CN107867679B - 一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法 - Google Patents

一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，属于纳米结构制备和加工领域。包含以下步骤：S1、通过蒸发诱导自组装，在成膜衬底上制备碳纳米管薄膜；S2、将所述成膜衬底与所述碳纳米管薄膜利用水溶液进行剥离，得到分离后的碳纳米管薄膜；S3、将所述分离后的碳纳米管薄膜转移到目标衬底上。本发明中定向排列碳纳米管薄膜于衬底上的剥离采用的是水溶液剥离法，不需要其他化学试剂以及机械外力的辅助，去离子水不仅不会对碳纳米产生损伤，而且还对碳纳米管表面包覆的表面活性剂起到清洗作用。

Description

一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法
技术领域
本发明属于纳米结构制备和加工技术领域，具体涉及一种单一取向碳纳米管薄膜的制备与自支撑转移的方法。
背景技术
自从上世纪九十年代碳纳米管发现至今，碳纳米管所具有的独特结构以及所表现出来的优异力、热、光、电等特性吸引了无数研究人员的关注。而碳纳米管薄膜用于制备电子、光子、光电子器件时，网络结构碳纳米管薄膜中碳纳米管间的接触点会对载流子输运产生散射作用，从而影响碳纳米管微纳器件性能的充分发挥，单一取向碳纳米管薄膜的排布是制备高性能微纳电子器件的前提。虽然目前采用气相沉积方法能够生长制备单一取向碳纳米管阵列，但是生长制备的碳纳米管阵列薄膜中不仅含有催化剂杂质，而且还含有大量金属性碳纳米管，从而影响了器件的性能。近几年，报道了多种碳纳米管结构分离的方法，例如凝胶色谱法、密度离心法、两相法等，随之出现了利用分散液制备碳纳米管薄膜的方法，如L-B膜法、旋涂法、抽滤等，以及在特定衬底上排布单一取向碳纳米管薄膜的方法，如蒸发诱导法、喷墨打印、电泳等。虽然这些技术实现了单一取向碳纳米管薄膜的可控制备，但是不同方法对衬底有一定要求，从而限制了其应用范围。因此，迫切需要发明一种简单的无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，实现向任意目标衬底转移单一取向碳纳米管薄膜用于制备高性能碳纳米管电子器件。
发明内容
(一)要解决的技术问题
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简单有效的方法，将排布的单一取向碳纳米管薄膜从成膜衬底上剥离制备自支撑定向碳纳米管薄膜并实现向任意目标衬底转移。
(二)技术方案
本发明的上述目的是通过如下的技术方案实现的：
一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，包括步骤：S1、通过蒸发诱导自组装，在成膜衬底上制备碳纳米管薄膜；S2、将所述成膜衬底与所述碳纳米管薄膜利用水溶液进行剥离，得到分离后的碳纳米管薄膜；S3、将所述分离后的碳纳米管薄膜转移到目标衬底上。
上述方案中，所述步骤S1是将成膜衬底插入碳纳米管溶液中，溶液蒸发过程中碳纳米管规则的排列在衬底表面。在将所述成膜衬底插入碳纳米管溶液之前对成膜衬底进行水浴超声清洗，并用氮气吹干。
上述方案中，所述步骤S2是将润湿的成膜衬底放入含有去离子水或纯水的容器中，成膜衬底上的碳纳米管薄膜自行脱离并漂浮于水面。在所述步骤S2之前用水润湿成膜衬底表面。
上述方案中，所述步骤S3是将目标衬底插入含有漂浮薄膜的去离子水中将薄膜捞出，并用氮气吹干。
上述方案中，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管为半导体碳纳米管，金属碳纳米管，单一手性碳纳米管，单一结构碳纳米管中的一种或几种。
上述方案中，所述成膜衬底为二氧化硅片、硅片、载玻片、石英中的一种。
(三)有益效果
利用本发明不仅可以制备自支撑单一取向碳纳米管薄膜，还可以实现单一取向碳纳米管薄膜向任意目标衬底的转移，单一取向碳纳米管可以是各种结构碳纳米管混合物，可以是半导体碳纳米管甚至单一手性，或单一结构的碳纳米管。
附图说明
图1是单一取向碳纳米管薄膜的制备及自支撑薄膜转移的工艺流程图。
图2是本发明实施例1自支撑单一取向半导体碳纳米管薄膜漂浮水面的示意图。
图3是为本发明实施例1自支撑膜转移到PET衬底上的示意图。
图4是本发明实施例1自支撑碳纳米管薄膜转移到目标衬底上的原子力微观形貌图。
图中：
1-成膜衬底；2-碳纳米管溶液；3-单一取向排列碳纳米管薄膜；4-去离子水；5-目标衬底。
具体实施方式
一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其特征在于，包括步骤：S1、通过蒸发诱导自组装，在成膜衬底上排布单一取向碳纳米管薄膜；S2、将所述成膜衬底与所述碳纳米管薄膜利用水溶液进行剥离，得到分离后的碳纳米管薄膜；S3、将所述分离后的碳纳米管薄膜转移到目标衬底上。
具体包括成膜衬底分别用不同清洗液水浴超声清洗，并用氮气吹干；将清洗好的成膜衬底插入碳纳米管溶液中，通过蒸发诱导自组装，在衬底表面得到单一取向排列的碳纳米管薄膜，单一取向排列的碳纳米管薄膜的制备是利用溶液蒸发过程中碳纳米管会规则的排列在衬底表面形成的；在将成膜衬底用水润湿表面之后，放入盛装有去离子水的容器中，单一取向的碳纳米管薄膜在水的张力作用下自行脱离并漂浮于水面形成自支撑薄膜；最后将目标衬底插入含有漂浮薄膜的去离子水中将薄膜捞出，并用氮气吹干。
作为优选方案，成膜衬底为二氧化硅片、硅片、载玻片、石英中的一种，宽度要一般大于一厘米。
作为优选方案，成膜衬底的清洗液是水、乙醇、丙酮中的一种或几种。
作为优选方案，碳纳米管溶液为分散的半导体碳纳米管溶液、金属碳纳米管溶液、单一手性碳纳米管溶液或单一结构碳纳米管溶液中的一种或几种。
作为优选方案，碳纳米管溶液是用十二烷基硫酸钠、胆酸钠、脱氧胆酸钠中的一种或两种表面活性剂分散。
作为优选方案，在室温下，蒸发诱导自组装的时间一般大于两天。
本发明中定向排列碳纳米管薄膜于衬底上的剥离采用的是水溶液剥离法，不需要其他化学试剂以及机械外力的辅助，去离子水不仅不会对碳纳米产生损伤，而且还对碳纳米管表面包覆的表面活性剂起到清洗作用。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其步骤包括：
(1)硅片清洗：取一片切好的1cm×3cm SiO2/Si片，其中SiO2的厚度为500nm，依次用去离子水，乙醇，丙酮各超声清洗20min，超声清洗完后再用去离子水冲洗并用氮气吹干。
(2)用质量分数为1％的十二烷基硫酸钠(SDS)分散以一氧化碳为碳源在高压条件下利用化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管(HiPco-SWCNTs，Nanointegris)，并采用凝胶色谱法去除金属碳纳米管，得到质量分数1％SDS分散的半导体碳纳米管溶液用于接下来的操作。
(3)取30mm光程的比色皿，加入6毫升由步骤(2)得到的半导体碳纳米管溶液，并将比色皿放置于真空瓶内，真空瓶放置于光学防震台上，避免地面震动的影响。
(4)步骤(1)清洗好的含氧化层硅片用长尾夹固定并悬空放置于比色皿正中间，然后对真空瓶抽取真空，真空瓶内压强为0.4atm。
(5)整个装置在室温下放置72小时后取出长尾夹固定的硅片，并用氮气吹干。
(6)在吹干排布有半导体碳纳米管薄膜的硅片上滴一滴去离子水润湿表面，然后将硅片缓慢的浸入含有去离子水的培养皿中，此时半导体碳纳米管薄膜会缓慢漂浮于水面，结果如图2为自支撑单一取向排列的半导体碳纳米管薄膜漂浮水面的示意图，其中测量得到薄膜尺寸m×n约为8mm×3mm。
(7)取一小块PET，浸入水中并把漂浮的半导体碳纳米管薄膜捞出，并用氮气吹干，结果如图3为自支撑膜转移到PET衬底上的示意图，图4为自支撑碳纳米管薄膜转移到目标衬底上的AFM微观形貌图。
实施例2
一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其步骤包括：
(1)载玻片清洗：取一片切好的1cm×3cm载玻片，依次用去离子水，乙醇，丙酮各超声清洗20min，超声清洗完后再用去离子水冲洗并用氮气吹干。
(2)用质量分数为1％的十二烷基硫酸钠(SDS)分散HiPco-SWCNTs，并采用凝胶色谱法去除金属碳纳米管，得到质量分数为1％SDS分散的半导体碳纳米管溶液用于接下来的操作。
(3)取30mm光程的比色皿，加入6ml步骤(2)得到的半导体碳纳米管溶液，并将比色皿放置于真空瓶内，真空瓶放置于光学防震台上，避免地面震动的影响。
(4)步骤(1)清洗好的载波片用长尾夹固定并悬空放置于比色皿正中间，然后对真空瓶抽取真空，真空瓶内压强为0.4atm。
(5)整个装置在室温下放置72小时后取出长尾夹固定的载玻片，并用氮气吹干。
(6)在吹干贴有半导体碳纳米管薄膜的载玻片上滴一滴去离子水润湿表面，然后将载玻片缓慢的浸入含有去离子水的培养皿中，此时半导体碳纳米管薄膜会缓慢漂浮于水面。
(7)取一小块PET，浸入水中并把漂浮的半导体碳纳米管薄膜捞出，并用氮气吹干。
由上述实施例可知，本发明先在特定衬底上蒸发诱导自主装出单一取向排列的碳纳米管薄膜，然后利用水的浸润作用使衬底上的薄膜自行脱离并自支撑的漂浮在去离子水面，最后转移到目标衬底上。单一取向排列碳纳米管薄膜于衬底上的剥离采用的是水溶液剥离法，不需要其他化学试剂以及机械外力的辅助，去离子水不仅不会对碳纳米产生损伤，而且还对碳纳米管表面包覆的表面活性剂起到清洗作用。
因此，利用本发明不仅可以制备自支撑单一取向碳纳米管薄膜，还可以实现单一取向碳纳米管薄膜向任意目标衬底的转移，单一取向碳纳米管可以是各种结构碳纳米管混合物，也可以是半导体碳纳米管，甚至单一手性，或单一结构的碳纳米管。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其特征在于，包括步骤：
S1、通过蒸发诱导自组装，在成膜衬底上制备碳纳米管薄膜，其中，将所述成膜衬底插入碳纳米管溶液中，以在溶液蒸发过程中碳纳米管规则的排列在衬底表面，所述碳纳米管溶液利用十二烷基硫酸钠、胆酸钠、脱氧胆酸钠中的一种或两种表面活性剂分散；
S2、将所述成膜衬底与所述碳纳米管薄膜利用水溶液进行剥离，得到分离后的碳纳米管薄膜；
S3、将所述分离后的碳纳米管薄膜转移到目标衬底上；
其中，在执行所述步骤S2之前用水润湿所述成膜衬底表面；
所述步骤S2包括将润湿的成膜衬底放入含有去离子水的容器中，成膜衬底上的碳纳米管薄膜在水的张力作用下脱离并漂浮于水面。
2.如权利要求1所述的无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其特征在于，在将所述成膜衬底插入碳纳米管溶液之前对成膜衬底进行水浴超声清洗，并用氮气吹干。
3.如权利要求1所述的无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其特征在于，所述步骤S3是将目标衬底插入含有漂浮薄膜的去离子水中将薄膜捞出，并用氮气吹干。
4.如权利要求1所述的无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管为半导体碳纳米管或者金属碳纳米管。
5.如权利要求1所述的无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其特征在于，所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管为单一手性碳纳米管或者单一结构碳纳米管。
6.如权利要求1所述的无支撑单一取向碳纳米管薄膜的制备及转移方法，其特征在于，所述成膜衬底为二氧化硅片、硅片、石英中的一种。
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