单壁碳纳米管水平阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种单壁碳纳米管水平阵列的制备方法，包括：S1，在单晶基底上加载催化剂前驱体，预氧化处理后得到适合生长碳纳米管的单晶基底，并放置于气相沉积设备中；S2，向所述化学气相沉积设备中通入惰性气体及氢气形成保护氛围；及S3，将反应物料通过喷淋方式均匀地喷出，其中喷淋方向垂直于所述单晶基底的生长表面。本发明专利技术的制备方法通过喷淋方式垂直喷射将反应物料引入气相沉积设备，从而形成相对均一稳定的气流并均匀作用到反应基底表面，有助于提高碳纳米管阵列的均匀性，因而制备的单壁碳纳米管水平阵列结晶性优异，水平阵列面积可达3.24cm2，平均密度可达20～40根/微米，同时制备方法具有稳定、可控、易放大等特点。易放大等特点。易放大等特点。

【技术实现步骤摘要】
单壁碳纳米管水平阵列及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳纳米管制备
，更具体地，涉及一种大面积高密度单壁碳纳米管水平阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]自1993年单壁碳纳米管被发现以来，凭借其独特的结构和优异的性质，单壁碳纳米管在诸多应用领域受到了人们的广泛关注。作为一维狄拉克材料，碳纳米管的电学性能尤为突出，其电子和空穴有效质量为零，因而表现出极高的载流子迁移率，且其中的电子运输表现出弹道输运特性，因此碳纳米管被认为是“后摩尔时代”的微纳电子器件中最具潜力的明星材料之一，有望打破传统芯片行业中硅晶体管运行速度和性能优化均已接近物理极限的桎梏，取代半导体硅从而使摩尔定律得以延续。
[0003]碳纳米管水平阵列是整齐排列于平整基底表面的一种碳纳米管集成类型，其制备方法包括直接生长法和后处理法，直接生长的水平阵列式碳纳米管具有更低的结构缺陷浓度和更优的电、力、热学性能；而后处理法往往会削弱碳纳米管的品质，导致碳纳米管长度削减，造成表面污染且可能破坏水平阵列完整性等。与其他碳纳米管存在形式和处理方式相比，直接生长的碳纳米管水平阵列表现出更高的研究和应用价值。
[0004]碳纳米管水平阵列在场效应晶体管等领域的应用对其半导体纯度和密度等指标提出了十分严苛的要求。碳纳米管的研究时至今日已有诸多优秀的工作实现了高密度碳纳米管水平阵列的直接制备，局域密度可高达130根/μm，已满足2012年IBM研究中心提出的125根/μm的目标，且利用碳纳米管代替半导体硅构筑场效应晶体管甚至是计算机原型的尝试也在近几年来不断实现突破。但是，尽管目前已报道的直接生长法获得的碳纳米管水平阵列密度已经满足了电子学应用的基本要求，然而这仅仅是局域水平的达标，其整体的密度不均匀性和相对较小的碳纳米管水平阵列尺寸都在制约着碳纳米管基场效应晶体管走向真正的产业化应用。因此，如何能够直接生长出大面积，乃至晶圆级，高质量、高密度、均匀化的碳纳米管水平阵列是决定碳纳米管在微纳电子学领域实际应用价值的关键所在。

技术实现思路

[0005]为克服上述缺陷，本专利技术提供一种单壁碳纳米管水平阵列的制备方法及该方法制备的单壁碳纳米管水平阵列。
[0006]本专利技术一方面提供一种单壁碳纳米管水平阵列的制备方法，包括：S1，在单晶基底上加载催化剂前驱体，预氧化处理后得到适合生长碳纳米管的单晶基底，并放置于气相沉积设备中；S2，向所述化学气相沉积设备中通入惰性气体及氢气形成保护氛围；及S3，将反应物料通过喷淋方式均匀地喷出，其中喷淋方向垂直于所述单晶基底的生长表面。
[0007]根据本专利技术的一实施方式，所述单晶基底为单晶氧化铝基底或者单晶石英基底，所述单晶基底的生长表面的面积为0.24～3.24cm2。
[0008]根据本专利技术的另一实施方式，所述催化剂前驱体为含有Fe、Co、Ni、Cu、Au、Mo和W离
子的盐溶液的一种或多种，通过旋涂加载到所述单晶基底的生长表面。
[0009]根据本专利技术的另一实施方式，所述预氧化处理为将加载所述催化前驱体的单晶基底在500℃～1100℃下恒温加热0.5～8小时，随后按照一定的降温速率可控地降至室温。
[0010]根据本专利技术的另一实施方式，所述惰性载气选自氮气、氩气、氪气和氙气中的一种或多种，所述惰性载气的流量为50sccm～1000sccm，氢气的流量为50sccm～400sccm。
[0011]根据本专利技术的另一实施方式，所述碳源选自烃、醇、醚、酮、酚和一氧化碳中的一种或多种。
[0012]根据本专利技术的另一实施方式，所述碳源在750℃～950℃的高温区裂解。
[0013]根据本专利技术的另一实施方式，所述喷淋方式为通过喷淋头将经高温裂解的碳源气体喷出，所述喷淋头出口距离所述单晶基底的生长表面的距离为2mm～27mm。
[0014]本专利技术另一方面还提供一种通过上述方法制备的单壁碳纳米管水平阵列。
[0015]本专利技术的制备方法通过喷淋方式将反应物料引入气相沉积设备。在传统的水平化学气相沉积体系中，碳源分子通过扩散的方式进入基底气流粘滞层，由于催化剂附近的碳源浓度和气相中存在偏差，所以催化剂利用效率较低，而本专利技术的喷淋体系改变了气相碳源的引入模式，使其通过喷淋方式垂直喷射而出，形成相对均一稳定的气流并均匀作用到反应基底表面，从而保证了基底表面的碳源浓度和气相碳源浓度基本一致，因此可以提升生长区的气体混合均匀度，有助于提高碳纳米管阵列的均匀性，因而制备的单壁碳纳米管水平阵列结晶性优异，水平阵列面积可达3.24cm2，平均密度可达20～40根/微米，同时制备方法具有稳定、可控、易放大等特点。利用该制备方法，通过筛选合适的催化剂与基底，有望实现高密度半导体性碳纳米管水平阵列的规模化制备，因此具有广阔的应用前景。
附图说明
[0016]图1是实施例1的喷淋化学气相沉积设备的示意图。
[0017]图2是实施例1的α
‑
Al2O3基底初始表面形貌AFM照片及退火后的表面AFM照片。
[0018]图3是实施例1中的10mm
×
12mm尺寸的α
‑
Al2O3单晶基底的光学照片及在该单晶基底上不同区域生长单壁碳纳米管水平阵列的SEM照片。
[0019]图4是实施例1中10mm
×
12mm尺寸的α
‑
Al2O3单晶基底上单壁碳纳米管水平阵列的SEM照片。
[0020]图5是实施例1中10mm
×
12mm尺寸的α
‑
Al2O3基底上单壁碳纳米管水平阵列的AFM照片。
[0021]图6是实施例1中拉曼光谱表征α
‑
Al2O3基底上单壁碳纳米管水平阵列所实际测量的区域分布示意图及该基底不同区域生长的单壁碳纳米管水平阵列的拉曼光谱图。
[0022]图7是实施例2中用SEM表征α
‑
Al2O3基底上单壁碳纳米管水平阵列所实际测量的区域分布示意图及该基底不同区域单壁碳纳米管水平阵列形貌的SEM照片。
[0023]图8是实施例3中用SEM表征α
‑
Al2O3基底上单壁碳纳米管水平阵列所实际测量的区域分布示意图及该基底不同区域单壁碳纳米管水平阵列形貌的SEM照片。
[0024]图9是实施例4中4mm
×
6mm尺寸α
‑
Al2O3基底上单壁碳纳米管水平阵列的SEM照片。
[0025]图10是实施例5中15mm
×
15mm尺寸α
‑
Al2O3基底上单壁碳纳米管形貌所实际测量的区域分布示意图的SEM表征。
[0026]图11是实施例6中18mm
×
18mm尺寸α
‑
Al2O3基底上单壁碳纳米管形貌所实际测量的区域分布示意图的SEM表征。
具体实施方式
[0027]下面结合实施例对本专利技术作进一步描述说明，但本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单壁碳纳米管水平阵列的制备方法，其特征在于，包括：S1，在单晶基底上加载催化剂前驱体，预氧化处理后得到适合生长碳纳米管的单晶基底，并放置于气相沉积设备中；S2，向所述化学气相沉积设备中通入惰性气体及氢气形成保护氛围；及S3，将反应物料通过喷淋方式均匀地喷出，其中喷淋方向垂直于所述单晶基底的生长表面。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单晶基底为单晶氧化铝基底或者单晶石英基底，所述单晶基底的生长表面的面积为0.24～3.24cm2。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂前驱体为含有Fe、Co、Ni、Cu、Au、Mo和W离子的盐溶液的一种或多种，通过旋涂加载到所述单晶基底的生长表面。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理为将加载所述催化前驱体的单晶基底在500℃～110...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦，林德武，谢颖，刘伟铭，钱柳，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：