專利名稱：操縱碳納米管選擇性取向排布于基底表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種碳的米管排布的方法，特別是一種操縱碳納米管選擇性取向排布于基底表面的方法，屬于納米技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從碳納米管在1991年發(fā)現(xiàn)以來表現(xiàn)出很多潛在的應(yīng)用前景。利用過程中碳納米管操縱的一個局限性是它的不溶性。利用噴涂的碳納米管薄膜測試它的光吸收譜，可以得到狀態(tài)分布密度與碳納米管直徑間的關(guān)系，用此關(guān)系可以闡明用化學(xué)和電化學(xué)摻雜或運用高壓來改變碳納米管中的電子狀態(tài)的機制。由于在這種噴涂膜中碳納米管的不均勻聚集不可避免的導(dǎo)致表面粗糙，這樣沉積碳納米管的方向和膜厚度就不能實現(xiàn)控制。合理的碳納米管加工技術(shù)的發(fā)展對于工藝上的用途和進一步理解它的基本性質(zhì)都很重要，特別地，碳納米管膜厚和方向控制在納米結(jié)構(gòu)均勻薄膜的實現(xiàn)對其新型光電技術(shù)的應(yīng)用很重要。LB技術(shù)是一種沉積控制厚度和方向、無缺陷、分子有序超薄膜的方法。由于碳納米管在任何溶劑中都不溶，這樣直接由碳納米管形成LB膜不能實現(xiàn)。經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Krstic等人在《金屬合成》(Synthetic Metal)中100(2000)第245-249撰文，將它們分散在亞態(tài)多水溶液表面活化劑鋰十二(烷)基硫酸鹽中制備單層碳納米管，單層分子能夠被水平的沉積到固態(tài)襯底上。然而，由于碳納米管在水溶液中的溶解度有限，沉積單層碳納米管的密度非常低(＜7％)，不管用這種方法進行整個層的沉積還是管方向的控制都不可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種操縱碳納米管選擇性取向排布于基底表面的方法，實現(xiàn)了在各種襯底上鍍膜碳納米管單層和多層取向膜的操作。碳納米管分子膜的質(zhì)量控制和碳納米管的排列方向用紫外-可見-紅外吸收譜、石英晶體微量天平、AFM和Raman偏振譜來測試。
本發(fā)明的方法具體如下①在溶劑中，通過在每一個碳納米管上結(jié)合帶有親水和疏水端的鏈狀分子，含碳原子數(shù)5-30之間，將初始碳納米管凈化和溶液化，溶解度1-70％；②將固態(tài)襯底處理成親水，或進一步處理成疏水；③用Langmuir水槽，控制水表面碳納米管單分子薄膜表面壓力-表面積等溫線；④將形成的碳納米管單層，轉(zhuǎn)移到處理過的固態(tài)襯底的親水表面和疏水表面形成Y-型LB膜，測試碳納米管取向LB膜在基底表面的選擇性沉積，轉(zhuǎn)移率0.1-0.98；⑤利用高能光線照射碳納米管單層鍍膜，一些帶有親水和疏水端的分子離解并從襯底上蒸發(fā)，而碳納米管由于其高的穩(wěn)定性依然保留在襯底上。
因此，用Langmuir-Blodgeet技術(shù)制備出了厚度均勻可控的多層碳納米管薄膜。在膜中，化學(xué)修飾的碳納米管幾乎是沿同一方向(選取方向)。碳納米管可控厚度分子鍍膜和管的排列方向控制為利用碳納米管制造分子器件創(chuàng)造了條件。而且，這種技術(shù)可用來制備樣品，應(yīng)用于碳納米管的光學(xué)和光電特性的表征和進一步理解其光電子學(xué)性質(zhì)。比如，運用此發(fā)明可以測量納米材料的電導(dǎo)率；可以制造納米光柵。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，碳納米管排列的方向可以人為控制，碳納米管薄膜中碳納米管的排列方向可以在制備過程中由外加壓力來控制，進而制備的碳納米管薄膜可以成功的轉(zhuǎn)移到處理過的固態(tài)襯底的親水表面和疏水表面形成Y-型LB膜，制備過程中引入的鏈狀有機物分子也可以成功的除去，除去有機物分子是運用高能光線照射薄膜，使得沉積過程中引入的鏈狀分子離解蒸發(fā)，而且在照射的過程中由于碳納米管的高穩(wěn)定性，不會破壞碳納米管膜本身。


圖1本發(fā)明π-A等溫線2碳納米管LB膜在紫外-可見紅外的吸收譜示意圖
具體實施例方式如圖1和圖2所示，以下本發(fā)明結(jié)合附圖進一步說明具體實施情況經(jīng)過本發(fā)明的第一、二步的步驟，用碳納米管的濃度為0.1325mg/ml的400μl三氯甲烷溶液撒在水面上測試π-A等溫線，圖線表明表面壓力上升陡峭且有很大的負壓力(51mN/m)，溫度對等溫線形狀的影響不是很大。單層在水表面的大面積占據(jù)和高的負壓力與一些沒有擴散開的化學(xué)修飾過的金屬納米晶粒相似。將π-A等溫線陡峭的部分向零壓力外推就給出了在水表面液體單層的占據(jù)表面積，每平方厘米碳納米管大約為2.0×10-4mg。
從170cm-1的Raman徑向呼吸振動模式判斷，溶液化碳納米管的平均直徑大約為1.32nm，從幾何尺寸上考慮，相當于在沿著管軸方向每納米尺寸管壁上有158個碳原子，碳納米管單層的表面密度是2.39×10-4mg/cm2。實驗中碳納米管單層在水表面的形成是由于附著的帶有親水和疏水端的鏈狀分子。碳納米管表面密度實驗值(大約2.0×10-4mg/cm2)比計算值小了大約16.3％，這表明碳納米管在單層中是疏松分布的。
經(jīng)過本發(fā)明的前三步步驟的操作形成碳納米管的Y-型LB膜，傳輸系數(shù)是0.8。圖2示碳納米管LB膜在紫外-可見紅外的吸收譜，從圖中可以看出碳納米管LB膜有三個主要吸收峰分別在1820nm、1000nm、700nm，前兩個來自納米管半導(dǎo)體性質(zhì)的內(nèi)部帶間光躍遷，最后一個來自其金屬性的光躍遷。自第一層鍍膜逐層測試直到14層，碳納米管在1820nm的峰吸收系數(shù)與層數(shù)是一個很好的直線關(guān)系，這表明實現(xiàn)了LB膜的逐層沉積并且可以精確控制均勻多層膜的厚度。在表面壓力為30mN/m時，碳納米管單層沉積在石英晶體微量天平的端面(端面積0.196cm2)形成LB膜。LB膜的質(zhì)量隨著層數(shù)增多而增加，給出了很好的線性關(guān)系。這個結(jié)果進一步表明碳納米管形成了相當均勻的LB膜。完成14層沉積后，在石英晶體微量天平的端面碳納米管LB膜的質(zhì)量是8.23×10-7g，這與在有限表面積2.0×10-4mg/cm2上算出的值1.1×10-6g比較接近。
當用AFM觀察制備的碳納米管單層鍍膜時，由于帶有親水和疏水端的鏈狀分子的存在影響了AFM端面的分辨能力。因此，我們做了第五個步驟，光照時一些帶有親水和疏水端的鏈狀分子被離解且從襯底上蒸發(fā)，而碳納米管由于其高的穩(wěn)定性依然保留在襯底上。
用Raman偏振分光鏡進一步測試了LB膜中碳納米管的方向，Raman峰在170cm-1和1590cm-1處，它們分別起因于徑向呼吸模和切向拉伸G模，峰強隨著極化方向和納米管軸線間的測試角不同而不同。特別地，G模實驗強度在接近60°處顯示出最小的特性與其理論值非常一致(理論上，切向方式的強度應(yīng)在θ＝54.7°時最小)。
權(quán)利要求
1.一種操縱碳納米管選擇性取向排布于基底表面的方法，其特征在于方法具體如下①在溶劑中，通過在每一個碳納米管上結(jié)合帶有親水和疏水端的鏈狀分子，將初始碳納米管凈化和溶液化；②將固態(tài)襯底處理成親水，或進一步處理成疏水；③用Langmuir水槽，控制水表面碳納米管單分子薄膜表面壓力-表面積等溫線；④將形成的碳納米管單層，轉(zhuǎn)移到處理過的固態(tài)襯底的親水表面和疏水表面形成Y-型LB膜，測試碳納米管取向LB膜在基底表面的選擇性沉積，轉(zhuǎn)移率；⑤利用高能光線照射碳納米管單層鍍膜，一些帶有親水和疏水端的分子離解并從襯底上蒸發(fā)，而碳納米管依然保留在襯底上。
全文摘要
操縱碳納米管選擇性取向排布于基底表面的方法屬于納米技術(shù)域。本發(fā)明方法為:①在溶劑中,通過在每一個碳納米管上結(jié)合帶有親水和疏水端的鏈狀分子,將初始碳納米管凈化和溶液化;②將固態(tài)襯底處理成親水,或進一步處理成疏水;③用Langmuir水槽,控制水表面碳納米管單分子薄膜表面壓力－表面積等溫線;④將形成的碳納米管單層,轉(zhuǎn)移到處理過的固態(tài)襯底的親水表面和疏水表面形成Y－型LB膜,測試碳納米管取向LB膜在基底表面的選擇性沉積;⑤利用高能光線照射碳納米管單層鍍膜。本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步,碳納米管排列方向可人為控制,有機物分子可成功除去,不會破壞碳納米管膜本身。
文檔編號C01B31/02GK1388058SQ0211133
公開日2003年1月1日 申請日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者張亞非, 郭銀忠, 徐東 申請人:上海交通大學(xué)