碳納米管的組裝技術及電子器件的製作方法

2023-06-25 03:56:11

專利名稱：碳納米管的組裝技術及電子器件的製作方法
技術領域：
本發明屬於高新科技新型納米電子器件領域。
本發明涉及碳納米管豎立在純淨金屬基底表面上的組裝技術及用此技術所製造的電子器件，包括陣列場發射電子源，場發射平板顯示器件，掃描探針顯微鏡(SPM)的針尖，場發射電子顯微鏡(FEM)的樣品，測試碳納米管特性的裝置和利用此技術產生的量子特性與負阻特性曲線製造納米電子放大器、振蕩器和電子開關器件。
碳納米管是91年被發現的新型納米材料，由於它極其微小，尺度、直徑均為納米量級，如何將它組裝應用於電子器件領域，這是近年來大家苦苦追求研究的問題。目前研製的是多層壁型或多層壁型與少數單壁碳納米管的混合物，如有人利用在矽表面生長的多層壁碳納米管陣列製成場發射電子源，由於多層壁碳納米管過長和凝聚，使得場發射電子源的效率不高，提供電流密度小，其電子流為毫安量級；也有人偶爾將多層壁碳納米管用膠粘在矽針尖上作掃描力顯微鏡(SFM)的探針；但實際上實施技術複雜，很難實現，因此這些現有技術不宜用來製造新型納米電子器件。
本發明的目的是提出一種新技術，能實現用簡單可靠的方法將碳納米管呈豎直狀態組裝在大氣中穩定的純淨金屬表面，從而可用此技術製造大電流的陣列場發射電子源，製造高解析度的平板場發射顯示器，製作SPM的針尖和FEM的碳納米管樣品，研製測量碳納米管物理特性的裝置，研究碳納米管的放大器、振蕩器和電子開關器件。
本發明的目的是這樣實現的1.用化學切割技術得到的分離的單壁碳納米管進行多次過濾，使單壁碳納米管的純度達到90％，再用去離子水製成重量比單壁碳納米管為1％的水溶膠體，其中碳納米管的長度為10～100納米。將此水溶膠體置於細長玻璃管中密封長時間存放，實現碳納米管長度的分離。然後進行按水溶膠柱高度不同分選，最短的碳納米管處於水溶膠柱的最上層，此碳米納管水溶膠稱為原液。2.將碳納米管水溶膠原液用10倍的去離子水稀釋，置於燒杯或試管中，超聲處理20分鐘，使碳納米管充分分離，均勻分布。3.將欲組裝上碳納米管的大氣中化學穩定的金屬基底進行認真的去油去汙染處理，得到純淨的金屬表面；或用真空沉積的新的金屬膜表面作基底。4.取所需要的碳納米管稀釋液，用甩膠法塗到純淨的金屬基底上；或用浸入法，將基底浸入在稀釋的水溶膠中，靜止1小時後取出。5.再將帶有碳納米管水溶膠的樣品置於烘箱中加熱烘乾，即完成組裝工藝，製造出分立在基底表面上的碳納米管陣列，如圖1所示。或是豎立在基底表面的單根碳納米管結構，如圖2所示。
在本發明中能使碳納米管穩固、豎立站在基底表面的機理是開口的碳納米管末端有向外伸展的很強的電子云與純淨金屬表面的電子云發生較強的相互作用，使碳納米管能穩固地豎立在基底金屬表面。
在具體操作過程中注意(1)在碳納米管水溶液原液加入不同量的去離子水，不同的稀釋程度可控制組裝碳納米管的密度，如加10倍去離子水與加100倍去離子水則碳納米管密度顯然變為10∶1。
(2)作為基底的金屬必須是在大氣中穩定的，不生成氧化物或氫氧化物的金屬，如金、鉑、鎢、鉬、石墨等，其形狀可以是金屬膜也可是金屬絲。
組裝在金屬表面上的碳納米管陣列，其單壁碳納米管的高度為～15納米，直徑為1.1～1.4納米，每平方釐米可組裝碳納米管1010～1013根，每根可通過電流50納安，所以碳納米管陣列可提供場發射電流密度為每平方釐米102～105安培，因此碳納米管陣列配上相應的陽極或螢光屏即可製造大電流場發射電子源或高解析度的平板顯示器。將單壁碳納米管組裝到金絲末端或鍍金膜的其它尖端上，可製造SPM針尖或FEM樣品，可以得到高景深和原子分辨的樣品表面形貌像。將單個一定長度的碳納米管組裝在金絲末端上，可以作為一個電極，精確控制與另一電極接觸狀態，加上所需配件，可進行碳納米管電學、光學、光電和機械特性，以及其它物理、化學特性的測量。用此類裝置我們構造和測量了室溫下單壁碳納米管的電流-電壓(I-V)特性曲線，呈現非線性的量子特性和負阻特性，根據電子器件原理，可利用此種特性製造碳納米管的放大器、振蕩器和電子開關器件。
說明書


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圖1豎立在金表面的碳納米管陣列結構圖。
圖2豎立在金表面的單根碳納米管結構圖。
圖3碳納米管制造三種探針的結構示意圖。
圖4單壁碳納米管室溫下具有量子特性的I-V曲線。
圖5單壁碳納米管放大器結構圖。
圖6單壁碳納米管室溫下的負阻特性曲線。
圖7單壁碳納米管振蕩器結構圖。
圖8單壁碳納米管開關器的結構圖。
圖中1.單壁碳納米管2.純淨金3.鎢針尖4.矽針尖5.源電極(S)6.門電極(G)7.絕緣層 8.漏電極(D)9.石英晶體振子10.電阻
具體實施例方式例一、將經過長度分選的碳納米管水溶液原液用10倍的去離子水稀釋，經超聲處理後用甩膠法塗或浸入法到純淨的晶態金屬膜表面，即產生如圖1所示的碳納米管豎立陣列在金膜表面的結構。
例二、將經過長度分選的碳納米管水溶液原液用100倍的去離子水稀釋，經超聲處理後用浸入法將純淨的金膜浸入稀釋水溶液中，即產生如圖2所示的一根單壁碳納米管豎立在金膜表面，可作為碳納米管電子器件的基本結構。
例三、如圖3所示，給出三種探針結構在金絲末端2組裝上碳納米管，作STM針尖；在鎢針尖3上組裝上碳納米管作FEM樣品或作STM針尖；在矽針尖4上鍍金薄膜組裝上碳納米管作SFM的針尖。這些針尖具有尖銳的形狀，很高的解析度，FEM針尖樣品能分辨碳納米管末端結構的原子像。
通過實驗表明組裝在金絲上的單壁碳納米管與金基底之間，室溫下測得如圖4所示的具有量子特性的I-V曲線，它是製造單壁碳納米管放大器的基礎。
圖6是在兩電極間的單壁碳納米管室溫下的I-V曲線，呈現負阻特性，可利用此特性製造單壁碳納米管的振蕩器和電子開關器件。
例四、如圖5所示，是碳納米管放大器的結構示意圖，在源(S)5和漏(D)8之間的單壁碳納米管1鄰近門電極(G)6，它與漏(D)8之間用絕緣層7隔開。
例五、如圖7所示，是組裝在金基底2上的單壁納米碳管1與石英晶體振子9相串聯的振蕩器，V0為電源電壓。
例六、如圖8所示，是用電阻10與組裝在金基底2上的單壁碳納米管1串聯，構成電子開關器件的結構示意圖。
權利要求
1.一種碳納米管組裝結構，包括碳納米管和基底兩部分，其特徵是(1)碳納米管能分立、豎直、牢固的站立在基底上；(2)基底是下列金屬，採用下列金屬中的任意一種金、鉑、鎢、鉬、銻或石墨；
2.根據權利要求1所述的碳納米管組裝結構，其特徵在於(1)多個單壁碳納米管以陣列方式排列；(2)基底為金屬平面膜；
3.根據權利要求1所述的碳納米管組裝結構，其特徵在於(1)一個單壁碳納米管；(2)基底可以是金屬平面膜或金屬針尖絲；構成單個碳納米管的組裝結構；
4.根據權利要求1所述的碳納米管組裝結構，其特徵在於(1)一個單壁碳納米管；(2)基底為金屬絲；(3)單壁碳納米管組裝結構連接在源電極(5)和漏電極(8)之間，與門電極(6)相鄰，門電極(6)與漏電極(8)間用絕緣體(7)隔開，構成圖5所示的碳納米管放大器；
5.根據權利要求1所述的碳納米管組裝結構，其特徵在於(1)一個單壁碳納米管；(2)基底為金屬絲；(3)單壁碳納米管組裝結構與石英晶體振子(9)相串聯，構成圖6所示的振蕩器；
6.根據權利要求1所述的碳納米管組裝結構，其特徵在於(1)一個單壁碳納米管；(2)基底為金屬膜或金屬絲；(3)電阻(10)與單壁碳納米管組裝結構串聯，構成如圖8所示的電子開關元件；
7.一種碳納米管組裝方法，所說的組裝物包括碳納米管和金屬基底兩部分，作為基底的金屬可以是金、鉑、鎢、鉬、銻和石墨中的任意一種，組裝的方法是(1)將純度90％以上的單壁碳納米管水溶液膠體靜止存放一個月左右；(2)按水溶液不同的柱高位置，分選所需長度的碳納米管原液；(3)按所需量的原液加入去離子水稀釋；(4)徹底清除金屬基底表面的油汙雜質；(5)用甩膠法或浸入法將碳納米管組裝在基底上。
全文摘要
本發明屬於高新科技新型納米電子器件領域。本發明涉及碳納米管豎立在純淨金屬基底表面上的組裝技術及用此技術所製造的電子器件,包括陣列場發射電子源,場發射平板顯示器件,掃描探針顯微鏡(SPM)的針尖,場發射電子顯微鏡(FEM)的樣品,測試碳納米管特性的裝置和利用此技術產生的量子特性與負阻特性曲線製造納米電子放大器、振蕩器和電子開關器件。
文檔編號H01L21/70GK1241813SQ9910311
公開日2000年1月19日 申請日期1999年3月24日 優先權日1999年3月24日
發明者薛增泉, 劉惟敏, 顧鎮南, 施祖進, 侯士敏, 張兆祥, 趙興鈺, 吳錦雷, 吳全德 申請人:北京大學