CN101293629B - 碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法，该方法包括：制备芯片，该芯片包括一对平行电极和平行电极之间的若干个浮点电极；将碳纳米管和/或纳米线溶于有机溶剂中，并进行超声分散，制得碳纳米管和/或纳米线的悬浮液；将芯片浸没于所述悬浮液中，在上述电极上施加交流电或直流电；取出芯片，吹干，在浮点电极之间获得两根或多根碳纳米管和/或纳米线的的分叉结构。本发明利用交变电场或交变的感应电场获得Y或T形的分叉结构，其可控性好、方法简单、效率高；同时，由于所获的分叉结构与电极相连，可以在同一芯片上原位实现分叉结器件或结器件阵列，为纳电子器件提供新的集成方法。

Description

碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法
技术领域
本发明是关于碳纳米管的加工方法，具体地说，是关于碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法。
背景技术
碳纳米管和半导体纳米线可用于纳电子器件的新型纳米材料。近年来，已经成功研制了基于碳纳米管或半导体纳米线各种新颖纳电子器件，其中最突出是结器件(分子结或纳米线异质器件)。为了将碳纳米管或半导体纳米线制成纳米尺度的结器件，可选用Y形或T形分叉结构的碳纳米管或半导体纳米线，利用Y形或T形分叉结构中各分支上碳纳米管或纳米线的不同电学特性，可构筑具有整流特性的结器件，甚至有报道将单个Y形分叉结构的碳纳米管构建逻辑门，由于该类型器件尺寸小，而且具有可集成的优势，甚受研究人员的关注。
目前，制备碳纳米管和纳米线Y形分叉结构主要是通过直接化学合成获得，方法主要有三：(1)通过化学气相沉积(CVD)制备Y形碳纳米管或半导体纳米线(B.C.Satishkumar etal.，Applied Physics Letters 77，2530(2000))；(2)利用多孔氧化铝模板，先将氧化铝通道预制成Y形，然后利用电化学沉积获得纳米线，去掉氧化铝即可获得Y形纳米线(Y.Tan et al.，Appl.Phys.Lett.，85，967(2004))；(3)将氧化铝模板和化学气相沉积结合制备Y形碳纳米管(CPapadopoulos et al.，Phys.Rev.Lett.85，3476(2000)；Guowen Meng et al.，PNAS 102，7074(2005))。利用化学气相沉积方法制备Y形结构，其过程是随机、可控性很差；利用氧化铝模板和电化学沉积，由于需要利用氧化-还原反应，因此主要是用于制备金属纳米线，而制备半导体纳米线很困难；将氧化铝模板和化学气相沉积结合，虽然可控性好，但所获得的主要是多壁碳纳米管，结构缺陷较多。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，利用碳纳米管或半导体纳米线在交变电场中的极化现象和电泳力作用，提供了一种碳纳米管或纳米线的分叉结构的制备方法。
本发明的技术方案是：
一种碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法，其步骤包括：
1)制备芯片，该芯片包括一对平行电极和平行电极之间的若干个浮点电极；
2)将碳纳米管和/或纳米线溶于有机溶剂中，并进行超声分散，制得碳纳米管和/或纳米线的悬浮液；
3)将芯片浸没于所述悬浮液中，在上述电极上施加交流电或直流电；
4)取出芯片，吹干，在浮点电极之间获得两根或多根碳纳米管和/或纳米线的的分叉结构。
所述步骤1)中，通过微电子加工工艺中的光刻和剥离技术制备金属电极，平行电极的相对距离为1-10μm，所述步骤1)中，浮点电极的相邻电极距离为200-500nm。
所述有机溶剂为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷。
所述半导体纳米线为：单质元素纳米线或化合物半导体纳米线。
所述碳纳米管为：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或单壁碳纳米管聚集而成的管束。
所述步骤3)中，电极施加交流电，具体施加的交流电的参数范围为VPP＝0.5-25V，频率1-10MHZ。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过设计特定结构的电场，利用交变电场或交变的感应电场获得Y或T形的分叉结构，其可控性好、方法简单、效率高；不仅可以制备碳纳米管，又可制备半导体纳米线的Y或T形分叉结构，或者碳纳米管和半导体纳米线混合的Y或T形分叉结构，且按本发明可获得大量的分叉结构。尤其重要的是，由于所获的分叉结构与电极相连，可以在同一芯片上原位实现分叉结器件或结器件阵列，为纳电子器件提供新的集成方法。
附图说明
图1制备碳纳米管或纳米线分叉结构的复合电极结构示意图；
图2制备碳纳米管或纳米线分叉结构实验装置图；
图3制备碳纳米管或纳米线分叉结构的原理图；
图4分叉结构扫描电极照片：(aY形碳纳米管：(b)T形碳纳米管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
将碳纳米管和/或半导体纳米线分散于有机溶剂中，溶剂包括为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷或去离子水等。在制备Y形的分叉结构之前，溶液需经过长时间超声分散，制得碳纳米管或半导体纳米线均匀分散的悬浮液。所用碳纳米管为：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或碳纳米管管束；半导体纳米线为：单质元素纳米线(Si，Ge)和化合物半导体(GaN、InP、CdS等)纳米线。
为制备Y形碳纳米管和纳米线分叉结构，设计微米尺度的金属电极。电极为平行电极1和浮点电极2的复合结构，即在一相对平行的电极1之间设置若干排圆柱形浮点电极2(如图1)，相邻的两排圆柱形浮点电极2可等间距布置，也可以错开一定的距离，其中：平行电极1之间的间距在10-20μm范围，最近邻的浮点圆柱2之间的间距在2-5μm；两种电极材料均可以为：Ti/Au，Al，电极厚度＞50nm。一旦平行金属电极与信号发生器3连接，即可在圆柱形浮点电极2之间产生藕合的感应电场。金属电极利用光刻和剥离工艺制备，其过程是：甩胶光刻，曝光、显影；然后溅射沉积金属，去胶，即可获得金属电极。芯片衬底为P型重掺杂硅和热氧化生长的二氧化硅(厚度＞100nm)。
将制作的含金属电极的芯片4***小槽5(如图2)，小槽5内盛有含碳纳米管或半导体纳米线的悬浮液6，将芯片4浸没于溶液6。外接导线7与信号发生器3连接，接通信号发生器的电源即可在电极上施加交流电场，从而在圆柱形浮点电极2之间产生交变的感应电场。
在交流电场的作用下，电极之间产生非均匀电场，碳纳米管或半导体纳米线在非均匀电场下发生极化现象，会在碳纳米管或纳米线表面和内部产生瞬态极化所致的正、负电荷，从而使碳纳米管或纳米线因极化形成偶极子，在溶液中形成偶极矩。
除此，当电介质颗粒处于非均匀电场中时均会受到双向电泳力，它不一定要求电介质颗粒带电，任何颗粒在电场中都表现一定的双向电泳特性，故本发明对碳纳米管和纳米线均适用。DEP的强度主要有介质和颗粒的电学特性决定，并且受到颗粒的大小，形状以及电场频率的影响。在交变电流作用下，碳纳米管或纳米线在溶液中因偶极矩和交流电泳力，使其沿着电场梯度下降的方向迅速移向电极或移向已搭接在电极上的碳纳米管的端部上，从而使两根或多根碳纳米管或半导体纳米线形成Y形分叉结构。相连的碳纳米管或半导体纳米线可以形成两个或多个Y形分叉结构(如图3)。
持续施加电场，等待一定时间后，关掉外加电源，取出芯片，吹干即可在圆柱形浮点电极之间获得一定数量的Y形分叉结构。，Y形分叉结构的数量可通过控制交变电场强度、碳纳米管或半导体纳米线溶液的浓度来调节。所用的实验参数是：正弦信号，电压为10V(Vpp)，频率16MHz，施加电压的时间为20分钟。如图4所示为含有Y形(图4a)和T形(图4b)分叉结构碳纳米管的扫描电镜照片。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (5)

1.一种碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法，其步骤包括：
1)制备芯片，该芯片包括一对平行电极和平行电极之间的若干个浮点电极，平行电极的相对距离为1-10μm，浮点电极的相邻电极距离为200-500nm；
2)将碳纳米管和/或半导体纳米线溶于有机溶剂中，并进行超声分散，制得碳纳米管和/或半导体纳米线的悬浮液；
3)将芯片浸没于所述悬浮液中，在上述平行电极上施加交流电，电压VPP＝0.5-25V，频率为1-10MHZ；
4)取出芯片，吹干，在浮点电极之间获得两根或多根碳纳米管和/或半导体纳米线的的分叉结构。
2.如权利要求1所述的碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，通过微电子加工工艺中的光刻和剥离技术制备金属平行电极和平行电极之间的金属浮点电极。
3.如权利要求1所述的碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷。
4.如权利要求1或3所述的碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法，其特征在于，所述半导体纳米线为：单质元素纳米线或化合物半导体纳米线。
5.如权利要求1或3所述的碳纳米管或纳米线分叉结构的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或单壁碳纳米管聚集而成的管束。
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