金属/碳纳米管复合纳米线的合成及专用微/纳米反应器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属纳米复合技术领域，特别是涉及一种金属/碳纳米管复合纳米线 的合成及专用微/纳米反应器，通过该专用的微/纳米反应器，能对复合纳米线的合成进行 有效地控制，从而获得理想形貌和结构的金属/碳纳米管复合纳米线。
【背景技术】
[0002] 目前，以集成电路为基础的电子信息产业已成为世界第一大产业。高性能集成电 路（Integrate circuit)是未来信息技术发展的关键。高性能集成电路技术提出了 "两高 两低"的要求，即高效能、高可靠、低功耗、低成本。集成电路的性能取决于单位面积/体 积内的三极管数量，因而线宽（即集成电路的最小线条宽度）越小，单位面积/体积内的计 算单位数量就越多，计算性能就越强。目前，线宽45纳米（nm)的超大规模集成电路已在 商业上广泛应用。根据经典的摩尔（Moore)定律和最新国际半导体技术发展路线图ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 2011 推测，2016 年集成电路 线宽将减小到22nm。在1998年，铜就替代铝成为集成电路的主要互连材料。但随着集成 电路集成度的逐步提1?，铜互连线宽逐步减小，在提1?性能的同时，将面临两大方面的技术 瓶颈：一方面，铜互连线的电阻率随线宽的减小而显著增大，将极大地增加能量消耗（Joule heating (I2R)),降低电子传输速度，最终降低集成电路的性能。譬如：室温下线宽50nm的 铜互连线的电阻率约为体铜（1. 72μΩ·(：πι)的3倍以上；另一方面，铜互连线电阻率增大导致 电迁移（Electromigration)严重，导致铜互连线容易断开(烧断)，芯片功能失效，造成安全 隐患。因此，随着集成电路中器件特征尺寸的进一步缩小，互连线的RC延迟和电迁移引起 的可靠性问题逐渐成为影响集成电路发展的瓶颈。
[0003] 超高性能Cu/CNT纳米线的可控合成，有望实现未来功耗更小、速度更快的高性能 纳米集成电路，对电子信息产业产生深远的影响，还有望应用于新型太阳能电池、红外探测 纳米器件、生物和化学应用的先进电极材料。
[0004] 1991年就有多个科学家采用化学镀工艺在碳纳米管表面包覆金属层，然而由于 在传统的烧杯反应器中，还原剂和金属离子源溶液的反应很难控制，从而很难对金属层的 厚度、形貌和结构进行控制，通常包覆的是纳米颗粒。国内也有科学家对碳纳米管表面化学 镀连续的金属层，但存在烧杯中的反应容易导致金属层表面粗糙度增大，及碳纳米管包覆 金属后容易团聚的问题。
[0005] 目前，已有的工艺基于传统的反应器，对溶液的反应很难控制，而且碳纳米管容易 团聚，从而很难获得应用于高性能集成电路的单分散的金属/碳纳米管复合纳米线。
【发明内容】
[0006] 本发明主要解决的技术问题是提供一种金属/碳纳米管复合纳米线的合成及专 用微/纳米反应器，应用反应器芯片中溶液的层流控制还原反应，既可控制金属层结构和 形貌，还可防止纳米线团聚，以解决上述现有技术难以控制碳纳米管表面金属沉积的技术 问题。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种微/纳米反应器， 包括上下两层结构，其上层为集成式微/纳米反应器芯片，下层为密封所述集成式微/纳米 反应器芯片的玻璃或石英盖片。
[0008] 在本发明一个较佳实施例中，所述集成式微/纳米反应器芯片包括至少一根微流 体管道，所述微流体管道的入口端与三个流体入口管道相接通，其出口端与三个流体出口 管道相接通；在所述微流体管道上位于流体入口端和出口端之间设置有用于控制还原反应 的微加 热器。
[0009] 在本发明一个较佳实施例中，所述三个流体入口管道与带有溶液注射器的微泵相 连通。通过微泵给三种流体提供流体动力，并在微流体管道形成具有不同流速的连续层流 层，以避免碳纳米管表面进行化学镀所形成的复合纳米线的团聚。
[0010] 在本发明一个较佳实施例中，所述微流体管道的横截面为矩形，其宽度为100? 200 μ m，高度为 50 ?100 μ m。
[0011] 在本发明一个较佳实施例中，所述微流体管道的材料为聚二甲基硅氧烷、塑料、石 英、玻璃或者玻璃与聚二甲基硅氧烷的混合物。
[0012] 在本发明一个较佳实施例中，所述微加热器包括薄膜加热器、热敏温度传感器和 与外电极相连的微电极回路。
[0013] 在本发明一个较佳实施例中，所述薄膜加热器和热敏温度传感器的材质为Pt或 Au,其表面涂有一层特氟龙纳米包覆层。特氟龙纳米包覆层的设计可以防止微加热器受到 电镀液的腐蚀。
[0014] 为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种利用微/纳米 反应器合成金属/碳纳米管复合纳米线的方法，包括如下步骤： (1) 在微流体管道中形成稳定的不同流速的流场：通过微泵上的三个溶液注射器分别 向三个流体入口管道内注入还原剂溶液、金属离子溶液和碳纳米管溶液，使三种溶液在微 流体管道中形成稳定的不同的流速； (2) 碳纳米管表面化学镀反应：待步骤（1)中注入的三种溶液层流扩散至所述微流体 管道内的目标区域、混合并同向流经所述微加热器时，通过微加热器在一定温度下加热反 应，使金属离子在碳纳米管表面包覆，形成所述金属/碳纳米管复合纳米线； (3) 样品收集：步骤（2)中反应得到的金属/碳纳米管复合纳米线经中间流体出口管道 流出并收集； (4) 废液回收：步骤（2)中未参与反应的金属离子溶液和还原剂溶液通过两侧的流体 出口管道流出并回收。
[0015] 在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1)中，所述三个溶液注射器的直径不同， 所述还原剂溶液、金属离子溶液和碳纳米管溶液的注入速度相同；所述碳纳米管溶液为超 高单分散的一维碳纳米管；所述三个流体入口管道中，位于中间位置的为碳纳米管溶液入 口管道，位于两边的分别为还原剂溶液和金属离子溶液的入口管道；所述步骤（2)中，所述 微加热器的可控温度范围为60?100°C。将化学镀反应生成的金属/碳纳米管复合纳米线 通过不同的流体流出管道流出并回收，使其与未反应的金属离子溶液和还原剂溶液及时分 开，并使反应停止，以避免不必要的金属包覆，从而防止包覆后的碳纳米管团聚。
[0016] 在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（I)中，所述三个溶液注射器的直径相同， 所述还原剂溶液、金属离子溶液和碳纳米管溶液的注入速度不同。
[0017] 微/纳米反应器芯片在高性能金属/碳纳米管复合纳米线合成中具有很大的潜 力。在微/纳米反应器芯片上可以根据溶液的粘度灵活设计各种微管道和微加热器的位 置，通过溶液在微流体通道中的层流扩散，控制离子溶液和还原剂的结合，可控地在碳纳米 管表面沉积金属层；另外，由于微/纳米反应器芯片具有集成性优势，可实现芯片上的化学 合成工厂。
[0018] 本发明的有益效果是：本发明金属/碳纳米管复合纳米线的合成及专用微/纳米 反应器，具有如下优点： 1、 本发明的微/纳米反应器通过微流体管道作为碳纳米管表面金属沉积环境，结构简 单、制造工艺简便、操作方便； 2、 本发明的微/纳米反应器以微流体泵控制溶液进入微反应器管道，相比现有的传统 反应器，可更加有效地控制化学还原反应，有助于对金属层的结构和形貌进行控制； 3、 本发明的微/纳米反应器实现了复合纳米线的自动化合成，有利于提高反应效率， 并且通过设定溶液的速度和浓度，使得到的复合纳米线的结构和形貌具有一致性； 4、 本发明在微/纳米反应器芯片上实现芯片上的化学合成实验室，便于化学合成集成 在一张芯片上完成，实现复合纳米线的可控制造。
[0019] 综上所述，本发明的微/纳米反应器成本低廉，集成性高，操作方便，可广泛用于 多种高性能纳米线的可控合成，从而获得超高导电、高机械性能等高性能的复合纳米线，在 信息和国防建设领域具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明微/纳米反应器的结构示意图； 图2是所示微/纳米反应器制备金属/碳纳米管复合纳米线的原理示意图； 图3是微/纳米反应器系统中流体的层流特性示意图； 图4是合成的铜/碳纳米管复合纳米线的SEM形貌图(左）和TEM结构图像(右）； 附图中各部件的标记如下：1.集成式微纳米反应器芯片，2.玻璃盖片，3.微流体管道， 4.流体入口管道，5.流体出口管道，6.微加热器，7.溶液注射器，8.微泵。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能 更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0022] 如无特殊说明，本发明采用的方法均为本领域的常规方法。
[0023] 流道的大小为流体通道的横截面面积的大小。
[0024] 请参阅图1至4,本发明实施例包括： 本发明揭示了一种用于合成金属/碳纳米管复合纳米线专用的微/纳米反应器，包括 上下两层结构，其上层为集成式微/纳米反应器芯片1，其下层