一种通过磁场控制碳纳米材料生长形貌的方法

摘要

本发明涉及一种通过磁场控制碳纳米材料生长形貌的方法，以溅射在硅片上的磁性金属材料为催化剂，用高频感应线圈来加热中空石墨管，同时提供交变磁场，将溅射有催化剂的硅片放置在中空石墨管中，加热5-30分钟，即得到形貌受磁场控制的碳纳米材料。本发明利用交变磁场制备出类之字形纳米材料。与现有技术相比，本发明通过改变的磁场大小和方向，可以得到不同形貌的碳纳米材料。

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米材料制备领域，尤其是涉及一种通过磁场控制碳纳米材料 生长形貌的方法。

背景技术

自1991年日本科学家饭岛发现碳纳米管以来，大批科技工作者对一维碳纳米材 料进行了大量的研究。碳纳米材料主要包括直径在100纳米以下的碳纳米管和直径 在500纳米以下的碳纳米纤维，其长度可达数十或数百微米。由于其独特的结构特 性，使其具有不同寻常的物理、化学和机械性能等，被认为在一维传导器，超强复 合材料、超硬材料、储氢材料、催化剂和催化剂载体、高效吸附剂、吸波材料等领 域具有广阔的应用前景，受到很多研究者的重视。然而由外界环境来控制碳纳米材 料的生长形貌很少有报道，尤其是利用磁场来控制碳纳米材料的生长形貌从未见报 道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用磁场来 控制碳纳米材料生长形貌的方法，在碳纳米材料的生长过程中，通过改变磁场的大 小和方向来改变碳纳米材料的生长形貌。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种通过磁场控制碳纳米材料生长形貌的方法，包括以下步骤：

(1)在硅片上溅射一层磁性金属材料或者磁性金属氧化物材料；

(2)将经上述处理过的硅片置于中空石墨管中，该中空石墨管设在石英管中， 并置于高频线圈作用范围内；

(3)将中空石墨管抽真空，然后通入氢气和有机碳气体，开启高频线圈的电 源，反应一段时间后，硅片上得黑色产物，即为特定形貌的碳纳米材料。

步骤(1)中所述的磁性金属材料为铁、钴、镍或者为其合金。

步骤(1)中所述的磁性金属氧化物材料为铁、钴或镍的氧化物。

步骤(1)中所述的磁性金属材料或者磁性金属氧化物材料溅射厚度为 10-300nm。

所述的高频线圈使石墨管快速升温并提供交变磁场。

步骤(3)中所述的有机碳气体为甲烷或乙炔，通入的氢气流量为10-50sccm， 通入的有机碳气体流量为30-200sccm。

氢气与有机碳气体通入的体积比优选1∶3。

步骤(3)中所用的反应时间为5-30分钟。

步骤(3)中高频线圈控制反应温度为750-900℃，内部磁场为交变磁场，由 线圈内的交变电流产生，频率为30KHz-60KHz。

本发明的关键在于，使用的高频感应线圈不仅可以产生与中空石墨管同轴的高 频涡流，从而使得石墨管快速升温，也可以产生石墨管轴向的高频交变磁场，上述 感应磁场可以控制磁性催化剂的走向，从而达到控制碳纳米材料的生长形貌。

本发明制备的碳纳米材料的生长机理：制备一维材料的其中一个重要生长机理 为VLS机制(气固液机制)，此机制的关键是位于一维材料顶端或者底端的液滴 状催化剂，催化剂在高温下融化成液滴状，液滴在材料生长过程中不断吸附气氛中 的气体，当液滴中的物质达到过饱和时，物质析出成为固体，液滴持续溶解气体和 析出，从而长成一维材料。本发明采用铁，钴，镍等磁性材料作为催化剂，一方面 保证能遵循VLS生长机制生长一维碳纳米材料，一方面也可以利用磁场来诱导催 化剂的走向，从而控制碳纳米材料的形貌。

与现有技术相比，本发明通过控制磁场的大小和方向，可得到各种不同形貌 的碳纳米材料，采用铁，钴，镍等磁性材料作为催化剂，一方面保证能遵循VLS 生长机制生长一维碳纳米材料，另一方面也可以利用磁场来诱导催化剂的走向，从 而控制碳纳米材料的形貌。

附图说明

图1为本发明制备得到的类之字形碳纳米材料的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

1、在洗净的硅片上溅射一层铁，溅射时间为10-50秒，厚度大约为30-300纳 米；

2、将上述硅片置于中空石墨管中，并置于高频感应线圈的作用范围内，整个 石墨管置于密闭石英管中；开启真空泵，开始抽真空，使石英管内真空度达到10Pa 左右，通入氢气，氢气流量为30sccm；

3、调节抽气量，使得石英管内可以保持压强，开启高频感应线圈电源，石墨 管温度在1分钟之内达到750度左右，达到所需温度后，持续通入氢气2分钟，使 得硅片上所溅射材料被还原成金属单质，然后通入乙炔，流量为90sccm。

5、保持温度，保持氢气和乙炔的流量，反应15分钟，关闭电源；

6、自然冷却后，在硅片上可得到大量黑色物质，即为磁场控制下生长的碳纳 米材料。

本实施例中所用磁场由感应线圈产生，磁场为沿着石墨管轴向的交变磁场，因 此得到的碳纳米材料为类之字形，如图1所示。

实施例2

溅射金属换成镍和钴，通入的有机碳气体换成甲烷，所需温度换成900度，其 余不变，同样可以得到类之字形的碳纳米材料。

实施例3

一种通过磁场控制碳纳米材料生长形貌的方法，包括以下步骤：

(1)在硅片上溅射一层氧化铁作为催化剂，金属氧化物材料溅射厚度为10nm；

(2)将经上述处理过的硅片置于中空石墨管中，该中空石墨管设在石英管中， 并置于高频线圈作用范围内，高频线圈使石墨管快速升温并提供交变磁场；

(3)将中空石墨管抽真空，然后通入氢气和甲烷，氢气流量为10sccm，甲烷 的流量为30sccm，然后开启高频线圈的电源，控制反应温度为750℃，控制高频 线圈的频率为30KHz，为内部提供高频交变磁场，反应30min，硅片上得黑色产物， 即为特定形貌的碳纳米材料。

实施例4

一种通过磁场控制碳纳米材料生长形貌的方法，包括以下步骤：

(1)在硅片上溅射一层氧化钴作为催化剂，金属氧化物材料溅射厚度为50nm；

(2)将经上述处理过的硅片置于中空石墨管中，该中空石墨管设在石英管中， 并置于高频线圈作用范围内，高频线圈使石墨管快速升温并提供交变磁场；

(3)将中空石墨管抽真空，然后通入氢气和甲烷，氢气流量为30sccm，甲烷 的流量为100sccm，然后开启高频线圈的电源，控制反应温度为800℃，控制高频 线圈的频率为50KHz，为内部提供高频交变磁场，反应15min，硅片上得黑色产物， 即为特定形貌的碳纳米材料。

实施例5

一种通过磁场控制碳纳米材料生长形貌的方法，包括以下步骤：

(1)在硅片上溅射一层铁钴合金作为催化剂，金属氧化物材料溅射厚度为 50nm；

(2)将经上述处理过的硅片置于中空石墨管中，该中空石墨管设在石英管中， 并置于高频线圈作用范围内，高频线圈使石墨管快速升温并提供交变磁场；

(3)将中空石墨管抽真空，然后通入氢气和乙炔，氢气流量为50sccm，乙炔 的流量为200sccm，然后开启高频线圈的电源，控制反应温度为900℃，控制高频 线圈的频率为60KHz，为内部提供高频交变磁场，反应5min，硅片上得黑色产物， 即为特定形貌的碳纳米材料。