用于制备碳纳米管器件的方法

本发明属于光电器件领域。具体地，本发明涉及一种用于制备碳纳米管器件的方法。

背景技术：

1、碳纳米管具有极高的载流子迁移率、结构可调的能隙、宽的光响应波长。相对于传统的si基半导体器件，碳纳米管电子器件的能效能够提高一个数量级以上。理论计算表明基于碳纳米管构建的三维集成电路能效将超越现有硅基电路的1000倍，而且突破了传统半导体材料电子器件和光子器件材料工艺不兼容的问题，因此被认为是后摩尔时代最理想的电子、光电子材料之一。实验上已经证明单个碳纳米管器件性能超过同等栅长硅基器件。随着分离技术的发展，超纯半导体碳纳米管、单一手性碳纳米管甚至单一手性碳纳米管镜像体已经实现了宏量制备，为碳基芯片的发展和应用奠定了重要的材料基础。

2、类似于传统半导体器件制备，光刻是碳纳米管器件制造中最核心的工艺。光刻过程是通过紫外光、电子束、离子束、x射线等对旋涂在器件衬底上的光刻胶照射或辐射改性，使其在显影液中的溶解度发生变化，从而实现细微图形加工作业。然而光刻胶的主要成份通常是各种聚合物分子，这些聚合分子与疏水的碳纳米管表面具有很强的相互作用，很难去除，从而残留在碳纳米管表面，大幅增加了碳纳米管与碳纳米管，以及碳纳米管与金属电极之间的接触电阻，导致碳纳米管器件性能的降低，限制了碳纳米管在光电子器件等领域的应用。

3、如何有效地去除光刻工艺中残留在碳纳米管表面的光刻胶是实现其高性能电子、光电子器件应用的一项关键技术。当前对于碳纳米管器件制备过程中残留的光刻胶去除的报道很少。

4、因此，目前急需一种能够简单且完全去除光刻工艺中所引入的光刻胶的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于制备碳纳米管器件的方法，该方法能够在碳纳米管器件的制备过程中，既简单又完全去除光刻胶在碳纳米管表面的残留。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

3、本发明提供一种用于制备碳纳米管器件的方法，其包括以下步骤：

4、(1)将碳纳米管分散液沉积到衬底上，以形成碳纳米管薄膜；

5、(2)在所述碳纳米管薄膜上形成牺牲层；

6、(3)在所述牺牲层上形成光刻胶层；

7、(4)对所述光刻胶层进行光刻显影以获得期望的图案；

8、(5)去除由于光刻胶层在显影后而暴露的牺牲层；

9、(6)在步骤(5)获得的结构上形成电极层；

10、(7)去除步骤(6)获得的结构中剩余的光刻胶层，以使得位于所述剩余的光刻胶层之上的电极层一起被去除；

11、(8)去除步骤(7)获得的结构中剩余的牺牲层，以得到期望的碳纳米管器件；

12、其中，所述牺牲层由金属和/或金属氧化物构成。

13、本技术的发明人出乎意料地发现，在碳纳米管器件制造过程中，通过在碳纳米管薄膜表面沉积作为牺牲层的金属或其氧化物层，随后在牺牲层上面旋涂光刻胶以避免光刻胶与碳纳米管直接接触，在显影后，利用碱性溶液或酸性溶液可以容易地去除作为牺牲层的金属或金属氧化物层，避免了光刻工艺中光刻胶在碳纳米管表面的残留。

14、优选地，在本发明所述的方法中，所述金属选自al、zn、fe、co、ni、v和cr中的一种或几种。

15、优选地，在本发明所述的方法中，所述金属氧化物选自al2o3、zno、vo2、cr2o3、fe2o3、coo和ni2o3中的一种或几种。

16、优选地，在本发明所述的方法中，所述牺牲层的厚度为1-100nm。

17、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(5)中的去除由于光刻胶层在显影后而暴露的牺牲层以及所述步骤(8)中的去除步骤(7)获得的结构中剩余的牺牲层各自独立地通过酸性溶液或碱性溶液对牺牲层进行溶解而进行。

18、优选地，在本发明所述的方法中，所述酸性溶液选自盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液、乙酸溶液、柠檬酸溶液、枸椽酸溶液、羧酸溶液、磺酸溶液、亚磺酸溶液、苹果酸溶液或者过氧化氢溶液。

19、优选地，在本发明所述的方法中，所述碱性溶液选自naoh水溶液、koh水溶液、四甲基氢氧化铵水溶液、四丁基氢氧化铵水溶液、碳酸钠水溶液，碳酸氢钠水溶液或者氨水。

20、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(3)中的在所述牺牲层上形成光刻胶层通过旋涂、滴涂、静置或提拉进行。

21、优选地，在本发明所述的方法中，所述光刻胶选自负性光刻胶、正性光刻胶、深紫外光刻胶、极紫外光刻胶、电子束光刻胶、x射线光刻胶、离子束光刻胶和纳米压印光刻胶中的一种或几种。

22、优选地，在本发明所述的方法中，所述负性光刻胶为环化橡胶型光刻胶或肉桂酸酯光刻胶。

23、优选地，在本发明所述的方法中，所述正性光刻胶为酚醛树脂。

24、优选地，在本发明所述的方法中，所述电子束光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物、聚(烯烃-砜)类。

25、优选地，在本发明所述的方法中，所述显影所采用的显影液选自二甲苯、氢氧化钾水溶液、四甲基氢氧化铵(tmah)水溶液、四丁基氢氧化铵水溶液和乙酸正丁酯(nba)中的一种或几种。

26、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的将碳纳米管分散液沉积到衬底上通过静置、旋涂、滴涂或提拉进行。

27、优选地，在本发明所述的方法中，所述碳纳米管薄膜为网络薄膜或取向薄膜。

28、优选地，在本发明所述的方法中，所述衬底为硬性衬底或柔性衬底。

29、优选地，在本发明所述的方法中，所述硬性衬底选自硅、二氧化硅、石英、云母、砷化镓、氮化镓、碳化硅和蓝宝石中的一种或几种。

30、优选地，在本发明所述的方法中，所述柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或聚乙烯。

31、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的在所述碳纳米管薄膜上形成牺牲层通过热蒸发、原子层沉积、电镀、化学镀、磁控溅射、热氧化、分子束外延、电子束蒸发或脉冲激光沉积进行。

32、优选地，在本发明所述的方法中，所述碳纳米管分散液包含碳纳米管、分散剂和溶剂。

33、优选地，在本发明所述的方法中，所述碳纳米管为未功能化碳纳米管或功能化碳纳米管。

34、优选地，在本发明所述的方法中，所述碳纳米管为分离纯化后的金属性碳纳米管、半导体碳纳米管、单一手性碳纳米管或其混合物。

35、在本发明的具体实施方案中，碳纳米管种类为不同方法生长合成的碳纳米管，可以是未功能化碳纳米管，也可以是功能化碳纳米管，可以是分离纯化后的金属性碳纳米管、半导体碳纳米管、单一手性碳纳米管，甚至单一手性碳纳米管镜像体，其管径范围可以为0.6～5.0纳米。在一种优选的实施方式中，所述碳纳米管为商业化的comocat、hipco、等离子制备的碳纳米管(plasma)、电弧放电法制备的碳纳米管(arc-discharge)、激光烧蚀法制备的碳纳米管等，以及其他化学气相沉积合成的碳纳米管。

36、优选地，在本发明所述的方法中，所述碳纳米管的管径为0.6～5.0nm。

37、优选地，在本发明所述的方法中，所述分散剂选自表面活性剂、有机聚合物或者dna分子。

38、优选地，在本发明所述的方法中，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、正十六烷基硫酸钠、辛烷基硫酸钠、癸烷基硫酸钠、胆酸钠、水合胆酸钠、脱氢胆酸钠、脱氧胆酸钠、猪去氧胆酸钠和石胆酸钠中的一种或几种。

39、优选地，在本发明所述的方法中，所述有机聚合物选自聚[9-(1-辛基壬基)-9h-咔唑]、聚[(9，9-二辛基芴-2,7-二基)-共-联吡啶](pfo-bpy)、聚[(9,9-二辛基咔唑-2,7-二基)-联吡啶(pcbp)、聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)(pfo)、聚(9,9-二辛基芴-共苯并噻二唑)(f8bt)、聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基-alt-吡啶-2,6-二基)(pfp)、聚(9,9-二辛基咔唑-2,7-二基-alt-吡啶-2,6-二基)(pcp)和pfiid中的一种或几种。

40、优选地，在本发明所述的方法中，所述溶剂为无机溶剂、有机溶剂或其混合物。

41、优选地，在本发明所述的方法中，所述溶剂为水或者甲苯。

42、本发明具有以下有益效果：

43、本发明的方法在光刻过程中通过引入牺牲层，实现了光刻胶与碳纳米管的分离，避免了光刻胶直接接触碳纳米管表面，防止了光刻胶在碳纳米管表面的残留，而且牺牲层的去除与光刻工艺兼容，因此本发明的方法简单、高效，具有较强的产业化前景。

44、本发明制备得到的碳纳米管器件能够充分发挥其本征光电性能，促进碳纳米管在高性能光电器件方面的应用。同时，本发明的方法还适用于不同光刻胶和不同方法制备的不同结构的碳纳米管原材料，具有普适性。