一种碳纳米管薄膜的制备方法技术

本发明专利技术提供一种碳纳米管薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：1)制备碳纳米管分散液，并调节至pH值大于7；2)在衬底表面自组装多聚赖氨酸分子层或3‑氨丙基三乙氧基硅烷分子层；3)将步骤1)得到的碳纳米管分散液滴涂到步骤2)得到的衬底上，碳纳米管分散液均匀覆盖整个衬底，静置沉积，回收未沉积的碳纳米管分散液；4)清洗步骤3)得到的衬底以去除表面活性剂，用惰性气体或氮气吹干，即得。基于以上，本发明专利技术提供的方法制备的碳纳米管薄膜在大规模集成电路以及大面积透明导电薄膜具上有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管薄膜的制备方法
本专利技术属于纳米材料制备领域，具体地涉及一种碳纳米管薄膜的方法。
技术介绍
单壁碳纳米管(Single-WallCarbonNanotubes，SWCNTs)是由石墨烯卷曲形成的一维管状分子，它不仅具有石墨烯优异的力学性能、热学性能、高载流子迁移率等特点，而且由于SWCNTs的一维螺旋结构，表现出优异的化学稳定性和结构可调的能隙。半导体SWCNTs具有对称分裂的能带结构，使得半导体SWCNTs同时具有极高的电子和空穴迁移率，以及优异的栅极调控特性，无需化学掺杂便可以制备高性能的n型和p型晶体管，是制备高速、低功耗、高集成度数字电路的理想材料。相对于传统的Si基半导体器件，碳纳米管电子器件的能效能够提高一个数量级以上。而且能够有效克服Si基半导体材料的短沟道效应，有望突破硅基CMOS技术的理论和技术极限。目前最好的碳纳米管器件速度大概比硅器件快5-6倍，而功耗只有硅器件的1/100。特别是三维碳纳米管集成回路，Stanford大学研究小组预测其速度将比硅基集成回路有1000倍的优势。这些突破性成果凸显了未来碳纳米管半导体产业的巨大应用前景。目前，碳纳米管在电子器件以及集成电路方面的应用主要存在两个方面的技术瓶颈。一个是高纯半导体碳纳米管的制备问题，另一个是晶圆面积均匀碳纳米管薄膜沉积制备问题。碳纳米管的性质来源于其结构。结构上的微小差异将导致性质的巨大不同。不同手性结构的SWCNTs可以表现出金属性或半导体性。而且不同直径半导体碳纳米管能隙与直径近似成反比例关系。碳纳米管场效应晶体管的制备只需要半导体碳纳米管，而金属SWCNTs的存在，很容易导致器件源漏电极的导通，而无法实现场效应晶体管的关断。特别是碳纳米管在高集成度微纳电子器件的应用方面，通常需要在晶圆级的基板上集成成千上万个器件，如果其中一个器件由于金属碳纳米管存在导致性能的降低，最终将导致整个集成电路的失效。这就要求纯半导体碳纳米管的宏量制备。近年来，溶液分离技术在分离SWCNTs结构的研究取得了突破性的进展。先后报道了密度梯度离心法、离子交换色谱法、两相分离法以及凝胶色谱法等分离技术。这些分离技术中凝胶色谱分离技术具有简单、高效、低成本、易于自动化分离的特点，可以实现高纯半导体碳纳米管的宏量制备。利用该技术不仅分离出了较高纯度的金属/半导体SWCNTs，而且还分离出了十三种近单一手性半导体SWCNTs，甚至近单一手性SWCNT镜像体，为碳纳米管在集成电路方面的应用提供了材料保障。然而利用液相分离技术分离制备的高纯半导体碳纳米管通常是以溶液的形式存在，如何将碳纳米管分散液沉积到晶圆面积的基板上，制备出厚度均匀、密度可控的碳纳米管薄膜仍然是一个巨大的难题。晶圆面积均匀碳纳米管薄膜的可控制备是保障碳纳米管集成电路性能稳定性和可控性的关键。目前通过碳纳米管分散液沉积制备碳纳米管薄膜的方法主要有旋涂法、抽滤法、打印法、浸涂法等，但是这些方法都各自存在一些缺陷，无法制备晶圆面积、厚度均匀、密度可控的碳纳米管薄膜。旋涂法得到的碳纳米管薄膜稀疏，如果要得到较密的薄膜需要使用浓度较高的碳纳米管溶液，且需要多次旋涂，浪费碳纳米管分散液，且制备的薄膜均匀性较差；抽滤法需要大量的碳纳米管分散液，且所制得的碳纳米管膜厚度通常是几纳米到几十纳米，很难得到单层均匀的碳纳米管薄膜，从而制备的碳纳米管器件栅极调控能力较差；打印法依赖于昂贵的打印机，且薄膜的连续性和均匀性均较差；而传统的浸涂法通常适合有机溶剂和聚合物分散的碳纳米管分散液，不适合普通表面活性剂分散的碳纳米管分散液。为了使碳纳米管能够在大规模集成电路中得到更好的应用，当前对晶圆面积、厚度均匀、密度可控的碳纳米管薄膜存在需求。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是针对现有技术中所存在的问题和不足，提供一种碳纳米管薄膜的制备方法。本专利技术提供的方法针对碳纳米管分散液，能够产业化制备晶圆面积、厚度均匀、密度可控的碳纳米管薄膜。本专利技术提供的方法简单、快速、成本低，为碳纳米管在集成电路方面的应用奠定了材料保障基础。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的。本专利技术提供了一种碳纳米管薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：1)制备碳纳米管分散液，并调节至pH值大于7；2)在衬底表面自组装多聚赖氨酸(PLL，Poly-L-Lysine)分子层或3-氨丙基三乙氧基硅烷分子层；3)将步骤1)得到的碳纳米管分散液滴涂到步骤2)得到的衬底上，碳纳米管分散液均匀覆盖整个衬底，静置沉积，回收未沉积的碳纳米管分散液；4)清洗步骤3)得到的衬底以去除表面活性剂，吹干，即得。根据本专利技术提供的制备方法，其中，所述碳纳米管分散液可以是不同结构、不同直径的单壁、双壁或多壁碳纳米管的分散液；也可以是以这些碳纳米管为原料分离制备的金属性、半导体性、单一手性甚至单一螺旋结构的碳纳米管的分散液。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在步骤1)中，所述碳纳米管分散液是通过包括以下步骤的方法制备的：将碳纳米管粉末与表面活性剂的水溶液混合，经超声分散，离心纯化得到碳纳米管的分散液。优选地，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、脱氧胆酸钠(DOC)、胆酸钠(SC)和脱氧核糖核苷酸(DNA)中的一种或多种。优选地，所述碳纳米管分散液中表面活性剂的浓度为0.05-1wt％；更优选地为0.1-0.5wt％。优选地，所述碳纳米管分散液中碳纳米管的浓度为0.01μg/mL-4mg/mL；更优选地为1μg/mL-100μg/mL。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在步骤1)中，用于调节碳纳米管分散液pH值的溶液选自以下的一种或多种：NaHCO3溶液、Na2CO3溶液、NaOH溶液、KOH溶液及其与NaCl的混合溶液。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在步骤1)中，所述碳纳米管分散液的pH为8-12，优选地为9-10。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在步骤2)中，所述衬底可以选自刚性衬底或柔性衬底；优选地，所述刚性衬底选自硅片(SiO2/Si)、石英片(Quartz)、砷化镓片(GaAs)或蓝宝石(Sapphire)衬底，碳化硅(SiC)；优选地，所述柔性衬底选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亚胺(PI)。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在步骤2)中，所述衬底的形貌可以是平面的、曲面的、凹凸的甚至三维的；优选地，所述衬底的形状可以是方形的、圆形的或不规则形状的。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在步骤2)中，所述衬底的尺寸大于4英寸，达到晶圆级。根据本专利技术提供的制备方法，其中，在步骤2)中，所述自组装通过包括以下步骤的方法完成：①制备浓度为0.01-1wt％的多聚赖氨酸水溶液或浓度为0.01-1wt％的3-氨丙基三乙氧基硅烷的异丙醇溶液；优选地，所述多聚赖氨酸水溶液的浓度为0.1-0.5wt％；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：/n1)制备碳纳米管分散液并调节至pH值大于7；/n2)在衬底表面自组装多聚赖氨酸分子层或3-氨丙基三乙氧基硅烷分子层；/n3)将步骤1)得到的碳纳米管分散液滴涂到步骤2)得到的衬底上，碳纳米管分散液均匀覆盖整个衬底，静置沉积，回收未沉积的碳纳米管分散液；/n4)清洗步骤3)得到的衬底，吹干，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)制备碳纳米管分散液并调节至pH值大于7；
2)在衬底表面自组装多聚赖氨酸分子层或3-氨丙基三乙氧基硅烷分子层；
3)将步骤1)得到的碳纳米管分散液滴涂到步骤2)得到的衬底上，碳纳米管分散液均匀覆盖整个衬底，静置沉积，回收未沉积的碳纳米管分散液；
4)清洗步骤3)得到的衬底，吹干，即得。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1)中，所述碳纳米管分散液是通过包括以下步骤的方法制备的：
将碳纳米管粉末与表面活性剂的水溶液混合，经超声分散，离心纯化得到碳纳米管的分散液；
优选地，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、脱氧胆酸钠、胆酸钠和脱氧核糖核苷酸中的一种或多种。
优选地，所述碳纳米管分散液中表面活性剂的浓度为0.05-1wt％；更优选地为0.1-0.5wt％。
优选地，所述碳纳米管分散液中碳纳米管的浓度为0.01μg/mL-4mg/mL；更优选地为1μg/mL-100μg/mL。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1)中，用于调节碳纳米管分散液pH值的溶液选自以下的一种或多种：
NaHCO3溶液、Na2CO3溶液、NaOH溶液、KOH溶液及其与NaCl的混合溶液。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1)中，所述碳纳米管分散液的pH为8-12；优选地为9-10。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤2)中，所述衬底选自刚性衬底或柔性衬底；
优选地，所述刚性衬底选自硅片、石英片、砷化镓片...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏威，刘华平，魏小均，周维亚，解思深，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11