JP2017512179A - 整列しているカーボンナノチューブの浮揚蒸発性組織化 - Google Patents

Abstract

高度のナノチューブ整列を有する半導体性単層カーボンナノチューブの高密度膜を提供する。また、この膜の製造方法及び伝導チャネル物質としてこの膜を組み込んでいる電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）も提供する。この単層カーボンナノチューブを、可溶化した単層カーボンナノチューブを含有している有機溶媒の薄層から堆積させる。この有機溶媒は、水性媒体の表面上に拡散し、固体の基材に接触すると、蒸発性自己組織化を誘発する。

Description

〈関連出願の相互参照〉
本願は、２０１４年２月１１日に出願された米国特許出願第１４／１７７，８２８号の優先権を主張するものであり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）は、その興味深い物理的及び化学的性質のため、ナノスケール科学及び技術のための重要な基礎的要素である。ＳＷＣＮＴは、高速かつ低電力の半導体エレクトロニクスのために特に有望である。しかしながら、これらの基礎的要素を、整理された組立て部品及び究極的には有用なデバイスへと階層的に組織することは難題である。不規則な網目状のＳＷＣＮＴ薄膜は、低減したチャネル伝導性及び移動度を含む、最適以下の電気的性質をもたらすため、規則的な構造が必要である。この短所を解消し、そしてより高い伝導性及び移動度を得るため、ＳＷＣＮＴを整列させるための多くの技術が調査されている。これらの研究は、以下の２つの主要なカテゴリーに分けることができる：（ａ）化学気相堆積及びアーク放電による直接成長、並びに（ｂ）合成後の組織化。直接成長の場合、金属型及び半導体型の両方のＳＷＣＮＴが生成する。この場合、ＳＷＣＮＴの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の性能は、金属型のＳＷＣＮＴ（ｍ−ＳＷＣＮＴ）により制限され、それゆえ、均質な電気的性質を有する半導体型のＳＷＣＮＴ（ｓ−ＳＷＣＮＴ）の試料を精製することに関心が向けられている。

ｍ−及びｓ−ＳＷＣＮＴを、それらの特定の物理的及び電子構造に従って分離するため、合成後の種々の選別法が開発されており、これらの方法は、通常は水溶液中又は有機溶液中で実施される。これらの溶液に基づく選別手法により生成することができる高純度のｓ−ＳＷＣＮＴの利点を、半導体電子デバイスにおいて得るため、ｓ−ＳＷＣＮＴを組織化しかつ整列させるための、溶液に基づく方法、例えば蒸発駆動型（ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ−ｄｒｉｖｅｎ）自己組織化、気泡発生型（ｂｌｏｗｎ−ｂｕｂｂｌｅ）組織化、ガスフロー自己組織化，スピンコーティング、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ法、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｓｈａｆｅｒ法、密着焼付印刷型（ｃｏｎｔａｃｔ−ｐｒｉｎｔｉｎｇ）組織化、及び交流電気泳動法が開発されている（非特許文献１〜９を参照されたい）。これらの方法のそれぞれがその強みを有する一方で、ｓ−ＳＷＣＮＴの組織化及び整列の正確さを向上させて、実用的なｓ−ＳＷＣＮＴを基礎材料とする電子デバイスの製作を可能とするため、新たな方法が未だ必要とされている。

Ｓｈａｓｔｒｙ，Ｔ．Ａ．；Ｓｅｏ，Ｊ．Ｗ．；Ｌｏｐｅｚ，Ｊ．Ｊ．；Ａｒｎｏｌｄ，Ｈ．Ｎ．；Ｋｅｌｔｅｒ，Ｊ．Ｚ．；Ｓａｎｇｗａｎ，Ｖ．Ｋ．；Ｌａｕｈｏｎ，Ｌ．Ｊ．；Ｍａｒｋｓ，Ｔ．Ｊ．；Ｈｅｒｓａｍ，Ｍ．Ｃ．Ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ， ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｍｏｎｏｄｉｓｐｅｒｓｅ， ａｌｉｇｎｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ−ｄｒｉｖｅｎ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ．Ｓｍａｌｌ ２０１３，９，４５−５１ Ｄｒｕｚｈｉｎｉｎａ，Ｔ．；Ｈｏｅｐｐｅｎｅｒ，Ｓ．；Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｕ．Ｓ．Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｐｏｓｔ‐Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２０１１，２３，９５３−９７０ Ｙｕ，Ｇ．；Ｃａｏ，Ａ．；Ｌｉｅｂｅｒ，Ｃ．Ｍ．Ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ ｂｌｏｗｎ ｂｕｂｂｌｅ ｆｉｌｍｓ ｏｆ ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．２００７，２，３７２−７ Ｗｕ，Ｊ．；Ｊｉａｏ，Ｌ．；Ａｎｔａｒｉｓ，Ａ．；Ｃｈｏｉ，Ｃ．Ｌ．；Ｘｉｅ，Ｌ．；Ｗｕ，Ｙ．；Ｄｉａｏ，Ｓ．；Ｃｈｅｎ，Ｃ．；Ｃｈｅｎ，Ｙ．；Ｄａｉ，Ｈ．Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｉｎｔｏ Ｄｅｎｓｅ，Ａｌｉｇｎｅｄ Ｒａｆｔｓ．Ｓｍａｌｌ ２０１３，９，４１４２ ＬｅＭｉｅｕｘ，Ｍ．Ｃ．；Ｒｏｂｅｒｔｓ，Ｍ．；Ｂａｒｍａｎ，Ｓ．；Ｊｉｎ，Ｙ．Ｗ．；Ｋｉｍ，Ｊ．Ｍ．；Ｂａｏ，Ｚ．Ｓｅｌｆ−ｓｏｒｔｅｄ， ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｏｒ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ２００８，３２１，１０１−４ Ｃａｏ，Ｑ．；Ｈａｎ，Ｓ．Ｊ．；Ｔｕｌｅｖｓｋｉ，Ｇ．Ｓ．；Ｚｈｕ，Ｙ．；Ｌｕ，Ｄ．Ｄ．；Ｈａｅｎｓｃｈ，Ｗ．Ａｒｒａｙｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ｆｕｌｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．２０１３，８，１８０−６ Ｊｉａ，Ｌ．；Ｚｈａｎｇ，Ｙ．；Ｌｉ，Ｊ．；Ｙｏｕ，Ｃ．；Ｘｉｅ，Ｅ．Ａｌｉｇｎｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｂｙ Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２００８，１０４，０７４３１８ Ｌｉｕ，Ｈ．；Ｔａｋａｇｉ，Ｄ．；Ｃｈｉａｓｈｉ，Ｓ．；Ｈｏｍｍａ，Ｙ．Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ｒａｎｄｏｍ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍｓ ｂｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ． ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１０，４，９３３−８ Ｓｈｅｋｈａｒ，Ｓ．；Ｓｔｏｋｅｓ，Ｐ．；Ｋｈｏｎｄａｋｅｒ，Ｓ．Ｉ．Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ａｒｒａｙｓ ｂｙ ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ． ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１１，５，１７３９−４６ Ｊｏｏ ｅｔ ａｌ．，Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２０１４，３０（１２），ｐｐ．３４６０−３４６６ （"Ｊｏｏ ｅｔ ａｌ．"） Ｎｉｓｈ，Ａ．；Ｈｗａｎｇ，Ｊ．Ｙ．；Ｄｏｉｇ，Ｊ．；Ｎｉｃｈｏｌａｓ，Ｒ．Ｊ．Ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｕｓｉｎｇ ａｒｏｍａｔｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒｓ．Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．２００７，２，６４０−６ Ｍｉｓｔｒｙ，Ｋ．Ｓ．；Ｌａｒｓｅｎ，Ｂ．Ａ．；Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ，Ｊ．Ｌ．Ｈｉｇｈ−Ｙｉｅｌｄ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓ ｏｆ Ｌａｒｇｅ−Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｎａｒｒｏｗ Ｃｈｉｒａｌｉｔｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ． ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１３，７，２２３１−２２３９ Ｌｉ，Ｘ．；Ｚｈａｎｇ，Ｌ．；Ｗａｎｇ，Ｘ．；Ｓｈｉｍｏｙａｍａ，Ｉ．；Ｓｕｎ，Ｘ．；Ｓｅｏ，Ｗ．Ｓ．；Ｄａｉ，Ｈ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｄｅｎｓｅｌｙ ａｌｉｇｎｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｆｒｏｍ ｂｕｌｋ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００７，１２９，４８９０−１ Ｂｒａｒ，Ｖ．；Ｓａｍｓｏｎｉｄｚｅ，Ｇ．；Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ，Ｍ．；Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ，Ｇ．；Ｓａｉｔｏ，Ｒ．；Ｓｗａｎ，Ａ．；Ｕ:ｎｌｕ:，Ｍ．；Ｇｏｌｄｂｅｒｇ，Ｂ．；Ｓｏｕｚａ Ｆｉｌｈｏ，Ａ．；Ｊｏｒｉｏ，Ａ．Ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｉｎ ｇｒａｐｈｉｔｅ，ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅｓ， ａｎｄ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２００２，６６，１５５４１８ Ｔｅｍｐｌｅ，Ｐ．；Ｈａｔｈａｗａｙ，Ｃ．Ｍｕｌｔｉｐｈｏｎｏｎ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ． Ｂ １９７３，７，３６８５−３６９７ Ｈｗａｎｇ，Ｊ．；Ｇｏｍｍａｎｓ，Ｈ．；Ｕｇａｗａ，Ａ．；Ｔａｓｈｉｒｏ，Ｈ．；Ｈａｇｇｅｎｍｕｅｌｌｅｒ，Ｒ．；Ｗｉｎｅｙ，Ｋ．Ｉ．；Ｆｉｓｃｈｅｒ，Ｊ．Ｅ．；Ｔａｎｎｅｒ，Ｄ．；Ｒｉｎｚｌｅｒ，Ａ．Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ａｌｉｇｎｅｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔａｌ Ｐａｐｅｒｓ（ＭＳＥ）２０００，８７ Ｐｉｎｔ，Ｃ．Ｌ．；Ｘｕ，Ｙ．−Ｑ．；Ｍｏｇｈａｚｙ，Ｓ．；Ｃｈｅｒｕｋｕｒｉ，Ｔ．；Ａｌｖａｒｅｚ，Ｎ．Ｔ．；Ｈａｒｏｚ，Ｅ．Ｈ．；Ｍａｈｚｏｏｎｉ，Ｓ．；Ｄｏｏｒｎ，Ｓ．Ｋ．；Ｋｏｎｏ，Ｊ．；Ｐａｓｑｕａｌｉ，Ｍ．Ｄｒｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｆ ａｌｉｇｎｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ．ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１０，４，１１３１−１１４５ Ｅｎｇｅｌ，Ｍ．；Ｓｍａｌｌ，Ｊ．Ｐ．；Ｓｔｅｉｎｅｒ，Ｍ．；Ｆｒｅｉｔａｇ，Ｍ．；Ｇｒｅｅｎ，Ａ．Ａ．；Ｈｅｒｓａｍ，Ｍ．Ｃ．；Ａｖｏｕｒｉｓ，Ｐ．Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ，Ａｌｉｇｎｅｄ，Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ａｒｒａｙｓ．ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２００８，２，２４４５−２４５２ Ｈｏｎｇ，Ｓ．Ｗ．；Ｂａｎｋｓ，Ｔ．；Ｒｏｇｅｒｓ，Ｊ．Ａ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ Ａｌｉｇｎｅｄ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ‐Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｂｙ Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎＱｕａｒｔｚ．Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２０１０，２２，１８２６−１８３０ Ｓａｎｇｗａｎ，Ｖ．Ｋ．；Ｏｒｔｉｚ，Ｒ．Ｐ．；Ａｌａｂｏｓｏｎ，Ｊ．Ｍ．Ｐ．；Ｅｍｅｒｙ，Ｊ．Ｄ．；Ｂｅｄｚｙｋ，Ｍ．Ｊ．；Ｌａｕｈｏｎ，Ｌ．Ｊ．；Ｍａｒｋｓ，Ｔ．Ｊ．；Ｈｅｒｓａｍ，Ｍ．Ｃ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ Ａｃｈｉｅｖｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ｈｙｂｒｉｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ．ＡＣＳ Ｎａｎｏ ２０１２，６，７４８０−７４８８

高度のナノチューブ整列を有するｓ−ＳＷＣＮＴの高密度膜を提供する。また、この膜の製造方法、及びこの膜を伝導チャネル物質として具備している、電界効果トランジスタも提供する。

本発明の１つの側面は、ｓ−ＳＷＣＮＴ膜におけるｓ−ＳＷＣＮＴの、ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化（Ｄｏｓｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ＦＥＳＡ：Ｄｏｓｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）のための方法を提供する。

ドーズ制御型ＦＥＳＡを用いて整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を基材上に形成する方法の一実施態様は、以下の工程を含む：（ａ）疎水性基材を水性媒体中に部分的に沈ませる工程；（ｂ）液体溶液のドーズを水性媒体に添加する工程であって、この液体溶液が、有機溶媒中に分散している半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを含有しており、それによって液体溶液が空気液相界面で水性媒体上に層状に展開し、そしてこの層からの半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを、整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴのストライプとして疎水性基材上に堆積させる、工程；及び（ｃ）疎水性基材を水性媒体から少なくとも部分的に引き出して、整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴのストライプが堆積されている疎水性基材の部分を、空気液相界面から引き出すようにする工程。工程（ｂ）及び（ｃ）を、１回又は複数回この順で繰り返して、追加の整列しており半導体選択性ポリマーで包まれている１つ又は複数のｓ−ＳＷＣＮＴのストライプを、疎水性基材上に堆積させることができる。

本発明の別の側面は、ｓ−ＳＷＣＮＴ膜におけるｓ−ＳＷＣＮＴの、連続型浮揚蒸発性自己組織化（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ＦＥＳＡ）のための方法を提供する。

連続型ＦＥＳＡを用いて整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を基材上に形成する方法の一実施態様は、以下の工程を含む：（ａ）疎水性基材を水性媒体中に部分的に沈ませる工程；（ｂ）液体溶液の連続的な流れを水性媒体へと供給する工程であって、この液体溶液が、有機溶媒中に分散している半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを含有しており、それによって液体溶液が空気液相界面で水性媒体上に層状に展開し、そしてこの層から半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴが整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴの膜として疎水性基材上に堆積させ、膜の形成の間、連続的に蒸発している層中の有機溶媒も、液体溶液の流れとして連続的に再供給する、工程；及び（ｃ）疎水性基材を水性媒体から引き出して、疎水性基材を水性媒体から引き出した時に、整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴの膜が、疎水性基材の長さにそって成長するようにする工程。

ドーズ制御型及び／又は連続型ＦＥＳＡにより製造した、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜の幾つかの実施態様は、膜におけるｓ−ＳＷＣＮＴが、約±２０°以内の整列度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を有する点、及び単層カーボンナノチューブの膜における線形充填密度（ｌｉｎｅａｒ ｐａｃｋｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ）が、少なくとも単層カーボンナノチューブ４０個／μｍである点で特徴づけることができる。幾つかの実施態様においては、この膜は、純度が少なくとも９９．９％である、半導電性単層カーボンナノチューブを有する。

電界効果トランジスタの実施態様は、次のものを含む：ソース電極；ドレイン電極；ゲート電極；ソース電極及びドレイン電極と電気的に接続している伝導チャネルであって、この伝導チャネルは、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜を具備しており、膜におけるこのｓ−ＳＷＣＮＴは、約±２０°以内の整列度を有しており、かつ膜における単層カーボンナノチューブの線形充填密度が、少なくとも単層カーボンナノチューブ４０個／μｍである、伝導チャネル；並びにゲート電極と伝導チャネルとの間に配置されている、ゲート誘電体。トランジスタの幾つかの実施態様は、少なくとも５μＳ・μｍ^−１の幅当たりのオンコンダクタンス及び少なくとも１ｘ１０^５の幅当たりのオン／オフ比を有する。

本発明の他の主要な特徴及び利点は、次の図面、詳細な説明、及び添付の請求の範囲の参照により、当業者にとって明らかとなろう。

図１は、空気／水界面における制御されたドーズの有機溶媒の展開及び蒸発により動かされる、ｓ−ＳＷＣＮＴの膜の製造に用いられる反復処理の概略図である。 図２は、ｓ−ＳＷＣＮＴの細い膜（ストライプ）の光学顕微鏡画像である。 図３は、ｓ−ＳＷＣＮＴのストライプの高分解能ＳＥＭ画像である。 図４（Ａ）及び（Ｂ）は、ｓ−ＳＷＣＮＴのストライプのＡＦＭ画像である。 図５は、５３２ｎｍレーザー入射によるアーク放電ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルである。 図６は、レーザー偏光とｓ−ＳＷＣＮＴストライプの長軸との間の角度の関数として、種々の角度で（後ろから順に、０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７０°、８０°、９０°）得た、ｓ−ＳＷＣＮＴ配列のＧバンドを示している。挿入図は、１，５９４ｃｍ^−１でのラマン強度の角度依存である。 図７は、アーク放電及びＨｉＰｃｏ ｓ−ＳＷＣＮＴの整列度を示している、確率分布関数を示している。 図８は、ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化で整列させたＳＷＣＮＴ（本件）と、文献において報告されている他の方法との比較を示している。円については、ＣＶＤ成長を用い（金属型及び半導体型ＳＷＣＮＴが混合されている）、正方形については、合成後の組織化を用いた。 図９は、典型的なＦＥＴ（Ｌ＝９μｍ、ｗ＝４μｍ）におけるｓ−ＳＷＣＮＴ膜のｐ型挙動を実証している、変化するゲート電圧におけるアウトプット特性である。 図１０は、典型的なＦＥＴについての、１０^６超のオン／オフ比及び高い電流出力を実証している伝達特性である。 図１１は、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴに基づくトランジスタのＳＥＭ画像である。スケールバーは２μｍである。 図１２は、４００ｎｍチャネル長のＦＥＴのＳＥＭ画像である（スケールバー＝２００ｎｍ）。 図１３は、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴストライプのＡＦＭ画像である。挿入図は、ダークグレーの断面に沿った膜厚プロファイルである。 図１４は、対応するＳＥＭ画像（スケールバー＝１μｍ）の上層にある、２０μｍ^２以下のストライプのラマンマップである。グレーのスケールバーは、Ｓｉ強度で割ったＧバンド強度を示している。 図１５は、９μｍチャネル長のＦＥＴの、Ｖ_ＧＳ＝−３０Ｖ（正方形）〜１０Ｖ（菱形）での、１０Ｖ単位のアウトプット特性である。挿入図は、Ｖ_ＤＳ＝−１Ｖでの増幅特性曲線の正掃引及び逆掃引を示している。 図１６は、４００ｎｍチャネル長の２２個の異なるＦＥＴデバイスの、Ｖ_ＤＳ＝−１Ｖにおける伝達特性である。挿入図は、オン／オフ比のヒストグラムである。 図１７は、各チャネル長でのオン（正方形）及びオフ（円）コンダクタンスである。メジアン値をプロットしており、エラーバーは、最大値及び最小値を示している。 図１８は、例２において得られたｓ−ＳＷＣＮＴ ＦＥＴの性能（幅当たりのオンコンダクタンスに対するコンダクタンス変調）の、従来の研究との比較である。本件についてのメジアン値は、星でプロットしており、各チャネル長における次の個数のデバイスから計算した：４００ｎｍ（２２個のデバイス）、１〜２μｍ（６個のデバイス）、３〜４μｍ（６個のデバイス）及び９μｍ（４個のデバイス）。本件についてのエラーバーは、最大値及び最小値を示している。 図１９は、基材の表面に整列しているｓ−ＳＷＣＮＴ膜を形成する方法の一実施態様の概略図である。 図２０は、基材の表面に整列しているｓ−ＳＷＣＮＴ膜を形成する方法の別の実施態様の概略図である。 図２１は、ケイ素基材上の第一の整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜の高分解能ＳＥＭ画像である。 図２２Ａは、ケイ素基材上の第二の整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜の高分解能ＳＥＭ画像である。図２２Ｂは、図２２ＡのＳＥＭ画像の拡大部分の高分解能ＳＥＭ画像である。

高度のナノチューブ整列を有するｓ−ＳＷＣＮＴの高密度膜を提供する。また、この膜の製造方法、及びこの膜を伝導チャネル物質として具備している、電界効果トランジスタも提供する。

この技術の１つの側面においては、膜は、「ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化」又は「ドーズ制御型ＦＥＳＡ」として本明細書で言及する方法を用いて形成する。この方法は、可溶化されたｓ−ＳＷＣＮＴを含有している有機溶媒の薄層を空気液相界面で用いて、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を、部分的に沈んだ疎水性基材上に堆積させる。この方法は、大量の液状媒体の蒸発からｓ−ＳＷＣＮＴ膜の形成を切り離すものであり、制御された「ドーズ」でｓ−ＳＷＣＮＴを反復的に添加することにより、一連の細いｓ−ＳＷＣＮＴの膜又は「ストライプ」の高速な一連の堆積を、ストライプの幅、ｓ−ＳＷＣＮＴ密度及び周期性を連続的に制御して行うことを可能とする。得られた膜は、高度のｓ−ＳＷＣＮＴ整列及び高いｓ−ＳＷＣＮＴ密度によって特徴づけることができる。結果として、これらの膜は、高いオンコンダクタンス値及び高いオン／オフ比を有するＦＥＴにおけるチャネル物質としての使用に良好に適している。

ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化法の利点は、有機溶媒中で、並外れた電子的純度を有する（半導体選択性ポリマーを用いて選別される）ｓ−ＳＷＣＮＴの堆積を可能とすることである。水性溶液中でｓ−ＳＷＣＮＴを選別するために用いられているアニオン性界面活性剤と異なり、半導体選択性ポリマーは、分散中に直接、未加工のＳＷＣＮＴ粉末から繊細かつ選択的に半導体性ナノチューブを「選り抜く」ことができ、それによって分散後の選別を続けて行う必要性をなくすことができるために有利である。

ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化法の一実施態様を、図１において概略的に図示する。この図のパネル（ｉ）に示すように、この方法は、疎水性基材１０２を、水性の液状媒体１０４、例えば水に部分的に沈ませることにより始まる。液体溶液のドーズを、液滴１０６の形態で、好ましくは基材１０２に極めて接近させて、液状媒体１０４へと滴下する。本明細書で「有機インク」又は「ｓ−ＳＷＣＮＴインク」としても言及しているこの液体溶液は、有機溶媒１１０中に分散しているｓ−ＳＷＣＮＴ１０８を含有している。このｓ−ＳＷＣＮＴは、それらの表面を被覆している半導体選択性ポリマーを有しており、「半導体選択性ポリマーで包まれている」ｓ−ＳＷＣＮＴとして本明細書で言及する。この液体溶液は、空気液相界面で、水性の液状媒体１０４の表面上の薄層に展開する（図において実線矢印で示す）（パネル（ｉｉ））。拡散により運ばれて、液体溶液の薄層中の半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴ１０８が、疎水性基材１０２に接触して、疎水性基材１０２上に空気液相界面付近で整列しているｓ−ＳＷＣＮＴのストライプ１１２として堆積され、その一方で有機溶媒１１０が急速に蒸発する。ストライプ１１２は、基材の幅に及んでいる。特定の理論に拘束されることを意図しないが、本発明者らは、蒸発の間に溶媒の高さが急速に低くなる時には、より立体的に好ましい位置であるということでｓ−ＳＷＣＮＴが蒸発先端に対して垂直に向く傾向にあるために、ｓ−ＳＷＣＮＴが整列している構成を採ると考えている。溶媒先端が下がっている間においては、ｓ−ＳＷＣＮＴが溶媒層の中から空気中へと立ち上がるよりもｓ−ＳＷＣＮＴが横を向くと、立体的な不利が少ないことも考えられる。

ストライプ１１２が形成されれば、基材１０８を上昇させて、ストライプを空気液相界面から引き出すことができる（パネル（ｉｉｉ））。液体溶液の追加的なドーズを順次に添加し、そしてプロセスを繰り返して整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している一連のストライプ１１４を形成することができる（パネル（ｉｖ））。このプロセスを用いて、非常に薄いｓ−ＳＷＣＮＴの膜、典型的には一層又は二層のみのｓ−ＳＷＣＮＴの厚さを有する膜を堆積することができる。

任意選択的に、半導体選択性ポリマーを、部分的に又は全体的にストライプ形成後にｓ−ＳＷＣＮＴから除去してもよい。これは、例えば、ポリマー選択的な乾式若しくは湿式化学エッチャントを用いることにより、又はポリマーの選択的な熱分解により達することができる。この方法の幾つかの実施態様においては、ｓ−ＳＷＣＮＴ上の半導体選択性ポリマーの量を、ｓ−ＳＷＣＮＴをドーズに添加する前に低減させることができる。

基材１０８の引き出しの速度を制御することにより、ストライプの幅（すなわち、引き出しの方向と平行に延びているストライプの寸法）、ストライプの周期性、及びストライプのｓ−ＳＷＣＮＴ密度を注意深く制御することができる。基材の最適な引き出し速度は、最終的に堆積させる膜の所望の特性、基材の性質及び／又はドーズの分配速度等の種々の要因によって定めることができる。本発明の方法は、室温（約２３℃）及び大気圧であっても、基材の広い表面の領域上に急速にストライプを堆積させることができる。例えば、幾つかの実施態様においては、この方法は、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴのストライプを、少なくとも１ｍｍ／ｍｉｎの基材引き出し速度で堆積させる。これは、基材引き出し速度が少なくとも５ｍｍ／ｍｉｎである実施態様を含んでいる。実例として、そのような速い引き出し速度を用いて、本発明の方法は、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの一連のストライプを、２００μｍ以下の周期性で、１２インチウェハー（例えばＳｉウェハー）の全面上に、１時間未満で堆積させることができる。

有機溶媒、及び溶媒和されておりポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを含有している、液体溶液のドーズは、これを供給する水性媒体の体積よりも非常に小さい体積を有する液体の量、例えば一滴である。非常に小さい体積のドーズを用いてｓ−ＳＷＣＮＴを基材に供給することにより、ドーズ制御型ＦＥＳＡは、溶液に基づく他のＳＷＣＮＴ堆積法と比較して、非常に少量のＳＷＣＮＴ及び有機溶媒によって高密度の膜を形成することができる。単なる実例として、本発明の方法で用いるドーズは、約０．５〜約５０μｌの範囲の体積を有することができる。しかしながら、この範囲外の体積を用いることができる。各ドーズにおけるＳＷＣＮＴの濃度を調節して、堆積させるストライプにおけるｓ−ＳＷＣＮＴの密度を制御することができる。複数のストライプを堆積させる場合には、異なるドーズにおけるｓ−ＳＷＣＮＴの濃度は、等しくても異なっていてもよい。単なる実例として、本発明の方法で用いるドーズは、約１〜約５０μｇ／ｍｌの範囲のＳＷＣＮＴ濃度を有することができる。しかしながら、この範囲外の濃度を用いることができる。ドーズの分配速度を調節して、基材上に形成するストライプの周期性を制御することができる。複数のストライプを堆積させる場合には、ドーズの分配速度を方法の間ずっと一定に保って、基材上に規則的な間隔のストライプを与えることができる。あるいは、ドーズの分配速度を方法の間ずっと変化させて、異なるストライプ間の間隔を有するストライプを与えることができる。

整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜を堆積させる基材は、ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴが、水性媒体に対してよりも基材に対して高い親和性を有するのに十分に疎水性である。疎水性基材は、疎水性物質で構成されていてもよく、又は支持基材上の疎水性表面被覆を具備していてもよい。被覆等の基材物質として用いることができる物質の例としては、疎水性ポリマーが挙げられる。ＦＥＴにおけるチャネル物質として膜を用いることとする場合には、基材は、疎水性被覆で被覆されている、ゲート誘電体物質、例えばＳｉＯ_２を含有していてもよい。

この技術の別の側面においては、膜は、「連続型浮揚蒸発性自己組織化」（連続型ＦＥＳＡ）として本明細書で言及する方法を用いて形成する。この方法は、可溶化されたｓ−ＳＷＣＮＴを含有している有機溶媒の溶液の薄層を空気液相界面で用いて、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を、部分的に沈んだ疎水性基材上に堆積させる。この方法は、大量の液状媒体の蒸発からｓ−ＳＷＣＮＴ膜の形成を切り離すものであり、高度のｓ−ＳＷＣＮＴ配向及び高いｓ−ＳＷＣＮＴ密度により特徴づけられる、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの連続的な膜の高速な堆積を可能とする。結果として、この膜は、高いオンコンダクタンス値及び高いオン／オフ比を有するＦＥＴにおけるチャネル物質としての使用に良好に適している。

この方法においては、大量の液状媒体の表面上で展開しておりかつ蒸発している有機溶媒の溜まりに、ｓ−ＳＷＣＮＴの溶液を連続的に供給する。この溜まりが疎水性基材の表面と接触する場所では、表面に巨視的に安定で一様な状態のメニスカスを形成し、そしてこの溜まり中のｓ−ＳＷＣＮＴが疎水性基材の表面まで移動し、そこでｓ−ＳＷＣＮＴが薄膜を形成する。ｓ−ＳＷＣＮＴの溶液の供給は、溶液の液状媒体への流れが、膜の成長プロセスの間に、その開始から膜が実質的に完成するまで続いて、連続的に蒸発している大量の液体状の溜まりも、膜の成長プロセスの間に連続的に再供給されるようになるという意味で、「連続的」である。特定の理論に拘束されることを意図しないが、本発明者らは、ｓ−ＳＷＣＮＴ溶液の最初の溜まりが形成されると、連続的な流れを通じて導入される、その後に添加した溶液は、下にある大量の液体の表面と相互作用せず、したがって、溜まりにおいて流体力学的な流れが構成されると考えている。

連続的な浮揚蒸発性自己組織化法の利点は、有機溶媒中で、並外れた電子型純度を有する（半導体選択性ポリマーを用いて予め選別されている）ｓ−ＳＷＣＮＴの堆積を可能とすることである。水性溶液中でｓ−ＳＷＣＮＴを選別するために用いられているアニオン性界面活性剤と異なり、半導体選択性ポリマーは、分散中に直接、未加工のＳＷＣＮＴ粉末から繊細かつ選択的に半導体性ナノチューブを「選り抜く」ことができ、それによって分散後の選別を続けて行う必要性をなくすことができるために有利である。

連続型浮揚蒸発性自己組織化法の一実施態様を、図１９において概略的に図示する。この図に示すように、この方法は、疎水性基材１９０２を、水性の液状媒体１９０４、例えば水に部分的に沈ませることにより始まる。例えば液状媒体１９０４の表面に接触しているシリンジ１９０６からの、液体溶液の連続的な流れを、好ましくは基材１９０２に極めて接近させて、液状媒体１９０４に向ける。本明細書で「有機インク」又は「ｓ−ＳＷＣＮＴインク」としても言及しているこの液体溶液は、有機溶媒中に分散しているｓ−ＳＷＣＮＴ１９０８を含有している。このｓ−ＳＷＣＮＴは、それらの表面に被覆されている半導体選択性ポリマーを有しており、「半導体選択性ポリマーで包まれている」ｓ−ＳＷＣＮＴとして本明細書で言及する。この液体溶液は、空気液相界面で、水性の液状媒体１９０４の表面上の薄層（溜まり１９１０）状に展開する（図において実線矢印で示す）。拡散により運ばれて、溜まり１９１０中の半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴ１９０８が、疎水性基材１９０２に接触して、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜１９１２として疎水性基材１９０２上に空気液相界面付近で堆積される。溜まり１９１０中の有機溶媒が連続的に蒸発し、そしてシリンジ１９０６からのｓ−ＳＷＣＮＴインクの連続的な流れによって連続的に補充されるときに、インクの溜まり１９１０が、溶液の流れる速度と溶媒が蒸発する速度が等しいか又は実質的に等しい一様な状態に達する。堆積された膜１９１２は、基材の幅に及んでいる。

膜１９１２の成長が開始すれば、基材１９０８を上昇させて、連続的に成長している膜の最上部を空気液相界面から引き出し、基材を引き出す時に基材の長さに沿って膜を連続的に成長させるようにすることができる。所望の長さを有する整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜が成長するまで、連続的にこの液体溶液を添加することができる。このプロセスを用いて、非常に薄いｓ−ＳＷＣＮＴの膜、典型的には一層又は二層のｓ−ＳＷＣＮＴの厚さを有する膜を堆積させることができる。

連続型浮揚蒸発性自己組織化法の別の実施態様を、図２０において概略的に図示する。この方法は、溜まり１９１０の外向きの流れを制限するため、シリンジ１９０６の反対側で液状媒体１９０４中に、物的障壁（ダム）２０２０を部分的に沈ませていることを除いて、図１９において図示したものと同じである。

任意選択的に、半導体選択性ポリマーを、部分的に又は全体的に膜形成後にｓ−ＳＷＣＮＴから除去してもよい。これは、例えば、ポリマー選択的な乾式若しくは湿式化学エッチャントを用いることにより、又はポリマーの選択的な熱分解により達することができる。この方法の幾つかの実施態様においては、ｓ−ＳＷＣＮＴ上の半導体選択性ポリマーの量を、ｓ−ＳＷＣＮＴを有機溶液に添加する前に低減させることができる。

基材１９０８の引き出しの速度を制御することにより、膜の長さ（すなわち、引き出しの方向と平行に延びている膜の寸法）、及び膜の長さに沿ったｓ−ＳＷＣＮＴ密度を注意深く制御することができる。基材の最適な引き出し速度は、最終的に堆積させる膜の所望の特性、基材の性質及び／又は有機溶液中のｓ−ＳＷＣＮＴの濃度等の種々の要因に依存することができる。本発明の方法は、室温（約２３℃）かつ大気圧であっても、基材の広い表面の領域上に高速で膜を堆積させることができる。例えば、幾つかの実施態様においては、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を、少なくとも１ｍｍ／ｍｉｎの基材引き出し速度で堆積させる。これは、基材引き出し速度が少なくとも５ｍｍ／ｍｉｎである実施態様を含んでいる。実例として、そのような速い引き出し速度を用いて、本発明の方法は、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの連続的な膜を、１２インチウェハー（例えばＳｉウェハー）の全面上に、１時間未満で堆積させることができる。

有機溶媒、及び溶媒和されておりるポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを含有している、液体溶液の溜まりは、これを供給する大量の水性媒体の体積よりも非常に小さい体積を有する。非常に小さい体積の溶液を用いてｓ−ＳＷＣＮＴを基材に供給することにより、連続型ＦＥＳＡは、溶液に基づく他のＳＷＣＮＴ堆積法と比較して、非常に少量のＳＷＣＮＴ及び有機溶媒によって高密度の膜を形成することができる。溜まりを補給する液体の流れにおけるＳＷＣＮＴの濃度を調節して、膜の長さに沿ったｓ−ＳＷＣＮＴの密度を制御することができる。成長している膜の長さに沿ったｓ−ＳＷＣＮＴの濃度は、同じであってもよく、又は膜の長さに沿ったｓ−ＳＷＣＮＴの濃度勾配を有する膜のように異なっていてもよい。単なる実例として、本発明の方法で用いる有機溶液は、約１〜約５０μｇ／ｍｌの範囲のＳＷＣＮＴ濃度を有することができる。しかしながら、この範囲外の濃度を用いることができる。

整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜を堆積する基材は、ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴが、基材に吸着されるのに十分に疎水性である。疎水性基材は、疎水性物質で構成されていてもよく、又は支持基材上の疎水性表面被覆を具備していてもよい。被覆等の基材物質として用いることができる物質の例としては、疎水性ポリマーが挙げられる。ＦＥＴにおけるチャネル物質として膜を用いることとする場合には、基材は、疎水性被覆で被覆されている、ゲート誘電体物質、例えばＳｉＯ_２を含有していてもよい。

連続型ＦＥＳＡにより堆積させた連続的な整列しているｓ−ＳＷＣＮＴ膜の意図している用途に応じ、膜にパターンを画定することが望ましいことがある。例えば、膜を、一連の線、アレイドット等で、パターニングしてもよい。したがって、この方法の幾つかの実施態様は、例えばフォトリソグラフ法を用いて、膜に描画的にパターニングする膜成長後の工程を含む。例えば、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を、ＦＥＴにおけるチャネル物質として用いることとする場合には、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの一連の平行なストライプを含むパターンを膜に形成してもよい。

ドーズ制御型又は連続型ＦＥＳＡにより形成したストライプ又は膜中のＳＷＣＮＴの密度は、それらの線形充填密度を言及するものであり、線形充填密度は、１μｍ当たりのＳＷＣＮＴの個数に関して定量することができ、非特許文献１０及び以下の実施例１に記載されているように測定することができる。幾つかの実施態様においては、浮揚蒸発性自己組織化法は、少なくとも３０個のＳＷＣＮＴ／μｍの密度を有するストライプ又は膜を堆積する。これは、ストライプ又は膜が、少なくとも３５個のＳＷＣＮＴ／μｍ、少なくとも４０個のＳＷＣＮＴ／μｍ、少なくとも４５個のＳＷＣＮＴ／μｍ、及び少なくとも約５０個のＳＷＣＮＴ／μｍのＳＷＣＮＴ密度を有する実施態様を含んでいる。

ドーズ制御型又は連続型ＦＥＳＡにより形成されたストライプ及び膜におけるＳＷＣＮＴの整列度は、ストライプ又は膜の範囲内の、ＳＷＣＮＴの長軸に沿ったＳＷＣＮＴの整列度を言及するものであり、これは、非特許文献１０に記載されているように定量することができる。幾つかの実施態様においては、浮揚蒸発性自己組織化は、±２０°以内のＳＷＣＮＴ整列度を有するストライプ又は膜を堆積させる。これは、ＳＷＣＮＴが±１７°以内の整列度を有する実施態様を含んでおり、ＳＷＣＮＴが±１５°以内の整列度を有する実施態様を更に含んでおり、そしてＳＷＣＮＴが±１０°以内の整列度を有する実施態様をまた更に含んでいる。

ｓ−ＳＷＣＮＴ及びｍ−ＳＷＣＮＴの両方を含有している出発試料から、高度に選択的に予めｓ−ＳＷＣＮＴを選別できる、ｓ−ＳＷＣＮＴを包む半導体選択性ポリマーが存在していてもよい。半導体選択性ポリマーは、ｍ−ＳＷＣＮＴの表面と比較して、ｓ−ＳＷＣＮＴに選択的に付着する（例えば、そこに吸着する）。このことは、包まれたｓ−ＳＷＣＮＴを、ｍ−ＳＷＣＮＴから、例えば遠心分離及び濾過を用いて、選択的に分離することを可能とする。ＳＷＣＮＴをあらかじめ選別してｍ−ＳＷＣＮＴを除去することにより、非常に高いｓ−ＳＷＣＮＴ純度を有する膜を形成することができる（ここで、ｓ−ＳＷＣＮＴ純度は、ストライプ又は膜中における、ｓ−ＳＷＣＮＴであるＳＷＣＮＴの割合を言及するものである）。例えば、ドーズ制御型又は連続型浮揚蒸発性自己組織化により形成されたストライプ又は膜の幾つかは、少なくとも９９％のｓ−ＳＷＣＮＴ純度を有する。これは、少なくとも９９．５％のｓ−ＳＷＣＮＴ純度を有するストライプ又は膜を含んでおり、そして少なくとも９９．９％のｓ−ＳＷＣＮＴ純度を有するストライプ又は膜を更に含んでいる。

多くの半導体選択性ポリマーが知られている。そのようなポリマーの説明は、例えば非特許文献１１において見られる。半導体選択性ポリマーは、典型的には高度なπ共役を有する有機ポリマーであり、ポリフルオレン誘導体、例えばポリ（９，９−ジアルキル−フルオレン）誘導体、及びポリ（フェニルビニレン）誘導体が挙げられる。半導体選択性ポリマーは、導電性ポリマー又は半導体ポリマーであることができる一方で、絶縁ポリマーであってもよい。

有機溶媒は、急速に蒸発するように、成膜温度及び圧力、典型的には周囲温度及び圧力において比較的に低い沸点を有することが望ましい。更に、半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを可溶化できる能力を有することも必要である。適切な有機溶媒の例としては、クロロホルム、ジクロロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ベンゼン、ジクロロベンゼン、トルエン及びキシレンが挙げられる。

整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜をチャネル物質として具備しているＦＥＴは、概してチャネル物質と電気的に接続しているソース電極及びドレイン電極；ゲート誘電体によりチャネルから隔てられているゲート電極；及び、任意選択的に、下層の支持基材を具備している。ＦＥＴの構成要素のために、種々の物質を用いることができる。例えば、ＦＥＴは、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜を具備しているチャネル、ＳｉＯ_２ゲート誘電体、ゲート電極としてのドープされたＳｉ層、並びにソース電極及びドレイン電極としての金属（Ｐｄ）膜を含んでいてよい。しかしながら、これらの構成要素のそれぞれのために、他の物質を選択することができる。高いｓ−ＳＷＣＮＴ純度及び高いＳＷＣＮＴ密度を有する高度に整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備しているチャネル物質は、高い幅当たりのオンコンダクタンス（Ｇ_ＯＮ／Ｗ（μＳ／μｍ））及び高いオン／オフ比の両方によって特徴づけられるＦＥＴを与えることができる。例えば、ＦＥＴの幾つかの実施態様は、少なくとも５μＳ・μｍ^−１の幅当たりのオンコンダクタンス及び少なくとも１ｘ１０^５の幅当たりのオン／オフ比を有する。これは、７μＳ・μｍ^−１超の幅当たりのオンコンダクタンス及び少なくとも１．５ｘ１０^５の幅当たりのオン／オフ比を有するＦＥＴを含んでおり、また更に、１０μＳ・μｍ^−１超の幅当たりのオンコンダクタンス及び少なくとも２ｘ１０^５の幅当たりのオン／オフ比を有するＦＥＴを更に含んでいる。これらの性能特性は、例えば、約４００ｎｍ〜約９μｍの範囲のチャネル長とともに得られ、これは、約１μｍ〜約４μｍの範囲のチャネル長を含んでいる。

《実施例１》
この例においては、並外れた電子タイプの純度（９９．９％ｓ−ＳＷＣＮＴ）を有する整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している、平行なストライプの配列を、高い堆積速度で、ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化プロセスを用いて、ストライプの配置及びｓ−ＳＷＣＮＴの量を制御して堆積させた。

ｓ−ＳＷＣＮＴストライプの形成を大量の溶液の蒸発から切り離すことにより、及びｓ−ＳＷＣＮＴを制御したドーズで反復的に添加することにより、ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化プロセスは、ｓ−ＳＷＣＮＴが、±１４°以内で整列しており、約５０個のｓ−ＳＷＣＮＴ・μｍ^−１の密度で充填されており、かつ主に秩序だった単分散層を構成している、ストライプを形成した。このストライプを組み込んでいるＦＥＴデバイスは、３８ｃｍ^２ｖ^−１ｓ^−１の移動度、及び９μｍのチャネル長における２．２ｘ１０^６のオン／オフ比により高性能を示した。

〈結果及び考察〉
２つの異なるタイプのｓ−ＳＷＣＮＴインクを評価した。インクの第一のタイプは、アーク放電ＳＷＣＮＴ粉末（Ｎａｎｏ Ｌａｂ，Ｉｎｃ．）から処理した。この場合、ポリフルオレン誘導体ポリ［（９，９−ジオクチルフルオレニル−２，７−ジイル）−ａｌｔ−ｃｏ−（６，６’−｛２，２’−ビピリジン｝）］（ＰＦＯ−ＢＰｙ）を、半導体選択性ポリマーとして用いた。ＰＦＯ−ＢＰｙは、半導体型のＳＷＣＮＴ種を高度に包むことを示している（非特許文献１２を参照されたい。）。アーク放電粉末及びＰＦＯ−ＢＰｙを、超音波処理によってトルエン中に分散させ、そこでＰＦＯ−ＢＰｙで包まれたｓ−ＳＷＣＮＴを可溶化し、その一方で、残っている炭素残留物及びｍ−ＳＷＣＮＴを大きなバンドル及び凝集体に残し、これを遠心分離で除去した。選別した後及び選別する前のＳＷＣＮＴ溶液の吸収スペクトルを、比較のために得た。選別する前のスペクトルにおいて７００ｎｍ周辺に存在していた金属のピークは、ＰＦＯ−ＢＰｙで選別した後には見られなかった。初期選別処理に続いて、過剰なポリマー鎖をテトラヒドロフラン中でのＳＷＣＮＴの再分散及び遠心分離により除去した。第二のタイプのインクを、高圧一酸化炭素（ＨｉＰｃｏ）で生成した粉末（Ｎａｎｏｉｎｔｅｇｒｉｓ社）から処理した。この場合、ポリフルオレン誘導体ポリ［（９，９−ジ−ｎ−オクチルフルオレニル−２，７−ジイル）］（ＰＦＯ）を、半導体選択性ポリマーとして用いた（非特許文献１１を参照されたい）。

図１は、この方法の概略図である。クロロホルム中の９９．９％超に精製されたアーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴインク（濃度＝１０μｇ・ｍｌ^−１）のドーズ２μｌを、図１のパネル（ｉ）に示すように、垂直に向いている基材から０．５ｃｍ離して水面に滴下した。ドーズは、空気／水界面で展開することにより水面を覆い、表面張力の効果の結果として急速に基材に達した（図１におけるパネル（ｉｉ））。適切な溶媒としては、クロロホルムが水面の至る所で急速に展開して蒸発するため、これを選択した。

水の蒸発、ひいては組織化プロセスの速度を上げるために低圧が求められる、ＳＷＣＮＴの水性溶液からの蒸発性自己組織化についての従来の研究とは異なり、この例における有機溶媒の高い蒸気圧の使用は、周囲条件下でのより一層急速な組織化を可能とすることに注目すべきである。例えば、周囲条件における５ｍｍ・ｍｉｎ^−１の堆積速度をここで実証する。水性溶液からの標準的な蒸発性自己組織化を用いた報告されている堆積速度は、非常に遅く、類似の基材の寸法を用い、７０及び７６０Ｔｏｒｒで、それぞれ単に０．０２及び０．００１ｍｍ・ｍｉｎ^−１であった。有機インクが展開した時に、部分的に沈んだ基材にそれが接触する。その後のクロロホルムの急速な蒸発（図１のパネル（ｉｉ））は、垂直に沈んだ基材上への整列しているｓ−ＳＷＣＮＴのストライプの形成をもたらす。蒸発中に溶媒の高さが急速に低くなるので、ｓ−ＳＷＣＮＴが、立体的により好適な位置である、蒸発面に対して垂直な方向を向く傾向がある。

これらの実験の結果は、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの連続的なストライプの形成を示しており（図１のパネル（ｉｉｉ）及び（ｉｖ））、３つの重要な要素を制御する能力を実証していた：（１）ストライプの幅、（２）各ストライプ内のＳＷＣＮＴの密度、及び（３）ストライプ間の間隔。基材上昇速度を変化させることによる、ストライプの幅の制御を実証した。１０μｇ・ｍｌ^−１の濃度のドーズについて、９ｍｍ・ｍｉｎ^−１の高速では、ＳＷＣＮＴは不規則に乱れた一方で、１ｍｍ・ｍｉｎ^−１では、それらは大きなバンドル又はロープへとまとまり始めた。５ｍｍ・ｍｉｎ^−１の最適な速度では、形成されたストライプにおけるｓ−ＳＷＣＮＴは、良好に互いに離れており、かつ良好に整列していた。図２は、これらの最適な条件下で製造した、幅２０（±２．５）μｍの整列しているｓ−ＳＷＣＮＴストライプの光学顕微鏡写真を示している。上昇速度を最適化することにより、ストライプの幅を規定することができた。拡張性のあるエレクトロニクスのための別の重要な要素は、ストライプの間隔を制御することである。周期的なストライプ間隔を実証するため、５ｍｍ・ｍｉｎ^−１の一定の基材上昇速度を設定し、そして１．２秒あたりに１つのドーズを滴下して、１００μｍのストライプの周期性を得た（図２）。この方法によれば、整列しているＳＷＣＮＴの配列を、ストライプの幅、ストライプの周期性、及びＳＷＣＮＴ密度を連続的に制御して製造することができ、このことにより、高い処理能力（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）のマイクロエレクトロニクス用途のためにこれが魅力的なものとなる。ここで使用した基材は、Ｈ_２Ｏ_２（３３％）／濃Ｈ_２ＳＯ_４（６７％）のピラニア溶液で処理し、続いてヘキサメチルジシラザン自己組織化単層を気相堆積させて、ＳｉＯ_２面の疎水性を上昇させた。親水性基材に良好に作用するＳＷＣＮＴの水性溶液からの蒸発性自己組織化についての従来の研究とは異なり、有機溶液を用いるこの方法は、ＨＭＤＳで処理した基材について最良の結果を与えた。ＨＭＤＳで処理した基材は、荷電不純物の濃度がより低い傾向にあるため、ＴＦＴデバイスによって有利であることができる。

図３、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）における高解像度ＳＥＭ及びＡＦＭ画像においては、アーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴの整列度は、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ及び回転キャスト法（非特許文献５及び６を参照されたい）で見られたよりも顕著に高かった。これを、以下のラマン分光法によってより詳細に定量する。ＳＥＭ画像を用いて、４０〜５０個のチューブμｍ^−１の線形充填密度を定量した。ここで得られた充填密度は、水性の自己組織化から得られた比較的低い密度（２０個以下のチューブ・μｍ^−１）と、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ及びＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｓｃｈａｅｆｅｒ法を用いて得られた高い値（１００個超のチューブμｍ^−１）との間にあった（非特許文献１、６及び１３を参照されたい）。更に、ストライプの厚さは３ｎｍ未満であり、このことは、ｓ−ＳＷＣＮＴが、線部分全体上に、一層又は二層のＳＷＣＮＴとして堆積されたことを示している。

偏光ラマン分光法を用いて、各ストライプ内のｓ−ＳＷＣＮＴ整列を定量した。図５は、アーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴからの代表的なラマンスペクトルを示している。スペクトル中に存在しているのは、協調振動モード（ｒａｄｉａｌ ｂｒｅａｔｈｉｎｇ ｍｏｄｅｓ：ＲＢＭ、１６０ｃｍ^−１付近）、Ｄバンド、Ｇバンド、及びＧ’バンドモード、並びにＭバンド（１７５０ｃｍ^−１付近）と関連する二重共鳴特性である（非特許文献１４を参照されたい）。５１９ｃｍ^−１における１フォノンのケイ素ピーク、及び９００〜１１００ｃｍ^−１の範囲における２フォノンの散乱ピークを、較正及び正規化のために用いた（非特許文献１５を参照されたい）。１５００〜１６８０ｃｍ^−１からのＧバンド周辺のスペクトルを、ラマン励起レーザーの偏光とストライプの長軸との間の角δの関数として図６にプロットする。Ｇバンドの強度に対するδを、挿入図にプロットする。

ストライプ内のｓ−ＳＷＣＮＴの配向性が、ガウス型角度分布（Ｇａｕｓｓｉａｎ ａｎｇｕｌａｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）により記述されると仮定した。
式中、ｆは、ストライプの長軸から角度θずれている長軸を有する、ｓ−ＳＷＣＮＴを発見する確率であり、かつσは、分布の角度幅である。この分布に基づき、かつ単一のｓ−ＳＷＣＮＴについてのラマンＧバンドがレーザー偏光に対するｃｏｓ^２依存性に従うという事実を用いて、ストライプに平行に偏光した励起の、ストライプに垂直に偏光した励起に対するＧバンドのピークバレー比が、
として与えられる（非特許文献６、１３、１６及び１７を参照されたい）。

この方法により整列させたｓ−ＳＷＣＮＴの両方のタイプについてのｒを測定した。ＨｉＰｃｏ法によって作製された直径０．８〜１．１ｎｍのｓ−ＳＷＣＮＴについては、σ＝３１°に対応しているｒ＝１５．８であった。アーク放電法によって作製された直径１．３〜１．７ｎｍのｓ−ＳＷＣＮＴについては、σ＝１４．４１°に対応しているｒ＝３．４７であった。アーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴの整列度は、おそらくアーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴが（そのより大きな直径に起因して）より硬いため、ＨｉＰｃｏｓ−ＳＷＣＮＴよりも有意に良好であった。ＡＦＭで測定した場合のアーク放電及びＨｉＰｃｏｓ−ＳＷＣＮＴの平均長は、それぞれ４６４．６及び４４９．１ｎｍであった。長さが近似していることは、アーク放電ＳＷＣＮＴの向上した整列性が、単に構造的な剛性の結果であることを示唆している。欠け、曲がり不良、及び不規則に向いているＳＷＣＮＴを含む整列欠陥が、ＨｉＰｃｏ−及びアーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴ組織体の両方に存在していた。しかしながら、ナノチューブの曲がり及び巻きつきに起因する欠陥は、より多くＨｉＰｃｏ ｓ−ＳＷＣＮＴに伴っていた。ここで、図８においては、アーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴの整列度を、同等のｓ−ＳＷＣＮＴ密度を有する他の報告されている方法と比較する。この図におけるデータは、Ｓｈａｓｔｒｙ ２０１３（非特許文献１）、Ｌｅｍｉｅｕｘ ２００８（非特許文献５）、Ｃａｏ ２０１３ （非特許文献６）、Ｓｈｅｋｈａｒ ２０１１（非特許文献９）、Ｅｎｇｅｌ ２００８（非特許文献１８）及びＨｏｎｇ ２０１０（非特許文献１９）から得られる。

高い電子グレードの純度及び高い整列度は、いずれもｓ−ＳＷＣＮＴに基づく電子デバイスのために魅力的である。主要な試験（ｐｒｏｏｆ−ｏｆ−ｐｒｉｎｃｉｐａｌ）として、ｓ−ＳＷＣＮＴ ＦＥＴを製造し、そしてそれらの電荷輸送移動性及びコンダクタンス変調を評価した。図９は、典型的なチャネル長９μｍのデバイス（図１１）のアウトプット特性を示すものであり、このデバイスは、大気中で測定されたＣＮＴ ＦＥＴに期待されるｐタイプの挙動を有している。図１０に示されている伝達特性は、整列しているＳＷＣＮＴの卓越した半導体性を実証している。ソース−ドレイン間のバイアスＶ_ＤＳ＝−１Ｖにおいては、幅当たりのコンダクタンス及びオン／オフコンダクタンス変調は、それぞれ４．０μＳ・μｍ^−１及び２．２ｘ１０^６である（図１０）。電界効果移動性を、平行なプレートの容量モデルを用い、μ＝ｇＬ／Ｖ_ＤＳＣ_ｏｘＷ（式中、ｇは相互コンダクタンスであり、かつＬ及びＷは、それぞれチャネル長及び幅である）に従って抽出した。ここで得られた移動性は、３８ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１であった。ＦＥＴの性能を、高いオン／オフ比及びコンダクタンス変調を同時に得たＳａｎｇｗａｎらのＦＥＴと比較した（非特許文献２０を参照されたい）。Ｓａｎｇｗａｎらのチャネル長１０μｍのデバイスと比較して、同等の幅当たりのオンコンダクタンスが得られたが、オン／オフコンダクタンス変調は１０倍以上大きかった。Ｓａｎｇｗａｎらは、５０μｍ以下のチャネル長で、ここで報告したものと同等のオン／オフコンダクタンス変調を得た；しかしながら、幅当たりのオンコンダクタンスは、本発明のＦＥＴについてのそれよりも１０倍小さい値まで落ちた。

結論として、電子タイプの高度に選別された半導体性単層カーボンナノチューブ（ｓ−ＳＷＣＮＴ）の良好に整列した配列は、ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化を用いて、トラフの空気／水界面でのクロロホルムの展開を利用することにより作製された。クロロホルム光端面を急速に蒸発させることは、周囲条件下で、部分的に沈んだ基材上に、空気／水界面でチューブを整列させるのに役立った。溶液の所定の分量の複数個のドーズ（ｔｉｍｅｄ ｄｏｓｅｓ）を用いて、ストライプの位置及び／又は周期性を制御することは、これを魅力的で費用対効果が良い広域の実用的なｓ−ＳＷＣＮＴ構造を形成するための製造プロセスとする。

〈実験項目〉
｛半導体性ＳＷＣＮＴの調製｝
アーク放電：アーク放電ＳＷＣＮＴ粉末（２ｍｇ・ｍｌ^−１）及びＰＦＯ−ＢＰｙ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｄｙｅ Ｓｏｕｒｃｅ、２ｍｇ・ｍｌ^−１）の混合物を、トルエン（３０ｍｌ）中で３０分間超音波処理した。この溶液を、スイング型ローター中で５０，０００ｇで５分間遠心分離し、そして５０，０００ｇで１時間再度遠心分離した。上澄みを収集し、シリンジフィルターを通して濾過した。３０分にわたって蒸留して、トルエンを除去した。ＰＦＯ−ＢＰｙ及びｓ−ＳＷＣＮＴの残留物を、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）中で再分散させた。ＴＨＦ中のｓ−ＳＷＣＮＴ溶液を、１５℃の温度で１２時間遠心分離した。上澄み（過剰なＰＦＯ−ＢＰｙ）を処分し、そしてペレットをＴＨＦに再分散させた。ＴＨＦを除去した後、残留物をクロロホルム中に１０μｇ・ｍｌ^−１の濃度まで分散させた。

ＨｉＰｃｏ：ＨｉＰｃｏ（Ｎａｎｏｉｎｔｅｇｒｉｓ Ｉｎｃ．）ＳＷＣＮＴの初期の分散液を、トルエン中で２ｍｇ・ｍｌ^−１のＨｉＰｃｏ粉末及び２ｍｇ・ｍｌ^−１のＰＦＯ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｄｙｅ Ｓｏｕｒｃｅ）を用いて作製した。アーク放電ＳＷＣＮＴの場合と同じ超音波処理、遠心分離及び蒸留手段を、ｓ−ＳＷＣＮＴの分散、不要な物質の分離、及び過剰なポリマーの除去のために用いた。

ラマン分光法特性：５３２ｎｍのレーザー励起波長で、共焦点ラマン顕微鏡でラマン特性を測定した（Ａｒａｍｉｓ Ｈｏｒｉｂａ Ｊｏｂｉｎ Ｙｖｏｎ Ｃｏｎｆｏｃａｌ Ｒａｍａｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．）。デバイスには、直線偏光フィルタを試料と入射ビームレーザーとの間に備え付けて、偏光依存性の測定を可能とした。

撮像：ＳＥＭ画像を、ＬＥＯ−１５３０電界放出走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）で収集した。ｓ−ＳＷＣＮＴの表面形態を、Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ ＩＩＩ Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ 原子間力顕微鏡（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いてイメージングした。タッピングモードをＡＦＭ測定のために利用した。完全なピラミッド型のＳｉ_３Ｎ_４先端を有する三角形の探針を用いた。典型的なイメージングフォースは、約１０^−９Ｎであった。

Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔトラフ及び基材：Ｗｉｌｈｅｌｍｙ ｂａｌａｎｃｅ（白金プレート）とともに、ＬＢトラフ（ＫＳＶ ＮＩＭＡ Ｍｅｄｉｕｍ ｓｉｚｅ ＫＮ ２００２）を主にトラフとして用いて、ｓ−ＳＷＣＮＴを２３℃で展開させた。ミリＱ水（抵抗約１８．２ＭΩ・ｃｍ）を、水の副相として用いた。Ｓｉ／ＳｉＯ_２基材を、Ｈ_２Ｏ_２（３３％）／濃Ｈ_２ＳＯ_４（６７％）のピラニア溶液で２０分間洗浄し、そして脱イオン（ＤＩ）水ですすいだ。ピラニア処理の後に、基材がヘキサメチルジシラザン自己組織化単層（蒸着）により被覆された。

ＦＥＴの作製：まず、アーク放電ｓ−ＳＷＣＮＴのストライプを、９０ｎｍ熱成長ＳｉＯ_２を有する高度にドープされたＳｉ基材上に堆積させた（高度にドープされたＳｉ基材及び熱成長ＳｉＯ_２は、それぞれバックゲート電極及び誘電体として働いた）。次いで、電子ビーム描画法を用いてストライプにパターンを形成して、ストライプが４μｍの明確な幅を有するようにした。試料は、次いで９９．９９９％以上のＡｒ（９５％）：Ｈ_２（５％）の混合物中でアニールして、ＰＦＯ−ＢＰｙポリマーを部分的に分解し、続いて真空中で１ｘ１０^−７Ｔｏｒｒかつ４００℃で２０分間アニールした。第二の電子ビーム描画工程を用いて、表面接触電極（ｔｏｐ−ｃｏｎｔａｃｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を画定した。Ｐｄ（４０ｎｍ）の熱堆積を用いて、ｓ−ＳＷＣＮＴストライプへのソース及びドレインの接触部を作製した。最後に、デバイスをアルゴン雰囲気中で２２５℃でアニールした。

《実施例２》
この実施例は、電界効果トランジスタにおける並外れた電子タイプの選別された、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの性能を実証している。高いオンコンダクタンス及び高いオン／オフコンダクタンス変調は、個々のｓ−ＳＷＣＮＴよりも短いチャネル長及び長いチャネル長の両方において同時に得られる。ｓ−ＳＷＣＮＴ及びｍ−ＳＷＣＮＴの不均一（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ）混合物から、半導体選択剤としてポリフルオレン誘導体を用いてｓ−ＳＷＣＮＴを単離し、そしてドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化により基材上に整列させた。

例１は、ＳＷＣＮＴの多分散系の混合物から、ポリフルオレン誘導体ポリ［（９，９−ジオクチルフルオレニル−２，７−ジイル）−ａｌｔ−ｃｏ−（６，６’−｛２，２’−ビピリジン｝）］（ＰＦＯ−ＢＰｙ）を選別剤として用いて単離したｓ−ＳＷＣＮＴが、ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化によって基材上に整列することができることを実証している。この例はＦＥＴにおけるチャネル物質としてのこれらの整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの性能を評価しており、チャネル長の範囲にわたる、以前に報告された研究と比較して並外れて高いオン／オフコンダクタンス変調及びオンコンダクタンスを報告している。

高純度のｓ−ＳＷＣＮＴを、ＮａｎｏＬａｂ社から購入した、アーク放電で合成したままのＳＷＣＮＴ粉末から抽出した。ｓ−ＳＷＣＮＴは、トルエン中のＰＦＯ−ＢＰｙ溶液中に粉末を分散させることにより単離させ、Ｍｉｓｔｒｙらが報告した手順に適合させた。初期の分散プロセスの間、ポリマーは、主に半導体型の種を選択的に包んで可溶化する。過剰なポリマーを、ｓ−ＳＷＣＮＴをテトラヒドロフラン中に分散することにより除去し、続いて反復沈降及び分散サイクルを行い、ｓ−ＳＷＣＮＴの表面に強く結合していないポリマー鎖を効果的に除去した。過剰なポリマーを除去することは、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴ配列の自己組織化を向上させ、そしてより高い性能を目指すＦＥＴにおいて、金属電極へのｓ−ＳＷＣＮＴの接触を向上させた。

選別した及び選別していないＰＦＯ−ＢＰｙ ＳＷＣＮＴ溶液の光吸収スペクトルを、比較のために得た。１．３〜１．７ｎｍの直径を有するｓ−ＳＷＣＮＴのカイラル分布からのピークの重なりに起因して、選別した及び選別していないスペクトルの両方において、Ｓ_２２光学遷移は、１０５０ｎｍの波長の周囲で広がっていた。従来の調査では、フォトルミネッセンス及びラマン分光法を用いて、ＰＦＯ−ＢＰｙは、電子タイプによって違いが出るが、直径によっては強く違いが出ず、その結果ｓ−ＳＷＣＮＴ出発物質と一致する直径分布という結果になるということを確かめている。選別していないスペクトルにおいて視認できる広いＭ_１１ピークは、選別した後おいては測定不能であり、これは９９％超の純度を示唆している。４００〜６００ｎｍの特徴は、３６０ｎｍを中心とするＰＦＯ−ＢＰｙからの吸収と、Ｓ_３３ｓ−ＳＷＣＮＴ遷移の組合せである。

ＦＥＴデバイスのため、高度にドープされたＳｉ基材を、厚さ９０ｎｍのＳｉＯ_２誘電体層とともに、それぞれゲート電極及び誘電体として用いた。ｓ−ＳＷＣＮＴの堆積の前に、基材を２０ｍｌＨ_２ＳＯ_４：１０ｍｌＨ_２Ｏ_２の溶液で処理し、続いてヘキサメチルジシラザン自己組織化単層を蒸着させて、ＳｉＯ_２面の疎水性を上昇させた。ドーズ制御型浮揚蒸発性自己組織化の手順を、以下に簡潔に記載し、詳細には上記の例１に記載している。クロロホルム中の１０μｇ・ｍｌ^−１のｓ−ＳＷＣＮＴ溶液の滴（「ドーズ」）を、水トラフにキャストした。ｓ−ＳＷＣＮＴは、水の表面にわたって展開し、そしてトラフから通常は空気／水界面へとゆっくりと引き出されている基材上に堆積した。各々の滴は、ｓ−ＳＷＣＮＴの良好に整列したストライプを、基材の幅全体にわたって形成した。ここで、ストライプの周期的な配列は、基材を５ｍｍ・ｍｉｎ^−１の一定速度で上昇させながら、滴を１２秒間隔で通過面に順次に滴下することによって得られた。

単一のストライプにおけるｓ−ＳＷＣＮＴの均一性、密度及び厚さを、ＳＥＭ、ＡＦＭ及びラマン分光法（それぞれ図１２、図１３及び図１４）を用いて特徴づけた。図１３において見られるＡＦＭ厚さプロファイルは、２〜４ｎｍの間で変化しており、このことは、各ストライプが、大部分はｓ−ＳＷＣＮＴの単層で構成されており、局所的にナノチューブ間で重複している領域があることを示している。ｓ−ＳＷＣＮＴのＧバンドラマン強度（３ｍＷ、５３２ｎｍ）を、基材のＳｉピーク強度に対して正規化して、１つのストライプについて図１４に空間的にマッピングした。Ｇバンド強度は、±１２．５％までしか変化しておらず、このことは、各ストライプ内のｓ−ＳＷＣＮＴの密度が非常に均一であることを示している。ＳＥＭ画像（図１２に示した例）を用いて、４０〜５０個のＳＷＣＮＴ・μｍ^−１のｓ−ＳＷＣＮＴ線形充填密度を定量した。これらの測定値は、ストライプが、時々存在する不規則に配向したｓ−ＳＷＣＮＴからのナノチューブ間の重複を伴う良好に単離されたｓ−ＳＷＣＮＴの単層であることを示しており、この不規則に配向したｓ−ＳＷＣＮＴは、２μｍ当たり１個の線状発生頻度（ｌｉｎｅａｒ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ）で良好に配列したｓ−ＳＷＣＮＴに混ざっていた。この不規則に重なっているナノチューブは、チャネル長（Ｌ_Ｃ）がｓ−ＳＷＣＮＴの長さ（Ｌ_Ｃ＞＞Ｌ_Ｎ）よりも非常に大きいＦＥＴのパーコレーション領域におけるＳＷＣＮＴ間の連結性を確立するために有益である可能性がある。

電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）描画を用いてストライプからＦＥＴを作製した。ストライプの幅を、１０〜２０μｍで変化させた。したがって、一貫した４μｍのＦＥＴチャネル幅を確保するため、ストライプをリソグラフィーによりパターニングした。まず、電子ビーム描画を用いて、不要なｓ−ＳＷＣＮＴを除去すべきｓ−ＳＷＣＮＴストライプの周囲の領域を暴露し、そして酸素プラズマ（５０Ｗ、１０ｍＴｏｒｒかつＯ_２流速１０ｓｃｃｍ）に２０秒間暴露することによるエッチングを用いた。ＰＭＭＡレジストを除去するため、膜をアセトン及びトルエンでそれぞれ６０℃で３０分現像し、そしてイソプロピルアルコール中ですすいだ。次いで、試料を９９．９９９％以上のＡｒ（９５％）：Ｈ_２（５％）中で５００℃でアニールしてＰＦＯ−ＢＰｙを部分的に除去及び分解した。追加のアニール工程を、高真空中で１ｘ１０^−７Ｔｏｒｒで４００℃で２０分間行って、ポリマーの残留物を更に分解しかつ部分的に除去した。第二のｅ−ｂｅａｍ工程で、ソース−ドレイン電極及び導体パッドを画定した。パターンを現像してレジストを除去し、そして下層の電極パターンを紫外線空気中で０．１Ｗ・ｃｍ^−２の電力で９０秒間紫外線に暴露して（ＳＣＤ８８−９１０２−０２ ＢＨＫ Ｉｎｃ．）、Ｐｄのｓ−ＳＷＣＮＴ表面への接着を向上させた。厚さ４０ｎｍのＰｄの層の熱蒸着で、ソース−ドレイン電極を画定し、続いて、アセトン中で１２０℃で５分間試料を浸漬し、そしてアセトン中で３０秒間バス超音波処理することによりリフトオフ（ｌｉｆｔ ｏｆｆ）した。測定の直前に、デバイスを２２５℃でＡｒ中でアニールして、接触抵抗を向上させた。４００ｎｍデバイスの結果として得られたデバイス構造を、図１２に示す。

ｓ−ＳＷＣＮＴチャネルＦＥＴの電子特性を、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ソースメータ装置（Ｍｏｄｅｌ ２６３６Ａ）を用いて測定した。チャネル長を変えたデバイスについて測定を行い、直接及びパーコレーション領域の両方における移動特性を定量し、そしてｓ−ＳＷＣＮＴの電子タイプの純度を評価した。（パーコレーション領域における）典型的な９μｍチャネル長デバイスの特性は、図１５に示しており、これは、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴのｐ型挙動を実証している。低電界では、電流出力は線形挙動に従っており、この線形挙動は、Ｐｄ−ＳＷＣＮＴ界面における抵抗接点を示している。伝達特性を、挿入図に示す。表面吸着物を除去するためには処理されないＳＷＣＮＴに基づくデバイスに特有のヒステリシスが見られた。デバイスのオン／オフ比は、５ｘ１０^５であった。オンコンダクタンスは、７．３μＳ・μｍ^−１であり、これは、標準の平行なプレートの容量モデル：
を適用した、４６ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１の電界効果移動に相当する。

各デバイスの幅、及び０．４、１、２、３、４及び９μｍの変化するチャネル長に対して正規化したオン及びオフコンダクタンスを、図１７にプロットする。優秀なデバイスは、チャネル長が短い方から順に、６１、３１、２４、１８、１６、及び７．５μＳ・μｍ^−１の幅当たりのオンコンダクタンスを有する。得られた最高のオン／オフ比は、チャネル長が短い方から順に、４．１ｘ１０^５、４．１ｘ１０^５、４．４ｘ１０^５、５．６ｘ１０^５、３．４ｘ１０^５、及び２．２ｘ１０^７である。試験したデバイスの全てのオンコンダクタンス及びオン／オフ比の分布を、文献で報告されている最新式のｓ−ＳＷＣＮＴの性能とともに図１８で比較している。従来の研究は、Ｓａｎｇｗａｎ（Ｖ．Ｋ．Ｓａｎｇｗａｎ，Ｒ．Ｐ．Ｏｒｔｉｚ，Ｊ．Ｍ．Ｐ．Ａｌａｂｏｓｏｎ，Ｊ．Ｄ．Ｅｍｅｒｙ，Ｍ．Ｊ．Ｂｅｄｚｙｋ，Ｌ．Ｊ．Ｌａｕｈｏｎ，Ｔ．Ｊ．Ｍａｒｋｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｃ．Ｈｅｒｓａｍ，ＡＣＳ Ｎａｎｏ ６（８），７４８０（２０１２）），Ｅｎｇｅｌ（Ｍ．Ｅｎｇｅｌ，Ｊ．Ｐ．Ｓｍａｌｌ，Ｍ．Ｓｔｅｉｎｅｒ，Ｍ．Ｆｒｅｉｔａｇ，Ａ．Ａ．Ｇｒｅｅｎ，Ｍ．Ｓ．Ｈｅｒｓａｍ，ａｎｄ Ｐ．Ａｖｏｕｒｉｓ，ＡＣＳ Ｎａｎｏ．２（１２），２４４５（２００８）），Ｍｉｙａｔａ（Ｙ．Ｍｉｙａｔａ，Ｋ．Ｓｈｉｏｚａｗａ，Ｙ．Ａｓａｄａ，Ｙ．Ｏｈｎｏ，Ｒ．Ｋｉｔａｕｒａ，Ｔ．Ｍｉｚｕｔａｎｉ，ａｎｄ Ｈ．Ｓｈｉｎｏｈａｒａ，Ｎａｎｏ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ４（１０），９６３（２０１１）），Ｋａｎｇ（Ｓ．Ｊ．Ｋａｎｇ，Ｃ．Ｋｏｃａｂａｓ，Ｔ．Ｏｚｅｌ，Ｍ．Ｓｈｉｍ，Ｎ．Ｐｉｍｐａｒｋａｒ，Ｍ．Ａ．Ａｌａｍ，Ｓ．Ｖ．Ｒｏｔｋｉｎ，ａｎｄ Ｊ．Ａ．Ｒｏｇｅｒｓ，Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．２（４），２３０（２００７）），Ｊｉｎ（Ｓ．Ｈ．Ｊｉｎ，Ｓ．Ｎ．Ｄｕｎｈａｍ，Ｊ．Ｓｏｎｇ，Ｘ．Ｘｉｅ，Ｊ．Ｈ．Ｋｉｍ，Ｃ．Ｌｕ，Ａ．Ｉｓｌａｍ，Ｆ．Ｄｕ，Ｊ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ｆｅｌｔｓ，Ｙ．Ｌｉ，Ｆ．Ｘｉｏｎｇ，Ｍ．Ａ．Ｗａｈａｂ，Ｍ．Ｍｅｎｏｎ，Ｅ．Ｃｈｏ，Ｋ．Ｌ．Ｇｒｏｓｓｅ，Ｄ．Ｊ．Ｌｅｅ，Ｈ．Ｕ．Ｃｈｕｎｇ，Ｅ．Ｐｏｐ，Ｍ．Ａ．Ａｌａｍ，Ｗ．Ｐ．Ｋｉｎｇ，Ｙ．Ｈｕａｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ａ．Ｒｏｇｅｒｓ，Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．８（５），３４７（２０１３）），Ｃａｏ（Ｑ．Ｃａｏ，Ｓ．Ｊ．Ｈａｎ，Ｇ．Ｓ．Ｔｕｌｅｖｓｋｉ，Ｙ．Ｚｈｕ，Ｄ．Ｄ．Ｌｕ，ａｎｄ Ｗ．Ｈａｅｎｓｃｈ，Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．８（３），１８０（２０１３）），Ｓｕｎ（Ｄ．Ｍ．Ｓｕｎ，Ｍ．Ｙ．Ｔｉｍｍｅｒｍａｎｓ，Ｙ．Ｔｉａｎ，Ａ．Ｇ．Ｎａｓｉｂｕｌｉｎ，Ｅ．Ｉ．Ｋａｕｐｐｉｎｅｎ，Ｓ．Ｋｉｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｍｉｚｕｔａｎｉ，ａｎｄ Ｙ．Ｏｈｎｏ，Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．６（３），１５６（２０１１）），Ｗｕ（Ｊ．Ｗｕ，Ｌ．Ｊｉａｏ，Ａ．Ａｎｔａｒｉｓ，Ｃ．Ｌ．Ｃｈｏｉ，Ｌ．Ｘｉｅ，Ｙ．Ｗｕ，Ｓ．Ｄｉａｏ，Ｃ．Ｃｈｅｎ，Ｙ．Ｃｈｅｎ，ａｎｄ Ｈ．Ｄａｉ，Ｓｍａｌｌ，ｎ／ａ（２０１３）），ａｎｄ Ｋｉｍ（Ｂ．Ｋｉｍ，Ｓ．Ｊａｎｇ，Ｐ．Ｌ．Ｐｒａｂｈｕｍｉｒａｓｈｉ，Ｍ．Ｌ．Ｇｅｉｅｒ，Ｍ．Ｃ．Ｈｅｒｓａｍ，ａｎｄ Ａ．Ｄｏｄａｂａｌａｐｕｒ，Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０３（８），０８２１１９（２０１３））である。

直接移動領域（ｄｉｒｅｃｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｒｅｇｉｍｅ）においては、ＳＷＣＮＴ ＦＥＴについて、２４０μＳ・μｍ^−１までのオンコンダクタンスが報告されているが、そのようなデバイスにおけるオン／オフ比は、恐らく金属型のナノチューブの存在により、１０^３以下に限られていた。同様に、パーコレーション領域（ｐｅｒｃｏｌａｔｉｖｅ ｒｅｇｉｍｅ）においては、約１０^７の高いオン／オフ比が得られているが、デバイスは、５μｍ超のチャネル長について４μＳ・μｍ^−１以下のオンコンダクタンスに限られていた。ｓ−ＳＷＣＮＴ ＦＥＴネットワークにおけるパーコレーション経路の数、又は整列しているＣＶＤ膜における低いｓ−ＳＷＣＮＴ密度に起因する。例えば、パーコレーション領域においては、高いオンコンダクタンス及びオン／オフ比を同時に得ることは難題となっている（Ｄ．Ｍ．Ｓｕｎ，Ｍ．Ｙ．Ｔｉｍｍｅｒｍａｎｓ，Ｙ．Ｔｉａｎ，Ａ．Ｇ．Ｎａｓｉｂｕｌｉｎ，Ｅ．Ｉ．Ｋａｕｐｐｉｎｅｎ，Ｓ．Ｋｉｓｈｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｍｉｚｕｔａｎｉ，ａｎｄ Ｙ．Ｏｈｎｏ，Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．６（３），１５６（２０１１）及びＳ．Ｈ．Ｊｉｎ，Ｓ．Ｎ．Ｄｕｎｈａｍ，Ｊ．Ｓｏｎｇ，Ｘ．Ｘｉｅ，Ｊ．Ｈ．Ｋｉｍ，Ｃ．Ｌｕ，Ａ．Ｉｓｌａｍ，Ｆ．Ｄｕ，Ｊ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ｆｅｌｔｓ，Ｙ．Ｌｉ，Ｆ．Ｘｉｏｎｇ，Ｍ．Ａ．Ｗａｈａｂ，Ｍ．Ｍｅｎｏｎ，Ｅ．Ｃｈｏ，Ｋ．Ｌ．Ｇｒｏｓｓｅ，Ｄ．Ｊ．Ｌｅｅ，Ｈ．Ｕ．Ｃｈｕｎｇ，Ｅ．Ｐｏｐ，Ｍ．Ａ．Ａｌａｍ，Ｗ．Ｐ．Ｋｉｎｇ，Ｙ．Ｈｕａｎｇ，ａｎｄ Ｊ．Ａ．Ｒｏｇｅｒｓ，Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．８（５），３４７（２０１３）を参照されたい）。

ここで、高いオンコンダクタンス及び高いオン／オフ比が同時に得られた。直接領域における４００ｎｍのチャネル長では、６１μＳ・μｍ^−１までの幅当たりのオンコンダクタンスが得られ、その一方で２ｘ１０^５のオン／オフ比のメジアン値を維持していた。パーコレーション領域における９μｍのチャネル長では、２ｘ１０^６のオン／オフ比のメジアン値が得られ、その一方で７．５μＳ・μｍ^−１までのコンダクタンス値であった。１〜４μｍの範囲の中間のチャネル長では、得られたオンコンダクタンス及びオン／オフ比は、図１８において、反比例して勾配している線に沿って、これらの２つの場合の間にあった。概して、本発明のデバイスの性能は、他のどの種類のデバイスよりも更に図１８におけるグラフの右上隅に突出しており、オンコンダクタンス及びオン／オフ比がこれらの従来の研究よりも伸びている。

同時に高いオンコンダクタンス及びオン／オフ比は、恐らく（ａ）ｓ−ＳＷＣＮＴの高い半導体性純度及び（ｂ）それらの高い整列度を含む要因の組合せに由来する。追加の要因は、（ｃ）ｓ−ＳＷＣＮＴのバンドリング及び相互作用を低減させるポリマー包囲体が、ｓ−ＳＷＣＮＴ堆積中に存在していることに起因する、ナノチューブ間の電荷遮蔽の低下に帰する可能性がある。要因（ａ）を試験するため、４００ｎｍのチャネル長を有する２２個の異なるＦＥＴデバイスを評価した。実施例１に示している個々のｓ−ＳＷＣＮＴの長さ分布の分析は、個々のｓ−ＳＷＣＮＴのうちの概ね半分が、４００ｎｍ超であったことを示した。したがって、これらの４００ｎｍＦＥＴは、金属型のＳＷＣＮＴの存在の感度の高い尺度を与えた。これらのＦＥＴは、４，０７１個の個々のｓ−ＳＷＣＮＴ又はｓ−ＳＷＣＮＴの小さなペア若しくはバンドルで構成されていた。各ＦＥＴのコンダクタンス変調（図１６）を用いて、ＦＥＴ内におけるＳＷＣＮＴの電子タイプの純度を評価した。ＦＥＴ内においては、チャネルに直接掛かっているただ１つの金属型ナノチューブの存在でさえも、約１〜１０μＳのオフコンダクタンスの実質的な上昇を引き起こす。オンコンダクタンスのメジアン値は、１３０μＳであり、したがって、チャネルに掛かっている１つの金属型のナノチューブを具備しているＦＥＴについてのオン／オフ比を、約１０^１〜１０^２まで低減させることが期待されていた。測定したデバイスの最も低いオン／オフ比は、６．８ｘ１０^３であり、この値は、１つの金属型のナノチューブを具備しているデバイスに期待される最も高いオン／オフ比よりも２桁近く大きかった。オン／オフ比のメジアン値は、２ｘ１０^５であり、１０^４未満のオン／オフ比を有するデバイスは３つだけであった。４，０７１個の種のうちの半分がチャネルに完全に掛かっている個々のＳＷＣＮＴであったならば、このことは実施例１における長さ分布の測定に基づく合理的な評価であり、ここで選別したＳＷＣＮＴの半導体性純度は９９．９５％以上であった。

要因（ｂ）は、ＳＥＭ画像によって裏付けられた一方で、要因（ｃ）は、以下のように評価した。ＳＷＣＮＴ間の平均間隔は、２０ｎｍ以下であり、かつ溶液中のバンドルの存在は、ＰＦＯ−ＢＰｙ ｓ−ＳＷＣＮＴのクロロホルム中の高い溶解性に起因して、最小限であった。ｓ−ＳＷＣＮＴ周囲のＰＦＯ−ＢＰｙ包囲体の安定性は、乾燥中のＳＷＣＮＴ間の相互作用を制限し、それによって少ない電荷遮蔽相互作用でｓ−ＳＷＣＮＴの整列した膜を形成することができる。

個々のｓ−ＳＷＣＮＴ又はｓ−ＳＷＣＮＴの小さなペア若しくはバンドルが全て個々のｓ−ＳＷＣＮＴであるという仮定の下で、ｓ−ＳＷＣＮＴ１個当たり１．２μＳまでのコンダクタンスが、チャネル長４００ｎｍのデバイスにおいて得られた。チューブ当たりのコンダクタンスを更に向上させるために調整できる幾つかの要因として、例えば（ｉ）直径分布を狭くすること及びより大きい直径のｓ−ＳＷＣＮＴにシフトすること、（ｉｉ）ｓ−ＳＷＣＮＴを長さで選別して、それらが全て独立してチャネルに及ぶことを確実にすること、又は代替的により短いチャネル長を用いること、（ｉｉｉ）向上したコンダクタンス変調のために、局所的なトップゲート構造を付与すること、並びに（ｉｖ）接触抵抗をＳＷＣＮＴ−Ｐｄ界面で上昇させる可能性があるＰＦＯ−ＢＰｙポリマーの残留物をより良好に除去することがある。

《実施例３》
この実施例においては、並外れた電子タイプの純度（９９．９％ｓ−ＳＷＣＮＴ）を有する整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜を、速い堆積速度で、連続型浮揚蒸発性自己組織化プロセスを用いて堆積させた。ＳＷＣＮＴは、アーク放電技術を用いて作製され、約１３〜約１９Åの範囲の直径を有していた。

基材の作製：長方形のケイ素片（約幅１ｃｍ×長さ３ｃｍ）を、より大きいケイ素ウェハーから切断した。これらのケイ素片は、被覆すべき基材として働いた。この基材を、Ｈ_２Ｏ_２（３３％）／濃Ｈ_２ＳＯ_４（６７％）のピラニア溶液で２０分間洗浄し、そして脱イオン（ＤＩ）水ですすいだ。ピラニア処理の後に、基材をヘキサメチルジシラザン自己組織化単層（蒸着）により被覆した。

ｓ−ＳＷＣＮＴインクの調製：アーク放電ＳＷＣＮＴ粉末（２ｍｇ・ｍｌ^−１）及びポリ［（９，９−ジオクチルフルオレニル−２，７−ジイル）−ａｌｔ−ｃｏ−（６，６’−｛２，２’−ビピリジン｝）］（ＰＦＯ−ＢＰｙ）（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｄｙｅ Ｓｏｕｒｃｅ、２ｍｇ・ｍｌ^−１）の混合物を、トルエン（３０ｍｌ）中で３０分間超音波処理した。この溶液を、スイング型ローター中で５０，０００ｇで５分間遠心分離し、そして５０，０００ｇで１時間再度遠心分離した。上澄みを収集し、シリンジフィルターを通して濾過した。３０分にわたって蒸留して、トルエンを除去した。ＰＦＯ−ＢＰｙ及びｓ−ＳＷＣＮＴの残留物を、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）中で再分散させた。ＴＨＦ中のｓ−ＳＷＣＮＴ溶液を、１５℃の温度で１２時間遠心分離した。上澄み（過剰なＰＦＯ−ＢＰｙ）を処分し、そしてペレットをＴＨＦに再分散させた。ＴＨＦを除去した後、残留物をクロロホルム中に２０μｇ／ｍＬ又は１０μｇ／ｍＬの濃度まで分散させた（１〜２０μｇ／ｍＬの濃度の試験に成功した。）。

実験装置：基材をモーターに載置し、垂直に一定速度で持ち上げられるようにして、そして次いで脱イオン水のバス中に部分的に沈ませた。２０ゲージの注射針（Ｈａｍｉｌｔｏｎ，ｐｏｉｎｔ ｓｔｙｌｅ ＃２−ｂｅｖｅｌｅｄ）を用い、ｓ−ＳＷＣＮＴインクを脱イオン水の表面上の溜まりに供給した。この注射針を、次のように配置した：水浴の表面に対しておおよそ４５°で、注射針の開口を基材の反対側に向けた；注射針の先端を、基材に極めて接近させて配置し（４０／１０００インチ〜２００／１０００インチの距離を試験するのに成功した）；そして、先端が小さな窪みを水面に形成するまで、注射針を水に向かって下げた（２０〜３４ゲージの注射針を試験するのに成功した）。

１つの実験作業（「作業Ａ」）においては、薄板金属（ステンレス鋼）の広い（５ｃｍ以下）片を部分的に挿入して、注射針の後ろに「ダム」を形成した。注射針とダムとの間の１ｍｍのスペーサーは、注射針により供給した流体が水面上で自由に流れることを確実にする。このダムは、溜りの外側への（すなわち、基材から離れた）流れを制限し、これによってより遅いインクの流速を用いて溜まりを維持することを可能とする。

実験手順：ｓ−ＳＷＣＮＴインクを溜まりへと連続的な流れで供給した（１６０〜３２０μＬ／ｍｉｎの流速を試験することに成功した。）。同時に、基材を垂直に脱イオン水及び溜まりの外へと持ち上げた（１〜１５の持ち上げ速度を試験することに成功した）。インクは、表面を横切って基材まで流れ、一層のＣＮＴ膜を堆積させた。実験の終わりにおいては、水浴の外に基材を上げた。更に、用途に応じて、膜形成後の処理（アニール等）が望まれることがあるが、この時点においては膜の堆積は完了していた。

２つの実験作業を実施した。第一の作業Ａにおいては、インクにおけるＳＷＣＮＴの濃度は２０μｇ／ｍＬであった。；注射針の先端は、基材表面から、基材に垂直な線に沿って測定して、４０／１０００インチに配置した。；インクは、２００μＬ／ｍｉｎの流速で供給した；そして、基材は、１５ｍｍ／ｍｉｎの速度で垂直に持ち上げた。第二の作業、作業Ｂにおいては、インクにおけるＳＷＣＮＴの濃度は１０μｇ／ｍＬであった；注射針の先端は、基材表面から、基材に垂直な線に沿って測定して、８０／１０００インチに配置した；インクは、３２０μＬ／ｍｉｎの流速で供給した；そして、基材は、５ｍｍ／ｍｉｎの速度で垂直に持ち上げた。

膜の撮影：堆積した膜を、ＬＥＯ１５３０ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出電子顕微鏡）を用いて撮影した。電子ビームを、５．０キロボルトで加速させた。最良の画質のため、作動距離を、典型的には３．５〜６．５ｍｍの範囲で調節した。インレンズの第二の電子検出器を用いて、画像を得た。ＳＥＭによる撮像のために用いたか又は必要であった試料の前処理はなかった。図２１は、作業Ａにおいて堆積した整列しているｓ−ＳＷＣＮＴ膜のＳＥＭ画像である。図２２Ａは、作業Ｂにおいて堆積した整列しているｓ−ＳＷＣＮＴ膜のＳＥＭ画像である。図２２Ｂは、図２２ＡのＳＥＭ画像の拡大した部分を示している。

《実施例４》
この実施例では、並外れた電子型純度（９９．９％ ｓ−ＳＷＣＮＴ）を有する、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜を、連続型浮揚蒸発性自己組織化法を用いて高い堆積速度で堆積させた。（７，５）ｓ−ＳＷＣＮＴとして言及しているこのＳＷＣＮＴは、Ｓｈｅａ，Ｍ．Ｊ．；Ａｒｎｏｌｄ，Ｍ．Ｓ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２０１３，１０２（２４），５に記載されている手順と類似の手順を用いて製造した。

（７，５）ｓ−ＳＷＣＮＴは、一酸化炭素の不均化のコバルトモリブデン触媒作用（ＣｏＭｏＣＡＴ）に由来する、小さい直径（０．７〜１．２ｎｍ）のナノチューブの粉末（Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｌｏｔ＃ ＳＧ６５ｉ−Ｌ３８）から抽出した。この（７，５）種は、トルエン中のポリ（９，９−ジオクチルフルオレン−２，７−ジイル）（ＰＦＯ）の溶液に粉末を分散させることにより単離させた。２：１（ｗ／ｗ）未満のＰＦＯ：ナノチューブの溶液が得られるまで、テトラヒドロフラン中での反復沈降及び再分散により過剰なＰＦＯを除去した。連続型ＦＥＳＡ堆積のためのｓ−ＳＷＣＮＴインクを作製するための最終工程においては、ナノチューブをクロロホルム中に分散させ、そして１０μｇ／ｍＬの濃度まで希釈した。

ＰＦＯ：（７，５）ナノチューブをＨＭＤＳで処理したＳｉ／ＳｉＯ_２基材上に、アーク放電ナノチューブのＦＥＳＡ堆積のために用いた手順と類似の手順を用いて堆積させた。この７，５ＦＥＳＡ堆積のためには、裏張りダム（ｂａｃｋｉｎｇ ｄａｍ）を用いなかった。２０ゲージの注射針、シリンジポンプで制御した２００μＬ／ｍｉｎの流速、及び５ｍｍ／ｍｉｎの基材持ち上げ速度を用いた。

本発明の例示的な実施態様の上記の説明は、例示及び説明の目的のために示している。上記の説明は、本発明を網羅することも、開示された正味の形態に限定することも意図しているものではなく、修正及び変形態様を上記の教示に照らして行うことが可能であり、又は本発明の実施から得られよう。実施態様は、本発明の原理を説明するために、かつ当業者が種々の実施態様にて、かつ特定の用途を考慮するのに適した種々の修正を伴って本発明を実施するのに十分な本発明の実用的な用途として選択及び記載したものである。本発明の範囲は、添付の請求項及びこれらの均等物によって定められることが意図されている。

Claims (29)

1. 整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を基材上に形成する方法であって、以下の工程を含む、方法：
   （ａ）疎水性基材を水性媒体中に部分的に沈ませる工程；
   （ｂ）液体溶液のドーズを、前記水性媒体に添加する工程であって、前記液体溶液が、有機溶媒中に分散している半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを含有しており、それによって前記液体溶液が空気液相界面で前記水性媒体上に層状に展開し、そして前記層からの半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを、整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴのストライプとして前記疎水性基材上に堆積させる、工程；及び
   （ｃ）前記疎水性基材を前記水性媒体から少なくとも部分的に引き出して、整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴの前記ストライプが堆積されている疎水性基材の部分を、前記空気液相界面から引き出すようにする工程。
2. 工程（ｂ）及び（ｃ）を、１回又は複数回この順で繰り返して、１つ又は複数の追加の整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴのストライプを、前記疎水性基材上に堆積させる工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記半導体選択性ポリマーを、前記整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴから除去する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ストライプにおける前記半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴが、約±１５°以内の整列度を有している、請求項１に記載の方法。
5. 前記ストライプにおける前記単層カーボンナノチューブの線形充填密度が、少なくとも単層カーボンナノチューブ４０個／μｍである、請求項１に記載の方法。
6. 前記基材を、少なくとも１ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き出す、請求項２に記載の方法。
7. ストライプを、前記基材上に２００μｍ以下の周期性で堆積させる、請求項６に記載の方法。
8. 前記半導体選択性ポリマーが、ポリフルオレン誘導体である、請求項１に記載の方法。
9. 整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜であって、前記膜における前記ｓ−ＳＷＣＮＴが、約±１５°以内の整列度を有しており、かつ前記膜における前記単層カーボンナノチューブの線形充填密度が、少なくとも単層カーボンナノチューブ４０個／μｍである、膜。
10. 前記膜における前記ｓ−ＳＷＣＮＴが、±１４．４°以内の整列度を有しており、かつ前記膜における前記単層カーボンナノチューブの線形充填密度が、少なくとも単層カーボンナノチューブ４５個／μｍである、請求項９に記載の膜。
11. 少なくとも９９．９％の半導体型単層カーボンナノチューブ純度を有する、請求項９に記載の膜。
12. 前記ｓ−ＳＷＣＮＴが、半導体選択性ポリマーで包まれている、請求項９に記載の膜。
13. 前記半導体選択性ポリマーが、ポリフルオレン誘導体である、請求項１２に記載の膜。
14. 以下のものを具備している、電界効果トランジスタ：
    ソース電極；
    ドレイン電極；
    ゲート電極；
    前記ソース電極及び前記ドレイン電極と電気的に接続している伝導チャネルであって、前記伝導チャネルが、整列しているｓ−ＳＷＣＮＴを具備している膜を具備しており、前記膜におけるこのｓ−ＳＷＣＮＴが、約±１５°以内の整列度を有しており、かつ前記膜における単層カーボンナノチューブの線形充填密度が、少なくとも単層カーボンナノチューブ４０個／μｍである、伝導チャネル；並びに
    前記ゲート電極と前記伝導チャネルとの間に配置されている、ゲート誘電体。
15. 少なくとも９９．９％の半導体型単層カーボンナノチューブ純度を有する、請求項１４に記載のトランジスタ。
16. 前記ｓ−ＳＷＣＮＴが、半導体選択性ポリマーで包まれている、請求項１４に記載のトランジスタ。
17. 少なくとも５μＳ・μｍ^−１の幅当たりのオンコンダクタンス及び少なくとも１ｘ１０^５の幅当たりのオン／オフ比を有する、請求項１４に記載のトランジスタ。
18. 約４００ｎｍ〜約９μｍの範囲のチャネル長を有する、請求項１７に記載のトランジスタ。
19. １０μＳ・μｍ^−１超の幅当たりのオンコンダクタンス及び少なくとも２ｘ１０^５の幅当たりのオン／オフ比を有する、請求項１４に記載のトランジスタ。
20. 約１μｍ〜約４μｍの範囲のチャネル長を有する、請求項１９に記載のトランジスタ。
21. 整列しているｓ−ＳＷＣＮＴの膜を基材上に形成する方法であって、以下の工程を含む、方法：
    （ａ）疎水性基材を水性媒体中に部分的に沈ませる工程；
    （ｂ）液体溶液の連続的な流れを前記水性媒体へと供給する工程であって、前記液体溶液が、有機溶媒中に分散している半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴを含有しており、それによって前記液体溶液が空気液相界面で前記水性媒体上に層状に展開し、そして前記層からの半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴが、整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴの膜として前記疎水性基材上に堆積させ、前記膜の形成の間、連続的に蒸発している前記層中の前記有機溶媒を、前記液体溶液の前記流れにより連続的に再供給する、工程；及び
    （ｃ）前記疎水性基材を前記水性媒体から引き出して、整列しており半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴの前記膜が、前記疎水性基材を前記水性媒体から引き出した時に前記疎水性基材の長さに沿って成長するようにする工程。
22. 前記有機溶媒が、クロロホルムを含有している、請求項２１に記載に記載の方法。
23. 前記有機溶媒が、ジクロロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ベンゼン、ジクロロベンゼン、トルエン及びキシレンのうちの少なくとも一種を含有している、請求項２１に記載の方法。
24. 前記半導体選択性ポリマーを、前記整列している半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴから除去する工程を更に含む、請求項２１に記載の方法。
25. 前記膜における前記半導体選択性ポリマーで包まれているｓ−ＳＷＣＮＴが、約±２０°以内の整列度を有している、請求項２１に記載の方法。
26. 前記膜における前記単層カーボンナノチューブの線形充填密度が、少なくとも単層カーボンナノチューブ４０個／μｍである、請求項２１に記載の方法。
27. 前記基材を、少なくとも１ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き出す、請求項２１に記載の方法。
28. 前記液体溶液における前記ｓ−ＳＷＣＮＴの濃度が、少なくとも１μｇ／ｍＬであり、かつ液体溶液の前記連続的な流れを、少なくとも１６０μＬ／ｍｉｎの速度で供給する、請求項２７に記載の方法。
29. 前記半導体選択性ポリマーが、ポリフルオレン誘導体である、請求項２１に記載の方法。