CN100355648C - 碳纳米管交叉阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备碳纳米管交叉阵列的方法，属于碳纳米管的加工技术领域。该方法包括：将基片浸于碳纳米管溶液，碳纳米管可与基片表面或基片表面的分子吸附，待提拉基片，碳纳米管在液/固(溶液与基片)界面处，将同时受多种力作用，基片被提拉出液面时，碳纳米管将沿一定的方向排布，控制提拉速度，使基片表面溶液挥发、碳纳米管取向排列协调完成。同一基片沿两个交叉方向依次进行上述操作，实现碳纳米管定向排列，进而实现大规模碳纳米管交叉结以及交叉阵列。

Description

碳纳米管交叉阵列的制备方法

技术领域

本发明属于碳纳米管的加工技术领域，具体涉及一种制备碳纳米管交叉阵列的方法。

背景技术

纳电子器件研究是近年来纳米科技领域中的热点，纳米结构材料组装技术为实现纳电子器件提供了一条有效途径。碳纳米管因其独特的分子结构及电学特性，可望成为纳电子器件的重要材料。目前，利用碳纳米管已经获得了各种纳电子器件，如：二极管、场效应晶体管等，而且器件的性能可与传统的硅器件相媲美，最近又获得了简单的逻辑电路(或门，非门等)。但碳纳米管要在下一代电子器件中真正获得广泛应用，必须解决器件的大规模集成问题。十字形交叉结是实现器件高密度集成的一种理想方式，原因主要有二：(1)碳纳米管十字交叉所形成的分子结即有可能构筑成有效的纳电子器件；(2)因分子结的面积极小(几个平方纳米以下)，为纳电子器件的大规模集成提供条件。

但至今仍没有制备碳纳米管交叉结及其阵列有效方法。现有技术主要借助于原子力显微镜，对单根碳纳米管进行操控，以形成十字形碳纳米管交叉结(M.S.Fuhrer，J.Nygard，L.Shih，et al.，Science，Vol.288，P.494，2000；A.Bachtold，M.de Jonge，K.Grove-Rasmussen，andP.L.McEuen，Phys.Rev.Lett.，Vol.87，P.166801，2001)，但该方法效率低，很难同时对多根碳纳米管进行有效操控，因而不适宜大规模制备交叉结。另外，研究人员尝试利用外加电场，使碳纳米管沿预定方向排列，从而实现数根碳纳米管的交叉排列M..R.Diebl，S.N.Yaliraki，R.A.Beckman，M.Barahona，and J.R.Heath，Angew.Chem.Int.Ed.，Vol.41，P.353，2002)，但该方法较为复杂，需要在相互垂直的两个方向制备金属电极，而且高电场本身有可能破坏碳纳米管的分子结构、影响其本征性能。

发明内容

本发明针对目前碳纳米管交叉结以及交叉阵列的研究现状，提出一种制备碳纳米管交叉阵列的有效方法，即：利用碳纳米管与基片间的范德瓦尔斯力和液体表面张力实现碳纳米管定向排列，进而实现大规模碳纳米管交叉结以及交叉阵列。

一种大规模制备碳纳米管交叉阵列的方法，其步骤包括：

(1)碳纳米管超声分散于有机或无机溶剂中，控制碳纳米管的浓度，所述有机或无机溶剂为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷或去离子水；

(2)基片(软的或硬的)先浸于碳纳米管溶液中，待浸泡合适的时间后匀速提拉，直至基片完全脱离碳纳米管溶液；基片表面可预先进行化学修饰，以增加碳纳米管与基片吸附能力；

(4)提拉后的基片进行适当的热处理；

(5)热处理后的基片转90°后，按前一次的程序，再次浸入碳纳米管溶液、保持一段时间，最后匀速提拉离开液面。

用于制备十字交叉结及其交叉阵列的碳纳米管可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多璧碳纳米管或者碳纳米管管束。

用于组装碳纳米管交叉阵列的基片可为柔软的或硬质材料，包括金属导体(金等)、半导体(硅等)，绝缘体(二氧化硅、塑料等)。

用于化学修饰基片表面材料可为氨丙基三乙氧基硅烷，硫醇等。

本发明的优点与技术效果

当基片浸于碳纳米管溶液时、碳纳米管可与基片表面或基片表面的分子吸附，待提拉基片，碳纳米管在液/固(溶液与基片)界面处，将同时受多种力作用，这些力包括：范德瓦尔斯力、基片表面修饰的分子与其形成的化学键力、液体表面的张力等。待提拉出液面碳纳米管将沿一定的方向排布，控制提拉速度，使基片表面溶液挥发、碳纳米管取向排列协调完成。同一基片沿两个交叉方向依次进行上述操作，可获得碳纳米管交叉结和碳纳米管交叉阵列。

本发明利用仅碳纳米管与基片间的范德瓦尔斯力、分子间的化学键力和液体表面张力实现碳纳米管定向和交叉排列，并获得碳纳米管交叉阵列，工艺简单，无需借助任何微米或纳米加工技术，重复性好，容易操作，而且无需依赖任何外场作用，不会改变碳纳米管的分子结构和本征特性，从而不会影响后续的碳纳米管器件及电路的性能。此外，本发明可适用于在不同材质的基片上组装碳纳米管，对碳纳米管分子结器件的应用具有着重要价值。

附图说明

下面结合附图，详细描述本发明。

图1为本发明制备碳纳米管交叉阵列的试验装置示意图；

图2为二氧化硅表面组装的碳纳米管交叉结示意图，箭头指示为先后两次外力提拉基片的方向，虚线圆圈示出交叉结；

图3为经过氨丙基三乙氧基硅烷修饰的二氧化硅表面组装的碳纳米管交叉结示意图，箭头指示为先后两次外力提拉基片的方向，虚线圆圈示出交叉结。

具体实施方式

1.碳纳米管的纯化及分散

本发明所使用的碳纳米管可为多壁碳纳米管、双壁碳纳米管、单壁碳纳米管或碳纳米管管束，原始碳纳米管经纯化后即可用于本发明。

将纯化后的碳纳米管分散于乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷、去离子水等有机或无机溶剂中，并配制成不同浓度的碳纳米管溶液。在组装碳纳米管之前，预先对碳纳米管的溶液超声，使之充分分散。基片表面可预先进行化学修饰，以增加碳纳米管与基片吸附能力。

2.组装碳纳米管，形成十字交叉结及其交叉结阵列

将基片浸入上述超声分散的碳纳米管溶液，待一段时间浸泡后，沿着垂直于液面方向匀速提拉基片，控制适当的提拉速度，即可使碳纳米管沿着提拉方向有序排列在基片表面上。同一基片转90°后，按上述操作程序再重复一次，即可使碳纳米管交叉排列，即形成交叉结或多个交叉结的阵列。为避免第二次的操作对第一次排布结果产生影响，在进行第二次操作之前先对基片进行适当热处理，以增加碳纳米管与基片表面的吸附作用。在排布碳纳米管之前，预先对原始基片表面进行合适的化学修饰，则可增加碳纳米管与基片表面的吸附力，从而获得更为理想的组装效果。实验中所使用的工艺装置示意图见图1。

本发明的实施例一

纯化后的单壁碳纳米管管束超声分散于二甲基甲酰胺溶剂中，将二氧化硅基片浸于含碳纳米管溶液，并沿两个相互垂直的方向依次提拉基片，两次提拉之间基片经过适当烘烤。如图2所示，图中箭头指向均代表外力提拉基片的方向，碳纳米管管束沿两次提拉的方向有序排列，即可形成交叉结。

本发明的实施例二

纯化后的单壁碳纳米管管束超声分散于二甲基甲酰胺溶剂中，将经过氨丙基三乙氧基硅烷修饰的二氧化硅基片浸于含碳纳米管溶液，并沿两个相互垂直的方向依次提拉基片，两次提拉之间基片经过适当烘烤。如图3所示，图中箭头指向均代表外力提拉基片的方向，碳纳米管管束沿两次提拉的方向有序排列，并形成多个交叉结。

Claims (5)

1、一种碳纳米管交叉阵列的制备方法，其步骤包括：

(1)碳纳米管超声分散于有机或无机溶剂中，控制碳纳米管的浓度，所述有机或无机溶剂为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷或去离子水；

(2)基片先浸于碳纳米管溶液中，待浸泡合适的时间后匀速提拉，直至基片完全脱离碳纳米管溶液；

(3)提拉后的基片进行适当的热处理；

(4)热处理后的基片转90°后，按前一次的程序，再次浸入碳纳米管溶液、保持一段时间，最后匀速提拉离开液面。

2、如权利要求1所述的碳纳米管交叉阵列的制备方法，其特征在于：基片表面预先进行化学修饰，以增加碳纳米管与基片吸附能力。

3、如权利要求1所述的碳纳米管交叉阵列的制备方法，其特征在于：用于制备交叉阵列的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多璧碳纳米管或者碳纳米管管束。

4、如权利要求1或3所述的碳纳米管交叉阵列的制备方法，其特征在于：用于组装碳纳米管交叉阵列的基片为柔软的或硬质材料，包括金属导体、半导体，绝缘体。

5、如权利要求2所述的碳纳米管交叉阵列的制备方法，其特征在于：用于化学修饰基片表面的材料为氨丙基三乙氧基硅烷或硫醇。

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