CN1091544C - 碳纳米管的组装技术及电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高新科技新型纳米电子器件领域。本发明涉及碳纳米管竖立在纯净金属基底表面上的组装技术及用此技术所制造的电子器件，包括阵列场发射电子源，场发射平板显示器件，扫描探针显微镜(SPM)的针尖，场发射电子显微镜(FEM)的样品，测试碳纳米管特性的装置和利用此技术产生的量子特性与负阻特性曲线制造纳米电子放大器、振荡器和电子开关器件。
Description
本发明属于高新科技新型纳米电子器件领域。
本发明涉及碳纳米管竖立在纯净金属基底表面上的组装技术及用此技术所制造的电子器件，包括阵列场发射电子源，场发射平板显示器件，扫描探针显微镜(SPM)的针尖，场发射电子显微镜(FEM)的样品，测试碳纳米管特性的装置和利用此技术产生的量子特性与负阻特性曲线制造纳米电子放大器、振荡器和电子开关器件。
碳纳米管是91年被发现的新型纳米材料，由于它极其微小，尺度、直径均为纳米量级，如何将它组装应用于电子器件领域，这是近年来大家苦苦追求研究的问题。目前研制的是多层壁型或多层壁型与少数单壁碳纳米管的混合物，如有人利用在硅表面生长的多层壁碳纳米管阵列制成场发射电子源，由于多层壁碳纳米管过长和凝聚，使得场发射电子源的效率不高，提供电流密度小，其电子流为毫安量级；也有人偶尔将多层壁碳纳米管用胶粘在硅针尖上作扫描力显微镜(SFM)的探针；但实际上实施技术复杂，很难实现，因此这些现有技术不宜用来制造新型纳米电子器件。
本发明的目的是提出一种新技术，能实现用简单可靠的方法将碳纳米管呈竖直状态组装在大气中稳定的纯净金属表面，从而可用此技术制造大电流的阵列场发射电子源，制造高分辨率的平板场发射显示器，制作SPM的针尖和FEM的碳纳米管样品，研制测量碳纳米管物理特性的装置，研究碳纳米管的放大器、振荡器和电子开关器件。
本发明的目的是这样实现的：1.用化学切割技术得到的分离的单壁碳纳米管进行多次过滤，使单壁碳纳米管的纯度达到90％，再用去离子水制成重量比单壁碳纳米管为1％的水溶胶体，其中碳纳米管的长度为10～100纳米。将此水溶胶体置于细长玻璃管中密封长时间存放，实现碳纳米管长度的分离。然后进行按水溶胶柱高度不同分选，最短的碳纳米管处于水溶胶柱的最上层，此碳米纳管水溶胶称为原液。2.将碳纳米管水溶胶原液用10倍的去离子水稀释，置于烧杯或试管中，超声处理20分钟，使碳纳米管充分分离，均匀分布。3.将欲组装上碳纳米管的大气中化学稳定的金属基底进行认真的去油去污染处理，得到纯净的金属表面；或用真空沉积的新的金属膜表面作基底。4.取所需要的碳纳米管稀释液，用甩胶法涂到纯净的金属基底上；或用浸入法，将基底浸入在稀释的水溶胶中，静止1小时后取出。5.再将带有碳纳米管水溶胶的样品置于烘箱中加热烘干，即完成组装工艺，制造出分立在基底表面上的碳纳米管阵列，如图1所示。或是竖立在基底表面的单根碳纳米管结构，如图2所示。
在本发明中能使碳纳米管稳固、竖立站在基底表面的机理是开口的碳纳米管末端有向外伸展的很强的电子云与纯净金属表面的电子云发生较强的相互作用，使碳纳米管能稳固地竖立在基底金属表面。
在具体操作过程中注意：
(1)在碳纳米管水溶液原液加入不同量的去离子水，不同的稀释程度可控制组装碳纳米管的密度，如加10倍去离子水与加100倍去离子水则碳纳米管密度显然变为10∶1。
(2)作为基底的金属必须是在大气中稳定的，不生成氧化物或氢氧化物的金属，如金、铂、钨、钼、锑和石墨等，其形状可以是金属膜也可是金属丝。
组装在金属表面上的碳纳米管阵列，其单壁碳纳米管的高度为10～80纳米，直径为1.1～1.4纳米，每平方厘米可组装碳纳米管1010～1013根，每根可通过电流50纳安，所以碳纳米管阵列可提供场发射电流密度为每平方厘米102～105安培，因此碳纳米管阵列配上相应的阳极或荧光屏即可制造大电流场发射电子源或高分辨率的平板显示器。将单壁碳纳米管组装到金丝末端或镀金膜的其它尖端上，可制造SPM针尖或FEM样品，可以得到高景深和原子分辨的样品表面形貌像。将单个一定长度的碳纳米管组装在金丝末端上，可以作为一个电极，精确控制与另一电极接触状态，加上所需配件，可进行碳纳米管电学、光学、光电和机械特性，以及其它物理、化学特性的测量。用此类装置我们构造和测量了室温下单壁碳纳米管的电流-电压(I-V)特性曲线，呈现非线性的量子特性和负阻特性，根据电子器件原理，可利用此种特性制造碳纳米管的放大器、振荡器和电子开关器件。
说明书附图说明。
图1竖立在金表面的碳纳米管阵列结构图。
图2竖立在金表面的单根碳纳米管结构图。
图3碳纳米管制造三种探针的结构示意图。
图4单壁碳纳米管室温下具有量子特性的I-V曲线。
图5单壁碳纳米管放大器结构图。
图6单壁碳纳米管室温下的负阻特性曲线。
图7单壁碳纳米管振荡器结构图。
图8单壁碳纳米管开关器的结构图。
图中1.单壁碳纳米管 2.纯净金 3.钨针尖 4.硅针尖 5.源电极(S) 6.门电极(G) 7.绝缘层 8.漏电极(D) 9.石英晶体振子 10.电阻
本发明的实施例：
例一、将经过长度分选的碳纳米管水溶液原液用10倍的去离子水稀释，经超声处理后用甩胶法涂或浸入法到纯净的晶态金属膜表面，即产生如图1所示的碳纳米管竖立阵列在金膜表面的结构。
例二、将经过长度分选的碳纳米管水溶液原液用100倍的去离子水稀释，经超声处理后用浸入法将纯净的金膜浸入稀释水溶液中，即产生如图2所示的一根单壁碳纳米管竖立在金膜表面，可作为碳纳米管电子器件的基本结构。
例三、如图3所示，给出三种探针结构：在金丝末端2组装上碳纳米管，作STM针尖，在钨针尖3上组装上碳纳米管作FEM样品或作STM针尖；在硅针尖4上镀金薄膜组装上碳纳米管作SFM的针尖。这些针尖具有尖锐的形状，很高的分辨率，FEM针尖样品能分辨碳纳米管末端结构的原子像。
通过实验表明组装在金丝上的单壁碳纳米管与金基底之间，室温下测得如图4所示的具有量子特性的I-V曲线，它是制造单壁碳纳米管放大器的基础。
图6是在两电极间的单壁碳纳米管室温下的I-V曲线，呈现负阻特性，可利用此特性制造单壁碳纳米管的振荡器和电子开关器件。
例四、如图5所示，是碳纳米管放大器的结构示意图，在源(S)5和漏(D)8之间的单壁碳纳米管1邻近门电极(G)6，它与漏(D)8之间用绝缘层7隔开。
例五、如图7所示，是组装在金基底2上的单壁纳米碳管1与石英晶体振子9相串联的振荡器，V0为电源电压。
例六、如图8所示，是用电阻10与组装在金基底2上的单壁碳纳米管1串联，构成电子开关器件的结构示意图。
Claims (7)
1、一种单壁碳纳米管组装结构，包括单壁碳纳米管和基底两部分，其特征是：
(1)单壁碳纳米管能分立、竖直、牢固的站立在基底上；
(2)基底是下列金属，采用下列金属中的任意一种：金、铂、钨、钼、锑或石墨；
2、根据权利要求1所述的碳纳米管组装结构，其特征在于：
(1)多个单壁碳纳米管以阵列方式排列；
(2)基底为金属平面膜；
3、根据权利要求1所述的碳纳米管组装结构，其特征在于：
(1)一个单壁碳纳米管；
(2)基底可以是金属平面膜或金属针尖丝；
构成单个碳纳米管的组装结构；
4、根据权利要求1所述的碳纳米管组装结构，其特征在于：
(1)一个单壁碳纳米管；
(2)基底为金属丝；
(3)单壁碳纳米管组装结构连接在源电极(5)和漏电极(8)之间，与门电极(6)相邻，门电极(6)与漏电极(8)间用绝缘体(7)隔开，构成碳纳米管放大器；
5、根据权利要求1所述的碳纳米管组装结构，其特征在于：
(1)一个单壁碳纳米管；
(2)基底为金属丝；
(3)单壁碳纳米管组装结构与石英晶体振子(9)相串联，构成振荡器；
6、根据权利要求1所述的碳纳米管组装结构，其特征在于：
(1)一个单壁碳纳米管；
(2)基底为金属膜或金属丝；
(3)电阻(10)与单壁碳纳米管组装结构串联，构成电子开关元件；
7、一种单壁碳纳米管组装方法，所说的组装物包括碳纳米管和金属基底两部分，作为基底的金属可以是金、铂、钨、钼、锑和石墨中的任意一种，组装的方法是：
(1)将纯度90％以上的单壁碳纳米管水溶液胶体静止存放一个月左右；
(2)按水溶液不同的柱高位置，分选所需长度的碳纳米管原液；
(3)按所需量的原液加入去离子水稀释；
(4)彻底清除金属基底表面的油污杂质；
(5)用甩胶法或浸入法将碳纳米管组装在基底上。
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