Основные способы получения углеродных нанотрубок

К настоящему времени разработаны следующие основные способы получения нанотрубок в ощутимых количествах: дуговой разряд (arc discharge), лазерное выбивание (laser ablation), каталитический метод (chemical vapor deposition (CVD)). Большинство из этих процессов проводятся в вакууме или с соответствующими газами. Метод CVD также может проводиться при атмосферном давлении.

1. Метод дугового разряда. В 1991 году нанотрубки были обнаружены в саже от графитового электрода после дугового разряда с током порядка 100 ампер, в процессе изготовления фуллеренов. Однако первое макроскопическое производство нанотрубок было проведено в 1992 году двумя исследователями из NEC Fundamental Research Laboratory аналогичным методом. В этом способе углерод, содержащийся на отрицательном электроде, сублимирует вследствие высокой температуры разряда. Впоследствии удалось модифицировать этот метод таким образом, что выход нанотрубок составил 30 % по весу, в получающемся материале содержались как МУНТ, так и ОУНТ длиной до 50 микрометров.

В настоящее время этот метод применяется в сочетании с различными катализаторами. Например, путем определения фазового состава методом ближней ИК–спектроскопии было изучено влияние состава катализатора Ni–Y на эффективность синтеза одностеночных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) в электрической дуге. Эффективный синтез ОУНТ хорошего качества происходит в широком диапазоне состава катализатора (3 – 6 ат. % Ni и 1 – 2 ат. % Y), что способствует применению метода синтеза в дуговом разряде для массового, промышленного производства ОУНТ. [3]

2. Метод лазерного выбивания. Технологический процесс основан на испарении графита при высокой температуре в реакторе, с добавлением инертного газа. Нанотрубки образуются на более холодных участках реактора по мере конденсации углеродного газа. Этот метод был изобретён Ричардом Смолли и сотрудниками из Rice University первоначально для производства МУНТ. Затем в том же году эта группа учёных использовала состав, содержащий графит и частицы металлического катализатора (наилучший выход обеспечивала смесь кобальта и никеля) для производства ОУНТ. Метод имеет выход примерно 70% и позволяет изготавливать, в основном, ОУНТ с контролируемым диаметром, определяемым температурой в реакторе. Однако этот метод дороже, чем метод дугового разряда или каталитический метод.

3. Метод химического газофазного осаждения (CVD). Перед началом основного технологического процесса подложка покрывается слоем частиц металлического катализатора (обычно, кобальта, никеля, железа или их сочетания). Частицы катализатора можно производить также с помощью восстановительных реакций. При этом диаметр выращиваемых нанотрубок зависит от размера частиц катализатора, который может управляться с помощью маскированного размещения катализатора, отжига или плазменного травления. Подложка нагревается примерно до 700 ᵒС. Затем в реактор подается два газа: активный газ (аммиак, азот, водород и др.) и углеродсодержащий газ (метан, ацетилен, этилен, этанол). Нанотрубки растут в местах расположения частиц металлического катализатора. Углеродсодержащий газ разлагается вблизи частиц катализатора, и углерод осаждается, формируя структуру нанотрубки.

4. Естественное и контролируемое горение. Фуллерены и углеродные нанотрубки не всегда являются результатом деятельности высокотехнологичных лабораторий. Они часто встречаются в результате таких обычных явлений как сжигание метана, этилена, бензина, они также были обнаружены в саже воздуха. Однако эти встречающиеся в естественных условиях объекты могут быть сильно нерегулярны по размерам, структуре и количеству, поскольку условия их создания неконтролируемы. И хотя они могут иметь применение, они не подходят для большинства приложений науки и промышленности. В последнее время изучаются возможности производства нанотрубок при контролируемом горении. Существуют компании, производящие с помощью описанного технологического процесса ОУНТ. Этот метод может привести к очень дешевому производству наноструктур и может конкурировать с наиболее распространённым на сегодня CVD-методом.