使用充电元件、模板和过滤器用于选择性沉积纳米管的装置的制造方法
【专利说明】使用充电元件、模板和过滤器用于选择性沉积纳米管的装置
[0001]本发明涉及一种用于加工材料的装置，并且特别地涉及一种用于加工具有纳米级截面的粒子的装置，例如碳纳米管，以形成电路或装置。
[0002]碳以许多不同的同素异形体形态存在，例如金刚石和石墨。尽管这两种材料由碳原子组成，但它们具有非常不同的物理和电气性质。碳还可以形成具有球形形状的同素异形体，被称为富勒烯，或者由单层石墨分子形成的薄片，被称为石墨烯。碳还可以被加工以使其具有圆柱形纳米结构，并且这一同素异形体被称作碳纳米管(CNT)。CNT的尺寸以及CNT中碳原子的几何形状将决定CNT的特性。已经得到证明，碳纳米管可被大量地制造，并且具有特定的直径和手性，这意味着它们具有金属导体的特性。人们认为用这种CNT制造的导线可以获得在电学和物理特性上的明显优势。例如，理论上预测，这种CNT导线将具有比铜或者银导体更低的电阻，而且它们不会受到存在于铜导体中的趋肤效应，其性能随着通过它们的交流电流的频率增加而降低。另外，已经证明CNT可被用于数据传输。物理上，CNT导线已经被证明是高挠性并且非常坚固的，因此适于制造非常精细而又坚固的结构。
[0003]此外，人们相信可以处理CNT以便制造简单结构，例如具有非常精密的尺寸的纳米线(例如，用于高频电路)，或更复杂的结构，例如用于电子或者光子电路的装置。
[0004]存在电子电路元件的小型化倾向，其理想地需要单独的大分子和纳米级粒子。技术挑战存在于在基板上将单独的纳米管组装成精确控制的结构。碳纳米管是适于该用途的现代纳米级材料的一个例子；与互连和晶体管一样。然而，本发明适用于其他形式的纳米管，纳米线和纳米级微粒。
[0005]根据本发明的第一方面，提供一种装置，该装置包括:腔室；用于允许分散在流体中的微粒进入该腔室的入口 ；模板，该模板被构造为，使得在使用中，穿过该模板的微粒被选择性地沉积在基板上，该基板邻近于所述模板而被接纳；充电元件，该充电元件延伸跨越该腔室并且位于入口和模板之间，使得在使用中，该充电元件可将电荷施加在进入该腔室的微粒上；以及过滤器元件，该过滤器元件延伸跨越该腔室并且位于充电元件和模板之间，使得在使用中，第一电信号被施加至过滤器元件以使所述微粒被吸引至过滤器元件。
[0006]该模板可以包括单个或者多个模板区域，每个模板区域为具有不同图案的孔/洞的纳米孔膜片，其可被接纳在由绝缘材料形成的框架之内。此外，电势可被选择性地施加至该多个模板区域的一个或多个上。
[0007]仅仅作为举例，现在将参考附图描述本发明的实施例，其中:
[0008]图1示出了根据本发明的装置的示意图；
[0009]图2示出了根据本发明的装置的第二实施例的示意图；
[0010]图3是穿过模板并且被沉积在基板上的碳纳米管的示意图；
[0011]图4a至图4c示出了对于不同操作模式在装置的腔室内的电势的轮廓的示意图；并且
[0012]图5是根据本发明的装置的进一步实施例的示意图。
[0013]图1示出了根据本发明的装置100的截面图，其包括腔室110，阀120、150和160，充电/放电元件130，通断过滤器140，模板膜片170和基板180。该装置进一步包括位于腔室外部并靠近该腔室的第一充电板192和第二充电板194。第一充电板被接纳在输入阀120的周围，并且第二充电板位于基板180附近。
[0014]运行中，该腔室填充有流体或者凝胶溶剂，例如通过入口阀120，其内分散有多个纳米管，例如通过如声处理的工艺。可以使用非极性的有机溶剂，例如氯仿。同样可以使用离子或者水溶剂，适于分散该微粒而不与它们反应将决定溶剂的选择。
[0015]如从以下讨论中可以更具体地看出，跨越单元的充电的可渗透元件被使用以便提供一些不同的功能效果。例如，元件可用来向纳米管提供电荷:另外的元件可用来控制纳米管通过单元的移动；并且进一步的元件可以用作模板台，其控制碳纳米管在基板上的沉积。
[0016]可替换地，如果平行金属网(其可以具有更大的孔)被用来产生需要的电场，则非导电的无机纳米孔膜片可被用于物理模板。这种复合结构的一个优点是金属网可被隔离以防止电荷被传送至纳米管。就充电/放电平台来说，电荷转移是期望的结果，并且因此不会使用绝缘材料。
[0017]这些元件，特别是充电/放电元件130，通断过滤器140以及模板膜片170，可以包括由在其中已经形成有纳米孔阵列的石墨烯的层形成的膜片(例如见ΗBayley," Nanotechnology:Holes with an edge"，Nature，467，164-165页(2010年9月9 日)，以及 S.Garaj 等，"Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane"，Nature，467，190-193(2010 年 9 月 9 日))。
[0018]利用第一充电板192和第二充电板194，电场被施加至位于靠近入口阀120的区域内的腔室。第一和第二充电板可以包括密集金属点阵，其可由导电的纳米孔膜片形成，例如石墨烯。
[0019]本发明使用模板膜片170与电场结合以引导纳米管在基板180上的放置。模板膜片包括纳米孔图案，通过施加电场能够牵拉纳米管而通过所述纳米孔图案。该模板通过控制所述区域上的电场轮廓而被启动。这是通过控制单元外部的电场并且通过改变模板膜片的平面内的电势这两者来进行的。模板处的导电平面(或者模板膜片本身，或者覆盖模板的平行导电网)通过单元的壁与外部电势连接，并且可被充电或者放电，这允许膜片的电势被改变。为了初始化或者暂停纳米管通过模板膜片的流动，模板处的电势被设置为最小值。
[0020]图4示出了在不同的模式中:初始化/暂停，牵拉，反转/清除，模板膜片和基板的区域中的纳米管的电势分布图。
[0021]当把纳米管牵拉至基板的表面上时，模板上的电荷减小，并且与基板相邻的外部板194上的电荷增加。这使基板处的电势设置为最小值，使得纳米管被吸引并且保持在基板表面处。在放置期间该基板可以相对于模板膜片被移动，例如利用压电致动器，以使纳米管以受控方式被沉积在基板上。
[0022]充电/放电元件130的目的在于对纳米管充电，以便改变它们对于电场的响应。对纳米管充电还将有助于保持它们分离并且会减少纳米管捆在一起的可能性，尽管溶剂将会起到同样的作用。
[0023]充电/放电元件同样可以被用来选择性地对不同类型的纳米管充电。纳米管将朝向充电元件130移动，该充电元件延伸跨越腔室的整个宽度。该充电/放电元件包括如下材料:电势可以施加在该材料上，并且该材料可以在纳米管穿过该材料时将电荷转移至所述纳米管。通过适当地施加电势，充电/放电元件可以对于导电的和半导体的纳米管具有不同的影响。例如，其可以用来选择性地仅仅对金属纳米管充电。如果纳米管最初是半导体的纳米管和金属纳米管的混合物，然后如果充电电极的电势不足以向半导体的导带传递电子，则金属纳米管可被优先充电。取决于施加至充电元件的电势，可以向纳米管充正电或者负电，或者甚至如果已经被充电可以放电。
[0024]该充电/放电元件130可以包括由纳米级半导体材料形成的栅格，例如跨越单元延伸或者被支撑在多孔介电膜片上的半导体纳米管的细网。可选的，可以使用具有连续地布置在表面上的纳米孔的多个平行的充电膜片。进一步可选的是，该元件可以采用具有较大