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，其包括以下步骤：提供一形成有遮挡层的基底；提供一催化剂蒸发源；沿一旋转轴旋转基底，在基底上形成具有厚度梯度的催化剂薄膜；去除遮挡层，在催化剂薄膜上定义出至少一催化剂区块，该催化剂区块的厚度由其一第一端部向一第二端部逐渐减薄，且在该第一端部至第二端部的范围内有一厚度最接近一最佳厚度；将催化剂区块处理成催化剂颗粒阵列；通入碳源气，利用ＣＶＤ法生长碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离最佳厚度方向弯曲。本发明专利技术通过对催化剂薄膜沉积的控制，可实现碳纳米管阵列局部的多个方向生长。

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管阵列制作方法
本专利技术涉及一种碳纳米管阵列制作方法，尤其是一种方向可控的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。范守善等人在Science 283，512-514(1999)，Self-OrientedRegular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties一文中，以及Z.F.Ren等人在文献Science 282，1105-1107(Nov 6，1992)，Synthesis ofLarge Arrays of Well-Aligned Carbon Nanotubes on Glass一文中均揭露了一种通过催化剂图形(Patterned Catalyst)来控制碳纳米管的生长位置及使其垂直于基底的生长方法。另外，B.Q.Wei等人在文献Nature 416，495-496(Apr 4，2002)，OrganizedAssembly of Carbon Nanotubes一文中揭露了一种可以通过对基底形状的设计来实现碳纳米管在三维基底上生长出垂直于各处表面的生长方向。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，难以满足目前对碳纳米管阵列向各个方向生长之需求。Yuegang Zhang等人在Applied Physics Letters，Vol.79，Number 19，Nov 5，2001，Electric-Field-Directed Growth of Aligned Single-Walled CarbonNanotubes一文中揭露了一种通过电场控制碳纳米管的生长方向的方法，在电场的作用下，可控制碳纳米管沿电场方向生长。但是上述方法中，用电场控制碳纳米管生长方向的方法则会加重器件设计的复杂程度，而且由于电场本身的广域性，难以实现对局部多个生长方向-->的控制。有鉴于此，有必要提供一种碳纳米管阵列的制作方法，其可实现碳纳米管阵列局部多个生长方向的控制。
技术实现思路
下面将以若干实施例说明一种碳纳米管阵列制作方法，其可实现碳纳米管阵列局部多个生长方向的控制。为实现以上内容，提供一种碳纳米管阵列制作方法，其包括以下步骤：提供一具有遮挡层的基底；提供一催化剂蒸发源；沿一旋转轴旋转该基底，在上述基底上形成具有厚度梯度的催化剂薄膜；去除上述遮挡层，在上述催化剂薄膜上定义出至少一催化剂区块，该催化剂区块的厚度由其一第一端部向一第二端部逐渐减薄，且在该第一端部至第二端部的范围内有一厚度最接近一最佳厚度；将上述催化剂区块处理成催化剂颗粒阵列；通入碳源气，利用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，以下简称CVD)在上述催化剂颗粒阵列上生长出碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离上述最佳厚度方向弯曲。优选的，所述旋转轴平行于该基底的其上形成有该催化剂薄膜的平面。所述遮挡层的材质可选用厚膜光刻胶，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。所述催化剂蒸发源包括热蒸发源及电子束蒸发源。所述催化剂蒸发源包括点蒸发源及直线型蒸发源。优选的，所述直线型蒸发源位置设置为与该旋转轴平行。优选的，所述基底是以一匀角速度绕该旋转轴旋转，其旋转周期小于该催化剂薄膜的形成时间。更优选的，所述催化剂薄膜的厚度近似满足公式：T(λ)=T0/2×(1+λ/λ2+h2)---(1)]]>式中，λ为催化剂薄膜某一位置到该遮挡层的距离，T0为若无遮挡层时，旋转基底形成的催化剂薄膜的λ处厚度，h为该遮挡层的高度。-->所述催化剂薄膜可选用铁、钴、镍、及其合金。优选的，所述催化剂区块的尺寸大小为100nm～100μm。所述催化剂区块的第一端部的厚度范围为5～20nm，第二端部的厚度范围为1～10nm。所述催化剂区块的处理方法包括将上述催化剂区块在空气中进行退火。所述最佳厚度的确定方法包括以下步骤：配合一遮挡层在一基底上沉积催化剂，形成一厚度从薄到厚逐渐变化的催化剂薄膜；在预定的CVD条件下生长碳纳米管阵列；用显微镜观测得碳纳米管生长最高的位置；该位置的催化剂薄膜厚度即为该预定条件下的最佳厚度。相对于现有技术，本技术方案所提供的碳纳米管阵列制作方法，不需要外加电场等作用力，通过沿一旋转轴旋转基底，在该基底上形成具有厚度梯度的催化剂薄膜。由于碳纳米管的生长速率与催化剂薄膜厚度相关；催化剂在一最佳厚度(一定CVD条件下，碳纳米管生长速率最快的催化剂厚度，称为最佳厚度)基础上逐渐减薄或增厚，碳纳米管的生长速率均会逐渐减小；因此其可以实现碳纳米管阵列局部生长方向的控制，且工艺简单。所获得的碳纳米管阵列结构可以丰富纳米器件的设计多样性。【附图说明】图1是本专利技术第一实施例中催化剂薄膜沉积过程的示意图。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图形氧化退火后的示意图。图5是本专利技术第一实施例中生长出碳纳米管阵列的示意图。图6是本专利技术第一实施例中生长出碳纳米管阵列的立体示意图。【具体实施方式】下面结合附图将对本专利技术实施例作进一步的详细说明。参见图1，本专利技术第一实施例所提供的碳纳米管阵列制作方法包括以下步骤：(1)提供一基底10，在该基底10上形成有一定厚度的遮挡层40。基底10可以选用硅片、玻璃片、金属片等；本实施例中选用硅片。遮挡层40具有一定高度的垂直遮挡边，该高度即为遮挡层40的厚度，使遮挡层40能遮挡点蒸发-->源20蒸发出来的部分催化剂，从而使获得的催化剂薄膜30的厚度具有一定厚度范围内渐变的梯度。遮挡层40的材质可选用厚膜光刻胶、附着在一牺牲层上的金属或金属氧化物、金属氮化物等。该遮挡层40亦可采用适当厚度的镂空模板，该镂空模板在沉积催化剂时可紧密贴合在基底10上。遮挡层40的形状基本上无特别限制，可选为正方体、长方体或圆柱体等多种形状，本实施例中采用长方体结构。(2)提供一催化剂点蒸发源20。该点蒸发源20位于基底10上方的一定位置处(参见图1)，该蒸发源20的位置设置以该蒸发源20到基底10的距离大于十倍于基底10的尺寸为佳。该蒸发源20可选用具有方向性镀膜的热蒸发源及电子束蒸发源等。(3)沿一旋转轴60旋转基底10，以对基底10进行镀催化剂薄膜。基底10绕旋转轴60旋转的旋转周期小于镀膜时间；以镀膜时间大于十倍于该旋转周期为佳。本实施例中，为便于精确控制催化剂薄膜30的厚度梯度，设定该基底10以匀角速度ω绕旋转轴60旋转。该旋转轴60与基底10的镀催化剂薄膜的平面可成一定夹角β，该夹角范围为0≤β＜90°。优选的，该夹角β＝0°，也即旋转轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管阵列制作方法，其包括以下步骤：提供一形成有一遮挡层的基底；提供一催化剂蒸发源；沿一旋转轴旋转该基底，在上述基底上形成具有厚度梯度的催化剂薄膜；去除上述遮挡层，在上述催化剂薄膜上定义出至少一催化剂区 块，该催化剂区块的厚度由其一第一端部向一第二端部逐渐减薄，且在该第一端部至第二端部的范围内有一厚度最接近一最佳厚度；将上述催化剂区块处理成一催化剂颗粒阵列；通入碳源气，利用化学气相沉积法在上述催化剂颗粒阵列上生长出碳纳米管阵 列，该碳纳米管阵列向背离上述最佳厚度方向弯曲。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管阵列制作方法，其包括以下步骤：提供一形成有一遮挡层的基底；提供一催化剂蒸发源；沿一旋转轴旋转该基底，在上述基底上形成具有厚度梯度的催化剂薄膜；去除上述遮挡层，在上述催化剂薄膜上定义出至少一催化剂区块，该催化剂区块的厚度由其一第一端部向一第二端部逐渐减薄，且在该第一端部至第二端部的范围内有一厚度最接近一最佳厚度；将上述催化剂区块处理成一催化剂颗粒阵列；通入碳源气，利用化学气相沉积法在上述催化剂颗粒阵列上生长出碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列向背离上述最佳厚度方向弯曲。2.如权利要求1所述的碳纳米管阵列制作方法，其特征在于所述旋转轴平行于该基底的其上形成有该催化剂薄膜的平面。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的材质可选用厚膜光刻胶，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。4.如权利要求1所述的碳纳米管阵列制作方法，其特征在于所述催化剂蒸发源包括热蒸发源及电子束蒸发源。5.如权利要求1所述的碳纳米管阵列制作方法，其特征在于所述催化剂蒸发源包括点蒸发源及直线型蒸发源。6.如权利要求5所述的碳纳米管阵列制作方法，其特征在于所述直线型蒸发源位置设置为与该旋转轴平行。7.如权利要求1所述的碳纳米管阵列制作方法，其特征在于所述基底是以一匀角速度绕该旋转轴...

【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]