奈米碳管制程

內容
奈米碳管製程
奈米碳管常使用的碳原料有甲烷(CH4)、石墨(Graphite)、乙炔(C2H2)。

製作過程通常加入鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)…等過渡金屬元素作為觸媒以輔助成長，並可用來降低製程溫度，當通入不同的載流氣體，氮(Ar)、氫(H2)等，會改善所得到奈米碳管的產量、品質和特性，以下為常見的製程奈米碳管之方式：
(1) 電弧放電法 :
電弧放電法是最早發現奈米碳管所使用的方法，適合用來大量生產奈米碳管，但是所製作出來的奈米碳管需要經過純化過程，把非晶質碳、
C60、石墨碎片去除，才能得到純度高的奈米碳管，將兩直徑大小不同的石墨棒，當作陽極和陰極，通常陽極直徑比陰極直徑小，為了要得到單壁奈米碳管，可在陽極中的凹槽填入過渡金屬當作觸媒，陰極和腔體用冷水降溫，在兩極間通入10~30V 的電壓，大約100A 的電流(直流或交流都可)，真空腔體抽至100 mtorr 後導入氦氣使壓力維持在500torr，陽極和陰極的間隙約為1~3mm，兩極之間會產生電弧，利用電弧所產生的強大熱能，把陽極石墨在高溫之下汽化，陰極將會沉積許多的黑色碳沈積物，利用顯微鏡來觀察，在這之中包含了非晶質碳、奈米碳管、C60、石墨碎片等，之後將其純化去除，如圖一所示。

(2) 雷射汽化法 :
雷射汽化法是在1996 年被證實可以用來製造奈米碳管且有70%-90%高產量的奈米碳管，在石墨靶材中混合過渡金屬，把混合的石墨靶材放置在石英管中，通入鈍氣加熱至1200℃，再以脈衝雷射照射石墨靶材使其蒸發，再通入氬氣作為載流氣體，使蒸發的材料可以跟著載流氣體流動，而在出口利用銅金屬來冷卻、沉積蒸發物，就可以得到黑色碳沉積物，以顯微鏡觀察，可以得到的單壁奈米碳管和其它方法比較，雷射汽化法可以得到大量的單壁奈米碳管，此方法的缺點為需要非常高的溫度下操作，如圖二所示。

(3) 熱分裂化學氣相沉積 :
化學氣相沉積法（CVD）是目前製作單層奈米碳管最有效率的方法，可應用於大表面積的生產或擁有多種產物型態的特質。

將CH4、C2H2、C2H4…等碳氫化合物的氣體，通入高溫的石英管爐中反應，這些氣體會因高溫而催化分解成碳(奈米顆粒)，吸附在矽(Si)基板
沉積上金屬薄膜，然後將其用氫氟酸(HF)溶液的浸泡，在成長奈米碳管時，通入氨(NH3)氣體對觸媒薄膜來蝕刻形成的奈米顆粒，才能降低成長奈米碳管的溫度，再通入有機化合物，在高溫下分解有機化合物、經過裂結、沉積過程來合成出奈米碳管，如圖三所示。

【6】
圖1 電弧放電法【6】
圖二雷射汽化法【6】
圖三化學氣相沉積法【6】
奈米碳管的特性
奈米碳管因長度單位為奈米級，所以其特性不同於一般認之的碳特性，奈米碳管擁有強度高、密度高、熱傳導高、韌性高、機械性高、質量輕，所以綜合以上的特性，而衍生出許多新奇的應用，雖然目前的研究並未發展成熟，但可想而知奈米碳管將成為未來的新興材料之一。

又因奈米碳管為人工合成的最細管子，以機械性質而言，單壁奈米碳管的強度約為鋼的 10 ~ 100 倍，但重量僅有鋼的六分之一，其比強度〈強度 / 密度〉較鋼高，是質輕且機械強度高的物質，並且奈米碳管的發現可使電子元件縮小、密度提高，而奈米碳管也不會像一般金屬，因高電流而產生熱或更高的阻抗，是十分適用於電子元件之製作。