專利名稱：一種碳微納集成結(jié)構(gòu)的制備方法
一種碳微納集成結(jié)構(gòu)的制備方法研究領(lǐng)域本發(fā)明涉及碳微/納機電系統(tǒng)(C-MEMS/NEMS)，具體涉及一種碳微納集成結(jié)構(gòu)的 制備方法。
背景技術(shù)：
隨著光刻技術(shù)、光刻膠材料和微機電技術(shù)的發(fā)展，一種新的將傳統(tǒng)光刻和高溫?zé)?解工藝結(jié)合制備具有玻璃碳特性的高深寬比三維(3D)碳微電極陣列結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)即 carbon microelectromechanical systems (C-MEMS)得到了快速發(fā)展。它利用光刻加熱解 便可以得到微米級高深寬比3D電極圖形，突破了以往用復(fù)雜的體微加工法制備3D微電極 的限制，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活且圖形分辨率高、工藝簡便、可重復(fù)性好和成本低等優(yōu)點，并且 碳材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和化學(xué)惰性以及比Pt和Au等金屬更寬的伏安窗口，可以承 受更大的偏置電壓，同時碳的生物兼容性好，在需要保持生物顆粒活性的場合具有極大的 優(yōu)勢等。但是通過C-MEMS制備出的碳微結(jié)構(gòu)通常具有較光滑的表面，其相對表面積較小， 作為電極使用時，電流密度和效率都難以提升。C-MEMS器件的微型化，要求碳微結(jié)構(gòu)的整體 尺寸不能太大，限制了 C-MEMS技術(shù)制備的碳微結(jié)構(gòu)在大功率、高電流密度場合的應(yīng)用。與此同時，隨著納米科技的不斷發(fā)展，納米材料(包括納米顆粒、納米管、納米粉、 納米線、納米帶和納米棒等納結(jié)構(gòu))所具有的很多獨特特性不斷為人們所認(rèn)識，例如碳納 米管(CNT)具有優(yōu)越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機械等性能；納米氧化鋅(aio)擁有超群的光學(xué)、電學(xué) 和化學(xué)性能。納米結(jié)構(gòu)尤其能極大的提高微納米電極電通量以制造高性能的微電池等?！都{ 米快報》最近發(fā)表的美國斯坦福大學(xué)的崔屹的研究小組的研究成果表明，碳納米線(CNW)固 有的穩(wěn)定性和儲能能力能夠使傳統(tǒng)的全碳陽極的鋰離子充電能力提高6倍以上，利用這項 成果，電池公司將能生產(chǎn)出更輕、更安全和能快速充電的電池[Nano letters, 9 (9) (2009), p. 33370-3374]。將納米結(jié)構(gòu)材料和C-MEMS技術(shù)結(jié)合將極大的拓展C-MEMS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng) 域，并使納米材料的特性得到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。制造集成的碳微/納米結(jié)構(gòu)，目前普遍采用的方法是化學(xué)氣相沉積(CVD)法， 即通過光刻膠中摻入納米催化劑實現(xiàn)高溫?zé)峤饧癈VD—體化工藝，在碳微結(jié)構(gòu)生成的 同時其表面生長碳納米結(jié)構(gòu)。2006年馬杜(Madou)等人在其論文” Local chemical vapor deposition of carbon nanofibers fromphotoresist" [Carbon,44(14) (2006), p. 3073-3077]里，提出碳圓柱結(jié)構(gòu)表面長滿碳納米纖維可極大地改進碳電極的特性。他們 在SU-8膠中摻入左右的碳納米纖維，每根纖維的一端帶有作為催化劑的狗微粒，熱解 后碳圓柱結(jié)構(gòu)表面長滿了碳納米纖維，極大地提高了碳電極的表面積。因C-MEMS圓柱碳電 極可以對鋰離子進行嵌入/脫嵌，當(dāng)這種電極表面布滿碳納米纖維之后則可以承載更多鋰 離子，將極大提高電極的性能。使用CVD方法制備集成的碳微納結(jié)構(gòu)，催化劑的大小和分布 決定了納結(jié)構(gòu)的生長狀況，工藝較為復(fù)雜，可控性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳微納集成結(jié)構(gòu)的制備方法，使用納結(jié)構(gòu)對碳微結(jié)構(gòu) 進行修飾，極大地提高碳微結(jié)構(gòu)的表面積，改進導(dǎo)電特性?！N碳微納集成結(jié)構(gòu)的制備方法，具體為(1)將碳納米管摻雜于光刻膠中；(2)將摻雜后的光刻膠旋涂于硅基片上，旋涂后作前烘處理；(3)對前烘處理后的硅基片曝光，曝光后作中烘處理；(4)采用混合有碳納米管的顯影液對中烘處理后的硅基片進行顯影，顯影后作后 烘處理；(5)對后烘處理的硅基片熱解即得碳微納集成結(jié)構(gòu)。進一步的，所述步驟(1)摻雜后的光刻膠中的碳納米管質(zhì)量濃度大于零且小于等 于 lmg/ml0進一步的，所述步驟( 分步對硅基片熱解。進一步的，所述步驟(4)顯影液中的碳納米管的質(zhì)量濃度大于0. lmg/ml且小于等 于 0. 5mg/ml0本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明用于改進C-MEMS表面特性的方法是在光刻膠中均勻摻入碳納米管(CNT)， 從而使CNT均勻地分布在微結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面；顯影時，在顯影液中摻入CNT，光刻膠在溶解 過程中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，顯影液中的CNT自組裝到微柱表面，從而增加CNT的覆蓋率。本發(fā)明使用CNT對碳微結(jié)構(gòu)進行修飾，CNT不僅致密地覆蓋在碳微結(jié)構(gòu)表面，而且 均勻地分布在其內(nèi)部，由于CNT是一種優(yōu)良的電導(dǎo)材料，可以極大地改善碳微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電 特性。本發(fā)明不涉及納結(jié)構(gòu)的生長過程，工藝過程簡單，制備成本低，可控性高。制備的 微納集成結(jié)構(gòu)可靠性高且性能優(yōu)良，可以用作微傳感器、微燃料電池、生物芯片等微型器件 的工作電極，增大電極的比表面積，提高工作效率。同時，CNT具有良好的生物兼容性，非常 適合用于需要保持生物活性的場合。在使用生物酶為催化劑的微電化學(xué)器件中(如生物燃 料電池)，CNT修飾電極可建立酶與電極之間的直接電連接，加快電子傳輸速率，提高電流 密度及工作效率。


圖1為本發(fā)明步驟流程圖；圖2為勻膠后結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為曝光示意圖。圖4為顯影后的交聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為熱解后的碳微納集成結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為三步熱解曲線圖。圖7為摻入MWNT的微納集成結(jié)構(gòu)SEM照片，圖7 (a)為熱解前；圖7(b)為熱解后； 圖7(c)為圖7(b)的局部放大圖；圖7(d)為碳微柱的截面圖；圖8為摻入SWNT的微納集成結(jié)構(gòu)SEM照片，圖8 (a)為熱解前；圖8(b)為熱解后；圖8(c)為圖8(b)的局部放大圖；圖8(d)為碳微柱的截面圖；圖9為碳微納集成結(jié)構(gòu)與碳微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電特性曲線圖；圖10為兩步熱解曲線圖。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明。實施例1 工藝流程圖如圖1所示，具體實施步驟如下(1)預(yù)處理步驟用去離子水沖洗單晶硅片(111晶向)后進行丙酮超聲5min，之 后放入SPM溶液(V濃硫酸V雙氧水=2 1)，110°C加熱lOmin，用去離子水沖洗干凈， 并用氮氣槍吹干；最后將基片進行烘干處理，目的是去除表面的殘余水分子，增加光刻膠與 基底的粘附性，烘干溫度在150°C，時間5分鐘，之后冷卻到室溫；(2)摻雜步驟將IOml MWNT溶液(中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司)倒入 IOmlPGMEA中，攪拌5min后溶液顏色變成均勻的黑色，再將溶解有MWNT的稀釋液倒入40ml SU-8負(fù)型光刻膠(GM1075)中，混合均勻。(3)勻膠步驟在KW-4A型勻膠機(中科院微電子中心研究部)上對預(yù)處理后的 硅基片上涂覆SU-8負(fù)型光刻膠，勻膠機先以低速500r/min旋轉(zhuǎn)50s，再以高速lOOOr/min 旋轉(zhuǎn)100s，所得膠厚約為20um ；勻膠后對硅基片進行前烘處理，40°C加熱30min，然后120°C 加熱5min。勻膠后結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示；(4)曝光步驟所用光刻機型號為Karl Suss MA6，曝光劑量為325mJ/cm2，曝光時 間為IOOs ；曝光后及時將硅基片進行中烘處理，溫度設(shè)定95°C，加熱30min。曝光示意圖如 圖3所示；(5)顯影步驟將顯影液與MWNT溶液以7 1混合均勻后，放入中烘后的樣片，注 意不能晃動顯影液，顯影IOmin ；進行后烘處理，溫度100°C，加熱:3min。顯影后得到的交聯(lián) 結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。以上各步的工藝參數(shù)如表1所示表1實施例的厚膠光刻工藝參數(shù)(SU-8GM1075型光刻膠)
勻膠過程1車專速(r/min)500時間(S)50過程2轉(zhuǎn)速(r/min)1000時間(S)100前烘過程1溫度(°c)40時間(min)30
權(quán)利要求
1.一種碳微納集成結(jié)構(gòu)的制備方法，具體為 (1)將碳納米管摻雜于光刻膠中；(2)將摻雜后的光刻膠旋涂于硅基片上，旋涂后作前烘處理；(3)對前烘處理后的硅基片曝光，曝光后作中烘處理；(4)采用混合有碳納米管的顯影液對中烘處理后的硅基片進行顯影，顯影后作后烘處理；(5)對后烘處理的硅基片熱解即得碳微納集成結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)摻雜后的光刻膠中的碳納 米管質(zhì)量濃度大于零且小于等于lmg/ml。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)分步對硅基片熱解。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟顯影液中的碳納米管的 質(zhì)量濃度大于0. lmg/ml且小于等于0. 5mg/ml。
全文摘要
本發(fā)明提供一種碳微納集成結(jié)構(gòu)的制備方法，在光刻膠中摻入碳納米管CNT，使CNT均勻地分布在微結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面；顯影時，在顯影液中摻入CNT，光刻膠在溶解過程中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，顯影液中的CNT自組裝到微柱表面，增加了CNT的覆蓋率。本發(fā)明使用納結(jié)構(gòu)對碳微結(jié)構(gòu)進行修飾，極大地提高碳微結(jié)構(gòu)的表面積，改進導(dǎo)電特性。
文檔編號G03F7/00GK102135729SQ20111006662
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者習(xí)爽, 劉丹, 史鐵林, 張雷, 湯自榮 申請人:華中科技大學(xué)