[发明专利]同轴电缆结构Ag/C纳米互连线的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及应用于微型器件的金属互连纳米线及其制备方法，尤其是具有同轴电缆结构、长度可达数百微米的Ag/C纳米线(Ag线为核，碳包覆层为壳)的制备方法。

背景技术

金属纳米线由于在微型器件中具有广阔应用前景而成为国际上被广泛研究的焦点。它们常被用作电子、光学和纳米传感器件中的互连材料和功能构建单元。它们也是研究小尺寸金属材料的电、热传输行为对其维度和尺寸依赖性的首选材料。然而，纳米线由于具有很高的比表面积，极易发生氧化和性能失效。实验证实，裸露的金属(如锗、钼、银、铜等)纳米线在温度较高的条件下经历很短时间就会被氧化。将金属线表面包裹一层或多层热稳定性较好的材料构成的同轴电缆结构能够克服这一问题。同时，纳米包覆能有效防止内部金属核被腐蚀，这种同轴电缆结构是研究单根金属纳米线的性质(如超导性)以及在纳米器件上应用的理想互连单元。

金属银由于具有高的室温导电率，很有希望成为下一代微型电子器件的互连材料。通过加工成一维纳米结构，银的力学性能会显著增强；研究表明，截面形状对纳米线的电学和机械性能具有重要的影响。有关同轴电缆结构Ag/C纳米线的制备，已经有许多方法被报道，如溶胶凝胶法，激光烧蚀法和化学气相沉积法等。这些方法都是基于两步法，即首先制得Ag纳米线，然后在其表面进行纳米包覆。因此步骤繁琐，纳米包覆的条件苛刻，成本较高，不易转化为大规模生产。特别是，碳包裹不同尺寸、不同截面形貌的银纳米线的制备仍未见有报道。因此，发展一种简单、快速、经济且适用的制备方法，对具有特定截面的同轴电缆结构Ag/C纳米线的制备及其产业化具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的：提出一种制备具有同轴电缆结构、长度可达数百微米的Ag/C纳米互连线的方法。通过调节十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)浓度、硝酸银浓度和反应时间等反应参数，实现其横截面的形貌和尺寸控制。该方法还可推广到其它碳包覆金属的同轴电缆结构纳米线的制备，克服了传统方法成本高、能量损失大、操作复杂，无法有效控制Ag纳米线的截面形貌、尺寸及碳包覆层厚度的技术难题。

本发明的技术方案：一种同轴电缆结构C包覆Ag纳米互连线的制备方法，长度可达数百微米，以葡萄糖既作为还原剂又作为碳源、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为金属生长的形貌控制剂；CTAB与硝酸银摩尔比为1.4∶1-21∶1之间，葡萄糖与CTAB的质量比为1.4∶1-10∶1之间；依次溶于去离子水中得到反应混合溶液；葡萄糖、CTAB和硝酸银和质量比为1-2∶0.2-0.6∶0.02-0.05，为使固体完全溶解，可超声10-20分钟；取混合溶液至反应釜中，在160-200℃范围内某一恒温条件下反应4-8小时；反应釜被自然冷却至室温，为除去溶液中的残留物，产物经反复离心、清洗，最后在真空或者N₂保护气氛下50±10℃干燥。烘箱中烘干或干燥6h以上。

本发明是以葡萄糖、CTAB和硝酸银的混合溶液为原料，制备方法为一步水热法，采用CTAB为形貌控制剂。在反应釜填充率为80vol％)；得到所需的同轴电缆结构Ag/C纳米线。所制备的同轴电缆结构Ag/C纳米线是由平均尺寸为30±5nm的银纳米线(内核)和碳纳米包覆层所构成。

使用0.07M葡萄糖、7-21mM的CTAB和1-5mM硝酸银；硝酸银的最佳浓度范围为1-5mM。当浓度大于5mM时，产物为银纳米粒子/碳球。

0.07M葡萄糖时、CTAB为7-9mM时，内核银纳米线的截面为圆形，当CTAB为13-15mM时，内核银纳米线的截面为正五边形。

水热法所采用的原料为廉价的葡萄糖及硝酸银试剂，形貌控制剂为CTAB。

室温或者略高于室温条件下均可配制溶液。

与已有报导的方法相比，本发明的水热法不需要任何模板，步骤简单，一步水热反应可实现同轴电缆结构Ag/C纳米互连线的大规模制备，克服了模板法(如电化学沉积、化学气相沉积)和两步法(如溶胶凝胶法等)步骤复杂、价格昂贵的缺点。制得的同轴电缆结构纳米互连线中内核Ag线的横截面形貌、尺寸以及碳层厚度均可调控。碳(壳)的包覆有利于防止纳米银核的氧化、腐蚀，从而提高其化学反应活性和热稳定性。Ag/C同轴电缆结构具有优异的电学和机械性能，在电子、光学和传感纳米器件中作为互连与功能单元具有巨大的潜在应用价值。此外，该方法装置简单、操作简便、可控性好、易实现规模化生产。尤其是，由于具有很强的适用性，该方法可推广到其它同轴电缆结构纳米线的可控制备及工业化生产。

本发明的有益效果：