碳纳米结构体转变为纳米金刚石的方法 【技术领域】
本发明涉及各种碳纳米结构体，特别是一种利用氢等离子体技术实现各种碳纳米结构体转变为纳米金刚石的方法。
背景技术
碳的各种同素异形结构(石墨、金刚石、富勒烯和碳纳米管)的研究是目前材料科学的研究热点。由于碳材料结构的多样性、复杂性以及所表现出的各种优异的物理和化学性质，使之成为未来高科技应用的优质材料。采用常规的高温高压方法研究碳的各种同素异形结构间转变，尤其是石墨、富勒烯、碳纳米管在高温高压下转变为金刚石的研究报导较多，用其它方法研究结构相变的工作也有报导，如冲击压缩、激光改性、化学气相沉积等(DuclosS.J.，Brister K.et al.1991 Nature 351 380；Wei B.Q.，Zhang J.H.et al.1997 J.Mat.Sci.Lett.16 402；Mellunas R.J.and Chang R.P.H.1991 Appl.Phys.Lett.59 3461)。在碳纳米管向金刚石的结构转变研究方面，Cao L.、Wei B.和YusaH.等(Cao L.et al.2001 Carbon 39 287；Wei B.et al.1998 Carbon 36 997；Yusa H.2002 Diamond Relat.11 87)通过高温高压方法获得了纳米金刚石颗粒，并提出了高温高压下碳纳米管首先转变为碳洋葱结构，而后通过碳洋葱结构核心收缩的金刚石成核机理。粒子束技术作为一种研究碳的各种纳米结构相变的新方法，与常规的高温高压方法研究石墨、富勒烯、碳纳米管向金刚石的转变不同，粒子束的优点在于可以观察结构变化的不同阶段，而高温高压方法很难实现中间产物地实验观察。且从粒子束的能量损失、原子的位移、缺陷的迁移和原子的位移阈能等信息可以对材料的结构变化给出定性或定量的描述，因此粒子束方法对于研究结构变化过程和变化机制具有重要的意义。
近几年，以Banhart F.等人为代表的研究小组在电子束作用下各类碳的结构向金刚石结构相变研究方面做了大量的工作(Banhart F.et al.1996 Nature382 433；Banhart F.et al.1997 J.Appl.Phys.81 3440；Banhart F.et al.1997Chem.Phys.Lett.269 349)，他们建立了电子束辐照下石墨一金刚石相变的相图，确定了相变发生的温度区间、相变速度以及与电子束流强的关系，并提出了相应的相变机制。然而，电子束辐照一般只能实现几十个纳米范围内的转变，很难实现金刚石的大量生产，而粒子束却完全可以克服这种缺陷，其每次转变面积可达到厘米至几十厘米见方。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题就在于克服上述已有技术的局限，从而提供一种利用粒子束(氢等离子体)技术实现各种碳纳米结构体转变为纳米金刚石的方法。
本发明的采用粒子束技术实现碳纳米结构体向纳米金刚石转变的方法具体包括以下步骤：
(1)将碳纳米结构体样品均匀分布在干净平整的基底表面；
(2)将固定好的样品置于等离子体装置的反应室中，利用加热器件对样品进行加热；
(3)样品加热至500～1000℃后，向反应室中通入氢气；
(4)打开等离子体的发生装置以产生氢等离子体，同时控制氢等离子体的强度使其稳定存在以对样品进行作用。
通过上述方法能够实现由碳纳米结构体向纳米金刚石的转变，与现有技术相比，其能够大量地将各种碳纳米结构体转变为纳米金刚石。
【附图说明】
图1为转化前碳纳米管的透射电子显微镜(TEM)像。
图2为碳纳米管转变为纳米金刚石的TEM像。
图3为无定形碳纳米线转变为纳米金刚石的TEM像。
图4为无定形碳纳米薄膜转变为纳米金刚石的TEM像。
【具体实施方式】
以下结合具体实施例对本发明作进一步叙述。
实施例1 基底材料的预处理
分别选取硅、石英以及陶瓷三种耐高温材料，用丙酮去除硅片表面油污，之后在酒精溶液中超声15～30分钟，然后在5％的氢氟酸里泡一分钟以去除氧化层，最后用去离子水冲净备用。
实施例2 由碳纳米管转变为纳米金刚石
选取碳纳米管通过以下各步骤进行实验：
1)用滴管取适量分散好的碳纳米管样品均匀滴在经预处理的干净硅片表面，在80～200℃环境下烘烤1～4小时以控制基底对碳纳米管的吸附能力；
2)将样品置于等离子体装置(如射频等离子体装置)的反应室中，利用加热器件(如钨丝)对样品进行加热；为了避免掺入不必要的杂质，在给样品加热前保证等离子体装置的反应室中的真空度达到10-5Torr以上；此外，为能使样品均匀受热，加热时采取逐渐缓慢加热的升温方式；
3)在温度升至500℃后，先稳定15～20分钟，以确保样品受热均匀、完整，然后再通入氢气，通入氢气的流量控制在20～100sccm；
4)待反应室中氢气的浓度均匀，气压恒定后，打开等离子体的发生装置，产生氢等离子体；同时控制辉光的明暗来调整氢等离子体的强度并使其稳定存在以对样品进行作用。
将经上述步骤作用10小时后的样品置于透射电子显微镜下观察(透射电子显微镜及微区电子衍射实验在PHYLIPS CM200FEG型高分辨透射电子显微镜下进行，加速电压为200kv，线分辨率0.1nm，点分辨率0.24nm，实际使用160kV加速电压)，其结果如图2所示。
由图1的碳纳米管TEM像可以明显地看出转化前碳纳米管的空心结构，经过氢等离子体处理后，由图2可以明显看出碳纳米管管壁形成了许多纳米颗粒，这些纳米颗粒的微区电子衍射结果如图2中所插入的图样所示，该衍射环是明显的面心立方金刚石的衍射图样，表明这些纳米颗粒即为金刚石的纳米颗粒。
实施例3 由无定形碳纳米线转变为纳米金刚石
选取无定形碳纳米线通过以下各步骤进行实验：
1)用滴管取适量分散好的无定形碳纳米线样品均匀滴在经预处理的干净石英表面，在80～200℃环境下烘烤1～4小时以控制基底对碳纳米管的吸附能力；
2)将样品置于等离子体装置的反应室中，利用加热器件对样品进行加热；为了避免掺入不必要的杂质，同样，在给样品加热前保证等离子体装置的反应室中的真空度达到10-5Torr以上；且加热时采取逐渐缓慢加热的升温方式；
3)在温度升至700℃后，先稳定15～20分钟，以确保样品受热均匀、完整，然后再通入氢气，通入氢气的流量控制在20～100sccm；
4)待反应室中氢气的浓度均匀，气压恒定后，打开等离子体的发生装置，产生氢等离子体；同时控制辉光的明暗来调整氢等离子体的强度并使其稳定存在以对样品进行作用。
将经上述步骤作用6小时后的样品置于透射电子显微镜下观察，其结果如图3所示，可见，通过上述步骤同样得到了纳米金刚石颗粒。
实施例4 由无定形碳纳米薄膜转变为纳米金刚石
选取无定形碳纳米薄膜通过以下各步骤进行实验：
1)用滴管取适量分散好的无定形碳纳米薄膜样品均匀滴在经预处理的干净陶瓷表面，在80～200℃环境下烘烤1～4小时以控制基底对碳纳米管的吸附能力；
2)将样品置于等离子体装置的反应室中，利用加热器件对样品进行加热；为了避免掺入不必要的杂质，同样，在给样品加热前保证等离子体装置的反应室中的真空度达到10-5Torr以上；且加热时采取逐渐缓慢加热的升温方式；
3)在温度升至1000℃后，先稳定15～20分钟，以确保样品受热均匀、完整，然后再通入氢气，通入氢气的流量控制在20～100sccm；
4)待反应室中氢气的浓度均匀，气压恒定后，打开等离子体的发生装置，产生氢等离子体；同时控制辉光的明暗来调整氢等离子体的强度并使其稳定存在以对样品进行作用。
将经上述步骤作用8小时后的样品置于透射电子显微镜下观察，其结果如图4所示，可见，通过上述步骤同样得到了纳米金刚石颗粒。
综上所述，通过本发明的采用粒子束，即氢等离子体的技术能够实现碳纳米结构体向纳米金刚石的转变，且相对于电子束技术，本发明的方法由于每次转变面积可达到厘米至几十厘米见方，因此相对能够较大规模地生产纳米金刚石。