CN100584751C - 水平生长碳纳米管的方法及具有该碳纳米管的器件 - Google Patents

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Abstract

本发明披露一种水平生长碳纳米管的方法，其包括：在基底上沉积铝层；在基底上形成隔绝层，以覆盖铝层；图案化基底上的隔绝层和铝层，以便暴露铝层的侧面；在铝层的暴露侧面上形成多个孔至预定的深度；在孔的底部沉积催化剂金属层；以及从催化剂金属层水平生长碳纳米管。

Description

水平生长碳纳米管的方法及具有该碳纳米管的器件
技术领域
本发明涉及水平生长碳纳米管(CNTs)的方法及具有该碳纳米管的器件，以及更具体地涉及从铝模板的孔中水平生长具有均匀直径的CNTs的方法及具有该碳纳米管的器件。
背景技术
已经对CNTs的电子和机械性能进行了广泛的研究，以将其应用于器件中。CNTs可由垂直和水平生长方法形成。使用垂直生长方法形成的CNTs用作场发射显示器(FED)中的电子发射源。此外，这种CNTs可用作液晶显示器(LCD)的背光器件中的场发射源。
水平生长的CNTs可应用在转接器(inter-connector)、微电子机械系统(MEMS)传感器、水平场发射器喷嘴(horizontal field emitter tip)等。
在现有技术中，在中间插入有图案化的催化剂(pattern catalyst)的两个电极之间施加电场，以水平生长CNTs。在该水平生长方法中，并不能容易地准确控制催化剂的数量。因而，难以均匀控制CNTs的直径。此外，CNTs的产率低而且必须施加电场。
美国专利6515339公开了从催化剂水平生长CNTs的方法，该催化剂形成为纳米点(nanodot)、纳米线(nanowire)或条纹形状，催化剂之间形成有预定的间隔，以及在催化剂上布置有垂直生长的阻挡层。然而，在该方法中，难以均匀控制CNTs的直径。
发明内容
本发明提供利用铝纳米模板中形成的孔水平生长具有预定直径的CNTs的方法。
本发明提供CNT器件，其包括从铝纳米模板中形成的孔中水平生长的CNTs。
根据本发明的一个方面，提供了水平生长碳纳米管的方法，其包括：在基底上沉积铝层；在基底上形成隔绝层(insulating layer)，以覆盖铝层；图案化基底上的隔绝层和铝层，以便暴露铝层的侧面；在铝层的暴露侧面中形成多个孔至预定的深度；在孔的底部上沉积催化剂金属层；以及从催化剂金属层水平生长碳纳米管。
使用溅射或电子束蒸发沉积铝层。
优选地，“形成多个孔”包括将图案化隔绝层和铝层的所得结构浸渍在催化剂中，以便被阳极氧化。
优选地，“在孔的底部上沉积催化剂金属层”包括：将电压施加至选自金属硫酸盐溶液、金属卤化物溶液和金属硝酸盐溶液中的溶液，以形成催化剂金属层。
优选地，催化剂金属层是由选自Ni、Fe和Co的金属制成的。
优选地，通过热化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积，利用含碳的气体从催化剂金属层中生长碳纳米管。
根据本发明的另一方面，提供了碳纳米管器件，其包括：基底；铝层，其形成在基底上，以及其至少一个侧面与基底的边缘隔开；隔绝层，其覆盖铝层的上表面；多个孔，其从铝层的侧面水平形成至预定深度，所述铝层通过基底上的隔绝层而暴露；催化剂金属层，其形成在孔的底部上；以及碳纳米管，其是从催化剂金属层水平生长的，以便从铝层的侧面突出。
附图说明
通过参考附图，详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和其它特征和益处将变得显而易见：
图1是解释CNT器件的透视示意图，其中CNT器件是使用本发明水平生长CNTs的方法制造的；
图2A-2D是根据本发明的实施方案解释水平生长CNTs的方法的截面图；
图3是扫描电子显微镜(SEM)观察到的相片，其显示了在基底和隔绝层之间的铝层上生长的CNTs；以及
图4是图3相片的局部放大图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述本发明优选实施方案的水平生长CNTs的方法。相同附图标记表示相同的元件。
图1是解释CNT器件的透视示意图，其中CNT器件是使用本发明水平生长CNTs的方法制造的。参考图1，具有图案化的侧面的铝层102a和隔绝层104a依序层叠在基底100上。多个孔103布置在铝层102a的图案化的侧面中，以及CNTs 108突出经过孔103。催化剂金属层106形成在孔103的底部，以生长CNTs 108。
图2A-2D是根据本发明的实施方案解释水平生长CNTs的方法的截面图。
如图2A所示，将具有预定厚度的铝层102沉积在基底100上。基底100可由石英、玻璃、硅晶片、铟锡氧化物(ITO)电极等制成。可使用溅射或电子束蒸发沉积约1000-
Figure C20051000459000051
的铝层102。
隔绝层104沉积在铝层102上，并起到在下述的阳极氧化过程中防止孔103形成在除铝层(图2B中的102a)的暴露侧面之外的区域内。隔绝层104可由氧化铝、二氧化硅或氮化硅制成。
如图2B所示，图案化隔绝层104和铝层102，以形成铝层102a和隔绝层104a。图案化工艺包括半导体工艺中公知的现象和蚀刻，因此在此忽略。此处，使铝层102a的侧面暴露出来。
如图2C和图1所示，具有预定长度和数十纳米直径的多个孔103是从铝层102a的暴露侧面向其内形成的。可利用阳极氧化工艺形成孔103，阳极氧化工艺是电和化学蚀刻方法。更详细地，将其上形成有铝层102a的基底100浸入在电解液中，然后将预定的电压施加至铝层102a和电极(图中未显示)。然后，阳极氧化铝层102a的暴露侧面，因而孔103从铝层102a的暴露侧面水平生长。如图2C和图1所示，多个孔103布置成一行。然而，当铝层102a的厚度增加时，可将孔103排列成多行。换句话说，因为孔103之间的距离主要取决于施加的电压，孔103排列的行数可通过控制铝层102a的厚度和施加的电压来控制。此外，孔103的长度可通过控制施加电压的时间来控制。氧化铝层(图中未显示)围绕着孔103形成。
再次参考图2C，将其内形成有孔103的层叠结构(stack structure)浸入过渡金属硫酸盐、过渡金属氯化物或过渡金属硝酸盐中，然后施加直流(DC)电压、交流(AC)电压或脉冲电压，以在孔103的底部上电沉积和化学沉积过渡金属的纳米颗粒。过渡金属可为Fe、Ni、Co或Fe、Ni和Co的合金。沉积的过渡金属是催化剂金属层106，其用于生长CNTs 108。可形成厚约0.5-2纳米的催化剂金属层106。
如图2D所示，CNTs 108是从催化剂金属层106经由形成在铝层102a的侧面的孔103生长。CNTs 108可使用热化学气相沉积(CVD)或等离子体增强CVD(PECVD)来生长。更具体地，将生成的结构放置在温度保持为约500-900℃的反应室内，然后将含碳的气体注入反应室中，以从催化剂金属层106的侧面经由铝层102的侧面中孔103水平生长CNTs 108。含碳的气体可为CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO等。将CNTs 108的直径限制到孔103的直径，即约几纳米至数十纳米。
图3是扫描电子显微镜(SEM)观察到的相片，其显示了在基底和隔绝层之间的铝层上生长的CNTs；以及图4是图3相片的局部放大图。参考图3和4，CNTs水平生长至数十纳米。
在上述实施方案中，已经描述了在基底上铝层的图案侧面生长CNTs，但是并不限于此。换句话说，形成了孔，通过该孔从基底上暴露的铝层生长CNTs。因此，可根据铝层的图案水平生长CNTs。
如上所述，根据本发明，在水平生长CNTs的方法中，在铝模板内形成的孔的直径可根据阳极氧化的条件来控制。形成在孔底部的催化剂金属层取决于孔的直径。因此，可生长与孔直径相同的CNTs。因此，CNTS可通过控制孔的直径来控制。此外，因为CNTs是沿着孔的水平方向生长的，所以CNTs的水平生长可根据形成孔的工艺来控制。
尽管已经参考本发明的示例性实施方案具体显示和描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解，在不背离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可在本发明的形式和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种水平生长碳纳米管的方法，其包括：
在基底上沉积铝层；
在基底上形成隔绝层，以覆盖铝层；
图案化基底上的隔绝层和铝层，以便暴露铝层的侧面；
在铝层的暴露侧面中形成多个孔至预定的深度；
在孔的底部上沉积催化剂金属层；以及
从催化剂金属层水平生长碳纳米管。
2.权利要求1所述的方法，其中铝层是使用溅射或电子束蒸发沉积的。
3.权利要求1所述的方法，其中形成多个孔的步骤包括：
将图案化隔绝层和铝层的所得结构浸渍在催化剂中，以便被阳极氧化。
4.权利要求1所述的方法，其中在孔的底部上沉积催化剂金属层的步骤包括：
将电压施加至选自金属硫酸盐溶液、金属卤化物溶液和金属硝酸盐溶液中的溶液，以形成催化剂金属层。
5.权利要求1所述的方法，其中催化剂金属层是由选自Ni、Fe和Co中的金属制成的。
6.权利要求1所述的方法，其中碳纳米管是通过热化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积，使用含碳的气体从催化剂金属层中生长的。
7.一种碳纳米管器件，其包括：
基底；
铝层，其形成在基底上以及其至少一个侧面与基底的边缘隔开；
隔绝层，其覆盖铝层的上表面；
多个孔，其从铝层的侧面水平形成至预定深度，所述铝层通过基底上的隔绝层暴露出来；
催化剂金属层，其形成在孔的底部上；以及
碳纳米管，其是从催化剂金属层水平生长的，以便从铝层的侧面突出。
8.权利要求7所述的碳纳米管器件，其中催化剂金属层是由选自Ni、Fe和Co中的金属制成的。
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