DE112019000186T5

DE112019000186T5 - Ein kristalliner film aus kohlenstoff-nanoröhrchen

Info

Publication number: DE112019000186T5
Application number: DE112019000186.8T
Authority: DE
Inventors: Abram Falk; Damon Brooks Farmer; Lynne Marie Gignac
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-09-03
Also published as: GB2584373B; JP2024016202A; US20190248654A1; GB202012654D0; CN111655366A; GB2584373A; WO2019159025A1; JP2021514339A; US11820663B2

Abstract

Eine Membran wird elektrisch auf eine Polarität aufgeladen. Eine Oberfläche von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) in einer Lösung wird dazu gebracht, eine Ladung der Polarität anzunehmen. Die Lösung wird durch die Membran filtriert. Eine elektromagnetische Abstoßung zwischen der Membran mit der Polarität und den CNTs mit der Polarität bewirkt, dass sich die CNTs spontan ausrichten und eine kristalline Struktur bilden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine hergestellte Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für diese Herstellung. Im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
HINTERGRUND
Im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen -
(a) Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT): Bezieht sich auf eine einwandige, hohle, zylindrische, röhrenförmige Struktur mit offenen Enden, die im Wesentlichen vollständig aus Kohlenstoffatomen besteht.
(b) Film: Bezieht sich auf eine plattenähnliche Formation, deren Dicke im Vergleich zu ihrer Oberfläche vernachlässigbar ist. Beispielsweise kann die Dicke in der Größenordnung von 30-300 Nanometer (nm) im Vergleich zu einer Oberfläche von 1 Quadratzoll liegen.
(c) Kristallines CNT (CCNT), Kristallstruktur von CNTs: bezieht sich auf CNTs, die so angeordnet sind, dass in einem Querschnitt eines CNT-Films die Zentren der einzelnen CNTs eine periodische Anordnung (ein Gitter) bilden. Zum Beispiel könnten die CNTs in einem hexagonalen Gitter angeordnet sein, in diesem Fall würden die Zentren der drei nächstgelegenen CNTs ein gleichseitiges Dreieck bilden.
(d) Kristalliner CNT-Film (CCF): ein aus CNTs gebildeter Film, bei dem mehr CNTs in einer kristallinen Anordnung sind als nicht. Eine auf einem Verifikationsverfahren basierende Definition eines CCF ist in 4 dargestellt und wird später hierin beschrieben.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen mehrere bemerkenswerte physikalische Eigenschaften auf und haben weitreichende Anwendungen in der Elektronik, Optik und Werkstofftechnik. CNTs gehören zu den elektrischen Leitern mit der höchsten Strombelastbarkeit unter allen Materialien. Sie sind auch eines der stärksten Materialien mit einer Zugfestigkeit, die etwa 100 Mal höher ist als die von Stahl.
CNTs haben auch viele Anwendungen in der Optik, insbesondere da die Energie von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Exzitonen im Infrarot-Telekommunikationsbereich liegt. CNTs haben auch viele aussichtsreiche Anwendungen in der Energiewissenschaft, einschließlich Superkondensatoren, Photovoltaik und Batterien.
Bestimmte Anwendungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen beruhen darauf, Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu isolieren und sie als Individuen in elektronische oder optische Geräte einzubauen. Bei anderen Anwendungen werden jedoch viele Kohlenstoff-Nanoröhrchen in dicken oder dünnen Filmen verwendet. Typischerweise sind diese Filme von Nanoröhrchen ungeordnet, d.h. die CNTs sind nicht in einer bestimmten Anordnung angeordnet. Bisher wurden zusätzlich zu ungeordneten Filmen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen auch kristalline Stränge aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt. Allerdings war die Stranggröße klein (mit Durchmessern < 50 nm) und die Anordnung der Stränge selbst ungeordnet.
Darüber hinaus unterscheidet sich ein Strang strukturell wesentlich von einem Film. Die Oberfläche eines Films ist analog zum Querschnitt des Strangs und die Dicke des Films ist analog zur Länge des Strangs, und die Dicke ist im Verhältnis zur Oberfläche einer Strangstruktur nicht mehr vernachlässigbar, wie es bei einer Filmstruktur der Fall ist.
Die veranschaulichenden Ausführungsformen erkennen an, dass die Anordnung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu monolithischen Kristallen für viele Anwendungen wünschenswert wäre. Ein CCF ist ein Beispiel für einen monolithischen Kristall aus geordneten CNTs, der hier betrachtet wird. Zum Beispiel würde der hexagonal geordnete CCF für die Elektronik die höchstmögliche Dichte von Nanoröhren und damit die höchste Strombelastbarkeit aufweisen. Ein weiteres Beispiel: Für optische Anwendungen würde diese hohe Dichte von Nanoröhren zu einer stärkeren optischen Aktivität führen. Die stärkere optische Aktivität könnte bei Anwendungen, die auf der Lumineszenz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen beruhen, zu einer helleren Emission führen und bei optischen Anwendungen zu einer stärkeren Nichtlinearität der starken optischen Chi-3-Nichtlinearität der Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Für mechanische Anwendungen wird erwartet, dass der kristalline Film der Nanoröhrchen stärker ist als Filme ungeordneter Nanoröhrchen.
Die veranschaulichenden Ausführungsformen beschreiben die Struktur des monolithischen Kristalls geordneter CNTs, z.B. der hierin beschriebene CCF, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die veranschaulichenden Ausführungsformen stellen ein Verfahren bereit, das gleichmäßig dichte Filme aus kristallinen Kohlenstoff-Nanoröhren bildet. CCFs, die durch eine veranschaulichende Ausführungsform hergestellt werden, sind mit dem beschriebenen Verfahren einfach auf wafergroße Filme skalierbar. Solche Filme in Wafer-Größe sind besonders nützlich bei der Herstellung von halbleitenden und/oder metallischen Filmen unter Verwendung eines Wafers aus einem geeigneten Substratmaterial.
Darüber hinaus erzeugt das Verfahren der veranschaulichenden Ausführungsformen einen polykristallinen Film, d.h. einen Film, der mehrere kristalline Bereiche umfasst. Experimente haben gezeigt, dass das Verfahren in der Lage ist, polykristalline Domänen zu erzeugen, wobei jede Domäne ungefähr 25 nm x 25 nm groß ist und Domänen von 100 oder mehr CNTs beobachtet werden. Anders ausgedrückt, es wurde festgestellt, dass die beobachteten Gitter im Experiment sich wiederholende dreieckige Strukturen aufweisen, die die hexagonalen Gitter mit Domänengrößen von etwa 25 nm x 25 nm bilden. Die Gitterkonstanten liegen bei etwa 1,6 nm. Der Gesamtdurchmesser eines experimentell hergestellten CCF betrug 1 Zoll, und die Dicke war von 30 nm bis zu 300 nm abstimmbar. Es ist zu beachten, dass innerhalb der Betrachtungen der veranschaulichenden Ausführungsformen eine Domäne eine Ansammlung einer Vielzahl von kristallinen Strukturen ist, wobei sich zwei oder mehr kristalline Strukturen eine oder mehrere Nanoröhrchen teilen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die veranschaulichenden Ausführungsformen stellen ein Verfahren, eine Vorrichtung und einen Herstellungsgegenstand bereit. Eine Ausführungsform umfasst ein Verfahren, das eine Membran elektrisch auf eine Polarität auflädt. Die Ausführungsform bewirkt, dass eine Oberfläche von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) in einer Lösung eine Ladung der Polarität erhält. Die Ausführungsform filtriert die Lösung durch die Membran, wobei eine elektromagnetische Abstoßung zwischen der Membran mit der Polarität und den CNTs mit der Polarität bewirkt, dass sich die CNTs spontan ausrichten, um eine kristalline Struktur zu bilden. Auf diese Weise erzeugt die Ausführungsform einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Eine andere Ausführungsform unterstützt ferner, als Teil des Filtrierens, das Filtrieren der Lösung durch die Membran, wobei das Unterstützen das Anlegen eines Drucks auf eine Seite der Membran umfasst. Somit stellt die Ausführungsform ein förderndes Verfahren zur Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bereit.
In einer anderen Ausführungsform ist der Druck ein Unterdruck auf einer Filtrat-Seite der Membran. Somit unterstützt die Ausführungsform die Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen unter Verwendung einer bestimmten Art von Druck.
In einer anderen Ausführungsform ist der Druck ein Überdruck auf einer Lösungs-Seite der Membran. Die Ausführungsform unterstützt also die Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen unter Verwendung einer bestimmten Art von Druck.
In einer anderen Ausführungsform wird die Membran ferner einem Plasma ausgesetzt, wobei das Plasma der Membran eine negative Ladung verleiht und wobei die CNTs in der Lösung ebenfalls negativ geladen werden. Auf diese Weise erzeugt die Ausführungsform den kristallinen Film durch Ausrichten der Nanoröhrchen auf der Membran.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Pulver, das die CNTs umfasst, mit dem flüssigen Medium und einem Tensid gemischt, um die Lösung zu bilden, wobei die Moleküle des Tensids eine Ladung der Polarität aufweisen und wobei ein Molekül des Tensids an einem CNT haftet, wodurch dem CNT die Polarität der Ladung verliehen wird. Auf diese Weise erzeugt die Ausführungsform den kristallinen Film, indem sie bewirkt, dass die Nanoröhrchen eine elektrische Eigenschaft erhalten, die dazu beiträgt, die Nanoröhrchen auf der Membran auszurichten.
In einer anderen Ausführungsform sind die CNTs einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen. So erzeugt die Ausführungsform den kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen eines bestimmten Typs von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
In einer anderen Ausführungsform ist die Membran porös für ein flüssiges Medium der Lösung, aber undurchlässig für die CNTs. So erzeugt die Ausführungsform den kristallinen Film unter Verwendung eines bestimmten Membrantyps.
In einer anderen Ausführungsform ist die kristalline Struktur ein Teil einer polykristallinen Struktur von CNTs, wobei die polykristalline Struktur von CNTs einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CCF) bildet. Somit erzeugt die Ausführungsform einen polykristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die kristalline Struktur mindestens drei CNTs, deren zylindrische Achsen in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind. So erzeugt die Ausführungsform einen polykristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, in der sich die Nanoröhrchen in einer spezifischen kristallinen Struktur selbst ordnen.
Eine Ausführungsform platziert auf einer Übertragungsfläche eine Membran, die einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CCF) enthält, ein Trennmedium, das zwischen dem CCF und der Übertragungsfläche liegt. Die Ausführungsform entfernt das Trennmedium. Die Ausführungsform entfernt die Membran. Die Ausführungsform tempert des CCF, wobei das Tempern ein Tensid-Molekül aus dem CCF entfernt und der CCF an die Übertragungsfläche bindet. Auf diese Weise bereitet die Ausführungsform einen CCF zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleiter- und/oder Metallfilmen vor.
Eine andere Ausführungsform wendet ferner vor dem Tempern ein Denaturierungsmittel auf den CCF an, wobei die Denaturierung eine elektrische Ladung des Tensid-Moleküls in dem CCF verändert. Auf diese Weise reinigt die Ausführungsform den CCF für die Verwendung bei der Herstellung.
Eine andere Ausführungsform erwärmt ferner als Teil des Temperns die Übertragungsfläche mit dem CCF auf eine Temperatur in einer Kammer, während in der Kammer ein Vakuum auf einem bestimmten Niveau gehalten wird. Auf diese Weise bindet die Ausführungsform den CCF an ein Substrat zur Verwendung bei der Herstellung.
Eine andere Ausführungsform legt ferner einen Druck auf die Membran an, um das Trennmedium zwischen dem CCF und der Übertragungsfläche gleichmäßig zu verteilen. Auf diese Weise stellt die Ausführungsform eine spezifische Art und Weise der Bindung des CCF an das Substrat zur Verwendung bei der Herstellung bereit.
Ferner wird in einer anderen Ausführungsform ein Trocknungsmittel aufgebracht, wobei das Trennmedium Wasser umfasst, und wobei das Trocknungsmittel das Trennmedium durch Trocknen des Wassers entfernt. Die Ausführungsform trocknet unter Verwendung des Trocknungsmittels die Membran. Auf diese Weise bereitet die Ausführungsform die Membran für die Entfernung vor.
Eine andere Ausführungsform wendet ferner ein Lösungsmittel an, wobei das Lösungsmittel die Membran als Teil der Entfernung der Membran auflöst. Auf diese Weise entfernt die Ausführungsform die Membran und hinterlässt nur den CCF für die Herstellung.
Figurenliste
Die neuartigen Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung gelten, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst sowie eine bevorzugte Benutzungsart, weitere Ziele und Vorteile davon werden jedoch am besten durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei

1 ein Blockdiagramm einer beispielhaften vereinfachten Vorrichtung zur Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
2 ein Blockdiagramm einer weiteren vereinfachten Vorrichtung zur Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
3 eine beispielhafte Bildung eines CCF gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
4 ein Verifikationsverfahren zum Bestätigen der Häufigkeit von kristallinen Strukturen in einem bestimmten Film gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
5 mikroskopische Bilder eines Querschnitts eines CCF darstellt, die gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform ausgebildet wurde;
6 ein Blockdiagramm eines Schrittes in einem beispielhaften Verfahren zur Übertragung eines CCF auf ein Substrat gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
7 ein Blockdiagramm eines weiteren Schritts in einem beispielhaften Prozess zum Übertragen eines CCF auf ein Substrat gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
8 ein Blockdiagramm eines weiteren Schritts in einem beispielhaften Prozess zum Übertragen eines CCF auf ein Substrat gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
9 ein Blockdiagramm eines weiteren Schritts in einem beispielhaften Prozess zum Übertragen eines CCF auf ein Substrat gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt;
10 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zur Herstellung eines CCF gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt; und
11 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses für die Verwendung eines CCF bei der Herstellung von Halbleiter- und/oder Metallfilmen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die veranschaulichenden Ausführungsformen, die zur Beschreibung der Erfindung verwendet werden, behandeln und lösen im Allgemeinen die oben beschriebenen Bedürfnisse und andere Probleme im Zusammenhang mit der Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die veranschaulichenden Ausführungsformen stellen einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung des kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bereit.
Eine Ausführungsform umfasst einen hierin beschriebenen CCF. Eine andere Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung des hierin beschriebenen CCF. Eine andere Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Herstellung des hierin beschriebenen CCF. Eine andere Ausführungsform beschreibt ein Verfahren zur Verwendung des CCF in einem Halbleiter- und/oder Metallfilm-Herstellungsprozess.
Ein Verfahren einer Ausführungsform kann als Softwareanwendung implementiert werden, die so konfiguriert ist, dass sie eine Vorrichtung zur Herstellung des CCF wie hierin beschrieben betreibt. Die Software-Anwendung, die eine Ausführungsform implementiert, kann als Modifikation eines bestehenden Wafer-Produktionssystems, als separate Anwendung, die in Verbindung mit einem bestehenden Wafer-Produktionssystem arbeitet, als eigenständige Anwendung oder als eine Kombination davon konfiguriert werden.
Aus Gründen der Klarheit der Beschreibung und ohne damit eine Einschränkung zu implizieren, werden die veranschaulichenden Ausführungsformen unter Verwendung vereinfachter, laborgroßer Vorrichtungen beschrieben. Ausgehend von dieser Offenlegung sind diejenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse verfügen, in der Lage, das beschriebene Verfahren in Bezug auf diese laborgroßen Vorrichtung und die Vorrichtung bis zu kommerziellen Fertigungskapazitäten zu skalieren, ohne den Umfang der veranschaulichenden Ausführungsformen zu verlassen. Gleich nummerierte Elemente in diesen Figuren sind entweder gleichwertige Elemente oder erfüllen die gleiche Funktion. Elemente, die zuvor besprochen wurden, werden in späteren Figuren nicht unbedingt diskutiert, wenn die Funktion äquivalent ist.
Aus Gründen der Klarheit der Beschreibung und ohne damit eine Einschränkung zu implizieren, werden die veranschaulichenden Ausführungsformen unter Verwendung vereinfachter, labortauglicher Verfahrensschritte beschrieben. Ausgehend von dieser Offenlegung sind diejenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse verfügen, in der Lage, die beschriebenen Prozessschritte für kommerzielle Herstellungsanwendungen zu optimieren, abzustimmen oder anzupassen, und solche Anpassungen werden im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen in Betracht gezogen.
Aus Gründen der Klarheit der Beschreibung und ohne damit eine Einschränkung zu implizieren, werden die veranschaulichenden Ausführungsformen anhand von Beispielmaterialien in verschiedenen Prozessschritten beschrieben. Ausgehend von dieser Offenlegung sind diejenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse verfügen, in der Lage, ein beschriebenes Material zu ändern oder durch funktionell gleichwertiges Material für ähnliche Zwecke zu ersetzen, wie sie in einem Prozessschritt einer Ausführungsform beschrieben werden. Solche Ersetzungen werden im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen in Betracht gezogen.
Darüber hinaus werden in den Figuren und den veranschaulichenden Ausführungsformen vereinfachte Diagramme der beispielhaften Strukturen, Elemente und Vorrichtung(en) verwendet. Bei der tatsächlichen Herstellung oder Verwendung eines vorgeschlagenen CCF können zusätzliche Strukturen, die hier nicht gezeigt oder beschrieben werden, oder Strukturen, die sich von den hier gezeigten und beschriebenen unterscheiden, vorhanden sein, ohne den Umfang der illustrativen Ausführungsformen zu verlassen.
Unterschiedlich schraffierte Teile in der zweidimensionalen Zeichnung der beispielhaften Strukturen, Schichten und Formationen sollen unterschiedliche Strukturen, Schichten und Formationen in der beispielhaften Herstellung, wie hierin beschrieben, darstellen. Gegebenenfalls können die verschiedenen Strukturen, Schichten und Formationen unter Verwendung geeigneter Materialien hergestellt werden, von denen denjenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse verfügen, bekannt ist, dass sie zu derselben Klasse von Materialien gehören, die hierin beschrieben werden.
Eine bestimmte Gestalt, Lage, Position oder Abmessung einer hierin veranschaulichten Gestalt ist nicht als Beschränkung der veranschaulichenden Ausführungsformen gedacht, es sei denn, ein solches Merkmal wird ausdrücklich als Merkmal einer Ausführungsform beschrieben. Die Gestalt, die Lage, die Position, die Abmessung oder eine Kombination davon werden nur für die Klarheit der Zeichnungen und der Beschreibung gewählt und können übertrieben, minimiert oder anderweitig gegenüber der tatsächlichen Gestalt, Lage, Position oder Abmessung verändert worden sein, die in der tatsächlichen Photolithographie verwendet werden könnten, um ein Ziel gemäß den veranschaulichenden Ausführungsformen zu erreichen.
Eine Ausführungsform, wenn sie in einer Anwendung implementiert wird, bewirkt, dass ein Halbleiter- und/oder Metallfilm-Herstellungsprozess bestimmte Schritte wie hier beschrieben ausführt. Die Schritte des Herstellungsprozesses sind in den verschiedenen Figuren dargestellt. In einem bestimmten Herstellungsprozess sind möglicherweise nicht alle Schritte erforderlich. Einige Herstellungsprozesse können die Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge ausführen, bestimmte Schritte kombinieren, bestimmte Schritte entfernen oder ersetzen oder eine Kombination dieser und anderer Manipulationen von Schritten durchführen, ohne den Umfang der veranschaulichenden Ausführungsformen zu verlassen.
Ein CCF einer hierin beschriebenen Ausführungsform umfasst wesentliche Fortschritte in der Materialwissenschaft. Eine Weise zur Bildung eines CCF und zur Bereitstellung des CCF für den Einsatz in einem waferbasierten Herstellungsprozess, wie hier beschrieben, ist derzeit nicht verfügbar. Daher wird ein wesentlicher Fortschritt in der Materialwissenschaft durch die Bildung eines neuen Materials, d.h. des CCF, erreicht. Ein wesentlicher Fortschritt der Halbleiter- und/oder Metallfilm-Herstellungstechnologie wird durch das beschriebene Verfahren der Übertragung des CCF auf eine Übertragungsfläche, z.B. auf ein Substrat, erreicht.
Die veranschaulichenden Ausführungsformen werden in Bezug auf bestimmte Arten von Vorrichtungen, Timing, Druckwerte, Raten, Abmessungen, Temperaturen, Winkeln, Prozentsätzen, Substanzen, Strukturen, Formationen, Schichten, Orientierungen, Richtungen, Schritten, Operationen, Ebenen, Materialien, Numerositäten, Systemen, Umgebungen, Komponenten und Anwendungen nur beispielhaft beschrieben. Spezifische Manifestationen dieser und anderer ähnlicher Artefakte sind nicht als Beschränkung auf die Erfindung gedacht. Jede geeignete Manifestation dieser und anderer ähnlicher Artefakte kann im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen ausgewählt werden.
Die Beispiele in dieser Offenbarung dienen nur der Klarheit der Beschreibung und beschränken sich nicht auf die veranschaulichenden Ausführungsformen. Zusätzliche Strukturen, Operationen, Handlungen, Aufgaben, Aktivitäten und Manipulationen sind aufgrund dieser Offenlegung denkbar und werden im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen in Betracht gezogen.
Alle hier aufgeführten Vorteile sind nur beispielhaft und sollen sich nicht auf die veranschaulichenden Ausführungsformen beschränken. Zusätzliche oder andere Vorteile können durch spezifische veranschaulichende Ausführungsformen verwirklicht werden. Darüber hinaus kann eine bestimmte veranschaulichende Ausführungsform einige, alle oder keinen der oben aufgeführten Vorteile haben.
Unter Bezugnahme auf 1 stellt diese Figur ein Blockdiagramm einer beispielhaften vereinfachten Vorrichtung zur Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform dar. Vorrichtung 100 umfasst den Behälter 102, in dem die Lösung 104 des CNT-Pulvers und ein geeignetes Medium enthalten ist.
Es ist zu beachten, dass die Lösung 104 eine kolloidale Lösung sein kann, die zu einer eventuellen Trennung des Pulvers und des Mediums neigt. In einer Ausführungsform ist das CNT-Pulver ein Pulver aus einwandigen, hauptsächlich halbleitenden Nanoröhren, deren mittlerer Durchmesser etwa 1,41 nm beträgt. In einer Ausführungsform ist das Medium, in dem das Pulver zu Lösung 104 gemischt wird, eine Lösung aus Wasser und einem geeigneten Tensid, wie z.B., aber nicht nur, Natriumdodecylbenzolsulfonat. Es ist wünschenswert, alle großen Nanoröhrchenbündel und amorphen Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus der Lösung 104 zu entfernen. Für eine solche Entfernung kann die Lösung 104 zentrifugiert werden, um diese und andere große/schwere Partikel aus der Lösung 104 abzutrennen.
Die veranschaulichenden Ausführungsformen haben erkannt, dass ein Tensid im Medium elektrisch polare Moleküle einführt, d.h. Moleküle, die als Ganzes elektrisch neutral sind, aber auf einer Seite eine positive Ladung und auf einer anderen Seite eine negative Ladung haben. Die Tensidmoleküle binden oder vereinigen sich auf geeignete Weise mit den CNTs im Pulver. Folglich wird die Oberfläche der CNTs geladen. In dem beispielhaften Fall, dass das Tensid Natriumdodecylbenzolsulfonat ist, wird eine negative Ladung mit der Oberfläche der CNT in Lösung 104 verknüpft. Im Allgemeinen kann jede Komponente der Lösung 104, die in der Lage ist, an den CNTs zu haften und den CNTs eine elektrische Ladung zu verleihen, für die Verwendung in Lösung 104 angepasst werden.
Ein Filter 106 ist eine Membran, die für die Flüssigkeit der Lösung 104, aber nicht für die CNTs porös ist. Mit anderen Worten ist der Filter 106 so ausgelegt, dass er Partikel blockiert, deren Größe mit der Größe von CNTs vergleichbar ist. In einem nicht einschränkenden Beispiel hat das Filtrieren von Filter 106 eine Porengröße von 0,05 Mikrometer (µm), wie z. B. eine hydrophile Polycarbonat-Membran mit einer Spur-geätzten Whatman Nuclepore von 0,05 um Porengröße.
Eine Ausführungsform lädt die Membran 106 mit einer elektrischen Ladung auf. In einem nicht einschränkenden Beispielfall wird die Membran 106 einem Luftplasma ausgesetzt, das die Membran 106 mit einer negativen elektrischen Ladung beaufschlagt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Ladung, die der Membran 106 verliehen wird, die gleiche elektrische Polarität aufweisen sollte wie die Ladung, die das Tensid den CNTs verleiht. Wenn die CNTs in Lösung 104 negativ geladen sind, dann muss auch die Membran 106 negativ geladen sein. Wenn die CNTs in Lösung 104 positiv geladen sind, dann muss die Membran 106 ebenfalls positiv geladen sein.
Die gleiche Polarität der Ladungen der CNTs und der Membran 106 erzeugen eine abstoßende elektromagnetische Kraft zwischen den CNTs und der Membran 106. Die abstoßende Kraft erlaubt es den CNTs, sich sowohl relativ zueinander als auch relativ zur Membran 106 so zu bewegen, dass sich die CNTs spontan im beschriebenen Gitter und in größeren polykristallinen Strukturen ausrichten, wenn die Lösung 104 durch die Membran 106 filtriert wird.
Die Membran 106 kann durch jeden geeigneten Mechanismus, wie z.B. Träger 108, in Position gehalten werden. Der Träger 108 oder eine andere geeignete Struktur hält das Filter 106 in einem Fluss von der Lösungs-Seite zur Filtrat-Seite der Vorrichtung 100. Behälter 102 bildet die Lösungs-Seite der Vorrichtung 100. Ein Filtrat-Einfangmechanismus, wie z.B. eine Trichter-Stopfen-Baugruppe 110, die mit Behälter 112 verbunden ist, bildet die Filtrat-Seite der Vorrichtung 100.
Das Filtrieren der Lösung 104 durch die Membran 106 sollte in einem Tempo erfolgen, das den CNTs die Möglichkeit gibt, sich wie hier beschrieben zu bewegen und auszurichten. In einem nicht einschränkenden Fall wird die Filtrierungsrate so eingestellt, dass nur die Rate der schwerkraftunterstützte Filtrierung die Schwellwertrate der Filtrierung ist, wobei die gewünschte Filtrierungsrate ein wenig, aber nicht wesentlich über dem Schwellwert liegt, z.B. innerhalb eines Toleranzbereichs von zehn Prozent der Schwellwertrate. In einem beispielhaften Fall wurde die Filtrierungsrate auf 0,8 Milliliter pro Stunde festgelegt.
In einer Ausführungsform wird die gewünschte Filtrierungsrate durch Anlegen eines Unterdrucks, d.h. eines Teilvakuums, im Behälter 112 auf der Filtrat-Seite der Vorrichtung 100 erreicht. Beispielhaft kann die Vakuumpumpe 114 mit dem Behälter 112 gekoppelt werden, um das Filtrat 116 mit der gewünschten Filtrierungsrate durch die Membran 106 zu ziehen.
Die Filtrierungsrate ist ein Faktor des atmosphärischen Drucks, der Dichtehöhe, der Temperatur der Lösung 104, der Umgebungstemperatur und eines angelegten Unter- oder Überdrucks. Wenn Unterdruck als Vakuum auf der Filtrat-Seite angelegt wird, kann das Vakuum so eingestellt werden, dass die Filtrierungsrate unter Berücksichtigung anderer Variablen, die die Filtrierungsrate beeinflussen, angepasst werden kann.
Unter Bezugnahme auf 2 zeigt diese Figur ein Blockdiagramm einer weiteren beispielhaften vereinfachten Vorrichtung zur Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform. In der Vorrichtung 200 sind der Behälter 102, die Lösung 104, die Membran 106, der Träger 108 und die Baugruppe 110 so angeordnet und funktionieren wie die Vorrichtung 100 in 1.
In einer Ausführungsform wird die gewünschte Filtrierungsrate durch Anlegen eines Überdrucks auf der Lösungs-Seite der Vorrichtung 200 erreicht. Zum Beispiel wird ein Behälter 102 mit einem berechneten Betrag an Überdruck beaufschlagt, um die Lösung 104 mit einer gewünschten Filtrierungsrate durch die Membran 106 zu drücken. Eine Druckpumpe 214 kann mit dem Behälter 102 gekoppelt werden, um den Überdruck anzulegen.
Die Filtrierungsrate ist ein Faktor des atmosphärischen Drucks, der Dichtehöhe, der Temperatur der Lösung 104, der Umgebungstemperatur und eines angelegten Unter- oder Überdrucks. Wenn der positive Druck als Vakuum auf der Filtrat-Seite angelegt wird, kann der Druck angepasst werden, um die Filtrierungsrate unter Berücksichtigung anderer Variablen, die die Filtrierungsrate beeinflussen, anzupassen.
Nur aus Gründen der Klarheit der Beschreibung und ohne eine Einschränkung zu implizieren, wird in der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren von negativ geladenen CNTs, negativ geladener Membran und einem vakuumgezogenen Filtrierungsprozess aus ausgegangen.
In einer Ausführungsform wird der Vakuumdruck während der Filtration geändert. Beispielsweise kann der Vakuumdruck zunächst in einem ersten Schritt für einen ersten Zeitraum, z.B. 5-6 Stunden, unterhalb eines niedrigen Schwellenwertes, z.B. 2-3 Torr, eingestellt werden. Ein solches niedriges Vakuum bewirkt, dass die Filtrierung mit einer langsamen Rate erfolgt, z.B. 1 Tropfen pro 200 Sekunden. Eine langsame Filtrierung über diesen Zeitraum führt zu einem dünnen kristallinen Film von CNTs. Nach Ablauf des Zeitraums des ersten Schritts erscheint die Membran aufgrund dieses anfänglich gebildeten dünnen kristallinen Films sichtbar dunkel. In einem zweiten Schritt wird der Vakuumdruck dann für einen zweiten Zeitraum auf einen zweiten Schwellenwert, z.B. 8 Torr, erhöht. Während dieses zweiten Zeitraums passiert die Lösung die Membran mit einer Rate von 1 Tropf pro 90 Sekunden. Um zu vermeiden, dass die anhaltende Oberflächenspannung den Film unterbricht, wenn die Endmenge der Lösung durch die Membran läuft, wird der Vakuumdruck für einen dritten Zeitraum, kurz bevor die Lösung ausläuft, auf einen hohen Schwellenwert, z.B. etwa 1000 Torr, erhöht. Schließlich wird die Membran bei dem hohen Schwellendruck trocknen gelassen.
Nur aus Gründen der Klarheit der Beschreibung und um keine Einschränkung der veranschaulichenden Ausführungsformen zu implizieren, wird angenommen, dass das Vakuum unveränderlich ist, um eine Ablenkung von anderen beschriebenen Merkmalen zu vermeiden. Aus dieser Offenlegung heraus werden diejenigen mit gewöhnlichen Fachkenntnissen in der Lage sein, den positiven oder negativen Druck in Kombination mit anderen beschriebenen Schritten anzupassen, und solche Kombinationen werden im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen in Betracht gezogen.
Unter Bezugnahme auf 3 stellt diese Figur eine beispielhafte Bildung eines CCF gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform dar. Ansicht 300 ist eine Draufsicht auf die Membran 302 und den darauf gebildete polykristalline Film 304 von CNTs. Ansicht 301 ist eine Querschnittsansicht der Membran 302 und des Films 304.
Die Membran 302 ist ein Beispiel für die Membran 106 in 1. Die Membran 302 ist mit der gleichen Polarität geladen wie die den CNTs der Lösung zugehörige Polarität. Der Film 304 lagert sich aufgrund des Filtrierungsprozesses auf der Lösungs-Seite der Membran 302 ab. Wie in der vereinfachten repräsentativen Ansicht 300 zu sehen ist, richten sich die CNTs im Film 304 im Allgemeinen in Richtung 306 aus (dargestellt durch die parallelen Linien im Film 304).
Eine Ansicht 301 zeigt, dass die CNTs in einer oder mehreren Domänen 308 angeordnet sind, wobei jede Domäne 308 eine Vielzahl von CNTs enthält. Darüber hinaus sind die CNTs in einer Domäne 308 wie hier beschrieben im Dreiecksgitter 310 organisiert. Eine Domäne 308 kann mit einer anderen Domäne 308 verbunden sein oder auch nicht, d.h. zwei Domänen können sich ein gemeinsames CNT teilen oder auch nicht. Verschiedene Domänen 308 können eine unterschiedliche Anzahl von CNTs in Formationen des Gitters 310 enthalten. Die CNTs innerhalb einer Domäne sind geordnet, d.h. nach dem Gitter 310 angeordnet, die CNTs in einer Domäne 308 müssen jedoch nicht relativ zu den CNTs in einer anderen Domäne 308 geordnet sein, d.h. sie müssen nicht als Gitter 310 relativ zueinander organisiert sein.
Unter Bezugnahme auf 4 stellt diese Figur ein Verifikationsverfahren zur Bestätigung der Häufigkeit von kristallinen Strukturen in einem bestimmten Film gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform dar. Ein Film aus CNTs kann die CNTs in einer kristallinen Struktur oder einem Gitter, wie hierin beschrieben, organisiert haben oder zufällig relativ zueinander positioniert sein. Ein Film kann mehr kristalline Domänen als zufällig orientierte CNTs oder mehr zufällig orientierte CNTs als kristalline Domänen enthalten. Ein Film, die mehr kristalline Domänen als zufällig orientierte CNTs aufweist, wird als ein CCF betrachtet, und der in Bezug auf diese Figur beschriebene Verifizierungsprozess bestimmt, ob ein Film ein CCF ist.
Bei einem Experiment wird ein bestimmter Film für die Röntgenbeugungsbildgebung eingerichtet. Das Verfahren der Röntgenbeugung (XRD) unter streifendem Einfall wird im Experiment verwendet, um die Kristallinität der ausgerichteten CNT-Arrays zu charakterisieren. Der Modus des streifenden Einfalls ist besonders effektiv bei der Messung dünner Filme. Im Experiment wird die Niedrigwinkelbeugung beobachtet, die mit der > 1 nm Gitterkonstante aus dem Gitter der CNTs zusammenhängt (im Gegensatz zu der viel höheren Winkelbeugung an den Kohlenstoffgittern der umfassenden CNTs).
Es wird angenommen, dass es sich bei dem Film um einen CCF handelt, bei der die kristallinen Strukturen in einer Richtung ausgerichtet sind, wie es von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer kristallinen Anordnung zu erwarten wäre. Im Experiment wird ein Röntgenstrahl unter einem Winkel von θ relativ zu einem Perpendikel zur Ebene des Films auf den Film einfallen gelassen. Wenn es sich bei dem gegebenen Film um einen CCF handelt, wird ein starke Spitze im reflektierten Röntgensignal, wie in Grafik 402 dargestellt, bei ungefähr 2θ = 5,8° in mindestens einer Orientierung des Films relativ zum Röntgenstrahl beobachtet.
Wenn es sich bei dem gegebenen Film nicht um einen CCF handelt, führen die zufällig orientierten CNTs dazu, dass die Reflexionskurve keine signifikante Spitze wie in Grafik 404 aufweist. Darüber hinaus bleibt das Fehlen einer signifikanten Spitze in Grafik 404 bei jeder Orientierung des Films relativ zum Röntgenstrahl im Wesentlichen unverändert.
Der Wert 2θ entspricht dem Gitterabstand der ausgerichteten Nanoröhrchenanordnungen. Wenn es sich bei dem Film um einen CCF handelt, wird das starke Spitzensignal im Wesentlichen über die gesamte Probenfläche des Films wahrgenommen, was auf eine kristalline Ausrichtung der Nanoröhrchen über einen signifikanten Teil der Filmfläche sowie auf einen einheitlichen Kristallinitätsgrad hindeutet.
Eine Spitze in einer Grafik ist eine Änderung in einer Steigung der Grafik von einer negativen Steigung zu einer positiven Steigung und zurück zu einer negativen Steigung innerhalb einer Zone der Grafik. Je plötzlicher die Änderung in einer oder mehreren Steigungen, desto ausgeprägter oder stärker ist der Peak und umgekehrt.
Grafik 404 könnte als Basisliniengrafik angesehen werden, anhand derer die Spitzen in anderen Grafiken gemessen werden können, um das Vorhandensein einer kristallinen Anordnung von Nanoröhrchen in einem bestimmten Film zu erkennen. Das Vorhandensein der Spitze bei nur einem einzigen 2θ Wert in Grafik 402 für im Wesentlichen alle Bereiche des Films qualifiziert den Film als ein CCF. Im Gegensatz dazu können kleinere Spitzen bei mehreren 2θ Werten auftreten und sind im Vergleich zur Spitze in Grafik 402 nicht so ausgeprägt, wenn der Film kein CCF ist. Ein Film ist kein CCF, wenn der Film entweder vollständig oder mehrheitlich nicht-kristalline Strukturen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst.
Unter Bezugnahme auf 5 zeigt diese Figur mikroskopische Bilder eines Querschnitts eines CCF, die gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform gebildet wurde. Ein Bild 502 ist eine Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme (TEM) eines CCF. Die runden Querschnitte von Nanoröhrchen, die in hexagonaler kristalliner Struktur angeordnet sind, und eine einzelne Domäne sind im Bild 502 sichtbar. Der hexagonale Abstand zwischen benachbarten Nanoröhrchen in den kristallinen Strukturen von Bild 502 liegt in der Größenordnung von 1,61 ± 0,04 nm.
Bild 504 ist ein TEM-Diffraktogramm einer Fläche eines CCF. Die periodische hexagonale Anordnung der Beugungsspitzen im Bild 504 ist charakteristisch für Elektronen, die an einem hexagonalen Gitter von Objekten gebeugt werden. Der Abstand der Beugungsspitzen stimmt mit der Gitterkonstante von 1,61 nm überein, die in Bild 502 direkt gemessen wird.
Unter Bezugnahme auf 6 zeigt diese Figur ein Blockdiagramm eines Schritts in einem beispielhaften Prozess zur Übertragung eines CCF auf ein Substrat gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform. Ein CCF 602 ist ein Beispiel für den CCF 304 aus 3, bei dem die CNTs noch an den geladenen Tensidmolekülen haften.
Die Übertragungsfläche 604 ist eine Oberfläche eines geeigneten Wafer-Substratmaterials. Das Substrat 604 kann z.B. Silizium und Saphir sein, ist aber nicht darauf beschränkt, beide sind üblicherweise in Waferformen für die Herstellung erhältlich. Je nach dem Material des Substrats kann eine gewisse Vorbearbeitung des Wafers nützlich sein. Beispielhaft könnten Elektroden strukturiert werden oder das native Oxid durch gepufferte Flusssäure entfernt werden.
Die Übertragungsfläche 604 ist die Oberfläche, auf der der CCF 304 geschichtet, abgeschieden oder von der Membran übertragen werden muss, wie z.B. von der Membran 302 in 3. Um den Film 602 zu übertragen, wird das flüssige Medium 606, wie z.B. Wasser, auf die Übertragungsfläche 604 aufgebracht. Es ist zu beachten, dass lediglich ein Tropfen Wasser ausreichen kann, um einen dünnen Wasserfilm über dem Substrat zu bilden. Die Membran 608, die ein Beispiel für die Membran 302 in 3 ist, wird dann so auf die flüssigkeitsbeschichtete Übertragungsfläche platziert, dass der CCF 602 in Kontakt mit dem flüssigen Medium 606 steht.
Obwohl nicht in der Konfiguration 600 dargestellt, kann ein geeigneter Mechanismus Druck auf die Membran 608 anlegen, um die Flüssigkeit 606 unter dem CCF 602 zu verdrängen oder gleichmäßig zu verteilen. Beispielhaft kann ein Glasobjektträger oder eine Platte über die Membran 608 platziert und gedrückt werden, um die Verteilung oder Verdrängung zu bewirken.
Unter Bezugnahme auf 7 zeigt diese Figur ein Blockdiagramm eines weiteren Schritts in einem beispielhaften Prozess zur Übertragung eines CCF auf ein Substrat gemäß Ausführungsformen. Trocknungsmittel 702 wird auf die Konfiguration 600 angewandt. Das Trocknungsmittel 702 kann Wärme oder ein anderes geeignetes Trocknungsmittel sein. In einem beispielhaften Experiment wurde Stickstoffgas als Trocknungsmittel 702 zum Trocknen der Konfiguration 600 verwendet.
Der Trocknungsschritt entfernt die Flüssigkeit 606 aus der Konfiguration 600 und bewirkt auch, dass die Membran 608 trocken wird. Der Trocknungsschritt führt zur Konfiguration 700.
Unter Bezugnahme auf 8 zeigt diese Figur ein Blockdiagramm eines weiteren Schritts in einem beispielhaften Prozess zur Übertragung eines CCF auf ein Substrat gemäß Ausführungsformen. Ein Lösungsmittel 802 wird auf die Konfiguration 700 angewandt. Ein Lösungsmittel 802 kann jedes geeignete Material sein, das in der Lage ist, die Membran 608 aufzulösen, ohne den CCF 602 nachteilig zu beeinflussen. Zum Beispiel wurde in einem Experiment Chloroform als Lösungsmittel 802 verwendet, um die Membran 608 aufzulösen.
Der Auflöseschritt entfernt die Membran 608 aus der Konfiguration 700. Der Auflöseschritt führt zur Konfiguration 800.
Unter Bezugnahme auf 9 zeigt diese Figur ein Blockdiagramm eines weiteren Schritts in einem beispielhaften Verfahren zur Übertragung eines CCF auf ein Substrat gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform. Das Tensid wird von dem Film CCF 602 entfernt. Ein geeignetes Denaturierungsmittel 902 wird optional auf die Konfiguration 800 angewandt, um das Tensid zu denaturieren und/oder Polymerreste aus den vorhergehenden Schritten zu entfernen. Salpetersäure ist ein nicht einschränkendes Beispiel für das Denaturierungsmittel 902.
Das Tensid wird dann aus dem CCF 602 durch Anwendung des Tempervorgangs 904 auf der Konfiguration 800 entfernt. Eine nichtbegrenzende Art der Durchführung von Tempern 904 ist das Erhitzen der Konfiguration 800 (nach optionaler Denaturierung) auf 500°C in einem Vakuumofen bei 10-7 Torr für einen Zeitraum von z.B. 2 Stunden. Der resultierende CCF 906 ist im Wesentlichen frei von Tensidmolekülen und an der Übertragungsfläche 604 des Substrates gebunden. Das mit CCF beschichtete Substrat der resultierenden Konfiguration 900 ist nun bereit für die weitere gerätespezifische Herstellung.
Unter Bezugnahme auf 10 stellt diese Figur ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines CCF gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform dar. Das Verfahren 1000 kann unter Verwendung der Vorrichtung 100 bzw. 200 in bzw. implementiert werden.
Eine Lösung wird unter Verwendung von pulverförmigem CNT in einer geeigneten Flüssigkeit und einem Tensid gebildet (Block 1002). Eine Membran geeigneter Größe wird mit der gleichen Polaritätsladung geladen, wie die CNT-Tensid-Kombination in der Lösung geladen ist (Block 1004). Eine Vorrichtung wird so angeordnet, dass die Lösung unter Verwendung der geladenen Membran und des Drucks filtriert wird (Block 1004). Die Lösung wird durch die geladene Membran mit einer geeigneten Filtrierungsrate gefördert (Block 1008). Optional kann die Druckunterstützung, wie hier beschrieben, in einem oder mehreren Schritten während der Filtrierungsperiode eingestellt werden (Block 1010). Prozess 1000 bringt einen Film aus CNT und Tensidmolekülen auf die Membran auf und endet danach.
Unter Bezugnahme auf 11 zeigt diese Figur ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Verwendung eines CCF bei der Herstellung von Halbleiter- und/oder Metallfilmen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform. Ein Prozess 1100 kann unter Verwendung eines Substrates, wie in Bezug auf 6-9 beschrieben, implementiert werden.
Eine Oberfläche des Substrates wird als Übertragungsfläche für die Aufnahme des CCF vorbereitet (Block 1102). Eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, wird aufgebracht, um einen Zwischenfilm zwischen dem CCF und der Übertragungsfläche zu bilden (Block 1104). Die Membranfilmkombination aus 3 wird so auf die Übertragungsfläche platziert, dass der CCF den Flüssigkeitsfilm berührt (Block 1106).
Wahlweise wird Druck auf die Membran angelegt, um den Flüssigkeitsfilm zu verdrängen oder um den Flüssigkeitsfilm gleichmäßig unter dem CCF zu verteilen (Block 1108). Die Membran wird getrocknet und die verbleibende Flüssigkeit zwischen dem CCF und der Übertragungsfläche wird ebenfalls mit einem geeigneten Trocknungsmittel getrocknet (Block 1110). Die Membran wird mit einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst (Block 1112). Das Tensid in dem CCF wird denaturiert (Block 1114). Der verbleibende CCF enthält im Wesentlichen nur noch kristalline Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Die verbleibende CCF wird auf die Übertragungsfläche getempert (Block 1116). Der Prozess endet danach.
Obwohl bestimmte Schritte und Prozesse mit bestimmten Strukturen beschrieben werden, ist zu verstehen, dass die Schritte und/oder Prozesse angepasst werden können, um die hier beschriebenen Ergebnisse im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen zu erzielen. Obwohl bestimmte Materialien in mehreren Schichten oder Strukturen verwendet werden, ist zu verstehen, dass Ersatzmaterialien oder andere, aber funktionell gleichwertige Materialien anstelle der beschriebenen Materialien in allen hierin beschriebenen Schichten im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen verwendet werden können. Auch wenn bei bestimmten Schritten bestimmte Methoden verwendet wurden, ist zu verstehen, dass bei einer beschriebenen Methode ein Schritt weggelassen, hinzugefügt oder modifiziert werden kann, um ein funktionell ähnliches Ergebnis im Rahmen der veranschaulichenden Ausführungsformen zu erzielen. Obwohl bestimmte Operationen als „Schritt“ beschrieben werden, können mehrere Operationen in einem hier beschriebenen Prozess zu einem einzigen Schritt zusammengefasst werden. Obwohl bestimmte Ausrichtungen in Bezug auf eine beispielhafte vertikale Ausrichtung der vorgeschlagenen Vorrichtung als „oben“ und „unten“ bezeichnet wurden, ist zu verstehen, dass die Vorrichtung seitlich neu ausgerichtet werden kann, so dass oben und unten links/rechts oder rechts/links oder unten und oben oder vorne/hinten oder hinten/hinten/vorne werden, je nach Fall der Neuausrichtung.
Daher werden in den veranschaulichenden Ausführungsformen einen CCF, ein Verfahren zur Herstellung des CCF und ein Verfahren zur Verwendung der CCF bei der Herstellung von Halbleiter- und/oder Metallfilmen bereitgestellt. Wenn eine Ausführungsform oder ein Teil davon in Bezug auf einen Typ eines Materials beschrieben ist, sind das Herstellungsverfahrens-, das System- oder die Vorrichtung-, die Software-Implementierung oder ein Teil davon für die Verwendung mit einer anderen Ausführungsform dieses Materials anpassbar oder konfigurierbar.
Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich um ein Material, eine Vorrichtung, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt auf jeder möglichen technischen Detailebene der Integration handeln. Das Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Speichermedium (oder -medien) mit darauf befindlichen computerlesbaren Programmbefehlen umfassen, um einen Prozessor zu veranlassen, Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen. Ein computerlesbares Speichermedium, einschließlich, aber nicht beschränkt auf computerlesbare Speichergeräte, wie sie hier verwendet werden, ist nicht so auszulegen, dass es per se vorübergehende Signale wie Radiowellen oder andere sich frei ausbreitende elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Wellen, die sich durch einen Wellenleiter oder andere Übertragungsmedien ausbreiten (z.B. Lichtimpulse, die durch ein Glasfaserkabel laufen), oder elektrische Signale, die durch einen Draht übertragen werden, sind.
Die hierin beschriebenen computerlesbaren Programmanweisungen können von einem computerlesbaren Speichermedium oder über ein Netzwerk, z.B. das Internet, ein lokales Netzwerk, ein Weitverkehrsnetzwerk und/oder ein drahtloses Netzwerk, auf die entsprechenden Rechen- und Verarbeitungsgeräte heruntergeladen werden.

Claims

Ein Verfahren umfassend: elektrisches Aufladen einer Membran auf eine Polarität; Bewirken, dass eine Oberfläche von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) in einer Lösung eine Ladung der Polarität erhält; Filtrieren der Lösung durch die Membran, wobei eine elektromagnetische Abstoßung zwischen der Membran mit der Polarität und den CNTs mit der Polarität bewirkt, dass sich die CNTs spontan ausrichten, um eine kristalline Struktur zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Unterstützen, als Teil des Filtrierens, der Lösung zum Durchfiltrieren durch die Membran, wobei das Unterstützen das Anlegen eines Drucks an eine Seite der Membran umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Druck ein Unterdruck auf einer Filtrat-Seite der Membran ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Druck ein Überdruck auf einer Lösungsseite der Membran ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Aussetzen der Membran einem Plasma, wobei das Plasma der Membran eine negative Ladung verleiht und wobei die CNTs in der Lösung ebenfalls negativ geladen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Pulver, das die CNTs umfasst, mit dem flüssigen Medium und einem Tensid gemischt wird, um die Lösung zu bilden, wobei Moleküle des Tensids eine Ladung der Polarität aufweisen, und wobei ein Molekül des Tensids an einem CNT haftet, wodurch dem CNT die Polarität der Ladung verliehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die CNTs einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Membran für ein flüssiges Medium der Lösung porös ist, aber für die CNTs undurchlässig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kristalline Struktur ein Teil einer polykristallinen Struktur von CNTs ist, wobei die polykristalline Struktur von CNTs einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CCF) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kristalline Struktur mindestens drei CNTs umfasst, deren zylindrische Achsen in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind.
Verfahren, umfassend: Anordnen einer Membran, die einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CCF) enthält, auf einer Übertragungsfläche, wobei ein Trennmedium zwischen dem CCF und der Übertragungsfläche liegt; Entfernen des Trennmediums; Entfernen der Membran; Tempern des CCF, wobei das Tempern ein Tensid-Molekül aus dem CCF entfernt und der CCF an die Transferoberfläche bindet.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Anwenden eines Denaturierungsmittels auf den CCF vor dem Tempern, wobei das Denaturieren eine elektrische Ladung des Tensid-Moleküls in dem CCF verändert.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Erhitzen, als Teil des Temperns, der Übertragungsfläche mit dem CCF auf eine Temperatur in einer Kammer, während ein Vakuumniveau in der Kammer aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Anlegen von Druck an die Membran, um das Trennmedium zwischen dem CCF und der Übertragungsfläche gleichmäßig zu verteilen.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Anwenden eines Trocknungsmittels, wobei das Trennmedium Wasser umfasst und wobei das Trocknungsmittel das Trennmedium durch Trocknen des Wassers entfernt; und Trocknen der Membran unter Verwendung des Trocknungsmittels.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Anwenden eines Lösungsmittels, wobei das Lösungsmittel die Membran als Teil des Entfernens der Membran auflöst.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines kristallinen Films aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CCF), umfassend: eine Membran mit einer elektrischen Ladung mit einer Polarität; eine Lösung, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) enthält, wobei die CNTs in der Lösung eine Ladung der Polarität erhalten; einen Filtrierungsmechanismus zum Filtrieren der Lösung durch die Membran, wobei eine elektromagnetische Abstoßung zwischen der Membran mit der Polarität und den CNTs mit der Polarität bewirkt, dass sich die CNTs spontan zu einer kristallinen Struktur ausrichten.
Vorrichtung nach Anspruch 17, ferner umfassend: einen Unterstützungsmechanismus, der das Filtrieren der Lösung durch die Membran unterstützt, wobei der Unterstützungsmechanismus einen Druck auf eine Seite der Membran anlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Unterstützungsmechanismus einen Unterdruck auf eine Filtrat-Seite der Membran anlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Unterstützungsmechanismus einen Überdruck auf eine Lösungsseite der Membran anlegt.
Der Vorrichtung nach Anspruch 17, ferner umfassend: Sauerstoffplasma, wobei das Sauerstoffplasma der Membran eine negative Ladung verleiht und wobei die CNTs in der Lösung ebenfalls durch ein Tensid negativ geladen sind.
Eine Vorrichtung umfasst: eine Platzierungskomponente zum Platzieren einer Membran, die einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CCF) enthält, auf einer Übertragungsfläche, wobei ein Trennmedium zwischen dem CCF und der Übertragungsfläche liegt; einen ersten Entfernungsmittel-Applikator, um das Trennmedium zu entfernen; einen zweiten Entfernungsmittel-Applikator, um die Membran zu entfernen; eine Kammer zum Tempern des CCF, wobei das Tempern ein Tensid-Molekül aus dem CCF entfernt und den CCF an die Übertragungsfläche bindet.
Vorrichtung nach Anspruch 22, ferner umfassend: einen Applikator für ein Denaturierungsmittel, wobei das Denaturierungsmittel eine elektrische Ladung des Tensid-Moleküls in dem CCF verändert.
Herstellungsgegenstand, umfassend: einen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs), wobei die CNTs in einer kristallinen Struktur in dem Film angeordnet sind, wobei die kristalline Struktur mindestens drei CNTs umfasst, deren zylindrische Achsen in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind, wobei die kristalline Struktur ein Teil einer Domäne ist, wobei eine Vielzahl von Domänen eine polykristalline Struktur aus CNTs bildet, wobei die polykristalline Struktur aus CNTs einen kristallinen Film aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CCF) bildet.
Herstellungsgegenstand nach Anspruch 24, ferner umfassend: ein Substrat aus einem Substratmaterial, wobei der CCF an eine Übertragungsfläche des Substrats gebunden ist.