CN102079507B - 在碳纳米管表面形成缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其包括如下步骤：提供一基底；将至少一第一碳纳米管设置在该基底的一表面；将至少一第二碳纳米管与所述至少一第一碳纳米管交叉且接触设置，所述第二碳纳米管的半径大于所述第一碳纳米管的直径；在该基底的表面沉积一掩膜层，所述掩膜层的厚度大于所述第一碳纳米管的直径且小于所述第二碳纳米管的半径；对沉积有掩膜层的基底进行刻蚀，去除所述第二碳纳米管且在所述第一碳纳米管与所述第二碳纳米管接触的部位形成至少一缺陷。

Description

在碳纳米管表面形成缺陷的方法
技术领域
本发明涉及一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法。
背景技术
碳纳米管由于具有可调控的纳米管腔结构，大的长径比，较好的化学稳定性，及较大的比表面积，因此，可用来作为催化剂载体。所述碳纳米管在作为催化剂载体时，通常需要用一定浓度的氢氟酸浸渍碳纳米管，从而在该碳纳米管表面形成多个缺陷。表面形成有多个缺陷的碳纳米管能够承载更多的催化剂及增大催化剂与被催化的原料之间的接触面积。
然而，通过氢氟酸浸渍的方法所形成的缺陷，在碳纳米管表面的形成位置难以控制，不利于更精确控制催化剂在该碳纳米管上的位置分布。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法，通过该方法能够较精确地控制所述缺陷在碳纳米管表面的形成位置。
一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其包括如下步骤：提供一基底；将至少一第一碳纳米管设置在该基底的一表面；将至少一第二碳纳米管与所述至少一第一碳纳米管交叉且接触设置，所述第二碳纳米管的半径大于所述第一碳纳米管的直径；在该基底的表面沉积一掩膜层，所述掩膜层的厚度大于所述第一碳纳米管的直径且小于所述第二碳纳米管的半径；对沉积有掩膜层的基底进行刻蚀，去除所述第二碳纳米管且在所述第一碳纳米管与所述第二碳纳米管接触的部位形成至少一缺陷。
一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其包括如下步骤：提供一基底；将至少一第一碳纳米管设置在该基底的一表面；将至少一第二碳纳米管搭接在所述第一碳纳米管上，并使该第一碳纳米管与第二碳纳米管交叉设置，定义所述第一碳纳米管被所述第二碳纳米管覆盖的部分为缺陷部，定义所述第二碳纳米管覆盖所述第一碳纳米管的部分为遮盖部；沿垂直于所述基底表面的方向沉积一掩膜层覆盖该第一碳纳米管，且使该掩膜层的厚度大于所述第一碳纳米管的直径且小于所述第二碳纳米管的半径，以使得至少部分遮盖部暴露出所述掩膜层的表面；对暴露出所述掩膜层的遮盖部进行刻蚀以去除所述遮盖部并使所述缺陷部暴露出所述掩膜层的表面；以及对暴露出所述掩膜层表面的缺陷部进行刻蚀，从而在所述缺陷部形成至少一缺陷。
与现有技术相比较，通过选择所述第二碳纳米管与第一碳纳米管的交叉位置，则可精确控制所述缺陷在所述第一碳纳米管的形成位置。因此，本申请所提供的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，能够精确控制该缺陷在碳纳米管表面的形成位置。当用具有该缺陷的第一碳纳米管承载催化剂时，能够精确控制该催化剂在该第一碳纳米管上的位置分布。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的在碳纳米管表面形成缺陷的工艺流程俯视结构示意图。
图2为本发明实施例所提供的在碳纳米管表面形成缺陷的工艺流程侧视结构示意图。
主要元件符号说明
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的在碳纳米管表面形成缺陷的方法。
请参阅图1及图2，本发明实施例提供一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法，该方法包括如下步骤：
S10，提供一基底12；
S20，将一第一碳纳米管14设置在该基底12的一表面；
S30，将一第二碳纳米管16与所述第一碳纳米管14交叉且接触设置，所述第二碳纳米管16的半径大于所述第一碳纳米管14的直径；
S40，在该基底12的表面沉积一掩膜层18，所述掩膜层18的厚度大于所述第一碳纳米管14的直径且小于所述第二碳纳米管16的半径；
S50，对覆盖有掩膜层18的基底进行刻蚀，去除所述第二碳纳米管16且在所述第一碳纳米管14与所述第二碳纳米管16接触的部位形成一缺陷144；以及
S60，去掉所述基底12及掩膜层18，得到表面形成有缺陷144的第一碳纳米管14。
在步骤S10中，所述基底12的形状与材料不限。优选地，所述基底12具有一平面，所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16均承载在该平面上。所述基底12可由绝缘材料形成，也可由非绝缘材料形成，只要能承载所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16即可。在本实施例中，所述基底12为一硅基底。
在步骤S20与步骤S30中，所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16可选用单根的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。定义所述第一碳纳米管14被所述第二碳纳米管16覆盖的部分为缺陷部142，定义所述第二碳纳米管16覆盖所述第一碳纳米管14的部分为遮盖部162，则所述遮盖部162与所述缺陷部142交叉接触设置。所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16可为直线型碳纳米管、曲线型碳纳米管或具有其他形状的碳纳米管。可以理解，当所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16中的一个或两个均为曲线型碳纳米管时，所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16可有多处接触，形成多个接触点。即，所述第一碳纳米管14可具有多个缺陷部142，所述第二碳纳米管16可具有多个遮盖部162用于遮挡所述缺陷部142。当所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16均为直线型单壁碳纳米管时，所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16仅可形成一个接触点。即，所述第一碳纳米管14仅具有一个缺陷部142，所述第二碳纳米管16仅具有一个遮盖部162用于遮挡所述缺陷部142。由于所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16交叉设置，因此，所述第一碳纳米管14的轴向延伸方向与第二碳纳米管16的轴向延伸方向之间的夹角大于0度小于等于90度。优选地，所述第一碳纳米管14的轴向延伸方向与第二碳纳米管16的轴向延伸方向基本垂直。
为描述方便，定义所述第一碳纳米管14的直径为D1，定义所述第二碳纳米管16的直径为D2。所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16的直径D1，D2不限，只要满足D2>2*D1即可。通常，所述第一碳纳米管14的直径D1大致在0.4纳米到25纳米之间，所述第二碳纳米管16的直径D2大致在0.8到50纳米之间。所述第二碳纳米管16的直径D2越大，所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16的接触面积越大，所述缺陷144的面积越大。譬如，当所述第二碳纳米管16的直径D2小于等于10纳米时，所述缺陷144沿第二碳纳米管16的轴向延伸方向上的尺寸小于等于10纳米。则当所述第一碳纳米管14为单壁碳纳米管时，所述第一碳纳米管14可用来制作单电子器件。在本实施例中，所述第一碳纳米管14与所述第二碳纳米管16为大致相互垂直的直线型碳纳米管，所述第一碳纳米管14的直径大致为2.5纳米，所述第二碳纳米管16的直径大致为10纳米。
在步骤S40中，形成所述掩膜层18的材料不限，只要在能够遮盖所述第一碳纳米管14未被所述第二碳纳米管16覆盖的部分，又可在刻蚀过程中不被刻蚀即可。通常地，所述掩膜层18由绝缘材料制成，优选地，所述掩膜层18由不含碳材料的绝缘材料制成。所述绝缘材料包括二氧化硅、氧化铪、氧化铝或其他氧化物。在本实施例中，所述掩膜层18的由二氧化硅制成，该掩膜层18厚度大致为3纳米。形成所述掩膜层18的工艺不限，只要能够使所述掩膜层18沿垂直于所述基底12表面的方向沉积即可。形成所述掩膜层18的工艺选自电子束蒸镀和磁控溅射。
当所述掩膜层18沿垂直于所述基底12表面的方向沉积在所述基底12上时，所述掩膜层18既可沉积在所述基底12，也可沉积在所述第一碳纳米管14与第二碳纳米管16的表面。该掩膜层18的厚度大于所述第一碳纳米管14的直径且小于所述第二碳纳米管16的半径。为描述方便，定义所述掩膜层18的厚度为H。由于H>D1，因此，所述第一碳纳米管14没被所述第二碳纳米管16覆盖的部分将被所述掩膜层18完全覆盖。即，所述第一碳纳米管14中除所述缺陷部142的所有部分均可被所述掩膜层18完全覆盖。
而又由于所述H<D2/2，因此，所述第二碳纳米管16至少部分未被所述掩膜层18覆盖，从而暴露出所述掩膜层18。具体地，定义所述第二碳纳米管16由相互对称的第一部分与第二部分组成，其中，所述第一部分为远离所述基底12的部分，所述第二部分为靠近所述基底12的部分，可以理解，所述第二部分的高度为所述第二碳纳米管16的半径，即，所述第二部分的高度大于所述掩膜层18的厚度。当所述掩膜层18沉积在所述第二碳纳米管16时，所述第一部分的外表面被覆盖，由于第二部分的高度大于所述掩膜层18的厚度，所述第二部分不能完全被所述掩膜层18覆盖，尤其是该第二部分靠近所述第一部分的部分将会暴露出所述掩膜层18。
在步骤S50中，所述对覆盖有掩膜层18的基底12的刻蚀方法不限，只要能够在所述第一碳纳米管14与所述第二碳纳米管16接触的部位，即缺陷部142，形成所述缺陷144即可。通常，所述刻蚀方法为离子刻蚀，如反应离子刻蚀（Reaction-Ion-Etching，RIE）。具体地，可将覆盖有掩膜层18的基底12放置于一微波等离子体***中，该微波等离子体***的一感应功率源可产生氧等离子体、氯等离子体或氩等离子体。等离子体以较低的离子能量从产生区域扩散并漂移至所述基底12表面，由于所述第二碳纳米管16不能完全被所述掩膜层18覆盖而暴露出所述掩膜层18，所述第二碳纳米管16，尤其是该第二碳纳米管16中的第二部分靠近所述第一部分的部分将与所述等离子体产生反应或者被等离子刻蚀。从而所述第二碳纳米管16能够因刻蚀而去掉，所述遮盖部162将也会因刻蚀而去掉。当该遮盖部162被刻蚀后，由该遮盖部162遮盖的缺陷部142将暴露出所述掩膜层18并被所述等离子刻蚀，从而可在所述缺陷部142形成所述缺陷144，即，可得到形成有缺陷144的碳纳米管。
在步骤S60中，去掉所述基底12及掩膜层18的方式不限，只要能够取出表面形成有缺陷144的第一碳纳米管14即可。譬如，可用仅与所述掩膜层18反应而不与所述第一碳纳米管14反应的化学溶液浸泡所述掩膜层18以去掉所述掩膜层18。当所述掩膜层18被去掉后，可采用机械或者其他方式将所述第一碳纳米管14从所述基底12取下来，即可得到表面形成有缺陷144的第一碳纳米管14。当然，由于步骤S60对该缺陷144的形成并不影响，因此，如需要将该第一碳纳米管14固定在该基底12上，此时该步骤可省略。
可以理解，为了获得多个具有该缺陷144的第一碳纳米管14，可在步骤S20中，选择多个第一碳纳米管14设置在所述基底12的表面。优选地，所述多个第一碳纳米管14的直径大致相等。为了在所述第一碳纳米管14且获得多个缺陷144，还在步骤S30中选择多个第二碳纳米管16与所述第一碳纳米管14交叉重叠设置，从而在所述第一碳纳米管14形成多个缺陷部142。优选地，多个第一碳纳米管14平行设置，多个第二碳纳米管16平行设置且垂直于所述第一碳纳米管14。
由于所述缺陷144的沿所述第一碳纳米管14轴向方向的长度基本与所述第二碳纳米管16的直径相当，而所述缺陷144的沿所述第一碳纳米管14径向方向的长度则取决于所述第一碳纳米管14的直径及所述缺陷部142被刻蚀的时间。因此，通过选择具有选定直径的第二碳纳米管16及刻蚀时间，即可控制所述缺陷144的尺寸，如面积，深度。而通过选择所述第二碳纳米管16与第一碳纳米管14的交叉位置，则可控制所述缺陷144在所述第一碳纳米管14上的形成位置。因此，本申请所提供的在第一碳纳米管14表面形成缺陷144的方法，能够精确控制该缺陷144在第一碳纳米管14表面的形成位置与尺寸。当用具有该缺陷144的第一碳纳米管14承载催化剂时，能够精确控制该催化剂在该第一碳纳米管14上的位置分布。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其包括如下步骤：
提供一基底；
将至少一第一碳纳米管设置在该基底的一表面；
将至少一第二碳纳米管与所述至少一第一碳纳米管交叉且接触设置，所述第二碳纳米管的半径大于所述第一碳纳米管的直径；
在该基底的表面沉积一掩膜层，所述掩膜层的厚度大于所述第一碳纳米管的直径且小于所述第二碳纳米管的半径；以及
对沉积有掩膜层的基底进行刻蚀，去除所述第二碳纳米管且在所述第一碳纳米管与所述第二碳纳米管接触的部位形成至少一缺陷。
2.如权利要求1所述的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其特征在于，所述基底为绝缘基底。
3.如权利要求1所述的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其特征在于，所述第一碳纳米管的轴向延伸方向与第二碳纳米管的轴向延伸方向之间的夹角大于0度小于等于90度。
4.如权利要求3所述的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其特征在于，所述第一碳纳米管的轴向延伸方向与第二碳纳米管的轴向延伸方向基本垂直。
5.如权利要求1所述的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其特征在于，所述掩膜层的材料为二氧化硅、氧化铪或氧化铝。
6.如权利要求1所述的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其特征在于，沉积该掩膜层的工艺为电子束蒸镀或磁控溅射。
7.如权利要求1所述的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其特征在于，所述对沉积有掩膜层的基底进行刻蚀的方法为离子刻蚀。
8.如权利要求1所述的在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：去掉所述基底及掩膜层，得到表面形成有缺陷的第一碳纳米管。
9.一种在碳纳米管表面形成缺陷的方法，其包括如下步骤：
提供一基底；将至少一第一碳纳米管设置在该基底的一表面；
将至少一第二碳纳米管搭接在所述第一碳纳米管上，并使该第一碳纳米管与第二碳纳米管交叉设置，定义所述第一碳纳米管被所述第二碳纳米管覆盖的部分为缺陷部，定义所述第二碳纳米管覆盖所述第一碳纳米管的部分为遮盖部；
沿垂直于所述基底表面的方向沉积一掩膜层覆盖该第一碳纳米管，且使该掩膜层的厚度大于所述第一碳纳米管的直径且小于所述第二碳纳米管的半径，以使得至少部分遮盖部暴露出所述掩膜层的表面；
对暴露出所述掩膜层的遮盖部进行刻蚀以去除所述遮盖部并使所述缺陷部暴露出所述掩膜层的表面；以及
对暴露出所述掩膜层表面的缺陷部进行刻蚀，从而在所述缺陷部形成至少一缺陷。
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