TWI660909B - 奈米碳管的製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種奈米碳管的製備方法，包括以下步驟：提供一基底，在所述基底的表面沈積一催化劑層；將所述基底設置於一反應爐內，加熱使反應爐內溫度達到一預定溫度，向反應爐內通入一碳源氣體及一保護氣體，以在該基底上生長第一奈米碳管片段結構，所述第一奈米碳管片段結構包括複數金屬性奈米碳管片段；對生長的第一奈米碳管片段結構施加一電場，該電場方向為給催化劑層充正電荷的方向；及反轉電場方向，從該金屬性奈米碳管片段生長出半導體性奈米碳管片段。

Description

奈米碳管的製備方法
本發明涉及奈米碳管手性的技術領域，特別涉及一種奈米碳管的製備方法。
奈米碳管由於具有高的楊氏模量和抗拉強度、高的熱導率等優良的特性而受到廣泛的關注。
傳統的化學氣相沈積方法製備出的單壁奈米碳管中，金屬性奈米碳管和半導體性奈米碳管所占比例約為1：2。為了能夠得到純度更高的半導體性奈米碳管，在過去的二十年中，經過不斷研究奈米碳管的熱力學和動力學理論，人們已經能夠通過CVD法生長出純度達到97%的半導體性奈米碳管。
然，想要直接生長出純度更高的半導體性奈米碳管仍無法實現。 同時，先前技術中奈米碳管在生長時無法任意改變奈米碳管的手性，即奈米碳管無法在生長過程中根據需要形成半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段交替的奈米碳管。同時，要想將上述半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段交替的奈米碳管應用於奈米碳管結構及奈米碳管結構的應用中也無法實現，如薄膜電晶體、光電探測器、光電轉換模組等。
有鑒於此，提供一種能夠控制手性的奈米碳管的製備方法實為必要。
一種奈米碳管的製備方法，包括以下步驟：提供一基底，在所述基底的表面沈積一催化劑層；將所述基底設置於一反應爐內，加熱使反應爐內溫度達到一預定溫度，向反應爐內通入一碳源氣體及一保護氣體，以在該基底上生長第一奈米碳管片段結構，所述第一奈米碳管片段結構包括複數金屬性奈米碳管片段；對生長的第一奈米碳管片段結構施加一電場，該電場方向為給催化劑層充正電荷的方向；及反轉電場方向，從該金屬性奈米碳管片段生長出半導體性奈米碳管片段。
一種奈米碳管的製備方法，包括以下步驟：提供一基底，在所述基底的表面沈積一催化劑層；將所述基底設置於一反應爐內，加熱使反應爐內溫度達到一預定溫度，向反應爐內通入一碳源氣體及一保護氣體，以在該基底上生長第一奈米碳管片段結構，所述第一奈米碳管片段結構包括複數金屬性奈米碳管片段；對生長的第一奈米碳管片段結構施加一脈衝電場，所述脈衝電場是由正向電場和負向電場多次交替形成的週期性電場。
一種奈米碳管的製備方法，包括以下步驟：提供一催化劑層，在催化劑層表面生長第一奈米碳管片段結構；對生長的第一奈米碳管片段結構施加一電場，該電場方向為給催化劑層充電荷的方向；及反轉電場方向，電場為催化劑層充電荷的電性改變，從該第一奈米碳管片段結構生長出與第一奈米碳管片段結構手性不同的第二奈米碳管片段結構。
相較於先前技術，本發明提供的奈米碳管的製備方法，通過對生長的奈米碳管施加電場並反轉電場方向，可相應改變奈米碳管的手性，從而可直接生長得到手性一致的奈米碳管，如純半導體性奈米碳管或純金屬性奈米碳管；通過調節電場的脈衝寬度還可進一步獲得複數半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段交替的奈米碳管形成的陣列。
11、56、63‧‧‧基底
12‧‧‧催化劑層
13‧‧‧反應爐
14‧‧‧碳源氣體
15‧‧‧保護氣體
16、34、42、51、64、74‧‧‧奈米碳管結構
20‧‧‧奈米碳管陣列
30、40‧‧‧薄膜電晶體
31、41‧‧‧絕緣基底
32、46‧‧‧閘極
33‧‧‧閘極絕緣層
35、43‧‧‧源極
36、44‧‧‧汲極
341、342、421、422、641、642‧‧‧金屬性奈米碳管片段
343、423‧‧‧半導體性奈米碳管片段
45‧‧‧絕緣層
50‧‧‧光電探測器
52、65‧‧‧第一電極
53、66‧‧‧第二電極
54‧‧‧電流檢測裝置
55‧‧‧電源
60、70‧‧‧光電轉換裝置
61、71‧‧‧光電轉換模組
62、72‧‧‧覆蓋結構
643‧‧‧半導體性奈米碳管片段
643a‧‧‧遮蓋區域
643b‧‧‧非遮蓋區域
圖1為本發明第一實施例提供的奈米碳管的製備方法的流程圖。
圖2為本發明第一實施例提供的電場控制奈米碳管手性的示意圖
圖3為本發明第一實施例提供的奈米碳管在施加反轉電場前後的掃描電鏡圖。
圖4為本發明提供的脈衝電場電壓隨時間變化的示意圖。
圖5為本發明提供的脈衝寬度為500ms時奈米碳管手性隨電場變化的示意圖。
圖6為本發明提供的脈衝寬度大於500ms時奈米碳管手性隨電場變化的示意圖。
圖7為本發明提供的脈衝寬度為100ms時奈米碳管結構的掃描電鏡圖。
圖8為本發明提供的脈衝寬度為10s時奈米碳管結構的掃描電鏡圖。
圖9為本發明第二實施例提供的奈米碳管陣列的結構示意圖。
圖10為本發明第三實施例提供的薄膜電晶體的結構示意圖。
圖11為本發明第三實施例提供薄膜電晶體的測試結果圖。
圖12為本發明第四實施例提供的薄膜電晶體的結構示意圖。
圖13為本發明第五實施例提供的光電探測器的結構示意圖。
圖14為本發明第六實施例提供的光電轉換裝置的結構示意圖。
圖15為本發明第六實施例提供的光電轉換裝置的剖面示意圖。
圖16為本發明第七實施例提供的光電轉換裝置的結構示意圖。
下面將結合具體實施例，對本發明提供的奈米碳管手的方法製備及通過該方法得到的奈米碳管結構、採用該奈米碳管結構製備的薄膜電晶體、光電探測器、光電轉換裝置作進一步詳細說明。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種奈米碳管的製備方法，其包括以下步驟：步驟S11，提供一基底11，在所述基底11的表面沈積一催化劑層12；步驟S12，將所述基底11設置於一反應爐13內，加熱使反應爐內溫度達到一預定溫度，向反應爐13內通入一碳源氣體14及一保護氣體15，以在該基底11上生長奈米碳管片段結構16，該奈米碳管片段結構16包括複數奈米碳管片段；步驟S13，對生長的奈米碳管片段結構16施加一電場，電場的方向為給催化劑層充正電荷的方向，反轉電場方向，從該奈米碳管片段中長出半導體性奈米碳管片段。
在步驟S11中，所述基底11用於生長奈米碳管，該基底11的材料可為矽、玻璃、石英等。本實施例中，所述基底11為ST切單晶石英管。
所述催化劑層12可選用催化劑粉末層。所述催化劑層12的材料滿足能夠生長出單壁奈米碳管即可。具體地，該催化劑粉末層的材料可選用金屬鐵粉、金屬鐵網、金屬鎳粉、金屬鎳網及氧化鋁和金屬鐵的粉末混合物等。所述催化劑層12可採用電子束沈積、蒸鍍或濺射等方法形成於該基底11的表面上。 本實施例中，所述催化劑層12為顆粒直徑為0.2奈米的金屬鐵粉層，該催化劑層12通過電子束沈積形成於所述基底11的表面上。
在步驟S12中，將所述基底11置於反應爐內，反應爐內加熱達到的預定溫度可為800~960攝氏度，優選地，該預定溫度為900~950攝氏度。本實施例中，反應爐內預定溫度為950攝氏度。
所述碳源氣體14可為一氧化碳，或碳氫化合物如乙炔、甲烷、乙烷、乙烯等，所述保護氣體15可選用氫氣、氮氣或惰性氣體。所述碳源氣體和保護氣體通入的流量比例可根據碳源氣體的種類及需要進行調節。本實施例中，所述碳源氣體14為甲烷，所述保護氣體15為氫氣，H2和CH4分別以流量為500sccm和200sccm通入10分鐘，再改為H2的流量為5sccm和CH4的流量為2sccm繼續通入以促使生長奈米碳管片段結構16。
當然，生長所述奈米碳管片段結構16的方法不限於上述步驟S11-S12中的生長方法，如鐳射蒸發法、鐳射燒蝕法等。所述奈米碳管片段結構16包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段通過陣列方式分佈，且該複數奈米碳管片段基本沿同一方向延伸。其中，所述奈米碳管片段結構16中奈米碳管片段的密度大於3根/μm，以保證奈米碳管片段在生長過程中，奈米碳管片段的手性可以通過電場進行更有效地控制。本實施例中，所述奈米碳管片段結構16中奈米碳管片段呈水準陣列排布，奈米碳管片段的密度為6根/μm。所述複數奈米碳管片段可以是底端生長也可以是頂端生長，具體地，底端生長時，所述催化劑層12黏附於所述基底表面，奈米碳管片段在催化劑層的表面析出並向遠離基底的表面生長；頂端生長時，奈米碳管片段是在催化劑層12的下表面析出，催化劑層中的催化劑顆粒被奈米碳管片段從基底表面抬起。所述奈米碳管片段結構16包括複數金屬性奈米碳管片段。所述奈米碳管片段結構16中的奈米碳管片段為單壁奈米碳管，該單壁奈米碳管的直徑小於2奈米。優選地，該單壁奈米碳管的直徑為1.2奈米-1.5奈米。本實施例中，所述奈米碳管片段結構16為半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段的混合結構，且半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段的比例約為2：1。
在步驟S13中，對所述奈米碳管片段結構16施加的電場可為直流電場。設定電場的方向滿足給催化劑層充正電荷時為正向，設定電場的方向反 轉後為負向，且該負向電場為催化劑層充負電荷。當然，電場方向與奈米碳管片段生長方向垂直時，電場並不能給催化劑充電。請參閱圖2，圖中s指半導體性，m指金屬性，E指施加的電場。當施加正向電場時，奈米碳管片段在生長過程中手性保持不變，即金屬性奈米碳管片段仍保持為金屬性奈米碳管片段，半導體性奈米碳管片段仍保持為半導體性奈米碳管片段。電場方向從正向到負向的變化使得生長出來的奈米碳管片段的手性發生改變。具體地，電場正向到電場負向的一次改變使奈米碳管片段在電場改變後生長出的奈米碳管片段基本變為半導體性奈米碳管片段，即由原金屬性的奈米碳管片段長出半導體性奈米碳管片段，原半導體性的奈米碳管則還是保持半導體性繼續生長。也就是說，通過施加反轉後的電場，可以使得所述奈米碳管片段結構16中新生長的奈米碳管片段變為純半導體性奈米碳管片段。這是由於電場由正向變為負向時，電場給催化劑充負電量增大，使得催化劑的費米能級升高，費米能級越高，奈米碳管片段從金屬性轉變為半導體性的過程越容易控制。優選地，催化劑的費米能級升高值大於等於0.7eV。優選地，催化劑的費米能級升高值等於1eV。
可選擇地，當電場由負向變為正向時，奈米碳管片段在生長過程中手性也會發生變化。具體地，奈米碳管片段在生長過程中先施加負向電場，在此過程中奈米碳管片段的手性保持不變。當電場方向從負向變為正向時，奈米碳管片段在電場改變後生長出的奈米碳管片段基本變為金屬性奈米碳管片段，即原金屬性的奈米碳管片段仍為金屬性奈米碳管片段，原半導體性的奈米碳管片段則長出金屬性奈米碳管片段。這是由於電場由負向變為正向時，電場給催化劑充正電量增大，使得催化劑的費米能級降低，費米能級越低，奈米碳管片段從半導體性轉變為金屬性的過程越容易控制。優選地，催化劑的費米能級降低值小於等於-0.1eV。優選地，催化劑的費米能級降低值小於等於-0.2eV。
在對所述奈米碳管片段結構16施加正向電場時，正向電場的施加時間不能過短，以使得奈米碳管片段有足夠的時間處於正向電場的生長環境中。 具體地，該正向電場的施加時間不少於2s。正向電場的電場強度大於等於200v/mm。電場從正向反轉時，奈米碳管片段的電場環境發生強烈改變，從而直接影響奈米碳管片段的手性。又由於給催化劑充負電荷後，生長半導體性奈米碳管的吉布斯自由能小於生長金屬性奈米碳管的吉布斯自由能，當電場從正向反轉為負向後，金屬性奈米碳管片段繼續生長出的奈米碳管片段的手性會基本變為半導體性。其中，所述奈米碳管片段結構16經電場反轉後半導體性奈米碳管片段的比例與施加負向電場的時間有關。當反轉後負向電場的施加時間小於200ms時，金屬性奈米碳管片段在新生長出的奈米碳管片段中會有部份奈米碳管片段由金屬性變為半導體性，這是由於負向電壓施加的時間過短，從而使得部份奈米碳管片段的手性仍保持為金屬性。當反轉後負向電場的施加時間大於200ms時，所述奈米碳管片段結構16中新生長出的奈米碳管片段的手性均為半導體性。請參閱圖3，圖為奈米碳管在施加反轉電場前後的掃描電鏡圖。其中，亮白條為金屬性奈米碳管片段，暗黑條為半導體性奈米碳管片段。施加在奈米碳管的電場參數為：正向電場的施加時間為20s，正向電場的電場強度為200v/mm，負向電場的施加時間為500ms，負向電場的電場強度為-200v/mm。
進一步，通過對所述奈米碳管片段結構16還施加脈衝電場還可以多次改變奈米碳管的手性。請參閱圖4，脈衝電場是由正向電場和負向電場多次交替形成的具有週期性的電場。其中，脈衝電場的週期T為正向電場和負向電場經過一次交替的時間。所述奈米碳管片段結構16中奈米碳管片段的手性可根據調節負向電場脈衝的脈衝時間及電場方向而進行控制。
具體地，請參閱圖4，當所述負向電場脈衝時間小於200ms時，電場方向由正向變為負向時，部份金屬性奈米碳管片段生長出的新的奈米碳管片 段的手性會變為半導體性，半導體性奈米碳管片段的手性保持不變，而電場方向由負向變為正向時，奈米碳管片段的手性保持不變。請參閱圖5，當所述負向電場脈衝時間大於200ms小於等於500ms時，電場方向由正向變為負向時，生長出的新的奈米碳管片段的手性均為半導體性，而電場方向由負向變為正向時，奈米碳管片段的手性保持不變。進一步，通過上述條件下得到的奈米碳管片段結構可通過去除開頭部份含有金屬性奈米碳管的片段而變為純半導體性奈米碳管。請參閱圖6，當所述負向電場脈衝時間大於500ms時，電場方向由正向變為負向時，生長出的新的奈米碳管片段的手性均為半導體性，而電場方向由負向變為正向時，生長出的新的奈米碳管片段的手性均為金屬性奈米碳管片段，這是由於施加的負向電場脈衝時間變長，催化劑層充的電荷會自發放電，負電荷減少，此時電場由負向變為正向時，會使催化劑顆粒充足夠的正電荷，導致奈米碳管由半導體性變成金屬性。也就是說，當脈衝寬度大於500ms時，隨著施加脈衝電場時間的增加，所述奈米碳管片段結構16在生長過程中，奈米碳管片段的手性會不斷改變，即生長的單根奈米碳管中會有金屬性奈米碳管片段和半導體性奈米碳管片段交替出現。進一步，當新生長出的奈米碳管片段的手性為金屬性時，維持電場方向不變，則新生長的奈米碳管片段的手性也會保持為金屬性，這時將金屬性奈米碳管片段之前的奈米碳管片段去掉則可得到純金屬性奈米碳管。請參閱圖7，當脈衝週期為20s時，負向電場脈衝的脈衝寬度為100ms時，奈米碳管結構的掃描電鏡圖，圖中亮白條為金屬性奈米碳管片段，淺白條為半導體性奈米碳管片段。請參閱圖8，當脈衝週期為20s時，負向電場脈衝的脈衝寬度為10s時，奈米碳管結構的掃描電鏡圖，所述奈米碳管結構是由複數半導體性和金屬***替的奈米碳管形成的陣列。
本發明提供的奈米碳管的製備方法，通過對生長的奈米碳管施加電場並反轉電場方向，可相應改變奈米碳管的手性，從而可直接生長得到手性 可控的奈米碳管，如純半導體性奈米碳管；通過調節負向電場脈衝的脈衝時間及電場方向還可進一步獲得由複數半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段交替形成的奈米碳管。
請參閱圖9，本發明第二實施例提供一種通過上述方法製備得到的奈米碳管陣列20，該奈米碳管陣列20包括複數奈米碳管，每根奈米碳管包括至少一半導體性奈米碳管片段(S)和一金屬性奈米碳管片段(M)。所述複數奈米碳管呈陣列式分佈。所述每根奈米碳管中相鄰的半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段通過肖特基勢壘連接。
所述奈米碳管是由半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段組成。所述每根奈米碳管的結構可由一段半導體性奈米碳管片段和一段金屬性奈米碳管片段連接組成，且所述半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段之間通過肖特基勢壘連接。所述每根奈米碳管的結構也可由複數半導體性奈米碳管片段和複數金屬性奈米碳管片段組成，且半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段是交替排列，相鄰的半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段是通過肖特基勢壘連接。具體地，如圖9中，(a)-(e)為所述奈米碳管陣列20的多種結構類型，該奈米碳管的結構可為M-S-M型奈米碳管，也可為S-M-S型奈米碳管，或S-M混合型奈米碳管。所述複數奈米碳管中，奈米碳管的手***替改變的每個週期基本是一致的。在這裡基本一致是指在實際生產過程中，由於每根奈米碳管的生長速度略有差異，在電場方向改變時，每根奈米碳管的長度略有不同，從而使得奈米碳管的手性發生變化時，相同手性的奈米碳管片段的長度也略有差別，因此，在奈米碳管的手***替改變一次的週期內，奈米碳管片段的長度也略有差別。所述奈米碳管中每個半導體性奈米碳管片段或每個金屬性奈米碳管片段的長度可以通過改變電場施加時間進行調節。所述奈米碳管陣列20中奈米碳管為單壁奈米碳管，該單壁奈米碳管的直徑小於2奈米。優 選地，該單壁奈米碳管的直徑為1.2奈米-1.5奈米。本實施例中，每根奈米碳管是由複數半導體性奈米碳管片段和複數金屬性奈米碳管片段交替組成，且每根奈米碳管的直徑為1.3奈米。
本發明提供的奈米碳管陣列，由於該奈米碳管陣列中單根奈米碳管均包括金屬性奈米碳管片段和半導體性奈米碳管片段，相當於導電結構和半導體結構連接為一整體結構，使得該奈米碳管陣列具有廣闊的應用前景。
請參閱圖10，本發明第三實施例提供一種薄膜電晶體30，包括一絕緣基底31、閘極32、一閘極絕緣層33、一奈米碳管結構34、一源極35及一汲極36。所述奈米碳管結構34包括至少一根奈米碳管，該奈米碳管的兩端為金屬性奈米碳管片段341、342，中間為半導體性奈米碳管片段343。所述閘極32設置於所述絕緣基底31的表面。所述閘極絕緣層33設置於所述閘極32遠離所述絕緣基底31的表面。所述奈米碳管結構34設置於所述閘極絕緣層33遠離所述閘極32的表面。所述源極35、汲極36分別設置於所述奈米碳管兩端的金屬性奈米碳管片段341、342的表面且與該奈米碳管結構34電連接。所述奈米碳管中間的半導體性奈米碳管片段343作為一溝道。所述奈米碳管結構34、源極35、汲極36與所述閘極32絕緣設置。進一步，所述源極35及汲極36為可選擇結構，所述奈米碳管結構34兩端的金屬性奈米碳管片段341、342也可以單獨可作為源極、汲極使用。
所述絕緣基底31起支撐作用，該絕緣基底31的材料不限，可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石等硬性材料，也可選擇塑膠、樹脂等柔性材料。進一步，所述絕緣基底31為一柔性材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醯亞胺等柔性材料。本實施例中，所述絕緣基底31的材料為柔性材料，優選為聚對苯二甲酸乙二醇酯。
所述閘極32、源極35、汲極36均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。本實施例中，所述閘極32、源極35、汲極36為金屬Au和Ti得到的金屬複合結構，具體地，所述金屬複合結構是由金屬Au在金屬Ti的表面複合而成。
所述閘極絕緣層33材料可選擇為氧化鋁、氧化鉿、氮化矽、氧化矽等硬性材料或苯並環丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸樹脂等柔性材料。該閘極絕緣層33的厚度為0.5奈米~100微米。本實施例中，所述閘極絕緣層33的材料為氧化鋁，其厚度為40奈米。
所述奈米碳管結構34包括至少一根奈米碳管。當所述奈米碳管結構34包括複數奈米碳管時，所述複數奈米碳管之間通過凡得瓦力緊密結合形成一奈米碳管膜，且該複數奈米碳管基本沿同一方向延伸。具體地，每單根奈米碳管是由兩端的金屬性奈米碳管片段和中間的半導體性奈米碳管片段組成，且相鄰的奈米碳管中金屬性奈米碳管片段的長度基本一致，相鄰奈米碳管中半導體性奈米碳管片段的長度基本一致。所述複數奈米碳管的金屬性奈米碳管片段均在奈米碳管的兩端，排列位置基本一致。所述奈米碳管結構34的兩端導電性好的金屬性奈米碳管片段分別與薄膜電晶體30的源極35和汲極36接觸設置，從而使得所述源極35、汲極36與所述奈米碳管結構34的電連線性能更好。所述奈米碳管結構34的“金屬性-半導體性-金屬性”結構可通過第一實施例提供的奈米碳管的製備方法得到。其中，所述溝道及金屬性奈米碳管片段341、342的長度可通過調控電場進行調節。
使用時，將源極35接地，在閘極32上施加一閘極電壓Ug，並在汲極36上施加一汲極電壓Ud。當閘極32施加一定的正電壓或負電壓，在溝道中產生電場，並在溝道表面處產生載流子。隨著閘極電壓的增加，溝道轉變為 載流子積累層，當閘極電壓達到源極35和汲極36之間的開啟電壓時，源極35與汲極36之間的溝道導通，從而會在源極35與汲極36之間產生電流，從而使得薄膜電晶體30處於開啟狀態。
請參閱圖11，圖為所述薄膜電晶體30的測試結果圖，其中該薄膜電晶體30中的奈米碳管結構34是由40根奈米碳管組成。從圖中可以看出，該薄膜電晶體30的開關比可達到2×105。
本發明提供的薄膜電晶體中，所述奈米碳管結構34中的金屬性奈米碳管片段341、342單獨作為源極、汲極使用時，從而使所述薄膜電晶體的結構簡單，無需額外去製備單獨的電極，同時，由於半導體層與源極、汲極為一體結構，從而降低了半導體層與源極、汲極之間的介面勢壘，增大了開關電流比；當設置專門的金屬源極、汲極時，由於其兩端的奈米碳管為金屬性，該金屬性的奈米碳管片段與源極、汲極的電連線性能更好。
請參閱圖12，本發明第四實施例提供一種薄膜電晶體40，包括一絕緣基底41、一奈米碳管結構42、一源極43、一汲極44、一絕緣層45及一閘極46。所述奈米碳管結構42包括至少一根奈米碳管，該奈米碳管的兩端為金屬性奈米碳管片段421、422，中間為半導體性奈米碳管片段423，該半導體性奈米碳管片段423作為一溝道。所述奈米碳管結構42設置於所述絕緣基底31的表面。所述源極43、汲極44分別設置於所述奈米碳管兩端的金屬性奈米碳管片段的表面與該奈米碳管結構42電連接。所述絕緣層45設置在所述奈米碳管結構42遠離所述絕緣基底41的表面。所述閘極46設置於所述絕緣層45遠離所述奈米碳管結構42的表面。
本發明第四實施例提供的薄膜電晶體40與第三實施例提供的薄膜電晶體30基本相同，其區別在於，本實施例中所述薄膜電晶體40為頂柵型薄膜 電晶體，所述閘極46通過所述絕緣層45與所述奈米碳管結構42、源極43、汲極44絕緣設置。
請參閱圖13，本發明第五實施例提供一種光電探測器50，包括一奈米碳管結構51、一第一電極52、一第二電極53及一電流檢測裝置54。所述奈米碳管結構51分別與所述第一電極52、所述第二電極53電連接。所述電流檢測裝置54、第一電極52、第二電極53及所述奈米碳管結構51串聯形成一回路。所述奈米碳管結構51與第三實施例提供的奈米碳管結構34的結構相同，在此不再作重複詳細介紹。具體地，所述奈米碳管結構51兩端為金屬性奈米碳管片段，所述第一電極52和第二電極53分別設置在該奈米碳管結構51兩端的金屬性奈米碳管片段表面上，與該金屬性奈米碳管片段電連接。
所述奈米碳管結構51中，由“金屬性-半導體性-金屬性”型奈米碳管形成的含有異質結的奈米碳管結構為光探測器50的探測點。
所述第一電極52和第二電極53均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。所述第一電極52和第二電極53也可以均為一層導電薄膜，該導電薄膜的厚度為2微米-100微米。 本實施例中，所述第一電極52和第二電極53分別為由金屬Au和Ti得到的金屬複合結構，具體地，所述金屬複合結構是由金屬Au在金屬Ti的表面複合而成，金屬Ti設置於所述奈米碳管結構51的表面，Au設置於金屬Ti的表面。所述金屬Ti的厚度為2奈米，金屬Au的厚度為50奈米。
所述電流檢測裝置54用於探測第一電極52和第二電極53與電流檢測裝置54形成的回路中是否有電流流過。該電流檢測裝置54可以為一電流表。 進一步，還可包括一電源55，用於向第一電極52和第二電極53提供電壓，即在第一電極52和第二電極53之間形成偏壓。
進一步，光電探測器50還可包括一基底56，該基底56用於支撐所述奈米碳管結構51，可以理解，當所述奈米碳管結構51為自支撐結構時，所述基底56可以省略。所述基底56的材料為絕緣材料，可以為玻璃、陶瓷、聚合物或木質材料。所述基底56的材料還可為表面塗覆有絕緣材料的導電金屬材料等。本實施例中，所述基底56的材料為玻璃。
所述光電探測器50可以對光進行定性定量探測。所述光電探測器50的定性探測光的工作原理為：打開電源55，在第一電極52和第二電極53之間施加一定偏壓，當沒有光照射到光電探測器的探測點時，該奈米碳管結構51沒有導通，回路中不會有電流通過，電流探測元件54中探測不到電流；當光照射到光電探測器的探測點時，光照射到該奈米碳管結構51中的半導體性奈米碳管時，半導體性奈米碳管中產生載流子，兩端金屬性奈米碳管之間形成的局域電場將光生電子空穴對分開，這樣就形成了光生電流，即第一電極52和第二電極53之間實現導通，回路中產生電流，電流檢測裝置54探測到電流。即，通過回路中是否有電流產生來探測光源。
所述光電探測器50的定量探測光的工作原理為：打開電源55，用已知的、不同強度的光依次照射探測點，讀出電流檢測裝置54中探測到的電流值，一個強度的光對應一個電流值，並將不同強度的光對應的不同的電流值作相應的曲線圖，即可標識出不同強度的光對應形成電流的標準曲線。當採用未知強度的光照射探測點時，根據電流檢測裝置54中探測到的電流值，即可從該標準曲線上讀出光的強度值。
本發明提供的光電探測器50，由於探測點是由含有異質結的奈米碳管結構形成，且形成該異質結的半導體性奈米碳管片段和金屬性奈米碳管片段為一整體結構，在奈米碳管中形成電流時，電流導通速度更快。因此，該光電探測器的結構簡單，靈敏度高。
請一併參閱圖14及圖15，本發明第六實施例提供一種光電轉換裝置60，包括一光電轉換模組61、一覆蓋結構62及一基底63。該光電轉換模組61設置於所述基底63的表面。該光電轉換模組61包括一奈米碳管結構64。所述奈米碳管結構64與第三實施例提供的奈米碳管結構34的結構相同，在此不再作重複詳細介紹。具體地，所述奈米碳管結構64兩端為金屬性奈米碳管片段641、642，中間為半導體性奈米碳管片段643。該半導體性奈米碳管片段643包括一遮蓋區域643a及一非遮蓋區域643b。該覆蓋結構62覆蓋該光電轉換模組61的非遮蓋區域643b。圖14為所述光電轉換裝置60的俯視圖，圖15為圖14中15-15’處的剖面示意圖。
所述基底63用於支撐所述光電轉換模組61，可以理解，當光電轉換模組61為自支撐結構時，所述基底63可以省略。所述基底63的材料為絕緣材料，可以為玻璃、陶瓷、聚合物或木質材料。所述基底63的材料還可為表面塗覆有絕緣材料的導電金屬材料等。優選地，該基底63的材料應基本不吸收紅外線或者完全不吸收紅外線。該基底63的厚度不限，優選為1毫米~2厘米。 本實施例中，所述基底63的材料為玻璃，厚度為5毫米。
所述半導體性奈米碳管片段643被分為兩個區域，即遮蓋區域643a及非遮蓋區域643b。所述遮蓋區域643a和非遮蓋區域643b的面積的大小不限，該遮蓋區域643a的面積可大於、等於或小於所述非遮蓋區域643b的面積。本實施例中，所述遮蓋區域643a的面積等於所述非遮蓋區域643b的面積。
所述半導體性奈米碳管片段643的遮蓋區域643a用於接收光能，並將光能轉換為熱能，使遮蓋區域643a的溫度升高，從而在遮蓋區域643a和非遮蓋區域643b之間產生溫度差，利用溫差電效應，在半導體性奈米碳管片段643的兩端產生電勢差。所述光能可以為太陽光、可見光、紅外線、紫外線或電磁波等。
進一步，該光電轉換模組61還可包括一第一電極65、第二電極66，所述第一電極65與該金屬性奈米碳管片段641電連接，所述第二電極66與該金屬性奈米碳管片段642電連接。該第一電極65、第二電極66分別為該光電轉換裝置60的電壓輸出端。進一步，所述奈米碳管結構64兩端的金屬性奈米碳管片段641、642的手性為金屬性，可單獨作為電極使用，直接用作電壓輸出端。
該光電轉換裝置60可進一步包括一第一電極引線(圖未示)及一第二電極引線(圖未示)。第一電極引線與第一電極65電連接，第二電極引線與第二電極66電連接。第一電極引線和第二電極引線可使第一電極和第二電極方便地向外輸出電壓或者與外部電連接。
所述覆蓋結構62用於覆蓋所述光電轉換模組61的非遮蓋區域643b，以防止非遮蓋區域643b被光照射到。該覆蓋結構62的大小應確保其不會覆蓋遮蓋區域643a。所述覆蓋結構62的材料不限，可以為導電材料，如金屬，也可以為絕緣材料，如塑膠。所述金屬包括不銹鋼、碳鋼、銅、鎳、鈦、鋅及鋁等中的一種或多種。可以理解，當該覆蓋結構62的材料為絕緣材料時，其可與非遮蓋區域643b直接接觸，該覆蓋結構62可直接覆蓋在非遮蓋區域643b的表面。 當覆蓋結構62的材料為導電材料時，應確保覆蓋結構62與非遮蓋區域643b間隔絕緣設置。本實施例中，所述覆蓋結構62為具有容置空間的罩體。該覆蓋結構62的四周固定於基底63的表面。所述非遮蓋區域643b設置於該覆蓋結構62的容置空間內部，並與該覆蓋結構62間隔一定距離設置。可以理解，當基底63的材料和覆蓋結構62的材料均為絕緣材料時，所述覆蓋結構62和基底63可以一體成型。
本發明提供的光電轉換裝置60的半導體性奈米碳管片段643被分為遮蓋區域643a及非遮蓋區域643b，通過將遮蓋區域643a暴露於光照環境下， 接收光照，在遮蓋區域643a及非遮蓋區域643b之間產生溫度差，利用溫差發電原理進行發電；同時，所述半導體性奈米碳管片段643與兩端的金屬性奈米碳管片段641、642為一整體結構，電流向外輸出時介面勢壘較低，從而增大輸出功率。
請參閱圖16，本發明第七實施例提供一種光電轉換裝置70，包括一光電轉換模組71、一覆蓋結構72及一基底73。該光電轉換模組71設置於所述基底73的表面。該光電轉換模組71包括一奈米碳管結構74，該奈米碳管結構74是由複數金屬性奈米碳管片段和複數半導體性奈米碳管片段交替排列組成。
本實施例提供的光電轉換裝置70與第六實施例提供的光電轉換模組60的結構基本相同，其不同之處在於，所述光電轉換模組71是由複數金屬性奈米碳管片段和複數半導體性奈米碳管片段交替排列組成。由於金屬性奈米碳管片段可作為電極單獨使用，該光電轉換模組71相當於由複數半導體性奈米碳管片段串聯而成，從而可使得該光電轉換裝置70的整體輸出功率增大。所述覆蓋結構72包括複數間隔設置的覆蓋本體及複數間隔設置的開口，所述覆蓋本體用於遮擋每個半導體性奈米碳管片段的部份表面，所述開口用於暴露每個半導體性奈米碳管片段的另一部份表面。可以理解，所述開口也可以為採用透明材料的視窗，例如玻璃窗。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (10)

  1. 一種奈米碳管的製備方法，包括以下步驟：提供一基底，在所述基底的表面沈積一催化劑層；將所述基底設置於一反應爐內，加熱使反應爐內溫度達到一預定溫度，向反應爐內通入一碳源氣體及一保護氣體，以在該基底上生長第一奈米碳管片段結構，所述第一奈米碳管片段結構包括複數金屬性奈米碳管片段；對生長的第一奈米碳管片段結構施加一電場，該電場方向為給催化劑層充正電荷的方向，給催化劑層充正電荷的電場的施加時間不少於2s；及反轉電場方向，從該金屬性奈米碳管片段生長出半導體性奈米碳管片段。
  2. 如請求項1所述的奈米碳管的製備方法，其中，所述第一奈米碳管片段結構包括複數奈米碳管片段沿同一方向延伸。
  3. 如請求項2所述的奈米碳管的製備方法，其中，所述複數奈米碳管片段為單壁奈米碳管片段，該單壁奈米碳管片段的直徑小於2奈米。
  4. 如請求項2所述的奈米碳管的製備方法，其中，所述第一奈米碳管片段結構中奈米碳管片段的密度大於3根/μm。
  5. 如請求項1所述的奈米碳管的製備方法，其中，該電場方向經過一次反轉為負向後，所述第一奈米碳管片段中的金屬性奈米碳管片段新生長出的為半導體性奈米碳管片段。
  6. 一種奈米碳管的製備方法，包括以下步驟：提供一基底，在所述基底的表面沈積一催化劑層；將所述基底設置於一反應爐內，加熱使反應爐內溫度達到一預定溫度，向反應爐內通入一碳源氣體及一保護氣體，以在該基底上生長第一奈米碳管片段結構，所述第一奈米碳管片段結構包括複數金屬性奈米碳管片段；對生長的第一奈米碳管片段結構施加一脈衝電場，所述脈衝電場是由正向電場和負向電場多次交替形成的週期性電場，正向電場的施加時間不少於2s。
  7. 如請求項6所述的奈米碳管的製備方法，其中，當負向電場脈衝時間小於200ms時，且電場方向由正向變為負向時，從該第一奈米碳管片段中的部份金屬性奈米碳管片段新生長出半導體性奈米碳管片段。
  8. 如請求項6所述的奈米碳管的製備方法，其中，當負向電場脈衝時間大於200ms小於等於500ms時，且電場方向由正向變為負向時，所述第一奈米碳管片段均生長出半導體性奈米碳管片段。
  9. 如請求項6所述的奈米碳管的製備方法，其中，當負向電場脈衝時間大於500ms時，電場方向由正向變為負向時，所述第一奈米碳管片段均生長出半導體性奈米碳管片段，電場方向由負向再變為正向時，新生長出的半導體性奈米碳管片段的手性均為金屬性奈米碳管。
  10. 一種奈米碳管的製備方法，包括以下步驟：提供一催化劑層，在催化劑層表面生長第一奈米碳管片段結構；對生長的第一奈米碳管片段結構施加一電場，該電場方向為給催化劑層充電荷的方向，電場的施加時間不少於2s；及反轉電場方向，電場為催化劑層充電荷的電性改變，從該第一奈米碳管片段結構生長出與第一奈米碳管片段結構手性不同的第二奈米碳管片段結構。
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