[發明專利]碳納米管/硅巢狀陣列的制備方法

無效

• 申請號: 200710054981.8
• 申請日: 2007-08-16
• 公開（公告）號: CN101148247A
• 公開（公告）日: 2008-03-26
• 發明（設計）人: 李新建;姜衛粉
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;H01J9/02;H01L49/00;H01L21/00;H01L21/306
• 代理公司: 鄭州科維專利代理有限公司
• 代理人: 張鳳姣;蔡淑媛

技術領域：

本發明屬于納米功能材料制備的技術領域，涉及一種具有規則的陣列結構、好的場發射性能和濕敏性能的納米復合結構的原位化學氣相沉積技術的碳納米管/硅巢狀陣列的制備方法。

背景技術：

碳納米管因具有小的頂端曲率半徑、低的逸出功、高的長徑比及好的導電、導熱性能等適用于制備場發射冷陰極的優點而被認為最有希望成為下一代大面積平板顯示的理想材料。一般而言，由于電場屏蔽效應的存在，平面型碳納米管膜用于場發射平板顯示并非最佳的選擇，而改善上述問題的一種可能的選擇是制備具有圖案化結構的碳納米管薄膜。目前較為普遍的制膜方法有兩種：一是首先制備碳納米管粉末，然后采用絲網印刷技術制成碳納米管薄膜；二是先將金屬催化劑在襯底上制成圖案化結構，然后采用化學氣相沉積等技術在襯底上原位生長碳納米管。前者有利于制作大面積器件，但存在發射電流密度低、發射點不均勻、發射不穩定等缺點；后者在制備小面積器件方面具有場發射特性好、重復率高等優點，但存在微加工工藝復雜、大面積制作困難等缺點。因此，如果采用一種兼具功能和模板作用的襯底，通過碳納米管的原位生長實現納米復合進而獲得好的場發射性能，這將對開發具有實際應用價值的碳納米管基場發射冷陰極具有重要的意義。

與此同時，碳納米管具有大的比表面積和良好的化學穩定性，顯現出一定的濕度和氣體敏感性能，近年來作為傳感材料也得到了廣泛的重視和研究。但碳納米管基的濕敏元件往往表現出器件響應(靈敏度)較低、響應時間較長、響應信號隨濕度呈現非線性變化等缺點。若能通過選擇合適的、具有圖案化結構并具有特定功能的材料作襯底，有可能在通過進一步增大感應面積提高器件響應的同時，利用圖案化結構產生的有效氣體傳輸通道縮短響應時間，從而為開發可實用化的碳納米管基濕度傳感器提供一種新的途徑。

發明內容：

為了解決碳納米管薄膜場發射冷陰極因電場屏蔽效應帶來的開啟場強相對較大、發射電流密度相對較小；碳納米管基濕敏傳感器靈敏度較低、響應時間較長和響應非線性等不足，本發明提供了一種結構形貌獨特、微結構適度可調，同時具有好的場發射及濕敏性能的碳納米管/硅巢狀陣列的制備方法。

本發明的技術方案是以下述方式實現的：

一種碳納米管/硅巢狀陣列的制備方法，包括以下步驟：將電阻率小于3.0Ω·cm的P型單晶硅片置入高壓釜，填充由濃度介于8.00～22.00mol/l的氫氟酸(HF)和0.01～0.50mol/l的硝酸鐵(Fe(NO₃)₃)溶液組成的腐蝕液，高壓釜的溶液體積填充度為40～95％，在溫度50～200℃下腐蝕10分鐘～36小時，制備出襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA)；其特征在于：將襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA)置入管式爐內，在保護氣體氣氛下升溫至500～1200℃，隨載氣送入溶有金屬有機鹽的碳源溶液，原位1～60分鐘生長碳納米管，反應結束后氣體保護下將爐子降至室溫即得到具有場發射和濕度敏感性能的碳納米管/硅巢狀陣列。

所述的保護氣體為氮氣、氬氣或其他惰性氣體。

所述的載氣為比例可調的保護氣體和氫氣的混和物，其體積比為：

保護氣體∶氫氣＝7∶3——3∶7。

所述的碳源為乙醇、苯、二甲苯或乙二胺。

所述的金屬有機鹽濃度為0.03～0.5mol/L，金屬有機鹽為二茂鐵、二茂鈷或/和二茂鎳。

由于碳納米管巢狀陣列結構在一定程度上削弱了由電場屏蔽效應帶來的負面影響，同時，微米尺寸的硅柱和納米尺寸的碳管形成了多級發射結構，因此碳納米管/硅巢狀陣列的場發射性能：開啟場強0.56V/μm，外加場強為3.1V/μm時電流密度可達6.8mA/cm²。

由于具有準周期性巢陣列結構，能夠有效增大感應面積，同時巢間成為有效的氣體進出通道，因此，碳納米管/硅巢狀陣列具有好的濕敏性能：測試頻率為100Hz時，器件響應達2600％，響應時間為20s，恢復時間為10s。

本發明制備的碳納米管/硅巢狀陣列與現有的生長在平面或多孔，如多孔硅，陽極氧化鋁襯底上的碳納米管薄膜相比具有以下優點：