CN109399612B - 一种悬空碳纳米管阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬空碳纳米管阵列及其制备方法。该制备方法包括：制备碳纳米管网状薄膜；在基底上制备多个沿第一方向延伸的沟槽；将碳纳米管网状薄膜放置于基底设置有沟槽的一侧；采用激光光束辐照沟槽上的碳纳米管网薄膜，以形成悬空碳纳米管阵列；其中，沿第一方向，激光光束的脉冲频率为第一预设值；沿垂直于第一方向，激光光束的脉冲频率为第二预设值；第一预设值大于所述第二预设值。本发明实施例提供的悬空碳纳米管阵列的制备方法，通过在沿沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较高的激光光束，并在沿垂直于沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较低的激光光束，可以保留部分沿垂直于沟槽的延伸方向的碳纳米管，得到全碳结构的悬空碳纳米管阵列。
Description
技术领域
本发明实施例涉及碳纳米管器件加工技术领域，尤其涉及一种悬空碳纳米管阵列及其制备方法。
背景技术
碳纳米管具有优异的机械强度以及良好的导热性和导电性，可以广泛应用于微纳器件；悬空的碳纳米管阵列器件在高灵敏度质量传感、气体传感、纳机电、逻辑电路等领域应用前景广阔。
目前，常见的制备悬空碳纳米管的方法主要两种。一种是首先利用光刻等工艺制备出两个电极，然后在两个电极的上方沉积形成悬空的碳纳米管。然而，采用这种方法形成的悬空碳纳米管，碳纳米管与两端的电极处往往接触不牢固，容易造成碳纳米管松弛，在碳纳米管阵列器件工作时，碳纳米管本身的振动会影响碳纳米管阵列器件的响应特性。
另一种方法是，在基底上先生长碳纳米管阵列，利用光刻和刻蚀的方法形成电极，再从基底的另一侧将碳纳米管底部的基底刻蚀掉，从而形成悬空的碳纳米管。采用这种方法形成悬空碳纳米管时，需要光刻工艺，光刻工艺需要利用光刻胶形成光刻图案。但是，这种方法容易导致光刻胶与碳纳米管接触，在后续的工艺中，碳纳米管上的光刻胶很难彻底清除干净。残留于碳纳米管器件上的光刻胶容易对碳纳米管器件的性能产生影响，并且，该方法在制备悬空碳纳米管时，步骤繁杂，制备效率低下。
发明内容
本发明提供一种悬空碳纳米管阵列及其制备方法，可以得到全碳结构的悬空碳纳米管阵列。
第一方面，本发明实施例提供了一种悬空碳纳米管阵列的制备方法，包括：
制备碳纳米管网状薄膜；
在基底上制备多个沿第一方向延伸的沟槽；
将所述碳纳米管网状薄膜放置于所述基底设置有所述沟槽的一侧；
采用激光光束辐照所述沟槽上的所述碳纳米管网薄膜，以形成悬空碳纳米管阵列；
其中，沿所述第一方向，所述激光光束的脉冲频率为第一预设值；沿垂直于所述第一方向，所述激光光束的脉冲频率为第二预设值；所述第一预设值大于所述第二预设值。
进一步地，所述激光光束为光栅扫描脉冲激光光束。
进一步地，所述第一预设值大于等于1×105Hz，且小于或等于2×106Hz；所述第二预设值大于或等于100Hz，且小于或等于1×104Hz。
进一步地，沿所述第一方向以及垂直于所述第一方向，所述激光光束的脉冲宽度均大于或等于500ns，且小于或等于5000ns。
进一步地，所述制备碳纳米管网状薄膜，包括：
采用气相沉积法、溶液旋涂法或滴涂法制备碳纳米管网状薄膜。
进一步地，所述基底的材料为氧化硅或氧化铪。
进一步地，所述基底包括依次层叠设置的单晶硅层和氧化硅层；所述碳纳米管网状薄膜位于所述氧化硅层远离所述单晶硅层的一侧；
所述沟槽形成于所述氧化硅层中。
进一步地，所述单晶硅层的厚度大于或等于500μm；
所述氧化硅层的厚度大于或等于50nm。
进一步地，所述沟槽的深度小于所述氧化硅层的厚度。
进一步地，沿垂直于所述第一方向，所述沟槽的宽度大于或等于0.5μm，且小于或等于2μm。
进一步地，所述碳纳米管网状薄膜的厚度大于或等于50nm，且小于或等于200nm。
进一步地，所述激光光束的波长大于等于300nm，且小于等于550nm。
第二方面，本发明实施例还提供了一种悬空碳纳米管阵列，采用上述第一方面任一项所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法制备。
本发明实施例提供的悬空碳纳米管阵列的制备方法，通过在沿沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较高的激光光束，并在沿垂直于沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较低的激光光束，激光光束对沿沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀作用强于沿垂直于沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀作用，在将沿沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀完毕后，还可以保留部分沿垂直于沟槽的延伸方向的碳纳米管，进而得到全碳结构的悬空碳纳米管阵列。
附图说明
图1是本发明实施例提供的悬空碳纳米管阵列的制备流程图；
图2是本发明实施例提供的步骤20中的基底的俯视图；
图3是本发明实施例提供的悬空碳纳米管的扫描电镜图；
图4是本发明实施例提供的另一悬空碳纳米管的扫描电镜图；
图5是本发明实施例提供的又一悬空碳纳米管的扫描电镜图；
图6是本发明实施例提供的基底的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的悬空碳纳米管阵列的制备流程图。具体地，请参考图1，该制备方法包括：
步骤10、制备碳纳米管网状薄膜。
具体地，在制备悬空碳纳米管阵列之前，可以首先制备碳纳米管网状薄膜，并在后续工艺中，通过对碳纳米管网状薄膜进行处理，以得到需要的悬空碳纳米管阵列。
步骤20、在基底上制备多个沿第一方向延伸的沟槽。
图2是本发明实施例提供的步骤20中的基底的俯视图。具体地，请参考图2，为形成碳纳米管的悬空结构，可以在基底100上形成沟槽101，利用沟槽101为悬空碳纳米管的悬空创造条件。通常，可以在基底100上形成多个沿第一方向X排列的沟槽101。当碳纳米管沿垂直于第一方向X排布，且碳纳米管跨过沟槽101时，即可形成悬空碳纳米管，多个悬空碳纳米管可以形成悬空碳纳米管阵列。需要说明的是，步骤20还可以在步骤10之前，也可以在步骤10之后，或者步骤10和步骤20可以同步进行，本实施例对此不作具体限制。
步骤30、将碳纳米管网状薄膜放置于基底设置有沟槽的一侧。
具体地，将步骤10制备的碳纳米管网状薄膜置于步骤20中制备的基底之上，并对位于基底上的碳纳米管网状薄膜进行处理，使碳纳米管网状薄膜中的碳纳米管形成跨越沟槽的结构，以得到悬空的碳纳米管阵列。
步骤40、采用激光光束辐照沟槽上的碳纳米管网薄膜，以形成悬空碳纳米管阵列。
其中，沿第一方向，激光光束的脉冲频率为第一预设值；沿垂直于第一方向，激光光束的脉冲频率为第二预设值；第一预设值大于第二预设值。
具体地，请继续参考图2，当碳纳米管网状薄膜放置于基底100设置有沟槽101的一侧时，由于激光具有较高准直特性和较高的能量，通过在沿第一方向X上施加脉冲频率较高的激光光束，可以对沿第一方向排布的碳纳米管产生相对较强的烧蚀作用，在沿垂直于第一方向X上施加脉冲频率较低的激光光束，可以对沿垂直于第一方向X的碳纳米管形成相对较弱的烧蚀作用。通过合理控制激光光束的脉冲频率，可以在将沿第一方向X的碳纳米管全部烧蚀以后，还可以保留部分沿垂直于第一方向X排布的碳纳米管，得到多个沿垂直于第一方向X排布，且跨越沟槽101的碳纳米管。
进一步地，通过这种方法形成的碳纳米管阵列，每个碳纳米管的两端也是由原来的碳纳米管网状薄膜的一部分构成，因而，整个碳纳米管可以相对牢固地固定基底上，可以避免碳纳米管松弛现象的发生。需要说明的是，本实施例提供的碳纳米管阵列的制备方法，只在形成沟槽101时，可能需要采用光刻和刻蚀的方法，但是该过程涂布在基底100上的光刻胶，可以在通过后续的工艺，将基底表面残留的光刻胶清理干净。由于在形成沟槽101时，碳纳米管网状薄膜尚未放置于基底100上，可以避免光刻胶与碳纳米管网状薄膜接触，碳纳米管网状薄膜不会被光刻胶污染。因此，采用本实施例提供的碳纳米管阵列的制备方法，可以得到全碳结构的碳纳米管阵列。
本实施例提供的悬空碳纳米管阵列的制备方法，通过在沿沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较高的激光光束，并在沿垂直于沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较低的激光光束，激光光束对沿沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀作用强于沿垂直于沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀作用，在将沿沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀完毕后，还可以保留沿垂直于沟槽的延伸方向的碳纳米管，进而得到全碳结构的悬空碳纳米管阵列。
可选地，激光光束为光栅扫描脉冲激光光束。通过控制激光束光栅扫描频率，可以获得各向异性的温度场，从而产生对不同取向碳管的选择性烧蚀，形成悬空碳纳米管阵列。具体地，仍以沟槽沿第一方向延伸为例，在利用激光光束烧蚀基底上的碳纳米管网状薄膜时，可以控制激光光束按照一定的脉冲频率(例如，第一预设值)，沿第一方向扫描基底上的碳纳米管网状薄膜。之后，再控制激光光束按照另一较低的脉冲频率(例如，第二预设值)，沿垂直于第一方向扫描基底上碳纳米管网状薄膜。通过对沿第一方向和垂直于第一方向的碳纳米管网状薄膜施加脉冲频率不同的激光光束，可以使沿第一方向的碳纳米管和垂直于第一方向的碳纳米管得到不同程度的烧蚀，并最终使基底上仅剩下沿垂直于第一方向的碳纳米管。
可选地，第一预设值大于或等于1×105Hz，且小于或等于2×106Hz；第二预设值大于或等于100Hz，且小于或等于1×104Hz。具体地，为控制激光光束将沿第一方向的碳纳米管全部烧蚀掉，需要采用较大的扫描频率，但是如果扫描频率太大，则容易造成将整个碳纳米管网状薄膜(包括沿第一方向的碳纳米管和垂直于第一方向的碳纳米管)全部烧蚀掉。因此，可选地，可以将第一预设值设置为大于或等于1×105Hz，且小于或等于2×106Hz。同理，为了将沿第二方向的碳纳米管保留在基底上，需要将沿第二方向扫描的激光光束设置为较低的的频率。因此，在保证激光光束具有一定的烧蚀能量的前提下，可以将第二预设值设置为大于或等于100Hz，且小于或等于1×104Hz。
可选地，沿第一方向以及垂直于第一方向，激光光束的脉冲宽度均大于或等于500ns，且小于或等于5000ns。示例性地，脉冲宽度越大，激光光束的能量越大，在烧蚀碳纳米管网状薄膜时，可以根据需要适当控制激光光束的脉冲宽度。优选地，可以选择脉冲宽度为2000ns左右的激光光束。
图3是本发明实施例提供的悬空碳纳米管的扫描电镜图，图4是本发明实施例提供的另一悬空碳纳米管的扫描电镜图，图5是本发明实施例提供的又一悬空碳纳米管的扫描电镜图。可选地，请参考图3-图5，在将碳纳米管网状薄膜放置于基底上设置有沟槽的一侧101的一侧时，使用脉冲频率为4×105Hz，脉冲宽度为2000ns的激光光束沿第一方向X进行辐照，使用脉冲频率为1×103Hz，脉冲宽度为2000ns的激光光束沿垂直于第一方向X进行辐照，得到如图3所示的结果；使用脉冲频率为1×103Hz，脉冲宽度为2000ns的激光光束沿第一方向X进行辐照，使用脉冲频率为4×105Hz，脉冲宽度为2000ns的激光光束沿垂直于第一方向X进行辐照，得到如图4所示的结果；使用脉冲频率为4×105Hz，脉冲宽度为50ns的激光光束沿第一方向X进行辐照，使用脉冲频率为1×103Hz，脉冲宽度为50ns的激光光束沿垂直于第一方向X进行辐照，得到如图5所示的结果。由图3-图5可知，只有图3的沟槽101处出现了悬空碳纳米管阵列201。
比较图3和图4可知，当沿第一方向X的激光光束的脉冲频率大于垂直于第一方向X的激光光束的脉冲频率时，且激光光束的脉冲宽度合适时，可以在激光光束烧蚀后得到悬空碳纳米管阵列201。如果沿第一方向X的激光光束的脉冲频率小于垂直于第一方向X的激光光束的脉冲频率时，沿第一方向X的碳纳米管将全部被烧蚀掉，沿垂直于第一方向X的部分碳纳米管被保留下来，但是这些碳纳米管的排布方向与沟槽101的延伸方向平行或近似平行，因此，无法形成两端固定的悬空碳纳米管阵列201。
比较图4和图5可知，当激光光束的脉冲宽度太小时，激光光束的热量积累不足，无法对碳纳米管网状薄膜产生有效的烧蚀，因此，在经过激光光束的辐照以后，碳纳米管网状薄膜并未受到明显的烧蚀，碳纳米管网状薄膜仍包括多个碳纳米管，多个碳纳米管沿任意方向呈无规则状排布。
可选地，制备碳纳米管网状薄膜，包括：采用气相沉积法、溶液旋涂法或滴涂法制备碳纳米管网状薄膜。可以理解的是，碳纳米管网状薄膜用于形成悬空的碳纳米管阵列，但本发明的关键并不在于如何形成碳纳米管网状薄膜。因此，在制备碳纳米管网状薄膜时，可以采用任何现有的或未来可能出现的工艺，本实施例对此不作具体限制。
可选地，基底的材料为氧化硅或氧化铪。具体地，为了避免碳纳米管与基底发生电连接，可以选择绝缘材料做基底。氧化硅具有稳定的理化性质和良好的电绝缘性，是一种优良的基底材料。氧化铪是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，在通常状态下导电能力极弱，可以避免碳纳米管与基底之间发生导电；由于氧化铪具有比氧化硅更宽的带隙宽度，可以在某些情况下替代氧化硅，也是一种优良的基底材料。
图6是本发明实施例提供的基底的侧视图。可选地，请参考图6，基底100包括依次层叠设置的单晶硅层103和氧化硅层102；碳纳米管网状薄膜位于氧化硅层102远离单晶硅层103的一侧；沟槽形成于氧化硅层102中。具体地，通过在单晶硅层103上设置氧化硅层102，并在氧化硅层102上形成沟槽，碳纳米管阵列位于氧化硅层102远离单晶硅层103的一侧，可以避免碳纳米管阵列和单晶硅层102接触，避免基底100的导电对碳纳米管阵列的性质造成影响。
可选地，厚度太小的单晶硅层103的制备难度较大，且容易碎裂或折断，为保证碳纳米管阵列制备的器件的结构稳定，可以使单晶硅层103的厚度大于或等于500μm。由于沟槽形成于氧化硅层102上，为保证沟槽具有一定的深度，需要氧化硅层102具有一定的厚度，因此，可选地，氧化硅层102的厚度大于或等于50nm。
可选地，为避免碳纳米管阵列通过沟槽与单晶硅层103发生电连接，可以使沟槽的深度小于氧化硅层102的厚度，以避免单晶硅层103对碳纳米管阵列的性质造成影响。
如果沟槽的宽度太小，则沟槽的尺寸不利于碳纳米管阵列的悬空；如果沟槽的宽度太大，超过了一般的碳纳米管阵列的长度，则碳纳米管无法跨越沟槽形成悬空碳纳米管。因此，可选地，沿垂直于第一方向，沟槽的宽度大于或等于0.5μm，且小于或等于2μm。需要说明的是，在形成沟槽时，可以采用光刻和刻蚀的工艺，也可以采用其他工艺，本实施对此不作具体限制。
当碳纳米管网状薄膜的厚度太小时，激光光束容易将全部的碳纳米管网状薄膜烧蚀掉，无法在沿垂直于沟槽延伸方向上形成悬空碳纳米管；如果碳纳米管网状薄膜的厚度太大，激光光束需要很高的能量，才可以将沿平行于沟槽延伸方向的碳纳米管烧蚀掉。因此，可选地，碳纳米管网状薄膜的厚度大于或等于50nm，且小于或等于200nm。
可选地，激光光束的波长大于等于300nm，且小于等于550nm。具体地，在选择激光光束的波长时，可以综合考虑碳纳米管网状薄膜的厚度、光吸收系数、激光光束的脉冲宽度以及激光光束的脉冲频率，以保证通过辐照将沿沟槽方向的碳纳米管烧蚀掉，并保留部分垂直于沟槽延伸方向的碳纳米管。需要说明的是，激光光束的波长包括但不限于上述取值范围。
可选的，单晶硅基底不是制备悬空碳纳米管阵列的唯一选择。根据最终悬空碳纳米管器件的实际功能，可以将单晶硅基底替换为非晶硅、陶瓷、金属或合金等，因此，基底材料包括但不限于上述材料类型。
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种悬空碳纳米管阵列，该悬空碳纳米管阵列可以采用上述任意实施例所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法制备。
本实施例提供的悬空碳纳米管阵列，在制备时，通过在沿沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较高的激光光束，并在沿垂直于沟槽的延伸方向施加脉冲频率相对较低的激光光束，激光光束对沿沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀作用强于沿垂直于沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀作用，在将沿沟槽的延伸方向的碳纳米管网状薄膜的烧蚀完毕后，还可以保留部分沿垂直于沟槽的延伸方向的碳纳米管，进而得到全碳结构的悬空碳纳米管阵列。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，包括：
制备碳纳米管网状薄膜；
在基底上制备多个沿第一方向延伸的沟槽；
将所述碳纳米管网状薄膜放置于所述基底设置有所述沟槽的一侧；
采用激光光束辐照所述沟槽上的所述碳纳米管网薄膜，以形成悬空碳纳米管阵列；
其中，沿所述第一方向，所述激光光束的脉冲频率为第一预设值；沿垂直于所述第一方向，所述激光光束的脉冲频率为第二预设值；所述第一预设值大于所述第二预设值；
其中，所述激光光束为光栅扫描脉冲激光光束；所述第一预设值大于或等于1×105Hz，且小于或等于2×106Hz；所述第二预设值大于等于100Hz，且小于或等于1×104Hz；沿所述第一方向以及垂直于所述第一方向，所述激光光束的脉冲宽度均大于或等于500ns，且小于或等于5000ns。
2.根据权利要求1所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述制备碳纳米管网状薄膜，包括：
采用气相沉积法、溶液旋涂法或滴涂法制备碳纳米管网状薄膜。
3.根据权利要求1所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述基底的材料为氧化硅或氧化铪。
4.根据权利要求1所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述基底包括依次层叠设置的单晶硅层和氧化硅层；所述碳纳米管网状薄膜位于所述氧化硅层远离所述单晶硅层的一侧；
所述沟槽形成于所述氧化硅层中。
5.根据权利要求4所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，
所述单晶硅层的厚度大于或等于500μm；
所述氧化硅层的厚度大于或等于50nm。
6.根据权利要求4所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述沟槽的深度小于所述氧化硅层的厚度。
7.根据权利要求1所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，沿垂直于所述第一方向，所述沟槽的宽度大于或等于0.5μm，且小于或等于2μm。
8.根据权利要求1所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管网状薄膜的厚度大于或等于50nm，且小于或等于200nm。
9.根据权利要求1所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述激光光束的波长大于等于300nm，且小于等于550nm。
10.一种悬空碳纳米管阵列，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的悬空碳纳米管阵列的制备方法制备。
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