专利名称：高密度记录介质的制作方法
发明
背景技术：
领域本发明涉及一种高密度记录介质，其中利用了碳纳米管中包含的富勒烯的纳米尺度的结构变化。
背景技术：
近来信息记录技术的进步已经导致磁记录介质、磁-光记录介质和热相变介质的记录密度的急剧增加。例如，光盘存储介质(如CD-ROM、CD-R、CD-RW和DVD)以及磁-光存储介质(如MO和MD)已经投入实际使用。
在这些介质中，利用材料的特性将数字信息以二进制信息“0”和“1”的方式存储。特别地，在CD-ROM和DVD-ROM中形成凹坑(在激光反射下凹坑部分和平面部分的差别被二进制化)。在CD-R和DVD-R中，利用的是有机颜料的热变形(在激光反射下变形部分和非变形部分的差别被二进制化)。CD-RW和DVD-RW利用的是相变化(在激光反射下结晶部分和无定形部分的差别被二进制化)，而MO和MD利用的是磁畴的改变(磁畴的差别被二进制化)。
然而，对于上述的基于二进制化的记录介质来说，其存储容量是有限的。特别地，根据目前二进制化的信息记录方法的二进制信息处于微米级。例如，在CD-ROM中，凹坑为0.83μm，间距为1.6μm；在DVD-ROM中，凹坑为0.64μm，间距为0.74μm。
同时，碳纳米管(CNT)有望应用于多种领域。日本专利公开特开平JP 2002-97009 A和JP 2002-97010 A公开了将多种物质包含于碳纳米管(CNT)中。特别地，这些文献描述了一种在单层碳纳米管柱中含有不同物质(如endohederal金属富勒烯)的混合单层碳纳米管。
曾经尝试采用碳纳米管作为记录介质。WO 00/48195 A1描述了以碳纳米管中富勒烯的电荷传输作用为基础记录二进制信息方法。
发明概述本发明的目的是提供一种纳米尺度的二进制化信息记录技术，其可以克服基于传统的微米尺度二进制化信息记录技术的记录介质中存储容量的限制。
本发明的上述目的通过纳米尺度的二进制化信息记录技术来实现，由此从结构上改变在其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管组成的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)中独立富勒烯的序列。
一方面，本发明提供了一种高密度记录介质，其包括含有其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)。将富勒烯序列中局部结合部分与非结合部分之间的结构差别作为二进制信息记录下来。
另一方面，本发明提供了一种记录二进制信息的方法。该方法包括用能量束照射含有其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管(SWCNT)的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)并同时加热所述复合体，从而仅有在特定位置上的富勒烯可以彼此结合。将富勒烯序列的局部结合部分与非结合部分之间的结构差别作为二进制信息记录下来。
第三方面，本发明提供了一种读取含有其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)的高密度记录介质中的二进制信息的方法，其中将富勒烯序列的局部结合部分与非结合部分之间的结构差别作为二进制信息记录下来。该方法包括以用于照射的能量束的反射率为基础读取局部结合部分与非结合部分之间的结构差别。
通过以二进制信息记录和读取单层碳纳米管中富勒烯序列的局部结合部分与非结合部分之间的纳米尺度的结构差别，本发明与传统的微米尺度的二进制化信息记录技术相比可以使存储容量就凹坑宽度来说提高约1000倍或者更多和就间距宽度来说提高约100倍或者更多，总共提高约100,000倍或者更多。
图1示意地说明了本发明的操作和原理。
图2A显示了表明内部用富勒烯C60填充的单层CNT的TEM照片。图2B显示了在加热和电子束照射后的单层CNT的TEM照片。
本发明的优选实施方案参考附图对本发明的操作及原理进行说明。图1示意地说明了本发明的思想。
制备由其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管(SWCNT)组成的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)(图1豆荚体的制备)。
加热复合体，然后用能量束(如电子束)对其进行局部照射，以使两个相邻的富勒烯相互结合，从而形成局部的双层碳纳米管(DWCNT)(通过局部照射使仅在特定位置上的富勒烯结合图1B)。局部照射必须以1纳米的量级进行，如通过电子束或X-射线束。当在特定温度下操作时，照射工艺可有望制备出较稳定的结构并提高存储精度。
由此形成的结合部分被定义为数字“0”，未被能量束照射的非结合部分被定义为数字“1”，反之亦然，从而使得富勒烯序列中的局部结合部分与非结合部分之间的结构差别作为二进制信息记录下来。当读取时，使用能量水平低于先前能量束的能量束，以避免引起进一步结合，以反射率为基础读取局部结合部分与非结合部分之间的结构差别，即二进制信息(按照二进制信息(0或1)读取结合部分和非结合部分图1C)。可以以任何方式进行读取，条件是富勒烯的结合状态的差别可以清楚地以1纳米量级的精度确定。
优选的是用于本发明的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体；CNT复合体)包含其中提供了主要由C60组成的富勒烯聚集体的CNT管。可以容易地制备或得到这种CNT复合体。由于形成富勒烯聚集体的富勒烯在形状上是高度对称的，因此可以轻易地由这种富勒烯聚集体形成形状(例如直径)高度一致的结合部分。
本发明中使用的CNT复合体由CNT和大量包含于或填充于CNT管中的富勒烯组成。这些大量的富勒烯以链状形式顺序置于CNT管中，以形成富勒烯聚集体。短语“顺序置于”在这里是指在大量富勒烯彼此相邻排布，其中所述富勒烯可以不必彼此物理地接触。
形成豆荚体结构的富勒烯复合体的典型实例是主要由C60形成的富勒烯复合体。在本发明中，优选使用具有主要由C60形成的富勒烯聚集体的CNT复合体。然而，在本发明中，可以使用具有由不同于C60的富勒烯例如C70或C82形成的富勒烯聚集体的CNT复合体。这种富勒烯复合体的实例包括含有C60和C70富勒烯形成的富勒烯聚集体以及主要由不同于C60的富勒烯例如C70组成的富勒烯聚集体。形成这种富勒烯复合体的部分或全部富勒烯可以是含有不同于碳的物质(例如金属原子)的富勒烯。
尽管其两端均封闭的CNT可以认为是一种富勒烯，但是术语“富勒烯”在这里指的是球状或近似球状的富勒烯。富勒烯应当优选为C100或者更低的富勒烯。
具有上述结构的CNT复合体可以例如按照如下方式制备。首先，提供管内中空的单层CNT。所述单层CNT可以是例如通过以下方法在没有任何特殊限制的情况下制备例如传统弧光放电法、脉冲激光沉积法或热分解法。
随后打开所述单层CNT的端部(尖端)。该单层CNT的端部可以通过以下方式有选择地打开在氧化气氛中加热(燃烧处理)，或者用具有氧化性的酸例如硝酸对其进行处理(酸处理)，或者对其进行其它形式的氧化处理。
将具有开口端的单层CNT和富勒烯在预定条件下共存，从而富勒烯可以插入(填充于)所述单层CNT管中。例如，可以将具有开口端的单层CNT和富勒烯在350～600℃(优选为400～500℃)下共存1小时或更长时间，通常为1～48小时。通常将包含于管中的富勒烯顺序排列以形成富勒烯聚集体。这样就形成了CNT复合体。作为选择，CNT复合体可以通过将其端面和/或层面已经用例如电子束照射而损坏的单层CNT与富勒烯共存的方式得到。
形成CNT复合体的单层CNT(外管)的直径应当优选为约0.8nm～2nm。具有这种尺寸的单层CNT可以轻易地制备或得到。特别优选的是直径为约1～1.8nm的单层CNT。在这种情况下，可以轻易地将富勒烯(特别是C60)填充于单层CNT中，从而轻易地制备CNT复合体。此外，这样会使得在电子束照射步骤中产生具有少量缺陷的富勒烯结合部分，这一点将在后面进行说明。术语CNT的“直径”在这里是指相对于CNT的层面厚度中心得到的值。可以使用例如透射电镜(TEM)测定该直径。
根据本发明，在加热所述CNT复合体的同时用能量束(例如电子束)进行照射。与在室温下使用电子束的情况相比，通过在加热所述CNT复合体的同时用能量束进行照射的方式可以促进对电子束引起的损伤(缺陷)进行复原。这样可以加速从富勒烯聚集体产生结合部分的反应，并同时防止(修复)由电子束照射引起的外管损伤。因此，与仅提供热能或者电子束能量的情况相比，可以在较低的温度和较短的时间内制备仅具有少量缺陷的CNT记录介质。
电子束照射期间的温度可以高于室温，例如处于60～1000℃的范围内，如优选为80～700℃，更优选为100～500℃。如果电子束照射期间的温度高于上述范围(例如在超过1000℃的高温范围内)，那么这种高温产生的使得碳分散的作用会比促进对电子束照射引起的损坏的复原作用更强烈。如果发生了这种情况，那么与在上述温度范围内进行电子束照射的情况相比，富勒烯结合部分的制备效率将会下降。从能量效率的角度来考虑，电子束照射期间的过高温度也不是优选的。另一方面，如果电子束照射期间的温度低于上述范围，那么生产富勒烯结合部分的速率会下降，或者促进对电子束引起的损坏的复原作用会降低。
用于照射CNT复合体的电子束的加速电压可以为80kV或者更高，例如通常为80kV～250kV。优选地，加速电压为100kV或者更高，或者通常为100kV～225kV。特别优选地，加速电压处于100～200kV范围内。如果加速电压太低，那么由富勒烯聚集体制备富勒烯结合部分的作用将下降。如果加速电压太高，那么由电子束照射引起的损坏可能会超过通过照射期间进行加热提供的促进损坏复原的作用。
作用于CNT复合体上的电子束照射量可以为10～2000C/cm2/min，优选为50～1000C/cm2/min，更优选为100～500C/cm2/min。电子束照射应当以上述照射水平进行约5秒至2小时。照射时间优选为15秒至1小时，更优选为30秒至30分钟。
在用电子束照射CNT复合体中使用的设备的实例是JEOL Ltd.制造的JEM-2010。
根据本发明，可以通过调节热能量和电子束能量之间的平衡状态(它们两个这样提供，以使两个单独的能量合并起来能产生协同效应)而显著地提高富勒烯结合部分的制备效率及其质量(例如很少的缺陷和均一的形状)。这种能量供应条件的优选组合的实例包括当电子束照射期间为约80～700℃，优选为200～500℃，用于照射的电子束的加速电压为约80～250kV，优选为100～200kV。
其中以顺序包含富勒烯结合部分和非结合部分的CNT可以优选地通过以下方式制备用加速电压为80～150kV、或者更优选为100～430kV的电子束进行照射，并同时加热CNT复合体至约70～250℃、或者更优选100～200℃。电子束的密度应当优选为0.5至5×10-11A/cm2，更优选为1至3×10-11A/cm2。
实施例(CNT复合体的制备实施例)对平均直径为1.5nm的单层CNT复合体进行酸处理，以打开其尖端。将具有这种开口尖端的单层CNT与C60混合，在真空中于450℃下保持(真空度1.0×10-3Pa)24小时。当用透射电镜(TEM)在放大倍数为×500,000的条件下对得到的产物进行观察时，得到如图2A所示的TEM照片，表明富勒烯C60填充于单层CNT内。顺序排布富勒烯C60以形成富勒烯聚集体。这样就制备了含有主要由C60组成的富勒烯聚集体的CNT复合体。
(富勒烯的结合)然后将由此制备的CNT复合体在真空(真空度1.0×10-3pa)中于400℃下保持(预加热)1小时。然后在相同条件下(温度和真空度)用加速电压约为120kV的电子束照射该CNT复合体约5分钟(电子束照射量约200～250C/cm2/min)。电子束密度约为3至5×10-11A/cm2。在上述条件下用TEM观察由此加热和电子束照射过的制品。结果，得到TEM照片，如图2B所示，其显示了两个富勒烯分子结合的位置和另外的单个富勒烯分子独立存在的位置。
本发明提供了一种具有其中富勒烯插入碳纳米管中的豆荚体结构的纳米尺度高密度记录介质。，本发明的高密度记录介质的容量比传统记录介质的容量高得多，因此可以应用于多种领域。
权利要求
1.一种包括含有其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)的高密度记录介质，其中将富勒烯序列中局部结合部分与非结合部分之间的结构差别作为二进制信息记录下来。
2.一种以二进制信息记录含有其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)中结合部分与非结合部分之间的结构差别的方法，所述方法包括用能量束照射所述复合体并同时加热该复合体，从而使得仅有处于特定位置上的富勒烯彼此结合。
3.一种读取包括含有其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)的高密度记录介质的方法，其中将所述富勒烯序列的局部结合部分与非结合部分之间的结构差别作为二进制信息记录下来，所述方法包括用能量束照射所述介质，并以能量束的反射率为基础读取所述局部结合部分与非结合部分之间的结构差别。
全文摘要
一种含有其中顺序插入富勒烯的单层碳纳米管的富勒烯/碳纳米管复合体(豆荚体)的高密度记录介质。将富勒烯序列中局部结合部分与非结合部分之间的结构差别作为二进制信息记录下来。本发明可以克服以微米级二进制化信息记录技术为基础的传统介质的记录容量的限制，并提供了一种纳米级二进制化信息记录技术。
文档编号H01L51/00GK1614705SQ20041008861
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月5日 优先权日2003年11月7日
发明者木下圭介 申请人:丰田自动车株式会社