碳纳米管阵列的转移方法与流程

本发明涉及一种碳纳米管阵列的转移方法，尤其涉及一种超顺排碳纳米管阵列的转移方法。

背景技术：

碳纳米管(carbonnanotube，cnt)是一种由石墨烯片卷成的中空管状物，其具有优异的力学、热学及电学性质。由多个碳纳米管垂直基底生长形成的碳纳米管阵列能够较好的发挥碳纳米管轴向具有的导电及导热等各种优异性质，具有极为广泛的应用前景，例如可以应用于场发射体，黑体辐射源等多种领域。

由于碳纳米管阵列的形态非常容易损坏，碳纳米管阵列在储存时，通常将碳纳米管阵列固定在一固定基底上，在使用过程中再将碳纳米管阵列转移到目标基底上。现有的碳纳米管阵列一般将目标基底上设置一粘结层直接去粘结固定基底上的碳纳米管阵列，从而使该碳纳米管阵列转移至该目标基底。然而，碳纳米管阵列在直接转移过程中非常容易损坏，例如，碳纳米管阵列中的碳纳米管容易发生倾斜，弯折，部分碳纳米管会缠绕在一起，进而导致碳纳米管阵列的表面不平整，缺陷增多，影响碳纳米管阵列的性能。

技术实现要素：

有鉴于此，确有必要提供一种碳纳米管阵列的转移方法，该转移方法可以使转移之后的碳纳米管阵列的形态保持不变。

一种碳纳米管阵列的转移方法，包括以下步骤：

提供一碳纳米管阵列、第一基底以及一第二基底，该碳纳米管阵列位于第一基底的表面，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管垂直于第一基底的表面，该第二基底的表面具有一粘结层；

施加一压力于碳纳米管阵列的表面，使所述碳纳米管阵列中的碳纳米管倾倒于第一基底的表面形成一碳纳米管纸，该碳纳米管纸中的碳纳米管与第一基底的表面平行；

将所述第二基底放置在所述碳纳米管纸的表面，并使所述粘结层位于该第二基底和该碳纳米管纸之间，使第一基底、碳纳米管纸和第二基底层叠设置形成一三层结构；以及

剥离该第二基底，使所述碳纳米管纸中的碳纳米管与所述第一基底分离粘结在所述第二基底的粘结层上，碳纳米管纸中的碳纳米管在第一基底和第二基底的作用力下竖直排列形成所述碳纳米管阵列，进而将所述碳纳米管阵列转移到所述第二基底上，碳纳米管阵列中的碳纳米管基本垂直于第二基底的表面。

一种碳纳米管阵列的转移方法，包括以下步骤：

提供一第一基底、一第二基底、一碳纳米管阵列、以及一胶带，该碳纳米管阵列生长在第一基底的表面，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管垂直于第一基底的表面，该第二基底的表面具有一粘结层；

对碳纳米管阵列的表面施加压力，使所述碳纳米管阵列中的碳纳米管倾倒于第一基底的表面形成一碳纳米管纸，该碳纳米管纸中的碳纳米管与第一基底的表面平行；

将所述胶带放置在所述碳纳米管纸上，且所述胶带的粘结面与该碳纳米管纸远离所述第一基底的表面接触；

剥离所述胶带，使所述碳纳米管纸与第一基底分离并粘结在所述胶带的表面；

将所述第二基底放置在所述碳纳米管纸的表面，并使所述粘结层位于该第二基底和该碳纳米管纸之间，使胶带、碳纳米管纸、粘结层和第二基底层叠设置形成一多层结构；以及

剥离该第二基底，使所述碳纳米管纸中的碳纳米管与所述胶带分离并粘结在所述第二基底的粘结层上，碳纳米管纸中的碳纳米管在第二基底和胶带的作用力下竖直排列形成所述碳纳米管阵列，进而将所述碳纳米管阵列转移到所述第二基底上，碳纳米管阵列中的碳纳米管基本垂直于第二基底的表面。

与现有技术相比较，本发明提供的碳纳米管阵列的转移方法，先将碳纳米管阵列压制成碳纳米管纸，然后再通过表面有粘结层的基底使碳纳米管纸中的碳纳米管垂直粘结在第二基底上。由于碳纳米管纸的力学强度比较大，不易损坏，因此本发明提供的碳纳米管阵列的转移方法可以避免碳纳米管阵列在直接转移过程中，碳纳米管容易发生倾斜，弯折，部分碳纳米管会缠绕在一起，进而导致转移之后碳纳米管阵列的表面不平整的问题。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的碳纳米管阵列的转移方法的工艺示意图。

图2为本发明第一实施例提供的碳纳米管阵列的转移方法的流程图。

图3为本发明第一实施例提供的碳纳米管纸的电子显微镜照片。

图4为本发明第一实施例提供的碳纳米管阵列转移到所述第二基底上之后，第二基底表面的电子显微镜照片。

图5为本发明第二实施例提供的碳纳米管阵列的转移方法的工艺示意图。

图6为本发明第二实施例提供的碳纳米管阵列的转移方法的流程图。

图7为本发明第二实施例提供的碳纳米管阵列转移到所述第四基底上之后，胶带表面的电子显微镜照片。

主要元件符号说明

第一基底10

第二基底20

碳纳米管阵列30

粘结层40

压力提供装置50

碳纳米管纸60

第三基底70

第四基底80

胶带90

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图1和2，本发明第一实施例提供一种碳纳米管阵列的转移方法，包括以下步骤：

s10，提供一第一基底10、一第二基底20以及一碳纳米管阵列30，该碳纳米管阵列30位于第一基底10的表面，所述碳纳米管阵列30包括多个碳纳米管垂直于第一基底的表面，该第二基底20的表面具有一粘结层40；

s11，采用一压力提供装置50施加一压力于碳纳米管阵列30的表面，使所述碳纳米管阵列30中的碳纳米管倾倒于第一基底的表面形成一碳纳米管纸60，该碳纳米管纸60中的碳纳米管与第一基底的表面平行；

s12，将所述第二基底20放置在所述碳纳米管纸60的表面，并使所述粘结层40位于该第二基底20和该碳纳米管纸60之间，使第一基底10、碳纳米管纸60和第二基底20层叠设置形成一三层结构；

s13，剥离该第二基底20，使所述碳纳米管纸60中的碳纳米管与所述第一基底10分离粘结在所述第二基底20的粘结层40上，碳纳米管纸60中的碳纳米管在第一基底10和第二基底20的作用力下竖直排列形成所述碳纳米管阵列30，进而将所述碳纳米管阵列30转移到所述第二基底20上，碳纳米管阵列30中的碳纳米管基本垂直于第二基底20的表面。

步骤s10中，所述第一基底10优选是平整的，所述第一基底10的材料不限可以为柔性或硬质基底。例如，胶带，金属、玻璃、塑料、硅片、二氧化硅片、石英片、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)等。

所述碳纳米管阵列30可以通过一粘结剂固定在所述第一基底10上，此时所述碳纳米管阵列中碳纳米管根部与该粘结剂之间的粘结力小于碳纳米管阵列中碳纳米管的顶部与所述粘结层40的粘结力。所述第一基底10优选为一平整结构。所述第一基底10的材料不限，可以为柔性或硬质基底。例如，金属、玻璃、塑料、硅片、二氧化硅片、石英片、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)等。本实施例中，所述第一基底10为一硅片，所述碳纳米管阵列30通过一粘结剂固定在所述硅片的表面。

该第一基底10的厚度及表面的面积不限，可以根据实际需要进行调整。在该第一基底10上，碳纳米管阵列30中的碳纳米管靠近该第一基底10的一端为底端，远离第一基底10的一端为顶端。由该碳纳米管阵列30中所有碳纳米管的底端共同形成的表面定义为第一表面，由该碳纳米管阵列30中所有碳纳米管的顶端共同形成的表面定义为第二表面。

所述碳纳米管阵列30优选为超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列由多个彼此平行且垂直于第一基底10的碳纳米管组成。该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。

所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法不限，可以为化学气相沉积法、电弧放电制备方法或气溶胶制备方法等。本实施例中，所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，直接生长于第一基底10上，其具体步骤包括：(a)提供所述第一基底；(b)在第一基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(fe)、钴(co)、镍(ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的第一基底在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的第一基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到所述超顺排碳纳米管阵列，其高度为200～650微米。本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法已为众多前案公开，例如可参阅冯辰等人在2008年8月13日公开的中国专利申请cn239712a。

所述第二基底20的表面可以为一平整表面。所述第二基底20的材料、尺寸不限，可以根据实际需要进行调整。所述第二基底20可以为柔性或硬质基底。例如，金属、玻璃、塑料、硅片、二氧化硅片、石英片、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)等。所述第二基底的表面面积优选大于等于所述碳纳米管阵列30的第二表面的面积。

所述第二基底20的表面与该碳纳米管阵列30之间的结合力大于该第一基底10的表面与该碳纳米管阵列30之间的结合力，才能使该碳纳米管阵列30可以从该第一基底10分离，转移至该第二基底20。由于实际过程中该碳纳米管阵列30与该第二基底20之间仅通过接触而形成的结合力(即范德华力)可能较小，在本申请中，通过在第二基底20的表面形成所述粘结层40，提高该碳纳米管阵列30与该第二基底20之间的结合力。也就是说，该粘结层40的材料可以选择与该第二基底20的表面具有较大结合力的材料。该粘结层40可以与该碳纳米管阵列30的第二表面及该第二基底20的表面牢固的结合。该粘结层40的材料可以为传统的粘结剂材料，例如为聚偏氟乙烯(pvdf)、聚偏二氟乙烯及聚四氟乙烯(ptfe)中的一种或多种。该粘结层40可以为固态、液态或固液混合的浆料或粘胶。

所述粘结层40的面积大于等于所述碳纳米管阵列30的第二表面的面积。本实施例中，所述粘结层40的面积等于所述碳纳米管阵列30的第二表面的面积。所述粘结层40的太厚容易影响碳纳米管阵列30的形态，太薄则会导致碳纳米管阵列30与第二基底20的结合力太小。所述该粘结层40的厚度优选为1纳米～50微米，更为优选为1微米～10微米。

在某些实施例中，所述第二基底20和所述粘结层40可以形成一胶带，例如，双向拉伸聚丙烯(bopp)胶带、布基胶带、牛皮纸胶带、美纹纸胶带、纤维胶带、聚氯乙烯(pvc)胶带、聚乙烯(pe)胶带等。本实施例中，所述第二基底20和所述粘结层40形成一pvc胶带，所述第二基底20的材料为pvc，所述粘结层40为聚偏二氟乙烯。

步骤s11中，可以通过一滚轮或板材对碳纳米管阵列30的第二表面施加压力。当然，所述压力提供装置50并不限定于滚轮或板材，只要是可以提供压力的装置即可。当采用滚轮时，该滚轮可以在第二表面上沿逆时针滚动，也可以沿顺时针滚动。当采用板材时，施加压力的方向与所述第二表面的交叉角度大于0°小于等于90°。优选的，施加压力的方向与所述第二表面的交叉角度大于30°小于等于60°。所述板材与碳纳米管阵列接触的表面优选为平整表面且不具有粘性。所述滚轮或板材的材料不限，可以为钢、铁等金属，也可以为玻璃、硅板、金刚石等非金属。本实施例中，通过一玻璃板材对碳纳米管阵列30的第二表面施加压力，施加压力的方向与所述第二表面的交叉角度为45°。

施加压力不宜太大或太小。施加压力太大容易将碳纳米管阵列30中的碳纳米管破坏，太小则不能形成所述碳纳米管纸60。优选的，施加压力的大小约为20牛顿。

优选的，所述压力提供装置50朝一个方向对碳纳米管阵列30施加压力，所述碳纳米管阵列30中的碳纳米管朝一个方向倾倒，进而使所述碳纳米管纸60中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。更有利于后续步骤中将所述碳纳米管纸60中的碳纳米管竖直粘结在粘结层40上形成所述碳纳米管阵列30。请参阅图3，为本实施例中得到的碳纳米管纸60的电子显微镜照片。

步骤s12中，当所述第二基底20放置在所述碳纳米管纸60的表面之后，可以进一步按压该第二基底20，使碳纳米管纸60中碳纳米管的一端更好的粘结在所述粘结层40上。

步骤s13中，碳纳米管纸60中的碳纳米管与所述第二基底20的结合力大于所述碳纳米管纸60中的碳纳米管与所述第一基底10的结合力。因此，在剥离该第二基底20的过程中，所述碳纳米管纸60中的碳纳米管首先会被竖直拉起，碳纳米管的一端粘结在粘结层40上，另一端粘结在第一基底上；由于碳纳米管纸60中的碳纳米管与所述第二基底20的结合力大于所述碳纳米管纸60中的碳纳米管与所述第一基底10的结合力，当所述该第二基底20完全剥离之后，所述碳纳米管纸60中的碳纳米管会与第一基底分离并垂直粘结在粘结层40的表面形成所述碳纳米管阵列30，其中碳纳米管阵列30的第二表面与粘结层40接触。也就是说当该碳纳米管阵列30转移至该第二基底20后，该碳纳米管阵列30倒立设置于该第二基底20表面。

所述碳纳米管阵列30中的碳纳米管基本垂直于第二基底20的表面是指碳纳米管阵列30中的大多数碳纳米管均垂直于第二基底20的表面，可能存在少数碳纳米管发生倾斜，但是发生倾斜的碳纳米管的数量非常少，对碳纳米管阵列的整体排列不会造成影响，该极少数的发生倾斜的碳纳米管可以忽略不计。

请参阅图4，为碳纳米管阵列30转移到所述第二基底20上之后，第二基底20表面的电子显微镜照片，由图中可以看出，碳纳米管阵列30垂直粘结在第二基底20的表面。由图中还可以看出，碳纳米管阵列的表面平整，而且碳纳米管阵列中的碳纳米管没有发生弯折，倾斜以及缠绕等问题。

在剥离该第二基底20的过程中，该碳纳米管纸60中的所有碳纳米管优选为同时脱离该第一基底10，也就是该第二基底20的剥离方向优选为垂直于该第一基底10的表面。

在步骤s10之后步骤s11之前，可以进一步对所述碳纳米管阵列30进行退火处理，该退火处理可以使碳纳米管阵列中的碳纳米管与第一基底的结合力减弱，进而使得在剥离所述第二基底20时，碳纳米管阵列更容易粘结在粘结层上进而转移到第二基底20上。所述退火处理优选在氧气中进行，氧气的压强约为10torr，退火温度约为650℃，退火时间为9分钟左右。

在步骤s13之后，可进一步对所述碳纳米管阵列30的第一表面进行等离子体处理，进而去除所述碳纳米管阵列30的第一表面上的杂质。例如，在一些实施例中，所述第一基底10为一胶带，此时当碳纳米管阵列30转移到第二基底20上之后，所述碳纳米管阵列30的第一表面上可能会有一些残胶，该残胶可以通过等离子体处理去掉。

请参阅图5和图6，本发明第二实施例提供一种碳纳米管阵列的转移方法，包括以下步骤：

s20，提供一第三基底70、一第四基底80、一碳纳米管阵列30、以及一胶带90，该碳纳米管阵列30生长在第三基底70的表面，所述碳纳米管阵列30包括多个碳纳米管垂直于第三基底70的表面，该第四基底80的表面具有一粘结层40；

s21，采用一压力提供装置50施加一压力于碳纳米管阵列30的表面，使所述碳纳米管阵列30中的碳纳米管倾倒于第三基底70的表面形成一碳纳米管纸60，该碳纳米管纸60中的碳纳米管与第三基底70的表面平行；

s22，将所述胶带90放置在所述碳纳米管纸60上，且所述胶带90的粘结面与该碳纳米管纸60远离所述第三基底70的表面接触；

s23，剥离所述胶带90，使所述碳纳米管纸60与第三基底70分离并粘结在所述胶带90的表面；

s24，将所述第四基底80放置在所述碳纳米管纸60的表面，并使所述粘结层40位于该第四基底80和该碳纳米管纸60之间，使胶带90、碳纳米管纸60、粘结层40和第四基底80层叠设置形成一多层结构；以及

s25，剥离该第四基底80，使所述碳纳米管纸60中的碳纳米管与所述胶带90分离并粘结在所述第四基底80的粘结层40上，碳纳米管纸60中的碳纳米管在第四基底80和胶带90的作用力下竖直排列形成所述碳纳米管阵列30，进而将所述碳纳米管阵列30转移到所述第四基底80上，碳纳米管阵列30中的碳纳米管基本垂直于第四基底80的表面。

步骤s20中，所述碳纳米管阵列30直接生长在所述第三基底70上。该第三基底70优选为一平整结构。所述第三基底70的材料可以为p型或n型硅、形成有氧化层的硅、石英等。本实施例中，所述第三基底70为一硅片。

所述第四基底80与第一实施例中的第二基底20相同，在此不再赘述。

所述胶带90不限，只要保证所述碳纳米管阵列30中的碳纳米管顶部与该胶带90的粘结力大于碳纳米管阵列30中的碳纳米管的根部与第三基底70的粘结力，且碳纳米管阵列30中的碳纳米管的根部与胶带90的粘结力小于碳纳米管阵列30中的碳纳米管的顶部与粘结层40的粘结力即可。所述胶带90可以为双向拉伸聚丙烯胶带、布基胶带、牛皮纸胶带、美纹纸胶带、纤维胶带、聚氯乙烯胶带、或聚乙烯胶带。步骤s21与第一实施例中的步骤s11相同，在此不再赘述。

步骤s22中，将所述胶带90放置在所述碳纳米管纸60上之后，可以进一步按压所述胶带90，使碳纳米管纸60更好的粘结在所述胶带90上。

步骤s23中，由于所述碳纳米管纸60中的碳纳米管与生长基底的粘结力非常弱。所以所述碳纳米管纸60中的碳纳米管与第三基底70的粘结力远小于所述碳纳米管纸60中的碳纳米管与所述胶带90的粘结力，在剥离胶带90的过程中，该粘结力不足以使碳纳米管纸60中的碳纳米管的一端粘结在所述第三基底70上，因此，在剥离所述胶带90的过程中，所述碳纳米管纸60会整体被转移到胶带90的表面。

步骤s25中，所述碳纳米管阵列30中碳纳米管的根部与所述粘结层40的粘结力小于碳纳米管的顶部与所述粘结层40的粘结力，因此，在剥离该第四基底80的过程中，所述碳纳米管纸60中的碳纳米管首先会被竖直拉起，碳纳米管的顶部粘结在粘结层40上，根部粘结在胶带90上；由于所述碳纳米管的顶部与粘结层40的粘结力大于所述碳纳米管的根部与胶带90的粘结力，当所述第四基底80完全剥离之后，所述碳纳米管纸60中的碳纳米管会与胶带90分离并竖直粘结在第四基底80的表面，该碳纳米管的顶部与所述粘结层40接触。

碳纳米管阵列30中的碳纳米管基本垂直于第四基底80的表面是指碳纳米管阵列30中的大多数碳纳米管均垂直于第四基底80的表面，可能存在少数碳纳米管发生倾斜，但是发生倾斜的碳纳米管的数量非常少，对碳纳米管阵列30的整体排列不会造成影响，该极少数的发生倾斜的碳纳米管可以忽略不计。

在剥离该第四基底80的过程中，该碳纳米管纸60中的所有碳纳米管优选为同时脱离该胶带90，也就是该第四基底80的剥离方向优选为垂直于该碳纳米管纸60的表面。

请参阅图7，为碳纳米管阵列30转移到所述第四基底80上之后，胶带90表面的电子显微镜照片，由图中可以看出，胶带90的表面基本上没有碳纳米管残留，说明碳纳米管阵列30已经全部转移到第四基底80上。

在步骤s25之后，可进一步对所述碳纳米管阵列30的第一表面进行等离子体处理，进而去除所述碳纳米管阵列30的第一表面上的杂质、残胶等。

本发明提供的碳纳米管阵列的转移方法，通过先将碳纳米管阵列压成碳纳米管纸，然后在采用一表面具有粘结剂层的基底粘结该碳纳米管纸，剥离该表面具有粘结剂层的基底，即可以使碳纳米管纸中的碳纳米管竖直粘接在基底上，进而将碳纳米管阵列转移到基底上。其一，该方法先将碳纳米管阵列压制成碳纳米管纸，由于碳纳米管纸的力学强度比较大，不易损坏，可以避免碳纳米管阵列直接转移过程中，碳纳米管容易发生倾斜，弯折，部分碳纳米管会缠绕在一起，进而导致碳纳米管阵列的表面不平整的问题。其二，该方法还有利于碳纳米管阵列的储存和运输等，由于碳纳米管纸的力学强度比较大，碳纳米管纸中的碳纳米管不易破坏，在储存和运输碳纳米管阵列之前，先将碳纳米管阵列压制成碳纳米管纸，在使用时或到达运输目的地之后，再采用表面具有粘结剂层的目标基底粘结该碳纳米管纸，剥离该表面具有粘结剂层的目标基底进而将碳纳米管阵列转移到目标基底上。进而避免储存和运输过程中碳纳米管阵列受到破坏。而且所述第一基底、碳纳米管纸和第二基底层叠设置形成一三层结构，如果运输中先设置成三层结构，进一步避免碳纳米管纸受到挤压磕碰，便于运输。其三，该方法操作简单，成本较低。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，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内。