一种单壁碳纳米管薄膜的连续收集方法与专用装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及单壁碳纳米管薄膜的可控、均匀收集技术，具体为一种浮动催化剂法生长的单壁碳纳米管薄膜的连续收集方法与专用装置。
【背景技术】
[0002]单壁碳纳米管因其优异的电学、光学和力学特性，适合用于制备透明导电薄膜和柔性薄膜晶体管电路等。单壁碳纳米管薄膜电子器件在未来的电子纸、柔性电池、电子标签、柔性透明显示、甚至取代硅基半导体材料等领域可望具有广阔的应用前景。
[0003]目前，利用浮动催化剂化学气相沉积方法生长及收集的单壁碳纳米管薄膜展示了诱人的光电性能。[文献 I，Sun DM, Timmermans MY, Tian Y, Nasibulin AG, KauppinenEI，Kishimoto S，Mizutani T, OhnoY, NatureNanotechnology, 2011, 6 (3) 156-161 ;文献 2，Sun DM, Timmermans MY, Kaskela A，Nasibulin AG，Kishimoto Sj Mizutani T，KauppinenEIj Ohno Yj Nature Communicat1ns, 2013，4:2302.]。其设计的收集装置为针式微孔滤膜过滤收集装置，即在浮动催化生长单壁碳纳米管装置的排气端加装针式过滤器，生成的单壁碳纳米管随载气流出生长装置、并沉积在微孔滤膜上。滤膜上的碳纳米管薄膜可以转移到包括塑料、玻璃、石英、硅片和金属等基底上。[文献3，NasibulinAG，Kaskela A，Mustonen K, Anisimov AS, Ruiz V, Kivsto S，Rackauskas S，TimmermansMY，Pudasj Mj Aitchison B，Kauppinen M，Brown DPj Okhotnikov, OGj Kauppinen EIj ACSNano, 2011，5 (4)，3214—3221]。
[0004]该方法目前存在的主要问题是:(1)过滤器在进气口以及出气口处管径发生收缩和放大会产生涡流，影响单壁碳纳米管在基底上的均匀分布；(2)基底材质仅限于多孔滤膜，需要根据应用进行相应转移，而转移过程中会引入污染物影响碳纳米管的本征性能；
(3)针式过滤器加装在排气管上，距离单壁碳纳米管生长室远，这导致高质量的大长径比单壁碳纳米管易黏附在管路的壁上；而所收集薄膜中的单壁碳纳米管长度较短，这显著增加了碳纳米管间的接触电阻，进而导致所构建器件的载流子迀移率、电导率等性能降低。因而，目前的主要问题是如何缩短收集室与碳纳米管生长室之间的距离、避免涡流现象，实现高长径比、均匀分布的单壁碳纳米管薄膜收集，以满足高质量、高性能光电器件的需求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于提供一种高长径比单壁碳纳米管薄膜的连续收集方法与专用装置，克服目前浮动催化剂化学气相沉积法收集的单壁碳纳米管长径比小这一技术难题。
[0006]本发明的目的之二在于提供一种常温、常压下不受基底形状、材质限制的单壁碳纳米管薄膜的连续收集方法与专用装置，克服已有的单片滤膜收集方法局限于基底种类以及转移过程中引入污染物的问题。
[0007]本发明的目的之三在于提供一种均匀、密度可控的单壁碳纳米管薄膜的连续收集方法与专用装置，克服目前薄膜收集方法存在的碳纳米管薄膜分布不均匀问题。
[0008]本发明的技术方案是:
[0009]一种单壁碳纳米管薄膜的连续收集方法，在化学气相沉积碳纳米管生长炉尾端设计安装球阀开关和薄膜收集室，在不改变任何生长条件的前提下，在各种薄膜基底表面直接、连续收集高质量碳纳米管薄膜，通过调节沉积时间、载气流速实现均匀、厚度可控的单壁碳纳米管薄膜的收集。
[0010]所述的单壁碳纳米管薄膜连续收集装置的薄膜基底不受限制，薄膜基底为多孔滤膜、滤纸、PET类塑料基底、硬质硅片或石英片，收集到的薄膜直接作为透明导电薄膜、透明电极或者光电器件薄膜晶体管的沟道材料。
[0011]所述的单壁碳纳米管薄膜的密度通过收集时间和载气流速进行调控，薄膜透光率在99%以下均匀可控。
[0012]所述的单壁碳纳米管薄膜的连续收集方法的专用装置，该装置包括化学气相沉积碳纳米管生长炉、薄膜收集室、真空泵、循环水冷装置，具体结构如下:
[0013]化学气相沉积碳纳米管生长炉中设置单壁碳纳米管生长室，单壁碳纳米管生长室与球阀开关的一端通过配套的法兰和法兰开关密封连接，球阀开关的另一端通过配套的法兰和法兰开关与薄膜收集室的一端密封连接，薄膜收集室的另一端与回路的一端通过配套的法兰和法兰开关密封连接；在薄膜收集室后部延伸出一出气口连接真空泵，真空泵上设置真空泵气路开关，真空泵的抽气系统由真空泵气路开关控制，薄膜收集室中设置成膜收集固定装置、薄膜基底；回路的另一端与化学气相沉积碳纳米管生长炉的单壁碳纳米管生长室和载气出口相通，单壁碳纳米管和载气出口外侧设置循环水冷装置；所述回路上设置三通阀、旁路气路开关，三通阀的两通分别与回路相通，三通阀的第三通与出气口相连。
[0014]所述的薄膜收集室为匀径圆管或变径圆管，其管腔内设置有沟槽用来放置成膜收集固定装置，成膜收集固定装置在沟槽内移动来调节薄膜基底接收薄膜的位置，薄膜基底由成膜收集固定装置上的压片固定。
[0015]所述的球阀开关、薄膜收集室分别与化学气相沉积碳纳米管生长炉中的单壁碳纳米管生长室不变径相连。
[0016]所述的化学气相沉积碳纳米管生长炉中合成的单壁碳纳米管随载气匀速流至薄膜收集室，并沉积在预制的薄膜基底上，当膜厚达到要求时，关闭球阀开关、打开三通阀、拆卸成膜收集固定装置，更换薄膜基底、打开真空泵排尽装置内空气、打开球阀开关，通过重复上述步骤，连续收集单壁碳纳米管薄膜。
[0017]所述的单壁碳纳米管的薄膜收集室安装在横式或竖式化学气相沉积炉上进行碳纳米管薄膜收集。
[0018]所述的单壁碳纳米管生长、收集过程中的气路转换通过三通阀实现，保证体系内压强恒定。
[0019]所述的薄膜收集室连接有抽真空装置，排出因打开装置取出基底而从外界进入的空气。
[0020]本发明的设计思想是:
[0021]浮动催化剂化学气相沉积法合成的单壁碳纳米管在载气的携带下，由生长室流动至收集室，沉积在基底上成膜。通过调节碳纳米管在基底上的沉积时间、气流量等实现对基底表面单壁碳纳米管密度的调节。薄膜连续收集可以由球阀装置以及气路三通阀共同控制，调节气路开关，可以在不影响碳纳米管生长参数下实现连续收集高质量的单壁碳纳米管薄膜。收集室安装在反应炉尾端，可实现高长径比单壁碳纳米管的收集。基底通过卡槽设计来固定薄膜收集基底，因而基底材质不受限制。生长室与收集室之间有水冷装置，保证了收集室的温度恒定。
[0022]本发明的优点及有益效果是:
[0023]1、本发明涉及的单壁碳纳米管薄膜的连续收集技术与专用装置，与目前普遍采用的针式过滤器法装置相比，可实现更高质量、大长径比单壁碳纳米管的直接成膜。对沉积基底没有选择性，即可以在任意基底上沉积单壁碳纳米管薄膜，收集薄膜过程中不会对反应炉内的气氛产生任何影响，保证单壁碳纳米管的生长和薄膜收集两个过程独立，且互不影响。
[0024]2、本发明装置易拆卸安装，适应性好，可安装于竖式，横式等不同类型的化学气相沉积炉。该方法克服了目前普遍采用从化学反应炉中引出导管后利用针式