碳納米管的選擇性放置的制作方法
【專利摘要】一種形成具有選擇性地放置的碳納米管的結(jié)構(gòu)的方法，一種制造帶電碳納米管的方法，一種雙官能前體以及一種具有成束最少的高密度碳納米管層的結(jié)構(gòu)。將碳納米管選擇性地放置在具有兩個區(qū)域的襯底上。所述第一區(qū)域的等電點超過所述第二區(qū)域的等電點。將所述襯底浸沒在具有錨定端和帶電端的雙官能前體的溶液中。所述錨定端與所述第一區(qū)域鍵合以形成具有帶電端的自組裝單層。將具有帶電單層的襯底浸沒在具有相反電荷的碳納米管的溶液中以在所述自組裝單層上形成碳納米管層。通過官能化或用離子表面活性劑的涂布制造所述帶電的碳納米管。
【專利說明】碳納米管的選擇性放置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及在襯底上放置碳納米管(下文中稱為“CNT”)的方法。具體地，本發(fā)明涉及在預(yù)先圖案化的表面上選擇性放置帶電CNT，該預(yù)先圖案化的表面具有相反帶電的自組裝單層(monolayer)。
【背景技術(shù)】
[0002]CNT可以是半導(dǎo)電的，并且因此作為場效應(yīng)晶體管(下文中稱為“FET”)的溝道材料而受到關(guān)注。相應(yīng)地，正在開發(fā)將CNT放置在襯底上以用于FET的方法。
[0003]—種在襯底上放置CNT的方法包括從懸浮液中定向組裝CNT。在該方法中，襯底被圖案化以限定CNT對其具有親和力的區(qū)域。該親和力是由于襯底或CNT官能化來促進(jìn)襯底和CNT之間的鍵合。
[0004]在一種情況下，為了將CNT放置在襯底上，現(xiàn)有技術(shù)用有機化合物蓋印(stamp)襯底以產(chǎn)生具有親水性區(qū)域和疏水性區(qū)域的襯底。親水性區(qū)域是原始襯底表面，疏水性區(qū)域是用有機化合物蓋印了的區(qū)域。將襯底浸沒在CNT的溶液中并且干燥襯底從而在親水性區(qū)域上留下CNT。然而，襯底表面上的CNT成束(B卩，一組CNT以像繩子一樣的方式扭在一起)和/或是多層的。成束的或多層的CNT并不是理想的，因為由它們制成的晶體管需要較高的電壓來導(dǎo)通和關(guān)斷。所描述的方法的另一個缺點是CNT的溶液不能到達(dá)寬度小(大約200nm或更小)的凹陷親水性區(qū)域。因此，CNT將被放置在大的親水性區(qū)域中，而小的親水性特性未被覆蓋。因此，基于氫鍵(一種類型的偶極鍵)的CNT放置方法可能導(dǎo)致差的選擇性。
[0005]在其它方法中，`現(xiàn)有技術(shù)通過首先官能化CNT、然后將CNT直接放在襯底上，來將CNT放置在襯底上。然而，這種方法導(dǎo)致襯底上的CNT密度低。
[0006]因此，需要這樣的方法，該方法以最少的成束、選擇性地將高密度CNT的單層放置在襯底上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明致力于提供一種形成具有選擇性地放置的碳納米管(“CNT”)的結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括:提供具有表面的襯底；以及使所述襯底的表面與前體分子的溶液接觸，從而在所述表面上形成具有第一離子電荷部分的自組裝單層。之后，使所述自組裝單層與多個具有第二離子電荷部分的CNT的分散系接觸。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種具有CNT層的結(jié)構(gòu)包括具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的襯底、所述第一區(qū)域上的自組裝單層和所述自組裝單層上的CNT層。所述CNT層具有超過每平方微米ICNT的密度。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了一種用于制造自組裝單層的雙官能前體分子。所述雙官能前體分子包括:用于將所述單層錨定到襯底第一官能基團(tuán)以及具有第一離子電荷部分(moiety)的第二官能基團(tuán)。從下述基團(tuán)中選擇所述第一官能基團(tuán):硫醇、異腈、膦酸(phosphonic acid)和異輕I虧酸。所述第一離子電荷部分可以是包括銨鹽、锍鹽和鱗鹽(phosphonium salt)的鐵鹽(onium salt)。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點包括碳納米管的密度增加以及多層CNT或成束CNT的形成減少。
[0011]另一優(yōu)點是CNTFET的電學(xué)性能更佳。
[0012]結(jié)合對附圖的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中在所有圖中相同的編號表不相同或相似的部分。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]現(xiàn)在將參考附圖僅通過例子描述本發(fā)明的實施例，在附圖中:
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的將CNT放置在襯底上的方法的流程圖；
[0015]圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖案化的襯底的橫截面圖；
[0016]圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例圖2a的圖案化的襯底的俯視圖；
[0017]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例在具有第一等電點的襯底區(qū)域上形成自組裝單層的雙官能前體材料；
[0018]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例、具有在圖案化的襯底的第一區(qū)域上的第一離子電荷部分的自組裝單層接觸具有第二離子電荷部分的CNT的溶液；
[0019]圖5示出了通過根據(jù)本發(fā)明實施例的方法形成的自組裝單層上的CNT層；
[0020]圖6是根據(jù)本發(fā)`明實施例具有選擇性放置的CNT層的襯底的掃描電子顯微鏡圖像；
[0021]圖7a示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有第一官能基團(tuán)和第二官能基團(tuán)的雙官能前體基團(tuán)，其為具有第一離子電荷部分的銨鹽，其中所述第一離子電荷部分是帶正電的；
[0022]圖7b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有第一官能基團(tuán)和第二官能基團(tuán)的雙官能前體基團(tuán)，其為具有第一離子電荷部分的銨鹽，其中所述第一離子電荷部分是帶正電的；
[0023]圖7c示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有第一官能基團(tuán)和第二官能基團(tuán)的雙官能前體基團(tuán)，其為具有第一離子電荷部分的吡啶鹽，其中所述第一離子電荷部分是帶正電的；
[0024]圖7d示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有第一官能基團(tuán)和第二官能基團(tuán)的雙官能前體基團(tuán)，其為具有第一離子電荷部分的锍鹽，其中所述第一離子電荷部分是帶正電的；
[0025]圖7e示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有第一官能基團(tuán)和第二官能基團(tuán)的雙官能前體基團(tuán)，其為具有第一離子電荷部分的鱗鹽(phosphonium)，其中所述第一離子電荷部分是帶正電的；
[0026]圖8a示出了根據(jù)本發(fā)明實施例、通過官能化CNT形成具有第二離子電荷部分的CNT的方法的第一步驟，在該第一步驟中，有機鹽是重氮鹽(R-N2+X_)，其與CNT分散系(dispersion)結(jié)合以形成圖8b所示的官能化的CNT ；
[0027]圖Sb示出了根據(jù)本發(fā)明實施例、通過官能化CNT形成具有第二離子電荷部分的CNT的方法的第二步驟，在該第二步驟中，將KOH和水與官能化的CNT混合以形成圖8c所示的最終產(chǎn)物。
[0028]圖Sc示出了在根據(jù)本發(fā)明實施例通過官能化CNT形成具有第二離子電荷部分的CNT的方法中的最終產(chǎn)物——具有第二電荷部分的CNT。
[0029]圖9示出了本發(fā)明實施例、通過用離子表面活性劑涂布CNT形成具有第二離子電荷部分的CNT的方法?！揪唧w實施方式】
[0030]本發(fā)明的基本原理是以很少的成束或者沒有成束地、在襯底上形成高密度CNT單層的方法。將結(jié)合圖1-6描述所述方法以及所得到的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明也包括用于所述在襯底上放置CNT的方法的用于自組裝單層的雙官能前體分子。結(jié)合圖7描述該雙官能前體的實施例。本發(fā)明還包括用于產(chǎn)生具有第二離子電荷部分的方法，結(jié)合圖8-9描述了該方法的實施例。與以下實施例相結(jié)合地進(jìn)行本發(fā)明的詳細(xì)描述。請注意，附圖標(biāo)記僅僅是附圖標(biāo)記，因此不必將所述方法限制為附圖標(biāo)記的數(shù)字順序。
[0031]參考圖1，給出了根據(jù)本發(fā)明實施例的將CNT放置在襯底上的方法的流程圖。在附圖標(biāo)記10處，提供圖案化的襯底。圖案化該襯底以便在該襯底上產(chǎn)生第一區(qū)域和第二區(qū)域。在附圖標(biāo)記20處，使圖案化的襯底與包含前體的溶液接觸。該前體是雙官能的，意思是其具有用于兩種不同目的的兩個官能基團(tuán)。第一官能基團(tuán)用于將該前體錨定到襯底，第二官能用作(第一)離子電荷部分。通過使襯底與前體溶液接觸，該第一官能基團(tuán)(該錨定官能基團(tuán))與襯底的第一區(qū)域形成鍵，由此在該區(qū)域形成自組裝單層；第二官能基團(tuán)保留在適當(dāng)位置，因此該單層具有第一離子電荷部分。在附圖標(biāo)記30處，使具有自組裝單層的襯底與包含具有第二尚子電荷部分的CNT的分散系接觸。第一和第二電荷部分是相反的，因此CNT被靜電吸引到具有第一離子電荷部分的自組裝單層，這樣在該自組裝單層上得到了CNT層。在附圖標(biāo)記50，清洗該襯底以留下自組裝單層上的CNT層，該自組裝單層在襯底的第一區(qū)域上。
[0032]參考圖2a，示出了圖案化的襯底200的橫截面。該襯底具有基底210、第一區(qū)域220和第二區(qū)域230。此處，第二區(qū)域230被示為高于第一區(qū)域220，然而，該區(qū)域可以是共面的或者該第一區(qū)域220可以高于該第二區(qū)域230。此處，該第二區(qū)域230被示為在該第一區(qū)域220的一部分的頂上。然而，也可能出現(xiàn)相反的形成，或者該區(qū)域彼此毗鄰。因此，該區(qū)域相對于彼此的確切橫截面構(gòu)造可以有很多變型(甚至超出上面討論的那些變型)，圖2a僅僅是一個實施例。
[0033]參考圖2b，示出了同 一圖案化的襯底的自頂向下透視圖。在圖2b中，第一區(qū)域220是側(cè)面與第二區(qū)域230相接的簡單的條。然而，該第一和第二區(qū)域可以采取各種形狀或構(gòu)造。
[0034]接下來,討論第一和第二區(qū)域的等電位屬性。等電點是pH,在該處表面不攜帶凈電荷。在本發(fā)明中，第一區(qū)域220具有第一等電點，第二區(qū)域230具有第二等電點。第一和第二等電點彼此不同，其中第一等電點(即，第一區(qū)域220的等電點)大于第二等電點(即，第二區(qū)域230的等電點)。優(yōu)選地，第一區(qū)域的等電點和第二區(qū)域的等電點的差應(yīng)當(dāng)約為4或更大。例如，具有約為7的等電點的氧化鉿的第一區(qū)域220與具有約為2的等電點的二氧化硅的第二區(qū)域230，導(dǎo)致約為5的等電點差。
[0035]接下來，討論適用作圖案化的襯底的第一和第二區(qū)域的材料。在第一實施例中，第一區(qū)域220是金屬氧化物，第二區(qū)域230是諸如但不限于氧化硅(SixOzHz)的非金屬氧化物。金屬氧化物包括元素周期表的IVB、VB、VIB、VIIB、VIII或IIA (CAS版本)族中的至少一種金屬。說明性地，金屬氧化物第一區(qū)域220可以是氧化招(A1203)、氧化鉿(Hf02)、氧化鈦(TiOx)、或者氧化鋅((ZnO)。在第二實施例中，第一區(qū)域220可以是任何氧化物，包括非金屬氧化物和金屬氧化物。在第二實施例中，第二區(qū)域230是金屬。用于第二區(qū)域的金屬的例子包括金、鈀、銅、鉬等。
[0036]參考圖3，圖案化的襯底200與包含雙官能前體250的溶液240接觸，從而形成具有第一離子電荷部分的自組裝單層(下文中稱為“SAM”)265。該前體250是雙官能的，意思是其具有依次用于兩種不同目的的兩個官能基團(tuán)(252、254)。
[0037]第一官能基團(tuán)252用于將前體250錨定到圖案化的襯底200的第一區(qū)域220。第二官能基團(tuán)254具有第一離子電荷部分264，其用于在該工藝中與CNT層的第二離子電荷部分形成鍵。通過使圖案化的襯底200接觸前體溶液240，第一官能基團(tuán)252 (錨定官能基團(tuán))與襯底的第一區(qū)域220形成鍵，由此在第一區(qū)域220處形成具有第一離子電荷部分264的自組裝單層265。(雙官能前體以及第一和第二官能基團(tuán)的具體例子稍后討論)。
[0038]第一離子電荷部分264可以是帶正電的或帶負(fù)電的。在優(yōu)選實例中，圖案化的襯底200具有氧化鉿第一區(qū)域220和氧化娃(SiOx)第二區(qū)域230。在優(yōu)選實施例中，形成在第一區(qū)域220 (氧化鉿)上的SAM265具有正的第一離子電荷部分264。因此，在該特定優(yōu)選實施例的此時，襯底的整個表面在形成CNT之前是親水性的。這與依賴于襯底上親水性和疏水性差異來確定CNT放置的選擇性的現(xiàn)有技術(shù)方法形成對照。因此，在本發(fā)明中，選擇性部分地由襯底的第一和第二區(qū)域的等電點差確定。
[0039]參 考圖4，圖案化的襯底200的第一區(qū)域220上的具有第一離子電荷部分264的SAM265，與具有第二離子電荷部分274的CNT271的溶液270接觸。稍后討論具有第二離子電荷部分的CNT的形成方式。相反帶電的第一離子電荷部分264與第二離子電荷部分274之間的庫倫吸引力將CNT271鍵合284到襯底的第一區(qū)域220中的SAM (見圖5)。在水中清洗襯底，從而留下在圖案化的襯底200的第一區(qū)域220上選擇性地形成的CNT層290。該清洗步驟去除任何過量的CNT，從而優(yōu)選形成CNT的單層。層209的CNT可以是單壁的或多壁的CNT。在本發(fā)明的方法中清洗步驟是可能的，因為在CNT與SAM的帶電相反的離子之間產(chǎn)生的鍵284強于現(xiàn)有技術(shù)方法中發(fā)現(xiàn)的純粹的氫鍵。因此，鍵284不會像氫鍵那樣能在水中離解。
[0040]本發(fā)明的一個優(yōu)點是CNT上的電荷部分來自CNT周圍的帶電官能度(chargedfunctionality)或帶電表面活性劑,與納米管本身的誘導(dǎo)電荷相反。通過使用附著到CNT的帶電官能度或表面活性劑，CNT與SAM覆蓋的襯底之間的相互作用增加，這導(dǎo)致襯底200的希望區(qū)域上的CNT密度增加。
[0041]仍參考圖5，CNT層290呈現(xiàn)出從約lOCNT/μπι2到約100CNT/μ m2及其之間的范圍的CNT密度。所得到的CNT層290呈現(xiàn)出從約0.1束/ μ m2到約I束/ μ m2及其之間的范圍的減小的束密度。圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例具有選擇性放置的CNT的襯底的掃描電子顯微鏡圖像。
[0042]接下來，將討論適當(dāng)?shù)碾p官能前體250。如先前所述，雙官能前體具有用于錨定的第一官能基團(tuán)252和用于形成第一離子電荷部分264的第二官能基團(tuán)。第一官能基團(tuán)(錨定基團(tuán))252的密度取決于第一區(qū)域220的材料。當(dāng)?shù)谝粎^(qū)域220的材料是金屬時，第一官能基團(tuán)252是巰基(-SH)或異腈(-NC)。當(dāng)?shù)谝粎^(qū)域220的材料是金屬氧化物時，第一官能基團(tuán)252是膦酸(-PO3H2)或異羥肟酸(-C0NH0H)。
[0043]接下來，將討論雙官能前體250的第二官能基團(tuán)254。第二官能基團(tuán)254可以被轉(zhuǎn)化成離子電荷部分264 (在本申請中也稱為帶電離子部分)。第二官能基團(tuán)254可以(I)在前體250將其自身錨定到襯底以形成自組裝單層之前、或者(2)在前體250將其自身錨定到襯底以形成自組裝單層之后，被轉(zhuǎn)化成離子電荷部分264。在第一種情況下，所形成的自組裝單層具有第一電荷部分264。在第二種情況下，最初自組裝單層不帶電并且必須被轉(zhuǎn)化成具有第一離子電荷的SAM。
[0044]參考圖7a_e，雙官能前體250的例子，其中第二官能基團(tuán)254已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成帶正電的第一離子電荷部分264。所有雙官能前體250在底部都具有“R”基團(tuán)，其代表先前描述的第一官能基團(tuán)252 (即，錨定基團(tuán))。在圖7a-e中，第一離子電荷部分264都是帶正電的鎗鹽。具體地，圖7a-b示出了銨鹽，圖7c是吡啶鹽的例子，圖7d是锍鹽，并且圖7E是鱗鹽。繼續(xù)，在圖7a和7b中，“η”代表從2到16的整數(shù)，在圖7b中“Ζ”代表單個鍵、氧、NH或硫；在圖7a、7b、7c和7d中，“R/，、R2”和可以獨立地為氫、或者具有I到10個碳的烷基；在圖7e中/‘么巧^巧”和^^”可以獨立地為苯基或取代的苯基環(huán)；并且在所有的圖7中，“X”是鹵素。在圖7a-b中繪出的銨鹽優(yōu)于重氮鹽(-N2+),因為重氮鹽將與CNT (無論CNT具有部分電荷或完全的離子電荷)形成共價鍵。共價鍵使晶體管和其它電子應(yīng)用中CNT的電學(xué)性能劣化。
[0045]可以被轉(zhuǎn)化為圖7的帶正電的部分的第二官能基團(tuán)254如下:銨鹽(圖7a和b)可以通過使胺與酸反應(yīng)制成；吡啶鹽(圖7c)可以通過使吡啶與鹵代烷反應(yīng)制成；锍鹽(圖7d)可以通過使硫化物與鹵代烷反應(yīng)制成；并且鱗鹽(圖7e)可以通過使三芳基膦與鹵代烷反應(yīng)制成。
[0046]盡管圖7a_e不出了具有正電荷的第一尚子電荷部分264的例子,但是具有帶負(fù)電的第一離子電荷部分264的雙官能前體250也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在帶負(fù)電的第一離子部分的情況下，雙官能分子與圖7a-e的相同，只是正電荷部分264被諸如_C00_或Ar_0_的帶負(fù)電的部分取代。 可以被轉(zhuǎn)化成帶負(fù)電的部分264的第二官能基團(tuán)254的例子是諸如-COOCH3的羧酸脂和苯酚。這些基團(tuán)通過與諸如KOH的強堿反應(yīng)以分別產(chǎn)生-C00_或Ar-Ο—，而被轉(zhuǎn)化成帶負(fù)電的部分264。
[0047]接下來，將討論術(shù)語“離子電荷部分”。部分是具有電荷的分子的一部分。在本發(fā)明中，電荷是由于一個分子從另一個分子奪取了電子或電子對而形成的；意味著電荷部分是離子的。本發(fā)明的離子性的帶電分子應(yīng)當(dāng)與極性分子(例如，在水中發(fā)現(xiàn)的那些，-NH2、-NHNH2、-ONH2、-ONHOH和-CONHO-)形成對照。極性分子是在分子內(nèi)具有不均勻的電子分布的分子。由于極性分子具有不均勻的電子分布，該分子中的原子有時被稱為部分帶電或者被稱為具有偶極矩。然而，由于相反(部分地)帶電的偶極-偶極吸引力導(dǎo)致的弱鍵，不應(yīng)當(dāng)與本發(fā)明的相反帶電的離子的吸引力導(dǎo)致的較強鍵混淆。
[0048]討論轉(zhuǎn)向在CNT271上生成第二離子電荷部分274的兩種方式。官能化，在CNT上生成第二離子電荷部分274的第一種方式可以通過如下方式實現(xiàn):將芳基重氮鹽與CNT分散系混合以形成共價地鍵合到具有官能基團(tuán)的有機化合物的CNT。然后將具有官能基團(tuán)的CNT放置在水強堿溶液中以將該官能基團(tuán)轉(zhuǎn)化成第二離子電荷部分274。強堿的例子包括但不限于 LiOH、NaOH, RbOH, CsOH, Ca (OH)2, Sr (OH)2, Ba (OH) 2 和優(yōu)選的 Κ0Η。
[0049]參考圖8a_c，示出了使CNT官能化以形成帶負(fù)電的離子部分274的具體例子。在圖8a中，有機鹽是重氮鹽(R-N2+X_)，其與CNT271分散系組合。此處，重氮鹽的“R”是苯甲酸甲酯。該鹽與CNT共價地鍵合以形成圖8b中的具有官能基團(tuán)的CNT271 (即“官能化的CNTOo繼續(xù)參考圖8b，將KOH和水與官能化的CNT混合以將官能基團(tuán)的一部分(此處，羧酸脂-COOCH3)轉(zhuǎn)化成第二離子電荷部分274 (此處，-COOOo
[0050]圖8a_c中未示出官能化CNT以形成帶正電的離子部分274的具體例子，然而，批啶重氮鹽可以與CNT分散系混合以形成官能化的CNT。然后，用酸處理該官能化的CNT以形成吡啶鹽或用鹵代烷(例如，但不限于碘甲烷)處理該官能化的CNT以形成N-烷基吡啶鹵化物。該處理將官能基團(tuán)的一部分(此處，吡啶)轉(zhuǎn)化成第二離子電荷部分274 (此處，CH3_X+)。
[0051]參考圖9，示出了生成第二離子電荷部分274的第二種方式，涂布?？梢酝ㄟ^將CNT271與具有第二帶電離子部分274的離子表面活性劑的溶液混合，實現(xiàn)在CNT上的涂布。在圖9中，將包含CNT271的水分散系與離子表面活性劑276混合。離子表面活性劑276的材料中的一些在CNT周圍形成單層，如圖9所示，作為具有重疊的離子表面活性劑276的CNT271。包含CNT分散系和離子表面活性劑的溶液在純水中經(jīng)歷滲析從而去除任何過量的離子表面活性劑。通過去除過量的離子表面活性劑276，在具有第一離子電荷部分的SAM上放置具有第二離子電荷部分的CNT的放置產(chǎn)量增加，這是因為SAM位置將被不與CNT271相關(guān)聯(lián)的離子表面活性劑276占據(jù)。
[0052]第二離子電荷部分274將與第一帶電離子部分264相反地帶電。因此，如果第一離子電荷部分264是正的，則離子表面活性劑276將是陰離子的；如果第一離子電荷部分264是負(fù)的，則離子表面活性劑276將是陽離子的。除了一些脂肪和磷脂用作陰離子表面活性劑，陰離子表面活性劑的例子還包括但不限于DNA、十二烷基硫酸鈉和膽酸鈉。陽離子表面活性劑的例子包括但不限于氯化十六烷吡啶、雙十八烷基二甲基氯化銨。
[0053]可以在涂布CNT271之前或涂布CNT271之后使該表面活性劑變成離子的。例如，陰離子表面活性劑可以通過用堿處理它們的酸形式來制備，陽離子表面活性劑可以通過用鹵代烷處理叔胺來制備。`
[0054]本發(fā)明的一個優(yōu)點是兩個帶電分子之間的鍵284強于極性分子與CNT之間的電荷。此外，所公開的第一離子電荷部分264優(yōu)于備選部分(例如，Ar-N2+),因為當(dāng)前第一離子電荷部分不像Ar-N2+那樣與CNT形成共價鍵。在一些情況下，與CNT的共價鍵可能干擾CNT的電子學(xué)屬性。CNT場效應(yīng)晶體管的一種電學(xué)屬性是其輸運特性(Id(A)vs.Vg(V))。低的導(dǎo)通電流等于差的性能，并且是與CNT的共價鍵的指示。較高的導(dǎo)通電流(10_7A或更高)表示CNT的晶格反向(return),因此沒有共價鍵到最少的共價鍵。
[0055]接下來，給出了本發(fā)明的實例性實施例。
[0056]實例1-用于自組裝的帶正電的雙官能前體分子。將氰化鉀(50mg)添加到這樣的溶液:在IOmL四氫呋喃和5mL甲醇中異煙酸甲酯(1.17克，0.01摩爾)和水中50%羥胺(1.3克，0.02摩爾)的溶液。在室溫下攪動該混合物18個小時之后，過濾沉淀物并且用二乙醚對其進(jìn)行洗滌和干燥，得到分析純的N-羥基異煙酰胺。將后者添加到在甲醇中的5%碘甲烷中并且在室溫下攪動兩天。在減壓下蒸發(fā)甲醇并且從乙醇中結(jié)晶固體殘留物，得到純的4-羥氨基-N-甲基吡啶碘化物。
[0057]實例I1-通過官能化制備帶負(fù)電的CNT。將四氟硼酸亞硝(12mg、l毫摩爾)添加到在5mL乙腈中的甲基-4-氨基苯甲酸酯的懸浮液(15mg，I毫摩爾)中。將所得到的溶液逐滴添加到在包含1%的十二烷基硫酸鈉的水中的單壁碳納米管(Img)的水懸浮液中。在靜置18個小時之后，對溶液進(jìn)行離心分離并且將沉淀物添加到IOmL的10%甲醇?xì)溲趸浫芤褐小Ｔ跀噭?小時之后，添加20mL的丙酮并且對混合物進(jìn)行離心分離。丟棄浮在表面的液體并且將沉淀物溶解在去離子水中，得到帶負(fù)電的碳納米管的水性溶液。
[0058]實例II1-涂布了陰離子表面活性劑的單層的CNT的水性分散系的制備。用純水滲析1%的十二烷基硫酸鈉中的碳納米管的分散系數(shù)天，在此期間在24小時之后使用新鮮的水。在用新鮮的水滲析數(shù)次之后，過濾器內(nèi)的溶液不包含自由表面活性劑并且所有的表面活性劑附著到碳納米管。
[0059]實例IV-碳納米管的選擇性放置。將用氧化硅區(qū)域和氧化鉿區(qū)域圖案化的硅襯底浸沒在乙醇中的4-羥氨基-N-甲基吡啶碘化物溶液的2mM溶液中。在一個小時之后，該襯底從該溶液移出并且用大量乙醇清洗并且在氮氣流下干燥。然后將現(xiàn)在在氧化鉿上涂布有帶正電的離子單層的襯底浸沒在實例II的帶負(fù)電的(離子的，不是偶極的)官能化的納米管的溶液中。在一個小時之后，移出該襯底并且用去離子水對其進(jìn)行清洗并且在氮氣流下干燥。襯底的掃描電子顯微檢查(圖9)顯示出了在氧化鉿區(qū)域上選擇性放置的高密度碳納米管。
[0060]盡管已經(jīng)參考當(dāng)前被認(rèn)為是優(yōu)選實施例的內(nèi)容描述的本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于所公開的實施例。相反，本發(fā)明旨在覆蓋包含在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。以下權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)與廣為人知的解釋相一致以便包含這些修改和等效結(jié)構(gòu)和功 能。
【權(quán)利要求】
1.一種形成具有選擇性地放置的碳納米管(“CNT”)的結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括: 提供具有表面的襯底； 使所述襯底的所述表面與前體分子的溶液接觸，從而在所述表面上形成具有第一離子電荷部分的自組裝單層； 使所述自組裝單層與具有第二離子電荷部分的多個CNT的分散系接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括: 清洗以去除過量的CNT。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述第一和第二離子電荷部分相反帶電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述第一離子電荷部分是正的，所述第二離子電荷部分是負(fù)的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述第一離子電荷部分是選自包括銨鹽、批淀鹽、琉鹽和鱗鹽的組的鐵鹽。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述前體分子具有: 將所述單層錨定到所述襯底的第一官能基團(tuán)；以及 具有第一離子電荷部分的第二官能基團(tuán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述第一官能基團(tuán)選自包括硫醇和異腈的組；并且其中所述襯底包括金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其`中 所述第一官能基團(tuán)選自包括膦酸和異羥肟酸的組；并且 其中所述襯底包括金屬氧化物區(qū)域。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中提供襯底還包括: 圖案化所述襯底以形成第一區(qū)域和第二區(qū)域，每個區(qū)域具有等電點，其中所述第一區(qū)域等電點大于所述第二區(qū)域等電點。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述第一等電點和所述第二等電點之差至少為4。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其中在所述襯底上形成所述自組裝單層在所述襯底的所述第一區(qū)域上選擇性地發(fā)生。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述第一區(qū)域是金屬氧化物，并且所述第二區(qū)域是二氧化硅。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括:在使所述襯底與所述多個CNT的分散系接觸之N /.1IJ: 通過(I)使所述多個CNT與具有羧酸酯基團(tuán)的有機分子鍵合以形成多個官能化的CNT，并且(2)將所述羧酸酯基團(tuán)轉(zhuǎn)化成所述第二離子電荷部分， 來形成具有所述第二離子電荷部分的所述多個CNT。
14.權(quán)利要求13的方法，其中鍵合所述多個CNT包括: 混合水、所述多個CNT、表面活性劑和苯甲酸甲酯的重氮鹽，以形成苯甲酸甲酯的多個官能化的CNT。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，其中轉(zhuǎn)化所述羧酸酯基團(tuán)包括: 將堿與所述多個官能化的CNT混合，以在所述官能化的CNT上形成具有負(fù)電荷的所述第二尚子電荷部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括:在使所述襯底與所述多個CNT的分散系接觸之N /.1IJ: 通過如下步驟形成具有所述第二離子電荷的所述多個CNT: (I)在離子表面活性劑水溶液中組合所述多個CNT以形成涂布了所述離子表面活性劑的單層的CNT與過量的離子表面活性劑的混合物；以及(2)在水中滲析所述混合物以去除所述過量的離子表面活性劑； 其中所述離子表面活性劑的離子電荷部分是所述第二離子電荷部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述離子表面活性劑選自包括DNA、膽酸鈉、十二烷基硫酸納的組。
18.—種具有碳納米管(CNT)層的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括: 具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的襯底； 在所述第一區(qū)域上的自組裝單層；以及 在所述自組裝單層上的CNT層； 其中所述CNT層具有超過每平方微米ICNT的密度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的襯底，其中所述CNT層具有低于每平方微米ICNT束的成束的CNT的密度。
20.一種用于制造自組裝單層的雙官能`前體分子，所述分子包括: 將所述單層錨定到襯底的第一官能基團(tuán)；以及 具有第一離子電荷部分的第二官能基團(tuán)； 其中所述第一官能基團(tuán)選自包括硫醇、異腈、膦酸和異羥肟酸的組；并且 其中所述第一離子電荷部分是選自包括銨鹽、锍鹽和鱗鹽的組的鎗鹽。
【文檔編號】C01B31/02GK103827026SQ201280046391
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月29日
【發(fā)明者】A·阿夫扎利-阿爾達(dá)卡尼, G·S·圖爾維斯基, 樸弘植 申請人:國際商業(yè)機器公司