專利名稱：一種碳納米管陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種碳納米管陣列結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于碳納米管獨特的電學(xué)性質(zhì)，其在納米集成電路、單分子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用有著不可估量的前景。目前人們已經(jīng)能夠在實驗室里少量制造基于碳納米管的場效應(yīng)管、邏輯器件及存儲器件等，并研究了它的性質(zhì)，具體請參閱Sander J Tans等人1998年發(fā)表在Nature 393-49，Room-temperature transistorbased on a single carbon nanotube一文。但大規(guī)模的制備和具有實際意義的應(yīng)用則必須求助于由下而上(Bottom Up)的制備工藝。
由下而上的制備工藝要求能夠?qū)μ技{米管的生長位置、方向、大小、長短、甚至碳納米管的螺旋度進行必要的控制，通過少量而經(jīng)濟的步驟直接生長出所需要的器件結(jié)構(gòu)。范守善等人在Science 283，512-514(1999)，Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emissionproperties一文中，以及Z.F.Ren等人在Science 282，1105-1107(Nov 6，1998)，Synthesis of large arrays of well-aligned carbon nanotubes on glass一文中均揭露了一種通過催化劑圖形(Patterned Catalyst)來控制碳納米管的生長位置及使其垂直于基底的生長方法。
另外，B.Q.Wei等人在Nature 416，495-496(Apr 4，2002)，Organizedassembly of carbon nanotubes一文中揭露了一種可以通過對基底形狀的設(shè)計實現(xiàn)碳納米管在三維基底上生長出垂直于各處表面的生長方法。
但是上述方法中所獲得的碳納米管陣列均垂直于生長的基底，無法對陣列的生長方向做出控制和改變。
Yuegang Zhang等人在Applied Physics Letters，Vol.79，Number 19，Nov 5，2001，Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes一文中揭露了一種通過電場控制碳納米管的生長方向的方法，在電場的作用下，可控制奈米碳管沿電場方向生長。
但是上述方法中，用電場控制碳納米管生長方向的方法則會加重器件設(shè)計的復(fù)雜程度，而且由于電場本身的廣域性，難以實現(xiàn)對局部多種生長方向的控制。這些因素都限制了碳納米管器件設(shè)計的多樣化和實用性，因此，發(fā)明一種不需外場的局部碳納米管生長方向控制方法實為必要。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是提供一種向一特定方向彎曲的碳納米管陣列結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明解決的另一個技術(shù)問題是提供一種制造上述碳納米管陣列結(jié)構(gòu)的方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明揭示一碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，包括一基底、形成于基底上的催化劑合金顆粒及從催化劑合金顆粒上長出的碳納米管陣列，該催化劑合金顆粒中含有影響碳納米管長生速度材料，該材料的含量沿一方向漸變，該碳納米管陣列向一特定方向彎曲。
本發(fā)明同時還揭示制備上述碳納米管陣列結(jié)構(gòu)的方法。其步驟包括(1)提供一基底；(2)在基底的表面形成催化劑圖形；(3)在催化劑圖形上沉積一層影響碳納米管生長速度的材料；(4)在含氧氣氛中退火，使催化劑層氧化成為納米級催化劑顆粒；(5)通入碳源氣，生長碳納米管。
此前的現(xiàn)有技術(shù)中碳納米管陣列均是垂直于基底，本發(fā)明提供的碳納米管陣列具有向一預(yù)定的方向彎曲，豐富碳納米管器件設(shè)計的多樣性，為碳納米管器件的設(shè)計提供更多的選擇空間。
與現(xiàn)有的碳納米管陣列的生長方法相比，本發(fā)明提供的方法僅在催化劑層上多沉積一層影響碳納米管長生速度的材料，通過控制材料厚度的變化和分布，實現(xiàn)在基底的不同位置碳納米管有不同的長生速度，因碳納米管之間有范德華茲力的影響，使得碳納米管陣列在生長過程中向一特定方向彎曲。其中影響碳納米管長生速度材料的厚度調(diào)制是決定圖形上生長的碳納米管陣列彎曲形狀的主要因素。

圖1是本發(fā)明中沉積有催化劑薄膜的基底示意圖。
圖2是圖1所示基底沉積影響碳納米管生長速度的材料過程示意圖。
圖3是本發(fā)明中圖2所示基底退火后示意圖。
圖4是本發(fā)明中碳納米管陣列結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施方式
請參閱圖1，首先提供一基底10，該基底10可選用硅，在該基底10上形成一光阻層11，通過光刻使光阻層11形成預(yù)定的圖案。在需要生長碳納米管的位置沉積數(shù)納米厚的催化劑13，催化劑13的厚度至少為2～3納米，至多為7～9納米，且厚度需均勻一致，催化劑13的沉積方法可選用熱蒸發(fā)沉積法、也可選用電子束加熱蒸發(fā)法等方法配合光刻工藝或圖形掩模完成，催化劑13的材料可選有鐵、鈷、鎳或其合金。本實施例選用鐵作為催化劑13的材料，其沉積厚度為6納米。
請參閱圖2，在催化劑層薄膜13上沉積一層影響碳納米管生長速度的材料121，該材料121的厚度由一端向另一端逐漸減薄，本實施方式是通過在光阻11的斜上方放置一材質(zhì)為銅的直線型蒸發(fā)源12，通過熱蒸發(fā)沉積法，在催化劑13上沉積一層材料121，該材料121厚度漸變分布，其較厚的一端的厚度為8納米，較薄一端的厚度為3納米，一般要求較厚一端的厚度不超出10納米，較薄一端的厚度接近零納米，上述直線型蒸發(fā)源12既可以用沿直線移動的點蒸發(fā)源來代替。蒸發(fā)也可以選用電子束蒸發(fā)等有方向性的沉積方法配合光刻工藝或圖形掩模完成，或者利用溶液噴涂配合甩膜、光刻等工藝完成。
請配合參閱圖3和圖4，洗除光阻層11，將帶有催化劑13及材料121的基底10置于空氣中，在300℃下退火，使催化劑13氧化，收縮成為納米級的催化劑顆粒(圖未示)。再將其置于反應(yīng)爐(圖未示)中，在保護氣體氬氣的保護下，通入碳源氣乙炔，利用熱化學(xué)氣相沉積法，在600～700℃下生長10分鐘，此時催化劑鐵與材料銅形成合金顆粒131，在材料121較厚一端合金顆粒131所含的銅較多，在材料121較薄一端合金顆粒131中所含的銅較少，而銅材料121具有減緩碳納米管生長速度的特性，因材料121較厚一端碳納米管生長受銅的影響較大，生長較慢，相反，材料121較薄的一端碳納米管生長相對較快，故，在上述合金顆粒131上生長出的碳納米管陣列15向材料121較厚一側(cè)彎曲。碳源氣也可以選用含碳的其它氣體，如乙烯等，保護氣體也可為其它氣體，如氮氣、氫氣等?？刂粕L時間和生長溫度則可以控制碳納米管陣列15的生長高度。
請參閱圖4，利用上述方法獲得的碳納米管陣列結(jié)構(gòu)40包括一基底10、形成于基底10上的納米級合金顆粒131及從合金顆粒131上長出的碳納米管陣列15，其中合金顆粒131尺寸大小沿一特定方向線性變化，且其銅的含量沿一特定方向也線性變化，該碳納米管陣列15向一特定方向彎曲。
材料121除了可以是減緩碳納米管生長速度的銅，也可以是增加碳納米管生長速度的材料，如鉬，如果材料121是加快碳納米管生長速度的材料，則碳納米管向材料121較薄一側(cè)彎曲，如果材料121是減緩碳納米管生長速度的材料，則碳納米管向材料121較厚一側(cè)彎。
催化劑13的沉積和材料121的沉積順序可以相互交換，即既可以先沉積催化劑13后沉積材料121，也可以先沉積材料121后沉積催化劑13，材料121的厚度只有幾納米，氧很容易擴散過去，沉積材料121對催化劑13的覆蓋不會影響催化劑13的氧化，因而該沉積順序的交換對碳納米管陣列15的生長方向控制沒有影響。
上述碳納米管陣列結(jié)構(gòu)可用于平面顯示、納米電子學(xué)、大電流場發(fā)射電子槍等器件的陰極制造工藝。
權(quán)利要求
1.一碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，包括一基底、形成于基底上的催化劑合金顆粒及從催化劑合金顆粒上長出的碳納米管陣列，其特征在于該催化劑合金顆粒中含有影響碳納米管長生速度材料，該材料的含量沿一方向漸變，該碳納米管陣列向一特定方向彎曲。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于該基底為硅。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于該影響碳納米管長生速度材料包含銅或鉬。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于該催化劑合金顆粒中的催化劑為鐵、鈷、鎳或其合金之一。
5.一種制備碳納米管陣列的方法，其特征在于其步驟包括(1)提供一基底；(2)在基底上沉積一催化劑圖形；(3)在催化劑圖形上沉積一層影響碳納米管生長速度的材料；(4)在含氧氣氛中退火，使催化劑層氧化成為納米級催化劑顆粒；(5)通入碳源氣，生長碳納米管。
6.如權(quán)利要求5所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于該基底為硅。
7.如權(quán)利要求5所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于該催化劑層可以為鐵，鈷，鎳或其合金之一。
8.如權(quán)利要求5述制備碳納米管陣列的方法，特征在于催化劑層的厚度基本上一致，在2～9納米之間。
9.如權(quán)利要求5所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于該影響碳納米管生長速度的材料包含銅或鉬。
10.如權(quán)利要求5所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于該影響碳納米管生長速度的材料的厚度為一漸變分布。
11.如權(quán)利要求10所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于該影響碳納米管生長速度材料的較厚一端的厚度不超過10納米，較薄一端的厚度大于零納米。
12.如權(quán)利要求5所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于沉積影響碳納米管生長速度材料的方法可為熱蒸發(fā)沉積法或電子束蒸發(fā)法或溶液噴涂甩膜方法來完成。
13.如權(quán)利要求12所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于熱蒸發(fā)沉積法的蒸發(fā)源為直線型蒸發(fā)源或沿直線移動點蒸發(fā)源。
14.如權(quán)利要求5所述制備碳納米管陣列的方法，其特征在于步驟(3)在步驟(2)前進行。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，其包括一基底、形成于基底上的催化劑層、以及從催化劑層上長出的碳納米管陣列，該碳納米管陣列具有向一方向彎曲的特性。本發(fā)明提供的碳納米管陣列具有向一預(yù)定的方向彎曲，豐富碳納米管器件設(shè)計的多樣性，為碳納米管器件的設(shè)計提供更多的選擇空間。本發(fā)明同時還揭示了一種制備上述碳納米管陣列結(jié)構(gòu)的方法。其步驟包括(1)在基底的表面形成一催化劑層，該催化劑層的厚度均勻一致；(2)在催化劑層上沉積一層影響碳納米管長生速度的材料；(3)在含氧氣氛中退火，使催化劑層氧化成為納米級催化劑顆粒；(4)通入碳源氣，生長碳納米管。
文檔編號C23C14/16GK1504408SQ0215219
公開日2004年6月16日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者亮 劉, 劉亮, 范守善 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司