CN1321223C - 顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法 - Google Patents

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Abstract

一种微细加工技术领域的顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法。本发明用不同种刻蚀气体顺次对碳纳米管薄膜进行等离子体表面处理，具体为：先是一次或者多次使用化学反应性气体，对碳纳米管薄膜进行反应离子辅助等离子体处理；然后使用物理作用性气体，对碳纳米管薄膜进行等离子体表面处理。本发明能在完全无序排布的碳纳米管薄膜的基础上，使碳纳米管在薄膜表面的露出高度、密度得到调制，经过处理后的碳纳米管薄膜的表面形貌，露出高度、密度均匀，有很好的垂直取向性。本发明可极大地优化薄膜表面质量，并完全兼容于各种基于微电子加工技术，适于加工实现阵列化设计和批量生产。

Description

顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法
技术领域
本发明涉及的是一种微细加工技术领域的方法，具体的说，是涉及一种顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法。
技术背景
碳纳米管在微纳系统技术、真空电子技术、传感器技术中有着广泛应用。碳纳米管可以覆盖在某种衬底的表面，从而作为特种薄膜材料使用，例如在场致器件中，将其与基体结合，作为薄膜电极，例如场发射冷阴极。碳纳米管薄膜的表面形貌极大地影响着它作为特种薄膜材料的性能，尤其影响着它作为薄膜电极时的电学性能，对碳纳米管薄膜表面形貌的优化包括如下基本问题：一、如何控制碳纳米管在薄膜表面的密度；二、如何控制碳纳米管在薄膜表面的露出高度；三、如何控制碳纳米管在薄膜表面的取向；四、如何控制碳纳米管在薄膜表面的结构。
经对现有技术的文献检索发现，针对以上问题，在碳纳米管薄膜表面形貌的等离子体处理技术领域，Y.W.Zhu等人在Carbon(碳)2005年第43卷，第395-400页上的文章“Effectsof CF4 plasma on thc field emission properties ofaligncd multi-wall carbon nanotubes fihns(CF4等离子体对有序多壁碳纳米管薄膜场发射性能的影响)”。文章使用CF4等离子体对取向生长的碳纳米管薄膜进行处理，发现在某个处理时间范围内，CF4等离子体处理可以优化碳纳米管薄膜的场发射性能，但该技术只是针对取向生长的碳纳米管薄膜有效，因此其应用有很大地限制，尤其对于在场发射显示设备中所常用的基于无序碳纳米管浆料技术的碳纳米管薄膜，单种刻蚀气体成分单次等离子体处理，并不能得到很好垂直取向性的碳纳米管在薄膜表面的分布，也不能改变碳纳米管在薄膜表面的露出高度、密度及其均匀性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，能在完全无序排布的碳纳米管薄膜的基础上，使碳纳米管在薄膜表面的露出高度、密度得到调制，经过处理后的碳纳米管薄膜的表面形貌，露出高度、密度均匀，有很好的垂直取向性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明用不同种刻蚀气体顺次对碳纳米管薄膜进行等离子体表面处理，具体为：先是一次或者多次使用化学反应性气体，即能够与碳纳米管发生化学反应的刻蚀气体，对碳纳米管薄膜进行反应离子辅助等离子体处理；然后使用物理作用性气体，即不能与碳纳米管发生反应而只能进行物理轰击的刻蚀气体，对碳纳米管薄膜进行等离子体表面处理。
所述的刻蚀气体，可以是单一成分的气体，也可以是多种成分气体的组合。
所述的刻蚀气体，其中化学反应性气体，是氧气、氯化物、氟化物中的一种或几种的组合，或者是氧气、氯化物、氟化物中的一种或几种气体与惰性气体的组合。
所述的刻蚀气体，其中物理作用性气体，包括惰性气体中的一种。
所述的用不同种刻蚀气体顺次进行等离子体表面处理，还包括通过调整各种刻蚀气体的处理时间，进一步对碳纳米管薄膜的表面形貌进行控制。例如，用化学反应性气体刻蚀时间越长，碳纳米管露出密度会越低，用物理作用性气体刻蚀的时间越长，碳纳米管露头高度越大。
所述的碳纳米管薄膜，是在衬底材料表面形成的，形成碳纳米管薄膜的方法，是基于无序排列的碳纳米管浆料的涂敷、印刷方法、或刮刀成型方法，或者是基于有序排列的碳纳米管原位生长方法。
本发明提出一种顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，利用不同种气体的等离子体对碳纳米管材料的作用结果不同，利用各种气体等离子体各自的特点，顺次对碳纳米管薄膜进行表面处理，从而利用累积效果在更大范围内、更高水平上控制薄膜表面形貌的核心参数，能在完全无序排布的碳纳米管薄膜的基础上，使碳纳米管在薄膜表面的露出高度、密度得到调制，经过处理后的碳纳米管薄膜的表面形貌的核心参数中，露出高度、密度均匀，有很好的垂直取向性，这一特性尤其可以极大地优化碳纳米管浆料的成膜技术的薄膜表面质量，因为这一技术通常是基于完全无序排列的碳纳米管粉体。
因此，本发明可以克服现有技术中对碳纳米管薄膜表面形貌控制水平的不足，尤其能够提高基于无序排列碳纳米管薄膜技术中，表面形貌控制水平的不足。同时，该技术完全兼容于各种基于微电子加工技术，高精密度微型先进器件的设计制造工艺，适于加工实现阵列化设计和批量生产，因此有着广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明具体实施例所使用的碳纳米管薄膜未经等离子体处理之前的场发射电子显微镜照片。
图2是本发明具体实施例的氧气-氩气顺次等离子体处理碳纳米管薄膜之后，碳纳米管薄膜表面形貌的场发射电子显微镜照片。
具体实施方式
以下结合附图以及技术方案提供实施例：
实施例1
(1)碳纳米管薄膜的制备。所使用的衬底为多层结构，其中，a为玻璃，b为用磁控溅射方法沉积的200纳米厚金属铬，将碳纳米管浆料用350目丝网印刷方法选择性地在金属薄膜b表面成膜，然后在300摄氏度热处理炉中烘烤20分钟并随炉冷却，得到2微米平均厚度的碳纳米管材料薄膜c，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为1∶100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(2)用不同种刻蚀气体顺次进行等离子体表面处理。先用氧气为刻蚀气体，流量为50sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为80mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为90秒。然后用氩气为刻蚀气体，流量为30sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为50mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为60秒。d为经过顺次处理后的碳纳米管薄膜表面。
最终得到的碳纳米管薄膜表面形貌如图2所示。由图2可见，经过顺序加工后的碳纳米管薄膜表面形貌与图1中所示未经加工过的碳纳米管薄膜表面相比，碳纳米管在表面均匀露出，并表现出了较好的垂直取向性，并有较均匀的露出密度、高度分布。
实施例2
(1)碳纳米管薄膜的制备。所使用的衬底为多层结构，其中，a为玻璃，b为用磁控溅射方法沉积的200纳米厚金属铬，将碳纳米管浆料用350目丝网印刷方法选择性地在金属薄膜b表面成膜，然后在300摄氏度热处理炉中烘烤20分钟并随炉冷却，得到2微米平均厚度的碳纳米管材料薄膜c，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为1∶100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(2)用不同种刻蚀气体顺次进行等离子体表面处理。先用三氟甲烷和六氟化硫的混合气体为刻蚀气体，流量分别为5和30sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为80mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为90秒。然后用氩气为刻蚀气体，流量为30sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为80mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为60秒。d为经过顺次处理后的碳纳米管薄膜表面。
最终得到的碳纳米管薄膜表面与未经加工过的碳纳米管薄膜表面相比，碳纳米管在薄膜表面有明显的露头，而且露出高度在几十纳米，具有较均匀的密度分布；并且，与利用氧气-氩气顺次加工的结果相比，其露出高度更低，但密度更大。
实施例3
(1)碳纳米管薄膜的制备。所使用的衬底为多层结构，其中，a为玻璃，b为用磁控溅射方法分别沉积的30纳米和270纳米厚的铬和金多层薄膜，将碳纳米管浆料用简易的刮板成型方法在金属薄膜b表面成膜，所用的刮板是10毫米宽的硅片，然后在350摄氏度热处理炉中烘烤40分钟并随炉冷却，得到10微米平均厚度的碳纳米管材料薄膜c，碳纳米管浆料为多壁碳纳米管和质量比为3∶100的乙基纤维素和松油醇组成的有机溶液混合而成。
(2)用不同种刻蚀气体顺次进行等离子体表面处理。先用氧气为刻蚀气体，流量为50sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为80mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为90秒。然后用氩气为刻蚀气体，流量为300sccm(标准立方厘米/分钟)，工作气压为50mTorr(毫脱)，功率为40瓦特，刻蚀时间为200秒。d为经过顺次处理后的碳纳米管薄膜表面。
最终得到的碳纳米管薄膜表面与未经加工过的碳纳米管薄膜表面相比，碳纳米管在表面均匀露出，表现出了较好的垂直取向性，并有较均匀的露出密度、高度分布。同时，与经过同样刻蚀气体顺次处理，但是氩气处理时间更短的实施例1结果相比，表现出碳纳米管露出密度低、露头高度高的特点。

Claims (6)

1、一种顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，其特征在于，用不同种刻蚀气体顺次对碳纳米管薄膜进行等离子体表面处理，具体为：先是一次或者多次使用化学反应性气体，即能够与碳纳米管发生化学反应的刻蚀气体，对碳纳米管薄膜进行反应离子辅助等离子体处理；然后使用物理作用性气体，即不能与碳纳米管发生反应而只能进行物理轰击的刻蚀气体，对碳纳米管薄膜进行等离子体表面处理。
2、如权利要求1所述的顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的刻蚀气体，是单一成分的气体，或者是多种成分气体的组合。
3、如权利要求1或者2所述的顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的刻蚀气体，其中的化学反应性气体是氧气、氯化物、氟化物中的一种或几种的组合，或者是氧气、氯化物、氟化物中的一种或几种气体与惰性气体的组合。
4、如权利要求1或者2所述的顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的刻蚀气体，其中的物理作用性气体为惰性气体中的一种。
5、如权利要求1所述的顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的用不同种刻蚀气体顺次进行等离子体表面处理，还包括通过调整各种刻蚀气体的处理时间，进一步对碳纳米管薄膜的表面形貌进行控制。
6、如权利要求1或者5所述的顺次多种等离子体处理碳纳米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的碳纳米管薄膜，是在衬底材料表面形成的，形成碳纳米管薄膜的方法，是基于无序排列的碳纳米管浆料的涂敷、印刷方法或刮刀成型方法，或者是基于有序排列的碳纳米管原位生长方法。
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