碳纳米管在硅基衬底上的化学气相沉积生长研究

论文摘要

碳纳米管具有独特的力学、电学性能，并且是典型的一维量子线，被认为是构筑未来微纳电子器件的主要材料。利用碳纳米管制造微纳电子器件的基础是实现碳纳米管在硅晶片衬底表面的有序生长，这也是实现碳纳米管生长工艺与传统的硅工艺集成的必要条件。为此本论文对碳纳米管在硅晶片衬底表面的生长这一基础课题进行了研究，并在此基础上探讨了实现微纳电子器件的可行性。 首先，在在硅晶片衬底表面制备了垂直定向生长的碳纳米管阵列。采用二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，Ar气和H2气作为载气，制备的碳纳米管管径均匀，晶化和定向性良好。 其次，采用常规的催化剂，利用液相旋涂（Spin-Coating）的方法在硅晶片衬底表面形成液相催化剂薄膜，实现了硅晶片生长单壁碳纳米管，但是存在大量的催化剂载体（Al2O3）残余物，这些都可能成为微纳电子器件制备的障碍。 第三，如果采用硅晶片经电化学腐蚀形成的多孔硅层作为碳纳米管生长的基底，同抛光的光滑的硅晶片表面相比，多孔硅层更有利于形成均匀分布的纳米级催化剂颗粒。多孔硅加工工艺同实际应用的硅加工工艺兼容，因此这种方法可以用于纳米级电子器件的制造。 第四，通过在硅基底上高速旋涂SiCl4、嵌段共聚物P123和Fe（NO3）3的低粘度混合溶液，获得了嵌有催化剂颗粒的SiO2薄膜，该薄膜可以在730℃下催化C2H4裂解生长单壁碳纳米管。SiO2薄膜厚度仅为几个纳米，且分布有大量孔洞，能够有效抑制催化剂颗粒的迁移和聚集，弥补了SiO2材料本身与催化剂结合差的不足。 另外，本论文还设计一种新型的基于定向碳纳米管薄膜阵列的压力传感器原型，并实验研究其场发射特性。随着阳极与定向碳纳米管薄膜表面距离的增加，场发射电流迅速减小，这说明制备的定向碳纳米管薄膜场发射电流有较强的距离依赖性，也证明了采用定向碳纳米管薄膜制备微传感器的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 课题意义及背景
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 碳纳米管的研究进展
• 1.2.2 碳纳米管微纳电子器件的研究进展
• 1.2.3 碳纳米管可控生长的研究进展
• 1.3 问题的提出
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 碳纳米管生长及器件制备工艺平台
• 2.1 碳纳米管的生长工艺平台
• 2.2 硅片的预处理工艺平台
• 2.3 合成碳纳米管的催化剂制备工艺平台
• 2.4 主要试剂和检测仪器
• 2.4.1 主要试剂
• 2.4.2 检测仪器
• 第三章 碳纳米管在硅衬底表面的垂直定向生长研究
• 3.1 碳纳米管垂直衬底表面自定向生长研究概况
• 3.2 碳纳米管在硅衬底表面定向生长实验方法
• 3.3 工艺参数对碳纳米管生长的影响
• 3.3.1 工艺参数对生长速率和平均管径的影响
• 3.3.2 工艺参数对碳纳米管晶化的影响
• 3.4 碳纳米管垂直衬底定向生长的热力学研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 单壁碳纳米管在硅衬底表面的生长研究
• 4.1 单壁碳纳米管（SWNTs）合成概述
• 4.2 单壁碳纳米管在普通硅片衬底上的生长
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 实验结果与讨论
• 4.3 单壁碳纳米管在多孔硅衬底上的生长
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 实验结果讨论
• 2纳米薄膜衬底上制备单壁碳纳米管'>4.4 在多孔SIO₂纳米薄膜衬底上制备单壁碳纳米管
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 实验结果及讨论
• 4.5 小结
• 第五章 基于碳纳米管的微纳电子器件的研究
• 5.1 基于碳纳米管场发射的压力传感器的研究
• 5.1.1 基于场发射的传感器研究背景
• 5.1.2 基于碳纳米管场发射的传感器模型设计及工作原理
• 5.1.3 定向碳纳米管薄膜场发射性能的表征
• 5.1.4 基于碳纳米管场发射的压力传感器的工作特性
• 5.1.5 前景展望
• 5.2 基于碳纳米管的纳米探针的研究
• 5.2.1 AFM扫描探针的研究背景
• 5.2.2 碳纳米管AFM探针的试验方法
• 5.2.3 碳纳米管AFM探针的性能测试
• 5.3 本章小结
• 结论
• 个人简历、在站期间的研究成果及发表的论文
• 致谢