碳纳米管植入金属电极表面的方法及其应用技术研究

论文摘要

碳纳米管由于其独特的结构和性能而产生广泛的应用,尤其是在作为性能优异的新型场发射冷阴极材料和敏感电极材料方面已引起学术界和产业界的高度重视和广泛研究,其中,碳管场植入金属电极表面的技术一直是科研攻关的重点,开发一种将碳纳米管植入金属电极表面的高效方法至关重要。在现有的制备技术中,典型的工艺是丝网印刷法和直接生长法,但它们均存在一系列制约器件批量生产和稳定工作的技术缺陷。丝网印刷法可以低成本的制备大面积的场发射阴极,但是,难以精确控制碳纳米管的密度和高度,直接生长法难以进行大面积制备,碳管与基底结合不牢,器件工作时很容易因静电力作用而脱落,高温工艺条件容易破坏基底。且丝网印刷法和直接生长法都会引入杂质粒子。针对上述问题,本文提出了一种通过微细加工工艺组合使碳纳米管分散植入金属电极表层的新方法,称之为"植布"工艺。该工艺能使金属电极与碳管结合牢固、密度可控,且全流程低温,基本克服了现有技术的主要缺点,在此基础上开发CNT场发射阴极和CNT敏感电极制备技术更具实用性。本文主要的研究内容如下:(1)碳纳米管植入金属电极表面的聚合物基垂直植布技术研究采用光刻胶作为聚合物介质,开发了一套通过对光刻胶基CNT复合材料微加工来实现CNT在金属表面分散植布的工艺。首先使碳纳米管在光刻胶中均匀分散形成液相复合材料;然后在平整基片表面形成均匀薄膜,烘干并研磨整平之后用氢氧化钠刻蚀液处理,让碳纳米管部分露出光刻胶介质表层;最后通过对CNT露出表面的部分进行溅射包覆、电镀加厚处理,再释放光刻胶,即形成碳纳米管一部分植入金属电极表层,一部分露在金属电极表面的结构。整套植布工艺技术在常温下完成,制备过程简单,具有丝网印刷法和直接生长法的优点,具有可重现性和规模化制造潜力。在通用植布工艺的基础上,进一步提出了优化的反面垂直植布工艺法。反面垂直植布工艺法从反面刻蚀硅基片,露出复合膜与硅基片相接触的光滑表面,利用此表面作为基础面进行后续的刻蚀溅射等工艺,可以制备得到高度平整的器件,无需研磨整平加工。(2)垂直植布技术在场发射阴极研制中的应用本部分主要研究的是垂直植布技术在场发射阴极制备上的应用。首先通过系统性对比试验,确定各工艺参数的合理范围和最佳值,包括碳纳米管与光刻胶的配比,球磨时间,刻蚀时间,除气工艺,最佳碳纳米管种类等。经实验分析最佳的碳纳米管与光刻胶的配比是1:10,最佳球磨时间是12H,最佳刻蚀时间是15s,最后集成各优化单元,制备出高效的场发射阴极。(3)水平植布工艺及其在敏感电极跨尺度集成制造上的应用通过微细加工技术,将碳纳米管桥接在两个金属微电极之间,形成微纳敏感电极,从而实现了敏感电极的跨尺度集成制造,此工艺可被称作“水平”的植布工艺。本章节根据所选用聚合物的不同,设计了不同的工艺流程,分别讨论了各个工艺的优缺点。从器件的扫描电镜照片上可以看出,碳纳米管横搭在电极两端,形成了可靠的连接,同时通过对器件的实时电阻测试,可以发现,在外界敏感条件下,器件呈现一定的敏感特性,从而可以确定碳管在传感器件中与金属电极有着良好的连接。植布工艺使碳纳米管可靠地融入到了微尺度加工技术体系中,是对微尺度加工体系的合理拓展,将可能构造多样化的以碳纳米管作为核心的微纳器件。推动CNT器件实用化进程突破可靠集成制造的难题,为我国相关产业的长远发展奠定核心技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.2.1 碳纳米管的基本结构
• 1.2.2 碳纳米管的发现历史和制备方法
• 1.2.3 碳纳米管的性能和应用
• 1.3 碳纳米管场发射介绍
• 1.3.1 电子发射及其机理
• 1.3.2 场致发射材料
• 1.3.3 碳纳米管场发射阴极的应用
• 1.4 现有的碳纳米管植入金属表面的方法
• 1.5 本课题的研究意义和研究内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 碳纳米管植入金属电极表面的垂直植布工艺研究
• 2.1 聚合物基碳纳米管垂直植布技术概述
• 2.2 聚合物基碳纳米管垂直植布技术具体过程
• 2.2.1 聚合物介质的选择
• 2.2.2 碳纳米管种类的选择
• 2.2.3 CNT/光刻胶复合薄膜制备工艺研究
• 2.2.4 CNT/光刻胶复合薄膜后处理
• 2.2.5 制备场致发射阴极
• 2.3 植布工艺优化-反面垂直植布工艺
• 本章小结
• 第三章 植布法在场发射阴极上的应用及其性能研究
• 3.1 场发射性能测试装置
• 3.2 植布法单元工艺在场发射阴极制备上的最优化应用
• 3.2.1 球磨工艺对场致发射阴极样品的影响
• 3.2.2 刻蚀工艺对场致发射阴极性能的影响
• 3.2.3 除气工艺对场致发射阴极样品的影响
• 3.2.4 CNT/光刻胶配比对场致发射阴极样品的影响
• 3.2.5 去胶工艺对场致发射阴极样品的影响
• 3.2.6 碳纳米管植布在金属基表面的特效图
• 3.3 本章小结
• 第四章 碳纳米管双端桥接金属敏感电极的制备及其性能
• 4.1 引言
• 4.2 碳纳米管双端桥接金属敏感电极的制备
• 4.2.1 聚酰亚胺基碳纳米管双端桥接金属电极的制备工艺
• 4.2.2 光刻胶基碳纳米管双端桥接金属电极的制备工艺
• 4.2.3 利用碳纳米管分散液制备双端桥接金属电极的制备工艺
• 4.3 碳纳米管双端桥接金属电极的性能
• 4.3.1 扫描电镜图片
• 4.3.2 器件测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究内容和结论
• 5.2 主要创新点
• 5.3 展望与下一步研究设想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文