[發明專利]一種尖銳端頭碳納米管結構的制備方法

無效

• 申請號: 201210004720.6
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN102530917A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 劉暢;張艷麗;侯鵬翔;王兆鈺;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及碳納米管的制備技術，特別提供了一種電弧放電法合成尖銳端頭碳納米管結構的制備方法。

背景技術

碳納米管因其特殊的幾何結構特征(如小尺寸尖端、大長徑比)、低功函數、與良好的環境(化學、熱)穩定性，而被視為理想的場發射材料。相關實驗研究也表明碳納米管具備良好的場發射性能，如低閾值電場與較高的場發射分辨率等。因此，碳納米管場發射體可望在平板顯示器、場發射X射線管、電子槍場發射源等諸多方面獲得應用。

碳納米管場發射體的理想性能通常包括低閾值電場和良好的場發射穩定性。碳納米管場發射體的長徑比會影響到場增強效應，進而影響閾值電場；碳納米管直徑越小(如單壁碳納米管)，場增強效應就越明顯，場發射閾值電場就越低。另一方面，實際應用中要求較好的場發射穩定性與場發射壽命；缺陷較少、碳層較多的碳納米管在這方面更具有優勢。據報道，有著大長徑比的單壁碳納米管，具有較低的閾值電場；但在低真空度或大電流密度下，易于發生結構破壞，穩定性較差；而多壁碳納米管的場發射穩定性較好，但閾值電場卻相對較高。如何同時實現低閾值電場和好的場發射穩定性的優異綜合性能成為碳納米管場發射體研究的一個關鍵。目前的主要解決途徑是制備高質量、少壁碳納米管(文獻1，Ding?L，Tselev?A，Wang?JY，Yuan，DN，Chu?HB，McNicholas?TP，Li?Y，Liu?J，Nano?Lett.9，800-805(2009))；研究表明少壁且熱穩定性好的碳納米管是一種理想的場發射材料。另外，場發射體的幾何結構也是影響其場發射性能的關鍵因素。一般說來，端部尖銳而底部尺寸較大的材料可望同時獲得較低的場發射閾值電場和較好的場發射持久性(文獻2，Tang?YB，Cong?HT，Chen?ZG，Cheng?HM，Appl?Phys?Lett.86，233104-1-233104-3(2005))。因此，為進一步提高碳納米管的場發射性能，目前的主要問題是：如何可控制備高質量、具有尖銳端頭的碳納米管特定結構。

發明內容

本發明的目的是提供一種尖銳端頭碳納米管結構的制備方法，制備尖銳端頭碳納米管結構采用電弧放電法，作為薄膜電子場發射體時，顯示出優異的場發射性能，作為單根電子源發射體時，性能穩定性良好。

本發明的技術方案是：

一種尖銳端頭碳納米管結構的制備方法，采用電弧放電法直流電弧放電的方式；陰極采用直徑為石墨棒或其它導電性碳質材料，陽極為由石墨、硅粉壓制而成的消耗性陽極。陽極原料中，硅粉粒度直徑為30nm～500目(優選為200目)，硅加入的重量百分比為2wt.％～20wt.％(優選為5wt.％～10wt.％)；緩沖氣體為氫氣或氦氣，緩沖氣體壓力為20KPa～100KPa，直流電流10A～300A(優選為80A～150A)；起弧放電后，石墨、硅粉組成的原料共蒸發，部分碳原子向陰極沉積，與此同時，硅團簇摻入其中，最終于陰極處形成尖銳端頭碳納米管結構。

本發明尖銳端頭碳納米管結構的電弧放電法中，所述陰極與陽極間成20°～90°的角度，陰極與陽極間的最短距離為0.5mm～2mm。

采用本發明獲得的尖銳端頭碳納米管結構以及技術參數范圍為：

(1)本發明所制備的尖銳端頭碳納米管主要有三種尖端形貌：錐形、頸縮形或鉛筆形。

(2)每種形貌的碳納米管均由兩部分構成，即數十納米量級到數百納米量級的碳納米管底座和納米量級的較細碳納米管尖端。碳納米管底座直徑分布較寬，一般在20nm～130nm之間，而較細碳納米管直徑則在2～15nm之間，碳納米管的尖端曲率半徑很小(曲率半徑可達到1～7nm)、碳層結構完美、層數多為單壁或雙壁。

本發明的優點是：

1、本發明方法可直接制備具有尖銳端頭的新型碳納米管樣品，多根碳納米管聚集呈團簇狀聚集體，其尖銳的尖端向外呈發射狀伸出，樣品純凈且結晶度高。

2、本發明方法可以簡單調控尖銳端頭碳納米管的結構、純度、產率，尖銳端頭碳納米管數量占整體碳管比例的30％以上，甚至可以達到95％以上。

3、本發明尖銳端頭碳納米管結構具有納米量級的尖端及數十納米到數百納米量級的底座，這種特殊的形貌特征及電弧法所賦予的高結晶度的結構特征，使其作為電子場發射體時，顯示出優異的場發射性能，作為單根電子源場發射體時，場發射穩定性良好。

附圖說明

圖1為實施例1中所合成尖銳端頭碳納米管的掃描電鏡照片(a)和透射電鏡照片：頸縮形(b)、錐形(c)、鉛筆形(d)。