CN101148254A - 控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，属于纳米结构制备和加工技术领域。该方法包括：(1)在生长基底上制备单壁碳纳米管阵列结构；(2)在其制有单壁碳纳米管阵列结构的生长基底表面旋涂一层聚酯溶液，置于烘箱中烘烤除去溶剂，形成聚酯膜；(3)将覆有聚酯膜的基底置于碱溶液中加热使其微沸，至聚酯膜脱离生长基底而浮起；(4)以超纯水洗净聚酯膜，并将其贴于目标基底表面上，用高纯氮气吹干，再次置于烘箱中烘烤；(5)将表面贴有聚酯膜的目标基底经曝光、显影、定影过程除去聚酯膜，即可高效、方便的将单壁碳纳米管阵列结构保持原貌的控制转移到任意目标基底上。

Description

控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法

技术领域

本发明属于纳米结构制备和加工技术领域，尤其是一种控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法。

背景技术

硅电子器件是20世纪的重大发明之一，它对科技、生产、经济以及人类社会的作用是任何其他发明所不能与之比拟的。但是按照Moore定律，以硅材料为主的微电子到2011年的最小尺寸0.08μm，达到物理极限，此后将是纳米电子学时代。而碳纳米管以其优异的电学性质和机械性质，成为最有希望代替硅器件的下一代纳米电子器件。

十几年来，对于纳米碳管的研究一直倍受国内外科学界和产业界的关注。实验发现单壁碳纳米管的电子能带结构特殊，波失被限于轴向，量子效应明显，是真正的量子导线。而用单壁碳纳米管制成优于当前最好的硅半导体芯片的电子器件更是制造更小巧、更快速的计算机的关键。目前，制备单壁碳纳米管的方法主要有化学气相沉积法(CVD)、电弧法和激光蒸发法等。这些方法对生长环境有着严格的要求，无法适用于各种基底。因此，需要一种能将在利于生长的特定基底上制备的单壁碳纳米管阵列结构，控制转移到目标基底上的方法，来实现纳米电子器件的构建。现有的转移碳纳米管的方法有直接接触法和溶液分散法等，这些方法存在着成功率低、无法保持结构原貌的缺陷。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，以PMMA聚酯膜作为媒介，高效、方便的将生长基底上制备的单壁碳纳米管阵列结构保持原貌的控制转移到任意目标基底上。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其步骤包括：

(1)在生长基底上制备单壁碳纳米管阵列结构；

(2)在制有单壁碳纳米管阵列结构的生长基底表面上旋涂一层聚酯溶液，并置于烘箱中烘烤，除去溶剂，形成含有单壁碳纳米管阵列结构的聚酯膜；

(3)将覆有聚酯膜的生长基底置于碱溶液中加热使其微沸，至聚酯膜脱离生长基底而浮起；

(4)以超纯水洗净聚酯膜，并将其贴于目标基底表面上，用高纯氮气吹干，再次置于烘箱中烘烤；

(5)贴有聚酯膜的目标基底经曝光、显影、定影过程除去聚酯膜，即可将单壁碳纳米管阵列结构保持原貌的控制转移到目标基底上。

本发明在生长基底上制备单壁碳纳米管阵列结构的方法为表面气相沉积法(CVD)。所用聚酯溶液为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)的苯甲醚(methoxybenzene)溶液，质量百分比可为3％至9％，旋涂聚酯溶液的转速可为1500转·分钟^-1至3000转·分钟^-1。烘烤温度可为110℃至200℃，烘烤时间可为15分钟至45分钟。剥离聚酯膜所用碱溶液可为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液，浓度可为1mol·L^-1至4mol·L^-1。转移后除去聚酯膜所用曝光方法为紫外灯照射，照射时间为2小时至4小时，显影液为4-甲基-2-戊酮(methyl isobutylketone，MIBK)与异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)体积比为1∶3的溶液，定影液为异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)，显影和定影时间均为1分钟。

本发明的优点：

先在利于生长的基底上制备单壁碳纳米管阵列结构，然后将之保持原貌的控制转移到任意基底上。利用本发明，可通过控制转移制备所需的单壁碳纳米管阵列结构，如交叉结构、折叠结构等；可将同一阵列结构多次控制转移，研究其在不同基底上的性质和应用；并可将单壁碳纳米管阵列结构控制转移到各种带有电极结构的基底上，制成FET、LED、logic NOT、甚至是基于有机基底的电子元件SOG(system on glass)等，从而为大规模集成单壁碳纳米管电子器件的构建提供有力的技术支持。

附图说明

图1是控制转移单壁碳纳米管阵列结构的工艺流程图。

图2是化学气相沉积法(CVD)在SiO₂/Si基底表面上生长气流定向的超长平行单壁碳纳米管阵列结构的电镜照片，放大倍数为400倍。

图3是将SiO₂/Si基底表面上生长的超长平行单壁碳纳米管阵列结构，控制转移到另一片SiO₂/Si基底表面后得到的电镜照片，放大倍数为400倍。

图4是将Si基底表面上生长的超长平行单壁碳纳米管阵列结构，控制转移到带有Pt电极结构的SiO₂/Si基底表面后，得到的单壁碳纳米管在Pt电极上的局部电镜照片，放大倍数为40000倍。

图5是化学气相沉积法(CVD)在Sapphire基底的a晶面上生长晶面定向的单壁碳纳米管阵列结构的电镜照片，放大倍数为8000倍。

图6是将Sapphire基底a晶面上生长的晶面定向的单壁碳纳米管阵列结构，控制转移到SiO₂/Si基底表面后得到的电镜照片，放大倍数为10000倍。

图中：

1-单壁碳纳米管阵列结构    2-生长单壁碳纳米管阵列结构所用基底

3-目标基底                4-聚合物PMMA膜

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细描述。

实施例1

(1)采用化学气相沉积法(CVD)在SiO₂/Si基底表面上生长气流定向的超长平行单壁碳纳米管阵列结构，如图2所示；

(2)在其表面旋涂一层PMMA的苯甲醚溶液，并于110℃烘烤45分钟除去溶剂，形成PMMA膜；

(3)将该覆有PMMA膜的SiO₂/Si基底置于1mol·L^-1氢氧化钠溶液中加热使其微沸，至PMMA膜脱离表面浮起；

(4)以超纯水洗净PMMA膜，并将其贴于另一片SiO₂/Si基底表面上，用高纯氮气吹干，于110℃烘烤45分钟；

(5)将表面贴有PMMA膜的第二片SiO₂/Si基底置于紫外灯下照射3小时，再经显影，定影过程除去PMMA膜，即可将SiO₂/Si基底表面上生长的超长平行单壁碳纳米管阵列结构完全保持原貌的控制转移到另一片SiO₂/Si基底上，如图3所示。

实施例2

(1)采用化学气相沉积法(CVD)在Si基底表面上生长气流定向的超长平行单壁碳纳米管阵列结构；

(2)在其表面旋涂一层PMMA的苯甲醚溶液，并于130℃烘烤40分钟除去溶剂，形成PMMA膜；

(3)将该覆有PMMA膜的Si基底置于2mol·L^-1氢氧化钠溶液中加热使其微沸，至PMMA膜脱离表面浮起；

(4)以超纯水洗净PMMA膜，并将其贴于带有Pt电极结构的SiO₂/Si基底上，用高纯氮气吹干，于130℃烘烤40分钟；

(5)将表面贴有PMMA膜的带有Pt电极结构的SiO₂/Si基底置于紫外灯下照射3小时，再经显影，定影过程除去PMMA膜，即可将生长在Si基底表面上的超长平行单壁碳纳米管阵列结构控制转移到带有Pt电极结构的SiO₂/Si基底上，如图4所示。

实施例3

(1)采用化学气相沉积法(CVD)在Sapphire基底的a晶面上生长晶面定向的单壁碳纳米管阵列结构，如图5所示；

(2)在其表面旋涂一层PMMA的苯甲醚溶液，并于170℃烘烤30分钟除去溶剂，形成PMMA膜；

(3)将涂有PMMA膜的Sapphire基底置于4mol·L^-1氢氧化钾溶液中加热使其微沸，至PMMA膜脱离表面浮起；

(4)以超纯水洗净PMMA膜，并将其贴于SiO₂/Si基底上，用高纯氮气吹干，于170℃烘烤30分钟；

(5)将表面贴有PMMA膜的SiO₂/Si基底置于紫外灯下照射3小时，再经显影，定影过程除去PMMA膜，即可将生长在Sapphire基底a晶面上的平行单壁碳纳米管阵列结构转移至SiO₂/Si基底上，如图6所示。

实施例4

(1)采用化学气相沉积法(CVD)在Si基底表面上生长气流定向的超长平行单壁碳纳米管阵列结构；

(2)在其表面旋涂一层PMMA的甲苯溶液，并于150℃烘烤35分钟除去溶剂，形成PMMA膜；

(3)将涂有PMMA膜的Si基底置于1mol·L^-1氢氧化钾溶液中加热使其微沸，至PMMA膜脱离表面浮起；

(4)以超纯水洗净PMMA膜，并将其贴于0.1mm厚的聚酯薄膜(Mylar)表面上，用高纯氮气吹干，于130℃烘烤30分钟；

(5)将表面贴有PMMA膜的聚酯薄膜(Mylar)基底置于紫外灯下照射3小时，再经显影，定影过程除去PMMA膜，即可将Si基底表面上生长的超长平行单壁碳纳米管阵列结构控制转移到聚酯薄膜(Mylar)基底上。

本发明利用PMMA聚合物膜控制转移单壁碳纳米管阵列结构，可将生长基底上制备的单壁碳纳米管阵列结构保持原貌的控制转移到任意目标基底上，如SiO₂/Si基底、金属基底、聚酯薄膜(Mylar)基底、SrTiO₃超导基底等。具有高成功率，操作方便，适用性广等特点。

综上所述，本发明公开了一种控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (9)

1.一种控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其步骤包括：

(1)在生长基底上制备单壁碳纳米管阵列结构；

(2)在制有单壁碳纳米管阵列结构的生长基底表面上旋涂一层聚酯溶液，并置于烘箱中烘烤，除去溶剂，形成含有单壁碳纳米管阵列结构的聚酯膜；

(3)将覆有聚酯膜的生长基底置于碱溶液中加热使其微沸，至聚酯膜脱离生长基底而浮起；

(4)以超纯水洗净聚酯膜，并将其贴于目标基底表面上，用高纯氮气吹干，再次置于烘箱中烘烤；

(5)贴有聚酯膜的目标基底经曝光、显影、定影过程除去聚酯膜，即可将单壁碳纳米管阵列结构保持原貌的控制转移到目标基底上。

2.如权利要求1所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：所述聚酯溶液为聚甲基丙烯酸甲酯的苯甲醚溶液，其质量百分比范围为3％--9％。

3.如权利要求1或2所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：所述碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液，其浓度在1mol·L^-1至2mol·L^-1之间。

4.如权利要求1或2所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：所述烘烤温度范围为110℃至200℃，烘烤时间在15分钟至45分钟之间。

5.如权利要求1或2所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：旋涂聚酯溶液，旋涂转速的范围为1500转·分钟^-1至3000转·分钟^-1。

6.如权利要求1所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：所述制备单壁碳纳米管阵列结构的方法为表面气相沉积法。

7.如权利要求1所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：所述曝光方法为紫光灯照射，照射时间在2小时至4小时之间。

8.如权利要求1或7所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：所述显影液为4-甲基-2-戊酮与异丙醇体积比为1∶3的溶液，显影时间为1分钟。

9.如权利要求8所述的控制转移单壁碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于：所述定影液为异丙醇，定影时间为1分钟。

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