專利名稱：一種碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)及其模板法組裝工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一維納米材料領(lǐng)域，特別是提供了一種碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)及其模板法組裝工藝。
背景技術(shù)：
電子集成技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在一定空間內(nèi)組裝出更多的電子元件，特別是晶體二極管等，而傳統(tǒng)的硅晶體管無論在尺寸上還是在性能上已經(jīng)越來越難以滿足微電子技術(shù)未來發(fā)展的要求，因此亟需找到新的半導(dǎo)體材料以取代硅半導(dǎo)體在晶體管組裝技術(shù)中的關(guān)鍵地位，其中最具研究價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Φ臒o疑就是以碳納米管(Carbon Nanotubes, CNTs)為代表的一維納米材料。異質(zhì)結(jié)是指兩種不同的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域，按照兩種材料的導(dǎo)電類型不同，異質(zhì)結(jié)可分為同型異質(zhì)結(jié)(P-P結(jié)或n-n結(jié))和異型異質(zhì)(p-n或n-p)結(jié)，多層異質(zhì)結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常形成異質(zhì)結(jié)的條件是兩種半導(dǎo)體有相似的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子間距和熱膨脹系數(shù)。利用界面合金、外延生長、真空淀積等技術(shù)，都可以制造異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)常具有兩種半導(dǎo)體，各自的Pn結(jié)都不能達(dá)到的優(yōu)良的光電特性，使它適宜于制作超高速開關(guān)器件、太陽能電池以及半導(dǎo)體激光器等。作為由石墨烯片卷積而成的典型一維納米結(jié)構(gòu)，碳納米管具有獨(dú)特的電子輸運(yùn)性能、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能，適合用于電子元器件組裝。更為重要的是，由單層石墨烯片所組成的單壁碳納米管可根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)(如直徑或螺旋角) 的不同而呈現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性，如能在同一根納米管上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同性能碳納米管片段的相互連接，即可構(gòu)成一個(gè)完整的納米管異質(zhì)結(jié)，成為理想的分子尺度電子裝置單元乃至組裝出納米半導(dǎo)體器件和大規(guī)模集成電路。但以目前的技術(shù)水平，尚無法大規(guī)模合成或組裝此類異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在工藝的可重復(fù)性和實(shí)用性等方面存在諸多技術(shù)難點(diǎn)需以克服。另一種更實(shí)用的技術(shù)思路已用于控制碳納米管的導(dǎo)電特性，其原理是在石墨烯片結(jié)構(gòu)中引入N或B等外來原子，從而得到ρ-或η-半導(dǎo)體型碳基納米管。這一方法所合成碳納米管的性能調(diào)控性較強(qiáng)，且不受碳管管徑、螺旋角、壁厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制，因此更有利于碳基納米的結(jié)構(gòu)-性能控制。但如何將不同導(dǎo)電性能的納米管組裝為異質(zhì)結(jié)，并保證異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和性能的一致性，目前尚無滿意的工藝解決方案。日本東北大學(xué)Τ. Kyotani等以陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide, AA0)多孔結(jié)構(gòu)為模板、通過熱解碳化學(xué)氣相沉積工藝，成功實(shí)現(xiàn)了純碳/N摻雜碳納米管、N摻雜及B摻雜碳納米管等多種套筒式層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的直接合成。不過所獲得的納米結(jié)構(gòu)為層狀復(fù)合、同軸嵌套，對(duì)后續(xù)的半導(dǎo)體特性表征及晶體管組裝等工作造成明顯困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述技術(shù)瓶頸或難點(diǎn)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)及其模板法組裝工藝，用于實(shí)現(xiàn)一種線性聯(lián)接、幾何形貌均一可調(diào)、工藝重復(fù)性好的納米
4異質(zhì)結(jié)的控制合成。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，由不同成分碳基納米管片段在其長度方向上以同軸無縫對(duì)接而成，同軸異質(zhì)結(jié)組成部分為碳基納米管片段，可為純碳納米管、N-摻雜碳納米管或B-摻雜碳納米管等；碳基納米管片段的外徑相同，化學(xué)成分有差異，異質(zhì)結(jié)外徑可在 IOnm-IOOnm范圍調(diào)整控制，長度、壁厚可根據(jù)需要調(diào)整。所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)長度在20nm-lmm范圍調(diào)整控制，壁厚在 2. 5nm-40nm范圍調(diào)整控制。所述不同成分碳基納米管為純碳納米管或經(jīng)外來原子摻雜的碳基納米管，外來原子為氮(N)或硼(B)等，外來原子摻入量為0. 5-10at% (優(yōu)選為2-6at% )。上述碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的模板法組裝工藝，以陽極氧化鋁為模板，結(jié)合化學(xué)氣相沉積、等離子體處理等工藝，優(yōu)選合適碳源，在陽極氧化鋁長直模板上，經(jīng)化學(xué)氣相分解、沉積得到適當(dāng)組分的碳基納米管，經(jīng)等離子體刻蝕處理后移除部分納米管后，經(jīng)更換反應(yīng)源、二次化學(xué)氣相沉積過程在同一氧化鋁模板上形成新的碳基納米管片段，從而實(shí)現(xiàn)不同成分碳基納米管的同軸無縫對(duì)接，即同軸異質(zhì)結(jié)。包括如下步驟①采用陽極氧化法控制形成特定結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁(AAO)模板；所述陽極氧化鋁(AAO)模板可以為孔道呈“U”形，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面,平均孔徑10-100nm、深度20nm-lmm。所述陽極氧化鋁(AAO)模板可以為孔道呈中空柱形，兩端開口，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面，平均孔徑10-100nm、深度20nm-lmm。②一步化學(xué)氣相沉積工藝合成具有特定組成和結(jié)構(gòu)的碳基納米管-I ；所述碳基納米管-I可以為純碳納米管、N-摻雜碳納米管或B-摻雜碳納米管，其中，純碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，反應(yīng)氣體為乙炔或丙烯與氮?dú)獾幕旌衔?，乙炔與氮?dú)獾牧髁勘葹? 2-9，丙烯與氮?dú)獾牧髁勘葹? 9-90，氮?dú)饬髁繛?00-1000cm7min，反應(yīng)溫度600-800°C，反應(yīng)時(shí)間1-8小時(shí)；N-摻雜碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，以甲基腈為碳源， 以氮?dú)?N2)為載氣，氮?dú)饬髁繛?00-1000Cm7min，反應(yīng)溫度700-900°C，反應(yīng)時(shí)間4_8小時(shí)；B-摻雜碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，以苯(C6H6)為碳源， 以氯化硼(BCl3)為硼源，以氮?dú)鈿?為載氣，氮?dú)饬髁繛?00-1200Cm7min ；苯、氯化硼和氮?dú)饣旌衔镏校絣_fet%，氯化硼l_5at%，反應(yīng)溫度700-800°C，反應(yīng)時(shí)間10-120分鐘。③氧等離子體刻蝕工藝切除部分納米管；采用等離子體刻蝕工藝控制不同成分碳基納米管的長度，等離子體刻蝕過程在富氧環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，氧氣流量10-1000Cm7min (優(yōu)選30-600cm7min)，處理時(shí)間2-600秒(優(yōu)選 30-300 秒)。④更換反應(yīng)源，經(jīng)第二步化學(xué)氣相沉積工藝在同一 AAO模板上形成碳基納米管-II，化學(xué)氣相沉積過程中使用不同原料以生長不同成分、性能的碳基納米管；所述碳基納米管-II可以為純碳納米管、N-摻雜碳納米管或B-摻雜碳納米管，其中，純碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，反應(yīng)氣體為乙炔(C2H2) 或丙烯(C3H6)與氮?dú)鈿?的混合物，乙炔與氮?dú)獾牧髁勘葹? 2-9，丙烯與氮?dú)獾牧髁勘葹? 9-90，氮?dú)饬髁繛?00-1000cm7min，反應(yīng)溫度600-800°C，反應(yīng)時(shí)間1-8小時(shí)；N-摻雜碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，以甲基腈(CH3CN) 為碳源，以氮?dú)?N2)為載氣，氮?dú)饬髁繛?00-1000Cm7min，反應(yīng)溫度700-900°C，反應(yīng)時(shí)間 4-8小時(shí)；B-摻雜碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，以苯(C6H6)為碳源， 以氯化硼(BCl3)為硼源，以氮?dú)? )為載氣，氮?dú)饬髁繛?00-1200Cm7min;苯、氯化硼和氮?dú)饣旌衔镏校秸糽_5at%，氯化硼占l-5at%，反應(yīng)溫度700-800°C，反應(yīng)時(shí)間10-120分鐘。⑤離散化處理用于移除表面熱解碳和AAO模板，表面熱解碳移除采用等離子體處理，AAO模板去除采用堿處理，經(jīng)清洗、干燥后，獲得碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)。本發(fā)明的技術(shù)路線示意圖見圖1、圖2。由于AAO模板在等離子體刻蝕和化學(xué)氣相沉積過程中始終保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此該工藝可實(shí)現(xiàn)外徑一致，但化學(xué)組成和導(dǎo)電特性顯著不同的兩種碳基納米管的同軸對(duì)接。這一新型納米結(jié)構(gòu)已在高分辨透射電鏡下得到充分證實(shí)，見圖3-圖4。本發(fā)明提供了上述碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的模板法合成工藝，采用化學(xué)氣相沉積過程與等離子體處理工藝相結(jié)合，在同一 AAO模板上實(shí)現(xiàn)納米管的累次生長，完成碳基納米管片段的同軸連接，從而獲得同軸異質(zhì)結(jié)。其中，化學(xué)氣相沉積過程中使用不同原料以生長不同成分、性能的碳基納米管；等離子體處理則用于切除部分納米管，從而獲取碳基納米管片段。在此期間，AAO模板結(jié)構(gòu)、尺寸保持不變，因此作為最終產(chǎn)物的異質(zhì)結(jié)呈現(xiàn)外徑相同、同軸聯(lián)接的幾何形式。本發(fā)明的有益效果包括1.本發(fā)明提供一種碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，是由不同組分、不同導(dǎo)電性能的納米管片段沿軸向無縫對(duì)接而成，其外徑相同，形貌組成一致，彼此連接牢固，且可根據(jù)需要對(duì)納米管片段的化學(xué)組成、導(dǎo)電特性、幾何結(jié)構(gòu)等進(jìn)行調(diào)整控制，便于異質(zhì)結(jié)在微電子電路等領(lǐng)域的應(yīng)用。2.本發(fā)明提出了一種同軸異質(zhì)結(jié)的模板法組裝技術(shù)思路，利用陽極氧化鋁(AAO) 模板的長直孔道，經(jīng)累次CVD過程生長不同組分、性能的納米管等一維納米材料，實(shí)現(xiàn)納米管片段的無縫對(duì)接，從而獲得納米管同軸異質(zhì)結(jié)。通過對(duì)AAO模板的結(jié)構(gòu)控制包括孔徑、深度、開口狀態(tài)等，以及對(duì)CVD過程原材料、溫度場(chǎng)、反應(yīng)時(shí)間等的調(diào)整控制，可獲取不同幾何結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)，以滿足科研、生產(chǎn)、應(yīng)用等過程中對(duì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)-性能的特定需要。


圖1為“U”形碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)模板法組裝的技術(shù)路線示意圖；其中，階段產(chǎn)物分別為(a) “U”形AAO模板，(b) AAO模板+碳基納米管，(c) AAO模板+碳基納米管片段，(d)AAO模板+碳基納米管片段+新碳基納米管，(e)模板+碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，(f) 碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)；工藝過程I為第一步化學(xué)氣相沉積，工藝過程II為氧等離子體處理，工藝過程III為第二步化學(xué)氣相沉積，工藝過程IV為表面碳移除，工藝過程IV為堿處理(移除AAO模板)。圖2為中空管狀碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)模板法組裝的技術(shù)路線示意圖；其中，階段產(chǎn)物(a)為中空柱狀A(yù)AO模板，其它階段性產(chǎn)物及工藝過程如圖1。圖3為純碳納米管/N-摻雜碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)(中空管狀)的透射電鏡照片。圖4為N-摻雜碳納米管/碳納米管同軸異質(zhì)結(jié)(竹節(jié)狀)的透射電鏡照片。
具體實(shí)施例方式以下為本發(fā)明的實(shí)施例，但不限于所列舉實(shí)施例。實(shí)施例中為形貌表征方便，不同成分碳基納米管壁厚控制有明顯差異，而在其他制備、應(yīng)用過程中，碳基納米管壁厚及其一致性不受限制。實(shí)施例1制備過程技術(shù)路線如圖1。產(chǎn)物為一碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，由N-摻雜碳基納米管片段與純碳納米管同軸無縫對(duì)接而成。上述碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的控制合成采用陽極氧化鋁為模板，結(jié)合化學(xué)氣相沉積與等離子體處理等工藝，主要工藝步驟概述如下①AAO模板準(zhǔn)備孔道呈“U”形，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面，平均直徑25nm、深度5 μ m ；②N-摻雜碳基納米管制備ΑΑ0模板置于氣氛保護(hù)爐中，以甲基腈(CH3CN)為碳源，高純氮?dú)?體積純度彡99. 9996%，流量500Cm7min)為載氣，800°C下反應(yīng)7. 5小時(shí)，N 的摻雜量為2. 6at% ；③等離子體處理02流量30cm7min，1分鐘；④純碳納米管制備ΑΑ0模板置于氣氛保護(hù)爐中，反應(yīng)氣體為乙炔(C2H2)與高純氮?dú)?N2)的混合物，乙炔(C2H2)與氮?dú)?N2)的流量比為1 4，氮?dú)饬髁繛?00cm7min，反應(yīng)溫度700°C，2小時(shí)；⑤異質(zhì)結(jié)的離散化包括表面碳移除(等離子體處理)、ΑΑ0模板去除(堿處理)、
清洗、干燥等。所獲碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)由N-摻雜碳基納米管片段與同軸連接生長的純碳納米管組成，其中N-摻雜碳基納米管壁厚約5nm，純碳納米管壁厚約20nm。接頭部位典型呈中空管狀結(jié)構(gòu)，其微觀形貌如圖3透射電鏡照片所示。本實(shí)施例中，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的外徑為25nm，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的長度在5 μ m。實(shí)施例2制備過程技術(shù)路線如圖1。產(chǎn)物為一碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，由純碳納米管片段與N-摻雜碳基納米管片段同軸無縫對(duì)接而成。上述碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的控制合成采用陽極氧化鋁為模板，結(jié)合化學(xué)氣相沉積與等離子體處理等工藝，主要工藝步驟概述如下①AAO模板準(zhǔn)備孔道呈“U”形，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面，平均直徑:35nm、深度Imm ；②純碳納米管制備ΑΑ0模板置于氣氛保護(hù)爐中，反應(yīng)氣體為乙炔(C2H2)與高純氮?dú)?N2)的混合物，乙炔(C2H2)與氮?dú)?N2)的流量比為1 4，氮?dú)饬髁繛?00cm7min，反應(yīng)溫度600°C，8小時(shí)；③等離子體處理02流量60cm7min，5分鐘；④N-摻雜碳基納米管制備ΑΑ0模板置于氣氛保護(hù)爐中，以甲基腈(CH3CN)為碳源，高純氮?dú)?體積純度彡99. 9996%，流量500Cm7min)為載氣，800°C下反應(yīng)7. 5小時(shí)，N 的摻雜量為2. 6at% ；⑤異質(zhì)結(jié)的離散化包括表面碳移除(等離子體處理)、ΑΑ0模板去除(堿處理)、
清洗、干燥等。所獲碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)由純碳納米管片段與同軸連接生長的N-摻雜碳基納米管組成，其中純碳納米管壁厚20nm，N-摻雜碳基納米管壁厚5nm。產(chǎn)物接頭部位除典型中空管狀結(jié)構(gòu)外，另有部分碳管呈現(xiàn)竹節(jié)狀接頭特征，其微觀形貌如圖4透射電鏡照片所示。 本實(shí)施例中，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的外徑為35nm，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的長度在1mm。實(shí)施例3制備過程技術(shù)路線如圖2。產(chǎn)物為一碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，由純碳納米管片段與N-摻雜碳基納米管和 B-摻雜碳基納米管片段同軸無縫對(duì)接而成。上述碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的控制合成采用陽極氧化鋁為模板，結(jié)合化學(xué)氣相沉積與等離子體處理等工藝，主要工藝步驟概述如下①AAO模板準(zhǔn)備孔道呈中空柱形，兩端開口，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面，平均孔徑20nm、深度200nm ；②純碳納米管制備ΑΑ0模板置于氣氛保護(hù)爐中，反應(yīng)氣體為丙烯(C3H6)與高純氮?dú)鈵U)的混合物，丙烯(C3H6)與氮?dú)鈵U)的流量比為1 83，氮?dú)饬髁繛?88cm7min，反應(yīng)溫度800°C，1.5小時(shí)；③等離子體處理02流量30cm7min，30秒；④N-摻雜碳基納米管制備ΑΑ0模板置于氣氛保護(hù)爐中，以甲基腈(CH3CN)為碳源，高純氮?dú)?體積純度彡99. 9996%，流量500Cm7min)為載氣，800°C下反應(yīng)7. 5小時(shí)，N 的摻雜量為2. 6at% ；⑤B-摻雜碳基納米管制備ΑΑ0模板置于氣氛保護(hù)爐中，以苯(C6H6)為碳源，氯化硼(BCl3)為硼源，高純氮?dú)?體積純度彡99.9996%，流量500(^71^11)為載氣；苯、氯化硼和氮?dú)饣旌衔镏?，苯?. 8at%，氯化硼占4. 8at%，75(rC下反應(yīng)30分鐘，B的摻雜量為 4. Iat % ；⑥異質(zhì)結(jié)的離散化包括表面碳移除(等離子體處理)、ΑΑ0模板去除(堿處理)、
清洗、干燥等。所獲碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)由純碳納米管片段與同軸連接生長的N-/B-摻雜碳基納米管組成，其中純碳納米管壁厚約10nm，N-/B-摻雜碳基納米管嵌套筒狀結(jié)構(gòu)壁厚約 IOnm,純碳納米管的外徑為20nm，N-摻雜碳基納米管的外徑為20nm，B-摻雜碳基納米管的外徑為15nm。產(chǎn)物接頭部位典型呈中空管狀結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的外徑為20nm，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的長度在50nm。實(shí)施例4制備過程技術(shù)路線如圖1。產(chǎn)物為一碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，由純碳納米管片段與N-摻雜碳基納米管片段同軸無縫對(duì)接而成。上述碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的控制合成采用陽極氧化鋁為模板，結(jié)合化學(xué)氣相沉積與等離子體處理等工藝，主要工藝步驟概述如下①AAO模板準(zhǔn)備孔道呈“U”形，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面，平均直徑10nm、深度20nm ；②純碳納米管制備AA0模板置于氣氛保護(hù)爐中，反應(yīng)氣體為乙炔(C2H2)與高純氮?dú)鈵U)的混合物，乙炔(C2H2)與氮?dú)鈵U)的流量比為1 5，氮?dú)饬髁繛?00cm7min，反應(yīng)溫度600°C，1小時(shí)；③等離子體處理02流量30cm7min，10秒；④N-摻雜碳基納米管制備AA0模板置于氣氛保護(hù)爐中，以甲基腈(CH3CN)為碳源，高純氮?dú)?體積純度彡99.9996%，流量500 1171^11)為載氣，800°C下反應(yīng)4小時(shí)，N的摻雜量為2. 6at% ；⑤異質(zhì)結(jié)的離散化包括表面碳移除(等離子體處理)、AAO模板去除(堿處理)、
清洗、干燥等。所獲碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)由純碳納米管片段與同軸連接生長的N-摻雜碳基納米管組成，其中純碳納米管壁厚2. 5nm，N-摻雜碳基納米管壁厚3nm。產(chǎn)物接頭部位典型為中空管狀結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的外徑為lOnm，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的長度在20nm。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明異質(zhì)結(jié)由外徑相同的純碳納米管、N-摻雜碳納米管或 B-摻雜碳納米管在其長度方向上同軸對(duì)接而成，其制備工藝是以陽極氧化鋁孔道為模板， 采用化學(xué)氣相沉積過程與等離子體處理工藝相結(jié)合，在同一模板上實(shí)現(xiàn)納米管的累次生長和連接，從而獲得同軸異質(zhì)結(jié)。其中，化學(xué)氣相沉積過程采用不同反應(yīng)源以生長所需成分的碳基納米管，等離子體處理可切除部分納米管、形成納米管片段。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)不同形式、 成分、尺寸碳基納米管異質(zhì)結(jié)的控制合成，產(chǎn)物重復(fù)性好，工藝可調(diào)控性強(qiáng)，符合微電子行業(yè)發(fā)展的需要。
權(quán)利要求
1.一種碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，其特征在于，該異質(zhì)結(jié)由不同成分碳基納米管片段在其長度方向上以同軸無縫對(duì)接而成，碳基納米管為純碳納米管、N-摻雜碳納米管或B-摻雜碳納米管；碳基納米管片段的外徑相同，化學(xué)成分有差異，異質(zhì)結(jié)外徑在IOnm-IOOnm范圍調(diào)整控制，長度、壁厚根據(jù)需要調(diào)整。
2.按照權(quán)利要求1所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，其特征在于，碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)長度在20nm-lmm范圍調(diào)整控制，壁厚在2. 5nm-40nm范圍調(diào)整控制。
3.按照權(quán)利要求1所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)，其特征在于，不同化學(xué)成分碳基納米管為純碳納米管或經(jīng)外來原子摻雜的碳基納米管，外來原子為氮或硼，外來原子摻雜量為 0. 5-10at%o
4.按照權(quán)利要求1所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的模板法組裝工藝，其特征在于，以陽極氧化鋁為模板，結(jié)合化學(xué)氣相沉積、等離子體處理工藝，在陽極氧化鋁長直模板上，經(jīng)化學(xué)氣相分解、沉積得到碳基納米管，經(jīng)等離子體刻蝕處理后移除部分納米管后，經(jīng)更換反應(yīng)源、二次化學(xué)氣相沉積過程在同一氧化鋁模板上形成新的碳基納米管片段，從而實(shí)現(xiàn)不同成分碳基納米管的同軸無縫對(duì)接，即同軸異質(zhì)結(jié)。
5.按照權(quán)利要求4所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的模板法組裝工藝，其特征在于，包括如下步驟①采用陽極氧化法控制形成特定結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁模板；②一步化學(xué)氣相沉積工藝合成具有特定組成和結(jié)構(gòu)的碳基納米管-ι；③氧等離子體刻蝕工藝切除部分納米管；④更換反應(yīng)源，經(jīng)第二步化學(xué)氣相沉積工藝在同一陽極氧化鋁模板上形成碳基納米管-II，化學(xué)氣相沉積過程中使用不同原料以生長不同成分、性能的碳基納米管；⑤離散化處理用于移除表面熱解碳和陽極氧化鋁模板，表面熱解碳移除采用等離子體刻蝕，陽極氧化鋁模板去除采用堿處理，經(jīng)清洗、干燥后，獲得碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)。
6.按照權(quán)利要求5所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的模板法組裝工藝，其特征在于，陽極氧化鋁模板為孔道呈“U”形，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面，平均孔徑 10-100nm、深度 20nm_lmm ；或者，陽極氧化鋁模板為孔道呈中空柱形，兩端開口，彼此平行，定向排列，開口大致位于同一平面，平均孔徑10-100nm、深度20nm-lmm。
7.按照權(quán)利要求5所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的模板法組裝工藝，其特征在于，碳基納米管-I或碳基納米管-II為純碳納米管、N-摻雜碳納米管或B-摻雜碳納米管，其中，純碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，反應(yīng)氣體為乙炔或丙烯與氮?dú)獾幕旌衔?，乙炔與氮?dú)獾牧髁勘葹? 2-9，丙烯與氮?dú)獾牧髁勘葹? 9-90，氮?dú)饬髁繛?00-1000cm7min，反應(yīng)溫度600_800°C，反應(yīng)時(shí)間1_8小時(shí)；N-摻雜碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，以甲基腈為碳源，以氮?dú)鉃檩d氣，氮?dú)饬髁繛?00-1000Cm7min，反應(yīng)溫度700-900°C，反應(yīng)時(shí)間4_8小時(shí)；B-摻雜碳納米管的制備陽極氧化鋁模板置于氣氛保護(hù)爐中，以苯為碳源，以氯化硼為硼源，以氮?dú)鉃檩d氣，氮?dú)饬髁繛?00-1200Cm7min;苯、氯化硼和氮?dú)饣旌衔镏校秸?l-5at%，氯化硼占l_5at%，反應(yīng)溫度700-800°C，反應(yīng)時(shí)間10-120分鐘。
8.按照權(quán)利要求5所述的碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)的模板法組裝工藝，其特征在于，采用等離子體刻蝕工藝控制不同成分碳基納米管的長度，等離子體刻蝕過程在富氧環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，氧氣流量10-1000cm7min，處理時(shí)間2-600秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一維納米材料領(lǐng)域，特別是提供了一種碳基納米管同軸異質(zhì)結(jié)及其模板法組裝工藝。異質(zhì)結(jié)由外徑相同的純碳納米管、N-摻雜碳納米管或B-摻雜碳納米管在其長度方向上同軸對(duì)接而成，碳基納米管片段的外徑相同，化學(xué)成分有差異，異質(zhì)結(jié)外徑、長度、壁厚根據(jù)需要調(diào)整。以陽極氧化鋁孔道為模板，采用化學(xué)氣相沉積過程與等離子體刻蝕工藝相結(jié)合，在同一模板上實(shí)現(xiàn)納米管的累次生長和連接，從而獲得同軸異質(zhì)結(jié)。化學(xué)氣相沉積過程采用不同反應(yīng)源以生長所需成分的碳基納米管，等離子體刻蝕可切除部分納米管形成納米管片段。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)不同形式、成分、尺寸碳基納米管異質(zhì)結(jié)的控制合成，產(chǎn)物重復(fù)性好，工藝可調(diào)控性強(qiáng)，符合微電子行業(yè)發(fā)展的需要。
文檔編號(hào)C01B31/02GK102502573SQ201110318240
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者佟鈺, 曾尤, 李曉, 趙金波, 高見 申請(qǐng)人:沈陽建筑大學(xué)