[发明专利]一种在基片水平方向可控生长碳纳米管束的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在基片水平方向可控生长碳纳米管束的方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷曲而成的无缝、中空的管体，直径在几纳米至几十纳米之间，长度可达数十微米以上。作为独特的一维纳米材料，碳纳米管具有优异的力学性能、出众的电学性能和稳定的化学性能，在量子物理研究、纳电子器件、纳米探针、场发射源、超大电容、高强度复合材料、储氢材料等众多领域表现出广泛的应用前景。在以上众多应用领域中，特别是在纳电子器件领域，能在基片水平方向上生长出有序阵列结构的碳纳米管束是实现碳纳米管实际应用的重要前提。

一直以来，碳纳米管在水平方向上的取向排列都是碳纳米管研究领域的一大难题。目前，实现碳纳米管水平取向排列方法主要有两类：一种是直接实现碳纳米管水平方向上的定向生长；另一种是将生长好的碳纳米管在水平方向上进行后合成排列。对于水平方向上的碳纳米管定向生长，主要是基于化学气相沉积法。现有研究已证明，在化学气相沉积法(CVD)系统中引入电场、磁场可显著促进碳纳米管的水平生长，但在这种方法中仍然会存在其它方向上生长的碳纳米管。此外，在生长过程中控制CVD系统中气流的方向和速率可以直接制备定向排列的碳纳米管，目前这种气流诱导法是在硅衬底上制备超长平行碳纳米管阵列最有效和最普遍的方法，但这种方法不能实现碳纳米管的精确定位生长。采用多孔性物质作为模板基体，用CVD方法直接在基体上生长出具有一定取向的碳纳米管阵列也是目前广泛采用的制备定向生长碳纳米管的方法。但这种方法主要存在以下缺陷：一是水平方向上的通孔模板制备可控性差，尽管目前已能控制模板上的通孔密度，但对于孔径大小和通孔排列仍无法精确控制；二是制备水平方向上的通孔模板非常困难且后期模板处理较为复杂。对生长好的碳纳米管在水平方向上进行后合成排列的方法，主要有机械拉伸法、流体法、电场法、磁场法和Langmuir-Blodgett(LB)法。这些后合成排列法，虽然可预先将催化剂等杂质去除，排列条件温和，而且易制得大范围的、高度取向的碳纳米管束，然而分散碳纳米管束时势必会破坏碳纳米管的结构和引入杂质，而且这些方法也无法精确控制碳纳米管束的位置和尺寸。

综上所述，现有技术无法实现基片水平方向上尺寸、位置精确可控的碳纳米管束，满足不了大部分纳电子器件的需求。

发明内容

针对现有方法的不足, 本发明提供一种在基片水平方向可控生长碳纳米管束的方法实现碳纳米管束在基片上取向、尺寸和位置的精确可控。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种在基片水平方向可控生长碳纳米管束的方法，包括如下步骤：

（1）采用光刻和刻蚀工艺在基片表面加工出水平方向的微纳通道；

（2）采用薄膜沉积工艺和光刻工艺在步骤（1）加工出的微纳通道底部的一端沉积催化膜，并对其进行图形化；

（3）在经步骤（2）沉积催化膜后的微纳通道中沉积满牺牲层；

（4）采用薄膜沉积工艺在步骤（3）沉积的牺牲层上方沉积掩模层，接着在掩模层上刻蚀出与微纳通道连通的通气孔，并除去牺牲层，形成半封闭式微纳通道，所述通气孔位于微纳通道底部另一端的顶部；

（5）采用化学气相沉积工艺在步骤（4）制备的半封闭式微纳通道内生长碳纳米管束；

（6）依次采用研磨、化学机械抛光工艺除去步骤（5）生长的碳纳米管束上方的掩模层和通气孔中碳纳米管，采用刻蚀工艺去除碳纳米管束四周的基片，即在基片水平方向得到与微纳通道尺寸一致的碳纳米管束。

上述方法还包括如下步骤：先将步骤（5）处理后的基片在热固性丙烯酸树脂中浸泡10分钟以上，然后热固化。

所述步骤（1）中的基片的材料为耐高温材料。

所述耐高温材料为硅、石英或氧化铝。

所述步骤（2）中的催化膜从上至下依次包括过渡金属层和三氧化二铝层，所述过渡金属层为Fe层、Co层或Ni层。

所述三氧化二铝层的厚度为6~12纳米，过渡金属层的厚度为1~3纳米。

所述催化膜的宽度与微纳通道宽度相同，长度为微纳通道深度的110%以上。

所述步骤（3）中的牺牲层的材料为二氧化硅、铜或芳香聚酰亚胺。

所述步骤（4）中的掩模层为氮化硅层、二氧化硅层、金层中的一层或由几层构成的复合层。

所述掩模层为由氮化硅层、氧化硅层和金层组成的复合层，所述氮化硅层沉积在氧化硅层上，且氧化硅层沉积在金层上。