專利名稱：碳納米管交叉陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳納米管的加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備碳納米管交叉陣列的方法。
背景技術(shù)：
納電子器件研究是近年來(lái)納米科技領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，納米結(jié)構(gòu)材料組裝技術(shù)為實(shí)現(xiàn)納電子器件提供了一條有效途徑。碳納米管因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)及電學(xué)特性，可望成為納電子器件的重要材料。目前，利用碳納米管已經(jīng)獲得了各種納電子器件，如二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等，而且器件的性能可與傳統(tǒng)的硅器件相媲美，最近又獲得了簡(jiǎn)單的邏輯電路(或門(mén)，非門(mén)等)。但碳納米管要在下一代電子器件中真正獲得廣泛應(yīng)用，必須解決器件的大規(guī)模集成問(wèn)題。十字形交叉結(jié)是實(shí)現(xiàn)器件高密度集成的一種理想方式，原因主要有二(1)碳納米管十字交叉所形成的分子結(jié)即有可能構(gòu)筑成有效的納電子器件；(2)因分子結(jié)的面積極小(幾個(gè)平方納米以下)，為納電子器件的大規(guī)模集成提供條件。
但至今仍沒(méi)有制備碳納米管交叉結(jié)及其陣列有效方法。現(xiàn)有技術(shù)主要借助于原子力顯微鏡，對(duì)單根碳納米管進(jìn)行操控，以形成十字形碳納米管交叉結(jié)(M.S.Fuhrer，J.Nygard，L.Shih，et al.，Science，Vol.288，P.494，2000；A.Bachtold，M.de Jonge，K.Grove-Rasmussen，andP.L.McEuen，Phys.Rev.Lett.，Vol.87，P.166801，2001)，但該方法效率低，很難同時(shí)對(duì)多根碳納米管進(jìn)行有效操控，因而不適宜大規(guī)模制備交叉結(jié)。另外，研究人員嘗試?yán)猛饧与妶?chǎng)，使碳納米管沿預(yù)定方向排列，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)根碳納米管的交叉排列(M.R.Diehl，S.N.Yaliraki，R.A.Beckman，M.Barahona，and J.R.Heath，Angew.Chem.Int.Ed.，Vol.41，P.353，2002)，但該方法較為復(fù)雜，需要在相互垂直的兩個(gè)方向制備金屬電極，而且高電場(chǎng)本身有可能破壞碳納米管的分子結(jié)構(gòu)、影響其本征性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前碳納米管交叉結(jié)以及交叉陣列的研究現(xiàn)狀，提出一種制備碳納米管交叉陣列的有效方法，即利用碳納米管與基片間的范德瓦爾斯力和液體表面張力實(shí)現(xiàn)碳納米管定向排列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模碳納米管交叉結(jié)以及交叉陣列。
一種大規(guī)模制備碳納米管交叉陣列的方法，其步驟包括(1)碳納米管超聲分散于有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑中，控制碳納米管的濃度；(2)基片(軟的或硬的)先浸于碳納米管溶液中，待浸泡合適的時(shí)間后勻速提拉，直至基片完全脫離碳納米管溶液；基片表面可預(yù)先進(jìn)行化學(xué)修飾，以增加碳納米管與基片吸附能力；
(4)提拉后的基片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚?5)熱處理后的基片轉(zhuǎn)90°后，按前一次的程序，再次浸入碳納米管溶液、保持一段時(shí)間，最后勻速提拉離開(kāi)液面。
用于制備十字交叉結(jié)及其交叉陣列的碳納米管可為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多璧碳納米管或者碳納米管管束。
可用于分散碳納米管的有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑為乙醇、丙酮、正己烷、異丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷或去離子水等。
用于組裝碳納米管交叉陣列的基片可為柔軟的或硬質(zhì)材料，包括金屬導(dǎo)體(金等)、半導(dǎo)體(硅等)，絕緣體(二氧化硅、塑料等)。
用于化學(xué)修飾基片表面材料可為氨丙基三乙氧基硅烷，硫醇等。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)效果當(dāng)基片浸于碳納米管溶液時(shí)、碳納米管可與基片表面或基片表面的分子吸附，待提拉基片，碳納米管在液/固(溶液與基片)界面處，將同時(shí)受多種力作用，這些力包括范德瓦爾斯力作用力、基片表面修飾的分子與其形成的化學(xué)健力、液體表面的張力等。待提拉出液面碳納米管將沿一定的方向排布，控制提拉速度，使基片表面溶液揮發(fā)、碳納米管取向排列協(xié)調(diào)完成。同一基片沿兩個(gè)交叉方向依次進(jìn)行上述操作，可獲得碳納米管交叉結(jié)和碳納米管交叉陣列。
本發(fā)明利用僅碳納米管與基片間的范德瓦爾斯力力、分子間的化學(xué)健力和液體表面張力實(shí)現(xiàn)碳納米管定向和交叉排列，并獲得碳納米管交叉陣列，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需借助任何微米或納米加工技術(shù)，重復(fù)性好，容易操作，而且無(wú)需依賴任何外場(chǎng)作用，不會(huì)改變碳納米管的分子結(jié)構(gòu)和本征特性，從而不會(huì)影響后續(xù)的碳納米管器件及電路的性能。此外，本發(fā)明可適用于在不同材質(zhì)的基片上組裝碳納米管，對(duì)碳納米管分子結(jié)器件的應(yīng)用具有著重要價(jià)值。


下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明制備碳納米管交叉陣列的試驗(yàn)裝置示意圖；1-勻速提拉裝置；2-基片；3-碳納米管溶液圖2為二氧化硅表面組裝的碳納米管交叉結(jié)示意圖，箭頭指示為先后兩次外力提拉基片的方向，虛線圓圈示出交叉結(jié)；圖3為經(jīng)過(guò)氨丙基三乙氧基硅烷修飾的二氧化硅表面組裝的碳納米管交叉結(jié)示意圖，箭頭指示為先后兩次外力提拉基片的方向，虛線圓圈示出交叉結(jié)。
具體實(shí)施例方式
1.碳納米管的純化及分散本發(fā)明所使用的碳納米管可為多璧碳納米管、雙壁碳納米管、單壁碳納米管或碳納米管管束，原始碳納米管經(jīng)純化后即可用于本發(fā)明。
將純化后的碳納米管分散于乙醇、丙酮、正己烷、異丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷、去離子水等有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑中，并配制成不同濃度的碳納米管溶液。在組裝碳納米管之前，預(yù)先對(duì)碳納米管的溶液超聲，使之充分分散。基片表面可預(yù)先進(jìn)行化學(xué)修飾，以增加碳納米管與基片吸附能力。
2.組裝碳納米管，形成十字交叉結(jié)及其交叉結(jié)陣列將基片浸入上述超聲分散的碳納米管溶液，待一段時(shí)間浸泡后，沿著垂直于液面方向勻速提拉基片，控制適當(dāng)?shù)奶崂俣?，即可使碳納米管沿著提拉方向有序排列在基片表面上。同一基片轉(zhuǎn)90°后，按上述操作程序再重復(fù)一次，即可使碳納米管交叉排列，即形成交叉結(jié)或多個(gè)交叉結(jié)的陣列。為避免第二次的操作對(duì)第一次排布結(jié)果產(chǎn)生影響，在進(jìn)行第二次操作之前先對(duì)基片進(jìn)行適當(dāng)熱處理，以增加碳納米管與基片表面的吸附作用。在排布碳納米管之前，預(yù)先對(duì)原始基片表面進(jìn)行合適的化學(xué)修飾，則可增加碳納米管與基片表面的吸附力，從而獲得更為理想的組裝效果。實(shí)驗(yàn)中所使用的工藝裝置示意圖見(jiàn)圖1。
本發(fā)明的實(shí)施例一純化后的單壁碳納米管管束超聲分散于二甲基甲酰胺溶劑中，將二氧化硅基片浸于含碳納米管溶液，并沿兩個(gè)相互垂直的方向依次提拉基片，兩次提拉之間基片經(jīng)過(guò)適當(dāng)烘烤。如圖2所示，圖中箭頭指向均代表外力提拉基片的方向，碳納米管管束沿兩次提拉的方向有序排列，即可形成交叉結(jié)。
本發(fā)明的實(shí)施例二純化后的單壁碳納米管管束超聲分散于二甲基甲酰胺溶劑中，將經(jīng)過(guò)氨丙基三乙氧基硅烷修飾的二氧化硅基片浸于含碳納米管溶液，并沿兩個(gè)相互垂直的方向依次提拉基片，兩次提拉之間基片經(jīng)過(guò)適當(dāng)烘烤。如圖3所示，圖中箭頭指向均代表外力提拉基片的方向，碳納米管管束沿兩次提拉的方向有序排列，并形成多個(gè)交叉結(jié)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管交叉陣列的制備方法，其步驟包括(1)碳納米管超聲分散于有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑中，控制碳納米管的濃度；(2)基片先浸于碳納米管溶液中，待浸泡合適的時(shí)間后勻速提拉，直至基片完全脫離碳納米管溶液；(3)提拉后的基片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?4)熱處理后的基片轉(zhuǎn)90°后，按前一次的程序，再次浸入碳納米管溶液、保持一段時(shí)間，最后勻速提拉離開(kāi)液面。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管交叉陣列的制備方法，其特征在于基片表面可預(yù)先進(jìn)行化學(xué)修飾，以增加碳納米管與基片吸附能力。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管交叉陣列的制備方法，其特征在于用于制備交叉陣列的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多璧碳納米管或者碳納米管管束。
4.如權(quán)利要求1或3所述的碳納米管交叉陣列的制備方法，其特征在于用于分散碳納米管的有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑為乙醇、丙酮、正己烷、異丙醇、二甲基甲酰胺、1，2-二氯乙烷或去離子水。
5.如權(quán)利要求1或3所述的碳納米管交叉陣列的制備方法，其特征在于用于組裝碳納米管交叉陣列的基片為柔軟的或硬質(zhì)材料，包括金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體，絕緣體。
6.如權(quán)利要求2所述的碳納米管交叉陣列的制備方法，其特征在于用于化學(xué)修飾基片表面的材料為氨丙基三乙氧基硅烷，硫醇等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制備碳納米管交叉陣列的方法，屬于碳納米管的加工技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括將基片浸于碳納米管溶液，碳納米管可與基片表面或基片表面的分子吸附，待提拉基片，碳納米管在液/固(溶液與基片)界面處，將同時(shí)受多種力作用，基片被提拉出液面時(shí)，碳納米管將沿一定的方向排布，控制提拉速度，使基片表面溶液揮發(fā)、碳納米管取向排列協(xié)調(diào)完成。同一基片沿兩個(gè)交叉方向依次進(jìn)行上述操作，實(shí)現(xiàn)碳納米管定向排列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模碳納米管交叉結(jié)以及交叉陣列。
文檔編號(hào)C01B31/00GK1872673SQ20051012608
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者郭奧, 傅云義, 張昃, 劉佳, 黃如, 張興 申請(qǐng)人:北京大學(xué)