[发明专利]碳纳米线阵列镶嵌在非晶碳薄膜中的碳纳米线/非晶碳复合膜及其制备

说明书

本发明公开了一种采用反应磁控溅射沉积技术制备碳纳米线/非晶碳复合薄膜的方法，是以具有催化效应的单金属靶为溅射靶材，以甲烷‑氩气的混合气体为反应气源，利用原位自形成法得到在非晶碳薄膜中镶嵌碳纳米线阵列的具有纳米复合结构的复合薄膜。该复合薄膜具有优异的机械性能，同时也具有良好的场发射性能和柔性，在柔性电子器件领域存在巨大潜在应用前景。本发明通过一步沉积法在非晶碳薄膜中原位自形成碳纳米线结构，其制备过程简单、成膜均匀、重复性好，能耗成本低，特别适用于工业生产中连续、大面积制备柔性场发射电子器件。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米线/非晶碳复合薄膜的制备，尤其涉及一种碳纳米线阵列镶嵌在非晶碳薄膜中的碳纳米线/非晶碳复合膜的制备方法，属于复合薄膜技术领域和场发射电子器件应用领域。

背景技术

非晶碳薄膜具有良好的机械、摩擦、光电等性能。近年来，在非晶碳基薄膜中原位制备碳纳米管结构由于其广泛的潜在应用价值成为国内外的研究热点。一方面：在机械和摩擦学领域，将具有良好热学和机械性能的碳纳米管嵌入到非晶碳薄膜中可以很好地增强薄膜的强度和韧性，同时保持较好的摩擦学性能；另一方面：碳纳米管作为良好的电学材料，制备碳纳米管/非晶碳复合薄膜可以显著增强非晶碳基薄膜的场发射性能，降低开启电压、增大电流密度。

碳纳米线与碳纳米管结构极为相似，也具有优异的电学和机械等性能，最重要的是碳纳米线作为一种天然封口结构在场发射过程中可以有效避免电荷在尖端集中导致烧蚀的不足，改善薄膜场发射性能，同时制备得到的薄膜具有较好的纯度和机械性能。传统制备碳纳米线/非晶碳复合薄膜制备方法，是首先在基底表面利用物理气相沉积(PVD)技术沉积一层诱导碳纳米管生长的金属催化剂纳米颗粒（通常为过渡金属：Fe/Ni/Co等），然后利用化学气相沉积技术在高温条件下通入反应气体，通过催化剂纳米颗粒诱导碳纳米管阵列生长，最后再利用物理气相沉积技术在碳纳米管阵列中填充非晶碳得到碳纳米管/非晶碳复合薄膜。其具有以下不足亟待改善：①薄膜制备过程十分复杂，易引入杂质且步骤较多；②制备得到的碳纳米线/非晶碳复合薄膜的均匀性、稳定性和机械性能较差，限制了其工业应用；③制备得到的碳纳米线/非晶碳复合薄膜在进行场发射性能测试时，电荷很容易集中在碳纳米管尖端，引起电流过大，烧坏薄膜，场发射性能稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术制备碳纳米线/非晶碳复合薄膜存在的问题，提供一种利用反应磁控溅射沉积技术制备碳纳米线/非晶碳复合薄膜的简便方法。

一、碳纳米线/非晶碳复合薄膜的制备

本发明采用反应磁控溅射沉积技术制备碳纳米线/非晶碳复合薄膜的方法，是以具有催化效应的单金属靶为溅射靶材，以甲烷和氩气的混合气体为反应气源，利用一步原位自形成法在非晶碳薄膜中设计并制备得到碳纳米线阵列镶嵌在非晶碳薄膜中的碳纳米线/非晶碳复合膜。其具体制备工艺如下：

（1）基底及金属平面靶的预置：将表面光洁的基底固定在反应磁控溅射沉积腔体中部的样品架上，基底沉积表面与金属平面靶表面保持平行，两者间距保持在5cm~20cm；样品架相连负偏压电源，金属平面靶连接直流电源（见图1）；

所述基底为硅片、不锈钢铝箔或其它金属基底，所有基底均只需悬挂于样品架上，在磁控溅射沉积过程中保持基底的沉积表面正对金属溅射靶材表面并保持平行即可。

基底表面光洁化是将基底依次用丙酮、无水乙醇超声清洗，用N₂吹干。

（2）基底表面活化：将反应磁控溅射沉积腔体抽真空至不大于6.0×10^-3Pa；通入高纯氩气，控制沉积气压稳定在0.4~2.0Pa，直流偏压在400~600V下进行等离子体清洗，去除基底表面残留的杂质和污染物；

（3）沉积碳纳米线/非晶碳复合薄膜：通入甲烷和氩气，在一定气压和不施加偏压的条件下，维持催化金属平面靶的溅射功率400W~800W下进行沉积镀膜。