CN1434480A - 电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子器件，该器件具有由易于与碳反应的金属制造的电极。在该电子器件中，其上通过利用含碳和氧的反应气体的化学气相沉积方法沉积碳纳米管的电极由这样的金属制造，该金属在与碳反应时比在与氧反应时产生更少的反应焓。因为电极由一种与碳反应快过与氧反应的金属制造，所以在电极上形成碳化金属层，从而防止电极氧化。因此，碳纳米管易于沉积在电极上。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件，更具体地，涉及一种具有一种电极的电子器件，该电极适于通过化学气相沉积法在其上沉积碳纳米管。
背景技术
碳纳米管因其奇特的结构和电性能而应用于各种类型的电子器件。例如，它们可用于电子发射器、储氢物质、二次电池的阴极材料、催化剂和传感器等领域。此外，正在研发碳纳米管的其它应用。
在利用碳纳米管制造电子器件时，采用以粉末或浆料的形式利用碳纳米管的方法，或者采用利用化学气相沉积直接在基底上沉积碳纳米管的方法。
在利用碳纳米管粉末或浆料制造电子器件的方法中，对碳纳米管进行激光烧蚀或电弧放电，以获得碳纳米管粉末，将该碳纳米管粉末与导电或非导电浆料进行混合，然后进行印刷。
在诸如选择性沉积或排列的性能方面，采用浆料的方法不及使用化学气相沉积的方法。因此，可以预见，采用化学气相沉积的方法将广泛用于制造电子器件。
代表性的化学气相沉积方法是热化学气相沉积方法和等离子体化学气相沉积方法。在低温合成碳纳米管方面，等离子体化学气相沉积法优于电场放电法或激光沉积法。热化学气相沉积法在大面积合成碳纳米管和大量合成碳纳米管方面有优势。
在以上化学气相沉积方法中，甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)或一氧化碳(CO)用作碳纳米管沉积的反应气体。此反应气体与诸如氢气(H2)或氨气(NH3)的蚀刻气体混合。
当甲烷在利用高能等离子体的情形中用作反应气体时，可以形成高质量的碳纳米管。当乙炔用作反应气体时，碳纳米管可在低温下沉积。
一氧化碳使碳纳米管中的氢杂质含量降低，使得可以在低温下沉积高质量的碳纳米管。然而，一氧化碳优于碳纳米管制造过程中产生的氧原子或基团以与金属或其它碳分子化学反应，从而氧化该金属或产生诸如二氧化碳的产物。金属的由一氧化碳氧化的表面其电导率降低，从而影响电子器件的准确运行。
也即，当诸如一氧化碳、二氧化碳(CO2)、甲醇(CH3OH)、或乙醇(C2H5OH)等的含氧气体用作传统化学气相沉积装置中的反应气体时，该反应气体与金属形成的电极反应，并将其氧化，从而减小电极的电导率。因此，电子器件的性能降低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种电子器件，该器件包括一电极，其中，在利用化学气相沉积方法在该电极上沉积碳纳米管时，该电极的电导率保持恒定，且在该电极上形成高质量的碳纳米管。
为了实现本发明的以上目的，一方面，提供一种电子器件，该器件包括一电极，在该电极上通过利用含碳和氧的反应气体的化学气相沉积方法沉积碳纳米管。该电极由一种金属制成，该金属在与碳反应时比在与氧反应时产生更少的反应焓。
优选地，该金属是Ti或Mo中的一种。
优选地，该金属与碳反应，形成碳化金属。
反应气体是一氧化碳、二氧化碳、甲醇和乙醇中的一种。
另一方面，提供一种电子器件，该器件包括一电极，在该电极上通过化学气相沉积方法沉积碳纳米管，该电极具有形成在其表面上的碳化金属层。该碳化金属层防止电极氧化。
优选地，该金属是Ti或Mo中的一种。
因为本发明使用了一种在与碳反应时比在与氧反应时产生更少的反应焓的金属作为电极，所以在含碳和氧的反应气体注入化学气相沉积装置时，该电极的金属与碳的反应先于与氧的反应，在电极表面形成碳化金属层。由于该碳化金属层，氧不能渗入该电极。因此，防止了电极氧化，从而维持电极的电导率恒定，并增加了碳纳米管的产率。
附图说明
通过参照附图对其优选实施例进行的详细说明，本发明的以上目的和优点将变得更清晰。附图中：
图1是具有根据本发明一实施例的电极的电子器件的示意图；
图2是一示意图，说明利用等离子体化学气相沉积制造具有根据本发明该实施例的电极的电子器件的方法；
图3是一示意图，说明利用热化学气相沉积制造具有根据本发明该实施例的电极的电子器件的方法；
图4是铬电极处于碳纳米管沉积条件下后，原子浓度随溅射时间变化的曲线图；
图5A是铝电极处于碳纳米管沉积条件下后，原子浓度随溅射时间变化的曲线图；
图5B是铝电极处于碳纳米管沉积条件下后，计数/秒(C/S)对结合能的曲线图；以及
图6是钼电极处于碳纳米管沉积条件下后，原子浓度随溅射时间变化的曲线图。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明具有根据本发明实施例的电极的电子器件。
图1是具有根据本发明实施例的电极的电子器件的示意图。参照图1，绝缘层3沉积在基底1上，在绝缘层3的表面的两侧，呈箔片形式的两个金属电极5设置成彼此间隔一预定距离，且碳纳米管层7连接两个金属电极5。
如果硅不掺杂，则该结构是最简单的电流-电压(I-V)器件，当硅掺以P型或N型杂质时，该结构为场效应晶体管(FET)。
电子器件的金属电极5由诸如钛(Ti)或钼(Mo)的金属制造。该金属在与碳反应时产生比与氧反应时少的反应焓，因此该金属以比氧更高的速度与碳反应。
图2是一示意图，说明利用等离子体化学气相沉积制造具有根据本发明实施例的电极的电子器件的方法。参照图2，在等离子体化学气相沉积装置中，提供一上电极14和一下电极12，在该下电极12上放置其上形成有催化金属层的衬底11。位于下电极12下方的热阻加热器(thermal resistanceheater)13向衬底11供给热。细丝15设置在上电极14和下电极12之间，提供分解反应气体或合成碳纳米管所需的能量。电动机19旋转其上设置有衬底11的下电极12。
电子器件的待制造的金属电极16位于衬底11上的催化金属层表面上。金属电极16由一种金属制造，该金属在与碳反应时比在与氧反应时产生更多的反应焓。此处，待制造的电子器件可以在衬底11和金属电极16之间具有带不同功能的另外的层，例如绝缘层。
RF(射频)电源17连至上电极14和下电极12以提供电能。在上电极14中心连接用于注入反应气体的管道，使得诸如一氧化碳、甲烷、乙炔或氢气的反应气体得以供给至反应室10。
当诸如氨气或氢气的蚀刻气体注入到反应室10内后，在不大于约660EC的温度下，在维持一预定压力的状态下提供RF电源时，衬底11上金属电极16的表面被蚀刻气体产生的等离子体蚀刻，从而在金属电极16表面上形成呈细晶粒形式的催化微粒。碳纳米管合成而垂直排列在该催化微粒上。
玻璃、石英、硅或氧化铝(Al2O3)衬底可用作衬底11。
电子器件的金属电极16可用诸如Ti、Mo或铁(Fe)的金属制造，该金属以比与氧反应更高的速度与碳反应，因为它在与碳反应时比在与氧反应时产生更少的反应焓。
方程式(1)是显示在金属与一氧化碳反应时产生碳化金属的化学反应方程式。方程式(2)是形成氧化金属的化学反应方程式。
在Ti的情形中，TiO的结合能为672.4kJ/mol，TiC的结合能为423kJ/mol，相应于方程式(1)的反应焓为-1307.1kJ，且相应于方程式(2)的反应焓为-808.2kJ，因此表明，相应于方程式(1)的反应比相应于方程式(2)的反应更占优势。
在Mo的情形中，MoO的结合能为560.2kJ/mol，MoC的结合能为481kJ/mol，相应于方程式(1)的反应焓为-1191kJ，且相应于方程式(2)的反应焓为-1032kJ，因此表明，相应于方程式(1)的反应比相应于方程式(2)的反应更占优势。
然而，在Cr的情形中，虽然CrO的结合能为429.3kJ/mol，但CrC的结合能远比429.3kJ/mol高，因此，相应于方程式(2)的反应比相应于方程式(1)的反应更占优势。
因此，当诸如一氧化碳、二氧化碳、甲醇或乙醇的含氧气体用作反应气体时，在金属表面上形成诸如碳化钛、碳化钼或碳化铁的碳化金属，从而防止金属接触氧气。
内能降低，导致化学反应为放热型时的负的反应焓；内能增加，导致化学反应为吸热型时的正的反应焓。在本发明中，碳与金属之间的化学反应和氧与金属之间的化学反应为放热反应，且碳与金属之间的化学反应中内能的降低比氧与金属之间的化学反应中内能的降低更大，因此碳与金属之间的化学反应中的反应焓小于氧与金属之间化学反应中的反应焓。也即，在通过碳与金属之间的反应生成碳化金属时比在通过氧与金属之间的反应生成氧化金属时产生更多的热量。因此，表明碳化金属比氧化金属更稳定。
具有根据本发明实施例的由金属制造的电极的电子器件可通过热化学气相沉积方法制造。
参照图3，具有电极110的衬底130设置在热化学气相沉积装置的舟皿310上，该衬底在一条线上彼此分开一预定间隔，且舟皿310位于反应炉315内。其后，反应炉315的温度升高至处理温度，且蚀刻气体和反应气体注入反应炉315，以在电极110上沉积碳纳米管。
对衬底130、电极110和反应气体的描述与等离子体化学气相沉积方法的相同，因而忽略。
根据本发明，当诸如晶体管或场发射显示器(FED)的电子器件通过热化学气相沉积方法或等离子体化学气相沉积方法制造时，电极16或110由诸如Ti、Mo或Fe的与碳反应比与氧反应更快的金属制造，因此在电极16或110上形成碳化金属层。因此，在形成碳纳米管的过程中防止了电极16或110氧化。因为电导率保持恒定，所以电子器件易于制造。因此，可以制造具有良好性能的电子器件。
图4是一呈俄歇电子谱形式的曲线图，显示了原子浓度(％)相对于铬(Cr)电极的变化，该电极经历了利用一氧化碳和氢气的混合气体作为反应气体的碳纳米管制造。
参照图4，随着溅射时间过去了1500秒，Cr原子浓度增加，而氧(O)原子浓度降低。碳(C)原子浓度基本恒定。
因为铬原子先于碳而与氧反应，使得形成氧化铬(CrOx)，所以Cr原子浓度在自表面至一定深度较小，但随着深度进一步深入到铬电极内部，其浓度上升。相反，与铬亲和的氧在铬电极表面吸附较多，因此，O原子浓度在自表面到一预定深度较高，而随着深度进一步深入到铬电极内部，其浓度降低。碳几乎不与铬反应，因此，C原子浓度几乎保持恒定。
由该曲线图可看出，铬与氧比与碳更亲和，因此表明铬不适合作电极。
图5A是一呈X射线光电子谱形式的曲线图，显示了原子浓度相对于铝(Al)电极的变化，该电极已经经历了利用一氧化碳和氢气的混合气体作为反应气体的碳纳米管制造。
参照图5A，随着离开铝电极表面的深度逐渐深入，Al原子浓度增加，而O原子浓度降低。
铝与氧或氢反应，从而产生氧化铝(Al2O3)或氢化铝(AlHx，例如AlH3)。参照图5，随着离开铝电极表面的深度逐渐深入，形成了更多的氢化铝。也即，仅图5A显示的结果表明，铝主要与氧反应而在电极表面形成氧化铝；然而由图5B显示的曲线图进一步表明，氢化铝比氧化铝更容易形成。然而，氢化铝具有低熔点，因此铝不适合作电极。
图6是一呈X射线光电子谱的曲线图，示出了原子浓度相对于钼(Mo)电极的变化，该电极包括在根据本发明实施例的电子器件中，并且已经经历了利用一氧化碳和氢气的混合气体作为反应气体的碳纳米管制造。
如图6所示，随着蚀刻过程的进行，C原子浓度减小，而Mo原子浓度增加，且O原子浓度保持基本恒定。这是因为碳化钼层仅仅形成在电极表面上，且金属特性在电极中得以保持。由此曲线图可看出，钼适宜作为根据本发明实施例的电子器件中使用的电极。
下表显示了不同金属的电导率变化。单位为Ωcm-1。
| 金属 | Cr | Mo | Ti | Ni | Al |
| 反应前 | 0.2 | 0.4 | 0.3 | 0.4 | 0.2 |
| 反应后 | ＞10-6 | 1.2 | 1.0 | 15.7 | 0.6 |
虽然铬的电导率在经历了化学气相沉积装置中的反应后大为降低，但是其它金属的电导率几乎没变化。由上表可看出，当电极由铬以外的四种金属中的一种制造时，电能可恒定供给。然而，铝在呈氢化铝的形式时会升华，所以不适宜作电极。
根据本发明的实施例，在形成碳纳米管的过程中使用含碳和氧的反应气体的情形下，电子器件具有由一种金属制造的电极，该金属与碳反应的速度高于与氧反应的速度，因为当其与碳反应时比与氧反应时产生更少的反应焓，使得碳化金属层形成在电极表面上，防止了氧化。因此，碳纳米管可以在一种状态下在电子器件上生长，在该状态中，电极的电导率保持恒定，从而提高了电子器件的性能。
如上所述，根据本发明，电子器件具有由一种金属制造的电极，该金属与碳反应比与氧反应更快，使得在电极上形成碳化金属层，从而防止了电极氧化。结果，电极的电导率保持恒定，从而使得碳纳米管能通过各种方法形成，并提高了电子器件的整体性能。
Claims (6)
1.一种电子器件，该器件包括一电极，在该电极上通过利用含碳和氧的反应气体的化学气相沉积方法沉积碳纳米管，该电极由一种金属制成，该金属在与碳反应时比在与氧反应时产生更少的反应焓。
2.如权利要求1所述的电子器件，其中，该金属是Ti和Mo中的一种。
3.如权利要求2所述的电子器件，其中，该金属与碳反应，形成碳化金属。
4.如权利要求1所述的电子器件，其中，反应气体是选自以下组的一种，该组包括：一氧化碳、二氧化碳、甲醇和乙醇。
5.一种电子器件，该器件包括一电极，在该电极上通过化学气相沉积方法沉积碳纳米管，该电极具有形成在其表面上的碳化金属层，该碳化金属层防止电极氧化。
6.如权利要求5所述的电子器件，其中，该金属是Ti和Mo中的一种。
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