[發(fā)明專利]一種在基片水平方向可控生長碳納米管束的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410792370.3
• 申請日: 2014-12-19
• 公開（公告）號: CN104401936A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉鋒;葉雙莉;劉勝;王國平;蔡華飛
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B82B3/00;B82Y40/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在基片水平方向可控生長碳納米管束的方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷曲而成的無縫、中空的管體，直徑在幾納米至幾十納米之間，長度可達(dá)數(shù)十微米以上。作為獨(dú)特的一維納米材料，碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能、出眾的電學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能，在量子物理研究、納電子器件、納米探針、場發(fā)射源、超大電容、高強(qiáng)度復(fù)合材料、儲氫材料等眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。在以上眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，特別是在納電子器件領(lǐng)域，能在基片水平方向上生長出有序陣列結(jié)構(gòu)的碳納米管束是實(shí)現(xiàn)碳納米管實(shí)際應(yīng)用的重要前提。

一直以來，碳納米管在水平方向上的取向排列都是碳納米管研究領(lǐng)域的一大難題。目前，實(shí)現(xiàn)碳納米管水平取向排列方法主要有兩類：一種是直接實(shí)現(xiàn)碳納米管水平方向上的定向生長；另一種是將生長好的碳納米管在水平方向上進(jìn)行后合成排列。對于水平方向上的碳納米管定向生長，主要是基于化學(xué)氣相沉積法。現(xiàn)有研究已證明，在化學(xué)氣相沉積法(CVD)系統(tǒng)中引入電場、磁場可顯著促進(jìn)碳納米管的水平生長，但在這種方法中仍然會存在其它方向上生長的碳納米管。此外，在生長過程中控制CVD系統(tǒng)中氣流的方向和速率可以直接制備定向排列的碳納米管，目前這種氣流誘導(dǎo)法是在硅襯底上制備超長平行碳納米管陣列最有效和最普遍的方法，但這種方法不能實(shí)現(xiàn)碳納米管的精確定位生長。采用多孔性物質(zhì)作為模板基體，用CVD方法直接在基體上生長出具有一定取向的碳納米管陣列也是目前廣泛采用的制備定向生長碳納米管的方法。但這種方法主要存在以下缺陷：一是水平方向上的通孔模板制備可控性差，盡管目前已能控制模板上的通孔密度，但對于孔徑大小和通孔排列仍無法精確控制；二是制備水平方向上的通孔模板非常困難且后期模板處理較為復(fù)雜。對生長好的碳納米管在水平方向上進(jìn)行后合成排列的方法，主要有機(jī)械拉伸法、流體法、電場法、磁場法和Langmuir-Blodgett(LB)法。這些后合成排列法，雖然可預(yù)先將催化劑等雜質(zhì)去除，排列條件溫和，而且易制得大范圍的、高度取向的碳納米管束，然而分散碳納米管束時勢必會破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)和引入雜質(zhì)，而且這些方法也無法精確控制碳納米管束的位置和尺寸。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)基片水平方向上尺寸、位置精確可控的碳納米管束，滿足不了大部分納電子器件的需求。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有方法的不足,?本發(fā)明提供一種在基片水平方向可控生長碳納米管束的方法，實(shí)現(xiàn)碳納米管束在基片上取向、尺寸、位置精確可控。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種在基片水平方向可控生長碳納米管束的方法，包括如下步驟：

（1）采用光刻和刻蝕工藝在第一片基片表面加工出水平方向的微納通道；

（2）采用薄膜沉積工藝和光刻工藝在步驟（1）加工出的微納通道底部的一端沉積催化膜，并對其圖形化；

（3）采用鍵合工藝將第二片基片覆蓋在經(jīng)過步驟（2）沉積催化膜后的微納通道上方，形成封閉式微納通道；

（4）減薄第二片基片并在其上刻蝕出與微納通道相連的通氣孔，通氣孔位于微納通道另一端頂部，形成半封閉式微納通道；

（5）采用化學(xué)氣相沉積工藝在步驟（4）制備的半封閉式微納通道內(nèi)生長碳納米管束；

（6）依次采用研磨、化學(xué)機(jī)械拋光工藝除去第二片基片和通氣孔中的碳納米管，采用刻蝕工藝去除碳納米管束四周的基片，即在第一片基片水平方向得到與微納通道尺寸一致的碳納米管束。

上述方法還包括如下步驟：先將步驟（5）處理后的基片在熱固性丙烯酸樹脂中浸泡10分鐘以上，然后熱固化。

所述步驟（1）中的第一片基片的材料為耐高溫材料；所述步驟（3）中的第二片基片的材料為耐高溫材料。

所述耐高溫材料為硅、石英或氧化鋁。

所述步驟（2）中的催化膜從上至下依次包括過渡金屬層和三氧化二鋁層。

所述過渡金屬層為Fe層、Co層或Ni層。

所述三氧化二鋁層的厚度為6~12納米，過渡金屬層的厚度為1~3納米。

所述催化膜的寬度與微納通道寬度相同，長度為微納通道深度的110%以上。

所述步驟（3）中的鍵合工藝的溫度為600-800℃。

所述第二片基片減薄后的厚度小于10微米。

所述步驟（4）中的通氣孔的寬度與微納通道寬度相同，長度大于微納通道的寬度且小于微納通道的長度的三分之二。