[发明专利]一种碳纳米管/铜高载流复合导线及其制备方法

说明书

本发明涉及一种碳纳米管/铜高载流复合导线及其制备方法，该制备方法主要包括基于真空辅助的碳纳米管薄膜电镀工艺，且电镀工艺细分为种子层及常规电镀两步；采用本工艺可以制备均匀、致密及无氧化铜的碳纳米管/铜复合材料，基于此复合材料加工制备成的导线具有导电性好，载流能力高等优点。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管/铜高载流复合导线及其制备方法，具体涉及一种大电流载流能力的铜和碳纳米管构成的纳米复合导线及其制备方法，属于纳米材料领域。

背景技术

近几十年来，随着半导体工业制程技术的进步，晶体管的尺寸越来越小，单位面积芯片上集成的晶体管数目越来越多，造成芯片的功率需求越来越高。高功率的芯片供电目前主要是通过铜导线进行供电，晶体管尺寸减小时，铜导线的尺寸也在逐步减小，限制了芯片功率的持续提升。国外研究机构提出将碳纳米管与铜制备成均匀的复合材料，通过碳纳米管限制多晶铜导线中铜原子晶界及表面的电迁移，使其载流能力从纯铜的106 A·cm-2提升至6.3×108 A·cm-2，多达100倍的载流能力提升，且电导率接近于纯铜，有望用作未来高功率芯片供电候选材料。国外研究人员主要采用两步法来获得上述碳纳米管/铜复合导线：首先，将碳纳米管制备成薄膜并浸泡于铜的有机溶液中形成种子层。其次，将上述处理过的碳纳米管/铜种子薄膜在水相中采用低电流进行电镀直至铜全部填充碳纳米管薄膜的空隙形成均匀的复合相。然而，国内研究人员在重复上述结果时却经常失败，主要原因在于通过浸泡工艺很难在碳纳米管薄膜中形成均匀的种子层，且随着电镀工艺的进行，碳纳米管/铜复合相内部的孔隙逐渐减小，导致电镀液进入碳纳米管/铜复合相内部变得困难，从而主要在其表面发生电镀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管/铜高载流复合导线及其制备方法，该方法是在真空辅助下，可以稳定可靠地使铜离子在碳纳米管/铜薄膜中形成均匀的种子层，并在后续低电流电镀过程中保证电镀液可以容易地克服进入碳纳米管/铜内部孔隙的阻力，进入碳纳米管/铜复合薄膜内部孔隙，最后形成均匀的碳纳米管/铜复合导线，展现出大电流载流能力，相对于传统公开的技术路线，本发明提供的技术方案更稳定可靠。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种碳纳米管/铜高载流复合导线的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1，将碳纳米管薄膜置于丙酮及异丙醇中除去油污，稀酸中除去催化剂颗粒，并置于烘箱中烘干；

步骤2，将步骤1处理后的碳纳米管薄膜剪裁成合适的形状，放置于连接有真空泵的平底漏斗底部，并采用适量乙醇使其与漏斗底保持紧密贴合；

步骤3，开启真空泵，将含有铜离子的乙腈溶液加入步骤2中的平底漏斗，使含有铜离子的乙腈溶液在真空作用下透过碳纳米管薄膜，根据需要补加含有铜离子的有机溶液，保持抽滤；

步骤4，待步骤3中的有机溶剂完全抽干后，继续开启真空泵，将电镀设备的阴极与碳纳米管薄膜连接，将电镀设备的阳极与纯铜片连接，并在平底漏斗中加入含有铜离子水性电镀液，完成铜的电镀工艺，形成碳纳米管/铜复合薄膜；

步骤5，将步骤4中的碳纳米管/铜复合薄膜，首先置于惰性气氛下处理，置于含有氢气的环境中还原处理；

步骤6，将步骤5中的碳纳米管/铜复合薄膜通过聚焦离子束加工成宽度适宜的导线。

在步骤1中，所述的碳纳米管薄膜可以采用浮动法生长，包括浮动生长的碳纳米管自支撑薄膜、真空抽滤获得的碳纳米管薄膜或可纺丝碳纳米管阵列制备的碳纳米管薄膜。

在步骤1中，所述的稀酸可以是稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸，或者这三种稀酸的任意组合。

在步骤3中，所述的铜离子乙腈溶液浓度为1-10mM。

在步骤3中，所述真空度保持为10-20 KPa；在后续的抽滤过程中，需要保持抽滤时长为30-60min。