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碳纳米管阵列的制备方法
    技术领域 本发明涉及一种碳纳米管阵列的制备方法， 尤其涉及一种掺有同位素的碳纳米管 阵列的制备方法。
     背景技术 同位素标示方法是研究材料生长机理的有力工具， 因此， 同位素标记的纳米材料 可以研究该纳米材料的生长机理， 该同位素标记的纳米材料是利用在纳米材料的合成过程 中， 将含有某一特定元素 ( 一般是轻元素， 如碳、 硼、 氮或氧 ) 的同位素的反应物按照预定的 浓度 ( 以纯物质或混合物的形式 ) 和顺序使其参与反应， 从而制备出原位生长的该同位素 标示的纳米材料。
     范守善等人于 2006 年 4 月 18 日公告的， 公告号为 US 7,029,751 B2， 标题为 “Isotope-doped carbon nanotube and method and apparatus for forming the same” 的 专利揭示了一种掺有同位素的碳纳米管阵列及其制备方法。 该掺有同位素的碳纳米管阵列 包括由单一同位素组成的第一碳纳米管片段和第二碳纳米管片段， 该第一碳纳米管片段和 第二碳纳米管片段沿碳纳米管的纵向交替排列。 该掺有同位素的碳纳米管阵列的制备方法 12 13 包括如下步骤 ： 提供分别由 C 和 C 组成的乙烯气体 ； 提供其上形成有催化剂层的基底， 并 将该基底置入反应室中 ； 将该反应室抽成真空， 通入预定压力的保护性气体 ； 在 650~750℃ 12 的反应条件下， 使由 C 组成的乙烯气体发生反应并生成第一碳纳米管片段 ； 反应预定时间 13 后， 将碳源切换至由 C 组成的乙烯气体上， 在 650~750℃的反应条件下， 使由 13C 组成的乙 烯气体发生反应， 继续生长第二碳纳米管片段， 从而得到掺有同位素的碳纳米管阵列。
     然而， 上述发明中碳纳米管阵列是采用含有不同种类单一碳同位素的同一种碳源 气在相同温度下制备出来的， 并且在制备过程中需要通过切换的方式分别通入不同种类单 一碳同位素的碳源气， 方法较为复杂。
     发明内容
     有鉴于此， 确有必要提供一种同时通入至少两种碳源气制备碳纳米管阵列的方法。 提供一形成有催化剂层的基底， 并将该形成有催化剂层的基底置入一反应室中 ； 提供至少两种碳源气， 该至少两种碳源气中的碳元素分别由不同种类的单一同位素组成 ； 以及将所述至少两种碳源气同时通入所述反应室中， 通过控制反应温度， 使所述至少两种 碳源气在不同的温度下发生反应， 形成一碳纳米管阵列。
     与现有技术相比较， 所述碳纳米管阵列的方法采用至少两种含有单一同位素的碳 源气同时通入， 并控制不同的反应温度， 使各种碳源气在不同的温度下发生反应， 得到所述 碳纳米管阵列。该方法无需进行不同碳源气的切换， 可以方便的获得多种组合的碳纳米管 阵列。
     附图说明
     图 1 是本发明第一实施例碳纳米管阵列的制备方法的流程图。 图 2 是本发明第一实施例碳纳米管阵列的制备装置的示意图。 图 3 是本发明第一实施例制备的碳纳米管阵列的示意图。 图 4 是本发明第二实施例制备的碳纳米管阵列的示意图。 图 5 是本发明第三实施例碳纳米管阵列的制备装置的示意图。 图 6 是本发明第四实施例碳纳米管阵列的制备方法的流程图。 图 7 是本发明第四实施例碳纳米管阵列的制备装置的示意图。 图 8 是本发明第四实施例制备的碳纳米管阵列的示意图。 图 9 是本发明第五实施例碳纳米管阵列的制备装置的示意图。 图 10 是本发明第五实施例制备的碳纳米管阵列的示意图。 主要元件符号说明碳纳米管阵列 碳纳米管片段 碳纳米管子阵列 反应装置 保护气体输入通道 碳源气输入通道 排气通道 阀门 反应室 反应炉 催化剂层 基底 激光加热装置 10 ； 20 ； 30 ； 40 12 ； 14 ； 22 ； 24 ； 26 32 ； 34 ； 36 ； 42 ； 44 ； 46 100 ； 200 102 ； 202 104 ； 106 ； 108 ； 204 ； 206 ； 208 110 ； 210 112 ； 114 ； 116 ； 118 ； 212 ； 214 ； 216 ； 218 120 ； 220 122 ； 222 130 ； 230 132 ； 232 140 ； 240如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。 具体实施方式
     下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
     请参阅图 1， 本发明第一实施例提供一种碳纳米管阵列的制备方法， 该制备方法主 要包括以下步骤 ： （S101） 提供一形成有催化剂层的基底， 并将该形成有催化剂层的基底置 入一反应室中 ； （S102） 提供至少两种碳源气， 该至少两种碳源气中的碳元素分别由不同种 类的单一同位素组成 ； 以及 （S103） 将所述至少两种碳源气同时通入所述反应室中， 通过控 制反应温度， 使所述至少两种碳源气在不同的温度下发生反应， 形成碳纳米管阵列。
     步骤 S101， 提供一形成有催化剂层的基底， 并将该形成有催化剂层的基底置入一 反应室中。
     请参阅图 2， 提供一基底 132， 该基底 132 具有一平整、 光滑的表面。所述基底 132 可选用抛光的硅片、 抛光的二氧化硅片及抛光的石英片， 该基底 132 的表面平整度以小于 10 纳米为佳。本实施例中， 选用抛光的硅片作为所述基底 132。 在所述基底 132 表面形成一催化剂层 130。 该催化剂层 130 可通过电子束蒸发法、 沉积法、 溅射法或蒸镀法等方法沉积于所述基底 132 的表面， 该催化剂层 130 的厚度一般以 3 纳米 ~6 纳米为宜。该催化剂层 130 与所述基底 132 形成良好的化学或物理结合。该催
     化剂层 130 的材料可选用铁、 钴、 镍及其任意组合的合金材料等。本实施例中， 选用厚度为 5nm 的铁膜作为所述催化剂层 130。该铁膜可以与所述抛光的硅片形成良好的接触。
     提供一反应装置 100， 该反应装置 100 包括 ： 一反应室 120、 一用于加热该反应室 120 的反应炉 122、 一保护气体输入通道 102、 三个碳源气输入通道 104、 106、 108 以及一排 气通道 110。所述反应室 120 用于承载所述形成有催化剂层 130 的基底 132 ； 所述反应炉 122 包括有一加热装置， 所述加热装置可以对所述反应室 120 进行加热， 并使反应室 120 达 到一预定温度。 所述保护气体输入通道 102 设置有一阀门 112， 通过所述保护气体输入通道 102 可以输入不同的惰性气体， 如氦气、 氩气、 氮气等 ； 所述碳源气输入通道 104 设置一阀门 114， 所述碳源气输入通道 106 设置一阀门 116， 所述碳源气输入通道 108 设置一阀门 118， 该碳源气输入通道 104、 106、 108 可以分别输入不同的碳源气。
     将所述形成有催化剂层 130 的基底 132 置入所述反应室 120 中。 所述催化剂层 130 朝向碳源气通入方向并与水平面形成一定的夹角 α， 0°≦ α ＜ 90°。可以理解， 通过调 整所述催化剂层 130 与水平面的夹角， 可以改善碳纳米管阵列生长均匀性。所述夹角可根 据实际需要调整， 本实施例中， 所述催化剂层与水平面形成的夹角 α 为 0°。可以理解， 通 过将所述形成有催化剂层 130 的基底 132 置入所述反应室 120 中， 就可以通过所述反应炉 122 中的加热装置对所述反应室 120 及催化剂层 130 进行加热使所述反应室 120 及催化剂 层 130 达到一预定的温度。
     步骤 S102， 提供至少两种碳源气， 该至少两种碳源气中的碳元素分别由不同种类 的单一同位素组成。
     所述碳源气可以通过所述碳源气输入通道 104、 106 以及 108 输入到所述反应室 120。所述碳源气可选自甲烷、 乙烯、 乙炔、 丙二烯及其他碳氢化合物。所述至少两种碳源气 是指至少两种不同材料的碳源气， 例如乙烯与乙炔 ； 或者甲烷与乙烯等， 且所述至少两种不 12 13 14 同材料的碳源气中的碳元素由不同种类的单一同位素组成， 如 C， C， C 等。本实施例中， 12 提供两种不同的碳源气， 该两种碳源气分别是含有 C 同位素的乙炔及含有 13C 同位素的乙 烯， 所述两种碳源气可以分别通过所述碳源气输入通道 104 及 106 输入到反应室 120。
     步骤 S103， 将所述至少两种碳源气同时通入所述反应室中， 通过控制反应温度， 使 所述至少两种碳源气在不同的温度下发生反应， 形成碳纳米管阵列。
     本实施例中， 首先， 通过所述排气通道 110 将所述反应室 120 抽真空后， 通过保护 气体输入通道 102 通入一预定压强的保护气， 本实施例为压强为 1 个大气压的氩气 ； 打开阀 12 门 114 及 116， 通过碳源气输入通道 104 及 106 向反应室 120 内同时通入由 C 组成的乙炔 13 气体和由 C 组成的乙烯气体， 两种气体的流量均为 120 sccm（标准状态下， 每分钟每立方 厘米） ， 流速均为 1.2cm/s ； 通过反应炉 122 中的加热装置对该反应室 120 进行加热， 使该反 应室 120 达到一第一温度， 该第一温度为催化乙炔气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该 第一温度约为 600℃ -650℃。由于所述第一温度仅达到乙炔气体分解制备碳纳米管的反应 温度， 而未达到乙烯气体分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该反应过程中仅有由 12C 组 成的乙炔气体发生分解反应， 并生成由 12C 组成的碳纳米管片段于该催化剂层铁膜上。
     其次， 反应预定时间后， 通过反应炉 122 中的加热装置对该反应室 120 的温度进行 控制， 使该反应室 120 达到一第二温度， 该第二温度大于所述第一温度， 该第二温度为催化 所述乙烯气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该第二温度约为 650℃ -800℃。可以理解， 由于所述第二温度高于催化乙炔气体反应制备碳纳米管的反应温度， 并且由于碳纳米管的生 12 长点在该催化剂铁膜上， 因此， 在该反应过程中， 由 C 组成的乙炔气体和由 13C 组成的乙烯 气体同时发生分解反应， 分解反应生成的碳原子沉积于所述催化剂层铁膜， 并生成由 13C 和 12 C 组成的碳纳米管片段， 将所述由 12C 组成的碳纳米管片段顶起， 即， 由 13C 和 12C 组成的碳 纳米管片段生长于所述由 12C 组成的碳纳米管片段的底端。
     最后， 继续反应预定时间后， 将反应室 120 冷却至室温， 在催化剂层铁膜上得到一 碳纳米管阵列。
     此外， 还可以重复以上步骤， 制备出周期性交替排列的碳纳米管阵列。
     请参阅图 3， 本发明第一实施例制备得到的碳纳米管阵列 10， 该碳纳米管阵列 10 包括多个碳纳米管， 该多个碳纳米管由一第一碳纳米管片段 12 及一第二碳纳米管片段 14 组成 ； 该第二碳纳米管片段 14 形成于所述催化剂层铁膜上， 该第一碳纳米管片段 12 形成于 该第二碳纳米管片段 14 之上 ； 其中， 该第一碳纳米管片段 12 由 12C 组成， 该第二碳纳米管片 12 13 段 14 由 C 及 C 组成。
     所述碳纳米管可以是单壁碳纳米管、 双壁碳纳米管及多壁碳纳米管。 本实施例中， 该碳纳米管为一多壁碳纳米管。 所述碳纳米管的直径为 0.5~50 纳米， 长度为 50 纳米 ~5 毫米。所述第一碳纳米管 片段 12 及第二碳纳米管片段 14 具有相等或不等的长度， 可以根据实际需要制备获得。本 实施例中， 碳纳米管的长度优选为 100 微米 ~900 微米， 所述第一碳纳米管片段 12 及第二碳 纳米管片段 14 具有大致相等的长度。
     可以理解， 在步骤 S103 中也可以先通过反应炉 122 中的加热装置对该反应室 120 进行加热， 使该反应室 120 的第一温度达到催化乙烯气体分解制备碳纳米管的反应温度， 即， 使该反应室 120 的第一温度达到 650℃ -800℃。此时， 由于该第一温度高于乙炔气体 12 分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 反应过程中由 C 组成的乙炔气体和由 13C 组成的乙 烯气体同时发生分解反应， 生成的由 13C 和 12C 组成的碳纳米管片段沉积于该催化剂层铁膜 上； 其次， 反应预定时间后， 通过反应炉 122 中的加热装置对该反应室 120 的温度进行控制， 使该反应室 120 的第二温度仅达到催化乙炔气体分解制备碳纳米管的反应温度， 即， 使该 反应室 120 的第二温度下降到 600℃ -650℃。此时， 由于该第二温度仅达到催化乙炔气体 分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该反应过程中仅有由 12C 组成的乙炔气体发生分解反 应， 并生成的由 12C 组成的碳纳米管片段沉积于所述催化剂层铁膜， 将所述由 13C 和 12C 组成 的碳纳米管片段顶起， 即， 生成的由 12C 组成的碳纳米管片段生长于所述由 13C 和 12C 组成的 碳纳米管片段的底端。
     本发明第二实施例提供一种碳纳米管阵列的制备方法， 该制备方法主要包括以下 步骤 ： （S201） 提供一形成有催化剂层的基底， 并将该形成有催化剂层的基底置入一反应室 中； （S202） 提供至少两种碳源气， 该至少两种碳源气中的碳元素分别由不同种类的单一同 位素组成 ； 以及 （S203） 将所述至少两种碳源气同时通入所述反应室中， 通过控制反应温 度， 使所述至少两种碳源气在不同的温度下发生反应， 形成碳纳米管阵列。
     所述步骤 S201 和步骤 S202 与本发明第一实施例中的步骤 S101 及步骤 S102 基本 相同， 不同之处在于， 进一步提供一第三碳源气， 其中， 所述第三碳源气中的碳元素也由单 一的同位素组成， 且组成所述第三碳源气中的碳的同位素与本发明第一实施例中组成所述
     两种碳源气中的碳的同位素不同。本实施例中所述第三碳源气为含有 14C 同位素的甲烷。 所述含有 14C 同位素的甲烷由所述碳源气输入通道 108 输入到反应室 120。
     所述步骤 S203 与本发明第一实施例中的步骤 S103 基本相同， 不同之处在于， 由 12 13 12 C 和 C 组成的碳纳米管片段生长于所述由 C 组成的碳纳米管片段的底端后， 进一步包 括： 通过反应炉 122 中的加热装置对该反应室 120 的温度进行控制， 使该反应室 120 达到 一第三温度。该第三温度为催化甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该第三温度约为 850℃ -1100℃。由于所述第三温度同时达到乙炔、 乙烯和甲烷气体分解制备碳纳米管的反 12 应温度， 因此， 该反应过程中， 由 C 组成的乙炔气体、 由 13C 组成的乙烯气体以及由 14C 组成 13 的甲烷气体同时发生分解反应， 并生成由 12C、 C 及 14C 组成的碳纳米管片段沉积于所述催 化剂层铁膜， 并将由 12C 和 13C 组成的碳纳米管片段顶起， 即， 该碳纳米管片段生长于所述由 12 13 C 和 C 组成的碳纳米管片段的底端。
     最后， 继续反应预定时间后， 将反应室 120 冷却至室温， 在催化剂层铁膜上得到一 碳纳米管阵列。
     另外， 还可以重复以上步骤， 制备出周期性交替排列的碳纳米管阵列 ； 此外， 还可 以通过反应炉 122 中的加热装置使所述反应室 120 先后达到不同的反应温度， 最后制备出 不同种类的碳纳米管阵列。 请参阅图 4， 由本发明第二实施例制备得到的碳纳米管阵列 20， 该碳纳米管阵列 20 包括多个碳纳米管， 该多个碳纳米管由一第一碳纳米管片段 22、 一第二碳纳米管片段 24 及一第三碳纳米管片段 26 组成 ； 其中， 所述第一碳纳米管片段 22 由 12C 组成， 所述第二碳纳 12 13 12 13 14 米管片段 24 由 C 及 C 组成， 所述第三碳纳米管片段 26 由 C、 C 及 C 组成。所述第一 碳纳米管片段 22、 第二碳纳米管片段 24 及第三碳纳米管片段 26 具有相等或不等的长度， 可以根据实际需要通过控制反应的时间来获得。本实施例中， 所述碳纳米管的长度优选为 100 微米 ~900 微米， 所述第一碳纳米管片段 22、 第二碳纳米管片段 24 及第三碳纳米管片段 26 具有大致相等的长度。
     可以理解， 所述碳纳米管中， 第一碳纳米管片段 22、 第二碳纳米管片段 24 及第三 碳纳米管片段 26 排列的顺序可以随意组合， 可通过在反应过程中通过控制温度的方式实 现按照不同的顺序生长不同的碳纳米管片断。
     例如， 在步骤 203 中， 也可以先通过反应炉 122 中的加热装置对该反应室 120 的温 度进行控制， 使反应室 120 的第一温度达到催化甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度。 由于所述第一温度高于催化乙炔和乙烯气体分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该反应 12 13 14 过程中乙炔、 乙烯和甲烷气体同时发生分解反应， 生成由 C、 C 及 C 组成的碳纳米管片段 沉积于该催化剂层铁膜上。其次， 反应预定时间后， 通过反应炉 122 中的加热装置对该反应 室 120 的温度进行控制， 使反应室 120 的第二温度仅达到催化乙烯气体分解制备碳纳米管 的反应温度。 此时， 由于所述第二温度低于催化甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 但 高于催化乙炔气体分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该反应过程中仅有乙炔和乙烯气 12 13 13 体发生分解反应， 并生成由 C 及 C 组成的碳纳米管片段继续生长于所述由 12C、 C 及 14C 组 成的碳纳米管片段的底端 ； 再次， 反应预定时间后， 通过反应炉 122 中的加热装置对该反应 室 120 的温度进行控制， 使该反应室 120 的第三温度仅达到催化乙炔气体分解制备碳纳米 管的反应温度。此时， 由于所述第三温度低于催化甲烷和乙烯气体分解制备碳纳米管的反
     应温度， 因此， 该反应过程中仅有乙炔气体发生分解反应， 生成由 12C 组成的碳纳米管片段 继续生长于所述由 12C 及 13C 组成的碳纳米管片段的底端。
     请参阅图 5， 本发明第三实施例提供一种碳纳米管阵列的制备方法。 该制备方法主 要包括以下步骤 ： （S301） 提供一形成有催化剂层的基底， 并将该形成有催化剂层的基底置 入一反应室中 ； （S302） 提供至少两种碳源气， 该至少两种碳源气中的碳元素分别由不同种 类的单一同位素组成 ； （S303） 将所述至少两种碳源气同时通入所述反应室中， 通过一激光 加热装置控制反应温度， 使所述至少两种碳源气在不同的温度下发生反应， 形成碳纳米管 阵列。
     所述步骤 S303 与本发明第二实施例中的步骤 S203 基本相同， 不同之处在于， 本实 施例中采用一激光加热装置 140 取代所述反应炉 122 来加热反应室 120， 通过控制该反应 室 120 的温度来控制反应温度， 或可采用激光加热装置 140 直接对整个催化剂层 130 进行 加热， 通过控制催化剂层 130 的温度来控制反应温度， 使其达到一预定的反应温度。所述采 用激光加热装置 140 直接对整个催化剂层 130 进行加热的方法为 ： 可将激光加热装置 140 产生的激光束从正面直接照射在所述催化剂层 130 上来加热催化剂层 130 ； 也可将激光束 从背面照射在基底 132 上即照射没有设置催化剂层的表面， 热量会透过基底 132 传递给催 化剂层 130， 从而加热催化剂层 130。本实施例中， 通过所述激光加热装置 140 对所述置入 反应室 120 的整个催化剂层 130 进行加热， 使反应温度先后达到一第一温度、 一第二温度以 及一第三温度。反应预定时间后， 得到所述碳纳米管阵列。 请参阅图 6， 本发明第四实施例进一步提供一种碳纳米管阵列的制备方法。
     步骤 S401， 提供一形成有催化剂层的基底， 并将该形成有催化剂层的基底置入一 反应室中。
     请参阅图 7， 首先， 提供一基底 232， 并在该基底 232 表面形成一催化剂层 230， 所述 基底 232 和催化剂层 230 与本发明第一实施例的基底 132 和催化剂层 130 的材料相同。
     其次， 提供一反应装置 200， 该反应装置 200 包括 ： 一反应室 220、 一用于加热该反 应室 220 的反应炉 222、 一保护气体输入通道 202、 三个碳源气输入通道 204、 206、 208、 一排 气通道 210、 至少一激光加热装置 240。所述反应室 220 用于承载所述形成有催化剂层 230 的基底 232 ； 所述反应炉 222 包括有一加热装置， 所述加热装置可以对所述反应室 220 进行 加热， 并使该反应室 220 达到一预定温度。所述保护气体输入通道 202 设置有一阀门 212， 可以通过所述保护气体输入通道 202 输入不同的惰性气体， 如氦气、 氩气、 氮气等 ； 所述碳 源气输入通道 204 设置一阀门 214， 所述碳源气输入通道 206 设置一阀门 216， 所述碳源气 输入通道 208 设置一阀门 218， 通过所述碳源气输入通道 204、 206、 208 可以分别输入不同的 碳源气 ； 所述至少一激光加热装置 240 用于对所述置入反应室 220 的催化剂层 230 的不同 区域进行加热， 控制催化剂层 230 的不同区域达到一预定的反应温度。
     最后， 将所述形成有催化剂层 230 的基底 232 置入所述反应室 220 中， 所述催化剂 层 230 朝向碳源气通入方向并与水平面形成一定的夹角 α， 0°≦ α ＜ 90°。 本实施例中， 该夹角 α=45°， 从而使碳源气与所述催化剂层 230 形成良好的接触。
     通过反应炉 222 对反应室 220 加热可使得催化剂层 230 达到一预定的温度。通过 所述激光加热装置 240 对所述催化剂层 230 的不同区域进行加热， 可使不同区域具有不同 的温度。所述激光加热装置 240 可以直接照射所述催化剂层 230， 使该催化剂层 230 达到
     一预定的温度， 也可以从背面间接照射所述基底 232， 使所述催化剂层 230 达到一预定的温 度。本实施例中， 包括两个激光加热装置 240， 该两个激光加热装置 240 分别直接对所述催 化剂层 230 的一第一反应区域和一第二反应区域进行加热， 使该第一反应区域和一第二反 应区域分别达到不同的温度。
     步骤 S402， 提供至少两种碳源气， 该至少两种碳源气中的碳元素分别由不同种类 的碳同位素组成。
     所述至少两种碳源气是指至少两种不同材料的碳源气， 例如乙烯与乙炔 ； 或者甲 烷与乙烯等， 且所述至少两种不同材料的碳源气中的碳元素由不同种类的单一同位素组 12 13 14 成， 如 C， C， C 等。所述碳源气可以分别由所述碳源气输入通道 204、 206、 208 输入到所 12 述反应室 220。本实施例包括三种不同的碳源气， 该三种碳源气分别是含有 C 同位素的乙 13 14 炔、 含有 C 同位素的乙烯以及含有 C 同位素的甲烷。
     步骤 S403， 将所述至少两种碳源气同时通入所述反应室中， 控制所述催化剂层的 温度使该催化剂层不同区域分别达到不同的反应温度， 并使所述至少两种碳源气在催化剂 层不同区域发生反应， 分别形成含有不同种类的碳同位素的碳纳米管， 进而形成碳纳米管 阵列。
     首先， 通过所述排气通道 210 将所述反应室 220 抽真空后， 通过保护气体输入通道 202 通入一预定压强的保护气， 本实施例为压强为 1 个大气压的氩气 ； 同时打开阀门 214、 216 及 218， 通过碳源气输入通道 204、 206 及 208 分别向反应室 220 内同时通入由 12C 组成 的乙炔气体、 由 13C 组成的乙烯气体和由 14C 组成的甲烷气体， 三种气体的流量均为 120 sccm （标准状态下， 每分钟每立方厘米） ， 流速均为 1.2cm/s ； 通过反应炉 222 中的加热装置对该 反应室 220 及置入该反应室 220 的催化剂层 230 进行加热， 使催化剂层 230 整体达到一第一 温度， 同时额外通过所述两个激光加热装置 240 分别对所述催化剂层 230 的一第一反应区 域和一第二反应区域进行加热， 使该第一反应区域和第二反应区域分别达到一第二温度和 一第三温度， 所述第二温度和第三温度均大于所述第一温度。 可以理解， 所述第一反应区域 和第二反应区域可以具有相同或不相同的面积及形状， 该第一反应区域和第二反应区域的 形状可以是方形、 圆形、 椭圆形、 矩形等其他几何形状 ； 此外， 所述第一反应区域和第二反应 区域可以是以并排的方式、 一个反应区域包围另一反应区域的方式或以其他方式分布于所 述催化剂层 230 的表面。本实施例中所述第一温度为催化乙炔气体分解制备碳纳米管的反 应温度， 该第一温度约为 600℃ -650℃； 所述第二温度为催化乙烯气体分解制备碳纳米管的 反应温度， 该第二温度约为 650℃ -800℃； 所述第三温度为催化甲烷气体分解制备碳纳米管 的反应温度， 该第三温度约为 850℃ -1100℃ ； 该第一反应区域和第二反应区域并排分布于 所述催化剂层 230 的表面， 该第一反应区域和第二反应区域为两个面积相同的矩形区域。
     可以理解， 由于所述第一反应区域的温度达到乙炔和乙烯气体分解制备碳纳米管 的反应温度， 而未达到甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该第一反应区域中仅 12 13 有由 C 组成的乙炔气体和由 C 组成的乙烯气体发生分解反应， 并生成由 12C 和 13C 组成的 碳纳米管子阵列沉积于所述第一反应区域的催化剂层铁膜上 ； 而所述第二反应区域的的温 度达到乙炔、 乙烯和甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该第二反应区域中由 12C 组成的乙炔气体、 由 13C 组成的乙烯气体以及由 14C 组成的甲烷气体同时发生分解反应， 并生 12 13 14 成由 C、 C 以及 C 组成的碳纳米管子阵列沉积于所述第二反应区域的催化剂层铁膜上 ；此外， 由于所述催化剂层 230 中除第一反应区域和第二反应区域以外的其他反应区域仅达 到催化乙炔气体分解制备碳纳米管的反应温度， 而未达到催化乙烯和甲烷气体分解制备碳 12 纳米管的反应温度， 因此， 该反应区域中仅有由 C 组成的乙炔气体发生分解反应， 生成由 12 C 组成的碳纳米管子阵列沉积于所述其他反应区域的催化剂层铁膜上。
     最后， 继续反应预定时间后， 将反应室 220 冷却至室温， 在催化剂层铁膜上分别形 成含有不同种类的碳同位素的碳纳米管， 进而形成一碳纳米管阵列。
     可以理解， 反应预定时间后， 还可以通过所述激光加热装置 240 分别对所述第一 反应区域、 第二反应区域以及除第一、 第二反应区域以外的催化剂层区域的温度进行控制， 使该第一反应区域、 第二反应区域以及除第一、 第二反应区域以外的催化剂层区域分别达 到不同的反应温度， 最后制备出具有多个碳纳米管片段的碳纳米管子阵列。
     请参阅图 8， 本发明第四实施例制备得到的碳纳米管阵列 30， 该碳纳米管阵列 30 由一第一碳纳米管子阵列 32、 一第二碳纳米管子阵列 34 及一第三碳纳米管子阵列 36 组成。 其中， 所述第二碳纳米管子阵列 34 和第三碳纳米管子阵列的形状为矩形 ； 该第二碳纳米管 子阵列 34 和第三碳纳米管子阵列 36 的面积相等 ； 该第二碳纳米管子阵列 34 和第三碳纳米 管子阵列 36 间隔分布， 并且被所述第一碳纳米管子阵列 32 所包围。所述第一碳纳米管子 阵列 32 中的碳纳米管由 12C 组成， 所述第二碳纳米管子阵列 34 的碳纳米管由 12C 及 13C 组13 成， 所述第三碳纳米管子阵列 36 的碳纳米管由 12C、 C 及 14C 组成。所述第一碳纳米管子阵 列 32、 第二碳纳米管子阵列 34 及第三碳纳米管子阵列 36 中的碳纳米管具有相等或不等的 长度， 可以根据实际需要获得。本实施例中， 所述碳纳米管阵列 30 中的碳纳米管的长度优 选为 100 微米 ~900 微米， 所述第一碳纳米管子阵列 32、 第二碳纳米管子阵列 34 及第三碳纳 米管子阵列 36 中的碳纳米管具有大致相等的长度。
     可以理解， 所述碳纳米管阵列 30 中可包括至少两个碳纳米管子阵列。所述至少两 个碳纳米管子阵列是指所述碳纳米管子阵列中的碳纳米管由不同种类的单一碳同位素或 不同种类的碳同位素的组合组成。所述碳纳米管子阵列可具有不同的形状及面积， 该碳纳 米管子阵列的形状可以是方形、 圆形、 椭圆形或矩形等其他几何形状 ； 该至少两种不同的碳 纳米管子阵列可通过不同的设置方式组成所述碳纳米管阵列 30。 所述具有不同的排列方式 是指 ： 该至少两种不同的碳纳米管子阵列可以以并排设置、 一个子阵列包围另一个子阵列 的方式设置、 相互间隔设置或其他方式组成所述碳纳米管阵列 30。
     所述碳纳米管可以是单壁碳纳米管、 双壁碳纳米管及多壁碳纳米管。 本实施例中， 该碳纳米管为一多壁碳纳米管， 该多壁碳纳米管的直径为 0.5~50 纳米。
     请参阅图 9， 本发明第五实施例进一步提供一种碳纳米管阵列的制备方法。 该制备 方法包括 ： （S501） 提供一形成有催化剂层的基底， 并将该形成有催化剂层的基底置入一反 应室中 ； （S502） 提供至少两种碳源气， 该至少两种碳源气中的碳元素分别由不同种类的碳 同位素组成 ； （S503） 将所述至少两种碳源气同时通入所述反应室中， 控制所述催化剂层的 温度使该催化剂层不同区域分别达到不同的反应温度， 并使所述至少两种碳源气在催化剂 层不同区域发生反应， 分别形成含有不同种类的碳同位素的碳纳米管， 进而形成碳纳米管 阵列。
     所述步骤 S501 及步骤 S502 与本发明第四实施例中的步骤 S401 及步骤 S402 基本 相同。不同之处在于， 本实施例中， 包括三个激光加热装置 240， 所述三个激光加热装置 240分别从所述基底 232 的背面照射所述基底 232 的三个区域， 使与所述基底 232 的三个区域 相对应的催化剂层 230 的三个反应区域分别达到不同的温度。通过从基底的背面照射基 底， 可避免该激光在照射时对碳纳米管的生长造成破坏。
     所述步骤 S503 与本发明第三实施例中的步骤 S403 基本相同。不同之处在于， 保 持反应炉 222 中温度为室温， 同时通过所述三个激光加热装置 240 分别对所述的基底 232 的一第一区域、 一第二区域以及一第三区域进行照射， 使与所述的基底 232 的第一区域、 第 二区域以及第三区域相对应的催化剂层 230 的一第一反应区域、 一第二反应区域以及一第 三反应区域分别达到一第一温度、 一第二温度以及一第三温度。本实施例中所述第一温度 为催化乙炔气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该第一温度约为 600℃ -650℃； 所述第二温 度为催化乙烯气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该第二温度约为 650℃ -800℃； 所述第三 温度为催化甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该第三温度约为 850℃ -1100℃。
     可以理解， 由于所述第一反应区域的温度仅达到乙炔气体分解制备碳纳米管的反 应温度， 而未达到乙烯和甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该第一反应区域中 12 12 仅有由 C 组成的乙炔气体发生分解反应， 并生成由 C 组成的碳纳米管子阵列沉积于所述 第一反应区域的催化剂层铁膜上 ； 而所述第二反应区域的的温度仅达到乙炔和乙烯气体分 解制备碳纳米管的反应温度， 而未达到甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 因此， 该第 12 13 二反应区域中由 C 组成的乙炔气体和由 C 组成的乙烯气体同时发生分解反应， 并生成由 C 以及 13C 组成的碳纳米管子阵列沉积于所述第二反应区域的催化剂层铁膜上 ； 由于所述 第三反应区域的反应温度同时达到催化乙炔、 乙烯和甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温 12 度， 因此， 该反应区域中由 C 组成的乙炔气体、 由 13C 组成的乙烯气体和由 14C 组成的甲烷气 13 体同时发生分解反应， 生成由 12C、 C 以及 14C 组成的碳纳米管子阵列沉积于所述第三反应 区域的催化剂层铁膜上。此外， 由于所述催化剂层 230 中除第一反应区域、 第二反应区域以 及第三反应区域以外的其他区域均未达到催化乙炔、 乙烯和甲烷气体分解制备碳纳米管的 反应温度， 因此， 该区域中没有任何气体发生反应也没有碳纳米管沉积于所述区域的催化 剂层铁膜上。
     最后， 继续反应预定时间后， 将反应室 220 冷却至室温， 在催化剂层铁膜上分别形 成含有不同种类的碳同位素的碳纳米管， 进而形成一碳纳米管阵列。
     可以理解， 反应预定时间后， 可以通过所述激光加热装置 240 分别对所述第一反 应区域、 第二反应区域以及第三反应区域的温度进行控制， 使该第一反应区域、 第二反应区 域以及第三反应区域分别达到不同的反应温度， 最后制备出具有多个碳纳米管片段的碳纳 米管子阵列。
     例如， 在步骤 S503 之后， 通过所述激光加热装置 240 分别对所述第一反应区 域、 第二反应区域以及第三反应区域的温度进行控制， 使该第一反应区域的温度达到 650℃ -800℃， 即， 达到催化乙炔及乙烯气体分解制备碳纳米管的反应温度 ； 使第二反应区 域的温度达到 850℃ -1100℃， 即， 达到催化甲烷、 乙炔及乙烯气体分解制备碳纳米管的反 应温度 ； 使第三反应区域的温度达到 600℃ -650℃， 即， 仅达到催化乙炔气体分解制备碳纳 米管的反应温度。可以理解， 由于所述第一反应区域的温度达到催化乙炔及乙烯气体分解 制备碳纳米管的反应温度， 未达到催化甲烷气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该反应过 12 13 程中， 由 C 组成的乙炔气体和由 C 组成的乙烯气体同时发生分解反应， 生成由 12C 及 13C11组成的碳纳米管片段生长于所述由 12C 组成的碳纳米管片段的底端。由于所述第二反应区 域的温度达到催化甲烷、 乙炔及乙烯气体分解制备碳纳米管的反应温度， 该反应过程中， 由 12 13 14 C 组成的乙炔气体、 由 C 组成的乙烯气体以及由 C 组成的甲烷气体同时发生分解反应， 12 13 14 生成由 C、 C 及 C 组成的碳纳米管片段生长于所述由 12C 及 13C 组成的碳纳米管片段的底 端。此外， 由于所述第三反应区域的温度仅达到催化乙炔气体分解制备碳纳米管的反应温 度， 该反应过程中， 仅有由 12C 组成的乙炔气体发生分解反应， 生成由 12C 组成的碳纳米管片 13 段生长于所述由 12C、 C 及 14C 组成的碳纳米管片段的底端。
     可以理解， 所述碳纳米管子阵列中的碳纳米管片段的排列顺序也可以随意组合， 可通过在反应过程中控制温度的方式实现按照不同的顺序生长不同的碳纳米管片断。
     请参阅图 10， 由本发明第五实施例制备得到的碳纳米管阵列 40， 该碳纳米管阵列 40 由一第一碳纳米管子阵列 42、 一第二碳纳米管子阵列 44 及一第三碳纳米管子阵列 46 组 成； 各个碳纳米管子阵列仅由一个碳纳米管片段组成。其中， 所述第一碳纳米管子阵列 42 12 中的碳纳米管由 C 组成， 所述第二碳纳米管子阵列 44 的碳纳米管由 12C 及 13C 组成， 所述 12 13 14 第三碳纳米管子阵列 46 的碳纳米管由 C、 C 及 C 组成。所述第一碳纳米管子阵列 42、 第 二碳纳米管子阵列 44 及第三碳纳米管子阵列 46 中的碳纳米管具有相等或不等的长度， 可 以根据实际需要获得。本实施例中， 所述碳纳米管阵列 40 中的碳纳米管的长度优选为 100 微米 ~900 微米， 所述第一碳纳米管子阵列 42、 第二碳纳米管子阵列 44 及第三碳纳米管子阵 列 46 中的碳纳米管具有大致相等的长度。 本发明实施例碳纳米管阵列的制备方法， 通过提供各种含有单一同位素的不同碳 源气体， 并根据所述不同碳源气体分解制备碳纳米管的反应温度不同， 通过控制不同的反 应温度， 可以使不同碳源气体分解生长碳纳米管， 从而得到掺有同位素的碳纳米管阵列。 该 方法可以根据实际需要， 通过控制通入不同的碳源气体以及各种碳源气体的反应温度， 方 便的获得多种组合的掺有同位素的碳纳米管阵列， 并可以进一步研究碳纳米管的反应机 理。
     另外， 本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化， 这些依据本发明精神 所做的变化， 都应包含在本发明所要求保护的范围内。