JP5889416B2 - 構造体形成方法、構造体および二官能性前駆体分子 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、カーボンナノチューブ（以後、「ＣＮＴ」）を基板上に配置する方法に関する。詳細には本発明は、荷電ＣＮＴの、それとは逆に帯電した自己組織化単層を有し予めパターニングされた表面への選択的配置に関する。
ＣＮＴは半導電性となることがあり、したがって電界効果トランジスタ（以後、「ＦＥＴ」）のチャネル材料として興味深いものである。よって、ＦＥＴで使用される基板上にＣＮＴを配置する方法が探究されている。
基板上にＣＮＴを配置する１つの手法では、懸濁液からＣＮＴの指向的アセンブリを行う。この手法では、ＣＮＴが親和性を有することになる区域が画定されるように、基板をパターニングする。親和性は、基板とＣＮＴとの結合を促進させるための、基板またはＣＮＴのどちらかの官能化に起因する。
ある例では、ＣＮＴを基板上に配置するために、従来技術では基板に有機化合物をスタンプして、親水性および疎水性領域を有する基板を生成する。親水性領域は当初の基板表面であり、疎水性領域は、有機化合物がスタンプされた区域である。基板をＣＮＴの溶液に浸漬し、乾燥して、ＣＮＴを親水性領域上に残す。しかし、基板の表面上のＣＮＴは束になったり（即ち、ロープのような状態で一まとめに捻じれたＣＮＴの群）または多層になったりしている。束になったりまたは多層になったＣＮＴは、それらから作製されたトランジスタの電源をオン・オフするのにより高い電圧を必要とするので、望ましくない。記述された方法には、幅の小さい（２００ｎｍ程度またはそれ未満）窪んだ親水性区域にＣＮＴの溶液が到達できないという、もう１つの欠点がある。その結果、ＣＮＴは広い親水性区域に配置されることになり、一方で、小さい親水性フィーチャは表出したままである。このため、水素結合（双極子結合のタイプ）に基づくＣＮＴ配置法は、不十分な選択性をもたらす可能性がある。
言い換えれば、従来技術は、まずＣＮＴを官能化し次いでＣＮＴを基板上に直接配置することによって、ＣＮＴを基板上に配置する。しかしそのような方法は、低密度のＣＮＴを表面にもたらす。
したがって、高密度ＣＮＴの単層を、束(bundling)が最小限に抑えられた状態で基板上に選択的に配置する方法が求められている。
本発明は、カーボンナノチューブ（「ＣＮＴ」）が選択的に配置された構造体を形成する方法を提供しようとするものである。方法は、表面を有する基板を用意するステップと、基板の表面と前駆体分子の溶液とを接触させて、第１のイオン電荷部分を表面に有する自己組織化単層を形成するステップとを含む。その後、自己組織化単層と、第２のイオン電荷部分を有する複数のＣＮＴの分散液とを接触させる。
本発明の別の態様によれば、ＣＮＴ層を有する構造体は、第１の領域および第２の領域を有する基板と、第１の領域上の自己組織化単層と、自己組織化単層上のＣＮＴ層とを含む。ＣＮＴ層は、１平方ミクロン当たり１ＣＮＴを超える密度を有する。
本発明のその他の態様によれば、自己組織化単層を作製するための二官能性前駆体分子が開示される。二官能性前駆体分子は、単層を基板に固着させる第１の官能基と、第１のイオン電荷部分を有する第２の官能基とを含む。第１の官能基は、チオール、イソニトリル（isontrile）、ホスホン酸、およびヒドロキサム酸の群から選択される。第１のイオン電荷部分は、アンモニウム塩、スルホニウム塩、およびホスホニウム塩を含めたオニウム塩とすることができる。
本発明の利点には、カーボンナノチューブの密度が高く、多層ＣＮＴまたは束になったＣＮＴの形成が少ないことが含まれる。
別の利点は、ＣＮＴＦＥＴの、より良好な電気性能である。
本発明のその他の特徴および利点は、全ての図において同じ符号が同じまたは類似の部分を表している添付図面の説明と組み合わせることにより、明らかにされよう。
次に本発明の実施形態について、単なる例として、添付図面を参照しながら記述する。
本発明の実施形態による、基板上方にＣＮＴを配置する方法の、フローチャートである。 本発明の実施形態による、パターニングされた基板の断面を示す図である。 本発明の実施形態による、図２のパターニングされた基板を、上から見た図である。 本発明の実施形態による、第１の等電点を有する基板の領域上に自己組織化単層を形成する二官能性前駆体材料を示す図である。 本発明の実施形態による、第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴの溶液に接触する、パターニングされた基板の第１の領域上に、第１のイオン電荷部分を持つ自己組織化単層を示す図である。 本発明の実施形態による方法によって形成された、自己組織化単層上の、ＣＮＴ層を示す図である。 本発明の実施形態による、選択的に配置されたＣＮＴの層を持つ基板の、走査型電子顕微鏡画像である。 本発明の実施形態による、第１の官能基と、第１のイオン電荷部分を有するアンモニウム塩である第２の官能基とを有し、第１のイオン電荷部分が正に帯電している二官能性前駆体基を示す図である。 本発明の実施形態による、第１の官能基と、第１のイオン電荷部分を有するアンモニウム塩である第２の官能基とを有し、第１のイオン電荷部分が正に帯電している二官能性前駆体基を示す図である。 本発明の実施形態による、第１の官能基と、第１のイオン電荷部分を有するピリジニウム塩である第２の官能基とを有し、第１のイオン電荷部分が正に帯電している二官能性前駆体基を示す図である。 本発明の実施形態による、第１の官能基と、第１のイオン電荷部分を有するスルホニウム塩である第２の官能基とを有し、第１のイオン電荷部分が正に帯電している二官能性前駆体基を示す図である。 本発明の実施形態による、第１の官能基と、第１のイオン電荷部分を有するホスホニウム塩である第２の官能基とを有し、第１のイオン電荷部分が正に帯電している二官能性前駆体基を示す図である。 本発明の実施形態による、ＣＮＴを官能化することによって第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを形成する方法の第１のステップであって、ジアゾニウム塩（Ｒ−Ｎ２ ＋Ｘ−）である有機塩をＣＮＴ分散液と合わせることにより図１４に示される官能化ＣＮＴを形成する第１のステップを示す図である。 （ａ）本発明の実施形態による、ＣＮＴを官能化することによって第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを形成する方法の第２のステップであって、ＫＯＨおよび水を官能化ＣＮＴと混合することにより（ｂ）に示される最終生成物を形成する第２のステップを示す図である。（ｂ）本発明の実施形態による、ＣＮＴを官能化することによって第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを形成する方法の、第２の電荷部分を有するＣＮＴである最終生成物を示す図である。 本発明の実施形態による、イオン性界面活性剤でＣＮＴをコーティングすることによって、第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを形成する方法を示す図である。
本発明の基本原理は、ＣＮＴの高密度単層を、ほとんどまたは全く束状にならない状態で基板上に形成するための方法である。方法ならびに得られる構造体について、図１〜７と併せて記述する。本発明は、ＣＮＴを基板上に配置する方法で使用される、自己組織化単層用の二官能性前駆体分子も含む。二官能性前駆体の実施形態については、図８〜１２と併せて記述する。本発明はさらに、その実施形態が図１３〜１６と併せて記述される第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを生成するための方法を含む。本発明の詳細な記述は、下記の実施形態と組み合わせて行う。符号は単なる符号であり、したがって方法を、符号の番号順に必ずしも制限しないことに留意されたい。
図１を参照すると、本発明の実施形態による、基板上方にＣＮＴを配置する方法のフローチャートが示されている。符号１０では、パターニングされた基板を用意する。基板をパターニングすることによって、第１の領域および第２の領域が基板上に生成される。符号２０では、パターニングされた基板を、前駆体を含有する溶液に接触させた状態に置く。前駆体は二官能性であり、２つの異なる目的を果たす２つの官能基を有することを意味する。第１の官能基は、前駆体を基板に固着させる働きをし、第２の官能基は、（第１の）イオン電荷部分として働く。基板を前駆体溶液に接触させることにより、第１の官能基（固着官能基）は基板の第１の領域との結合を形成し、それによって自己組織化単層がその領域に形成され；第２の官能基は所定位置にあるままであり、したがって単層は第１のイオン電荷部分を有する。符号３０では、自己組織化単層を持つ基板を、第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを含有する分散液に接触させた状態に置く。第１および第２の電荷部分は反対であり、したがってＣＮＴは、第１のイオン電荷部分を有する自己組織化単層に静電的に引き付けられ、その結果、自己組織化単層上にＣＮＴの層が得られる。符号４０では、基板を濯ぐことにより、自己組織化単層上方に、言い換えれば基板の第１の領域上方に、ＣＮＴ層を残す。
図２を参照すると、パターニングされた基板２００の断面が示されている。基板は、ベース２１０、第１の領域２２０、および第２の領域２３０を有する。ここでは、第２の領域２３０は第１の領域２２０よりも高く示されるが、領域は同一平面にあってもよく、または第１の領域２２０が第２の領域２３０よりも高くてもよい。ここでは、第２の領域２３０は、第１の領域２２０の一部の上面にあることが示されている。しかし、この反対の状態の形成を行ってもよく、またはこれらの領域は、互いに接していてもよい。このように、これらの領域の互いに対する、およびベースに対する正確な断面構成は、多くの変形例を有していてもよく（上記にて論じたそれら変形例を超えてもよく）、図２はその１つの実施形態にすぎない。
図３を参照すると、同じパターニングされた基板２００を、上から見下ろした状態が示されている。図３において、第１の領域２２０は、その両側に第２の領域２３０が位置する単純なストリップである。しかし第１および第２の領域は、様々な形状または構成をとってもよい。
次に、第１および第２の領域の等電特性について論じる。等電点は、表面が正味の電荷を持たないｐＨである。本発明において、第１の領域２２０は第１の等電点を有し、第２の領域２３０は第２の等電点を有する。第１および第２の等電点は互いに異なり、第１の等電点（即ち、第１の領域２２０の等電点）は第２の等電点（即ち、第２の領域２３０の等電点）よりも大きい。好ましくは、第１の領域の等電点と第２の領域の等電点との差が、約４またはそれ以上であるべきである。例えば、７程度の等電点を有する酸化ハフニウムの第１の領域２２０と、２程度の等電点を有する二酸化ケイ素の第２の領域２３０とは、等電点に約５の差をもたらす。
次に、パターニングされた基板の第１および第２の領域として適切な材料について論じる。第１の実施形態では、第１の領域２２０は金属酸化物であり、第２の領域２３０は、酸化ケイ素（ＳｉｘＯｚＨｚ）などであるがこれに限定されない非金属酸化物である。金属酸化物には、元素の周期表のＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ、ＶＩＩＩ、またはＩＩＡ族（ＣＡＳ版）からの、少なくとも１つの金属が含まれる。例として、金属酸化物の第１の領域２２０は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）とすることができる。第２の実施形態では、第１の領域２２０は、非金属酸化物および金属酸化物を含めた任意の酸化物とすることができる。第２の実施形態では、第２の領域２３０が金属である。第２の領域で使用される金属の例には、金、パラジウム、銅、白金などが含まれる。
図４を参照すると、パターニングされた基板２００は、二官能性前駆体２５０を含有する溶液２４０と接触するようになって、第１のイオン電荷部分２６４を有する自己組織化単層（以後、「ＳＡＭ」）２６５を形成する。前駆体２５０は二官能性であり、２つの官能基（２５２、２５４）を有することを意味し、言い換えれば２つの異なる目的を達成する。
第１の官能基２５２は、前駆体２５０を、パターニングされた基板２００の第１の領域２２０に固着させる働きをする。第２の官能基２５４は、このプロセスの後半でＣＮＴの第２のイオン電荷部分との結合を形成する働きをする、第１のイオン電荷部分２６４を有する。パターニングされた基板２００と前駆体溶液２４０とを接触させることにより、第１の官能基２５２（固着官能基）は基板の第１の領域２２０との結合を形成し、それによって、第１のイオン電荷部分２６４を第１の領域２２０に有する自己組織化単層２６５が形成される（二官能性前駆体と、第１および第２の官能基との具体例については、後で論じる。）。
第１のイオン電荷部分２６４は、正または負のどちらかに帯電することができる。好ましい実施形態では、パターニングされた基板２００は、酸化ハフニウムの第１の領域２２０と、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）の第２の領域２３０とを有する。好ましい実施形態では、第１の領域２２０（酸化ハフニウム）上に形成されたＳＡＭ ２６５は、正の第１のイオン電荷部分２６４を有する。その結果、特定の好ましい実施形態におけるその時点では、ＣＮＴ層形成前に基板の全表面が親水性になる。これは、ＣＮＴ配置の選択性を決定するのに基板表面での親水性および疎水性の差に依拠する従来技術の方法とは対照的である。このように本発明では、選択性は、部分的には基板の第１および第２の領域における等電点の差によって決定される。
図５を参照すると、パターニングされた基板２００の第１の領域２２０上に第１のイオン電荷部分２６４を持つＳＡＭ ２６５は、第２のイオン電荷部分２７４を有するＣＮＴ２７１の溶液２７０に接触する。第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを形成する方法については、後で論じる。反対に帯電した第１のイオン部分２６４と第２のイオン部分２７４との間のクーロン引力は、ＣＮＴ２７１と、基板の第１の領域２２０のＳＡＭ ２６５とを結合２８４する（図６参照）。基板を水中で濯いで、パターニングされた基板２００の第１の領域２２０の上方に選択的に形成されたＣＮＴ層２９０を残す。濯ぎステップは、過剰なＣＮＴを除去して、好ましくはＣＮＴの単層を形成する。層２９０のＣＮＴは、単層または多層のＣＮＴであってもよい。濯ぎステップは、ＣＮＴとＳＡＭの、反対に帯電したイオンの間に生成された結合２８４は、従来技術の方法に見出される単なる水素結合よりも強力であるので、本発明の方法において可能である。このように、結合２８４は、水素結合でそうであるようには水中で解離しない。
本発明に対する利点は、ＣＮＴ上の電荷部分が、ナノチューブそのものの誘導電荷とは対照的に、ＣＮＴの周りの荷電官能基または荷電界面活性剤からのものであることである。ＣＮＴに取り付けられた荷電官能基または界面活性剤を使用することによって、ＣＮＴとＳＡＭで覆われた基板との間の相互作用が増大し、その結果、基板２００の所望の領域上のＣＮＴ密度が増加する。
さらに図６を参照すると、ＣＮＴ層２９０は、約１０ＣＮＴ／μｍ２から約１００ＣＮＴ／μｍ２およびそれらの間の範囲のＣＮＴの密度を示す。得られたＣＮＴ層２９０は、約０．１束／μｍ２から約１束／μｍ２およびそれらの間の範囲の低い束密度を示す。図７は、本発明の実施形態による選択的に配置されたＣＮＴを持つ基板の、走査型電子顕微鏡画像である。
次に、適切な二官能性前駆体２５０について論じる。先に述べたように、二官能性前駆体は、固着のための第１の官能基２５２と、第１のイオン電荷部分２６４を形成するための第２の官能基２５４とを有する。第１の官能基（固着基）２５２の種類は、第１の領域２２０の材料によって決まる。第１の領域２２０の材料が金属の場合、第１の官能基２５２はチオール（−ＳＨ）またはイソニトリル（−ＮＣ）である。第１の領域２２０の材料が金属酸化物である場合、第１の官能基２５２はホスホン酸（−ＰＯ３Ｈ２）またはヒドロキサム酸（−ＣＯＮＨＯＨ）である。
次に、二官能性前駆体２５０の第２の官能基２５４について論じる。第２の官能基２５４は、イオン電荷部分２６４（本出願では、荷電イオン部分とも呼ぶ。）に変換することができる。第２の官能基２５４は、（１）前駆体２５０がそれ自体を基板に固着させて自己組織化単層を形成する前、または（２）前駆体２５０がそれ自体を基板に固着させて自己組織化単層を形成した後のいずれかに、イオン電荷部分２６４に変換することができる。第１の場合、自己組織化単層は形成されたままの状態で、第１の電荷部分２６４を有する。第２の場合、最初に自己組織化単層は帯電しておらず、第１のイオン電荷を有するＳＡＭに変換しなければならない。
図８〜１２を参照すると、第２の官能基２５４が、正電荷を有する第１のイオン電荷部分２６４に変換されている、二官能性前駆体２５０の例が示されている。全ての二官能性前駆体２５０は、先に記述した第１の官能基２５２（即ち、固着基）を表す「Ｒ」基を底部に有する。図８〜１２では、第１のイオン電荷部分２６４が、全て正に帯電したオニウム塩である。具体的には、図８〜９はアンモニウム塩を示し、図１０はピリジニウム塩の例であり、図１１はスルホニウム塩であり、図１２はホスホニウム塩である。続けると、図８および９では、「ｎ」は整数２から１６を表し；図９で、「Ｚ」は単結合、酸素、ＮＨ、または硫黄を表し；図８、９、１０、および１１で、「Ｒ１」、「Ｒ２」、および「Ｒ３」は独立して水素、または１から１０個の炭素のアルキル基とすることができ；図１２では、「Ａｒ１」、「Ａｒ２」、および「Ａｒ３」は独立して、フェニルまたは置換フェニル環とすることができ；図８〜１２の全てにおいて、「Ｘ」はハロゲンである。図８〜９に描かれるアンモニウム塩はジアゾニウム塩（−Ｎ２ ＋）よりも優れているが、それはジアゾニウム塩がＣＮＴと共有結合を形成することになるからである（ＣＮＴが部分電荷を有しているか完全イオン電荷を有しているかに関わらず）。共有結合は、トランジスタおよびその他の電子適用例で、ＣＮＴの電気性能を低下させる。
図８〜１２の正に帯電した部分に変換することのできる第２の官能基２５４は、下記の通りである：アンモニウム塩（図８および９）は、アミンと酸とを反応させることによって作製することができ；ピリジニウム塩（図１０）は、ピリジンとアルキルハロゲン化物とを反応させることによって作製することができ；スルホニウム塩（図１１）は、硫化物とアルキルハロゲン化物とを反応させることによって作製することができ；ホスホニウム塩（図１２）は、トリアリールホスフィンとアルキルハロゲン化物とを反応させることによって作製することができる。
図８〜１２は、正電荷を有する第１のイオン電荷部分２６４の例を示すが、負に帯電した第１のイオン電荷部分２６４を有する二官能性前駆体２５０も本発明の範囲内にある。負に帯電した第１のイオン部分の場合、二官能性分子は、正電荷部分２６４が−ＣＯＯ−またはＡｒ−Ｏ−などの負電荷部分で置換されること以外、図８〜１２と同じである。負に帯電した部分２６４に変換することのできる第２の官能基２５４の例は、−ＣＯＯＣＨ３およびフェノールなどのカルボン酸エステルである。これらの基は、−ＣＯＯ−またはＡｒ−Ｏ−をそれぞれもたらすＫＯＨなどの強塩基と反応することによって、負に帯電した部分２６４に変換される。
次に、「イオン電荷部分」という用語について論じる。部分は、電荷を有する分子の一部である。本発明において、電荷は、１分子が別の分子から１個の電子または１対の電子を得るので形成され；電荷部分はイオン性であることを意味する。本発明の、イオンにより帯電した分子は、極性分子（水、−ＮＨ２、−ＮＨＮＨ２、−ＯＮＨ２、−ＯＮＨＯＨ、および−ＣＯＮＨＯ−に見出されるようなもの）と対比されるべきである。極性分子は、分子中に不均等な電子分布を有する分子である。極性分子は不均等な電子分布を有するので、分子中の原子は、時々、部分的に帯電しているといわれ、または双極子モーメントを有するといわれる。しかし、反対に（部分的に）帯電した双極子間引力から得られる弱い結合は、本発明の、反対に帯電したイオンの引力から得られる、より強力な結合と混同すべきではない。
考察を、ＣＮＴ２７１上の第２のイオン電荷部分２７４を生成する２つの方法に戻す。官能化、即ちＣＮＴ上に第２のイオン電荷部分２７４を生成する第１の方法は、アリールジアゾニウム塩とＣＮＴ分散液とを混合して、官能基を有する有機化合物に共有結合したＣＮＴを形成することにより実現することができる。次いで官能基を持つＣＮＴを、強塩基水溶液に入れて、官能基を第２のイオン電荷部分２７４に変換する。強塩基の例には、好ましくはＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｓｒ（ＯＨ）２、Ｂａ（ＯＨ）２、およびＫＯＨが含まれるが、これらに限定するものではない。
図１３〜１４を参照すると、ＣＮＴを官能化して負に帯電したイオン部分２７４を形成する、具体例が示されている。図１３で、有機塩はジアゾニウム塩（Ｒ−Ｎ２ ＋Ｘ−）であり、これをＣＮＴ２７１分散液と合わせる。ここで、ジアゾニウム塩の「Ｒ」は安息香酸メチルである。塩はＣＮＴと共有結合して、図１４の官能基を有するＣＮＴ２７１（即ち、「官能化ＣＮＴ」）を形成する。引き続き図１４によれば、ＫＯＨおよび水と官能化ＣＮＴとを混合して、官能基の一部（ここでは、カルボン酸エステル−ＣＯＯＣＨ３）を第２のイオン電荷部分２７４（ここでは、−ＣＯＯ−）に変換する。
ＣＮＴを官能化して正に帯電したイオン部分２７４を形成する具体例は、図１３〜１４に示されていないが、ピリジンジアゾニウム塩をＣＮＴ分散液と混合して官能化ＣＮＴを形成することができる。次いで官能化ＣＮＴを、酸で処理してピリジニウム塩を形成し、またはアルキルハロゲン化物（例えば、ヨウ化メチルであるがこれに限定するものではない。）で処理してＮ−アルキルピリジニウムハロゲン化物を形成する。処理は、官能基（ここでは、ピリジン）の一部を第２のイオン電荷部分２７４（ここでは、ＣＨ３ −Ｘ＋）に変換する。
図１５を参照すると、コーティング、即ち第２のイオン電荷部分２７４を生成する第２の方法が示されている。ＣＮＴ上のコーティングは、ＣＮＴ２７１と、第２の荷電イオン部分２７４を有するイオン性界面活性剤２７６の溶液とを混合することによって実現することができる。図１５では、ＣＮＴ２７１を含有する水の分散液を、イオン性界面活性剤２７６と混合する。イオン性界面活性剤２７６の材料のいくつかは、図１５に示されるように、ＣＮＴ２７１に重なったイオン性界面活性剤２７６として、ＣＮＴの周りに単層を形成する。ＣＮＴ分散液およびイオン性界面活性剤を含有する溶液は、純水中で透析を受けて、あらゆる過剰なイオン性界面活性剤を除去する。過剰なイオン性界面活性剤２７６を除去することによって、ＳＡＭ部位が、ＣＮＴ２７１に関連付けられていないイオン性界面活性剤２７６に占有されることになる可能性が低くなるので、第１のイオン電荷部分を有するＳＡＭ上での第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴの配置収量（placement yield）は増加する。
第２のイオン電荷部分２７４は、第１の荷電イオン部分２６４とは反対に帯電することになる。したがって、第１のイオン電荷部分２６４が正の場合、イオン性界面活性剤２７６は陰イオン性になり；第１のイオン電荷部分２６４が負の場合、イオン性界面活性剤２７６は陽イオン性になる。陰イオン界面活性剤の例には、ＤＮＡ、ドデシル硫酸ナトリウム、およびコール酸ナトリウムが含まれるがこれらに限定するものではなく、さらにいくつかの脂質およびリン脂質が陰イオン界面活性剤として有用である。陽イオン界面活性剤の例には、塩化セチルピリジニウム、塩化ジメチルジオクタデシルアンモニウムが含まれるが、これらに限定するものではない。
界面活性剤は、ＣＮＴ２７１のコーティング前にまたはＣＮＴ２７１のコーティング後に、イオン性になってもよい。例えば、陰イオン界面活性剤は、それらの酸形態を塩基で処理することによって調製することができ、陽イオン界面活性剤は、第３級アミンをアルキルハロゲン化物で処理することによって調製することができる。
本発明の利点は、２つの荷電分子の間の結合２８４が、極性分子とＣＮＴとの間の電荷よりも強力であることである。さらに、開示された第１のイオン電荷部分２６４は代替部分（例えば、Ａｒ−Ｎ２ ＋）よりも優れているが、それは本発明の第１のイオン電荷部分が、Ａｒ−Ｎ２ ＋のようにはＣＮＴと共有結合を形成しないからである。ある場合には、ＣＮＴとの共有結合は、ＣＮＴの電子的性質を妨げる可能性がある。ＣＮＴ電界効果トランジスタの１つの電気的性質は、その伝達特性（Ｉｄ（Ａ）対Ｖｇ（Ｖ））である。低いＯＮ電流は不十分な性能に等しく、ＣＮＴとの共有結合の指標となる。より高いＯＮ電流（１０−７Ａ以上）は、ＣＮＴの格子の戻りがなく、したがって共有結合が全くないか最小限に抑えられていることを示す。
次に、本発明の例示的な実施形態を示す。
自己組織化のための、正に帯電した二官能性前駆体分子。シアン化カリウム（５０ｍｇ）を、イソニコチン酸メチル（１．１７ｇ、０．０１モル）と、水中の５０％ヒドロキシルアミン（１．３ｇ、０．０２モル）とを１０ｍＬテトラヒドロフランおよび５ｍＬメタノールに溶かした溶液に添加した。混合物を室温で１８時間撹拌した後、沈殿物を濾過し、ジエチルエーテルで洗浄し、乾燥して、分析上純粋なＮ−ヒドロキシイソニコチンアミドを得た。後者を、メタノール中の５％ヨウ化メチルに添加し、室温で２日間撹拌した。メタノールを減圧下で蒸発させ、固体残留物をエタノールから結晶化した結果、純粋なヨウ化４−ヒドロキサミド−Ｎ−メチルピリジニウムが得られた。
官能化による、負に帯電したＣＮＴの調製。テトラフルオロホウ酸ニトロソニウム（１２ｍｇ、１ミリモル）を、４−アミノ安息香酸メチル（１５ｍｇ、１ミリモル）の５ｍＬアセトニトリル懸濁液に添加した。得られた溶液を、１％ドデシル硫酸ナトリウムを含有する水中の単層カーボンナノチューブ（１ｍｇ）の水性懸濁液に、滴下添加した。１８時間静置した後、溶液を遠心分離し、沈降物を、１０％メタノール系水酸化カリウム溶液１０ｍＬに添加した。４時間撹拌した後、アセトン２０ｍＬを添加し、混合物を遠心分離した。上澄み液を廃棄し、沈降物を脱イオン水に溶解した結果、負に帯電したカーボンナノチューブの水溶液が得られた。
陰イオン界面活性剤の単層と共にコーティングされるＣＮＴの水性分散液の調製。カーボンナノチューブの１％ドデシル硫酸ナトリウム分散液を、数日間、純水で透析し、その間、新鮮な水を２４時間後に使用した。
新鮮な水で数回透析した後、フィルタ内の溶液は遊離した界面活性剤を含有しておらず、全ての界面活性剤はカーボンナノチューブに取着する。
カーボンナノチューブの選択的配置。酸化ケイ素領域および酸化ハフニウム領域を持つ、パターニングされたケイ素基板を、ヨウ化４−ヒドロキサミド−Ｎ−メチルピリジニウムのエタノール２ｍＭ溶液に浸漬した。１時間後、基板を溶液から取り出し、大量のエタノールで濯ぎ、窒素流中で乾燥した。次いで、酸化ハフニウム上の正に帯電したイオン単層でコーティングされている基板を、実施例２の負に帯電した（イオン性、双極子ではない。）官能化ナノチューブの溶液に浸漬した。１時間後、基板を取り出し、脱イオン水で完全に洗浄し、窒素流中で乾燥した。基板の走査型電子顕微鏡は、酸化ハフニウムの領域上に選択的に配置された高密度のカーボンナノチューブを示した。
本発明について、好ましい実施形態であると現在見なされるものを参照しながら記述してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されないことが理解されよう。それどころか本発明は、添付される特許請求の範囲の精神およびその範囲内に含まれる、様々な変形例および均等な配置構成を包含するものである。下記の特許請求の範囲には、そのような変形例と均等な構造および機能との全てが包含されるように広範な解釈が与えられる。

Claims (17)

  1. カーボンナノチューブ（「ＣＮＴ」）が選択的に配置された構造体を形成する構造体形成方法であって、
    表面に等電点を有する第１の領域と、該第１の領域が有する等電点よりも小さい等電点を有する第２の領域とを有する基板を用意するステップと、
    前記基板の前記第１の領域および前記第２の領域を有する前記表面と、第１の官能基と第１のイオン電荷部分を有する第２の官能基とを有する前駆体分子の溶液とを接触させて、前記第１のイオン電荷部分を表面に有し、前記第１の官能基で前記基板の前記第１の領域に選択的に固着された前記前駆体分子の自己組織化単層を形成するステップと、
    前記自己組織化単層と、第２のイオン電荷部分を有する複数のＣＮＴの分散液とを接触させるステップと
    を含む構造体形成方法。
  2. 過剰なＣＮＴが除去されるように濯ぐステップをさらに含む、請求項１に記載の構造体形成方法。
  3. 前記第１および第２のイオン電荷部分が反対に帯電している、請求項１または請求項２に記載の構造体形成方法。
  4. 前記第１のイオン電荷部分が正であり、前記第２のイオン電荷部分が負である、請求項３に記載の構造体形成方法。
  5. 前記第１のイオン電荷部分が、ピリジニウム塩、スルホニウム塩、およびホスホニウム塩からなる群から選択されるオニウム塩である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の構造体形成方法。
  6. 前記第１の官能基が、チオールおよびイソニトリルからなる群から選択され、かつ、前記基板の前記第１の領域の材料が金属を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造体形成方法。
  7. 前記第１の官能基が、ホスホン酸およびヒドロキサム酸からなる群から選択され、かつ、前記基板の前記第１の領域の材料が金属酸化物領域を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造体形成方法。
  8. 前記第１の等電点と前記第２の等電点との間の差が、少なくとも４である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体形成方法。
  9. 前記第１の領域が金属酸化物であり、前記第２の領域が二酸化ケイ素である、請求項８に記載の構造体形成方法。
  10. 前記基板を前記複数のＣＮＴの前記分散液に接触させる前に、
    （１）前記複数のＣＮＴを、カルボン酸エステル基を有する有機分子に結合して複数の官能化ＣＮＴを形成し、
    （２）前記カルボン酸エステル基を前記第２のイオン電荷部分に変換する
    ことによって、前記第２のイオン電荷部分を有する前記複数のＣＮＴを形成するステップ
    をさらに含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の構造体形成方法。
  11. 前記基板を前記複数のＣＮＴの前記分散液に接触させる前に、
    （１）前記複数のＣＮＴと、イオン性界面活性剤の水溶液とを合わせて、前記イオン性界面活性剤の単層でコーティングされたＣＮＴと、過剰なイオン性界面活性剤との混合物を形成し、
    （２）前記混合物を水中で透析して、遊離した前記過剰なイオン性界面活性剤を除去することによって、前記第２のイオン電荷部分を有する前記複数のＣＮＴを形成するステップ
    をさらに含み、
    前記単層の前記イオン性界面活性剤のイオン電荷部分が前記第２のイオン電荷部分である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の構造体形成方法。
  12. 前記イオン性界面活性剤が、ＤＮＡ、コール酸ナトリウム、およびドデシル硫酸ナトリウムからなる群から選択される、請求項１１に記載の構造体形成方法。
  13. カーボンナノチューブ（「ＣＮＴ」）が選択的に配置された構造体を形成する構造体形成方法であって、
    表面を有する基板を用意するステップと、
    前記基板の前記表面と前駆体分子の溶液とを接触させて、前記表面に第１のイオン電荷部分を有する自己組織化単層を形成するステップと、
    前記自己組織化単層と、第２のイオン電荷部分を有する複数のＣＮＴの分散液とを接触させるステップと
    を含み、前記基板を前記複数のＣＮＴの前記分散液に接触させる前に、
    （１）前記複数のＣＮＴを、カルボン酸エステル基を有する有機分子に結合して複数の官能化ＣＮＴを形成し、
    （２）前記カルボン酸エステル基を前記第２のイオン電荷部分に変換する
    ことによって、前記第２のイオン電荷部分を有する前記複数のＣＮＴを形成するステップ
    をさらに含む、構造体形成方法。
  14. 前記複数の官能化ＣＮＴを形成することが、
    水、前記複数のＣＮＴ、界面活性剤、および安息香酸メチルのジアゾニウム塩を混合して、複数の安息香酸メチル官能化ＣＮＴを形成すること
    を含む、請求項１３に記載の構造体形成方法。
  15. 前記カルボン酸エステル基を変換することは、
    塩基と前記複数の官能化ＣＮＴとを混合して、前記官能化ＣＮＴ上に負電荷を有する前記第２のイオン電荷部分を形成すること
    を含む、請求項１３または請求項１４に記載の構造体形成方法。
  16. カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）層を有する構造体であって、前記構造体が、
    等電点を有する第１の領域と、該第１の領域が有する等電点よりも小さい等電点を有する第２の領域とを有する基板と、
    前記第１の領域上の自己組織化単層であって、第１の官能基と第１のイオン電荷部分を有する第２の官能基とを有する分子を含み、前記第１のイオン電荷部分を表面に有し、前記第１の官能基で前記基板の前記第１の領域に選択的に固着された前記分子の当該自己組織化単層と、
    前記自己組織化単層上のＣＮＴ層であって、前記ＣＮＴ層は、前記自己組織化単層の前記第１のイオン電荷部分に結合する第２のイオン電荷部分を有するＣＮＴを含む、当該ＣＮＴ層と
    を含む、構造体。
  17. 自己組織化単層を作製するための二官能性前駆体分子であって、前記二官能性前駆体分子が、
    前記自己組織化単層を基板に固着する第１の官能基と、
    第１のイオン電荷部分を有する第２の官能基と
    を含み、
    前記第１の官能基が、チオール、イソニトリル、ホスホン酸、およびヒドロキサム酸からなる群から選択され、
    前記第１のイオン電荷部分が、ピリジニウム塩、スルホニウム塩、およびホスホニウム塩からなる群から選択され、
    前記第１の官能基は、等電点を有する第１の領域と該第１の領域よりも小さな等電点を有する第２の領域とを含む基板の表面に接触されると、前記第１の領域に選択的に固着され、
    前記第１のイオン電荷部分は、第２のイオン電荷部分を有する複数のＣＮＴの分散液に接触されると、前記第２のイオン電荷部分と結合する、
    二官能性前駆体分子。
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