[发明专利]一种金属衬底直接外延生长碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属衬底上自组装外延生长一维纳米结构方法和一维纳米结构与衬底连接的方法，属于纳米材料和微电子领域。

背景技术

场致电子发射(简称为场发射)是指在电场作用下物体表面的电子穿透表面势垒进入真空的物理过程，它提供了一种快速、高效获得电子发射的方法。以碳纳米管为代表的一维纳米结构表现出优秀的场发射特性，如何实现这些纳米材料在冷阴极中的应用，是场发射研究领域的重要内容。在纳米冷阴极研制中，以自组装生长技术路线制备纳米冷阴极，需要解决在电极结构中生长纳米材料的技术，需要解决纳米材料与电极衬底间的结构互联问题和附着力问题，它们决定着冷阴极发射特性、可靠性、稳定性等性能。将外延生长思想引入电极结构生长纳米材料中，将可以解决纳米材料与电极衬底间的结构互联问题，同时可以实现以欧姆接触的结合方式，降低接触电阻，减少了界面焦耳热，避免击穿而提高工作电流。

发明内容

针对在金属衬底上自组装生长方法制备的碳纳米管薄膜存在非晶碳层和附着力差问题，本发明提供一种在具有催化元素的金属衬底上外延生长碳纳米管的方法。

本发明所述技术方案如下：

一种金属衬底直接外延生长碳纳米管的方法，该方法是基于化学气相沉积原理在具有催化元素的金属衬底上生长碳纳米管。

优选地，所述在金属衬底直接外延生长碳纳米管的方法包括以下步骤：

a)选择含碳纳米管生长催化元素成分的不锈钢作为衬底材料；

b)通过热氧化还原反应在步骤a)所选取的不锈钢衬底表面形成催化元素的氧化物层，该氧化物层的晶面间距与碳纳米管的晶面间距相匹配；

c)采用热化学气相沉积方法在具有催化元素氧化物层的不锈钢衬底上合成生长碳纳米管。

优选地，所述热化学气相沉积方法合成生长碳纳米管的反应温度为750℃～850℃之间，碳原子以有序结构方式从不锈钢衬底表面氧化层中外延生长碳纳米管。

优选地，所述合成生长的碳纳米管与氧化物层之间依靠化学键方式结合，形成欧姆接触特性的连接。

优选地，所述催化元素包括铬、铁、锰、镍的氧化物或其固溶体。

优选地，所述衬底材料包括各种方法引入催化元素的不锈钢衬底，所述催化元素的引入方法包括磁控溅射方法、蒸发沉积方法。

本发明所述方法易于实现，技术条件要求低，通过热氧化还原反应在不锈钢衬底表面形成催化元素的氧化物层。由于所形成的氧化物层晶面间距与碳纳米管晶面间距相匹配，碳原子以有序结构方式在不锈钢衬底表面外延生长碳纳米管，实现碳纳米管与衬底的直接互联，在电子器件中有重要应用。

附图说明

图1是不锈钢衬底外延生长碳纳米管的结构示意图，其中1代表碳纳米管，2代表氧化物层，3代表衬底；

图2是不锈钢衬底上生长碳纳米管的形貌图，图2a和2b分别给出了碳纳米管与不锈钢衬底界面的低倍与高倍扫描电子显微镜图像；

图3是碳纳米管与不锈钢衬底的表面界面结构分析图，图3a和3b分别给出了碳纳米管与不锈钢衬底界面的低倍与高倍透射电子显微镜图像，图3c为界面的电子衍射花样，图3d为界面的滤波图像；

图4是单根碳纳米管与衬底间的导电特性表征，图4a为电导测试示意图，图4b为I-V特性曲线。

具体实施方式

下面利用具体实施例进一步说明本发明的内容和技术方案，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明思想情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围。

请同时参阅图1，本发明所述一种金属衬底直接外延生长碳纳米管的方法，是基于化学气相沉积原理在具有催化元素的金属衬底上生长碳纳米管。

具体通过以下步骤实现：

步骤1：选择含碳纳米管生长催化元素成分的不锈钢作为衬底材料，并将不锈钢衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。

步骤2：生长环境的准备，采用热化学气相沉积方法所用设备，将清洗后的不锈钢衬底放置在管式炉样品台中间，通入保护气体Ar气，流量为200sccm，半小时内升温到750℃到850℃之间。

步骤3：通过热氧化还原反应在步骤1所选取的不锈钢衬底3表面形成催化元素的氧化物层2，所形成的氧化物层2的晶面间距与碳纳米管的晶面间距相匹配。具体操作是，停止通入Ar气，改为通入H₂气，流量为200sccm，保温还原反应1小时，使金属衬底表面发生氧化还原反应。