碳纳米管薄膜的表面聚合物的去除方法及电子器件与流程

本公开涉及一种碳纳米管薄膜的表面聚合物的去除方法、制备装置及电子器件。

背景技术：

基于碳纳米管薄膜的电子器件和电路是近年来纳米科技领域中的热点，科学家开发了各种基于碳纳米管薄膜的器件：传感器、场效应管、二级管等。碳纳米管薄膜在制备的过程中需要在碳纳米管表面引入有机高分子聚合物，该聚合物的作用是选择固定尺寸和特性的碳纳米管。然而，这些聚合物很难在后续的制备步骤中去除而残留在碳纳米管薄膜的表面，形成污染物。这些残留的聚合物限制了碳纳米管的优异特性，进一步地影响了其制备的电子器件性能。能否有效去除碳纳米管薄膜表面的聚合物并且不损坏碳纳米管，成为优化碳纳米管薄膜电子器件性能的关键。

技术实现要素：

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种碳纳米管薄膜的表面聚合物的去除方法、制备装置及电子器件。

根据本公开的一个方面，一种碳纳米管薄膜的表面聚合物的去除方法包括：在碳纳米管薄膜形成后或在制备基于碳纳米管薄膜的电子器件的过程中，通过含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应，以去除碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物。

根据本公开的至少一个实施方式，通过含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应的步骤包括：将碳纳米管薄膜置于真空反应腔室中；在真空反应腔室中提供含氢等离子体；以及含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应，以去除高分子聚合物。

根据本公开的至少一个实施方式，在真空反应腔室中提供含氢等离子体的步骤包括：向真空反应腔室提供能够被激发出含氢等离子体的气体。

根据本公开的至少一个实施方式，向真空反应腔室分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体。

根据本公开的至少一个实施方式，通过电感耦合、电容耦合或回旋电子共振来激发真空反应腔室通入的气体，以产生含氢等离子体，使得含氢等离子体还原高分子聚合物，形成可挥发性还原反应产物。

根据本公开的至少一个实施方式，真空反应腔室的真空度小于500毫托。

根据本公开的至少一个实施方式，真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。

根据本公开的另一个方面，一种去除碳纳米管薄膜表面聚合物的装置包括：真空反应腔室，用于在碳纳米管薄膜形成后或在制备基于碳纳米管薄膜的电子器件的过程中，容纳碳纳米管薄膜；气体通入装置，用于向真空反应腔室中分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体；以及激发装置，用于激发真空反应腔室通入的气体，以产生含氢等离子体，其中，通过含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应，以去除碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物。

根据本公开的至少一个实施方式，真空腔室的真空度小于500毫托，以及真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。

根据本公开的再一个方面，一种电子器件包括根据上述方法制成的碳纳米管薄膜或者利用上述装置制成的碳纳米管薄膜。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开至少一个实施方式的碳纳米管薄膜的表面聚合物的去除方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

碳纳米管薄膜表面的有机高分子聚合物主要来自于碳纳米管薄膜制备过程中缠绕在碳纳米管表面的高分子聚合物的残留。根据本公开的一个实施方式，碳纳米管薄膜的制备过程包括：将碳纳米管分散在分散剂中，通过超声和分离处理，除去成束的碳纳米管；收集得到的碳纳米管稀释在合适的溶剂中，然后通过涂布或其他方法附着在基体上，制成薄膜。

分散剂的使用主要是由于碳纳米管具有很高的长径比，碳纳米管之间有较大的范德华力，极易粘连成束，因此在制备碳纳米管薄膜的过程中，需要将碳纳米管分散。

目前，常用的分散剂有：1)表面分散剂；2)聚合物；3)水或有机溶剂；4)dna、蛋白质或淀粉。

通常，制备过程中使用的分散剂需要在薄膜涂层后除去，然而，由于分散剂与碳纳米管的结合力较强，很难将其完全除去，进而残留在碳纳米管表面，形成污染物。这些分散剂很多都是高分子的聚合物，其导电性较差，从而影响后续制备的基于碳纳米管薄膜的电子器件的性能，例如，造成碳纳米管薄膜场效应晶体管较大的关态电流和亚阈值摆幅。因此，如何有效地去除聚合物正成为进一步缩小基于碳纳米管薄膜的电子器件的尺寸和提高电路集成度的关键，也成为碳纳米管薄膜在电子领域应用的关键。

在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种碳纳米管薄膜的表面聚合物的去除方法，其包括：在碳纳米管薄膜形成后或在制备基于碳纳米管薄膜的电子器件的过程中，通过含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应，以去除碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物。本方法可以在碳纳米管薄膜制备后、制备相关电子器件前实施，也可以在制备基于碳纳米管薄膜的电子器件的过程中实施，例如，制备碳纳米管薄膜场效应晶体管时，该方法可以在形成场效应晶体管的源电极和漏电极之前实施。

根据本公开的至少一个实施方式，如图1所示，通过含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应的步骤包括：

s1：将碳纳米管薄膜置于真空反应腔室中；

s2：在真空反应腔室中提供含氢等离子体；

s3：含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应，以去除高分子聚合物。

其中，在步骤s2中，在真空反应腔室中提供含氢等离子体的步骤包括：向真空反应腔室提供能够被激发出含氢等离子体的气体。提供气体的方式可以是：向真空反应腔室分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体等等。

通入上述气体后，在真空反应腔室中可以通过电感耦合、电容耦合、或回旋电子共振等方法来激发真空反应腔室中的气体，以产生含氢等离子体，使得含氢等离子体还原高分子聚合物，形成可挥发性还原反应产物，例如烃类气体、氨气、水等。这些可挥发的还原产物在真空环境(例如，小于500mtorr)下，可以非常有效地从碳纳米管薄膜表面移除，达到表面清洁的目的。

根据本公开的一个实施方式，真空反应腔室的真空度可以小于500毫托(mtorr)，但是本公开对此并不特别限定。此外，真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。进一步优选地，处理时间可以为10～120秒。

反应温度的选择主要取决于反应本身的热力学和动力学特性。对于不同的有机高分子聚合物，其与含氢等离子体的反应原理也不同，反应的热力学和动力学特性自然也不同。对于特定的反应，通过实验，可以得到温度对于反应热力学和动力学的影响，以此选择最佳的反应温度，获得最佳的反应效果，即快速彻底地清除碳纳米管薄膜表面有机高分子聚合物，同时不对处理的碳纳米管薄膜或其制备的器件性能产生不利影响。

本公开提供了一种用含氢等离子体去除碳纳米管薄膜的表面聚合物的方法，等离子体中的氢自由基可有效还原聚合物，形成挥发产物，从而有效去除聚合物。

利用本公开提供的方法处理碳纳米管薄膜，可以达到有效去除其表面的有机高分子聚合物的目的，为后续的器件的制备提供性能优异的碳纳米管薄膜。

实施例1：

在将碳纳米管溶液涂覆在基底形成碳纳米管薄膜之后，将其放入真空反应腔室中，真空反应腔室的真空度设置成200mtorr，温度设成200℃；向真空反应腔室通入惰性气体和氢气的混合气体，激发出含氢等离子体；含氢等离子体与高分子聚合物反应60s后，将样品取出。

实施例2：

在将碳纳米管溶液涂覆在基底形成碳纳米管薄膜之后，将其放入真空反应腔室中，真空反应腔室的真空度设置成200mtorr，温度设成150℃；向真空反应腔室通入氨气，激发出含氢等离子体；含氢等离子体与高分子聚合物反应100s后，将样品取出。

实施例3：

在将碳纳米管溶液涂覆在基底形成碳纳米管薄膜之后，将其放入真空反应腔室中，真空反应腔室的真空度设置成100mtorr，温度设成100℃；向真空反应腔室通入氟化氮和氢气的混合气体，激发出含氢等离子体；含氢等离子体与高分子聚合物反应120s后，将样品取出。

通过对比反应前后的碳纳米管薄膜的拉曼光谱发现，原有的高分子聚合物的特征峰在处理后的碳纳米管薄膜的拉曼光谱中消失，说明含氢等离子体处理碳纳米管薄膜能够有效去除其表面的高分子聚合物。

另外，也可以通过测量以碳纳米管制备的电子器件的相关性能以间接证明该方法的有效性。将上述3个实施例处理后的碳纳米管薄膜制备成碳纳米管薄膜场效应晶体管，其关态电流和亚阈值摆幅均较未处理的场效应管有所降低，例如，其关态电流从处理前的5e^-8a/μm降低到处理后的6e^-13a/μm，其亚阈值摆幅从150mv/dec减小到100

mv/dec，处理后的碳纳米管薄膜场效应晶体管的性能得到了极大地提升。

该方法可以在形成碳纳米管薄膜之后立刻进行，也可以在碳纳米管薄膜器件的制备过程中用于去除表面聚合物。使用本公开提供的方法不仅可以有效地去除碳纳米管薄膜表面的聚合物，而且不损坏碳纳米管。

根据本公开的另一个方面，一种去除碳纳米管薄膜表面聚合物的装置包括：真空反应腔室，用于在碳纳米管薄膜形成后或在制备基于碳纳米管薄膜的电子器件的过程中，容纳碳纳米管薄膜；气体通入装置，用于向真空反应腔室中分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体；以及激发装置，用于激发真空反应腔室通入的气体，以产生含氢等离子体，其中，通过含氢等离子体与碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应，以去除碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物。

根据本公开的至少一个实施方式，真空腔室的真空度可以小于500毫托，以及真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度，处理时间可以为10～120秒。

根据本公开的再一个方面，一种电子器件或集成电路包括根据上述方法制成的碳纳米管薄膜或者利用上述装置制成的碳纳米管薄膜。利用处理后的碳纳米薄膜制备的电子器件或集成电路，由于去除了表面的高分子聚合物，其性能更加优异。

此外，在本公开中未经描述的常规的制备方法及制备装置可以采用现有技术的方式获得，为了简略起见在本公开中并不进行赘述。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。