專利名稱：伸長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)及其相關(guān)裝置的制作方法
關(guān)于政府權(quán)利的說明本發(fā)明是利用根據(jù)商業(yè)部的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(the NationalInstitute of Standards and Technology，Department of Commerce)授予的合同號(hào)70NANB2H3030的政府支持而做出的，因此美國(guó)政府享有本發(fā)明的某些權(quán)利。
背景本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及納米尺寸的結(jié)構(gòu)，特別是伸長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)的描述場(chǎng)致發(fā)射裝置(門控或非門控的)可用于X-射線成像、醫(yī)療成像系統(tǒng)、顯示器、電子器件、微波放大器、熒光燈陰極、氣體放電管以及許多其它的電學(xué)系統(tǒng)，場(chǎng)致發(fā)射裝置的其它應(yīng)用包括傳感器、光子帶隙裝置和寬帶隙半導(dǎo)體裝置。
碳納米管目前作為電子發(fā)射源例如用在平板場(chǎng)致發(fā)射顯示器(″FED″)的應(yīng)用、微波功能放大器應(yīng)用、晶體管應(yīng)用和電子束石印術(shù)應(yīng)用中被研究。碳納米管一般通過電弧放電方法、化學(xué)蒸氣沉積(CVD)方法或激光消融方法被合成，碳納米管具有高長(zhǎng)寬比的優(yōu)點(diǎn)，這提高了場(chǎng)致增強(qiáng)因子，因此能夠在相對(duì)低的電場(chǎng)中輸出電子，但是碳納米管顯示了相當(dāng)高的功函，并且在一般的操作條件下易被損壞，限制了裝置的壽命和效率，因此需要一種更耐用的、具有比碳更低的功函，但是具有圓柱形的幾何形狀和在10-100nm范圍的直徑的材料。
碳化物材料由于其化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械硬度和強(qiáng)度、高的導(dǎo)電性以及相對(duì)低的功能而可能是優(yōu)選的，這些特征使它們特別適于存在于CT系統(tǒng)中的環(huán)境，這種材料在超導(dǎo)納米裝置、光學(xué)參量振蕩器電子(opoelectronic)納米裝置和其它類似的系統(tǒng)中也是很重要的。
目前對(duì)于合成碳化物納米棒(nanorods)的大量研究是使用碳納米管(CNT)作為樣板，在樣板上以蒸氣形式進(jìn)行CNT和金屬、金屬氧化物或金屬碘化物之間的反應(yīng)，產(chǎn)生金屬碳化物納米棒，但是推測(cè)由于與這種方法有關(guān)的許多危險(xiǎn)，包括大的體積變化(對(duì)于轉(zhuǎn)化為Mo2C的CNTs，為約60％)、轉(zhuǎn)化后粘結(jié)于底物以及維持對(duì)準(zhǔn)的能力，至今還沒有證明在裝置結(jié)構(gòu)中這種CNT的轉(zhuǎn)化。
因此需要一種不需要碳納米管作為碳化物納米棒轉(zhuǎn)化的樣板的系統(tǒng)。
也需要一種在門控控結(jié)構(gòu)(gated structure)中就地直接生長(zhǎng)伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。
還需要一種制造方法，這種方法允許與門控裝置結(jié)構(gòu)的無縫整合，并且能夠控制納米棒的橫向密度，以便不發(fā)生電場(chǎng)屏蔽。
發(fā)明的概述本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，一方面提供了制備伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)的方法，即將大量空間上分離的催化劑顆粒用于底物，并且在預(yù)先選擇的溫度下使空間上分離的催化劑顆粒和至少一部分底物暴露于含金屬的蒸氣并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得無機(jī)納米結(jié)構(gòu)在底物和至少一個(gè)催化劑顆粒之間形成；以及在預(yù)先選擇的溫度下將無機(jī)納米結(jié)構(gòu)暴露于含碳蒸氣源并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得無機(jī)納米結(jié)構(gòu)滲碳。
另一方面，本發(fā)明提供制備場(chǎng)致發(fā)射裝置的方法，該方法將介質(zhì)層施加于底物，將導(dǎo)電層施加于底物對(duì)面的介質(zhì)層上，在導(dǎo)電層和介質(zhì)層中至少形成一個(gè)空腔，由此暴露底物，在空腔中生長(zhǎng)至少一個(gè)納米棒。
另一方面，本發(fā)明提供場(chǎng)致發(fā)射裝置，該裝置包括具有頂面和反面的底面的底物，介質(zhì)層被布置在頂面上，導(dǎo)電層被布置在介質(zhì)層底物對(duì)面的頂面上，該導(dǎo)電層和介質(zhì)層限定了向下延伸到底物的空腔，至少一個(gè)納米棒被固定在底物上，并且基本上被布置在空腔內(nèi)。
另一方面，本發(fā)明提供了包括具有頂面和底面的無機(jī)底物的納米結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電的緩沖層被布置成與頂面相鄰，許多伸長(zhǎng)的滲碳金屬納米結(jié)構(gòu)從導(dǎo)電的緩沖層向外延伸。
另一方面，本發(fā)明提供了包括底物的場(chǎng)致發(fā)射裝置，該底物具有頂面和反面的底面，介質(zhì)層被布置在頂面上，導(dǎo)電層被布置在與底物相對(duì)的介質(zhì)層的頂面上，該導(dǎo)電層和介質(zhì)層限定了向下延伸到底物的空腔，具有頂表面的導(dǎo)電平臺(tái)被布置在空腔內(nèi)的底物的頂面上，至少一個(gè)納米棒從導(dǎo)電平臺(tái)的頂表面向上延伸，并且基本上被布置在空腔內(nèi)。
另一方面，本發(fā)明提供了包括多晶納米棒的結(jié)構(gòu)，該多晶納米棒由選自以下的材料制成碳化鉬、硅化鉬、氧碳化鉬和碳化鈮。
本發(fā)明的上述方面和其它方面將從優(yōu)選的實(shí)施方案的說明中結(jié)合以下附圖而變?yōu)轱@而易見的，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不脫離公開的新的概念的精神和范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行許多變化和改進(jìn)。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1A是側(cè)視圖，表示在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中使用的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)步驟。
圖1B是側(cè)視圖，表示圖1A所示步驟之后的滲碳步驟。
圖1C是側(cè)視圖，表示圖1B所示步驟之后的蝕刻步驟。
圖1D是側(cè)視圖，表示圖1C所示步驟之后形成的滲碳納米結(jié)構(gòu)。
圖2A是側(cè)視圖，表示本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施方案中采用的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)步驟。
圖2B是側(cè)視圖，表示圖2A所示步驟之后的滲碳步驟。
圖2C是側(cè)視圖，表示圖2B所示步驟之后的蝕刻步驟。
圖2D是側(cè)視圖，表示圖2C所示步驟之后的滲碳納米結(jié)構(gòu)。
圖3A是側(cè)視圖，表示制備場(chǎng)致發(fā)射體的步驟。
圖3B是側(cè)視圖，表示圖3A所示步驟之后按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制備場(chǎng)致發(fā)射體的步驟。
圖3C是側(cè)視圖，表示圖3B所示步驟之后按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制備場(chǎng)致發(fā)射體的步驟。
圖3D是側(cè)視圖，表示圖3C所示步驟之后按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制備場(chǎng)致發(fā)射體的步驟。
圖3E是側(cè)視圖，表示圖3D所示步驟之后按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制備場(chǎng)致發(fā)射體的步驟。
圖4A是側(cè)視圖，表示制備場(chǎng)致發(fā)射體的另一實(shí)施方案。
圖4B是側(cè)視圖，表示圖4A所示步驟之后的步驟。
圖4C是側(cè)視圖，表示圖4B所示步驟之后的步驟。
圖4D是側(cè)視圖，表示圖4C所示步驟之后的步驟。
圖4E是側(cè)視圖，表示圖4D所示步驟之后的步驟。
圖5A是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的納米棒的顯微影像。
圖5B是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的納米帶狀物的顯微照片。
圖5C是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的多晶納米棒的顯微照片。
發(fā)明的詳細(xì)說明以下對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說明，參照附圖，在圖中同樣的數(shù)字是指同樣的部件，如在本說明書和權(quán)利要求書中所使用的那樣，除了本文清楚指出另外的含意以外，以下術(shù)語明確地指出相關(guān)的含意″一″、″一個(gè)″和″該″包括復(fù)數(shù)的含意，″在…之內(nèi)″的含意包括″在…之內(nèi)″和″在…之上″，除了另有說明，附圖沒有必要按照尺寸畫出。
另外，如本文使用的″納米棒″是指伸長(zhǎng)的棒狀結(jié)構(gòu)，具有最窄的尺寸小于800納米(nm)的直徑。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在制備伸長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)方法的一個(gè)實(shí)施方案中(如圖lA-1D)，多個(gè)催化劑顆粒112被沉積在無機(jī)底物110上，底物110可以由以下幾種材料之一制備，例如氧化物、金屬或元素半導(dǎo)體。在某些實(shí)施方案中，無機(jī)單晶物質(zhì)是優(yōu)選的，而在其它實(shí)施方案中，多晶材料或無定形玻璃是優(yōu)選的，合適的底物材料的某些特定的實(shí)例包括硅、藍(lán)寶石和碳化硅物。
催化劑顆粒112可以包括金、鎳或鈷，并且可以采用幾種方法之一沉積，在將催化劑顆粒112施加到底物110上的一個(gè)方法中，將催化劑的薄膜施加在底物110上，然后加熱到足夠使催化劑進(jìn)入液相的溫度，由此使催化劑聚集以便形成空間上分離的顆粒112，薄膜的厚度一般在3nm和10nm之間，并且能夠通過如電子束蒸發(fā)或?yàn)R射的方法被施加在底物110上。在另一其中催化劑顆粒112可以被施加在底物110上的方法的實(shí)例中，催化劑顆粒112被沉積在多孔樣板(如陽極化的氧化鋁或二氧化硅)上而引發(fā)生長(zhǎng)，可以將催化劑的圖形薄膜沉積在底物110上，以便控制催化劑顆粒112的形狀和分布。
在另一其中催化劑顆粒112可以被施加在底物110上的方法的實(shí)例中，許多催化劑納米顆粒112被懸浮在有機(jī)溶劑如乙醇或丙酮和表面活性劑中，以便防止納米顆粒112的聚集，納米顆粒112和溶劑被施加到底物110上，然后用旋轉(zhuǎn)涂覆機(jī)將納米顆粒112分散。
催化劑顆粒112和底物110被暴露于含金屬的蒸氣114，由此在底物110和催化劑顆粒112之間形成伸長(zhǎng)的無機(jī)納米結(jié)構(gòu)116(如納米棒、納米帶狀物和納米帶)，可以用于含金屬蒸氣114的金屬實(shí)例包括鉬、鈮、鉿、硅、鎢、鈦、鋯或鉭。
然后將無機(jī)納米結(jié)構(gòu)116暴露于含碳蒸氣源118，如甲烷、乙烯、乙烷、丙烷或異丙烯中，也可以加入還原氣體如氫，這樣對(duì)無機(jī)納米結(jié)構(gòu)116滲碳，因此能夠制備許多伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)120，納米結(jié)構(gòu)120或者可以充分滲碳或部分滲碳。然后用蝕刻劑122將伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)120和催化劑顆粒112蝕刻，以除去催化劑顆粒112。
在將多個(gè)空間上分離的催化劑顆粒112施加到底物110上的步驟之前，導(dǎo)電的緩沖層211(如圖2A-2D所示)可以被施加到底物110上，緩沖層211作為擴(kuò)散阻擋層起作用，并且防止由于試劑和底物110之間的相互反應(yīng)形成不希望的結(jié)構(gòu)如硅化物，緩沖層211可以包括例如在外延方法中使用的碳化鍺或碳化硅，或多晶擴(kuò)散阻擋層如W或Ti-W。在某些情況下緩沖層211應(yīng)當(dāng)適于支持感興趣的納米結(jié)構(gòu)材料的外延生長(zhǎng)，在另一些情況下，外延可能不是必要的。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，場(chǎng)致發(fā)射裝置300表示在圖3A-3E中，該裝置可以和很多裝置包括例如成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)之一一起使用。這種場(chǎng)致發(fā)射裝置300是通過將介質(zhì)層314施加到底物310上然后將導(dǎo)電層316施加到介質(zhì)層314上而制備的，介質(zhì)層314一般包括如二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅(oxynitride)或氧化鋁那樣的材料?？涨?17在導(dǎo)電層316和介質(zhì)層314中形成，催化劑顆粒312被置于空腔317中的底物310上，按照上述方法并參照?qǐng)DlA-1D，納米棒318在空腔317內(nèi)被生長(zhǎng)和滲碳，納米棒318一般從例如碳化物、氧化物、氮化物或氧碳化物或硅化物那樣的材料制備。如上所公開的，圖形化的催化劑薄膜可以被施加在裝置空腔內(nèi)，圖像化是通過平板照像術(shù)、壓印平板印刷術(shù)、電子束平板印刷術(shù)、化學(xué)平板印刷術(shù)或使薄膜圖形化的其它方法而完成的。
來自場(chǎng)源322的電場(chǎng)可以被施加到催化劑顆粒112和底物110上，同時(shí)將它們暴露于含金屬的蒸氣114以便影響無機(jī)納米結(jié)構(gòu)116生長(zhǎng)的方向。
在另一實(shí)施方案中導(dǎo)電平臺(tái)420(如圖4所示)可以被布置在在介質(zhì)層314中形成的空腔內(nèi)的底物310上，至少一個(gè)通道402在導(dǎo)電平臺(tái)420上形成，催化劑顆粒404被置于通道402內(nèi)，然后生長(zhǎng)納米棒418以便從導(dǎo)電平臺(tái)420的頂部表面延伸展出來。導(dǎo)電平臺(tái)420可以由例如硅或鉬的材料制成。在一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電平臺(tái)420是具有相對(duì)大的與頂部表面相對(duì)的底部表面的圓錐形元件。在一個(gè)舉例說明性的實(shí)施方案中，當(dāng)?shù)孜?10以一定角度被保持并且被旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)電平臺(tái)420的材料是通過蒸發(fā)方法被施加的，因此形成了圓錐的形狀。如果電壓源(沒有表示出來)被施加到底物310上和導(dǎo)電層316上，則納米棒418就會(huì)發(fā)射電子?？商娲兀皇窃趯?dǎo)電平臺(tái)420內(nèi)形成通道402，納米棒418可以從導(dǎo)電平臺(tái)420的頂部表面生長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，導(dǎo)電平臺(tái)420的材料如上所述是氧化鋁(釩土)，但也可以是能夠被陽極化而形成納米通道的絕緣金屬氧化物。
在另一實(shí)施方案中，鋁金屬載體被沉積，隨后鋁金屬載體被陽極化而變成納米多孔氧化鋁。催化劑被置于通道底部?jī)?nèi)，然后納米棒生長(zhǎng)。納米多孔的陽極化的氧化鋁(AAO)作為樣板而起作用從而形成垂直校準(zhǔn)的納米結(jié)構(gòu)。可以先儲(chǔ)備催化劑薄膜然后沉積鋁。另外還有幾種方法來保證催化劑不被鍍?cè)趪@AAO載體的空腔內(nèi)的表面上，所述方法包括(a)將光致抗蝕劑回流以便覆蓋鄰近鋁載體的Si表面，然后陽極化；(b)先將氮化硅層沉積于SiO2層，然后將孔干燥蝕刻到氮化物中使Si被暴露，然后沉積鋁，再電鍍Au。它不會(huì)沉積在氮化硅上，這是因?yàn)椴淮嬖陔娊佑|；(c)在氮化物上方放置氧化物犧牲層，以使在納米線生長(zhǎng)過程中沉積的任何材料可以通過濕法蝕刻而被犧牲除去。在這種情況下溝渠將會(huì)通過干燥蝕刻方法而被蝕刻，所以它是定向的，并且正好在氧化物層中的氮化物上方停止；(d)使用方法(b)但是首先沉積金膜，這樣不必進(jìn)行電鍍。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制備的納米棒510的顯微照片如圖5A中所示，按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制備的納米帶512的顯微照片如圖5B中所示，按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制備的多晶納米棒514的顯微照片如圖5C中所示。多晶納米棒514可以從材料如碳化鉬、硅化鉬或碳化鈮制備。正如可以從圖5A-5C中所示的顯微照片看到的，按照上述方法制備的納米結(jié)構(gòu)通常有小于800nm的較小的直徑。
概念試驗(yàn)的一個(gè)初步證明是使用Mo2C系統(tǒng)進(jìn)行的，將MoO3粉末放在管式爐中，將用10nm Au膜涂覆的硅晶片放在(111)-導(dǎo)向的硅晶片上的下游(約1-5cm)。
系統(tǒng)被加熱到900℃，以300標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm)H2/1000sccm Ar的流速施加氫氣和氬氣5min并且以300/1000sccm的濃度施加CH410min，還在850℃和950℃下嘗試了類似的配方，使用類似的催化劑在藍(lán)寶石上進(jìn)行了一輪試驗(yàn)，其結(jié)果是在底物上發(fā)現(xiàn)了混合物納米棒和納米帶，通過透射電子顯微術(shù)(TEM)確定它們?cè)诒举|(zhì)上是納米結(jié)晶。在一個(gè)同樣的試驗(yàn)中，測(cè)定了使用低接通電場(chǎng)(-1.25V/um)和高電流(最高到300μA)的場(chǎng)致發(fā)射。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括合成碳化物納米棒和相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)的方法，該方法是通過經(jīng)由蒸氣-液體-固體(VLS)機(jī)理或固態(tài)納米線生長(zhǎng)機(jī)理合成金屬氧化物納米棒，隨后就地還原和然后進(jìn)行滲碳來進(jìn)行的。發(fā)現(xiàn)這些納米結(jié)構(gòu)可以用于門控場(chǎng)致發(fā)射裝置中。在一個(gè)實(shí)施方案中，在低于發(fā)生VLS的共熔溫度(例如對(duì)于Mo-Au系統(tǒng)為約1053℃)下發(fā)生生長(zhǎng)，所以生長(zhǎng)在固態(tài)中發(fā)生。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中使用蒸氣-液體-固體(VLS)機(jī)理或用于納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的相關(guān)機(jī)理(例如固態(tài)生長(zhǎng)機(jī)理)來合成氧化物納米棒和納米帶。在VLS技術(shù)中，將作為碳化物材料組成的一部分的金屬蒸氣加入到底物表面上的合適的納米催化劑顆粒上，使得金屬溶解，并且使催化劑變?yōu)槌柡偷?，然后金屬沉淀為納米棒，并且假設(shè)與CO或殘留的氧反應(yīng)形成氧化物納米棒，氧化物納米棒在生長(zhǎng)以后就地立即被還原和/或滲碳。假如我們能夠通過第二種手段，例如嵌段共聚物樣板或電子束平板印刷術(shù)，來控制催化劑島的位置，則納米棒的橫向密度就能夠被控制。另外假如形成混合相，就有可能優(yōu)選地蝕刻出一種位相，以致棒的密度又可以受控地降低。當(dāng)納米棒太緊密地集合在一起的時(shí)候，希望低的納米棒密度來使電場(chǎng)屏蔽最小化，這種方法能夠在門控或非門控場(chǎng)致發(fā)射或其它裝置結(jié)構(gòu)中實(shí)施。
選擇底物是重要的，可能的底物例如包括硅、藍(lán)寶石和碳化硅。硅和催化劑顆粒及金屬蒸氣反應(yīng)形成硅化物，在某些情況下硅化物可能不是理想的，這個(gè)問題可以通過使用合適的緩沖層來克服。緩沖層的理想特征是它應(yīng)該與底物及碳化物納米棒具有適當(dāng)?shù)耐庋雨P(guān)系(具有較低張力的中間晶格錯(cuò)配)，以及對(duì)于硅或其它元素來說是足夠的擴(kuò)散阻擋層，并且具有中等的熱擴(kuò)散系數(shù)以及能夠?qū)щ?。假如緩沖層被用于半導(dǎo)體或絕緣底物，則上述最后的特征是很重要的，所述緩沖層材料的實(shí)例是GeC或SiC。但是在某些情況下不必須使用外延緩沖層，在該情況下一種簡(jiǎn)單的擴(kuò)散阻擋層如鎢薄膜或Ti-W薄膜或許就足夠了。還必須在適當(dāng)?shù)臏囟认律L(zhǎng)棒，然后在較高(或較低)的溫度下滲碳。加工以后，可以優(yōu)選使用適當(dāng)?shù)奈g刻劑從納米棒和納米帶的尖端蝕刻金屬納米催化劑。也可以經(jīng)由氧化物-輔助的生長(zhǎng)機(jī)理來生長(zhǎng)金屬/氧化物納米棒，該生長(zhǎng)機(jī)理不需要催化劑或者是自動(dòng)催化過程，然后對(duì)納米棒滲碳，也可以生長(zhǎng)其它結(jié)構(gòu)，例如納米-小片。
在另一實(shí)施方案中，納米棒可以被包括在二極管結(jié)構(gòu)中，這種二極管結(jié)構(gòu)包括其中帶有納米棒的底物，在底物的反面有陽極。電勢(shì)被直接施加于底物(作為陰極)和在空間上分開的陽極板之間，沒有中間門控結(jié)構(gòu)。該實(shí)施方案的加工可能比其它方法花費(fèi)少，并且產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)于例如熒光照明的應(yīng)用是足夠的。
上述實(shí)施方案僅僅是以舉例說明性的實(shí)例提出的，很容易理解很多變化可以從本說明書公開的上述具體的實(shí)施方案中被導(dǎo)出，而并不需要脫離本發(fā)明，因此本發(fā)明的范圍被以下的權(quán)利要求確定，而不受上述具體描述的實(shí)施方案的限制。
權(quán)利要求
1.制備伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟a.施加多個(gè)空間上分離的催化劑顆粒到底物上；b.在預(yù)先選擇的溫度下將空間上分離的催化劑顆粒和至少一部分底物暴露于含金屬的蒸氣中并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得包括金屬的無機(jī)納米結(jié)構(gòu)在底物和至少一部分催化劑顆粒之間形成；和c.在預(yù)先選擇的溫度下將無機(jī)納米結(jié)構(gòu)暴露于含碳的蒸氣源并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得無機(jī)納米結(jié)構(gòu)滲碳，由此產(chǎn)生伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括從伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)中除去多個(gè)催化劑顆粒的步驟。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述的除去步驟使用蝕刻方法。
4.權(quán)利要求1的方法，其中無機(jī)底物包括選自以下的材料氧化物、金屬或元素半導(dǎo)體以及它們的組合。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述的含碳蒸氣源選自以下的氣體甲烷、乙烯、乙烷、丙烷和異丙烯以及它們的組合。
6.權(quán)利要求1的方法，其中無機(jī)納米結(jié)構(gòu)在暴露于含碳蒸氣源的同時(shí)也暴露于氫氣。
7.權(quán)利要求1的方法，其中施加多個(gè)空間上分離的催化劑顆粒的步驟包括以下步驟a.將催化劑的薄膜施加到底物上；和b.加熱薄膜到足夠使催化劑進(jìn)入到液相的溫度，從而使催化劑聚集形成空間上分離的顆粒。
8.權(quán)利要求7的方法，其中薄膜的厚度在3nm和10nm之間。
9.權(quán)利要求7的方法，其中所述的薄膜是通過電子束蒸發(fā)被施加到底物上的。
10.權(quán)利要求7的方法，其中所述的薄膜是通過濺射被施加到底物上的。
11.權(quán)利要求1的方法，還包括在滲碳過程中通入還原氣體的步驟。
12.權(quán)利要求11的方法，其中還原氣體包括氫氣。
13.權(quán)利要求1的方法，其中施加多個(gè)空間上分離的催化劑顆粒的步驟包括在多孔樣板上沉積催化劑顆粒的步驟。
14.權(quán)利要求13的方法，其中多孔樣板包括陽極化的氧化鋁。
15.權(quán)利要求13的方法，其中多孔樣板包括二氧化硅。
16.權(quán)利要求1的方法，其中施加多個(gè)空間上分離的催化劑顆粒的步驟包括a.在有機(jī)溶劑中懸浮多個(gè)催化劑的納米顆粒；b.將該納米顆粒和溶劑施加到底物上；和c.使用旋轉(zhuǎn)涂覆機(jī)分散納米顆粒。
17.權(quán)利要求16的方法，還包括將表面活性劑加到有機(jī)溶劑和納米顆粒中，以便抑制納米顆粒的聚集。
18.權(quán)利要求16的方法，其中所述的溶劑包括乙醇。
19.權(quán)利要求16的方法，其中所述的溶劑包括丙酮。
20.權(quán)利要求1的方法，其中催化劑選自金、鎳、鐵、鈷或鎵或它們的組合。
21.權(quán)利要求1的方法，還包括在將多個(gè)空間上分離的催化劑顆粒施加到底物之前，將導(dǎo)電緩沖層施加到底物上的步驟，其中緩沖層作為擴(kuò)散阻擋層。
22.權(quán)利要求21的方法，其中所述的緩沖層選自以下材料碳化鍺鎢、碳化硅或鈦鎢以及它們的組合。
23.權(quán)利要求21的方法，其中施加導(dǎo)電緩沖層的步驟使用外延方法。
24.權(quán)利要求1的方法，還包括當(dāng)暴露于含金屬的蒸氣時(shí)將電場(chǎng)施加到空間上分離的催化劑顆粒和至少一部分底物上的步驟，由此影響無機(jī)納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的方向。
25.制備場(chǎng)致發(fā)射裝置的方法，包括以下步驟a.將介質(zhì)層施加到底物上；b.將導(dǎo)電層施加到底物對(duì)面的介質(zhì)層上；c.在導(dǎo)電層和介質(zhì)層中形成至少一個(gè)空腔，由此暴露底物；和d.在空腔內(nèi)生長(zhǎng)至少一個(gè)納米棒。
26.權(quán)利要求25的方法，其中生長(zhǎng)至少一個(gè)納米棒的步驟包括a.在空腔內(nèi)施加至少一個(gè)催化劑顆粒；b.在預(yù)先選擇的溫度下將催化劑顆粒和至少一部分底物暴露于金屬蒸氣和氧化氣體并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得氧化物包括金屬氧化物的納米棒在底物和催化劑顆粒之間形成；c.在預(yù)先選擇的溫度下將納米棒暴露于含碳蒸氣源并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得氧化物納米棒滲碳；和d.除去催化劑顆粒。
27.權(quán)利要求26的方法，其中施加至少一個(gè)催化劑顆粒的步驟包括在裝置的空腔內(nèi)施加圖形化的催化劑薄膜。
28.權(quán)利要求26的方法，其中除去步驟是通過蝕刻方法進(jìn)行的。
29.權(quán)利要求25的方法，還包括在底物上和空腔內(nèi)形成導(dǎo)電平臺(tái)的步驟，其中在空腔內(nèi)生長(zhǎng)至少一個(gè)納米棒的步驟包括從導(dǎo)電平臺(tái)生長(zhǎng)納米棒。
30.場(chǎng)致發(fā)射裝置，包括a.具有頂面和反面的底面的底物；b.布置在頂面上的介質(zhì)層；c.布置在底物對(duì)面的介質(zhì)層的頂面上的導(dǎo)電層，所述的導(dǎo)電層和介質(zhì)層限定了一個(gè)向下延伸到底物的空腔；和d.至少一個(gè)固定在底物上并且基本上布置在空腔內(nèi)的納米棒。
31.權(quán)利要求30的場(chǎng)致發(fā)射裝置，還包括固定在所述底物頂面上的緩沖層。
32.權(quán)利要求30的場(chǎng)致發(fā)射裝置，用于成像系統(tǒng)。
33.權(quán)利要求30的場(chǎng)致發(fā)射裝置，用于照明系統(tǒng)。
34.權(quán)利要求30的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中納米棒是X-納米棒，其中所述的X是一種選自以下的材料碳化物、氧化物、氮化物、氧氮化物、氧碳化物或硅化物以及它們的組合。
35.權(quán)利要求30的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中底物包括無機(jī)單晶物質(zhì)。
36.權(quán)利要求35的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中所述的無機(jī)單晶物質(zhì)包括選自以下的材料硅、氧化鋁、碳化硅以及它們的組合。
37.權(quán)利要求30的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中介質(zhì)層包括選自以下的材料二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅和氧化鋁以及它們的組合。
38.一種納米結(jié)構(gòu)，包括a.具有頂面和底面的無機(jī)底物；b.與頂面相鄰布置的導(dǎo)電緩沖層；和c.從導(dǎo)電緩沖層向外延伸的多個(gè)伸長(zhǎng)的滲碳的金屬納米結(jié)構(gòu)。
39.權(quán)利要求38的納米結(jié)構(gòu)，其中所包括的無機(jī)底物是結(jié)晶物質(zhì)，選自硅、氧化鋁和碳化硅以及它們的組合。
40.權(quán)利要求38的納米結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)伸長(zhǎng)的滲碳金屬納米結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)納米棒。
41.權(quán)利要求38的納米結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)伸長(zhǎng)的滲碳金屬納米結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)納米帶。
42.權(quán)利要求38的納米結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)伸長(zhǎng)的滲碳金屬納米結(jié)構(gòu)每個(gè)具有小于800nm的較小直徑。
43.權(quán)利要求38的納米結(jié)構(gòu)，其中滲碳的金屬是從選自以下的金屬氧化物滲碳的鉬、鈮、鉿、硅、鎢、鈦或鋯或它們的組合。
44.場(chǎng)致發(fā)射裝置，包括a.具有頂面和反面的底面的底物；b.布置在該頂面上的介質(zhì)層；c.布置在底物對(duì)面的介質(zhì)層頂面上的導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層和介質(zhì)層限定了向下延伸到底物的空腔；d.具有頂表面的布置在空腔內(nèi)的底物頂面上的導(dǎo)電平臺(tái)；和e.至少一個(gè)固定在導(dǎo)電平臺(tái)的頂表面上并且基本上布置在空腔內(nèi)的納米棒。
45.權(quán)利要求44的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中導(dǎo)電平臺(tái)包括具有相對(duì)較大的與頂表面相對(duì)的底表面的圓錐形元件，該底表面被固定在底物上。
46.權(quán)利要求44的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中導(dǎo)電平臺(tái)包括選自以下的材料硅、鉬、鉑、鈀、鉭或鈮以及它們的組合。
47.權(quán)利要求44的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中所述的納米棒是碳化物納米棒。
48.權(quán)利要求44的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中所述的底物包括無機(jī)單晶物質(zhì)。
49.權(quán)利要求48的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中所述的無機(jī)單晶物質(zhì)選自硅、氧化鋁和碳化硅以及它們的組合。
50.權(quán)利要求44的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中底物包括多晶材料。
51.權(quán)利要求44的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中底物包括無定形玻璃。
52.權(quán)利要求44的場(chǎng)致發(fā)射裝置，其中介質(zhì)層包括二氧化硅。
53.一種包括多晶納米棒的結(jié)構(gòu)，包括選自以下的材料碳化鉬、硅化鉬、氧碳化鉬或碳化鈮。
全文摘要
在制備伸長(zhǎng)的碳化物納米結(jié)構(gòu)的方法中，施加多個(gè)空間上分離的催化劑顆粒到底物上；在預(yù)先選擇的溫度下將空間上分離的催化劑顆粒和至少一部分底物暴露于含金屬的蒸氣并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得無機(jī)納米結(jié)構(gòu)在底物和至少一部分催化劑顆粒之間形成；以及在預(yù)先選擇的溫度下將無機(jī)納米結(jié)構(gòu)暴露于含碳的蒸氣源并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得無機(jī)納米結(jié)構(gòu)滲碳。
文檔編號(hào)C01B31/30GK1930079SQ200480034870
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2004年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者L·查卡拉科斯, J·-U·李, W·H·胡伯, R·R·科爾德曼, V·馬尼 申請(qǐng)人:通用電氣公司