[发明专利]一种基于碳碳键的高性能界面制备方法

说明书

本发明公开了一种基于碳碳键的高性能界面制备方法，通过在碳纳米管CNT与金属之间引入二维纳米材料石墨烯得到了CNT‑石墨烯‑金属‑目标衬底的混合结构，其中CNT与石墨烯同质连接，石墨烯与金属之间“面面”接触，CNT与目标衬底通过石墨烯与金属连接。该结构将CNT与金属之间存在肖特基势垒的“点面”范德华力连接转换为石墨烯与CNT的同质连接，金属‑石墨烯将CNT尖端包覆，另外，石墨烯与金属‑目标衬底之间“面面”接触，接触力和接触面积增大，共同提升了四者之间的机械强度和边界电阻；同时，CNT与石墨烯的纵向和横向导热的结合提升结构热导率，从而使得结构的机械强度增强，热接触电阻降低，减少了焦耳热的产生，显著提高了器件的可靠性和散热性。

技术领域

本发明属于微纳加工与制作和纳米材料的制备与应用技术领域，更具体地，涉及一种基于碳碳键的高性能界面制备方法。

背景技术

随着电子产品的微型化发展，器件内部的集成密度不断提高，为了保证系统的性能和寿命，备受瞩目的三维集成方式成为保持摩尔定律的重要趋势。垂直维度的利用能够有效增加集成密度，但同时带来长期可靠性和热耗散的问题。新型材料，尤其是纳米材料的引入成为一种可行方案。其中，一维纳米材料碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)由于其独特的机械、热学和电学性质受到广泛关注，其已在氢存储、超级电容器、生物传感器、机电致动器、场发射晶体管和场发射阴极等技术领域受到研究者的青睐。研究者们开展了大量基于CNT生长及其与平面基底互连的研究。例如，通过在Si片上沉积金属催化剂直接垂直生长CNT。但是，因为对器件有着更高的可靠性和散热性的要求，这种较弱的互连方式不足以满足实际应用。因此，研究CNT与衬底的连接成为解决器件可靠性和散热性差的重要课题。

研究表明，CNT与原生衬底之间存在较差的稳定性和散热性，稳定性差是由于CNT末端与原生衬底间的连接力或接触面积不足，从而导致CNT与原生衬底间的接触强度不足(一般为范德华力或部分化学键连接)，而散热性差是因为两种材料间的声子扩散失配导致较大接触电阻或粗糙，从而导致机械位错，进而在界面产生微观间隙，空气在间隙中的填充降低了器件整体的导热率。基于此，界面材料应运而生，以期解决以上两个问题。

据文献报道和以上分析，为了实现CNT与衬底之间稳定的连接以提高器件的可靠性和散热性，界面材料的引入不仅需要达到增强连接强度和电导率的目的，还需要增大热导率。常用的一种解决方式是在衬底上沉积金属再生长CNT，金属与CNT之间由分子间作用力连接，这种结构中，CNT与金属的接触为“点与面”的半导体与金属接触，且对于不同的金属，存在大小各异的肖特基势垒，不同程度的阻碍了电子传输效率，所以可选的金属种类有限；另一种解决方式是制作衬底-石墨烯-CNT的结构，CNT与石墨烯内部有同质异形的碳连接，且石墨烯与CNT同样具备显著的传输性质，如平均自由程、载流能力高，制造工艺简单，材料可控性强，重现性高，而且一维纳米材料和二维纳米材料的结合形成的新三维纳米结构有望具备更好的性能指标，但这种在石墨烯上生长CNT的方法，CNT与衬底-石墨烯之间的连接仍然是“点与面”的接触。

综上所述，提供一种使得器件可靠性高、散热性好的界面材料的高性能界面制备方法是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于碳碳键的高性能界面制备方法，旨在解决现有技术中CNT与金属之间为“点面”接触、存在肖特基势垒而导致的所得器件的可靠性和散热性较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于碳碳键的高性能界面制备方法，包括以下步骤：

S1、对原生衬底进行预处理，在原生衬底上沉积CNT生长所需的缓冲层和催化层，在高温下生长CNT；