CN106219516B - 一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，通过将表面带有平行电极的衬底倾斜静置在单壁碳纳米管、去离子水、表面活性剂、有机聚合物混合制得的胶状液体中，由于平行电极对碳纳米管的尺寸效应使碳纳米管能够在平行电极间定向排布。本方法相比传统的化学气相沉积法制备垂直排列的定向碳纳米管，操作简单，制备了水平定向排布的碳纳米管，可以应用于在场效应管、场发射器和化学传感器中。
Description
技术领域
本发明涉及功能薄膜制备方法，属于纳米薄膜材料领域和纳米器件领域，具体涉及一种新型的溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法。
背景技术
碳纳米管材料作为一种近年来备受各国关注的新的功能材料，它具有良好的载流子迁移率和电流疏运能力、良好的力学性能、良好的光学性能等特点使其在场效应管、场发射器、半导体探针、化学传感器等器件中具备良好的应用前景。
多年来，单壁碳纳米管由于其良好的电学性能和超薄的结构被看做能够取代硅基TFT的新型材料。制备单壁碳纳米管TFT的方法分为两种：化学气相沉积法和溶液过滤法。2009年Chuan Wang等利用溶液过滤法法制备了高性能的单壁碳纳米管TFT，电流密度达到了10uA/µm,开关比大于104。（Chuan Wang etc Wafer～Scale Fabrication of SeparatedCarbon Nanotube Thin～Film Transistors for Display Applications，Nano Letters,2009,Vol.9,No.12)。
2002年S.J Wind等利用化学气相沉积法制备了单壁碳纳米管TFT，电流密度达到了2100 uA/um 。（S.J Wind etc Vertical scaling of carbon nanotube field～effecttransistors using top gate electrodes, Applied physics Letters,2002,Vol.80,No.20）但是这些方法制备的碳纳米管TFT由于碳纳米管的密度低和非定向特性，其电学性能达不到应用需求。为了解决以上问题，Hyunhyub Ko等提出一种能够让碳纳米管定向排布的方法。及采用溶液过滤法时，将碳纳米管的聚合物溶液在成膜时固定在一定区域范围内，及将自组装膜平行生长在硅片上，在硅片再镀膜，碳纳米管会由于尺寸效应呈定向化排列（由于自组装膜的间距小于碳纳米管的长度）。（Hyunhyub Ko etc Liquid～CrystallineProcessing of Highly Oriented Carbon Nanotube Arrays for Thin～FilmTransistors, Nano Letters,2006,Vol.6,No.7）但是这种方法由于获得定向排列的薄膜后再镀电极，在去除自组装膜时可能有残留物，影响结构性能，且不易确定定向的碳纳米管区域，操作复杂，不容易制得完好的器件。
发明内容
本发明的目的是如何克服制备碳纳米管成本过高、制备复杂、碳纳米管浓度过低并且没有定向性、电学性能较差等缺点，改进现有的碳纳米管制备法，简化制备方法，获得高性能的碳纳米管。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种新型的溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于，具有以下步骤：
（1）将单壁碳纳米管、去离子水、表面活性剂混合均匀，得到溶液1;
（2）向溶液1中加入有机聚合物，混合均匀，得到黑色胶状液体，即溶液2;
（3）将带有平行电极的衬底倾斜静置在溶液2中，制备湿膜；
（4）常温下，普通大气环境中使步骤（3）中的薄膜自然结晶,形成平行于衬底定向排列的单壁碳纳米管图形；
（5）光刻去除多余的部分，得到完整的定向碳纳米管图形。
进一步，所述的单壁碳纳米管与表面活性剂的质量比为1:5～10。
进一步，所述的单壁碳纳米管与有机聚合物的质量比为1:10～20。
进一步，所述的表面活性剂和有机聚合物能让单壁碳纳米管悬浮在溶液表面。
所述的制备环境为为普通室内环境，无惰性气体保护、绝对干燥等要求。
所述的表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠中的一种或多种，优选为十二烷基苯磺酸钠；
所述的有机聚合物为多肽类或蛋白质，例如聚磺苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等，优选为聚乙烯吡咯烷酮。
进一步，所述的衬底的厚度没有特殊要求，在其上方设置有300～500nm绝缘层，绝缘层上设置有100～300nm的金属层，金属层光刻出平行电极。
作为优选，所述的绝缘层为SiO2绝缘层，所述的平行电极的长度为0.1～5mm，电极间的间距为3～30 µm。平行电极图形能够对分布在电极之间的碳纳米管起到定向作用。
进一步，所述步骤（3）中倾斜静置是指要将衬底呈3～20°倾斜于装有溶液2的培养皿中，并且使平行电极的长边与水平面呈3～20°角，所述步骤（3）中静置时间为24～72小时。
进一步，所述步骤（1）与步骤（2）中的混合均采用超声混合。
作为优选，所述步骤（1）或步骤（2）在采用超声混合的同时可以配合有磁力搅拌，所述步骤（1）的磁力搅拌温度为60～80℃，时间为3～6小时，所述步骤（2）的磁力搅拌温度为温度为60～80℃，时间为10～30min。
采用本发明所述的方法制备的碳纳米管，具有以下优点：
A.产品定向性好、电学性能稳定、结构稳定、均匀、平整；
B.先做好叉指电极，再利用叉指电极对碳纳米管的定向，整个工艺操作简单；
C.常温反应，且对环境无特殊要求，设备要求低、需要投资少、产品成本低；
D.反应物无毒无害，不会污染环境及影响人体健康。
附图说明
图1 为本发明方法流程图；
图2 为实施例1所得产品平行电极间单壁碳纳米管的定向SEM图；
图3 为实施例1所得产品平行电极外单壁碳纳米管的非定向SEM图；
图4 为本发明方法原理图（截面）；
其中，1为衬底、2为SiO2绝缘层、3为平行电极、4为定向排布单壁碳纳米管。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明做近一步描述：
实施例1：一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
（1）取20mL去离子水装入烧杯中，称取碳纳米管15mg,称取十二烷基苯磺酸钠100mg加入烧杯中，烧杯中放入磁转子，将烧杯放入磁力搅拌机中，调节温度为70℃，转速为12rad/s，磁力搅拌3小时，同时进行超声混合，使十二烷基苯磺酸钠和碳纳米管均匀分散在去离子水中，得到溶液1；
（2）取聚乙烯吡咯烷酮 150mg加入到溶液1中，调节温度为70℃，转速12rad/s，磁力搅拌10分钟，同时进行超声混合，得到黑色胶状液体，即溶液2；
（3）采用溶液静置法制备湿膜，将带有平行电极的衬底以5°角倾斜静置在溶液2中制备湿膜，静置24小时结晶；
（4）光刻掉沟道外的多余碳纳米管，得到产品。
采用场发射扫描电镜（SEM）对产品进行测试，得到图2、图3，由图2、图3对比可知，产品定向性能好，结构均匀、平整、稳定。
实施例2：一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
（1）取20mL去离子水装入烧杯中，称取碳纳米管15mg,称取十二烷基三甲基溴化铵75mg、十六烷基三甲基溴化铵75mg加入烧杯中，超声混合，使十二十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和碳纳米管均匀分散在去离子水中，得到溶液1；
（2）取聚磺苯乙烯150mg、聚乙烯醇 150mg加入到溶液1中，超声混合均匀后得到黑色胶状液体，即溶液2；
（3）采用溶液静置法制备湿膜，将带有平行电极的衬底以2°角倾斜静置在溶液2中制备湿膜，静置72小时结晶；
（4）光刻掉沟道外的多余碳纳米管，得到产品。
实施例3：一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
（1）取20mL去离子水装入烧杯中，称取碳纳米管15mg,称取十六烷基三甲基溴化铵40mg、十二烷基苯磺酸钠60mg加入烧杯中，烧杯中放入磁转子，将烧杯放入磁力搅拌机中，调节温度为80℃，转速为12rad/s，磁力搅拌5小时，同时进行超声混合，使十二烷基苯磺酸钠和碳纳米管均匀分散在去离子水中，得到溶液1；
（2）取聚乙烯醇200mg加入到溶液1中，调节温度为80℃，转速12rad/s，磁力搅拌20分钟，同时进行超声混合，得到黑色胶状液体，即溶液2；
（3）采用溶液静置法制备湿膜，将带有平行电极的衬底以30°角倾斜静置在溶液2中制备湿膜，静置48小时结晶；
（4）光刻掉沟道外的多余碳纳米管，得到产品。
实施例4：一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
（1）取20mL去离子水装入烧杯中，称取碳纳米管15mg,称取十二烷基苯磺酸钠75mg加入烧杯中，烧杯中放入磁转子，将烧杯放入磁力搅拌机中，调节温度为60℃，转速为12rad/s，磁力搅拌6小时，同时进行超声混合，使十二烷基苯磺酸钠和碳纳米管均匀分散在去离子水中，得到溶液1；
（2）取能让单壁碳纳米管悬浮在溶液表面的蛋白质300mg加入到溶液1中，调节温度为60℃，转速12rad/s，磁力搅拌30分钟，同时进行超声混合，得到黑色胶状液体，即溶液2；
（3）采用溶液静置法制备湿膜，将带有平行电极的衬底以5°角倾斜静置在溶液2中制备湿膜，静置72小时结晶；
（4）光刻掉沟道外的多余碳纳米管，得到产品。
实施例5：一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
（1）取20mL去离子水装入烧杯中，称取碳纳米管15mg,称取十二烷基苯磺酸钠80mg加入烧杯中，进行超声混合，使十二烷基苯磺酸钠和碳纳米管均匀分散在去离子水中，得到溶液1；
（2）取能让单壁碳纳米管悬浮在溶液表面的多肽类物质250mg加入到溶液1中，进行超声混合，得到黑色胶状液体，即溶液2；
（3）采用溶液静置法制备湿膜，将带有平行电极的衬底以12°角倾斜静置在溶液2中制备湿膜，静置36小时结晶；
（4）光刻掉沟道外的多余碳纳米管，得到产品。
如上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故任凡未脱离本方案技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例做出任何简单的更改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将单壁碳纳米管、去离子水、表面活性剂混合均匀，得到溶液1；
（2）向溶液1中加入有机聚合物，混合均匀，得到黑色胶状液体，即溶液2；
（3）将带有平行电极的衬底倾斜静置在溶液2中，制备湿膜；
（4）常温下，普通大气环境中使步骤（3）中的薄膜自然结晶,形成平行于衬底定向排列的单壁碳纳米管图形；
（5）光刻去除多余的部分，得到完整的定向碳纳米管图形；
所述步骤（3）中倾斜静置是指要将衬底呈3～20°倾斜于装有溶液2的培养皿中，并且使平行电极的长边与水平面呈3～20°角，静置时间为24～72小时；所述步骤（2）中单壁碳纳米管与有机聚合物质量比为1:10～20。
2.根据权利要求1所述的一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于:所述步骤（1）中单壁碳纳米管与表面活性剂的质量比为1:5～10。
3.根据权利要求1、2任一所述的一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于：所述的表面活性剂和有机聚合物能让单壁碳纳米管浮在溶液表面。
4.根据权利要求3所述的一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于：所述的表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠中的一种或多种；所述的有机聚合物为多肽类或蛋白质。
5.根据权利要求 1 所述的一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法,其特征在于：所述的衬底上方设置有300～500nm的绝缘层，绝缘层上设置有100～300nm的金属层，金属层光刻出平行电极图形。
6.根据权利要求5所述的一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于：所述的绝缘层为SiO2绝缘层，所述的平行电极长度为0.1～5mm，电极间的间距为3～30 µm。
7.根据权利要求1所述的一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于:所述步骤（1）与步骤（2）中的混合采用超声混合。
8.根据权利要求1所述的一种溶液静置法制备定向排布单壁碳纳米管的方法，其特征在于：所述步骤（1）或步骤（2）在采用超声混合的同时可以配合有磁力搅拌，所述步骤（1）的磁力搅拌温度为60～80℃，时间为3～6小时，所述步骤（2）的磁力搅拌温度为温度为60～80℃，时间为10～30min。
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