按需生产晶态结构的制作方法

专利名称：按需生产晶态结构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于在表面上形成晶态结构的装置和方法。
背景技术：
一直都需要大规模制备具有预选性质例如取向、表面覆盖率、位置、 形状或者组成的晶体的方法。目前的方法形成的晶体具有随机取向，并 没有良好受控的位置。具有所需取向的晶体经过挑选随后输送到包括该 晶体的器件上，或者分开生长、沿着所需取向抛光然后放置在所需位置。 手工选择晶体对于制备大量器件，比如当在单一衬底表面上组装多个晶 体管时，是不实际的。而且，晶体在其操作和输送期间可能被损坏，由 此降低器件产率和增加器件制备的成本和时间。

发明内容
为了解决上述缺陷， 一个实施方案是装置。该装置包括具有表面的 衬底，所述表面上具有至少一个结晶形核位点。所述装置还包括具有第 二表面的第二衬底。第二表面经构造以将结晶原料保持在无定形状态或 者初始晶态。结晶形核位点经构造以赋予所述结晶原料一定性质。
另一实施方案是方法。该方法包括提供具有表面的衬底，所述表面 上具有结晶形核位点。该方法还包括将所述结晶原料和第二衬底的第二 表面接触。第二表面维持结晶原料处于无定形状态或者初始晶态，直到 结晶原料接触结晶形核位点。该方法进一 步包括通过改变由结晶原料施 加的结晶原料的性质，来在结晶形核位点上由结晶原料生长晶态结构。


在阅读附图时，将更好地由下列详述理解本发明的实施方案。为了 便于讨论，各种特征可能不是按比例绘制的，尺寸可以任意增加或者减
少。现在结合附图参见下面的描述，其中
图1给出了示例性装置的剖面图2给出了第二示例性装置的剖面图；图3给出了第三示例性装置的剖面图； 图4给出了第四示例性装置的剖面图； 图5给出了第五示例性装置的剖面图； 图6给出了示例性方法的流程图。
发明详述
通过其中采用结晶形核位点按需形成晶态结构的实施方案，克服了 至少一些上述缺陷。结晶形核位点导致结晶原料从无定形材料结晶，或 者由一种晶体多晶形变成另一种晶体多晶形。多晶形是指和另一种晶体 在化学组成上相同但是晶体结构不同的晶体，或者和另一种晶体在晶体 结构上相同但是宏观形状不同的晶体。而且，通过改变结晶形核位点的 化学组成，可以在晶态结构上赋予不同的预定性质。另外，如果需要， 可以通过将原料和经构造以将结晶原料维持在其预-晶态的表面接触， 而将原料储存长时间。
本文所用术语晶态结构是指其组成原子、离子或者分子形成在三维 方向上长程内部有序的模式的固体材料。晶态结构可以是单晶或者微晶 (例如，具有一个或更多个微观尺寸的小晶体)。
本文所用术语无定形材料是指其组成原子、离子或者分子在三维方 向上不是长程内部有序的液体或者固体物质。本领域普通技术人员会熟 悉用于确定材料是否为无定形态的程序。例如，无定形材料的X射线粉 末衍射会没有可识别的峰。在一些情况中，无定形材料可以包括物质溶 液。在其中情况中，无定形材料可以是物质的熔体，其基本不含溶剂(例 如，小于1重量％ )。
一个实施方案是装置。图l给出了示例性装置100的剖面图。装置 100包括衬底105，所述衬底具有其中具有至少一个结晶形核位点115 的表面110。装置100还包括结晶原料120。结晶形核位点125经构造 以赋予结晶原料120某种性质。
有利的是装置100进一步包括具有第二表面130的第二衬底125。 笫二表面130可以经构造以保持结晶原料120处于无定形态或者特定的 初始晶态。如果人们希望在使用装置IOO之前将原料120保存一段时间， 那么这将是非常重要的优点。
装置100的另一重要特征是结晶形核位点115为原料120赋予性质的能力。所赋予的性质可能通过由结晶原料120形成晶态结构135而显 示出来。例如，图l使出了如下装置100:其中，结晶原料120 (在此 处是无定形材料)的一部分通过形成晶态结构135而改变其性质。
所赋予的性质可以是将原料120和晶态结构135区分开的任何数量 的结构特征，所述结构特征由形核位点115预先确定。例如，所赋予的 性质可以是晶态结构135的晶体学取向。又例如，所赋予的性质可以是 由结晶原料120形成的晶态结构135的预定晶态形貌。本文所用术语晶 态形貌是指通过晶态结构的面的组合形成的宏观形状。晶态结构135的 晶态形貌的实例是多面体形结构，比如金字塔、棱镜、立方体、八面体、 四面体、十二面体或者菱形。如上所述，晶态结构135可以由无定形或 者晶态原料120形成。在前一情况下，所赋予的性质可以是经由预定晶 态形貌的形成而从无定形转变成晶态。在后一情况中，所赋予的性质可 以是从 一 种晶态形貌转变成不同的预定晶态形貌。
结晶形核位点115的化学组成和形状经构造以赋予原料120所需的 性质。作为例子，考虑原料120是包含无机化合物比如碳酸钙的无定形 材料。所赋予的所需性质是从无定形碳酸钙变成方解石晶体。为了赋予 这种性质，结晶形核位点115可以包括自组装单层115,如图1所示。 图1所示自组装单层140包括非环状烃链142,在这种情况下是烷基链。 每个链142在一端144由官能团封端。另一端146可以锚定在衬底的表 面105。例如，烷烃链142的锚定端146可以由硫醇基团封端，从而便 于和覆盖有金的衬底表面IIO共价键合。
结晶形核位点115的化学组成可以经配置以在原料120上赋予预定 晶体取向的性质。进一步如图l所示，自组装单层140可以包括多个具 有式-S-(CH2)n-C0(T的分子，其中烷烃链142的官能化的一端144和羧 酸官能团相应，而锚定端146和硫醇基团对应，n是链142中的-012-单元数目。通过配置烷烃链142具有十个或者其它偶数个-CH2-单元(例 如，n = 2、 4、 6等)，可以赋予具有(11/)形核面(例如，其中/是大 约2-5)的菱形立方体(rhombohedral cube )晶态结构135。配置烷烃 链142以具有十五个或者其它奇数个-CH2-单元(例如，n=l, 3, 5等) 可以赋予具有(01/)形核面(例如，其中/是大约3)的菱形立方体。
当然，自组装单层140可以包含端部144具有替换性官能团(例如， 膦酸、磺酸或者羟基)或者链长度(例如，n是1-20)的分子，以在原料120上赋予其它性质(例如，不同的取向)。
原料120也可以包含一种或多种添加剂150。添加剂150可以包含 无机或者有机分子或者聚合物。添加剂150可以影响由结晶形核位点 115施加的一种或多种性质。例如，将位点115暴露于含有添加剂的原 料120可以导致晶态结构135形成不同的晶体形貌。由此，通过调整添 加剂150的浓度或者类型，由此添加剂150可以影响晶态结构135的性 质。继续上述同一例子，无定形碳酸钓原料120可以包括含有镁的添加 剂150 (例如，大约50重量％ )。暴露于含镁无定形碳酸钾原料120的、 含有羧酸官能化的烷烃链的自组装单层140导致形成种子形状的方解石 晶态结构135。这与不含镁的无定形碳酸钙原料120不同，后者在相似 条件下形成菱形立方体形状的方解石晶态结构135。
如上所述，将原料120保存在经构造以将结晶原料120保持在无定 形态或者特定晶体多晶型的第二衬底125上可能是有利的。在本例子中， 如图1所示，第二衬底125的表面130可以包括经构造以批j亍该功能的 第二自组装单层160。第二自组装单层160可以由和第一自组装单层140 相同类型的分子构成。但是，两个自组装单层140、 160并不具有相同 的化学组成。例如，如图1所示，每个烷基链162在一端用羟基官能团 封端，另一端166经由硫醇基团锚定在第二衬底的覆盖金的表面130。 当支持原料120的第二表面130和具有结晶形核位点115的第一表面 IIO接触时，赋予原料120的性质。
通过例如在表面IIO上预定位置170形成结晶形核位点115，可以 在表面IIO上形成图案化分布的晶态结构135。
图2示出了第二示例性装置200的剖面图。相似的附图标记用于说 明装置200的和图1所示装置相似的要素。图2证实结晶形核位点115 的化学组成可以如何配置以在有机原料120上赋予所需性质。在该实例 中，原料120是包括有机半导体分子的无定形材料。原料120可以包含 有机半导体分子，比如图中所示的蒽。但是，在其它情况下，原料可以 包含其它有机半导体分子，比如并四苯或者并五苯。
另外，所赋予的性质可以是无定形结构转变成晶态结构。为了赋予 这种性质，结晶形核位点115可以包括低聚亚苯基，比如硫苯基、联苯 基硫醇或者三联苯基硫醇的自组装单层140。如图2所示，三联苯基硫 醇的碌u醇基团可以充当锚定端166,以连接到笫一衬底的金表面110。在其它情况下，自组装单层140可以包括本领域普通技术人员知道的其 它材料。
进一步如图2所示，可以将原料120储存直到赋予性质改变所需的 时间和位置。如图所示，原料蒽120通过连接到第二衬底125的笫二表 面130的第二自组装单层160保持在无定形状态。如图中所示，笫二自 组装单层160包括烷基硫醇。例如，自组装单层160可以包括具有式 -S-(CH2)m-CH3的烷烃硫醇，其中m是l-20。另一实例，自组装单层 160可以包括具有式-S-(CH2)rR的官能化的烷烃硫醇，其中/是1 - 20, R是胺(NH2)、羟基(OH)、羧酸(COOH)或者其它官能团。当然， 在其它实施方案中，第二自组装单层160可以包括和第一自组装单层 140相似但不同的分子。例如，第二自组装单层160可以包括巯基噪呤 分子，有利地使得原料120的溶液可以旋涂，同时保持在无定形态。
图3示出了第二示例性装置的剖面图。又一次的，相似的附图标记 用于表示装置300的和图1所示装置相似的要素。在该实施方案中，结 晶原料120是组织替换材料，结晶形核位点115位于衬底105开口 310 中的表面110处。如图3所示，衬底105可以包括组织，比如具有开口 的牙齿320 (或者骨)。开口 310可以是例如由于断裂形成的受损区域 或者牙齿320的腔。在开口 300中的、包含例如具有多个坑和沟槽的缺 陷部位的粗糙表面110，由于固有的高表面能，更有利地促进了各种化 学和物理过程。这为小微晶带来了高的亲和力，可以充当结晶形核位点 115。由于它们的表面能高，这些位点可以选择性地与溶液中的其它物 种相互作用。例如，它们可以用选择性吸附在粗糙表面IIO上的特异性 生物有机分子预先处理，以进一步促进形核过程。
原料120可以是无定形的或者晶态磷酸钓。例如，原料120可以是 由钓离子和磷酸根离子组成的溶胶凝胶溶液，其^f艮容易形成和稳定。原 料120和结晶形核位点115的接触使得性质发生改变，对应于从无定形 溶胶溶液向包含羟基磷灰石的晶态结构135的转变。而且，结晶形核位 点115仅仅位于具有粗糙表面110的开口 310中。结果，晶态结构135 ^U又形成在开口 310中，不在衬底105的其它区域上形成。
当然，和装置的上述实施方案相似，原料120可以通过和具有第二 表面130的第二衬底125接触而保持在其初始的无定形或者晶体构造。 例如，第二衬底125可以是具有第二表面130的施加器比如填充工具330,所述第二表面包含磷酸根封端的烷基硫醇、三磷酸腺苷(ATP)、 磷酸肽或者磷酸氩盐。
原料120也可以包括各种添加剂150。例如，可以包括荧光分子， 比如来自水母(jelly fish aequorea Victoria)的绿色荧光蛋白质，作为添 加剂150来促进原材料120或者晶态结构135的可视化。蛋白质(例如， 抗生物素蛋白或者生物素)可以包括进来作为添加剂150以改善生物相 容性和与衬底105表面110的结合。药物(例如，抗生素或者布洛芬) 可以包括进来作为添加剂150以防止组织发炎。
图4示出了第四示例性装置400的剖面图，采用相似的附图标记来 示出和图1所示装置类似的装置400的要素。如图4所示，装置400可 以包括位于衬底105的表面110上的一个或者多个电路405。电路405 可以包括一个或多个场效应晶体管410,比如有才几场效应晶体管 (OFET)。晶体管410的半导体层415包括晶态结构135。因此，场效 应晶体管410的有源沟道420由晶态结构135构成。
晶态结构135可以由由上述(例如，在图1 - 2的上下文中)结晶 原料120形成的任何晶体或者微晶制备。例如，晶态结构135可以包括 有机半导体分子，比如蒽、并四苯或者并五苯。可以采用常规微图案化 方法来在衬底表面110的分开区域425上沉积结晶形核位点115。这可 以提供多个物理上分开的结晶形核位点115。晶态结构135由此仅仅在 所选区域处形成，由此允许在单一步骤中形成多个半导体层415。例如， 在装置400的一些实施方案中，可以在衬底表面110上生长一维或者二 维晶态结构135的阵列。这进而可以促进在表面110上形成多个晶体管 410。
晶态结构135可以进一步包括添加剂150，所述添加剂改变通过结 晶形核位点115施加的性质，如上所述。例如，可以有利的是在原料中 包括添加剂以使当原料转变成晶态结构时添加剂可以在整个晶态结构 135中均匀分散。
晶体管410可以包括其它器件元件以提供操作电路(operative circuit) 405。图4所示的晶体管410包括源极430、漏极435、栅极440 和栅介电层450。本领域普通技术人员会熟悉形成这些元件的合适常规 材料。例如，平板状衬底105可以由硅或者更柔性的材料比如塑料比如 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制备。栅440可以包含掺杂硅。在其它情况中，可以采用更有益于形成柔性器件的材料比如氧化铟锡UTO)。 类似地，栅介电层450可以包含二氧化硅或者更柔性的材料，比如聚合 物电介质，比如聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)。源极和漏极430、 435可 以包含金或者其它导电金属或者非金属，比如导电聚合物。
在一些情况中，栅介电层450还可以包含第二晶态结构455。第二 晶态结构455可以和用于形成半导层415的晶态结构135的方式相似的 方式形成。当然，栅介电层450的晶态结构455会具有和半导层415的 晶态结构135不同的化学组成。
图5给出了第五示例性装置500的剖面图，相似的附图标记用于表 示装置500的和图1所示装置相似的要素。光学线路505位于衬底105 的表面110上。图5所示光学线路505包括偏振光束分离器510。结晶 原料135包括偏振光束分离器510的双折射材料520。双折射材料520 经构造以将入射光束525分成两个输出分量530、 535。在一些优选实施 方案中，双折射材料520包含和图1上下文中所述相似形成的方解石晶 体。
本领域普通技术人员会理解，光学线路505可以包括其它常规元件， 比如将光525、 530、 535连接到以及远离偏振光束分离器510的光纤维 540和透镜、发射器550比如激光器、和接收器560、 565以使装置500 可以操作。本领域普通技术人员会进一步认识到包含晶态结构135的元 件是如何可以有利地结合到光纤通讯、液晶显示器或者其它光学系统中 的。例如，本领域普通技术人员会4艮容易认识到如何在光偏振组合器中 使用晶态结构135。
另一实施方案是方法。图6示出了示例性方法600的流程图。在步 骤610中提供具有表面的衬底，所述表面上具有一个或多个结晶形核位 点。衬底可以包括任何常规材料，包括在图1-5的上下文中讨论的材 料。衬底也可以包括器件元件层，比如在OFET 410情况中的低栅440 和介电层450，如图4所示。结晶形核位点可以包括在图1-5的上下文 中上述讨论的任何材料。例如，每一结晶形核位点可以包括自组装单层、 诱发晶体形核的晶种或者其它有机或生物有机分子。
在步骤620中，具有结晶形核位点的衬底表面暴露到结晶原料。步 骤630包括通过改变原料的性质而在结晶形核位点上生长晶态结构。
结晶原料可以包括在图1-5的上下文中讨论的任何材料。例如，结晶原料可以包括在和结晶形核位点接触时转变成晶态结构的固体或 者液体无定形材料。可替换地，结晶原料可以包括在与结晶形核位点接 触时变成所需晶态结构的笫二晶态结构。改变原料性质可以包括将原料 从无定形态转变成晶态结构，或者由初始晶态结构转变成不同的晶态结构。
在步骤630中生长的晶态结构可以是微晶或者晶体。例如，如上在 图1-5的上下文中所述，晶态结构可以包括无机或者有机晶体、有机 半导体、电介质、双折射或者组织替换材料。
如进一步在图6中所示，在一些情况中，在步骤640中引入添加剂 到原料中是希望的。添加剂可以用于改变由结晶形核位点赋予的性质， 或者为晶态结构赋予新的性质。例如，添加剂可以是离子、掺杂剂、蛋 白质、聚合物、荧光分子、或者药物的一种或多种，如上面在图1-5 的上下文中所述。
如同样在图6中所示，该方法可以包括将结晶原料和第二衬底第二 表面接触的步骤650。第二表面将结晶原料保持在无定形状态或者和所 需晶态结构不同的晶态。第二表面可以包括第二自组装单层，比如在图 1 -5的上下文中所讨论的。
在步骤660中，晶体生长停止。当所有原料转变成晶态结构时，结 晶可以例如终止。当有多个物理上分开的结晶形核位点时，通过将结晶 形核位点互相分开足够远而且不允许结晶进行太久，可以在生长的微晶 融合在一起之前停止微晶生长。可替换地，预先确定量的原料可以和每 个结晶形核位点接触以提供给定尺寸的晶态结构。
在其它情况中，在所需的时间段，可以引入和晶体相互作用并且钝 化晶体表面的添加剂以抑制晶体生长，从而限制晶体尺寸和形貌。当然， 在其它情况中，可以允许微晶持续生长，以形成晶态结构的互联网络。 例如，从多个位置开始的微晶生长可以持续进行，直到微晶互相生长或 者互相融合以形成微晶的互联网络为止。在一些情况中，该方法可以用 于在衬底表面的不同区域上形成物理上分开的结晶形核位点和结晶形 核位点的互联网络两者。
通过选择晶态结构生长的位置和时间，可以通过本方法制备各种元 件。例如，方法600可以包括制备包含晶态结构的组织替换材料的步骤 670。可替换地，方法600可以包括在衬底上制备光学线路或者电路以使晶态结构是线路元件的步骤680。例如，晶态结构可以在线路中形成 场效应晶体管的有源沟道或者介电层，比如在图4中所示。可替换地， 晶态结构可以形成线路的双折射材料或者其它光学元件，比如在图5中 所示。
虽然详细描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解在不偏 离本发明范围的情况下可以进行各种改变、替代和变化。
权利要求
1、装置，包括具有表面的衬底，所述表面上设置有至少一个结晶形核位点；和具有第二表面的第二衬底，其中所述第二表面经构造以将结晶原料保持在无定形态或者初始晶态，和其中所述结晶形核位点经构造以为所述结晶原料赋予性质。
2、 权利要求l的装置，其中所述结晶原料包括无定形材料。
3、 权利要求l的装置，其中所述结晶形核位点包括自组装单层。
4、 权利要求1的装置，其中所述结晶原料包括组织替换材料。
5、 权利要求1的装置，进一步包括位于表面上的电路或者光学线路。
6、 方法，包4舌提供具有表面的衬底，在所述表面上设置有结晶形核位点；使结晶原料和第二村底的笫二表面接触，其中所述笫二表面将结晶原料保持在无定形态或者初始晶态直到所述结晶原料接触所述结晶形核位点；和通过改变由所述结晶原料赋予的所述结晶原料的性质，在所述结晶 形核位点上由所述结晶原料生长晶态结构。
7、 权利要求6的方法，其中所述第二表面保持所述结晶原料处于 无定形态直到所述结晶原料接触所述结晶形核位点。
8、 权利要求6的方法，其中所述结晶形核位点包含自组装单层。
9、 权利要求6的方法，其中改变所述性质包括将所述原料从无定 形态变成所述晶态结构。
10、 权利要求6的方法，进一步包括在所述衬底上提供光学线路或 电路，以使所述晶态结构是线路的元件。
全文摘要
一种装置，包括衬底，所述衬底具有其上存在至少一个结晶形核位点的表面。该装置进一步包括具有第二表面的第二衬底。所述第二表面经构造以维持结晶原料处于无定形状态或者初始晶体状态。结晶形核位点经构造以赋予所述结晶原料性质。
文档编号C30B35/00GK101321898SQ200680045314
公开日2008年12月10日 申请日期2006年11月30日 优先权日2005年12月2日
发明者J·艾琴伯格, 韩龙振 申请人:卢森特技术有限公司