专利名称：均一的单壁碳纳米管网状结构的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及碳纳米管，更具体地涉及单壁碳纳米管网状 结构。
背景技术：
碳是已知的最重要元素之一，并可与氧、氢、氮等结合。碳具有
已知的四种独特晶体结构，包括金刚石、石墨、富勒烯(fullerene) 和碳纳米管。碳纳米管具体是指生长的具有单壁或多壁的螺旋管状结 构，并通常分别称为单壁纳米管(SWNTs)，或多壁纳米管(MWNTs)。 通过由多个六边形结构形成的片层的巻曲而得到这些类型的结构。通 过使片层的各个碳原子与三个相邻的碳原子结合形成螺旋状管而形成 所述的片层。碳纳米管典型地具有几分之一纳米 几百纳米数量级的 直径。
根据所述螺旋状管的巻曲形状和直径，碳纳米管或者可以象金属 一样作为导体，或者可以作为半导体。利用金属性的纳米管，已经发
现一维的碳基结构可在室温下基本无阻抗地传导电流。此外，可以认 为电子自由地移动通过所述结构，因而金属性的纳米管可用作理想的 互连结构。当半导体纳米管被连接到两个金属电极上时，所述结构可 用作场效应晶体管，其中通过在栅极上施加电压，所述纳米管可从导 电状态切换到绝缘状态。已经表明，碳纳米管产生的每单位沟道宽度 的跨导大于硅晶体管。从而，由于它们独特的结构、物理和化学性质， 碳纳米管是用于纳米电子器件的潜在构成单元。
现有的纳米管生产方法包括电弧放电和激光烧蚀技术。这些方法 典型地产生具有纳米管束的疏松材料。近来，据Chem. Phys. Lett. 292，567 (1988)中由J.Kong, A,M. Cassell和H Dai，和在Chem. Phys Lett. 296, 195 (1998)中由J. Hafner, M, Bronikowski, B. Azamian， P. Nikoleav, D. Colbert, K. Smith和R. Smalley报道，利用Fe/Mo或Fe纳米粒子作为 催化剂，通过热化学气相沉积(CVD)方法证明形成了高质量的独立 单壁碳纳米管(SWNTs)。所述CVD方法允许独立SWNT的选择性生长， 并简化了用于制备SWNT基器件的方法。典型地，在CVD方法中可用 于促进SWNT生长的催化剂材料的选择包括铁、钴和镍粒子。
纳米管的网状结构通过在所述网状结构的相对侧放置源极和漏 极，并在其间接近所述纳米管处放置栅极而表明可作为场效应晶体管。 因为其允许多路电流，所述纳米管网状结构具有明显的优点。即使所 述网状结构内的一些纳米管是金属性的，只要它们不使整个沟道短路， 所述的纳米管网状结构就可作为半导体沟道。通过在催化的衬底上生 长或通过将衬底悬浮在碳纳米管的溶液中，容易制备碳纳米管网状结 构。然而，由于纳米管直径和密度的不一致，结果较差。碳纳米管的 物理和化学性质随它们的直径(载流能力)和螺旋度(决定是金属性 的或半导体性的)而变。不同的纳米管直径导致独立纳米管的可变带 隙，而独立纳米管的可变带隙导致所述纳米管网状结构的非均一的电 子特性。
因而，希望提供一种具有改进的电一致性的碳纳米管网状结构。 此外，由本发明随后的详细说明和所附的权利要求，结合附图和本发 明的该背景技术，本发明其它希望的特征和特性将是显而易见的。
发明内容
本发明提供了用于生长相同直径纳米管的网状结构的装置和方 法。所述装置包括化学功能化衬底的一部分；在所述衬底的所述部分 上锚定各自具有基本相同直径的催化剂纳米粒子；在所述催化剂纳米 粒子上重叠生长各自具有基本相同直径的碳纳米管。
下文将结合
本发明，其中同样的附图标记表示同样的部 件，及
图1-3是准备用于生长碳纳米管的结构的俯视图和横截面图； 图4是根据本发明第一实施方式，具有位于其上的催化纳米粒子 的图2结构；
图5是根据本发明第一实施方式，具有在其上生长的碳纳米管的 图4结构的等距视图6是具有置于其上的传导电极的图4第一实施方式的等距视图； 图7是本发明第二实施方式的切断等距视图；和 图8是本发明第三实施方式的框图。
发明详述
以下本发明的详细说明实际仅为示例作用，而非意图限制本发明 或本发明的应用和用途。此外，不意于受限于本发明之前背景技术中 出现的任何理论或受限于本发明以下的详细说明。
参考图1，在器件10的衬底12上形成保护层(resist) 14。所述 衬底12优选包括在硅上的二氧化硅，但也可选择性地包括例如玻璃、 陶瓷或柔性衬底。所述保护层包括任何常用于半导体工业的保护层。 任选地，可以不用所述保护层14，而通过本行业普通技术人员已知的 冲压技术形成层18，如下面讨论的。
参考图2，例如通过光蚀刻而除去保护层14的一部分，以露出所 述衬底12的部分16。尽管在图2的器件20中仅露出所述衬底12的一 个部分16，应理解为在单独的衬底12上可存在许多部分16，可能存 在几千或更多个。
参考图3，通过暴露于辐射下、或将所述器件20浸入润湿溶液中、 或暴露于氨丙基三乙氧基硅垸(APS)的蒸汽下而将所述部分16化学
功能化，从而在所述衬底12的部分16上形成层18。尽管APS是优选 的溶液，但也可使用任何在所述衬底上产生带电表面以使得可与带相 反电荷的催化纳米粒子产生静电相互作用的化学品或多层化学品。在 所述化学功能化表面和所述纳米粒子之间的静电相互作用将所述纳米 粒子固定在选定的区域内。所述层18将具有例如5.0 1000埃范围内 的厚度。
参考图4，通过将器件30浸入含有所述催化剂纳米粒子22的润 湿溶液内，可将直径确定的催化剂纳米粒子22锚定到所述层18上。 APS对所述催化剂纳米粒子22具有亲合力(静电吸引)。所述催化剂 纳米粒子22优选包括镍、铁、钴或其任意组合，但还可包括许多其它 材料的任意一种，所述其它材料包括过渡金属或其合金，例如Fe/Co、 Ni/Co或Fe/Ni。所述含有催化剂纳米粒子22的润湿溶液可包括可使所 述催化纳米粒子单分散性悬浮的任何溶剂。所述纳米粒子的直径范围 将在0.5纳米 5纳米内，但对于随后讨论的晶体管或传感器应用，优 选约为1.0 2.0纳米厚。然后或者通过湿法蚀刻或者通过干法蚀刻将 所述保护层14除去。或者，可在将所述器件30浸入所述润湿溶液之 前除去所述保护层14。
参考图5，在450'C 100(TC之间，但优选在850'C下，通过将所 述器件40暴露于氢气(H2)和含碳气体例如甲垸(CH4)下而进行化 学气相沉积(CVD)。因为可以控制变量如温度、气体输入和催化剂， CVD是优选的生长方法。因此，可从纳米粒子22生长碳纳米管24， 从而形成相连的碳纳米管24的网状结构26。尽管仅示出了一些碳纳米 管24，但本领域普通技术人员应理解，可生长大量的碳纳米管24。通 过利用具有相同直径的纳米粒子22，所述纳米管24将以类似的同样直 径生长。可通过沉积具有所需直径的催化纳米粒子22而选择所述碳纳 米管的所需直径。所述碳纳米管24可以生长为金属性的或者半导体性 的。可以本领域普通技术人员已知的任何方式生长所述纳米管24，典 型地为100 nm 1 cm长和直径小于1 nm 100nm。
参考图6，将传导电极28置于器件50的所述网状结构26侧的所 述碳纳米管24上。所述传导电极28可以包括任何传导材料，但优选 包括铬和金层、钛和金层、钯层或金层。在制造过程中使所述纳米管 24和传导电极28接触，例如通过任何类型的平板印刷、电子束、光学、 软平板印刷或压印技术。
在一个实施方式中，器件60的所述传导电极28可分别用作源极 和漏极。或者可以将栅极32埋入所述衬底，例如所述衬底12的部分 16下(未示出)，或者可将栅极32置于所述碳纳米管24上，如图7 的器件70所示那样通过介电层34与其隔离。
图8说明其中图6的器件用作传感器的实施方式。例如，当分子 自附着到纳米结构如碳纳米管24时，以本领域普通技术人员已知的方 式可测量所述材料变化的特征，如所述纳米管24内电流的变化。通过 测量这种电流的变化，已知可以确定附着到所述碳纳米管24上的分子 数量，并从而确定与所述碳纳米管24周围环境中分子浓度的相关性。 此外，可用用于确定具体环境试剂的物质涂覆所述纳米结构。且尽管 对于可测量的材料特性，电流变化是优选的实施方式，但其它实施方 式包括，例如，磁性、光学、频率和机械特性。所述示例性的系统80 包括器件60,例如，使其一个电极28耦合到电源36例如电池上。电 路38确定所述电极28之间的电流，并将该信息提供到处理器42。例 如所述信息可以从所述处理器42传递到显示器44、报警器46和/或RF 传输器48。
尽管在本发明前面的详细说明中出现了至少一个示例性的实施方 式，应理解存在大量的变体。还应理解的是所述示例性实施方式或多 个示例性实施方式仅是实施例，并非意欲以任何方式限制本发明的范 围、适用性或构造。而是上面的详细说明将给本领域普通技术人员提 供一种用于完成本发明示例性实施方式的便利指导。应理解，不偏离
由所附的权利要求中限定的本发明的范围，可对在示例性实施方式中 描述的部件功能和排列进行各种改变。
权利要求
1. 一种制造碳纳米管网状结构的方法，其包括将衬底的一部分化学功能化；将各自具有基本相同直径的催化剂纳米粒子锚定在所述衬底的所述部分上；从所述催化剂纳米粒子上重叠生长各自具有基本相同直径的碳纳米管。
2. 权利要求l的方法，其中所述化学功能化包括施加氨丙基三乙 氧基硅烷。
3. 权利要求1的方法，其中所述化学功能化包括在所述衬底上形 成具有第一电荷的层。
4. 权利要求3的方法，其中所述锚定步骤包括锚定带有与第一电 荷相反的第二电荷的催化剂纳米粒子。
5. 权利要求1的方法，还包括在所述衬底部分的相对侧沉积传导 电极，各个传导电极耦合到所述碳纳米管，从而通过所述碳纳米管形 成从一个电极到另一个电极的电流通路。
6. 权利要求5的方法，还包括通过在所述碳纳米管附近沉积栅极 而形成场效应晶体管。
7. 权利要求5的方法，还包括 将所述电极耦合到电路上； 确定分子何时自附着到所述碳纳米管上。
8. —种形成碳纳米管网状结构的方法，包括提供衬底；将所述衬底上的层化学功能化；在所述层上形成多个各自具有基本相同直径的催化纳米粒子；和 从每个所述的多个催化剂纳米粒子以重叠方式生长碳纳米管。
9. 权利要求8的方法，其中所述化学功能化包括施加氨丙基三乙 氧基硅垸。
10. 权利要求8的方法，其中所述生长步骤包括在每个所述的多 个催化剂纳米粒子上生长具有相同直径的碳纳米管。
11. 权利要求8的方法，其中所述化学功能化包括在所述衬底上 形成具有第一电荷的层。
12. 权利要求ll的方法，其中形成多个催化纳米粒子包括形成多 个带有与所述第一电荷相反的第二电荷的催化剂纳米粒子。
13. 权利要求8的方法，还包括在所述碳纳米管的相对侧沉积传 导电极，各个传导电极电耦合到所述碳纳米管，从而通过所述碳纳米 管形成从一个电极到另一个电极的电流通路。
14. 权利要求13的方法，还包括通过在所述碳纳米管附近沉积栅 极而形成场效应晶体管。
15. 权利要求13的方法，还包括 将所述电极耦合到电路上； 确定分子何时自附着到所述碳纳米管上。
16. —种碳纳米管网状结构，其包括 衬底；化学功能化的层，其形成在所述衬底上；多个催化剂纳米粒子，其各自具有基本相同的直径，其位于所述 化学功能化的层上；和至少一个碳纳米管，其从每一个所述多个催化剂纳米粒子上生长， 所述碳纳米管位于所述化学功能化层上，以任意方式重叠，并具有基 本相同的直径。
17. 权利要求16的网状结构，其中所述化学功能化层包括氨丙基 三乙氧基硅烷。
18. 权利要求16的网状结构，其中所述化学功能化层包括第一电荷。
19. 权利要求18的网状结构，其中所述锚定性催化剂纳米粒子包 含与所述第一电荷相反的第二电荷。
20. 权利要求16的网状结构，还包括在所述衬底部分相对侧上的 传导电极，各个传导电极耦合到所述碳纳米管，从而通过所述碳纳米 管形成从一个电极到另一个电极的电流通路。
21. 权利要求20的网状结构，还包括在所述碳纳米管附近的栅极， 其中所述传导电极和栅极形成场效应晶体管。
22. 权利要求20的网状结构，还包括-耦合到所述电路上的电源；耦合到所述电极上的电路，其用于检测分子何时自附着到所述碳 纳米管上。
全文摘要
本发明提供了一种用于生长相同直径纳米管(24)的网状结构的装置(50)和方法。所述装置包括化学功能化衬底(12)的一部分(16)；在所述衬底(12)的所述部分(16)上锚定各自具有基本相同直径的催化剂纳米粒子(22)；并在所述催化剂纳米粒子(22)上重叠生长各自具有基本相同直径的碳纳米管(24)。
文档编号H01L31/0328GK101390218SQ200680004759
公开日2009年3月18日 申请日期2006年2月26日 优先权日2005年2月25日
发明者伊斯兰沙阿·安拉尼, 拉里·A·纳加哈拉 申请人:摩托罗拉公司