碳纳米管阵列制作方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米管阵列制作方法，其步骤包括：提供一基底，在该基底上形成一遮挡层；提供一催化剂溅射源，配合遮挡层在基底上溅射出一具有厚度梯度的催化剂层，并且在所述厚度梯度范围内，有一处的厚度最接近一最佳厚度；去除遮挡层，退火处理所述催化剂层；通入碳源气，在上述处理后的催化剂层上生长碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离所述最佳厚度的方向弯曲生长。通过上述碳纳米管阵列制作方法可实现对碳纳米管阵列局部至少向一个方向弯曲生长的控制。

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管阵列制作方法 
 本专利技术关于一种碳纳米管阵列制作方法。 
技术介绍
由于碳纳米管独特的电学性质，其在纳米集成电路、单分子器件等领域的应用有着不可估量的前景。目前人们已经能够在实验室里少量制造基于碳纳米管的场效应管、或非门等器件，并研究它的性质。但大规模的制备和具有实际意义的应用则必须求助于由下而上(Bottom Up)的制备工艺。由下而上的制备工艺要求能够对碳纳米管的生长位置、方向、尺度、甚至碳纳米管的螺旋度进行必要的控制，通过少量而经济的步骤直接生长出所需要的器件结构。控制碳纳米管阵列的生长方向是碳纳米应用研究中的一个重要课题。范守善等人在Science 283，512-514(22 Jan 1999)，Self-OrientedRegular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties一文中揭露了通过催化剂图形(Patterned Catalyst)来很好地控制碳纳米管的生长位置，但不能控制其生长方向。Z.F.Ren等人在Science 282，1105-1107(6Nov 1998)，Synthesis of LargeArrays of Well-Aligned Carbon Nanotubes on Glass一文中揭露了一种通过碳纳米管阵列的形式使得碳纳米管垂直于基底生长的方法。B.Q.Wei等人在Nature 416，495-496(4Apr 2002)，Organized Assembly of Carbon Nanotubes一文中揭露了一种通过设计基底的形状来实现控制碳纳米管垂直于三维基底各处表面的方向生长。但是上述方法中所获得的碳纳米管阵列均垂直于生长的基底，难以实现控制碳纳米管阵列向多个方向生长。Yoon-Taek Jang等人在Solid State Communications 2003，126(6)：305-308，Lateral Growth of Aligned Mutilwalled Carbon Nanotubes under Electric Field一文中揭露了一种通过电场控制碳纳米管生长方向的方法；Ki-Hong Lee等人在Applied Physics Letters 2003，82(3)：448-450，Control of Growth Orientation forCarbon Nanotubes一文中揭露了通过磁场控制碳纳米管生长方向的方法。-->但是上述方法中，由于电场和磁场本身的广域性，难以实现对局部多种生长方向的控制，也加重了纳米器件设计的复杂程度。
技术实现思路
以下，将以若干实施例说明一种碳纳米管阵列的制作方法，其可实现对碳纳米管阵列局部至少向一个方向弯曲生长的控制。为实现上述内容，提供一种碳纳米管阵列的制作方法，其步骤包括：提供一基底，在基底上形成一遮挡层；提供一催化剂溅射源，配合遮挡层在基底上溅射出一具有厚度梯度的催化剂层，并且在所述厚度梯度范围内，有一处的厚度最接近一最佳厚度；去除遮挡层，退火处理所述催化剂层；通入碳源气，在上述处理后的催化剂层上生长碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离所述最佳厚度的方向弯曲生长。优选的，退火处理催化剂层前先将所述催化剂层定义出至少一催化剂区块，该催化剂区块具有一第一端部和一与该第一端部相对的第二端部，确保该催化剂区块由该第一端部向一第二端部逐渐增厚，且在该第一端部至第二端部的范围内有一处的厚度最接近所述最佳厚度。所述的遮挡层为厚膜光刻胶，附着在一牺牲层上的金属及其氧化物或氮化物，或镂空模板。所述催化剂溅射源包括点催化剂溅射源、线型催化剂溅射源及面型催化剂溅射源。所述的催化剂层较薄处的厚度范围为1-10纳米，较厚处的厚度范围为5-20纳米。所述的基底材质包括多孔硅、抛光硅片、玻璃及金属。所述的催化剂层材质为铁、钴、镍或其合金之一。所述最佳厚度的确定方法，其步骤包括：在一硅基底上、配合一遮挡层溅射催化剂，形成厚度从薄到厚变化的催化剂层；在预定条件下用化学气相沉积法生长碳纳米管阵列；用显微镜观测得碳纳米管生长最高的位置；该位置的催化剂层厚度即为该预定条件下的最佳厚度。与现有技术相比，本专利技术方法不需要设计基底形状，也不需要外电场或-->磁场，通过普通的溅射设备配合一定厚度的遮挡层，就可在基底上沉积具有各方向厚度梯度一致的催化剂薄膜。由于碳纳米管的生长速度与催化剂薄膜厚度相关：催化剂层上最佳厚度处碳纳米管生长速度最快，在此厚度基础上逐渐减薄或增厚，碳纳米管生长速度都会逐渐降低。因此，可实现控制碳纳米管阵列同时向多个特定的方向弯曲生长，且所需设备简便且工艺简单易行。所获得的碳纳米管阵列结构可以简化纳米器件的设计，且丰富其多样性。【附图说明】图1是本专利技术第一实施例中催化剂层沉积过程的侧面示意图。图2是本专利技术第一实施例中移除遮挡层并确定最佳厚度线的立体示意图。图3是本专利技术第一实施例中形成的催化剂图形立体示意图。图4是本专利技术第一实施例中催化剂退火后的侧面示意图。图5是本专利技术第一实施例中生长出碳纳米管阵列的侧面示意图。图6是本专利技术第一实施例制备的碳纳米管阵列结构立体示意图。图7是本专利技术第二实施例中催化剂层沉积过程的侧面示意图。图8是本专利技术第二实施例中移除遮挡层并确定最佳厚度的侧面示意图。图9是本专利技术第二实施例中催化剂层立体示意图。图10是本专利技术第二实施例中形成的催化剂图形立体示意图。图11是本专利技术第二实施例中催化剂退火后的侧面示意图。图12是本专利技术第二实施例中生长出碳纳米管阵列的侧面示意图。图13是本专利技术第二实施例制备的碳纳米管阵列结构立体示意图。【具体实施方式】下面将结合附图及具体实施例对本专利技术进行详细说明。第一实施例：本实施例所提供的制作碳纳米管阵列的基本步骤包括：提供一基底，在基底上形成一遮挡层；提供一催化剂溅射源，配合遮挡层在基底上溅射出一具有厚度梯度的催化剂层，并且在所述厚度梯度范围内，有一处的厚度最接近一最佳厚度；去除遮挡层，退火处理所述催化剂层；通入碳源气，在上述处理后的催化剂层上生长碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离所述最佳厚度的方向弯曲生长。-->针对上述各步骤具体说明如下：请参阅图1，提供一基底10，在该基底10一侧(图中所示为右侧)上形成具有一定厚度的遮挡层40；在遮挡层40上方设置一直线型催化剂溅射源20，以对基底溅射催化剂，催化剂溅射源20溅射出的催化剂有一部分被遮挡层40挡住，从而在基底上形成一具有厚度梯度的催化剂层30。基底10的材质可以选用硅片、玻璃片、金属片等，本实施例中采用硅片。催化剂的材质可以选用铁、钴、镍或其合金，本实施例中采用铁催化剂。遮挡层40可选用厚膜光刻胶、附着在一牺牲层上的金属或金属氧化物、金属氮化物等，本实施例中采用厚膜光刻胶；遮挡层40的形状可以是正方体、长方体或圆柱体等多种形状，本实施例中采用长方体形；该遮挡层40具有一定高度的垂直遮挡面42，该高度即为遮挡层40的厚度，该厚度最好小于预定溅射条件下催化剂的原子平均自由程。催化剂原子平均自由程S取决于公式：S=kT2πd2p---(1)]]>其中，d为催化剂原子直径；p为气体压强；k为波尔茨曼常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管阵列制作方法，其步骤包括：提供一基底，在该基底上形成一遮挡层；提供一催化剂溅射源，配合遮挡层在基底上溅射出一具有厚度梯度的催化剂层，并且在所述厚度梯度范围内，有一处的厚度最接近一最佳厚度；去除遮挡层，退火处理所述 催化剂层；通入碳源气，在上述处理后的催化剂层上生长碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离所述最佳厚度的方向弯曲生长。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管阵列制作方法，其步骤包括：提供一基底，在该基底上形成一遮挡层；提供一催化剂溅射源，配合遮挡层在基底上溅射出一具有厚度梯度的催化剂层，并且在所述厚度梯度范围内，有一处的厚度最接近一最佳厚度；去除遮挡层，退火处理所述催化剂层；通入碳源气，在上述处理后的催化剂层上生长碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离所述最佳厚度的方向弯曲生长。2.如权利要求1所述的碳纳米管阵列制作方法，其特征在于退火处理催化剂层前先将所述催化剂层定义出至少一催化剂区块，该催化剂区块具有一第一端部和一与该第一端部相对的第二端部，确保该催化剂区块由该第一端部向一第二端部逐渐增厚，且在该第一端部至第二端部的范围内有一处的厚度最接近所述最佳厚度。3.如权利要求1所述的碳纳米管阵列制作方法，其特征在于所述遮挡层为厚膜光刻胶，附着在一牺牲层上的金属及其氧化物或氮化物，或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]