[發明專利]用于生長碳納米材料的方法

在審

• 申請號: 201610224143.X
• 申請日: 2016-04-12
• 公開（公告）號: CN107285296A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 張敏;陳淳
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: C01B32/154
• 分類號: C01B32/154;C01B32/16;C01B32/188
• 代理公司: 北京天馳君泰律師事務所11592
• 代理人: 沈超

技術領域

本申請涉及納米材料領域，特別地涉及一種用于生長碳納米材料的方法。

背景技術

碳納米材料例如碳納米管是由單層或多層石墨烯片卷曲纏繞而成的管狀一維納米材料。碳納米管的光、電、熱和機械性能俱佳，其電流密度高達例如10⁹A/cm²，電子遷移率可達到例如10000cm²/V·s，導熱系數高達例如6600W/mK，楊氏模量可達例如1TPa，約為鋼的5倍。基于上述優良性能，碳納米管可以應用于電學、力學等很多領域。

目前碳納米管的制備主要方法有：電弧放電法、激光燒燭法、化學氣相沉積法等，以化學氣相淀積法最為常用。傳統化學氣相淀積法，包括熱化學氣相沉積、等離子體增強氣相沉積、微波等離子增強氣相沉積等。目前制備碳納米管的方法往往是通過在襯底上淀積一層金屬催化劑，催化劑在高溫作用下裂解成納米顆粒進而催化碳納米管生長。而碳納米管生長的直徑是由催化劑納米顆粒的大小決定。但是，由于傳統金屬催化劑的裂解是自由裂解，所產生的催化劑顆粒直徑在高溫下極不均勻、難以控制。因此，采用傳統制備方法生長的碳納米管均勻性差，可控性低。

在電學領域的應用往往要求碳納米管具備極高的純度(即半導體性或金屬性)以保證器件之間的均一性。但是，高純度(99％半導體性或99％金 屬性)的碳納米管售價極其昂貴，例如納米領域較為常用的NanoIntegris公司的99％半導體性碳管售價為799美金每毫克，且產品本身尺寸也有一定的限制，如長度平均值為1微米等，這些都是碳基器件(芯片)產業化的瓶頸。

發明內容

如上文所描述的，傳統的碳納米材料生長工藝成本高，均勻性差，并且無法實現對碳納米管尺寸的控制。如果碳納米材料的生長成本能夠降低，并且能夠生長出均勻性好并且尺寸可控的碳納米材料，對于碳納米材料的大規模工業化應用將會有極大的促進。

本申請提供了一種用于生長碳納米材料的方法，包括制備碳納米原材料分散液，包括將碳納米原材料分散到第一溶液中；制備碳納米顆粒分散液，包括對所述碳納米原材料分散液進行物理和/或化學處理；借助所述碳納米顆粒分散液將其中的碳納米顆粒轉移至襯底上；基于所轉移的碳納米顆粒在所述襯底上生長碳納米材料。

特別的，所述碳納米原材料和所生長的碳納米材料包括碳納米管、石墨烯或富勒烯。

特別的，所述第一溶液包括1-2二氯乙烷。

特別的，所述物理處理包括超聲、離心、攪拌、高溫煅燒或等離子體轟擊處理，所述化學處理包括使所述碳納米原材料分散液與第二溶液混合，其中所述第二溶液包括酸或堿溶液，和/或氧化還原性溶液；其中所述第一溶液與所述第二溶液不相溶。

特別的，所述酸溶液包括硫酸或鹽酸溶液，所述堿溶液包括過氧化氫溶液或次氯酸鹽溶液，所述氧化還原性溶液包括高錳酸鉀、硝酸或氫氟酸溶液。

特別的，所述硫酸溶液的濃度為0.5至9mol/L，所述過氧化氫溶液的質量分數為20％至40％，所述高錳酸鉀的溶液濃度為5至15mg/mL。

特別的，所述碳納米原材料分散液的濃度為10至100μg/mL。

特別的，所述超聲處理的功率為150至300W，所述超聲處理的時間為90至180min，所述超聲處理的次數為2次以上，所述超聲處理的溫度為30℃至90℃。

特別的，所述碳納米顆粒的長度為1至50nm。

特別的，其中所述碳納米原材料和所生長的碳納米材料包括單壁碳納米管，雙壁碳納米管或多壁碳納米管。

在本申請所述的方法中，可以采用少量的現有碳納米材料作為基礎，不斷地重復生長出與其尺寸和手相相同的碳納米材料。并且，由于本申請所介紹的方法不需要進行高溫處理，也無需采用特別的有機化學試劑和任何后續的提純工藝，使得整個碳納米材料的生長過程具有簡單、綠色、低廉的特點。

當碳納米管作為有源區導電溝道應用于碳基集成電路中時，電路的性能與碳納米管的電學特性進而與碳納米管的直徑直接相關。所以碳基集成電路對原位生長碳納米管直徑分布的要求極為嚴格。采用本申請所介紹的方法可以生長出長度可控、高純度、直徑可控(尺寸均勻)、管壁層數可控、手性可控、定向、高產量的碳納米管，非常適合用于碳納米管集成電路等 特定的應用領域。

附圖說明

下面，將結合附圖對本發明的優選實施方式進行進一步詳細的說明，其中：

圖1所示為根據本申請的一個實施例的用于生長碳納米材料的示例性方法的流程圖；以及