DE10132787A1

DE10132787A1 - Katalysatormaterial, Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung

Info

Publication number: DE10132787A1
Application number: DE10132787A
Authority: DE
Inventors: Franz Kreupl; Andrew Graham
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-30
Also published as: WO2003004155A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Katalysatormaterial, eine Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung. Das Katalysatormaterial zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Katalysatormaterial weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt und Kohlenstoff auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Katalysatormaterial, eine Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung.
Die herkömmliche Silizium-Mikroelektronik wird bei weiter voranschreitender Verkleinerung an ihre Grenzen stoßen. Insbesondere die Entwicklung zunehmend kleinerer und dichter angeordneter Transistoren von mittlerweile mehreren hundert Millionen Transistoren pro Chip wird in den nächsten zehn Jahren prinzipiellen physikalischen Problemen und Begrenzungen ausgesetzt sein. Wenn Strukturabmessungen von 80 Nanometern unterschritten werden, werden die Bauelemente durch Quanteneffekte störend beeinflusst und unterhalb von Dimensionen von etwa 30 Nanometern dominiert. Auch führt die zunehmende Integrationsdichte der Bauelemente auf einem Chip zu einem dramatischen Anstieg der Abwärme.
Als eine mögliche Nachfolgetechnik der herkömmlichen Halbleiterelektronik sind Kohlenstoffnanoröhren bekannt. Eine Übersicht über diese Technologie gibt beispielsweise [1]. Eine Nanoröhre ist eine einwandige oder mehrwandige, röhrenartige Kohlenstoffverbindung. Bei mehrwandigen Nanoröhren ist mindestens eine innere Nanoröhre von einer äußeren Nanoröhre koaxial umgeben. Einwandige Nanoröhren weisen typisch Durchmesser von ungefähr einem Nanometer auf, die Länge einer Nanoröhre kann mehrere hundert Nanometer betragen. Die Enden einer Nanoröhre sind häufig mit jeweils einem halben Fullerenmolekülteil abgeschlossen.
Das ausgedehnte π-Elektronensystem und die geometrische Struktur von Nanoröhren bewirken eine gute elektrische Leitfähigkeit, weshalb Nanoröhren geeignet für den Aufbau von Schaltkreisen mit Dimensionen im Nanometerbereich sind. Aus [2] ist bekannt, dass die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren die von Metallen gleicher Abmessung deutlich übersteigen kann.
Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von Nanoröhren sowie aufgrund der Einstellbarkeit dieser Leitfähigkeit (beispielsweise durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes oder durch Dotieren der Nanoröhren mit Bornitrid) eignen sich Nanoröhren für eine große Anzahl von Anwendungen, beispielsweise für die elektrische Verbindungstechnik in integrierten Schaltkreisen, für Bauelemente in der Mikroelektronik sowie als Elektronenemitter.
Für die Verwendung von Nanoröhren in der Mikroelektronik ist es oftmals wünschenswert, die Nanoröhren an bestimmten Orten eines Substrats definiert aufzubringen. Beispielsweise können Nanoröhren als elektrische Leiter verwendet werden, um zwei voneinander elektrisch getrennte Leiterebenen eines Mikroschaltungselements zu koppeln. Hierfür ist erforderlich, dass Nanoröhren nur dort aufgewachsen werden, wo eine entsprechende elektrische Kopplung angestrebt wird, wohingegen die anderen Bereiche des Substrates frei von Nanoröhren bleiben sollen, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist bekannt, ein das Wachstum von Nanoröhren katalysierendes Material, beispielsweise Eisen, auf ein Substrat aufzubringen, wobei auf dem katalytisch aktiven Material Nanoröhren aufgewachsen werden.
Aus [3] ist ein Verfahren zum Herstellen von großflächigen, strukturierten Kohlenstoffnanoröhren-Anordnungen bekannt. Das Herstellungsverfahren basiert auf dem CVD-Verfahren ("Chemical Vapour Deposition"), wobei als katalytisch aktives Material Eisen-Material in einer Dicke von 10-100 Angström aufgebracht wird. Um eine strukturierte Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren zu erreichen, wird der Katalysatorfilm mit einem geeigneten Fotolithografie- und Ätzverfahren behandelt. Mittels Einleiten von Azetylen in einen Verfahrensraum wird das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren in Gang gesetzt. Gemäß dem in [3] beschriebenen Verfahren ist das Substrat während des Aufwachsprozesses der Nanoröhren auf einer Temperatur von ungefähr 700°C zu halten. Diese hohe Verfahrenstemperatur von ungefähr 700°C ist nachteilhaft. Auch ist nachteilhaft, dass die verfahrensgemäß hergestellten Nanoröhren nur eine mäßige Qualität aufweisen, d. h. Fehlerstellen aufweisen können, oft nicht geradlinig sind und keinen hohen Ordnungsgrad aufweisen.
In [4] ist ein Verfahren zum Herstellen einzelner und freistehender mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren auf einer Katalysatormaterial-Schicht aus Nickel beschrieben, wobei die Nickel-Schicht unter Verwendung des Elektronenstrahlverdampfungs-Verfahrens ("Electron Beam Evaporation") abgesetzt wird. Unter Verwendung des plasmaunterstützten CVD-Verfahrens ("Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition", PECVD) wird dann unter Einleiten von Azetylen bei einer Verfahrenstemperatur von annähernd 660°C das Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren in Gang gesetzt. Auch gemäß dem in [4] beschriebenen Verfahren ist eine relativ hohe Temperatur von ungefähr 660°C beim Aufwachsen der Nanoröhren erforderlich. Auch ist die Qualität der verfahrensgemäß erhaltenen Nanoröhren mäßig. Ferner ist verfahrensgemäß ein Aufwachsen auf elektrisch leitfähigen Unterlagen nicht möglich, wenn eine hinreichend gute Qualität der Kohlenstoffnanoröhren erreicht werden soll. Dies erschwert die Ankoppelbarkeit der Nanoröhren an eine herkömmliche Silizium-Mikroelektronik.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Katalysatormaterial mit einer verbesserten Ankoppelbarkeit an Kohlenstoffnanoröhren zu schaffen.
Das Problem wird durch ein Katalysatormaterial, eine Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße Katalysatormaterial zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Katalysatormaterial weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, und Kohlenstoff auf.
Mit dem mindestens einen weiteren Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, ist ein Material bezeichnet, das alleine, d. h. monokomponentig, das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalysiert. Beispielsweise kann dies ein aus dem Stand der Technik bekannter monokomponentiger Katalysator wie Nickel sein.
Das weitere Material ist vorzugsweise eines der Materialien Chrom, Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium. Vorzugsweise ist das Katalysatormaterial eine Legierung in der Zusammensetzung Fe_xCr_yC_zNi_1-x-y-z vorliegend, wobei x ≥ 0,335, 0,09 ≤ y ≤ 0,27, 0,04 ≤ z ≤ 0,12 und 0,035 ≤ 1-x-y-z ≤ 0,105. Vorzugsweise ist die Zusammensetzung des Katalysatormaterials Fe_0,67Cr_0,18C_0,08Ni_0,07, d. h. das Katalysatormaterial ist vorzugsweise aus 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7 Atomprozenten Nickel zusammengesetzt.
Mit dem erfindungsgemäßen Katalysatormaterial zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Katalysatormaterial ist ein preiswertes und leicht verfügbares Material bereitgestellt, das hoch wirksam als Katalysator zum Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren wirkt. Die Einzelkomponenten des Katalysatormaterials - Eisen, Kohlenstoff und mindestens ein weiteres, für das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch wirkendes Material wie Chrom, Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium - sind allesamt kommerziell erhältlich und kostengünstig.
Wie oben ausgeführt, kommt es nicht darauf auf, die Einzelkomponenten des Katalysatormaterials der Erfindung in stöchiometrisch exakter Konzentration bereitzustellen. Wenngleich die Zusammensetzung mit 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7 Atomprozenten Nickel besonders gute Katalysatoreigenschaften liefert, können die Beiträge der Einzelkomponenten ungefähr 50% um die angegebenen Werte variieren, ohne dass die guten Katalysatoreigenschaften des Materials dadurch verloren gingen. Die Einzelbeiträge der Komponenten können also über einen breiten Bereich streuen. Daher ist bei der Mischung der Einzelkomponenten keine erhöhte Sorgfalt erforderlich, was eine kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysatormaterials ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung weist ein Substrat, eine auf mindestens einem Teil des Substrats aufgebrachte Zwischenschicht und eine Katalysatormaterial- Schicht zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht auf. Die Katalysatormaterial-Schicht weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt und Kohlenstoff auf, und die Katalysatormaterial-Schicht ist auf mindestens einem Teil der Zwischenschicht angeordnet.
Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung, welche das erfindungsgemäße Katalysatormaterial aufweist, näher beschrieben. Ausgestaltungen des Katalysatormaterials gelten auch für die Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung.
Vorzugsweise ist die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Die Zwischenschicht kann insbesondere aus einem oder einer Kombination der Materialien Silizium, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Tantal, Tantalnitrid, Titan und Titannitrid hergestellt sein. Daher kann die Zwischenschicht entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Silizium, Tantal, Tantalnitrid, Titan oder Titannitrid hergestellt sein. Die Zwischenschicht kann ferner aus einem elektrisch isolierenden Material wie Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid hergestellt sein.
Erfindungsgemäß ist es also ermöglicht, Nanoröhren auch auf elektrisch leitfähigen Unterlagen herzustellen. Mit anderen Worten ist mit der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung die Möglichkeit geschaffen, das Katalysatormaterial auf einer elektrisch leitfähigen Schicht aufzubringen und darauf Kohlenstoffnanoröhren aufwachsen zu lassen. Wie oben ausgeführt, ist dies gemäß dem Stand der Technik nicht möglich. Alternativ ist es allerdings auch möglich, bei der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung die Zwischenschicht aus einem elektrisch isolierenden Material herzustellen. Daher ist die Unterlage der Katalysatorschicht flexibel auf die Bedürfnisse des Einzelfalles einstellbar, weshalb die Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung für viele Anwendungen geeignet ist. Es ist jedoch zu betonen, dass insbesondere die Möglichkeit, eine Katalysatorschicht zum Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren auf einer elektrisch leitfähigen Unterlage aufbringen zu können, vielfältige Anwendungsmöglichkeiten der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung eröffnet. Wie oben erläutert, kommen Kohlenstoffnanoröhren für molekularelektronische Anwendungen in Betracht. Beispielsweise können Kohlenstoffnanoröhren als elektrische Leiter, Sensorelemente oder Schaltelemente mit Dimensionen im Nanometerbereich verwendet werden. Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren als molekularelektronische Bauelemente setzt allerdings voraus, dass die Kohlenstoffnanoröhren elektrisch an eine herkömmliche Silizium-Mikroelektronik ankoppelbar sind, wobei dann durch eine angeschlossene Silizium-Mikroelektronik die Nanoröhren ansteuerbar bzw. auslesbar sind. Dies setzt wiederum einen elektrischen Kontakt zwischen der Mikroelektronik und den Nanoröhren voraus. Das erfindungsgemäß realisierte Aufwachsen von Nanoröhren auf Katalysatorschichten, die auf elektrisch leitfähigen Unterlagen angeordnet sind, ist ein Fortschritt hinsichtlich des angestrebten Ziels der Ankoppelung der Kohlenstoffnanoröhren-Technologie an die herkömmliche Silizium-Mikroelektronik.
Im Weiteren wird das Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung beschrieben, welches auf das erfindungsgemäße Katalysatormaterial Bezug nimmt. Ausgestaltungen des Katalysatormaterials gelten auch für das Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung wird auf mindestens einen Teil eines Substrats eine Zwischenschicht aufgebracht, und eine Katalysatormaterial-Schicht zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht wird auf mindestens einen Teil der Zwischenschicht aufgebracht. Die aufgebrachte Katalysatormaterial-Schicht weist Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, und Kohlenstoff auf. In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht aufgewachsen.
Die Zwischenschicht wird vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. So kann die Zwischenschicht aus einem oder einer Kombination der Materialien Silizium, Tantal, Tantalnitrid, Titan und/oder Titannitrid hergestellt werden. Alternativ kann die Zwischenschicht allerdings auch aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt werden.
Auch bei dem Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung kann das weitere Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, Chrom, Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium sein. Auch ist die Zusammensetzung Fe_xCr_yC_zNi_1-x-y-z besonders vorteilhaft, wenn x ≥ 0,335, 0,09 ≤ y ≤ 0,27, 0,04 ≤ z ≤ 0,12 und 0,035 ≤ 1-x-y-z ≤ 0,105 ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zusammensetzung Fe_0,67Cr_0,18C_0,08Ni_0,07.
Die Katalysatormaterial-Schicht wird beispielsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht.
Wird erfindungsgemäß die Katalysatorschicht auf die Zwischenschicht mittels Molekularstrahlepitaxie aufgebracht, so werden bei dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren mehrere einzelkomponentige Materialquellen verwendet, wobei die Einzelmaterialien der Materialquellen dann auf der Oberfläche der Zwischenschicht mischen, sodass eine Schicht des erfindungsgemäßen Katalysatormaterials auf der Oberfläche der Zwischenschicht abgeschieden wird. Die einzelkomponentigen Materialquellen sind derart eingerichtet, dass das auf der Zwischenschicht abgeschiedene Katalysatormaterial die gewünschten Atomprozente von Eisen, von Kohlenstoff und des mindestens einen weiteren Materials, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, aufweist.
Alternativ kann die Katalysatormaterial-Schicht auf die Zwischenschicht mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht werden. Wird diese Option gewählt, so erfolgt die Sputter-Abscheidung von einem Sputter-Target aus, das die Komponenten der Katalysatormaterial-Schicht in den richtigen Mengen enthält. Dabei kommt ein Vorteil der Erfindung zum Tragen, dass nicht eine stöchiometrisch exakte Zusammensetzung der Einzelkomponenten erforderlich ist, sondern dass die Einzelbeiträge der Elemente der Katalysatormaterial-Schicht in einem breiten Bereich von ungefähr ±50% streuen können, wobei die sehr guten Katalysatoreigenschaften des Katalysatormaterials in dem gesamten beschriebenen Bereich erhalten bleiben.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht aufgewachsen, wobei die Abscheidung der Kohlenstoffnanoröhren vorzugsweise aus der Gasphase, d. h. unter Verwendung des CVD- Verfahrens ("Chemical Vapour Deposition") erfolgt.
Das Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht kann beispielsweise realisiert werden, indem eines oder eine Kombination der Materialien Acetylen, Methan, Ethen und/oder Aceton in die Verfahrenskammer eingeleitet wird/werden. Zuvor wird vorzugsweise die Zwischenschicht unter einer Wasserstoffatmosphäre ungefähr 5 Minuten lang auf ungefähr 600°C erhitzt. Die Wasserstoffatmosphäre und das Heizen fördern die Ausbildung von katalytisch aktiven Partikeln auf der Oberfläche der Zwischenschicht bzw. entfernen eine möglicherweise auf der Oberfläche der Katalysatorschicht befindliche Oxidschicht. Das eigentliche Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatorschicht kann dann bei Temperaturen von deutlich weniger als 600°C, beispielsweise bei 500°C, realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung weist eine Reihe von Vorteilen auf. So sind beispielsweise die Verfahrenstemperaturen beim Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren gegenüber dem Stand der Technik herabgesetzt. Darüber hinaus werden bei der Herstellung einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Kohlenstoffnanoröhren einer sehr hohen Qualität ausgebildet. Die aufgewachsenen Nanoröhren weisen nur wenige Fehlerstellen auf, wachsen geradlinig auf der Katalysatormaterial-Schicht auf, und es sind einwandige Nanoröhren herstellbar. Ein hoher Grad struktureller Definiertheit von aufgewachsenen Nanoröhren ist eine entscheidende Voraussetzung dafür, dass Nanoröhren an eine herkömmliche Silizium-Mikroelektronik ankoppelbar sind. Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung, dass bezüglich der Wahl und der Zusammensetzung der Materialien ein hoher Grad an Flexibilität besteht. Sowohl die Zusammensetzung als auch die Art der Materialien können so gewählt werden, dass dies für eine bestimmte Anwendung günstig ist. Auch muss die genaue Zusammensetzung der Materialien nicht exakt gewählt werden, vielmehr können die Atomprozente in einem breiten Bereich von ungefähr ±50% streuen. Daher ist eine kostengünstige Herstellung möglich. Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung, dass das Verfahren einfache Standardprozessschritte aufweist, die auf standardisierten Maschinen ausgeführt werden können, wie sie in vielen halbleitertechnologischen Labors und Fabriken zur Verfügung stehen. Es ist damit entbehrlich, teure Maschinen und/oder Verfahren zu entwickeln. Auch ist nochmals zu betonen, dass die Katalysatormaterial-Schicht auf einer Zwischenschicht aufgebracht werden kann, die wahlweise aus einem elektrisch isolierenden oder einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt werden kann. Insbesondere die Option, die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material auszubilden, ermöglicht eine elektrische Ankoppelung der Nanoröhren beispielsweise an eine herkömmliches Silizium-Mikroelektronik. Ferner ist der oben angesprochene hohe Grad an Flexibilität bezüglich der Materialien nicht auf die Materialien der Katalysatormaterial-Schicht beschränkt. Auch hinsichtlich der Materialien für die Zwischenschicht und der Materialien als Kohlenstoffquelle zum Aufwachsen der Nanoröhren besteht weitgehend Dispositionsfreiheit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2A eine Querschnittsansicht einer Schichtanordnung zu einem ersten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung,
Fig. 2B eine Querschnittsansicht einer Schichtanordnung zu einem zweiten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung,
Fig. 2C eine Querschnittsansicht einer Schichtanordnung zu einem dritten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird im Weiteren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung beschrieben. Die in Fig. 1 gezeigte Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 100 weist ein Substrat 101, eine auf mindestens einem Teil des Substrats 101 aufgebrachte Zwischenschicht 102 und eine Katalysatorschicht 103 zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht 103 auf, wobei die Katalysatormaterial-Schicht 103 Eisen zu 67 Atomprozenten, Chrom zu 18 Atomprozenten, Kohlenstoff zu 8 Atomprozenten und Nickel zu 7 Atomprozenten aufweist. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Katalysatormaterial-Schicht 103 auf einem Teil der Zwischenschicht 102 angeordnet.
Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung ist das Substrat 101 ein Silizium-Wafer. Die Zwischenschicht 102 ist aus dem elektrisch leitfähigen Material Tantal hergestellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Katalysatormaterialschicht 103 auf der Zwischenschicht 102 angeordnet und weist vier Teilabschnitte auf.
Ferner sind in Fig. 1 Kohlenstoffnanoröhren 104 gezeigt, die auf der Oberfläche der Katalysatormaterialschicht 103 aufgewachsen sind. Da Kohlenstoffnanoröhren 104 bevorzugt auf katalytisch aktiven Materialien aufwachsen, sind die Kohlenstoffnanoröhren 104 bezugnehmend auf Fig. 1 ausschließlich auf denjenigen Oberflächenbereichen der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 100 aufgewachsen, die mit der Katalysatormaterial-Schicht 103 bedeckt sind. Dagegen sind auf denjenigen Oberflächenbereichen der Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 100, die nicht mit der Katalysatormaterial-Schicht 103 bedeckt sind, sondern auf denen die Zwischenschicht 102 bereichsweise freiliegt, nicht mit Kohlenstoffnanoröhren 104 bedeckt. Durch die beschriebene Eigenschaft von Kohlenstoffnanoröhren 104, selektiv auf bestimmten katalytisch aktiven Materialien aufzuwachsen, ist es erfindungsgemäß ermöglicht, eine Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung 100 mit einem hohen Grad an struktureller Definiertheit der Kohlenstoffnanoröhren 104 zu erhalten. Die Kohlenstoffnanoröhren 104 sind einwandig und sind im Wesentlichen geradlinig aus der Oberfläche der Katalysatormaterial-Schicht 103 herausgewachsen.
Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf Fig. 2A, Fig. 2B, Fig. 2C ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung der Erfindung beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt wird auf mindestens einem Teil eines Silizium-Wafers als Substrats 201 eine Aluminiumoxid-Schicht als Zwischenschicht 202 aufgebracht.
Dadurch wird die in Fig. 2A gezeigte Schichtanordnung 200 erhalten.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine Katalysatormaterial-Schicht 203 zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht 203 auf mindestens einem Teil der Zwischenschicht 202 aufgebracht, wobei die Katalysatormaterial-Schicht 203 Eisen, mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt, und Kohlenstoff aufweist.
Nach diesem zweiten Verfahrensschritt wird die Schichtanordnung 204 erhalten, die in Fig. 2B gezeigt ist. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung ist die Katalysatormaterial- Schicht 203 mit drei Teilabschnitten auf der Zwischenschicht 202 aufgebracht. Der beschriebene Verfahrensabschnitt weist in der praktischen Realisierung üblicherweise mehrere Teilschritte auf.
In einem ersten Teilschritt wird gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung eine durchgehende Schicht aus Katalysatormaterial auf der Oberfläche der Zwischenschicht 202 aufgebracht. Die Katalysatormaterial-Schicht 203 weist die Zusammensetzung Fe_0,67Cr_0,18C_0,08Ni_0,07 auf, d. h. die Katalysatormaterial-Schicht 203 ist aus 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7 Atomprozenten Nickel hergestellt. Das Katalysatormaterial der beschriebenen Zusammensetzung wird auf die Oberfläche der Zwischenschicht 202 unter Verwendung des Molekularstrahlepitaxie-Verfahrens (MBE) aufgebracht. Bei dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren wird in einer Verfahrenskammer das mit einer Schicht zu bedeckende Substrat erhitzt, um gegebenenfalls auf der Oberfläche des Substrats befindliche Oxidfilme zu entfernen. Das auf der Substratoberfläche abzuscheidende Material bzw. die auf der Substratoberfläche abzuscheidenden Materialien werden bei dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren durch einen auf eine Materialquelle gerichteten Elektronenstrahl verdampft und schlagen sich auf der Oberfläche des erhitzten Substrats nieder. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung wird eine vierkomponentige Katalysatorschicht Fe_0,67Cr_0,18C_0,08Ni_0,07 auf der Oberfläche der aus Aluminiumoxid hergestellten Zwischenschicht 202 auf dem Substrat 201 aufgebracht. Dies wird erfindungsgemäß realisiert, indem das Molekularstrahlepitaxie-Verfahren mit vier einzelkomponentigen Materialquellen (Eisen, Chrom, Kohlenstoff, Nickel) durchgeführt wird. Dazu werden in einer Verfahrenskammer vier Materialquellen, von denen die erste aus Eisen-Material hergestellt ist, von denen die zweite aus Chrom-Material hergestellt ist, von denen die dritte aus Kohlenstoff-Material hergestellt ist und von denen die vierte aus Nickel-Material hergestellt ist, im Hochvakuum jeweils mit einem Elektronenstrahl bestrahlt. Dadurch verdampfen von den Oberflächen der vier beschriebenen Materialquellen unabhängig voneinander Atome des jeweiligen Materials. Diese Atome der vier Materialien schlagen sich auf der Oberfläche des beheizten, mit einer Zwischenschicht 202 aus Aluminiumoxid bedeckten Substrats 201 nieder. Mit anderen Worten mischen die vier Einzelkomponenten in einer einstellbaren Zusammensetzung auf der Oberfläche der Zwischenschicht 202, um darauf eine durchgehende Schicht aus dem erfindungsgemäßen Katalysatormaterial auszubilden.
Alternativ zum Molekularstrahlepitaxie-Verfahren könnte die durchgehende Schicht aus dem Katalysatormaterial auf der auf dem Substrat 201 befindlichen Zwischenschicht 202 aus Aluminiumoxid unter Verwendung des Sputter-Verfahrens (Kathodenzerstäubung) abgeschieden werden. Bei dem Sputter- Verfahren schlagen stark beschleunigte Ionen aus einem Sputter-Target, welches das abzuscheidende Material enthält, Atome oder Moleküle heraus. Diese Moleküle lagern sich auf der Oberfläche des mit der Zwischenschicht 202 bedeckten Substrats 201 an. Zum Abtragen des Materials von dem Sputter- Target werden Ionen (beispielsweise durch eine Gas-Entladung generierte Argon-Ionen) in einem elektrischen Feld auf das Sputter-Target hin beschleunigt. Die beschleunigten Argon- Ionen übertragen ihre Energie durch Stöße auf das Target- Material und setzen dabei Material frei. Somit wird die Target-Schicht zerstäubt und das freigesetzte Material schlägt sich auf dem mit der Zwischenschicht 202 bedeckten Substrat 201 nieder. Um erfindungsgemäß eine angestrebte Zusammensetzung der Katalysatormaterial-Schicht 203 auf der Zwischenschicht 202 zu realisieren, wird bei der Verwendung des Kathodenzerstäubungs-Verfahrens ein Sputter-Target verwendet, das die Komponenten der Katalysatormaterial- Schicht 203 in den richtigen Mengen enthält. Um eine Katalysatormaterial-Schicht Fe_0,67Cr_0,18C_0,08Ni_0,07 zu erhalten, wird als Sputter-Target ein Target mit 67 Atomprozenten Eisen, 18 Atomprozenten Chrom, 8 Atomprozenten Kohlenstoff und 7 Atomprozenten Nickel verwendet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die angegebenen Werte in einem breiten Bereich ±50% streuen können, d. h. für die katalytische Wirkung der Katalysatormaterial-Schicht ist es nicht erforderlich, die einzelnen Komponenten in den exakt richtigen Mengen zu mischen.
Nach Durchführen des ersten Teilschrittes des auf die Schicht-Anordnung 204 (siehe Fig. 2B) führenden zweiten Verfahrensabschnitts, bei dem auf der Oberfläche der Zwischenschicht 202 eine durchgehende Schicht des Katalysatormaterials durch Molekularstrahlepitaxie oder Kathodenzerstäubung abgeschieden worden ist, ist die durchgehende Katalysatormaterial-Schicht zu strukturieren, um die in Fig. 2B gezeigte Schichtanordnung 204 zu erhalten. Das Strukturieren der zuvor durchgehenden Katalysatormaterial- Schicht derart, dass, wie in Fig. 2B gezeigt, drei Oberflächenabschnitte der Zwischenschicht 202 mit der Katalysatormaterial-Schicht 203 bedeckt sind, erfolgt gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung durch Verwendung eines geeigneten Lithografie- und Ätzverfahrens. Dadurch wird die in Fig. 2B gezeigte Schichtanordnung 204 erhalten.
In einem dritten Verfahrensabschnitt werden Kohlenstoffnanoröhren 205 auf der Katalysatormaterial-Schicht 203 aufgewachsen.
Dadurch wird die in Fig. 2C gezeigte Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung 206 erhalten. Gemäß der in Fig. 2C gezeigten Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 206 werden auf jeden der drei Teilbereiche der Katalysatormaterial-Schicht 203 Kohlenstoffnanoröhren 205 aufgewachsen. Auch der dritte Verfahrensabschnitt weist mehrere Teilabschnitte auf. In einem ersten Teilabschnitt wird das Substrat 201 mit der darauf angeordneten Zwischenschicht 202 und der darauf angeordneten Katalysatormaterial-Schicht 203 für ungefähr fünf Minuten in Wasserstoffdurchfluss auf ca. 600°C erhitzt. Dadurch wird u. a. eine gegebenenfalls auf der Oberfläche der Schichtanordnung 204 befindliche Oxidschicht entfernt. In einem weiteren Teilschritt wird dann in einen CVD- Verfahrensraum Acetylen (C₂H₂) als Kohlenstoffquelle gasförmig eingeleitet, um das Aufwachsen der Kohlenstoffnanoröhren 205 auf der Katalysatormaterial-Schicht 203 in Gang zu setzen. Dies wird unter Verwendung des Gasphasenepitaxie-Verfahrens, das auch als CVD-Verfahren ("Chemical Vapour Deposition") bezeichnet wird, realisiert. Aufgrund der in der Verfahrenskammer herrschenden Temperatur von weniger als 600°C (beispielsweise 500°C) wird das in die Verfahrenskammer eingeleitete Azetylengas thermisch zersetzt und in seine Einzelkomponenten zerlegt. Das in dem Azetylengas enthaltene Kohlenstoffmaterial schlägt sich dann auf der Oberfläche der Schichtanordnung 204 nieder, und zwar bevorzugt auf denjenigen Oberflächenbereichen der Schichtanordnung 204, die mit der Katalysatormaterial-Schicht 203 bedeckt sind. Dadurch wachsen Kohlenstoffnanoröhren 205 auf der Katalysatormaterial-Schicht 203 auf.
Auf die beschriebene Weise wird die in Fig. 2C gezeigte Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung 206 erhalten, die im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung 100 entspricht.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] Harris, PJF (1999) "Carbon Nanotubes and Related Structures - New Materials for the Twenty-first Century.", Cambridge University Press, Cambridge. pp. 1 to 15, 111 to 155
[2] Dekker, C et al. (1999) "Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires", Physics Today 5/99: 22-28
[3] Xu, X et al. (1999) "A method for fabricating large-area, patterned, carbon nanotube field emitters" Applied Physics Letters 74(17): 2549-2551
[4] Ren, ZF et al. (1999) "Growth of a single freestanding multiwall carbon nanotube on each nanonickel dot" Applied Physics Letters 75(8): 1086-1088 Bezugszeichenliste 100 Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung
101 Substrat
102 Zwischenschicht
103 Katalysatormaterial-Schicht
104 Kohlenstoffnanoröhren
200 Schicht-Anordnung
201 Substrat
202 Zwischenschicht
203 Katalysatormaterial-Schicht
204 Schicht-Anordnung
205 Kohlenstoffnanoröhren
206 Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung

Claims

1. Katalysatormaterial zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Katalysatormaterial
mit Eisen;
mit mindestens einem weiteren Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt; und
mit Kohlenstoff.

2. Katalysatormaterial nach Anspruch 1, bei dem das weitere Material eines der folgenden Materialien ist:
Chrom
Nickel
Cobalt
Platin oder
Palladium.

3. Katalysatormaterial nach Anspruch 1 oder 2 mit der Zusammensetzung Fe_xCr_yC_zNi_1-x-y-z, wobei
x ≥ 0,335;
0,09 ≤ y ≤ 0,27;
0,04 ≤ z ≤ 0,12;
0,035 ≤ 1-x-y-z ≤ 0,105.

4. Katalysatormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Zusammensetzung Fe_0,67Cr_0,18C_0,08Ni_0,07.

5. Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung mit
einem Substrat;
einer auf mindestens einem Teil des Substrats aufgebrachten Zwischenschicht;
einer Katalysatormaterial-Schicht zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht, wobei die Katalysatormaterial-Schicht
Eisen;
mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt; und
Kohlenstoff aufweist;
und wobei die Katalysatormaterial-Schicht auf mindestens einem Teil der Zwischenschicht angeordnet ist.

6. Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist.

7. Kohlenstoffnanoröhren-Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Zwischenschicht aus einem oder einer Kombination der Materialien
Silizium
Siliziumdioxid
Aluminiumoxid
Tantal
Tantalnitrid
Titan und
Titannitrid
hergestellt ist.

8. Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoffnanoröhren- Anordnung, bei dem
auf mindestens einem Teil eines Substrats eine Zwischenschicht aufgebracht wird;
eine Katalysatormaterial-Schicht zum Katalysieren des Aufwachsens von Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial-Schicht auf mindestens einen Teil der Zwischenschicht aufgebracht wird, wobei die Katalysatormaterial-Schicht
Eisen;
mindestens ein weiteres Material, welches das Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhren katalytisch unterstützt; und
Kohlenstoff aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Kohlenstoffnanoröhren auf der Katalysatormaterial- Schicht aufgewachsen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Zwischenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Zwischenschicht aus einem oder einer Kombination der Materialien
Silizium
Siliziumdioxid
Aluminiumoxid
Tantal
Tantalnitrid
Titan und/oder
Titannitrid
hergestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Katalysatormaterial-Schicht auf die Zwischenschicht mittels Molekularstrahlepitaxie oder mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Kohlenstoffnanoröhren durch Einleiten eines oder einer Kombination der Materialien
Azetylen,
Methan,
Ethen, und/oder
Aceton
auf der Katalysatormaterial-Schicht aufgewachsen werden, nachdem die Zwischenschicht unter Wasserstoffatmosphäre ungefähr 5 Minuten lang auf ungefähr 600°C erhitzt worden ist.