專利名稱：用于組裝和分選含納米結構的材料的方法和相關制品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將含納米結構或納米管的材料沉積至物體上的方法，對含納米結構或納米管的材料進行分選的方法，用含納米結構或納米管的材料形成制品的方法，對含納米結構或納米管的材料進行分選的方法，以及相關結構和設備。
背景技術：
在下文的背景描述中，參考了某些結構和方法，但是，這些參考不應該必然地理解為承認這些結構和方法在適用的法律規(guī)定下作為現(xiàn)有技術。申請人保留證實任何參考主題對于本發(fā)明不構成現(xiàn)有技術的權利。
對本領域熟知的人員使用術語“納米結構”材料來表示包括諸如C60富勒烯，富勒烯型同心石墨顆粒，金屬，諸如CdSe、InP的化合物半導體的納米顆粒的材料；包括諸如Si、Ge、SiOx、GeOx的納米線/納米棒的材料，或者由一種或多種元素，諸如碳、BxNy、CxByNz、MoS2和WS2組成的納米管的材料。納米結構的材料的一個共同特征是它們的基本構件。單個納米顆?；蛘邌蝹€碳納米管至少在一個方向上的尺寸小于500nm。這類材料已經(jīng)顯示出某些性能，這些性能引起人們對其在各種應用和方法中的興趣。
周等人的美國專利6,280,697和6,422,450(兩者名稱都是“納米管基高能材料和方法”)，它們的內容在此全文引入作為參考，公開了碳基納米管材料的制造方法及其作為電池電極材料的應用。
美國專利____(序號09/296 572，名稱是“含有碳納米管場發(fā)射體結構的裝置及制造該裝置的方法”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種碳納米管基電子發(fā)射體結構。
Bower等人的美國專利6,630,772(名稱為“含有薄膜碳納米管電子場發(fā)射體結構的裝置”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種具有高發(fā)射電流密度的碳納米管場發(fā)射體結構。
Bower等人的美國專利6,277,318(名稱為“圖案化(patterned)碳納米管薄膜的制造方法”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種在基片上制造粘附式圖案化碳納米管薄膜的方法。
美國專利6,334,939(名稱為“納米結構基高能材料和方法”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種以堿金屬為組分之一的納米結構合金。這種材料據(jù)稱可以在某些電池裝置中使用。
周等人的美國專利6,553,096(名稱為“使用電子場發(fā)射陰極產生X射線的機制”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了采用一種含納米結構的材料的X射線產生裝置。
美國已公開專利申請US 2002/0140336(名稱為“具有增強電子發(fā)射和點火特性的涂層電極”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種電極，該電極包括第一電極材料，粘合促進劑，以及分布在至少一部分粘合促進層上的含碳納米管材料，以及采用了這種電極的相關裝置。
美國專利公開US 2002/0193040(名稱為“采用增強場發(fā)射制造納米管基材料的方法”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種引入外來物質進入納米管型材料以改進其性能的技術。
美國專利公開US 2002/0094064(名稱為“大面積可單個尋址的多束X射線系統(tǒng)及其形成的方法”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種產生X射線的具有多個靜止以及可單個電尋址的場發(fā)射電子源諸如碳納米管的結構。
美國專利公開US 2003/0180472(名稱為“組裝納米級物體的方法”)，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種用預成形納米級物體自組裝成宏觀結構的技術，可以將其進行處理以得到需要的長徑比(aspect ratio)和/或化學官能度。
可以看出，納米結構的材料，特別是那些諸如具有大的長徑比(也就是說-遠比其直徑大得多的長度)的碳納米管和其它納米級物體具有很有前途的性能，這些性能使其對于各種應用場合，例如發(fā)光元件，諸如平板顯示器的場發(fā)射裝置，用于過載保護的氣體放電管，X射線發(fā)生裝置，小的導線，傳感器，致動器以及諸如用于掃描顯微鏡的高分辨率探針特別有吸引力。
在這些材料的加工過程中遭遇的困難阻礙了有效地將這些材料引入此種裝置。例如納米結構的材料能夠通過諸如激光燒蝕，以及電弧放電法，溶液合成，化學浸蝕，分子束外延，化學氣相淀積，激光燒蝕等技術形成。但是，組裝這些納米結構的材料的處理技術遇到了某些困難。
已經(jīng)使用了諸如絲網(wǎng)印刷以及噴霧等后成型方法將諸如碳納米管的預成型納米級物體沉積到基片上。但是，這些技術具有某些缺陷。例如絲網(wǎng)印刷技術需要利用粘結劑材料以及活化步驟。噴霧技術對于大規(guī)模的制造來說可能既無效率又不實用。此外，一般地這些技術會導致納米結構的材料在襯底上形成無規(guī)分布的納米結構。
已經(jīng)使用化學氣相淀積(CVD)技術直接在基片上生長碳納米管。參見，例如J.Hafner等，Natue，第398卷，第761頁，1999以及美國專利6,457,350以及6,401 526。這種技術的一個潛在應用是用諸如碳納米管的納米結構的材料制造導線以及電路。CVD方法可用來形成導線，這些導線利用CVD技術被附著于電極上特定位置以便形成導線。但是這些技術需要相對較高的溫度(例如600-1,000℃)以及反應性環(huán)境，并且需要使用催化劑以有效地生長納米管。對這些苛刻環(huán)境條件的要求嚴重地限制了能夠使用的基底材料的類型。此外，CVD技術常常形成復壁碳納米管。一般情況下，與單壁碳納米管相比，這種復壁碳納米管沒有同樣水平的結構完美性，并且因此具有較差的電子發(fā)射性能。并且，使用這些技術直接在基片上生長納米管使沉積的納米管的長度，取向以及數(shù)量難以控制。
其它技術包括精確控制將單個或者小組納米級物體，諸如碳納米管沉積至基片，諸如尖端或者突出物上方面的工作。參見例如Dai，Nature，第384卷，第147-150頁(1996)；以及R.Stevens等人，Appl.Phys. Lett.，第77卷，第3453頁。但是，這些技術費力費時，并且不能進行有效的大規(guī)模生產或者批量處理。例如，美國專利6,528,785描述了一種將板狀電極置于電泳溶液中，并且將納米管沉積至至少一個電極上的方法。將電極從溶液中取出，在后續(xù)工藝步驟中將電極上沉積的納米管轉移到尖端上。然后通過另一個可以包括將一種涂料沉積至至少該附著于尖端上的納米管部分上的工藝步驟將納米管“熔焊”至尖端上。該方法很慢而且不能進行取向控制。由此形成的尖端通常每個尖端包括一個碳納米管(CNT)。尖端與CNT之間的界面結合往往很弱。難以一次制造多個尖端。該方法不合要求地既復雜又繁瑣，并且因此不實用于大規(guī)模生產。
本領域另一個考慮是在使用納米結構的材料制造電器時，通常必須采用具有諸如同樣電子性能的同樣性能的材料。這還沒有實現(xiàn)。例如，通過激光燒蝕方法合成的單壁碳納米管材料包含了從本質上講既具有金屬性質和又具有半導體性質的材料。目前，還沒有根據(jù)性能來分離納米管的有效方法。例如，對于很多裝置應用來說有必要使金屬的和半導電的納米管相分離。
發(fā)明概述已經(jīng)開發(fā)了在相對溫和的條件下可以高效和有效地組裝含納米結構的材料，以及基于材料性能對含納米結構的材料進行分離而且所用方法適于批量處理的技術及其相關制品。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，是一種將含納米結構的材料附著于物體的尖端上的方法，此方法包括i)在一種液體介質中形成一種含納米結構的材料的懸浮液；(ii)將至少一個電極浸沒在該懸浮液中；(iii)將尖端放入該懸浮液中；以及(iv)在浸沒的電極和尖端上施加直流或交流電，使懸浮液中的至少一部分含納米結構的材料附著于物體最接近于尖端頂點處。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種直徑為.5nm-100μm，長度為10納米(nm)-大于1厘米(cm)的包括含納米結構的材料的線。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種具有涂覆有單個碳納米管，碳納米管束，或者納米線的尖端的物體，該物體包括以下至少一種點電子場發(fā)射源，原子力顯微鏡(AFM)的探針，掃描隧道顯微鏡(STM)的探針，透射電子顯微鏡(TEM)的電子源，掃描電子顯微鏡(SEM)的電子源，磁力顯微鏡(MFM)的探針，或者顯微光波干涉儀。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種將含納米結構的材料附著于物體的尖端上的方法，此方法包括i)在一種液體介質中形成一種含納米結構的材料的懸浮液，(ii)將至少一個電極浸沒在該懸浮液中，(iii)將尖端放入該懸浮液中，以及(iv)在浸沒的電極和尖端上施加直流或交流電，使懸浮液中的至少一部分含納米結構的材料附著于物體最接近于尖端的頂點處。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種裝置，該裝置包括具有一個錐體軸的基本上為圓錐形的尖端，以及包括附著于尖端上并且基本上與尖端錐體軸對齊的含有納米結構的材料的原纖維，原纖維的直徑為0.5nm-10μm。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種在多個組件之間建立電連接的方法，該方法包括i)在一種液體介質中形成含納米結構的材料的懸浮液，(ii)將懸浮液與組件接觸以及(iii)在組件上施加直流或交流電，因而在組件之間形成電場，從而使得由連接組件的含納米結構的材料形成導線。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種裝置，該裝置包括一個第一組件；一個第二組件；以及一個包括含納米結構的材料的第一導線，該導線附著于第一以及第二組件，并且在兩者間提供電連接。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種將含納米結構的材料的組分離的方法，該方法包括(i)形成包括待分離的含納米結構的材料的組和液體介質的混合物，(ii)向混合物中引入多個電極；(iii)在混合物內部建立一個不對稱電場，(iv)將混合物中含納米結構的材料的組極化，從而使至少第一組遷移至第一電極，使第二組遷移至第二電極，以及(v)從液體介質的第一電極處回收至少第一組。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種將混合物中包含的第一組顆粒與第二組顆粒分離的方法，其中至少第一與第二組顆粒的其中之一包括含納米結構的材料，該方法包括(i)形成電極的裝置，(ii)向該裝置施加交流電電源，(iii)將混合物與該裝置靠近，(iv)將第一組顆粒與第二組顆粒進行不同程度的極化，(v)依靠極性的不同將第一組顆粒與第二組顆粒分離，以及(vi)回收第一或第二組顆粒中的至少一種。
當在本文中用到時，術語“含納米結構的材料”表示至少部分包括以下材料諸如C60富勒烯，富勒烯型同心石墨顆粒，金屬，諸如CdSe、InP的化合物半導體的納米顆粒；諸如Si、Ge、SiOx、GeOx的納米線/納米棒，或者包括諸如碳、BxNy、CxByNz、MoS2和WS2的一種或多種元素的納米管。
術語“基本上為圓錐形”包括本質上主要是圓錐形的幾何結構，但也可以包括從純粹的圓錐形演變出的各種結構。這些變動的范圍通常在形成所用的尖端的過程中能觀察到，例如在各種探針的形成過程中能觀察到，這些探針用于原子力顯微鏡、掃描探針顯微鏡、磁力顯微鏡、顯微光波干涉儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等等，它們使用傳統(tǒng)的技術來形成此類尖端。
術語“基本上對齊”包括最高達15度或者稍微更大的對齊誤差。
術語“原纖維”包括單個納米結構顆粒，納米線或者納米管；多個這樣的顆粒，納米線或者納米管；這些物體的單束；或者這些物體的多個束。
附圖簡述

圖1為含有納米結構的材料的示意圖。
圖2為含有納米結構的材料的TEM圖像。
圖3為通過所公開的方法而組裝于物體上的如圖1和圖2所示的含有納米結構的材料的示意圖。
圖4A和4B為根據(jù)所公開的方法而實施的方法的一個實施方案的示意圖。
圖5A和5B為根據(jù)所公開的方法而實施的方法的另一個實施方案的示意圖。
圖6為用于實施這種方法的設備的一個實施方案的示意圖。
圖7為用于實施這種方法的設備的另一個實施方案的示意圖。
圖8A和8B為根據(jù)本發(fā)明的原理而實施的方法的另一個實施方案的示意圖。
圖9A-9E為帶有附著的碳納米管或納米線的原纖維的尖端的放大的SEM圖像。
圖10為原纖維的示意圖，示出了附著于尖端上時的各種取向的關系。
圖11為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案形成的另一種物體的示意圖。
圖12為根據(jù)本發(fā)明的一個替代實施方案形成的另一種物體的示意圖。
圖13為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案形成的另一種物體的示意圖。
圖14為根據(jù)本發(fā)明的一種分離裝置和/或技術的示意圖。
圖15為根據(jù)本發(fā)明的另外一種分離裝置和/或技術的示意圖。
圖16為根據(jù)本發(fā)明形成的設備的所發(fā)射電子流與所加電壓的曲線圖。
圖17為根據(jù)本發(fā)明形成的設備的所發(fā)射電子流與時間的曲線圖。
圖18為根據(jù)本發(fā)明形成的設備的點電子場發(fā)射源與發(fā)射圖案的示意圖。
發(fā)明詳述下文描述了根據(jù)本發(fā)明原理以及說明性實施方案進行的方法以及相應的結構和設備。
一般情況下，根據(jù)本發(fā)明原理進行的方法可以包括部分或全部下列步驟的組合(1)形成一種適當?shù)暮{米結構的材料；(2)提純該含納米結構的材料；(3)將該含有納米結構的材料官能化；(4)形成含有該納米結構的材料的溶液或懸浮液；(5)選擇性地向該溶液中添加“充電器”；(6)將電極浸沒在溶液中，將需要沉積納米結構的材料的基片或者物體作為其中一個電極；(7)持續(xù)一定時期施加直流和/或交流電以在電極之間形成電場，從而使溶液中的納米結構的材料向基片電極遷移并附著于基片上；(8)逐漸將物體移開液體，同時使沉積材料的最前表面與液體保持接觸以使納米結構的材料連續(xù)沉積至基片上；以及(9)任選地對涂覆的基片進行后續(xù)處理。只是將這些一般步驟的部分或全部進行組合的方法也在本發(fā)明的范圍內。但是，還應當明白其它步驟和方法也可包括于內。同時應了解，將部分所述步驟的組合或者全部步驟以特定順序進行的方法也在本發(fā)明的范圍內?；蛘?，步驟的順序可以不同于此處的描述。
此方法開始于預成型的，優(yōu)選高長徑比的“未加工”含納米結構的材料，或者諸如含碳納米管材料的含納米管的材料。這種未加工材料可以包含單壁碳納米管、復壁碳納米管、硅、二氧化硅、鍺、氧化鍺、碳氮化物、硼、氮化硼、二硫屬化物(dichalcogenide)、銀、金、鐵、二氧化鈦、氧化鎵、磷化銦、或者諸如封裝于納米結構內部的Fe、Co、和Ni的磁性顆粒中的至少一種。根據(jù)優(yōu)選實施方案，未加工含碳納米管的材料包括單壁碳納米管。碳納米管能夠通過任何適用技術，諸如上述的電弧放電，激光燒蝕和化學氣相淀積工藝形成。
本發(fā)明還涵蓋了組成為BxCyNz(B＝硼，C＝碳，以及N＝氮)的納米管結構形式，或者組成為MS2(M＝鎢，鉬，或者釩的氧化物)的納米管或同心富勒烯結構形式的未加工材料。這些未加工材料能夠通過諸如上述電弧放電技術的任何適用技術形成。
未加工材料可以通過本領域技術人員熟知的技術，諸如上述背景技術部分所述的多種不同技術制造。
根據(jù)本發(fā)明的其他實施方案，磁管或者納米線可以用作原材料。例如，如圖1所示，諸如碳納米管的納米結構的材料100可以含有磁性顆粒110。可以預期形成這些磁性顆粒的幾種技術。一個這樣的技術包括化學氣相淀積方法。諸如Fe、Co、和/或Ni的磁性顆粒在CVD技術中用作催化劑。烴用作碳源。在合適的條件下，磁性顆粒起到納米管形成的成核點的作用。磁性顆粒110被截留于納米管的端部或尖端處?；蛘?，使用適當技術將諸如單壁或者復壁碳納米管的納米管成型為原材料。然后將原材料進行加工以開通納米管的端部。然后通過溶液、電化學、蒸氣相或者固態(tài)處理技術將磁性顆粒插入納米管芯中。然后可以用諸如形成鈍化層的適當方法封端。美國專利公開US 2003/0180472對這些技術進行了更為詳細的描述，它的內容在此全文引入作為參考。
圖2是上文所述的這種磁性顆粒的示意圖。例如如圖2所示，提供一種復壁碳納米管200，其包括一種置于其中的Co顆粒210。如圖3所示，根據(jù)此處公開的更詳細的方法，還可以將磁性顆粒310組裝或者附著于諸如原子力顯微鏡的探針的尖端上。
如此處進一步的解釋與說明，根據(jù)下文公開的更詳細的方法，還可以將這些磁性顆粒組裝或者附著于諸如原子力顯微鏡的探針的尖端上。通過測量如上述方法制造的磁性尖端與需要成像的物體間的相互作用力，可以將物體的磁性結構成像。此種物體包括磁性數(shù)據(jù)存儲介質。由于上述磁性顆粒尺寸小，可以預期得到高得多的分辯率。
未加工的含納米結構的材料可以進行提純?？梢灶A期提純未加工材料的幾種技術。根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，可以將未加工材料在適當?shù)娜軇T如H2O2的體積濃度為1-40％，優(yōu)選H2O2體積濃度約為20％的過氧化物(H2O2)和水的混合物中回流，接著在CS2中漂洗，再接著在甲醇中漂洗，然后過濾進行提純。根據(jù)示例性技術，對于介質中每1-10mg的納米管向介質中引入大約10-100ml的過氧化物，并且回流反應在20-100℃溫度下進行(參見，例如美國專利6,553,096(序號09/679,303))。
根據(jù)另一個備選方案，將未加工含納米結構的材料放入適當?shù)囊后w介質，諸如酸性介質，有機溶劑，或者醇，優(yōu)選為甲醇之中。使用大功率超聲變幅桿將未加工材料以懸浮液保留在液體介質中幾個小時，同時將懸浮液通過微孔膜。在另一個實施方案中，可以在空氣或者氧氣環(huán)境中在200-700℃溫度下通過氧化將未加工材料提純。未加工材料中的雜質以一種比納米管快的速度氧化。
在又一實施方案中，可以用液相色譜將納米管/納米線與雜質分離而將未加工材料提純。
然后任選地將原料進一步加工，諸如化學浸蝕或者碾磨以縮短納米管和納米管束的長度。
無論是否進行上述縮短處理，提純的未加工材料都可以任選地在諸如100-1200℃的合適溫度下進行退火。根據(jù)優(yōu)選實施方案，退火溫度是100℃-600℃。材料進行諸如大約1-60分鐘的適當時間的退火處理。根據(jù)優(yōu)選實施方案，材料退火時間大約為1小時。材料在約為10-2torr或者更高的真空度的真空中進行退火。根據(jù)優(yōu)選實施方案，真空大約為5×10-7torr。
現(xiàn)在可以將上述“未加工”或者預成型的材料引入溶液，以將其沉積在物體或基片上和/或形成諸如導線的制品。
根據(jù)一個備選實施方案，在將提純的含納米結構的材料放入上述溶液或者懸浮液中前，將其官能化。例如，可以在強酸中將提純的含納米結構的材料氧化以使材料具有親水性。此做法的一個示例性方法包括將提純的納米結構的材料引入H2SO4和HNO3的溶液中10-24小時，同時受到超聲能量的作用?；蛘?，可以通過化學方法或者物理方法將化學物質附著于納米結構的外表面上來將提純的含納米結構的材料官能化，以使納米結構可溶或者促進穩(wěn)定的懸浮液形成。
選擇適當?shù)囊后w介質以使得在該液體中可以形成未加工的納米結構的材料的穩(wěn)定懸浮液。根據(jù)優(yōu)選實施方案，液體介質包括水，甲醇，乙醇，醇類，和二甲基甲酰胺(DMF)和甘油中的至少一種。向液體介質中添加未加工材料時，可以任選地施加超聲能量或者使用諸如磁力攪拌棒來攪拌混合物，以促進穩(wěn)定懸浮液形成?？梢愿淖兪┘映暷芰康臅r間，但是我們發(fā)現(xiàn)在室溫下大約兩個小時就已足夠。
可以改變液體介質中未加工材料的濃度，只要形成了穩(wěn)定的懸浮液即可。例如，采用包括甲醇的液體介質，每毫升液體介質中可以有大約0.01mg(0.01mg/ml)的諸如單壁碳納米管的未加工材料，就可以提供穩(wěn)定的懸浮液。當液體介質包含DMF時，每毫升液體介質中可以有大約0.4-0.5mg(0.4-0.5mg/ml)的諸如單壁碳納米管的未加工材料，就可以提供穩(wěn)定的懸浮液。當使用截短的碳納米管時，可以得到較高濃度的穩(wěn)定懸浮液。例如，可以形成水中的大約0.1mg/ml的截短納米管的穩(wěn)定的分散體。另一個實施例中，將通過化學處理而具有親水性的單壁碳納米管束分散在水中。根據(jù)需要的沉積率來調節(jié)納米管的濃度。
根據(jù)一個實施方案，向懸浮液中添加充電器以促進電泳淀積。一種優(yōu)選的充電器是MgCl2。其它可能的充電器包括Mg(NO3)2，La(NO3)3，Y(NO3)3，AlCl3和氫氧化鈉?？梢允褂萌魏魏线m的量。相對于含納米結構的材料的量，從低于1重量％最高達50重量％的量都是可行的。根據(jù)優(yōu)選實施方案，懸浮液可以含有不到1％的充電器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，將少量碳納米管分散在水中。將懸浮液進行超聲處理以得到碳納米管的均勻分散體。無需向懸浮液施加任何充電器。使用交流電介電泳技術將碳納米管沉積至需要的物體上。在AC場下，碳納米管極化并且向某個場方向遷移，該方向取決于場濃度，AC場頻率，以及液體和碳納米管的介電常數(shù)。
然后向懸浮液中引入多個電極。根據(jù)優(yōu)選實施方案，使用兩個電極。一個電極包括其上將要沉積納米結構的材料的物體。可以預期使用任何合適的物體或者基片材料，只要它具有必要程度的導電率。根據(jù)優(yōu)選實施方案，物體可以是金屬或者摻雜的硅。根據(jù)另一個優(yōu)選實施方案，至少一個電極包括一個或多個尖端。
向電極上施加交流電或者直流電，使電極間形成電場。這引起懸浮液中的納米結構的材料向基片電極遷移并且附著于基片電極上。根據(jù)一個實施方案，施加在電極間的電場是0.1-1000V/cm，并且施加0.1-200mA/cm2的直流電1秒-1小時。根據(jù)另一個實施方案，施加頻率為10Hz-10GHz的交流電。
根據(jù)優(yōu)選實施方案，上述電泳淀積在室溫下進行。
多種因素可以影響沉積率以及沉積的納米結構的材料的結構和形貌。這些因素包括懸浮液中納米結構的材料的濃度，如果有的話懸浮液中充電器材料(例如MgCl2)濃度，物體電導率，以及電源控制(也就是說，當施加交流電時，施加的電流，電壓條件和頻率)。
例如，施加直流電時，可以通過選擇充電器材料來控制納米結構的材料向之遷移的特定電極(也就是說陽極或者陰極)。例如，通過利用諸如氫氧化鈉(NaOH)的負充電器，向納米結構的材料施加負電荷，從而使納米結構的材料產生向正電極(陰極)遷移的趨勢。相反地，當使用諸如MgCl2的正充電器材料時，向納米結構的材料施加正電荷，從而使納米結構的材料產生向負電極(陽極)遷移的趨勢。
當使用交流電場時，可以通過選擇交流電頻率，相對于納米結構的材料的液體介電常數(shù)，場濃度，以及電極的幾何形狀來控制納米結構的材料向之遷移的特定電極。
可以任選地對其上沉積了含納米結構的材料的帶涂層物體進行進一步加工。例如，可以將帶涂層物體退火以除去液體介質?？赡軆?yōu)選進行這樣的退火工序，因為除去諸如殘余懸浮液介質的雜質可以改善納米結構的材料與物體間的電和熱接觸與結合情況。例如，可以將涂覆的基片加熱至大約100-1200℃，保持大約1小時，然后在大約800℃保持2小時，兩個過程都在大約5×10-7torr的真空下進行。
根據(jù)另一個實施方案，可以進一步地通過引入諸如粘結劑，碳溶解或者碳化物形成金屬的粘合促進材料以及高溫退火來改善碳納米管與基片的粘合。這些材料可以通過諸如下列工藝之一來引入納米結構與粘合促進材料的顆粒共沉積，順序沉積，粘合促進材料層的預沉積等等。
在一個實施方案中，添加諸如聚合物粘合劑的粘合劑至含納米結構的材料的懸浮液中，然后將其攪拌或者進行超聲處理以得到均勻懸浮液。合適的聚合物粘合劑包括聚(乙烯基丁縮醛-乙烯醇-乙酸乙烯酯)和聚(偏二氟乙烯)。選擇合適的充電器以在施加的DC或者AC電場下，粘合劑與納米結構將向相同電極遷移，以形成納米結構和粘合劑的緊密混合涂層。
在另一個實施方案中，諸如鈦，鐵，鉛，錫，鈷的小金屬微粒被混入含納米結構的材料的懸浮液。選擇合適的充電器以在施加的電場下，金屬微粒與納米結構將向需要的電極遷移，以形成金屬微粒和納米結構緊密混合的均勻涂層。沉積后，在10-3torr或者更高的基本真空壓力的真空中將涂層退火處理0.1-10小時。優(yōu)選地，顆粒直徑小于1微米。
粘合劑或者粘合促進材料可以以任何合適的量添加。可以涵蓋相對于含納米結構的材料的量為0.1-20重量％的量。
在另一個實施方案中，需要涂覆納米結構的物體首先涂覆至少一層諸如鈦，鐵，鉛，錫，鈷，鎳，鉭，鎢，鈮，鋯，釩，鉻或者鉿的粘合促進金屬的層。這樣的層可以通過諸如電化學鍍法，熱蒸發(fā)，濺射或者脈沖激光器沉積的技術施加。在納米結構的電泳淀積后，在10-3torr或者更高的基本真空壓力的真空中將膜退火處理0.1-10小時。
上述方法有利地適用于高輸出和自動化應用中。這些方法也是非常多用途的。本發(fā)明的方法也適于生產包括含納米結構的材料的制品，這些含納米結構的材料具有使其適于多種不同應用的性能。這些方法也可用于生產微米級或者較大尺寸的制品以及包括DNA的更大或巨大分子。
一般情況下，本發(fā)明的方法特別適于提供在顯微光波干涉儀以及電子顯微鏡探針，諸如X射線發(fā)生裝置、氣體放電管、照明裝置、微波功率放大器、離子槍、電子束平印術裝置、高能加速器、自由電子激光器以及平板顯示器的設備中的電子場發(fā)射陰極中使用的納米管和/或納米棒材料。例如，公開的電泳法可用于將單個或者一束碳納米管或者納米線選擇性地沉積至尖端上。這種尖端可以是例如用于諸如包括原子力顯微鏡(AFM)，掃描隧道顯微鏡(STM)，磁力顯微鏡(MFM)，以及化學力顯微鏡(CFM)的顯微鏡尖端。本方法還可以用于碳納米管和其它納米結構的材料的連續(xù)纖維或者長纖維的生產。本方法還可以進一步地用于制備在電路中使用納米結構的材料的電聯(lián)接。
現(xiàn)在將出于示例目的描述上文概述的與本發(fā)明原理一致的特定技術以及相關制品。
圖4A與4B示出了一種技術，其中首先制備一種諸如納米管或者納米線的含納米結構的材料的稀釋懸浮液。首先將一個反電極410浸入懸浮液420中。將金屬尖端430用作第二電極?？梢酝ㄟ^，例如化學方法蝕刻諸如鎢絲的標準金屬絲來形成金屬尖端。首先將金屬尖端430與懸浮液420表面垂直放置，使需要沉積含納米結構的材料的尖端稍微高于懸浮液420的上表面。然后逐漸將尖端430向懸浮液420表面移動。將電源440電連接至電極410和尖端430?？梢允褂靡粋€諸如電流計的計量儀監(jiān)測反電極與金屬尖端之間的電流。此外，可以使用一個適當?shù)墓鈱W放大設備監(jiān)測金屬尖端430與懸浮液表面420間的間距。當尖端430接觸到懸浮液420表面時，可以檢測到兩個電極間通過的電流。尖端430可以保持接觸一段預定時間，該時間取決于懸浮液中含納米結構的材料的濃度以及所用電場。電壓由電源440通過直流或交流電施加于兩個電極之間。預定時間后關閉電壓，將尖端430升到懸浮液上方以停止沉積過程?；蛘撸鐖D4B所示，可以在將尖端430逐漸移開懸浮液420的同時繼續(xù)施加電壓，以在尖端430上形成附著的納米管450的線或繩。可以引入裝置460，其可為臺架或滾子，用于使尖端430旋轉和/或線性運動。根據(jù)納米結構的材料450的沉積速率控制移開尖端的速度，以保證只有附著于尖端430的納米結構的材料的最外層表面與懸浮液420接觸。帶有在真空中附著于其上的碳納米管450或其它納米結構的金屬尖端430也可進行退火以便增加尖端與納米結構之間的結合作用。
參考圖5A與5B描述本發(fā)明另一個實施方案。將諸如任何在先公開的材料，優(yōu)選碳納米管的含納米結構的材料分散在諸如水的適當溶劑中，濃度約為0.01g/L。將懸浮液進行超聲處理以使材料均勻分散在液體中。將納米管/水懸浮液510的液滴施加至金屬O形環(huán)520上。金屬O形環(huán)520是可活動的，例如安裝在一個平移臺架上(未示出)。將金屬尖端530電連接至電源540，電源540還連接于金屬O形環(huán)520。開始時金屬尖端530不與液滴510接觸。在優(yōu)選實施方案中，將裝置放在光學顯微鏡下。通過AC電源540建立20V和10MHz的AC信號。在顯微鏡下，將尖端530逐漸向液滴510移動。它們物理接觸后，在電場下使它們保持靜止約1-60秒。然后逐漸將尖端530移開液體。當金屬尖端530與液滴510物理接觸時，形成了以金屬尖端530與金屬O形環(huán)作為兩個電極的電路。如圖5B所示，在AC場下，納米結構550被極化了。因為電極是不對稱的，所以場并非均勻分布，而是主要集中在尖端周圍。如圖5B所示，從而諸如納米管的納米結構550被拉近尖端530。通過調節(jié)納米結構濃度以及沉積時間，可以將單個納米結構或者納米結構組，諸如單個碳納米管或者碳納米管束附著于金屬尖端上。
作為上述工序的一個可能變型，可以在尖端530與反電極或者0形環(huán)520之間建立一個直流電電場，而非交流電場?？梢韵驊腋∫禾砑又T如MgCl2的適當?shù)摹俺潆娖鳌?。在電場下，納米結構550或者納米管向尖端530遷移并且附著于尖端表面。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，通過與根據(jù)圖4A，4B，5A和5B描述的相似技術制造包括優(yōu)選為碳納米管的納米結構的導線。如圖4B和5B所示，當建立AC場時，分散在液體中的納米結構450，550或者碳納米管被極化并且對齊于場方向。在不對稱的電場下，納米結構450，550接著向場較強的尖電極端430，530遷移。然后它們附著于尖端430，530上，成為電極最初的最外層表面。當更多納米結構450，550被拉動并且附著，所附著的最外層納米結構450，550或者碳納米管成為電極的最外層表面?？梢酝ㄟ^以上方法形成納米結構的材料的長連續(xù)導線(參見，例如圖9)。通過優(yōu)化轉速，電場，電場頻率，以及分散有納米結構的材料的液體的濃度，可以制造一卷納米結構的材料的連續(xù)纖維。通過諸如電流以及所用懸浮液中納米結構的濃度等參數(shù)來控制導線長度。沉積后，導線可以通過諸如退火進一步處理，來增加機械強度或者改善官能性。
本發(fā)明還涵蓋可以集成到如上所述的沉積過程中的對纖維的進一步處理方法。例如，可以將從液體抽出的導線或者纖維穿過一個放置在裝置460與液體之間的爐子，以在成型處理期間一步增強纖維性能。本發(fā)明還涵蓋了可以將纖維穿過一個包括諸如聚合物熔體或者聚合物溶液的不同類型材料的浴。通過首先從液體抽出納米結構的材料的纖維然后通過液體，聚合物將浸漬和涂覆纖維，并且因此形成一種納米結構的材料與聚合物的復合材料。
圖6示出了如上所概述的方法和/或裝置類型的示例性實施方案。根據(jù)所示實施方案，將電極610放入容器620中。容器620充滿了含有納米結構的材料630的介質?？梢杂萌缦路椒◤慕橘|630中抽出含納米結構的材料640的連續(xù)線或繩。首先將呈滾子650形式的反電極放在與介質630的表面接觸的位置。當電源660在電極610與反電極650之間提供交流電電位的時候，反電極650向遠離介質630上表面的方向移動，如此處詳述的，介質630中含有的含納米結構的材料附著于反電極650上，然后彼此附著，并且可以形成連續(xù)的線或繩640。含納米結構的材料的線或繩640可以任選地通過可以用來除去包含在介質630中的液體等的加熱設備或者爐子670。根據(jù)另一個備選方案，可以使用一系列滾子680來輸送線或繩640通過各種附加處理步驟。例如，如圖6所示，線或繩640可以通過含有需要與該含納米結構線或繩640混合的第二材料的第二介質690。例如，介質690可以含有聚合物熔體，這種聚合物熔體可以浸漬含納米結構的材料線或繩640，因此形成一種復合材料纖維。介質690位于容器695中。然后將繩690從容器695拉出并且輸送至附加處理步驟，或者堆積在最后的滾子680上。含納米結構的材料線或繩640可以包含或者基本上由單壁碳納米管組成?？商鎿Q地，含納米結構的材料可以包含或基本上由本發(fā)明前面提到的任何含納米結構的材料組成。
在本發(fā)明又一實施方案中，涵蓋了同時處理多個尖端的批量型方法。如圖7所示，可以直接從原材料通過蝕刻形成一組尖端710或者將尖端710安裝在支架720上。將諸如碳納米管的納米結構730的懸浮液放在容器740中。將扁平的金屬電極750放入同一容器中。將交流電電源760連接到支架720和扁平電極750上。在尖端710與扁平電極750之間建立AC場。頻率的一個例子是1KHz-10GHz。升高容器740(或者降低尖端710)直到尖端710與懸浮液730表面相接觸。在一段固定的停留時間(諸如1秒-10秒)之后，將尖端710與懸浮液730分開。通過控制電流，懸浮液中含納米結構的材料的濃度，以及停留時間，有可能使一個納米結構或碳納米管或者一組納米結構或者碳納米管束附著于每個尖端上。沉積后，可以進一步處理尖端710以提高結合強度。帶涂層尖端能用作AFM、STM或者其它掃描探針顯微鏡的探針，傳感器的微電極或者電化學電池。
在另一個實施方案中，包括納米物體的導線按照組裝方式形成預定圖案以便制作電路中不同元件之間的電連接。圖8A和8B示出了一個特定實施例。將含有諸如碳納米管的納米物體的液體液滴850放入由四個組件810，820，830與840限定的區(qū)域中，這四個組件可以是電路板中的組件。首先在諸如810和830的兩個組件間建立諸如AC場的電場，直到含有納米物體或者納米管的導線形成并且連通810與830。然后在820和840之間建立場直到含有所述納米物體的導線形成并且連通820與840。結果，在四個組件810-840間建立了一種交叉電連接。
圖9A至9E是附著有根據(jù)本發(fā)明形成的碳納米管或者納米線920的尖金屬端910的SEM圖像。圖9C是含有根據(jù)本發(fā)明方法附著到鎢尖端的單壁碳納米管(SWNT)束的導線的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。根據(jù)示例性實施方案，原纖維的直徑可小于1.0微米，優(yōu)選0.5nm-10微米，優(yōu)選小于1微米。原纖維的長度可為50nm-50微米，優(yōu)選小于30微米。根據(jù)本發(fā)明構造的尖端可以提供1-10微安量級的穩(wěn)定的電子發(fā)射電流。
圖10為具有大致縱向的軸線AF的原纖維F的示意圖，其附著于具有錐體軸Ac的基本上為錐形的尖端T上，以便使得原纖維F基本上沿著錐體軸Ac對齊。也就是說，軸AF與軸Ac相對于彼此限定了一個角度α，小于大約15度，優(yōu)選地小于大約10度。
根據(jù)本發(fā)明制造的附著有碳納米管的尖端可用于包括原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，磁力顯微鏡與化學力顯微鏡的掃描探針顯微鏡。由于諸如碳納米管的納米結構的材料具有大的長徑比與小的直徑，因而可以獲得更好的成像質量。例如，圖11示出了一種具有組裝在其尖端上的納米結構1120的典型的原子力顯微鏡探針1110。圖12示出了一種其上布置有納米結構1220的掃描電子顯微鏡尖端1210。圖13是一種尖端組裝有納米結構1320的Spindt型電子場發(fā)射體1310。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了以其性能差異為基礎分離納米結構的材料的技術與裝置?？梢苑蛛x含有一種或多種含納米結構的材料的混合物的材料。例如，可以將諸如碳納米管的金屬的和半導體的納米結構分成兩個子群。例如，一個是只含有金屬碳納米管的子群，另一個是只含有半導體碳納米管的子群。在一個特定實施例中，將預制的單壁碳納米管分散在水中。更優(yōu)選地首先用適當?shù)募夹g將單壁碳納米管提純以除去雜質相。通過在兩個電極之間施加交流電壓在液體中建立一個不對稱AC場。一種建立不對稱電場的方法是使用兩個具有不同幾何形狀的電極。例如，一個電極具有平面幾何形狀，另一個具有尖銳的突出部分。調節(jié)AC場的頻率。由于電性能不同，金屬的和半導體的碳納米管的極化將具有不同的頻率依賴性。在最理想的頻率下，金屬碳納米管將比半導體碳納米管更快地向具有突出部分的電極移動。在另一種情況下，有可能通過調節(jié)頻率以及所用液體，使在一定條件下金屬碳納米管向一個電極移動而半導體碳納米管向相反電極移動。在施加電場一定時間后，可以在相反電極表面上從液體中收集每組材料。此處描述的方法還可以用于將碳納米管與存在于原材料中的磁性顆粒分離。此方法不局限于碳納米管。它還可根據(jù)電性能和/或幾何形狀用于分離其它納米物體。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個分離技術/裝置的示例性實施方案。
裝置1400包括多個根據(jù)一種特定圖案排列的電極1402，1404。根據(jù)示例性實施方案，電極1402，1404以相對于彼此為90度的角度排列。但是，應該意識到本發(fā)明也涵蓋很多其它電極圖案。電源1406向電極1402，1404供給交流電。由于交流電流過電極1402，1404引起的邊緣效應出現(xiàn)了不均勻電場。在示例性實施方案中，產生了具有相對高的強度的電場區(qū)域1408。另外，還產生了具有相對低的電場強度的區(qū)域1410。
裝置1400可以放在通道或者腔室中，示意性地示于1412處?？梢韵蚯皇一蛘咄ǖ?412中引入含有第一類型顆粒1416和第二類型顆粒1418的混合物。含有至少兩種不同類型顆粒的混合物可以有多種形式。例如，顆粒1416和1418中的至少一種可以包括含納米結構的材料。根據(jù)一個實施例，將顆粒1416和1418放置于一種液體介質內部。根據(jù)另一個實施例，將包括第一類型含納米結構的材料-顆粒1416和不同的第二類型含納米結構的材料顆粒1418的混合物放置于液體介質中?？梢栽谇皇一蛘咄ǖ?412的一端引入液體介質，并且使液體介質例如基本上沿箭頭F所示的方向流動。由于性能的差異，顆粒1416和1418被施加的電場以不同的方式極化或者影響。例如，第一類型顆粒1416可能被施加的電場負極化，而第二類型顆粒1418可能被施加的電場正極化。因此，由于極性不同，第二類型顆粒1418被保持并截留在具有相對高的強度的電場區(qū)域1408，并且可能附著在電極1402，1404上。相反地，第一類型顆粒1416由于其極性而未被吸引到具有相對高的強度的電場1408，而是可以在具有相對低的強度電場區(qū)域1410中沿著圖14中箭頭F所示的方向流動。這樣，第一顆粒1416可以在腔室或者通道1412中向下游流動，并且可以在遠離電極的位置被收集到。第二類型顆粒1418包含于電場1408中，和/或附著在電極1402，1404上，并且因此能從電極上回收。
圖15包括根據(jù)本發(fā)明的另一個分離技術/裝置的示例性實施方案。裝置1500包括多個圖案化電極1502，1504，1506和1508。向這些電極施加交流電，根據(jù)一個實施方案向所有這些電極施加的交流電的量相等。然而，電流的施加方式可以使得其相對于其它電極的相位差為90°。然后可以將裝置1500放在包括至少第一和第二類型顆粒1510，1512的混合物中。該混合物可以包括任何上文描述的那些類型的混合物。由于向第一與第二顆粒1510，1512所施加電場引起的差異與效應，在這些顆粒與電極1502，1504，1506以及1508之間存在這樣的相互作用，以至于每種顆粒都存在相對運動。特定運動方向取決于兩種不同類型顆粒1510，1512中每一種的極化率。這樣，就引起一種顆粒，例如1510向裝置1500中心運動，如圖15所示，而引起另一種顆粒1512向遠離裝置1500中心的方向運動。這樣，用這樣的方式將兩組顆粒彼此分離。第一組顆粒1510可以從裝置1500中心處收集，并且實際上可能附著于電極1502，1504，1506和1508上。第二組顆粒1512向遠離裝置1500的方向移動，因而可以從較遠的位置回收。
現(xiàn)在參考下列示例性、非限制性實施例進一步地描述本發(fā)明的原理。
實施例將通過化學浸蝕方法制備的鎢尖端用作工作電極，將小金屬板或者環(huán)用作反電極。將它們安裝在分開的平移臺架上并且放在光學顯微鏡下。首先將單壁碳納米管提純，蝕刻至約2微米的束長，并且通過化學氧化作用進行親水化處理。然后將它們分散在去離子水中。將納米管懸浮液的液滴放在金屬環(huán)中。為了開始沉積作用，首先在兩個電極之間施加AC場(10V、2MHz)。在電場下將尖端電極水平地平移，使其與納米管/水懸浮液接觸，并且逐漸地拉出，直到形成具有需要長度的原纖維。
沉積后，在10-6torr真空度，800℃下將附著有納米管原纖維的金屬尖端退火處理1小時以除去剩余溶劑，并且提高納米管與金屬尖端之間的粘合性以及納米管之間的結合。
使用具有安裝在測微計頭上的尖端作為陰極，相對的金屬板作為陽極的點-面幾何構造來測量這些尖端的電子場發(fā)射特性。通過平移測微計頭來調節(jié)兩者之間的距離并且固定為約200mm。將裝置放在5×10-7Torr基礎壓力的真空室里面。將來自尖端的總發(fā)射電流收集為所施加電壓的函數(shù)。圖16與插圖示出了從一個尖端直徑為約50nm的尖端收集的數(shù)據(jù)。發(fā)射電流-電壓特征呈現(xiàn)經(jīng)典Fowler-Nordheim型特性，在1n(I/V2)與1/V之間具有線性關系。在所施加電壓低于1000V時，發(fā)射電流達到5mA，其產生的電流密度估計為2.5×105A/cm2。
通過監(jiān)測在固定電壓、DC模式下連續(xù)10個小時內發(fā)射電流隨時間的變化來測定發(fā)射穩(wěn)定性。圖17顯示了連續(xù)在三個不同電壓下測定的尖端(直徑為約50nm)的數(shù)據(jù)。當外加電壓分別固定為800V和1000V時，發(fā)射電流穩(wěn)定在1mA以及2.8mA，發(fā)射電流沒有出現(xiàn)總體衰減。使用與陰極串聯(lián)的鎮(zhèn)流電阻，則局部電流波動在1mA時被計算為5％，而在2.8mA時為2.5％。當電壓進一步增加至1200V時，同一樣品的發(fā)射電流達到5.5mA，但是一小時后突然降低為零。甚至在更高電壓下也檢測不到電流。如圖17所示，SEM測試顯示出W線斷裂以及整個尖端消失的嚴重損壞。這歸結于在W與原纖維界面處的電阻加熱效應。在另一個制備的尖端中，得到了穩(wěn)定的6.5mA的電流。這個不帶鎮(zhèn)流電阻的樣品的電流波動約為12％，比得上從無鎮(zhèn)流的單個單壁碳納米管所記錄的值。
如圖18所示，為了記錄尖端1800的發(fā)射圖案，將上面測量中使用的金屬陽極用熒光劑涂覆的ITO(銦-錫-氧化物)玻璃1810代替。用一臺放置在真空室外面的CCD攝像機記錄發(fā)射電子在熒光屏上形成的圖像1820。發(fā)射圖像1820是從復壁納米管/尖端獲得的。在全部工作電壓下都能觀察到單個發(fā)射點，這與SEM結果一致，表明在每一鎢尖端上只錨定一個密堆積碳納米管。在1400V下熒光屏上亮點的直徑大約為200mm，射束發(fā)散角為50°。大擴展角緣于電場分布呈點-面幾何形狀，而非來自納米管的場發(fā)射電子的固有發(fā)散角。
盡管已經(jīng)參考上述實施方案來描述了本發(fā)明，但某些修改和變化對于本領域普通技術人員來說是顯而易見的。因此，本發(fā)明僅僅由所附權利要求書的范圍和精神所限制。
權利要求
1.一種將含納米結構的材料附著于物體的尖端上的方法，該方法包括(i)在液體介質中形成含納米結構的材料的懸浮液；(ii)將至少一個電極浸沒在該懸浮液中；(iii)將尖端放入該懸浮液中；以及(iv)在浸沒的電極和尖端上施加直流或交流電，使懸浮液中的至少一部分含納米結構的材料附著于物體最接近于尖端的頂點處。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中的物體包括點電子場發(fā)射源，原子力顯微鏡的探針，掃描隧道顯微鏡的探針，透射電子顯微鏡的電子源，掃描電子顯微鏡的電子源，磁力顯微鏡的探針，或者顯微光波干涉儀。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括在步驟(i)之前將含納米結構的材料官能化的步驟。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(iii)與(iv)進一步地包括將尖端向懸浮液表面移動直到在尖端與懸浮液之間建立電連接，保持電連接一段預定時間，并且將尖端從懸浮液中取出。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中含納米結構的材料包括碳納米管，并且其中步驟(iv)進一步地包括向尖端上附著單個碳納米管，納米管束，或納米線，或者附著包括許多碳納米管，納米管束或納米線的原纖維。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中單個碳納米管，納米管束，或納米線的縱軸與尖端錐體軸對齊。
7.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中包括納米管，納米管束，或納米線的原纖維的縱軸與尖端錐體軸對齊。
8.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中在原纖維中的納米管，納米管束或納米線的縱軸與原纖維的縱軸對齊。
9.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中原纖維具有圓柱形本體和兩個末端，其中原纖維的第一末端附著于尖端頂點，原纖維的第二末端具有漸縮幾何形狀，其中漸縮末端的尖端直徑是0.5nm-100nm。
10.根據(jù)權利要求5所述的方法，進一步地包括在附著上納米管，納米管束或納米線后將尖端退火。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(iii)包括在懸浮液中放置多個尖端。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(iv)包括施加頻率為10Hz-10GHz的交流電。
13.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(iv)包括施加直流電。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中步驟(i)進一步地包括向懸浮液中添加至少一種化合物以給予含納米結構的材料一種充電特性。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中至少一種化合物包括MgCl2，NaOH，Mg(NO3)2，La(NO3)3，AlCl3中的一種或多種。
16.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中含納米結構的材料包括單壁碳納米管；復壁碳納米管；硅；二氧化硅；鍺；氧化鍺；碳氮化物；硼；氮化硼；二硫屬化物；銀；金；鐵；二氧化鈦；氧化鎵；磷化銦；或者封裝于納米管內部的磁性顆粒；組成為BxCyNz的納米管；組成為MS2(M＝鎢，鉬，或者釩的氧化物)的納米管或同心富勒烯中的至少一種。
17.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中一邊施加電流一邊逐漸將尖端從懸浮液表面拉出，以首先將含納米結構的材料組裝至接近尖端頂點之處，然后再組裝至已經(jīng)附著的含納米結構的材料上，從而形成含納米結構的材料的導線。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中形成的導線直徑為0.5nm-100μm。
19.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步地包括在步驟(iv)之后將尖端和含納米結構的材料退火。
20.一種導線，其直徑為0.5nm-100μm，包含含納米結構的材料。
21.根據(jù)權利要求20所述的導線，其直徑為0.5nm-1μm。
22.根據(jù)權利要求21所述的導線，其長度為50nm-50μm。
23.根據(jù)權利要求20所述的導線，其中含納米結構的材料包括碳納米管。
24.根據(jù)權利要求23所述的導線，其中碳納米管包括單壁碳納米管。
25.根據(jù)權利要求20所述的導線，其由權利要求17所述的方法形成。
26.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中步驟(iv)包括將一個碳納米管附著至尖端頂點上，其中碳納米管縱軸與尖端錐體軸對齊，并且其中遠離頂點的碳納米管末端含有磁性顆粒。
27.根據(jù)權利要求26所述的方法，其中尖端是原子力顯微鏡的探針。
28.根據(jù)權利要求26所述的方法，其中磁性顆粒被碳納米管封裝。
29.一種設備，包括具有一個錐體軸的基本上為圓錐形的尖端，以及包括附著于尖端上并且基本上與尖端的錐體軸對齊的含有納米結構的材料的原纖維，原纖維的直徑為0.5nm-1.0μm。
30.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中該設備包括點電子場發(fā)射源。
31.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中該設備包括原子力顯微鏡，掃描探針顯微鏡，透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡，磁力顯微鏡，或顯微光波干涉儀的探針。
32.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中尖端由鎢形成。
33.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中含納米結構的材料包括單壁碳納米管；復壁碳納米管；硅；二氧化硅；鍺；氧化鍺；碳氮化物；硼；氮化硼；二硫屬化物；銀；金；鐵；二氧化鈦；氧化鎵；磷化銦；或者封裝于納米管內部的磁性顆粒；組成為BxCyNz的納米管；組成為MS2(M＝鎢，鉬，或者釩的氧化物)的納米管或同心富勒烯中的至少一種。
34.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中原纖維包括單個碳納米管，多個碳納米管，單個碳納米管束，或多個碳納米管束。
35.根據(jù)權利要求34所述的設備，其中單個碳納米管或多個碳納米管包括單壁碳納米管。
36.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中原纖維的長度為50nm-50μm。
37.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中該設備的發(fā)射電子流大于0.5微安，并且連續(xù)運轉10小時后電流衰減小于15％。
38.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中該設備的發(fā)射電子流大于1.0微安，并且連續(xù)運轉10小時后電流衰減小于15％。
39.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中該設備的發(fā)射電子流大于3.0微安，并且連續(xù)運轉10小時后電流衰減小于15％。
40.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中該設備的發(fā)射電子流大于5.0微安，并且連續(xù)運轉10小時后電流衰減小于15％。
41.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中附著的原纖維具有大致縱向的軸，該軸與尖端錐體軸限定了一個角度，該角度小于15度。
42.根據(jù)權利要求29所述的設備，其中附著的原纖維具有大致縱向的軸，該軸與尖端錐體軸限定了一個角度，該角度小于10度。
43.一種在多個組件之間建立電連接的方法，該方法包括(i)在液體介質中形成含納米結構的材料的懸浮液，(ii)將懸浮液與組件接觸；以及(iii)在組件上施加直流或交流電，從而在兩者間形成一個電場，從而使得由連接組件的含納米結構的材料來形成導線。
44.根據(jù)權利要求43所述的方法，其中多個組件包括兩個組件。
45.根據(jù)權利要求43所述的方法，其中多個組件包括四個組件，步驟(ii)包括將懸浮液與全部四個組件接觸，以及步驟(iii)包括向第一對組件施加直流或交流電以在兩者間形成第一連接，然后向第二對組件施加直流或交流電以在兩者間形成第二連接。
46.根據(jù)權利要求43所述的方法，其中組件包括布置在電路板上的組件。
47.根據(jù)權利要求43所述的方法，進一步地包括在附著上納米管，納米管束或納米線后將尖端退火。
48.根據(jù)權利要求43所述的方法，其中步驟(iii)包括施加頻率為10Hz-10GHz的交流電。
49.根據(jù)權利要求43所述的方法，其中步驟(iii)包括施加直流電。
50.根據(jù)權利要求49所述的方法，其中步驟(i)進一步地包括向懸浮液中添加至少一種化合物以給予含納米結構的材料一種充電特性。
51.根據(jù)權利要求50所述的方法，其中該至少一種化合物包括MgCl2，NaOH，Mg(NO3)2，La(NO3)3，AlCl3中的一種或多種。
52.根據(jù)權利要求43所述的方法，其中含納米結構的材料包括單壁碳納米管；復壁碳納米管；硅；二氧化硅；鍺；氧化鍺；碳氮化物；硼；氮化硼；二硫屬化物；銀；金；鐵；二氧化鈦；氧化鎵；磷化銦；或者封裝于納米管內部的磁性顆粒Fe，Co或Ni；組成為BxCyNz的納米管；組成為MS2(M＝鎢，鉬，或者釩的氧化物)的納米管或同心富勒烯中的至少一種。
53.一種裝置，包括第一組件；第二組件；以及包括含納米結構的材料的第一導線，該導線附著于第一以及第二組件，并且在兩者間提供電連接。
54.根據(jù)權利要求53所述的裝置，其中導線由根據(jù)權利要求43所述的方法形成。
55.根據(jù)權利要求53所述的裝置，進一步地包括第三組件；第四組件；以及包括含納米結構的材料的第二導線，該導線附著于第一與第二組件并且在兩者間提供電連接。
56.根據(jù)權利要求55所述的方法，其中第二導線由根據(jù)權利要求43所述的方法形成。
57.根據(jù)權利要求53所述的裝置，其中組件布置在電路板上。
58.一種將含納米結構的材料的組分離的方法，該方法包括(i)形成包括待分離的含納米結構的材料的組和液體介質的混合物，(ii)向混合物中引入多個電極；(iii)在混合物內部建立不對稱電場，(iv)將混合物中含納米結構的材料的組極化，從而使至少第一組遷移至第一電極，使第二組遷移至第二電極，以及(v)從液體介質中在第一電極處回收至少第一組。
59.根據(jù)權利要求58所述的方法，其中步驟(v)進一步地包括從液體介質中在第二電極處回收第二組。
60.根據(jù)權利要求58所述的方法，其中第一組包括導體，第二組包括半導體。
61.根據(jù)權利要求60所述的方法，其中該導體包括金屬的或導電的碳納米管，該半導體包括半導體碳納米管。
62.根據(jù)權利要求58所述的方法，其中該液體介質包括水。
63.根據(jù)權利要求58所述的方法，其中步驟(iii)進一步地包括施加交流電。
64.根據(jù)權利要求63所述的方法，其中步驟(iv)包括調節(jié)所施加交流電的頻率。
65.一種將混合物中所含的第一組顆粒與第二組顆粒分離的方法，其中至少第一與第二組顆粒的其中之一包括含納米結構的材料，該方法包括(i)形成電極的裝置；(ii)向該裝置施加交流電電源；(iii)將混合物與該裝置靠近；(iv)將第一組顆粒與第二組顆粒進行不同的極化；(v)依靠極性的不同將第一組顆粒與第二組顆粒分離；以及(vi)回收第一或第二組顆粒中的至少一種。
66.根據(jù)權利要求65所述的方法，其中含納米結構的材料包括碳納米管。
67.根據(jù)權利要求6 5所述的方法，其中混合物包括液體介質。
68.根據(jù)權利要求65所述的方法，其中步驟(i)包括形成多個相對于彼此為90°交叉的電極。
69.根據(jù)權利要求65所述的方法，其中步驟(i)包括形成多個同心電極。
70.根據(jù)權利要求69所述的方法，其中步驟(ii)包括向每個同心電極施加與另一個同心電極至少有90°相位差的交流電。
71.根據(jù)權利要求65所述的方法，其中步驟(v)包括向電極上附著至少一組顆粒。
全文摘要
一種將含納米結構的材料沉積至物體或基片上的方法，包括一個或多個下列步驟(1)形成含納米結構的材料的溶液或懸浮液，(2)選擇性地向溶液中添加“充電器”，(3)將電極浸沒在溶液中，將需要沉積納米結構的材料的基片或者物體作為其中一個電極，(4)在兩個電極間施加直流和/或交流電電場并持續(xù)一定時間，從而使溶液中的納米結構的材料向基片電極遷移并附著于基片電極上，以及(5)任選地對涂覆的基片進行后續(xù)處理。本發(fā)明還提供了相關物體和設備。本發(fā)明還描述了基于納米結構的性能和/或幾何形狀將其分離的方法。
文檔編號B05D3/14GK1849181SQ200380109509
公開日2006年10月18日 申請日期2003年12月8日 優(yōu)先權日2002年12月9日
發(fā)明者周子剛, 唐捷, 耿懷之, 秦祿昌, 章健, 楊光 申請人:北卡羅來納-查佩爾山大學