電子束誘導沉積制備碳納米管的方法
【專利摘要】電子束誘導沉積制備碳納米管的方法涉及納米微復合材料領域。本發明抽出單根半導體納米線，并通過電子束誘導沉積技術使其表面包裹一層非晶碳層，形成納米線和非晶碳層的“核殼結構”，再對其加載偏壓，電流產生的焦耳熱使納米線熔化并將其驅趕出納米管，同時焦耳熱也使得非晶碳轉化成層狀多晶，最終得到單根碳納米管。本發明可以精確控制碳納米管的長度、直徑和壁厚等參數，并可以即時對其形成過程進行原位研究，為碳納米管的生長機理研究提供充分的數據。由于沒有摻雜和催化劑，本發明所獲得的碳納米管純度極高。本發明也可以推廣到制備碳納米管陣列。
【專利說明】電子束誘導沉積制備碳納米管的方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及納米微復合材料領域的一種碳納米管的制備方法。
【背景技術】:
[0002]碳納米管是現今最具有研究價值的納米材料之一。獨特的結構和優越的物理化學性能賦予了其巨大的應用潛力。而對碳納米管進行深入研究的重要前提是碳納米管的制備。如何制備出高純度、低缺陷且規格可控的碳納米管是其性能研究和應用開發的一個歷史性難題。
[0003]目前常用的碳納米管制備方法主要有如下幾種:
[0004]1.電弧放電法
[0005]電弧放電法是最早用于制備碳納米管的方法之一，1991年日本物理學家飯島澄男從電弧放電法生產的碳纖維中首次發現碳納米管。其原理為:將石墨電極置于惰性氣體保護中，在兩極之間激發出電弧，產生的高溫使石墨蒸發，生成含有碳納米管的產物。該方法的缺點是:電弧放電過程難以控制，制備的碳納米管取向不定，且雜質含量較高。
[0006]2.激光蒸發法
[0007]激光蒸發法是制備單壁碳納米管的一種有效方法。通常激光法大多用用高能CO2激光或Nd/YAG激光照射處于惰性氣體氣氛中的摻雜了 Fe、Co、Ni或其合金的石墨靶，從而制備出單壁碳納米管和單壁碳納米管束。但其設備復雜、產率低、投資成本高，難以推廣應用。
[0008]3.化學氣相沉積法`
[0009]化學氣相沉積法(CVD法)一般是含碳氣體流經催化劑表面時發生催化裂解，生成碳納米管，催化劑常常為過渡金屬(Fe、Co、N1、Mo等)或其混合物等。成本低、產量大、反應過程易于控制等優點使其成為最有希望實現大批量制備高質量的碳納米管的方法。但是該方法制備的碳納米管石墨化程度較差，存在較多的結構缺陷。
【發明內容】
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[0010]本發明的目的在于提供一種可以精確控制碳納米管的長度、直徑和壁厚等參數，并可以即時對其形成過程進行原位研究的方法，從而彌補現有技術中的不足，并為其生長機理的研究提供依據。
[0011]為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案:
[0012]在場發射高分辨透射電子顯微鏡中，利用電學測試平臺進行操控，通過操控鎢針尖進行移動，與沾在銀絲上的半導體納米線進行接觸，并通過電子束誘導沉積技術將鎢針尖與納米線進行連接，抽出納米線，再將銀絲換成另一根鎢針尖，同樣利用電子束誘導沉積技術將納米線另一端與該鎢針尖連接，使其形成閉合回路。
[0013]通過電子束誘導沉積技術在納米線表面沉積一層均勻的非晶碳層，形成碳和納米線的“核殼結構”，然后通過調節加載偏壓，利用焦耳熱將納米線熔化，并在電場的作用下將內部物質驅趕到外面，形成干凈中空的管狀結構，通過高分辨電鏡分析，結果表明這種空心管狀結構為多壁碳納米管。電子束誘導沉積(EBID)技術是一種制備納米線、納米點等納米結構以及對納米結構進行表面修飾的一種重要手段。
[0014]該方法具體包括如下步驟:
[0015]電子束誘導沉積制備碳納米管的方法，其特征在于:包括如下步驟:
[0016]I)將鎢針尖和沾有半導體納米線的銀絲分別置于電學測試平臺的正負兩個電極上，并放入透射電子顯微鏡中；
[0017]2)此時電學測試平臺中的鎢針尖能在x、y、z三個方向進行移動，在另一端的銀絲上選擇一根納米線，操控鎢針尖與其接觸，并利用電子束誘導沉積技術將鎢針尖與納米線進行連接，進而抽出納米線；
[0018]3)將銀絲換為另一根鎢針尖，并利用銀膠將其固定在電極上；
[0019]4)操控可移動的鎢針尖使納米線的另一端與剛置換的鎢針尖接觸，同樣利用電子束誘導沉積技術使其連接，這樣，半導體納米線的兩端分別與連接了電極的兩根鎢針尖相連接，形成閉合回路；[0020]5)利用電子束誘導沉積技術在納米線表面沉積一層均勻的非晶碳層；
[0021]6)調節加載偏壓(偏壓值取決于半導體納米線的熔點)，電流產生的焦耳熱將納米線熔化，并且在電場的作用下將納米線物質驅趕到外面，焦耳熱也會使得表面的非晶碳層晶化形成層狀結構的晶體，整個過程中利用透射電子顯微鏡實時監控該過程中其結構變化。
[0022]另外，將半導體納米線陣列置于真空環境中，連接進閉合電路，利用電子束誘導沉積技術，通過聚焦電子束的輻照，誘導碳原子吸附，使其表面沉積一層均勻非晶碳層，通過調節電子束輻照時間控制非晶碳層的厚度，再對該陣列加載偏壓，利用電流產生的焦耳熱將納米線融化，并在電場的作用下將其驅趕出納米管，同時焦耳熱使非晶碳層發生晶化，最終得到成陣列的碳納米管。
[0023]與現有技術相比，本發明具有以下優點和積極效果:
[0024]1.該方法可以通過選擇不同尺寸的半導體納米線來精確控制碳納米管的長度和
直徑；
[0025]2.該方法可以通過控制電子束誘導沉積的時間來控制碳納米管的壁厚；
[0026]3.由于沒有摻雜和催化劑，使用該方法制備的碳納米管純度極高；
[0027]4.該方法是在原位下進行，可以即時對其形成過程進行原位研究，為碳納米管的生長機理研究提供充分的數據；
[0028]5.該方法可以通過提供半導體納米線陣列將其推廣到制備碳納米管陣列。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0029]圖1是本發明中用到的一種透射電鏡中納米線電學性能測試平臺的俯視圖。
[0030]圖2是本發明的過程示意圖，(a)為本實驗所用的InGaAs納米線，(b)為形成的多壁碳納米管，(C)為(b)圖中碳納米管管壁處紅色矩形框所標示的碳納米管的高分辨圖。
[0031]圖3是本發明中電場的作用將熔化的InGaAs納米線驅趕到外部，同時使非晶碳晶化的過程示意圖。【圖3是我們為了專門呈現一下驅趕的過程，在納米線熔化后還有部分殘余在碳納米管中時重新加載了一遍電壓，所以(a)圖中的電壓是0V，這并不是說OV的電壓就已經使納米線融化了】
[0032]圖4是本發明推廣到制備碳納米管陣列的示意圖。
【具體實施方式】:
[0033]以下結合附圖以及一實例對本發明的技術方案作進一步的說明。實例中使用了InGaAs納米線。
[0034]1.將鎢針尖和沾有InGaAs納米線的銀絲分別置于電學測試平臺的正負兩個電極上，如圖1所示，并放入高分辨透射電子顯微鏡中，抽好真空；電學測試平臺上連接有一個一端固定的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片的不固定端用來放置鎢針尖，固定端外接兩根驅動導線，驅動導線外接于驅動電源，利用軟件操控壓電陶瓷片可調節與之相連的鎢針尖，使其在x、y、z三個方向移動，同時可以利用軟件來調節該電學測試平臺進行導電能力測試、加載偏壓等操作，該裝置包括控制電源，電阻，電容，場發生測試儀器。
[0035]2.通過操控電學測試平臺可使鎢針尖在x、y、z三個方向上進行移動，在與另一電極相連的的銀絲上選擇一根InGaAs納米線，操控鎢針尖與其相接觸，并利用電子束誘導沉積技術將鎢針尖與納米線進行連接，進而抽出該納米線；
[0036]3.抽出樣品桿，將銀絲換成另一根鎢針尖，利用銀膠將其固定在電極上，并再次放入樣品桿，抽好真空；
[0037]4.通過操控可移動的鎢針尖，使InGaAs納米線與剛置換的鎢針尖相接觸，同樣利用電子束誘導沉積技術將其連接，這樣，InGaAs納米線的兩端分別與連接了電極的兩根鎢針尖相連接，形成閉合回路；
[0038]5.利用電子束誘導沉積技術在InGaAs納米線表面沉積一層均勻的非晶碳層，厚度約為5nm ；
[0039]6.對該閉合回路加載偏壓，調節至12V時，電流產生的焦耳熱會使納米線熔化，并在電場的作用下將其驅趕到外面(驅趕過程如圖3)，同時，焦耳熱也會使納米線表面的非晶碳層發生晶化，變成層狀晶體結構，得到單根碳納米管(如圖2)，利用透射電鏡對該過程進行了實時監控；
[0040]7.利用電學測試平臺測試所得碳納米管的電學性能，發現其導電性能良好，電導率達到 1.16X104S/m ；
[0041]8.該發明還可以推廣到碳納米管陣列的制備，將半導體納米線陣列連接進閉合電路，如圖4所示，利用電子束誘導沉積技術在其表面沉積一層均勻非晶碳層，再對其加載偏壓，利用焦耳熱將納米線熔化并驅趕出來，同時使非晶碳發生晶化，得到成陣列的碳納米管。
【權利要求】
1.電子束誘導沉積制備碳納米管的方法，其特征在于:包括如下步驟: 1)將鎢針尖和沾有半導體納米線的銀絲分別置于電學測試平臺的正負兩個電極上，并放入透射電子顯微鏡中； 2)此時電學測試平臺中的鎢針尖能在x、y、z三個方向進行移動，在另一端的銀絲上選擇一根納米線，操控鎢針尖與其接觸，并利用電子束誘導沉積技術將鎢針尖與納米線進行連接，進而抽出納米線； 3)將銀絲換為另一根鎢針尖，并利用銀膠將其固定在電極上； 4)操控可移動的鎢針尖使納米線的另一端與剛置換的鎢針尖接觸，同樣利用電子束誘導沉積技術使其連接，這樣，半導體納米線的兩端分別與連接了電極的兩根鎢針尖相連接，形成閉合回路； 5)利用電子束誘導沉積技術在納米線表面沉積一層均勻的非晶碳層； 6)調節加載偏壓，電流產生的焦耳熱將納米線熔化，并且在電場的作用下將納米線物質驅趕到外面，焦耳熱也會使得表面的非晶碳層晶化形成層狀結構的晶體，整個過程中利用透射電子顯微鏡實時監控該過程中其結構變化。
2.根據權利要求1所述的電子束誘導沉積制備碳納米管的方法，其特征在于:將半導體納米線陣列置于真空環境中，連接進閉合電路，利用電子束誘導沉積技術，通過聚焦電子束的輻照，誘導碳原子吸附， 使其表面沉積一層均勻非晶碳層，通過調節電子束輻照時間控制非晶碳層的厚度，再對該陣列加載偏壓，利用電流產生的焦耳熱將納米線融化，并在電場的作用下將其驅趕出納米管，同時焦耳熱使非晶碳層發生晶化，最終得到成陣列的碳納米管。
【文檔編號】B82Y30/00GK103693634SQ201310657117
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月8日 優先權日:2013年12月8日
【發明者】鄭坤, 王疆靖, 高攀, 韓曉東 申請人:北京工業大學