[发明专利]一种高密度水平定向碳纳米管的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米材料制备技术领域，具体涉及一种高密度水平定向碳纳米管的制备方法及其应用。

背景技术

碳纳米管由于其具有与众不同的结构，优异的电学、力学、光学等性能以及可靠的化学稳定性，在碳纳米材料研究领域受到了广泛的关注。

随着硅基器件的最小尺寸已接近理论值，又加上半导体器件中存在量子效应、散热和短沟效应等不易解决的问题，硅基器件的性能会随着尺寸的不断减小而迅速下降乃至出现失效；而碳纳米管因其特殊的结构与具有纳米级的尺寸可以使纳米器件的尺寸在目前的基础上继续减小。从现已有的报道的结果能够看到，采用碳纳米管作为半导体导电材料而搭建的场效应晶体管从最大的载流能力（10⁹ A cm^-2），器件的开关比（10⁶）以及载流子迁移率（> 10⁵ cm² V^-1 s^-1）等方面较硅基器件都有明显的性能提升。但由于碳纳米管存在金属型与半导体型混合，定向排布与生长密度难以控制，以及宏观尺寸的碳纳米管制备困难等问题，最终无法制备大面积高密度均匀定向的碳纳米管阵列，降低了器件性能的均一性与稳定性，从而限制了其在大规模集成化纳米器件方面的应用。

目前公开了一些提高水平定向碳纳米管的方法，比如利用多次生长，转移催化剂以及分时段多次循环生长等手段提高水平阵列密度，然而这些方法工艺复杂，所得单壁碳纳米管易被污染。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种高密度水平定向碳纳米管的制备方法及其应用，以有效提高基于碳纳米管的场效应晶体管的载流能力，提高器件的均匀性与稳定性。

技术方案：为实现上述目的，本发明所述高密度水平定向碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：

将催化剂采用浸渍提拉方法涂覆于硅片衬底表面；

将处理后的硅片衬底放置于真空管式炉的石英管内；

将炉温升高并通入气源，催化剂在硅片衬底表面进行恒温反应；

自然冷却到室温，硅片衬底上生长的物质为所述高密度水平定向碳纳米管。

进一步完善上述技术方案，所述催化剂为氯化铁溶液、溶剂为乙醇，氯化铁溶液的浓度为3×10^-5 mol/ L~ 3×10^-2 mol/ L。

进一步地，所述硅片衬底为具有氧化层的单面抛光片，其中硅片氧化层的厚度为200 nm ~ 500 nm。

进一步地，所述浸渍提拉方法具体过程为：将固定住的硅片浸渍在催化剂溶液中并以匀速提拉完成催化剂的涂覆，浸渍时间为10s~40s，提拉速度为0.5mm/s ~3mm/s。

进一步地，所述真空管式炉的升温速率为30℃/min ~ 40℃/min。

进一步地，所述的气源为碳源、还原气体、惰性保护气体中的一种或几种。

进一步地，所述碳源为甲烷，体积流量为20 sccm ~30 sccm；所述还原气体为氢气，体积流量为50 sccm ~200 sccm；所述惰性保护气体为氩气或氮气。

进一步地，所述气源为氢气、甲烷以及3%~6%体积分数的水蒸气。

进一步地，所述恒温反应的温度为950 ℃~1050℃，反应时间为10 min ~60min。

本发明提供的上述方法制备得到的高密度水平定向碳纳米管，定向排布与生长密度能够得到有效控制。

将上述高密度水平定向碳纳米管应用在场效应晶体管等器件的制备中，能够保证器件性能的均一性与稳定性，使得大规模集成化纳米器件有着广阔的前景。

有益效果：本发明提供的高密度水平定向碳纳米管的制备方法，采用浸渍提拉的方式能够简单、快速、有效地在衬底表面进行催化剂的均匀涂敷，能够显著提高衬底表面生长的碳纳米管的密度与均匀度，水平定向生长的碳纳米管的密度在100根/微米左右，在水平方向厘米级范围内可保持密度基本一致；在通入的气体中引入水，有效优化碳纳米管的生长环境，减少卷曲碳纳米管与无定形碳的生成，免去预处理过程中冗长的退火等步骤，且恒温反应时间最少仅要10分钟，反应时间大大缩短，提高实验的效率；通入的碳源与氢气的体积流量很小，经济节能；由本发明提供方法制备的高密度水平定向碳纳米管应用在场效应晶体管器件，载流能力与稳定性相比于其他方法制备的碳纳米管能够显著的提高。

附图说明