专利名称：单壁碳纳米管的制造方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造单壁碳纳米管的方法，这种方法通过纳米构图的母体的场增强热分解来促进单壁碳纳米管单晶的自组装。
背景技术：
碳纳米管自从1991年被发现开始就成为了热烈研究的主题。制造碳纳米管最想达到的目标之一是形成非常一致和有序的纳米结构和微米结构，并最终形成块体材料。
单壁碳纳米管的潜在应用从具有非凡机械性能的结构材料到具有能够突破莫尔法则的潜能的纳米电子元件。单壁碳纳米管可以用作用于扫描探针显微镜的最端部的探针针尖，它具有使该顶点在化学分析上具有一定功能的附加能力。这些纳米结构还可用于制造微量天平、气体探测器或者甚至于储能装置。同样，单壁碳纳米管在场发射显示模式中的使用，或用作光刻法和显微术中电子束源或者有机发光二极管的电极，都具有明朗的前瞻性技术意义。
现有技术对单壁碳纳米管的生长使用了苛刻的条件，例如在惰性气体环境中的碳棒的激光烧蚀或碳电极间的直流电弧放电，如《美国科学家》(American Scientist)1997年7-8月号第85卷第4期第324-337页雅克布逊(Yakobson)和斯莫利(Smalley)的“富勒烯纳米管C1,000,000及以上(FullerenceNanotubesC1,000,000and Beyond)”中所述。对于上述两种方法，添加少量金属催化剂，如Co、Ni、Fe或Mo，能够增加单壁碳纳米管的产量。到目前为止，尽管每根纳米管能有几百微米长，但合成出来的材料却只能由缠绕在一起的有序性差的单壁碳纳米管团构成。另外，在材料内共存有被称作锯齿形式、扶手形式或空间螺旋形式的多种结构变化。美国专利第5424054介绍了一种制造中空纤维的方法，这种纤维的圆柱形壁包括单层碳原子。但是其生产的纤维也不具有受控的方向。
最近，《物理化学学报》(Joumal of Chemical Physics)2000年9月15日的第113卷第11期刊登的金熙和(Ching-Hwa Kiang)的文章“单壁碳纳米管生长中的碳环和笼(Carbon Rings and Cages in the Growth of Single-WalledCarbon Nanotubes)”中，基于对电弧生长和激光生长的单壁碳纳米管的实验结果的分析，提出了单壁碳纳米管的生长模型。
在《应用物理通信》(Applied Physics Letters)1999年8月23日的第75卷第8期第1086-1088页任(Ren)等人的“每个纳米镍点上单一的独立式多壁碳纳米管的生长(Growth of a Single Freestanding Multiwall CarbonNanotube on Each Nanonickel Dot)”中，结合纳米制造的催化构图或造型使用化学气相沉积，已经被用于指引基底上独立单壁碳纳米管的生长。然而，还没有生产出能够超越由数十根纳米管组成的短段有序单壁碳纳米管的有序阵列。同样，空间螺旋性和直径没有得到控制。对于许多应用来说，空间螺旋性和直径具有极为重要的重要性，因为纳米管的物理特性诸如电导率等是对结构是极敏感的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种制造单壁碳纳米管的方法，该方法包括下述步骤在基底上提供至少一个柱，该柱包括交替的第一母体材料层和第二母体材料层，第一母体材料包含富勒烯分子，第二母体材料包含催化剂；在有第一磁场、电磁场或者电场的情况下，加热所述的至少一个柱。在加热过程中，包括单壁碳纳米管的晶体生长。晶体生长的方向取决于所施加的场的方向。母体材料可以通过热蒸发提供。作为富勒烯分子，C60和C82分子可以优选地被使用。
使柱具有一层层沉积在一起的5到10层母体材料证明是一有利的选择。每层的厚度在5到30nm之间。
母体材料可以通过包括一个或多个孔的障板来沉积。这种障板的优点是不仅适合于提供形成一个柱的孔，而且通过一个这样的障板可以平行地制造大量的这样柱。另外，通过例如光刻工艺，也可以平行地制造障板上的孔。
所选择的基底包括呈网格形式或者作为实心薄膜设置在硅晶片上的热氧化硅或钼。所选择的基底也可以具有粗糙的多面体表面，这样就能够提供结晶位置，即种晶位置，是晶体或者纳米管长出的位置。
理想的是，所选择的基底的表面结构，有助于柱在加热步骤中仍然受到制约。本发明人发现，对表面上的柱限制得越好，准确排列的晶体的产量越高。如果该基底不参与加热步骤中发生的化学反应或仅在可忽略的程度上参与加热步骤中发生的化学反应，则该基底是最佳选择的。基底还应当具有有效地保持柱被制约在上面的性能。柱结构在表面上的扩散会减小晶体产量。本发明人发现，钼或二氧化硅是满足上述两个要求的基底材料。尤其是，发现钼能够在其整个表面结构上提供大量的结晶位置。除了块体基底，还可以使用任何包括不同材料的层状结构。对于本生产方法，最上层是影响工艺并在此处被称为基底的层。
可以在约10-9Torr(乇)的压力下进行母体材料的蒸发，同时基底可以保持在室温。通过使用机电开闭器和在线天平来监测母体材料的沉积速率，可以对蒸发进行控制。在控制蒸发时，各层的厚度随离开基底的距离而减小。厚度的减小再次增加了产量，并且据信，厚度的减少直接导致的效果是，有更少的催化剂被输运到生长中的晶体的尖端。另外，Ni等催化剂的蒸发在技术上是不容易的，这就要求在制造过程中这些催化剂必要的使用量最小。因此，通过使层的厚度变得更薄，就能够减少催化剂材料的量。因为据信晶体的生长开始于柱的基部，所以，会运送更少的材料来形成远离基底的层，使这些层的厚度变小。
在大致10-6Torr的真空或在基本上为惰性气体的气氛内，可以加热到高达950℃左右的温度，并持续3分钟到1小时。因而，能得到更好的结果。原则上认为几分钟的加热时间就足够了，这意味着使加热时间更长并不能明显地改善结果。
在施加第一磁场的情况下，在加热过程中此磁场可以基本上垂直于基底表面取向，这样生长中的纳米管就会顺着施加的场，也垂直于基底表面生长。此场能集中在至少一个正被加热的柱上。当加热源以反作用于外加场的方式被建立时，上面的方法被证明是有利的。因为950℃超过了磁体的居里温度，所以在该加热区域内的磁场会受到破坏。保持磁体远离加热源使得热量不会危害磁体，但要将场指向柱。这样会使磁场在柱区域内保持有效。在不只一个柱生长的情况中，可以将第一磁场沿不同方向施加到不同的柱上，这样就可以实现不同晶体在不同但受控的方向上生长。按照这种方式，甚至还能实现晶体交叉。加热而使单壁碳纳米管生长后，将这些单壁碳纳米管在第二磁场存在的情况下热退火。在此工艺步骤中，晶体方向还是由外加场的方向确定。当第二磁场的方向不同于第一磁场的方向时，晶体重定向到由第二外加场确定的新方向上。
在施加电场的情况中，此电场可以基本上平行于基底表面取向，使纳米管与基底表面成直角生长。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造单壁碳纳米管的母体构造体，这种构造体包括位于一个基底上的至少一个柱，该柱包括交替的第一母体材料层和第二母体材料层，第一母体材料包含富勒烯分子，第二母体材料包含催化剂。这些层的厚度可以随其离开基底的距离而减小。基底可以包括以网格形式或者作为实心膜而设置在硅晶片上的热氧化硅或钼。催化剂可以包括磁性材料，优选地，为从Ni、Co、Fe、Mo组中选取的一种金属。
根据本发明的另一方面，提供了一种纳米管构造体，该构造体包括一个基底和基底上的至少一个晶体，该晶体包括取向和结构相同的一束单壁碳纳米管。该纳米管构造体可以集成到显示器、电路、开关元件或传感器元件中。
本发明的再一个方面是提供一种纳米管晶体，该晶体包括取向和结构基本相同的一束直单壁碳纳米管。
与现有技术相比，使用本发明公开的方法获得的生长纳米管，具有更高的有序度，同时这些高度有序的单壁碳纳米管单晶的合成导致具有微米量级的延展结构。这些延展结构由纳米管形成，每一个单晶中的纳米管具有相同的直径和空间螺旋性，但是这些纳米管在各晶体之间可以不同。使用本发明建议的方法，可以将单壁碳纳米管制造为微米量级上的高度有序的块体材料，这是块体宏观晶体材料合成的第一步。因此，就包含大量排列整齐有序的、物理性质一致的单壁碳纳米管的晶体合成技术来说，本发明是一个重大进步。
本发明的一些例子表示在附图中，并在下面通过举例的方式进行了详细的描述。其中图1是制造单壁碳纳米管的装置在蒸发步骤中的示意图；图2是制造单壁碳纳米管的装置在加热步骤中的示意图；图3是作为制造单壁碳纳米管的母体结构的单个柱的示意图；图4a是包含一束单壁碳纳米管的晶体的透射电子显微镜(TEM)显微照片；图4b是图4a的TEM显微照片的放大部分；图4c是一束单壁碳纳米管的示意图；图5是通过所述方法制造的典型结构的扫描电子显微镜(SEM)显微照片；以及图6是单壁碳纳米管束的电子衍射图样。
为了清晰的缘故，所有附图均未以实际尺寸显示，尺寸间的关系也没有以实际比例显示。
具体实施例方式
下面，描述本发明的不同实施例。
制造单壁碳纳米管晶体所使用的方法包括对固态母体材料进行纳米量级上的构图。通过经构图的蒸发模板上纳米量级上的孔，将富勒烯(此处为C60分子)和作为催化剂的镍的受控混合物蒸发到钼基底上。然后在存在一个磁场的情况下，在真空中热解得到的结构。电子衍射研究和电子能量损失谱(EELS)结合在一起，证实了，所产生的结构是垂直于基底表面取向的单壁碳纳米管的几乎完美的柱状晶体。
图1中示出了制造单壁碳纳米管的装置的第一示意图。
反应室1包括四个开口，第一开口中穿过有样品夹9，用来夹持基底4和也被称作障板的经构图的蒸发模板7，第二开口穿过有第一工具支架11，第三开口穿过有第二工具支架12。第四开口设置有软管13，用于抽空反应室1和/或充入某些气体，诸如氩等惰性气体。惰性气体能够避免从提供的碳材料中生成二氧化碳。第一工具支架11夹持一个振动石英6，用作控制沉积层厚度的微量天平。第二工具支架12夹持一蒸发源10。在操作中，蒸发源10通过经构图的蒸发模板7中的孔14将材料发射到基底4上。此处蒸发源用作蒸发的两种母体材料15、16。其中，第一母体材料15是富勒烯，而第二母体材料16是催化剂。母体材料15、16也可以包括另外的物质，只要能够完成晶体的生长就可以。
蒸发的方式是使交替的母体材料15、16层沉积在基底4。因此，要么蒸发源10提供所有不同的母体材料15、16，这些母体材料的蒸发以交替的形式受控，要么蒸发源10仅用作沉积母体材料15、16中的一种，然后换成具有母体材料15、16中另外一种的另一个蒸发源10。图示的方案中将两种母体材料15、16同时设置在蒸发器上，两种母体材料15、16并排放置在蒸发源10上，并在它们之间有一个隔离墙。本发明设置有一个开闭机构18，交替地在每一个时刻只允许母体材料15、16中的一种通过孔14到达基底4。因而在每个孔14下面，由于依次沉积了蒸发的母体材料15、16的层，柱8可以在基底4上生长。为了控制层的厚度，在蒸发步骤中，样品夹9缩回，而振动石英6被移动到安置基底4的位置。在监测石英的频率的同时进行在线测量。于是，能够测得准确的沉积速率，然后被用于确定要沉积在基底4上的母体材料15、16的层厚度。
一旦完成了所需的沉积，且用所得到的柱8对基底4进行构图后，将制造装置更改为图2所示的那样。现在，第二工具支架12改为夹持磁体2，该磁体要么自身是尖的，要么如此处所示那样与尖的铁氧体芯3结合，使该尖端指向基底4。通过这种布置，具有柱8的基底4能够在存在第一磁场17的情况下被加热。尖磁体2或者尖的铁氧体芯3，用来将第一磁场17集中到柱8上，在该柱上发生将柱8转变为单壁碳纳米管19的反应。场17提供了驱动催化剂沿场的方向移动的驱动力。对于场17为电场或电磁场的情况，这也是正确的。
图3中显示的是作为用于制造单壁碳纳米管19的母体结构的单根柱8的示意图。这里，生长纳米管19的母体结构由异质结构构成，这种异质结构包括交替的、热蒸发的C60分子层和镍层。C60分子作为第一母体材料15，镍作为第二母体材料16。约有6或7层10-20nm厚的层，一层层地沉积在一起。母体材料15、16通过障板7进行沉积。这种障板代表一种纳米筛，具有几千个直径为300nm、间隔1μm的孔14。这种沉积方法产生了很小的晶核位置，这些位置使单壁碳纳米管晶体20能够随后进行自组装。虽然除了使用障板7外，母体材料也可以沉积在一个具有粗糙多面体表面的基底4上，但是，能够优先于无序片晶生长的纳米管19变少了。总的来说，某些种晶位置，即晶核位置或结晶位置，是晶体生长起始的位置。
发明人发现，在晶核位置接近柱8的结构中，柱8仅作为附近生长的晶体20的材料供给源。此处的柱8具有300nm的直径，但通常认为柱8的横向尺寸可以在更宽的范围内选择。虽然用大致为300nm的直径能获得很好的结果，但是500nm或以上的更大的直径也应当能获得可接受的结果。柱8的横向尺寸决定了在相应晶体20的生长中母体材料15、16的总量。因此，每个生长的晶体20具有母体材料15、16的储备库，晶体从该储备库获得其材料供应。预先确定材料供给的作用是，预先确定相应晶体20在生长中，不同母体材料15、16的用量和位置。因此，母体材料15、16的分子移动在柱的区域内受到相当大的制约，于是，无序运动变少了，而形成了更确定的生长过程。另外，母体材料15、16的相对浓度具有决定性的作用，这意味着需要用来帮助第一母体材料15生长成所需纳米管形状的第二母体总量，既不应当过多也不应当过低。此外，母体材料15、16被约束在柱8中导致了两种母体材料15、16间更准确的比率，这种准确的比率有利于单晶20的晶体生长。
因为柱8相互间还具有某个预定的距离，所以生长中的晶体的相互干扰作用比块状母体材料系统低。因此，每个单晶20在其结晶点上的生长不受或者仅可忽略地受到邻近晶体20的生长过程的影响。因此，柱8相互间具有一距离，且此距离减小了各晶体或者纳米管19生长过程的相互干扰。
柱8的横向尺寸限制了母体材料15、16的量，并为作为一束纳米管19的单晶20提供材料。本发明人认为，所施加的场17越强，柱8的横向尺寸就可以选得越大，这是由于指向第二母体材料的力也越大的缘故。柱形状不必一定为圆的或方的，而是可以具有任何被认为合适的形状。然而，为了对称的缘故，圆形是优选的。纳米管束可以包括几根至几百、几千甚至于几百万根纳米管19。
可以在基底4上人工生长晶核位置，以能够控制晶体生长的定位。例如，这种晶核位置的形成可以通过经蒸发模板7蒸发诸如钨的材料而获得，该材料可以用作基底4上的晶核位置。因为蒸发模板7具有掩蔽作用，所以，距离母体材料15、16的蒸发器足够远的晶核材料蒸发器在柱8附近自动形成晶核位置。相反，母体材料15、16的蒸发器应当靠得很近，以避免柱8中不同层沿横向对不准。在此情况下，这两个蒸发器同时位于反应室1中。
在室温、10-9Torr的压力下，向热氧化硅实心基底4或钼TEM栅网上进行蒸发的过程中，机电开闭与在线石英晶体微量天平相结合来监测沉积速率，能够确保C60和Ni都能依次地蒸发以产生所需的结构。
如图3所示，在由孔14和基底表面的相对位置确定的特定表面位置上产生了母体材料15、16的柱8。影响基底4的选择的事实是，C60和Ni两者均能在高温下扩散。于是，这里的目的是将两种材料均限制在最初的300nm蒸发区内。虽然用二氧化硅基底4可以获得好的结果，但是，用钼基底4可以获得更好的结果，该钼基底或者采用为了后续透射电子显微方法用的栅网形式，或者是作为溅射到一个硅晶片上的实心膜。在基底4上蒸发C60/Ni柱8后，在10-6Torr的真空中将这个构造体加热到950℃，持续时间选择为几分钟到一小时。当热处理过程中基底4处于沿平行于基底表面的法线取向的磁场17中时，所得的纳米管19的生长取向为垂直于基底表面。约1.5特斯拉(T)的场强适于获得所需结果。电、电磁或磁场17的施加导致单壁碳纳米管晶体20的自组装和构建。电场可以是交流(AC)或直流(DC)电场。电磁场也可以是例如激光的光学近场。在生长过程中也可以施加原子力或范德华力。还可以使用电势能。这种电势能可以改变穿过势垒过程中场发射的电子势能，使得电流在电迁移中影响晶体生长。
第二母体材料16的材料朝向外场17的方向。因此，该场和第二母体材料16相互配合，使得第二母体材料16具有可被场17移动的特性。这种特性可以是第二母体材料16为磁性的，或携带电荷或两者的混合，或具有被外场17影响的任何其它特性，以在第二母体材料16上施加推动力。
为了在200kV的JEOL2010型显微镜上进行详细的衍射分析，在工作于400kV的JEOL4000FX型显微镜上进行了高分辨TEM(HRTEM)研究。研究表明，呈现出的纳米管束其直径在40nm和900nm之间，其长度大到2μm。这些纳米管19是直的，并且优先地平行于Mo栅网平面对齐。所有的纳米管19都是单壁碳纳米管，形成了长且直的束。在一束中的壁直径非常一致，在各个束中从约1.4nm到2.3nm。壁与束直径间存在反比的关系，在大直径束中探测到的主要是小的壁直径，而在小直径束中发现的主要是大的壁直径。既没有出现多壁碳纳米管，也没有出现孤立的单壁碳纳米管。从所探测到的壁厚和没有中心区的情况，都可以排除多壁碳纳米管。
一束纳米管19的典型HRTEM图像显示在图4a中，图4b中更高放大倍率的图像显示了纳米管束的内部结构。这个纳米管束约750nm长，直径约为50nm，且具有一个曲面端头。
图4b显示了束状的1.6nm直径单壁碳纳米管19的完美的规则构造体，没有不均匀和缺陷的迹象。这种显著的结构完美性是用这里所述的方法生产的所有纳米管19的特征。
图4c示出7根纳米管19的束的示意图，同图4a、4b中所示的结果一样，每个纳米管19的直径为1.6nm。
图5示出了通过所述方法制造的典型结构的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图中显示了长度和直径大致相同的棒状结构，并都有一个曲面端头。这些棒状结构垂直于基底表面生长。此结果是利用仅仅棒的长度和宽度有可变性的方法制造的结构体的特征。为了确认该棒就是碳纳米管20，可以在它们生长在钼栅网上的情况下，既执行给出化学成分的EELS，又执行电子衍射。棒的EELS谱是在VG 501HB型STEM中碳-K边缘处得到的。VG 501HB型STEM工作在100kV，每通道偏移0.1eV。该EELS谱显示，在刚好低于主吸收域值的285eV处，有一个高强度的前置峰。这个前置峰是在sp2键合的碳中向p*态的转变的特征，暗示了在纳米管19中存在石墨状片。此谱与先前的碳纳米管19的EELS谱极为近似，因此证实了这些纳米管确实是由碳构成的。重要的一点是，仅仅在纳米管19的生长阶段中探测到EELS谱中镍的存在，在完全长成的纳米管19中既没有镍的迹象也没有钼的迹象。
直径1.98nm的单壁碳纳米管19的不同束的电子衍射图样显示在图6中。从衍射斑点的锐度能够显而易见地立即得出结构的完美性。该图样显示出由于束中纳米管19的规则排列而导致的高度规则性的周期性。实际上，更确切地讲，纳米管束应该被认为是单壁碳纳米管19的周期性“晶体”。因为这种周期性强有力地反映在衍射图谱中，所以包含有关单独的纳米管19信息的弱衍射斑点和条纹几乎看不见了。
参照图6，显示了两个主方向，对应于0.99nm的半单壁碳纳米管壁宽和垂直于该壁宽方向、对应于石墨六方体间距的0.28nm的间距。弱超反射具有相应于0.28nm两倍的间距。
在独立纳米管19的直径和以卷绕矢量(n，m)的形式描述的螺旋性之间，存在有简单的关系。这个关系的提出是来自于考虑如何能够将原子厚度的石墨片卷起来以形成纳米管。直径d和空间螺旋角q由下式给出d＝0.078(n2+nm+m2)1/2和q＝arc tan(m/(m+2n))。
在图6中，空间螺旋角q为90°，因而m＝n。d的测量结果为1.98nm，这样，n＝m＝15，相应于所谓的扶手结构。对于单壁碳纳米管19的任何晶体，衍射图样表明，它由物理性质相同的、空间螺旋或扶手结构的单壁碳纳米管19构成。最终的结构探测涉及到各个晶体的形状。前面对纳米管束的探测已表明了，向束的端部看过去，单壁碳纳米管19堆积成六角结构。考虑到纳米管束的均衡横截面形状可能是圆形、六角形或更复杂的截面，基于相同单壁碳纳米管19的六角堆积结构的简单讨论，赞同一种各个表面由紧密堆积的单壁碳纳米管19构成的结构。这种结构包括六角形横截面，但任何由120°小面组成的横截面也同样是很好的。纳米管束的投影形状和HRTEM图像中的衬度表明，单壁碳纳米管19晶体小面的形成确实发生了。因此，通过按三维尺寸对反应物进行纳米构造，并结合设定的环境变化，就可以对自组装材料的特性进行设计。
基于先前的结果和场17中的合成方法，单壁碳纳米管19的晶体20的完美性是无法想象的，所探测到的在含有多达几百万根纳米管19的给定晶体20内，纳米管19在物理性质上完全一致，也是无法想象的。尽管如此，纳米管19的束的最稳定构造，还与紧密接触的纳米管19的延展阵列上最小能量分布的热力学期望值相符。能量的最小化也意味着所有纳米管19是一致的和直的，这使得范德华相互作用最大、应变最小，并能够得到所希望的六角晶格。晶体20小面形成的证据是由所得结果表明的另外一种预期内容。
用这里所描述的方法生长成的纳米管19或者纳米管束，可以用在多种装置上，例如开关装置、显示器或传感器。在一层纳米管19上沉积一层ITO和/或有机LED材料，能够用于制造显示器。其它的实施例包括纳米电子电路。在这种电路中，纳米管用作FET等有源器件或导线。也可以制造纳米管充当发射极的纳米管基真空管放大器和三极管，从而将纳米管用作稳定低压操作的提供端。纳米机械传感器和AFM(原子力显微镜)针尖可以用纳米管作为传感器尖端。只需将结晶点定位在以后的针尖将要定位的位置处，就能够获得所需的结构。纳米管可以作为开关装置中的可移动部分或集成到GMR头内。
这里所公开的任何实施例都可以与所示和/或所述的其它实施例中的一个或几个进行组合。各实施例中的一个或多个特征也可以进行这样的组合。显而易见，本领域的技术人员可以以多种方式修改这里所示的构造，而不会脱离所附权利要求所限定的本发明的要旨。
权利要求
1.一种制造单壁碳纳米管(19)的方法，包括步骤a)在基底(4)上提供至少一个柱(8)，该柱包括交替的第一母体材料(15)层和第二母体材料(16)层，第一母体材料(15)包含富勒烯分子，第二母体材料(16)包含催化剂；以及b)在存在一个第一磁场或者电磁场或者电场(17)的情况下，加热所述的至少一个柱(8)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择基底(4)，为生长单壁碳纳米管(19)提供至少一个结晶位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，选择基底(4)，以包括设置在一个硅晶片上呈栅网形式或作为实心膜的热氧化硅或钼。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个柱(8)由5到10层母体材料(15、16)一层层沉积在一起，每层的厚度为5到30nm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述母体材料(15、16)通过一个包含一个或多个孔(14)的障板(7)进行沉积。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述母体材料(15，16)通过热蒸发提供。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在10-9乇左右的压力下进行所述母体材料(15、16)的蒸发，且所述基底(4)保持在室温。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，通过使用监测母体材料(15、16)沉积速率的在线天平和开闭机构(18)，来控制母体材料(15、16)的蒸发。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，控制蒸发，使所述层的厚度随其离开基底(4)的距离而减小。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在大致10-6乇的真空中或大致惰性气体的环境中，一直加热到950℃的温度，持续3分钟到一小时。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在施加第一磁场(17)的情况下，在加热过程中第一磁场取向为大致垂直于基底(4)的表面。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在施加第一磁场(17)的情况下，第一磁场(17)集中在正被加热的所述至少一个柱(8)上。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，在施加第一磁场(17)的情况下，并且在不只一个所述柱(8)生长的情况下，第一磁场(17)以不同的取向施加到不同的柱(8)上。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在施加第一磁场(17)的情况下，在加热已经导致了单壁碳纳米管(19)的生长后，这些纳米管在第二磁场存在的情况下热退火。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，第二磁场的方向不同于第一磁场(17)的方向。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，在施加电场(17)的情况下，电场(17)的指向大致与基底(4)的表面平行。
17.一种用于制造单壁碳纳米管(19)的母体构造体，包括位于一个基底(4)上的至少一个柱(8)，该柱包括交替的第一母体材料(15)层和第二母体材料(16)层，第一母体材料(15)包含富勒烯分子，第二母体材料(16)包含催化剂。
18.根据权利要求17所述的母体构造体，其特征在于，所述层的厚度随其离开基底(4)的距离而减小。
19.根据权利要求17或18所述的母体构造体，其特征在于，所述基底(4)具有至少一个用于生长单壁碳纳米管(19)的结晶位置，所述基底(4)优选地包括设置在一个硅晶片上呈栅网形式或作为实心膜的热氧化硅或钼。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的母体构造体，其特征在于，第二母体材料(16)包括磁性材料，优选地是选自Ni、Co、Fe、Mo组中的一种金属。
21.一种纳米管构造体，包括一个基底(4)和位于该基底上的至少一个晶体(20)，该晶体包括一束取向和结构基本一致的单壁碳纳米管(19)。
22.根据权利要求21所述的纳米管构造体，其特征在于，所述基底(4)具有一个包含结晶位置的表面，单壁碳纳米管(19)从所述结晶位置生长出来，该表面优选地包括设置在一个硅晶片上呈栅网形式或作为实心膜的热氧化硅或钼。
23.根据权利要求21或22所述的纳米管构造体，其特征在于，在有多个晶体(20)的情况下，所述这些晶体(20)基本上是平行的。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的纳米管排列，其特征在于，所述单壁碳纳米管(19)沿其长度方向基本上是直的。
25.一种纳米管晶体，包括一束取向和结构基本一致的直单壁碳纳米管(19)。
26.一种显示器、电路、开关元件或传感器元件，包括至少一个根据权利要求21至24中任一项所述的纳米管构造体或至少一个根据 25所述的纳米管晶体(20)。
全文摘要
本发明涉及一种制造单壁碳纳米管的方法,包括步骤:在基底上提供至少一个柱,该柱包括包含富勒烯分子的第一母体材料和包含催化剂的第二母体材料的交替层;以及在第一磁或电场存在的情况下加热至少一个柱。本发明还涉及用于制造单壁碳纳米管的母体布置,此布置在基底上包括至少一个柱,该柱包括包含富勒烯分子的第一母体材料和包含催化剂的第二母体材料的交替层。本发明的第三方面是纳米管的排列,此排列包括基底和其上的至少一个晶体,该晶体包含一束具有大致等同的取向和结构的单壁碳纳米管。
文档编号C30B1/00GK1353084SQ0113781
公开日2002年6月12日 申请日期2001年11月8日 优先权日2000年11月13日
发明者詹姆斯·K·吉姆泽斯基, 雷托·施里特勒, 徐真源 申请人:国际商业机器公司