CN1214974C - 一种条带型阵列碳纳米管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种条带型三维阵列碳纳米管的制备方法，按以下步骤进行：用由条带组成的图案的掩模，在一洁净的基片上，在真空下蒸镀一层厚度为100-500纳米的金属铝膜，将这种镀有铝膜图案的基片在氨气中用等离子体轰击5-20分钟进行预处理后，放入由石英管和管式电炉组成的反应器，通入氢气和氩气的混和气体，然后将电炉温度升至850-1000℃恒温后，加入酞菁铁，高温裂解5-30分钟后通气冷却即可。本发明所提供的条带状三维碳纳米管阵列规整、结构均匀，制备方法操作简单，成本低廉，适宜于规模化生产，对于构筑像场发射平板显示器、真空微电子源以及新型的功能性微电子器件具有极其重要的应用价值。

Description

一种条带型阵列碳纳米管的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种条带型阵列碳纳米管的制备方法。

背景技术：

阵列碳纳米管的选择性定位和构筑具有特别重要的基础和应用研究价值，尤其是在场发射平板显示器、真空微电子源以及新型功能性纳米器件等应用领域(Fan，S.；Chapline，M.G.；Franklin，N.R.；Tombler，T.W.；Cassell，A.M.；Dai，H.Science 1999，283，512.)。所有这些应用都需要一种特殊的制备方法，通过这种方法制备的碳纳米管阵列或图案具有均一的构型或周期性的排列。设计用于这些应用的早期尝试主要集中在碳纳米管合成后的处理过程。如通过剪切碳纳米管与高分子树脂的复合材料或用陶瓷滤器过滤碳纳米管有乙醇的悬浮液而获得部分阵列的碳纳米管。最近，人们采用先进的刻蚀技术(如光刻、电子束刻蚀等)、微接触印刷以及掩模方法制备二维碳纳米管阵列和图案获得了很大的突破。采用这些技术，可以得到各种图案用以控制碳纳米管阵列的形状。其关键就是，组成这些图案的物质对碳纳米管的生长具有两种不同的作用：促进剂和抑制剂。对于前者，碳纳米管仅仅生长在含有催化剂的图案区域内，而在裸露的衬底表面没有碳纳米管的生长(Ren，Z.F.；Huang，Z.P.；Wang，D.Z.；Wen，J.G.；Xu，J.W.；Wang，J.H.；Calvet，L.E.；Chen，J.；Klemic，J.F.；Reed，M.A.Appl.Phys.Lett.1999，75，1086.)。对于后者，碳纳米管生长在裸露的衬底表面，而在图案区域内的抗蚀剂(掩模)抑制(阻止)碳纳米管的生长。因此，采用目前的方法，碳纳米管仅仅部分地生长在图案区域内或区域外，因而只能构筑二维碳纳米管的阵列或图案(解思深，李文治，中国专利96120461.3，公开号：CN 1165209A)，而三维碳纳米管阵列的制备还未见文献报道和专利申请。

发明内容：

本发明的目的在于通过改变制备方法和工艺路线，将阵列碳纳米管的制备从二维结构拓展到三维结构，并实现三维结构和图案的有效控制。

本发明所制备的一种三维碳纳米管阵列是由直径为20到200纳米，长度为1到100微米的结构均匀、阵列规整的多壁碳纳米管组成，条带状三维结构的宽度为1到50微米，条带区域内的碳纳米管比区域外的长1到4微米。

本发明的一种条带型阵列碳纳米管的制备方法，按以下步骤进行：

第一步，衬底的预处理

用由宽度为1-50微米的条带组成的图案的掩模，在一洁净的基片上，在压力为1×10^-3-1×10^-5帕斯卡的真空下蒸镀一层厚度为100-500纳米，优选为200-250纳米的金属铝膜，将这种镀有铝膜图案的基片在氨气中用等离子体轰击5-20分钟，以加速碳纳米管的生长。所述基片为石英片、单晶硅片。

第二步，三维碳纳米管阵列的制备

将经预处理后的衬底放入由石英管和管式电炉组成的反应器，以每分钟20-200毫升，优选为40-80毫升的流量通入氢气和氩气的混和气体，所述氢气与氩气的体积比为0.25-4，优选为1-2，然后将电炉温度升至850-1000℃，优选为900-950℃恒温后，加入酞菁铁，高温裂解5-30分钟后，关闭电炉，继续通气使之冷却，制备出具有不同宽度和长度的三维碳纳米管阵列。

本发明提供的条带状三维碳纳米管阵列具有下述特征和优点：

1.本发明的三维碳纳米管阵列规整、结构均匀。

2.本发明可以实现三维碳纳米管阵列和图案的可控性生长，即通过在衬底上蒸镀出不同形状和图案的金属薄膜，而获得各种三维阵列碳纳米管的图案。

3.本发明提供的条带状三维碳纳米管阵列具有很高的分辨率，条带状结构的边缘光滑整齐，没有碳纳米管分支出来，其分辨率达到微米级。

4.本发明可以有效地控制碳纳米管的直径和长度。碳纳米管的直径和长度随着反应时间和金属酞菁用量的增加而逐渐增大。

5.本发明提供的三维碳纳米管阵列对于构筑像场发射平板显示器、真空微电子源以及新型的功能性微电子器件具有极其重要的应用价值。

6.本发明制备条带状三维碳纳米管阵列操作简单，成本低廉，适宜于规模化生产。

附图说明：

图1  制备条带状三维碳纳米管阵列的流程示意图。其中：1为石英片，2为掩模，3为铝膜的图案，4为三维碳纳米管阵列，5为金属铝，6为真空镀膜，7为纳米管的生长。

图2  由两个条带状结构组成的三维碳纳米管阵列的扫描电子显微镜照片。

图3  一个宽度为18.6微米的条带状三维碳纳米管阵列的扫描电子显微镜照片。

图4  显示五个不同宽度(由上至下分别为3.0，2.0，9.3，1.3，1.0微米)条带状结构的三维碳纳米管阵列的扫描电子显微镜照片。

实施例：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1  用宽度为18.6微米条带状图案的掩模，在一洁净的石英玻璃基片上(1×2厘米)，真空(压力为10^-3帕斯卡)蒸镀一层厚度为250纳米的金属铝膜(如图1所示)，将这种具有条带状铝膜图案的石英片在氨气中用等离子体轰击10分钟后，放入由石英管和管式电炉组成的反应器中，以每分钟40毫升的流量通入等体积的氢气和氩气的混和气体，然后将电炉温度升至950℃，恒温后，加入0.5克酞菁铁，高温裂解5分钟，关闭电炉，继续通气使之冷至室温(20℃)，取出石英片，在扫描电子显微镜下观察，便可得到如图2所示的条带状结构的三维碳纳米管阵列，条带宽度为18.6微米，条带区域内的碳纳米管比区域外的长1.4微米。

实施例2  按实施例1的制备方法，只是将掩模的条带宽度降低为8.5和6.5微米，制得两个宽度分别为8.5和6.5微米的条带状结构的三维碳纳米管阵列，条带区域内的碳纳米管比区域外的长1.4微米。(如图3所示)

实施例3按实施例1的制备方法，只是将掩模的条带宽度分别变为3.0，2.0，9.3，1.3，和1.0微米，制得宽度分别为3.0，2.0，9.3，1.3，和1.0微米的条带状结构的三维碳纳米管阵列，条带区域内的碳纳米管比区域外的长1.4微米。(如图4所示)

实施例4按实施例1的制备方法，只是将酞菁铁的用量从0.5克增加到1.0克，制得宽度为18.6微米的条带状结构的三维碳纳米管阵列，而条带区域内的碳纳米管比区域外的长3.0微米。

实施例5按实施例1的制备方法，只是将高温裂解时间从5分钟延长到20分钟，制得宽度为18.6微米的条带状结构的三维碳纳米管阵列，而条带区域内的碳纳米管比区域外的长4.1微米。

实施例6  按实施例1的制备方法，只是石英片换为单晶硅片，制得宽度为18.6微米的条带状结构的三维碳纳米管阵列，而条带区域内的碳纳米管比区域外的长1.0微米。

Claims (5)

1.一种条带型阵列碳纳米管的制备方法，按以下步骤进行：

第一步，衬底的预处理

用由宽度为1-50微米的条带组成的图案的掩模，在一洁净的基片上，在压力为1×10^-3-1×10^-5帕斯卡的真空下蒸镀一层厚度为100-500纳米的金属铝膜，将这种镀有铝膜图案的基片在氨气中用等离子体轰击5-20分钟，所述基片为石英片、单晶硅片；

第二步，三维碳纳米管阵列的制备

将经预处理后的衬底放入由石英管和管式电炉组成的反应器，以每分钟20-200毫升的流量通入氢气和氩气的混和气体，所述氢气与氩气的体积比为0.25-4，然后将电炉温度升至850-1000℃恒温后，加入酞菁铁，高温裂解5-30分钟后，关闭电炉，继续通气使之冷却。

2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于：所述金属铝膜的厚度为200-250纳米。

3.根据权利要求1的制备方法，其特征在于：所述混合气体的流量为每分钟40-80毫升。

4.根据权利要求1的制备方法，其特征在于：所述氢气与氩气的体积比为1-2。

5.根据权利要求1的制备方法，其特征在于：所述电炉温度为900-950℃。

Images