CN100411980C - 控制碳纳米管生长密度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制碳纳米管生长密度的方法，该方法包括以下步骤：提供一基底；在基底表面形成一保护层，该保护层为金属氮化物，其厚度为20～80纳米；在保护层表面形成一催化剂层；将形成有保护层及催化剂层的基底放入反应炉内，退火处理；通入碳源气体，生长碳纳米管。本发明通过在基底上形成一保护层，防止催化剂在退火还原过程中与基底反应，保证催化剂颗粒分布密度均匀，从而生长出分布密度均匀的碳纳米管。
Description
【技术领域】
本发明是关于一种控制碳纳米管生长密度的方法。
【背景技术】
碳纳米管是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima于1991年发现，请参见″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。由于碳纳米管具有极优异特性，其应用一直受到人们广泛关注，尤其在电子领域，由于碳纳米管直径极小，仅为几纳米至几十纳米，在较小电场作用下即可从其尖端发射电子，因而可用作场发射阴极。
近年来，人们在纳米材料和其应用领域进行各种研究，尤其对碳纳米管的生长方法和其应用研究较多。现有技术中生长碳纳米管的方法有电弧放电法、化学气相沉积法等。其中化学气相沉积法具有成本低、产量大、实验条件易于控制的优点，并且可以生长碳纳米管阵列，被广泛应用于生长碳纳米管。化学气相沉积法生长碳纳米管一般包括下列步骤：提供一基底；在基底表面沉积一催化剂层；将沉积催化剂层的基底放入反应炉中，退火处理，使催化剂成为纳米级颗粒；在惰性气体保护下反应炉中通入碳源气体，在催化剂层上生长出碳纳米管。
但是，化学气相沉积法生长碳纳米管存在以下问题：退火过程中过渡金属催化剂容易和基底发生反应，导致催化剂颗粒分布密度不容易控制，从而直接影响碳纳米管生长的密度。密度不均匀的碳纳米管在应用上受到局限，例如应用于场发射显示器，将直接导致显示亮度不均，甚至显示屏上出现暗点。
所以，提供一种控制碳纳米管生长密度的方法实为必要。
【发明内容】
为解决化学气相沉积法生长碳纳米管催化剂还原退火过程中催化剂容易与基底发生反应而导致催化剂颗粒分布密度不容易控制，从而导致所生长的碳纳米管分布密度不均的技术问题，本发明提供一种控制碳纳米管生长密度的方法。
本发明所提供的控制碳纳米管生长密度的方法包括下列步骤：提供一基底；在基底表面形成一保护层，该保护层为金属氮化物，其厚度为20～80纳米；在保护层表面形成一催化剂层；将形成有保护层及催化剂层的基底放入反应炉内，退火处理；通入碳源气生长碳纳米管。
本发明具有如下优点：基底上形成一保护层，催化剂层沉积于该保护层上，保护层使基底与催化剂层隔离，从而防止催化剂在退火还原过程中与基底反应，使得退火还原后形成的纳米级催化剂颗粒分布密度可控，保证催化剂层上生长出的碳纳米管分布均匀。
【附图说明】
图1是本发明控制碳纳米管生长密度的方法流程图。
图2是本发明所用基底的示意图。
图3是在所用基底表面形成保护层的示意图。
图4是在保护层上形成催化剂层的示意图。
图5是利用本发明方法得到的碳纳米管示意图。
【具体实施方式】
请参见图1，为本发明控制碳纳米管生长密度的方法流程图。本发明方法包括下列步骤：
步骤1，提供一基底。基底材料包括多孔硅、石英或金属等，能耐受化学气相沉积法生长碳纳米管所需要的高温条件即可。此基底具有一平整表面，其作为后续步骤的支撑基础。
步骤2，在基底表面形成一保护层。本步骤是在所述基底的表面形成一定厚度的保护层，避免催化剂层与基底表面直接接触，从而防止退火还原催化剂时催化剂与基底发生化学反应，使得退火还原后形成的纳米级催化剂颗粒分布密度可控，保证碳纳米管生长密度分布均匀。保护层材料为金属氮化物，如氮化钛或氮化钽。
步骤3，在保护层表面形成一催化剂层。
步骤4，退火处理催化剂层，使得催化剂层形成纳米级催化剂颗粒。
步骤5，化学气相沉积法(CVD法)生长碳纳米管。化学气相沉积法生长条件与现有技术基本相同：通入碳源气，在一定温度下，通过催化剂的催化作用，在催化剂层表面生成碳纳米管阵列。
请参阅图2至图5，下面将以具体的实施方式详细说明本发明的各个步骤。
请参阅图2，本发明具体实施例选用硅作为基底10，基底10具有一平整表面，以适合碳纳米管生长，其平整度可通过机械抛光或电化学抛光等方法实现。基底尺寸可根据所需碳纳米管的具体要求而确定。
如图3所示，通过蒸镀或溅镀方法在基底10表面镀上一保护层11，该保护层11为金属氮化物，如氮化钛或氮化钽。该保护层11厚度大于20纳米，优选30纳米～80纳米，要求表面平整。
如图4所示，在保护层11表面沉积催化剂层12，催化剂层12为金属催化剂，一般包括Fe、Co、Ni或其合金，沉积方法可采用电子束蒸发、热蒸发或者溅射法。催化剂层12厚度为1～20纳米，优选为3～5纳米。
将形成有保护层11及催化剂层12的基底10放入反应炉中，在惰性气体如氩气保护下、300℃～400℃温度下进行退火还原，使催化剂形成纳米级颗粒。
最后往反应炉中通入碳源气体乙烯，以化学气相沉积法在催化剂层12上生长出碳纳米管16，其中碳源气体还可以为乙炔、甲烷等含碳气体。
本发明具有如下优点：基底上形成一保护层，催化剂层沉积在该保护层上，保护层使基底与催化剂层隔离，从而防止催化剂在退火还原过程中与基底反应，使得退火还原后形成的纳米级催化剂颗粒分布密度可控，保证催化剂层上生长的碳纳米管分布均匀。
Claims (9)
1. 一种控制碳纳米管生长密度的方法，包括下列步骤：
提供一基底；
在所述基底的表面形成一保护层，该保护层为金属氮化物，其厚度为20～80纳米；
在保护层表面形成一催化剂层；
退火还原催化剂层；
通入碳源气；
在催化剂层表面生成碳纳米管。
2. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于该保护层包括氮化钛或氮化钽。
3. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于该保护层厚度为30～80纳米。
4. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于该保护层通过蒸镀法或溅镀法形成。
5. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于该基底包括硅、石英或金属。
6. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于该催化剂层为金属催化剂。
7. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于该催化剂层厚度为1～20纳米。
8. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于退火还原过程于惰性气体保护下进行。
9. 如权利要求1所述的控制碳纳米管生长密度的方法，其特征在于碳源气包括乙烯、乙炔或甲烷。
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