CN101467238B - 使用分子组装形成碳和半导体纳米材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种形成碳纳米材料或者半导体纳米材料的方法。该方法包括：提供基底和将分子前体附着到该基底上。该分子前体包含用于附着到该基底上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该含金属物质选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒以形成金属化的分子前体。然后该金属化的分子前体经受热处理以提供催化部位，该碳纳米材料或者半导体纳米材料从该催化部位形成。该金属化的分子前体的加热在适合于该碳纳米材料或者半导体纳米材料的化学气相沉积的条件下进行。

Description

使用分子组装形成碳和半导体纳米材料
技术领域
本发明涉及使用分子组装以指引碳纳米材料和半导体纳米材料的形成。本发明还涉及以使用分子组装形成的碳和半导体纳米材料制得的电子和光电子器件。
背景技术
通常通过电弧放电、激光烧蚀、或者化学气相沉积生长可为半导体性或者金属性的碳纳米管。然后，从生长表面收获纳米管用于后续使用[H.Dai，Acc.Chem.Res.35，1035(2002)]。一旦收获，一个剩余的挑战是配置碳纳米材料以用于器件，例如将它们配置在所选基底上的电极之间用于电子、光电子或者传感应用。在研究水平方面，通常通过两种技术之一使单个碳纳米管与电极接触。一种情况下，可从分散体通过旋涂将碳纳米管沉积在图案化有电极的的表面上。然而，实际上仅小部分的单个纳米管与电极接触。第二种技术涉及在电极沉积之前将碳纳米管旋涂在表面上。随后在将电极与碳纳米管对准或不对准的情况下沉积电极。使用碳纳米管的电器件的成功形成受偶然发现的电极图案化或者随机的纳米管沉积的限制，或者如果有意将电极对准纳米管，则限于少量的器件。
在研究水平方面，已证明在电子学和光电子学中碳纳米管的诱人性能，然而，在碳纳米管器件应用的放大方面，并且尤其是在提供纳米管与器件的电极之间的可靠接触上仍有挑战。在避免纳米管暴露于在收获、纯化和布置中所使用的潜在有害的溶剂和氧化工艺的基底的所选区域中形成碳纳米管的路线最近已显示出形成更好性能的器件[J.Liu，S.Fan，H.Dai，MRSBull.April，244(2004)]。
半导体纳米线通常也通过化学气相沉积生长的并且从生长表面收获用于进一步的使用。半导体纳米线是一维半导体。该半导体材料可为IV族(例如Si、Ge、或者合金)、III族-V族(例如GaAs)、II族-VI族(例如CdSe、CdS、ZnS)、IV族-VI族(例如PbSe)。因此，对于器件应用，它们在对准和布置上面临许多与碳纳米管相同的挑战[C.M.Lieber，MRSBull.July，286(2003)]。而且，在表面上收获和配置纳米线的过程使纳米结构经受潜在有害的条件。因此优选原位生长纳米线的方法[J.Liu，C.Lu，B.Maynor，S.Huang，J.Liu，Chem.Mat.16，1633(2004)]。
微射流技术已用于在表面上定向和选择性沉积纳米线和纳米管，但是通过小尺寸液体流的射流技术，微射流槽通常限制为微米宽度[H.Yuang，X.Duan，Q.Wei.C.Lieber，Science291，630(2001)]。微射流方法还需要使用表面活性剂以将纳米线和纳米管分散在供应溶液(delivery solution)中。表面活性剂的存在，特别是对于纳米管沉积，可显著影响纳米管或者纳米线的电子性能，除非该表面活性剂可从所得纳米材料除去。该办法需要纳米线和纳米管的单独生长、收获、和布置。
在规则布置的硅柱(post)之间通过在柱上图案化催化剂并生长纳米管直至它们达到另一个柱子，已生长出悬浮碳纳米管的有序网络[N.Franklin，H.Dai，Adv.Mat.12，890(2000)]。此外，通过利用纳米管的高度极化性，已将电场用于控制纳米管生长的方向[H.Dai，Acc.Chem Res.35，1035(2002)]。在这两种情况下，纳米管均悬浮在基底表面的上方。对于许多电子和光电子器件应用，纳米管优选与基底表面例如用于电导调制的晶体管的栅极电介质接触。
通过空间配置催化部位，已在表面上以垂直阵列形成碳纳米管和半导体纳米线。该办法通常提供高密度的垂直于基底表面延伸的至少局部有序的纳米管和纳米线。虽然该办法可消除在一些应用中收获和布置纳米管或纳米线的需要，但是这些材料的垂直阵列对器件几何形态产生严重的限制并且呈现出生长表面服从所期望的器件结构。
为在表面上配置用于纳米管或者纳米线生长的催化剂，通常使用平版印刷处理(lithographic processing)。所用催化剂为含金属的有机分子或者为金属或金属氧化物的纳米颗粒[例如见J.Liu，S.Fan，H.Dai，MRS Bulletin，April，244(2004)；S.Rosenblatt等，Nano Lett.2869(2002)；和J.Hu，T.W.Odom，C.M.Lieber，Acc.Chem.Res.32，435(1999)]。表面的平版印刷图案化在跨越基底平面上是有用的，但不提供将表面垂直图案化的路线。
发明内容
本发明涉及形成碳或者半导体纳米材料的方法。该方法包括提供基底和将分子前体附着到该基底上，其中该分子前体含有用于附着到该基底上的表面结合基团(“头基团”)和用于附着含金属物质(metal-containing species)的结合基团(“尾基团”)。该方法包括将该结合基团与含金属物质络合，该含金属物质选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒以形成金属化的分子前体。该方法可进一步包括将该含金属物质与配体以及可重复添加以增加在表面上金属量的额外的含金属物质络合。然后该金属化的分子前体经受热处理以提供催化部位，碳或者半导体纳米材料从该催化部位形成。
本发明的方法可用于制造晶体管。在一个实施方式中，该方法包括：在栅极电介质上提供第一电极和第二电极，并且将分子前体附着到该第一电极、该第二电极或者该第一和第二电极两者上。该分子前体包含用于附着到至少一个电极上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该方法进一步包括将该用于附着含金属物质的结合基团与选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质络合以形成金属化的分子前体。然后该金属化的分子前体经受热处理以提供催化部位，碳或者半导体纳米材料从该催化部位形成。
在另一个实施方式中，制造晶体管的方法包括：在栅极电介质上提供至少两段非反应性层，和在所述至少两个非反应性层的各自上提供第一电极和第二电极。然后将分子前体附着到该第一电极、该第二电极或者该第一电极和该第二电极两者上，其中该分子前体含有用于附着到至少一个电极上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该方法进一步包括将该用于附着含金属物质的结合基团与选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质络合以形成金属化的分子前体。然后该金属化的分子前体经受热处理以在栅极电介质上提供催化部位，碳或者半导体纳米材料从该催化部位形成。
本发明还涉及制造电子器件结构的方法。该方法包括：提供图案化的电子表面，并且将分子前体附着到该图案化的电子表面，所述图案化的电子表面选自图案化的金属表面、图案化的电介质表面或者图案化的半导体表面。该分子前体包含用于附着到该图案化的电子表面上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该方法进一步包括将该用于附着含金属物质的结合基团与选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质络合以形成金属化的分子前体。然后该金属化的分子前体经受热处理以在该图案化的电子表面上提供催化部位，碳或者半导体纳米材料从该催化部位形成。
附图说明
当结合附图阅读时，考虑到本发明的以下详细描述，本发明的这些以及其它的特征将变得明晰，在附图中：
图1(a)～1(f)为一种制造具有碳或者半导体纳米材料的选择取向的电子器件的方法的示意图；
图2为另一种制造具有碳或者半导体纳米材料的选择取向的电子器件的方法的示意图；
图3为使用本发明的一种工艺的生长的碳纳米管的扫描电子显微照片；
图4为使用本发明的另一种工艺的生长的碳纳米管的扫描电子显微照片。
具体实施方式
本发明涉及一种使用附着到选择的基底表面的分子前体的组装，选择性配置纳米材料，例如碳纳米管或者半导体纳米线的工艺。通过依靠各种化学相互作用，该分子前体在选择的表面上自组装。其上选择性生长碳或者半导体纳米材料的示例性表面包括器件表面例如在场效应晶体管、发光二极管、光伏器件和传感器中使用的电极表面。
使用在该工艺中形成的分子组装以在器件结构中选择性地配置用于碳纳米材料或者半导体纳米材料形成的催化部位。该分子组装的化学特异性，并且尤其是该分子组装如何选择性地与表面例如金属、电介质和半导体的表面结合，为该工艺提供必需程度的控制。所组装的分子作为结合金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物的纳米颗粒的部位，导致用于形成纳米材料例如碳纳米管或者半导体纳米线的催化部位的选择性布置。
本发明涉及形成碳纳米材料或者半导体纳米材料的方法。该方法包括提供基底和将分子前体附着到该基底上。该分子前体包含用于附着到该基底上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该含金属物质选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒以形成金属化的分子前体。然后加热该金属化的分子前体以提供催化部位，碳或者半导体纳米颗粒从该催化部位形成。在适合碳或者半导体纳米材料的化学气相沉积的条件下进行该金属化的分子前体的加热。
该基底可为图案化的金属、图案化的金属氧化物或者图案化的电介质。
该表面结合基团选自硫醇、异腈、有机酸、硅烷或者二烯。如果该基底包括硅，则该表面结合基团通常将为二烯，或者如果该基底包括氧化硅，则该表面结合基团通常将为氯硅烷或者烷氧基硅烷。如果该基底包括金属，则该表面结合基团通常将为硫醇或者异腈。如果该基底包括金属氧化物，则该表面结合基团通常将为有机酸。
在一个实施方式中，该表面结合基团为硫醇，并且该基底包括选自金、钯、铂和铜的一种或者多种金属。在另一个实施方式中，该表面结合基团为硫醇并且该基底为选自硅、锗或者砷化镓的半导体材料。
该用于附着含金属物质的结合基团通常将包含氮杂环、有机酸、硫醇或者异腈。这些配体官能团用于与选自金属阳离子、金属化合物或者金属或金属氧化物纳米颗粒的各种含金属物质络合。该含金属物质可能含有选自铁、钴、镍、钯、铂、铑、钌、钛、锆和金的金属。
本发明的方法还可包括将配位有机配体附着到金属化的分子前体上和将额外的含金属物质附着到该配位有机配体上。
在本发明的方法中使用的分子前体还可包含当暴露于辐照时从用于附着含金属物质的结合基团转移的光敏基团。光敏基团的除去将该分子前体对选自金属阳离子、金属化合物或者金属或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质活化。
在本发明的方法中使用的分子前体还可包含排列在表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团之间的主体部分。该主体部分可提供与邻近附着的分子前体的足够的分子间相互作用，以形成分子单层。而且，该主体部分还可包含引起该用于附着含金属物质的结合基团转移的光敏基团。光敏基团的除去使得该分子前体对金属化钝化。
本发明的方法可用于制造晶体管。在一个实施方式中，该方法包括：在栅极电介质或者基底上提供第一电极和第二电极，和将分子前体附着到该第一电极、该第二电极或者该第一电极和该第二电极两者上。该分子前体包含用于附着到至少一个电极上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该含金属物质选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒，以形成金属化的分子前体。然后加热该金属化的分子前体以提供催化部位，碳或者半导体纳米材料从该催化部位形成。该金属化的分子前体的加热在适合于碳或者半导体纳米材料的化学气相沉积的条件下进行。
该方法还可包括在该第一电极和第二电极之间提供平版印刷槽以容许碳纳米材料或者半导体纳米材料基本上在两个电极之间形成。
在一个实施方式中，该第一电极和该第二电极是不同的材料，使得该分子前体基本上附着到该第一电极上，很少(如果有)的附着到第二电极上。结果，该含金属物质的络合主要发生在与附着到该第一电极上的该分子前体有关的用于金属附着的结合基团处。
在另一个实施方式中，该第一电极和该第二电极覆盖有非反应性层，使得该分子前体主要附着在电极的侧壁处。络合和加热之后，所形成的碳纳米材料或者半导体纳米材料沿着栅极电介质的表面形成。
本发明还涉及一种制造晶体管的方法，其中将通过上述方法形成的纳米材料悬浮在栅极电介质或者基底表面上方(可能稍后在下方填充(underfill)电介质)。该方法包括：在栅极电介质或者基底上提供至少两段非反应性层，和在所述至少两个非反应性层的各自上提供第一电极和第二电极。然后将该分子前体附着到该第一电极、该第二电极或者该第一电极和该第二电极两者上。该分子前体包含用于附着到至少一个电极上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该含金属物质选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒，以形成金属化的分子前体。然后加热该金属化的分子前体以提供催化部位，碳或者半导体纳米材料从该催化部位形成。该金属化的分子前体的加热在适合于该碳或者半导体纳米材料的化学气相沉积的条件下进行。
该第一电极和该第二电极可包括不同的材料，使得该分子前体基本上附着到该第一电极上，很少(如果有)附着到该第二电极上。结果，该含金属物质的络合主要发生在与附着在该第一电极上的该分子前体有关的用于金属附着的结合基团处。在某些情况下，限制生长至电极的侧面可为有利的。在这种情况下，该第一电极和该第二电极覆盖有非反应性层，使得该分子前体基本上附着在所述电极的至少一个的侧壁处。
本发明的工艺对于电子器件的制作可提供若干优点。这些优点的一些包括：
(a)可通过器件几何形态及在器件表面(例如，介电材料、金属或者金属氧化物、及半导体材料)和分子前体的表面结合基团之间的附着化学控制碳或者半导体纳米材料的配置；
(b)碳或者半导体纳米材料可沿着与栅极电介质的界面在平版印刷槽中选择性地配置，例如，配置在场效应晶体管中，而没有与预形成的碳或者半导体纳米材料的配置和处理有关的典型问题；
(c)可通过选择催化部位的类型和密度控制形成的碳或者半导体纳米材料的尺寸和密度；和
(d)基底和碳或半导体纳米材料之间的重叠可在器件与器件之间是相同的，降低器件与器件之间在电流上(on-current)的变化性，并且潜在地提供与源极和漏极的更多直接接触。
关于(b)点，本发明的工艺消除了对单独的生长和布置工艺的需求，并且克服了所未解决的在器件中配置大量碳或半导体纳米材料的问题。而且，本发明的工艺避免了所收获的纳米材料潜在有害地暴露于进一步的处理。此外，本发明的工艺可与已知的用于半导体加工的平版印刷法组合。
特别是，本发明的工艺可与在与本申请相同日期提交的并且转让给International Business Machines的标题为“Photosensitive self-assembledmonolayers and uses thereof”的共审未决美国专利申请中描述的光敏分子前体组合使用，在本文中将该申请的全部公开内容引入作为参考。如在其中所述的，取决于存在于分子中的光敏官能度，光敏分子前体可起负性或正性抗蚀剂作用。
在一个实施方式中，在暴露于辐照时，该光敏官能团将该分子前体选择性地裂开(转移用于附着含金属物质的结合基团)。因此，所暴露的分子前体不可再金属化，并且由此起负性抗蚀剂的作用。
在另一个实施方式中，在暴露于辐照时转移该光敏官能团。因此，暴露于辐照的用于附着含金属物质的结合基团对于金属化被活化，由此起正性抗蚀剂的作用。
Figure G2007800172720D00081
化合物A、B、C和D为可用于该工艺的许多不同类型的光敏分子前体的一些实例。所述化合物各自具有表面结合基团；A，Si(OCH3)3；B，PO(OH)2；C，硫醇；和D，异羟肟酸。所述化合物各自具有金属结合基团；A，PO(OH)2；B，吡啶；C，三联吡啶；和D，S(O)2OH。所述化合物各自具有光敏基团；A，硝基苄基；B，苄基醚；C，碳-硫键；和D，琥珀酰亚胺基。化合物B和C具有内光敏基团，并且因此用于附着含金属物质的结合基团在曝光时被转移。化合物A和D具有外光敏基团，并且因此用于附着含金属物质的结合基团在曝光时被活化。
此外，应理解本领域普通技术人员可设计许多光敏分子前体，各前体具有表面结合基团、用于附着含金属物质的结合基团和光敏基团。因此，化合物A到D仅是示例性的，并且因此，该工艺不限于这四种化合物。例如，可根据器件应用和辐照曝光类型设计具体的光敏分子前体。
可在给定基底上由溶液或者气相形成自组装的单层(SAM)。分子前体的特定表面结合基团和特定基底(电介质、半导体或者金属表面)之间的化学相互作用提供了前体在具体表面上的选择性自组装的所需控制。在表面上自组装的已知表面结合基团的一些包括在贵金属(铂、钯和金)和半导体上的硫醇和异腈；在硅上的二烯、在氧化硅上的氯硅烷和烷氧基硅烷；和在金属氧化物表面上的羧酸、异羟肟酸和膦酸。参见A.Ulman，Chem.Rev.96，1533(1996)。有机酸为能与金属氧化物表面例如氧化铝、氧化锆或者二氧化铪结合的含氧酸。示例性的有机酸包括膦酸、异羟肟酸、羧酸和磺酸。
用于附着含金属物质的结合基团用于结合最终提供用于碳或者半导体纳米材料生长的催化部位的含金属物质。这些含金属物质选自金属阳离子、金属化合物、及金属和金属氧化物纳米颗粒。
在一个实施方式中，该工艺使用逐层组装以增加金属含量，并因此增加用于碳或者半导体纳米材料形成的催化部位的密度或者尺寸。例如，对纳米颗粒的尺寸和组成(例如，金属氧化物纳米颗粒中金属的量)的仔细选择可直接影响碳纳米管和半导体纳米线两者的尺寸。可形成为多层的含金属物质的实例包括：
(a)与三联吡啶、膦酸[L.Brousseau和T.Mallouk，Anal Chem.69，679(1997)]、和羧酸[M.Anderson等J.Vac.Sci.Technol.B21，3116，(2003)]官能化的有机配体配位的金属离子；
(b)含有一个或者多个吡啶、或者异腈、配体的金属络合物[C.Lin，C.R.Kagan，J.Am.Chem.Soc.125，336(2002)，M Andsell等Langmuir16，1172(2000)，和C.R.Kagan，C.Lin，见美国专利no.6,646,285]；和
(c)在硫醇官能化分子上的金属纳米颗粒如金纳米颗粒，和在聚乙烯吡咯烷酮上的铁-铂颗粒[S.Sun等J.Am Chem.Soc.124，2884(2002)]。
在附着的分子前体的金属化之后，将器件结构暴露于用于制造纳米材料如碳纳米管或者半导体纳米线的已知反应条件。当分子前体在用于形成碳纳米材料或者半导体纳米材料所必需的升高温度下挥发时，所结合的含金属物质提供用于纳米材料生长的必需的催化部位。
图1(a)到1(f)是该工艺的一个实施方式的图示。图1(a)描述了具有栅极14、栅极电介质12、和金属源极或者漏极10的场效应晶体管。在图1(b)种描述了所选择的分子前体的自组装，该分子前体通过表面结合基团附着到电极上。如所示的那样，分子前体20含有与金属、半导体或者电介质表面选择性结合的表面结合基团(方形，22)。这种表面结合基团包括：
a.与金属和半导体表面(例如Au、Pd、Pt、AuPd、Si、Ge、GaAs、Cu)结合的硫醇；
b.与金属表面结合的异腈；
c.与金属氧化物表面((例如，氧化铝、氧化锆、二氧化铪)结合的膦酸、异羟肟酸、羧酸、磺酸。
d.与氧化硅表面结合的硅烷；和
e.与硅表面结合的二烯。
如所示的那样，分子前体20还包含可在一些情况下促进在基底上分子前体自组装的主体(椭圆形，24)。例如，邻近前体之间的π-叠加或者氢键合可通过分子间相互作用对单层中的分子排列具有显著影响。主体部分可例如含有芳香基团(包括苯环和杂环)，和/或烷基。也可设计具有能够形成氢键的基团的分子前体的主体部分。
主体24还可具有提供膨松性(bulkiness)(以控制表面上分子的密度的基团。越膨松的主体导致在基底表面给定面积上越少量的附着前体，并且因此导致催化剂量的减少。
如所示的那样，分子前体20还包含能够配位金属阳离子、金属络合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒的用于附着含金属物质的结合基团(三角形，26)。这种金属结合基团包括：
a.结合Fe、Co、Ru、Ti、Zr、Mo和W离子，络合物或者纳米颗粒的氮杂环配体如吡啶、联吡啶和三联吡啶；
b.配位Fe的磺酸；
c.配位Au、Pd、Pt的硫醇；和
d.配位Au、Pd、Pt的异腈；
e.结合金属氧化物纳米颗粒的胺
一旦完成前体与表面的附着，则通过将金属阳离子、金属络合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒附着到金属结合基团上而结合前体，图1(c)。将所附着的前体暴露于金属阳离子或者金属化合物的溶液或者金属或金属氧化物纳米颗粒的分散体(矩形，30)，其与前体的金属结合基团配位，由此将金属阳离子或者金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒的层添加到在基底表面上的组装前体。
在金属化后，当分子前体分解，留下必需的催化部位时，纳米材料如碳纳米管或者半导体纳米线从基底表面形成，图1(f)。如果期望催化部位的浓度增加，可将额外的配位配体40附着到与分子前体结合的金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒上。该有机配体可具有结合官能度(圆，42)例如吡啶、异腈、三联吡啶、磺酸等，其配位附着到含金属物质的第一层和随后沉积的含金属物质的第二层上的金属离子或者络合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒。该添加过程可重复许多次以向基底表面添加足够的金属含量，直至获得用于碳纳米材料或者半导体纳米材料生长的期望量的催化剂，图1(d)和1(e)。
一旦获得期望的金属含量，则通常在化学气相沉积条件下将含金属的组装暴露于升高的温度下以生长纳米材料50(如纳米管或纳米线)，图1(f)。在该过程期间，分子组装的有机组分分解，留下用作纳米材料生长的催化部位的无机纳米颗粒。该纳米材料50从该催化部位生长并且可横跨器件的电极10。
图2为本工艺的另一个实施方式的图示。与图1中一样，图2表示具有栅极140、栅极电介质120、和覆盖有相对地非活性层110以提供电极堆的金属源极或者漏极100。如显示的那样，分子前体(如图1中所示)以平行与栅极电介质120的方向选择性地仅附着到电极堆中的电极100的侧壁上。该非活性层110可含有天然氧化物，其将限制稍后在该工艺中暴露于升高的温度时催化金属部位的扩散。
在又一个实施方式中，在下金属电极对于分子前体的表面结合基团为非反应性的情况想，可选择以上覆盖层用于附着分子前体。其结果是悬浮纳米结构的制造。
本发明还涉及形成电子器件结构的方法。该方法包括：提供选自图案化的金属表面、图案化的电介质表面或者图案化的半导体表面的图案化的电子表面。然后将分子前体附着到该图案化的电子表面。该分子前体包含用于附着到该图案化的电子表面上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团。该含金属物质选自金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒络合物，其附着到该金属结合基团上以形成金属化的分子前体。
或者，分子前体的图案化组装可通过将该组装的部分暴露于辐照而形成。在这种情况下，该分子前体将包含光敏基团。在选择性附着到基底上后，将该组装的单层暴露于辐照，产生图案化的组装。然后将该图案化的组装暴露于金属阳离子、金属化合物、或者金属或金属氧化物纳米颗粒，以选择性地配置催化部位和所得的碳纳米材料或者半导体纳米材料。
在又一个实施方式中，可使用单金属电极作为基底表面，并且在形成纳米材料后，可在该表面上图案化另一电极以完成器件结构。或者，形成器件的有源区域的两个金属电极可对于分子前体的表面结合基团具有不同的化学反应性。结果，仅在器件中的电极之一上发生催化剂的选择性组装和随后的纳米材料的生长。
虽然上述实施方式描述了碳纳米材料或者半导体纳米材料在电极表面上的选择性生长，但是本领域普通技术人员应理解，可通过选择性地配置分子组装而在图案化的金属、电介质、或者半导体表面上生长碳纳米材料或者半导体纳米材料。这可如下实现：通过图案化具有金属氧化物和二氧化硅的下层电介质表面并且使用仅在两个表面之一上组装的分子前体，通过使用印模(stamp)印制(put down)图案化的单层，或者通过用由光刻法或者使用嵌段共聚物模板制备的平版印刷掩模沉积分子组装。
制造碳或者半导体纳米材料
已有许多涉及生长碳纳米管的研究。例如，H.Dai，Acc.Chem.Res.35，1035(2002)描述了一种这样的方法。类似地，已有许多涉及生长半导体纳米材料的研究。例如，C.M.Lieber，MRS Bull.July，286(2003)描述了一种这样的方法。本领域普通技术人员可使用在本申请中所描述的配置催化部位的工艺然后使用在这两篇技术文献中所描述的方法生长纳米材料而生长碳纳米管或者半导体纳米材料(例如纳米线)。
申请人提供了下列实施例，其有助于描述本发明的工艺。本说明书和实施例意在被认为仅是示例性的，并且本发明的真实范围和精神由所附权利要求书所指明。
实施例1：
具有10nm热生长氧化硅的重度n+掺杂的硅晶片图案化有由
Figure G2007800172720D00121
Ti和随后的
Figure G2007800172720D00122
Pd组成的电极。将该图案化的基底暴露于在50:50甲苯:乙醇中的1mM巯基三联吡啶18小时时间，产生在Pd表面上巯基三联吡啶的组装。该样品在清洁的50:50甲苯:乙醇中充分漂洗，并且暴露于在乙醇中的5mM FeCl3类似的18小时时间。样品在清洁的乙醇中漂洗并在氮气流下干燥。
实施例2：
具有10nm热生长氧化硅的重度n+掺杂的硅晶片图案化有由
Figure G2007800172720D00123
Ti和随后的
Figure G2007800172720D00124
Pd组成的电极。将该图案化的基底暴露于在50:50甲苯:乙醇中的1mM巯基三联吡啶18小时时间，产生在Pd表面上巯基三联吡啶的组装。该样品在清洁的50:50甲苯:乙醇中充分漂洗，并且暴露于在己烷中的氧化铁纳米颗粒分散体18小时时间。样品在清洁的己烷中漂洗并在氮气流下干燥。
实施例3：
具有10nm热生长氧化硅的重度n+掺杂的硅晶片图案化有由
Figure G2007800172720D00131
Ti和随后的
Figure G2007800172720D00132
Pd组成的电极。将该图案化的基底暴露于在乙醇中的1mM氨基乙硫醇18小时时间，产生在Pd表面上氨基乙烷醇的组装。该样品用清洁的乙醇充分漂洗，并且暴露于在己烷中的氧化铁纳米颗粒分散体18小时时间。该样品在清洁的己烷中漂洗并在氮气流下干燥。
实施例4：
具有10nm热生长氧化硅的重度n+掺杂的硅晶片图案化有由
Figure G2007800172720D0013125322QIETU
Ti、50
Figure G2007800172720D00134
Pd和
Figure G2007800172720D00135
Al组成的电极堆。将该图案化的基底暴露于在50:50甲苯：乙醇中的1mM巯基三联吡啶18小时时间。Ti和Al表面形成随后对于巯基三联吡啶为非反应性的天然表面氧化物，产生在金属堆的暴露Pd侧壁上巯基三联吡啶的选择性组装。该样品在清洁的50:50甲苯:乙醇中充分漂洗，并且暴露于在乙醇中的5mM FeCl318小时时间。该样品在清洁的乙醇中漂洗并在氮气流下干燥。
实施例5：
具有10nm热生长氧化硅的重度n+掺杂的硅晶片图案化有由
Figure G2007800172720D00136
Ti、50Pd和
Figure G2007800172720D00138
Al组成的电极堆。将该图案化的基底暴露于在乙醇中的1mM氨基乙硫醇18小时时间。Ti和Al表面形成随后对于氨基乙硫醇为非反应性的天然表面氧化物，产生在金属堆的暴露Pd侧壁上氨基乙硫醇的选择性组装。该样品在清洁的乙醇中充分漂洗，并且暴露于在己烷中的氧化铁纳米颗粒分散体18小时时间。该样品在清洁的己烷中漂洗并在氮气流下干燥。
实施例6：
将实施例1-5的沉积结构各自置于1-英寸直径的石英管反应器中的石英舟上用于碳纳米管的CVD生长。在Ar中5％H2的流动(速率～2700sccm)下，将该管反应器加热到870℃。碳纳米管通过如下形成:鼓入在Ar中5％H2的气体混合物通过冷却至0℃的一瓶乙醇，并且在870℃下让该气体混合物在样品上流过7分钟。然后让反应器在流动的Ar下冷却至室温。
图3为使用实施例1的FeCl3的沉积催化部位的生长的碳纳米管的扫描电子显微照片。同样地，图4为使用实施例4的FeCl3的沉积催化部位的生长的碳纳米管的扫描电子显微照片。在实施例4的覆盖电极中，当将催化部位限于Pd侧壁时，生长的纳米管的总数大大降低。
前述描述说明和描述了本公开内容。此外，该公开内容仅呈现和描述本公开内容的优选实施方式，但是如上所示，应理解与以上教导和/或相关领域的技能或者知识相应的，其能够在本文中所表达的概念的范围内变化和改进。因此，本描述不意图将本发明限制为本文中所公开的形式。

Claims (27)

1.形成碳纳米材料或者半导体纳米材料的方法，包括：
提供基底和将分子前体附着到该基底上，其中所述分子前体包含用于附着到该基底上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团；
将该用于附着含金属物质的结合基团，与选自金属阳离子、金属化合物、金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质络合以形成金属化的分子前体；和
加热该金属化的分子前体以提供催化部位，该碳纳米材料或半导体纳米材料从该催化部位形成。
2.权利要求1的方法，其中该分子前体进一步包含排列在该表面结合基团和该用于附着含金属物质的结合基团之间的主体部分，其中该主体部分提供与邻近附着的分子前体的足够分子间相互作用以形成分子单层。
3.权利要求1的方法，其中该表面结合基团选自硫醇、异腈、有机酸、硅烷或二烯的一种。
4.权利要求1的方法，其中该表面结合基团选自氯硅烷或者烷氧基硅烷，并且该基底包括硅。
5.权利要求1的方法，其中该表面结合基团为硫醇，并且该基底包括选自金、钯、铂和铜的一种或者多种金属，或者该表面结合基团为硫醇，并且该基底为选自硅、锗或者砷化镓的半导体材料。
6.权利要求1的方法，其中该用于附着含金属物质的结合基团选自氮杂环、有机酸、硫醇和异腈。
7.权利要求1的方法，其中该金属阳离子、该金属化合物、该金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒含有选自铁、钴、镍、钯、铂、铑、钌、钛、锆和金的金属。
8.权利要求1的方法，进一步包括将配位有机配体附着到该金属化的分子前体上和将额外的含金属物质附着到该配位有机配体。
9.权利要求1的方法，其中该金属化的分子前体的加热在适合于该碳纳米材料或者半导体纳米材料的化学气相沉积的条件下进行。
10.权利要求1的方法，其中该基底为图案化的金属、图案化的金属氧化物或者图案化的电介质。
11.权利要求1的方法，其中该分子前体进一步包含光敏基团，其在暴露与辐照时从该用于附着含金属物质的结合基团转移，由此使该分子前体对含金属物质活化。
12.权利要求1的方法，其中该表面结合基团为有机酸，并且该基底包括金属氧化物表面。
13.权利要求1的方法，其中该分子前体进一步包含排列在该表面结合基团和该用于附着含金属物质的结合基团之间的主体部分，其中该主体部分包含光敏基团，其引起该用于附着含金属物质的结合基团从该分子前体转移，由此使该分子前体对于金属化钝化。
14.制造晶体管的方法，包括：
在栅极电介质或者基底上提供第一电极和第二电极；
将分子前体附着到该第一电极、该第二电极或者该第一和该第二电极两者上，其中该分子前体含有用于附着到至少一个电极上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团；
将该用于附着含金属物质的结合基团与选自金属阳离子、金属化合物、金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质络合，以形成金属化的分子前体；和
加热该金属化的分子前体以提供催化部位，碳纳米材料或者半导体纳米材料从该催化部位形成。
15.权利要求14的方法，其中该第一电极和该第二电极为不同的材料，使得该分子前体基本上附着到该第一电极上，如果有也很少附着到该第二电极上，且络合主要发生在与附着到该第一电极上的该分子前体有关的用于金属附着的结合基团处。
16.权利要求14的方法，其中该第一电极和该第二电极覆盖有非反应性层，使得该分子前体基本上附着在电极的侧壁处，并且在络合和加热后，该形成的碳纳米材料或者半导体纳米材料沿着栅极电介质或者基底的表面延伸。
17.权利要求14的方法，进一步包括将配位有机配体附着到该金属化的分子前体上和将额外的含金属物质附着到该配位有机配体上。
18.权利要求14的方法，进一步包括在该第一电极和该第二电极之间提供平版印刷槽以容许该碳纳米材料或者半导体纳米材料基本上形成在该两个电极之间。
19.制造晶体管的方法，包括：
在栅极电介质或者基底上提供至少两段非反应性层；
在该至少两段非反应性层的各自上提供第一电极和第二电极；
将分子前体附着到该第一电极、该第二电极或者该第一和该第二电极两者上，其中该分子前体包含用于附着到至少一个电极上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团；
将该用于附着含金属物质的结合基团与选自金属阳离子、金属化合物、金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质络合，以形成金属化的分子前体；和
加热该金属化的分子前体以在该栅极电介质或者该基底的上方提供催化部位，碳纳米材料或者半导体纳米材料从该催化部位形成。
20.权利要求19的方法，其中该第一电极和该第二电极为不同的材料，使得该分子前体基本上附着到该第一电极上，如果有也很少附着到该第二电极上，且络合主要发生在与附着到该第一电极上的该分子前体有关的用于金属附着的结合基团处。
21.权利要求19的方法，其中该第一电极和该第二电极覆盖有非反应性层使得该分子前体基本上附着在该电极的至少一个的侧壁处。
22.形成电子器件结构的方法，包括：
提供选自图案化的金属表面、图案化的电介质表面或者图案化的半导体表面的图案化的电子表面；
将分子前体附着到该图案化的电子表面，其中该分子前体包含用于附着到该图案化的电子表面上的表面结合基团和用于附着含金属物质的结合基团；
将该用于附着含金属物质的结合基团与选自金属阳离子、金属化合物、金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒的含金属物质络合以形成金属化的分子前体；和
加热该金属化的分子前体以在该图案化的电子表面提供催化部位，碳纳米材料或者半导体纳米从该催化部位形成。
23.权利要求22的方法，其中该表面结合基团选自氯硅烷、烷氧基硅烷，并且该图案化的电子表面包括硅。
24.权利要求22的方法，其中该表面结合基团为有机酸，并且该基底包括金属氧化物表面。
25.权利要求22的方法，其中该表面结合基团为硫醇，并且该图案化的电子表面包括选自金、钯、铂和铜的一种或者多种金属，或者该表面结合基团为硫醇，并且该图案化的电子表面为选自硅、锗或者砷化镓的半导体材料。
26.权利要求1的方法，其中该表面结合基团为二烯，并且该基底包括硅。
27.权利要求22的方法，其中该表面结合基团为二烯，并且该图案化的电子表面包括硅。
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