包括具有自立式区段的膜的装置的制作方法

本发明涉及薄膜技术。具体地，本发明涉及包括具有高纵横比(highaspectratio)分子结构的膜的装置(apparatuses，器件)。

背景技术：

高纵横比分子结构(harm结构)，例如碳纳米管(cnts)或其他具有高纵横比的纳米级结构，具有独特的电学、光学、热学和机械性能，这使其成为许多应用领域中有前景的材料。

包括上述高纵横比分子(harm)结构的膜可以包括可用于各种应用的独立的(standalone)或自立式(free-standing，自支撑)部分。膜的自立式部分对空气压力或热辐射压力的波动敏感。在这种压力下，膜可能会破裂并失去其功能。此外，在长时间的使用之后，自立式harm结构的网络往往会开始下垂(sagging)或悬挂(hanging)，因为重力和较小的空气波动会缓慢地将结构拉开。

技术实现要素：

根据本发明的装置的特征在于独立权利要求1中提出的(装置)。

根据本发明的方法的特征在于独立权利要求15中提出的(方法)。

根据本发明的第一方案，提出了一种装置。该装置包括：膜，其包括导电的(conductive，传导的)和/或半导电的高纵横比分子结构(harm结构)的网络；框架，其被布置成在至少两个支撑位置处支撑膜，使得膜的自立式区段(region，区、区域)在所述至少两个支撑位置之间延伸；以及两个或更多个电接触区域，其电联接(couple，耦合)至膜。所述两个或更多个电接触区域被布置成使电荷以0.01安培到10安培之间的电流通过(passacross，穿过)膜的自立式区段。

根据第一方案的框架可以是基板(substrate，衬底)的一部分，在该部分上制造包括harm结构的网络的膜。替代地，可以在制成膜之后将膜放置在框架上。框架可以在至少两个位置处支撑膜，以形成自立式的独立区段，在该自立式的独立区段中形成包括harm结构的膜。支撑位置可以位于结构中的任何位置，只要它们为膜提供足够的支撑即可。例如，这些支撑位置可能在膜的侧面上、或者在靠近角部(corner)的区域(area)中、或者沿着一侧彼此相邻而形成“旗杆(flagpole)”。“至少两个”支撑位置是指框架在其上支撑膜的至少两个接触点。包括多个支撑点的任何更宽的区域也意味着要被该方案所涵盖，例如，如果框架具有不间断的圆形形状，其中自立式区段位于该圆内。根据第一方案，框架还可以具有任何其他延长的不间断的形状。框架可以由任何合适的材料制成，例如塑料、玻璃、金属、木材、织物(textile)等。

两个或更多个电接触区域被布置成使电荷通过膜的自立式区段。电接触区域由导电材料制成，并且可以具有从膜的整个自立式区段产生均匀响应的形状。这可以由尺寸匹配或超过自立式区段的特征尺寸的电接触区域提供。0.01安培到10安培之间的电流足以在网络中的harm结构之间提供磁引力(magneticattraction，磁吸引)。这提供了防止下垂和增加膜中张力的技术效果，使膜如最初设置的那样平坦。

在第一方案的实施例中，两个或更多个电接触区域被布置成使电荷以0.01安培到0.7安培之间的电流通过膜的自立式区段。对于通常使用的大多数包括harm结构的膜，该范围可能就足够了。在其他实施例中，可以使电荷以0.01安培到2.3安培之间的电流通过膜的自立式区段。该电流范围对于具有相对较大面积的自立式区段的膜可能是有用的。

所施加的电流还可以通过电阻加热(resistiveheating)在膜中产生热量。指示的电流上限为10a，可防止相对较厚的膜因电阻加热而燃烧。对于较薄的膜，0.7a的上限就足够满足该目的，同样能够防止膜因电阻加热而燃烧。膜的自立式区段还可以提供比其他结构更好的散热，其中harm结构位于硅层上，在硅层中热量通过基板消散。

在第一方案的实施例中，装置包括在两个或更多个外围部位(location)处电联接至膜的两个或更多个电极。两个或更多个电接触区域设置在两个或更多个电极中或经由两个或更多个电极设置，并且两个或更多个电极被成形为使电荷通过膜的整个自立式区段。

电极可以被成形为环绕膜，或者具有允许电荷穿过整个自立式区段的几何结构。电极可以在沉积膜之前被施加到框架上，也可以随后进行喷涂。在该实施例中，两个或更多个电极可以在允许这些电极与膜电接触的位置处附接至框架。替代地，这些电极可以仅电连接至膜而不附接至框架。

在替代实施例中，框架可以包括导电材料和非导电区域，该非导电区域将导电材料分成至少两个导电区域(conductivearea，传导区域)。两个或更多个电接触区域设置在框架的导电区域中。以这种方式，框架本身就可以被构造为用作接触件(contact)，这使得结构更容易用更少的部件来制造。

在一个实施例中，两个或更多个电接触区域被布置成使电荷以0赫兹(hz)到20千赫兹(khz)之间的频率的(多个)脉冲通过膜的自立式区段。

这些脉冲可以是交流电或直流电。该范围从0开始，这是因为在某些应用中，单个脉冲可以为膜提供足够的张力，以在需要再次施加电流之前维持数小时或数天。替代地，电接触区域可以被设置成以预定频率提供短的脉冲爆发(burstsofpulses)，该预定频率足以恢复或保持膜中的张力。该脉冲操作模式可能是有利的，因为它使膜在(多个)脉冲之间冷却，避免过热并使用更少的功率。20khz的上限覆盖了人耳可以记录的范围，并且此范围的更高频率可用于热声扬声器方面的应用中。在大多数应用中，频率低于3khz。

在替代实施例中，可以在膜的自立式区段的寿命内不断施加电流。

在一个实施例中，膜包括基本上随机定向的harm结构的网络。随机定向的harm结构可能没有优选的电流方向；因此，电接触区域可以设置在自立式区段的任何一侧。单个(individual，独立的)分子的随机定向可以对harm结构的网络的性能产生有利的影响。这些影响包括但不限于高导电率和高导热率、各向同性导电率和各向同性导热率、良好的机械稳定性和机械耐久性、厚度的高均匀性和孔隙率的高均匀性、大的表面积和化学反应性、良好的固体、热、电、光和流体机械各向同性。

在替代实施例中，膜中的harm结构基本上被定向在相同的方向上，并且电接触区域电联接至膜，使得膜的自立式区段中的电流的方向基本上平行于harm结构的定向。具有这种定向的结构的一个示例是巴克纸(buckypaper)，其中碳纳米管(cnts)对准。当电流穿过以增加或恢复膜中的张力时，这种电接触区域的布置(placement)提供了更高的效率。在其他实施例中，电接触区域可以电联接至膜，使得膜的自立式区段中的电流的方向与harm结构的定向成一角度。

在一个实施例中，框架被布置成沿着自立式区段的周边(perimeter，周长)支撑该膜。如上所述，关于第一方案，支撑位置可以是不间断的并且散布在膜的一个区域。沿着周边支撑自立式区段，为该区段的任何一侧处的电接触区域提供定位的自由度，并且通常提供可靠的支撑。这自然简化了装置的实施，例如在使用封闭的自立式区段的过滤器中。

在一个实施例中，harm结构从以下组中选择：碳纳米管(cnt)分子、碳纳米芽(cnb)分子、石墨烯带和碳(石墨)纤维丝。碳纳米管分子包括单壁纳米管、双壁纳米管和其他由纳米管组成的分子。碳纳米芽分子包括通过共价键附接至富勒烯(fullerene)的碳纳米管。

在一个实施例中，膜的厚度在1纳米到10微米之间。根据第一方案，穿过该厚度的膜的电流足以在自立式区段中产生张力。膜在harm结构的尺寸和密度方面也可以根据实施方式而变化。

在第一方案的一个实施方式中，空气过滤器可以包括任一上述实施例的装置。

在第一方案的另一个实施方式中，液体环境过滤器可以包括任一上述实施例的装置。

空气过滤器和液体环境过滤器是指使空气或液体穿过的任何颗粒过滤器。

在第一方案的另一个实施方式中，用于光掩模的表膜(pellicle)可以包括任一上述实施例的装置。

表膜可以是在生产流程中覆盖光掩模的薄的透明膜(membrane)。表膜可以用作防尘罩，因为该表膜可以防止颗粒和污染物落到掩模上。该表膜足够透明，以允许光从光刻扫描仪透射到掩模。

包括具有自立式区段的harm结构的膜可用于光掩模的表膜，因为其具有多孔结构。自立式区段的下方没有基板，所以它对光更透明。

在其他实施方式中，根据第一方案的装置可以用于光探测器、吸收器、激光器和任何可受益于使用具有自立式区段的膜的其他设备或结构。根据第一方案的装置还可以用在传感器中，其中自立式区段被用作感测元件。

具有自立式区段的膜的一个应用是热发射器，并且根据本发明的装置可以延长这种热发射器的寿命。发射器可以被构造为通过自立式区段的电阻加热来施加热量。

根据第二方案，提出了一种用于维持包括harm结构的网络的膜的自立式区段的方法。该方法包括：在膜的两个或更多个外围部位处将膜电联接至两个或更多个电极，并使电荷以0.01安培到10安培之间的电流通过膜的自立式区段。

类似于第一方案，该范围内的电流足以在网络中的harm结构之间产生磁引力，从而在膜的自立式区段中产生张力。

在第二方案的实施例中，电流以长度在0.05ms至1000ms之间或更长的脉冲(的形式)以及以0hz至20khz之间的频率被施加在膜的自立式区段上(across)。

在一个实施例中，该方法还包括用聚合物、金属或金属氧化物涂层来修饰(modify)包括自立式区段的膜或仅修饰膜的自立式区段。这些涂层可以修饰或改善膜的机械、光学、热学或电学性能。在其他实施例中，膜可以涂覆有金属、盐或半导体化合物。例如，该涂层可以用来增加散热和对化学物质的耐久性。

在机械过滤应用(例如颗粒或气体过滤器)中，根据本发明的装置和方法提供了良好的功能性和可再生性(renewability)的优点。

具有自立式harm结构的网络的传感器应用作为传感器的感测部分，可以高度响应于由化学相互作用或机械力引起的表面变化，并且具有大的感测表面积和良好的灵敏度。根据上述实施例的装置和方法可以增加传感器中使用的自立式harm结构的网络的寿命。

根据本发明的装置和方法可以容易地结合到利用具有自立式区段的膜的各种设备结构中。

上文中描述的本发明的实施例可以彼此任意组合使用。若干实施例可以组合在一起以形成本发明的另一个实施例。有关本发明的产品、方法或用途可以包括至少一个上文中描述的本发明的实施例。

附图说明

图1a是根据一个实施例的装置的示意图。

图1b以一定角度示出根据一个实施例的装置。

图2是根据不同的实施例的装置的示意图。

图3是根据另一个实施例的装置的示意图，其中电接触(区域)设置在框架中。

图4是根据一个方案的方法的方框图。

图5是由透射电子显微镜(transmissionelectronmicrograph，tem)生成的碳纳米管的网络的图像。

图6示出根据包括网格(mesh)的实施例的装置。

具体实施方式

在下文中，将通过参照附图以示例性实施方式更详细地描述本发明。

本发明基于这样一种概念，即通过使电流穿过膜的自立式区段，可以实现(archive)在包括harm结构的膜的自立式区段中的张力增加。根据安培力定律，在两个基本平行的载流harm结构之间形成的磁场的吸引力出现。当两个在相同方向上承载电流的harm结构被放置在彼此的磁场中时，如果电流充足，则它们可以物理地相互吸引。穿过平行的harm结构的网络的电流被分配(splitup，分开)在各个(individual)路径之间，因此通过单个(individual，单独的)harm结构的电流取决于所述harm结构的数量或膜的密度。由于对膜中的所有导电路径进行计数或单独地测量电流可能是不可行的，可能无法知道穿过各个harm结构的确切电流，因此两个harm结构之间出现的确切的吸引力可能也无法测量。然而，对于所使用的大多数密度的harm结构膜，存在一定范围的电流，当该范围的电流被施加在膜上时，会在各个结构之间产生足够的磁引力。这会在膜中产生所需要的张力。电流的范围在0.01安培到10安培之间。在一些实施例中，通过0.01安培到0.7安培范围内的电流就足以实现该技术成果。增加膜中张力所需的电流还可以取决于膜的自立式区段的纵横比和尺寸。例如，对于接触件之间的自立式区段的尺寸大约为100毫米的较大的样品来说，高达2.3安培的电流可能是最佳的，以便快速地在自立式区段中产生张力。

为简单起见，在(具有)重复的部件的情况下，在以下示例性实施方式中重复部件的附图标记将保持不变。

图1a和图1b示意性地示出根据本发明的实施方式的装置。图1a示出包括膜103的装置100的俯视图。膜103包括导电和/或半导电的harm结构的网络，harm结构在该附图和其他附图中由散列图案(hashedpattern)表示。该装置还包括其上设置有膜103的框架102。框架102被布置成在至少两个支撑位置112处支撑膜103。在图1a所示的实施方式中，支撑位置112位于膜113的相对两侧处，形成在其之间延伸的自立式区段101。

装置100还包括用黑色标记的两个电接触区域，在该示例中，电接触区域设置在位于膜103的外围部位并电联接至膜的两个电极104、104’中。电极104、104’连接到电源105，并且被布置成使电荷以0.01安培至10安培之间的电流通过膜103的自立式区段101。电流可以是交流电或直流电。在该示例中，由于电极的几何结构与自立式区段101的形状和尺寸相匹配，所以电极104、104’被成形为使电荷通过整个自立式区段101。与其余附图上所示的其他实施方式一样，图1a至图1b的布局不是限制性构造，并且只要使电荷通过自立式区段的所需部分，电极104、104’、框架102和自立式区段101的形状可以不同。电极104、104’可以附接至框架102或联接到膜103。由箭头106示意性地示出自立式区段101中的电流的大致方向。

图1所示的网络中的导电和/或半导电的harm结构可以是基本上随机定向的。替代地，harm结构的网络可以基本上被定向在相同的方向上，在这种情况下，该方向将是箭头106的方向。这是因为电极104、104’附接至这样定向的harm结构的网络，使得膜103的自立式区段101中的电流的方向106基本上平行于harm结构的定向。电荷可以以0千赫兹到20千赫兹之间的频率的脉冲通过自立式区段101。

图1b示出与图1a中所示的装置相似的装置100的偏移视图。该图大体上示出包括膜103的装置100的过滤器应用，该膜由形成自立式区段101的框架102支撑。箭头107指的是具有需要被过滤的颗粒的空气或任何液体，箭头107’指的是不含颗粒的过滤后的空气或液体。在任何这种过滤器的操作期间，由于由穿过自立式区段的空气或液体介质施加到自立式区段上的力，自立式区段101可能会失去张力并开始下垂。随着时间的推移，重力也可能导致下垂。这种下垂会降低过滤器的性能和寿命。通过经由电极104、104’连续地或以脉冲的形式在膜上施加0.01a至10a的电流，可以在自立式区段101中产生张力，从而使自立式区段再次变平。

图2是根据另一个实施方式的装置200的俯视图。在这种情况下，装置200还包括膜203，该膜包括导电和/或半导电的harm结构的网络，并且具有圆形的自立式区段201。装置200包括其上设置有膜203的框架202。框架202包括圆形间隙，并且沿着圆的周边支撑膜203，从而形成圆形的自立式区段201。

装置200还包括用黑色标记的两个电接触区域，在该示例中，电接触区域设置在位于膜203的外围部位并电联接至膜的两个电极104、104’(与图1a至图1b的装置100中的类似)。电极104、104’也联接至电源105。

自立式区段201的圆形形状可以用于期望的各种应用中。此外，圆形形状沿着自立式区段201的整个周边由框架202提供相等的支撑。制造像装置200这样的装置可能更具成本效益，因为在制造过程的任何点处都足以在基板(框架202)中形成圆形间隙，并且电极104、104’可以容易地以任一角度定位至自立式区段201。

图3示出根据本发明的又一个实施方式的装置300。装置300包括膜303，该膜包括导电和/或半导电的harm结构的网络。该装置还包括其上设置有膜303的框架302。框架302包括矩形间隙，并且被布置为沿着矩形的周边支撑膜303，从而形成矩形的自立式区段301。在此仅作为示例使用矩形形状，并且其说明在本发明的不同实施方式中，膜303的自立式区段301可以是任何形状。

在该实施方式中，框架302包括形成框架的导电区域304的导电材料。两个或更多个电接触区域304设置在框架302的导电区域304中。在这种情况下，支撑位置是不间断的，并且沿着自立式区段的周边包围(enclose)自立式区段301。导电区域304由框架302的非导电区域312分开，以允许电荷穿过自立式区段301。由于框架自身提供电接触，因此框架直接连接到电源105。

图4是根据一个方案的用于维持包括harm结构的网络的膜的自立式区段的方法的方框图。该方法包括将膜电联接至在膜的两个或更多个外围部位处的两个或更多个电极(401)。电极可以以任何允许电流穿过膜的所需区域的合适方式联接。例如，电极可以如图1a、图1b和图2所示(方式)联接。该方法还包括使电荷以0.01安培到10安培之间的电流通过膜的自立式区段(402)。如上所述，这在harm结构之间产生磁引力，导致包括所述harm结构的网络的膜的自立式区段中的张力增加。这通常又导致自立式区段和膜的耐久性和寿命提高。由该方法提供的膜的“维持”可以根据应用而频繁地、自动地执行或在需要时手动开启。电流可以以长度在0.05毫秒到1000毫秒之间的脉冲以及0khz到20khz之间的频率而被施加在膜的自立式区段上。如果包括自立式区段的膜需要较高的电流，则脉冲可能是必要的，以防止电极、膜和外部环境的不希望的过热。该方法还可以包括用聚合物、金属或金属氧化物涂层来修饰膜的自立式区段，以进一步改善膜的性能(403)。

图5是由高倍透射电子显微镜(tem)拍摄的来自低密度膜的自立式区段的碳纳米芽(cnbs)501的快照(snapshot)。在该示例中，网络中的cnb随机对准，并且任一单个cnb501可以在沿其长度的不同部位处具有许多不同的相邻纳米芽，并且它们之间的距离不同。大约0.5a的电流在cnb501之间产生磁引力，以在图5所示的膜中产生张力。下面的部分中提供其他示例实验和实施方式。

图6示出一个实施方式，其中装置600用作过滤器。图1b示出与图1b中所示的装置类似的装置100的偏移视图。装置600包括具有由非导电网格601支撑的自立式区段603的膜。箭头607指的是具有需要被过滤的颗粒的空气或液体，箭头607’指的是不含颗粒的过滤后的空气或液体。通过经由电极104、104’连续地或以脉冲的形式在膜上施加0.01a至10a的电流，可以在自立式区段603中产生张力，从而使其变平。

在该设置(setup)中，支撑网格601给予自立式膜更高的耐久性，以抵御压力的较大变化，并限制膜的缺陷向各个网格开口蔓延(propagation，传播)。

示例

实验中使用的碳纳米芽(cnb)膜的示例可以由以下性能指定：

550nm处的光透射率(lighttransmittance，透光率)：86.5％；

薄层电阻(sheetresistance)：252欧姆/平方(未掺杂)和100欧姆/平方(p掺杂)；

cnb膜尺寸：30mmx33mm；

自立式区段：5.309cm^2(直径26mm的圆)。

cnb膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)基板支撑，该基板具有由cnb膜的自立式区段覆盖的圆孔(间隙)。银质接触件附接到被支撑的cnb膜的边缘。因此，对于非掺杂的膜，在接近48ma(dc)的电流下，观察到自立式膜的张力(tension，拉伸)的第一迹象(sign)，高于48ma时，拉伸和变平的幅度和速度都有所增加。在80ma时，根据膜的状况，膜在大约6秒内恢复其张力和平滑度。在约100ma(dc)时，膜在3秒内恢复张力和光滑度，以及在120ma以上，膜恢复张力和光滑度(的速度)快于1秒。

过滤器

由于高孔隙率和高强度，随机定向的自立式cnt膜或cnb膜可被用作气溶胶、空气或流体过滤器。为此目的，膜可以附接到具有孔的框架上，以完全覆盖孔。在这种情况下，可以通过使流(flow)穿过膜来捕获颗粒。通过使用根据上述实施例的本发明，可以推迟和/或防止膜的下垂和潜在的撕裂。根据本实施例，还可以通过使电荷通过自立式区段来调节harms结构之间的孔隙尺寸，从而可以根据需要控制过滤效率。

白炽灯

具有自立式区段的cnt或cnb膜可以用作白炽灯中的灯丝。为了获得光，可以在两根钨丝之间悬挂harm结构的膜，并使用直流电或交流电将其电阻加热到1200℃～1400℃。由于它们的随机定向和许多互连，即使在1400℃时也可以保持完好无损，并且所发射的光在整个膜上可以保持均匀。膜可能随着白炽灯的光源而耗损(wear)和变形。根据本发明各方案的装置和方法可以显著减缓耗损，并防止灯丝在不使用时的下垂。

可饱和吸收器

具有自立式区段的swnt膜的另一个用途是作为激光器部件-可饱和吸收器(saturableabsorber)。锁模光纤激光器腔中的一个关键元件是启动脉冲操作的非线性元件。本发明的实施例允许在这样的吸收器中维持自立式区段的平坦度和张力。

化学传感器

具有自立式区段的cnt或cnb膜作为电极材料在电解(electroanalysis，电分析)中也有另一种应用。由于cnt或cnb具有诸如高导电率、表面积、电化学稳定性、低背景电流和电催化性能的独特性能，其可作为电极用于电化学传感。通过使用根据实施例的装置，可以延长例如用于葡萄糖和多巴胺的电化学检测的这些电极的寿命。除了维持化学传感器中的自立式区段之外，实施例还可以用于通过使电荷通过来加热样品，从而通过使正在被研究的化学物质蒸发来清洁传感器。

如本领域技术人员所清楚的那样，本发明不限于上述示例，但是实施例可以在权利要求的范围内自由变化。