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水平生长碳纳米管的方法及具有该碳纳米管的器件

阅读：944发布：2021-02-22

IPRDB可以提供水平生长碳纳米管的方法及具有该碳纳米管的器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明披露一种水平生长碳纳米管的方法，其包括：在基底上沉积铝层；在基底上形成隔绝层，以覆盖铝层；图案化基底上的隔绝层和铝层，以便暴露铝层的侧面；在铝层的暴露侧面上形成多个孔至预定的深度；在孔的底部沉积催化剂金属层；以及从催化剂金属层水平生长碳纳米管。，下面是水平生长碳纳米管的方法及具有该碳纳米管的器件专利的具体信息内容。

1.一种水平生长碳纳米管的方法，其包括：在基底上沉积铝层；

在基底上形成隔绝层，以覆盖铝层；

图案化基底上的隔绝层和铝层，以便暴露铝层的侧面；

在铝层的暴露侧面中形成多个孔至预定的深度；

在孔的底部上沉积催化剂金属层；以及从催化剂金属层水平生长碳纳米管。

2.权利要求1所述的方法，其中铝层是使用溅射或电子束蒸发沉积的。

3.权利要求1所述的方法，其中形成多个孔的步骤包括：将图案化隔绝层和铝层的所得结构浸渍在催化剂中，以便被阳极氧化。

4.权利要求1所述的方法，其中在孔的底部上沉积催化剂金属层的步 骤包括：将电压施加至选自金属硫酸盐溶液、金属卤化物溶液和金属硝酸盐溶 液中的溶液，以形成催化剂金属层。

5.权利要求1所述的方法，其中催化剂金属层是由选自Ni、Fe和Co中的金属制成的。

6.权利要求1所述的方法，其中碳纳米管是通过热化学气相沉积或等 离子体增强化学气相沉积，使用含碳的气体从催化剂金属层中生长的。

7.一种碳纳米管器件，其包括：基底；

铝层，其形成在基底上以及其至少一个侧面与基底的边缘隔开；

隔绝层，其覆盖铝层的上表面；

多个孔，其从铝层的侧面水平形成至预定深度，所述铝层通过基底上 的隔绝层暴露出来；

催化剂金属层，其形成在孔的底部上；以及碳纳米管，其是从催化剂金属层水平生长的，以便从铝层的侧面突出。

8.权利要求7所述的碳纳米管器件，其中催化剂金属层是由选自Ni、 Fe和Co中的金属制成的。

说明书全文

技术领域

本发明涉及水平生长碳纳米管(CNTs)的方法及具有该碳纳米管的器 件，以及更具体地涉及从铝模板的孔中水平生长具有均匀直径的CNTs的方 法及具有该碳纳米管的器件。

背景技术

已经对CNTs的电子和机械性能进行了广泛的研究，以将其应用于器件 中。CNTs可由垂直和水平生长方法形成。使用垂直生长方法形成的CNTs 用作场发射显示器(FED)中的电子发射源。此外，这种CNTs可用作液晶显 示器(LCD)的背光器件中的场发射源。
水平生长的CNTs可应用在转接器(inter-connector)、微电子机械系统 (MEMS)传感器、水平场发射器喷嘴(horizontal field emitter tip)等。
在现有技术中，在中间插入有图案化的催化剂(pattern catalyst)的两个电 极之间施加电场，以水平生长CNTs。在该水平生长方法中，并不能容易地 准确控制催化剂的数量。因而，难以均匀控制CNTs的直径。此外，CNTs 的产率低而且必须施加电场。
美国专利6515339公开了从催化剂水平生长CNTs的方法，该催化剂形 成为纳米点(nanodot)、纳米线(nanowire)或条纹形状，催化剂之间形成有预 定的间隔，以及在催化剂上布置有垂直生长的阻挡层。然而，在该方法中， 难以均匀控制CNTs的直径。

发明内容

本发明提供利用铝纳米模板中形成的孔水平生长具有预定直径的 CNTs的方法。
本发明提供CNT器件，其包括从铝纳米模板中形成的孔中水平生长的 CNTs。
根据本发明的一个方面，提供了水平生长碳纳米管的方法，其包括： 在基底上沉积铝层；在基底上形成隔绝层(insulating layer)，以覆盖铝层；图 案化基底上的隔绝层和铝层，以便暴露铝层的侧面；在铝层的暴露侧面中 形成多个孔至预定的深度；在孔的底部上沉积催化剂金属层；以及从催化 剂金属层水平生长碳纳米管。
使用溅射或电子束蒸发沉积铝层。
优选地，“形成多个孔”包括将图案化隔绝层和铝层的所得结构浸渍在 催化剂中，以便被阳极氧化。
优选地，“在孔的底部上沉积催化剂金属层”包括：将电压施加至选自 金属硫酸盐溶液、金属卤化物溶液和金属硝酸盐溶液中的溶液，以形成催 化剂金属层。
优选地，催化剂金属层是由选自Ni、Fe和Co的金属制成的。
优选地，通过热化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积，利用含 碳的气体从催化剂金属层中生长碳纳米管。
根据本发明的另一方面，提供了碳纳米管器件，其包括：基底；铝层， 其形成在基底上，以及其至少一个侧面与基底的边缘隔开；隔绝层，其覆 盖铝层的上表面；多个孔，其从铝层的侧面水平形成至预定深度，所述铝 层通过基底上的隔绝层而暴露；催化剂金属层，其形成在孔的底部上；以 及碳纳米管，其是从催化剂金属层水平生长的，以便从铝层的侧面突出。

附图说明

通过参考附图，详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和 其它特征和益处将变得显而易见：
图1是解释CNT器件的透视示意图，其中CNT器件是使用本发明水 平生长CNTs的方法制造的；
图2A-2D是根据本发明的实施方案解释水平生长CNTs的方法的截面 图；
图3是扫描电子显微镜(SEM)观察到的相片，其显示了在基底和隔绝层 之间的铝层上生长的CNTs；以及
图4是图3相片的局部放大图。

具体实施方式

以下，将参考附图详细描述本发明优选实施方案的水平生长CNTs的方 法。相同附图标记表示相同的元件。
图1是解释CNT器件的透视示意图，其中CNT器件是使用本发明水 平生长CNTs的方法制造的。参考图1，具有图案化的侧面的铝层102a和 隔绝层104a依序层叠在基底100上。多个孔103布置在铝层102a的图案化 的侧面中，以及CNTs 108突出经过孔103。催化剂金属层106形成在孔103 的底部，以生长CNTs 108。
图2A-2D是根据本发明的实施方案解释水平生长CNTs的方法的截面 图。
如图2A所示，将具有预定厚度的铝层102沉积在基底100上。基底 100可由石英、玻璃、硅晶片、铟锡氧化物(ITO)电极等制成。可使用溅射 或电子束蒸发沉积约1000-10000的铝层102。
隔绝层104沉积在铝层102上，并起到在下述的阳极氧化过程中防止 孔103形成在除铝层(图2B中的102a)的暴露侧面之外的区域内。隔绝层104 可由氧化铝、二氧化硅或氮化硅制成。
如图2B所示，图案化隔绝层104和铝层102，以形成铝层102a和隔 绝层104a。图案化工艺包括半导体工艺中公知的现象和蚀刻，因此在此忽 略。此处，使铝层102a的侧面暴露出来。
如图2C和图1所示，具有预定长度和数十纳米直径的多个孔103是从 铝层102a的暴露侧面向其内形成的。可利用阳极氧化工艺形成孔103，阳 极氧化工艺是电和化学蚀刻方法。更详细地，将其上形成有铝层102a的基 底100浸入在电解液中，然后将预定的电压施加至铝层102a和电极(图中未 显示)。然后，阳极氧化铝层102a的暴露侧面，因而孔103从铝层102a的 暴露侧面水平生长。如图2C和图1所示，多个孔103布置成一行。然而， 当铝层102a的厚度增加时，可将孔103排列成多行。换句话说，因为孔103 之间的距离主要取决于施加的电压，孔103排列的行数可通过控制铝层102a 的厚度和施加的电压来控制。此外，孔103的长度可通过控制施加电压的 时间来控制。氧化铝层(图中未显示)围绕着孔103形成。
再次参考图2C，将其内形成有孔103的层叠结构(stack structure)浸入 过渡金属硫酸盐、过渡金属氯化物或过渡金属硝酸盐中，然后施加直流(DC) 电压、交流(AC)电压或脉冲电压，以在孔103的底部上电沉积和化学沉积 过渡金属的纳米颗粒。过渡金属可为Fe、Ni、Co或Fe、Ni和Co的合金。 沉积的过渡金属是催化剂金属层106，其用于生长CNTs 108。可形成厚约 0.5-2纳米的催化剂金属层106。
如图2D所示，CNTs 108是从催化剂金属层106经由形成在铝层102a 的侧面的孔103生长。CNTs 108可使用热化学气相沉积(CVD)或等离子体 增强CVD(PECVD)来生长。更具体地，将生成的结构放置在温度保持为约 500-900℃的反应室内，然后将含碳的气体注入反应室中，以从催化剂金属 层106的侧面经由铝层102的侧面中孔103水平生长CNTs 108。含碳的气 体可为CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO等。将CNTs 108的直径限制到孔103 的直径，即约几纳米至数十纳米。
图3是扫描电子显微镜(SEM)观察到的相片，其显示了在基底和隔绝层 之间的铝层上生长的CNTs；以及图4是图3相片的局部放大图。参考图3 和4，CNTs水平生长至数十纳米。
在上述实施方案中，已经描述了在基底上铝层的图案侧面生长CNTs， 但是并不限于此。换句话说，形成了孔，通过该孔从基底上暴露的铝层生 长CNTs。因此，可根据铝层的图案水平生长CNTs。
如上所述，根据本发明，在水平生长CNTs的方法中，在铝模板内形成 的孔的直径可根据阳极氧化的条件来控制。形成在孔底部的催化剂金属层 取决于孔的直径。因此，可生长与孔直径相同的CNTs。因此，CNTS可通 过控制孔的直径来控制。此外，因为CNTs是沿着孔的水平方向生长的，所 以CNTs的水平生长可根据形成孔的工艺来控制。
尽管已经参考本发明的示例性实施方案具体显示和描述了本发明，但 本领域的技术人员应当理解，在不背离权利要求所限定的精神和范围的情 况下，可在本发明的形式和细节上作出各种变化。
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