CN1990909A - 利用金属－有机化学气相沉积形成碳纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在低于450℃的低温下利用有机－金属蒸发法形成碳纤维的方法。该形成碳纤维的方法包括：在将基底装入反应室中之后，加热该基底并将基底保持在200～450℃的温度下；制备含Ni的有机金属化合物；通过蒸发该有机金属化合物，形成有机金属化合物蒸汽；及通过促进所述反应室中有机金属化合物蒸汽与含臭氧的反应气体之间的化学反应，在基底上形成碳纤维。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用金属-有机化学气相沉积法形成碳纤维的方法，更具体地，本发明涉及在低于450℃的低温下利用金属-有机化学气相沉积法形成碳纤维的方法。
背景技术
自从发现了碳纳米管和碳纤维的优良结构和电特性以来，已经对碳纳米管或碳纤维在场致发射器件(FED)、燃料电池、半导体器件等中的应用开展了大量的研究。具体地，当用作FED的发射极时，碳纤维提供了许多优点如低驱动电压、高亮度和富有竞争力的价格等。形成碳纤维的常规方法包括弧光放电，激光烧蚀(laser ablation)，化学气相沉积(CVD)，及等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)。然而，当利用这些方法形成碳纤维时，需要高于800℃的高温，该高温会不利地影响器件的实现。因此，需要在低温下形成碳纤维的方法。例如，在低温下，可以采用催化剂材料或等离子体方法形成碳纤维。然而，这些方法仍然需要高于600℃的较高的温度。所以，当利用这些方法时，对形成碳纤维的处理温度的降低存在限制。
发明内容
本发明提供一种在低于450℃的低温下利用金属-有机化学气相沉积法形成碳纤维的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种形成碳纤维的方法，其包括：在将基底装入反应室中之后，加热该基底并将基底保持在200～450℃的温度下；制备含Ni的有机金属化合物；通过蒸发该有机金属化合物，形成有机金属化合物蒸气；及通过促进所述反应室中有机金属化合物蒸气和含臭氧的反应气体之间的化学反应，在基底上形成碳纤维。
根据本发明的一个方面，提供一种制备场致发射器件的方法，其包括：制备基底；在该基底上顺序形成阴极，绝缘层，及栅极；通过构图该绝缘层和栅极，形成至少一个暴露阴极的发射极孔(emitter hole)；在包括所述阴极、绝缘层和栅极的堆叠结构的整个表面上涂布光致抗蚀剂；除去涂布于所述发射极孔中这部分阴极上的光致抗蚀剂部分；将基底的温度保持在200～450℃；制备含Ni的有机金属化合物；通过蒸发该有机金属化合物，形成有机金属化合物蒸气；通过促进所述发射极孔中有机金属化合物蒸气与含臭氧的反应气体之间的化学反应，在阴极上的发射极孔中形成碳纤维；及从所述堆叠结构中除去光致抗蚀剂。
所述有机金属化合物可以为选自Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2中的一种物质。有机金属化合物还可以包括作为溶剂的正庚烷。在这种情况下，正庚烷中有机金属化合物的浓度为0.05～0.5M。有机金属化合物的蒸发温度可以保持为140～200℃。臭氧可以150g/m3或以上的流量(flowrate)提供。碳纤维可以垂直生长。基底可以为玻璃基底，蓝宝石基底，塑料基底，及硅基底中的一种。
根据本发明，碳纤维可以在低温过程中生长，即在200～450℃的温度范围内生长。
附图说明
通过参照附图详述其示例性实施方案，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加显而易见，附图中：
图1是根据本发明实施方案形成碳纤维的方法的示意图；
图2A和图2B分别为利用图1的形成碳纤维的方法在基底上生长的碳纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片和剖视图；
图3为图2所示的碳纤维的拉曼光谱；
图4A至图4I为根据本发明实施方案形成碳纤维的方法的剖视图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述本发明，附图中图示了本发明的示例性实施方案。附图中，为了清楚，放大了各层和各区域的厚度。
图1为根据本发明实施方案形成碳纤维的方法的示意图。图2A和图2B分别为利用图1的形成碳纤维的方法在基底上生长的碳纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片和剖视图。图3为图2所示的碳纤维的拉曼光谱。
参照图1，在将基底10装入反应室5中之后，加热该基底10。将基底10保持在200～450℃的温度下，优选保持在350℃。构成基底10的材料不作具体限制。基底10可以为例如玻璃基底，蓝宝石基底，塑料基底，或者硅基底。
制备包括Ni的有机金属化合物。接着，通过蒸发该有机金属化合物，形成有机金属化合物蒸气。有机金属化合物可以为Ni(dmamb)2(1-二甲基氨基-2-甲基-2-丁酸根合镍(Nickel 1-dimethlamino-2-methyl-2-butanolate))。例如，有机金属化合物可以选自Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2。在本发明的实施方案中，正庚烷还可以包括在有机金属化合物中作为溶剂。在这种情况下，正庚烷中的有机金属化合物的浓度保持为0.05～0.5M。有机金属化合物的蒸发温度保持在140～200℃，优选保持在180℃。
接着，通过提供有机金属化合物蒸气和包含臭氧(O3)的反应气体，促进化学反应，以在基底10上生长碳纤维20。臭氧可以150g/m3或以上的流量提供，以保证其与有机金属化合物蒸气充分地进行化学反应。
如图1、图2A和图2B所示，利用上述方法，碳纤维20可以垂直生长在基底10上。通过分析图3的拉曼光谱，可以证实根据上述方法形成的碳纤维20中的G-带和D-带。
根据本发明实施方案，碳纤维20可以在200～450℃的低温范围内生长。在根据本发明实施方案的碳纤维20的制备中，用作源材料的有机金属化合物容易在较低温度即低于450℃的温度下分解，从而能够降低碳纤维生长温度。具体地，因为有机金属化合物包含Ni，而Ni是在低温下生长碳纤维所需的催化剂材料，所以当有机金属化合物分解时，Ni可以充当催化剂，并且与Ni金属结合的配位体物质可以用作碳源。因此，在根据本发明实施方案的形成碳纤维的方法中，通过仅提供有机金属化合物，即可同时提供碳源和Ni催化剂 所以，在本发明实施方案中，可以省略催化剂材料沉积过程，即所述形成碳纤维的方法比常规的2-步法简单，该2-步法包括催化剂材料沉积过程和碳源提供过程。
[实施方案-形成碳纤维]
通过将Ni(C7H17NO)2溶解在正庚烷中，制备0.1～0.2M的Ni(C7H17NO)2溶液，作为源材料(有机金属化合物)。接着，利用CVD方法，通过使臭氧与该源材料反应，生长直径为数十纳米(nm)的碳纤维。
更具体地，基底的温度为250～350℃，在利用蒸发器蒸发之后，向反应室中提供有机-金属源材料。使该蒸发器保持在180℃的温度下，利用喷头(shower head)法将有机-金属源材料提供到基底上。在将有机-金属源材料提供到基底上之后，向反应室中提供臭氧作为反应气体。通过上述过程，随着有机-金属源材料(有机金属化合物)的分解，利用Ni作为催化剂并利用配位体作为碳源，合成碳纤维。碳纤维的生长与所提供的臭氧的量密切相关。换言之，当臭氧流量大于150g/m3时，碳纤维生长良好。在本实验中，生长碳纤维所需的时间约为10分钟，并且使用Si基底。
因为采用这种方法形成的碳纤维是发射极，即它们根据施加于其上的电压发射电子，所以该形成碳纤维的方法可以用于制备场致发射器件。
在下文中，现在将参照附图描述制备场致发射器件的方法。
图4A至4I为根据本发明实施方案形成碳纤维的方法的剖视图。在所述形成碳纤维的方法中，将不再重复上面已经描述的部分。
参照图4A至4C，在制备基底100后，在该基底100上顺序形成阴极102、绝缘层104和栅极106。然后，通过蚀刻/构图绝缘层104和栅极106的预定区域，形成至少一个暴露阴极102的发射极孔200。
构成基底100的材料不作具体限制。基底100可以为例如玻璃基底，蓝宝石基底，塑料基底，或者硅基底。阴极102和栅极106可以由导电材料例如金属如Al、Ag、Cu等，或者导电氧化物如氧化铟锡(ITO)等构成。绝缘层104可以由绝缘材料如SiO2等构成。此外，阴极102、绝缘层104和栅极106均可以利用本领域的技术人员已知的薄膜沉积方法，例如物理气相沉积(PVD)如溅射，热蒸发，或者化学气相沉积(CVD)来形成，因而将省略其描述。
参照图4D，在包括阴极102、绝缘层104和栅极106的堆叠结构的整个表面上涂布光致抗蚀剂108。接着，参照图4E和4F，通过选择性地曝光/显影在阴极102上涂布的这部分光致抗蚀剂108，暴露发射极孔200中的这部分阴极102。在本发明实施方案中，为了除去光致抗蚀剂108，可以顺序进行曝光过程、显影过程和蚀刻过程。
参照图4G，加热基底100并使其保持在200～450℃的温度下，然后向发射极孔200中提供有机金属化合物蒸气和含臭氧的反应气体，以促进两者之间的化学反应。因而，碳纤维120生长在发射极孔200中的阴极102上。碳纤维120还可以形成在光致抗蚀剂108上。生长在光致抗蚀剂108上的碳纤维120可以在随后的过程中与光致抗蚀剂108一起除去。上面已经详述了生长碳纤维120的方法，因此不再重复所述描述。
参照图4H和4I，当蚀刻保留在堆叠结构上的光致抗蚀剂108时，可以实现图4I所示的场致发射显示器(FED)。上述碳纤维生长过程为1步法，并且碳纤维120容易形成在发射极孔200中。所以，通过简单和容易的过程，可以形成FED，从而降低制备成本。
根据本发明，碳纤维可以在低温过程中利用有机-金属化学气相沉积方法生长，在该方法中温度保持在200～450℃。在根据本发明的形成碳纤维的方法中，用作源材料的有机金属化合物在较低的温度下，即在450℃以下的温度下分解，这有利于降低碳纤维生长温度。具体地，因为有机金属化合物包含作为生长碳纤维所需的催化剂的Ni，所以当有机金属化合物分解时，Ni充当催化利，并且与Ni结合的配体物质用作碳源材料。因此，在所述形成碳纤维的方法中，通过仅提供有机金属化合物，同时提供碳源和Ni催化剂。因此，在本发明中，可以省略催化剂材料分解过程，即所述形成碳纤维的方法比包括催化剂材料分解过程和碳源提供过程的常规2-步法简单。
此外，因为采用该方法形成的碳纤维为发射极，即它们根据施加于其上的电压发射电子，所以所述形成碳纤维的方法可以用于制备FED。
尽管已经参照其示例性实施方案具体地给出和说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，可以对其进行各种形式和内容上的变化，而不脱离权利要求书所限定的本发明的构思和范围。
Claims (18)
1.一种形成碳纤维的方法，包括：
在将基底装入反应室中之后，加热该基底并将其保持在200～450℃的温度下；
制备含Ni的有机金属化合物；
通过蒸发该有机金属化合物，形成有机金属化合物蒸气；及
通过促进所述反应室中有机金属化合物蒸气与含臭氧的反应气体之间的化学反应，在基底上形成碳纤维。
2.根据权利要求1的方法，其中所述有机金属化合物为选自下列的物质：Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2。
3.根据权利要求2的方法，其中所述有机金属化合物还包括作为溶剂的正庚烷。
4.根据权利要求3的方法，其中所述有机金属化合物在正庚烷中的浓度保持为0.05～0.5M。
5.根据权利要求4的方法，其中所述有机金属化合物的蒸发温度保持为140～200℃。
6.根据权利要求1的方法，其中臭氧以150g/m3或以上的流量提供。
7.根据权利要求1的方法，其中所述碳纤维垂直生长。
8.根据权利要求1的方法，其中所述基底为玻璃基底，蓝宝石基底，塑料基底，及硅基底中的一种。
9.一种利用权利要求1的方法形成的碳纤维。
10.一种制备场致发射器件的方法，包括：
制备基底；
在该基底上顺序形成阴极，绝缘层，及栅极；
通过构图该绝缘层和栅极，形成至少一个暴露阴极的发射极孔；
在包括所述阴极、绝缘层和栅极的堆叠结构的整个表面上涂布光致抗蚀剂；
除去涂布于所述发射极孔中这部分阴极上的光致抗蚀剂部分；
将基底的温度保持为200～450℃；
制备含Ni的有机金属化合物；
通过蒸发该有机金属化合物，形成有机金属化合物蒸气；
通过促进所述发射极孔中有机金属化合物蒸气与含臭氧的反应气体之间的化学反应，在阴极上的发射极孔中形成碳纤维；及
从所述堆叠结构中除去光致抗蚀剂。
11.根据权利要求10的方法，其中所述有机金属化合物为选自下列的物质：Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2。
12.根据权利要求11的方法，其中所述有机金属化合物还包括作为溶剂的正庚烷。
13.根据权利要求12的方法，其中所述正庚烷中的有机金属化合物的浓度保持为0.05～0.5M。
14.根据权利要求13的方法，其中所述有机金属化合物的蒸发温度保持为140～200℃。
15.根据权利要求10的方法，其中臭氧以150g/m3或以上的流量提供。
16.根据权利要求10的方法，其中所述碳纤维垂直生长。
17.根据权利要求10的方法，其中所述基底为玻璃基底，蓝宝石基底，塑料基底，及硅基底中的一种。
18.一种利用权利要求10的方法形成的场致发射器件。
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