專利名稱：利用金屬－有機化學(xué)氣相沉積形成碳纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用金屬-有機化學(xué)氣相沉積法形成碳纖維的方法，更具體地，本發(fā)明涉及在低于450℃的低溫下利用金屬-有機化學(xué)氣相沉積法形成碳纖維的方法。
背景技術(shù)：
自從發(fā)現(xiàn)了碳納米管和碳纖維的優(yōu)良結(jié)構(gòu)和電特性以來，已經(jīng)對碳納米管或碳纖維在場致發(fā)射器件(FED)、燃料電池、半導(dǎo)體器件等中的應(yīng)用開展了大量的研究。具體地，當(dāng)用作FED的發(fā)射極時，碳纖維提供了許多優(yōu)點如低驅(qū)動電壓、高亮度和富有競爭力的價格等。形成碳纖維的常規(guī)方法包括弧光放電，激光燒蝕(laser ablation)，化學(xué)氣相沉積(CVD)，及等離子體增強的化學(xué)氣相沉積(PECVD)。然而，當(dāng)利用這些方法形成碳纖維時，需要高于800℃的高溫，該高溫會不利地影響器件的實現(xiàn)。因此，需要在低溫下形成碳纖維的方法。例如，在低溫下，可以采用催化劑材料或等離子體方法形成碳纖維。然而，這些方法仍然需要高于600℃的較高的溫度。所以，當(dāng)利用這些方法時，對形成碳纖維的處理溫度的降低存在限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在低于450℃的低溫下利用金屬-有機化學(xué)氣相沉積法形成碳纖維的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種形成碳纖維的方法，其包括在將基底裝入反應(yīng)室中之后，加熱該基底并將基底保持在200～450℃的溫度下；制備含Ni的有機金屬化合物；通過蒸發(fā)該有機金屬化合物，形成有機金屬化合物蒸氣；及通過促進所述反應(yīng)室中有機金屬化合物蒸氣和含臭氧的反應(yīng)氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，在基底上形成碳纖維。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種制備場致發(fā)射器件的方法，其包括制備基底；在該基底上順序形成陰極，絕緣層，及柵極；通過構(gòu)圖該絕緣層和柵極，形成至少一個暴露陰極的發(fā)射極孔(emitter hole)；在包括所述陰極、絕緣層和柵極的堆疊結(jié)構(gòu)的整個表面上涂布光致抗蝕劑；除去涂布于所述發(fā)射極孔中這部分陰極上的光致抗蝕劑部分；將基底的溫度保持在200～450℃；制備含Ni的有機金屬化合物；通過蒸發(fā)該有機金屬化合物，形成有機金屬化合物蒸氣；通過促進所述發(fā)射極孔中有機金屬化合物蒸氣與含臭氧的反應(yīng)氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，在陰極上的發(fā)射極孔中形成碳纖維；及從所述堆疊結(jié)構(gòu)中除去光致抗蝕劑。
所述有機金屬化合物可以為選自Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2中的一種物質(zhì)。有機金屬化合物還可以包括作為溶劑的正庚烷。在這種情況下，正庚烷中有機金屬化合物的濃度為0.05～0.5M。有機金屬化合物的蒸發(fā)溫度可以保持為140～200℃。臭氧可以150g/m3或以上的流量(flowrate)提供。碳纖維可以垂直生長?；卓梢詾椴ＡЩ?，藍(lán)寶石基底，塑料基底，及硅基底中的一種。
根據(jù)本發(fā)明，碳纖維可以在低溫過程中生長，即在200～450℃的溫度范圍內(nèi)生長。


通過參照附圖詳述其示例性實施方案，本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點將變得更加顯而易見，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方案形成碳纖維的方法的示意圖；圖2A和圖2B分別為利用圖1的形成碳纖維的方法在基底上生長的碳纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)照片和剖視圖；圖3為圖2所示的碳纖維的拉曼光譜；圖4A至圖4I為根據(jù)本發(fā)明實施方案形成碳纖維的方法的剖視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中圖示了本發(fā)明的示例性實施方案。附圖中，為了清楚，放大了各層和各區(qū)域的厚度。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案形成碳纖維的方法的示意圖。圖2A和圖2B分別為利用圖1的形成碳纖維的方法在基底上生長的碳纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)照片和剖視圖。圖3為圖2所示的碳纖維的拉曼光譜。
參照圖1，在將基底10裝入反應(yīng)室5中之后，加熱該基底10。將基底10保持在200～450℃的溫度下，優(yōu)選保持在350℃。構(gòu)成基底10的材料不作具體限制。基底10可以為例如玻璃基底，藍(lán)寶石基底，塑料基底，或者硅基底。
制備包括Ni的有機金屬化合物。接著，通過蒸發(fā)該有機金屬化合物，形成有機金屬化合物蒸氣。有機金屬化合物可以為Ni(dmamb)2(1-二甲基氨基-2-甲基-2-丁酸根合鎳(Nickel 1-dimethlamino-2-methyl-2-butanolate))。例如，有機金屬化合物可以選自Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2。在本發(fā)明的實施方案中，正庚烷還可以包括在有機金屬化合物中作為溶劑。在這種情況下，正庚烷中的有機金屬化合物的濃度保持為0.05～0.5M。有機金屬化合物的蒸發(fā)溫度保持在140～200℃，優(yōu)選保持在180℃。
接著，通過提供有機金屬化合物蒸氣和包含臭氧(O3)的反應(yīng)氣體，促進化學(xué)反應(yīng)，以在基底10上生長碳纖維20。臭氧可以150g/m3或以上的流量提供，以保證其與有機金屬化合物蒸氣充分地進行化學(xué)反應(yīng)。
如圖1、圖2A和圖2B所示，利用上述方法，碳纖維20可以垂直生長在基底10上。通過分析圖3的拉曼光譜，可以證實根據(jù)上述方法形成的碳纖維20中的G-帶和D-帶。
根據(jù)本發(fā)明實施方案，碳纖維20可以在200～450℃的低溫范圍內(nèi)生長。在根據(jù)本發(fā)明實施方案的碳纖維20的制備中，用作源材料的有機金屬化合物容易在較低溫度即低于450℃的溫度下分解，從而能夠降低碳纖維生長溫度。具體地，因為有機金屬化合物包含Ni，而Ni是在低溫下生長碳纖維所需的催化劑材料，所以當(dāng)有機金屬化合物分解時，Ni可以充當(dāng)催化劑，并且與Ni金屬結(jié)合的配位體物質(zhì)可以用作碳源。因此，在根據(jù)本發(fā)明實施方案的形成碳纖維的方法中，通過僅提供有機金屬化合物，即可同時提供碳源和Ni催化劑 所以，在本發(fā)明實施方案中，可以省略催化劑材料沉積過程，即所述形成碳纖維的方法比常規(guī)的2-步法簡單，該2-步法包括催化劑材料沉積過程和碳源提供過程。
通過將Ni(C7H17NO)2溶解在正庚烷中，制備0.1～0.2M的Ni(C7H17NO)2溶液，作為源材料(有機金屬化合物)。接著，利用CVD方法，通過使臭氧與該源材料反應(yīng)，生長直徑為數(shù)十納米(nm)的碳纖維。
更具體地，基底的溫度為250～350℃，在利用蒸發(fā)器蒸發(fā)之后，向反應(yīng)室中提供有機-金屬源材料。使該蒸發(fā)器保持在180℃的溫度下，利用噴頭(shower head)法將有機-金屬源材料提供到基底上。在將有機-金屬源材料提供到基底上之后，向反應(yīng)室中提供臭氧作為反應(yīng)氣體。通過上述過程，隨著有機-金屬源材料(有機金屬化合物)的分解，利用Ni作為催化劑并利用配位體作為碳源，合成碳纖維。碳纖維的生長與所提供的臭氧的量密切相關(guān)。換言之，當(dāng)臭氧流量大于150g/m3時，碳纖維生長良好。在本實驗中，生長碳纖維所需的時間約為10分鐘，并且使用Si基底。
因為采用這種方法形成的碳纖維是發(fā)射極，即它們根據(jù)施加于其上的電壓發(fā)射電子，所以該形成碳纖維的方法可以用于制備場致發(fā)射器件。
在下文中，現(xiàn)在將參照附圖描述制備場致發(fā)射器件的方法。
圖4A至4I為根據(jù)本發(fā)明實施方案形成碳纖維的方法的剖視圖。在所述形成碳纖維的方法中，將不再重復(fù)上面已經(jīng)描述的部分。
參照圖4A至4C，在制備基底100后，在該基底100上順序形成陰極102、絕緣層104和柵極106。然后，通過蝕刻/構(gòu)圖絕緣層104和柵極106的預(yù)定區(qū)域，形成至少一個暴露陰極102的發(fā)射極孔200。
構(gòu)成基底100的材料不作具體限制?；?00可以為例如玻璃基底，藍(lán)寶石基底，塑料基底，或者硅基底。陰極102和柵極106可以由導(dǎo)電材料例如金屬如Al、Ag、Cu等，或者導(dǎo)電氧化物如氧化銦錫(ITO)等構(gòu)成。絕緣層104可以由絕緣材料如SiO2等構(gòu)成。此外，陰極102、絕緣層104和柵極106均可以利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的薄膜沉積方法，例如物理氣相沉積(PVD)如濺射，熱蒸發(fā)，或者化學(xué)氣相沉積(CVD)來形成，因而將省略其描述。
參照圖4D，在包括陰極102、絕緣層104和柵極106的堆疊結(jié)構(gòu)的整個表面上涂布光致抗蝕劑108。接著，參照圖4E和4F，通過選擇性地曝光/顯影在陰極102上涂布的這部分光致抗蝕劑108，暴露發(fā)射極孔200中的這部分陰極102。在本發(fā)明實施方案中，為了除去光致抗蝕劑108，可以順序進行曝光過程、顯影過程和蝕刻過程。
參照圖4G，加熱基底100并使其保持在200～450℃的溫度下，然后向發(fā)射極孔200中提供有機金屬化合物蒸氣和含臭氧的反應(yīng)氣體，以促進兩者之間的化學(xué)反應(yīng)。因而，碳纖維120生長在發(fā)射極孔200中的陰極102上。碳纖維120還可以形成在光致抗蝕劑108上。生長在光致抗蝕劑108上的碳纖維120可以在隨后的過程中與光致抗蝕劑108一起除去。上面已經(jīng)詳述了生長碳纖維120的方法，因此不再重復(fù)所述描述。
參照圖4H和4I，當(dāng)蝕刻保留在堆疊結(jié)構(gòu)上的光致抗蝕劑108時，可以實現(xiàn)圖4I所示的場致發(fā)射顯示器(FED)。上述碳纖維生長過程為1步法，并且碳纖維120容易形成在發(fā)射極孔200中。所以，通過簡單和容易的過程，可以形成FED，從而降低制備成本。
根據(jù)本發(fā)明，碳纖維可以在低溫過程中利用有機-金屬化學(xué)氣相沉積方法生長，在該方法中溫度保持在200～450℃。在根據(jù)本發(fā)明的形成碳纖維的方法中，用作源材料的有機金屬化合物在較低的溫度下，即在450℃以下的溫度下分解，這有利于降低碳纖維生長溫度。具體地，因為有機金屬化合物包含作為生長碳纖維所需的催化劑的Ni，所以當(dāng)有機金屬化合物分解時，Ni充當(dāng)催化利，并且與Ni結(jié)合的配體物質(zhì)用作碳源材料。因此，在所述形成碳纖維的方法中，通過僅提供有機金屬化合物，同時提供碳源和Ni催化劑。因此，在本發(fā)明中，可以省略催化劑材料分解過程，即所述形成碳纖維的方法比包括催化劑材料分解過程和碳源提供過程的常規(guī)2-步法簡單。
此外，因為采用該方法形成的碳纖維為發(fā)射極，即它們根據(jù)施加于其上的電壓發(fā)射電子，所以所述形成碳纖維的方法可以用于制備FED。
盡管已經(jīng)參照其示例性實施方案具體地給出和說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對其進行各種形式和內(nèi)容上的變化，而不脫離權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種形成碳纖維的方法，包括在將基底裝入反應(yīng)室中之后，加熱該基底并將其保持在200～450℃的溫度下；制備含Ni的有機金屬化合物；通過蒸發(fā)該有機金屬化合物，形成有機金屬化合物蒸氣；及通過促進所述反應(yīng)室中有機金屬化合物蒸氣與含臭氧的反應(yīng)氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，在基底上形成碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述有機金屬化合物為選自下列的物質(zhì)Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述有機金屬化合物還包括作為溶劑的正庚烷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述有機金屬化合物在正庚烷中的濃度保持為0.05～0.5M。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述有機金屬化合物的蒸發(fā)溫度保持為140～200℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中臭氧以150g/m3或以上的流量提供。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述碳纖維垂直生長。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述基底為玻璃基底，藍(lán)寶石基底，塑料基底，及硅基底中的一種。
9.一種利用權(quán)利要求1的方法形成的碳纖維。
10.一種制備場致發(fā)射器件的方法，包括制備基底；在該基底上順序形成陰極，絕緣層，及柵極；通過構(gòu)圖該絕緣層和柵極，形成至少一個暴露陰極的發(fā)射極孔；在包括所述陰極、絕緣層和柵極的堆疊結(jié)構(gòu)的整個表面上涂布光致抗蝕劑；除去涂布于所述發(fā)射極孔中這部分陰極上的光致抗蝕劑部分；將基底的溫度保持為200～450℃；制備含Ni的有機金屬化合物；通過蒸發(fā)該有機金屬化合物，形成有機金屬化合物蒸氣；通過促進所述發(fā)射極孔中有機金屬化合物蒸氣與含臭氧的反應(yīng)氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，在陰極上的發(fā)射極孔中形成碳纖維；及從所述堆疊結(jié)構(gòu)中除去光致抗蝕劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述有機金屬化合物為選自下列的物質(zhì)Ni(C5H5)2，Ni(CH3C5H4)，Ni(C5H7O2)2，Ni(C11H19O2)2，Ni(C7H16NO)，及Ni(C7H17NO)2。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述有機金屬化合物還包括作為溶劑的正庚烷。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述正庚烷中的有機金屬化合物的濃度保持為0.05～0.5M。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述有機金屬化合物的蒸發(fā)溫度保持為140～200℃。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中臭氧以150g/m3或以上的流量提供。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述碳纖維垂直生長。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述基底為玻璃基底，藍(lán)寶石基底，塑料基底，及硅基底中的一種。
18.一種利用權(quán)利要求10的方法形成的場致發(fā)射器件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在低于450℃的低溫下利用有機－金屬蒸發(fā)法形成碳纖維的方法。該形成碳纖維的方法包括在將基底裝入反應(yīng)室中之后，加熱該基底并將基底保持在200～450℃的溫度下；制備含Ni的有機金屬化合物；通過蒸發(fā)該有機金屬化合物，形成有機金屬化合物蒸汽；及通過促進所述反應(yīng)室中有機金屬化合物蒸汽與含臭氧的反應(yīng)氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，在基底上形成碳纖維。
文檔編號H01L21/205GK1990909SQ20061012147
公開日2007年7月4日 申請日期2006年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者樸星昊, 李明宰, 具俊謨, 徐范錫 申請人:三星電子株式會社