一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法。将孔间距一致的孔道模板放入管式炉中，利用化学气相沉积法生长碳纳米管阵列，每个孔道中生长一根碳纳米管；将生长了碳纳米管阵列的模板用砂纸打磨后粘附于硅片、玻璃或柔性聚酰亚胺基底上，置于室温下固化；最后除去孔道模板的骨架成分，用去离子水进行清洗并烘干，露出刷毛，形成碳纳米管刷。本发明工艺简单，实用性强，制成碳纳米管刷的刷毛疏密可控，长度一致，便于大规模工业生产，在微电子领域清洁方面有很大的应用潜力。
【专利说明】一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米材料的制备方法，具体涉及一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米 管是一种性能优异的一维纳米材料，它可分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。近年来大量的研究工作揭示了碳纳米管具有独特的电学、物理、化学和力学性能。目前研究发现碳纳米管潜在的应用领域主要包括:纳米电子器件、传感器、场发射、电池、储氢、显示和复合材料等。碳纳米管具有尺寸小、密度低，纵横比大、热稳定性强、抗压且富有弹性、化学惰性和优异的导热导电性能，是制备刷毛的理想材料之一，所制得的碳纳米管刷在微电子领域清洁方面有很大的应用潜力。
[0003]近年来基于碳纳米管阵列的碳纳米管刷有少量的研究报道(NatureMaterials2005, 4，540-545)，其主要通过化学气相沉积法直接在载有催化剂的碳化硅纤维上生长碳纳米管，但是由于碳纳米管阵列超高密度紧密平行排列，管束之间间距很小，不能调控“刷毛”软硬度，难以实现真正意义上的孔间距一致的毛刷结构而严重制约了其性能和应用。
[0004]因此，本领域的技术人员致力于开发一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:克服上述现有技术的不足，提出一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种制备孔间距一直的碳纳米管的方法，利用孔间距一致的孔道模板化学气相沉积得到规整的碳纳米管阵列来制备碳纳米管刷，充分保证了刷毛的间隔均匀和整齐有序。
[0007]一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1，在带孔道且孔间距一致的模板上生长碳纳米管，每个所述孔道中生长一根所述碳纳米管，形成碳纳米管阵列。
[0009]步骤2，将所述模板打磨后粘附于基底上固化，碳纳米管和基底固定在一起；固化在室温下进行。
[0010]步骤3，除去所述模板，将留下的碳纳米管和基底进行清洗并烘干，形成碳纳米管刷。清洗使用去离子水。碳纳米管就是碳纳米管刷的刷毛。
[0011]优选地，步骤I中模板的孔径范围为30~200nm，模板的厚度为30~150 μ m。模板选用阳极氧化铝孔道模板、集成电路的互联模板或立体集成电路的TSV孔道模板。
[0012]优选地，步骤I中使用化学气相沉积法在模板上生长碳纳米管，碳源为乙炔、乙烯、甲烷中的一种；反应温度为650~900°C ;反应时间为I~3h。化学气相沉积法在管式炉中进行。通过反应时间控制碳纳米管的生长，起到控制刷毛长度的作用。[0013]优选地，步骤2中打磨采用砂纸打磨，砂纸为1000~2000目的砂纸。
[0014]更优选地,步骤2中的砂纸打磨的时间为3~5min。
[0015]优选地，步骤2中的基底为硅片、玻璃板或柔性聚酰亚胺板。平整且耐酸碱腐蚀的其他材料也可作为基底使用。
[0016]优选地，步骤2中的粘附采用环氧树脂为粘附剂。
[0017]优选地，步骤2中固化的时间为24~48h。
[0018]优选地，步骤3中除去所述模板用氢氧化钠或氢氧化钾溶液溶解，溶液浓度为I~3mol/L。
[0019]优选地，溶解的时间为12~36h。
[0020]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:工艺简单，实用性强，制成碳纳米管刷的刷毛疏密可控，长度一致，便于大规模工业生产。
[0021]以下将结合附图对本发明的构思、具体实例及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明。提供这些说明的目的仅在于帮助解释本发明，不应当用来限制本发明的权利要求的范围。 【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明的一个较佳实施例制备的碳纳米管刷的示意图；
[0023]图2为图1中碳纳米管刷的刷毛的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0025]实施例1
[0026]步骤1，取一块孔径为80nm、孔间距一致、厚度为30 μ m的阳极氧化铝孔道模板，放入管式炉中，用乙炔作为碳源，650°C下化学气相沉积反应3h生长碳纳米管。每个孔道中生长一根碳纳米管，在模板上形成碳纳米管阵列。
[0027]步骤2，将生长了碳纳米管阵列的模板切割成2X2mm大小的样品，用1000目的砂纸轻轻打磨3min，用去离子水洗涤干净。用环氧树脂将样品粘附在3X20mm大小的硅片基底上，置于室温下干燥24h，确保粘接牢固。
[0028]步骤3，将制备的样品刷置于lmol/L的氢氧化钠溶液中溶解24h，确保氧化铝模板被完全溶解，然后用去离子水清洗三遍。留下硅片基底和碳纳米管，碳纳米管均匀分布在硅片基底上，形成孔间距一致的碳纳米管刷，碳纳米管质地柔软，起到刷毛的作用。可以用氢氧化钾溶液代替氢氧化钠溶液。
[0029]上述制备过程，可通过孔径控制刷毛的粗细，通过孔间距控制刷毛的间距，通过化学气相沉积反应时间控制刷毛的长短。此方法制备碳纳米管刷，工艺简单，实用性强，制成碳纳米管刷的刷毛疏密可控，长度一致，便于大规模工业生产。
[0030]图1是制备的碳纳米管刷的示意图，碳纳米管刷包括刷毛I和基底2，刷毛I由间距一致的碳纳米管形成，基底2是硅片或者其他表面平整并耐酸碱腐蚀的材料。[0031]图2是碳纳米管刷的刷毛的扫描电镜照片。从图2中可看出，碳纳米管刷的刷毛柔软，刷毛的间距较为一致，所制得的碳纳米管刷在微电子领域清洁方面有很大的应用潜力。
[0032]实施例2
[0033]步骤1，取一块孔径为120nm、厚度为50 μ m的阳极氧化铝孔道模板，放入管式炉中，用乙烯作为碳源，700°C下化学气相沉积反应3h生长碳纳米管。每个孔道中生长一根碳纳米管，在模板上形成碳纳米管阵列。
[0034]步骤2，将生长了碳纳米管阵列的模板切割成2X2mm大小的样品，用2000目的砂纸轻轻打磨5min，用去离子水洗涤干净。用环氧树脂将样品粘附在3X20mm大小的硅片基底上，置于室温下干燥24h，确保粘接牢固。
[0035]步骤3，将制备的样品刷置于2mol/L的氢氧化钠溶液中溶解12h，确保氧化铝模板被完全溶解，然后用去离子水清洗三遍，得到碳纳米管刷。
[0036]实施例3
[0037]步骤1，取一块孔径为150nm、厚度为80 μ m的集成电路的互联模板，放入管式炉中，用甲烷作为碳源，750°C下化学气相沉积反应2h生长碳纳米管。每个孔道中生长一根碳纳米管，在模板上形成碳纳米管阵列。
[0038]步骤2，将生长了碳纳米管阵列的模板切割成2X2mm大小的样品，用1000目的砂纸轻轻打磨3min，用去离子水洗涤干净。用环氧树脂将样品粘附在3X20mm大小的玻璃板基底上，置于室温下干燥48h，确保粘接牢固。
[0039]步骤3，将制备的样品刷置于lmol/L的氢氧化钠溶液中溶解24h，确保集成电路的互联模板被完全溶解，然后用去离子水清洗三遍，得到碳纳米管刷。
[0040]实施例4
[0041]步骤1，取一块孔径为200nm、厚度为120 μ m的立体集成电路的TSV孔道模板，放入管式炉中，用乙炔作为碳源，850°C下化学气相沉积反应Ih生长碳纳米管。
[0042]步骤2，将生长了碳纳米管阵列的模板切割成2X2mm大小的样品，用1000目的砂纸轻轻打磨4min，用去 离子水洗涤干净。用环氧树脂将样品粘附在3X20mm大小的柔性聚酰亚胺板基底上，置于室温下干燥48h，确保粘接牢固。
[0043]步骤3，将制备的样品刷置于3mol/L的氢氧化钠溶液中溶解36h，确保立体集成电路的TSV孔道模板被完全溶解，然后用去离子水清洗三遍，得到碳纳米管刷。
[0044]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，在带孔道且孔间距一致的模板上生长碳纳米管，每个所述孔道中生长一根所述碳纳米管，形成碳纳米管阵列； 步骤2，将所述模板打磨后粘附于基底上固化，碳纳米管和基底固定在一起； 步骤3，除去所述模板，将留下的碳纳米管和基底进行清洗，形成碳纳米管刷。
2.根据权利要求1中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤I中所述模板的孔径范围为30~200nm，所述模板的厚度为30~150 μ m。
3.根据权利要求1中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤I中使用化学气相沉积法在所述模板上生长碳纳米管，碳源为乙炔、乙烯、甲烷中的一种；反应温度为650~900°C，反应时间为I~3h。
4.根据权利要求1中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤2中所述打磨采用砂纸打磨，所述砂纸为1000~2000目的砂纸。
5.根据权利要求4中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤2中的所述砂纸打磨的时间为3~5min。
6.根据权利要求1中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤2中的所述基底为硅片、玻璃板或柔性聚酰亚胺板。
7.根据权利要求1中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤2中的所述粘附采用环氧树脂为粘附剂。
8.根据权利要求1中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤2中所述固化的时间为24~48h。
9.根据权利要求1中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述步骤3中除去所述模板用氢氧化钠或氢氧化钾溶液溶解，溶液浓度为I~3mol/L。
10.根据权利要求9中所述的一种制备孔间距一致的碳纳米管刷的方法，其特征在于，所述溶解的时间为12~36h。
【文档编号】C01B31/02GK103613088SQ201310601612
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】杨志, 朱兴忠, 程应武, 苏言杰, 张亚非 申请人:上海交通大学