【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及碳納米管有序宏觀體可控制備領域，具體為一種控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法。
技術介紹
1、雙壁碳納米管是由兩個同軸單壁碳納米管嵌套組成的一種碳納米結構，其既表現出多壁碳納米管的高穩定性，又具有單壁碳納米管的柔性，已在場效應晶體管中展現優勢(參考文獻1：shimada,t.et?al.double-wall?carbon?nanotube?field-effecttransistors:ambipolar?transport?characteristics.appl.phys.lett.2004,84,2412-2414.)。研究表明，大直徑雙壁碳納米管垂直陣列比小直徑單壁碳納米管垂直陣列具有更高的導電性能(參考文獻2：zhao,b.；et?al.exploring?advantages?of?diverse?carbonnanotube?forests?with?tailored?structures?synthesized?by?supergrowth?fromengineered?catalysts.acs?nano?2009,3(1),108-114.)。而高結晶度碳納米管垂直陣列的導熱系數比低結晶度碳納米管垂直陣列的高5倍(參考文獻3：ivanov,i.；et?al.fastand?highly?anisotropic?thermal?transport?through?vertically?aligned?carbonnanotube?arrays.appl.phys.lett.200
2、目前，直接控制制備高結晶度和可控結構碳納米管垂直陣列的策略包括水輔助生長(文獻4：hata,k.；et?al.water-assisted?highly?efficient?synthesis?of?impurity-free?single-walled?carbon?nanotubes.science?2004,306(5700),1362-1364.)、催化劑成分設計(文獻5：sugime,h.；et?al.gd-enhanced?growth?of?multi-millimeter-tallforests?of?single-wall?carbon?nanotubes.acs?nano?2019,13,13208-13216.)和外場調控(文獻6：kimura,h.；et?al.mutual?exclusivity?in?the?synthesis?of?highcrystallinity?and?high?yield?single-walled?carbon?nanotubes.journal?of?theamerican?chemical?society?2012,134(22),9219-9224.)等。例如，yamada等通過調節鐵催化劑的厚度，制備了85％選擇性的雙壁碳納米管垂直陣列(文獻7：yamada,t.,etal.size-selective?growth?of?double-walled?carbon?nanotube?forests?fromengineered?iron?catalysts."nature?nanotechnology?2006,1:131-136.)。然而，現有方法制備的碳納米管垂直陣列中，通常是碳納米管的直徑越大，其結晶度越低(文獻8：chen,g.；et?al.absence?of?anideal?single-walled?carbon?nanotube?foreststructure?forthermal?and?electrical?conductivities.acs?nano?2013,7(11),10218-10224.)。控制制備兼具高結晶度和大直徑的雙壁碳納米管垂直陣列，是碳納米管研究領域的重要挑戰。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，通過金屬催化劑組分設計和“預溶碳”策略，可控生長高結晶度、大直徑的雙壁碳納米管垂直陣列。
2、本專利技術的技術方案是：
3、一種控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，該方法通過設計金屬催化劑的成分并調控其厚度，在基底上沉積金屬催化劑薄膜；預處理金屬催化劑薄膜，獲得催化劑納米顆粒；通過低溫碳氫等離子體預處理，在催化劑納米顆粒中“預溶碳”；在目標溫度下，制備兼具高結晶度和大直徑的雙壁碳納米管垂直陣列。
4、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，在基底上沉積5～15nm厚的氧化鋁膜作為阻擋層，抑制高溫下催化劑團聚和向基底擴散。
5、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，采用物理沉積方法在基底上制備金屬催化劑薄膜，基底為耐高溫基片材質。
6、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，物理沉積方法為離子束鍍膜、磁控濺射或原子沉積，基底為銅、藍寶石、石英或硅片。
7、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，金屬催化劑包括主催化劑成分和其他催化劑成分，其中：主催化劑成分為鐵，金屬催化劑厚度在1.0～2.5nm范圍內可調；其他催化劑成分為鈷、鎳、鉬、銠、鉻中的一種或兩種以上，金屬催化劑厚度為0～0.3nm。
8、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，金屬催化劑薄膜的預處理條件為：從室溫升溫到碳氫等離子體預處理溫度，升溫過程中，通入100～1000sccm的氫氣，形成催化劑納米顆粒。
9、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，碳氫等離子體預處理溫度為300～500℃，通入100～500sccm的氫氣和2～50sccm的碳氫氣體，碳氫等離子體預處理催化劑納米顆粒，處理時間為1～20s。
10、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，雙壁碳納米管垂直陣列的生長溫度為750～850℃，以100～500sccm的氫氣為載氣，通入2～50sccm的碳氫氣體，生長時間為1～120min。
11、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，該碳氫氣體為乙烯、乙炔或甲烷。
12、所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，雙壁碳納米管垂直陣列的高度為1～1000μm，ig/id(結晶度)范圍為1～25，直徑分布范圍為4～10nm，密度分布范圍為17～70kg/m3；雙壁碳納米管垂直陣列通過激光熱導儀測試，其熱擴散系數為50～200mm2/s。
13、本專利技術的設計思想是：
14、本專利技術通過設計催化劑的成分并調控其厚度和還原條件，獲得催化劑納米顆粒；催化劑納米顆粒通過低溫碳氫等離子體預處理，使碳預溶入到催化劑納米顆粒中，縮短碳本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，該方法通過設計金屬催化劑的成分并調控其厚度，在基底上沉積金屬催化劑薄膜；預處理金屬催化劑薄膜，獲得催化劑納米顆粒；通過低溫碳氫等離子體預處理，在催化劑納米顆粒中“預溶碳”；在目標溫度下，制備兼具高結晶度和大直徑的雙壁碳納米管垂直陣列。
2.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，在基底上沉積5～15nm厚的氧化鋁膜作為阻擋層，抑制高溫下催化劑團聚和向基底擴散。
3.按照權利要求1或2所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，采用物理沉積方法在基底上制備金屬催化劑薄膜，基底為耐高溫基片材質。
4.按照權利要求3所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，物理沉積方法為離子束鍍膜、磁控濺射或原子沉積，基底為銅、藍寶石、石英或硅片。
5.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，金屬催化劑包括主催化劑成分和其他催化劑成分，其中：主
6.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，金屬催化劑薄膜的預處理條件為：從室溫升溫到碳氫等離子體預處理溫度，升溫過程中，通入100～1000sccm的氫氣，形成催化劑納米顆粒。
7.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，碳氫等離子體預處理溫度為300～500℃，通入100～500sccm的氫氣和2～50sccm的碳氫氣體，碳氫等離子體預處理催化劑納米顆粒，處理時間為1～20s。
8.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，雙壁碳納米管垂直陣列的生長溫度為750～850℃，以100～500sccm的氫氣為載氣，通入2～50sccm的碳氫氣體，生長時間為1～120min。
9.按照權利要求7或8所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，該碳氫氣體為乙烯、乙炔或甲烷。
10.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，雙壁碳納米管垂直陣列的高度為1～1000μm，IG/ID(結晶度)范圍為1～25，直徑分布范圍為4～10nm，密度分布范圍為17～70kg/m3；雙壁碳納米管垂直陣列通過激光熱導儀測試，其熱擴散系數為50～200mm2/s。
...【技術特征摘要】
1.一種控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，該方法通過設計金屬催化劑的成分并調控其厚度，在基底上沉積金屬催化劑薄膜；預處理金屬催化劑薄膜，獲得催化劑納米顆粒；通過低溫碳氫等離子體預處理，在催化劑納米顆粒中“預溶碳”；在目標溫度下，制備兼具高結晶度和大直徑的雙壁碳納米管垂直陣列。
2.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，在基底上沉積5～15nm厚的氧化鋁膜作為阻擋層，抑制高溫下催化劑團聚和向基底擴散。
3.按照權利要求1或2所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，采用物理沉積方法在基底上制備金屬催化劑薄膜，基底為耐高溫基片材質。
4.按照權利要求3所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，物理沉積方法為離子束鍍膜、磁控濺射或原子沉積，基底為銅、藍寶石、石英或硅片。
5.按照權利要求1所述的控制生長高結晶度、大直徑雙壁碳納米管垂直陣列的方法，其特征在于，金屬催化劑包括主催化劑成分和其他催化劑成分，其中：主催化劑成分為鐵，金屬催化劑厚度在1.0～2.5nm范圍內可調；其他催化劑成分為鈷、鎳、鉬、銠、鉻中的一種或兩種以上，金屬催化劑厚度為0～0.3nm。
6.按照權利要求1所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張莉莉，吉忠海，劉暢，成會明，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：
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