碳纳米管表面聚合物的去除方法和电子器件与流程

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1.本公开涉及一种碳纳米管表面聚合物的去除方法和电子器件。

背景技术：

2.近年来，碳纳米管在电子器件和集成电路等纳米科技领域成为新兴的热点，碳纳米管场效应晶体管、碳纳米管传感器等高性能电子器件不断涌现。这类电子器件在制备的过程中需要在碳纳米管表面引入有机高分子聚合物，用来分散和筛选特定属性的碳纳米管。然而，这些聚合物在后续制备过程中难以去除，大量残留在碳纳米管表面，形成污染物，限制了电子器件中碳纳米管优异特性的作用，进而影响了碳纳米管电子器件的性能。因此，如何有效去除碳纳米管表面的大量聚合物，成为优化碳纳米管电子器件性能的关键。

技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本公开提供了一种碳纳米管表面聚合物的去除方法和电子器件。
4.本公开的第一方面提供了一种碳纳米管表面聚合物的去除方法，包括：
5.在超高真空环境中制备表面原子级平整的单晶金属基体；
6.向所述单晶金属基体的表面转移碳纳米管的分散与筛选中制成的含有聚合物的碳纳米管溶液，使所述碳纳米管溶液被吸附于所述单晶金属基体的表面；
7.在超高真空环境中对吸附有所述碳纳米管溶液的所述单晶金属基体进行退火处理，以去除所述聚合物，获得碳纳米管。
8.一些可能的实施方式中，所述碳纳米管溶液的溶剂为或甲苯。
9.一些可能的实施方式中，所述单晶金属基体为单晶au基体或者单晶ag基体。
10.一些可能的实施方式中，在超高真空环境中制备表面原子级平整的单晶金属基体，包括：在超高真空环境中通过多轮循环的氩离子溅射和高温退火制备所述表面原子级平整的单晶金属基体。
11.一些可能的实施方式中，在超高真空环境中对吸附有所述碳纳米管溶液的所述单晶金属基体进行退火处理，包括：在真空度为10-8
～10-10
torr的超高真空环境中，对吸附有所述碳纳米管溶液的所述单晶金属基体进行退火处理。
12.一些可能的实施方式中，所述退火处理利用高压场下电子的发射束流升高温度，所述退火处理的温度为200～300℃。
13.一些可能的实施方式中，所述退火处理的时长为0.5小时～3小时。
14.一些可能的实施方式中，所述聚合物包括高分子聚合物。
15.一些可能的实施方式中，向所述单晶金属基体的表面转移碳纳米管的分散与筛选中制成的含有聚合物的碳纳米管溶液，包括：在大气环境下，将所述含有聚合物的碳纳米管溶液以蘸取方式转移至所述单晶金属基体的表面。
16.本公开的第二方面提供了一种电子器件，其特征在于，包括通过上述碳纳米管表
面聚合物的去除方法去除了表面聚合物的碳纳米管。
17.本公开利用金属单晶表面与聚合物的强相互作用，在单晶金属的辅助下有效去除了碳纳米管表面的大量聚合物，从而获得纯化程度更高的碳纳米管，进而优化碳纳米管电子器件的性能。
附图说明
18.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
19.图1是根据本公开的一些实施方式的碳纳米管表面聚合物的去除方法的流程示意图。
20.图2a和图2b是根据本公开的一些实施方式的au单晶表面辅助的碳纳米管表面聚合物去除前后的碳纳米管形貌示意图。
21.图3a和图3b是根据本公开的一些实施方式的ag单晶表面辅助的碳纳米管表面聚合物去除前后的碳纳米管形貌示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
24.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
25.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
26.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
27.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
28.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
29.由于碳纳米管具有很高的长径比，碳纳米管之间有较大的范德华力，极易粘连成束，因此，在制备碳纳米管电子器件之前或制备的过程中，需要通过分散剂将碳纳米管分散。这里，分散剂可以包括但不限于：1)表面分散剂；2)聚合物；3)水或有机溶剂；4)dna、蛋白质或淀粉。
30.一些实现方式中，碳纳米管的分散和筛选过程可以包括：将碳纳米管分散在分散剂中，通过超声和分离处理，除去成束的碳纳米管；收集分散后的碳纳米管，将其稀释在溶剂中，制成碳纳米管溶液。
31.由上可见，碳纳米管表面的有机高分子聚合物主要来自于碳纳米管的分散和筛选过程中缠绕在碳纳米管表面的高分子聚合物的残留。本公开能够通过金属单晶表面去除碳纳米管表面缠绕的这些高分子聚合物，获得纯化程度更高的碳纳米管。
32.图1是本公开的一个实施方式的碳纳米管表面聚合物的去除方法s10的流程示意图。如图1所示，碳纳米管表面聚合物的去除方法s10可以包括如下步骤：
33.步骤s102，在超高真空环境中制备表面原子级平整的单晶金属基体；
34.一些实施方式中，单晶金属基体可以采用各种适用的金属，只要该金属的单晶基体能够辅助去除碳纳米管表面聚合物即可。例如，单晶金属基体可以为单晶au基体或者单晶ag基体。
35.一些实施方式中，制备表面原子级平整的单晶金属基体的方式可以是但不限于：在超高真空环境中通过多轮循环的氩离子溅射和高温退火制备表面原子级平整的单晶金属基体。该方式可以适用于多种金属，例如，单晶au基体、单晶ag基体等。
36.实际应用中，单晶金属基体所采用的金属、制备的具体方式等均可以根据需要灵活选择。本公开对此不做限制。
37.步骤s104，向单晶金属基体的表面转移碳纳米管的分散与筛选中制成的含有聚合物的碳纳米管溶液，使碳纳米管溶液被吸附于单晶金属基体的表面；
38.鉴于碳纳米管表面的有机高分子聚合物主要来自于碳纳米管的分散和筛选过程
中缠绕在碳纳米管表面的高分子聚合物的残留。因此，碳纳米管溶液的溶剂可以是但不限于、甲苯等，聚合物可以包括但不限高分子聚合物，例如，聚咔唑、聚芴类、聚噻吩等。该高分子聚合物的具体类型主要取决于碳纳米管分散与筛选时采用的分散剂和溶剂，对于高分子聚合物的具体类型，本公开不做限制。例如，
39.一些实施方式中，步骤s104中，可以在大气环境下，将含有聚合物的碳纳米管溶液以蘸取方式转移至单晶金属基体的表面。由此，可以实现碳纳米管溶液到单晶金属基体表面的湿法转移，操作简单，易于实现，有利于获得纯化程度更高的碳纳米管。
40.例如，步骤s104可以包括：首先，将表面原子级平整的单晶金属基体短暂暴露在大气环境下；然后，使用单晶金属基体快速蘸取包含聚合物的碳纳米管溶液后重新放置于超高真空环境中。
41.实际应用中，碳纳米管溶液的溶剂、聚合物的类型、转移碳纳米溶液到单晶金属基体表面的方式，均可以根据需要灵活选择。本公开对此不做限制。
42.步骤s106，在超高真空环境中对吸附有碳纳米管溶液的单晶金属基体进行退火处理，以去除聚合物，获得碳纳米管。
43.一些实施方式中，可以在真空度为10-8
～10-10
托(torr)的超高真空环境中，对吸附有碳纳米管溶液的单晶金属基体进行退火处理。
44.一些实施方式中，步骤s106中的退火处理，可以利用高压场下电子的发射束流升高温度。优选地，退火处理的温度可以为200～300℃，例如，200℃、230℃、270℃、300℃等。
45.一些实施方式中，步骤s106中退火处理的时长可以是但不限于0.5小时～3小时。例如，退火处理的时长可以是0.5小时、1小时、1.5小时、2小时、3小时等。
46.实际应用中，退火处理的升温方式、具体温度值和时长，均可以根据需要灵活调整。
47.下面结合具体示例详细说明本公开的示例性具体实施过程。
48.实施例一
49.本实施例对au单晶表面辅助的碳纳米管表面聚合物的去除方法进行示例性的说明。
50.本实施例中，au单晶表面辅助的碳纳米管表面聚合物的去除方法可以包括如下步骤：
51.步骤a1，通过对作为基体的单晶au的表面进行多轮的氩离子轰击和高温退火，获得表面单原子尺度平整的单晶au基体au(111)，“111”表示单晶au基体表面的晶面指数
52.步骤a2，将单晶au基体au(111)的表面短暂暴露在大气环境下，使用单晶au基体au(111)的表面快速蘸取碳纳米管的溶液以获得表面吸附有碳纳米管的溶液的单晶au基体au(111)，之后重新将单晶au基体au(111)放置在10-9
torr的超高真空中，该溶液中的碳纳米管表面缠绕有聚合物；
53.步骤a3，通过向样品架灯丝施加电流和向灯丝与单晶au基体au(111)之间施加高压场，灯丝发射电子束流使单晶au基体au(111)表面温度升高直至升温至300℃左右，对单晶au基体au(111)进行0.5小时的退火处理，从而去除碳纳米管表面的聚合物，获得表面没有聚合物的、纯化程度较高的碳纳米管。
54.图2a示出了退火处理前的碳纳米管形貌图，图2b示出了经过本实施例处理后的碳
纳米管形貌图。对比图2a和图2b可见，经本实施例的处理，碳纳米管表面缠绕的大量聚合物在au基体退火处理后消失，这充分表明本公开通过金属表面辅助有效去除了碳纳米管表面的高分子聚合物。
55.实施例二
56.本实施例对ag单晶表面辅助的碳纳米管表面聚合物的去除方法进行示例性的说明。
57.本实施例中，ag单晶表面辅助的碳纳米管表面聚合物的去除方法可以包括如下步骤：
58.步骤b1，通过对作为基体的单晶ag的表面进行多轮的氩离子轰击和高温退火，可以获得表面单原子尺度平整的单晶ag基体ag(111)。
59.步骤b2，将单晶ag基体ag(111)短暂暴露在大气环境下，使用单晶ag基体ag(111)的表面快速蘸取碳纳米管的溶液以获得表面吸附有碳纳米管的溶液的单晶ag基体ag(111)，之后重新将单晶ag基体ag(111)放置在10-9
torr的超高真空中，该溶液中的碳纳米管表面缠绕有聚合物；
60.步骤b3，通过向样品架灯丝施加电流和向灯丝与单晶ag基体ag(111)之间施加高压场，灯丝发射电子束流使单晶ag基体ag(111)表面温度升高直至升温至300℃左右，对单晶ag基体ag(111)进行0.5小时的退火处理，从而去除聚合物，获得表面没有聚合物的、纯化程度较高的碳纳米管。
61.图3a示出了退火处理前的碳纳米管形貌图，图3b示出了退火处理后的碳纳米管形貌图。对比图3a和图3b可见，碳纳米管表面缠绕的大量聚合物在单晶ag基体退火处理后消失，这充分表明本公开通过金属表面辅助有效去除了碳纳米管表面的高分子聚合物。
62.本公开还提供了一种电子器件，该电子器件包括通过上述碳纳米管表面聚合物去除方法去除了表面聚合物的碳纳米管。示例性地，该电子器件可以是但不限于场效应晶体管、传感器或其他使用碳纳米管的器件。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
64.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
65.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

技术特征：

1.一种碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，包括：在超高真空环境中制备表面原子级平整的单晶金属基体；向所述单晶金属基体的表面转移碳纳米管的分散与筛选中制成的含有聚合物的碳纳米管溶液，使所述碳纳米管溶液被吸附于所述单晶金属基体的表面；在超高真空环境中对吸附有所述碳纳米管溶液的所述单晶金属基体进行退火处理，以去除所述聚合物，获得碳纳米管。2.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，所述碳纳米管溶液的溶剂为或甲苯。3.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，所述单晶金属基体为单晶au基体或者单晶ag基体。4.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，在超高真空环境中制备表面原子级平整的单晶金属基体，包括：在超高真空环境中通过多轮循环的氩离子溅射和高温退火制备所述表面原子级平整的单晶金属基体。5.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，在超高真空环境中对吸附有所述碳纳米管溶液的所述单晶金属基体进行退火处理，包括：在真空度为10-8
～10-10
torr的超高真空环境中，对吸附有所述碳纳米管溶液的所述单晶金属基体进行退火处理。6.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，所述退火处理利用高压场下电子的发射束流升高温度，所述退火处理的温度为200～300℃。7.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，所述退火处理的时长为0.5小时～3小时。8.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，所述聚合物包括高分子聚合物。9.根据权利要求1所述的碳纳米管表面聚合物的去除方法，其特征在于，向所述单晶金属基体的表面转移碳纳米管的分散与筛选中制成的含有聚合物的碳纳米管溶液，包括：在大气环境下，将所述含有聚合物的碳纳米管溶液以蘸取方式转移至所述单晶金属基体的表面。10.一种电子器件，其特征在于，包括通过权利要求1～9任一项所述的方法去除了表面聚合物的碳纳米管。

技术总结

本公开提供了一种碳纳米管表面聚合物的去除方法和电子器件。本公开的碳纳米管表面聚合物的去除方法包括：在超高真空环境中制备表面原子级平整的单晶金属基体；向所述单晶金属基体的表面转移碳纳米管的分散与筛选中制成的含有聚合物的碳纳米管溶液，使所述碳纳米管溶液被吸附于所述单晶金属基体的表面；在超高真空环境中对吸附有所述碳纳米管溶液的所述单晶金属基体进行退火处理，以去除所述聚合物，从而获得碳纳米管。本公开能够有效去除碳纳米管表面的大量聚合物。纳米管表面的大量聚合物。纳米管表面的大量聚合物。