CN102530854A - 室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法 - Google Patents

室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法 Download PDF

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张亚非
苏言杰
魏浩
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Abstract

本发明涉及一种室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，首先把均匀分散在有机溶剂中的碳纳米管溶液滴在载玻片上并烘干；然后将烘干后载玻片放入等离子处理设备中并抽真空至10-2Pa。通过调控刻蚀过程等离子体处理腔内低压气体的压力、等离子体功率、刻蚀时间等参数来实现金属性单壁碳纳米管的刻蚀，从而留下半导体性单壁碳纳米管。与现有技术相比，本发明采用室温等离子体刻蚀法制备半导体性单壁碳纳米管，工艺简单、便于大面积制备半导体单壁碳纳米管。

Description

室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，尤其是涉及一种室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法。
背景技术
单壁碳纳米管(Single-walled Carbon nanotubes；SWNT)根据手性与直径的不同可分为金属性和半导体性单壁碳纳米管两种。众所周知，SWNT因具有卓越的机械性能、独特的电学、光学性能而被广泛应用在场效应晶体管、太阳能电池、气体传感器、储氢等诸多领域。尤其是半导体性SWNT被认为是一种准一维的纳米材料，其具有高载流子迁移率等优点而有望取代硅材料而成为下一代微电子器件的关键材料。但是在目前得到的SWNT产物中往往是金属性和半导体性SWNT混合在一起，因此无法直接用于制作纳电子器件，已经成为当前SWNT应用于高性能纳电子器件过程中所面临的一个重要的难题。
全世界范围的科学家尝试了各种方式试图得到单一导电属性的单壁碳纳米管，归纳起来可分为择优制备、金属/半导体分离和选择性刻蚀三种途径。相比困难的择优制备，后两种途径更容易得到半导体性SWNT。Dai HJ等人2006年在Science上发表题为“Selective etching of metallic carbon nanotubes by gas-phase reaction”的论文，验证了等离子体选择性金属性SWNT从而得到半导体性SWNT这一结论。但该等离子体刻蚀过程中在一定的温度下才能进行，而且需要选择特定的气体才有较好的选择性刻蚀效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种室温下等离子体刻蚀法制备半导体性单壁碳纳米管的方法，本发明采用对单壁碳纳米管进行等离子体刻蚀以便去除金属性单壁碳纳米管，从而得到半导体性单壁碳纳米管。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
(1)将均匀分散在有机溶剂中的碳纳米管滴在载玻片上并烘干；
(2)将烘干后载玻片放入等离子处理设备中并抽真空至10-2Pa；
(3)调节等离子体处理腔内低压气体的压力、等离子体功率、刻蚀时间实现对金属性单壁碳纳米管的刻蚀，留下半导体性单壁碳纳米管，即为产品。
所述的有机溶剂为N、N-二甲基甲酰胺、异丙醇或乙醇。
所述的碳纳米管在有机溶剂中的固含量为5～20mg/100ml。
所述的低压气体为单质气体，包括氩气、氦气、氮气、氢气或氧气。
所述的低压气体为化合物气体，包括一氧化碳、二氧化碳或甲烷。
所述的低压气体的压力为1～100Pa。
所述的等离子体功率为10～100W。
所述的刻蚀时间为0.1～60min。
与现有技术相比，本发明采用室温等离子体选择性刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管，工艺简单、便于大面积制备半导体单壁碳纳米管。
附图说明
图1为实施例1中经等离子体刻蚀后单壁碳纳米管的扫描电镜(SEM)照片；
图2为实施例1中等离子体刻蚀前后单壁碳纳米管的紫外-可见-近红外吸收谱变化；
图3为实施例2中经等离子体刻蚀后单壁碳纳米管的紫外-可见-近红外吸收谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
步骤一：称量10mg纯单壁碳纳米管与100ml N、N-二甲基甲酰胺混合并超声分散均匀，然后将分散的SWNT溶液滴在洁净的载玻片上并烘干以便形成一层具有一定厚度的SWNT薄膜。
步骤二：将干燥后的SWNT薄膜放入等离子体刻蚀腔体中抽真空至10-2Pa，然后通入高纯氩气，通过调节流量使得腔体内压力保持在6Pa，打开射频电源使等离子体功率20w连续刻蚀15min。刻蚀结束后关闭射频电源、氩气并缓慢放气、取出样品。处理后的单壁碳纳米管即为半导体性单壁碳纳米管。图1为刻蚀后的扫描电镜(SEM)图片，从图可知单壁碳纳米管被刻蚀形成碳杂质。而从样品的紫外-可见-近红外吸收光谱(图2)中可以看出600～850nm范围内金属性SWNT的吸收强度大大降低，说明金属性SWNT已经被刻蚀掉。
实施例2
步骤一：称量15mg纯单壁碳纳米管与150ml N、N-二甲基甲酰胺混合并超声分散均匀，然后将分散的SWNT溶液滴在洁净的载玻片上并烘干以便形成一层具有一定厚度的SWNT薄膜。
步骤二：将干燥后的SWNT薄膜放入等离子体刻蚀腔体中抽真空至10-2Pa，然后通入高纯氦气，通过调节流量使得腔体内压力保持在3Pa，打开射频电源使等离子体功率10w连续刻蚀60min。刻蚀结束后关闭射频电源、氦气并缓慢放气、取出样品。处理后的单壁碳纳米管即为半导体性单壁碳纳米管。图3为等离子体刻蚀后的的紫外-可见-近红外吸收光谱，从图可以看出600～850nm范围内金属性SWNT的吸收强度大大降低，说明金属性SWNT已经被刻蚀掉。
实施例3
步骤一：称量20mg纯单壁碳纳米管与200ml异丙醇混合并超声分散均匀，然后将分散的SWNT溶液滴在洁净的载玻片上并烘干以便形成一层具有一定厚度的SWNT薄膜。
步骤二：将干燥后的SWNT薄膜放入等离子体刻蚀腔体中抽真空至10-2Pa，然后通入高纯氢气，通过调节流量使得腔体内压力保持在1Pa，打开射频电源使等离子体功率100w连续刻蚀0.1min。刻蚀结束后关闭射频电源、氢气并缓慢放气、取出样品。处理后的单壁碳纳米管即为半导体性单壁碳纳米管。
实施例4
步骤一：称量5mg纯单壁碳纳米管与100ml N、N-二甲基甲酰胺混合并超声分散均匀，然后将分散的SWNT溶液滴在洁净的载玻片上并烘干以便形成一层具有一定厚度的SWNT薄膜。
步骤二：将干燥后的SWNT薄膜放入等离子体刻蚀腔体中抽真空至10-2Pa，然后通入高纯氮气，通过调节流量使得腔体内压力保持在100Pa，打开射频电源使等离子体功率50w连续刻蚀25min。刻蚀结束后关闭射频电源、氮气并缓慢放气、取出样品。处理后的单壁碳纳米管即为半导体性单壁碳纳米管。
实施例5
步骤一：称量10mg纯单壁碳纳米管与150ml乙醇混合并超声分散均匀，然后将分散的SWNT溶液滴在洁净的载玻片上并烘干以便形成一层具有一定厚度的SWNT薄膜。
步骤二：将干燥后的SWNT薄膜放入等离子体刻蚀腔体中抽真空至10-2Pa，然后通入高纯甲烷气，通过调节流量使得腔体内压力保持在10Pa，打开射频电源使等离子体功率50w连续刻蚀35min。刻蚀结束后关闭射频电源、甲烷气并缓慢放气、取出样品。处理后的单壁碳纳米管即为半导体性单壁碳纳米管。
实施例6
步骤一：称量20mg纯单壁碳纳米管与100ml N、N-二甲基甲酰胺混合并超声分散均匀，然后将分散的SWNT溶液滴在洁净的载玻片上并烘干以便形成一层具有一定厚度的SWNT薄膜。
步骤二：将干燥后的SWNT薄膜放入等离子体刻蚀腔体中抽真空至10-2Pa，然后通入高纯一氧化碳气体，通过调节流量使得腔体内压力保持在6Pa，打开射频电源使等离子体功率20w连续刻蚀20min。刻蚀结束后关闭射频电源、一氧化碳气体并缓慢放气、取出样品。处理后的单壁碳纳米管即为半导体性单壁碳纳米管。
上述所有实施例都是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

Claims (8)

1.室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将均匀分散在有机溶剂中的碳纳米管滴在载玻片上并烘干；
(2)将烘干后载玻片放入等离子处理设备中并抽真空至10-2Pa；
(3)调节等离子体处理腔内低压气体的压力、等离子体功率、刻蚀时间实现对金属性单壁碳纳米管的刻蚀，留下半导体性单壁碳纳米管，即为产品。
2.根据权利要求1所述的室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述的有机溶剂为N、N-二甲基甲酰胺、异丙醇或乙醇。
3.根据权利要求1所述的室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述的碳纳米管在有机溶剂中的固含量为5～20mg/100ml。
4.根据权利要求1所述的室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述的低压气体为单质气体，包括氩气、氦气、氮气、氢气或氧气。
5.根据权利要求1所述的室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述的低压气体为化合物气体，包括一氧化碳、二氧化碳或甲烷。
6.根据权利要求1所述的室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述的低压气体的压力为1～100Pa。
7.根据权利要求1所述的室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述的等离子体功率为10～100W。
8.根据权利要求1所述的室温等离子体刻蚀制备半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述的刻蚀时间为0.1～60min。
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