單壁碳納米管的定位生長方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及單壁碳納米管，具體涉及單壁碳納米管的定位生長方法，更具體涉及半導體性單壁碳納米管的定位生長方法。
【背景技術】
[0002]作為典型的納米材料，碳納米管，特別是單壁碳納米管(SWNTs)由于具有優(yōu)異的性能而成為當今研究的重點。
[0003]單壁碳納米管具有高的長徑比，是典型的一維納米材料。由卷成圓筒狀的石墨層構成的單壁碳納米管具有極高的長徑比，這種特殊的管狀結構決定了碳納米管具有優(yōu)異的物理、化學、電學和機械性能，例如:極高的楊氏模量、抗拉強度和熱導率，理想的一維量子線和直接帶隙光學性能，能修飾上其它分子并有較好的生物兼容性。與結構相對單一的籠狀富勒烯分子相比，這些優(yōu)點賦予了碳納米管在納米電子器件、光學器件、化學生物傳感器和復合材料等諸多領域更為廣闊的應用前景。
[0004]根據目前已報導的生長方法，單壁碳納米管只能無規(guī)生長，尚無法進行定位生長。而定位生長的單壁碳納米管將為其應用帶來極大的便利性，器件制作將更為便捷。因此，期待開發(fā)單壁碳納米管的定位生長方法。
[0005]特別地，單壁碳納米管按照其導電性不同可以分為兩類:即金屬性單壁碳納米管和半導體性單壁碳納米管。當碳納米管的布里淵區(qū)通過石墨烯布里淵區(qū)的Kb點(即費米能級)時，單壁碳納米管表現出金屬性；當碳納米管的布里淵區(qū)不通過石墨烯布里淵區(qū)的Kb點時，單壁碳納米管表現出半導體性。
[0006]半導體性單壁碳納米管可以用作構筑納米級邏輯電路的基本單元，如場效應晶體管、p-n結二極管和存儲器件等，具有廣泛的應用空間和前景?？煽刂苽涓呒兌劝雽w性單壁碳納米管是目前碳納米管研究領域的核心技術。得到單一導電性的單壁碳納米管可以有兩種途徑，一種是先制備后分離的方法，一種是直接生長的方法。先制備后分離的方法通常來說步驟較繁瑣，容易有雜質殘留，因此發(fā)展直接生長單一導電性的單壁碳納米管的方法無疑更加值得關注。
[0007]目前，文獻報道的直接生長單一導電性的單壁碳納米管的方法可以分為兩類:一類是通過選擇合適的催化劑來得到單一導電性的碳納米管或是使得某一種或幾種手性的碳納米管得到富集；另一類就是利用金屬性單壁碳納米管和半導體性單壁碳納米管反應活性的不同對某一種導電性的單壁碳納米管實施破壞，阻止其生長，從而得到另一種導電性的單壁碳納米管。
[0008]因為金屬性碳納米管比半導體性碳納米管電離能低，更易發(fā)生氧化等化學反應，因此可利用選擇性阻止和破壞金屬性碳納米管的生長，從而獲得半導體性碳納米管富集的樣品。已有研究中都是采用在氣相中添加或者產生一定的反應性物種來選擇性地阻止金屬性碳納米管的生長。而這些方法都存在條件不容易控制，生長窗口窄的缺點。
[0009]此外，大部分選擇性生長都是采用體相生長的方法，得到的都是單壁碳納米管的粉末樣品，很容易形成碳納米管管束。這些樣品還需要經過提純才能夠被利用。在進行器件制作的時候必須將碳納米管分散后再組裝到基底表面。提純、分散的過程不可避免的要用到超聲并加入分散劑，這些都會對單壁碳納米管引入缺陷，造成其性能的降低。組裝到基底表面的過程對單壁碳納米管的方向和位置控制又是一個很大的挑戰(zhàn)。而直接在基底表面選擇制備單一導電性的方法無疑是最便于后續(xù)器件制備的，因為它避免了提純、分散和組裝這些會破壞碳納米管的過程。
[0010]因此需要發(fā)展更有效和可靠的半導體性碳納米管的生長方法，特別是半導體性碳納米管的定位生長方法。

【發(fā)明內容】

[0011]為了解決上述問題，本發(fā)明人進行了銳意研究，結果發(fā)現:一些金屬氧化物和非金屬氧化物對于單壁碳納米管的生長具有定位特性，通過將單壁碳納米管生長用催化劑負載于具有定位特性的載體上，并將載體固定于生長基片上，即可定位生長單壁碳納米管；特別地，這些具有定位特性的金屬氧化物具有氧化性，還可以選擇性地定位生長單壁碳納米管，從而完成本發(fā)明。
[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種單壁碳納米管的定位生長方法，該方法包括以下步驟:
[0013](I)提供具有定位特性的氧化物載體:提供粒徑為lnm-1000 μ m的金屬氧化物或非金屬氧化物粉末，所述金屬氧化物選自Ce02、Al203、Mg0、V205、Mn02、Cr203、Zr02、Hf02、Sn02、PbO2, La2O3' Y2O3'氧化鐠(PrxOy)、Eu2O3' Gd2O3和氧化鈾(UxOy),所述非金屬氧化物為S12 ；
[0014](2)催化劑(前驅體)的負載:將步驟(I)中所得具有定位特性的氧化物載體與催化劑納米粒子或催化劑前驅體分散于溶劑中，超聲處理，棄去上層清夜，分離干燥，得到由氧化物載體負載的催化劑(前驅體)粉末；
[0015](3)負載有催化劑(前驅體)的氧化物載體的投放:將負載有催化劑(前驅體)的氧化物載體通過光刻、濺射、蒸鍍、微接觸印刷、納米壓印或蘸筆刻蝕等方式投放于生長基片上；
[0016](4)單壁碳納米管的CVD生長:將步驟(3)中所獲得的生長基片，在600-1500°C溫度下，通入氫氣進行預還原，然后以lO-lOOOml/min的流速碳源氣體，任選地，伴隨通入氫氣，通過化學氣相沉積，生長單壁碳納米管。
[0017]本發(fā)明的目的還在于提供一種單壁碳納米管的定位生長方法，該方法包括以下步驟:
[0018](I)提供具有定位特性的氧化物載體:提供粒徑為lnm-1000 μ m的金屬氧化物或非金屬氧化物粉末，所述金屬氧化物選自Ce02、Al203、Mg0、V205、Mn02、Cr203、Zr02、Hf02、Sn02、PbO2, La2O3' Y2O3'氧化鐠(PrxOy)、Eu2O3' Gd2O3和氧化鈾(UxOy),所述非金屬氧化物為S12 ；
[0019](2)氧化物載體的投放:將上述氧化物載體通過光刻、濺射、蒸鍍、微接觸印刷、納米壓印或蘸筆刻蝕等方式投放于生長基片上；
[0020](3)催化劑的沉積:在上述步驟(2)中獲得的生長基片上，通過氣相沉積金屬催化劑顆粒等方式，在生長基片中的氧化物載體上沉積催化劑；
[0021](4)單壁碳納米管的CVD生長:將步驟(3)中所獲得的生長基片，以lO-lOOOml/min的流速碳源氣體，任選地，伴隨通入氫氣，通過化學氣相沉積，生長單壁碳納米管。
[0022]本發(fā)明的另一目的在于提供一種半導體性單壁碳納米管的定位生長方法，該方法包括以下步驟:
[0023](I)提供具有定位特性的氧化物載體:提供粒徑為Inm-1OOOym的金屬氧化物，所述金屬氧化物選自 CeO2、V2O5、MnO2、Cr2O3、ZrO2、HfO2、SnO2、PbO2、La2O3、Y2O3、氧化鐠(PrxOy)、Eu2O3' Gd2O3 和氧化鈾(UxOy)；
[0024](2)催化劑(前驅體)的負載:將步驟(I)中所得具有定位特性的氧化物載體與催化劑納米粒子或催化劑前驅體分散于溶劑中，超聲處理，棄去上層清夜，分離干燥，得到由氧化物載體負載的催化劑(前驅體)粉末；
[0025](3)負載有催化劑(前驅體)的氧化物載體的投放:將負載有催化劑(前驅體)的氧化物載體通過光刻、濺射、蒸鍍、微接觸印刷、納米壓印或蘸筆刻蝕等方式投放于生長基片上；
[0026](4)單壁碳納米管的CVD生長:將步驟(3)中所獲得的生長基片，在600-1500°C溫度下，通入氫氣進行預還原，然后以10-1000ml/min的流速碳源氣體，任選地伴隨通入氫氣，通過化學氣相沉積，生長單壁碳納米管。
[0027]本發(fā)明的另一目的還在于一種半導體性單壁碳納米管的定位生長方法，該方法包括以下步驟:
[0028](I)提供具有定位特性的氧化物載體:提供粒徑為lnm-1000 μ m的金屬氧化物，所述金屬氧化物選自 CeO2、V2O5、MnO2、Cr2O3、ZrO2、HfO2、SnO2、PbO2、La2O3、Y2O3、氧化鐠(PrxOy)、Eu2O3' Gd2O3 和氧化鈾(UxOy)；
[0029](2)氧化物載體的投放:將上述氧化物載體通過光刻、濺射、蒸鍍、微接觸印刷、納米壓印或蘸筆刻蝕等方式投放于生長基片上；
[0030](3)催化劑的沉積:在上述步驟(2)中獲得的生長基片上，通過氣相沉積金屬催化劑顆粒等方式，在生長基片中的氧化物載體上沉積催化劑；
[0031](4)單壁碳納米管的CVD生長:將步驟(3)中所獲得的生長基片，以10-1000ml/min的流速碳源氣體，任選地，伴隨通入氫氣，通過化學氣相沉積，生長單壁碳納米管。
[0032]在根據本發(fā)明的方法中，單壁碳納米管生長于氧化物載體負載或沉積的催化劑上，難以或幾乎不會在生長基片的其他位置上，因此，通過定位投放氧化物載體，能夠定位生長單壁碳納米管。
[0033]此外，在使用金屬氧化物載體的情況下，能夠選擇性地定位生長半導體性單壁碳納米管，拉曼光譜的檢測結果顯示半導體性單壁碳納米管的選擇性非常好。
【附圖說明