JP2009528254A - 空間的に配列したナノチューブ及びナノチューブアレイの作製方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1E
Description
本出願は、参照することにより全体が本明細書に組み入れられる米国仮特許出願60/779714(2006年3月3日出願)の利益を主張する。
1990年代初頭における発見以来、カーボンナノチューブ材料の組成及び性質についてかなり研究が進んだ。この研究では、カーボンナノチューブが並外れた機械的、電子的、及び化学的性質を示すことが明らかとなったが、これは、それらの性質を利用した応用技術の開発に対する大きな関心を刺激することとなった。それに伴い、カーボンナノチューブ材料の有用な機能デバイスへの組織化、配置及び組込みのための技術開発において、現在多くの研究が進められている。
[発明の概要]
[発明の詳細な説明]
[参照による援用及び変型例に関する記述]
単層カーボンナノチューブ(SWNT)の薄膜は、受動及び能動(トランジスタ等)電子デバイスの半導体及び/又は導電体成分を提供することができる。可能性のある用途は、半導体SWNT膜が従来の小分子又はポリマー半導体に勝る利点を提供することができる大面積の機械的にフレキシブルなシステムから、大粒径ポリシリコン又はさらに単結晶シリコンの代替となることができる高性能デバイスまで様々である。前者の種類の用途では、SWNTのランダムネットワークが十分な性能を提供する可能性がある。後者では、SWNTの高密度充填配列アレイが好ましい。そのようなアレイの形成、それらの被覆のパターニング、そしておそらくはそれらとSWNTネットワークとの結合は、大きな実験的課題となっている。溶液中懸濁液からのSWNTの制御された堆積、又は特別な成長方法により、中程度の配列及び被覆率を達成することができる。
1.緒論
この実施例では、TFTのための効果的な半導体「薄膜」としての長手方向に配列したカーボンナノチューブの大規模アレイの使用について説明する。有効デバイス移動度(最大125cm2V−1s−1)は、同様の技術を用いて成長させたSWNTのランダムネットワークで達成することができている移動度(約50cm2V−1s−1)よりも大幅に高い。ここで示す結果は、電子機器及びセンサにおける様々な用途のためのSWNTの高品質配列アレイを生成するために安価な石英基板を使用することができることを示している。
図9は、SiO2及び単結晶石英上にそれぞれ成長させたランダム(パネルa)及び配列(パネルb)SWNTのAFM画像である。配列SWNTの配向(パネルc)及び直径(パネルd)のヒストグラムも図9に示されている。これらのデータは、配列チューブのほとんどが個々のチューブであることを示唆している。図9(a)及び(b)において、カラーバーは10nmの高さを表している。図9における原子間力顕微鏡(AFM)画像は、実験の項で説明した手順を使用してSiO2/Si上に成長させたSWNTである。石英上のチューブの分布(図9b)は配列したアレイを含みチューブ間の交差はほとんどなく、SiO2及び溶融石英ガラスを含む非晶質基板上で観察されるものとは非常に異なっている。図9のパネルc及びdはそれぞれ、図9のパネルbで示される基板の領域でのチューブの配向及び直径のヒストグラムを表す。AFM画像は、主として個別の単層チューブ(直径1±0.5nm)と一致している。2nmより大きい直径の構造は小さいバンドルと考えられる。直径分布はSiO2/Si上に成長させたチューブと同様である。
式中、IDはドレイン電流、VGはゲート電圧、Lはチャネル長、Wはチャネル幅、及びVDはドレイン電圧である。ゲート容量Cは、
(式中、εはゲート誘電体SU−8の誘電率(4.0)、ε0は真空の誘電率、tはゲート誘電体の厚さである)の関係から2.3×10−5Fm−2と予測される。平行構成では、デバイス移動度(標準的手順を使用して線形領域で評価)は、10μmのチャネル長で約125cm2V−1s−1に達することができる。この値は約10チューブμm−1の配列SWNTアレイで得られる。単純な幾何学的計算によると、「チューブごとの」移動度は約9000cm2V−1s−1であり、未処理の単一チューブデバイスでしばしば観察されるものに匹敵する。配列SWNTアレイの被覆率の増加がデバイス移動度の改善につながることも可能である。この目標を達成するのが我々の現在の研究の主要な焦点である。(チャネル長が短いと、ソース/ドレイン間のギャップをつなぐ金属的SWNTの存在により、オン/オフ比が低くなることに留意されたい。これらのチューブは、電気的破壊又は化学的機能化により選択的に排除することができる。)
要約すると、我々は、Y−カット単結晶石英を使用して、未処理のSWNTの高配列高密度充填水平アレイを広範囲にわたり形成することができることを示す。アレイの特徴やその成長条件への依存性の多くは、石英表面上のステップ端若しくはマイクロ/ナノファセットに沿った配列か、又は石英格子と関連したある方向に沿った優先的相互作用と一致する。Y−カット石英の低価格及び商業的入手性、並びにチューブの高密度アレイへの成長能力は、ここで紹介した手法の魅力的な特徴を表している。これらのアレイの形式(すなわち、平坦基板上での水平配置等)は、高性能TFTにより実証されたように、デバイスへの容易な統合を可能にする。これらの種類のアレイ、及びそれらを成長させる手段は、大量のSWNTを使用する様々な新規用途に貴重となると考えられる。
従来のCVD成長手順は、SiO2/Si基板での使用に最も定着している。この種の基板上にチューブを成長させ、AT−カット石英に対する結果との比較として使用した。脱イオン水により1:200(v/v)に希釈したフェリチン触媒(Aldrich)を基板上にキャストし、次いで900℃で10分間加熱して触媒を酸化させ、室温まで冷却した。水素環境下で900℃に加熱して触媒を還元した。900℃で1分間水素でパージした後、メタン(2500立方センチメートル毎分(sccm))及び水素(75sccm)の気流を900℃で10分間流すことにより、SWNTを成長させた。表面上の温度分布の一様性を高めるために、成長チャンバ中の研磨Siウエハー上に石英基板を設置した。成長後、石英の亀裂を避けるために、サンプルを徐々に冷却した(<5℃min−1)。
本発明は、後にフレキシブルポリマー基板又はデバイス成分(電極、絶縁体、半導体等)で事前にパターニングされた基板等のデバイス基板に転写可能な、触媒でパターニングされた誘導成長基板上に作製された長手方向に配列したナノチューブの印刷可能なアレイを提供する。本発明の印刷可能なナノチューブアレイは、効率的な転写が可能であり(例えばナノチューブの少なくとも90%が転写される)、また、アレイ中のナノチューブの相対的配向及び位置が維持されるような転写が可能である。
ある実施形態において、本発明のナノチューブアレイを作製する方法は、アレイのカーボンナノチューブの長手方向の配列を提供するようにナノチューブの成長を媒介することができる誘導成長基板を使用する。有用な誘導成長基板には、約0度から約42.75度にわたる範囲から選択される切断角度を有するY−カット石英基板が含まれる。
本発明は、誘導堆積基板を使用して、ナノチューブを長手方向に配列した空間的配向に、及び/又は長手方向に配列したナノチューブのアレイとして集合させる方法を含む。これらの方法において、ナノチューブと、表面活性剤等の任意選択の溶液添加物とを含有する溶液が、溶液堆積により誘導堆積基板に提供される。誘導堆積基板と滴下される溶液中のナノチューブとの間の相互作用により、ナノチューブの長さが基板の誘導成長軸に平行となるようなナノチューブの配列が提供される。任意選択で、本発明の誘導堆積法は、溶液/溶液成分(界面活性剤等)除去ステップ、ナノチューブ/ナノチューブアレイ精製処理、及び/又はナノチューブ/ナノチューブアレイ転写ステップ(例えば配列したナノチューブの相対的配向が維持されるような他の基板への転写等)を含む。
HiPcoプロセス又はレーザ蒸発法により生成された単層カーボンナノチューブ(SWNT)を、2wt.%の界面活性剤ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル(トリトンX−405)を使用して水中に懸濁させる。SWNT溶液の濃度は典型的には5〜7mgml−1である。SWNTの直径及び長さはそれぞれ1〜5nm及び300〜3μm(平均長さ:500nm)である。
式中nは40に等しい。以下の参考文献はSWNTと様々な界面活性剤との相互作用について説明しており、参照することにより本明細書に組み入れられる。(1)Nano Letters、vol.3(No.10)、1379〜1382(2003)及び(2)Science、vol.297(No.26)、593〜596(2002);並びにNano Letters、vol.3(No.2)、269〜273(2003)。カーボンナノチューブの溶液中のトリトンX−405界面活性剤の場合、界面活性剤のベンゼン環がSWNT表面への強い結合に関与し、界面活性剤のアルキル鎖がナノチューブの長さに沿って伸びるように選択的に配列すると考えられる。
SWNT溶液の液滴(約20μl)を石英誘導堆積基板上に滴下する。試験された石英基板の組成と切断角度には、例えば0−Yカット石英基板(0度ミスカット)、ATカット石英基板(35.15度ミスカット)、及びSTカット石英基板(42.75度ミスカット)等、約0度から約42.75度にわたる範囲から選択される切断角度を有するY−カット石英基板が含まれた。石英ウエハーは、α相からβ相への変化のために、使用前に900℃で30分間アニールする。石英基板の表面粗さは、典型的には約3Å未満である。
本発明の方法は、薄膜型トランジスタにおける半導体として個々の単層カーボンナノチューブ(SWNT)の長手方向に配列した高密度アレイを使用する高性能電子機器の作製に有用な処理経路を提供する。多数のSWNTは、電子的に不均質なSWNTでも、優れたデバイスレベルの性能特性と良好なデバイス間の一貫性を可能にする。約1000本もの多くのSWNTを含むpチャネル及びnチャネルトランジスタに対する測定では、それぞれ約1200cm2/Vs、約700S/m及び??Aのデバイスレベルの移動度、スケーリングされた相互コンダクタンス、及び電流出力が示されている。これらのアレイに対する静電界効果の結合の厳密モデルを使用した分析は、デバイスが個々のSWNTの魅力的な電子的性質を維持することを示唆している。単純なPMOS及びCMOSの論理ゲートが、達成可能な単純な回路のビルディングブロックの例を提供する。総合的に、これらの結果は、高性能SWNTベース薄膜電子回路、発光素子、光検出器、センサ及び他の関連システムへの現実的な道を実証している。
方向に沿って、また原子間力顕微鏡の測定分解能以内(すなわち、数ミクロンの長さにわたり約10nm)で線形の構成で伸びている(図25A及び図29)。ほぼ理想的なこのレイアウトは、特に高いDをもって得られる場合、ここで示されるデバイスの結果にとって重要となる大きな進歩を示す。この剥離及び鉄薄膜触媒処理により、アレイのナノチューブの位置、密度、及び配列が非常に良好に制御される。誘導成長(又は誘導堆積)基板の受容表面上に触媒をパターニングするための他の関連した手法は、誘導成長基板上の鉄膜のパターニング材料除去(エッチングなど)を行うことである。この実施形態において、任意選択で均一な厚さを有する触媒の膜が誘導成長(又は堆積)基板の受容表面上に設けられ、例えばエッチング又は脱着技術により選択された領域の材料が膜から除去され、それにより、触媒含有領域と、実質的に触媒が存在しない領域のパターンが作製される。
に従う静電容量Cの平行平板モデルから測定される傾きを使用して計算された、チャネル長の関数としての線形領域のデバイス移動度を示す。結果は、L>27μmに対し約1200cm2/Vsという高いデバイスレベル移動度を示し、この値はおそらくは接触の効果に起因してLが小さいほど減少する(19〜20)。静電容量に対するこの単純な平行平板モデルの有効性、より広範には、チューブのゲートへの静電結合の性質は、異なるDを有するデバイスの測定を通して探求することができる。
(式中、Ctは、アレイ中の半導体的チューブの単位長さあたりの静電容量、Dsは、デバイスの幅に沿った単位長さあたりの有効な半導体的チューブ(すなわちソース/ドレイン電極をつなぐ半導体的チューブ)の数である)を使用する。チャネルにおけるSWNTの約2/3が半導体的であり、Dsが約3SWNT/μmとなるようにその約80%がソース電極とドレイン電極をつないでいると仮定すると、D=5SWNT/μmでチャネル長が長いデバイス(L=52μm)では、この値は約2200±200cm2/Vsである。デバイス移動度と同様、チューブごとの移動度もチャネル長とともに減少し(例えばL=7μmで約800cm2/Vs)、これは、単一チューブデバイスで報告されている接触効果に基づく推定と定性的に一致している。したがって、長いチャネル長で得られる移動度は、固有値の最も良好な推定値を与える。アレイ中のチューブの直径の実測分布(図29)により重み付けを行った単一チューブデバイスから推測される直径依存性の移動度の平均化により、アレイ中の大直径チューブ(3〜4nm)を計算に含めた場合約4300cm2/Vsという値が得られ、またこれらのチューブを小さなバンドルと仮定し、そのため計算に含めない場合、約3000cm2/Vsという値が得られる。これらの値は、アレイデバイスに対する測定から決定された結果よりも若干高いが、後者の差はごくわずかである。様々なチューブ密度のデバイス(D=0.2、0.5、1、5SWNT/μm、L=12μm)におけるチューブごとの移動度の分析では約1100±100cm2/Vsであり、Dへの依存性は弱いか無視できる程度である。総合的に、これらの結果は分析手法及び静電容量モデルの有効性を証明しており、アレイ中の個々の半導体的チューブに対し計算された電子的性質は、単一チューブデバイスにおいて観察されるものと類似していることを示している。
ここに示された結果は、高い性能を有するSWNTベースの薄膜電子機器への単純で拡張可能な道を提供する。特にここで達成される完全性のレベルでのアレイ配置は、現在単一チューブでの実装という形でのみ存在している他の様々な用途にも有用となるはずである。例としては、発光ダイオード、光検出器、化学センサ、ナノエレクトロメカニカル振動子、及び導電性又は熱伝導性素子等が含まれる。
6(a)(i)配列SWNTアレイデバイスの製造
SWNT成長:触媒化学気相蒸着(CVD)を使用して配列SWNTを成長させた。成長の前に、STカット石英ウエハー(Hoffman Inc.)を空気中で8時間900℃でアニールした。成長プロセスの第1のステップでは、石英上のフォトレジスト(AZ 5214)層にライン(W=10μm及びL=1cm)を形成するためのフォトリソグラフィーと、それに続いて厚さ<0.5nmの鉄薄膜(Kurt J.Lesker Co.;99.95%)の電子ビーム蒸着(3×10−6Torr;Temescal CV−8)を行った。アセトンによるフォトレジストの剥離により、サブモノレイヤが被覆された細いストリップとして鉄のパターンが残った。大気中で550℃で鉄を酸化させることにより、約1nm近い直径の分離した酸化鉄ナノ粒子が形成される。粒子は、SWNTのCVD成長のための触媒の種を形成した。水素環境下で900℃に加熱して触媒を還元した。900℃で5分間水素でパージした後、メタン(1900立方センチメートル毎分(sccm))及び水素(300sccm)の気流を900℃で1時間流すことにより、SWNTを成長させた。表面上の温度分布の一様性を高めるために、成長チャンバ中の研磨Siウエハー上に石英基板を設置した。SWNTは、
方向に沿って優先的に成長する。
電気的破壊プロセス:高いオン/オフ比を得るための1つの方法は金属的ナノチューブの電気的破壊を含む。ここで説明されるデバイスでは、このプロセスにおいてゲート電圧を+20Vに保持しつつドレイン電圧を0Vから負の値まで掃引した。最大50Vの電圧までの複数回の掃引により、最終的にデバイス中の事実上すべてのオフ状態の電流が除去された。単一チューブデバイスでの検討に基づく予測と一致して、約25μAの明確なステップで電流の減少が起こる傾向があった。図31は、100nm Au層ソース及びドレイン電極を有するSu8(150nm)/SiO2(100nm)/Si基板上の、D=4、L=12μm、W=200μmから構成されるデバイスに対し行った場合の、これらの手順のいくつかの側面をまとめたものである。
同様に、TFTデバイスの有効電界効果移動度を以下のように定義する。
式中、CWは単位面積あたりの固有静電容量である。例えば、CW=ε0εIns/dは、平板コンデンサの(単位面積あたりの)固有静電容量である。
CWとCの間の関係は、TFT性能に関する結論にとって重要である。単位幅あたりD本のチューブを有するTFTデバイスの総電荷密度(及び電流)を得るには、単一チューブの静電容量にDを乗じる必要がある。
CW=D・C
Ref.[S.V.Rotkin、Applied Physics of Nanotubes、(編集:Avouris P.)、Springer Verlag GmbH Co.、KG 2005]で示したように、SWNTの静電容量には、量子的寄与と幾何学的寄与の2つの寄与がある。前者は、SWNT状態密度により得られ、CQ=e2g0〜3.2となる[S.Rosenblatt、Y.Yaish、J.Park、J.Gore、V.Sazonova、P.L.McEuen、Nano Lett.2002、2、869.K.A.Bulashevich、S.V.Rotkin、Jetp Lett.2002、75、205]。後者は、均一な間隔1/Dを有する平行SWNTの無限アレイに対して以下の式で我々が最近導出している。
式中、RはSWNTの半径、tはゲート電極までの距離、εsはチューブを設置する表面/界面の誘電率である。石英/SWNT/SU−8サンドイッチ構造におけるSWNTでは、これらの材料、つまり石英基板(εSiO2約4.1)、ゲート誘電体(SU−8 Epoxy、εSU−8=3.9)の間の低い誘電率の差に起因して、誘電率εs=(εSiO2+εSU−8)/2=約4である。石英又は樹脂基板上に転写されたSWNTアレイでは、有効静電容量は基板の静電容量の半分で、εs=(εSiO2/SU−8+1)/2=約2である(1は空気の誘電体誘電率である)。
SWNT TFTの単位面積あたりの固有静電容量は、以下の解析的な式を有する。
この式は、小さな無次元パラメータ1/(Dt)(これは単に幅tの領域中のSWNTの数であり、チューブはまだ静電的に結合している)での級数展開が可能である。より長い間隔距離でのチューブはゲートにより完全に選別される。すると固有静電容量は以下のようになる。
最後の式では、高密度アレイD>>1/tではDtの項以下は無視されるべきとしている。
この式により、TFTドレイン電流を以下のように予測することができる。
以下の2つの結論を導出することができる。(1)この式は、ゲートまでの距離の逆数よりも高い密度を有する(D>1/t)SWNT TFTの静電容量結合が同じ配置の固体金属平板チャネルの静電容量とほぼ等しいことを示している。(2)SWNT TFTの有効移動度は、チューブ間の選別に起因してこの密度で飽和する。Dを増加させることで単位幅あたりの電流チャネルの数を増加することができるが、全体的な電流は個々のチャネルごとのより低い電荷密度に起因してほぼ一定となる。この分析は、TFTデバイスの有限長に起因した漏れ電界効果(その効果として電界容量が若干少なく見積もられる)を考慮していないことに留意されたい。
SWNTアレイの静電容量は、チューブ間距離1/Dへの弱い(ログ)依存性を有する。静電容量結合に対する結果が上述の分析において使用された間隔の仮定からの偏差にも影響を受けるのはごくわずかであることを示している。数値シミュレーションは、単一デバイスの異なる部分におけるDの変動もわずかな角度の偏差も静電容量値に対する大きな補正には寄与しないことを確証している。
D>>1/tの領域では、デバイスあたりのチューブの数の変動も無視することができる。デバイス幅あたりのチューブの数がより少ないことは、若干電流チャネルの数がより少ないことを意味するが、我々の上述の式に従うと静電容量結合がより良いことも意味する。これらの2つの効果は互いに相殺し合い、したがって全体的なデバイスの静電容量は有効なデバイス幅にのみ依存する。
本発明の方法は、任意選択で、誘導成長又は誘導堆積により生成された、長手方向に配列したナノチューブ及び/又はナノチューブアレイを転写するステップを含む。本発明のこの態様は、長手方向に配列したナノチューブ及び/又はナノチューブアレイを、フレキシブル基板(ポリマー基板等)、機能性基板、平面基板、及び/又は成形基板等の様々な基板上に生成するために、また長手方向に配列したナノチューブ及び/又はナノチューブアレイを、複数層配置を含む選択された空間的配向、構成、及び位置で生成するために有用である。
誘導堆積を使用した長手方向に配列したナノチューブ及びナノチューブアレイの生成は、インクジェット印刷、スクリーン印刷、液体ベースの印刷及びマイクロコンタクト印刷等を含むがこれらに限定されないいくつもの溶液印刷法を用いることができる。
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Claims (85)
- 受容表面を有する誘導成長基板を提供するステップと、
前記受容表面をカーボンナノチューブ成長触媒でパターニングすることにより、前記受容表面の触媒含有領域と、前記受容表面の実質的に触媒が存在しない領域との2次元パターンを生成するステップと、
誘導成長により前記誘導成長基板上にナノチューブを成長させるステップと
を含む、長手方向に配列したカーボンナノチューブのアレイを作製する方法であって、
前記ナノチューブの少なくとも一部が、前記誘導成長基板の少なくとも1つの主誘導成長軸に平行なナノチューブ成長軸に沿って成長し、前記ナノチューブの少なくとも一部が、前記受容表面の前記触媒含有領域から実質的に触媒が存在しない前記領域まで成長することにより、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイを作製する方法。 - 前記基板上にナノチューブを成長させる前記ステップが、前記受容表面上にパターニングされた前記カーボンナノチューブ成長触媒の前駆体ガスへの曝露により行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記基板上にナノチューブを成長させる前記ステップが化学気相蒸着により行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記基板上にナノチューブを成長させる前記ステップが単層カーボンナノチューブを生成する、請求項1に記載の方法。
- 前記誘導成長基板が単結晶サファイア又は単結晶石英である、請求項1に記載の方法。
- 前記誘導成長基板がY−カット石英基板である、請求項1に記載の方法。
- 前記Y−カット石英基板が、約0度から約42.75度にわたる範囲から選択される切断角度を有する、請求項6に記載の方法。
- 前記誘導成長基板がATカット石英基板又はSTカット石英基板である、請求項1に記載の方法。
- 前記触媒含有領域が、約1000粒子μm−2から約10粒子μm−2の範囲から選択される触媒の表面濃度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記受容表面の実質的に触媒が存在しない前記領域が、約1粒子μm−2以下の触媒の表面濃度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記触媒含有領域が、前記受容表面の実質的に触媒が存在しない前記領域により互いに隔てられた触媒の帯である、請求項1に記載の方法。
- 前記触媒の帯が、前記誘導成長基板の前記主誘導成長軸に垂直に配向した長手方向の触媒配列軸に沿って長手方向に配向している、請求項1に記載の方法。
- 前記触媒の帯が、平行な触媒配列軸に沿って長手方向に配向した第1の帯と第2の帯とを備え、前記ナノチューブの少なくとも一部が、前記第1の帯から前記第2の帯に延在する前記ナノチューブ成長軸のセグメントに沿って成長することにより、前記第1の帯から前記第2の帯に延在する長手方向に配列したナノチューブの前記アレイを生成する、請求項12に記載の方法。
- 触媒の前記第1の帯と第2の帯との間に位置する長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度が、約5ナノチューブμm−1以上である、請求項13に記載の方法。
- 前記アレイの前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも95%が、互いに約10度以内で平行である、請求項1に記載の方法。
- 前記アレイの前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも95%が高い直線度を示す、請求項1に記載の方法。
- 前記受容表面をカーボンナノチューブ成長触媒でパターニングする前記ステップが、
前記受容表面の選択された堆積エリアに触媒を堆積させるステップと、
前記触媒含有領域の間の前記受容表面の前記堆積エリアへの触媒の蓄積を防止することにより、前記受容表面の触媒含有領域と実質的に触媒が存在しない領域との2次元パターンを生成するステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記受容表面をカーボンナノチューブ成長触媒でパターニングする前記ステップが、
前記受容表面に前記ナノチューブ成長触媒の触媒層を提供するステップと、
前記触媒層の選択されたエリアから触媒を除去することにより、前記受容表面の触媒含有領域と実質的に触媒が存在しない領域との前記2次元パターンを生成するステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記誘導成長基板をアニールするステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブ成長触媒を酸化させるステップ、前記カーボンナノチューブ成長触媒を還元するステップ、又は前記カーボンナノチューブ成長触媒を酸化するステップと還元するステップの両方をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記誘導成長基板の前記受容表面から異なる基板の表面へ、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイを転写するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記誘導成長基板の前記受容表面から前記異なる基板の前記表面へ、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイを転写する前記ステップが、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイのコンタクト印刷、マイクロコンタクト印刷、転写印刷、乾式転写印刷、又は溶液印刷を行うことにより達成される、請求項21に記載の方法。
- 長手方向に配列したカーボンナノチューブのアレイを備える構成物であって、前記長手方向に配列したナノチューブが、互いに10度以内で平行な長さに延在し、前記アレイが、約0.1ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、構成物。
- 前記アレイ中の前記長手方向に配列したナノチューブが、互いに1度以内で平行な長さに延在し、前記アレイが、約10ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、請求項23に記載の構成物。
- 前記長手方向に配列したナノチューブが、互いに10度以内で平行な長さに延在し、前記アレイが、約10ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、請求項23に記載の構成物。
- 前記アレイの前記ナノチューブの少なくとも95%が、絶対平行性からの20度以下の偏差で互いに平行に延在する、請求項23に記載の構成物。
- 長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイが印刷可能である、請求項23に記載の構成物。
- 前記長手方向に配列したカーボンナノチューブが単層ナノチューブである、請求項23に記載の構成物。
- 前記アレイ中の前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも95%が高い直線度を示す、請求項23に記載の構成物。
- 基板をさらに備え、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイが前記基板により支持される、請求項23に記載の構成物。
- 前記基板が、ポリマー、誘電体、金属、セラミック、ガラス、半導体、及び紙より成る群から選択される材料を含む、請求項30に記載の構成物。
- 前記基板がフレキシブル基板を含む、請求項30に記載の構成物。
- 前記基板が、受容表面を有する誘導成長基板又は誘導堆積基板を含み、前記長手方向に配列したナノチューブが、前記受容表面により支持され、前記誘導成長基板の主誘導成長軸又は前記誘導堆積基板の主誘導堆積軸に10度以内で平行な長さに延在する、請求項30に記載の構成物。
- 前記誘導成長基板又は誘導堆積基板が単結晶石英基板である、請求項33に記載の構成物。
- 長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイにより支持される、長手方向に配列したナノチューブの少なくとも1つの追加のアレイをさらに備える、請求項23に記載の構成物。
- 前記アレイ中の前記長手方向に配列したナノチューブの少なくとも一部と電気的に接触した電極をさらに備える、請求項23に記載の構成物。
- 長手方向に配列したカーボンナノチューブのアレイであり、前記長手方向に配列したナノチューブが、互いに10度以内で平行な長さに延在し、前記アレイが、約0.1ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、前記アレイと、
前記アレイの前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも一部と電気的に接触した少なくとも1つの電極と、を備える電子デバイス。 - 前記長手方向に配列したナノチューブの少なくとも95%が、互いに10度以内で平行な長さに延在し、前記アレイが、約10ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、請求項37に記載の電子デバイス。
- 長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイにより支持される、長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも1つの追加のアレイをさらに備える、請求項37に記載の電子デバイス。
- 薄膜電子デバイスを備える、請求項37に記載の電子デバイス。
- 薄膜トランジスタを備え、前記アレイの前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも一部と電気的に接触したソース電極及びドレイン電極が設けられ、前記ソース及びドレイン電極から隔てられたゲート電極をさらに備え、前記ゲート電極への電位の印加は、前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも一部を介した電子の流れに作用する、請求項40に記載の電子デバイス。
- 前記アレイ中の前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも95%が高い直線度を示す、請求項37に記載の電子デバイス。
- 複数のナノチューブアレイであり、前記ナノチューブアレイのそれぞれが、互いに10度以内で平行な長さを有する長手方向に配列した複数のカーボンナノチューブを備え、前記アレイのそれぞれが、約1ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、前記複数のナノチューブアレイと、
前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイの少なくとも一部と電気的に接触した少なくとも1つの電極とを備える、電気デバイスのアレイ。 - 前記アレイのそれぞれが、互いに1度以内で平行な長さを有する長手方向に配列した複数のナノチューブを備え、前記アレイのそれぞれが、約10ナノチューブμm−1以下の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、請求項43に記載の電子デバイス。
- 前記アレイのそれぞれが、互いに10度以内で平行な長さを有する長手方向に配列した複数のナノチューブを備え、前記アレイのそれぞれが、約10ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、請求項43に記載の電気デバイスのアレイ。
- 薄膜電子デバイスのアレイを備える、請求項43に記載の電気デバイスのアレイ。
- フレキシブル基板をさらに備え、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイが前記フレキシブル基板により支持される、請求項43に記載の電気デバイスのアレイ。
- 前記ナノチューブアレイの1つ又は複数により支持される長手方向に配列したナノチューブの追加のアレイをさらに備える、請求項43に記載の電気デバイスのアレイ。
- 前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも一部と電気的に接触した前記電極が、誘導成長基板上に設けられた触媒の帯である、請求項43に記載の電気デバイスのアレイ。
- 受容表面を有する石英誘導成長基板を提供するステップと、
前記受容表面をカーボンナノチューブ成長触媒でパターニングすることにより、前記受容表面の触媒含有領域と、前記受容表面の実質的に触媒が存在しない領域との2次元パターンを生成するステップと、
誘導成長により前記石英誘導成長基板上にナノチューブを成長させるステップと
を含む、長手方向に配列したカーボンナノチューブのアレイを作製する方法であって、
前記ナノチューブが、前記誘導成長基板の少なくとも1つの主誘導成長軸に平行なナノチューブ成長軸に沿って成長し、ナノチューブが、前記受容表面の前記触媒含有領域から実質的に触媒が存在しない前記領域まで成長することにより、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイを作製する方法。 - 前記カーボンナノチューブを含有する溶液を提供するステップと、
受容表面を有する誘導堆積基板を提供するステップと、
前記カーボンナノチューブを含有する前記溶液を、前記誘導堆積基板の前記受容表面と接触させるステップと
を含む、長手方向に配列したカーボンナノチューブのアレイを基板上に作製する方法であって、
前記ナノチューブの少なくとも一部が、前記誘導堆積基板の主誘導堆積軸に平行な配列軸に沿って長手方向に配列することにより、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイを前記基板上に作製する方法。 - 前記誘導堆積基板が単結晶サファイア又は単結晶石英である、請求項51に記載の方法。
- 前記誘導堆積基板がY−カット石英基板である、請求項51に記載の方法。
- 前記Y−カット石英基板が、約0度から約42.75度にわたる範囲から選択される切断角度を有する、請求項51に記載の方法。
- 前記誘導堆積基板がATカット石英基板又はSTカット石英基板である、請求項51に記載の方法。
- 前記ナノチューブが、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、又は、単層ナノチューブと多層ナノチューブの両方である、請求項51に記載の方法。
- 前記溶液中のナノチューブの濃度が、1ナノグラムcm−3から1グラムcm−3にわたる範囲から選択される、請求項51に記載の方法。
- 前記溶液が、キャリア液、溶媒、界面活性剤、保存料、希釈剤、抗凝集剤、及び安定剤より成る群から選択される1つ又は複数の成分をさらに含む、請求項51に記載の方法。
- 前記溶液が、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールドデシルエーテル、ポリエチレングリコールソルビタンモノラウレート、ポリビニルピロリドン、PEO(ポリエチレンオキサイド)−PBO(ポリブチレンオキサイド)−PEOトリブロックポリマー、及びPEO−PPO(ポリプロピレンオキサイド)−PEOトリブロックポリマーより成る群から選択される界面活性剤をさらに含む、請求項51に記載の方法。
- 前記カーボンナノチューブを含有する前記溶液を、前記誘導堆積基板の前記受容表面と接触させる前記ステップが、溶液印刷法又は流体送出法により行われる、請求項51に記載の方法。
- 前記溶液印刷法が、スクリーン印刷、マイクロコンタクト印刷、インクジェット印刷、熱転写印刷、及び毛細管現象による印刷より成る群から選択される、請求項60に記載の方法。
- 前記流体送出法が、滴下乾燥、バーコーティング、スピンコーティング、及びスプレーコーティングより成る群から選択される、請求項60に記載の方法。
- 前記ナノチューブが、自己集合により前記誘導堆積基板上に長手方向に配列する、請求項51に記載の方法。
- 前記誘導堆積基板の前記受容表面から異なる基板の表面へ、前記長手方向に配列したカーボンナノチューブ又はナノチューブアレイを転写するステップをさらに含む、請求項51に記載の方法。
- 前記異なる基板が、フレキシブル基板又は機能デバイス成分で事前にパターニングされた基板である、請求項64に記載の方法。
- 前記異なる基板が、ポリマー、誘電体、金属、セラミック、ガラス、半導体、及び紙より成る群から選択される材料を含む、請求項64に記載の方法。
- 前記誘導堆積基板の前記受容表面から前記異なる基板の前記表面へ、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイを転写する前記ステップが、コンタクト印刷、マイクロコンタクト印刷、転写印刷、乾式転写印刷、又は溶液印刷により行われる、請求項64に記載の方法。
- 長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイが、約5ナノチューブμm−1以上の密度を有する、請求項51に記載の方法。
- 前記アレイ中の前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも95%が、互いに約20度以内で平行な長さに延在する、請求項51に記載の方法。
- 前記アレイ中の前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも95%が高い直線度を示す、請求項51に記載の方法。
- 誘導成長基板又は誘導堆積基板上に、長手方向に配列したカーボンナノチューブの第1のアレイを生成することにより、第1のナノチューブアレイ層を生成するステップと、
誘導成長基板又は誘導堆積基板上に、長手方向に配列したカーボンナノチューブの第2のアレイを生成するステップと、
前記誘導成長基板又は誘導堆積基板から、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記第1のアレイに、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記第2のアレイを転写することにより、前記第1のナノチューブアレイ層により支持された第2のナノチューブアレイ層を生成するステップと
を含む、複数層のカーボンナノチューブアレイ構造を作製する方法。 - 前記誘導成長基板又は誘導堆積基板から受容基板の受容表面へ、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記第1のアレイを転写するステップをさらに含む、請求項71に記載の方法。
- 長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記第2のアレイが、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記第1のアレイの外側表面、又は、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記第1のアレイの外側表面上の中間層に転写される、請求項71に記載の方法。
- 前記第1のアレイ及び前記第2のアレイが、中心配列軸に平行に配向された長手方向に配列したカーボンナノチューブを備える、請求項71に記載の方法。
- 前記第1のアレイが、第1の中心配列軸に平行な第1の組の配列軸に沿って延在する長手方向に配列したカーボンナノチューブを備え、前記第2のアレイが、第2の中心配列軸に平行な第2の組の配列軸に沿って延在する長手方向に配列したカーボンナノチューブを備え、前記第1及び第2の中心配列軸が互いに平行ではない、請求項71に記載の方法。
- 前記第1及び第2の中心配列軸が互いに直角である、請求項75に記載の方法。
- 前記第1及び第2の中心配列軸が、所定数の度だけ互いに角度をもってずれている、請求項75に記載の方法。
- 1つ又は複数の誘導成長基板又は誘導堆積基板上に、長手方向に配列したカーボンナノチューブの1つ又は複数の追加のアレイを生成するステップと、
前記誘導成長基板又は誘導堆積基板から、前記第1のアレイ、第2のアレイ、又はその両方に、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記追加のアレイを転写することにより、前記第1のアレイ層、第2のアレイ層、又はその両方により支持された追加のナノチューブアレイ層を生成するステップとをさらに含む、請求項71に記載の方法。 - 長手方向に配列したカーボンナノチューブの第1のアレイであり、前記第1のアレイの前記長手方向に配列したナノチューブが、第1の中心配列軸に10度以内で平行な長さに延在し、前記第1のアレイが、約0.1ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、前記第1のアレイと、
前記第1のアレイにより支持される、長手方向に配列したカーボンナノチューブの第2のアレイであり、前記第2のアレイの前記長手方向に配列したナノチューブが、第2の中心配列軸に10度以内で平行な長さに延在し、前記第2のアレイが、約0.1ナノチューブμm−1以上の長手方向に配列したカーボンナノチューブの密度を有する、前記第2のアレイと
を備える複数層のカーボンナノチューブアレイ構造。 - 前記第1の中心配列軸及び前記第2の中心配列軸が互いに平行である、請求項79に記載の複数層のカーボンナノチューブアレイ構造。
- 前記第1の中心配列軸及び前記第2の中心配列軸が、所定数の度だけ互いに角度をもってずれている、請求項79に記載の複数層のカーボンナノチューブアレイ構造。
- 前記第1の中心配列軸及び前記第2の中心配列軸が互いに直角である、請求項79に記載の複数層のカーボンナノチューブアレイ構造。
- 前記第1及び第2のアレイの前記長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも95%が高い直線度を示す、請求項79に記載の複数層のカーボンナノチューブアレイ構造。
- 前記第1のアレイ、前記第2のアレイ、又はその両方により支持される、長手方向に配列したカーボンナノチューブの少なくとも1つの追加のアレイをさらに備える、請求項79に記載の複数層のカーボンナノチューブアレイ構造。
- 気相の前記カーボンナノチューブを提供するステップと、
受容表面を有する誘導堆積基板を提供するステップと、
気相の前記カーボンナノチューブを、前記誘導堆積基板の前記受容表面と接触させるステップと
を含む、長手方向に配列したカーボンナノチューブのアレイを基板上に作製する方法であって、
前記ナノチューブの少なくとも一部が、前記誘導堆積基板の主誘導堆積軸に平行な配列軸に沿って長手方向に配列することにより、長手方向に配列したカーボンナノチューブの前記アレイを前記基板上に作製する方法。
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