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制备 碳 纳米管悬壁梁阵列的方法

阅读：422发布：2020-05-12

专利汇可以提供制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，该方法包括：制备一对或一对以上电极，电极的阴极和阳极交错分布；将含有碳纳米管的有机溶液覆盖在上述电极之上；在电极上施加交流电或直流电后，碳纳米管垂直于上述电极边沿平行排布；待有机溶液蒸发后，将上述电极边沿的碳纳米管切断，形成由碳纳米管组成的悬壁梁阵列。本发明利用碳纳米管自组装技术可以克服光刻技的限制，可获得大规模的悬壁梁阵列而且可控；同时，由于直接利用碳纳米管，可利用其优异的物理特性，将声、电、光、磁等引入悬壁梁体系以实现新颖的纳米机电器件。，下面是制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，其步骤包括：
1)制备一对或一对以上电极，电极的阴极和阳极交错分布，所述电极的阴极和阳极之间的距离为20μm；
2)将含有碳纳米管的有机溶液覆盖在上述电极之上；
3)上述电极施加交流电或直流电后，碳纳米管垂直于上述电极边沿平行排布；待有机溶剂蒸发后，碳纳米管的一端与支撑电极的衬底黏附、而另外一端与电极黏附；
4)将上述电极边沿附近悬空的碳纳米管切断，形成由上述碳纳米管组成的悬壁梁阵列。
2.如权利要求1所述的所述制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、N，N2二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷。
3.如权利要求1或2所述的所述制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，其特征在于，所述步骤2)进一步包括：将含有碳纳米管的有机溶液进行超声，充分分散有机溶剂中的碳纳米管。
4.如权利要求1所述的所述制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，其特征在于，所述步骤
2)中，将含有碳纳米管的有机溶液覆盖在电极之上的具体方式是，将含有碳纳米管的有机溶液滴于电极之上，或将电极浸没于上述含有碳纳米管的有机溶液中。
5.如权利要求1所述的所述制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，其特征在于，所述步骤
3)中，电极施加交流电，具体施加的交流电的参数范围为VPP＝1-20V，频率1-10MHZ。
6.如权利要求1所述的所述制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，其特征在于，所述步骤
4)中，将上述电极边沿的碳纳米管切断的具体方式是，采用聚焦离子束切断碳纳米管，聚焦离子束的能量30keV，束流为：1pA，10pA，30pA或100pA。

说明书全文

制备碳 纳米管悬壁梁阵列的方法

技术领域

[0001] 本发明是关于纳米尺度悬壁梁的制备方法，具体地说，是关于碳纳米管悬壁梁阵列的制备方法。

背景技术

[0002] 悬壁梁结构是微机电系统中常见的一种结构，多数是由硅、氮化硅或聚合物制成的，通常利用微加工技术来制备。悬壁梁结构用途广泛，可用于构建原子力显微镜、用于医疗诊断的生物传感器[H.P.Lang等，Materials Today，4，30(2005)]。但由于微加工技术，很难获得100nm以下的悬壁梁，且限于材料本身，悬壁梁结构多数只能利用材料的力学性能来工作，很难将声、电、光、磁等引入悬壁梁的体系。

[0003] 碳纳米管因其独特的分子结构，具有优异的力学、热学、电学、磁学等性质，可望成为微机电系统的重要材料。利用碳纳米管研制了超灵敏的气体、压力或流体等传感器、发电机和电动机等装置。最近有人从理论上研究了悬壁梁结构可用作振荡器和具有开关功能的纳米机电系统[C.H.Ke等，Apply Physics Letters，85，681(2004)；H.Jiang等Physical ReviewLetters，93，185501-1(2004)；Zhao Wang 等，Physical Review B 75，205414(2007)]，但至今为止，尚无利用碳纳米管可控制备大规模的悬壁梁阵列的成功例子。

发明内容

[0004] 本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种用碳纳米管制备大规模悬壁梁阵列的方法，一方面可大幅度减小悬壁梁的尺寸，另一方面可利用碳纳米管的物理特性，将声、电、光、磁等引入悬壁梁体系以实现新颖的纳米机电器件。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种制备碳纳米管悬壁梁阵列的方法，其步骤包括：

[0007] 1)制备一对或一对以上电极，电极的阴极和阳极交错分布；

[0008] 2)将含有碳纳米管的有机溶液覆盖在上述电极之上；

[0009] 3)上述电极施加交流电或直流电后，碳纳米管垂直于上述电极边沿平行排布；

[0010] 4)待有机溶液蒸发后，将上述电极边沿的碳纳米管切断，形成由上述碳纳米管组成的悬壁梁阵列。

[0011] 所述电极的阴极和阳极之间的距离为2～10μm。

[0012] 所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或单壁碳纳米管聚集而成的管束。

[0013] 所述有机溶剂为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、N，N2二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷。

[0014] 所述步骤2)进一步包括：将含有碳纳米管的有机溶液进行超声，充分分散有机溶剂中的碳纳米管。

[0015] 所述步骤2)中，将含有碳纳米管的有机溶液覆盖在电极之上的具体方式是，将含有碳纳米管的有机溶液滴于电极之上，或将电极浸没于上述含有碳纳米管的有机溶液中。

[0016] 所述步骤3)中，电极施加交流电，具体施加的交流电的参数范围为VPP＝1-20V，频率1-10MHZ。

[0017] 所述步骤4)中，将上述电极边沿的碳纳米管切断的具体方式是，采用聚焦离子束切断碳纳米管，聚焦离子束的能量30keV，束流可为：1pA，10pA，30pA或100pA。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0019] 一方面可大幅度减小悬壁梁的尺寸。通常悬壁梁制备方法主要使用光刻技术，由于受光波长的限制很难获得纳米尺度的悬壁梁结构，利用碳纳米管自组装技术可以克服光刻技的限制，可获得大规模的悬壁梁阵列而且可控；另一方面，由于直接利用碳纳米管，可利用其优异的物理特性，可以将声、电、光、磁等引入悬壁梁体系以实现新颖的纳米机电器件。现在市场上流行的悬壁梁结构的材料多数是由硅、氮化硅或聚合物，悬壁梁结构多数只利用材料的力学性能来设计或工作，很难将声、电、光、磁等引入悬壁梁的体系，而碳纳米管因其独特的分子结构，除了优异的力学性能外、还有优异的热学、电学、磁学等方面的特性，因而有可能利用碳纳米管的物理特性来构建全新概念的的机电系统或器件。附图说明

[0020] 图1为本发明制备碳纳米管悬壁梁阵列的试验装置示意图；

[0021] 图2为金属电极边沿上近似平行排列的碳纳米管；

[0022] 图3为经过聚焦离子束切断所获得的若干根碳纳米管悬壁梁；

[0023] 图4为经过聚焦离子束切断所获得的一排碳纳米管悬壁梁阵列。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

[0025] 1、电极设计与制备。为制备碳纳米管悬壁梁，需要预先利用电场获得平行排列的碳纳米管。为此设计叉指状电极，即含两对或两对以上阴极和阳极交错分布的矩形电极，见附图1。其中相邻电极的间距为20μm；电极1材料为Ti/Au双层金属(其中下层金属Ti的厚度：10nm；上层金属Au的厚度：100nm)；支撑电极的衬底2为二氧化硅。制备金属电极利用光刻和剥离工艺，其过程是：甩胶光刻，曝光、显影；然后溅射沉积金属，去胶，即可获得金属电极；二氧化硅在扩散炉中在湿氧环境下生长，厚度为300nm。

[0026] 2、将含有单壁碳纳米管的有机溶液进行超声(2小时)，使溶剂(N，N2二甲基甲酰胺)中的碳纳米管充分分散；在排列碳纳米管之前将含有碳纳米管的有机溶液滴于上述电极1之上。

[0027] 3、迅速接通交流电源3，利用交流电泳力将碳纳米管沿电场方向排布，施加的交流电的参数范围为VPP＝15V，频率8MHZ。由于在电极1边沿的电场强度较高，碳纳米管可在垂直于电极1边沿平行分布，待有机溶剂蒸发，在金属电极1边沿附近的多根单壁碳纳米管会成较粗大的管束；在范德瓦尔斯力作用下，单束碳纳米管的一端会与绝缘衬底2黏附、而另外一端与电极1黏附，由于电极1本身有高度(110nm)，使得边沿附近的碳纳米管离开衬底2而悬空，如附图2所示。

[0028] 4、利用聚焦离子束切断上述电极1边沿附近的碳纳米管束，切断碳纳米管的聚焦离子束的能量30keV、束流为30pA。电极1边沿附近悬空的碳纳米管与电极1黏连的一端，因范德瓦尔斯力作用仍然与电极一相连(固定该端的碳纳米管)，而另外一端因聚焦离子束切断、且受碳纳米管弹性力的作用下离开衬底，从而形成悬壁梁。可按需求制备单根、两根碳纳米管悬壁梁或由多根碳纳米管组成的一排悬壁梁阵列，如附图3和4所示。

[0029] 以上通过详细实施例描述了本发明所提供的方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

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