一种金属衬底直接外延生长碳纳米管的方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

步骤4：碳纳米管的生长，该步骤是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。具体操作是，在750℃-850℃的高温下通入c2h4，流量为20sccm，并生长20min，通过氧化还原反应在衬底表面形成催化元素的氧化物层，由于氧化物层晶面间距与碳纳米管晶面间距匹配，由c2h4裂解生成的碳原子以有序结构方式在金属衬底表面外延生长碳纳米管。

步骤5：停止通入h2和c2h4，改为通入ar气，流量为200sccm，同时降温到200℃以下，之后取出样品便可。

下面通过碳纳米管与不锈钢衬底的界面结构表征和单根碳纳米管与衬底间的导电特性表征，来说明技术方案的可实施性。

利用扫描电子显微镜和高分辨透射电镜对样品形貌和界面进行分析。图2和图3a分别给出了碳纳米管与不锈钢衬底直接相连的形貌图，碳纳米管与衬底间没有类似非晶碳层的存在。图3b给出了上部区域的碳纳米管管壁相互平行且垂直于下部区域的衬底，对该区域的作傅里叶变换分析，得到电子衍射花样即图3c。图3d给出了界面处的滤波图像，上部区域碳纳米管的管壁(点线)平行于下部衬底的某一晶面(长划线)，并穿过晶格点阵(箭头)。高温下的热处理使表面形成cr2o3,位于fe和ni氧化层之下，同时高温下分解的碳原子渗透到不锈钢表面并从cr2o3:(fe,mn)薄膜的(004)晶面析出，其晶面间距为0.340nm。通过碳纳米管晶面间距与氧化物层晶面间距匹配来实现碳纳米管外延生长。

进一步对单根碳纳米管与衬底间的导电特性进行表征。连接测试回路，使用型号为keithley6487自带电压源的皮安表作为记录i-v特性表征的装置，操作纳米探针使钨针尖与单根碳纳米管接触，加电压记录其i-v特性，如图4所示。i-v特性曲线为一条直线，表明了碳纳米管与氧化物层之间依靠化学键以欧姆接触的方式结合在一起，有利于电子的传输。

综上，本发明公开了一种基于化学气相沉积原理直接在具有催化元素的金属衬底上外延生长碳纳米管的方法。通过热氧化还原反应在衬底表面形成催化元素的氧化物层，通过氧化物层晶面间距与碳纳米管晶面间距的匹配，碳原子以有序结构方式在金属衬底上外延生长碳纳米管，增强了纳米材料与衬底之间的导电性能和附着力。本发明方法技术实现简单，可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。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种金属衬底直接外延生长碳纳米管的方法，本方法基于化学气相沉积原理直接在具有催化元素的金属衬底上外延生长碳纳米管。通过热氧化还原反应在衬底表面形成催化元素的氧化物层，通过氧化物层晶面间距与碳纳米管晶面间距的匹配，碳原子以有序结构方式在金属衬底上外延生长碳纳米管；碳纳米管与氧化物层之间依靠化学键方式结合在一起，形成欧姆接触特性。本发明方法技术实现简单，可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。

技术研发人员：邓少芝;祝威威;许宁生;张宇;陈军;佘峻聪
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2017.05.31
技术公布日：2017.09.22