垂直阵列碳纳米管是指碳纳米管与基底表面垂直，且碳纳米管之间呈平行排列，如图一所示。这种宏观的碳纳米管阵列，其长径比大、有序度高、相互作用小、缠绕少，能够充分发挥碳纳米管的优异性能。

图一 在石英基底上生长的碳纳米管阵列

一、 阵列碳纳米管结构

碳纳米管阵列是由大量取向一致、长度大致相等的碳纳米管在基底上排列而形成的宏观体。同样根据碳纳米管的管壁数可以分为单壁碳纳米管阵列和多壁碳纳米管阵列；而根据碳纳米管的长度可分为薄碳纳米管阵列和长碳纳米管阵列。而根据碳纳米管的弯曲程度可分为一般垂直碳纳米管阵列和顺垂直碳纳米管阵列。

引入赫尔曼取向因子（Herman’s orientation faction，HOF）表示阵列碳纳米管的弯曲和有序排列程度。当HOF=1时，表示为顺碳纳米管阵列；当HOF=0时表示普通的各向同性的碳纳米管材料。图一中列出各种HOF因子对应的碳纳米管阵列微观图像。[2]

图二 不同HOF因子所对应的碳纳米管阵列图像

二、阵列碳纳米管的性质及应用

由于垂直阵列碳纳米管在管径、管壁、长度等方面的一致性，可以显示出一系列独特的优良性能。

1、电学性能：碳纳米管阵列有良好的导电性，并且其比表面积高，可作为电极材料。可应用于锂离子电池和级电容上，制备出的产品有良好的储能性能。

2、场发射性能：碳纳米管阵列的场发射的阈值电压低，发射电流大，稳定好。阵列碳纳米管可作为各种电子枪的电子源，例如可制备冷阴极X射线管，场发射扫描显微镜的电子源。

3、光学性能：碳纳米管阵列是目前较接近黑体的材料，其光吸收率可达98-99%，特定的波长的光可达99.956%。碳纳米管阵列因为其特殊的表面结构，它能够吸收外来的所有电磁辐射。

4、热学性能：各项异性的导热系数，阵列碳纳米管在碳纳米管轴向方向具有良好的导热性，而在垂直于轴向的方向导热性差。利用其这种性能，可以作为良好的热界面材料，在当今的电子元器件中有非常广泛的应用前景。

图三  阵列碳纳米管的场发射性能（5.5mm*5.8mm阵列）

三、阵列碳纳米管的制备

较初是de Heer等，利用乙醇将碳纳米管分散，然后让其通过微孔陶瓷过滤器，首次获得了具有定向排列的碳纳米管。之后，解思深等利用孔道限制碳纳米管的生长，成功的原位生长出具有取向的碳纳米管阵列，生长原理如图四所示[4]。由于模板的存在以及制备的困难, 这种方法的工程化制备则较为困难。

目前大多数是采用薄膜辅助化学气相沉积法，该方法分为两步：

1、首先把催化剂镀在基底上（基底材料为：硅片、石英片等），在基底与催化剂层中间往往需要镀一层缓冲层（缓冲层作用：防止催化剂在高温与基底融合）；

2、利用化学沉积技术在催化剂上生长阵列碳纳米管，通过控制生长参数可以获得优异的阵列碳纳米管，其生长方式为底端生长模式，具体制备过程如图五所示。

研究学者利用浮动催化剂的方法，同样可以再基底上制备出阵列碳纳米管。浮动法采用过渡金属有机化合物与碳氢化合物混合进料的方式，通过过渡金属化合物在高温炉内分解并在基底上沉积形成催化剂，进而对碳氢化合物进行催化，制备阵列碳纳米管，这种方法有利于进行大批量连续化生产。

图四 孔道辅助化学气相成绩制备阵列碳纳米管 

图五 采用薄膜辅助化学气相沉积法制备阵列碳纳米管步骤