專利名稱：納米碳管復(fù)合材料及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種納米碳管復(fù)合材料及其制作方法，特別是涉及一種具有高表面積的納米碳管復(fù)合材料及其制作方法。
背景技術(shù)：
納米碳管于1991年被日本飯島教授發(fā)現(xiàn)至今已將近20年，由于納米碳管有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高韌性、可撓區(qū)、高表面積、表面曲度大、高導(dǎo)熱度及具金屬或半導(dǎo)體特性等優(yōu)點(diǎn)，因此可作為各種電池、電容器、或傳感器的電極材料。目前有關(guān)納米碳管應(yīng)用與研究仍快速的成長中。B. C. Mtishkumar及L. P. Biro等人是利用碳原子在催化劑不同晶面的成長速度不同，制作出Y型納米碳管，然而，此方法無法控制納米碳管的數(shù)量和長度。Hao仇及 Y. Chai等人在氣態(tài)中裂解催化劑二茂鐵(ferrocene)成長過程中合成分支狀納米碳管，藉由氣態(tài)中裂解的催化劑附著于納米碳管的管壁上，形成納米碳管的二次成長。然而，此方法仍難以控制納米碳管的密度和長度。X. Sim等人在納米碳管的管壁上鍍一層催化劑，以兩次成長的方式制作分支狀碳管，然而，其對于納米碳管的成長無法做精確的控制。納米碳管的表面積與其長度和直徑成正比，若用在需要高表面積的納米元件上， 過長及直徑過大的納米碳管不適用于納米尺度的元件。因此，需要一種納米碳管及其制作方法，能在固定碳管長度及直徑的條件下，控制納米碳管的表面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種納米碳管復(fù)合材料及其制作方法，能在固定碳管長度及直徑的條件下，控制納米碳管的表面積。本發(fā)明提供一種納米碳管復(fù)合材料的制作方法，包括提供一基板；形成一金屬催化劑層于基板上；于一反應(yīng)室中通入反應(yīng)氣體，并施加負(fù)偏壓，以于基板上成長多個納米碳管；及于反應(yīng)室中施加正偏壓，以于上述納米碳管上成長納米碳薄片。本發(fā)明提供一種納米碳管復(fù)合材料，包括一基板；多個納米碳管，位于基板上； 及多個納米碳薄片，位于各納米碳管上。本發(fā)明的納米碳管復(fù)合材料及其制作方法的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在不需鍍第二次催化劑的條件下，于納米碳管側(cè)壁形成納米碳薄片，形成高表面積的納米碳管；本發(fā)明能在固定碳管長度及直徑的條件下，控制納米碳管的表面積；本發(fā)明可調(diào)整電壓大小及氣體流量， 控制納米碳薄片的大小及密度，藉以控制納米碳管結(jié)構(gòu)的表面積。為了讓本發(fā)明的上述目的、特征及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下


圖1顯示本發(fā)明一實(shí)施方式納米碳管復(fù)合材料的制作方法的流程圖；圖2A-圖2C顯示本發(fā)明一實(shí)施方式納米碳管復(fù)合材料的制作方法各階段的剖面圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中制得的納米碳管的掃描式電子顯微鏡照片；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中制得的納米碳薄片的掃描式電子顯微鏡照片；其中，主要元件符號說明202 基板； 203 金屬催化劑層；204 納米碳管；206 納米碳薄片。
具體實(shí)施例方式以下提供許多不同實(shí)施例或范例，以實(shí)行本發(fā)明各種不同實(shí)施方式的特征。以下將針對特定實(shí)施例的構(gòu)成與制作方法作簡要描述，當(dāng)然，下列的描述僅是范例，非用來限定本發(fā)明。本發(fā)明是利用改變電壓的方式，在不需鍍第二次催化劑的條件下，于納米碳管側(cè)壁形成納米碳薄片，其薄片大小及密度及密度可以由電壓大小及氣體流量調(diào)整，藉以控制納米碳管結(jié)構(gòu)的表面積。圖1顯示本發(fā)明一實(shí)施方式納米碳管復(fù)合材料的制作方法的流程圖。圖2A-圖 2C顯示本發(fā)明一實(shí)施方式納米碳管復(fù)合材料的制作方法各階段的剖面圖。首先，請參照圖 1和圖2A，進(jìn)行步驟S102，提供一基板202，于基板202上形成金屬催化劑層203?；?02 的材料視產(chǎn)品的應(yīng)用來決定。在本發(fā)明一實(shí)施例中，基板202可以為硅或碳布。金屬催化劑層203可以為鐵、鈷或鎳。形成金屬催化劑層203的方法可以為濺鍍、蒸鍍、電鍍或化學(xué)還原法。接著，執(zhí)行步驟S104，進(jìn)行等離子體還原處理，使金屬催化劑層變成顆粒狀的結(jié)構(gòu) (未繪示)。在本發(fā)明一實(shí)施例中，等離子體還原處理可以為氫等離子體還原處理。后續(xù)，進(jìn)行步驟S106，將基板202置入微波產(chǎn)生等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，于反應(yīng)室中通入反應(yīng)氣體，準(zhǔn)備進(jìn)行等離子體化學(xué)氣相沉積形成納米碳管。在本發(fā)明一實(shí)施例中，反應(yīng)氣體可以為含碳?xì)怏w，例如烷類、烯類或炔類。接著，請參照圖1和圖2B，進(jìn)行步驟S108，于工藝室中施加負(fù)偏壓，并調(diào)整電壓，于基板202上成長納米碳管204。在本發(fā)明一實(shí)施例中，此步驟施加的負(fù)偏壓為0 -300V，工作壓力為1 30Torr，微波能量(micro wave)為50 500W， 工藝時間為1 3600秒。后續(xù)，請參照圖1和圖2C，進(jìn)行步驟S110，于工藝室中施加正偏壓，并調(diào)整電壓，于納米碳管204側(cè)壁形成納米碳薄片206，其薄片大小及密度及密度可以由電壓大小及氣體流量調(diào)整，藉以控制納米碳管204結(jié)構(gòu)的表面積。在本發(fā)明一實(shí)施例中， 此步驟施加的正偏壓為0 300V，工作壓力為1 30Torr，微波能量(micro wave)為50 500W，工藝時間為1 3600秒，反應(yīng)氣體甲烷(CH4)的流量為0 lOOsccm，反應(yīng)氣體氫氣 (H2)的流量為0 lOOsccm。根據(jù)上述，本發(fā)明形成一種納米碳管復(fù)合材料，包括一基板、多個納米碳管，位于該基板上，及多個納米碳薄片，位于各納米碳管上。在本發(fā)明一實(shí)施例中，納米碳薄片為一片狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例首先，提供一硅芯片，濺鍍鐵催化劑于硅芯片上，通入反應(yīng)氣體甲烷(CH4)和氫氣 (H2)，基礎(chǔ)壓力(base pressure)為 KT3Torr，工作壓力為 lOTorr，微波能量(micro wave) 為300W，施加偏壓(additive bias)為-150V，于硅芯片上成長納米碳管(本實(shí)施例納米碳管的掃描式電子顯微鏡照片請參照圖3)，成長時間(growth time)為20分鐘。接著，將施加偏壓(additive bias)切換為正偏壓+150V，其它工藝條件則維持相同反應(yīng)氣體為甲烷(CH4)和氫氣(H2)，基礎(chǔ)壓力(base pressure)為10_3Torr，工作壓力為lOTorr，微波能量(micro wave)為300W，于納米碳管上成長納米碳薄片(本實(shí)施例納米碳薄片的掃描式電子顯微鏡照片請參照圖4)。相較于已知技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例納米碳管復(fù)合材料及其制作方法具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明在不需鍍第二次催化劑的條件下，于納米碳管側(cè)壁形成納米碳薄片，形成高表面積的納米碳管。2.本發(fā)明能在固定碳管長度及直徑的條件下，控制納米碳管的表面積。 3.本發(fā)明可調(diào)整電壓大小及氣體流量，控制納米碳薄片的大小及密度，藉以控制納米碳管復(fù)合材料的表面積。4.本發(fā)明納米碳管復(fù)合材料及其制作方法可應(yīng)用于燃料電池(fuel cell)、敏化太陽能電池(dye sensitized solar cell，簡稱 DSSC)、感應(yīng)器(sensor)、超級電容器(super capacitor)、場發(fā)射顯示器(field emission display)等需高表面積材料的領(lǐng)域。雖然本發(fā)明已揭露較佳實(shí)施例如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此項(xiàng)技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許更動與潤飾。另外，本發(fā)明不特別限定于特定說明書中描述的實(shí)施例的裝置和結(jié)構(gòu)。熟悉本領(lǐng)域的人士可根據(jù)本發(fā)明說明書的揭示，進(jìn)一步發(fā)展出與本發(fā)明大體上具有相同功能，或大體上可達(dá)成相同結(jié)果的裝置和結(jié)構(gòu)。 因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種納米碳管復(fù)合材料的制作方法，包括 提供一基板；形成一金屬催化劑層于該基板上；于一反應(yīng)室中通入反應(yīng)氣體，并施加負(fù)偏壓，以于該基板上成長多個納米碳管；及于該反應(yīng)室中施加正偏壓，以于這些納米碳管上成長納米碳薄片。
2.如權(quán)利要求1所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，還包括進(jìn)行氫等離子體還原處理步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，其中施加的負(fù)偏壓為 0 -300V。
4.如權(quán)利要求1所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，其中施加的正偏壓為0 300V。
5.如權(quán)利要求1所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，其中反應(yīng)氣體為甲烷和氫氣。
6.如權(quán)利要求1所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，其中該基板為硅或碳布。
7.如權(quán)利要求1所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，其中該金屬催化劑層為鐵、鈷或鎳。
8.如權(quán)利要求5所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，其中甲烷的流量為Osccm IOOsccm0
9.如權(quán)利要求5所述的納米碳管復(fù)合材料的制作方法，其中氫氣的流量為Osccm IOOsccm0
10.一種納米碳管復(fù)合材料，包括 一基板；多個納米碳管，位于該基板上；及多個納米碳薄片，位于各納米碳管上。
11.如權(quán)利要求10所述的納米碳管復(fù)合材料在燃料電池、敏化太陽能電池、感應(yīng)器、超級電容器或場發(fā)射顯示器中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米碳管復(fù)合材料及其制作方法，包括提供一基板；形成一金屬催化劑層于基板上；于一反應(yīng)室中通入反應(yīng)氣體，并施加負(fù)偏壓，以于基板上成長多個納米碳管；及于反應(yīng)室中施加正偏壓，以于上述納米碳管上成長納米碳薄片。
文檔編號C30B29/02GK102534544SQ20101062273
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者陳建仲 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院