專利名稱：在襯底上定位納米顆粒的方法以及納米顆粒陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明旨在一種在構(gòu)圖的襯底上定位納米顆粒的方法，以及使用該定位的納米顆粒制作一維材料的方法。
背景技術(shù)：
絕緣、半導(dǎo)電以及導(dǎo)電材料的均勻厚度的膜的淀積對微電子工業(yè)極為重要。隨著電路元件的橫向特征尺寸持續(xù)縮小(以獲得改善的電路性能)，膜厚度的均勻性容差也按比例縮小。常規(guī)膜淀積方法例如物理氣相淀積、化學(xué)氣相淀積以及原子層淀積可以在非常大的面積內(nèi)獲得均勻的厚度(處于單原子層的精度)，然而購買和維護(hù)這樣的系統(tǒng)的費(fèi)用高昂。并且，存在其它的較低性能類型的微電子應(yīng)用，其中希望淀積材料的均勻?qū)佣恍枰叨葘I(yè)化的(并且昂貴的)淀積系統(tǒng)。
化學(xué)合成的納米顆粒對尺寸和組分高度均勻的材料的制造提供了一種低成本的可供選擇的方法。高溫溶液相合成法是一種可以通過其制造高度均勻的材料的方法。存在用于制造各種金屬、絕緣體以及半導(dǎo)體的方法。簡單而言，這些方法制造無機(jī)納米顆粒的溶液，這些無機(jī)納米顆粒的平均直徑在1nm至20nm的范圍內(nèi)可調(diào)并且其平均直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為5％。用可以被加工為1-4nm范圍長度的有機(jī)表面活性劑逐一地涂敷這些納米顆粒。表面活性劑防止納米顆粒在溶液中聚積。圖1(a)中示出了化學(xué)合成納米顆粒的示意圖。
當(dāng)尺寸均勻的納米顆粒從溶液淀積到襯底上時，可使尺寸均勻的納米顆粒將它們自身組裝成晶體。如圖1(b)中示意性地示出的，由于其均勻的尺寸，球狀納米顆粒將堆積成六方密堆積(HCP)排列。該過程通常稱為自組裝。其它形狀的納米顆粒將堆積成不同的晶體排列。例如，立方形的納米顆粒將堆積成立方晶格。這種自組裝的一個優(yōu)點(diǎn)在于，由于納米顆粒的均勻直徑，所形成的膜具有非常均勻的厚度。換言之，由單層納米顆粒構(gòu)成的膜的厚度將均勻地為一個納米顆粒直徑。
此外，利用由不同材料構(gòu)成的納米顆粒作為生長一維(1-D)材料的催化劑引發(fā)了人們越來越濃的興趣。該技術(shù)包括對表面施加(典型地)金屬催化劑，然后使用技術(shù)例如化學(xué)氣相淀積生長1維材料。催化劑的尺寸將嚴(yán)重地影響所形成的1-D結(jié)構(gòu)的直徑。在幾乎所有該類型生長的情況中，必須將襯底(和催化劑)加熱到高溫(超過400℃并且最高可達(dá)1000℃)。然而，在這些高溫下，在整個襯底表面范圍內(nèi)分布的納米顆粒型的催化劑將經(jīng)常發(fā)生聚積，導(dǎo)致具有較寬尺寸分布(由聚積期間的金屬擴(kuò)散確定)的較大尺寸的催化劑，并且最終導(dǎo)致具有較寬尺寸分布的較大直徑的1-D材料。
盡管納米顆粒具有自組裝的固有傾向并且納米顆粒膜具有潛在的優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)膜淀積方法例如物理氣相淀積、濺射、或者化學(xué)氣相淀積相似，不存在在大的區(qū)域范圍內(nèi)均勻地淀積納米顆粒膜的方法。至目前為止，采用四種用于納米顆粒膜淀積的方法1.從溶液淀積，之后進(jìn)行溶劑蒸發(fā)在該方法中，在襯底上淀積包含溶解的納米顆粒的溶劑，并且通過受控蒸發(fā)去除溶劑。當(dāng)溶劑蒸發(fā)時，納米顆粒組裝其自身成為結(jié)晶層。該方法制造精細(xì)組裝的膜，但是膜的厚度卻不受控制。當(dāng)溶劑蒸發(fā)時，形成變化厚度的層。
2.通過襯底浸沒(immersion)淀積納米顆粒膜在該方法中，襯底被浸沒到包含納米顆粒的溶液中，并且允許其沉底(sit)。隨時間的推移，納米顆粒在溶液中擴(kuò)散并且找到到達(dá)襯底的路徑。該方法制造均勻厚度的膜，然而納米顆粒層卻沒有被密堆積并且常常包含空隙(沒有納米顆粒的區(qū)域)。此外，該方法在表面上處處淀積納米顆粒層。
3.Langmuir-Blodgett技術(shù)在該方法中，在液體表面上形成納米顆粒膜。通過在液體上壓緊膜，可以使納米顆粒自組裝。通過浸漬涂敷到液體表面上，將膜轉(zhuǎn)移至固體襯底。該方法制造有序的納米顆粒層，然而卻難以控制膜的厚度。通常，膜或者由多層構(gòu)成，否則就是包含空隙。并且，由于從液體轉(zhuǎn)移到固體襯底的膜的應(yīng)力，在膜中會出現(xiàn)裂縫。
4.通過旋轉(zhuǎn)澆注(sDin-casting)淀積納米顆粒膜在該方法中，包含納米顆粒的溶液被旋涂到固體襯底上。在溶劑蒸發(fā)之后，留下納米顆粒膜。由于旋轉(zhuǎn)澆注方法的非平衡本質(zhì)，通過該方法制造的納米顆粒膜沒有被很好地組裝。
所有上述四種方法描述了在襯底的整個表面范圍內(nèi)淀積納米顆粒膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在一種在構(gòu)圖的襯底上定位納米顆粒的方法。該方法包括以下步驟提供具有選擇性地定位的凹陷(recess)的構(gòu)圖的襯底，并且對所述構(gòu)圖的襯底施加納米顆粒的溶液或者懸浮液以形成潤濕的襯底。使刮刷器構(gòu)件(wiper member)刮過所述潤濕的襯底的表面，以從所述潤濕的襯底去除所述施加的納米顆粒的一部分。結(jié)果，將所述施加的納米顆粒的大量的剩余部分設(shè)置在所述襯底的所述選擇性地定位的凹陷中。
本發(fā)明還旨在一種制作碳納米管的方法。該方法包括以下步驟提供具有選擇性地定位的凹陷的構(gòu)圖的襯底，并且對所述構(gòu)圖的襯底施加納米顆粒的溶液或者懸浮液以形成潤濕的襯底。使刮刷器構(gòu)件刮過所述潤濕的襯底的表面，以從所述潤濕的襯底去除所述施加的納米顆粒的一部分。結(jié)果，將所述施加的納米顆粒的大量的剩余部分設(shè)置在所述選擇性地定位的凹陷中。所述定位的納米顆粒在所述襯底上形成催化位置，在適宜的加熱和反應(yīng)條件下可以由所述催化位置形成碳納米管。
本發(fā)明還旨在一種位于襯底的凹陷中的納米顆粒陣列。所述納米顆粒將典型地具有1nm至50nm的平均直徑。


通過在結(jié)合附圖閱覽時考慮本發(fā)明的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它特征將變得顯而易見，其中圖1(a)是具有附著的表面活性劑分子的納米顆粒的圖示描述；圖1(b)是自組裝納米顆粒的圖示描述；圖2(a)至2(d)是本發(fā)明的方法的示意性表示；圖2(e)是在連續(xù)溝道中定位納米顆粒的圖示描述；圖3是在寬度近似等于納米顆粒的直徑的溝道或者孔中定位納米顆粒的圖示描述；圖4(a)至4(d)是本發(fā)明的另一方法的示意性表示；圖5是形成的納米管或者納米線的圖示描述；圖6是在二氧化硅表面上的自組裝的多孔聚苯乙烯膜的掃描電子顯微照片(SEM)；圖7是在二氧化硅表面中的圖6的轉(zhuǎn)移圖形的SEM；圖8(a)和8(b)分別是圖7的轉(zhuǎn)移圖形和通過原子層淀積縮小的轉(zhuǎn)移的孔尺寸的SEM；圖9(a)是在硅襯底中的轉(zhuǎn)移圖形的SEM；圖9(b)是通過熱氧化縮小的圖9(a)的轉(zhuǎn)移圖形的SEM；圖10是在根據(jù)本發(fā)明的方法的刮刷器構(gòu)件的操作之后具有定位的納米顆粒的圖7的SEM；以及圖11(a)和11(b)是通過本發(fā)明的方法形成的碳納米管的SEM。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明旨在一種在構(gòu)圖的襯底上定位納米顆粒的方法。該方法包括以下步驟提供具有凹陷的圖形的襯底；對構(gòu)圖的襯底施加納米顆粒的溶液或者懸浮液以形成潤濕的襯底；以及使刮刷器構(gòu)件刮過潤濕的襯底的表面，以從潤濕的襯底去除所施加的納米顆粒的一部分，從而將所施加的納米顆粒的大量的剩余部分設(shè)置在凹陷中。
本發(fā)明還可以包括加熱在選擇性地定位的凹陷中設(shè)置有所施加的納米顆粒的剩余部分的刮刷的襯底。加熱可以去除有機(jī)材料，例如可以附著到納米顆粒上的有機(jī)表面活性劑或者極性溶劑?？蛇x地，該方法還可以包括使刮刷的襯底與清洗劑溶液接觸，隨后使刮刷器構(gòu)件刮過襯底的清洗劑接觸的表面。在清洗步驟之后，可以加熱清洗的襯底，以從納米顆粒的表面去除有機(jī)材料。
該方法提供在襯底的選定區(qū)域內(nèi)納米顆粒的淀積。該方法提供的一些優(yōu)點(diǎn)包括以下方面1.該方法相對快速?？梢詢H用幾秒鐘在幾平方英寸的襯底內(nèi)選擇性地定位納米顆粒。
2.可以在空氣中進(jìn)行納米顆粒的選擇性定位，因此不必需要昂貴的真空系統(tǒng)。
3.可以通過納米顆粒的平均顆粒直徑控制由定位的納米顆粒形成的所產(chǎn)生的膜的厚度。例如，單層將主要具有一個直徑的厚度，而雙層將主要具有兩個直徑的厚度。
4.刮刷器構(gòu)件的所產(chǎn)生的作用實(shí)質(zhì)上從襯底的不需要的區(qū)域例如頂面去除了納米顆粒，因此提供了沒有納米顆粒的襯底區(qū)域。
5.納米顆粒膜可以與襯底上的其它部件對準(zhǔn)。
6.該方法便于在襯底上分離納米顆粒以便隨后的對襯底的例如用于形成一維材料例如碳納米管的加熱不會使納米顆粒聚積。結(jié)果，形成的材料將具有均勻的線尺度(linear dimension)或者直徑。
圖2中描述了本發(fā)明的一個實(shí)施例的示意性表示。如圖所示，初始步驟是使襯底構(gòu)圖有多個凹陷?？梢允褂靡阎钠桨嬗∷⒓夹g(shù)例如照相平版印刷術(shù)、壓印平版印刷術(shù)、電子或者離子束平版印刷術(shù)以構(gòu)圖襯底。例如，可以使用反應(yīng)離子蝕刻、化學(xué)蝕刻、離子束蝕刻、或者濺射將平版印刷圖形轉(zhuǎn)移到襯底。然后去除平版印刷掩模材料，留下具有凹陷圖形的襯底10，如圖2(a)所示(示出了單個凹陷12的截面)。還可以使用非平版印刷技術(shù)例如聚合物自組裝(和可選擇的蝕刻步驟)或者對鋁膜的陽極蝕刻以提供構(gòu)圖的掩模，通過該構(gòu)圖的掩模在襯底中形成凹陷。
將在給定溶劑16中的納米顆粒14的懸浮液(漿料)或者溶液施加到構(gòu)圖的襯底，以形成潤濕的襯底，如圖2(b)所示。在蒸發(fā)溶劑之前，將刮刷器構(gòu)件18設(shè)置為與潤濕的襯底接觸，并且使刮刷器構(gòu)件18刮過表面，如圖2(c)所示。刮刷器構(gòu)件可以由彈性材料制成。例如，刮刷器構(gòu)件可以包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)。當(dāng)然，也可以使用具有與PDMS相似的特性的其它彈性材料。刮刷器構(gòu)件實(shí)質(zhì)上用作“刮漿刀(squeegee)”，以從襯底的非凹陷區(qū)域去除納米顆粒和過量的溶劑，因此，刮刷器構(gòu)件具有均勻的邊緣是優(yōu)選的。刮漿刀的作用還有助于將納米顆粒導(dǎo)入襯底的凹陷區(qū)域?？梢灾貜?fù)對于在襯底的凹陷區(qū)域中定位納米顆粒14是必要的次數(shù)的多次潤濕和使刮刷器構(gòu)件刮過構(gòu)圖的襯底的表面的操作，如圖2(d)所示。
在定位納米顆粒之后，可以用清洗溶劑清洗或者沖洗襯底。再一次，可以使用刮刷器構(gòu)件去除多余的清洗溶劑。
在定位納米顆粒之后，可以加熱襯底以便去除附著到定位的納米顆粒的表面的有機(jī)材料。加熱還可以用于燒結(jié)定位的納米顆粒，以在襯底的凹陷區(qū)域內(nèi)形成連續(xù)的膜。因為納米顆粒層凹陷在襯底表面之下(參見圖2(d)和2(e))，所以所產(chǎn)生的膜的頂部將與襯底表面共面。如圖2(d)和2(e)中所示，可以由凹陷的深度和納米顆粒的直徑在一定程度上控制膜的厚度。結(jié)果，該方法可以提供對所產(chǎn)生的膜的厚度均勻性的更大控制。
在另一實(shí)施例中，構(gòu)圖的凹陷的深度比單個納米顆粒的直徑高，從而每個凹陷容納多于單層的納米顆粒，參見圖2(e)。如果凹陷的區(qū)域的直徑介于一個納米顆粒的直徑寬和兩個納米顆粒的直徑寬之間，那么可以形成層疊在彼此的頂部上的單個納米顆粒的多層，參見圖3。然后可以燒結(jié)定位的納米顆粒，以在襯底中形成選擇性材料的連續(xù)溝道，例如在介電襯底中(由Cu納米顆粒)形成銅布線。所產(chǎn)生的銅布線將具有可與初始的納米顆粒的直徑相比的直徑。
本發(fā)明還旨在一種在襯底的凹陷中定位的納米顆粒陣列，其中納米顆粒具有1nm至50nm的平均顆粒直徑。在一個實(shí)施例中，凹陷和定位的納米顆粒具有可比的直徑，以便在凹陷內(nèi)層疊定位的納米顆粒。然后可以使用納米顆粒的陣列作為模板以形成一維材料。
在襯底上納米顆粒的定位還可以被用于引晶(seed)一維材料例如納米線或者納米管的生長。在一個實(shí)施例中，可以構(gòu)圖襯底20，以便單獨(dú)的凹陷柱22可與納米顆粒24的顆粒尺寸相比。如果平均凹陷直徑介于一個平均納米顆粒直徑寬與兩個平均納米顆粒直徑寬之間，將在每個凹陷22中定位單個納米顆粒24，如圖4(d)所示?？梢詫⑴c關(guān)于圖2(a)至2(b)所描述的相同方法用于在每個凹陷柱中定位納米顆粒，如圖4所示。
可以使用已知的化學(xué)氣相淀積方法生長納米線或者納米管，如圖5所示。在這種情況下，將納米顆粒，典型地，金屬或金屬氧化物納米顆粒用于引晶納米管/納米線30的生長。在許多情況下，可以由納米顆粒的平均直徑控制所產(chǎn)生的一維材料的平均直徑。可以通過這樣的模板合成法制作的一維材料的一個實(shí)例是通過化學(xué)氣相淀積形成的碳納米管。
本發(fā)明還旨在一種制作碳納米管的方法。形成的碳納米管可以具有1nm至50nm或者約2nm至約10nm的平均直徑。該方法包括以下步驟提供具有凹陷圖形的襯底，以及對構(gòu)圖的襯底施加納米顆粒的溶液或者懸浮液以形成潤濕的襯底。使刮刷器構(gòu)件刮過潤濕的襯底的表面，以從潤濕的襯底去除所施加的納米顆粒的一部分，從而將所施加的納米顆粒的大量的剩余部分設(shè)置在凹陷中。一旦納米顆粒被定位在凹陷中，在適宜的反應(yīng)條件下對刮刷的襯底的加熱提供催化位置，從該催化位置形成碳納米管。在一個實(shí)施例中，納米顆粒包括氧化鐵。
通過普通技術(shù)人員公知的任何適宜的生長技術(shù)，形成碳納米線或者碳納米管。例如，可以使用包括但不限于一氧化碳、乙烯、甲烷、乙炔、乙炔和氨的混合物、乙炔和雙氮(dinitrogen)的混合物、乙炔和二氫(dihydrogen)的混合物以及二甲苯的任何適宜的氣態(tài)的或者汽化的含碳反應(yīng)物，通過化學(xué)氣相淀積(CVD)或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)，在適合促進(jìn)碳生長的生長條件下，在定位的納米顆粒上生長碳材料。在這樣的淀積方法中，典型地將襯底加熱到足以促進(jìn)和/或加速CVD生長的溫度?？梢詫⑻砑觿┡c反應(yīng)物混合以促進(jìn)單壁納米管的合成、多壁納米管的合成，或者增加納米管的伸長速率或長度。
反應(yīng)劑與納米顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以便使碳材料成核并且在成核之后維持碳材料的生長。一種可以生長的這種碳材料是碳納米管。碳納米管典型地被描述為由鍵合的碳原子的精確排列的六邊形環(huán)構(gòu)成的中空圓柱管。碳納米管可以是類似同心圓柱體的多壁納米管或者可以是單壁納米管。碳納米管將通常從定位的納米顆粒出發(fā)沿著通常垂直于或者近似垂直于襯底水平表面的方向延伸。希望碳納米管具有統(tǒng)計分布的高度或者長度。
在一個實(shí)施例中，如在2003年10月22日提交并受讓給InternationalBusiness Machines Corporation的美國專利申請序列號10/689,675中所述，可以由定位的納米顆粒生長單壁納米管，在此引入其整個公開內(nèi)容作為參考。該專利申請描述了一個普通技術(shù)人員可以如何基于對反應(yīng)室中氣體的停留時間的控制例如通過控制壓力或氣體流速、或者兩者的組合來控制CVD或者PECVD生長的碳納米管的直徑。如Grill在由IEEE press于1994年出版的“Cold Plasma in Materials Fabrication From Fundamentals toApplications”的第91頁中所定義的，氣體停留時間是tr＝pvolr/Q；其中p＝壓力(大氣壓)，volr＝反應(yīng)室體積(cm3)以及Q＝總質(zhì)量流量(sccm)。氣體停留時間是反應(yīng)室中氣體的平均時間的量度。因此，如果流量恒定而壓力增加，則停留時間增加，并且如果壓力恒定而流量增加，則停留時間減少。停留時間典型地為約1分鐘至約20分鐘，并且更典型地為約1分鐘至約10分鐘。典型地通過控制反應(yīng)室中的壓力、流量、或者壓力和流量兩者確定停留時間。通過改變CVD或者PECVD反應(yīng)室中的先驅(qū)物(precursor)氣體的停留時間(例如改變生長壓力和/或流速)，可以形成具有約0.2納米至幾個納米的直徑的碳納米管。
在本發(fā)明的方法中，可以使用任何已知的襯底材料，包括硅、二氧化硅、氮化硅和金屬例如鋁、鎢、銅、金或者鉑。
在一個實(shí)施例中，在已通過熱氧化在硅襯底上生長的二氧化硅薄層(40nm)上形成多孔聚合物膜。然后使用與文獻(xiàn)(參見例如K.W.Guarini，et al.，Advanced Materials，14 1290(2002)，或者T.Thurn-Albrecht，et al.，Advanced Materials，12，787(2000)，或者其中包含的參考文獻(xiàn))中描述的技術(shù)類似的二嵌段共聚物(diblock copolymer)構(gòu)圖技術(shù)，構(gòu)圖多孔聚合物膜。例如，通過從稀釋溶液旋轉(zhuǎn)澆注，在二氧化硅膜(襯底)上形成無規(guī)共聚物刷層(brush layer)，接著進(jìn)行熱處理，并且隨后進(jìn)行溶劑沖洗。通過旋轉(zhuǎn)澆注對該表面施加包括適宜厚度的聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的二嵌段共聚物膜，并通過熱退火使其自組裝。退火之后，將聚合物涂敷的襯底暴露到紫外光(該步驟是可選的)并且將其浸入到乙酸中，接著用水沖洗并在氮?dú)庵懈稍?。所產(chǎn)生的膜包括具有在表面上六角排列的孔的多孔聚苯乙烯材料。孔的尺寸和間距依賴于二嵌段共聚物的分子量。在該實(shí)施例中，例如，孔尺寸為直徑約20nm，并且孔中心與中心之間的距離約為40nm。圖6是所產(chǎn)生的多孔PS膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
然后使用等離子蝕刻將多孔PS圖形轉(zhuǎn)移到下伏的二氧化硅膜?？梢允褂玫钠渌赡艿募夹g(shù)包括濕法化學(xué)蝕刻、離子束蝕刻或者物理濺射。在等離子蝕刻之后，使用氧等離子體去除PS膜。也可以使用有機(jī)溶劑、酸、或者臭氧以去除PS。在圖7中示出了所產(chǎn)生的多孔氧化物膜的SEM圖像?？梢酝ㄟ^等離子體蝕刻的時間控制孔的深度，同時通過由依賴于構(gòu)圖的襯底的應(yīng)用而形成的PS膜確定孔直徑和間距。在該實(shí)施例中，例如，氧化物孔直徑約為20nm，并且間距約為40nm，以及孔深度為10nm至40nm。
可以通過一種或多種化學(xué)技術(shù)進(jìn)一步調(diào)整所產(chǎn)生的孔的尺寸。例如，可以在多孔氧化物表面上使用保形膜淀積(例如原子層淀積、化學(xué)氣相淀積或者濺射)。例如，我們可以在氧化物表面上原子層淀積氮化鉭來減小孔直徑，如圖8(a)和8(b)所示。在該情況下，孔直徑被減小了約45％變?yōu)榧s14nm(初始約為26nm)。用于縮小平均孔直徑的化學(xué)技術(shù)可以將平均孔直徑減小至約10nm，或者小至約5nm。注意該技術(shù)不改變孔間距，而僅僅改變孔直徑。
可選地，如果襯底是硅而不是二氧化硅，則可以使用熱氧化作為縮小孔尺寸的方法。由于氧化物占據(jù)的體積大約是硅的體積的兩倍，對多孔硅表面的氧化減小孔尺寸。圖9(a)和9(b)中示出了這種方法的結(jié)果。
對示于圖7中的多孔襯底施加在辛烷溶劑中的平均直徑為14nm的納米顆粒溶液。在溶劑中納米顆粒的濃度小于1重量％。然后通過用懸浮液(包含納米顆粒的溶液)完全覆蓋襯底，用懸浮液潤濕襯底表面。通過使用移液管淀積懸浮液完成該步驟，或者可選地可以將襯底浸入納米顆粒懸浮液中。
在本發(fā)明的方法中使用的納米顆粒在直徑上通常是單分散性的，并且在許多情況下，具有與多孔表面的平均孔直徑差別不大的平均直徑。典型的平均納米顆粒直徑約為1nm至20nm，并具有小于平均直徑的約15％的標(biāo)準(zhǔn)偏差。最佳地，平均納米顆粒直徑的分布范圍小于平均直徑的5％?？梢詫⒓{米顆粒分散在有機(jī)溶劑中例如己烷、辛烷、癸烷、或十二烷、或者其混合物。
當(dāng)襯底仍被包含納米顆粒的溶液潤濕時，將彈性刮刷器(刮漿刀)設(shè)置為與襯底接觸并且刮過表面。刮漿刀的刮刷操作從襯底去除多余的包含納米顆粒的液體。使用清洗溶劑(己烷、辛烷等)預(yù)潤濕刮刷器是有利的。并且，可以使刮刷器移動穿過表面任何多的次數(shù)。
如果平均納米顆粒直徑與襯底表面的孔的尺寸大致匹配，那么可以在表面上的大多數(shù)孔中淀積單個納米顆粒。圖10示出一個這樣的多孔表面的掃描電子顯微鏡圖像，其中超過90％的孔被單個納米顆粒填充。在該情況下，納米顆粒由氧化鐵構(gòu)成并且具有14nm的平均直徑。
在襯底的大多數(shù)孔中設(shè)置單個納米顆粒之后，使用納米顆粒作為碳納米管生長的催化位置。該技術(shù)的一個優(yōu)點(diǎn)為，納米顆粒被物理地限制在襯底的孔中，因此防止了納米顆粒在高溫納米管生長工藝期間的聚積。例如，使用化學(xué)氣相淀積，在管式爐中孔填充襯底的設(shè)置導(dǎo)致形成碳納米管。將管式爐加熱到800℃的溫度，同時通入包含碳?xì)浠衔锏臍怏w。圖11(a)和11(b)示出了所產(chǎn)生的由設(shè)置在襯底上的單獨(dú)的催化劑生長的多壁碳納米管。
權(quán)利要求
1.一種在構(gòu)圖的襯底上定位納米顆粒的方法，包括以下步驟提供具有選擇性地定位的凹陷的構(gòu)圖的襯底；對所述構(gòu)圖的襯底施加納米顆粒的溶液或者懸浮液以形成潤濕的襯底；以及使刮刷器構(gòu)件刮過所述潤濕的襯底的表面，以從所述潤濕的襯底去除所述施加的納米顆粒的一部分，從而將所述施加的納米顆粒的大量的剩余部分設(shè)置在所述選擇性地定位的凹陷中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括加熱在所述選擇性地定位的凹陷中設(shè)置有所述施加的納米顆粒的所述剩余部分的所述刮刷的襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述納米顆粒具有約2nm至50nm的基本上均勻的平均直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述納米顆粒具有約1nm至約10nm的平均直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述定位的凹陷的平均直徑介于所述納米顆粒的平均直徑的一倍與兩倍之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括使所述刮刷的襯底與清洗劑溶液接觸，隨后使所述刮刷器構(gòu)件刮過所述襯底的所述清洗劑接觸的表面，并且加熱在所述選擇性地定位的凹陷中設(shè)置有所述施加的納米顆粒的所述剩余部分的所述清洗的襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述刮刷器構(gòu)件是具有均勻邊緣的彈性構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述刮刷器構(gòu)件包括聚二甲基硅氧烷。
9.一種由權(quán)利要求2的選擇性地定位的納米顆粒制備的一維材料，其中所述納米顆粒是用于生長所述一維材料的催化位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的一維材料，其中通過所述定位的納米顆粒的直徑控制所述一維材料的直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的一維材料，其是通過化學(xué)氣相淀積形成的碳納米管。
12.一種制作碳納米管的方法，包括以下步驟提供具有選擇性地定位的凹陷的構(gòu)圖的襯底；對所述構(gòu)圖的襯底施加納米顆粒的溶液或者懸浮液以形成潤濕的襯底；使刮刷器構(gòu)件刮過所述潤濕的襯底的表面，以從所述潤濕的襯底去除所述施加的納米顆粒的一部分，從而將所述施加的納米顆粒的大量的剩余部分設(shè)置在所述選擇性地定位的凹陷中；加熱在所述選擇性地定位的凹陷中設(shè)置有所述施加的納米顆粒的所述剩余部分的所述刮刷的襯底，以在所述加熱的襯底上形成催化位置；以及由所述催化位置形成所述碳納米管。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述納米顆粒包括氧化鐵。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括使所述刮刷的襯底與清洗劑溶液接觸，隨后使所述刮刷構(gòu)件刮過所述襯底的所述清洗劑接觸的表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述形成的碳納米管具有10nm至50nm的平均直徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述納米顆粒具有1nm至50nm的平均直徑。
17.一種在襯底的一個或者多個凹陷中定位的納米顆粒陣列，其中所述凹陷和所述定位的納米顆粒具有可比較的直徑，以便將單個納米顆粒定位在所述一個或者多個凹陷內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的納米顆粒陣列，其中所述一個或者多個凹陷的平均直徑介于所述納米顆粒的平均直徑的一倍與兩倍之間。
19.一種由權(quán)利要求17的定位的納米顆粒的陣列制備的一維材料，其中所述納米顆粒是用于生長所述一維材料的催化位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的一維材料，其是通過化學(xué)氣相淀積形成的碳納米管。
全文摘要
本發(fā)明旨在一種在構(gòu)圖的襯底上定位納米顆粒的方法。該方法包括以下步驟提供具有選擇性地定位的凹陷的構(gòu)圖的襯底，并且對所述構(gòu)圖的襯底施加納米顆粒的溶液或者懸浮液以形成潤濕的襯底。使刮刷器構(gòu)件刮過所述潤濕的襯底的表面，以從所述潤濕的襯底去除所述施加的納米顆粒的一部分，從而使所述施加的納米顆粒的大量的剩余部分設(shè)置在所述襯底的所述選擇性地定位的凹陷中。本發(fā)明還旨在一種由定位的納米顆粒制作碳納米管的方法。
文檔編號B82B3/00GK101055834SQ20071009630
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月10日
發(fā)明者R·L·桑德斯特倫, C·B·穆拉伊, C·T·布萊克 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司