[發明專利]一種碳納米管線團及其制備方法

有效

• 申請號: 201610031119.4
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105692584B
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 魏飛;朱振興;謝歡歡
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B32/168
• 分類號: C01B32/168;C01B32/16;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙)11371
• 代理人: 李進

技術領域

本發明涉及納米材料制備技術領域，具體而言，涉及一種碳納米管線團及其制備方法。

背景技術

碳納米管是一種具有中空管狀結構的高長徑比特殊碳納米材料，可以看作是由二維石墨烯沿一定方向卷曲而成，不同的旋轉軸方向使得形成的碳納米管具有不同旋光性和手性參數。憑借其獨特的中空管狀結構和優異的力學、熱學、電學和光學性能，碳納米管近些年來在超級電容器、鋰硫電池、薄膜晶體管、橡膠輪胎等方面取得了令人矚目的成就，并有望取代硅迎來碳基集成電路時代，最終實現制造高性能碳納米管計算機的夢想。然而實現碳納米管在集成電路方面應用的一個重要前提是實現特定結構碳納米管的可控制備。IBM指出新一代碳基集成電路對碳納米管材料的要求是具有超高純度的半導體選擇性、高密度和完美結構，盡管近些年來針對單方面的材料條件要求取得了很大進展，但要想同時實現這幾項要求還需要更長時間的探索。

結構決定性質，在碳納米管生長過程中，出現任何結構缺陷都會降低碳納米管實際應用性能。在眾多不同種類的碳納米管中，超長碳納米管具有全同手性的完美原子結構和宏觀長度，實際性能與碳納米管理論上應具有的超級性能最為接近。目前已報道的最長超長碳納米管長度可以達到55cm，并且具有完美結構、全同手性和高半導體選擇性，但其密度卻僅有2～3CNTs/100μm，嚴重限制了其在大規模光電器件方面的應用。盡管近些年來針對提高碳納米管密度有了很大進展，如采用“特洛伊”催化劑制備出密度高達130CNTs/μm的碳納米管陣列，以及借助石墨烯或SiO₂納米球減少催化劑聚并，提高超長碳納米管陣列密度等方法，但所制備的碳納米管陣列均無法滿足高半導體選擇性和完美結構的要求。另一方面，通過優化催化劑設計，可以實現純度達92％的手性為(12,6)的碳納米管陣列制備，但其不具有半導體選擇性，同時在密度和完美結構方面均無法滿足應用條件。

有鑒于此，特提出本發明。

發明內容

本發明的第一目的在于提供一種碳納米管線團，所述碳納米管線團高密度、結構完美且手性一致，拓寬了碳納米管本身的應用領域，在微納米電子器件及光電器件領域具有極大的應用潛力。

本發明的第二目的在于提供一種碳納米管線團的制備方法，所述方法前后步驟銜接緊密、設計合理，簡單易行，操作條件溫和，所涉及材料均可通過市面購買得到，且環保無污染，最終能夠得到手性一致、結構完美、高密度且超長的納米管線團。

為了實現本發明的上述目的，特采用以下技術方案：

本發明實施例提供了一種碳納米管線團，由單根或多根直徑為0.6-5nm，長度為1mm-5m的碳納米管無規則纏繞形成，該碳納米管線團的平鋪面積在0.001-10mm²之間，密度在1-200CNTs/μm。

現有技術中對碳納米管的研究可謂日新月異，主要的研究方向在于碳納米管的手性結構、長度以及密度等方面，但是問題在于市面上還沒有能夠兼顧長度、密度以及手性結構等指標均較優的產品問世，因此如何研發出一種高密度、手性一致的碳納米管材料是現有技術中主要的研究方向。基于目前研究現狀，本發明提供一種超長碳納米管線團，是采用具有一定的直徑以及長度要求的碳納米管經過無規則纏繞形成，可原位獲得高密度、、結構完美、手性一致的高半導體選擇性超長碳納米管線團，其顯著的優點為其高密度的性能，是現有技術中任何一款產品所不可能比擬的。用其制作的場效應晶體管器件可以同時實現高電流密度和高開關比，在微納米電子器件及光電器件領域具有極大的應用潛力。

本發明的碳納米管線團，是采用具有特定的直徑以及長度的碳納米管無規則纏繞形成的，碳納米管的直徑需要在0.6-5nm之間，長度需要在1mm-5m，所以在進行選材時如果長度以及直徑并不在本發明所揭示的方案范圍之內，其是不可能形成具有本發明的這種高密度性能的碳納米管線團的，另外形成的碳納米管線團的各個參數指標也需要在適宜的范圍內，平鋪面積在0.001-10mm²之間，密度在1-200CNTs/μm，尤其是密度最高可以達到200CNTs/μm，相較于現有技術中的碳納米管的密度，其完全屬于高密度產品，還有其雖然纏繞的不具有規則性，但是其平鋪開來所覆蓋的面積可達到10mm²之多，正因為碳納米管線團具有如此優異的性能，因此其在應用時也有更廣闊的應用領域。