国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）材料测量标准研究部[研究总监：Toshiyuki Fujimoto]热物理性能标准研究组 Hiromichi Watanabe，首席研究员，物理测量标准研究部[研究部部长 Yasuhiro Nakamura] 研究部副部长 Juntaro Ishii 正在与 Microphase Co, Ltd [代表董事 Yoshishin Ota]（以下简称“Microphase”）合作开发多层产品碳纳米管 (CNT)金属或碳材料制成的三维物体表面。在这个方法中，化学气相沉积法（CVD法）溅射法在大气中轻松完成，而不是粒子爆破法
近年来，人们的注意力集中在碳纳米管反射率几乎为零的特性上，并且利用碳纳米管作为遮光材料和发光体的尝试也引起了人们的关注。然而，还没有将CNT用作通用光学装置内部的遮光材料的例子。这是因为传统的碳纳米管生长方法需要在真空中进行先进的表面预处理，例如溅射，这限制了可以沉积的物体的形状。新开发的生长方法使得多层碳纳米管可以轻松地在由各种金属和碳材料制成的三维物体的表面上生长，而无需溅射。该技术有望显着提高相机和天文望远镜的分辨率和光灵敏度，例如，通过在圆柱形镜筒内直接生长多层碳纳米管，并极大地抑制镜筒内的散射光。此外，该技术采用简单且低成本的粒子喷砂方法形成单壁和多壁碳纳米管生长所需的金属催化剂支撑层，通过控制条件，可以控制生长碳纳米管的特性，有望作为一种生长碳纳米管的新方法得到广泛应用。
该结果的详细信息将很快发表在《英国科学杂志》上纳米技术
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内部有突起的钨(W)坩埚的横截面图以及在内表面上形成多层CNT之前和之后的照片
多层碳纳米管的光吸收率几乎为100%，因此突起是不可见的。 |
近年来，垂直排列的碳纳米管发射率（宽波长范围内的吸收率）黑体10070_10300
目前，CVD法是在金属和碳材料表面生长CNT最实用的方法。在CVD法中，为了避免充当CNT生长催化剂的金属颗粒与物体表面发生反应，需要使用溅射等方法沉积纳米厚的氧化物薄膜（催化剂支撑层）。然而，溅射法对可沉积的物体的尺寸和形状有限制，并且加工成本变高。还提出了一种方法，其中将物体浸入催化剂负载层前体的溶液中，但是当从溶液中取出时，溶液在表面上形成液滴，使得难以形成均匀的催化剂负载层，并且还存在生长的CNT与物体表面之间的粘附力弱的问题。因此，人们期待已久的开发方法来生长均匀的碳纳米管薄膜，该薄膜牢固地粘附在金属和碳材料的表面，而不需要先进的表面预处理（例如溅射）。
AIST 一直在进行研究和开发，以利用生长 CNT 的表面在宽波长范围内具有高发射率的事实。测量高温物体温度的一种方法是辐射测温法，它根据物体的热辐射强度来确定温度。在该方法中，准确测量的关键是使待测表面的发射率接近1，即黑体的发射率。因此，AIST一直在研究和开发一种在测温目标表面生长CNT的方法，以使辐射温度测量更加准确。
这次，我们与开发和销售用于制造碳纳米管和石墨烯等纳米材料的设备的Microphase合作，开发了一种在三维物体表面沉积多层碳纳米管的新技术。
根据经验可知，经过颗粒喷砂处理的物体表面会沉积少量用作磨料的氧化物粉末的残留物。因此，在新开发的多层CNT成膜方法中，进行使用了氧化铝粉末的粒子喷砂，将表面析出的氧化铝粉末残渣作为CNT成膜所需的铁催化剂的支撑层。为了确认采用喷砂的支撑层沉积方法的通用性和有效性，我们用氧化铝颗粒对包括钨（W）在内的18种金属和碳材料的表面进行了喷砂，然后使用铁蒸气作为催化剂，使用CVD在物体表面进行了CNT生长实验。结果证实，多壁碳纳米管的黑色膜在所有 18 种物体表面上均匀生长。
图1显示了实验流程示意图以及颗粒喷砂后的W基底和多层CNT生长后的W基底的照片。颗粒喷砂后，将基材放置在加热炉中，并暴露于通过放置在基材附近以支撑催化剂的有机铁化合物（二茂铁）粉末升华而产生的铁蒸气。然后是乙炔 (C2H2) 和氮气 (N2)气氛中并加热时，多层CNT在基板表面上生长。
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| 图1 所开发的CNT生长方法的示意图（上）以及粒子喷砂后和多层CNT生长后的W基底的照片（下） |
另外，对于喷砂后的W基板表面扫描俄歇电子能谱仪获得的铝分布通过扫描电子显微镜（SEM）获得的表面形貌图像，发现纳米尺寸的氧化铝残留颗粒局部沉积在表面的不规则处（图2）。
另外，使用SEM观察在W基板上生长的多层CNT集合体的最外表面后，剥离多层CNT集合体，使用透射电子显微镜(TEM)观察各个CNT的形状。结果，我们发现使用新开发的生长方法，直径为 7 至 15 nm 的多层碳纳米管在基板表面上随机取向（图 3）。
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| 图2 喷丸后W基体的SEM图像(a)和铝分布(b) |
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| 图3 多层CNT生长后W衬底的SEM图像（左/中）和多层CNT的TEM图像（右） |
图4显示了使用本次开发的生长方法生长多层CNT的表面（黑化的多层CNT表面）的发射率的波长依赖性。黑化碳纳米管表面的发射率在可见光波长范围内超过099，在红外波长范围内超过0985。与传统黑化涂料的发射率（约096）相比，使用新开发的生长方法获得的多层碳纳米管黑化表面具有极高的发射率。
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| 图4多层CNT黑化表面的可见光波长范围和红外波长范围内发射率的波长依赖性 |
粒子喷砂能以较低的成本轻松处理大型三维复杂曲线物体的表面，从它用于汽车车身喷漆前的表面预处理就可以看出。因此，当使用新开发的生长方法在具有内部突起的特殊形状的钨坩埚的内表面上生长多层CNT时，在坩埚的内表面上生长出一层致密的黑色多层CNT薄膜，如图所示，并且坩埚内部的突起不再可见。此次开发的方法预计将有助于相机和天文望远镜等通用光学产品内部的黑化处理，以及提高使用多层碳纳米管的标准光源（黑体炉）的性能。
利用这次开发的方法，我们将与私营公司合作，将在光学仪器内部和黑体反应器内壁上沉积多层碳纳米管的技术商业化，这些技术是用于校准辐射温度计的标准光源，旨在提高与这些设备相关的测量和观察技术的复杂性。此外，我们将阐明使用粒子喷砂的CNT沉积方法的机理以及沉积的催化剂支撑层的结构与CNT的性能之间的关系，为使用CNT的电子器件和复合材料的开发做出贡献。未来，我们的目标是开发这种方法并生长单壁CNT。