碳纳米管散热器的制备装置及方法

摘要

本发明涉及一种制备碳纳米管散热器的方法，其包括以下步骤：提供一基板；于所述基板上沿同一方向生长若干第一碳纳米管及若干第二碳纳米管，其中第一碳纳米管的自由端与第二碳纳米管的自由端具有一高度差；提供一第一基底及一第二基底，将距离基板较远的第一碳纳米管的自由端固定于所述第一基底中；将自由端固定于第一基底中的第一碳纳米管从基板上去除，使其独立地形成于所述第一基底上从而得到一第一碳纳米管散热器；将第二碳纳米管的自由端固定于所述第二基底中；将自由端固定于第二基底中的第二碳纳米管从基板上去除，使其独立地形成于所述第二基底上从而得到一第二碳纳米管散热器。

权利要求

1.一种碳纳米管散热器的制备装置，其包括一基板，该基板具有一表面，其特征在于，该基板的表面上形成有若干第一碳纳米管及若干第二碳纳米管，所述基板的所述表面上设有多个凹槽，该凹槽具有一底面，所述若干第一碳纳米管生长于所述基板的所述表面上，所述第二碳纳米管生长于所述凹槽的底面内，第一碳纳米管和第二碳纳米管均超出基板的表面，所述第一及第二碳纳米管均自基板朝同一生长方向生长，所述第一碳纳米管的自由端与第二碳纳米管的自由端之间具有一高度差。

2.如权利要求1所述的碳纳米管散热器的制备装置，其特征在于，所述多个凹槽中的每一凹槽为N层凹槽，其中N大于等于1。

3.如权利要求2所述的碳纳米管散热器的制备装置，其特征在于，所述N大于等于2时，所述第二碳纳米管包括多个高度不同的碳纳米管。

4.如权利要求2所述的碳纳米管散热器的制备装置，其特征在于，所述每一凹槽内同一层凹槽的底面到所述基板的表面的距离相等。

5.如权利要求1所述的碳纳米管散热器的制备装置，其特征在于，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管的长度相同。

6.一种碳纳米管散热器的制备方法，其包括以下步骤：

提供一基板；

于所述基板上沿同一方向生长若干第一碳纳米管及若干第二碳纳米管，其中第一碳纳米管的自由端与第二碳纳米管的自由端具有一高度差；

提供一第一基底及一第二基底，将距离基板较远的第一碳纳米管的自由端固定于所述第一基底中；

将自由端固定于第一基底中的第一碳纳米管从基板上去除，使其独立地形成于所述第一基底上从而得到一第一碳纳米管散热器；

将第二碳纳米管的自由端固定于所述第二基底中；

将自由端固定于第二基底中的第二碳纳米管从基板上去除，使其独立地形成于所述第二基底上从而得到一第二碳纳米管散热器。

7.如权利要求6所述的碳纳米管散热器的制备方法，其特征在于，所述提供一基板的步骤后还进一步包括在所述基板的一表面开设凹槽的步骤，并在基板的所述表面上生长所述若干第一碳纳米管，以及在凹槽的底面内生长所述若干第二碳纳米管，第一碳纳米管和第二碳纳米管均超出基板的表面。

8.如权利要求7所述的碳纳米管散热器的制备方法，其特征在于，所述凹槽为N层凹槽，其中N大于等于1。

9.如权利要求6所述的碳纳米管散热器的制备方法，其特征在于，所述基底的厚度为

0.1毫米～1厘米。

10.如权利要求6所述的碳纳米管散热器的制备方法，其特征在于，所述将距离基板较远的第一碳纳米管的自由端固定于所述第一基底中的方法包括以下步骤：将第一碳纳米管的自由端浸入一熔融态的第一基底材料中；固化该第一基底材料；所述第二碳纳米管的自由端固定于所述第二基底中的方法包括以下步骤：将第二碳纳米管的自由端浸入一熔融态的第二基底材料中；固化该第二基底材料。

11.如权利要求6所述的碳纳米管散热器的制备方法，其特征在于，所述第一基底材料包括聚合物相变材料或低熔点金属材料；所述第二基底材料包括聚合物相变材料或低熔点金属材料。

12.如权利要求6所述的碳纳米管散热器的制备方法，其特征在于，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管的长度相同。

说明书

碳纳米管散热器的制备装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及散热器的制备装置及方法，尤其涉及一种碳纳米管散热器的制备装置及方法。

背景技术

[0002] 自九十年代初以来，以碳纳米管为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了人们极大的关注。碳纳米管具有机械强度高且密度较小的优点。近几年来，随着对碳纳米管研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来。例如，由于碳纳米管具有的独特的电磁学、光学、力学、化学等性能，大量有关其在场发射电子源、传感器、新型光学材料、软铁磁材料等领域的应用研究不断被报道。由于碳纳米管沿其径向具有良好的热传导性，因此碳纳米管阵列可在半导体领域用作散热器。

[0003] 请参见于2005年11月11日申请，于2007年05月16号公开的第CN1964028A号中国公开专利申请所揭示的一种散热器及其制备方法。该散热器包括：一基底和多个碳纳米管。所述基底具有一第一表面和一与所述第一表面相对的第二表面。所述多个碳纳米管从基底的第一表面穿透所述第二表面并向外延伸。所述散热器的制备方法具体包括以下步骤：提供一基板；在所述基板上形成多个碳纳米管；在所述多个碳纳米管的一末端固定一基底；去除所述基板。该方法所制备的散热器采用碳纳米管可作为散热鳍片。然而，该种方法制备的散热器中碳纳米管密度较大，使碳纳米管中的热量不易传导至空气中，因此，该种散热器的热对流效果较差。

[0004] 为了克服上述问题，“Chip cooling with integrated carbon nanotubemicrofin architectures”(K.Kordas et al.Appl.Phys.Lett.90.123105(2007))中揭示了一种散热器及其制备方法。所述散热器包括一硅基底，所述硅基底上呈方阵状生长有10×10个碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列的尺寸为1.2×10×10立方毫米。所述散热器的制备方法包括以下步骤：在硅基底上生长碳纳米管阵列；采用脉冲激光以50毫米/秒的扫描速率处理碳纳米管阵列，使被激光处理过的碳纳米管被去除，从而形成10×10个碳纳米管阵列。该种散热器中各个碳纳米管阵列之间有一定间隙，从而提高了散热器的热对流效果。

[0005] 然而，上述散热器的制备方法，由于其所采用的用于生长碳纳米管阵列基底为一平面，因此每次仅可于基底上形成一个碳纳米管阵列，从而每次于基底上制备出的碳纳米管阵列也仅可制得一个散热器。因此，该种散热器的制备方法成本较高，效率较低。

发明内容

[0006] 确有必要提供一种有效制备碳纳米管散热器的装置及采用该装置制备碳纳米管散热器的方法。

[0007] 一种碳纳米管散热器的制备装置，其包括一基板，该基板具有一表面，该基板的表面上形成有若干第一碳纳米管及若干第二碳纳米管，所述第一及第二碳纳米管均自基板朝同一生长方向生长，所述第一碳纳米管的自由端与第二碳纳米管的自由端之间具有一高度差。

[0008] 一种碳纳米管散热器的制备方法，其包括以下步骤：提供一基板；于所述基板上沿同一方向生长若干第一碳纳米管及若干第二碳纳米管，其中第一碳纳米管的自由端与第二碳纳米管的自由端具有一高度差；提供一第一基底及一第二基底，将距离基板较远的第一碳纳米管的自由端固定于所述第一基底中；将自由端固定于第一基底中的第一碳纳米管从基板上去除，使其独立地形成于所述第一基底上从而得到一第一碳纳米管散热器；将第二碳纳米管的自由端固定于所述第二基底中；将自由端固定于第二基底中的第二碳纳米管从基板上去除，使其独立地形成于所述第二基底上从而得到一第二碳纳米管散热器。

[0009] 相对于现有技术，本发明提供的用于制备碳纳米管散热器的装置，其包括一基板，该基板的表面上形成有若干第一碳纳米管和若干第二碳纳米管，且所述第一碳纳米管的自由端与第二碳纳米管的自由端之间具有一高度差。采用该种制备碳纳米管散热器的装置可制备多个碳纳米管散热器，提高了碳纳米管散热器的制备效率，降低了生产成本。

附图说明

[0010] 图1是本发明实施例碳纳米管散热器的制备方法流程图。

[0011] 图2至图7是本发明实施例碳纳米管散热器的制备方法的工艺流程图。

[0012] 图8是本发明实施例碳纳米管散热器的制备方法中采用的具有二层阶梯状凹槽的基板的俯视图。

[0013] 图9是本发明实施例碳纳米管散热器的制备方法中采用的具有同心状凹槽的基板的俯视图。

[0014] 图10是本发明实施例碳纳米管散热器制备方法中采用的碳纳米管阵列的制备方法流程图。

[0015] 图11是本发明实施例碳纳米管散热器制备方法中于基板表面形成催化剂的区域的示意图。

[0016] 图12是本发明实施例碳纳米管散热器制备方法中采用的具有二层凹槽的碳纳米管散热器的制备装置的主视图。

[0017] 图13是本发明实施例碳纳米管散热器制备方法中采用的具有交错排列凹槽的基板的示意图。

具体实施方式

[0018] 为了对本发明作更进一步的说明，举以下具体实施例并配合附图详细描述如下。

[0019] 请参阅图1，其为本发明具体实施例提供制备碳纳米管散热器的方法的流程图。请参阅图2至图7为本发明具体实施例提供的制备碳纳米管散热器的方法的工艺流程图。该方法包括从S10到S60六个步骤。

[0020] 步骤S10，请参阅图2，提供一基板12，该基板12具有一第一表面即底表面，一第二表面即顶表面，且该第一表面平行于第二表面。该第二表面上设有多个相互间隔的凹槽130，从而使基板12形成有两个不同高度且相互间隔的第一生长表面120及第二生长表面
140。所述凹槽130于基板的第二表面呈点阵状排列。所述第一生长表面120和基板12的第二表面共面。凹槽130的底表面为第二生长表面140。所述第一生长表面120的高度较每一第二生长表面140的高度高。

[0021] 所述基板12可选用P型或N型硅基板，或选用形成有氧化层的硅基板。本实施例中基板12采用硅基板。所述凹槽130的形状及层数不限。可以理解地，所述凹槽130可以为一层凹槽、二层凹槽、三层凹槽或N层凹槽等。同一层凹槽的底面到基板12的第一表面的距离相等，不同层的凹槽的底面到基板12的第一表面的距离不等。所述凹槽130可以呈阶梯形亦即台阶状，如图8所示，也可设置成同心状的，如图9所示。所述凹槽130可以为交错排列的点阵形成于所述基板12的表面，如图13所示。所述凹槽130可通过铸造或刻蚀基板12的方法形成。如图11所示，本实施例中硅基板12上形成有6个凹槽130。所述6个凹槽呈3×2点阵状排列在硅基板12的表面，即所述6个凹槽排列成2行，每行间隔设置有3个凹槽130。所述每一凹槽130均只有一层且每一凹槽130的底面均为第二生长表面140，且该第二生长表面140的形状为矩形。

[0022] 步骤S20，请参阅图3，于所述基板12的第一生长表面120和第二生长表面140上形成长度大致相等的碳纳米管阵列，其中形成于基板12的第一生长表面120上的碳纳米管阵列为第一碳纳米管阵列10，形成于第二生长表面140上的碳纳米管阵列为第二碳纳米管阵列20。第一碳纳米管阵列10和第二碳纳米管阵列20的生长方向相同。控制所生长的碳纳米管阵列的长度，从而使得第二碳纳米管阵列20中的碳纳米管超出基板12的第一生长表面120。由于第一生长表面120高于第二生长表面140，且第一碳纳米管阵列10和第二碳纳米管阵列20的长度相同。因此，第一碳纳米管阵列10的高度第二碳纳米管阵列20，即第一碳纳米管阵列10的自由端和第二碳纳米管阵列20的自由端具有一高度差。

[0023] 请参阅图10，在所述第一生长表面120和第二生长表面140上分别形成第一碳纳米管阵列10和第二碳纳米管阵列20的方法包括以下步骤：

[0024] 步骤S201，在所述基板12的第一生长表面120的部分区域和第二生长表面140上均匀形成一催化剂层。所述催化剂层的材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一。本实施例中催化剂的材料为铁。

[0025] 在基板12的第一生长表面120形成催化剂的区域可为任意形状。本实施例中，请参阅图11，图中阴影区域为形成有催化剂的区域，其中形成于基板12的第一生长表面120的催化剂区域50为4×2排列的8个矩形区域，每个矩形区域均与一凹槽130相邻接。所述凹槽130排列成2行，所述催化剂区域50与凹槽130同行排列、并间隔设置。所述凹槽130和所述催化剂区域50形成相互平行的两行。所述图11中形成于凹槽130中的催化剂区域为3×2排列的多个矩形区域。

[0026] 步骤S202，将上述形成有催化剂层的基板12在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟。

[0027] 步骤S203，将退火处理过的基板12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，在基板12的第一生长表面120形成有催化剂的区域50生长得到第一碳纳米管阵列10，在第二生长表面140上生长得到第二碳纳米管阵列20。其中，碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体为氮气或惰性气体。本实施例中所述碳源气为乙炔，保护气体为氩气。由于第一碳纳米管阵列10和第二碳纳米管阵列20为一次生长碳纳米管的过程同时制得，因此，第一碳纳米管阵列10和第二碳纳米管阵列20中的碳纳米管的生长时间和生长速度相同，因此第一碳纳米管阵列10和第二碳纳米管阵列20的长度大致相同。

[0028] 步骤S30，请参阅图4，提供一第一基底18，将所述基板12及生长于其上的碳纳米管阵列10、20倒置，使第一碳纳米管阵列10的远离基板12的自由端固定于一第一基底18中。可选择地，也可以不倒置所述基板12及生长于其上的碳纳米管阵类10、20，使第一碳纳米管阵列10的远离基板12的自由端固定于一第一基底18中。

[0029] 所述第一基底18的材料可以为聚合物相变材料也可以为低熔点金属材料。

[0030] 所述聚合物相变材料是指在一定温度(相变点)下能熔融的聚合物，例如，硅橡胶、聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚甲醛、聚缩醛或石蜡等。可选择地，该聚合物相变材料中添加有至少一种添加剂。所述添加剂也可为聚合物。添加剂用于改善聚合物材料的柔韧性和稳定性，还可调节聚合物材料的相变温度，如二甲基亚砜添加在石蜡基体材料中，可起到上述作用。可选择地，聚合物基体材料中填充有一些非碳纳米管导热材料微粒。所述非碳纳米管导热材料微粒在热界面材料中的含量介于0.1～5wt％，该微粒导热无方向性，可提高热界面材料的导热性能。该非碳纳米管导热材料微粒包括纳米金属粉体及纳米陶瓷粉体，如铝、银、铜、氧化铝、氮化铝、氮化硼等。

[0031] 所述低熔点金属包括锡、铜、铟、铅、锑、金、银、铋、铝以及前述各材料的合金或混合物，如锡铅合金、铟锡合金、锡银铜合金、金硅合金、金锗合金等。本实施例中，所述第一基底18的材料为石蜡，第一基底18的厚度为1毫米。本实施方式中，所述第一碳纳米管阵列10中的碳纳米管的高度为3毫米，其中碳纳米管有1毫米高的部分位于石蜡基底中，2毫米高的碳纳米管暴露在空气中。

[0032] 其中，将所述第一碳纳米管阵列10远离基板12的自由端固定于一第一基底18中的方法具体包括以下步骤：步骤S301，将第一碳纳米管阵列10的远离基板12的自由端浸入一熔融态的第一基底材料中，并且第二碳纳米管阵列20不被浸入该熔融态的第一基底材料中；步骤S302，固化所述第一基底材料。

[0033] 所述第一基底18具有相对的第一表面180和第二表面182。所述第一碳纳米管阵列10由第一基底18的所述第一表面180延伸至所述第二表面182并沿垂直于第二表面182的方向向外延伸，即第一碳纳米管阵列10贯穿第一基底18。所述第一基底18的厚度依据实际需要确定，如所需散热量的大小，以及所需碳纳米管的固持力的大小。优选地，所述第一基底18的厚度为0.1毫米～1厘米。所述第二碳纳米管阵列20的自由端与第一基底18之间形成一间隙17，使第二碳纳米管阵列20与第一基底18不接触。

[0034] 步骤S40，请参阅图5，从基板12的第一生长表面120上去除第一碳纳米管阵列10，使第一碳纳米管阵列10脱离基板12而独立形成于第一基底18上从而得到第一碳纳米管散热器100。该第一碳纳米管散热器100包括一第一基底18及第一碳纳米管阵列10，所述第一碳纳米管阵列10贯穿第一基底18。本实施例中，第一碳纳米管阵列10为呈4×2排列且相互间隔的8个矩形区域。由于该8个矩形区域间隔排列，因此碳纳米管密度较小，使碳纳米管中的热量容易传导至空气中，因此，该种碳纳米管散热器的热对流效果较好。

[0035] 所述去除第一碳纳米管阵列10的方法有多种，如机械研磨、化学蚀刻等。本实施例中，去除第一碳纳米管阵列10的方法为直接拉拔第一基底18使第一碳纳米管阵列10从基板12的第一生长表面120脱离。由于第一碳纳米管阵列10仅仅为生长于基板12的表面，第一碳纳米管阵列10同基板12的结合力较弱。然而第一碳纳米管阵列10贯穿第一基底18且固定于第一基底18中，第一碳纳米管阵列10同第一基底18的结合力较强。因此，在较小的作用力下即可使得第一碳纳米管阵列10和基板12分离从而得到第一碳纳米管散热器100。

[0036] 可选择地对第一散热器100的第一基底18的第二表面182进行刻蚀去除部分第一基底材料，使更多的碳纳米管露出。刻蚀第一基底材料的方法可以为氧等离子刻蚀或酸腐蚀法。若第一基底的材料为石蜡可以用氧等离子刻蚀去除石蜡从而使第一散热器100漏出碳纳米管，若第一基底的材料为低熔点金属，则用酸腐蚀金属基体材料从而漏出碳纳米管。第一碳纳米管阵列10在第一基底18的第一表面180和第二表面182均露头，可以使第一散热器100更好地与热源或空气接触，从而使第一散热器100的散热效果更好。

[0037] 步骤S50，请参阅图6，提供一第二基底22，将所述基板12及生长于第二生长表面140上的第二碳纳米管阵列20倒置，将所述第二碳纳米管阵列20的远离基板12的自由端固定于所述第二基底22中。可选择地，也可以不倒置所述基板12及生长于第二生长表面
140上的第二碳纳米管阵列20，将所述第二碳纳米管阵列20的远离基板12的自由端固定于所述第二基板22中。步骤S50与步骤S30相似。所述第二基底22的材料为聚合物相变材料或低熔点金属材料。所述第二基底22的材料同第一基底18的材料可以相同也可以不同。本实施例中，第二基底22的材料为石蜡。所述将第二碳纳米管阵列20的远离基板12的自由端固定于所述第二基底22中的方法与步骤S30中所述的将所述第一碳纳米管阵列
10远离基板12的自由端固定于一第一基底18中的方法相似。所述将第二碳纳米管阵列20的远离基板12的自由端固定于所述第二基底22中的方法包括以下步骤：步骤S501，将第二碳纳米管阵列20的远离基板12的自由端浸入一熔融态的第二基底材料中；步骤S502，固化所述第二基底材料。由于在步骤S20中，所制备的第二碳纳米管阵列20中的碳纳米管超出基板12的第一生长表面120，因此可实现将第二碳纳米管阵列20的自由端固定于第二基底22中。

[0038] 步骤S60，请参阅图7，从基板12的第二生长表面140上去除所述第二碳纳米管阵列20使第二碳纳米管阵列20脱离基板12使其独立地形成于第二基底22上从而得到第二碳纳米管散热器200。该第二碳纳米管散热器200包括一第二基底22及第二碳纳米管阵列20。本实施例中，去除第二碳纳米管阵列20的方法为直接拉拔第二基底22使第二碳纳米管阵列20从基板的第二生长表面140脱离。本实施例中，第二碳纳米管阵列20为3×2排列且相互间隔的6个矩形区域。由于该6个矩形区域间隔排列，因此碳纳米管密度较小，使碳纳米管中的热量容易传导至空气中，因此，该种碳纳米管散热器的热对流效果较好。

[0039] 可选择地，对第二碳纳米管散热器200形成有碳纳米管的表面进行刻蚀，使更多的碳纳米管露出。所述刻蚀第二碳纳米管散热器200的方法同刻蚀第一碳纳米管散热器100的方法相同。

[0040] 本实施例中，利用具有一层凹槽130的基板12可在一次生长碳纳米管阵列的过程中同时制备两个处于不同水平面的碳纳米管阵列即第一碳纳米管阵列10和第二碳纳米管阵列20。可以理解，若所述基板12的第一生长表面120所具有的阶台式凹槽130为二层凹槽时，则利用本发明提供的碳纳米管散热器的制备方法可以在一次生长碳纳米管阵列的过程中制备三个碳纳米管散热器。若所述基板12上的凹槽为N层凹槽时，则利用本发明提供的碳纳米管散热器的制备方法可以在一次生长碳纳米管阵列的过程中制备出N+1个碳纳米管散热器。请参阅图12，为本发明提供的具有二层凹槽的基板12上生长有三个不同高度的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，利用该基板12可以一次制备出三个碳纳米管散热器。

[0041] 本发明提供的用于制备碳纳米管散热器的装置，其包括一基板，该基板的表面上形成有若干第一碳纳米管和若干第二碳纳米管，且所述第一碳纳米管的自由端与第二碳纳米管的自由端之间具有一高度差。采用该种制备碳纳米管散热器的装置可制备多个碳纳米管散热器，提高了碳纳米管散热器的制备效率，降低了生产成本。