專利名稱：順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體的說，是涉及一種順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法。
背景技術(shù)：
碳納米管在微納系統(tǒng)技術(shù)、真空電子技術(shù)、傳感器技術(shù)中有著廣泛應(yīng)用。碳納米管可以覆蓋在某種襯底的表面，從而作為特種薄膜材料使用，例如在場致器件中，將其與基體結(jié)合，作為薄膜電極，例如場發(fā)射冷陰極。碳納米管薄膜的表面形貌極大地影響著它作為特種薄膜材料的性能，尤其影響著它作為薄膜電極時的電學(xué)性能，對碳納米管薄膜表面形貌的優(yōu)化包括如下基本問題一、如何控制碳納米管在薄膜表面的密度；二、如何控制碳納米管在薄膜表面的露出高度；三、如何控制碳納米管在薄膜表面的取向；四、如何控制碳納米管在薄膜表面的結(jié)構(gòu)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，針對以上問題，在碳納米管薄膜表面形貌的等離子體處理技術(shù)領(lǐng)域，Y.W.Zhu等人在Carbon(碳)2005年第43卷，第395-400頁上的文章“Effects of CF4plasma on the field emission properties ofaligned multi-wall carbon nanotubes films(CF4等離子體對有序多壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能的影響)”。文章使用CF4等離子體對取向生長的碳納米管薄膜進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)在某個處理時間范圍內(nèi)，CF4等離子體處理可以優(yōu)化碳納米管薄膜的場發(fā)射性能，但該技術(shù)只是針對取向生長的碳納米管薄膜有效，因此其應(yīng)用有很大地限制，尤其對于在場發(fā)射顯示設(shè)備中所常用的基于無序碳納米管漿料技術(shù)的碳納米管薄膜，單種刻蝕氣體成分單次等離子體處理，并不能得到很好垂直取向性的碳納米管在薄膜表面的分布，也不能改變碳納米管在薄膜表面的露出高度、密度及其均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，能在完全無序排布的碳納米管薄膜的基礎(chǔ)上，使碳納米管在薄膜表面的露出高度、密度得到調(diào)制，經(jīng)過處理后的碳納米管薄膜的表面形貌，露出高度、密度均勻，有很好的垂直取向性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明用不同種刻蝕氣體順次對碳納米管薄膜進(jìn)行等離子體表面處理，具體為先是一次或者多次使用化學(xué)反應(yīng)性氣體，即能夠與碳納米管發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的刻蝕氣體，對碳納米管薄膜進(jìn)行反應(yīng)離子輔助等離子體處理；然后使用物理作用性氣體，即不能與碳納米管發(fā)生反應(yīng)而只能進(jìn)行物理轟擊的刻蝕氣體，對碳納米管薄膜進(jìn)行等離子體表面處理。
所述的刻蝕氣體，可以是單一成分的氣體，也可以是多種成分氣體的組合。
所述的刻蝕氣體，其中化學(xué)反應(yīng)性氣體，是氧氣、氯化物、氟化物中的一種或幾種的組合，或者是氧氣、氯化物、氟化物中的一種或幾種氣體與惰性氣體的組合。
所述的刻蝕氣體，其中物理作用性氣體，包括惰性氣體中的一種。
所述的用不同種刻蝕氣體順次進(jìn)行等離子體表面處理，還包括通過調(diào)整各種刻蝕氣體的處理時間，進(jìn)一步對碳納米管薄膜的表面形貌進(jìn)行控制。例如，用化學(xué)反應(yīng)性氣體刻蝕時間越長，碳納米管露出密度會越低，用物理作用性氣體刻蝕的時間越長，碳納米管露頭高度越大。
所述的碳納米管薄膜，是在襯底材料表面形成的，形成碳納米管薄膜的方法，是基于無序排列的碳納米管漿料的涂敷、印刷方法、或刮刀成型方法，或者是基于有序排列的碳納米管原位生長方法。
本發(fā)明提出一種順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，利用不同種氣體的等離子體對碳納米管材料的作用結(jié)果不同，利用各種氣體等離子體各自的特點，順次對碳納米管薄膜進(jìn)行表面處理，從而利用累積效果在更大范圍內(nèi)、更高水平上控制薄膜表面形貌的核心參數(shù)，能在完全無序排布的碳納米管薄膜的基礎(chǔ)上，使碳納米管在薄膜表面的露出高度、密度得到調(diào)制，經(jīng)過處理后的碳納米管薄膜的表面形貌的核心參數(shù)中，露出高度、密度均勻，有很好的垂直取向性，這一特性尤其可以極大地優(yōu)化碳納米管漿料的成膜技術(shù)的薄膜表面質(zhì)量，因為這一技術(shù)通常是基于完全無序排列的碳納米管粉體。
因此，本發(fā)明可以克服現(xiàn)有技術(shù)中對碳納米管薄膜表面形貌控制水平的不足，尤其能夠提高基于無序排列碳納米管薄膜技術(shù)中，表面形貌控制水平的不足。同時，該技術(shù)完全兼容于各種基于微電子加工技術(shù)，高精密度微型先進(jìn)器件的設(shè)計制造工藝，適于加工實現(xiàn)陣列化設(shè)計和批量生產(chǎn)，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明具體實施例所使用的碳納米管薄膜未經(jīng)等離子體處理之前的場發(fā)射電子顯微鏡照片。
圖2是本發(fā)明具體實施例的氧氣—氬氣順次等離子體處理碳納米管薄膜之后，碳納米管薄膜表面形貌的場發(fā)射電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖以及技術(shù)方案提供實施例實施例1(1)碳納米管薄膜的制備。所使用的襯底為多層結(jié)構(gòu)，其中，a為玻璃，b為用磁控濺射方法沉積的200納米厚金屬鉻，將碳納米管漿料用350目絲網(wǎng)印刷方法選擇性地在金屬薄膜b表面成膜，然后在300攝氏度熱處理爐中烘烤20分鐘并隨爐冷卻，得到2微米平均厚度的碳納米管材料薄膜c，碳納米管漿料為多壁碳納米管和質(zhì)量比為1∶100的乙基纖維素和松油醇組成的有機(jī)溶液混合而成。
(2)用不同種刻蝕氣體順次進(jìn)行等離子體表面處理。先用氧氣為刻蝕氣體，流量為50sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)，工作氣壓為80mTorr(毫脫)，功率為40瓦特，刻蝕時間為90秒。然后用氬氣為刻蝕氣體，流量為30sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)，工作氣壓為50mTorr(毫脫)，功率為40瓦特，刻蝕時間為60秒。d為經(jīng)過順次處理后的碳納米管薄膜表面。
最終得到的碳納米管薄膜表面形貌如圖2所示。由圖2可見，經(jīng)過順序加工后的碳納米管薄膜表面形貌與圖1中所示未經(jīng)加工過的碳納米管薄膜表面相比，碳納米管在表面均勻露出，并表現(xiàn)出了較好的垂直取向性，并有較均勻的露出密度、高度分布。
實施例2(1)碳納米管薄膜的制備。所使用的襯底為多層結(jié)構(gòu)，其中，a為玻璃，b為用磁控濺射方法沉積的200納米厚金屬鉻，將碳納米管漿料用350目絲網(wǎng)印刷方法選擇性地在金屬薄膜b表面成膜，然后在300攝氏度熱處理爐中烘烤20分鐘并隨爐冷卻，得到2微米平均厚度的碳納米管材料薄膜c，碳納米管漿料為多壁碳納米管和質(zhì)量比為1∶100的乙基纖維素和松油醇組成的有機(jī)溶液混合而成。
(2)用不同種刻蝕氣體順次進(jìn)行等離子體表面處理。先用三氟甲烷和六氟化硫的混合氣體為刻蝕氣體，流量分別為5和30sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)，工作氣壓為80mTorr(毫脫)，功率為40瓦特，刻蝕時間為90秒。然后用氬氣為刻蝕氣體，流量為30sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)，工作氣壓為80mTorr(毫脫)，功率為40瓦特，刻蝕時間為60秒。d為經(jīng)過順次處理后的碳納米管薄膜表面。
最終得到的碳納米管薄膜表面與未經(jīng)加工過的碳納米管薄膜表面相比，碳納米管在薄膜表面有明顯的露頭，而且露出高度在幾十納米，具有較均勻的密度分布；并且，與利用氧氣-氬氣順次加工的結(jié)果相比，其露出高度更低，但密度更大。
實施例3(1)碳納米管薄膜的制備。所使用的襯底為多層結(jié)構(gòu)，其中，a為玻璃，b為用磁控濺射方法分別沉積的30納米和270納米厚的鉻和金多層薄膜，將碳納米管漿料用簡易的刮板成型方法在金屬薄膜b表面成膜，所用的刮板是10毫米寬的硅片，然后在350攝氏度熱處理爐中烘烤40分鐘并隨爐冷卻，得到10微米平均厚度的碳納米管材料薄膜c，碳納米管漿料為多壁碳納米管和質(zhì)量比為3∶100的乙基纖維素和松油醇組成的有機(jī)溶液混合而成。
(2)用不同種刻蝕氣體順次進(jìn)行等離子體表面處理。先用氧氣為刻蝕氣體，流量為50sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)，工作氣壓為80mTorr(毫脫)，功率為40瓦特，刻蝕時間為90秒。然后用氬氣為刻蝕氣體，流量為30sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)，工作氣壓為50mTorr(毫脫)，功率為40瓦特，刻蝕時間為200秒。d為經(jīng)過順次處理后的碳納米管薄膜表面。
最終得到的碳納米管薄膜表面與未經(jīng)加工過的碳納米管薄膜表面相比，碳納米管在表面均勻露出，表現(xiàn)出了較好的垂直取向性，并有較均勻的露出密度、高度分布。同時，與經(jīng)過同樣刻蝕氣體順次處理，但是氬氣處理時間更短的實施例1結(jié)果相比，表現(xiàn)出碳納米管露出密度低、露頭高度高的特點。
權(quán)利要求
1.一種順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，其特征在于，用不同種刻蝕氣體順次對碳納米管薄膜進(jìn)行等離子體表面處理，具體為先是一次或者多次使用化學(xué)反應(yīng)性氣體，即能夠與碳納米管發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的刻蝕氣體，對碳納米管薄膜進(jìn)行反應(yīng)離子輔助等離子體處理；然后使用物理作用性氣體，即不能與碳納米管發(fā)生反應(yīng)而只能進(jìn)行物理轟擊的刻蝕氣體，對碳納米管薄膜進(jìn)行等離子體表面處理。
2.如權(quán)利要求1所述的順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的刻蝕氣體，是單一成分的氣體，或者是多種成分氣體的組合。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的刻蝕氣體，其中的化學(xué)反應(yīng)性氣體是氧氣、氯化物、氟化物中的一種或幾種的組合，或者是氧氣、氯化物、氟化物中的一種或幾種氣體與惰性氣體的組合。
4.如權(quán)利要求1或者2所述的順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的刻蝕氣體，其中的物理作用性氣體為惰性氣體中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的用不同種刻蝕氣體順次進(jìn)行等離子體表面處理，還包括通過調(diào)整各種刻蝕氣體的處理時間，進(jìn)一步對碳納米管薄膜的表面形貌進(jìn)行控制。
6.如權(quán)利要求1或者5所述的順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法，其特征是，所述的碳納米管薄膜，是在襯底材料表面形成的，形成碳納米管薄膜的方法，是基于無序排列的碳納米管漿料的涂敷、印刷方法、或刮刀成型方法，或者是基于有序排列的碳納米管原位生長方法。
全文摘要
一種微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域的順次多種等離子體處理碳納米管薄膜表面形貌的方法。本發(fā)明用不同種刻蝕氣體順次對碳納米管薄膜進(jìn)行等離子體表面處理，具體為先是一次或者多次使用化學(xué)反應(yīng)性氣體，對碳納米管薄膜進(jìn)行反應(yīng)離子輔助等離子體處理；然后使用物理作用性氣體，對碳納米管薄膜進(jìn)行等離子體表面處理。本發(fā)明能在完全無序排布的碳納米管薄膜的基礎(chǔ)上，使碳納米管在薄膜表面的露出高度、密度得到調(diào)制，經(jīng)過處理后的碳納米管薄膜的表面形貌，露出高度、密度均勻，有很好的垂直取向性。本發(fā)明可極大地優(yōu)化薄膜表面質(zhì)量，并完全兼容于各種基于微電子加工技術(shù)，適于加工實現(xiàn)陣列化設(shè)計和批量生產(chǎn)。
文檔編號C04B41/53GK1807359SQ200610023239
公開日2006年7月26日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月12日
發(fā)明者侯中宇, 蔡炳初, 張亞非, 徐東 申請人:上海交通大學(xué)