单壁碳纳米管水平阵列及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体领域，涉及一种单壁碳纳米管水平阵列及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]单壁碳纳米管独特而完美的结构赋予了它优异的物理、化学性质，因此一直受到科学家们的极大关注。如今，基于单壁碳纳米管的场效应晶体管、场发射器、化学传感器等器件基元也已经被成功构建，这给我们展示了单壁碳纳米管未来应用的美好前景。然而在由单根单壁碳纳米管构建的电子器件表现出诸多优异性能的同时，单壁碳纳米管在电路中的规模集成依然是一个挑战。因此在基底上大批量制备单壁碳纳米管水平阵列是其在纳电子器件中广泛应用的前提。
[0003]目前，用于合成单壁碳纳米管水平阵列的催化剂的制备方法主要包括两种，一种是电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射等气相沉积法，另一种是微接触印刷、机械划刻、旋涂、浸渍提拉等液相沉积法。气相沉积法和现有微纳工艺兼容，但最后所形成的纳米颗粒只能靠高温氧化和还原过程中薄膜随机分裂形成，聚集严重，其大小、数目和位置难以控制。液相法对设备要求低，成本低廉，但用现有方法不易得到大尺寸样品。此外，液相法受限于催化剂前躯体浓度，无法获得直径大范围可调的纳米颗粒。因此，发明一种简单高效、易于实现大面积均匀可控，适合规模化生产，用于合成单壁碳纳米管水平阵列的催化剂的制备方法及其应用显得至关重要。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种单壁碳纳米管水平阵列及其制备方法与应用。
[0005]本发明提供的制备单壁碳纳米管水平阵列的方法，包括如下步骤:
[0006]向单晶生长基底中进行离子注入后退火，在化学气相沉积系统中通入氢气进行还原反应，并保持氢气的继续通入进行阵列的生长，生长完毕即在所述单晶生长基底上得到所述单壁碳纳米管水平阵列。
[0007]上述方法中，构成所述单晶生长基底的材料为ST切石英、R切石英、a面α氧化铝、r面α氧化铝、氧化镁；
[0008]所述离子选自下述元素中的至少一种:Fe、Co、N1、Cu、Au、Mo、Zn、W、Ru、Cr、Rh、V、T1、Al、Mg 和 Pd、B、P 和 As。
[0009]所述方法还包括如下步骤:
[0010]在所述离子注入步骤之前，将所述单晶生长基底进行预处理；
[0011]所述预处理具体包括如下步骤:
[0012]将所述单晶生长基底依次在超纯水、丙酮、乙醇和超纯水中各超声清洗lOmin，再用氮气吹干后，置于马弗炉中，在2h内由室温升至1100°C恒温8h，再在1h内降温至300°C，再自然降温至室温。
[0013]此过程用来修复由于生产加工过程中产生的晶格缺陷。
[0014]所述离子注入步骤中，注入能量15KeV?200KeV，具体为30_50KeV，注入剂量I X 114?I X 10 181ns/cm2，具体为 5 X 10151ns/cm2;真空度为 I X 10 3_1 X 10 7Pa,具体为1X10 5Pa0
[0015]所述退火步骤中，温度为900-1300°C，具体为1100°C，退火时间为2_24h，具体为8小时。该步骤是为了修复离子注入破坏了的单晶基底表面，以及消除单晶基底内部因离子注入产生的损伤；
[0016]所述还原反应步骤中，还原气氛为氢气气氛；氢气的气体流量为30_500sccm，具体为100-300sccm ;还原时间为lmin_30min，具体为5min ;该步骤的目的是为了还原作为催化剂的尚子；
[0017]所述阵列的生长步骤中，所用碳源为在700°C?100tC反应温度下比较容易裂解的含碳气体或蒸汽压较大并易裂解的含碳液体，具体可为CH4、C2H4、乙醇或异丙醇；乙醇碳源是通过Ar气鼓泡乙醇溶液产生的；具体可为CH4X2H4、乙醇或异丙醇；碳源的气体流量为10_500sccm，具体为 50sccm ；
[0018]生长时间为Imin?lh，具体为15min ；
[0019]所述还原反应和阵列的生长步骤中，温度均为700-1000°C，具体为810°C -850°C ；
[0020]所用载气均为氮气或氩气；所述载气的气流流量为50_500sccm，具体为100_300sccmo
[0021]所述方法还包括如下步骤:在所述化学气相沉积步骤之后，将体系降温；
[0022]所述降温具体为自然降温或程序控制降温。
[0023]另外，按照上述方法制备得到的单壁碳纳米管水平阵列，也属于本发明的保护范围。其中，所述单壁碳纳米管水平阵列的密度超过100根/微米，具体可为50-120根/微米。
[0024]本发明通过离子注入的方法，选择多种离子作为催化剂，注入多种适合单壁碳纳米管水平阵列生长的基底中，通过热处理，消除离子注入对基底的损伤，得到可以生长高密度单壁碳纳米管水平阵列的单晶生长基底。用这种基底进行化学气相沉积，成功制备出高密度单壁碳纳米管水平阵列，高分辨率扫描电子显微镜(SEM)表征其密度超过100根/微米。
[0025]本发明提供的用于合成单壁碳纳米管水平阵列的催化剂的制备方法及其应用，与一般制备方法相比，具有简单高效，与现有微纳工艺兼容，易于实现大面积均匀可控，适合规模化生产的优点。并且，通过调控离子注入的能量和剂量，选择合适的催化剂和基底，有望实现单壁碳纳米管水平阵列的可控制备和大规模生产，因此本方法在纳电子器件等领域具有极其广阔的应用前景。
【附图说明】
[0026]图1为a面α氧化铝单晶基底表面原子力显微镜(AFM)图；其中，a)为第一次退火后的，b)为离子注入后的，c)为第二次退火后的。
[0027]图2为Fe离子在氧化铝基底中的深度分布图。
[0028]图3为注Fe离子生长出的高密度单壁碳纳米管水平阵列的SEM图；其中，a)，b)为同一样品不同放大倍数下的SEM图，对应的标尺大小分别为50 μπι和200nm。
[0029]图4为注B离子生长出的高密度单壁碳纳米管水平阵列的SEM图；其中，a)，b)为同一样品不同放大倍数下的SEM图，对应的标尺大小分别为50 μπι和200nm。
【具体实施方式】
[0030]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。<