专利名称：半导体性单壁碳纳米管的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种材料制备技术领域的方法，具体是一种半导体性单壁碳纳米管的制备方法。
背景技术：
由于碳纳米管(CNT)具有准一维结构和独特的电学性能，所以它自1991年被发现后就 引起了科学界的广泛关注，目前广泛开展了将碳纳米管应用于纳电子器件、场发射技术、生 物载药、储氢技术等诸多领域的研究工作。碳纳米管可分为单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳 米管(DWNT)和多壁碳纳米管(丽NT)，其中单壁碳纳米管作为优良的一维纳米材料，因其具有 较高的载流子迀移率而被用作制造场效应晶体管、薄膜晶体管等纳电子器件，有望取代硅材 料而成为下一代微电子器件的关键材料。根据单壁碳纳米管直径和手性不同，SWNT表现为金 属性和半导体性，而金属性碳纳米管会严重影响CNT基晶体管的性能，因此制备纯半导体性 单壁碳纳米管是解决采用碳纳米管大规模制造CNT基晶体管的关键技术之一。经对现有文献检索发现，Z Xu、 W Lu和W Wang等人于2008年在Adv. Mater(先进材料 )上发表了题为"Converting Metallic Single-Walled Carbon Nanotubes into Semiconductors by Boron/Nitrogen Co-Doping (通过B/N共掺杂将金属性单壁碳管转变 为半导体性单壁碳管)"，该文通过B/N共掺杂的方式采用化学气相沉积法(CVD)制备出了半 导体单壁碳纳米管，但是该项技术采用CVD法，工艺复杂、产率低，制备的碳纳米管存在较 多的结构缺陷，限制了碳纳米管上高载流子的迀移率的产生。发明内容本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种半导体性单壁碳纳米管 的制备方法。本发明采用电弧放电法(Arc discharging)制备的半导体性单壁碳纳米管具 有结构缺陷相对较少的特点，提高了CNT基晶体管的电子迀移率。本发明是通过以下技术方案实现，制备的具体方法为以过渡金属为催化剂，将催化剂 、硫(S)粉和纯度为99.99%的石墨粉按比例充分混合后制得阳极石墨棒，将制得的阳极石 墨棒放在冲有缓冲气体的电弧室内与石墨阴极正对。通过控制阴阳两极间的放电电压和放电 电流，使电弧室的阴阳两极发生且电弧放电，即可制得半导体性单壁碳纳米管。所述的催化剂、硫(S)粉和纯度为99.99%的石墨粉按比例混合，其比例是指催化剂3的含量摩尔百分比为1% 6%，硫粉的含量摩尔百分比为0. 1% 2%，余量为纯度为 99. 99%的石墨粉。所述的催化剂是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钇(Y)中的一种或几种。 所述的阳极石墨棒是将催化剂、硫粉和纯度为99.99%的石墨粉按比例充分混合后填棒制得。所述的阳极石墨棒是将催化剂、硫粉和纯度为99.99%的石墨粉按比例充分混合后加粘结 剂挤压成棒。所述的缓冲气体是惰性气体中的一种或几种。 所述的缓冲气体的气压范围为20KPa 90KPa。 所述的放电电压范围为40V 80V，放电电流范围是60A 120A。与现有技术相比，本发明的有益效果是采用电弧法通过掺杂硫粉直接制备半导体性单 壁碳纳米管，工艺简单、产率高，制备的半导体性单壁碳纳米管结构缺陷少，提高了CNT基 晶体管的电子迀移率。
图1是实施例2制备出的半导体性单壁碳纳米管的扫描电镜照片；图2是实施例2制备出的半导体性单壁碳纳米管的投射电镜照片； 图3是实施例2制备出的半导体性单壁碳纳米管的拉曼光谱的径向呼吸模；其中(a)为514nm激光下得到的拉曼光谱的径向呼吸模；(b)为633nm激光下得到的 拉曼光谱的径向呼吸模。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，所有实施例都是在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的 实施例。实施例l将纯度为99.99%的石墨粉、Ni粉、氧化钇(Y203)粉和硫粉按照摩尔比为94. 7%: 4.2% :1%: 0. 1%的比例充分混合均匀后，填充于4mmX4cmX6mm的石墨棒中制得阳极石墨棒。将 阳极石墨棒置于通有30KPa氦气的电弧室内与石墨阴极正对，控制阴阳两极间的放电电流为 60A 70A，放电电压为40V 50V，放电时间为5分钟，最终得到O. 8g的半导体性单壁碳纳米管。实施例2将纯度为99.99%的石墨粉、Fe粉和硫粉按照摩尔比为94。/。 5%: 1%的比例充分混合均匀 后，再加入25wt^煤焦油混合压棒成型，然后将该棒放入氮气保护的高温炉中100(TC处理3 小时制得阳极石墨棒。将阳极石墨棒置于通有12KPa氢气、18KPa氩气的电弧室内与石墨阴极 正对，控制阴阳两极间的放电电流为90A 100A，放电电压为60V 70V，放电时间为8分钟， 最终得lg的半导体性单壁碳纳米管。制备的半导体性单壁纳米管的扫描电镜照片如图l所示；投射电镜照片如图2所示；分别 在514nm激光和633nm激光下得到的拉曼光谱的径向呼吸模如图3 (a)和图3 (b)所示，其中 :横坐标为以nm为单位的波长，纵坐标为以arb.unit (任意单位)为单位的光强，M代表金 属性，S代表半导体性，由于M的峰值均小于S的峰值，故本实施例所制备的碳纳米管中金属 性碳纳米管含量降低。实施例3将纯度为99. 99%的石墨粉、Ni粉、Co粉、Fe粉和硫粉按照摩尔比为94. 8%: 3%: 0.6%: 0.6%: 1%的比例混合均匀后，再加入25wt^煤焦油混合压棒成型，然后将该棒放入氮气保护 的高温炉中在100(TC加热3小时制得阳极石墨棒。将阳极石墨棒置于通有24KPa氢气、36KPa 氩气的电弧室内与石墨阴极正对，控制阴阳两极间的放电电流为110A 120A，放电电压为 60V 70V，放电时间为10分钟，最终得1.2g的半导体性单壁碳纳米管。实施例4将纯度为99. 99%的石墨粉、Ni粉、Y203粉和硫粉按照摩尔比为92. 8%: 4.2%: 1%: 2%的 比例混合均匀后，填充于4mmX4cmX6mm的石墨棒中制得阳极石墨棒。将阳极石墨棒置于通 有30KPa氦气的电弧室内与石墨阴极正对，控制阴阳两极间的放电电流为80A 90A，放电电压 为60V 70V，放电时间为8分钟，最终得到lg的半导体性单壁碳纳米管。
权利要求
1.一种半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，以过渡金属为催化剂，将催化剂、硫粉和纯度为99.99％的石墨粉按比例混合后制得阳极石墨棒，将制得的阳极石墨棒放在冲有缓冲气体的电弧室内与石墨阴极正对，通过控制阴阳两极间的放电电压和放电电流，使电弧室的阴阳两极发生电弧放电，即可制得半导体性单壁碳纳米管；所述的催化剂、硫粉和纯度为99.99％的石墨粉按比例混合，其比例为催化剂的含量摩尔百分比为1％～6％，硫粉的含量摩尔百分比为0.1％～2％，余量为纯度为99.99％的石墨粉。
2.根据权利要求l所述的半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征 是，所述的催化剂是铁、钴、镍、钇中的一种或几种。
3.根据权利要求l所述的半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征 是，所述的阳极石墨棒是将催化剂、硫粉和纯度为99.99%的石墨粉按比例充分混合后加粘结 剂挤压成棒。
4.根据权利要求l所述的半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征 是，所述的缓冲气体是惰性气体中的一种或几种。
5.根据权利要求l所述的半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征 是，所述的缓冲气体的气压范围为20KPa 90KPa。
6.根据权利要求l所述的半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征 是，所述的放电电压范围为40V 80V。
7.根据权利要求l所述的半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征 是，所述的放电电流范围是60A 120A。
全文摘要
本发明公开了一种半导体性单壁碳纳米管的制备方法，以过渡金属为催化剂，将催化剂、硫粉和纯度为99.99％的石墨粉按比例充分混合后制得阳极石墨棒，将制得的阳极石墨棒放在冲有缓冲气体的电弧室内与石墨阴极正对。通过控制阴阳两极间的放电电压和放电电流，使电弧室的阴阳两极发生电弧放电，即可制得半导体性单壁碳纳米管。本发明采用电弧法通过掺杂硫粉直接制备半导体性单壁碳纳米管，工艺简单、产率高，制备的半导体性单壁碳纳米管结构缺陷少，提高了CNT基晶体管的电子迁移率。
文档编号B82B3/00GK101671001SQ20091030829
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者张亚非, 李子炯, 苏言杰 申请人:上海交通大学