[发明专利]一种碳纳米管的低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管的制备技术，特别是一种碳纳米管的低温制备方法。

背景技术

碳纳米管自1991年被发现以来，因其独特的力学、热学及电学性能，其在场效应晶体管、场发射显示器、单电子晶体管等纳米电子器件以及集成电路中作为互连线的应用上具有了巨大的潜能。但要想制备这些电子器件，碳纳米管的合成温度必须低于基板材料所能承受的温度。例如，碳纳米管作为场致电子发射源，应用于冷阴极平面显示器上，那么碳纳米管的合成温度应低于显示器玻璃的转变温度550℃。但是，目前碳纳米管的生长温度一般都在700～1000℃，远高于集成电路中常用金属Al的熔点和显示器玻璃的转变温度。所以即便在这种高温条件下原位制备出了单个的碳纳米管纳电子器件，也很难实现与传统微电子工艺的高度兼容。目前碳纳米管合成方法主要有：电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法。相对于电弧法和激光蒸发法而言，化学气相沉积法生长温度较低，与集成电路工艺兼容，尤其是等离子体增强化学气相沉积法在低温合成碳纳米管方面具有很大的优势。因此化学气相沉积法研究碳纳米管的低温生长受到国内外科研工作者的重视。目前，化学气相沉积法中的催化剂大多采用磁控溅射法或离子溅射法等工艺制备，其生长温度也很难降到集成电路工艺所能承受的温度。因此，如何改善工艺下实现低温生长碳纳米管是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术分析，提供一种碳纳米管的低温制备方法，该方法可在低温下实现碳纳米管的直接制备，并且工艺过程简单、制备成本低，所得碳纳米管纯度高，尤其与微电子工艺兼容。

本发明的技术方案：

一种碳纳米管的低温制备方法，步骤如下

1)将六水硝酸镍(Ni(NO₃)₂·6H₂O)和六水硝酸镁(Mg(NO₃)₂·6H₂O)溶解于乙醇中制得混合溶液作为催化剂前驱物；

2)将上述混合溶液均匀喷洒在衬底上，在50～100℃温度下烘干后，置于化学气相沉积(PECVD)系统真空室的样品台上；

3)关闭真空室并抽真空，当真空度小于0.1Pa时，向真空室通入氢气，氢气流量为20-200mL/min，当压强达到100～500Pa时，将样品台加热0.5～3小时，加热温度为350～500℃，以使衬底上的催化剂前驱物分解并形成NiO和MgO；

4)施加50～500W的射频功率，在PECVD系统的氢等离子体作用下，将NiO还原为Ni纳米金属颗粒，获得碳纳米管生长所需的Ni/MgO催化剂体系，还原时间为0.5～3小时；

5)在保持氢气流量条件下通入碳氢化合物作为反应气体，碳氢化合物气体流量为20-200mL/min，在压强为10～1000pa和衬底温度为450～900℃条件下，施加射频功率50-500W，反应时间0.5～5小时，通过在催化剂表面进行等离子体反应直接制备碳纳米管。

所述混合溶液中Ni(NO₃)₂和Mg(NO₃)₂的摩尔比为1∶1-10，Ni(NO₃)₂的摩尔浓度为0.05～2mol/mL。

所述衬底为Si、玻璃、石英或铜。

所述碳氢化合物为甲烷、乙炔或乙烯。

所述催化剂的制备和碳纳米管的制备在PECVD系统中连续进行。

所述PECVD系统中的真空室内设有样品台、抽气口、加热器、气体入口、射频电极和衬底，抽气口设于真空室的底部并与抽气系统连接；加热器采用石墨加热方式，加热器设于样品台下面并通过导线与电源连接；气体入口设于真空室的顶部中心部位；射频电极包括上电极和下电极，上电极设于真空室的顶部中心部位并与射频电源连接，上电极为设有均匀分布小孔的圆盘，反应气体从这些小孔引入，下电极设于真空室的底部中心部位，下电极为T型底座样结构，其上平面作为样品台，下电极接地，配有热电偶，衬底置于样品台上。

本发明的技术分析：