一种基于碳碳键的高性能界面制备方法技术

本发明专利技术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。

A high performance interface preparation method based on carbon carbon bond

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳碳键的高性能界面制备方法
本专利技术属于微纳加工与制作和纳米材料的制备与应用
，更具体地，涉及一种基于碳碳键的高性能界面制备方法。
技术介绍
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(CarbonNanotube，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
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。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术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，本专利技术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；优选地，催化层可以为铜、镍、钴、钌、铱、钯、金镍合金、镍铜合金；优选地，可以采用电弧放电法、激光烧蚀法、等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)、化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)等方法生长CNT。S2、在CNT上沉积石墨烯生长所需的催化层和键合用合金，高温下在CNT与石墨烯催化层之间生长一层石墨烯，实现CNT与合金的桥接，得到一种混合三维结构；优选地，可以通过磁控溅射或电子束蒸发镀膜在CNT上沉积石墨烯生长所需的催化层；优选地，可以采用CVD在CNT与石墨烯催化层之间生长石墨烯。优选地，所得混合三维结构从上到下依次为金属-石墨烯-CNT-原生衬底，其中，CNT生长于原生衬底上，金属沉积在CNT的自由端，并对其尖端进行包覆，石墨烯生长在CNT和金属之间，与CNT形成同质连接，该混合三维结构可与任意目标衬底通过恰当的方式键合。S3、将步骤S2得到的混合三维结构翻转180°，与沉积了键合用合金的目标衬底键合，实现两个结构的连接与电学导通，去除原生衬底后获得基于碳碳键的高性能界面。优选地，上述基于碳碳键的高性能界面为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“面与面”接触，环环相扣，金属-石墨烯将CNT尖端包覆，CNT与目标衬底通过石墨烯与金属连接。优选地，CNT与石墨烯可以由sp2碳共价转化或短分子连接成异质结。优选地，上述基于碳碳键的高性能界面从上到下依次为：CNT、石墨烯、石墨烯催化层、第一合金层、第二合金层、目标衬底，其中，石墨烯催化层和第一合金层沉积在CNT的自由端，并对CNT的尖端进行包覆，石墨烯生长在CNT尖端和石墨烯催化层之间，与CNT形成同质连接，第二合金层沉积在目标衬底上，将第一合金层与第二合金层贴合。优选地，原生衬底与CNT的接触强度较弱，易于与CNT脱离。优选地，通过调整CNT的长度、直径或石墨烯的层数等结构参数，能实现对基于碳碳键的高性能界面热导率的调整和匹配。本专利技术另一方面提供了一种基于碳碳键的高性能界面，由上述基于碳碳键的高性能界面制备方法制备所得。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供了一种基于碳碳键的高性能界面制备方法，在CNT与金属之间引入二维纳米材料石墨烯，将现有技术中CNT与金属之间的“点面”肖特基接触转换为石墨烯与CNT的同质连接作用(由sp2碳共价转化或短分子连接成异质结)，通过金属-石墨烯对CNT尖端的包覆，显著增强了二者的接触面积，石墨烯与金属之间的“面面”接触，环环相扣，显著增强了三者间的接触强度、降低了接触电阻，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，大大提高了器件的可靠性和散热性。2、利用一维纳米材料CNT自身的纵向导热率高(3000-3500W/mK)，结合二维纳米材料石墨烯极高的横向导热率(>2000W/mK)的优势，使CNT-石墨烯三维结构同金属连接时的散热面积和路径显著高于单独使用CNT或石墨烯时的散热面积和路径，避免器件因热量堆积而工作失效，保证了工作寿命和稳定性，且可以通过调整CNT与石墨烯的内部结构来调整热导率。3、通过翻转至下而上为CNT-石墨烯-金属的结构后，使之与目标衬底的键合，CNT脱离原生衬底，避免原生衬底带来应用局限，且该三维结构能与任意目标衬底通过恰当的方式键合，扩大该方案的可行性、普适性以及结构的应用场景与价值，同时，对于研究新型三维纳米材料有重要意义；且纳米材料生长和金属沉积能与晶圆级加工的批量制造兼容，可制作图案化结构，满足微型化集成电路芯片的要求。附图说明图1是本专利技术实施例所提供的基于碳碳键的高性能界面结构的剖面示意图；图2是本专利技术实施例所提供的在原生衬底上沉积用于生长VACNT的缓冲层和催化层的剖面示意图；图3是本专利技术实施例所提供的通过PECVD或CVD生长VACNT后的剖面示意图；图4为本专利技术实施例所提供的在VACNT上沉积生长石墨烯所需的催化层和键合用的合金层的整体结构剖面示意图；图5为本专利技术实施例所提供的通过PECVD或CV本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳碳键的高性能界面制备方法，其特征在于，包括下列步骤：S1、对原生衬底进行预处理，在所述原生衬底上沉积CNT生长所需的缓冲层和催化层，在高温下生长CNT；S2、在所述CNT上沉积石墨烯生长所需的催化层和键合用合金，高温下在所述CNT与石墨烯催化层之间生长一层石墨烯，实现所述CNT与所述合金的桥接，得到一种混合三维结构；S3、将所述混合三维结构翻转180°，并与沉积了键合用合金的目标衬底键合，实现两个结构的连接与电学导通，去除所述原生衬底后获得基于碳碳键的高性能界面。

【技术特征摘要】
1.一种基于碳碳键的高性能界面制备方法，其特征在于，包括下列步骤：S1、对原生衬底进行预处理，在所述原生衬底上沉积CNT生长所需的缓冲层和催化层，在高温下生长CNT；S2、在所述CNT上沉积石墨烯生长所需的催化层和键合用合金，高温下在所述CNT与石墨烯催化层之间生长一层石墨烯，实现所述CNT与所述合金的桥接，得到一种混合三维结构；S3、将所述混合三维结构翻转180°，并与沉积了键合用合金的目标衬底键合，实现两个结构的连接与电学导通，去除所述原生衬底后获得基于碳碳键的高性能界面。2.根据权利要求1所述的高性能界面制备方法，其特征在于，所述基于碳碳键的高性能界面为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“面与面”接触，环环相扣，金属-石墨烯将CNT尖端包覆，CNT与目标衬底通过石墨烯与金属连接。3.根据权利要求2所述的高性能界面制备方法，其特征在于，所述基于碳碳键的高性能界面从上到下依次为：CNT、石墨烯、石墨烯催化层、第一合金层、第二合金层、目标衬底，其中，所述石墨烯催化层和所述第一合金层沉积在所述CNT的自由端，并对...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖东阳，王玉容，孙雷蒙，涂良成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42