TWI343361B - Method for making carbon nanotubes - Google Patents

Description

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九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種奈米碳管製造方法。 【先前技術】

自從日本研究人員飯島先生於1991年在電弧放電産物中首次發現奈米碳 官以來，因其在機械、電子、物理、化學等方面具有優異之性能，如獨特的金 屬或半導體導電性、極高的機械強度、高容量儲氫能力及吸附能力、場致電子 發射性能、定向導熱性能以及較強的寬帶電磁波吸收特性等，使得奈米碳管受 到物理 '化學及材料科學等領域以及高新技術産業部門之極大重視，同時促進 奈米碳官之廣泛研究與實際應用。目前，奈米碳管可用作複合材料之增強材 料、場致電子發射材料、超級電容器電極材料、氣體吸附材料、催化材料、熱 傳導材料以及傳感材料等方面。 然而，隨著奈米碳管性能與應用研究之蓬勃發展，如何獲得所需之奈米碳 管愈顯重要。通常，較為成熟之奈米碳管製造方法主要有三種：電弧放電法、 雷射燒姓法以及化學氣相沈積法。其巾，化學氣相沈積法以其卫藝簡便、成本 低、奈米碳管規模易控制、長度大、收率較高、可批量生長料點而得到廣泛 之研究與應用。 '

化學氣相沈積法主要係採用奈米尺度之過渡金屬或其氧化物作爲催化 劑，於-定溫度下催域解碳職，使其於催化赚面裂解生絲米碳管。如 先前技術提供-種奈米碳管之製備方法，其包括以下步驟：提供—基底；於基 底表面形成-職層；於健層表面形成—過渡金屬催化觸；通人碳源氣， 並於催化劑作用下發生化學反應，使得奈米碳管從催化劑層生長，從規 的。惟，該方法生長奈米碳管過程中，開始通人碳源氣時 會立即生長奈米碳管’碳源氣分解之碳將首先向金屬催化劑顆粒内部擴散，待 齊τ中之碳達到飽㈣度時，才會析出，從而生長奈米碳 吕。β亥過私品要一定時間，故，奈米碳管生長速率受到限制。 【發有必要提供1奈米碳管製造方法，其能快速生長奈米碳管。 以下，將以實施例說明一種奈米碳管製造方法。 6 1343361

為實現上述内容，提供一種奈米碳管製造方法，其包括步驟： 提供一基底； 於所述基底表面形成一複合膜層，該複合膜層包括複數催化劑金屬骐層及 複數碳膜層； 將所述複合膜層進行熱處理，形成含有金屬碳化物之催化劑層； 於所述催化劑層上進行化學氣相沈積生長奈米碳管。 其中，所述催化劑金屬選自鎢、鐵、鈷、鎳或其合金。 所述催化劑層包括金屬碳化物，優選為碳化鎢。

所述複數催化劑金屬膜層數及複數碳膜層之層數分別為1〇〜3〇層，並可採 用離子鍍膜法'射頻磁控濺鍍、真空蒸發法或化學氣相沈積法等方法形成。 所述複數催化劑金屬膜層厚度範圍為3奈米至3〇奈米，優選為1〇奈米。 所述複數碳膜層厚度範圍為3奈米至3〇奈米，優選為1〇奈米。 —所述複合膜層之減理包括步驟:在9⑻。c溫度τ於惰性氣體或其混合氣 體氛圍中熱處理30分鐘以上；然後降低溫度至室溫。 然後:==熱處理包括步驟:在默溫度下採用快速_理; 所述基底採用石夕片、石英片或金屬片等材料。

所述化學IU目沈積生長奈米碳f採用以下步驟：加熱催化劑層至 00.X ’提供-碳源氣，將其與催化劑接觸以使得奈米碳管於催化劑層上 所述石反源氣體選自乙块、甲烧或乙块與甲烧之混合氣體。 e 技術，本實施例提供之奈米碳管製造方法，所述複合層經過熱 ΓϋΓ 層，其金屬催化劑顆粒間之碳擴散已達飽和，且由於過飽 ΪΓ 也可祕續奈米碳管之生長提供碳源，從而加快奈移管之生長 【實施方式】 下面結合附圖對本技術方案作進一步詳細說明。 圖。本+技術转纽峨狀妓綠流程示意 圓本技術方紐供之奈米碳管製造方法包括以下步驟：⑷提供一基底；⑹ 7 J343361 =所述基絲帥成-複麵層，練麵層包括複數催化齡雜層及複數 ^膜層’（C)將所述複合膜層進行熱處理，使複雜化齡屬麟及複數碳膜 曰熔口形，?有金屬碳化物之催化劑層；（d)於所述催化劑層上化學氣相沈積 • 生長奈㈣f。下祕合®U分麟各個步機行詳細說明。 步驟a :提供_基底10，該基底1()可採时片、石英片或金 料。 步驟b .於所述基底1〇表面形成—複合膜層2〇，該複合膜層2〇包括複 數催化劑金制層及概韻層。顧層形成方法可採祕子舰法、射頻磁 控麟、真2蒸發法、化學氣相沈積法，本實施例採用射頻磁控滅鍵法，於基 • 底1〇表面鑛上交互叠加之複數催化劑金屬膜層及複數碳膜層，形成-複合膜 層 20。 、 山形成後之複合膜層20結構請參閱第二圏，複數催化劑金屬膜層21及複 數奴膜層22相互叠加，該兩膜層之層數分別為1〇〜3〇層，優選為.2〇層。 其中’催化劑金屬膜層21之金屬材質優選祕、鐵、始、錄或其合金，還可 用其他金屬’例如稀土金屬與鎢、鐵，、錄之合金或者驗土金屬與鶴、鐵、 鈷、鎳之合金，本實施例採用鎢；催化劑金屬膜層21的每層厚度範圍為3 3〇 奈米，優選為10奈米；碳膜層22的每層厚度範圍為3〜30奈米，優選為10 奈米。另，複數催化劑金屬膜層21及複數碳膜層22交互疊加係本技術方案之 優選方案，但不限於該叠加順序，其他隨機疊加方式或規則性疊加方式也 *於形成複合膜層20。 步驟c :對所述複合膜層20進行熱處理，形成含有金屬碳化物之催化劑 層30。該熱處理可採用兩種方式： (1) 在溫度下於惰性氣體(滅氣或氬氣等）或其混合氣體氛圍令 熱處理30分鐘以上，然後降低溫度至室溫；或 (2) 在900°C溫度下採用快速熱退火處理，然後降低溫度至室溫。 當複合膜層20進行上述熱處理時，催化劑金屬膜層與碳膜層將先互融而 產生碳的過飽和熔液融於催化劑金屬中，形成固熔體(s〇lids〇luti〇n)，即為 包含催化劑金屬械化物之催化劑層30，例如本實施例之碳化鶴催化劑層3〇 : 其中該催化劑層30中催化劑顆粒為奈米級顆粒，粒徑最好為2〜2〇奈米a ⑧ 8 1343361

步驟d :於所述催化劑層30上化學氣相沈積生長奈米碳管4〇。於上 處理冷卻至室溫時’過飽和的碳將從金屬基體中析出，加熱催化 500〜900°C ’再通以碳源氣，如甲燒、乙炔或甲烷與乙炔之混合氣體ς石山 源氣於催化劑層上裂解產生之碳將於先前從金屬基體中析出之碳上= 長’即於該催化劑層30上生長出奈米碳管4〇，優選地，可通 、’褒 為載氣’以利於對奈米碳管生長之調控。 m觀作 門之之奈日米碳管製造方法，由於催化劑層3G中金屬催化劑顆粒 間之反擴政已達飽和’场飽和而析出之碳也可為後續奈米碳f之 源’從而加快奈米碳管之线速度，可餘半導體元件之製造及其他精密= 之製造中，如用於晶圓製造，場發射顯示器之製造等。 絲上所述，本發明符合發明專歡要件，銳法提出專利_請。惟，以上 所述者僅絲發明讀佳實關，自魏以此_本案之帽專概圍。舉凡 熟悉本案技藝之人士’在援依本案發鴨神所狀等效㈣或變化 於以下之申請專利範圍内。 …匕3【圖式簡單說明】

第一圖係本技術方案實施例之奈米碳管製造方法示意圖。 第二圖縣技财較關之奈米碳造方法巾祕之複合膜層 b意圖。 丹 【主要元件符號說明】 基底 催化劑金屬膜層 催化劑層 10 複合膜層 21 碳膜層 30 奈米碳管層 20 22 40

Claims (1)

1343361 、申請專利範圍： 1· 一種奈米峡管製造方法，包括以下步驟： 提供一基底； 於所述基絲面形成-複合膜層，該複合膜層包括複數催化劑金屬膜 層及複數碳膜層； 將所述複合膜層進行熱處理，形成含有金屬碳化物之催化劑層； 於所述催化綱上進行化學氣相沈積生長奈米碳管。 j申請專利範圍第1項所述之奈米碳管製造方法，其中，所述金屬膜層之 金屬選自鎢或其與鐵、鈷、鎳之合金之—者。 3^申請專利範圍第丨項所述之奈米碳管製造方法， 包括碳化鎢。 圍ΐ1項所述之奈采碳管製造方法’其中，所述複數催化劑 金屬膜層數與複數碳膜層之層數分別為1030層。 今圍第1項所述之奈米碳管製造方法，其中，所述複數催化劑 與複數顧層形成方法採祕捕膜法、射頻磁控賴、真空蒸 發法或化學氣相沈積法。 犯圍第1項至第5項任一項所述之奈米碳管製造方法，其中， 所述複數催化劑金屬膜層厚度範圍為3奈米至3〇夺米。 職如侧綱士，織數催《丨 第8撕狀奈料管製造絲，其巾，所賴數碳膜屬 1項所述之奈米碳管製造方法，其中，所述複合膜層 氛圍中熱二舰料.剛之混合氣體 η如申料利度至室溫，形成催化劑層。 h專利補第丨項所述之奈米碳管製造方法，其中，所 之‘、，、,理包括以下步驟：在咖。c溫度下_快速熱敎ϋ ⑧ 10 U43361 度至至溫，形成催化劑層。 12_如申請專利範圍第1項所述之奈米d心、 石夕片、石英片或金屬片等材料。製&决，其中，所述基底採用 :化如二專利範圍第丨項所述之奈米碳管製造方 μ ^ '、’、催化劑層接觸以使得奈米碳管於催化劑層上生長。 耍如申請專利範圍第13項所述之奈米碳管製造方法，其中，所述碳源氣體 k自乙炔、甲垸紅炔與甲烧之混合氣體。