專利名稱：一種離子注入表面改性控制碳納米管生長的方法
技術領域：
本發明屬于納米材料制備技術領域，特別涉及一種通過對硅基底進行離子注入來獲得碳納米管區域選擇性生長的一種離子注入表面改性控制碳納米管生長的方法。
背景技術：
碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷曲而成的無縫、中空的管體。定向生長的準直碳納米管由于具有真空的管狀結構、優異的力學性能、良好的化學穩定性和出眾的電學、場發射性能，可以用于制備場發射器，掃描探針顯微鏡探頭，納米尺寸電子器件，儲氫材料等等。
目前最適合工業化的碳納米管生長方法主要為化學氣相沉積方法。在該方法中所采用的基底通常是經過不同處理的平板硅片，常見的處理方法有鍍膜、沉積、外延等等。
本發明采用離子束注入的方法對硅片表面進行改性，采用的離子束為不與硅發生化學反應的惰性氣體。注入后的硅表面利于碳納米管的生長，而未注入的潔凈硅表面不生長碳納米管。控制注入區域的形狀和分布即可控制碳納米管的二維生長。由于離子注入的工業化成熟，因此本發明提供了一種簡便可行的二維可控碳納米管制備技術。
發明內容
本發明的目的是提供一種通過對硅基底進行離子注入來獲得碳納米管區域選擇性生長的一種離子注入表面改性控制碳納米管生長的方法。其特征在于使用離子注入機，采用惰性氣體源對晶向為(001)的硅片進行離子注入，該硅片上方事先疊加一定孔隙尺寸與形狀的掩膜，注入后的硅基片采用化學氣相沉積法生長碳納米管，產物中碳納米管的分布符合離子注入區域形狀的分布；具體操作包括以下步驟(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；
(2)選擇適當孔隙尺寸與形狀的掩膜，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe或Ar等惰性氣體。關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為100KeV～200KeV；粒子數為5*(1014～1016)；(5)離子注入機系統抽真空，進行離子注入，注入過程中保持樣品臺冷卻在室溫左右；(6)預設時間到后，樣品臺所在腔室充氣，取出硅基片；(7)將步驟(6)所述的硅基片用酒精短時間超聲清洗并晾干；(8)將步驟(7)所述的硅片放入石英真空管式爐，先將二茂鐵Fe(C5H5)2溶于二甲苯(C8H10)，得到0.02g/ml直至飽和的溶液；再以5至20ml的該溶液為反應物，采用化學氣相沉積法在650℃-800℃溫度范圍內，經過2至10分鐘的沉積，生長碳納米管。
本發明的有益效果是本發明提出的制備方法主要通過控制離子注入的粒子源、注入能量、注入粒子數以及加蓋在硅基底表面的掩膜孔隙的尺寸和形狀，來獲得適合生長特定二維分布的碳納米管陣列的基底。該制備方法簡單，容易控制，工業化成熟度高。
圖1在區域離子注入的硅基底上選擇性沉積的碳納米管的SEM圖像(1)圖2在區域離子注入的硅基底上選擇性沉積的碳納米管的SEM圖像(2)具體實施方式
本發明提供一種通過對硅基底進行離子注入來獲得碳納米管區域選擇性生長的方法。該方法是使用離子注入機，采用惰性氣體源對晶向為(001)的硅片進行離子注入，該硅片上方事先疊加一定孔隙尺寸與形狀的掩膜，以此使離子束在硅片表面上產生特定形狀的投影。注入后的硅基片采用化學氣相沉積法生長碳納米管，產物中碳納米管的分布符合離子注入區域形狀的分布；具體操作包括以下步驟
(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇適當孔隙尺寸與形狀的掩膜，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe或Ar等惰性氣體。關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為100KeV～200KeV；粒子數為5*(1014～1016)；(5)離子注入機系統抽真空，進行離子注入，注入過程中保持樣品臺冷卻在室溫左右；(6)預設時間到后，樣品臺所在腔室充氣，取出硅基片；(7)將步驟(6)所述的硅基片用酒精短時間超聲清洗并晾干；(8)將步驟(7)所述的硅片放入石英真空管式爐，先將二茂鐵Fe(C5H5)2溶于二甲苯(C8H10)，得到0.02g/ml直至飽和的溶液；再以5至20ml的該溶液為反應物，采用化學氣相沉積法在650℃-800℃溫度范圍內，經過2至10分鐘的沉積，采用化學氣相沉積法生長碳納米管。
下面例舉實施例對本發明予以具體說明。
實施例1(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇400目不銹鋼篩網，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe。關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為200KeV；粒子數為1*1016；(5)離子注入機系統抽真空，進行離子注入，注入過程中保持樣品臺冷卻在室溫左右；(6)預設時間到后，樣品臺所在腔室充氣，取出硅基片；(7)將步驟(6)所述的硅基片用酒精短時間超聲清洗并晾干；(8)將步驟(7)所述的硅片放入石英真空管式爐，以濃度為0.02g/ml～飽和的二茂鐵(Fe(C5H5)2)和二甲苯(C8H10)溶液10ml為反應物，采用化學氣相沉積法在750℃經過5分鐘的沉積，進行生長碳納米管。
實施例2(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇800目不銹鋼篩網，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe。關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為200KeV；粒子數為1*1015；后面步驟與實施例1相同。
實施例3(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇400目不銹鋼篩網，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe。關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為150KeV；粒子數為5*1015；后面步驟與實施例1相同。
實施例4(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇800目不銹鋼篩網，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe。關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為150KeV；粒子數為5*1015；后面步驟與實施例1相同。
實施例5(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇400目不銹鋼篩網，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe。關閉樣品臺所在的真空腔室；
(4)設定離子注入能量為100KeV；粒子數為1*1016；后面步驟與實施例1相同。
實施例6(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇800目不銹鋼篩網，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe。關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為100KeV；粒子數為5*1015；后面步驟與實施例1相同。
上面各實施例所得到的產品形貌如圖1圖2所示。其中離子注入區域有大量碳納米管產物，而未被離子束照射的結凈表面則不生長碳納米管。上面的實施例旨在舉例說明本發明，而不是要以任何方式限制本發明。
權利要求
1.一種離子注入表面改性控制碳納米管生長的方法，其特征在于使用離子注入機，采用惰性氣體源對晶向為001的硅片進行離子注入，該硅片上方事先疊加掩膜，注入后的硅基片采用化學氣相沉積法生長碳納米管，產物中碳納米管的分布符合離子注入區域形狀的分布；具體操作包括以下步驟(1)將(001)晶向的硅基底用丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并晾干；(2)選擇適當孔隙尺寸與形狀的掩膜，疊加在步驟(1)所述硅基底的上方，將二者共同固定在離子注入機的樣品臺上；(3)調整離子源確保注入離子為Xe或Ar等惰性氣體，關閉樣品臺所在的真空腔室；(4)設定離子注入能量為100KeV～200KeV；粒子數為5*(1014～1016)；(5)離子注入機系統抽真空，進行離子注入，注入過程中保持樣品臺冷卻在室溫左右；(6)預設時間到后，樣品臺所在腔室充氣，取出硅基片；(7)將步驟(6)所述的硅基片用酒精短時間超聲清洗并晾干；(8)將步驟(7)所述的硅片放入石英真空管式爐，先將二茂鐵Fe(C5H5)2溶于二甲苯(C8H10)，得到0.02g/ml直至飽和的溶液；再以5至20ml的該溶液為反應物，采用化學氣相沉積法在650℃-800℃溫度范圍內，經過2至10分鐘的沉積，生長碳納米管。
全文摘要
本發明公開了屬于納米材料制備技術領域的一種離子注入表面改性控制碳納米管生長的方法。離子注入所用的粒子源為惰性氣體。制備時，首先在潔凈的硅基底上覆蓋適當的掩膜，置于離子注入裝置中，調節注入粒子種類、注入能量和注入粒子數后進行離子注入。隨后將按上述過程處理的硅片置于石英真空管式爐中，利用二茂鐵和二甲苯作為反應物，通過化學氣相沉積法制備碳納米管。此方法可在離子注入改性的硅基底上獲得明顯選擇性生長的碳納米管，改變硅基底的部分表面形態，達到控制碳納米管二維分布生長的目的。此方法在制造納米電子器件和場發射器等方面具有廣泛的應用前景。
文檔編號C23C16/44GK1763243SQ20051009871
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月7日 優先權日2005年9月7日
發明者張政軍, 岳陽, 劉超 申請人:清華大學