CN1767123A - 排列碳纳米管的方法和利用其制备场致发射器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种排列碳纳米管(CNT)的方法和一种利用其制备场致发射器件(FED)的方法。排列CNT的方法包括：制备具有凹纹图案的模；将包含两亲性有机材料和CNT的水溶液涂布在衬底的表面上；将所述模附着于该衬底表面上，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；及从衬底表面除去模，从而在衬底表面上垂直排列CNT。

Description

排列碳纳米管的方法和利用其制备场致发射器件的方法
                          技术领域
本发明涉及一种排列(aligning)碳纳米管(CNT)的方法及一种利用其制备场致发射器件(FED)的方法。
                          背景技术
在FED中，电子从形成在阴极上的发射体中发射出来。近年来，由CNT构成的发射体已经广泛地用在FED中。CNT具有良好的电子发射性质及化学和机械耐久性，并且不断开展对它们的物理性质和可应用性的研究。
通常，利用其中碳纳米管直接生长在衬底上的化学气相沉积(CVD)方法，或者其中使用包含CNT和树脂的糊剂的方法形成碳纳米管发射体。然而，CVD方法需要高温过程，因而，不能应用于玻璃衬底，并且后者的方法不能提供CNT的良好排列。
当形成CNT发射体时，将CNT垂直排列在阴极上是重要的，因为放电电流依据CNT的排列状态变化。
                          发明内容
本发明提供一种利用Langmuir-Blodgett法和在聚二甲基硅氧烷(PDMS)模(mo1d)中产生的毛细力，在衬底上垂直排列碳纳米管(CNT)的方法，其中该Langmuir-Blodgett法是一种将有机材料形成为薄膜的方法，该毛细力用在微接触(micro-contact)印刷中。
本发明还提供一种利用上述排列方法制备场致发射器件(FED)的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种排列CNT的方法，包括：制备具有凹纹图案(intaglio pattern)的模；将包含两亲性有机材料和CNT的水溶液涂布在衬底的表面上；将所述模附着于该衬底表面上，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；及从衬底表面除去模，从而在衬底表面上垂直排列CNT。
该方法还可以包括，在将水溶液涂布在衬底表面上后，排列构成有机材料并连接CNT的有机分子。
该模可以是PDMS模。
模的制备可以包括：利用光刻法形成具有与凹纹图案相匹配的纳米级浮凸图案的母版(master)；将PDMS涂布在该母版上并固化涂布的PDMS；及从母版分离固化的PDMS，从而形成模。该方法还可以包括表面处理模，以便该模具有疏水表面。可以利用CF4等离子体表面处理模。
衬底可以具有亲水表面。衬底可以是玻璃衬底。在该情况下，可以将导电的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂布在衬底表面上。
水溶液可以包括亲水溶剂。CNT可以是两亲性CNT。
水溶液中CNT的侧面可以连接构成有机材料的有机分子的亲水基。该水溶液还可以包括可以热固化的有机材料。
在引起的水溶液在凹纹图案中的流动中，有机分子的疏水基可以连接凹纹图案的内壁。
在垂直排列CNT中，每个CNT的一端可以垂直连接衬底表面。
根据本发明的另一个方面，提供一种排列CNT的方法，包括：制备具有凹纹图案的模；制备包含两亲性有机材料和CNT的水溶液；将所述模浸入该水溶液中，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；将模附着于该衬底表面上；及从衬底表面除去模，从而在衬底表面上垂直排列CNT。
该方法可以包括在制得水溶液后，排列构成有机材料并连接CNT的有机分子。当将模浸入水溶液中时，模可以垂直布置在水溶液的表面上。
根据本发明的再一个方面，提供一种制备场致发射器件(FED)的方法，包括：制备具有凹纹图案的模；将包含两亲性有机材料和两亲性CNT的水溶液涂布在形成于衬底上的阴极表面上；将模附着于阴极表面，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；及从阴极表面除去模，从而在阴极表面垂直排列CNT。
根据本发明的再一个方面，提供一种制备FED的方法，包括：制备具有凹纹图案的模；制备包含两亲性有机材料和两亲性CNT的水溶液；将所述模浸入该水溶液中，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；将模附着于形成在衬底表面上的阴极表面上；及从阴极表面除去模，从而在阴极表面垂直排列CNT。
                          附图说明
通过参考附图详述其示例性实施方案，本发明的上述和其它特点和优点将变得更加显而易见，附图中：
图1至4为图示根据本发明实施方案的一种排列碳纳米管(CNT)的方法的剖视图；
图5为根据本发明实施方案利用制备FED的方法制得的一种场致发射器件(FED)的剖视图；及
图6至9为根据本发明另一实施方案的一种排列CNT的方法的剖视图。
                        具体实施方式
在下文中，将参考下面示例性的实施例更详细地描述本发明。在全部附图中，相同的标号是指相同的元件，为了清楚，放大了元件的尺寸和厚度。
本发明提供一种利用Langmuir-Blodgett法和在聚二甲基硅氧烷(PDMS)模中产生的毛细力，在衬底上垂直排列碳纳米管(CNT)的方法，其中该Langmuir-Blodgett法是一种将有机材料形成为薄膜的方法，该毛细力用在微接触印刷中。
图1至4为图示根据本发明实施方案的一种排列CNT的方法的剖视图。图3为图2所示的部分A的放大图。
参考图1，制得具有纳米级凹纹图案101的PDMS模100。PDMS模100具有疏水表面。PDMS模100为常用于微接触印刷的模。为了制备PDMS模100，将光致抗蚀剂以预定的厚度涂布在衬底如硅片上，并利用光刻法形成图案，从而得到具有纳米级浮凸图案的母版。然后，将软PDMS涂布到该母版上并固化。随后，从母版分离固化的PDMS，留下具有凹纹图案101的PDMS模100，该凹纹图案匹配所述浮凸图案。当利用CF4等离子体等表面处理PDMS模100时，PDMS模100具有疏水表面。
接着，将在亲水溶剂中包含两亲性有机材料和CNT 140的水溶液120涂布到衬底110的表面上。所述两亲性有机材料由具有亲水基130a和疏水基130b的有机分子130组成。包含在水溶液120中的CNT 140可以是具有亲水侧面和疏水末端的两亲性CNT。从而，有机分子130位于水溶液120的表面上，并且水溶液120中的CNT 140的侧面连接有机分子130的亲水基130a。水溶液120还可以包括可热固化的有机材料，以便CNT 140可以容易地连接有机分子130。
衬底110可以是玻璃衬底，并经过表面处理以具有亲水表面。同时，可以将导电的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等涂布在衬底110的表面上，以便衬底110可用于一般的器件中。
接着，排列CNT 140和位于水溶液120的表面上的有机分子130。利用Langmuir-Blodgett法进行有机分子130和CNT 140的排列。即，以与水溶液120的表面平行的方向将压力P施加到有机分子130上，从而将具有连接到其上的CNT 140的有机分子130垂直排列在水溶液120的表面上。
参考图2和3，通过施压使PDMS模100紧密地附着于衬底110的表面上，从而由于毛细力引起水溶液120在凹纹图案101中流动。因为PDMS模100具有疏水表面，所以有机分子130的疏水基130b连接凹纹图案101的内壁。在该过程中，其侧面连接有机分子130的亲水基130a的每个CNT 140的一端连接衬底110的表面。
然后，从衬底110的表面除去PDMS模100，从而在衬底110的表面上垂直排列CNT 140，如图4所示。
如上所述，可以利用Langmuir-Blodgett法和在PDMS模100中产生的毛细力，将CNT 140垂直排列在衬底110上，其中该Langmuir-Blodgett法是一种将有机材料形成为薄膜的方法，该毛细力用在微接触印刷中。
可以利用上述方法制得图5所示的FED 150。即，通过利用在其上形成阴极170的衬底160进行上述方法，可以制得包括垂直排列在阴极170的表面上的CNT发射体180的FED 150。将省略FED 150的制备方法的说明，因为它与上述方法相同。
图6至9图示了根据本发明另一实施方案的一种排列CNT的方法。图7为图6所示的部分B的放大图。
参考图6和7，制得具有纳米级凹纹图案201的PDMS模200。PDMS模200具有疏水表面。将省略PDMS模200的制备方法的详细说明，因为它与制备PDMS模100的方法相同。
接着，在容器250中制备在亲水溶剂中包含两亲性有机材料和CNT 240的水溶液220。该两亲性有机材料由具有亲水基230a和疏水基230b的有机分子230组成。包含在水溶液220中的CNT 240可以是具有亲水侧面和疏水末端的两亲性CNT。从而，有机分子230位于水溶液220的表面，且水溶液220中的CNT 240的侧面连接有机分子230的亲水基230a。水溶液220还可以包括可热固化的有机材料，以便CNT 240可以容易地连接有机分子230。
接着，排列CNT 240和位于水溶液220的表面上的有机分子230。利用Langmuir-Blodgett法进行有机分子230和CNT 240的排列。即，沿与水溶液220的表面平行的方向将压力P施加到有机分子230上，从而将具有连接在其上的CNT 240的有机分子230垂直排列在水溶液220的表面上。
随后，将PDMS模200浸入水溶液220中，以便PDMS模200垂直延伸到水溶液220的表面，从而由于毛细力引起水溶液220流入PDMS模200的凹纹图案201中，如图6所示。因为PDMS模200具有疏水表面，有机分子230的疏水基230b连接凹纹图案201的内壁。
参考图8，当将PDMS模200附着于衬底210的表面时，其侧面连接有机分子230的亲水基230a的每个CNT 240的一端连接衬底210的表面。衬底210可以是玻璃衬底，并且经过表面处理以具有亲水表面。可以将导电PMMA等涂布到衬底210的表面上，以便衬底210可以用在一般器件中。
然后，从衬底210的表面除去PDMS模200，以在衬底210的表面上垂直排列CNT 240，如图9所示。
可以使用上述方法制备图5所示的FED 150。即，通过利用在其上形成阴极170的衬底160进行上述方法，可以制得包括垂直排列在阴极170的表面上的CNT发射体180的FED150。将省略FED 150的制备方法的说明，因为它与上述方法相同。
如上所述，根据本发明，利用Langmuir-Blodgett法和在PDMS模中产生的毛细力，可以将CNT垂直排列在衬底上，其中该Langmuir-Blodgett法是一种将有机材料形成为薄膜的方法，该毛细力用在微接触印刷中。从而，可以制得具有优良的场致发射性质的FED。
尽管已经参考其示例性实施方案具体地说明和描述了本发明，本领域的普通技术人员将会理解其中可以进行各种形式和细节上的变化，而不脱离由所附的权利要求书阐明的本发明的构思和范围。

Claims (44)

1.一种排列碳纳米管的方法，包括：
制备具有凹纹图案的模；
将包含两亲性有机材料和碳纳米管的水溶液涂布在衬底的表面上；
将所述模附着于该衬底表面上，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；及
从衬底表面除去模，从而在衬底表面上垂直排列碳纳米管。
2.根据权利要求1的方法，还包括在将所述水溶液涂布在衬底表面上后，排列构成有机材料并连接碳纳米管的有机分子。
3.根据权利要求1的方法，其中所述模为聚二甲基硅氧烷模。
4.根据权利要求3的方法，其中所述模的制备包括：
利用光刻法，形成具有与凹纹图案相匹配的纳米级浮凸图案的母版；
将聚二甲基硅氧烷涂布在该母版上，并固化涂布的聚二甲基硅氧烷；及
从母版分离固化的聚二甲基硅氧烷，从而形成模。
5.根据权利要求4的方法，还包括表面处理所述模，以便该模具有疏水表面。
6.根据权利要求5的方法，其中所述模利用CF4等离子体进行表面处理。
7.根据权利要求1的方法，其中所述衬底具有亲水表面。
8.根据权利要求7的方法，其中所述衬底为玻璃衬底。
9.根据权利要求8的方法，其中在所述衬底表面上涂布导电的聚甲基丙烯酸甲酯。
10.根据权利要求1的方法，其中所述水溶液包括亲水溶剂。
11.根据权利要求10的方法，其中所述碳纳米管为两亲性碳纳米管。
12.根据权利要求11的方法，其中在所述水溶液中的碳纳米管的侧面连接于构成有机材料的有机分子的亲水基。
13.根据权利要求12的方法，其中所述水溶液还包括可热固化的有机材料。
14.根据权利要求12的方法，其中，在所述引起的水溶液在凹纹图案中的流动中，有机分子的疏水基连接于凹纹图案的内壁。
15.根据权利要求14的方法，其中，在所述垂直排列碳纳米管中，每个碳纳米管的一端垂直连接于该衬底表面上。
16.一种排列碳纳米管的方法，包括：
制备具有凹纹图案的模；
制备包含两亲性有机材料和碳纳米管的水溶液；
将所述模浸入该水溶液中，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；
将模附着于该衬底表面上；及
从衬底表面除去模，从而在衬底表面上垂直排列碳纳米管。
17.根据权利要求16的方法，还包括在制备所述水溶液后，排列构成有机材料并连接碳纳米管的有机分子。
18.根据权利要求16的方法，其中，当将所述模浸入水溶液中时，模垂直布置在水溶液的表面上。
19.根据权利要求16的方法，其中所述模为聚二甲基硅氧烷模。
20.根据权利要求19的方法，其中所述模的制备包括：
利用光刻法，形成具有与凹纹图案相匹配的纳米级浮凸图案的母版；
将聚二甲基硅氧烷涂布在该母版上，并固化涂布的聚二甲基硅氧烷；及
从母版分离固化的聚二甲基硅氧烷，从而形成模。
21.根据权利要求20的方法，还包括表面处理所述模，以便该模具有疏水表面。
22.根据权利要求21的方法，其中所述模利用CF4等离子体进行表面处理。
23.根据权利要求16的方法，其中所述衬底具有亲水表面。
24.根据权利要求23的方法，其中所述碳纳米管为两亲性碳纳米管。
25.根据权利要求24的方法，其中在所述水溶液中的碳纳米管的侧面连接于构成有机材料的有机分子的亲水基。
26.根据权利要求25的方法，其中所述水溶液还包括可热固化的有机材料。
27.根据权利要求25的方法，其中，在所述引起的水溶液在凹纹图案中的流动中，有机分子的疏水基连接于凹纹图案的内壁。
28.根据权利要求16的方法，其中所述衬底具有亲水表面。
29.根据权利要求28的方法，其中所述衬底为玻璃衬底。
30.根据权利要求29的方法，其中在所述衬底表面上涂布导电的聚甲基丙烯酸甲酯。
31.根据权利要求27的方法，其中在所述垂直排列碳纳米管中，每个碳纳米管的一端垂直连接于该衬底表面上。
32.一种制备场致发射器件的方法，包括：
制备具有凹纹图案的模；
将包含两亲性有机材料和两亲性碳纳米管的水溶液涂布在形成于衬底上的阴极表面上；
将模附着于阴极表面，由于毛细力引起水溶液在所述凹纹图案中流动；及
从阴极表面除去模，从而在阴极表面上垂直排列碳纳米管。
33.根据权利要求32的方法，还包括在将所述水溶液涂布在阴极表面上后，排列构成有机材料并连接于碳纳米管的有机分子。
34.根据权利要求32的方法，其中所述模为具有疏水表面的聚二甲基硅氧烷模。
35.根据权利要求32的方法，其中在所述水溶液中的碳纳米管的侧面连接于构成有机材料的有机分子的亲水基。
36.根据权利要求35的方法，其中，在所述引起的水溶液在凹纹图案中的流动中，有机分子的疏水基连接于凹纹图案的内壁。
37.根据权利要求36的方法，其中，在垂直排列碳纳米管中，每个碳纳米管的一端垂直连接于阴极表面。
38.一种制备场致发射器件的方法，包括：
制备具有凹纹图案的模；
制备包含两亲性有机材料和两亲性碳纳米管的水溶液；
将所述模浸入该水溶液中，由于毛细力引起水溶液在凹纹图案中流动；
将模附着于形成在衬底表面上的阴极表面上；及
从阴极表面除去模，从而在阴极表面上垂直排列碳纳米管。
39.根据权利要求38的方法，还包括在制备所述水溶液后，排列构成有机材料并连接碳纳米管的有机分子。
40.根据权利要求38的方法，其中，当将所述模浸入水溶液中时，模垂直布置在水溶液的表面上。
41.根据权利要求38的方法，其中所述模为具有疏水表面的聚二甲基硅氧烷模。
42.根据权利要求38的方法，其中在所述水溶液中的碳纳米管的侧面连接于构成有机材料的有机分子的亲水基。
43.根据权利要求42的方法，其中，在所述引起的水溶液在所述凹纹图案中的流动中，有机分子的疏水基连接于凹纹图案的内壁。
44.根据权利要求43的方法，其中，在垂直排列碳纳米管中，每个碳纳米管的一端垂直连接于衬底表面。
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