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Vorrichtung mit einer Vielzahl von auf der isolierenden Oberfläche eines Substrats aufgebrachten Elektrodenpaaren, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung

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Publication number
DE102006048537A1
Authority
DE
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tube
nano
layer
cover
electrodes
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Ceased
Application number
DE200610048537
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English (en)
Inventor
Sabine Blatt
Horst Prof. Dr. Hahn
Ralph Dr. Krupke
Matti Dr. Oron-Carl
Aravin Dr. Vijayaraghavan
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date

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    • H01L51/42Solid state devices using organic materials as the active part, or using a combination of organic materials with other materials as the active part; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of such devices, or of parts thereof specially adapted for sensing infra-red radiation, light, electro-magnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and adapted for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation using organic materials as the active part, or using a combination of organic materials with other material as the active part; Multistep processes for their manufacture
    • H01L51/44Details of devices
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus einem Substrat, auf dessen isolierender Oberfläche eine Vielzahl von Elektrodenpaaren aufgebracht ist, wobei sich die Elektroden paarweise gegenüberstehen und eine Lücke bilden, die geringer ist als die Länge der Nanoröhren, und die Elektrodenpaare mit jeweils genau einer polarisierbaren Nanoröhre überbrückt sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung. Hierzu wird auf die isolierende Oberfläche des Substrats eine Vielzahl von Elektrodenpaaren aufgebracht, so dass sich die Elektroden paarweise gegenüberstehen und eine Lücke bilden, die geringer ist als die Länge der Nanoröhren. Dann wird eine Suspension mit den Nanoröhren auf die Oberfläche aufgebracht und eine Wechselspannung an die Elektrodenpaare angelegt, wodurch sich die Nanoröhren so anordnen, dass sie jeweils einzeln die Elektrodenpaare überbrücken. Nach Entfernen der Suspension verbleiben die Nanoröhren an ihrer Stelle.
Die Vorrichtung eignet sich zur Aufbewahrung, Anordnung oder Ausrichtung von Nanoröhren bzw. für (opto-)elektronische Bauelemente oder Sensoren.

Description

  • [0001]
    Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die eine Vielzahl von auf der isolierenden Oberfläche eines Substrats aufgebrachten Paaren von Elektroden umfasst, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung.
  • [0002]
    Für bestimmte Anwendungen in der Nanotechnologie wäre es wünschenswert, eine Vielzahl von Nanoröhren, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren, an ausgewählten Stellen einer Oberfläche abzuscheiden und zu kontaktieren, um eine möglichst hohe Dichte an elektronischen Bauelementen, die jeweils nur eine einzige Nanoröhre aufweisen, herzustellen. Diese Aufgabe wurde bislang nicht gelöst.
  • [0003]
    In S.J. Tans, A.R.M. Verschueren und C. Dekker, Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube, Nature 393, S. 49, 1998, und in J. Nygård, D.H. Cobden, M. Bockrath, P.L. McEuen und P.E. Lindelof, Electrical transport measurements on single-walled carbon nanotubes, Appl. Phys. A 69, S. 297–304, 1999, wird lediglich die Funktionsweise von Bauelementen mit einer einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhre beschrieben. Die dargestellten Anordnungen weisen keine ausgerichteten Nanoröhren auf und sind nicht skalierbar.
  • [0004]
    S.G. Rao, L. Huang, W. Setyawan und S. Hong zeigen in Largescale assembly of carbon nanotubes, Nature 425, S. 36, 2003, chemisch funktionalisierte Bereiche auf einer Oberfläche, in denen sich eine Vielzahl von suspendierten Nanoröhren selbsttätig anordnen, ohne jedoch die Funktion eines elektronischen Bauelements aufzuweisen.
  • [0005]
    R. Krupke, F. Hennrich, H. B. Weber, M. M. Kappes, und H. v. Löhneysen, Simultaneous Deposition of Metallic Bundles of Single-walled Carbon Nanotubes Using Ac-dielectrophoresis, Nano letters 3, S. 1019–1023, 2003, und Y. Zhang, A. Chang, J'. Cao, Q. Wang, W. Kim, Y. Li, N. Morris, E. Yenilmez, J. Kong und H. Daia, Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes, Applied Physics Letters 79, S. 3155, 2001 zeigen zwar Bauelemente mit vereinzelten Kohlenstoff-Nanoröhren, die aber eine geringe räumliche Dichte aufweisen und die einzeln angeordnet werden müssen.
  • [0006]
    Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine eingangs genannte Vorrichtung, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung vorzuschlagen, die die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Insbesondere soll die Vorrichtung eine Vielzahl von vereinzelten, ausgerichteten Nanoröhren, insbesondere einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren, in hoher räumlicher Dichte aufweisen sein, ohne dass es erforderlich ist, die Nanoröhren zuvor chemisch zu modifizieren.
  • [0007]
    Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 12 und im Hinblick auf die Verwendung durch die Ansprüche 19 und 20 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • [0008]
    Eine erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ein Substrat, das zumindest auf seiner Oberfläche elektrisch isolierend ist, das also auch vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierfür ein halbleitendes Substrat vorzugsweise aus dotiertem Silizium eingesetzt, das mit einer isolierenden Deckschicht insbesondere aus Siliziumdioxid versehen ist. In einer alternativen Ausgestaltung wird als Substrat eine Folie aus einem isolierenden Polymer eingesetzt.
  • [0009]
    Auf die isolierende Oberfläche des Substrats ist erfindungsgemäß eine Vielzahl von Elektrodenpaaren in geringem Abstand zueinander aufgebracht, so dass bevorzugt mindestens 100 Elektrodenpaare pro cm2, besonders bevorzugt mindestens 1.000 Elektrodenpaare pro cm2, insbesondere sogar mindestens eine Million Elektrodenpaare pro cm2 auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
  • [0010]
    Die Elektroden selbst besitzen bevorzugt jeweils eine Fläche von 0,1 μm2 bis 10.000 μm2, besonders bevorzugt von 1 μm2 bis 100 μm2, wobei die Elektroden eines jeden Elektrodenpaars aufeinander zu gerichtet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Elektroden jeweils eine Spitze auf, wobei die Spitzen der Elektroden eines jeden Elektrodenpaars aufeinander zu gerichtet sind. Die Geometrie der Elektroden und der Lücke zwischen den paarweisen Elektroden wird so gewählt, dass das dielektrophoretische Kraftfeld bei Abwesenheit von Nanoröhren stets in Richtung der Lücke zeigt.
  • [0011]
    Erfindungsgemäß werden in der überwiegenden Anzahl der Elektrodenpaare die Elektroden, insbesondere ihre Spitzen, durch jeweils genau eine polarisierbare, vorzugsweise elektrisch leitfähige Nanoröhre überbrückt. Unter einer Nanoröhre wird hierbei ein elongiertes Objekt mit einem Aspektverhältnis größer als 1:10 und einem Durchmesser kleiner als 1 μm, insbesondere kleiner als 100 nm verstanden. Im englischen Sprachraum sind hierfür die Begriffe nanotubes, nanowires oder nanorods geläufig.
  • [0012]
    Zur Aufbringung der Nanoröhren auf die Elektrodenpaare ist erfindungsgemäß keine Funktionalisierung, z.B. durch chemische Modifikation der Nanoröhren, erforderlich. Für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie für ihre Herstellung eignen sich vorzugsweise Kohlenstoff-Nanoröhren, insbesondere einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren, und zwar unabhängig von der Art und Weise ihrer Quelle oder Herstellung. Es lassen sich bevorzugt auch Nanoröhren einsetzen, die zuvor im Hinblick auf Länge, Durchmesser, Chiralität, elektrische Eigenschaften oder Funktionalisierung separiert wurden.
  • [0013]
    Entscheidend für die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Wahl des Abstandes (Lücke) zwischen den beiden Elektroden eines jeden Elektrodenpaars, der auf einen Wert eingestellt wird, der geringer ist, bevorzugt um 5% bis 20%, als die Länge der Nanoröhren. Daher ist der Einsatz von Nanoröhren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders bevorzugt, die zuvor im Hinblick auf ihre Länge separiert wurden.
  • [0014]
    Für die Verdrahtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen mehrere geeignete Möglichkeiten. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist jeweils eine Elektrode eines Elektrodenpaars fest mit einer Spannungsquelle verbunden, während die andere Elektrode des Elektrodenpaars kapazitiv mit dem Substrat gekoppelt ist.
  • [0015]
    In einer alternativen Ausgestaltung ist jede der beiden Elektroden eines Elektrodenpaars fest mit einer Spannungsquelle verbunden.
  • [0016]
    Eine erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich mit dem nachfolgend im Einzelnen beschriebenen Verfahren herstellen.
  • [0017]
    Gemäß Verfahrensschritt a) wird zunächst ein oben näher beschriebenes Substrat bereitgestellt, das zumindest eine isolierende Oberfläche aufweist.
  • [0018]
    Anschließend wird gemäß Verfahrensschritt b) eine Vielzahl von Elektrodenpaaren derart auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht, dass sich die Elektroden eines jeden Elektrodenpaars paarweise gegenüber stehen und eine Lücke bilden. Wie oben be schrieben wird hierbei der Abstand (Lücke) zwischen den Elektroden eines jeden Elektrodenpaars auf einen Wert eingestellt, der geringer ist, bevorzugt um 5% bis 20%, als die Länge der eingesetzten Nanoröhren. Die Elektrodenpaare werden außerdem gleichzeitig oder auch später mit den für die Anlegung einer elektrischen Spannung und ggf. für die Funktionalisierung der Vorrichtung erforderlichen elektrischen Kontakten versehen.
  • [0019]
    Im sich hieran anschließenden Verfahrensschritt c) wird eine Suspension, die ein Lösungsmittel und die auf die Vorrichtung aufzubringenden Nanoröhren enthält, auf die Oberfläche des mit den Elektrodenpaaren versehenen Substrats aufgebracht. Vorzugsweise wird die wässrige Suspension hierbei auf eine Konzentration von 1 bis 100 Nanoröhren/μm3 eingestellt, wobei eine Agglomeration der Nanoröhren vermieden werden sollte.
  • [0020]
    Dann wird gemäß Verfahrensschritt d) eine elektrische Spannung mit wechselnder Polarität an die Elektrodenpaare angelegt, so dass sich die Nanoröhren, ohne dass diese zuvor einer chemischen Behandlung unterzogen wurden, so anordnen, dass sie jeweils einzeln die Elektrodenpaare überbrücken. Enthält die Suspension genügend Nanoröhren, so werden praktisch sämtliche Elektrodenpaare mit einer Nanoröhre versehen. Enthält die Suspension weniger Nanoröhren als Elektrodenpaare vorhanden sind, so bleiben Elektrodenpaare frei. Enthält die Suspension mehr Nanoröhren als Elektrodenpaare vorhanden sind, so bleiben Nanoröhren in der Suspension zurück.
  • [0021]
    Vorzugsweise wird über einem Zeitraum von 0,1 s bis zu einer Woche, besonders bevorzugt von 1 s bis 10 Minuten, eine elektrische Wechselspannung mit einer Frequenz von 10 kHz bis 100 GHz an die Elektrodenpaare angelegt.
  • [0022]
    In einer alternativen Ausgestaltung werden Gleichspannungspulse wechselnder Polarität mit einer Pulslänge von 10 ps bis 0,1 ms an die Elektrodenpaare angelegt.
  • [0023]
    Die Amplitude der an den Elektrodenpaaren anliegenden Spannung wird vorzugsweise so eingestellt, dass zwischen den Elektrodenpaaren ein elektrisches Feld mit einer elektrischen Feldstärke von 105 bis 107 Volt/m erzeugt wird.
  • [0024]
    Schließlich werden gemäß Verfahrensschritt e) die verbleibenden, nicht deponierten Anteile der Suspension (Lösungsmittel sowie ggf. überschüssige Nanoröhren) von der Oberfläche des Substrats entfernt, wobei die während Verfahrensschritt d) deponierten Nanoröhren jeweils an ihrer Stelle verbleiben. Das Entfernen erfolgt bevorzugt durch ein Auswaschen der Oberfläche des Substrats mit einem wässrigen Lösungsmittel.
  • [0025]
    Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrer Herstellung lässt sich wie folgt beschreiben.
  • [0026]
    Dielektrische Kräfte, die auf eine Nanoröhre einwirken, gehorchen der Beziehung wobei E das elektrische Feld, d den Durchmesser und l die Länge der Nanoröhre, L den Depolarisationsfaktor und εt* und εl* die komplexe und frequenzabhängige Permittivität der Nanoröhre bzw. der flüssigen Lösung bezeichnen. ∇E2 ist durch die Geometrie der Spitze der Elektroden und der Lücke zwischen den Spitzen der Elektroden des Elektrodenpaars gegeben.
  • [0027]
    Weiterhin werden die experimentellen Bedingungen so eingestellt, dass der positiv wird.
  • [0028]
    Aus den unten näher erläuterten 5a bis 5b wird ersichtlich, dass das dielektrische Feld anziehende Kräfte aufweist, solange sich keine Nanoröhre in der Lücke zwischen den Elektroden des Elektrodenpaars befindet (5a und 5c). Sobald sich in diesem Bereich jedoch nur eine einzelne Nanoröhre aufhält, ändert sich das dielektrische Feld derart, dass es für weitere Nanoröhren, die sich diesem Bereich nähern, abstoßend wirkt (5b und 5d). Die in 5 dargestellte numerische Simulation zeigt deutlich, dass hier ein Selbstbeschränkungsprozess vorliegt, der hier höchstens die Deposition einer einzigen Nanoröhre zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaars erlaubt.
  • [0029]
    Eine erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich einsetzen zur Aufbewahrung, Anordnung oder Ausrichtung von Nanoröhren. Bei entsprechender Kontaktierung der Elektroden finden die Nanoröhren Einsatz als Verbindungsleiter, als Bestandteil eines elektronischen, optoelektronischen oder magnetischen Bauelements oder eines Sensors.
  • [0030]
    Die Erfindung weist insbesondere die im Folgenden erwähnten Vorteile auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die präzise Anordnung und Ausrichtung von Nanoröhren zwischen den Elektrodenpaaren auf einem Substrat. Mit dieser Voraussetzung lassen sich funktionalisierte Anordnungen herstellen, wobei der Mechanismus der Selbstbeschränkung die Ablagerung von nur einer einzelnen Nanoröhre an einem Elektrodenpaar ermöglicht.
  • [0031]
    Die Dichte der Elektrodenpaare und damit der Nanoröhren lässt sich auf Werte von mehreren Millionen pro cm2 einstellen, wobei dieser Wert im Wesentlichen nur von der Dichte der vorbereiteten Elektrodenpaare und der Dicke der isolierenden Schicht begrenzt ist. Die Dicke der isolierenden Schicht ist dann kein begrenzender Faktor, wenn die Elektroden fest verdrahtet sind.
  • [0032]
    In einer bevorzugten Ausgestaltung beruht das Herstellungsverfahren auf der Siliziumtechnologie unter Einsatz der Wechselstrom-Dielektrophorese. Damit laufen alle Verfahren bei Raumtemperatur ab und verzichten auf chemische Modifikationen der Oberflächen des Substrats, so dass keine korrosiven wässrigen Medien erforderlich sind.
  • [0033]
    Eine Funktionalisierung der Nanoröhren durch eine chemische Modifikation ist nicht erforderlich. Die Art der Nanoröhren und die Weise ihrer Quelle oder Herstellung sind für die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung grundsätzlich unerheblich.
  • [0034]
    Sowohl die erfindungsgemäße Vorrichtung als auch das Verfahren zu ihrer Herstellung sind kompatibel mit der weiteren Prozessierung der Vorrichtung z.B. für eine Mehrlagen-Lithographie zur individuellen Kontaktierung einzelner Elektroden oder Elektrodenpaare der Vorrichtung.
  • [0035]
    Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • [0036]
    1 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von oben (1a) bzw. von der Seite (1b)
  • [0037]
    2 Elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer Fläche von 100 × 100 μm2 mit einer Dichte von 1 Million Elektrodenpaaren pro cm2
  • [0038]
    3 Zoom in die Vorrichtung aus 2
  • [0039]
    4 Zoom in eine weitere Vorrichtung mit einer Dichte von 4 Million Elektrodenpaaren pro cm2
  • [0040]
    5 Berechnete dielektrische Kraftfelder vor (5A, 5C) und nach (5B, 5D) der Ablagerung der Nanoröhren in Blickrichtung von oben (5A, 5B) bzw. von der Seite (5C, 5D)
  • [0041]
    6 Bestimmung von Transportkoeffizienten (siehe Text)
  • [0042]
    Die eingesetzten Kohlenstoff-Nanoröhren wurden mittels Laserablation hergestellt. 20 μg/ml der auf diese Weise erhaltenen einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren wurden zunächst in 1 Gew.% einer wässrigen Lösung von Natriumdodekylbenzolsulfonat oder Natriumcholat dispergiert. Die anschließende Reinigung der Kohlenstoff-Nanoröhren erfolgte mittels Zentrifugation. Um Kohlenstoff-Nanoröhren der Länge von 1 μm zu erhalten, wurde Größenausschluss-Chromatographie durchgeführt. Die Suspension mit der gewünschten Konzentration an Kohlenstoff-Nanoröhren von 10 ng/ml wurde schließlich über eine Verdünnung mit Wasser erhalten.
  • [0043]
    Erfindungsgemäß wurde ein Substrat aus dotiertem Silizium eingesetzt, das mit einer 800 nm dicken, isolierenden Deckschicht aus Siliziumdioxid versehen war. Die hierauf mittels Elektronenstrahl-Lithographie aufgebrachten metallischen Oberflächenelektroden bestanden aus einer 40 nm dicken Palladiumschicht. Der Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden wurde zur Anpassung an die eingesetzten, ca. 1 μm langen Kohlenstoff-Nanoröhren auf einen Wert von 0,8 μm eingestellt. Die Fläche der kapazitiv gekoppelten Elektroden betrug 10 μm2 bei einer Dicke der Oxidschicht von 800 nm bzw. 1 μm2 bei einer Dicke der Oxidschicht von 50 nm.
  • [0044]
    Die maximale Dichte an Elektrodenpaaren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrug 1 Million Elektrodenpaare pro cm2 bei Elektroden mit einer Fläche von 10 μm2 und einem Abstand von 5 μm (siehe 2 und 3) bzw. 4 Million Elektrodenpaare pro cm2 bei Elektroden mit einer Fläche von 1 μm2 und einem Abstand von 1 μm (siehe 4).
  • [0045]
    1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem Aufbau einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung von der Seite (1a) bzw. von oben (1b).
  • [0046]
    Auf dem Substrat 1 aus Silizium befindet sich die isolierende Deckschicht 2 aus Siliziumdioxid. Hierauf ist eine Vielzahl von Elektrodenpaaren aus zwei einander gegenüberliegender Elektroden 3, 4 aufgebracht, wobei nur ein Elektrodenpaar dargestellt ist, das mit einer Nanoröhre 5 überbrückt ist. Die freie Elektrode 3 ist über die Deckschicht 2 kapazitiv mit dem Substrat 1 gekoppelt, während die Bezugselektrode 4 direkt mit der Wechselspannungsquelle 7 in Kontakt steht. Zur Herstellung der Vorrichtung wird eine Suspension 6, die die Nanoröhren enthält, auf die mit den Elektroden versehene Deckschicht 2 aufgebracht.
  • [0047]
    2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer Fläche von 100 × 100 μm2 mit einer Dichte von 1 Million Elektrodenpaaren pro cm2. Die Fläche der kapazitiv gekoppelten Elektroden betrug 10 μm2 bei einer Dicke der Oxidschicht von 800 nm. In 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt (Zoom) aus der Vorrichtung aus 2 dargestellt, der fünf nebeneinander liegende Elektronenpaare zeigt, die jeweils mit einer Kohlenstoff-Nanoröhre überbrückt sind.
  • [0048]
    In 4 ist ebenfalls ein vergrößerter Ausschnitt (Zoom) aus einer weiteren Vorrichtung mit einer Dichte von 4 Million Elektrodenpaaren pro cm2 dargestellt, der fünf nebeneinander liegende Elektronenpaare zeigt, die jeweils mit einer Kohlenstoff-Nanoröhre überbrückt sind. Die Fläche der kapazitiv gekoppelten Elektroden betrug 1 μm2 bei einer Dicke der Oxidschicht von 50 nm.
  • [0049]
    Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde wie folgt durchgeführt. Das Verdrahten der Wechselspannungsquelle mit der Vorrichtung erfolgte durch Kontaktieren einer der beiden Elektroden jedes einzelnen Elektrodenpaars über eine gemeinsame Leitung mit einem Ausgang der Wechselspannungsquelle und durch Kontaktieren der anderen der beiden Elektroden jedes einzelnen Elektrodenpaars mit dem anderen Ausgang der Wechselspannungsquelle über eine kapazitive Kopplung an das halbleitende Substrat und Kontaktieren des Substrats mit dem anderen Ausgang der Wechselspannungsquelle.
  • [0050]
    Die Vorrichtung wurde dann über einen Zeitraum von 3 Minuten einer der oben beschriebenen Suspensionen aus Kohlenstoff-Nanoröhren ausgesetzt.
  • [0051]
    Hieran anschließend wurde eine Wechselspannung an die Elektrodenpaare angelegt. Als Frequenz der Wechselspannung wurde ein Wert von ca. 300 kHz eingesetzt, der an die dielektrischen Eigenschaften der Suspension und der Kohlenstoff-Nanoröhren, dem Elektrodenabstand von 0,8 μm und der Dicke der Oxidschicht von 800 nm angepasst war. Der Wert der (Peak-zu-Peak) Amplitude der Spannung betrug 2 Volt, was bei einem Elektrodenabstand von 0,8 μm einem elektrischen Feld von 2,5·106 V/m entspricht.
  • [0052]
    Abschließend wurde das Substrat mit Wasser gespült. Dabei blieb jeweils eine einzige Kohlenstoff-Nanoröhre an praktisch jedem Elektrodenpaar haften.
  • [0053]
    5 zeigt die dielektrischen Felder vor und nach der Ablagerung der Kohlenstoff-Nanoröhren. Aufgetragen ist die räumliche Verteilung des Gradienten ∇E2 des Quadrats des elektrischen Felds entlang der Ebene des Substrats (5A und 5B) sowie senkrecht zum Substrat (5C und 5D). Die dielektrische Kraft wirkt bei Abwesenheit von Nanoröhren anziehend (attraktiv) in jede Richtung (5A und 5C). Sobald jedoch nur eine einzige Nanoröhre deponiert ist (5B und 5D) wirkt die dielektrische Kraft abstoßend (repulsiv) wirkt und verhindert so die Anlagerung weiterer Nanoröhren.
  • [0054]
    Jedes Elektrodenpaar innerhalb der Vorrichtung lässt sich zur Charakterisierung oder zur Funktionalisierung ansprechen, indem es mit einer einfachen oder mehrfachen Spitze in Kontakt gebracht oder in einem weiteren Metallisierungsschritt fest verdrahtet wird.
  • [0055]
    In 6 sind Transportmessungen durch die Vorrichtung dargestellt. 6A und 6B zeigen die Strom-Spannungscharakteristiken und die 6C und 6D die Transfereigenschaften von metallischen (6A und 6C) bzw. halbleitenden (6B und 6D) Kohlenstoff-Nanoröhren. Aus den 6A und 6B kann entnommen werden, das sich der Kontaktwiderstand der Anordnung durch Tempern über 2 Stunden bei 200°C deutlich verbessern ließ. 6D zeigt das Auftreten einer Hysterese zwischen den vorwärts und rückwärts aufgenommenen Werten der Transfereigenschaften von halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren.

Claims (20)

  1. Vorrichtung, umfassend – ein Substrat, das zumindest auf seiner Oberfläche isolierend ist, – auf dessen Oberfläche eine Vielzahl von Elektrodenpaaren aufgebracht ist, wobei – sich die Elektroden eines jeden Elektrodenpaars gegenüber stehen und eine Lücke bilden, – die überwiegende Anzahl der Elektroden der Elektrodenpaare mit jeweils genau einer polarisierbaren Nanoröhre überbrückt sind und – die Lücke geringer ist als die Länge der Nanoröhren.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit Elektrodenpaaren, deren Elektroden zueinander gerichtete Spitzen aufweisen, die mit der Nanoröhre überbrückt werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit elektrisch leitenden Nanoröhren.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit Kohlenstoff-Nanoröhren.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4 mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mindestens 100 Elektrodenpaaren pro cm2.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit mindestens 1 Million Elektrodenpaaren pro cm2.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem halbleitenden Substrat, das mit einer isolierenden Deckschicht versehen ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8 mit einem halbleitenden Substrat aus dotiertem Silizium, das mit einer isolierenden Deckschicht aus Siliziumdioxid versehen ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei jeweils eine Elektrode eines Elektrodenpaars fest mit einer Spannungsquelle verbindbar und die andere Elektrode des Elektrodenpaars kapazitiv mit dem halbleitenden Substrat gekoppelt ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jeder der beiden Elektroden eines Elektrodenpaars fest mit einer Spannungsquelle verbindbar ist.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit den Verfahrensschritten a) Bereitstellen eines Substrats, das zumindest auf seiner Oberfläche isolierend ist, b) Aufbringen einer Vielzahl von Elektrodenpaaren auf die Oberfläche des Substrats, so dass sich die Elektroden eines jeden Elektrodenpaars gegenüber stehen und eine Lücke bilden, wobei die Größe der Lücke so eingestellt wird, dass sie geringer ist als die Länge der Nanoröhren, und Kontaktieren der Elektrodenpaare, c) Aufbringen einer Suspension, die die Nanoröhren enthält, auf die mit den Elektrodenpaaren versehene Oberfläche des Substrats, d) Anlegen einer Spannung mit wechselnder Polarität an die Elektrodenpaare, wodurch sich die Nanoröhren so anordnen, dass sie jeweils einzeln die überwiegende Anzahl der Elektroden der Elektrodenpaare überbrücken, und e) Entfernen der Suspension von der Oberfläche des Substrats, wobei die Nanoröhren an ihrer Stelle verbleiben.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in Verfahrensschritt c) eine Suspension mit einer Konzentration von 1 bis 100 Nanoröhren/μm3 eingesetzt wurde.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei in Verfahrensschritt d) eine Wechselspannung von 0,1 bis 100 V an die Elektrodenpaare angelegt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 10 kHz bis 100 GHz an die Elektrodenpaare angelegt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei in Verfahrensschritt d) Gleichspannungspulse wechselnder Polarität mit einer Pulslänge von 10 ps bis 0,1 ms an die Elektrodenpaare angelegt werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Amplitude der Spannung so eingestellt wird, dass zwischen den Spitzen der Elektrodenpaare ein elektrisches Feld der Stärke von 105 bis 107 V/m erzeugt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Suspension durch Auswaschen von der Oberfläche der Deckschicht entfernt wird.
  19. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Aufbewahrung, Anordnung oder Ausrichtung von Nanoröhren.
  20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem elektronischen, optoelektronischen oder magnetischen Bauelement oder in einem Sensor.
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