电弧法制备碳纳管技术.docVIP

北京大学政学者论文集（2002年） 单壁碳纳米管的制备、提纯、分离及其在纳电子器件中的应用PAGE PAGE 392单壁碳纳米管的制备、提纯、分离及其在纳电子器件中的应用The Preparation, Purification, Dispersion and Application in Nanoscale Electronic Devices of Single-walled Carbon Nanotubes电子学系 99级 赵晓雪摘要本文简要介绍了单壁碳纳米管的电弧法制备和提纯。为使其能够应用于纳电子器件中，对提纯后的样品进行了超声波分离。选用了不同的溶剂、浓度配比和超声时间。初步尝试出乙醇和异丙醇为较好的溶剂。样品纯度对分离的效果有直接的影响。AbstractSingle-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are prepared by the standard arc-discharge method and then purified. In order to pave the way for the application of SWCNTs in nanoscale field-effect transistor (FET), we disperse the tubes in several different solvents ultrasonically to attain individual tubes. The best results were obtained using ethanol and isopropanol. The effect of dispersion depends remarkably on the sample purity. = 1 \* CHINESENUM3 一、碳纳米管的制备 = 1 \* GB4 ㈠、碳纳米管的种类理想的碳纳米管（CNT）是由碳原子形成的石墨片层卷成的无缝、中空的管体，可包含一层到上百层石墨层。只有一层石墨片层的称为单壁碳纳米管(Single- walled carbon nanotube，SWNT or SWCNT)，含有一层以上石墨片层的则称为多壁碳纳米管( Multi-walled carbon nanotube，MWNT or MWCNT)。（图1）图 1 石墨片层从1层到5层的碳纳米管SWCNTs的直径一般在1－6 nm，目前观察到的SWCNT的最小直径约为0.33 nm[1]，并已能合成直径0.4nm的SWCNTs阵列[2]。直径达6nm的SWCNTs也已有报道[3]。一般认为，SWCNT的直径大于6nm以后特别不稳定，容易发生SWCNT管的塌陷。单壁碳纳米管的长度则可达几百纳米到几十微米。多壁碳纳米管的层间距约为0.34纳米，外径在几个纳米到几百纳米，而已发现的最小内径为0.4nm[4]。其长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。无论是 MWCNT还是 SWCNT都具有很高的长径比，一般为100～1000，有的甚至可达1000～10000，是非常好的准一维纳米材料。 = 2 \* GB4 ㈡、单壁碳纳米管的制备目前常用于制备单壁碳纳米管的只有电弧放电法、化学气相沉积法、激光蒸发法这三种。电弧法的主要原理是在充有一定压力的惰性气体的真空反应室中，采用面积较大的石墨棒(直径为20mm)作阴极，面积较小的石墨棒 (直径为10mm)为阳极。在电弧放电过程中，两石墨电极间通过反馈始终保持约 1mm的小间隙。阳极石墨棒不断被消耗，在阴极沉积出含有碳纳米管、富勒烯（Fullerenes）、石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳纳米颗粒的混合物，同时在反应室的壁上沉积有由无定形碳和Fullerenes等碳纳米颗粒组成的烟灰(Soot)。关键的制备工艺参数有:电弧电流和电压、缓冲气体种类与气压、电极的冷却速度等。电弧电流一般为70-200A，过低时电弧不稳定，过高时则会使无定形碳、石墨微粒等杂质增多，给其后的纯化处理带来困难。此外，由于与其它的副产物如无定形碳、石墨微粒等杂质烧结于一体，对随后的分离和提纯不利，因此常用水冷等方法来降低石墨阴极的温度，从而制备出结构更完美、更纯的碳管。图2 传统电弧放电法制备碳纳米管的装置示意图此后，人们对电弧法作了更深入的研究和技术改进。比如用氦气取代氩气作为缓冲气体，并将气体压力提高到 6.7×10- 2MPa。这一调整使碳纳米管的产量达到了克量级，而且其纯度也大大提高。电弧法由于设备较简单，技术成熟等优点而被广泛的应用于CNTs。但电弧法所制备的CNTs的缺陷较多，且易于与其它的副产物如无定形碳、纳米微粒等杂质烧结在一起，对随后的分离和提纯不利。 = 2 \* CHINE