製備碳納米管懸壁梁陣列的方法
2023-05-04 14:27:11
專利名稱：製備碳納米管懸壁梁陣列的方法
技術領域：
本發明是關於納米尺度懸壁梁的製備方法，具體地說，是關於碳納米管懸壁梁陣列的 製備方法。
背景技術：
懸壁梁結構是微機電系統中常見的一種結構，多數是由矽、氮化矽或聚合物製成的， 通常利用微加工技術來製備。懸壁梁結構用途廣泛，可用於構建原子力顯微鏡、用於醫療 診斷的生物傳感器[H. P. Lang等，Materials Today, 4,30(2005)]。但由於微加工技術，很 難獲得100nm以下的懸壁梁，且限於材料本身，懸壁梁結構多數只能利用材料的力學性能 來工作，很難將聲、電、光、磁等引入懸壁梁的體系。
碳納米管因其獨特的分子結構，具有優異的力學、熱學、電學、磁學等性質，可望成為微 機電系統的重要材料。利用碳納米管研製了超靈敏的氣體、壓力或流體等傳感器、發電機 和電動機等裝置。最近有人從理論上研究了懸壁梁結構可用作振蕩器和具有開關功能的納 米機電系統[C. H. Ke等，Apply Physics Letters, 85, 681 (2004); H. Jiang等Physical Review Letters, 93， 185501-1(2004); Zhao Wang等，Physical Review B 75, 205414(2007)]，但至今 為止，尚無利用碳納米管可控制備大規模的懸壁梁陣列的成功例子。
發明內容
本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種用碳納米管制備大規模懸壁梁陣列的方 法， 一方面可大幅度減小懸壁梁的尺寸，另一方面可利用碳納米管的物理特性，將聲、電、 光、磁等引入懸壁梁體系以實現新穎的納米機電器件。
本發明的技術方案是
一種製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其步驟包括
1) 製備一對或一對以上電極，電極的陰極和陽極交錯分布；
2) 將含有碳納米管的有機溶液覆蓋在上述電極之上；
3) 上述電極施加交流電或直流電後，碳納米管垂直於上述電極邊沿平行排布；
4) 待有機溶液蒸發後，將上述電極邊沿的碳納米管切斷，形成由上述碳納米管組成的 懸壁梁陣列。
3所述電極的陰極和陽極之間的距離為2 1(Him。
所述碳納米管為單壁碳納米管、多壁碳納米管或單壁碳納米管聚集而成的管束。 所述有機溶劑為乙醇、丙酮、正己垸、異丙醇、N,N2二甲基甲醯胺或1,2—二氯乙垸。 所述步驟2)進一步包括將含有碳納米管的有機溶液進行超聲，充分分散有機溶劑 中的碳納米管。
所述步驟2)中，將含有碳納米管的有機溶液覆蓋在電極之上的具體方式是，將含有 碳納米管的有機溶液滴於電極之上，或將電極浸沒於上述含有碳納米管的有機溶液中。
所述步驟3)中，電極施加交流電，具體施加的交流電的參數範圍為Vp產l一20V,頻 率1一10MHZ。
所述步驟4)中，將上述電極邊沿的碳納米管切斷的具體方式是，採用聚焦離子束切 斷碳納米管，聚焦離子束的能量30keV，束流可為lpA，10pA,30pA或100pA。 與現有技術相比，本發明的有益效果是-
一方面可大幅度減小懸壁梁的尺寸。通常懸壁梁製備方法主要使用光刻技術，由於受 光波長的限制很難獲得納米尺度的懸壁梁結構，利用碳納米管自組裝技術可以克服光刻技 的限制，可獲得大規模的懸壁梁陣列而且可控；另一方面，由於直接利用碳納米管，可利 用其優異的物理特性，可以將聲、電、光、磁等引入懸壁梁體系以實現新穎的納米機電器 件。現在市場上流行的懸壁梁結構的材料多數是由矽、氮化矽或聚合物，懸壁梁結構多數 只利用材料的力學性能來設計或工作，很難將聲、電、光、磁等引入懸壁梁的體系，而碳 納米管因其獨特的分子結構，除了優異的力學性能外、還有優異的熱學、電學、磁學等方 面的特性，因而有可能利用碳納米管的物理特性來構建全新概念的的機電系統或器件。
圖1為本發明製備碳納米管懸壁梁陣列的試驗裝置示意圖； 圖2為金屬電極邊沿上近似平行排列的碳納米管； 圖3為經過聚焦離子束切斷所獲得的若干根碳納米管懸壁梁； 圖4為經過聚焦離子束切斷所獲得的一排碳納米管懸壁梁陣列。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述
1、電極設計與製備。為製備碳納米管懸壁梁，需要預先利用電場獲得平行排列的碳納米管。為此設計叉指狀電極，即含兩對或兩對以上陰極和陽極交錯分布的矩形電極，見附 圖l。其中相鄰電極的間距為2(Him;電極l材料為Ti/Au雙層金屬(其中下層金屬Ti的厚 度10nm;上層金屬Au的厚度100nm);支撐電極的襯底2為二氧化矽。製備金屬電極利 用光刻和剝離工藝，其過程是甩膠光刻，曝光、顯影；然後濺射沉積金屬，去膠，即可 獲得金屬電極；二氧化矽在擴散爐中在溼氧環境下生長，厚度為300nm。
2、 將含有單壁碳納米管的有機溶液進行超聲(2小時)，使溶劑(N,N2二甲基甲醯胺)中 的碳納米管充分分散；在排列碳納米管之前將含有碳納米管的有機溶液滴於上述電極1之 上。
3、 迅速接通交流電源3，利用交流電泳力將碳納米管沿電場方向排布，施加的交流電 的參數範圍為Vp產15V,頻率8MHZ。由於在電極l邊沿的電場強度較高，碳納米管可在 垂直於電極1邊沿平行分布，待有機溶劑蒸發，在金屬電極l邊沿附近的多根單壁碳納米 管會成較粗大的管束；在範德瓦爾斯力作用下，單束碳納米管的一端會與絕緣襯底2黏附、 而另外一端與電極1黏附，由於電極1本身有高度(IIO nm)，使得邊沿附近的碳納米管離 開襯底2而懸空，如附圖2所示。
4、 利用聚焦離子束切斷上述電極1邊沿附近的碳納米管束，切斷碳納米管的聚焦離 子束的能量30keV、束流為30pA。電極1邊沿附近懸空的碳納米管與電極1黏連的一端， 因範德瓦爾斯力作用仍然與電極一相連(固定該端的碳納米管)，而另外一端因聚焦離子束 切斷、且受碳納米管彈性力的作用下離開襯底，從而形成懸壁梁。可按需求製備單根、兩 根碳納米管懸壁梁或由多根碳納米管組成的一排懸壁梁陣列，如附圖3和4所示。
以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的方法，本領域的技術人員應當理解，在不 脫離本發明實質的範圍內，可以對本發明做一定的變形或修改；其製備方法也不限於實施 例中所公開的內容。
權利要求
1、一種製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其步驟包括1)製備一對或一對以上電極，電極的陰極和陽極交錯分布；2)將含有碳納米管的有機溶液覆蓋在上述電極之上；3)上述電極施加交流電或直流電後，碳納米管垂直於上述電極邊沿平行排布；4)待有機溶液蒸發後，將上述電極邊沿的碳納米管切斷，形成由上述碳納米管組成的懸壁梁陣列。
2、 如權利要求1所述的所述製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其特徵在於，所述電 極的陰極和陽極之間的距離為2 10jLim。
3、 如權利要求1或2所述的所述製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其特徵在於，所 述碳納米管為單壁碳納米管、多壁碳納米管或單壁碳納米管聚集而成的管束。
4、 如權利要求1所述的所述製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其特徵在於，所述有 機溶劑為乙醇、丙酮、正己垸、異丙醇、N,N2二甲基甲醯胺或1,2 — 二氯乙垸。
5、 如權利要求1或4所述的所述製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其特徵在於，所 述步驟2)進一步包括將含有碳納米管的有機溶液進行超聲，充分分散有機溶劑中的碳 納米管。
6、 如權利要求1所述的所述製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其特徵在於，所述步 驟2)中，將含有碳納米管的有機溶液覆蓋在電極之上的具體方式是，將含有碳納米管的 有機溶液滴於電極之上，或將電極浸沒於上述含有碳納米管的有機溶液中。
7、 如權利要求1所述的所述製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其特徵在於，所述步 驟3)中，電極施加交流電，具體施加的交流電的參數範圍為VPP=1—20V,頻率1 —IOMHZ。
8、 如權利要求1所述的所述製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，其特徵在於，所述步 驟4)中，將上述電極邊沿的碳納米管切斷的具體方式是，採用聚焦離子束切斷碳納米管， 聚焦離子束的能量30keV，束流可為lpA，10pA,30pA或100pA。
全文摘要
本發明公開了一種製備碳納米管懸壁梁陣列的方法，該方法包括製備一對或一對以上電極，電極的陰極和陽極交錯分布；將含有碳納米管的有機溶液覆蓋在上述電極之上；在電極上施加交流電或直流電後，碳納米管垂直於上述電極邊沿平行排布；待有機溶液蒸發後，將上述電極邊沿的碳納米管切斷，形成由碳納米管組成的懸壁梁陣列。本發明利用碳納米管自組裝技術可以克服光刻技的限制，可獲得大規模的懸壁梁陣列而且可控；同時，由於直接利用碳納米管，可利用其優異的物理特性，將聲、電、光、磁等引入懸壁梁體系以實現新穎的納米機電器件。
文檔編號B81B7/00GK101298315SQ20081005642
公開日2008年11月5日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者傅雲義, 興 張, 範鵬宇, 奧 郭, 曦 陳, 如 黃 申請人:北京大學