具有纳米结的碳纳米管/氮化碳纳米管及制法和应用 【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地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。