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具有纳米结的碳纳米管/氮化碳纳米管及制法和应用

阅读：969发布：2021-02-23

IPRDB可以提供具有纳米结的碳纳米管/氮化碳纳米管及制法和应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种具有纳米结的碳纳米管/氮化碳纳米管，沿管轴方向的一半由碳元素组成，另一半为氮化碳纳米管；碳纳米管部分为直的空心管状结构，掺杂氮部分具有竹节状结构；其直径为10～100纳米，长度为5～400微米；其电学性能为非线性整流效应。制备方法为，加热炉内通入氢气或者氨气，金属酞菁放在500～600℃的区域分解，生长温度800～1200℃，氢气或者氨气气氛下，恒温1～20分钟后，改变反应气氛，通入另一种气体氨气或者氢气，恒温1～60分钟后，停止加热，继续通氢气致冷；氢气流量大于0毫升-500毫升/分钟；氨气为0～500毫升/分钟。该纳米管可用作构造纳米器件。，下面是具有纳米结的碳纳米管/氮化碳纳米管及制法和应用专利的具体信息内容。

1、一种具有纳米结的碳纳米管/氮化碳纳米管，沿管轴方向的一半由 碳元素组成，另一半为氮化碳纳米管；

所述碳纳米管部分为直的空心管状结构，氮化的碳纳米管的部分具 有竹节状结构；

所述碳纳米管/氮化碳纳米管的直径为10～100纳米，长度为5～400微 米；

其电学性能具有非线性整流效果。

2、一种制备权利要求1所述纳米管的方法，加热炉内通入氢气或者 氨气，金属酞菁于500～600℃的区域分解，中心生长温度800～1200℃， 在氢气或者氨气气氛下，恒温1～20分钟后，改变反应气氛，通入另一种 气体氨气或者氢气，恒温1～60分钟后，停止加热，继续通氢气致冷；

其中：氢气流量最小为大于0毫升/分钟，最大为500毫升/分钟；氨 气流量为0～500毫升/分钟。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属酞菁为酞菁铁、 酞菁镍或酞菁钴。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种纳米器件，尤其涉及一种具有纳米结的碳纳米管/氮 化碳纳米管。

本发明还涉及上述纳米管的制备方法。

本发明还涉及上述纳米管在构造纳米器件中的应用。

背景技术

随着器件的不断微型化，纳米电子器件将要取代微电子器件，人类 社会将逐步迈入纳米器件时代。与微电子一样，纳米器件预期将是以各 种纳米结为构造单元，各种纳米结的可控制备是实现纳米器件的前提条 件。目前纳米结的制备是当前的研究热点。碳纳米管由于其独特的电学 和力学性质，而成为极具潜力的纳米器件材料。理论和实验研究表明： 依据直径和螺旋度不同，碳纳米管表现出从半导体到金属的一系列的电 学性质。通过在石墨网络中引入五元环或七元环，可以将两根不同电学 性质的线形结构的碳纳米管连接在一起而产生一个纳米结(1：Odom，T. W.；Huang，J.-L.；Kim，P.；Lieber，C.M.J.Phys.Chem.B，2000，104，2794.2： Yao，Z.；Postma，H.W.C.；Balents，L.；Dekker，C.Nature，1999，402，273)。 但由于不能控制碳纳米管的螺旋度，该方法难于实施。在碳纳米管的石 墨网络结构中引入氮原子可以有效地改变纳米管的电学性能，氮化碳纳 米管是一种具有半导体性质的n型纳米材料，其电学性质与螺旋度无关， 因此可以通过控制纳米管的组成而控制其电学性能，该方法易于实施。 如果在碳纳米管中部分掺杂氮元素，使得不同部位的电学性质不相同， 从而产生纳米结。目前，可以控制生长出具有纳米结的各种分叉结构的 碳纳米管(Satishkumar，B.C.；Thomas，P.J.；Govindaraj，A；Rao，N.R.Appl. Phys.Lett.，2000，77，2530)，和利用微波化学气相沉积法制备线性氮化碳 纳米管/碳纳米管纳米结已有报道(Ma，X.C.；Wang，E.G.Appl.Phys.Lett. 2001，78，978)，但尚无利用酞菁衍生物作为催化剂和碳源控制生长具有 纳米结的线性结构的纳米管及该纳米结电学性能的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有纳米结的纳米管-碳纳米管/氮化碳纳 米管(C/CNX)。
本发明的另一目的在于提供上述纳米管的制备方法。
本发明提供的上述具有纳米结的纳米管本身就是纳米二极管，表现出 非线性的整流效应，该纳米管可以直接用于构造纳米器件。
本发明提供的一种具有纳米结的纳米管，由于同一纳米管中沿管轴 方向的两部分化学组成不同，而表现出明显的结构和电学性能差异，管 直径为10～100纳米，管长为5～400微米。
本发明用于制备C/CNX纳米管的装置采用常规反应设备，主要由反 应器、配气系统、控温系统三部分组成。(1)反应器：是由石英管和管 式电炉组成；(2)配气系统：是由气路和气体质量流量计组成，可以控 制载气的流量、比例和种类；(3)控温系统：是由程序控温仪组成，由 于是在炉体的中心区域加热，因而从炉体中心到炉口有一个温度梯度。
本发明提供的一种具有纳米结的纳米管的制备方法如下：
利用酞菁衍生物作原料，连接好配气系统，通入氢气或者氨气，将 盛有石英舟体积1/50-2/3的金属酞菁的石英舟放入炉口温度为500～600 ℃的区域分解，炉内中心生长温度为800～1200℃，在一种气体(氢气或 者氨气)气氛下，恒温1～20分钟后，改变反应气氛，通入另一种气体(氨 气或者氢气)，恒温1～60分钟后，停止加热，继续通氢气致冷，氢气流 量最小须大于0毫升/分钟，最大为500毫升/分钟即可，氨气为0～500毫 升/分钟。在得产物为具有纳米结的C/CNX纳米管。所述金属酞菁包括： 酞菁铁、酞菁镍或酞菁钴。
本发明制备的C/CNX纳米管具有下述特征和优点：
1、本发明提供的一种具有纳米结的纳米管沿管轴方向的两部分化学 组成不同，一半是由碳元素组成，即为纯碳纳米管，另一半掺杂了氮， 即为碳化氮纳米管。
2、本发明提供的一种具有纳米结的纳米管因两部分组成不同，其两 部分的结构具有明显差异：纯碳纳米管部分为直的空心管状结构，掺杂 氮部分具有明显的竹节状结构。
3、本发明提供的一种具有纳米结的纳米管，其直径为10～100纳米， 长度为5～400微米。
4、本发明提供的一种具有纳米结的纳米管，因其两部分组成不同而 具有分子内的异质结。
5、本发明提供的一种具有纳米结的纳米管，其电学性能表现为较好 的非线性整流效应。
6、本发明提供的一种具有纳米结的纳米管，其本身就是一种纳米二 极管。
7、本发明提供的一种具有纳米结的纳米管结构新奇独特，具有特殊 的电学和力学性质，是一种构筑纳米器件理想的材料。
8、本发明方法制备操作容易，工艺简单，成本低廉，宜于工业化生 产。

附图说明

图1：透射电子显微镜拍摄到的C/CNX纳米管照片。
图2：碳纳米管器件的扫描电镜图片。
图3：采用两端电极法测得C/CNx纳米管的电流-电压曲线，具有明 显的整流行为。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：连接好配气系统，通入氢气，当炉体中心温度达到800～ 1200℃时，将盛有0.02克酞菁铁的石英舟放入炉口温度为500～600℃的 区域，在氢气气氛下，恒温1分钟后，改变反应气氛，通入另一种气体 氨气，恒温2分钟后，停止加热，继续通氢气致冷，每种气体的流量为 每分钟40毫升，所得产物为具有纳米结的C/CNX纳米管。图1为所得 的C/CNX纳米管的透射电镜照片，图2为测量C/CNX纳米管的电流-电 压曲线。
实施例2：按照实施例1的制备方法，只是先通氨气，即先掺杂氮 元素，后通入氢气，所得产物中40％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例3：按照实施例1的制备方法，只是将酞菁铁的量变为0.05 克，所得产物中35％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例4：按照实施例1的制备方法，将酞菁铁代替为酞菁镍，所 得产物中50％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例5：按照实施例1的制备方法，将酞菁铁代替为酞菁钴，所 得产物中52％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例6：按照实施例1的制备方法，只是分别将两种气体的流量 改变为每分钟80毫升，所得产物中30％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例7：按照实施例4的制备方法，只是将酞菁镍的量变为0.05 克，所得产物中35％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例8：按照实施例4的制备方法，只是先通氨气，即先掺杂氮 元素，后通入氢气，所得产物中35％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例9：按照实施例5的制备方法，只是将酞菁钴的量变为0.05 克，所得产物中35％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例10：按照实施例5的制备方法，只是先通氨气，即先掺杂氮 元素，后通入氢气，所得产物中35％为具有纳米结的C/CNX纳米管。
实施例11：按照实施例5的制备方法，只是分别将两种气体的流量 改变为每分钟80毫升，所得产物中30％为具有纳米结的C/CNx纳米管。
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