專利名稱：碳納米結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各種碳納米結(jié)構(gòu)體，特別是一種利用氫等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種碳納米結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的方法。
背景技術(shù)：
碳的各種同素異形結(jié)構(gòu)(石墨、金剛石、富勒烯和碳納米管)的研究是目前材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。由于碳材料結(jié)構(gòu)的多樣性、復(fù)雜性以及所表現(xiàn)出的各種優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，使之成為未來(lái)高科技應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)材料。采用常規(guī)的高溫高壓方法研究碳的各種同素異形結(jié)構(gòu)間轉(zhuǎn)變，尤其是石墨、富勒烯、碳納米管在高溫高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸难芯繄?bào)導(dǎo)較多，用其它方法研究結(jié)構(gòu)相變的工作也有報(bào)導(dǎo)，如沖擊壓縮、激光改性、化學(xué)氣相沉積等(DuclosS.J.，Brister K.et al.1991 Nature 351 380；Wei B.Q.，Zhang J.H.et al.1997 J.Mat.Sci.Lett.16 402；Mellunas R.J.and Chang R.P.H.1991 Appl.Phys.Lett.59 3461)。在碳納米管向金剛石的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變研究方面，Cao L.、Wei B.和YusaH.等(Cao L.et al.2001 Carbon 39 287；Wei B.et al.1998 Carbon 36 997；Yusa H.2002 Diamond Relat.11 87)通過高溫高壓方法獲得了納米金剛石顆粒，并提出了高溫高壓下碳納米管首先轉(zhuǎn)變?yōu)樘佳笫[結(jié)構(gòu)，而后通過碳洋蔥結(jié)構(gòu)核心收縮的金剛石成核機(jī)理。粒子束技術(shù)作為一種研究碳的各種納米結(jié)構(gòu)相變的新方法，與常規(guī)的高溫高壓方法研究石墨、富勒烯、碳納米管向金剛石的轉(zhuǎn)變不同，粒子束的優(yōu)點(diǎn)在于可以觀察結(jié)構(gòu)變化的不同階段，而高溫高壓方法很難實(shí)現(xiàn)中間產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)觀察。且從粒子束的能量損失、原子的位移、缺陷的遷移和原子的位移閾能等信息可以對(duì)材料的結(jié)構(gòu)變化給出定性或定量的描述，因此粒子束方法對(duì)于研究結(jié)構(gòu)變化過程和變化機(jī)制具有重要的意義。
近幾年，以Banhart F.等人為代表的研究小組在電子束作用下各類碳的結(jié)構(gòu)向金剛石結(jié)構(gòu)相變研究方面做了大量的工作(Banhart F.et al.1996 Nature382 433；Banhart F.et al.1997 J.Appl.Phys.81 3440；Banhart F.et al.1997Chem.Phys.Lett.269 349)，他們建立了電子束輻照下石墨一金剛石相變的相圖，確定了相變發(fā)生的溫度區(qū)間、相變速度以及與電子束流強(qiáng)的關(guān)系，并提出了相應(yīng)的相變機(jī)制。然而，電子束輻照一般只能實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)納米范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變，很難實(shí)現(xiàn)金剛石的大量生產(chǎn)，而粒子束卻完全可以克服這種缺陷，其每次轉(zhuǎn)變面積可達(dá)到厘米至幾十厘米見方。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就在于克服上述已有技術(shù)的局限，從而提供一種利用粒子束(氫等離子體)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種碳納米結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的方法。
本發(fā)明的采用粒子束技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳納米結(jié)構(gòu)體向納米金剛石轉(zhuǎn)變的方法具體包括以下步驟(1)將碳納米結(jié)構(gòu)體樣品均勻分布在干凈平整的基底表面；(2)將固定好的樣品置于等離子體裝置的反應(yīng)室中，利用加熱器件對(duì)樣品進(jìn)行加熱；(3)樣品加熱至500～1000℃后，向反應(yīng)室中通入氫氣；(4)打開等離子體的發(fā)生裝置以產(chǎn)生氫等離子體，同時(shí)控制氫等離子體的強(qiáng)度使其穩(wěn)定存在以對(duì)樣品進(jìn)行作用。
通過上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)由碳納米結(jié)構(gòu)體向納米金剛石的轉(zhuǎn)變，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其能夠大量地將各種碳納米結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石。


圖1為轉(zhuǎn)化前碳納米管的透射電子顯微鏡(TEM)像。
圖2為碳納米管轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的TEM像。
圖3為無(wú)定形碳納米線轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的TEM像。
圖4為無(wú)定形碳納米薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的TEM像。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步敘述。
實(shí)施例1 基底材料的預(yù)處理分別選取硅、石英以及陶瓷三種耐高溫材料，用丙酮去除硅片表面油污，之后在酒精溶液中超聲15～30分鐘，然后在5％的氫氟酸里泡一分鐘以去除氧化層，最后用去離子水沖凈備用。
實(shí)施例2 由碳納米管轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石選取碳納米管通過以下各步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1)用滴管取適量分散好的碳納米管樣品均勻滴在經(jīng)預(yù)處理的干凈硅片表面，在80～200℃環(huán)境下烘烤1～4小時(shí)以控制基底對(duì)碳納米管的吸附能力；2)將樣品置于等離子體裝置(如射頻等離子體裝置)的反應(yīng)室中，利用加熱器件(如鎢絲)對(duì)樣品進(jìn)行加熱；為了避免摻入不必要的雜質(zhì)，在給樣品加熱前保證等離子體裝置的反應(yīng)室中的真空度達(dá)到10-5Torr以上；此外，為能使樣品均勻受熱，加熱時(shí)采取逐漸緩慢加熱的升溫方式；3)在溫度升至500℃后，先穩(wěn)定15～20分鐘，以確保樣品受熱均勻、完整，然后再通入氫氣，通入氫氣的流量控制在20～100sccm；4)待反應(yīng)室中氫氣的濃度均勻，氣壓恒定后，打開等離子體的發(fā)生裝置，產(chǎn)生氫等離子體；同時(shí)控制輝光的明暗來(lái)調(diào)整氫等離子體的強(qiáng)度并使其穩(wěn)定存在以對(duì)樣品進(jìn)行作用。
將經(jīng)上述步驟作用10小時(shí)后的樣品置于透射電子顯微鏡下觀察(透射電子顯微鏡及微區(qū)電子衍射實(shí)驗(yàn)在PHYLIPS CM200FEG型高分辨透射電子顯微鏡下進(jìn)行，加速電壓為200kv，線分辨率0.1nm，點(diǎn)分辨率0.24nm，實(shí)際使用160kV加速電壓)，其結(jié)果如圖2所示。
由圖1的碳納米管TEM像可以明顯地看出轉(zhuǎn)化前碳納米管的空心結(jié)構(gòu)，經(jīng)過氫等離子體處理后，由圖2可以明顯看出碳納米管管壁形成了許多納米顆粒，這些納米顆粒的微區(qū)電子衍射結(jié)果如圖2中所插入的圖樣所示，該衍射環(huán)是明顯的面心立方金剛石的衍射圖樣，表明這些納米顆粒即為金剛石的納米顆粒。
實(shí)施例3 由無(wú)定形碳納米線轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石選取無(wú)定形碳納米線通過以下各步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1)用滴管取適量分散好的無(wú)定形碳納米線樣品均勻滴在經(jīng)預(yù)處理的干凈石英表面，在80～200℃環(huán)境下烘烤1～4小時(shí)以控制基底對(duì)碳納米管的吸附能力；2)將樣品置于等離子體裝置的反應(yīng)室中，利用加熱器件對(duì)樣品進(jìn)行加熱；為了避免摻入不必要的雜質(zhì)，同樣，在給樣品加熱前保證等離子體裝置的反應(yīng)室中的真空度達(dá)到10-5Torr以上；且加熱時(shí)采取逐漸緩慢加熱的升溫方式；3)在溫度升至700℃后，先穩(wěn)定15～20分鐘，以確保樣品受熱均勻、完整，然后再通入氫氣，通入氫氣的流量控制在20～100sccm；4)待反應(yīng)室中氫氣的濃度均勻，氣壓恒定后，打開等離子體的發(fā)生裝置，產(chǎn)生氫等離子體；同時(shí)控制輝光的明暗來(lái)調(diào)整氫等離子體的強(qiáng)度并使其穩(wěn)定存在以對(duì)樣品進(jìn)行作用。
將經(jīng)上述步驟作用6小時(shí)后的樣品置于透射電子顯微鏡下觀察，其結(jié)果如圖3所示，可見，通過上述步驟同樣得到了納米金剛石顆粒。
實(shí)施例4 由無(wú)定形碳納米薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石選取無(wú)定形碳納米薄膜通過以下各步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1)用滴管取適量分散好的無(wú)定形碳納米薄膜樣品均勻滴在經(jīng)預(yù)處理的干凈陶瓷表面，在80～200℃環(huán)境下烘烤1～4小時(shí)以控制基底對(duì)碳納米管的吸附能力；
2)將樣品置于等離子體裝置的反應(yīng)室中，利用加熱器件對(duì)樣品進(jìn)行加熱；為了避免摻入不必要的雜質(zhì)，同樣，在給樣品加熱前保證等離子體裝置的反應(yīng)室中的真空度達(dá)到10-5Torr以上；且加熱時(shí)采取逐漸緩慢加熱的升溫方式；3)在溫度升至1000℃后，先穩(wěn)定15～20分鐘，以確保樣品受熱均勻、完整，然后再通入氫氣，通入氫氣的流量控制在20～100sccm；4)待反應(yīng)室中氫氣的濃度均勻，氣壓恒定后，打開等離子體的發(fā)生裝置，產(chǎn)生氫等離子體；同時(shí)控制輝光的明暗來(lái)調(diào)整氫等離子體的強(qiáng)度并使其穩(wěn)定存在以對(duì)樣品進(jìn)行作用。
將經(jīng)上述步驟作用8小時(shí)后的樣品置于透射電子顯微鏡下觀察，其結(jié)果如圖4所示，可見，通過上述步驟同樣得到了納米金剛石顆粒。
綜上所述，通過本發(fā)明的采用粒子束，即氫等離子體的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碳納米結(jié)構(gòu)體向納米金剛石的轉(zhuǎn)變，且相對(duì)于電子束技術(shù)，本發(fā)明的方法由于每次轉(zhuǎn)變面積可達(dá)到厘米至幾十厘米見方，因此相對(duì)能夠較大規(guī)模地生產(chǎn)納米金剛石。
權(quán)利要求
1.一種由碳納米結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的方法，其特征在于，采用粒子束技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粒子束為氫等離子體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，具體包括以下步驟(1)將碳納米結(jié)構(gòu)體樣品均勻分布在干凈平整的基底表面；(2)將分布好的樣品置于等離子體裝置的反應(yīng)室中，利用加熱器件對(duì)樣品進(jìn)行加熱；(3)樣品加熱至500～1000℃后，向反應(yīng)室中通入氫氣；(4)打開等離子體的發(fā)生裝置以產(chǎn)生氫等離子體，同時(shí)控制氫等離子體的強(qiáng)度使其穩(wěn)定存在以對(duì)樣品進(jìn)行作用。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述基底可以是硅、石英、陶瓷或其他耐高溫材質(zhì)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(1)中樣品均勻分布在基底表面后，在80～200℃環(huán)境下烘烤1～4小時(shí)以控制基底對(duì)碳納米管的吸附能力。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于對(duì)樣品進(jìn)行加熱的步驟(2)中，為能使樣品均勻受熱，加熱時(shí)采取逐漸緩慢加熱的升溫方式。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(3)在溫度升至預(yù)定溫度后，先穩(wěn)定15～20分鐘，以確保樣品受熱均勻、完整，然后再通入氫氣。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，打開等離子體產(chǎn)生裝置前需待反應(yīng)室中氫氣的濃度均勻，氣壓恒定。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(4)中氫等離子體的強(qiáng)度通過調(diào)節(jié)等離子體裝置的輝光明暗來(lái)控制。
全文摘要
一種由碳納米結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的方法，包括下列步驟首先將納米結(jié)構(gòu)體樣品均勻分布在干凈平整的基底表面，然后置于等離子體裝置的反應(yīng)室中，利用加熱器件對(duì)樣品進(jìn)行加熱；加熱至預(yù)定溫度后，向反應(yīng)室中通入氫氣；打開等離子體的產(chǎn)生裝置以產(chǎn)生氫等離子體，同時(shí)控制等離子體的強(qiáng)度使其穩(wěn)定存在以對(duì)樣品進(jìn)行作用。本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠大量地將各種碳納米結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石。
文檔編號(hào)C01B31/06GK1559892SQ20041001692
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者鞏金龍, 孫立濤, 朱志遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所