CN100572260C - 一维纳米材料器件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一维纳米材料器件及其制造方法。该一维纳米材料器件的制造方法包括：提供一含有一维纳米材料的溶液；提供一种稳定剂，并将该稳定剂加入所述的含有一维纳米材料的溶液中；提供两个相对的导电体，并使其相对的两末端间隔一距离；对该两导电体施加一交流电压，并使该两末端共同浸入该溶液中，直到至少一根一维纳米材料组装至该两末端之间；将所得到的由一维纳米材料组装在一起的两导电体末端分离，以得到至少一个装有一维纳米材料的导电体末端。该方法耗时短、效率高且可控性强，避免现有技术中组装时间长且可控性差的问题。还提供有该制造方法制成的一维纳米材料器件，其分别可用作原子力显微镜的探针以及微型传感器。

Description

一维纳米材料器件的制造方法

【技术领域】

本发明涉及纳米器件及其制造方法，尤其涉及一维纳米材料器件及其制造方法。

【背景技术】

在纳米科技的领域里，人们已经掌握了很多非常有用的纳米材料的合成方法，如碳纳米管、硅纳米线、氧化锌纳米线等等，这些一维纳米材料在很多领域都有可能走向应用，例如场效应晶体管、传感器以及原子力显微镜的针尖等。

以碳纳米管为例，现有的在原子力显微镜针尖上组装碳纳米管的方主要有：(1)在光学显微镜下操纵针尖从碳管中取出一束或一根；(2)在原子力显微镜下用针尖直接操纵碳管进行组装；(3)在针尖上直接生长碳管。

例如，目前有一种在原子力显微镜针尖上采用化学气相沉积法直接生长碳纳米管的方法。但是，由于该方法无法控制碳纳米管的生长方向，所以仍存在效率低且可控性差的问题，另外生产成本高昂。

又如，业界有人揭示了一种单壁碳纳米管的组装方法。该方法主要采用甩胶法或浸入法将碳纳米管组装在金属基底上。但是，该方法耗时过长，效率低下，且可控性差。

因此，有必要提供一种效率高且可控性强的一维纳米材料器件及其制造方法。

【发明内容】

以下，将以若干实施例说明一种效率高且可控性强的一维纳米材料器件的制造方法。

以及通过这些实施例说明一种由上述方法制成的一维纳米材料器件。

为实现上述内容，提供一种一维纳米材料器件的制造方法，包括以下步骤：提供一含有碳纳米管的溶液；提供一种稳定剂，并将该稳定剂加入所述的含有一维纳米材料的溶液中；提供两个相对的导电体，并使其相对的两末端间隔一距离；对该两导电体施加一交流电压，并使该两末端共同浸入该溶液中，直到至少一根碳纳米管组装至该两末端之间；将所得到的由碳纳米管组装在一起的两导电体末端分离，以得到至少一个装有碳纳米管的导电体末端。

所述的含有碳纳米管的溶液可以异丙醇为溶剂。

所述的含有一维纳米材料的溶液最好含有用作稳定剂的乙基纤维素。

所述的相对的两末端中，至少一末端为锥形、柱形或圆台形。

所述的相对的两末端之间的距离最好与该一维纳米材料的长度相近，优选距离在10微米以内。

所述的交流电压的峰值在10伏以内。

该制造方法还可进一步包括以下步骤：监控组装过程，以确定一维纳米材料组装于该两末端之间。其中，所述的监控方法可包括步骤：于两导电体所在的电路中安装一装置用以监测该两末端之间是否为通路。例如，于两导电体所在的电路中串联一个电阻；在该电阻两端并联一示波器。

以及，提供一种一维纳米材料器件，包括一导电末端，至少一根一维纳米材料附着于该导电末端的表面并向该表面以外延伸，并且该至少一根一维纳米材料沿其轴向大致是直的。

所述的一维纳米材料器件可为一原子力显微镜的探针。

以上所述的一维纳米材料选自碳纳米管、硅纳米线、碳纳米线、氧化锌纳米管或金纳米管。

相对于现有技术，本发明的的制造方法组装成一个一维纳米材料器件一般只需要几秒至几十秒，耗时短，效率高。并且，整个组装过程均可实现自动化操作与监测，提高生产效率，可控性强。同时所需的生产设备简单，生产成本低，适合进行大规模生产。

【附图说明】

图1为本发明实施例的碳纳米管器件的制造方法的装置示意图；

图2为本发明实施例的组装于两末端之间的碳纳米管的光学显微镜照片；

图3为本发明实施例的组装于一末端的碳纳米管的扫描隧道显微镜照片；

图4为本发明另一实施例的碳纳米管器件的制造方法的装置示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图，以碳纳米管为例，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种碳纳米管器件的制造方法，主要由以下步骤组成。

(1)提供两导电体10和12，其分别具有锥形末端101和121。使该两末端101和121相对设置，并间隔开一定距离。并提供一含有碳纳米管18的溶液14。

(2)通过交流电源16，对该两导电体10和12施加一交流电压，移取少量含有碳纳米管18的溶液14于该两末端101和121之间，并使两者能共同浸入该溶液14中，直到至少一碳纳米管组装于该两末端101和121之间。

(3)将步骤(2)所得到的由碳纳米管18组装在一起的两末端101和121分离，以得到至少一个装有碳纳米管18的导电体末端101或121。

在本实施例中，所述的导电体10和12均由钨或其合金制成，其锥形末端直径最好为10-1000微米范围内。导电体10和12也可以采用其他的导电材料制作，如金、钼、铂等，其自身形状可依实际需要设计。末端101和121也可为其他形状，如圆台形或细小的柱形，而不限于锥形。应指出的是，当末端101和121的端面为平面时，最好使两末端101和121的部分端面相对设置，如两端面的边缘相对设置。另外，该两末端101和121之间的距离应根据所采用的碳纳米管18长度加以设定，小于或接近于碳纳米管18长度皆可，最好与碳纳米管18长度相应，不宜太大，否则不利于组装。该间隔距离一般小于100微米(大于零)，优选为10微米以内。

所述的含有碳纳米管18的溶液14是以异丙醇为主要溶剂，通过超声震荡的方法使碳纳米管18在其中均匀分散而得到的。为使该溶液14稳定，还可加入少量的乙基纤维素。当然，溶液14还可采用其他方法制备，例如采用其他溶剂、稳定剂或者增添助溶剂及增加分离过滤等处理步骤，以得到均匀稳定的碳纳米管溶液为宜，不必以具体实施例为限。

另外，可以理解的是，溶液14的浓度可能影响后期被组装的碳纳米管18数量。一般，溶液14的浓度越大，后期则较容易组装上多根碳纳米管18。因此，可根据实际需要调配溶液14的浓度，如只组装一根碳纳米管18，则应尽量降低溶液14的浓度。反之，也可以通过调整溶液14的浓度，在一定程度上控制被组装的碳纳米管18数量。

步骤(2)中，所述的交流电压的峰值最好在10伏以内，频率在1千至10兆赫兹之间。本实施例中电压峰值为8伏左右，当然，交流电压的峰值也可大于10伏，应根据实际情况加以调整。溶液14可由吸管、移液管、注射器或其他适宜的装置移取并施加于末端101和121之间。所施加的溶液14不宜过多，以使该两末端101和121能共同浸入同一滴溶液14即可。另外，也可将两末端101和121直接浸入少量的由烧杯等容器盛放的溶液14中。应指出的是，施加交流电压和移取溶液14并使末端101和121浸入该溶液14的步骤的进行顺序可倒换或同时进行。

本实施例主要是依据双向电泳法原理：在交流电场中，溶液14中的碳纳米管18在电场强度大的方向运动，最终运动到场强最大的两尖端101和121相对的区域，并被吸附到该两末端101和121上。此后，碳纳米管18依靠与该两末端101和121的范德华力牢固吸附在末端101和121的表面上。一般，通电时间只需几秒至几十秒，因此该制造方法耗时短，效率高。

请参阅图2，从光学显微镜照片可看出，碳纳米管被组装到两末端之间，并且已被拉直。这是因为碳纳米管在电场中被极化产生电偶极距，两端带有电荷，电场对其作用力有一沿其轴向的分力，使碳纳米管拉伸变直。

当碳纳米管18被组装之后，可断电并移走溶液14。此时，施以一外部能量，将装有碳纳米管18的该两末端101和121分开，使得其中至少一个末端装有碳纳米管18。该外部能量可为激光、电流、机械外力或其他能量，能使末端101和121分开即可。例如，采用一高温的针尖去烧断碳纳米管18。所述的高温，一般要高于碳纳米管18的燃点。分离时，可能末端101和121均组装有碳纳米管18(如组装上多根碳纳米管18或碳纳米管18被该外部能量截断)，也可能只有一个末端组装有碳纳米管18(如碳纳米管18靠近某一末端的部分被截断)。可根据需要，应用该外部能量处理该碳纳米管18的不同部分，从而得到不同的装有碳纳米管18的导电末端。

请参阅图3，从扫描隧道显微镜照片可看出，单根的碳纳米管组装到一导电端表面。由此，可形成本发明实施例提供的一种碳纳米管器件。该器件包括一导电末端，碳纳米管18附着于导电末端的表面，并向该表面以外延伸。同时，该碳纳米管18沿其轴向大致是直的。当然，该碳纳米管器件可以用于原子力显微镜探针等多种电子器件中。

应指出的是，可采用监测系统对整个组装过程进行监控，从而实现实时监控、实时调整，提高成品率。例如，根据未组装上碳纳米管18的两末端101和121是处于断路状态、而组装上碳纳米管18后该两者是处于通路状态，可方便地对这两个状态进行监测。在本实施例中，采用的监测方法就是依据上述原理，在图1所示的电路中串联一电阻，用示波器观察该电阻两端的波形变化。当波形发生突变则表示碳纳米管18已经组装到两个末端101和121之间，这时就可以降压断电并移走液滴。当然，也可以采用其他的监测方法及设备进行，不必限于本实施例。

进而，整个组装过程均可实现自动化操作与监测，避免手动或半手动操作的偏差以及化学气相沉积法中碳纳米管生长的不可控性，提高生产效率，可控性增强，同时所需的生产设备简单，生产成本低，适合进行大规模生产。

请参见图4，本发明另一实施例提供一种碳纳米管器件的制造方法，可以包括以下步骤：

(1’)提供多个导电体42，其中各导电体42分别具有一待组装的末端421；

(2’)提供一个安装件44，其具有一用于组装碳纳米管18的导电末端441；

(3’)提供含有碳纳米管18的溶液(图未示)；

(4’)组装碳纳米管18，包括：使安装件44的导电末端441与一导电体42的待组装的末端421相对并间隔一距离，对该两末端441和421通过交流电源16施加一交流电压，并使该两末端441和421共同浸入该溶液中，直到至少一根碳纳米管18组装至该两末端441和421之间，使碳纳米管18从安装件44的导电末端441脱离，以得到一个装有碳纳米管18的导电体末端421’；

(5’)对另一待组装的导电体42重复上述组装碳纳米管的步骤(4’)。

由此，各导电体42待组装的末端421均可组装上碳纳米管18。

在本实施例中，多个导电体42承载于导电板40上，并可通过该导电板40向各导电体42的末端421施加电压。为了便于安装，多个导电体42可相互隔开一定距离，最好整齐排列成一阵列。多个导电体42可通过半导体微加工技术等现有的技术手段获得。

本领域普通技术人员应明白，为实现对多个导电体42扫描组装，所述的安装件34，可具有一可移动的部件，例如一可控的机械臂或类似物，以控制使其导电末端441可改变位置以对应处理不同的导电体42。可选择的是，固定安装件34而移动导电板40的位置也可实现逐一组装。另外，如导电体42需要组装有多根碳纳米管18，也可利用上述方法反复组装同一导电体42。即步骤(5’)所述的另一待组装的导电体42也可为一组装过的导电体42，而不必限于实施例。

为了保证让碳纳米管18从组装用的导电末端441脱离，最好用前述的外部能量处理碳纳米管18靠近导电末端441的部分，如本实施例中采用激光使碳纳米管18从导电末端441断开。

该实施例主要是根据相同工作原理将前一实施例用于批量生产方面并加以改进。因此，相关元件的性质及具体实施条件可参见前一实施例。例如，待组装的末端421和用于组装的导电末端441即可对应于前述的两末端101和121，形状可为锥形、圆台形或细小的柱形等，当然其端面也可为平面。同样，末端421和441之间的距离也应根据所采用的碳纳米管18长度加以设定，且最好与碳纳米管18长度相近。可理解的是，本实施例也可采用前述监测方法，在此不再赘述。

必须指出的是，本发明所提供的制造方法并不限于组装具体实施例中采用的碳纳米管，还可以用于其他一维纳米材料的组装，如硅纳米线、碳纳米线、氧化锌纳米管、金纳米管等，从而制得相应的一维纳米材料器件。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种一维纳米材料器件的制造方法，包括以下步骤：

提供一含有一维纳米材料的溶液；

提供一种稳定剂，并将该稳定剂加入所述的含有一维纳米材料的溶液中；

提供两个相对的导电体，并使其相对的两末端间隔一距离；

对该两导电体施加一交流电压，并使该两末端共同浸入该溶液中，直到至少一根一维纳米材料组装至该两末端之间；

将所得到的由一维纳米材料组装在一起的两导电体末端分离，以得到至少一个装有一维纳米材料的导电体末端。

2.如权利要求1所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的含有一维纳米材料的溶液以异丙醇为溶剂。

3.如权利要求1所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述稳定剂为乙基纤维素。

4.如权利要求1所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的相对的两末端中，至少一末端为锥形、柱形或圆台形。

5.如权利要求1所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的距离与该一维纳米材料的长度相应。

6.如权利要求1所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的距离在10微米以内。

7.如权利要求1所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的交流电压的峰值在10伏以内。

8.如权利要求1至7任一项所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，其进一步包括以下步骤：监控组装过程，以确定一维纳米材料组装于该两末端之间。

9.如权利要求8所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的监控方法包括：于两导电体所在的电路中安装一装置用以监测该两末端之间是否为通路。

10.如权利要求9所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的监控方法包括：于两导电体所在的电路中串联一个电阻；在该电阻两端并联一示波器。

11.如权利要求1至7任一项所述的一维纳米材料器件的制造方法，其特征在于，所述的一维纳米材料选自碳纳米管、硅纳米线、碳纳米线、氧化锌纳米管或金纳米管。

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