專利名稱：一種進行碳納米管焊接的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種進行碳納米管焊接的方法。
背景技術：
自從被發(fā)現(xiàn)以來，由于其具有的獨特的電學，磁學，力學，熱學等性質(zhì)，碳納米管受到了廣泛的關注，并被認為在納電子學，納機電系統(tǒng)，高強度復合材料等領域有廣闊的應用前景。
要實現(xiàn)碳納米管的應用，對其基本性質(zhì)的研究必不可少。目前已有多種方法可以對單根碳納米管進行力學性質(zhì)的測定，利用掃描探針顯微技術的納米操縱因為其靈活性具有很重要的作用。另外，碳納米管的應力分布和大小無論對其性質(zhì)調(diào)控還是對其力學行為都有很大的影響，基于掃描探針顯微術的納米操縱是實現(xiàn)單根碳納米管的應力調(diào)控和研究的重要手段。對碳納米管這樣一種一維線狀的物體來說，要使這種操縱更為定量化和可控化，迫切需要對其在所需要的位點進行類似于宏觀世界的焊接固定。
目前已存在的焊接方法主要利用微加工技術在碳納米管上沉積某些金屬或其他物質(zhì)的圖案，將碳納米管固定在基底表面，其步驟較為繁瑣，沉積圖案較大，易污染碳納米管，更重要的是不能在納米操縱現(xiàn)場進行固定，缺乏靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靈活實用的進行碳納米管焊接的方法。
本發(fā)明所提供的進行碳納米管焊接的方法，包括如下步驟1)將表面有碳納米管的硅基片轉(zhuǎn)移至掃描探針顯微鏡的平臺，在硅基片與探針之間施加3V以上的正偏壓；控制硅基片與掃描探針顯微鏡的探針之間的相對濕度為10-100％，使探針與硅基片之間產(chǎn)生水橋；2)使探針經(jīng)過碳納米管，碳納米管即被焊接固定在硅基片上。
在本發(fā)明中，探針與所述硅基片的距離不超過15nm，這可以通過調(diào)節(jié)掃描探針顯微鏡儀器上的工作參數(shù)來進行設定調(diào)節(jié)儀器setpoint值可控制探針與硅片間的距離，setpoint值越大，則距離值也越大，反之，setpoint值越小，則距離值也越小。以Veeco公司NanoscopeIII型掃描探針顯微鏡進行操作時，setpoint值可設置為0.01-2。在常用電壓下(3V-25V)，setpoint值優(yōu)選為0.2，氧化過程中掃描探針顯微鏡反饋處于開啟狀態(tài)。
為防止由于熱漂移等引起的探針對碳納米管定位的偏差，探針可沿與碳納米管相交的方向直線掃描通過碳納米管，或在碳納米管欲焊接點及其周圍采取脈沖點掃描。探針與碳納米管的接觸時間不小于探針以1微米/秒的速度經(jīng)過碳納米管時的接觸時間，常用電壓下(3V-25V)，常選范圍為以1-100納米/秒的速度經(jīng)過碳納米管時的接觸時間，優(yōu)選值為以10納米/秒的速度經(jīng)過碳納米管時的接觸時間。
本發(fā)明非常巧妙地利用探針與硅基底間的電化學池，應用電化學方法實現(xiàn)對硅基底的氧化，利用氧化后氧化硅體積膨脹時對碳納米管的包覆，實現(xiàn)對碳納米管的焊接固定。而且由于碳納米管對硅氧化的增強作用，使焊接更為有效。本發(fā)明方法操作簡便，碳納米管焊接圖案較小，可以實現(xiàn)較為精細的固定，不會對碳納米管造成污染，而且可以在操縱的現(xiàn)場隨時在任意位置對碳納米管進行焊接，極大提高了靈活性。使碳納米管的操縱更加可控和定量化，而且焊點可以用氟化銨或氟化氫腐蝕除去，為碳納米管的性質(zhì)研究和器件集成提供思路。


圖1為本發(fā)明進行碳納米管焊接的示意圖。
圖2為碳納米管焊接前后的原子力顯微鏡圖像和截面分析圖。其中，(a)是碳納米管焊接前，大氣環(huán)境中原子力顯微鏡輕敲模式下高度圖，圖中白色直線箭頭對應于探針氧化時相對于碳納米管的運動路徑；(b)是碳納米管焊接后，大氣環(huán)境中原子力顯微鏡輕敲模式下高度圖；(c)是沿碳納米管軸向經(jīng)過焊接點的對應于圖(b)左側(cè)直線的原子力顯微鏡截面分析圖；(d)是經(jīng)過碳納米管右側(cè)氧化區(qū)域的對應于(b)右側(cè)直線的原子力顯微鏡截面分析圖；圖3為改變氧化條件調(diào)節(jié)焊接強度的結(jié)果。其中，(a)是通過改變焊接過程中氧化電壓對焊接強度進行調(diào)節(jié)的典型結(jié)果；(b)是通過改變焊接過程中探針相對于碳納米管的運動速率對焊接強度進行調(diào)節(jié)的典型結(jié)果。
圖4為碳納米管焊接對碳納米管的影響結(jié)果。其中，(a)是碳納米管焊接前，大氣環(huán)境中原子力顯微鏡輕敲模式下高度圖；(b)是碳納米管焊接后，大氣環(huán)境中原子力顯微鏡輕敲模式下高度圖；(c)是上述碳納米管經(jīng)氟化銨腐蝕去掉氧化硅SiOx后的碳納米管原子力顯微鏡輕敲模式下高度圖；(d)是d中碳納米管在空氣中480℃灼燒20分鐘后的原子力顯微鏡輕敲模式高度圖。
圖5為利用焊接對碳納米管進行納米操縱結(jié)果。其中，(a)是碳納米管被焊接后大氣環(huán)境中原子力顯微鏡輕敲模式下高度圖；(b)是利用掃描探針顯微鏡對碳納米管進行納米操縱后原子力顯微鏡輕敲模式下高度圖，探針操縱路徑如圖(a)中白色箭頭所示。
具體實施例方式
本發(fā)明進行碳納米管焊接的原理如圖1所示在原子力顯微鏡模式下，當對硅片1施加一相對于探針4的正偏壓時，探針4與硅片1表面間存在的水橋3便形成了一微米級的電化學池，使基底硅發(fā)生氧化產(chǎn)生氧化硅SiOx，由于此氧化硅具有比硅小的密度，氧化過程將伴隨氧化硅的體積膨脹，這樣使碳納米管2被氧化硅包覆，從而將碳納米管2焊接固定在硅片1表面上。
在上述焊接過程中，需要在探針與硅片間保持一定的濕度，以使探針與硅片間形成水橋，從而能形成電化學池；一般說來，環(huán)境的相對濕度可選擇為10％-100％。
在上述焊接過程中，影響焊接效果的因素主要有硅片與探針間的正偏壓大小，氧化時間，探針與硅片間的距離等。
為了能保證氧化的效果，硅片與探針間的正偏壓一般在3V以上，而且，由于掃描探針顯微鏡儀器的安全限制，電壓一般不超過30V；通常的電壓范圍在3-25V。
氧化時間也是影響氧化效果的重要因素，決定于探針在碳納米管上方停留時間的長短，探針與碳納米管的接觸時間不小于探針以1微米/秒的速度經(jīng)過碳納米管時的接觸時間，常用電壓下(3V-25V)，常選范圍為以1-100納米/秒的速度經(jīng)過碳納米管時的接觸時間，優(yōu)選值為以10納米/秒的速度經(jīng)過碳納米管時的接觸時間。
探針與硅片及碳納米管間的距離一般不超過15nm為宜，這可以通過調(diào)節(jié)掃描探針顯微鏡儀器上的工作參數(shù)來進行設定調(diào)節(jié)儀器setpoint值可控制探針與硅片間的距離，setpoint值越大，則距離值也越大，反之，setpoint值越小，則距離值也越小。例如，以Veeco公司NanoscopeIII型掃描探針顯微鏡進行操作時，setpoint值可設置為0.01-2。在常用電壓下(3V-25V)，setpoint值優(yōu)選為0.2。氧化過程中掃描探針顯微鏡反饋處于開啟狀態(tài)。
實施例1、1)碳納米管制備將單晶硅片清洗干燥后，在其表面旋涂由FeCl3水解制得的Fe(OH)3膠體粒子，在空氣中600℃加熱灼燒30分鐘，置于CVD爐中，在900℃下，以甲烷作為碳源、Ar氣作為載氣生長碳納米管，生長時間為10分鐘。
2)碳納米管焊接大氣中輕敲模式下利用原子力顯微鏡模式對碳納米管成像，所用儀器是Veeco公司的NanoscopeIII型掃描探針顯微鏡，探針選用μ-mash鍍金高摻雜硅針尖(下同)。設定原子力顯微鏡setpoint值為0.2伏特，保持反饋開啟，相對于探針對單晶硅片1施加12伏特的正偏壓，并使探針沿垂直于碳納米管2軸向的方向以10納米/秒的速率直線運動，路徑如圖2(a)中白色直線箭頭所示，碳納米管即在運動路徑與碳納米管交界的位點被焊接固定，返回正常成像setpoint值1.9伏特，輕敲模式下對碳納米管成像。過程中環(huán)境相對濕度約為40％。結(jié)果如圖2(b)所示。
分別對碳納米管沿其軸向和碳納米管右側(cè)區(qū)域沿其軸向方向，即圖2(b)中左側(cè)和右側(cè)直線所示的位置對原子力顯微鏡高度圖進行截面分析，結(jié)果如圖2(c)和(d)所示。結(jié)構表明氧化過程使碳納米管表面包覆了氧化硅，且由于碳納米管對氧化的增強作用，相同條件下，碳納米管表面比沒有碳納米管的區(qū)域有更多的氧化硅生成。
實施例2、將單晶硅片清洗干燥后，在其表面旋涂由FeCl3水解制得的Fe(OH)3膠體粒子，在空氣中600℃加熱灼燒30分鐘，置于CVD爐中，在900℃下，以甲烷作為碳源、Ar氣作為載氣生長碳納米管，生長時間為10分鐘。
大氣中輕敲模式下利用原子力顯微鏡模式(Veeco公司的NanoscopeIII型掃描探針顯微鏡)對碳納米管成像，設定原子力顯微鏡setpoint值為0.2伏特，保持反饋開啟，對碳納米管的不同位點分別施加11，12和14伏特的正偏壓，使探針沿垂直于碳納米管軸向的方向以10納米/秒的速率直線運動，碳納米管即在運動路徑與碳納米管交界的三個位點以不同的強度被焊接固定，過程中環(huán)境相對濕度約為50％。結(jié)果如圖3(a)所示。
選擇另一碳納米管，設定原子力顯微鏡setpoint值為0.2伏特，保持反饋開啟，對碳納米管的不同位點施加10伏特的正偏壓，使探針沿垂直于碳納米管軸向的方向分別以1，10和100納米/秒的速率直線運動，碳納米管即在運動路徑與碳納米管交界的三個位點以不同的強度被焊接固定，過程中環(huán)境相對濕度約為80％。結(jié)果如圖3(b)所示。
結(jié)果表明焊接強度可通過改變氧化過程中的偏壓大小和連續(xù)掃描過程中探針移動速率進行調(diào)節(jié)，偏壓越大，速率越小，焊接點越大。
實施例3將單晶硅片清洗干燥后，在其表面旋涂由FeCl3水解制得的Fe(OH)3膠體粒子，在空氣中600℃加熱灼燒30分鐘，置于CVD爐中，在900℃下，以甲烷作為碳源、Ar氣作為載氣生長碳納米管，生長時間為10分鐘。
大氣中輕敲模式下利用原子力顯微鏡模式(Veeco公司的NanoscopeIII型掃描探針顯微鏡)對碳納米管成像，設定原子力顯微鏡setpoint值為0.2伏特，保持反饋開啟，對碳納米管的不同位點分別施加5，12，14，15，16，17，和18伏特的不同大小的正偏壓，使探針沿垂直于碳納米管軸向的方向以10納米/秒的速率直線運動，碳納米管即在運動路徑與碳納米管交界的位點以不同的強度被焊接固定，過程中環(huán)境濕度約為50％。結(jié)果如圖4(b)所示。
將上述焊接后的碳納米管樣品放入質(zhì)量百分比為2％的氟化銨溶液中腐蝕30秒除去焊接過程中產(chǎn)生的氧化硅，經(jīng)沖洗干燥后，大氣環(huán)境中輕敲模式下利用原子力顯微鏡成像。結(jié)果如圖4(c)所示。
將上述經(jīng)焊接和腐蝕后的碳納米管樣品空氣中480℃灼燒30分鐘，大氣環(huán)境中輕敲模式下利用原子力顯微鏡成像。結(jié)果如圖4(d)所示。
結(jié)果表明經(jīng)灼燒后的碳納米管在原焊接位點并未發(fā)生斷裂，說明上述焊接條件下，焊接過程對碳納米管并無破壞作用。
實施例4、將單晶硅片清洗干燥后，在其表面旋涂由FeCl3水解制得的Fe(OH)3膠體粒子，在空氣中600℃加熱灼燒30分鐘，置于CVD爐中，在900℃下，以甲烷作為碳源、Ar氣作為載氣生長碳納米管，生長時間為10分鐘。
大氣中輕敲模式下利用原子力顯微鏡模式(Veeco公司的NanoscopeIII型掃描探針顯微鏡)對碳納米管成像，設定原子力顯微鏡setpoint值為0.2伏特，保持反饋開啟，對碳納米管施加25伏特的正偏壓，使探針沿垂直于碳納米管軸向的方向以10納米/秒的速率直線運動，碳納米管即在運動路徑與碳納米管交界的位點被焊接固定，過程中環(huán)境濕度約為20％。結(jié)果如圖5(a)所示。
設定原子力顯微鏡setpoint值為0.2伏特，關閉反饋，將針尖下壓10納米，沿圖5(a)中白色箭頭所示路徑對碳納米管進行操縱，返回正常成像setpoint值1.9伏特，重新開啟反饋，大氣環(huán)境中輕敲模式下利用原子力顯微鏡成像。結(jié)果如圖5(b)所示。
結(jié)果表面，焊接過程使操縱更為可控，被操縱的碳納米管片段的方向及位置因為焊接點的輔助，與操縱過程中所設路徑一致，故可通過此操縱路徑的設置，控制彎曲碳納米管的彎曲角。
權利要求
1.一種進行碳納米管焊接的方法，包括如下步驟1)將表面有碳納米管的硅基片轉(zhuǎn)移至掃描探針顯微鏡的平臺，在硅基片與探針之間施加3V以上的正偏壓；控制硅基片與掃描探針顯微鏡的探針之間的相對濕度為10-100％，使探針與硅基片之間產(chǎn)生水橋；2)使探針經(jīng)過碳納米管，碳納米管即被焊接固定在硅基片上。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述探針與所述硅基片的距離不超過15nm。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于探針與碳納米管的接觸時間不小于探針以1微米/秒的速度經(jīng)過碳納米管時的接觸時間。
4.根據(jù)權利要求1-3任一所述的方法，其特征在于所述掃描探針顯微鏡為Veeco公司的NanoscopeIII型掃描探針顯微鏡。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于所述掃描探針顯微鏡的setpoint值為0.01-2伏。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于所述掃描探針顯微鏡的setpoint值為0.2伏。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于所述掃描探針顯微鏡的反饋處于開啟狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種進行碳納米管焊接的方法，包括如下步驟1)將表面有碳納米管的硅基片轉(zhuǎn)移至掃描探針顯微鏡的平臺，在硅基片與探針之間施加3V以上的正偏壓；控制硅基片與掃描探針顯微鏡的探針之間的相對濕度為10－ 100％，使探針與硅基片之間產(chǎn)生水橋；2)使探針經(jīng)過碳納米管，碳納米管即被焊接固定在硅基片上。本發(fā)明方法操作簡便靈活，可以對碳納米管進行有效的固定，還可以在操縱的現(xiàn)場隨時在任意位置對碳納米管進行焊接，使碳納米管的操縱更加可控和定量化，而且焊點可以用氟化銨或氟化氫腐蝕除去，為碳納米管的性質(zhì)研究和器件集成提供思路。
文檔編號G01N1/36GK1923671SQ20061011324
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月20日 優(yōu)先權日2006年9月20日
發(fā)明者張錦, 段小潔, 劉忠范, 凌星 申請人:北京大學