專利名稱：控制碳納米管取向排列、分布及密度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳納米管加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種控制碳納米管取向排列、密度及分布的方法。
背景技術(shù)：
實現(xiàn)納電子器件的有兩種技術(shù)途徑，即“自上而下”(top down)和“自下而上”(bottomup)，前者是指通過微加工或固態(tài)技術(shù)，將無機材料(Si，GaAs等)為主的固體電子器件尺寸縮小，不斷使功能器件微型化，器件的微型化依賴現(xiàn)有微加工技術(shù)的應(yīng)用和潛力開發(fā)；后者是指以原子、分子為基本單元，操控單分子、在分子水平上增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，按人們的意愿進行設(shè)計和組裝，構(gòu)筑具有特定功能的器件，如何利用上述兩種技術(shù)制備納電子器件是目前納米科技領(lǐng)域中的一個研究熱點。
碳納米管因其分子結(jié)構(gòu)，具有獨特的電學(xué)特性，利用碳納米管可制成各種納電子器件，例如場效應(yīng)晶體管、傳感器等，甚至可以將基于碳納米管的納電子器件集成、獲得具有一定邏輯功能的電路。但碳納米管用于納電子器件所面臨的有一個最大的困難是如何將碳納米管沿一定的取向排列，并且其分布、密度可控。已有的定向排列碳納米管的方法主要有兩種，一是控制碳納米管生長，使其沿某一方向生長，從而獲得具有一定的取向性碳納米管陣列(K.B.K.Teo，M.Chhowalla，et al，Appl.Phys.Lett.，Vol.79，P.1534，2001；M.Chhowalla，K.B.K.Teo，et al，Journal of Physics，Vol 90，P.5308，2001)。該方法主要通過控制催化劑、氣體流速、輔助直流電場、磁場等，使碳納米管垂直于襯底或沿襯底表面生長；垂直于襯底的碳納米管底部通常與襯底相連，限制了其在納電子器件方面的應(yīng)用；沿襯底表面生長的碳納米管，雖然結(jié)構(gòu)較為理想，但由于生長過程很難控制碳納米管的密度、且限于目前國內(nèi)的微加工技術(shù)，后續(xù)制作器件時電極制備非常困難。二是利用外界電場、磁場直接使其取向排列，盡管有人嘗試了利用外加電場、磁場可使其取向排列，但所使用的方法無法有效控制碳納米管的密度和分布(Kunitoshi Yamamoto et al.，Jap.J.Appl.Phys.，Vol.35，L917，1996；Kunitoshi Yamamoto et al.，J.Phys.DAppl.Phys.，Vol.31，L34，1998；B.W.Smith et al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.77，P.663，2001；X.Q.Chen，T.Saito et al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.78，P.3714，2001；A.Larr et al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.80，P.3826，2002)。
發(fā)明/實用新型內(nèi)容本發(fā)明克服了上述在定向排列碳納米管過程中，無法控制碳納米管密度、分布的缺陷，提供一種控制碳納米管取向、密度及分布的方法，可獲得不同密度、分布的定向排列的碳納米管。
一種控制碳納米管取向、密度及分布的方法，步驟包括(1)按照碳納米管取向排列要求，制備一定形狀和結(jié)構(gòu)的電極；(2)碳納米管分散于有機溶劑中，將含有碳納米管的溶液滴于預(yù)制有電極的硅襯底上；(3)電極間施加交流電，控制交流電場的方位及施加交流電場的順序，使碳納米管在預(yù)定方位、沿確定的方向排列；(4)控制分散于有機溶劑中碳納米管的濃度、交流電場的強度，以控制取向排列碳納米管的密度。
所述有機溶劑為乙醇、丙酮、正己烷、異丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷等。
電極的形狀可為十字形，其中相對電極的距離為2μm，相鄰電極的距離為200-500nm。
電極的形狀可為叉指形，電極之間的距離為2μm，5μm或10μm。
本發(fā)明的技術(shù)效果在高頻交流電場下，分散于有機溶劑中的碳納米管兩端會產(chǎn)生極化電荷，由于交流電場與極化電荷之間的相互作用，可使碳納米管沿電場方向取向排列，且搭接于電極兩端。通過控制分散于有機溶劑中碳納米管的濃度、交流電場的強度，以控制取向排列碳納米管的密度，溶劑中碳納米管含量越高、電場越強，所獲取向排列的碳納米管的密度就越大，通過該方法可得到不同密度(單根、幾根、數(shù)百或數(shù)千根，甚至薄膜狀)的定向排列的碳納米管。通過設(shè)計一定形狀和結(jié)構(gòu)的電極，并控制交流電場的方位及施加交流電場的順序，可使碳納米管在預(yù)定方位、沿確定的方向排列，從而控制碳納米管在襯底上的分布。不同密度、分布和取向排列的碳納米管可用于制備納電子器件及其集成，該方法在碳納米管納電子器件領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明實用新型做出詳細描述。
圖1為本發(fā)明控制碳納米管取向、密度及分布的工藝裝置平面示意圖；圖2為本發(fā)明控制碳納米管取向、密度及分布的工藝裝置立體示意圖；圖3為叉指狀電極示意圖；圖4為十字電極示意圖；圖5低密度的碳納米管排列示意圖；圖6高密度的碳納米管排列示意圖；圖7低密度的碳納米管在不同方位、沿不同方向取向排列示意圖。
具體實施例方式
1、電極設(shè)計及制備為控制碳納米管的取向、分布及密度，設(shè)計了叉指狀和十字電極，前者電極的設(shè)計寬度分別為2μm，5μm，10μm，間距分別為2μm，5μm，10μm。十字電極的設(shè)計寬度為2μm，相對電極的間距為2μm，相鄰電極的間距為200-500nm。在P型重摻雜的硅襯底上熱氧化生長180～300nm厚的二氧化硅用作絕緣層，利用光刻方法制備金屬電極，其過程是甩膠光刻，曝光、顯影；然后濺射沉積金屬，去膠，即可獲得金屬電極，電極材料可為Au/Ti(20nm/100nm)或Ti/Al(70nm/930nm)。
2、碳納米管的制備、純化及分散實驗中所使用的碳納米管可以是多壁碳納米管、單壁碳納米管或單壁碳納米管管束，多壁碳納米管采用CVD方法制得，單壁碳納米管及管束采用電弧法獲得。原始碳納米管經(jīng)純化后用于本發(fā)明的實驗。
將純化后的碳納米管分散于乙醇、丙酮、正己烷、異丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷等有機溶劑，配制含不同碳納米管濃度的溶液。在取向排列碳納米管之前，預(yù)先將含有碳納米管的溶液進行大功率、長時間的超聲，使溶劑中的碳納米管充分分散。
3、碳納米管電場下取向排列。
在高頻交流電場下，分散于有機溶劑中的碳納米管上瞬態(tài)的電荷及其密度將發(fā)生變化，碳納米管上產(chǎn)生極化電荷，電荷主要集中在其端部，由于極化電荷與外加電場的相互作用，可使碳納米管沿電場方向取向排列，并搭接于兩端的電極。通過控制溶劑中碳納米管的密度、交流電場的強度，可控制取向排列碳納米管的密度，溶劑中碳納米管的密度越高、電場越強，所獲的碳納米管的密度就越大，通過該方法可得到不同密度(單根、幾根、數(shù)百或數(shù)千根，甚至薄膜狀)的定向排列的碳納米管。通過設(shè)計一定形狀和結(jié)構(gòu)的電極，并控制交流電場的方位及施加交流電場的順序，可使碳納米管在預(yù)定方位、沿確定的方向排列，從而控制碳納米管在襯底上的分布。
本發(fā)明的實施例一制備叉指電極后，配制濃度為0.2μg/ml的碳納米管的溶液，將溶液滴于預(yù)制有電極的硅襯底上，施加的交流電的參數(shù)為Vpp＝10V，頻率5MHZ。叉指電極中電極間的電場強度約為2.5×106V/m，片刻后將溶液吹干，并切斷交流電源。參考圖5，若干根碳納米管管束定向排列。
本發(fā)明的實施例二制作叉指電極后，制備濃度為0.1mg/ml的碳納米管的溶劑，將溶劑滴在襯底上，施加的交流電的參數(shù)為VPP＝10V，頻率5MHZ。對于不同電極間距(2、5和10μm)的電場強度分別約2.5×106V/m，1×106V/m，5×105V/m。片刻后將溶液吹干，并切斷交流電源。參考圖6，高密度碳納米管管束的取向排列陣列。
本發(fā)明的實施例三制作十字電極后，制備濃度約為0.1μg/ml的碳納米管的溶液，將溶液滴于預(yù)制有電極的硅襯底上，施加的交流電的參數(shù)為VPP＝2V，頻率5MHZ。十字形結(jié)構(gòu)電極中，相對電極間的電場強度為5×106V/m，相鄰電極間的電場強度為2～5×106V/m，片刻后將溶液吹干，并切斷交流電源。通過設(shè)計電極形狀、并控制施加交流電場的方向和順序，可控制碳納米管沿預(yù)定的方向排列，從而控制碳納米管在電極間的分布。參考圖7，數(shù)根碳納米管的管束分布于不同方位、沿不同取向排列。
權(quán)利要求
1.一種控制碳納米管取向排列、分布及密度的方法，步驟包括(1)按照碳納米管取向排列要求，制備一定形狀和結(jié)構(gòu)的電極；(2)碳納米管分散于有機溶劑中，將含有碳納米管的溶液滴于預(yù)制有電極的硅襯底上；(3)電極間施加交流電，控制交流電場的方位及施加交流電場的順序，使碳納米管在預(yù)定方位、沿確定的方向排列；；(4)控制分散于有機溶劑中碳納米管的濃度、交流電場的強度，以控制取向排列碳納米管的密度。
2.如權(quán)利要求1所述的控制碳納米管取向排列、分布及密度的方法，其特征在于有機溶劑為乙醇、丙酮、正己烷、異丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷等。
3.如權(quán)利要求1所述的控制碳納米管取向排列、分布及密度的方法，其特征在于電極的形狀為十字形。
4.如權(quán)利要求1所述的控制碳納米管取向排列、分布及密度的方法，其特征在于電極的形狀為叉指形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種控制碳納米管取向排列、分布及密度的方法，屬于碳納米管加工技術(shù)領(lǐng)域。其步驟包括按照碳納米管取向排列要求，制備電極，碳納米管分散于有機溶劑中，并控制碳納米管的濃度，將含有碳納米管的溶液滴于預(yù)制有電極的硅襯底上，電極間施加交流電。在高頻交流電場下，分散于有機溶劑中的碳納米管兩端會產(chǎn)生極化電荷，由于交流電場與極化電荷之間的相互作用，可使碳納米管沿電場方向取向排列。通過控制分散于有機溶劑中碳納米管的濃度、交流電場的強度，以控制取向排列碳納米管的密度；通過設(shè)計一定形狀和結(jié)構(gòu)的電極，并控制交流電場的方位及施加交流電場的順序，可使碳納米管在預(yù)定方位、沿確定的方向排列，從而控制碳納米管在襯底上的分布。
文檔編號C01B31/02GK1715181SQ20041000928
公開日2006年1月4日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者傅云義, 王曉峰, 黃如, 郭奧, 張興 申請人:北京大學(xué)