制备碳纳米管薄膜的方法与流程

本公开涉及碳纳米管，具体涉及一种制备碳纳米管薄膜的方法。

背景技术：

碳纳米管以其优异的电学性能和稳定性而被认为是后摩尔时代电子器件的优秀构建材料。近年来，碳纳米管网络状薄膜日益受到重视。这是主要基于以下两个原因：一是由于碳纳米管溶液的分离和提纯技术的发展，使得纯度为99％以上的半导体型碳纳米管溶液实现了商业化；二是基于渗流输运原理，利用纯度不是100％的半导体型碳纳米管薄膜做沟道材料也能制备高开关比的晶体管。这些研究进展使得基于碳纳米管薄膜的器件可在显示驱动、生物传感与探测等领域获得应用。

通常的碳纳米管网络状薄膜中的碳纳米管取向分布是无序的，使得碳纳米管网络状薄膜中含有大量的碳纳米管间的交叉结点。结点的电阻很大，这导致器件的导通电流和迁移率相对较小。然而，如果碳纳米管完全沿某一方向平行排列也不利于器件性能。这是因为如果完全平行，则碳纳米管间不会有交叉结点，碳纳米管间要相互接触才能形成通路。这又会导致实际的通路数量下降，因此对器件性能不利。

目前还缺乏制备这样的碳纳米管薄膜的方法，其中该碳纳米管薄膜中碳纳米管多数沿某一方向平行排列，同时又有少量的碳纳米管偏离上述方向作为平行碳纳米管间的连接，协助构成导电通路，从而既在一定程度上减少了通路中结点的数量，同时又保证了大量通路的形成，对器件性能最为有利。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，提供了一种制备碳纳米管薄膜的方法，包括：使碳纳米管溶液与基底的表面相接触，并使碳纳米管溶液相对于基底的表面沿设定方向移动；以及将基底的表面与碳纳米管溶液分离，并对基底的表面进行干燥处理，以在基底的表面上形成碳纳米管薄膜。

根据本公开的至少一个实施方式，使碳纳米管溶液相对于基底的表面沿设定方向移动的步骤包括：使碳纳米管溶液相对于基底的表面以设定速率沿设定方向移动。

根据本公开的至少一个实施方式，基底为刚性基底，以及使碳纳米管溶液相对于基底的表面沿设定方向移动的步骤包括：使碳纳米管溶液形成为在基底的表面上流动的连续流。

根据本公开的至少一个实施方式，使碳纳米管溶液形成为在基底的表面上流动的连续流的步骤包括：使碳纳米管溶液从容器的第一端流入容器，并从容器的第二端流出容器，其中，基底设置在容器中。

根据本公开的至少一个实施方式，基底为柔性基底，以及使碳纳米管溶液相对于基底的表面沿设定方向移动的步骤包括：使基底沿设定方向移动。

根据本公开的至少一个实施方式，使基底沿设定方向移动的步骤包括：将基底从容器的第一端供给至容器中，并使基底从容器的第二端离开容器，其中，碳纳米管溶液设置在容器中。

根据本公开的至少一个实施方式，碳纳米管溶液为单壁碳纳米管溶液。

根据本公开的至少一个实施方式，碳纳米管薄膜中的碳纳米管在设定方向上是择优取向的。

根据本公开的至少一个实施方式，碳纳米管薄膜的密度和碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度与设定速率和碳纳米管溶液的浓度相关。

根据本公开的至少一个实施方式，刚性基底包括：硅基底、玻璃基底、塑料、或金属基底。

根据本公开的另一方面，提供了一种晶体管，其包括源极、漏极、以及位于源极和漏极之间的沟道，该沟道包括通过上述的制备碳纳米管薄膜的方法制备的碳纳米管薄膜。

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示例性示出了根据本公开一些实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法的流程图；

图2(a)示出了通过根据本公开一些实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法制备的碳纳米管薄膜的扫描电子显微镜图像；

图2(b)示出了相关技术中形成的碳纳米管薄膜的扫描电子显微镜图像；

图3示出了根据本公开一些实施方式的在刚性基底上制备碳纳米管薄膜的过程；以及

图4示出了根据本公开一些实施方式的在柔性基底上制备碳纳米管薄膜的过程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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例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，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

本公开中提到的碳纳米管溶液指的是将碳纳米管分散在水或有机溶剂中而形成的溶液。

本公开中提到的碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度指的是碳纳米管薄膜中沿某一具体方向排列的碳纳米管的数量与该碳纳米管薄膜中碳纳米管的总数量的比值。

本公开中提到的择优取向指的取向程度最高的方向，即沿该方向排列的碳纳米管的数目与薄膜中碳纳米管总数量比值最高的方向。

图1示例性示出了根据本公开一些实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法的流程图。根据本公开一些实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法可包括：

s1，使碳纳米管溶液与基底的表面相接触，并使碳纳米管溶液相对于基底的表面沿设定方向移动；以及

s2，将基底的表面与碳纳米管溶液分离，并对基底的表面进行干燥处理，以在基底的表面上形成碳纳米管薄膜。

在步骤s1中，碳纳米管溶液可以是预先制备好的，例如可通过将碳纳米管原料分散在水或有机溶剂(例如甲苯，二甲苯、氯仿等)中以形成碳纳米管溶液。在一些实施方式中，预先制备好的碳纳米管溶液容纳在容器中，然后将待沉积碳纳米管薄膜的基底放入该碳纳米管溶液中，以使得碳纳米管溶液与该基底的表面相接触。在另一些实施方式中，待沉积碳纳米管薄膜的基底放置在容器中，然后将预先制备好的碳纳米管溶液供给至该容器中，以使得碳纳米管溶液与该基底的表面相接触。根据实际需要，碳纳米管溶液可与基底的一个或多个表面相接触。在仅需要在基底的上表面上沉积碳纳米管薄膜的情况下，基底的下表面可与容器的底部相接触，从而使得仅基底的上表面与碳纳米管溶液相接触。在需要在基底的上表面和下表面上均沉积碳纳米管薄膜的情况下，可使基底悬置在碳纳米管溶液中，从而使得基底的上表面和下表面均与碳纳米管溶液相接触。例如，可通过在容器中设置支架或导轨等使得基底悬置在碳纳米管溶液中，或者基底也可通过悬挂等方式悬置在碳纳米管溶液中。

在步骤s1中，碳纳米管溶液可沿设定方向移动，或者基底可沿设定方向移动，或者碳纳米管溶液和基底可沿相反方向移动。在一些实施方式中，可通过动力装置使得碳纳米管溶液在保持与待沉积碳纳米管薄膜的基底的表面相接触的情况下沿设定方法移动。该动力装置例如可以是泵、桨等。在另一些实施方式中，碳纳米管溶液也可以是由于液位差而移动。例如，进入容器的碳纳米管溶液可由于将重力势能转换为动能而以一定的速度进入容器；或者容器可以是倾斜放置的，以使得碳纳米管溶液进入容器的入口端高于碳纳米管溶液离开容器的出口端，从而使得碳纳米管溶液从入口端向出口端流动。此外，在一些实施方式中，容器中可设置有传送装置，基底可通过该传送装置而在容器中移动。该传送装置例如可以包括转轴和由转轴驱动的传送带。在一些实施方式中，容器中可设置有倾斜的轨道，基底在重力的作用下沿轨道滑动。通过使碳纳米管溶液移动、或使基底移动、或使碳纳米管溶液和基底移动，可在基底的表面上形成流动的连续流。

在一些实施方式中，碳纳米管溶液或基底的移动速度可以是恒定的，以在基底的表面上形成厚度均匀的碳纳米管薄膜。可通过控制碳纳米管溶液的或基底的移动速度来确定形成的碳纳米管薄膜的密度和碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度。然而，本领域技术人员应理解，例如由于容器形状或外部温度等因素，碳纳米管溶液或基底的移动速度也可以是变化的。

在步骤s2中，待沉积碳纳米管薄膜的基底的表面与碳纳米管溶液相分离，并且对该表面进行干燥处理，从而在该表面上形成了碳纳米管薄膜。在一些实施方式中，可将基底从容器中取出，或将容器中的碳纳米管溶液排出，从而使待沉积碳纳米管薄膜的基底的表面与碳纳米管溶液相分离。此外，在一些实施方式中，可通过氮气吹干基底、烘干基底、甩干基底等方式来对基底的表面进行干燥处理，从而在基底的表面上形成碳纳米管薄膜。可通过控制碳纳米管溶液的浓度来确定形成的碳纳米管薄膜的密度和碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度。在基底的表面上形成的碳纳米管薄膜在碳纳米管溶液的移动方向上或与基底的移动方向相反的方向上是择优取向的。例如，在仅碳纳米管溶液移动和碳纳米管溶液与基底均移动的情况下，在基底的表面上形成的碳纳米管薄膜在碳纳米管溶液的移动方向上是择优取向的；以及在仅基底移动的情况下，在基底的表面上形成的碳纳米管薄膜与基底的移动方向相反的方向上是择优取向的。

在一些实施方式中，待沉积碳纳米管薄膜的基底可以是刚性的，例如硅基底或玻璃基底等。在另一些实施方式中，待沉积碳纳米管薄膜的基底可以是柔性的，例如聚酰亚胺基底、聚对苯二甲酸乙二醇酯基底或聚醚酮醚基底等。

在一些实施方式中，可在同一容器中在多个基底上沉积碳纳米管薄膜，其中该多个基底的待沉积碳纳米管薄膜的表面彼此间隔开。在另一些实施方式中，可在多个容器中在多个基底上沉积碳纳米管薄膜，并且该多个容器可以是液体连通的，从而可提高碳纳米管溶液的利用率。

在一些实施方式中，碳纳米管溶液可以是单壁碳纳米管溶液。

通过根据本公开实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法获得的碳纳米管薄膜中的碳纳米管是择优取向的。在该碳纳米管薄膜中，多数碳纳米管是平行排列的，少数碳纳米管中偏离上述多数碳纳米管的排列方向而形成了平行排列的多数碳纳米管的连接，从而在减少了碳纳米管薄膜中碳纳米管间交叉结点的情况下，保证了碳纳米管薄膜的电学导通性。此外，根据本公开实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法，可制备大面积的具有择优取向的碳纳米管的碳纳米管薄膜，并且可一次在多个基底上形成具有择优取向的碳纳米管的碳纳米管薄膜。与其他方式相比，根据本公开实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法具有步骤简单、效率高、符合工业化应用要求的优点。

图2(a)示出了通过根据本公开一些实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法制备的碳纳米管薄膜的扫描电子显微镜图像,以及图2(b)示出了相关技术中形成的碳纳米管薄膜的扫描电子显微镜图像。从图2(a)和图2(b)可观察到，在通过根据本公开一些实施方式的制备碳纳米管薄膜的方法制备的碳纳米管薄膜中，碳纳米管具有择优取向，同时存在少量随机取向的碳纳米管，而在相关技术中形成的碳纳米管薄膜中，碳纳米管在各个方向上随机分布。

图3示出了根据本公开一些实施方式的在刚性基底上制备碳纳米管薄膜的过程。在图3所示的实施方式中，刚性基底201固定在容器202的底面上。预先制备好的碳纳米管溶液从容器的一端进入容器，并从容器的另一端离开容器。图3中的箭头指示碳纳米管溶液的流动方向。碳纳米管溶液可以设定的速度在容器中流动。刚性基底201的上表面与碳纳米管溶液相接触。在经过一段时间后，可从容器202中取出刚性基底201，通过氮气吹干等方式对刚性基底201的上表面进行干燥处理，从而可在刚性基底201的上表面上形成碳纳米管薄膜，并且该碳纳米管薄膜中的碳纳米管在图3中的箭头所示方向上是择优取向的。在根据本公开的一些实施方式中，还可在形成一层碳纳米管薄膜之后，将刚性基底201转动一定角度(例如90°)，然后再重复执行上述过程，从而可得到择优取向的方向成一定角度的两层碳纳米管薄膜。

虽然图3中仅示出了一个容器202，然而本领域技术人员应理解还可设置多个容器202，并且该多个容器202可以是流体连通的，从而可提高碳纳米管溶液的利用率。例如，在存在多个串联连接的容器202并且每个容器202中均设置有待沉积碳纳米管薄膜的基底的情况下，从前一容器流出的碳纳米管溶液可流入后一容器。在一些实施方式中，碳纳米管溶液可在流体连通的多个容器202中循环使用。

在图3所示的实施方式中，可通过控制碳纳米管溶液的流速来控制形成在刚性基底201的表面上的碳纳米管薄膜的密度和碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度。此外，还可通过控制碳纳米管溶液的浓度来控制形成在刚性基底201的表面上的碳纳米管薄膜的密度和碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度。

图4示出了根据本公开一些实施方式的在柔性基底上制备碳纳米管薄膜的过程。如图4所示，在容器302中设置有多个转动轴303。柔性基底301设置在该多个转动轴303上，并在该多个转动轴303的驱动下进行移动。图4中的箭头指示了柔性基底301的移动方向。在图4所示的实施方式中，容器302中容纳有预先制备好的碳纳米管溶液，并且该碳纳米管溶液保持不动。在图4中箭头所指示的方向上，柔性基底301从容器302的一端进入容器302，并从容器302的另一端离开容器302。在图4所示的实施方式中，柔性基底301的上表面和下表面均与容纳在容器302中的碳纳米管溶液相接触。可在柔性基底301离开容器302后，通过氮气吹干等方式使柔性基底301的表面变干，从而在柔性基底301的表面上形成碳纳米管薄膜。另外，根据实际需要，也可在柔性基底301离开容器302后，再次沿图4所示的方向进入容器302，从而可通过多次沉积获得满足需要的碳纳米管薄膜。在基底301的表面上形成的碳纳米管薄膜中的碳纳米管可在与图4中箭头所示方向相反的方向上是择优取向的。

虽然图4中仅示出了一个容器302，然而本领域技术人员应理解还可设置多个容器302，并且该多个容器302可以是流体连通且串联的。例如，在存在多个串联连接的容器302的情况下，从前一容器离开的柔性基底301可进入后一容器，从而可在柔性基底301的表面形成满足需要的碳纳米管薄膜。

在图4所示的实施方式中，可通过控制转动轴303的转速来控制基底301的移动速度，从而可控制形成在柔性基底301的表面上的碳纳米管薄膜的密度和碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度。此外，还可通过控制碳纳米管溶液的浓度来控制形成在柔性基底301的表面上的碳纳米管薄膜的密度和碳纳米管薄膜中碳纳米管的取向程度。

根据本公开的实施方式还提供了一种晶体管。该晶体管包括源极、漏极、以及沟道，该沟道包括通过上述制备碳纳米管薄膜的方法制备的碳纳米管薄膜。该沟道中的碳纳米管多数沿沟道方向平行排列，同时又有少量的碳纳米管偏离沟道方向作为平行碳纳米管间的连接，协助构成导电通路。这样既在一定程度上减少了通路中结点的数量，同时又保证了大量通路的形成，使得该晶体管具有良好的性能。

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。