CN113880074A - 水平超定向碳纳米管束阵列及其软锁抽丝制备方法 - Google Patents

水平超定向碳纳米管束阵列及其软锁抽丝制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水平超定向碳纳米管束阵列及其软锁抽丝制备方法，该方法包括如下步骤：将单壁碳纳米管网络薄膜转移在目标衬底上，将软膜用挥发性溶剂浸湿，然后将浸湿后的软膜包裹刚性定向装置，并将其与单壁碳纳米管网络薄膜接触，向刚性定向装置施加外力，使刚性定向装置压紧单壁碳纳米管网络薄膜，再沿着目标方向移动刚性定向装置，使单壁碳纳米管从网络薄膜中拉伸抽出，从而在目标衬底上形成定向碳纳米管束阵列。该制备方法不使用表面活性剂，对碳纳米管无损，定向后对碳纳米管有去除表面污染的作用，制备得到的碳纳米管束阵列紧密定向排列，具有高定向准度、高堆积密度和高电流承载力，可应用于纳米电子器件等领域。

Description

水平超定向碳纳米管束阵列及其软锁抽丝制备方法
技术领域
本发明涉及纳米电子器件领域，具体涉及一种水平超定向碳纳米管束阵列及其软锁抽丝制备方法。
背景技术
在场效应晶体管中，单根半导体碳纳米管可以作为晶体管的沟道材料，单根金属性碳纳米管可以作为栅极电极，因此将碳纳米管应用于场效应晶体管中具有促进晶体管小型化的潜力，远远优于最先进的商用晶体管中的沟道和栅极长度。平行纳米管之间的范德华相互作用促成了高堆积密度和低电阻的碳纳米管束的形成。与传统金属相比，金属性的碳纳米管束是下一代微电子导线的理想候选材料。
目前，尽管人们开发了许多碳纳米管的排列和组装方法，但高密度定向排列的碳纳米管束阵列的可控形成仍未实现。水平排列的碳纳米管阵列可以通过化学气相沉积法直接合成，但排列的碳纳米管的产率和密度仍然很低。除了化学气相沉积法，研究重点主要集中在溶液相中获得定向排列的碳纳米管，包括“吹泡法”、缓慢真空渗透法、固态拉伸法、Langmuir-Schaefer方法、DNA模板辅助定向法和限域自定向法等。虽然这些方法可以有效地将随机取向的碳纳米管网络转化为相对定向排列的碳纳米管阵列，但定向过程中容易引入杂质(如表面活性剂)和缺陷，同时可使用的碳纳米管长度较短(一般＜10μm，长径比＜5000)，这些都增加了获得高密度、洁净、长径比大、具有优异电学性能的碳纳米管束阵列的难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，具体技术方案如下：
一种通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：将单壁碳纳米管网络薄膜转移在目标衬底上；
步骤二：取软膜，用挥发性溶剂浸湿，然后将浸湿后的软膜包裹刚性定向装置，并将软膜包裹后的刚性定向装置与单壁碳纳米管网络薄膜接触；
步骤三：向所述刚性定向装置施加外力，使所述刚性定向装置压紧单壁碳纳米管网络薄膜；再沿着目标方向移动刚性定向装置，使单壁碳纳米管从网络薄膜中拉伸，从而在目标衬底上形成定向碳纳米管束阵列；
所述软膜微观上具有10nm～1μm尺度孔隙，材质与所述挥发性溶剂不互溶，且在挥发性溶剂浸润后具有柔性。
本发明所采用的定向装置关键在于能紧贴衬底在垂直衬底方向对碳纳米管网络施加一机械压力，将碳纳米管“固定”在尼龙膜上，然后平行于衬底沿着某一单向拉伸，从而获得水平超定向碳纳米管束阵列。所述刚性定向装置与软膜的压紧面沿刚性定向装置移动的方向的宽度为1～100μm为优，长度不限，且可以通过自动化设备进行大规模制备水平超定向碳纳米管束阵列。所述刚性定向装置优选为刚性刀片，其刚性较好，刀刃与软膜的压紧面接触面积较小，且成本低。
本发明所用的软膜关键在于浸湿后其柔软的性质可以改善碳纳米管网络与刚性刀片之间的接触，确保将牵引力有效均匀地传递到每一根随机碳纳米管上，作为“软锁”将碳纳米管固定在移动刀片上。本发明所采用的软膜优选为尼龙过滤膜，其在微观上具有微纳尺度孔隙，浸湿后具有柔性，可以有效改善碳纳米管网络与刚性刀片之间的接触。
挥发性溶剂在定向过程中的作用主要在于在定向开始时减小碳纳米管与衬底之间的轴向阻力，使碳纳米管固定于软膜上，跟随定向装置移动；在定向过程中，碳纳米管与衬底界面处的挥发性溶剂逐渐蒸发，使碳纳米管与衬底再次紧密接触，在碳纳米管和衬底之间相对较大的阻力下，避免对齐的碳纳米管在收缩张力下缩回，从而保持定向碳纳米管束固定与衬底上。因此所述溶剂具有挥发性，且不与软膜发生相溶。所述挥发性溶剂优选为乙醇、甲醇、异丙醇和丙酮中的任意一种或多种，其挥发性好，成本较低，容易获得。
进一步地，所述目标衬底为抛光的SiO2/Si、硅片、蓝宝石、玻璃和粗糙的SiO2/Si衬底。
进一步地，所述目标衬底带有微沟槽，最终得到悬浮的水平超定向碳纳米管束阵列，其微沟槽宽度为2～20μm，深度1～10μm。
进一步地，通过增加尼龙过滤膜上的挥发性溶剂的量，使得在带有微沟槽的目标衬底上聚集的碳纳米管束的宽度更宽。最大宽度可以达到510nm，进一步提升水平超定向碳纳米管束阵列的电学性能和力学性能。
进一步地，所述单壁碳纳米管网络薄膜通过如下任意一种方式得到：
方式一：通过化学气相沉积法
在大气压下，以二茂铁/二甲苯/硫为前驱体，将金属箔放置在石英管的下游收集碳纳米管网络；充入氩气作为载气，流量为10～50sccm，维持体系温度在1050～1160℃，将质量浓度比为45:1的二茂铁和硫组成的二甲苯前驱体溶液以3～10μL/min的速率注入下游，同时载气换为氩气/氢气混合气,气体流量为1000～2000sccm。生长的时间为5～60分钟，碳纳米管网膜厚度可控，根据需要决定生长时间；将生长完成的碳纳米管网络薄膜直接从金属箔上剥离；
方式二：将单壁碳纳米管片段或手性为(6,5)碳纳米管富集的单壁碳纳米管粉末均匀分散在挥发性溶剂中，吸取混合溶液滴加在目标衬底上，待挥发性溶剂挥发后，形成单壁碳纳米管网络薄膜；
方式三：将单壁碳纳米管片段或手性为(6,5)碳纳米管富集的单壁碳纳米管粉末均匀分散在氯磺酸中，吸取碳纳米管分散液滴加在平整衬底上，使用另外一片平整衬底均匀按压，便可在两片衬底之间形成厚度均匀的单壁碳纳米管网络薄膜。
进一步地，
(1)在已制备好的水平定向碳纳米管束阵列上旋转涂覆一层PMMA，并通过加热目标衬底使PMMA凝固，从而在目标衬底上形成PMMA/CNT层；
(2)将带有PMMA/CNT的目标衬底浸入浓度为0.5～2mol/L的氢氧化钾溶液中进行刻蚀，加热氢氧化钾溶液，使PMMA/CNT脱离目标衬底，在溶液表面自由展开；
(3)将漂浮的PMMA/CNT转移到干净的蒸馏水的表面，去除残留的氢氧化钾溶液，如此反复多次，以去除PMMA/CNT表面附着的水溶性溶质；
(4)将清洁的PMMA/CNT层沿着预设定的方向转移到另一个已经形成有定向碳纳米管束阵列的目标衬底上，加热目标衬底，使PMMA/CNT层中的碳纳米管层与目标衬底上的定向碳纳米管束阵列紧密接触；
(5)将步骤(4)得到的样品浸泡于丙酮中，去除PMMA层，得到双层定向碳纳米管束阵列；
(6)依次类推，得到多层定向碳纳米管束阵列。
一种由上述任意一种方法得到的水平超定向碳纳米管束阵列。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
(1)本发明的方法在制备过程不使用任何表面活性剂，可用于定向长碳纳米管(长度为300μm～1mm，长径比＞200000)，在定向过程中对碳纳米管不造成损伤，在定向完成后对未经加工的碳纳米管有去除表面污染的作用(污染如无定形碳和催化剂)。
(2)本发明制备得到的水平超定向碳纳米管束阵列具有高定向准度(角度标准偏差为0.03～0.13°)，高堆积密度(～400/μm)和高电流承载力(～1.8×108A/cm2)，其出色的电导率和表面洁净度可应用于纳米电子器件领域，这有望取代集成电路内部的金属互连。
(3)本发明的方法可广泛适用于多种单壁碳纳米管和常用的工业衬底，所制备得到的碳纳米管阵列宽度只与碳纳米管网络和刚性定向装置宽度有关，可推广到大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例1水平超定向碳纳米管束阵列软锁抽丝制备方法的示意图；
图2a为实施例1制备的水平超定向碳纳米管束阵列的低倍扫描电子显微镜照片，图2b为未定向区域单壁碳纳米管网络的高倍扫描电子显微镜照片，图2c为定向后的水平超定向碳纳米管束阵列的高倍扫描电子显微镜照片；
图3a为对比例1中得到的水平超定向碳纳米管束阵列的定向效果示意图，图3a1为图3a对应的低倍扫描电子显微镜照片，图3a2为图3a对应的高倍扫描电子显微镜照片；图3b为实施例1得到的定向效果示意图，图3b1为图3b对应的低倍扫描电子显微镜照片，图3b2为图3b对应的高倍扫描电子显微镜照片；
图4a为实施例2得到的定向效果的低倍扫描电子显微镜照片，图4a1为图4a对应的高倍扫描电子显微镜照片；图4b为实施例3得到的定向效果的低倍扫描电子显微镜照片，图4b1为图4b对应的高倍扫描电子显微镜照片；图4c为实施例1得到的定向效果的低倍扫描电子显微镜照片，图4c1为图4c对应的高倍扫描电子显微镜照片；
图5a为实施例1中的定向前的随机碳纳米管网络在平行偏振模式下拟合的拉曼G模峰强与样品旋转角度θ函数关系的极坐标图，图5b为实施例1定向后的水平超定向碳纳米管束在平行偏振模式下拟合的拉曼G模峰强与样品旋转角度θ函数关系的极坐标图；
图6a为实施例1中超定向碳纳米管束阵列的扫描电子显微镜照片，四个随机区域P1、P2、P3、P4用于统计大面积对准度；图6b为随机区域P1的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片；图6c为随机区域P2的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片；图6d为随机区域P3的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片；图6e为随机区域P4的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片；
图7为实施例1制备的水平超定向碳纳米管束阵列的定向准度与“吹泡法”、缓慢真空渗透法、固态拉伸法、Langmuir-Schaefer方法、DNA模板辅助定向法和限域自定向法的比较，插图为水平超定向碳纳米管束阵列的角度标准差分布图；
图8为采用光学成像方法对实施例1制备的超定向碳纳米管束阵列的密度表征图，曲线1为插图中扫描电子显微镜照片中位置1的密度图，曲线2为插图中扫描电子显微镜照片中位置2的密度图；
图9a为从实施例1得到的碳纳米管束中取出一束进行电流测量的的原子力显微镜图像，插图是相应的高度剖面；图9b曲线分别为在空气和真空中测量碳纳米管束的电流承载力；图9c为用于测量电流承载力的碳纳米管束装置的扫描电子显微镜照片，金属电极为Ti(5nm)/Au(100nm)。电极2和电极3之间的器件2-3用于测量真空中的电流承载力，器件3-4用于测量空气中的电流承载力。图9d为其高倍扫描电子显微镜照片，确定束的宽度约为25nm，结合该束的高度剖面(图9a插图)，该束的横截面积可计算约为90nm2；
图10a为实施例1得到的碳纳米管束的低倍扫描电子显微镜照片；图10b为图10a中随机碳纳米管网络的局部放大扫描电子显微镜照片，插图中为未定向的碳纳米管网络的透射电子显微镜照片；
图11a为实施例1得到的碳纳米管束的表面清洁效果的示意图，示意图中标示出三个区域，区域E为未定向的碳纳米管网络区域，区域D为准定向区域，区域C为定向区域；图11b为对应区域C、D、E的扫描电子显微镜照片；图11c为区域C的原子力显微镜照片；图11d为区域D的原子力显微镜照片；图11e为区域E的原子力显微镜照片；
图12为实施例1的定向前和定向后的碳纳米管束的拉曼光谱图；
图13a和图13b为实施例4中PMMA辅助转移堆叠制备的不同交叉角度的碳纳米管网络的扫描电子显微镜照片；
图14a为实施例5中得到的水平超定向碳纳米管束阵列跨越悬浮在微沟槽上的示意图，图14b为图14a对应的扫描电子显微镜照片；
图15a为实施例6中组装增宽的水平超定向碳纳米管束的低倍扫描电子显微镜照片；图15b为图15a对应的高倍扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1制备水平超定向碳纳米管束阵列
1)浮动催化剂化学气相沉积法合成单壁碳纳米管
在一个大气压下，以二茂铁/二甲苯/硫为前驱体，将金属箔(如镍、铜)放置在石英管的下游收集碳纳米管网络；充入氩气(流量为20sccm)作为载气，维持体系温度在1160℃，将含有二茂铁(0.045g/mL)和硫(0.001g/mL)的二甲苯前驱体溶液以5μL/min的速率注入下游，同时载气换为氩气/氢气混合气(VAr/VH2＝0.85/0.15),气体流量为1500sccm；生长的时间为20分钟；将生长完成的碳纳米管网络薄膜直接从金属箔上剥离，转移到SiO2/Si衬底上。
2)制备水平超定向碳纳米管束阵列，参阅图1。
用步骤1)所得的单壁碳纳米管网络样品，将一片尼龙过滤膜(GE HealthcareLife Sciences公司生产,Whatman滤膜)用乙醇浸湿。将上述浸湿的尼龙膜折叠包裹住剃须刀片的刀刃，将其放置在所要定向的单壁碳纳米管网络上与其接触，将包裹浸湿尼龙膜的刀片平行于衬底沿着某一单向进行拉伸，在拉伸过程中同时施加压力约为500N/cm2，得到水平定向的碳纳米管束阵列。
实施例2
该实施例的制备工艺和实施例1相同，仅拉伸过程中同时施加压力变化约为10N/cm2。
实施例3
该实施例的制备工艺和实施例1相同，仅拉伸过程中同时施加压力变化约为50N/cm2。
实施例4在SiO2/Si衬底上构建碳纳米管交叉网络
(1)该实施例先按照实施例1相同的工艺得到单层的水平定向的碳纳米管束阵列；
(2)在已制备好的水平定向碳纳米管束阵列上旋转涂覆一层PMMA，旋转涂布速度为3000转/分钟，持续时间为1分钟；并将衬底置于120℃热板上加热10分钟，使PMMA凝固，从而在目标衬底上形成PMMA/CNTs层；
(3)将带有PMMA/CNTs的SiO2/Si衬底浸入浓度为1mol/L的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，加热氢氧化钾溶液，保持90℃2小时，使PMMA/CNTs脱离衬底，在溶液表面自由展开；
(4)将漂浮的PMMA/CNTs反复转移到干净的蒸馏水表面，去除残留的氢氧化钾溶液；如此反复多次，以去除PMMA/CNT表面附着的水溶性溶质；
(5)将清洁的PMMA/CNTs层沿着预设定的方向转移到另一个已经形成有定向碳纳米管束阵列的SiO2/Si衬底上，在热板加热SiO2/Si衬底120℃退火30分钟，使PMMA/CNTs层中的碳纳米管层与SiO2/Si衬底上的定向碳纳米管束阵列紧密接触；
(6)浸泡于60℃的丙酮中30分钟，以去除PMMA层，得到双层定向碳纳米管束阵列。制备得到的不同交叉角度的碳纳米管网络的扫描电子显微镜照片如图13a和13b所示。
实施例5
该实施例的制备工艺和实施例1相同，仅将衬底替换为带有宽度为2μm、深度为1μm微沟槽的SiO2/Si衬底。
实施例6
该实施例的制备工艺和实施例5相同，得到悬浮的定向碳纳米管束阵列后，向衬底的微沟槽内滴加乙醇，使多个悬浮的碳纳米管束进一步组装为更宽的碳纳米管束。
对比例1
该对比例的制备过程和实施例1相同，仅不使用挥发性溶剂浸湿尼龙过滤膜。
实施例1得到的水平超定向碳纳米管束阵列的低倍和高倍扫描电子显微镜照片如图2所示。从图2b中可以看出，未定向的碳纳米管网络杂乱随机堆叠，通过本发明的方法定向后，形成高密度的定向排列的碳纳米管束阵列，如图2c所示。
图3a为对比例1中得到的水平超定向碳纳米管束阵列的定向效果示意图，图3a1为图3a对应的低倍扫描电子显微镜照片，图3a2为图3a对应的高倍扫描电子显微镜照片；图3b为实施例1得到的定向效果示意图，图3b1为图3b对应的低倍扫描电子显微镜照片，图3b2为图3b对应的高倍扫描电子显微镜照片。从图中可以看出，有乙醇润湿膜辅助的碳纳米管束排列效果比没有溶剂的效果好得多，因为润湿的尼龙膜充当碳纳米管与衬底之间的缓冲层，既起到较好接触每一根碳纳米管并均匀传递牵引力的作用，又起到定向过程中克服碳纳米管与衬底之间阻力的作用。
图4a为实施例2得到的定向效果的低倍扫描电子显微镜照片，图4a1为图4a对应的高倍扫描电子显微镜照片；图4b为实施例3得到的定向效果的低倍扫描电子显微镜照片，图4b1为图4b对应的高倍扫描电子显微镜照片；图4c为实施例1得到的定向效果的低倍扫描电子显微镜照片，图4c1为图4c对应的高倍扫描电子显微镜照片。从图中可以看出，在定向过程中适当较大的压力可以确保将牵引力有效地传递给每一根碳纳米管，因此定向效果较好。
将实施例1得到的水平超定向碳纳米管束阵列进行各项性质测试。
1、定向排列程度
首先，除了扫描电子显微镜照片，为了进一步证明所得到的碳纳米管束阵列的定向排列程度，采用偏振拉曼光谱(激发波长为514nm)表征随机碳纳米管网络与定向碳纳米管阵列之间的取向差异，如图5所示。图5a为实施例1中的定向前的随机碳纳米管网络在平行偏振模式下拟合的拉曼G模峰强与样品旋转角度θ函数关系的极坐标图，图5b为实施例1定向后的水平超定向碳纳米管束在平行偏振模式下拟合的拉曼G模峰强与样品旋转角度θ函数关系的极坐标图。通过浮动催化剂气相沉积法得到的随机碳纳米管网络，在合成过程中由于收到单向气流的影响，会有轻微的预定向，当偏振方向与气流方向平行时，G模峰强相对较高。相比之下，对于定向后的碳纳米管束阵列，当极化方向平行于阵列方向时，G模峰强最大，这说明了定向排列程度相比随机碳纳米管网络有很大提升，而当极化方向垂直于阵列方向时，G模强度最小，且最小强度接近背景值，表明入射激光与碳纳米管在垂直于定向方向上几乎没有共振。
2、定向准度
为了衡量本发明所制备得到的水平超定向碳纳米管束阵列的局部和平均定向准度，局部角度标准差基于图2c中25μm×22μm区域的定向碳纳米管束阵列统计得出，局部角度标准差为0.03°；平均角度标准差基于从一个0.15mm×4.2mm的区域中随机选取的四个25μm×18μm的不同区域的碳纳米管束阵列统计得出，如图6所示。图6a为实施例1中超定向碳纳米管束阵列的扫描电子显微镜照片，四个随机区域P1、P2、P3、P4用于统计大面积平均对准度；图6b为随机区域P1的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片；图6c为随机区域P2的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片；图6d为随机区域P3的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片；图6e为随机区域P4的超定向碳纳米管束阵列的高倍电子显微镜照片。从图中可以计算出，平均角度标准差为0.13°。该角度标准差表明了本发明所述制备方法得到的水平超定向碳纳米管束阵列具有很高的对准度，优于目前现有的“吹泡法”、缓慢真空渗透法、固态拉伸法、Langmuir-Schaefer方法、DNA模板辅助定向法和限域自定向法(＞1.5°)，图7为本发明制备的水平超定向碳纳米管束阵列的定向准度与上述其他方法的比较。
3、堆积密度
为了确定本发明所制备得到的水平超定向碳纳米管束阵列的堆积密度，采用碳纳米管的光学反射对比度(如图8)计算碳纳米管阵列的密度，ΔR/R(右轴)表示光学反射对比度，左轴为根据ΔR/R计算得到的碳纳米管对齐后的密度。插图中光学图像上位置1的碳纳米管平均堆积密度达到约400/μm。
4、电流承载能力
分别在空气和真空中测量实施例1得到的碳纳米管束的电流承载能力，用于测量电流承载能力的装置的扫描电子显微镜图像如图9c所示，金属电极为Ti(5nm)/Au(100nm)，电极2和电极3之间的碳纳米管束用于测量真空中的电流承载能力，电极3和4之间的碳纳米管束用于测量空气中的电流承载能力，从右侧放大的扫描电子显微镜照片图9d中，确定碳纳米管束的宽度为～25nm，结合该碳纳米束的高度剖面图9a，横截面积可计算出约为90nm2，图9b为电流承载能力结果，真空下电流承载能力可达到约1.8×108A/cm2，与传统的金属触点和其他碳基材料相比，碳纳米管束是具有最大电流承载能力的材料之一，这在接触尺寸缩小方面具有显著优势。
5、表面洁净程度
本发明所制备得到的水平超定向碳纳米管束阵列，在定向过程中具有去除碳纳米管网络上的表面污染的优势，污染如无定形碳和催化剂，从图10可以看出，随机的碳纳米管最初被一层厚厚的非晶鞘包裹，但采用本发明的方法定向后被有效去除，这是由于杂质与碳纳米管的相互作用较弱，当碳纳米管从随机网络中被拉出时，它们逐渐排列并完全接触到衬底，而杂质则停留在随机碳纳米管网络或衬底上。表面清洁也可以从原子力显微镜照片中观察到，见图11，从水平超定向碳纳米管束阵列区域C、准定向区域D和随机网络区域E的原子力显微镜照片可以看出，起始碳纳米管含有高度超过数百纳米的大杂质，定向后，基底上只剩下高度为1～2纳米的干净碳纳米管阵列。
6、无损
本发明的方法在定向碳纳米管后不引入缺陷，从图12的拉曼光谱图可以看出，相比未定向的原始碳纳米管，定向后碳纳米管的径向呼吸特征峰和G模峰强基本保持不变，D模缺陷峰强仍可以忽略不计,表明定向过程无损。
图14a为实施例5中得到的水平超定向碳纳米管束阵列跨越悬浮在微沟槽上的示意图，图14b为图14a对应的扫描电子显微镜照片；从图中可以看出，当衬底上带有微沟槽时，水平超定向碳纳米管束阵列可以不改变高密度定向排列状态，跨越并悬浮在微沟槽上(宽度为2～20μm，深度为1μm)。
图15a为实施例6中组装增宽的水平超定向碳纳米管束的低倍扫描电子显微镜照片；图15b为图15a对应的高倍扫描电子显微镜照片。上述跨越并悬浮在微沟槽上的水平超定向碳纳米管束阵列，可以通过增加尼龙膜上的微量挥发性溶剂的量，进一步组装为更宽的碳纳米管束，最大宽度可以达到510nm，进一步提升水平超定向碳纳米管束阵列的电学性能和力学性能。

Claims (10)

1.一种通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：将单壁碳纳米管网络薄膜转移在目标衬底上；
步骤二：取软膜，用挥发性溶剂浸湿，然后将浸湿后的软膜包裹刚性定向装置，并将软膜包裹后的刚性定向装置与单壁碳纳米管网络薄膜接触；
步骤三：向所述刚性定向装置施加外力，使所述刚性定向装置压紧单壁碳纳米管网络薄膜；再沿着目标方向移动刚性定向装置，使单壁碳纳米管从网络薄膜中拉伸，从而在目标衬底上形成定向碳纳米管束阵列；
所述软膜微观上具有10nm～1μm尺度孔隙，材质与所述挥发性溶剂不互溶，且在挥发性溶剂浸润后具有柔性。
2.根据权利要求1所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，所述刚性定向装置为刚性刀片；所述刚性定向装置与软膜的压紧面沿刚性定向装置移动的方向的宽度为1～100μm。
3.根据权利要求1所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，所述软膜为尼龙过滤膜。
4.根据权利要求1所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，所述挥发性溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇和丙酮中的任意一种或多种。
5.根据权利要求1所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，所述目标衬底为抛光的SiO2/Si、硅片、蓝宝石、玻璃和粗糙的SiO2/Si衬底。
6.根据权利要求5所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，所述目标衬底带有微沟槽，最终得到悬浮的水平超定向碳纳米管束阵列。
7.根据权利要求6所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，通过增加尼龙过滤膜上的挥发性溶剂的量，使得在带有微沟槽的目标衬底上聚集的碳纳米管束的宽度更宽。
8.根据权利要求1所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，所述单壁碳纳米管网络薄膜通过如下任意一种方式得到：
方式一：通过化学气相沉积法
在大气压下，以二茂铁/二甲苯/硫为前驱体，将金属箔放置在石英管的下游收集碳纳米管网络；充入氩气作为载气，流量为10～50sccm，维持体系温度在1050～1160℃，将质量浓度比为45:1的二茂铁和硫组成的二甲苯前驱体溶液以3～10μL/min的速率注入下游，同时载气换为氩气/氢气混合气,气体流量为1000～2000sccm；生长的时间为5～60分钟，碳纳米管网膜厚度可控，根据需要决定生长时间；将生长完成的碳纳米管网络薄膜直接从金属箔上剥离；
方式二：将单壁碳纳米管片段或手性为(6,5)碳纳米管富集的单壁碳纳米管粉末均匀分散在挥发性溶剂中，吸取混合溶液滴加在目标衬底上，待挥发性溶剂挥发后，形成单壁碳纳米管网络薄膜；
方式三：将单壁碳纳米管片段或(6,5)富集单壁碳纳米管粉末均匀分散在氯磺酸中，吸取碳纳米管分散液滴加在平整衬底上，使用另外一片平整衬底均匀按压，便可在两片衬底之间形成厚度均匀的单壁碳纳米管网络薄膜。
9.根据权利要求1所述的通过软锁抽丝制备水平超定向碳纳米管束阵列的方法，其特征在于，
(1)在已制备好的水平定向碳纳米管束阵列上旋转涂覆一层PMMA，并通过加热目标衬底使PMMA凝固，从而在目标衬底上形成PMMA/CNT层；
(2)将带有PMMA/CNT的目标衬底浸入浓度为0.5～2mol/L的氢氧化钾溶液中进行刻蚀，加热氢氧化钾溶液，使PMMA/CNT脱离目标衬底，在溶液表面自由展开；
(3)将漂浮的PMMA/CNT转移到干净的蒸馏水的表面，去除残留的氢氧化钾溶液，如此反复多次，以去除PMMA/CNT表面附着的水溶性溶质；
(4)将清洁的PMMA/CNT层沿着预设定的方向转移到另一个已经形成有定向碳纳米管束阵列的目标衬底上，加热目标衬底，使PMMA/CNT层中的碳纳米管层与目标衬底上的定向碳纳米管束阵列紧密接触；
(5)将步骤(4)得到的样品浸泡于丙酮中，去除PMMA层，得到双层定向碳纳米管束阵列；
(6)依次类推，得到多层定向碳纳米管束阵列。
10.一种由上述任意一个权利要求的方法得到的水平超定向碳纳米管束阵列。
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