專利名稱：碳納米管制備方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管制備方法及裝置。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種新型碳材料，由日本研究人員Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)，請(qǐng)參見″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳納米管具有極優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且其具有幾乎接近理論極限的尖端表面積(尖端表面積愈小，其局部電場(chǎng)愈集中)，所以碳納米管是已知最好的場(chǎng)發(fā)射材料之一，它具有極低的場(chǎng)發(fā)射電壓，可傳輸極大的電流密度，并且電流極穩(wěn)定，因而非常適合做場(chǎng)發(fā)射顯示器的場(chǎng)發(fā)射材料。
目前，場(chǎng)發(fā)射顯示器常用的碳納米管是先由電弧放電法初步合成碳納米管后，再經(jīng)過純化、研磨，最后涂布至導(dǎo)電玻璃上。
但是，該種方法制得的碳納米管長(zhǎng)度不一，從而導(dǎo)致碳納米管的發(fā)射電子的特性不一致。若將這種碳納米管應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器，將可能導(dǎo)致該場(chǎng)發(fā)射顯示器的亮度均勻性不佳。
有鑒于此，有必要提供一種碳納米管制備方法及裝置，其可達(dá)成獲取長(zhǎng)度均一碳納米管之目的。
發(fā)明內(nèi)容下面將以具體實(shí)施例說明一種碳納米管制備方法及裝置，其實(shí)現(xiàn)具有均一長(zhǎng)度的碳納米管的制備。
為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種碳納米管制備方法，其包括以下步驟提供一基底，其具有一表面；在該基底表面上形成一催化劑顆粒陣列；在該基底表面上的該催化劑顆粒陣列的相對(duì)位置形成一電極；在該基底表面上形成一凹槽，該催化劑顆粒陣列與電極分別位于該凹槽相對(duì)的兩側(cè)；向該電極上通入電流以產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該催化劑顆粒陣列上生長(zhǎng)碳納米管，該碳納米管將向電極方向成長(zhǎng)。
優(yōu)選的，該碳納米管制備方法還進(jìn)一步包括等距離切割該碳納米管，以獲取長(zhǎng)度均一的碳納米管片段，進(jìn)而提高碳納米管的利用效率。
更優(yōu)選的，所述碳納米管的切割可通過電子束直寫技術(shù)，聚焦離子束直寫技術(shù)，或激光直寫技術(shù)等完成。
優(yōu)選的，所述催化劑顆粒陣列中的催化劑顆粒呈直線形排布。
優(yōu)選的，所述催化劑顆粒陣列的形成方法包括以下步驟在該基底上形成一催化劑納米線；將該催化劑納米線加熱至300℃～600℃，退火使該催化劑納米線轉(zhuǎn)變成催化劑顆粒陣列。
更優(yōu)選的，所述催化劑納米線的線寬為10nm～1μm。
所述凹槽的形成方法包括電漿蝕刻法及反應(yīng)離子蝕刻法。
優(yōu)選的，所述磁場(chǎng)在該催化劑顆粒陣列位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為10-5T≤B≤1T。
以及，提供一種碳納米管制備裝置，其包括一基底，其具有一表面；一位于該基底表面的凹槽；一位于該凹槽一側(cè)的該基底表面上的催化劑顆粒陣列；以及一位于該凹槽相對(duì)的另一側(cè)的該基底表面上的電極，該電極與該催化劑顆粒陣列相對(duì)設(shè)置。
所述基底包括硅晶圓，及III-V族復(fù)合晶圓。
所述催化劑顆粒的材質(zhì)包括鐵、鈷、鎳、或其合金。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)方案所提供的碳納米管制備方法及裝置，其在生長(zhǎng)碳納米管用催化劑顆粒陣列的相對(duì)位置設(shè)置一電極，并在該電極與催化劑顆粒陣列之間的基底表面設(shè)置一凹槽，該催化劑顆粒陣列與電極分別位于該凹槽的相對(duì)的兩側(cè)；向該電極通入電流可產(chǎn)生一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在碳納米管生長(zhǎng)過程中牽引碳納米管向電極方向生長(zhǎng)；其可獲取長(zhǎng)度均一的碳納米管。
圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例基底上形成有催化劑顆粒陣列的示意圖。
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例在催化劑顆粒陣列相對(duì)位置形成有電極的示意圖。
圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例在電極與催化劑顆粒陣列之間形成有凹槽的示意圖。
圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例在催化劑顆粒陣列上生長(zhǎng)碳納米管的示意圖。
圖5是本發(fā)明第一實(shí)施例沿一切割線等間距切割碳納米管的示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
第一實(shí)施例參見圖1至圖4，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種碳納米管制備方法，其包括以下步驟(1)參見圖1，提供一基底10，在該基底10上形成一催化劑顆粒陣列20。該基底10可選用硅晶圓，III-V族復(fù)合晶圓等半導(dǎo)體材料。該催化劑顆粒陣列20中的多個(gè)催化劑顆粒優(yōu)選為，呈直線形排布。當(dāng)然，該催化劑顆粒陣列20中多個(gè)催化劑顆粒的排布可使得其與后續(xù)形成的電極的距離基本相等均可。催化劑顆粒的材質(zhì)可選用鐵、鈷、鎳，或其合金。該催化劑顆粒陣列20將作為后續(xù)碳納米管生長(zhǎng)的觸媒。其中，該催化劑顆粒陣列20的形成方法可采用絲網(wǎng)印刷法；也可采用如下方法首先在基底10上形成一催化劑納米線，該納米線的線寬可為10nm～1μm；然后將該形成有催化劑納米線的基底加熱至300℃～600℃，退火使該催化劑納米線轉(zhuǎn)變?yōu)榇呋瘎╊w粒陣列。
(2)參見圖2及圖3，在基底10上，且在催化劑顆粒陣列20的相對(duì)的某一距離位置處形成一電極30；并在電極30與催化劑顆粒陣列20之間的基底10表面形成一凹槽12。催化劑顆粒陣列20位于凹槽10一側(cè)的基底10表面上；電極30位于凹槽10的相對(duì)的另一側(cè)的基底10表面上。該電極30的形狀與尺寸的設(shè)置，以確保催化劑顆粒陣列20中多個(gè)催化劑顆粒到電極30的距離基本相等為佳。一般而言，化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管的生長(zhǎng)長(zhǎng)度可為數(shù)納米至數(shù)微米；因此，本實(shí)施例中電極30與催化劑顆粒陣列20的距離可設(shè)置為數(shù)納米，甚至為數(shù)微米。本實(shí)施例中，經(jīng)由催化劑顆粒陣列20及電極30的尺寸及形狀的設(shè)置，使得后續(xù)生長(zhǎng)的碳納米管基本平行于基底10表面；凹槽12的大小及形狀的設(shè)置能使碳納米管基本克服其與基底表面較大的范德華作用力(Van der Waals force)，而能沿垂直磁場(chǎng)方向定向排列。一般而言，凹槽12的深度以其大于1μm為佳。另外，電極30可采用沉積法配合一掩模形成。凹槽12的形成可選用電漿蝕刻法及反應(yīng)離子蝕刻法等。
(3)參見圖4，向該電極30上通入電流以產(chǎn)生一磁場(chǎng)(圖未示)，利用化學(xué)氣相沉積法(如，熱絲法化學(xué)氣相沉積法、電漿輔助化學(xué)氣相沉積法、微波電漿化學(xué)氣相沉積法等)在催化劑顆粒陣列20上生長(zhǎng)碳納米管40，該碳納米管40將沿垂直于該磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)；也即向電極30方向生長(zhǎng)。具體描述為將上述基底10置于一CVD(Chemical Vapor Deposition，化學(xué)氣相沉積)反應(yīng)器(圖未示)中，加熱該基底10至500℃～1000℃；并向該CVD反應(yīng)器中通入碳源氣(如，乙烯、甲烷、乙炔等)進(jìn)行碳納米管生長(zhǎng)。當(dāng)碳納米管40成長(zhǎng)至電極30位置時(shí)，使其停止反應(yīng)。
在碳納米管生長(zhǎng)開始時(shí)，向電極30通入直流或交變電流，其將在該電極30的具有催化劑顆粒陣列20側(cè)產(chǎn)生一基本垂直于基底10表面的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)方向的確定滿足右手螺旋法則；并且某一位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨其與電極30的距離增大而減小。為獲取有效的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在催化劑顆粒陣列30位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)不小于10-5T(特斯拉)；優(yōu)選為10-5T≤B≤1T。
由于凹槽12的設(shè)置，使得碳納米管40與基底10表面的相互作用力對(duì)碳納米管40的取向基本無影響；在磁場(chǎng)吸引力作用下，碳納米管將取向于電極30方向生長(zhǎng)，且由于催化劑顆粒陣列20中的多個(gè)催化劑顆粒與電極30的距離基本相等，因此，其將可獲取定向排列且長(zhǎng)度均一的多個(gè)碳納米管。
另外，參見圖5，為提高碳納米管40的利用效率及獲取更具有均一長(zhǎng)度的碳納米管；可等距離切割該碳納米管40。其具體步驟為在距離基底10一定位置處采用直寫技術(shù)沿切割線50等間距切割上述定向排列且長(zhǎng)度均一的碳納米管40；進(jìn)而獲取長(zhǎng)度均一的碳納米管片段。該間距的設(shè)置可依所需碳納米管片段的長(zhǎng)度而定。優(yōu)選的，該切割線50基本垂直于碳納米管40的軸向方向。其中，該直寫技術(shù)可選用電子束直寫技術(shù)、聚焦離子束直寫技術(shù)及激光直寫技術(shù)。
本實(shí)施例中的步驟(1)及(2)可形成一種碳納米管制備裝置(如圖3所示)。該碳納米管制備裝置包括一基底10，其具有一表面；一形成在該基底10表面的凹槽12；一位于該凹槽12一側(cè)的基底10表面上的催化劑顆粒陣列20；以及一位于該凹槽12的相對(duì)的另一側(cè)的基底10表面上的電極30。通過本實(shí)施例中的步驟(3)，可采用該碳納米管制備裝置進(jìn)行長(zhǎng)度均一碳納米管的制備。
第二實(shí)施例本發(fā)明第二實(shí)施例與第一實(shí)施例基本相同，其不同點(diǎn)在于對(duì)第一實(shí)施例的步驟(1)及步驟(2)的變更。本實(shí)施例的碳納米管的制備方法包括以下步驟(1)提供一基底，其具有一表面；在該基底表面形成一凹槽。一般而言，化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管的生長(zhǎng)長(zhǎng)度可為數(shù)納米至數(shù)微米；因此，本實(shí)施例中凹槽的寬度可設(shè)置為數(shù)納米，甚至為數(shù)微米；其可視后續(xù)生長(zhǎng)碳納米管的長(zhǎng)度而定。一般而言，該凹槽之深度以其大于1μm為佳。
(2)在上述凹槽一側(cè)的基底表面上形成一催化劑顆粒陣列，并在該凹槽相對(duì)的另一側(cè)的基底表面上形成一電極。該電極與催化劑顆粒陣列相對(duì)設(shè)置。該催化劑顆粒陣列形狀，及電極的形狀與尺寸的設(shè)置，以確保催化劑顆粒陣列中多個(gè)催化劑顆粒到電極的距離基本相等為佳。
(3)向該電極上通入電流以產(chǎn)生一磁場(chǎng)，利用化學(xué)氣相沉積法(如，熱絲法化學(xué)氣相沉積法、電漿輔助化學(xué)氣相沉積法、微波電漿化學(xué)氣相沉積法等)在該催化劑顆粒陣列上生長(zhǎng)碳納米管，該碳納米管將沿垂直于該磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)；也即向該電極方向生長(zhǎng)。進(jìn)而可獲取定向且長(zhǎng)度均一的碳納米管。
另外，為提高碳納米管的利用效率及獲取更具均一長(zhǎng)度的碳納米管，可等距離切割該碳納米管，以形成長(zhǎng)度均一的碳納米管片段。
本實(shí)施例中的步驟(1)及(2)可形成一種碳納米管制備裝置。該碳納米管制備裝置包括一基底，其具有一表面；一形成在該基底表面的凹槽；一位于該凹槽一側(cè)的基底表面上的催化劑顆粒陣列；以及一位于該凹槽相對(duì)的另一側(cè)的基底表面上的電極。通過本實(shí)施例中的步驟(3)，可采用該碳納米管制備裝置進(jìn)行長(zhǎng)度均一碳納米管的制備。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如適當(dāng)變更電極及凹槽的形狀，催化劑顆粒陣列的形成方法，及催化劑顆粒陣列、電極、凹槽的形成順序以用于本發(fā)明，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管制備方法，其包括以下步驟提供一基底，其具有一表面；在該基底表面上形成一催化劑顆粒陣列；在該基底表面上的該催化劑顆粒陣列的相對(duì)位置形成一電極；在該基底表面形成一凹槽，該催化劑顆粒陣列與電極分別位于該凹槽的相對(duì)的兩側(cè)；向該電極上通入電流以產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該催化劑顆粒陣列上生長(zhǎng)碳納米管，該碳納米管將向電極方向成長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管制備方法，其特征在于還進(jìn)一步包括步驟等距離切割該碳納米管，以獲取長(zhǎng)度均一的碳納米管片段。
3.如權(quán)利要求2所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述碳納米管的切割是通過電子束直寫技術(shù)，聚焦離子束直寫技術(shù)，或激光直寫技術(shù)完成。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述催化劑顆粒陣列中的催化劑顆粒呈直線形排布。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述催化劑顆粒陣列的形成方法包括以下步驟在該基底上形成一催化劑納米線；將該催化劑納米線加熱至300℃～600℃，退火使該催化劑納米線轉(zhuǎn)變成催化劑顆粒陣列。
6.如權(quán)利要求5所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述催化劑納米線的線寬為10nm～1μm。
7.如權(quán)利要求1所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述凹槽的形成方法包括電漿蝕刻法及反應(yīng)離子蝕刻法。
8.如權(quán)利要求1所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述碳納米管的生長(zhǎng)方法為化學(xué)氣相沉積法。
9.如權(quán)利要求8所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述化學(xué)氣相沉積法包括熱絲法化學(xué)氣相沉積法、電漿輔助化學(xué)氣相沉積法及微波電漿化學(xué)氣相沉積法。
10.如權(quán)利要求1所述的碳納米管制備方法，其特征在于所述磁場(chǎng)在該催化劑顆粒陣列位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為10-5T≤B≤1T。
11.一種碳納米管制備裝置，其包括一基底，其具有一表面；一位于該基底表面的凹槽；一位于該凹槽一側(cè)的該基底表面上的催化劑顆粒陣列；以及一位于該凹槽相對(duì)的另一側(cè)的該基底表面上的電極，該電極與該催化劑顆粒陣列相對(duì)設(shè)置。
12.如權(quán)利要求11所述的碳納米管制備裝置，其特征在于所述基底包括硅晶圓，及III-V族復(fù)合晶圓。
13.如權(quán)利要求11所述的碳納米管制備裝置，其特征在于催化劑顆粒的材質(zhì)包括鐵、鈷、鎳、或其合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管制備方法，其包括以下步驟提供一基底，其具有一表面；在該基底表面上形成一催化劑顆粒陣列；在該基底表面上的該催化劑顆粒陣列的相對(duì)位置形成一電極；在該基底表面上形成一凹槽，該催化劑顆粒陣列與電極分別位于該凹槽相對(duì)的兩側(cè)；向該電極上通入電流以產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該催化劑顆粒陣列上生長(zhǎng)碳納米管，該碳納米管將向電極方向成長(zhǎng)。本發(fā)明還提供一種碳納米管制備裝置。本發(fā)明提供的碳納米管制備方法及裝置，可實(shí)現(xiàn)具有均一長(zhǎng)度的碳納米管的制備。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1907845SQ200510036439
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者蕭博元, 張慶州, 何紀(jì)壯 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司