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一种碳纳米管阵列结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管阵列结构，其包括一基底、形成于基底上的催化剂层、及在催化剂层上长出的碳纳米管阵列，其特征在于该催化剂层包括多个不同尺寸大小的纳米级催化剂颗粒，且该催化剂颗粒的尺寸大小沿一特定方向递减，该碳纳米管阵列向催化剂颗粒的尺寸递减的方向弯曲。本发明同时还揭露了一种制备上述碳纳米管阵列结构的方法。其步骤包括：(1)在基底的上表面上形成催化剂层，该催化剂层的厚度沿一特定方向递增；(2)在保护气氛下退火，使催化剂层收缩成为纳米级催化剂颗粒；(3)通入碳源气，利用热化学气相沉积在上述催化剂颗粒上生长碳纳米管。

Description

一种碳纳米管阵列结构及其制备方法
【技术领域】
本发明关于一种碳纳米管阵列结构及其制备方法。
【背景技术】
由于碳纳米管独特的电学性质，其在纳米集成电路、单分子器件等领域的应用有着不可估量的前景。目前人们已经能够在实验室里少量制造基于碳纳米管的场效应管、或非门等器件，并研究它的性质。但大规模的制备和具有实际意义的应用则必须求助于由下而上(Bottom Up)的制备工艺。
由下而上的制备工艺要求能够对碳纳米管的生长位置、方向、尺度、甚至碳纳米管的螺旋度进行必要的控制，通过少量而经济的步骤直接生长出所需要的器件结构。范守善等人在Science 283，512-514(1999)，Self-orientedregular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties一文中，以及Z.F.Ren等人在文献Science 282，1105-1107(Nov 6，1998)，Synthesis of largearrays of well-aligned carbon nanotubes on glass一文中均揭露了一种通过催化剂图形(Patterned Catalyst)来控制碳纳米管的生长位置及使其垂直于基底的生长方法。
另外，B.Q.Wei等人在文献Nature 416，495-496(Apr 4，2002)，Organizedassembly of carbon nanotubes一文中揭露了一种可以通过对基底形状的设计来实现碳纳米管在三维基底上生长出垂直于各处表面的生长方向。
Yuegang Zhang等人在Applied Physics Letters，Vol.79，Number 19，Nov 5，2001，Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes一文中揭露了一种通过电场控制碳纳米管的生长方向的方法。
但是上述方法中所获得的碳纳米管阵列的生长方向都是线性方向的，且垂直于基底的，这样也就限制了对纳米器件设计的多样化。
【发明内容】
本发明要解决的一个技术问题是提供一种适用于纳米器件多样化设计的碳纳米管阵列结构。
本发明解决的另一个技术问题是提供一种制造上述碳纳米管阵列结构的方法。
为解决上述技术问题，本发明揭露了一碳纳米管阵列结构，包括一基底、形成于基底上的催化剂层、及在催化剂层上长出的碳纳米管阵列，其中该催化剂层包括多个纳米级催化剂颗粒，这些催化剂颗粒具有不同的尺寸大小，且该尺寸大小沿一特定方向递减，该碳纳米管阵列向催化剂颗粒的尺寸递减的方向弯曲。
本发明还揭露了一种制造上述碳纳米管阵列结构的方法。其步骤包括：
(1)在一基底的表面形成一催化剂层，该催化剂层的厚度沿一特定方向递减；
(2)在气氛保护下退火，使上述催化剂层收缩成为纳米级催化剂颗粒；
(3)通入碳源气，利用热化学气相沉积法在上述催化剂颗粒上生长碳纳米管。
因为碳纳米管的生长速度与催化剂的尺寸大小相关，在一定的尺寸范围内，尺寸较小的催化剂颗粒上碳纳米管的生长速度较慢，较大的催化剂颗粒上的碳纳米管生长速度较快，所以在沉积催化剂图形时，控制薄膜的厚度由一端向另一端逐渐减薄或增厚，则在退火步骤中较薄的一端形成的催化剂颗粒比较小，在生长碳纳米管时速度比较厚一端慢，最后形成整个图形上的碳纳米管阵列向薄端倾斜或弯曲。即控制催化剂薄膜厚度变化的方向，即可控制碳纳米管阵列的生长方向。其中薄膜厚度的调节控制是决定图形上生长的碳纳米管阵列倾斜角度或弯曲形状的主要因素。
此前的现有技术都无法实现对碳纳米管阵列的非线性生长方向的控制，通过本发明方法可以使碳纳米管阵列生长时向特定的方向弯曲，所获得的碳纳米管阵列结构也可以丰富纳米器件的设计多样性。
【附图说明】
图1是本发明中催化剂层沉积过程的示意图。
图2是本发明中退火后基底与催化剂颗粒的示意图。
图3是本发明中碳纳米管阵列结构的示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1，首先提供一基底10，基底10可以选用多孔硅，也可以选择抛光硅片、玻璃、金属等。在该基底10上形成一光阻层11。通过光刻在光阻层11形成预定的图案。在需要生长碳纳米管的图案上沉积数纳米厚的催化剂薄膜13，薄膜13的厚度由一端向另一端逐渐减薄，设计为需要碳纳米管阵列倾斜或弯曲的方向一端比较薄。薄膜13较厚的一端厚度约为5-10nm，较薄的一端厚度约为1-5nm。
催化剂沉积方法可选用热蒸发沉积或电子束蒸发等有方向性的沉积方法配合光刻工艺或带通孔的掩模板完成，或者利用溶液喷涂配合甩膜、光刻等工艺完成。本发明选用铁的直线型蒸发源12来沉积催化剂薄膜13，也可以选用钴、镍或其合金等作为催化剂蒸发源。该直线型蒸发源12置于光阻图案的斜上方，以使沉积得的催化剂层厚度形成一渐变梯度。上述直线型蒸发源12也可以用直线移动的点蒸发源或者直线移动待镀基片来代替。
请配合参阅图2，洗除光阻层11后，将带有催化剂薄膜13的基底10在空气中，300℃下退火，以使催化剂薄膜13氧化、收缩成为纳米级的催化剂颗粒131。薄膜13比较薄的一端形成的催化剂颗粒131比较小，厚端形成的颗粒131比较大。再将其置于反应炉(图未示)中，通入碳源气乙炔，利用热化学气相沉积在上述催化剂颗粒131上生长碳纳米管阵列14(如图3所示)。碳源气也可以选用其他含碳的气体，如乙烯等。控制生长时间则可以控制碳纳米管阵列14的生长长度。
请参阅图3，利用上述方法获得的碳纳米管阵列结构14包括一基底10、形成于基底10上的催化剂层13、及在催化剂层13上长出的碳纳米管阵列14，其中该催化剂层13包括多个不同尺寸大小的纳米级催化剂颗粒131，且该催化剂颗粒131的尺寸大小沿一特定方向递减，该碳纳米管阵列14向催化剂颗粒的尺寸递减的方向弯曲。
上述碳纳米管阵列结构可用于平面显示、纳米电子学、大电流场发射电子枪等器件的阴极制造工艺。

Claims (10)

1.一碳纳米管阵列结构，包括一基底、形成于基底上的催化剂层、及在催化剂层上长出的碳纳米管阵列，其特征在于该催化剂层包括多个不同尺寸大小的纳米级催化剂颗粒，且该催化剂颗粒的尺寸大小沿一特定方向递减，该碳纳米管阵列向催化剂颗粒的尺寸递减的方向弯曲。
2.如权利要求1所述的碳纳米管阵列结构，其特征在于该催化剂层为铁、钴、镍或其合金之一。
3.如权利要求1所述的碳纳米管阵列结构，其特征在于该基底为多孔硅、抛光硅片、玻璃或金属。
4.一种制造碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于其步骤包括：
(1)在基底的表面形成催化剂层，该催化剂层的厚度沿一特定方向递减；
(2)在保护气氛下退火，使催化剂层收缩成为纳米级催化剂颗粒；
(3)通入碳源气，利用热化学气相沉积在上述催化剂颗粒上生长碳纳米管。
5.如权利要求4所述制造碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于该催化剂层的厚度较薄一端的厚度为1-5纳米，较厚一端为5-10纳米。
6.如权利要求4所述制造碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于上述催化剂层通过热蒸发法或电子束蒸发法沉积于基底上。
7.如权利要求6所述制造碳纳米管阵列结构的方法，特征在于沉积催化剂层时，催化剂的蒸发源为直线型蒸发源。
8.如权利要求6所述制造碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于热蒸发法沉积催化剂层时，催化剂的蒸发源为直线移动的点蒸发源或直线移动待镀基片。
9.如权利要求4所述制造碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于该催化剂层为铁，钴，镍或其合金之一。
10.如权利要求4所述制造碳纳米管阵列结构的方法，其特征在于该基底为多孔硅、抛光硅片、玻璃或金属。
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Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7656027B2 (en) * 2003-01-24 2010-02-02 Nanoconduction, Inc. In-chip structures and methods for removing heat from integrated circuits
US7273095B2 (en) 2003-03-11 2007-09-25 United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Nanoengineered thermal materials based on carbon nanotube array composites
US7732918B2 (en) * 2003-08-25 2010-06-08 Nanoconduction, Inc. Vapor chamber heat sink having a carbon nanotube fluid interface
US7538422B2 (en) 2003-08-25 2009-05-26 Nanoconduction Inc. Integrated circuit micro-cooler having multi-layers of tubes of a CNT array
US8048688B2 (en) * 2006-10-24 2011-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and apparatus for evaluation and improvement of mechanical and thermal properties of CNT/CNF arrays
US7477527B2 (en) * 2005-03-21 2009-01-13 Nanoconduction, Inc. Apparatus for attaching a cooling structure to an integrated circuit
US7109581B2 (en) * 2003-08-25 2006-09-19 Nanoconduction, Inc. System and method using self-assembled nano structures in the design and fabrication of an integrated circuit micro-cooler
CN100467367C (zh) * 2004-08-11 2009-03-11 清华大学 碳纳米管阵列结构及其制备方法
CN100376478C (zh) * 2005-04-22 2008-03-26 清华大学 碳纳米管阵列结构的制备装置
CN100467369C (zh) * 2005-05-28 2009-03-11 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 碳纳米管的制备方法
CN100436310C (zh) * 2005-07-13 2008-11-26 清华大学 碳纳米管阵列制作方法
CN100436311C (zh) * 2005-07-22 2008-11-26 清华大学 碳纳米管阵列制作方法
CN100482583C (zh) * 2005-09-09 2009-04-29 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 加工碳纳米管的方法
KR20070046602A (ko) * 2005-10-31 2007-05-03 삼성에스디아이 주식회사 전자 방출 소자, 이를 구비한 전자 방출 디스플레이 장치및 그 제조방법
CN101284661B (zh) * 2007-04-13 2011-03-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 碳纳米管薄片的制备方法
CN101400198B (zh) * 2007-09-28 2010-09-29 北京富纳特创新科技有限公司 面热光源,其制备方法及应用其加热物体的方法
CN101409961B (zh) * 2007-10-10 2010-06-16 清华大学 面热光源,其制备方法及应用其加热物体的方法
CN101409962B (zh) * 2007-10-10 2010-11-10 清华大学 面热光源及其制备方法
CN101458597B (zh) * 2007-12-14 2011-06-08 清华大学 触摸屏、触摸屏的制备方法及使用该触摸屏的显示装置
CN101236872B (zh) * 2008-01-23 2010-06-23 武汉大学 场发射阴极碳纳米管发射阵列的制备方法
US8795772B2 (en) * 2008-01-24 2014-08-05 Nano-Electronic And Photonic Devices And Circuits, Llc Method of forming nano-pads of catalytic metal for growth of single walled carbon nanotubes
US20100122980A1 (en) * 2008-06-13 2010-05-20 Tsinghua University Carbon nanotube heater
US20100000669A1 (en) * 2008-06-13 2010-01-07 Tsinghua University Carbon nanotube heater
US20100126985A1 (en) * 2008-06-13 2010-05-27 Tsinghua University Carbon nanotube heater
CN113072061B (zh) * 2021-03-02 2022-10-14 电子科技大学 锂离子电池正极导电添加剂碳纳米管阵列的制备方法
CN113046719B (zh) * 2021-03-16 2023-04-18 江苏集萃脑机融合智能技术研究所有限公司 确定二维材料生长合金催化剂中金属原子最佳配比的方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6232706B1 (en) * 1998-11-12 2001-05-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Self-oriented bundles of carbon nanotubes and method of making same
US6758957B1 (en) * 2001-04-17 2004-07-06 University Of Central Florida Electrochemical deposition of carbon nanoparticles from organic solutions
CN1286715C (zh) * 2002-12-21 2006-11-29 清华大学 一种碳纳米管阵列结构及其生长方法
US6764874B1 (en) * 2003-01-30 2004-07-20 Motorola, Inc. Method for chemical vapor deposition of single walled carbon nanotubes

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Publication number Publication date
JP4276027B2 (ja) 2009-06-10
US7147831B2 (en) 2006-12-12
US20040191158A1 (en) 2004-09-30
CN1532143A (zh) 2004-09-29
JP2004292302A (ja) 2004-10-21

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