使用充電元件、模板和過濾器用于選擇性沉積納米管的裝置的制造方法
【專利說明】使用充電元件、模板和過濾器用于選擇性沉積納米管的裝置
[0001]本發(fā)明涉及一種用于加工材料的裝置，并且特別地涉及一種用于加工具有納米級截面的粒子的裝置，例如碳納米管，以形成電路或裝置。
[0002]碳以許多不同的同素異形體形態(tài)存在，例如金剛石和石墨。盡管這兩種材料由碳原子組成，但它們具有非常不同的物理和電氣性質(zhì)。碳還可以形成具有球形形狀的同素異形體，被稱為富勒烯，或者由單層石墨分子形成的薄片，被稱為石墨烯。碳還可以被加工以使其具有圓柱形納米結(jié)構(gòu)，并且這一同素異形體被稱作碳納米管(CNT)。CNT的尺寸以及CNT中碳原子的幾何形狀將決定CNT的特性。已經(jīng)得到證明，碳納米管可被大量地制造，并且具有特定的直徑和手性，這意味著它們具有金屬導(dǎo)體的特性。人們認(rèn)為用這種CNT制造的導(dǎo)線可以獲得在電學(xué)和物理特性上的明顯優(yōu)勢。例如，理論上預(yù)測，這種CNT導(dǎo)線將具有比銅或者銀導(dǎo)體更低的電阻，而且它們不會受到存在于銅導(dǎo)體中的趨膚效應(yīng)，其性能隨著通過它們的交流電流的頻率增加而降低。另外，已經(jīng)證明CNT可被用于數(shù)據(jù)傳輸。物理上，CNT導(dǎo)線已經(jīng)被證明是高撓性并且非常堅固的，因此適于制造非常精細而又堅固的結(jié)構(gòu)。
[0003]此外，人們相信可以處理CNT以便制造簡單結(jié)構(gòu)，例如具有非常精密的尺寸的納米線(例如，用于高頻電路)，或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如用于電子或者光子電路的裝置。
[0004]存在電子電路元件的小型化傾向，其理想地需要單獨的大分子和納米級粒子。技術(shù)挑戰(zhàn)存在于在基板上將單獨的納米管組裝成精確控制的結(jié)構(gòu)。碳納米管是適于該用途的現(xiàn)代納米級材料的一個例子；與互連和晶體管一樣。然而，本發(fā)明適用于其他形式的納米管，納米線和納米級微粒。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種裝置，該裝置包括:腔室；用于允許分散在流體中的微粒進入該腔室的入口 ；模板，該模板被構(gòu)造為，使得在使用中，穿過該模板的微粒被選擇性地沉積在基板上，該基板鄰近于所述模板而被接納；充電元件，該充電元件延伸跨越該腔室并且位于入口和模板之間，使得在使用中，該充電元件可將電荷施加在進入該腔室的微粒上；以及過濾器元件，該過濾器元件延伸跨越該腔室并且位于充電元件和模板之間，使得在使用中，第一電信號被施加至過濾器元件以使所述微粒被吸引至過濾器元件。
[0006]該模板可以包括單個或者多個模板區(qū)域，每個模板區(qū)域為具有不同圖案的孔/洞的納米孔膜片，其可被接納在由絕緣材料形成的框架之內(nèi)。此外，電勢可被選擇性地施加至該多個模板區(qū)域的一個或多個上。
[0007]僅僅作為舉例，現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明的實施例，其中:
[0008]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意圖；
[0009]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第二實施例的示意圖；
[0010]圖3是穿過模板并且被沉積在基板上的碳納米管的示意圖；
[0011]圖4a至圖4c示出了對于不同操作模式在裝置的腔室內(nèi)的電勢的輪廓的示意圖；并且
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明的裝置的進一步實施例的示意圖。
[0013]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置100的截面圖，其包括腔室110，閥120、150和160，充電/放電元件130，通斷過濾器140，模板膜片170和基板180。該裝置進一步包括位于腔室外部并靠近該腔室的第一充電板192和第二充電板194。第一充電板被接納在輸入閥120的周圍，并且第二充電板位于基板180附近。
[0014]運行中，該腔室填充有流體或者凝膠溶劑，例如通過入口閥120，其內(nèi)分散有多個納米管，例如通過如聲處理的工藝?？梢允褂梅菢O性的有機溶劑，例如氯仿。同樣可以使用離子或者水溶劑，適于分散該微粒而不與它們反應(yīng)將決定溶劑的選擇。
[0015]如從以下討論中可以更具體地看出，跨越單元的充電的可滲透元件被使用以便提供一些不同的功能效果。例如，元件可用來向納米管提供電荷:另外的元件可用來控制納米管通過單元的移動；并且進一步的元件可以用作模板臺，其控制碳納米管在基板上的沉積。
[0016]可替換地，如果平行金屬網(wǎng)(其可以具有更大的孔)被用來產(chǎn)生需要的電場，則非導(dǎo)電的無機納米孔膜片可被用于物理模板。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是金屬網(wǎng)可被隔離以防止電荷被傳送至納米管。就充電/放電平臺來說，電荷轉(zhuǎn)移是期望的結(jié)果，并且因此不會使用絕緣材料。
[0017]這些元件，特別是充電/放電元件130，通斷過濾器140以及模板膜片170，可以包括由在其中已經(jīng)形成有納米孔陣列的石墨烯的層形成的膜片(例如見ΗBayley," Nanotechnology:Holes with an edge"，Nature，467，164-165頁(2010年9月9 日)，以及 S.Garaj 等，"Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane"，Nature，467，190-193(2010 年 9 月 9 日))。
[0018]利用第一充電板192和第二充電板194，電場被施加至位于靠近入口閥120的區(qū)域內(nèi)的腔室。第一和第二充電板可以包括密集金屬點陣，其可由導(dǎo)電的納米孔膜片形成，例如石墨烯。
[0019]本發(fā)明使用模板膜片170與電場結(jié)合以引導(dǎo)納米管在基板180上的放置。模板膜片包括納米孔圖案，通過施加電場能夠牽拉納米管而通過所述納米孔圖案。該模板通過控制所述區(qū)域上的電場輪廓而被啟動。這是通過控制單元外部的電場并且通過改變模板膜片的平面內(nèi)的電勢這兩者來進行的。模板處的導(dǎo)電平面(或者模板膜片本身，或者覆蓋模板的平行導(dǎo)電網(wǎng))通過單元的壁與外部電勢連接，并且可被充電或者放電，這允許膜片的電勢被改變。為了初始化或者暫停納米管通過模板膜片的流動，模板處的電勢被設(shè)置為最小值。
[0020]圖4示出了在不同的模式中:初始化/暫停，牽拉，反轉(zhuǎn)/清除，模板膜片和基板的區(qū)域中的納米管的電勢分布圖。
[0021]當(dāng)把納米管牽拉至基板的表面上時，模板上的電荷減小，并且與基板相鄰的外部板194上的電荷增加。這使基板處的電勢設(shè)置為最小值，使得納米管被吸引并且保持在基板表面處。在放置期間該基板可以相對于模板膜片被移動，例如利用壓電致動器，以使納米管以受控方式被沉積在基板上。
[0022]充電/放電元件130的目的在于對納米管充電，以便改變它們對于電場的響應(yīng)。對納米管充電還將有助于保持它們分離并且會減少納米管捆在一起的可能性，盡管溶劑將會起到同樣的作用。
[0023]充電/放電元件同樣可以被用來選擇性地對不同類型的納米管充電。納米管將朝向充電元件130移動，該充電元件延伸跨越腔室的整個寬度。該充電/放電元件包括如下材料:電勢可以施加在該材料上，并且該材料可以在納米管穿過該材料時將電荷轉(zhuǎn)移至所述納米管。通過適當(dāng)?shù)厥┘与妱?，充?放電元件可以對于導(dǎo)電的和半導(dǎo)體的納米管具有不同的影響。例如，其可以用來選擇性地僅僅對金屬納米管充電。如果納米管最初是半導(dǎo)體的納米管和金屬納米管的混合物，然后如果充電電極的電勢不足以向半導(dǎo)體的導(dǎo)帶傳遞電子，則金屬納米管可被優(yōu)先充電。取決于施加至充電元件的電勢，可以向納米管充正電或者負電，或者甚至如果已經(jīng)被充電可以放電。
[0024]該充電/放電元件130可以包括由納米級半導(dǎo)體材料形成的柵格，例如跨越單元延伸或者被支撐在多孔介電膜片上的半導(dǎo)體納米管的細網(wǎng)?？蛇x的，可以使用具有連續(xù)地布置在表面上的納米孔的多個平行的充電膜片。進一步可選的是，該元件可以采用具有較大