或14.9°；β如为
16°、22°、25.1°、25.5°、26°、28°、30°、35°、40°、45°或50°。
16°、22°、25.1°、25.5°、26°、28°、30°、35°、40°、45°或50°。
[0062] 在本发明的一种优选实施方式中，25°＜β≤30°时，双壁碳纳米管的手性分布更窄，结构更均一。
[0063] 在本发明的一种优选实施方式中，双壁碳纳米管的直径为2-3.5nm，长度为154-650nm时，双壁碳纳米管的结构更加完美和稳定，光、电、力和热学性能更为优异。
[0064] 在本发明的一种优选实施方式中，双壁碳纳米管中，含有一层螺旋角为19.1°，一层螺旋角大于25°时，双壁碳纳米管的综合性能更为优异。
[0065] 在本发明的一种优选实施方式中，三壁碳纳米管的直径为2.5-5.5nm，各管层的螺旋角均不相等，且至少包含一层螺旋角为γ的管壁，其中，γ＞25°或γ＝19±3°，以使得三壁碳纳米管的原子排列更为完美和稳定，手性分布更窄，光、电、力和热学性能更为优异。
[0066] 典型但非限制性的，三壁碳纳米管的直径如为2.5、2.6、2.8、3、3.2、3.5、3.8、4、4.2、4.5、4.8、5、5.2或3.5nm；γ如为16°、22°、25.1°、25.5°、26°、28°、30°、35°、40°、45°或
50°。
50°。
[0067] 在本发明的一种优选实施方式中，25°＜γ≤30°时，三壁碳纳米管的手性分布更窄，结构更均一。
[0068] 在本发明的一种优选实施方式中，三壁碳纳米管的长度为154-650nm时，三壁碳纳米管的结构更加完美和稳定，光、电、力和热学性能更为优异。
[0069] 在本发明的一种优选实施方式中，三壁碳纳米管中，含有一层螺旋角为19.1°，一层螺旋角大于25°时，三壁碳纳米管的综合性能更为优异。
[0070] 根据本发明的第二个方面，本发明借鉴蛋白质定向演化策略，通过使用不具有稳定形态的催化剂界面和变化的碳原子组装环境实现遗传信息的随机变异，根据碳原子时序复制组装的结构自动筛选分离出具有稳定结构和高生长速度的特异性手性多壁碳纳米管。
[0071] 本发明提供的超长手性碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：
[0072] (a)将催化剂以固态、液态或气态形式负载于反应器中，并在反应器中放入生长基底；
[0073] (b)在惰性还原气体的保护下将反应器升温至反应温度，再将碳源和载气的混合气体通入反应器中进行反应；
[0074] (c)反应结束后，在反应器中通入惰性还原气体，冷却，得到超长手性碳纳米管。
[0075] 本发明提供的超长手性碳纳米管的制备方法工艺简单，生长速度稳定，易于控制，利于进行连续批量生产，实现手性碳纳米管的规模化制备和应用。
[0076] 在本发明的一种优选实施方式中，所述催化剂包括过渡金属单质和/或过渡金属化合物。
[0077] 上述“和/或”指的是催化剂既可以包括过渡金属单质，也可以包括过渡金属化合物，还可以包括过渡金属单质和过渡金属化合物的混合物。
[0078] 上述过渡金属化合物包括但不限于过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物以及过渡金属盐。
[0079] 在本发明的一种优选实施方式中，过渡金属包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、Ti、Pd、Pt和Au中至少一种。
[0080] 上述“至少一种”指的是过渡金属可以包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、Ti、Pd、Pt或Au，也可以包括上述过渡金属中任意两种或两种以上的合金或复合物。
[0081] 在本发明的一种优选实施方式中，催化剂在反应器中的负载方式包括旋涂、压印、蒸镀和气相沉积中的至少一种。
[0082] 上述“至少一种”指的是催化剂在反应器中的负载方式包括旋涂、压印、蒸镀或气相沉积还可以包括催化剂以上述负载方式中两种或两种以上负载于反应器中。
[0083] 在本发明的进一步优选实施方式中，催化剂在反应器中的负载方式包括在基底前端表面旋涂、在生长基底前端表面压印、在生长基底前端表面蒸镀催化剂薄膜或在反应器管壁预气相沉积催化剂等方式中的一种或两种负载方式以上的组合。
[0084] 在本发明的一种优选实施方式中，步骤(b)中，反应温度为900-1200℃，反应时间为6-50min。
[0085] 当反应器中的温度升高至900-1200℃时，碳源在催化剂的作用下，开始在生长基底上生长碳纳米管，当反应时间为6-50min时，碳纳米管生长得到超长手性碳纳米管。
[0086] 典型但非限制性的，步骤(b)中，反应温度如为900、950、1000、1050、1100、1150或1200℃，反应时间如为6、7、8、10、12、15、20、22、25、28、30、35、38、40、45或50min。
[0087] 在本发明的一种优选实施方式中，反应时间为6-15min，得到第一超长手性碳纳米管，所述第一超长手性碳纳米管的长度为L1，50mm＜L1≤100mm，且所述第一超长手性碳纳米管的纯度为50-60％。
[0088] 典型但非限制性的，第一超长手性碳纳米管的长度如为51、55、60、70、80、90或100mm；纯度如为50％、51％、52％、53％、55％、58％或60％。
[0089] 在本发明的一种优选实施方式中，反应时间为20-30min，得到第二超长手性碳纳米管，所述第二超长手性碳纳米管的长度为L2，100mm＜L2≤150mm，且所述第二超长手性碳纳米管的纯度为80-90％。
[0090] 典型但非限制性的，第二超长手性碳纳米管的长度如为101、105、110、115、120、125、130、135、140、145或150mm；纯度如为80％、81％、82％、83％、85％、88％或100％。
[0091] 在本发明的一种优选实施方式中，反应时间为35-50min，得到第三超长手性碳纳米管，所述第三超长手性碳纳米管的长度为L3，150mm＜L3≤650mm，且所述第三超长手性碳纳米管的纯度为100％。
[0092] 典型但非限制性的，第三超长手性碳纳米管的长度如为151、200、250、300、350、400、450、500、550、600或650mm。
[0093] 上述第一超长手性碳纳米管、第二超长手性碳纳米管和第三超长手性碳纳米管均具有本发明第一方面提出的超长多壁碳纳米管的特性，其不同之处仅在于长度和纯度的不同。
[0094] 上述根据反应时间的不同，精确调控超长手性碳纳米管的长度和纯度，将碳纳米管的制备与分离过程耦合，不仅避免了常规分离过程对碳纳米管造成的污染与结构损伤，更有利于材料的连续批量生产，实现不同纯度手性碳纳米管的规模化制备与应用。
[0095] 在本发明的一种优选实施方式中，在步骤(b)中，碳源在反应器中进行反应时，超长手性碳纳米管在生长基底上生长，生长速度为70-150μm/s。
[0096] 典型但非限制性的，超长手性碳纳米管的生长速度为70、80、90、100、110、120、130、140或150μm/s。
[0097] 在本发明提供的上述实施方式中，超长手性碳纳米管的生长速度保持稳定，且与超长手性碳纳米管的最小带隙之间呈先上升后下降的关系。
[0098] 在本发明的一种优选实施方式中，在步骤(b)中，碳源在反应器中进行反应时，可在反应的任何阶段原位引入外场辅助进行超长手性碳纳米管的生长，以进一步提高产物结构的选择性。
[0099] 在本发明的进一步优选实施方式中，外场包括电场、磁场、声场和光波中的至少一种。
[0100] 上述“至少一种”指的是外场既可以为电场、磁场、声场或光波，还可以为电场、磁场、声场或光波中两种或两种以上外场的组合。
[0101] 在本发明的一种优选实施方式中，在步骤(b)中，在反应器升温至反应温度前，反应器的升温速度为10-60℃/min，以利于升温至反应温度时，反应器内部环境更利于超长手性碳纳米管的生长。
[0102] 典型但非限制性的，在反应器升温至反应温度前，反应器的升温速度如为10、20、30、40、50或60℃/min。
[0103] 在本发明的一种优选实施方式中，惰性还原气体为惰性气体和氢气的混合气体，以避免在反应器中引入杂质气体，影响超长手性碳纳米管的生长。
[0104] 在本发明的进一步优选实施方式中，惰性还原气体中，惰性气体和氢气的体积比为1.5-4:1，以更利于超长手性碳纳米管的制备。
[0105] 典型但非限制性的，惰性还原气体中，惰性气体和氢气的体积比如为1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1或4:1。
[0106] 在本发明的一种优选实施方式中，载气为氢气，以利于碳源通入反应器中进行反应，并避免杂质气体的引入。
[0107] 在本发明的进一步优选实施方式中，载气中，氢气和碳源的体积比为1-5:1，以利于超长手性碳纳米管的生长。
[0108] 典型但非限制性的，载气中，氢气和碳源的体积比如为1:1、2:1、3:1、4:1或5:1。
[0109] 在本发明的一种优选实施方式中，碳源包括甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、乙烯、丙烯和一氧化碳中至少一种。
[0110] 上述“至少一种”指的是碳源可以为甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、乙烯、丙烯或一氧化碳，还可以为前述气体中的两种或两种以上的混合气体。
[0111] 在本发明的一种优选实施方式中，载气的含水量为0.3-0.6wt％。水蒸气在反应中可以起到消炭和分压的作用，通过控制载气的含水量低于0.6wt％，以避免高含水量影响超长手性碳纳米管的生长，当载气的含水量低于0.3wt％时，其消炭和分压作用差，不利于降低超长手性碳纳米管的制备成本。
[0112] 在本发明的一种优选实施方式中，惰性气体包括氦气、氖气和氩气中的至少一种。
[0113] 上述“至少一种”指的是惰性气体既可以为氦气、氖气或氩气，还可以为氦气、氖气和氩气中任意两种气体的混合气体，还可以为氦气、氖气和氩气三种气体的混合气体。
[0115] 在本发明的一种优选实施方式中，在步骤(c)中，冷却至室温，得到超长手性碳纳米管。
[0116] 根据本发明的第三个方面，本发明提供了上述超长手性碳纳米管在高性能光电器件中的应用。
[0117] 本发明提供的超长手性碳纳米管具有完美的结构、较窄的手性和直径分布，并且管壁间具有独特的手性关联性，在高性能光电器件应用中具有显著优势。
[0118] 在本发明的一种优选实施方式中，高性能光电器件包括但不限于高速闪存、透明导电膜、射频、晶体管等。根据本发明的第四个方面，本发明提供了一种高性能光电器件，包括本发明提供的超长手性碳纳米管。
[0119] 在本发明的一种优选实施方式中，高性能光电器件包括但不限于高速闪存、透明导电膜、射频、晶体管等。下面结合实施例和对比例对本发明提供的技术方案做进一步的说明。
[0120] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0121] 下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0122] 实施例1
[0123] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法包括如下步骤：
[0125] (2)向反应器内通入200sccm(标准公升每分钟流量)的氩气和氢气的混合气(Ar:H2＝1:2，v/v)作为保护性气体，并开始升温，当温度升至900-1010℃后，恒温20min。接着进入反应阶段，通入180sccm甲烷和氢气混合气(H2：CH4＝2:1，v/v)，开始超长碳纳米管制备反应，反应时间25min。
[0126] (3)当反应结束，进入冷却阶段，改通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H2＝1:2，v/v)以防止碳管在降温过程被烧蚀。当温度降至室温后，将样品从反应器中取出，得到超长手性碳纳米管。
[0127] 实施例2
[0128] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法包括如下步骤：
[0129] (1)在圆管形石英反应器气流上游放置0.3g FeCl3催化剂粉末，向反应器内通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H2＝1:2，v/v)作为保护性气体，并开始升温，当温度升至1010℃后，恒温20min后进入冷却阶段，降至室温时打开反应器。
[0130] (2)将表面平整的带有氧化层的硅基底置于反应器内，向反应器内通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H2＝1:2，v/v)作为保护性气体，并开始升温，当温度升至900-1010℃后，恒温20min。
[0131] (3)进入反应阶段，改通入180sccm甲烷和氢气混合气(H2：CH4＝2:1，v/v)，开始超长碳纳米管制备反应，反应时间40min。
[0132] (4)当反应结束，进入冷却阶段，改通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H2＝1:2，v/v)以防止碳管在降温过程被烧蚀。当温度降至室温后，将样品从反应器中取出，得到超长手性碳纳米管。
[0133] 实施例3
[0134] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(1)中将Co单质蒸镀在硅片基底上形成催化剂薄膜，其余步骤均同实施例1，在此不再赘述。
[0135] 实施例4
[0136] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为4min。
[0137] 实施例5
[0138] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为6min。
[0139] 实施例6
[0140] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为10min。
[0141] 实施例7
[0142] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为15min。
[0143] 实施例8
[0144] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为18min。
[0145] 实施例9
[0146] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为20min。
[0147] 实施例10
[0148] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为30min。
[0149] 实施例11
[0150] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为35min。
[0151] 实施例12
[0152] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为40min。
[0153] 实施例13
[0154] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，反应时间为50min。
[0155] 实施例14
[0156] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，通入的氩气和氢气的混合气(Ar:H2＝1:4，v/v)。
[0157] 实施例15
[0158] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，在反应阶段，通入180sccm一氧化碳和氢气的混合气(H2：CO＝2:1，v/v),开始超长碳纳米管的制备反应。
[0159] 实施例16
[0160] 本实施例提供了一种超长手性碳纳米管，其制备方法与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)中，在反应阶段，通入180sccm甲烷和氢气的混合气(H2：CH4＝5:1，v/v),开始超长碳纳米管的制备反应。
[0161] 对比例1
[0162] 本对比例提供了一种碳纳米管的制备方法，本对比例与实施例1的不同之处在于，在反应器中未加入催化剂，结果显示对比例1并未制备得到超长手性碳纳米管。
[0163] 试验例1
[0164] 将实施例1-16提供的超长手性碳纳米管进行性能表征，结果显示，实施例1-16均制备得到直径为1.5-5.5nm，长度为100-650nm的超长手性碳纳米管。
[0165] 其中，图1为本发明实施例1提供的超长手性碳纳米管的扫描电镜图；从图1可以看出，超长手性碳纳米管彼此平行排列，相邻两根碳纳米管之间距离大约100-200μm。
[0166] 图2为本发明实施例1提供的单根超长手性碳纳米管(图1箭头所指)的拉曼光谱图；从图2可以看出，该超长手性碳纳米管在RBM区域(100～300cm-1)有两个峰，分别对应不同管壁的拉曼光谱响应，说明该超长手性碳纳米管是一根双壁碳纳米管，另外从图2还可以-1看出，该超长手性碳纳米管在1580cm 频率处呈现对称的洛伦兹峰形，说明该超长手性碳纳米管是半导体性碳纳米管，在1350cm-1频率处无明显峰强，则说明该超长手性碳纳米管结构完美。
[0167] 图3为本发明实施例1提供的单根超长手性碳纳米管(图1箭头所指)转移至微栅上的透射电镜图和电子衍射花样图；从图3透射电镜图可以看出，该超长手性碳纳米管的直径为1.73nm，从图3电子衍射斑点分析可以看出，该超长手性碳纳米管的手性为(8，7)@(17，8)。
[0168] 另外，按照上述表征方法统计实施例1制备得到的所有超长手性碳纳米管的手性，发现在50根长度大于100mm的碳纳米管中具有相似特征的手性碳纳米管占比为86％。
[0169] 图4为本发明实施例2中单根超长手性碳纳米管的拉曼光谱图；从图4中RBM区域(100-300cm-1)可以看出，该超长手性碳纳米管有三个峰，分别对应不同管壁的拉曼光谱响应，说明超长手性碳纳米管是一根三壁碳纳米管。
[0170] 图5为本发明实施例2中单根超长手性碳纳米管转移至微栅上的透射电镜图和电子衍射花样图；从图5可以看出，该超长手性碳纳米管为三壁碳纳米管，且从图5透射电镜图可以看出直径为2.60nm，同时从电子衍射花样图可以看出，该超长手性碳纳米管的手性为(10，8)@(19，8)@(27，10)。
[0171] 另外，按照上述表征方法统计实施例2制备得到的所有超长手性碳纳米管的手性，发现在43根长度超过150mm的碳纳米管中全部具有相似的手性特征。
[0172] 试验例2
[0173] 采用白激光瑞利散射测定实施例1-16提供的单根超长手性碳纳米管的结构一致性，结果显示实施例1-16提供的单根超长手性碳纳米管均呈现了相同的颜色，这说明实施例1-16提供的单根超长手性碳纳米管沿长度方向均具有完全一致的原子螺旋排列结构。
[0174] 图6为本发明实施例2提供的单根超长手性碳纳米管的白激光瑞利散射图；从图6可以看出，该单根超长手性碳纳米管不同长度位置均呈现相同的颜色，这说明该单根超长手性碳纳米管沿长度方向均具有完全一致的原子结构。
[0175] 试验例3
[0176] 采用拉曼光谱分别测定实施例1-16提供的多壁碳纳米管在100-300cm-1范围的径向呼吸模式，以直接反应碳纳米管的手性结构指纹信息。碳纳米管壁数不同，所呈现的峰数量不同，碳纳米管手性不同，对应的峰位也不同。因此，可以根据径向呼吸模式区域内峰的数量和位置判断碳纳米管结构的一致性。拉曼光谱测定结果显示，实施例1-16提供的超长手性碳纳米管在不同长度区域内采集的拉曼光谱均具有相同的峰位和峰数量，这说明实施例1-16提供的超长手性碳纳米管均具有稳定的原子结构，且壁数保持稳定。
[0177] 图7为本发明实施例1提供的单根超长手性碳纳米管在不同长度区域内采集的拉曼光谱图，从图7可以看出，实施例1提供的单根超长手性碳纳米管在不同长度区域均具有相同的峰位和峰数量，这说明实施例1提供的单根超长手性碳纳米管均具有稳定的原子结构，且为一根双壁碳纳米管。
[0178] 试验例4
[0179] 采用低倍扫描电镜(25倍)分别测定实施例1-16提供的超长手性碳纳米管的生长速度，该生长速度的测量是利用碳纳米管的长度除以其生长时间来得到。在进行统计时，由于每个基板生长结束后，碳管长短不一，为了比较最快的生长速度，我们只统计同一个基板上最长的1到3个结果，短管不参与比较。为保证实验结果的可靠，每个条件重复实验3至5次，取最终的平均长度进行生长速度的计算，结果显示实施例1-16提供的超长手性碳纳米管的生长速度为70-150μm/s。
[0180] 图8为本发明实施例2提供的超长手性碳纳米管生长速度测定图；从图8可以看出，根据不同生长时间条件下碳纳米管的平均长度计算得到实施例2提供超长手性碳纳米管的生长速度为88μm/s。
[0181] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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