一种金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法

摘要

本发明的目的在于提供一种金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法，该金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法包括如下步骤：通过常规光刻在含二氧化硅的衬底上制备金电极的步骤；利用聚焦离子束在电极上刻出若干个间隙的步骤；将上述电极浸入到单壁碳纳米管的DMF溶液的步骤；施加大小为2～8V、频率为1～10Hz的电场的步骤。本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法不仅简单、可控、高效，而且，能够有效提高碳纳米管电子逻辑器件以及场效应器件的性能和集成度，为碳纳米管结构的制备和实用化提供了一条可行的途径。

说明书

技术领域

本发明涉及单壁碳纳米管的同步分离与组装方法，特别涉及金属性和半导体性单壁碳的同步分离与组装方法。

背景技术

单壁碳纳米管因其特殊的结构和独特的物理化学性能，使其在很多领域具有潜在的应用价值，如纳米场效应管、场发射平面显示器、纳电子逻辑器件、纳米信息存储器，化学、生物传感器等等。有关碳纳米管的研究成为当今纳米科技领域非常重要的一个组成部分。

不同手性的单壁碳纳米管，具有不同的物理和化学性质，在单壁碳纳米管众多的应用中，如何有效的分离金属性和半导体性的碳纳米管一直是大家追求的目标。目前的单壁碳纳米管合成技术得到的总是不同手性的金属性(33％)和半导体性(67％)碳纳米管的混合产物。有效的从单壁碳纳米管体相混合物中分离出特殊手性的碳纳米管对充分利用碳纳米管的优异性能是非常重要的，这对制备纳电子逻辑器件以及场效应器件、传感器等都是必不可少的。近年来，利用不同手性碳纳米管的化学反应性能不同，对金属应用性和半导体性碳纳米管进行了分离，取得了一定的进展，此外利用电场下不同碳纳米管受力不同，对金属性碳纳米管进行富集，也达到了一定的分离效果。但是进一步对不同手性的碳纳米管进行更可控更充分的分离还是需要解决的问题。

对碳纳米管进行有效的组装对于提高纳米管器件的制备以及使用也是非常重要的。有效的控制碳管的排列方式，使其组装成各种不同的器件设计所需要的结构是构建纳米管器件决定因素，也是现存的主要挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法，该金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法利用在特殊设计的多间隙纳米电极上，不同手性的碳纳米管在电场下受到的介电泳作用力大小不同，实现对金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离和组装；该方法不仅简单、可控、高效，而且，能够有效提高碳纳米管电子逻辑器件以及场效应器件的性能和集成度，为碳纳米管结构的制备和实用化提供了一条可行的途径。

本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法包括：制备金电极的步骤；在电极上刻出间隙的步骤；将上述电极浸入到单壁碳纳米管的N，N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethylformamide，DMF)溶液的步骤；施加电场的步骤。

在本发明金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，所述制备金电极的步骤是通过常规光刻(UV Lithography)在含厚度为100nm～1000nm二氧化硅的SiO₂/Si衬底上制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为50～200nm。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，在电极上蚀刻间隙的步骤是通过聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出2～18个长1μm～10μm、宽500nm～1000nm、深50nm～200nm的间隙。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，将所述电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管DMF溶液中。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，在加电场的步骤中，施加的电场大小为2～8V，频率为1～10MHz，施加时间为5～60分钟。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，所述制备金电极的步骤是通过常规光刻(UV Lithography)在含厚度为200nm～800nm二氧化硅的SiO₂/Si衬底上制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为60～150nm。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，在电极上蚀刻间隙的步骤是通过聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出3～15个长2μm～8μm、宽600nm～900nm、深80nm～180nm的间隙。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，将所述电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管DMF溶液中。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，在加电场的步骤中，施加的电场大小为3～6V，频率为2～8MHz，施加时间为5～50分钟。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，所述制备金电极的步骤是通过常规光刻(UV Lithography)在含厚度为250nm～500nm二氧化硅的SiO₂/Si衬底上制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为80～120nm。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，在电极上蚀刻间隙的步骤是通过聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出3～12个长2μm～6μm、宽700nm～850nm、深120nm～160nm的间隙。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，将所述电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管DMF溶液中。

在本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法中，在加电场的步骤中，施加的电场大小为3～4.5V，频率为3～6MHz，施加时间为10～40分钟。

不同手性的单壁碳纳米管的同步分离与组装的基本原理为：在电场强度空间非均匀分布的电场中，单壁碳纳米管在电场下相对于介质分子(溶剂)运动，这种效应被称为碳纳米管的介电泳(dielectrophoresis，DEP)效应(如图1)。碳纳米管在电场下受到的介电泳力的大小和所加的电场的强度、频率、电场在空间的梯度分布、碳管本身的直径和长度以及碳管相对于介质分子的介电常数和电导率有关系。当所用碳纳米管溶液、外加电压和电极形状都确定后，溶液中具有不同介电常数或电导率的碳纳米管将会受到不同大小的介电泳作用力。由于碳纳米管的介电常数和电导率直接和碳管的手性相关，所以根据受到不同大小的介电泳力而将碳纳米管进行手性分离，金属性碳纳米管将先于半导体性碳纳米管在电极上进行组装。同时通过多间隙电极结构的设计得到电场在不同间隙中梯度分布，利用介电泳组装的时间效应就实现了对碳纳米管的同步手性分离与组装(如图2)。

多间隙电极结构的设计如图3a所示，聚焦离子束的方法被用来在普通光刻得到的微电极上制备多个纳米尺度的间隙。电场在多间隙电极上是呈梯度分布的，电场强度从最外端向中间间隙电场强度以约100倍的速度递减，而且电场在每一个间隙中分布时还存在边缘效应(如图3b～e)。介电泳组装的时间效应是指碳纳米管在多间隙电极结构上的组装机制是碳管先组装在两端电场强度最大的间隙中，然后再逐渐向中间间隙组装(如图4)。拉曼(Raman)光谱表征的结果证实了通过利用多间隙电极结构进行单壁碳纳米管的介电泳组装，能够实现对碳管的同步手性分离(如图5)。

本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法不仅简单、可控、高效，而且，能够有效提高碳纳米管电子逻辑器件以及场效应器件的性能和集成度，为碳纳米管结构的制备和实用化提供了一条可行的途径。

附图说明

图1是单壁碳纳米管表面介电泳组装示意图。

图2是单壁碳纳米管在含有5个间隙上进行介电泳组装得到的扫描电子显微镜表征图，图中的标尺为5μm。

图3是多间隙电极设计结构的示意图(图3a)和理论模拟得到的电场强度在含有5个间隙的电极上的分布(图3b～e)。

图4是单壁碳纳米管在不同组装时间内在五间隙电极上介电泳组装的扫描电子显微镜表征结果(图4a～c，组装时间为30分钟，5分钟和20秒钟)，图4d为多间隙电极上介电泳组装时间效应示意图

图5是拉曼(Raman)光谱对多间隙电极对单壁碳纳米管手性分离效果的表征结果，图中1、2、3、2’、1’分别代表不同的间隙号，对比不同间隙中拉曼光谱G模式振动峰可以证实对碳纳米管的手性分离效果。

图6是对多间隙单壁碳纳米管阵列结构温度传感器的重复性(图6a)和灵敏度(图6b)的表征结果。图6b中α为相对灵敏度TCR(Temperaturecoefficient of resistance)值。

具体实施方式

本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法包含如下步骤：

(1)在含100nm～1000nm二氧化硅的SiO2/Si衬底上通过常规光刻(UVLithography)的方法制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为50～200nm。

(2)利用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出2～18个长1μm～10μm，宽500nm～1000nm，深为50nm～200nm的间隙。

(3)把上述多间隙电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管的DMF溶液中，然后加上大小为2～8V，频率为1～10MHz的交流电场组装5～60分钟，氮气吹干。

本发明的更加优化的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法包含如下步骤：

(1)在含200nm～800nm二氧化硅的SiO₂/Si衬底上通过常规光刻(UVLithography)的方法制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为60～150nm。

(2)利用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出3～15个长2μm～8μm，宽600nm～900nm，深为80nm～180nm的间隙。

(3)把上述多间隙电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管的DMF溶液中，然后加上大小为3～6V，频率为2～8MHz的交流电场组装5～50分钟，氮气吹干。

本发明的进一步优化的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法包含如下步骤：

(1)在含250nm～500nm二氧化硅的SiO₂//Si衬底上通过常规光刻(UVLithography)的方法制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为80～120nm。

(2)利用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出3～12个长2μm～6μm，宽700nm～850nm，深为120nm～160nm的间隙。

(3)把上述多间隙电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管的DMF溶液中，然后加上大小为3～4.5V，频率为3～6MHz的交流电场组装10～40分钟，氮气吹干。

[实施例1]

(1)在含300nm二氧化硅的SiO₂//Si衬底上通过常规光刻(UVLithography)的方法制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为100nm。

(2)利用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出5个长4μm，宽800nm，深为150nm的间隙。

(3)把上述多间隙电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管的DMF溶液中，然后加上大小为4V，频率为5MHz的交流电场组装30分钟，氮气吹干。

图2是通过扫描电子显微镜表征得到的结果，单壁碳纳米管组装在电极间隙中，而且碳纳米管的组装密度从两端向中间间隙递减。

利用拉曼光谱对五间隙电极中的每一个间隙进行表征，同一间隙中的碳纳米管样品至少在10个不同区域进行采样，然后将光谱平均，对手性分离效果进行表征得到图5所示的结果。

[实施例2]

(1)在含300nm二氧化硅的SiO2/Si衬底上通过常规光刻(UVLithography)的方法制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为100nm。

(2)利用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在电极上刻出9个长4μm，宽800nm，深为150nm的间隙，在另一电极上刻出5个长4μm，宽200nm，深为150nm的间隙。

(3)把上述九间隙和五间隙电极分别浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管的DMF溶液中，加上大小为4V，频率为5MHz的交流电场组装30分钟，氮气吹干。

(4)扫描电子显微镜对步骤(3)得到的结果进行表征，单壁碳纳米管组装在电极间隙中，而且碳纳米管的组装密度从两端向中间间隙递减，在九间隙电极上在中间电极上没有碳纳米管的组装，在五间隙电极上由于间隙宽度小于碳纳米管长度(500nm～2μm)，大部分碳纳米管悬空横跨过间隙。这也为制备单壁碳纳米管悬空结构提供了有效途径。

[实施例3]

(1)在含300nm二氧化硅的SiO₂//Si衬底上通过常规光刻(UVLithography)的方法制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为100nm。

(2)利用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在五个电极上都刻出5个长6μm，宽800nm，深为150nm的间隙。

(3)把上述多间隙电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管的DMF溶液中，然后加上大小为4V，频率为5MHz的交流电场分别组装30分钟、5分钟、20秒钟，氮气吹干待表征

扫描电子显微镜对步骤(3)得到的结果进行表征，得到图4a～c，证实了单壁碳纳米管在多间隙电极上的组装顺序是从两边间隙向中间间隙进行组装。

[实施例4]

(1)在含300nm二氧化硅的SiO₂//Si衬底上通过常规光刻(UVLithography)的方法制备金电极，金通过钛粘结层与基底相连电极的高度为100nm。

(2)利用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法在三个电极上分别刻出5个、3个和1个长4μm，宽800nm，深为150nm的间隙。

(3)把上述3个间隙电极浸入到浓度为5mg/L～10mg/L的单壁碳纳米管的DMF溶液中，然后加上大小为4V，频率为5MHz的交流电场组装30分钟，氮气吹干。

在超高真空系统中利用Keithley4200半导体测量系统对步骤(3)得到的样品分别进行热传感测试。图6是对多间隙单壁碳纳米管阵列结构温度传感器的重复性(图6a)和灵敏度(图6b)的表征结果。从图中可以看出，单壁碳纳米管阵列温度传感器有不同间隙个数越多，传感器的TCR绝对值越大，灵敏度越高，而且标称电阻值也越大。此外多间隙温度传感器还显示了对温度响应较高的重复性和稳定性。

由此可见，本发明的金属性和半导体性单壁碳纳米管的同步分离与组装方法不仅简单、可控、高效，而且，能够有效提高碳纳米管电子逻辑器件以及场效应器件的性能和集成度，为碳纳米管结构的制备和实用化提供了一条可行的途径。