专利名称：一种碳纳米管图形化工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种广泛应用于微纳制造中的基于自组装膜的碳纳米管图形化工艺方法，属于纳米科学与技术领域。
背景技术：
1991年，日本的Iijima首次发现多壁碳纳米管(MWNT)，直径为4-30nm，长度为1um。1993年单壁碳纳米管也被发现(SWNT)，直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管具有独特的电子、机械及化学性能，在机械、电化学、能源、显示器件等领域有着广泛的应用。碳纳米管有两个独特优异的电学性能，一个是场发射性质，另一个是碳纳米管的二重电性质。这两个独特的电学性能使得这种新型材料在微电子学上具有良好的应用前景。
构造基于碳纳米管的电子器件需要一种控制碳纳米管的定位的方法，目前有人利用AFM操纵使碳纳米管定位，但效率很低，另一种方法是让碳纳米管在图形化催化剂上生长，由于碳纳米管的生长一般需要很高的温度，这对基底有很大的限制.公开专利号1502553是在图形化基底上生长碳纳米管。公开专利号1500715主要是通过把碳纳米管端部的基团与表面的反应定位形成碳纳米管图形化膜。有机硅衍生物自组装单层膜是高度有序且具有方向性的，既可以在烷基链中与很多基团相互作用，也可以在链的尾端进行化学反应，并可使基底呈现电荷性。它的这种特性使分子水平的灵活设计成为可能，并且为研究界面特殊相互作用提供了可行性，由于有机硅烷能在基片SiO2、Al2O3等形成高质量的氯硅烷自组装单层膜，且具有独特的稳定性，硅烷仍然是表面修饰和表面功能化的理想材料。分散液中碳纳米管很容易沉积到氨基表面的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)自组装膜表面，而很难沉积到甲基表面的十八烷基三氯硅烷(OTS)自组装膜表面。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种常温下实现碳纳米管图形化的方法。
本发明提出的一种碳纳米管图形化工艺方法，所述方法，其特征在于该方法是在常温下通过对基底表面组装有机硅烷衍生自组装膜进行化学功能化处理，然后采用沉积工艺和浇铸工艺形成图形化碳纳米管。其工艺步骤为(1)将碳纳米管在十二烷基硫酸钠水溶液或者N，N-二甲基甲酰胺分散超声分散，然后离心，取上层清澈碳纳米管分散液溶液；(2)在基底上面涂一层光刻胶，根据事先设计的不同尺寸大小条纹和点阵图形对光刻胶进行曝光，在曝光显影后露出的基底部分组装甲基表面自组装膜；
(3)将步骤2组装了甲基表面自组装膜的硅片泡入丙酮里对剩下的光刻胶去胶，再在去胶后的硅片的上面组装氨基表面自组装膜；(4)将步骤3经过图形化功能处理的硅基底分别用沉积工艺与浇铸工艺实现碳纳米管的图形化。
在上述碳纳米管图形化工艺方法中，步骤1所述的碳纳米管经过酸煮等纯化工艺处理。
在上述碳纳米管图形化工艺方法中，步骤1所述的自组装膜的成膜基底为硅片，金属铝，玻璃，云母，三氧化二铝，二氧化硅基底。
本发明主要通过对基底表面组装有机硅烷衍生自组装单层膜进行化学功能化处理，图形化的自组装膜对碳纳米管分散液中碳纳米管选择性吸附，实现碳纳米管的平面定位，使碳纳米管在模板上形成图案化结构。不同表面基团自组装膜对基底表面化学图形化处理，利用不同表面功能基团自组装膜与碳纳米管的不同相互作用来定位碳纳米管，将碳纳米管可控沉积到图形化表面的氨基表面区域，实现碳纳米管的图形化。本发明的方法在制造平板显示屏、晶体管、化学和生物传感器、半导体装置等工艺中有潜在的应用价值。
图1为本发明的图形化的自组装膜表面示意图。
图2为本发明的casting工艺示意图。
图3为本发明的沉积工艺示意图。
图4为本发明的硅基底上图形化沉积碳纳米管后的SEM形貌图。
图5为本发明的铝基底的图形化沉积碳纳米管后的SEM形貌图。
图6为本发明的碳纳米管在铝基底与OTS图形casting工艺后的形貌SEM图。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明的方法做进一步说明本发明用于自组装膜成膜的溶液配制分别为甲基功能化的自组装膜十八烷基三氯硅烷溶液的配比如下70毫升十六烷；10毫升四氯化碳；将2毫升无水氯仿、3毫升四氯化碳与5毫升去离子水混合，静置24小时后，取2毫升下层水饱和的氯化溶液；200微升十八烷基三氯硅烷。成膜时间2小时氨基功能化的自组装单层膜3-氨基丙基三乙氧基硅烷的溶液的配比如下50毫升无水甲醇；2毫升去离子水；2毫升乙酸；1毫升3-氨基丙基三乙氧基硅烷。
成膜时间2小时。
将碳纳米管在浓度1wt％(质量百分比)的十二烷基硫酸钠水溶液或者N，N-二甲基甲酰胺分散超声分散3个小时，然后3000转/分钟离心三小时，取上层清澈碳纳米管分散液溶液。
实施例1硅基底碳纳米管的图形化沉积采用单晶硅片N(100)作为基底，在上面涂一层Megaposit SPR6112B光刻胶，根据事先设计的不同尺寸大小条纹和点阵图形对光刻胶进行曝光，在曝光显影后露出的硅片部分组装OTS甲基表面自组装膜，然后再泡入丙酮里面对剩下的光刻胶去胶，再在去胶后的硅片的上面组装APTES氨基表面自组装膜。这样就形成了图形化的自组装膜表面(如图1所示).
把图形化功能处理的硅基底分别浸入SDS水溶液或DMF碳纳米管的分散液沉积(如图3所示)十六个小时，取出后分别用去离子水或无水甲醇清洗，氮气吹干。
实施例2电极铝基底的碳纳米管的图形化沉积采用单晶硅片N(100)作为基底，在清洗后的硅片上面溅射一层Al，然后在Al上面涂一层Megaposit SPR6112B光刻胶，根据事先设计的不同尺寸大小条纹和点阵图形对光刻胶进行曝光，然后对曝光部分的Al进行腐蚀(磷酸腐蚀)，在腐蚀掉Al露出的硅片部分组装OTS甲基表面自组装膜，然后再泡入丙酮里面对Al表面的光刻胶去胶，再在去胶后的Al的上面组装APTES氨基表面自组装膜，形成不同表面自组装膜的图形(如图1所示)。
把图形化的基底浸入SDS水溶液或DMF碳纳米管分散液中十六个小时，然后取出分别用去离子水或无水甲醇清洗，氮气吹干，实现碳纳米管的图形化沉积。实验中所用的图形设计分别为20μm，10μm宽的条纹，10μm*10μm的方格点阵和4μm*4μm的方格点阵。
实施例3铝电极基底的碳纳米管的图形化casting工艺得到图形化碳纳米管膜。
采用单晶硅片N(100)作为基底，在清洗后的硅片上面溅射一层Al，然后在Al上面涂一层Megaposit SPR6112B光刻胶，根据自己设计的不同尺寸大小条纹和点阵图形对光刻胶进行曝光，然后对曝光部分的Al进行腐蚀，在腐蚀掉Al露出的硅片部分组装OTS甲基表面自组装膜，然后再泡入丙酮里面对Al表面的光刻胶去胶，再一次羟基化，形成疏水OTS膜和亲水铝的图形(如图1所示)。
权利要求
1.一种碳纳米管图形化工艺方法，其特征在于所述方法是在常温下通过对基底表面组装有机硅烷衍生自组装膜进行化学功能化处理，然后对基底采用沉积工艺和浇铸工艺形成碳纳米管图形，其工艺步骤为(1)将碳纳米管在十二烷基硫酸钠水溶液或者N，N-二甲基甲酰胺分散超声分散，然后离心，取上层清澈碳纳米管分散液溶液；(2)在基底上面涂一层光刻胶，根据事先设计的不同尺寸大小条纹和点阵图形对光刻胶进行曝光，在曝光显影后露出的基底部分组装甲基表面自组装膜；(3)将步骤2组装了甲基表面自组装膜的基底泡入丙酮里对剩下的光刻胶去胶，再在去胶后露出的基底上面组装氨基表面自组装膜；(4)将步骤3经过图形化功能处理的基底分别用沉积工艺与浇铸工艺实现碳纳米管的图形化。
2.按照权利要求1所述的碳纳米管图形化工艺方法，其特征在于步骤1所述的碳纳米管经过酸煮等纯化工艺处理。
3.按照权利要求1所述的碳纳米管图形化工艺方法，其特征在于步骤1所述的自组装膜的成膜基底为硅片，金属铝，玻璃，云母，三氧化二铝，二氧化硅基底。
全文摘要
本发明公开了一种碳纳米管图形化工艺方法，属于纳米科学与技术领域。所述方法主要利用功能化有机硅烷自组装单层膜表面对DMF与SDS分散液中的碳纳米管的不同作用力形成图形化碳纳米管单，多层膜或阵列。用光刻法在表面形成图形，然后在图形表面不同区域组装不同的自组装膜，利用图形化膜的不同区域不同表面性质，通过沉积和casting工艺形成单层或多层结构的图形化碳纳米管。该方法很容易在如玻璃、硅晶片或塑料上形成碳纳米管图形，同样也可以在铝等金属上形成碳纳米管阵列图形。本发明的方法在制造平板显示屏、晶体管、化学和生物传感器、半导体装置等工艺中有潜在的应用价值。
文档编号C01B31/02GK1730382SQ20051008633
公开日2006年2月8日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者胡元中, 彭倚天, 王慧 申请人:清华大学