金屬/碳納米管復(fù)合納米線的合成及專用微/納米反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬納米復(fù)合技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種金屬/碳納米管復(fù)合納米線 的合成及專用微/納米反應(yīng)器，通過該專用的微/納米反應(yīng)器，能對復(fù)合納米線的合成進(jìn)行 有效地控制，從而獲得理想形貌和結(jié)構(gòu)的金屬/碳納米管復(fù)合納米線。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，以集成電路為基礎(chǔ)的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為世界第一大產(chǎn)業(yè)。高性能集成電 路（Integrate circuit)是未來信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。高性能集成電路技術(shù)提出了 "兩高 兩低"的要求，即高效能、高可靠、低功耗、低成本。集成電路的性能取決于單位面積/體 積內(nèi)的三極管數(shù)量，因而線寬（即集成電路的最小線條寬度）越小，單位面積/體積內(nèi)的計(jì) 算單位數(shù)量就越多，計(jì)算性能就越強(qiáng)。目前，線寬45納米（nm)的超大規(guī)模集成電路已在 商業(yè)上廣泛應(yīng)用。根據(jù)經(jīng)典的摩爾（Moore)定律和最新國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 2011 推測，2016 年集成電路 線寬將減小到22nm。在1998年，銅就替代鋁成為集成電路的主要互連材料。但隨著集成 電路集成度的逐步提1?，銅互連線寬逐步減小，在提1?性能的同時(shí)，將面臨兩大方面的技術(shù) 瓶頸：一方面，銅互連線的電阻率隨線寬的減小而顯著增大，將極大地增加能量消耗（Joule heating (I2R)),降低電子傳輸速度，最終降低集成電路的性能。譬如：室溫下線寬50nm的 銅互連線的電阻率約為體銅（1. 72μΩ·(：πι)的3倍以上；另一方面，銅互連線電阻率增大導(dǎo)致 電遷移（Electromigration)嚴(yán)重，導(dǎo)致銅互連線容易斷開(燒斷)，芯片功能失效，造成安全 隱患。因此，隨著集成電路中器件特征尺寸的進(jìn)一步縮小，互連線的RC延遲和電遷移引起 的可靠性問題逐漸成為影響集成電路發(fā)展的瓶頸。
[0003] 超高性能Cu/CNT納米線的可控合成，有望實(shí)現(xiàn)未來功耗更小、速度更快的高性能 納米集成電路，對電子信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，還有望應(yīng)用于新型太陽能電池、紅外探測 納米器件、生物和化學(xué)應(yīng)用的先進(jìn)電極材料。
[0004] 1991年就有多個(gè)科學(xué)家采用化學(xué)鍍工藝在碳納米管表面包覆金屬層，然而由于 在傳統(tǒng)的燒杯反應(yīng)器中，還原劑和金屬離子源溶液的反應(yīng)很難控制，從而很難對金屬層的 厚度、形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，通常包覆的是納米顆粒。國內(nèi)也有科學(xué)家對碳納米管表面化學(xué) 鍍連續(xù)的金屬層，但存在燒杯中的反應(yīng)容易導(dǎo)致金屬層表面粗糙度增大，及碳納米管包覆 金屬后容易團(tuán)聚的問題。
[0005] 目前，已有的工藝基于傳統(tǒng)的反應(yīng)器，對溶液的反應(yīng)很難控制，而且碳納米管容易 團(tuán)聚，從而很難獲得應(yīng)用于高性能集成電路的單分散的金屬/碳納米管復(fù)合納米線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種金屬/碳納米管復(fù)合納米線的合成及專 用微/納米反應(yīng)器，應(yīng)用反應(yīng)器芯片中溶液的層流控制還原反應(yīng)，既可控制金屬層結(jié)構(gòu)和 形貌，還可防止納米線團(tuán)聚，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)難以控制碳納米管表面金屬沉積的技術(shù) 問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種微/納米反應(yīng)器， 包括上下兩層結(jié)構(gòu)，其上層為集成式微/納米反應(yīng)器芯片，下層為密封所述集成式微/納米 反應(yīng)器芯片的玻璃或石英蓋片。
[0008] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述集成式微/納米反應(yīng)器芯片包括至少一根微流 體管道，所述微流體管道的入口端與三個(gè)流體入口管道相接通，其出口端與三個(gè)流體出口 管道相接通；在所述微流體管道上位于流體入口端和出口端之間設(shè)置有用于控制還原反應(yīng) 的微加 熱器。
[0009] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述三個(gè)流體入口管道與帶有溶液注射器的微泵相 連通。通過微泵給三種流體提供流體動力，并在微流體管道形成具有不同流速的連續(xù)層流 層，以避免碳納米管表面進(jìn)行化學(xué)鍍所形成的復(fù)合納米線的團(tuán)聚。
[0010] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述微流體管道的橫截面為矩形，其寬度為100? 200 μ m，高度為 50 ?100 μ m。
[0011] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述微流體管道的材料為聚二甲基硅氧烷、塑料、石 英、玻璃或者玻璃與聚二甲基硅氧烷的混合物。
[0012] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述微加熱器包括薄膜加熱器、熱敏溫度傳感器和 與外電極相連的微電極回路。
[0013] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述薄膜加熱器和熱敏溫度傳感器的材質(zhì)為Pt或 Au,其表面涂有一層特氟龍納米包覆層。特氟龍納米包覆層的設(shè)計(jì)可以防止微加熱器受到 電鍍液的腐蝕。
[0014] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種利用微/納米 反應(yīng)器合成金屬/碳納米管復(fù)合納米線的方法，包括如下步驟： (1) 在微流體管道中形成穩(wěn)定的不同流速的流場：通過微泵上的三個(gè)溶液注射器分別 向三個(gè)流體入口管道內(nèi)注入還原劑溶液、金屬離子溶液和碳納米管溶液，使三種溶液在微 流體管道中形成穩(wěn)定的不同的流速； (2) 碳納米管表面化學(xué)鍍反應(yīng)：待步驟（1)中注入的三種溶液層流擴(kuò)散至所述微流體 管道內(nèi)的目標(biāo)區(qū)域、混合并同向流經(jīng)所述微加熱器時(shí)，通過微加熱器在一定溫度下加熱反 應(yīng)，使金屬離子在碳納米管表面包覆，形成所述金屬/碳納米管復(fù)合納米線； (3) 樣品收集：步驟（2)中反應(yīng)得到的金屬/碳納米管復(fù)合納米線經(jīng)中間流體出口管道 流出并收集； (4) 廢液回收：步驟（2)中未參與反應(yīng)的金屬離子溶液和還原劑溶液通過兩側(cè)的流體 出口管道流出并回收。
[0015] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述步驟（1)中，所述三個(gè)溶液注射器的直徑不同， 所述還原劑溶液、金屬離子溶液和碳納米管溶液的注入速度相同；所述碳納米管溶液為超 高單分散的一維碳納米管；所述三個(gè)流體入口管道中，位于中間位置的為碳納米管溶液入 口管道，位于兩邊的分別為還原劑溶液和金屬離子溶液的入口管道；所述步驟（2)中，所述 微加熱器的可控溫度范圍為60?100°C。將化學(xué)鍍反應(yīng)生成的金屬/碳納米管復(fù)合納米線 通過不同的流體流出管道流出并回收，使其與未反應(yīng)的金屬離子溶液和還原劑溶液及時(shí)分 開，并使反應(yīng)停止，以避免不必要的金屬包覆，從而防止包覆后的碳納米管團(tuán)聚。
[0016] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述步驟（I)中，所述三個(gè)溶液注射器的直徑相同， 所述還原劑溶液、金屬離子溶液和碳納米管溶液的注入速度不同。
[0017] 微/納米反應(yīng)器芯片在高性能金屬/碳納米管復(fù)合納米線合成中具有很大的潛 力。在微/納米反應(yīng)器芯片上可以根據(jù)溶液的粘度靈活設(shè)計(jì)各種微管道和微加熱器的位 置，通過溶液在微流體通道中的層流擴(kuò)散，控制離子溶液和還原劑的結(jié)合，可控地在碳納米 管表面沉積金屬層；另外，由于微/納米反應(yīng)器芯片具有集成性優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)芯片上的化學(xué) 合成工廠。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明金屬/碳納米管復(fù)合納米線的合成及專用微/納米 反應(yīng)器，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、 本發(fā)明的微/納米反應(yīng)器通過微流體管道作為碳納米管表面金屬沉積環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡 單、制造工藝簡便、操作方便； 2、 本發(fā)明的微/納米反應(yīng)器以微流體泵控制溶液進(jìn)入微反應(yīng)器管道，相比現(xiàn)有的傳統(tǒng) 反應(yīng)器，可更加有效地控制化學(xué)還原反應(yīng)，有助于對金屬層的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行控制； 3、 本發(fā)明的微/納米反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了復(fù)合納米線的自動化合成，有利于提高反應(yīng)效率， 并且通過設(shè)定溶液的速度和濃度，使得到的復(fù)合納米線的結(jié)構(gòu)和形貌具有一致性； 4、 本發(fā)明在微/納米反應(yīng)器芯片上實(shí)現(xiàn)芯片上的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室，便于化學(xué)合成集成 在一張芯片上完成，實(shí)現(xiàn)復(fù)合納米線的可控制造。
[0019] 綜上所述，本發(fā)明的微/納米反應(yīng)器成本低廉，集成性高，操作方便，可廣泛用于 多種高性能納米線的可控合成，從而獲得超高導(dǎo)電、高機(jī)械性能等高性能的復(fù)合納米線，在 信息和國防建設(shè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明微/納米反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是所示微/納米反應(yīng)器制備金屬/碳納米管復(fù)合納米線的原理示意圖； 圖3是微/納米反應(yīng)器系統(tǒng)中流體的層流特性示意圖； 圖4是合成的銅/碳納米管復(fù)合納米線的SEM形貌圖(左）和TEM結(jié)構(gòu)圖像(右）； 附圖中各部件的標(biāo)記如下：1.集成式微納米反應(yīng)器芯片，2.玻璃蓋片，3.微流體管道， 4.流體入口管道，5.流體出口管道，6.微加熱器，7.溶液注射器，8.微泵。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能 更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0022] 如無特殊說明，本發(fā)明采用的方法均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0023] 流道的大小為流體通道的橫截面面積的大小。
[0024] 請參閱圖1至4,本發(fā)明實(shí)施例包括： 本發(fā)明揭示了一種用于合成金屬/碳納米管復(fù)合納米線專用的微/納米反應(yīng)器，包括 上下兩層結(jié)構(gòu)，其上層為集成式微/納米反應(yīng)器芯片1，其下層