[發(fā)明專利]非金屬氧化硅為催化劑優(yōu)先生長金屬性單壁碳納米管方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310233507.7
• 申請日: 2013-06-13
• 公開（公告）號: CN103303904A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉暢;張莉莉;侯鵬翔;成會明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬性單壁碳納米管的直接可控制備領(lǐng)域，具體為一種以非金屬氧化硅為催化劑優(yōu)先生長金屬性單壁碳納米管的方法，通過優(yōu)化非金屬氧化硅薄膜的預(yù)處理條件，制備窄粒徑分布且大小適宜的非金屬納米顆粒，進(jìn)一步調(diào)控單壁碳納米管的生長條件，實現(xiàn)了窄直徑分布的金屬性單壁碳納米管的優(yōu)先生長。

背景技術(shù)

由于構(gòu)成單壁碳納米管的石墨烯片層相對于軸向的夾角及管徑的不同，其導(dǎo)電屬性表現(xiàn)為金屬性和半導(dǎo)體性，前者因量子輸運效應(yīng)而具有超高的電輸運特性，是未來納電子器件中優(yōu)異的互聯(lián)線材料，而后者因具有非常高的電遷移率和一維結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建場效應(yīng)晶體管溝道的理想材料，有望在未來替代硅材料構(gòu)建下一代納電子器件。因此，獲得均一導(dǎo)電屬性的單壁碳納米管（金屬性或者半導(dǎo)體性），是實現(xiàn)單壁碳納米管在以上領(lǐng)域應(yīng)用的重點，同時也是難點。

目前，碳納米管的選擇性制備工作雖然已經(jīng)取得了很多成果，但大多數(shù)是利用了半導(dǎo)體性具有更低的反應(yīng)活性，而生長產(chǎn)物中其所占比例本征就較大（66.7%）的原因，利用刻蝕劑或外源對金屬性碳納米管進(jìn)行刻蝕，從而獲得半導(dǎo)體性單壁碳納米管占優(yōu)的選擇性結(jié)果。相比之下，金屬性單壁碳納米管則不適宜用刻蝕的方法獲得，因此選擇性制備的報道較少。但已有的工作表明（Harutyunyan,A.R.;Stach,E.A.;Sumanasekera,G.U.et?al.Science2009,326,116.），對單壁碳納米管的形核階段進(jìn)行控制，如控制形核時依賴的催化劑，是制備金屬性單壁碳納米管的有效途徑。通過控制催化劑的表面狀態(tài)如形狀等，對單壁碳納米管的導(dǎo)電屬性控制制備尤其重要。然而，目前所采用的金屬催化劑因其低熔點，使其容易在高溫下發(fā)生形貌等改變，不利于穩(wěn)定碳帽結(jié)構(gòu)和進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)控制。另外，金屬催化劑也會直接影響單壁碳納米管的本征性能。最近，非金屬催化劑（文獻(xiàn)一：Liu,B.L.;Ren,W.C.;Cheng,H.M.et?al.Journal?of?the?American?Chemical?Society2009,131,2082；文獻(xiàn)二：Huang,S.M.;Zhang,L.J.et?al.Journal?of?the?American?Chemical?Society2009,131,2094；文獻(xiàn)三：Steiner,S.A.;Hofmann,S.;Wardle,B.L.et?al.Journal?of?the?American?Chemical?Society2009,131,12144.）被證實可以催化生長碳納米管，使人們重新認(rèn)識了單壁碳納米管的催化生長機制。非金屬催化劑的高熔點特性使其具有穩(wěn)定生長特定單壁碳納米管結(jié)構(gòu)的潛力，而其與半導(dǎo)體工藝的兼容性能夠穩(wěn)定碳納米管基納電子器件的性能。

目前的主要問題是：如何選擇具有較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的非金屬催化劑，如何控制非金屬催化劑的結(jié)構(gòu)及其均一性，從而直接生長具有金屬特性的單壁碳納米管。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種以非金屬氧化硅為催化劑優(yōu)先生長金屬性單壁碳納米管的方法，它是利用非金屬催化劑并通過調(diào)節(jié)預(yù)處理條件，可直接制備窄直徑分布金屬性單壁碳納米管的化學(xué)氣相沉積方法。

本發(fā)明解決的一個技術(shù)問題是克服現(xiàn)有催化劑多為熔點較低的金屬納米顆粒，其結(jié)構(gòu)在高溫不穩(wěn)定的問題；同時克服普通預(yù)處理方式只能得到粒徑分布較寬的非金屬催化劑，且顆粒大小難以被控制等問題；本發(fā)明解決的另一技術(shù)問題是克服現(xiàn)有金屬性單壁碳納米管難以被選擇性制備，后續(xù)處理通常只能將其刻蝕而獲得半導(dǎo)體性單壁碳納米管的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種非金屬氧化硅為催化劑優(yōu)先生長金屬性單壁碳納米管方法，通過對催化劑薄膜進(jìn)行預(yù)處理，利用合適的生長條件直接選擇性生長窄直徑分布的金屬性單壁碳納米管，具體步驟如下：

以Ar離子束物理沉積法，在帶有納米二氧化硅熱氧化層的硅基底上沉積氧化硅膜；在化學(xué)氣相沉積爐內(nèi)對其進(jìn)行加熱方式、氣氛和時間的預(yù)處理條件調(diào)節(jié)，獲得非金屬氧化硅催化劑納米顆粒后，在900℃下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積生長金屬性單壁碳納米管。

所述的非金屬氧化硅為催化劑優(yōu)先生長金屬性單壁碳納米管方法，硅基底上沉積氧化硅膜厚度為5-100nm；納米二氧化硅熱氧化層的厚度為50-300nm。

所述的非金屬氧化硅為催化劑優(yōu)先生長金屬性單壁碳納米管方法，硅基底上沉積氧化硅預(yù)處理氣氛為空氣及惰性氣氛，無還原過程，空氣作用時間為1-15分鐘，惰性氣氛作用時間為0.5-5分鐘。