CN111655366A - 碳纳米管晶体片材 - Google Patents

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Abstract

薄膜带电为极性。使溶液中的碳纳米管(CNT)的表面获取所述极性的电荷。所述溶液通过所述薄膜过滤。所述极性的所述薄膜与所述极性的所述CNT之间的电磁排斥使所述CNT自发排列以形成晶体结构。

Description

碳纳米管晶体片材
技术领域
本发明总体上涉及一种碳纳米管的制造装置，以及用于所述制造的方法和设备。更具体地，本发明涉及碳纳米管的晶体片材，以及用于制造碳纳米管的晶体片材的方法和设备。
背景技术
在说明性实施例的范围内-
(a)碳纳米管(CNT)：是指基本上完全由碳原子形成的单壁中空开口圆柱形圆管状结构。
(b)片材(Film)：指的是片状结构，其厚度与其表面积相比可忽略不计。例如，与1平方英寸的表面积相比，厚度可以为30-300纳米(nm)的量级。
(c)结晶CNT(CCNT)，CNT的晶体结构：是指以这样的方式排列的CNT：使得在CNT膜的横截面中，所述单独的CNT的中心形成周期性排列(晶格)。例如，所述CNT可以布置成六边形格子，在这种情况下，任何3个最近的CNT的所述中心将形成等边三角形。
(d)结晶CNT片材(CCF)：由CNT形成的片材，其中更多的CNT处于结晶排列。基于验证方法的CCF定义如图4所示，并在后面进行介绍。
碳纳米管具有几种非凡的物理性能，并且在电子、光学和材料工程中具有广泛的应用。CNT是所有材料中载流量最高的导体之一，它们还是最坚固的材料之一，抗拉强度比钢高约100倍。
CNT在光学中也有许多应用，特别是考虑到碳纳米管激子的能量在红外电信范围内。碳纳米管在能源科学领域也有许多前瞻性应用，包括超级电容器、光伏和电池。
碳纳米管的某些应用依赖于隔离碳纳米管并将其作为个体并入电子或光学装置中。然而。其他应用涉及厚或薄的片材中的大量碳纳米管。通常，这些纳米管膜是无序的，即，其中CNT未以任何特定布置来布置。以前，除了碳纳米管的无序片材之外，还制造了碳纳米管的结晶绳。然而，所述绳索尺寸很小(直径＜50nm)，所述绳索本身的放置也很混乱。
此外，绳索在结构上与片材实质上不同。所述片材的表面积类似于所述绳索的所述横截面，所述片材的所述厚度类似于所述绳索的长度，并且相对于绳索结构的所述表面积而言，所述厚度不再像用于片材结构那样可忽略不计。
所述说明性实施例认识到将所述碳纳米管排列成单晶体对于许多应用将是期望的。CCF是本文考虑的有序CNT的单块晶体的实例。例如，对于电子产品，六边形排序的CCF将具有最高可能的纳米管密度，因此具有最高的载流量。作为另一示例，对于光学应用，这种高密度的纳米管将导致更强的光学活性。对于依赖碳纳米管发光的应用来说，较强的光学活性可以转化为更亮的发射，而对需要碳纳米管具有强烈的chi-3光学非线性的光学应用而言，所述较强的光学活性可以转化为更强的非线性。对于机械应用，预期所述纳米管晶体片材比无序纳米管的片材更强。
说明性实施例描述了有序的CNT的单晶体的结构，例如，本文描述的CCF，以及制造它们的方法。说明性实施例提供一种形成晶体碳纳米管的均匀致密片材的方法。通过说明性实施例产生的CCF可以使用所描述的方法容易地缩放至晶片尺寸的片材。这种晶片尺寸的片材在使用合适的基底材料的晶片的半导体和/或金属片材制造中特别有用。
此外，所述说明性实施例的方法产生多晶片材，即，包括多个晶畴的片材。实验表明该方法能够产生多晶畴(polycrystalline domains)，其中每个晶畴大约为25nmx25nm，并且观察到100个或更多CNT的晶畴。换句话说，已经发现在实验中观察到的晶格具有重复的三角结构，该六边形晶格形成具有约25nm×25nm的晶畴尺寸的六边形晶格。晶格常数约为1.6nm。实验生产的CCF的总直径为1英寸，厚度可从30nm调整到300nm。注意，在说明性实施例的考虑范围内，晶畴是多个晶体结构的集合，其中两个或更多个晶体结构共享一个或更多个纳米管。
发明内容
所述示意性实施例提供了一种方法、设备和制品。一个实施例包括将薄膜带电至极性的方法。该实施例使溶液中的碳纳米管(CNT)的表面获得极性的电荷。该实施例通过所述薄膜过滤所述溶液，其中所述极性的薄膜与所述极性的CNT之间的电磁排斥使所述CNT自发排列以形成晶体结构。因此，该实施例产生了碳纳米管的晶体片材。
另一个实施例进一步作为所述过滤的一部分辅助所述溶液通过所述薄膜过滤，所述辅助包括向所述薄膜的一侧施加压力。因此，所述实施例提供了用于生产碳纳米管的晶体片材的辅助方法。
在另一个实施例中，所述压力是在所述薄膜的滤液侧上的负压。因此，该实施例有助于使用特定类型的压力来生产碳纳米管的晶体片材。
在另一个实施例中，所述压力是在所述薄膜的溶液侧上的正压。因此，该实施例有助于使用特定类型的压力来生产碳纳米管的晶体片材。
另一个实施例进一步将所述薄膜暴露于等离子体，其中所述等离子体使所述薄膜带负电荷，并且其中所述溶液中的所述CNT也带负电荷。因此，该实施例通过使所述纳米管在所述薄膜上排列来生产所述晶体片材。
在另一个实施例中，将包含所述CNT的粉末与所述液体介质和表面活性剂混合以形成所述溶液，其中所述表面活性剂的分子具有所述极性的电荷，并且其中所述表面活性剂的分子粘附至CNT赋予所述CNT电荷极性。因此，该实施例通过使所述纳米管获得有助于使所述纳米管在所述膜上对准的电特性来产生所述晶体片材。
在另一个实施例中，所述CNT是单壁碳纳米管。因此，该实施例产生特定类型的碳纳米管的所述晶体片材。
在另一个实施例中，所述膜对所述溶液的液体介质是多孔的，但是对于所述CNT是不可渗透的。因此，该实施例使用特定类型的薄膜来生产所述晶体片材。
在另一个实施例中，所述晶体结构是CNT的多晶结构的一部分，其中所述CNT的多晶结构形成晶体碳纳米管片材(CCF)。因此，该实施例产生了碳纳米管的多晶片材。
在另一个实施例中，所述晶体结构包含至少三个CNT其圆柱轴线排列成等边三角形。因此，该实施例产生了碳纳米管的多晶片材，其中所述纳米管将它们自身组织成特定的晶体结构。
一个实施例在转移表面上放置含有晶体碳纳米管片材(CCF)的薄膜，隔离介质介于所述CCF和所述转移表面之间。该实施方式去除了所述分离介质。该实施方式去除了所述薄膜。该实施例使CCF退火，其中所述退火从所述CCF中去除表面活性剂分子并将所述CCF结合至所述转移表面。因此，实施例准备了用于半导体和/或金属片材制造的CCF。
另一个实施例在所述退火之前将变性剂施加至所述CCF，所述变性改变了所述CCF中所述表面活性剂分子的电荷。因此，该实施例纯化了所述CCF以用于所述制造。
作为所述退火的一部分，另一实施例进一步将具有所述CCF的传递表面加热到腔室内的温度，同时保持所述腔室内的真空度。因此，实施例将所述CCF结合到晶片上以用于制造。
另一个实施例进一步向所述薄膜施加压力，以将所述分离介质均匀地分布在所述CCF和所述转移表面之间。因此，所述实施例提供了将所述CCF结合到所述晶片上以用于所述制造的特定方式。
另一个实施例还应用了干燥剂，其中，所述分离介质包括水，并且其中，所述干燥剂通过干燥所述水来去除所述分离介质。该实施例使用所述干燥剂干燥所述薄膜。因此，该实施例准备了要去除的所述薄膜。
另一个实施例进一步施加溶剂，所述溶剂溶解所述薄膜作为除去所述薄膜的一部分。因此，该实施例去除了所述薄膜仅留下所述CCF用于制造。
附图说明
被认为是本发明特征的新颖特征在所附权利要求中提出。然而，结合附图阅读以下说明性实施例的详细描述，将最好地理解本发明本身以及其优选的使用方式、其他目的和优点，其中：
图1示出了根据说明性实施例的用于制造碳纳米管的晶体片材的示例性简化设备的框图；
图2描绘了根据说明性实施例的用于制造碳纳米管的晶体片材的另一示例简化装置的框图；
图3描绘了根据说明性实施例的CCF的示例形成；
图4描绘了根据说明性实施例的用于确认给定片材中的晶体结构的丰度的验证方法；
图5描绘了根据说明性实施例形成的CCF的横截面的显微图像；
图6描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的步骤的框图；
图7描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的另一步骤的框图；
图8描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的另一步骤的框图；
图9描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的另一步骤的框图；
图10描绘了根据说明性实施例的用于制造CCF的示例过程的流程图；以及
图11描绘了根据说明性实施例的在半导体和/或金属片材制造中使用CCF的示例过程的流程图。
具体实施方式
用于描述本发明的说明性实施例总体上处理并解决了上述需求以及与制造碳纳米管的晶体片材有关的其他问题。所述说明性实施例提供了碳纳米管的晶体片材，以及制造碳纳米管的所述晶体片材的方法和设备。
实施例包括本文描述的CCF。另一个实施例包括一种制造本文描述的CCF的方法。另一个实施例描述了一种制造本文描述的CCF的设备。另一个实施例描述了在半导体和/或金属片材制造过程中使用CCF的方法。
实施例的方法可以被实现为软件应用，其被配置为操作如本文所述的CCF制造设备。可以将实现实施例的软件应用配置为对现有晶片生产系统的修改，与现有晶片生产系统结合操作的独立应用、独立应用或其某种组合。
为了描述的清楚，并且不意味着对其进行任何限制，使用简化的实验室规模的设备描述了说明性实施例。根据该公开内容，本领域普通技术人员将能够将针对该实验室规模的设备和该设备描述的方法按比例扩大至商业制造能力，而不会脱离示例性实施例的范围。
为了描述的清楚，并且不意味着对其进行任何限制，使用简化的实验室适用的工艺步骤来描述说明性实施例。根据该公开，本领域普通技术人员将能够针对商业制造应用优化，调整或调整所描述的处理步骤，并且在所述示例性实施例的范围内可以想到这种调整。
为了描述的清楚，并且不暗示于此，在各种处理步骤中使用示例材料描述了说明性实施例。根据该公开，本领域的普通技术人员将能够出于与实施例的处理步骤中所描述的类似目的而用功能上等效的材料来改变或替代所描述的材料。这样的替换被认为在说明性实施例的范围内。
此外，在附图和说明性实施例中使用示例结构、元件和装置的简化图。在提出的CCF的实际制造或使用中，在不脱离示例性实施例的范围的情况下，可以存在本文未示出或描述的另外的结构，或与本文示出和描述的那些不同的结构。
示例结构、层和构造的二维图中的不同阴影部分旨在表示示例制造中的不同结构、层和构造，如本文所述。在适用的情况下，可以使用本领域普通技术人员已知属于本文所述的同一类材料的合适材料来制造所述不同的结构、层和构造。
除非明确地将这样的特征描述为实施例的特征，否则本文所描绘的形状的特定形状、定位、位置或尺寸并不旨在限制所述说明性实施例。仅出于附图和描述的清楚的目的选择所述形状、定位、位置、尺寸或其某种组合，并且可能已经将其放大、缩小或以其他方式从可能的实际形状、定位、位置或尺寸进行了更改以便为了实现根据所述说明性实施例的目的用于实际光刻。
当在应用中实施时，实施例使半导体和/或金属片材的制造过程执行本文所述的某些步骤。在几幅图中描绘了制造过程的步骤。在特定的制造过程中，并非所有步骤都是必需的。在不脱离说明性实施例的范围的情况下，一些制造过程可以以不同的顺序实施步骤、组合某些步骤、移除或替换某些步骤或执行这些步骤和其他步骤的某种组合。
本文描述的实施例的CCF包括材料科学的实质性进步。目前尚不存在形成CCF并使CCF准备好用于如本文所述的基于晶片的制造过程中的方式。因此，通过形成一种新材料，即CCF，材料科学取得了实质性的进步。通过所描述的将CCF转移到转移表面例如晶片上的方法，实现了半导体和/或金属片材制造技术的实质性进步。
关于某些类型的设备、定时、压力值、速度、尺寸、温度、角度、百分比、物质、结构、构造、层、取向、方向、步骤、操作、平面、材料描述了说明性实施例、数字、系统、环境、组件和应用程序仅作为示例。这些和其他类似制品的任何特定表现形式都不旨在限制本发明。可以在说明性实施例的范围内选择这些和其他类似伪像的任何合适的表现。
本公开中的示例仅用于描述的清楚，并且不限于所述说明性实施例。根据本公开，可以想到其他的结构、操作、动作、任务、活动和操纵，并且在说明性实施例的范围内可以想到这些。
本文列出的任何优点仅是示例，并且不旨在限制说明性实施例。通过特定的说明性实施例可以实现附加的或不同的优点。此外，特定的说明性实施例可以具有上面列出的优点中的一些、全部或完全不具备。
参考图1，该图描绘了根据说明性实施例的用于制造碳纳米管的晶体片材的示例性简化装置的框图。设备100包括容器102，所述容器102中容纳有CNT功率的溶液104和合适的介质。
注意溶液104可以是易于最终分离所述粉末和所述介质的胶体溶液。在一个实施例中，CNT粉末是单壁，主要是半导体纳米管的粉末，其平均直径为约1.41nm。在一个实施例中，在其中混合了所述粉末以形成溶液104的介质是水和合适的表面活性剂的溶液，所述表面活性剂例如但不限于十二烷基苯磺酸钠。期望从溶液104中去除任何大的纳米管束和无定形碳。为了这种移除，可以将溶液104离心以从溶液104中分离这些和其他大/重颗粒物质。
所述说明性实施例已经认识到介质中的表面活性剂引入电极性分子，即，整体上是电中性的，但在一侧具有正电荷而在另一侧具有负电荷的分子。所述表面活性剂分子以合适的方式与所述粉末中的CNT结合或以其他方式缔合。因此，所述CNT的所述表面带电。在所述表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠的示例情况下，负电荷与溶液104中的所述CNT的表面缔合。通常，溶液104的任何组件，所述组件能够粘附到所述CNT上并向所述CNT上赋予电荷，可以适用于溶液104。
过滤器106是对溶液104的液体但对CNT不渗透的薄膜。换句话说，过滤器106被设计成阻挡颗粒尺寸可与CNT尺寸相比的颗粒。在一个非限制性示例中，过滤器106具有0.05微米(μm)孔径，诸如用Whatman Nuclepore的0.05微米孔径的径迹蚀刻聚碳酸酯亲水薄膜。
一个实施例使薄膜106带电荷。在一个非限制性示例情况下，薄膜106暴露于空气等离子体，该空气等离子体将负电荷赋予薄膜106。重要的是要注意，赋予薄膜106的电荷应与所述表面活性剂赋予CNT的电荷具有相同的极性。如果溶液104中的所述CNT带负电，则薄膜106也应带负电。如果所述溶液104中的CNT带正电，则薄膜106也应带正电。
所述碳纳米管和薄膜106的电荷的相同极性创建所述CNT和隔膜之间互斥的电磁力106。所述互斥力允许所述CNT相对于彼此以及相对于膜106移动，使得当溶液104通过薄膜106过滤时，所述CNT在所述已描述的晶格和更大的多晶结构中自发对准。
薄膜106可以通过任何合适的机构例如支撑件108保持在适当位置。支撑件108或其他合适的结构将过滤器106保持在从装置100的所述溶液侧到所述滤液侧的流动中。容器102形成设备100的所述溶液侧。诸如与容器112耦合的漏斗塞组件110之类的滤液捕获机构形成设备100的所述滤液侧。
通过薄膜106，溶液104的所述过滤应该以允许所述CNT如本文所述移动和对准的机会的节奏进行。在一种非限制性情况下，以这样的方式设定所述过滤速度使得仅靠重力辅助过滤的速度是所述过滤的阈值速度，期望的过滤速度稍微但不显著高于所述阈值，例如，在所述阈值速度的百分之十的公差带内。在一个示例情况下，所述过滤速度设置为每小时0.8毫升。
在一个实施例中，通过在装置100的所述滤液侧的容器112中施加负压(即部分真空)来实现所述期望的过滤速度。例如，真空泵114可以与容器112联接以期望的速度通过膜106抽吸滤液116。
所述过滤速度是大气压、密度高度、溶液104的温度、环境温度以及所施加的负压或正压的因素。当在所述滤液侧将负压作为真空施加时，可以适当考虑其他影响所述过滤速度的变量来调节所述真空度以调节所述过滤速度。
参考图2，该图描绘了根据说明性实施例的用于制造碳纳米管的晶体片材的另一示例简化装置的框图。在设备200中，容器102、溶液104、膜106、支撑件108和组件110全部以图1中的设备100的方式布置和操作。
在一个实施例中，通过在设备200的所述溶液侧施加正压来实现所述期望的过滤速度。例如，用经过计算的数值的正压力对容器102加压，以使溶液104以期望的过滤速率穿过薄膜106。压力泵214可以与容器102联接以施加所述正压力。
过滤速度是大气压、密度高度、溶液104的温度、环境温度以及所施加的负压或正压的因素。当在所述滤液侧施加正压作为真空时，可以适当考虑其他影响所述过滤速度的变量来调节所述压力以调节所述过滤速度。
仅出于描述清楚的目的，并且不意味着对其进行任何限制，随后的描述和附图假定图1中带负电荷的CNT、带负电荷的薄膜和真空抽滤过程。
在一实施例中，在过滤过程中改变所述真空压力。例如，最初作为第一步，可以在例如5-6小时的第一时间段内将所述真空压力设置在低阈值(例如2-3托)以下。如此低的真空度导致所述过滤发生的速度很慢，例如每200秒1滴。在此期间缓慢的过滤导致薄的CNT晶体片材。经过第一步的时间后，由于最初形成的薄晶体片材，所述薄膜看起来很暗。在第二步骤中，然后将所述真空压力增加到第二阈值，例如8Torr，持续第二时间段。在此第二个时间段中，所述溶液以每90秒1滴的速率通过所述薄膜。为了避免在所述溶液的最终量通过所述薄膜时长时间的表面张力破坏所述薄膜，在所述溶液即将用完之前的第三时间段，将所述真空压力增加到高阈值，例如大约1000托。最后，将所述薄膜在所述高阈值压力下干燥。
仅出于描述清楚的目的，并且不暗示对说明性实施例的任何限制，假定真空不变，以避免分散所描述的其他特征。根据本公开，本领域普通技术人员将能够与其他描述的步骤组合地调节正压或负压，并且这样的组合被认为在说明性实施例的范围内。
参照图3，此图描绘了根据说明性实施例的CCF的示例形成。视图300是膜302和在其上形成的CNT的多晶畴片材304的顶视图。视图301是薄膜302和片材304的截面图。
在图1中薄膜302是薄膜106的一个例子。薄膜302以与溶液的CNT相关的极性相同的极性充电。由于所述过滤过程，片材304被沉积在薄膜320的所述溶液侧。如在简化的代表性视图300中所见，薄膜304中的所述CNT通常在方向306上对准(由膜304中的所述平行线表示)。
视图301显示所述CNT排列在一个或多个晶畴308中，每个晶畴308包含多个CNT。此外，如本文所述，晶畴308中的所述CNT被组织在三角形晶格310中。晶畴308可以或可以不与另一个晶畴308连接，即，两个晶畴可以或可以不共享公共CNT。不同的晶畴308可以以晶格310形式包括不同数量的CNT。晶畴内的CNT是有序的，即根据晶格310排列，然而，一个晶畴308中的所述CNT不需要相对于另一晶畴308中的所述CNT排序，即，不需要相对于彼此被组织为晶格310。
参考图4，该图描绘了根据说明性实施例的用于确认给定膜中的晶体结构的丰度(abundance)的验证方法。如本文所述，CNT片材可以具有以晶体结构或晶格组织的CNT，或者可以相对于彼此随机地定位。薄膜可包含比随机取向的CNT多的晶畴，或比晶畴更多的随机取向CNT。具有比随机取向的CNT更多的晶畴的薄膜被认为是CCF，并且关于该图描述的验证过程确定薄膜是否为CCF。
实验设置给定的膜用于X射线衍射成像。实验中使用了掠入射(grazingincidence)X射线衍射(XRD)方法来表征所述对准的CNT阵列的结晶度。所述掠入射模式在测量片材时特别有效。在实验中观察到低角度衍射，该角度与来自所述CNT晶格的晶格常数>1nm有关(与来自包含CNT的所述碳晶格的所述更高角度衍射相反)。
假定所述片材是CCF，其中所述晶体结构在一个方向上排列，正如在晶体排列中碳纳米管所期望的那样。在实验中，使X射线束从垂直于所述片材平面的角度θ入射到所述片材上。如果所述给定的片材是CCF，如曲线图402，在大约2θ＝5.8在相对于所述x射线束的所述片材的至少一个方向在所反射的X射线信号中观察到一个强峰。
如果所述给定的片材不是CCF，则所述随机取向的CNT导致反射图不显示任何明显的峰，如曲线图404所示。此外，曲线图404中缺少明显的峰在所述片材相对于所述X射线束的任何取向上基本保持不变。
所述的2θ值对应与所述对齐的纳米管阵列的所述晶格间距。当所述片材是CCF时，在所述片材的几乎整个样品区域上都观察到了所述强烈的峰值信号，这表明纳米管在所述片材区域的很大一部分上都具有晶体取向，并且具有均匀的结晶度。
曲线图中的峰值是所述曲线图的斜率在所述曲线图的区域内从负斜率到正斜率再回到负斜率的变化。一个或多个斜率的所述变化越突然，所述峰越明显或越强，反之亦然。
曲线图404可以被认为是基线曲线图，相对于该曲线图可以测量其他曲线图中的所述峰值，以检测给定片材中纳米管的晶体排列的存在。对于所述片材的基本上所有区域，在所述曲线图402中仅在单个2θ值处存在峰值将定性所述片材为CCF。相反，当所述片材不是CCF，较小的峰值可以在多个2θ值出现，并且与在曲线图402中的峰值相比不那么明显。当片材完全包含碳纳米管的非晶结构或所述片材的绝大部分包含碳纳米管的非晶结构时，所述片材不是CCF。
参考图5，该图描绘了根据说明性实施例形成的CCF的横截面的显微图像。图像502是CCF的透射电子显微镜(TEM)图像。以六边形晶体结构排列的所述纳米管的圆形横截面，并且在图像502中可见单个晶畴。图像502的所述晶体结构中的相邻纳米管之间的所述六边形间隔约为1.61±0.04nm。
图像504是CCF的区域的TEM衍射图。图像504中衍射峰的所述周期性六边形排列是电子从物体的六边形晶格衍射的特征。所述衍射峰的间隔与在图像502中直接测量的1.61nm的晶格常数一致。
参考图6，该图描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的步骤的框图。CCF602是在图3中的CCF304的一个例子，其中，所述CNT仍粘有所述带电的表面活性剂分子。
转移表面604是合适的晶片衬底材料的表面。例如，衬底604可以是但不限于硅和蓝宝石，两者都可以以晶片形式用于制造。取决于衬底的材料，晶片的一些预处理可能是有用的。例如，可以对电极进行图案化，或者可以通过缓冲的氢氟酸去除天然氧化物。
转移表面604是在其表面上CCF304被层叠、沉积或从薄膜中转移，例如从图3的薄膜302中。为了转移片材602，将诸如水的液体介质606放置在转移表面604上。注意，仅一滴水就足以在晶片上形成一层薄的水片材。薄膜608，其是图3中的薄膜302的例子，然后将其置于液体涂覆的转移表面上使得CCF602与液体606接触。
尽管在配置600中未示出，但是合适的机构可以向薄膜608施加压力，以在CCF602下置换或均匀分配液体606。例如，可以将载玻片或玻璃片放置在薄膜608上并压紧以引起分布或位移。
参考图7，该图描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的另一步骤的框图。干燥剂702应用于构造600。干燥剂702可以是加热或其他合适的干燥剂。例如，在一个实验中，将氮气用作干燥剂702以干燥构造600。
所述干燥步骤从构造600去除液体606，并且还使膜608变干燥。所述干燥步骤导致构造700。
参考图8，该图描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的另一步骤的框图。溶剂802被应用于配置700。溶剂802可以是能够溶解薄膜608而不会不利地影响CCF602的、任何合适的材料。例如，在一个实验中，氯仿被用作溶剂802以溶解薄膜608。
所述溶解步骤从构造700移除膜608。所述溶解步骤导致配置800。
参考图9，该图描绘了根据说明性实施例的用于将CCF转移到晶片的示例过程中的另一步骤的框图。从CCF602层中除去所述表面活性剂。任选地将合适的变性剂902施加至配置800以使表面活性剂变性和/或从先前步骤中除去任何聚合物残余物。硝酸是变性剂902的一个非限制性实例。
然后通过将退火操作904应用于配置800从CCF602去除表面活性剂。一个非限制性的进行退火的方法904是在10-7托(Torr)下、在真空炉中加热配置800(选择的变性之后)至500℃一段时间(例如2小时)。所得的CCF906基本不合表面活性剂分子，并键合至所述晶片的转移表面604。现在已经准备好具有最终配置900的所述CCF分层晶片，以用于进一步的特定于设备的制造。
参考图10，该图描绘了根据说明性实施例的用于制造CCF的示例过程的流程图。可以分别使用图1或2中的设备100或200来实现过程1000。
使用粉末状的CNT在合适的液体和表面活性剂中形成溶液(框1002)。适当尺寸的薄膜被充入与所述溶液中充有的所述CNT-表面活性剂组合相同极性的电荷(框1004)。布置设备以使用带电的薄膜和压力过滤所述溶液(框1006)。所述溶液以适当的过滤速率辅助通过所述带电的薄膜(框1008)。可选地，如本文所述可以在所述过滤期间以一个或多个步骤调节所述压力辅助器(框1010)。工艺1000在该薄膜上沉积一层CNT和表面活性剂分子片材，然后终止。
参考图11，该图描绘了根据说明性实施例的在半导体和/或金属片材制造中使用CCF的示例过程的流程图。使用关于图6-9描述的晶片来实现过程1100。
准备所述晶片的表面作为所述转移表面以接收所述CCF(方框1102)。施加诸如水的液体以在所述CCF和所述转移表面之间形成中间片材(框1104)。将图3的薄膜-片材组合物放置在所述转移表面上，以使所述CCF接触所述液体片材(框1106)。
可选地，向所述薄膜施加压力以置换液体片材或使液体片材均匀地分布在所述CCF下方(框1108)。干燥所述薄膜，并且也使用合适的干燥剂干燥所述CCF和所述转移表面之间的任何残留液体(框1110)。使用合适的溶剂溶解所述薄膜(方框1112)。使所述CCF中的所述表面活性剂变性(框1114)。所述剩余的CCF基本上仅包含结晶碳纳米管。
将所述剩余的CCF退火至所述转移表面(框1116)。此后该过程结束。
尽管以某些结构描述了某些步骤和过程，但是应当理解，在说明性实施例的范围内，这些步骤和/或过程可以适于实现本文描述的结果。尽管某些材料用于多层或结构中，但是应理解，在说明性实施例的范围内，在本文所述的任何层处，可以使用替代材料或不同但功能上等效的材料代替所描述的材料。尽管已经在某些步骤处使用了某些方法，但是应当理解，可以在所描述的方法中省略、添加或修改步骤，以在说明性实施例的范围内实现功能上相似的结果。尽管某些操作被描述为“步骤”，但是在本文所述的过程中，可以将若干操作组合在一起以形成单个步骤。尽管参考所提出的装置的示例性垂直定向将某些定向称为“顶部”和“底部”，但是应当理解，该装置可以侧向重新定向，使得顶部和底部变为左/右或右/左、或下和上、或前/后或后/前，视情况而定。
因此，在说明性实施例中提供了CCF，其制造方法以及在半导体和/或金属片材的制造中使用所述CCF的方法。在针对材料的类型描述实施例或其一部分的情况下，制造方法、系统或装置、软件实现或其一部分可适于或可配置为与该材料的不同表现形式一起使用。
本发明可以是材料、设备、方法和/或在集成的任何可能的技术细节水平的计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括其上具有用于使处理器执行本发明的方面的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质。一种计算机可读存储介质，包括但不限于计算机可读存储设备如本文所用，不应被理解为本身是瞬时信号，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，通过光缆的光脉冲)或通过电线传输的电信号。
本文所述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者可以经由网络(例如，互联网、局域网、广域网)下载到外部计算机或外部存储设备、区域网络和/或无线网络。

Claims (25)

1.一种方法，包括：
使薄膜带电至极性；
使溶液中的碳纳米管(CNT)的表面获取所述极性的电荷；
过滤通过所述薄膜的所述溶液，其中所述极性的所述薄膜与所述极性的所述CNT之间的电磁排斥使所述CNT自发排列以形成晶体结构。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
作为所述过滤的一部分，辅助所述溶液通过所述薄膜过滤，所述辅助包括向所述膜的一侧施加压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述压力是在所述薄膜的滤液侧上的负压。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述压力是在所述薄膜的溶液侧上的正压。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述薄膜暴露于等离子体中，其中所述等离子体将负电荷赋予所述薄膜，并且其中所述溶液中的所述CNT也带负电荷。
6.根据权利要求1的方法，其中将包含所述CNT的粉末与所述液体介质和表面活性剂混合以形成所述溶液，其中所述表面活性剂的分子具有所述极性的电荷，并且其中所述表面活性剂的分子粘附至CNT从而赋予所述CNT的所述电荷极性。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CNT是单壁碳纳米管。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄膜对所述溶液的液体介质是多孔的，但是对于所述CNT是不可渗透的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶体结构是CNT的多晶体结构的一部分，其中，所述CNT的多晶体结构形成晶体碳纳米管片材(CCF)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶体结构包括至少三个CNT，所述CNT的圆柱轴布置成等边三角形。
11.一种方法，包括：
在转移表面上放置含有晶体碳纳米管片材(CCF)的薄膜，在所述CCF和所述转移表面之间插入分离介质；
去除所述分离介质；
去除所述薄膜；
使所述CCF退火，其中所述退火从所述CCF中去除表面活性剂分子并将所述CCF结合至所述转移表面。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述退火之前将变性剂施加到所述CCF上，所述变性改变了所述CCF中所述表面活性剂分子的电荷。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：
作为所述退火的一部分，在保持腔室内真空度的同时，将所述转移表面连同所述CCF加热至所述腔室内的温度。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
在所述薄膜上施加压力，使所述分离介质均匀地分布在所述CCF和所述转移表面之间。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
施加干燥剂，其中所述分离介质包含水，并且其中所述干燥剂通过干燥所述水除去所述分离介质；以及
使用所述干燥剂干燥所述薄膜。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
施加溶剂，所述溶剂溶解所述薄膜是除去所述薄膜的一部分。
17.一种用于制造晶体碳纳米管片材(CCF)的设备，包括：
具有极性电荷的薄膜；
在包含碳纳米管(CNT)的溶液中，所述溶液中的所述CNT获得所述极性的电荷；
用于通过所述薄膜过滤所述溶液的过滤机构，其中所述极性的所述薄膜与所述极性的所述CNT之间的电磁排斥使所述CNT自发地排列成晶体结构。
18.根据权利要求17所述的设备，还包括：
辅助机构，辅助通过所述薄膜过滤所述溶液，所述辅助机构向所述薄膜的一侧施加压力。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述辅助机构在所述薄膜的滤液侧上施加负压。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，所述辅助机构在所述薄膜的溶液侧上施加正压。
21.根据权利要求17所述的设备，还包括：
氧等离子体，其中所述氧等离子体向所述薄膜赋予负电荷，并且其中所述溶液中的所述CNT也通过表面活性剂带负电荷。
22.一种设备，包括：
放置部件，用于在转移表面上放置包含晶体碳纳米管片材(CCF)的薄膜，分离介质插入在所述CCF和所述转移表面之间；
第一去除剂施加器用以去除分离介质分离介质；
第二去除剂施加器以去除所述薄膜；
用于对所述CCF进行退火的腔室，其中所述退火从所述CCF中去除表面活性剂分子并将所述CCF结合至所述转移表面。
23.根据权利要求22所述的设备，还包括：
变性剂施加器，所述变性剂改变所述CCF中所述表面活性剂分子的电荷。
24.一种制品，包括：
碳纳米管(CNT)片材，其中所述CNT在所述片材中以晶体结构排列，其中所述晶体结构包括至少三个其圆柱轴以等边三角形排列的CNT，其中所述晶体结构是晶畴的一部分，其中多个畴形成CNT的多晶结构，其中所述CNT的多晶体结构形成晶体碳纳米管片材(CCF)。
25.根据权利要求24所述的制品，还包括：
衬底材料的晶片，其中所述CCF结合到所述晶片的转移表面。
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