JP2014209630A - 堆積物を含む電子デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
カーボンナノバッド分子を含む電子デバイスの製造について、以下に詳述する。以下の方法は、本発明の一部の実施形態のための実施例として示す。実施例において用いられるナノバッド分子は、カナトゥオイ(Canatu Oy)社から市販されていており、特許出願公開公報第WO/2007/057501号明細書に開示される方法を用いて合成することができる。1ナノメートルあたり1つのフラーレンというフラーレン濃度を有するカーボンナノバッド分子を合成するために、公報第WO/2007/057501号明細書に開示される方法において、合成反応装置内のH2OおよびCO2の濃度は、それぞれ135ppmおよび4000ppmである。10ナノメートルあたり1つのフラーレンというフラーレン濃度を有するカーボンナノバッド分子を合成するための、対応するH2Oおよび二酸化炭素CO2の濃度は、それぞれ100ppmおよび500ppmである。
本発明の一実施形態による透明電極は、以下の手順に従って製造される。ナノバッド合成反応装置は、1000℃の燃焼室調整温度において操作される。ナノバッド生成物は、ニトロセルロースフィルタに集められ、反応装置は、ナノバッド生成物が10ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンの濃度を有するという条件において操作される。結果として生じる薄膜は、合成反応装置の外部にて透明PE基板に対して押圧され、堆積物は、室温においてニトロセルロースフィルタからPE基板へと転写される。結果として生じる層は、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬される。硝酸処理は、ナノバッド層の導電性を約10倍増加させ、エタノール処理は、ナノバッド層の導電性を更に5倍増加させる。これらの処理は、ナノバッド層の透過性に影響を及ぼさない。一例として、結果として生じるナノバッド薄膜のシート抵抗は、550ナノメートル波長における90%、50%、および40%の透過率について、それぞれ約500オーム/平方、100オーム/平方、および30オーム/平方であることが測定された。開示される方法によって製造されるカーボンナノバッド分子を含む透明電極は、例えば、ディスプレイ、光源、または太陽電池において用いられ得る。
本発明の一実施形態によるボトムゲート電界効果トランジスタは、以下の手順に従って製造される。ボトムゲートトランジスタは、ゲート誘電体としての役割を果たす、熱的に成長させたSiO2(100ナノメートル)でコーティングされ高度にBドープされたSi基板上に、1ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンの濃度を有するナノバッドネットワークを成膜することによって製造される。より優れた導電性のために、300ナノメートルのPt層の裏面がスパッタリングされる。ナノバッド成膜の前に、開いた領域を有するAZポリマー成膜のフォトリソグラフィ工程が実行される。アセトン中での剥離の後に、基板上にナノバッドネットワークがパターン形成される。引き続いて、第2フォトリソグラフィ工程は、次の金属電極成膜のために、開いた領域を有するPMMAを成膜する。ナノバッドトランジスタチャネルと接触するソース電極およびドレイン電極(30ナノメートルのTiおよび200ナノメートルのAu)は、電子ビーム蒸発装置を用いて成膜される。次に、AZポリマーおよび不必要な金属を除去する剥離プロセスが実行される。
本発明の一実施形態によるセンサは、FETの製造手順と同様の手順に従って製造される。センサは、ゲート誘電体としての役割を果たす、熱的に成長させたSiO2(100ナノメートル)でコーティングされ高度にBドープされたSi基板上に、ナノバッドネットワークを成膜することによって製造される。ナノバッド成膜の前に、ナノバッドネットワークチャネルと更に接触するソース電極およびドレイン電極(30ナノメートルのTiおよび200ナノメートルのAu)は、電子ビーム蒸発装置を用いて成膜される。異なるセンサデバイス間の電気的接触を回避するために、余剰CNTは、レーザによってエッチングされる。より優れた導電性のために、300ナノメートルのPt層の裏面をスパッタリングし、Pt層はゲート電極にバイアスをかけるために用いることができる。センサは、気相または液相において操作することにより、ガスおよび液体の分子を検出することができる。
本発明の一実施形態による電界放出光源は、以下の手順に従って製造される。連続する図9a乃至図9cによって、手順を概略的に示す。図9aは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図9cは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。デバイスは、「独立型」のデバイスであり得るか、またはディスプレイデバイスのピクセルの全部または一部であり得る。ナノバッド合成反応装置は、1000℃の燃焼室調整温度において操作される。生成物は、2つのニトロセルロースフィルタに集められ、反応装置は、ナノバッド生成物が1ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンの濃度を有するという条件において操作される。結果として生じる薄膜41の1つは、100℃の温度で金基板39に対して押圧され、堆積物はフィルタから金基板39へと転写される。ガラス基板37(例えば1平方センチメートルおよび厚さ0.5ミリメートル)は、ナノバッドでコーティングした金基板39にエポキシ樹脂で接着され、ガラス基板37と金層39との間にエポキシ層40が残される。第2ナノバッド堆積物41は、P20((Zn、Cd)S:Ag)蛍光体38でコーティングされたガラス基板37に対して押圧され、ナノバッド薄膜41は、室温においてフィルタから蛍光体コーティングガラス基板37へと転写される。金電極(図示せず)は、ナノバッドおよび蛍光体コーティングガラス37の2つの対向する端部においてスパッタリングされる。結果として生じる層状基板は、蛍光体38およびナノバッド41のコーティングを有しており、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬される。第1基板および第2基板が、ナノバッドコーティング表面41が内部に対向した状態で高真空にて接着されることにより、スペーサ要素42を用いて両者の間に真空ギャップ43が作り出される。真空ギャップ43の両側面上の2枚の被覆基板の間に電流が印加されると、デバイスは光源として機能する。
本発明の一実施形態による太陽電池は、以下の手順に従って製造される。連続する図10a乃至図10bによって、手順を概略的に示す。図10aは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図10bは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。ナノバッド合成反応装置は、1000℃の燃焼室調整温度において操作され、反応装置は、ナノバッド生成物が10ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンの濃度を有するという条件において操作される。生成物は、ニトロセルロースフィルタに集められる。結果として生じるナノバッド薄膜45は、透明PE基板44に対して押圧され、堆積物45は、室温においてフィルタからPE基板44へと転写される。結果として生じる第1ナノバッド層45は、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬されることにより、透明電極が作られる。1000℃の燃焼室調整温度およびナノバッド生成物が1ナノメートルにつきほぼ1つのフラーレンの濃度を有する条件において操作されるナノバッド合成反応装置から集められる第2ナノバッド層46は、ガラスフィルタ上に準備される。サンプルは、メタノール中のポリエチレンイミン(PEI)の20重量部溶液にオーバーナイトで浸漬され、その後、メタノールを用いて完全に洗浄される。サンプルは、次に感光性ルテニウムポリピリジン染料およびエタノールに浸漬される。薄膜を染料溶液に浸漬し、次に乾燥した後に、染料の薄膜層は、ナノバッドの表面に共有結合的に結合したままにされる。2つのナノバッド層を互いに押圧することによって、ナノバッド色素層46は、次に透明電極および第1ナノバッド層45へと転写される。導電性プラチナシート48にわたって広げられるヨウ化物電解液47の薄膜層によって、独立したバッキングが行われる。次に、ナノバッド層45、46を有する正面部分と、プラチナシート48上にヨウ化物電解液47を有する裏面部分とを、共に接合および封止することにより、電解液47が漏れることを防止する。この構造は、太陽電池として用いられる。
本発明の一実施形態による太陽電池は、以下の手順に従って製造される。連続する図12a乃至図12cによって、手順を概略的に示す。図12aは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図12cは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。ナノバッド合成反応装置は、1000℃の燃焼室調整温度において操作され、ナノバッド生成物は、2つの合成過程において2つのニトロセルロースフィルタ上に集められる。反応装置は、ナノバッド生成物が、一方のニトロセルロースフィルタ上では1ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンの濃度を有し、他方のニトロセルロースフィルタ上では10ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンの濃度を有する、という条件において操作される。10ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンを有して、結果として生じるナノバッド薄膜53は、透明PE基板52に対して押圧され、1ナノメートルあたりほぼ1つのフラーレンを有する他方のナノバッド薄膜53は、プラチナ基板57に対して押圧される。次に、ナノバッド薄膜53は、室温においてニトロセルロースフィルタからPE基板52およびプラチナ基板57へと転写される。両方のナノバッド薄膜53は、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬されることにより、PE基板52を含む透明電極、およびプラチナ基板57を含む不透明電極が作られる。PEDOT:PSSの薄い緩衝層54は、透明電極上でスピンコートされ、100℃の雰囲気中で乾燥される。P3HTおよびトルエンの溶液は、窒素雰囲気中でPEDOT:PSS層54上でスピンコートされることにより、厚さほぼ0.1マイクロメートルの堆積物55を作り出す。1000℃の燃焼室調整温度およびナノバッド生成物が1ナノメートルにつきほぼ1つのフラーレンの濃度を有する条件において操作されるナノバッド合成反応装置から集められる第3ナノバッド層56は、ガラスフィルタ上に準備される。第3層56は、130℃においてP3HT層55に対して押圧されることにより、第3ナノバッド層56は、P3HT層55の中に転写されて埋込まれる。プラチナ基板57上のナノバッド薄膜53は、次にP3HT/ナノバッド複合層58に対して押圧され、この結果として生じる構造が、太陽電池として用いられる。
本発明の一実施形態によるスーパーコンデンサは、いくつかのナノバッド層を成膜することによって製造される。連続する図11a乃至図11bによって、手順を概略的に示す。図11aは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図11bは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。浮動触媒エアロゾル反応装置からエアロゾル生成物をニトロセルロースフィルタ上に集めることによって、ナノバッド50の1つの導電層が基板上に成膜される。以下の実施例において、ナノバッドは、非導電性基板(PE)49または導電性基板49(例えばナノチューブ、ナノバッド、金、またはアルミニウム)のいずれかに転写成膜される。非導電性基板49に転写成膜される場合には、ナノバッド層50は、コレクタおよび多孔質電極としての役割を果たす。独立した導電性コレクタの場合には、第1および第2の導電性コレクタは、任意の高度に導電性または超電導性の素材であり得る。例としては、導電性金属(例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、またはステンレス鋼)、超電導セラミックスなどが挙げられる。スーパーコンデンサは、積み重ねられた構成および螺旋状に巻き付けた構成を含む他の設計であってもよいが、これらに限定されるものではない。ナノバッドは、陽極電極層および陰極電極層を形成する他の公知の技術によって、導電性または非導電性の基板49に成膜してもよい。理想的には、効率的な電荷蓄積のために、各電極は、電極において電荷蓄積を担う対応イオンの直径のほぼ3倍に対応する直径を有するナノバッドを含むべきである。ナノバッド分子の直径は、分子のチューブ状部分の直径として理解されるべきである。
Claims (8)
- 電子デバイスであって、前記デバイスがトランジスタであり、かつ、カーボンナノバッド分子を含む堆積物を含み、前記堆積物が1よりも大きいオン/オフ比を有する、ことを特徴とする電子デバイス。
- 前記堆積物が、キャリア輸送またはキャリア蓄積の機能を提供する、ことを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス。
- 前記トランジスタが、電界効果トランジスタ(18)である、ことを特徴とする請求項1乃至2のいずれか1項に記載の電子デバイス。
- 前記カーボンナノバッド分子が、電気伝導経路のネットワークを形成する、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電子デバイス。
- 前記カーボンナノバッド分子が、電気伝導経路の基本的に平行な配列を形成する、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電子デバイス。
- 電磁放射によって電子を励起する手段を提供するために、前記カーボンナノバッド分子が、少なくとも1つのフラーレン基を介して官能基化される、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電子デバイス。
- 前記堆積物のオン/オフ比が、好ましくは1×102よりも大きく、最も好ましくは1×104よりも大きい、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電子デバイス。
- 前記堆積物の半導電性が、前記堆積物の密度、導電経路の方向における前記堆積物の長さ、前記導電経路に対する垂直方向における前記堆積物の幅、前記堆積物の厚さ、フラーレンまたはフラーレン状付加物の濃度、および/または前記堆積物の導電分子および半導電分子の相対量によって制御可能である、ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電子デバイス。
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