專利名稱：一種碳納米管制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管制造方法。
背景技術(shù)：
自從日本研究人員飯島先生于1991年在電弧放電產(chǎn)物中首次發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，因其在機械、電子、物理、化學等方面具有優(yōu)異的性能，如獨特的金屬或半導體導電性、極高的機械強度、高容量儲氫能力及吸附能力、場致電子發(fā)射性能、定向?qū)嵝阅芤约拜^強的寬帶電磁波吸收特性等，使得碳納米管受到物理、化學及材料科學等領域以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門的極大重視，同時促進碳納米管的廣泛研究與實際應用。目前，碳納米管可用作復合材料的增強材料、場致電子發(fā)射材料、超級電容器電極材料、氣體吸附材料、催化材料、熱傳導材料以及傳感材料等方面。
然而，隨著碳納米管性能與應用研究的蓬勃發(fā)展，如何獲得所需的碳納米管愈顯重要。通常，較為成熟的碳納米管制造方法主要有三種電弧放電法、激光燒蝕法以及化學氣相沉積法。其中，化學氣相沉積法以其工藝簡便、成本低、碳納米管規(guī)模易控制、長度大、收率較高、可批量生長等特點而得到廣泛的研究與應用。
化學氣相沉積法主要是采用納米尺度的過渡金屬或其氧化物作為催化劑，在一定溫度下催化熱解碳源氣，使其在催化劑表面裂解生長碳納米管。如現(xiàn)有技術(shù)提供一種碳納米管的制備方法，其包括以下步驟提供一基底；在基底表面形成一保護層；在保護層表面形成一過渡金屬催化劑層；通入碳源氣，并在催化劑作用下發(fā)生化學反應，使得碳納米管從催化劑層生長，從而實現(xiàn)生長碳納米管的目的。但是，該方法生長碳納米管過程中，開始通入碳源氣時并不會立即生長碳納米管，碳源氣分解的碳將首先向金屬催化劑顆粒內(nèi)部擴散，待擴散進入金屬催化劑顆粒中的碳達到飽和濃度時，才會析出，從而生長碳納米管。該過程需要一定時間，因此碳納米管生長速率受到限制。
有鑒于此，有必要提供一種碳納米管制造方法，其能快速生長碳納米管。

發(fā)明內(nèi)容
以下，將以實施例說明一種碳納米管制造方法。
為實現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種碳納米管制造方法，其包括步驟提供一基底；在所述基底表面形成一復合膜層，該復合膜層包括多層催化劑金屬膜層及多層碳膜層；將所述復合膜層進行熱處理，形成含有金屬碳化物的催化劑層；在所述催化劑層上進行化學氣相沉積生長碳納米管。
其中，所述催化劑金屬選自鎢、鐵、鈷、鎳或其合金。
所述催化劑層包括金屬碳化物，優(yōu)選為碳化鎢。
所述多層催化劑金屬膜層數(shù)及多層碳膜層的層數(shù)分別為10～30層，并可采用離子鍍膜法、射頻磁控濺鍍、真空蒸發(fā)法或化學氣相沉積法等方法形成。
所述多層催化劑金屬膜層厚度范圍為3納米至30納米，優(yōu)選為10納米。
所述多層碳膜層厚度范圍為3納米至30納米，優(yōu)選為10納米。
所述復合膜層的熱處理包括步驟在900℃溫度下在惰性氣體或其混合氣體氛圍中熱處理30分鐘以上；然后降低溫度至室溫。
所述復合膜層的熱處理包括步驟在900℃溫度下采用快速熱退火處理；然后降低溫度至室溫。
所述基底采用硅片、石英片或金屬片等材料。
所述化學氣相沉積生長納米碳采用以下步驟加熱催化劑層至500～900℃，提供一碳源氣，將其與催化劑接觸以使得碳納米管在催化劑層上生長。
所述碳源氣體選自乙炔、甲烷或乙炔與甲烷的混合氣體。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實施例提供的碳納米管制造方法，所述復合層經(jīng)過熱處理后得到的催化劑層，其金屬催化劑顆粒間的碳擴散已達飽和，且由于過飽和而析出的碳也可為后續(xù)碳納米管的生長提供碳源，從而加快碳納米管的生長速度。

圖1是本發(fā)明實施例的碳納米管制造方法示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例的碳納米管制造方法中形成的復合膜層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實施例作進一步詳細說明。
參見圖1，本實施例提供的碳納米管制造方法包括以下步驟(a)提供一基底；(b)在所述基底表面形成一復合膜層，該復合膜層包括多層催化劑金屬膜層及多層碳膜層；(c)將所述復合膜層進行熱處理，形成含有金屬碳化物的催化劑層；(d)在所述催化劑層上化學氣相沉積生長碳納米管。下面結(jié)合圖示分別對各個步驟進行詳細說明。
步驟a提供一基底10，該基底可采用硅片、石英片或金屬片等材料。
步驟b在所述基底10表面形成一復合膜層20，該復合膜層20包括多層催化劑金屬膜層及多層碳膜層。該膜層形成方法可采用離子鍍膜法、射頻磁控濺鍍、真空蒸發(fā)法、化學氣相沉積法，本實施例采用射頻磁控濺鍍法，在基底10表面鍍上交互疊加的多層催化劑金屬膜層及多層碳膜層，形成一復合膜層20。
形成后的復合膜層20結(jié)構(gòu)請參閱第二圖，多層催化劑金屬膜層21及多層碳膜層22相互疊加，該兩膜層的層數(shù)分別為10～30層，優(yōu)選為10～20層。其中，催化劑金屬膜層21的金屬材質(zhì)優(yōu)選為鎢、鐵、鈷、鎳或其合金，還可用其它金屬，例如稀土金屬與鎢、鐵、鈷、鎳的合金或者堿土金屬與鎢、鐵、鈷、鎳的合金，本實施例采用鎢；催化劑金屬膜層21的每層厚度范圍為3～30納米，優(yōu)選為10納米；碳膜層22的每層厚度范圍為3～30納米，優(yōu)選為10納米。另外，多層催化劑金屬膜層21及多層碳膜層22交互疊加是本技術(shù)方案的優(yōu)選方案，但不限于該疊加順序，其它隨機疊加方式或規(guī)則性疊加方式也可用于形成復合膜層20。
步驟c對所述復合膜層20進行熱處理，形成含有金屬碳化物的催化劑層30。該熱處理可采用兩種方式(1)在900℃溫度下在惰性氣體(如氮氣或氬氣等)或惰性氣體的混合氣體氛圍中熱處理30分鐘以上，然后降低溫度至室溫；或(2)在900℃溫度下采用快速熱退火處理，然后降低溫度至室溫。
當復合膜層20進行上述熱處理時，催化劑金屬膜層與碳膜層將先互融而產(chǎn)生碳的過飽和熔液融于催化劑金屬中，形成固熔體(Solid Solution)，即為包含催化劑金屬碳化物的催化劑層30，例如本實施例的碳化鎢催化劑層30，其中該催化劑層30中催化劑顆粒為納米級顆粒，粒徑最好為2～20納米。
步驟d在所述催化劑層30上化學氣相沉積生長碳納米管40。在上述熱處理冷卻至室溫時，過飽和的碳將從金屬基體中析出，加熱催化劑層至500～900℃，再通以碳源氣，如甲烷、乙炔或甲烷與乙炔的混合氣體，這些碳源氣在催化劑層上裂解產(chǎn)生的碳將在先前從金屬基體中析出的碳上繼續(xù)成長，即在該催化劑層30上生長出碳納米管40，優(yōu)選地，可通入氬氣或氫氣作為載氣，以利于對碳納米管生長的調(diào)控。
本實施例提供的碳納米管制造方法，由于催化劑層30中金屬催化劑顆粒間的碳擴散已達飽和，且過飽和而析出的碳也可為后續(xù)碳納米管的生長提供碳源，從而加快碳納米管的生長速度，可用于半導體組件的制造及其它精密組件的制造中，如用于晶圓制造，場發(fā)射顯示器的制造等。
另外，本領域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如適當變更催化劑金屬膜層的層數(shù)、厚度，或變更碳膜層的層數(shù)、厚度，或變更復合膜層的沉積方法，或變更復合膜層的熱處理方法，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管制造方法，包括以下步驟提供一基底；在所述基底表面形成一復合膜層，該復合膜層包括多層催化劑金屬膜層及多層碳膜層；將所述復合膜層進行熱處理，形成含有金屬碳化物的催化劑層；在所述催化劑層上進行化學氣相沉積生長碳納米管。
2.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述金屬膜層之金屬選自鎢或其與鐵、鈷、鎳之合金之一者。
3.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述金屬碳化物包括碳化鎢。
4.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述多層催化劑金屬膜層數(shù)與多層碳膜層的層數(shù)分別為10～30層。
5.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述多層催化劑金屬膜層數(shù)與多層碳膜層形成方法采用離子鍍膜法、射頻磁控濺鍍、真空蒸發(fā)法或化學氣相沉積法。
6.如權(quán)利要求1至5任一項所述碳納米管制造方法，其特征在于所述多層催化劑金屬膜層厚度范圍為3納米至30納米。
7.如權(quán)利要求6所述碳納米管制造方法，其特征在于所述多層催化劑金屬膜層厚度為10納米。
8.如權(quán)利要求1至5任一項所述碳納米管制造方法，其特征在于所述多層碳膜層厚度范圍為3納米至30納米。
9.如權(quán)利要求8所述碳納米管制造方法，其特征在于所述多層碳膜層厚度為10納米。
10.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述復合膜層的熱處理包括以下步驟在900℃溫度下在惰性氣體或惰性氣體的混合氣體氛圍中熱處理30分鐘以上；然后降低溫度至室溫，形成催化劑層。
11.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述復合膜層的熱處理包括以下步驟在900℃溫度下采用快速熱退火處理；然后降低溫度至室溫，形成催化劑層。
12.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述基底采用硅片、石英片或金屬片等材料。
13.如權(quán)利要求1所述碳納米管制造方法，其特征在于所述催化劑層上化學氣相沉積生長納米碳采用以下步驟加熱催化劑層至500～900℃，提供一碳源氣，將其與催化劑層接觸以使得碳納米管在催化劑層上生長。
14.如權(quán)利要求13所述碳納米管制造方法，其特征在于所述碳源氣體選自乙炔、甲烷或乙炔與甲烷的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種碳納米管制造方法，其包括下列步驟提供一基底；在所述基底表面形成一復合膜層，該復合膜層包括多層催化劑金屬膜層及多層碳膜層；將所述復合膜層進行熱處理，形成含有金屬碳化物的催化劑層；在所述催化劑層上進行化學氣相沉積生長碳納米管。
文檔編號C01B31/00GK1919727SQ200510036918
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者呂昌岳, 陳杰良, 余泰成, 林志泉 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司