KR102190402B1 - 탄소 나노물질 조각을 패터닝하는 방법 및 처리된 탄소 나노물질 조각 - Google Patents
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Abstract
탄소 나노물질 조각 (100)을 패터닝하는 방법. 본 방법은 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 발생시키는 것을 포함하며, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)는 적어도 하나의 광 펄스를 포함하며, 탄소 나노물질 조각 (100)의 적어도 일부를 상기 광 펄스 시퀀스 (150)에 노출시키지 않으면서 탄소 나노물질 조각 (100)의 제 1 영역 (120)을 제 1 산소 함량을 갖는 제 1 처리 환경 중의 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 노출시키는 것을 포함한다. 이러한 방식으로, 본 방법은 제 1 영역 (120)의 탄소 원자의 최대 10%가 제 1 영역 (120)으로부터 제거되도록 제 1 영역 (120)에서 탄소 나노물질 조각 (100)의 적어도 일부 탄소 원자를 로컬 산화시켜 탄소 나노물질 조각 (100)의 제 1 영역 (120)을 패터닝시키는 것을 포함한다. 또한 처리된 탄소 나노물질 조각 (400).
Description
발명의 기술 분야
본 발명의 탄소 나노물질을 처리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 처리된 탄소 나노물질 조각에 관한 것이다. 본 발명은 탄소 계 전자 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소 계 전자 소자에 관한 것이다.
발명의 배경
탄소 나노 물질 및 특히 그래핀은 향후 전자, 포토닉스 및 관련 기술 분야의 핵심 소재로 구상되고 있다. 그래핀은 육각형 방향족 탄소 네트워크로 구성된 이차원 물질이다. 이는 최소한 단지 하나의 원자 층의 두께를 갖는 초박형이며 전도성을 포함한 탁월한 전자 속성을 가지며, 이로 인해 유연한 투명 박막 전자 소자에 사용될 전위 물질이 된다.
기본 그래핀의 문제점은 밴드 갭을 갖지 않으며 따라서 이는 그러한 전자 장치에 적합하지 않다는 것이다. 필요한 것은 밴드 갭의 개방 및 이와 다른 전기 특성의 조율을 허용하는 작용성을 갖는 그래핀을 패터닝하는 것이다. 이와 관련하여, 여러 전략이 개발되고 있다. 한 가능성은 양자 구속 및 에지 효과로 인해 밴드 갭을 갖는 좁은 리본으로 그래핀을 삭감하는 것이다. 또 다른 가능성은 그래핀 나노리본의 성장 템플릿을 사용하는 것이다. 그러나, 요구되는 정도의 정밀도의 그래핀 리본을 제어하기가 매우 어렵고 비싸다.
레이저 어블레이션 (laser ablation)은 좁은 나노리본을 만들고 그래핀을 패터닝시키고 패턴 전사를 위해 사용되었다. 이들 방법에서, 펄스 레이저는 어블레이션 또는 버닝(burning)을 통해 그래핀을 삭감하는데 사용되었다. 공정은 레이저 빔을 작은 직경으로 집속시킴으로써 로컬 제어될 수 있다. 패턴은 레이저 조사하에 샘플을 이동시킴으로써 이루어질 수 있다. 이러한 방법의 주요 공통 인자는 이들 레이저 모두가 그래핀 시트로부터 물질을 제거하는데 사용된다는 점이다. 따라서, 이들 방법은 패터닝된 영역의 전기 특성을 제어하는데 사용될 수 없다.
이 분야에서, 공개 US2009/0311489는 탄소 나노튜브 (CNT) 층의 패터닝 방법을 개시한다. 본 방법은 층에 레이저 빔을 집속시키고 레이저 빔에 비례하여 샘플을 이동시키는 것에 기초한다. 레이저 빔의 효과는 어블레이션 또는 버닝에 의해 CNT 물질을 제거하는 것이며, 따라서 이러한 방법은 단지 물질만 제거할 수 있으나 이의 전기 특성을 변화시키기 않는다. 따라서, 상이한 전기적 특성 영역을 갖는 탄소 나노물질을 얻을 수 없다.
또 다른 전략은 그래핀 산화물 (GO)의 패터닝을 포함한다. GO는 산소를 갖는 화학 기 전형적으로, C=O, O-H 및 C-O-C 기를 함유하는 그래핀의 한 형태이다. GO는 흑연으로부터 제조된다. GO는 절연체이며, 어느 정도는 전도성으로 만들기 위하여 환원된 GO(RGO)로 환원되어야 한다. 그러나, RGO는 기본 그래핀과 동일한 물질이 아니며, 기본 그래핀 만큼 양호한 전기 특성을 갖지 않는다. 따라서, 이러한 방법은 매우 우수한 전도성과 낮은 밴드 갭을 갖는 탄소 나노물질을 얻는데 충분하다. 따라서, RGO는 예를 들어, 흑연의 산화-환원 과정으로 인해 기본 그래핀의 탁월한 전기 특성을 갖지 않는다. 또한, 산화 또는 환원이 습식 화학물질을 사용하여 이루어지는 경우, GO에 대한 흑연은 오염될 수 있으며, RGO의 전기 특성을 추가로 악화된다.
또한, 이들 방법 중 일부는 적절한 높은 투자 비용과 장비를 이용하는 것을 필요로 한다. 또한, 어떤 방법의 공간 정확도는 500 nm 영역 및 그 미만의 선폭을 요구하는 향후의 전자 장치에는 만족스럽지 않다.
발명의 요약
탄소 나노물질은 가시광, 자외선, 방사선, 또는 적외선과 같은 전자기 방사에 의해 유도된 산화에 의해 로컬 패터닝될 수 있음이 밝혀졌다. 이 방법은 다양한 유형의 탄소 나노물질 그러나, 특히, 그래핀을 포함하는 물질에 적용가능하다. 상기 방법은 산소를 포함하는 환경에서 광에 탄소 나노물질을 노출시키는 것을 포함한다. 그 결과, 한 편으로는, 물질이 제어된 방식으로 로컬 산화된다. 다른 한편으로, 산화 및 특히, 산화 정도는 나노 물질의 로컬 특성 (예를 들면, 전기 전도성 및/또는 밴드 갭과 같은 전기적 특성)에 영향을 미친다. 처리 파라미터에 따라, 다양한 영역들이 다양한 방식으로 산화될 수 있어, 적어도 3가지 유형의 영역을 갖는 탄소 나노물질을 생성시킨다: 비처리된 영역 및 다르게 처리된 두 영역. 대응하는 영역에서, 탄소 나노물질은 상이한 특성을 갖는다.
더욱 구체적으로, 탄소 나노물질 조각을 패터닝하는 방법의 구체예로서,
- 탄소 나노물질 조각은 (i) 길이, 폭 및 두께를 갖거나, (ⅱ) 길이, 폭 및 두께를 갖는 탄소 나노물질의 샘플로부터 예를 들어, 벤딩 또는 롤링에 의해 수득가능하며,
- 이때 상기 길이는 두께보다 크거나 이와 동일하며, 폭은 두께보다 크거나 이와 동일하며, 두께는 최대 50 nm이며,
- 탄소 나노물질 조각은 영역을 포함하는데, 여기에서
· 영역은 적어도 80 몰-%의 탄소 원자를 포함하고,
· 영역에서, 탄소에 대한 산소의 몰 비는 0과 동일하거나 이보다 큰 기준 값을 가지며,
- 영역은 제 1 영역이 상기 영역보다 더 작게 되는 방식으로 제 1 영역을 포함하며; 이에 의해 상기 영역 및 제 1 영역은 상기 영역 및 제 1 영역의 차집합에 의해 포함되는 베이스를 규정하며,
- 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 1 광 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계로서, 제 1 광 펄스 시퀀스는 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계, 및
- 베이스의 적어도 일부를 상기 제 1 광 펄스 시퀀스에 노출시키지 않으면서, 제 1 산소 함량을 갖는 제 1 처리 환경에서 상기 제 1 광 펄스 시퀀스에 제 1 영역을 노출시키는 단계를 포함하는 방법의 구체예에 있어서; 이에 의해
- 제 1 영역의 탄소 원자의 최대 10%가 제 1 영역으로부터 제거되고, 상기 제 1 광 펄스 시퀀스로의 제 1 영역의 상기 노출 후, 제 1 영역에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 큰 제 1 값을 갖는 방식으로 제 1 영역에서 탄소 나노물질 조각의 적어도 일부 탄소 원자를 로컬 산화시키고; 이에 의해
- 탄소 나노물질 조각의 제 1 영역을 패터닝한다.
특히, 본 방법은 상이한 방식으로 또 다른 영역을 패터닝하기 위해 상이한 처리 파라미터를 사용하여 이용될 수 있다.
한 구체예에서, 탄소 나노물질 조각은 제 2 영역을 추가로 포함하며, 상기 제 1 영역 노출에 의해, 본 방법은 제 1 영역을 산화시키기 위해 처리 파라미터 값의 제 1 집합을 사용하는 것을 포함하며, 여기에서 처리 파라미터 값의 제 1 집합은 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값 및 제 1 산소 함량을 포함한다. 구체예는
- 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값을 변경하여 처리 파라미터 값의 제 2 집합을 발생시키는 단계로서, 여기에서 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합의 처리 파라미터 값과 상이한 단계,
- 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 2 광 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계로서, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함되며, 제 2 광 펄스 시퀀스는 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계, 및
- (a) 제 2 산소 함량을 갖는 처리 환경에서 또는 (b) 제 2 산소 함량을 갖는 또 다른 처리 환경에서 상기 제 2 광 펄스 시퀀스에 상기 제 2 영역을 노출시키는데, 제 2 산소 함량이 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함되는 단계를 추가로 포함하며; 이에 의해
- 처리 파라미터 값의 제 2 집합을 사용하여 제 2 영역의 탄소 원자 중 최대 10%가 제 2 영역으로부터 제거되고, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스로의 제 2 영역의 상기 노출 후, 제 2 영역에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 크며 제 1 값과 상이한 제 2 값을 갖는 방식으로 제 2 영역에서 적어도 일부 탄소 원자를 로컬 산화시킨다.
특히, 본 방법은 그래핀을 패터닝하는데 이용될 수 있다. 상응하는 구체예에서, 탄소 나노물질은 하기를 포함하며, 바람직하게는 하기로 구성된다:
- 선택적으로 최대한 부분적으로 산화된 그래핀 단층 예를 들어, 평면 또는 굴곡 단층, 또는
- 선택적으로 적어도 표면이 화학적으로 처리된, 다수의 그래핀 단층을 포함하는 예를 들어, 평명 또는 굴곡의 다층 그래핀 (상기 다수는 최대 30임).
본 방법은 제어가 용이하다. 이에 의해, 절연 및 반전도성 영역 둘 모두는 전도성 탄소 나노물질 조각 상으로 패터닝되어 전도성, 반전도성 및 절연 영역을 갖는 나노물질 상의 처리된 조각을 발생시킬 수 있다. 대안적으로, (전도도보다) 물질의 일부 다른 특성이 영향을 받을 수 있다. 기타 특성은 전기 특성 또는 또 다른 특성 예컨대, 발광일 수 있다. 그 결과, 처리된 탄소 나노물질 조각을 얻을 수 있다. 이러한 처리된 탄소 나노물질 조각은 (i) 길이, 폭 및 두께를 갖거나, (ⅱ) 길이, 폭 및 두께를 갖는 탄소 나노물질의 샘플로부터 예를 들어, 벤딩 또는 롤링에 의해 수득 가능하며,
- 이때 상기 길이는 두께보다 크거나 이와 동일하며, 폭은 두께보다 크거나 이와 동일하며, 두께는 최대 50 nm이며, 처리된 탄소 나노물질 조각은
- 적어도 80 몰-%의 탄소 원자,
- 일부를 갖는 베이스로서, 베이스의 적어도 일부는 탄소 원자 및, 탄소에 대한 산소의 몰 비가 0과 동일하거나 이보다 큰 기준 값을 갖게 되는 방식으로 선택적으로 또한, 산소 원자를 포함하는 베이스,
- 탄소에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 큰 제 1 값을 갖게 되는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 1 영역, 및
- 탄소에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 크고 제 1 값과는 상이한 제 2 값을 갖게 되는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 2 영역을 포함한다.
도면의 설명
도 1a는 탄소 나노물질 조각의 제 1 영역을 광에 로컬 노출시키는 것을 보여주며,
도 1b 는 제 1 영역이 노출되고 산화된 후 탄소 나노물질 조각의 제 2 영역을 광에 로컬 노출시키는 것을 보여주며,
도 2a 는 상단에서 바라본 그래핀 단층의 예를 보여주며,
도 2b 는 분해 사시도의 다층 그래핀의 예를 보여주며,
도 2c 는 탄소 나노튜브의 예를 보여주며,
도 2d 는 탄소 나노튜브의 네트워크의 예를 보여주며,
도 3a 는 탄소 나노물질 조각의 일부를 광에 로컬 노출시키는 방법을 보여주며,
도 3b 는 탄소 나노물질 조각의 일부를 광에 로컬 노출시키는 방법을 보여주며,
도 4는 처리된 탄소 나노물질 조각 및 여기에 속하는 다양한 영역들을 보여주며,
도 5는 탄소 나노물질 조각을 제시된 방법으로 패터닝하기 전(A) 및 후(B)의 4-웨이브 믹싱 (FWM) 현미경으로 관찰된 바와 같은 탄소 나노물질 조각을 보여준다.
도 1a는 탄소 나노물질 조각의 제 1 영역을 광에 로컬 노출시키는 것을 보여주며,
도 1b 는 제 1 영역이 노출되고 산화된 후 탄소 나노물질 조각의 제 2 영역을 광에 로컬 노출시키는 것을 보여주며,
도 2a 는 상단에서 바라본 그래핀 단층의 예를 보여주며,
도 2b 는 분해 사시도의 다층 그래핀의 예를 보여주며,
도 2c 는 탄소 나노튜브의 예를 보여주며,
도 2d 는 탄소 나노튜브의 네트워크의 예를 보여주며,
도 3a 는 탄소 나노물질 조각의 일부를 광에 로컬 노출시키는 방법을 보여주며,
도 3b 는 탄소 나노물질 조각의 일부를 광에 로컬 노출시키는 방법을 보여주며,
도 4는 처리된 탄소 나노물질 조각 및 여기에 속하는 다양한 영역들을 보여주며,
도 5는 탄소 나노물질 조각을 제시된 방법으로 패터닝하기 전(A) 및 후(B)의 4-웨이브 믹싱 (FWM) 현미경으로 관찰된 바와 같은 탄소 나노물질 조각을 보여준다.
상세한 설명
탄소 나노물질은 예외적으로 높은 캐리어 이동성으로 인해 열 및 전기를 매우 잘 전도하는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 탄소 나노물질은 종종 향후 전자 장치에 가장 우수한 후보 중 하나로 볼 수 있다. 탄소 나노물질 예컨대, 그래핀으로부터 기능 장치를 제조하기 위해, 다양한 특성 예컨대, 전기, 기계적 및/또는 광학 특성을 갖는 영역이 나노물질 상에서 패터닝되어야 한다. 특히, 탄소 나노물질 예컨대, 그래핀으로부터 기능 전자 장치를 제조하기 위해, 다양한 전기 특성을 갖는 영역이 나노물질 상으로 패터닝되어야 한다. 이들 특성은 예를 들어,
- 전기 특성 예컨대, 전기 전도성 또는 밴드 갭,
- 광학 특성 예컨대, 발광, 투과도 또는 반사도, 또는
- 기계적 특성 예컨대, 탄성 계수 또는 취성 (종종 파단시 인장 응력에 있어서 측정됨)일 수 있다.
이들 특성 중 일부는 탄소 물질의 산화 정도에 의해 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 용어 "산화"는 반응을 지칭하는 것으로서, 탄소 물질의 탄소 원자의 적어도 일부가, 산화된 탄소 원자의 적어도 일부가 탄소 물질 조각의 다른 탄소 원자와 여전히 결합된 채 유지되는 방식으로 산소와 반응한다. 산화 정도는 나중에 NO/NC로 표시된 산소 원자 대 탄소 원자의 몰비로 지칭된다. 그러나, 산화 동안, 적어도 일부의 탄소 원자는 탄소 나노물질 조각으로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 물질은 로컬 버닝될 수 있으며, 이에 의해 탄소 나노물질의 일부 탄소 원자는 기체 탄소 산화물 예를 들어, 일산화탄소 (CO) 또는 이산화탄소 (CO2)를 형성한다.
탄소 나노물질이 전자기 방사에 의해 유도된 산화에 의해 로컬 패터닝될 수 있음이 밝혀졌다. 이는 산화가 산소를 포함하는 환경에서 상기 전자기 방사에 노출되는 영역에서 로컬 유도됨을 의미한다. 게다가, 산화 정도가 (i) 산화에 사용된 방사의 특징, (ii) 노출 시간 및/또는 (iii) 환경의 산소 함량 중 적어도 하나를 제어함으로써 제어될 수 있음이 밝혀졌다. 산화 수준은 로컬로 영향을 받기 때문에, 이에 의존적인 다른 특성 또한 로컬로 영향을 받게 된다.
광-유도된 산화는 2-광자 또는 다광자 유도된 산화로 인한 것일 수 있다. 광-유도된 산화는 2-광자 또는 다광자 유도된 산화로 인한 것일 수 있으며, 여기에서 광자는 가시광선 또는 근적외선 영역으로부터 비롯된다 (즉, 400 nm 내지 1100 nm). 광-유도된 산화는 2-광자 또는 다광자 유도된 산화로 인한 것일 수 있으며, 여기에서 광자는 가시광선 파장 영역으로부터 비롯된다 (즉, 400 nm 내지 700 nm). 광-유도된 산화는 2-광자 또는 다광자 유도된 산화로 인한 것일 수 있으며, 여기에서 광자는 근적외선 파장 영역으로부터 비롯된다 (즉, 700 nm 내지 1100 nm). 또한 또는 대안적으로, 광-유도된 산화는 단일-광자 유도된 산화로 인한 것일 수 있다. 광-유도된 산화는 단일-광자 유도된 산화로 인한 것일 수 있으며, 여기에서 광자는 자외선 파장 영역으로부터 비롯된다 (즉, 250 nm 내지 400 nm). 다른 파라미터의 다른 값은 후에 논의될 것이다.
일반적으로, 감광 물질은 오랫동안 알려져 왔다. 전자 장치 제작 기법에서, 감광 물질은 일반적으로 다양한 수동 마스크와 함께 사용되며, 여기에서 수동 마스크는 투명한 영역 및 불투명한 다른 영역을 포함하며, 이들 영역의 투명도는 예를 들어, 전기 수단에 의해 활동적으로 제어될 수 없다. 수동 마스크를 통해 감광 물질을 노출시킴으로써, 이미지는 예를 들어, 인쇄된 회로판의 예비형성물 상에 패터닝될 수 있다. 노출 후, 일부 노출된 물질은 예를 들어, 세척 제거될 수 있는 반면, 비노출된 물질이 예비 형성물 상에 잔존하게 된다 (또는 그 반대). 그러나, 광에 대한 탄소 나노물질의 감광성은 알려지지 않았거나 적어도 전자 소자의 제조에 이용되지 않았다.
이러한 수동 마스크의 제조는 매우 비싸다. 게다가, 비용은 수동 마스크의 선폭이 감소함에 따라 증가한다. 따라서, 작은 선폭을 갖는 향후 전자 장치를 위한 수동 마스크는 매우 고가가 될 것이다. 본 방법의 다양한 구체예에서, 수동 마스크는 전체적으로 생략될 수 있다. 이는 특히, 2-광자 또는 다광자 산화에 필요한 강도가 높기 때문이며, 이에 의해 레이저가 바람직하게는 광을 발생시키는데 사용된다. 레이저는 콜리메이트 빔 선택적으로, 적어도 하나의 펄스를 포함하는 빔을 생성한다. 따라서, 레이저 광은 심지어 수동 마스크 없이도 탄소 나노물질을 단지 로컬 노출시키는데 이용될 수 있다.
도 1a를 참조로 하여, 탄소 나노물질 조각 (100)은 로컬 산화 즉, 패터닝될 수 있다. 탄소 나노물질 조각 (100)은 길이 L, 폭 W 및 두께 T를 갖는데, 길이 L은 두께 T보다 크거나 이와 동일하며, 폭 W는 두께 T보다 크거나 이와 동일하다. 길이 L, 폭 W 및 두께 T의 각 방향은 서로 다른 두개 방향에 대해 수직이다. 용어 "나노물질"에 있어서, 두께는 최대 50 nm이다. 두께는 최대 10nm 또는 최대 5nm일 수 있다.
용어 "탄소 나노물질"은 또한 길이 L, 폭 W 및 두께 T를 갖는 탄소 나노물질의 샘플로부터 벤딩 또는 롤링에 의해 수득가능한 물체를 지칭할 수 있다. 또한, 여기에서 길이 L은 두께 T보다 크거나 이와 동일하며, 폭 W는 두께 T보다 크거나 이와 동일하다. 길이 L, 폭 W 및 두께 T의 각 방향은 서로 다른 두개 방향에 대해 수직이다. 용어 "나노물질"에 있어서, 탄소 나노물질 조각이 수득가능한 탄소 나노물질 샘플의 두께는 최대 50 nm이다. 탄소 나노물질 조각 (100)을 형성하는데 사용된 탄소 나노물질 샘플의 두께 T는 대안적으로 예를 들어, 최대 10nm 또는 최대 5nm일 수 있다.
작은 두께는 많은 방식에 특히, 향후 전자 소자에 있어서 유익하다. 얇은 탄소 나노물질은 매우 가요성이며, 이에 의해 물질의 형상은 예를 들어, 벤딩 또는 롤링에 의해 용이하게 변형될 수 있다. 게다가, 얇은 탄소 나노물질은 실질적으로 투명할 수 있으며, 이에 의해 육안으로 보이지 않는 전자 소자가 제조될 수 있다. 대략적으로 처리 파리미터를 선택함으로써 (하기 참조), 광-유도되는 산화가 또한 실질적으로 투명한 탄소 나노물질에 사용될 수 있음이 관찰되었다. 자연적으로, 탄소 나노물질의 투명도는 광이 탄소 나노물질과 상호작용하기 때문에 1보다 약간 작을 수 있다. 가시광선 파장 범위 (400nm 내지 700nm)에 있어서 탄소 나노물질 조각 (100)의 투명도는 예를 들어, 적어도 75% 또는 적어도 90%일 수 있다.
탄소 나노물질 조각 (100)은 영역 (110)을 포함하며, 여기에서 영역은 적어도 80 몰-% 탄소 원자를 포함한다. 영역 (110)은 적어도 90 몰-% 탄소 원자 또는 적어도 95 몰-% 탄소 원자를 포함할 수 있다. 게다가, 초기에는 탄소 나노물질 조각 (100)은 균일한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 탄소 나노물질 조각 (100)은 적어도 80 몰-%의 탄소 원자, 적어도 90 몰-%의 탄소 원자 또는 적어도 95 몰-%의 탄소 원자를 포함할 수 있다. 영역 (110)은 탄소 나노물질 조각 (100)과 동일한 크기를 가질 수 있거나 이는 더 작을 수 있다.
초기에, 영역 (110)은 비산화 또는 어느 정도 산화될 수 있다. 따라서, 영역 (110)에서, 탄소에 대한 산소의 몰 비는 0과 동일하거나 이보다 큰 기준 값을 갖는다. 영역 (110)에서 이러한 몰 비는 NO/NC로서 규정되며, 여기에서 NO는 영역 (110)에서 산소 원자의 수이며 (선택적으로 0), NC는 영역 (110)에서 탄소 원자의 수이다 (0보다 큼). 이와 같이 기준 값은 영역 (110)에서 비 NO/NC이며; 이는 NO/NC|110로 표시될 것이다.
본 방법을 이용하여, 제 1 영역 (120)이 산화될 것이다. 영역 (110)은 제 1 영역 (120)을 포함한다. 제 1 영역 (120)은 영역 (110)보다 작다. 이에 의해, 영역 (110)과 제 1 영역 (120)은 영역 (110)과 제 1 영역 (120)의 차집합에 포함되는 베이스 (115)를 규정한다. 영역 (110)과 제 1 영역 (120)의 차집합은 제 1 영역 (120)에 포함되지 않는 영역 (110)의 지점의 집합이다. 집합 이론에서, 이는 종종 부호 "-"로 나타낸다. 따라서, 영역 (110)과 제 1 영역 (120)의 차집합은 예를 들어, "110-120"로 표시될 수 있다. 영역과 제 1 영역의 차집합 (110-120)은 비-공집합인데, 왜냐하면 제 1 영역 (120)이 영역 (110)보다 작기 때문이다. 베이스 (115)는 이러한 차집합에 포함된다; 도 1a 참조.
방법 즉, 방법의 제 1 구체예는
- 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 발생시키는 단계로서, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)가 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계를 포함한다.
제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값은 광 펄스의 제 1 시퀀스에서 예를 들어, 광 펄스의 세기, 파장, 기간 및 수를 포함한다.
방법은
- 제 1 산소 함량을 갖는 제 1 처리 환경(155)에서 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 제 1 영역 (120)을 노출시키는 단계를 추가로 포함한다.
본 방법은 탄소 나노물질의 패터닝에 관한 것이며, 패터닝은 기본적으로 로컬 과정이며, 이에 의해 탄소 나노물질 조각 (100) 전부가 본 방법에 의해 처리되는 것은 아니다. 따라서, 본 방법은
- 베이스 (115)의 적어도 일부를 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 노출시키지 않으면서 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 제 1 영역 (120)을 노출시키는 단계를 포함한다.
산소의 존재에 의해, 광-유도된 산화는 제 1 영역 (120)에서 발생되나 베이스 (115)에서는 발생하지 않음이 관찰되었다. 상기 노출에 의해 그리고, 제 1 처리 환경이 제 1 산소 함량을 갖기 때문에, 본 방법은
- 제 1 영역 (120)에서 탄소 나노물질 조각 (100)의 적어도 일부 탄소 원자를 로컬 산화시키는 것을 포함한다.
광 세기가 예외적으로 높은 경우, 탄소 나노물질의 일부가 탄소 나노물질 조각 (100)으로부터 제거될 수 있음이 추가로 관찰되었다. 그러나, 탄소 나노물질로부터 작용 장치를 제조하기 위해, 존재하는 경우 단지 소량의 탄소라도 상기 노출에 의해 제거되어야 한다. 따라서, 본 방법은
- 제 1 영역 (120)의 탄소 원자의 최대 10%가 제 1 영역 (120)으로부터 제거되는 방식으로 탄소 나노물질 조각 (100)의 적어도 일부 탄소 원자를 제 1 영역 (120)에서 로컬 산화시키는 것을 포함한다.
게다가, 광-유도된 산화가 제 1 영역 (120)에서 발생하기 때문에, 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)로의 제 1 영역 (120)의 상기 노출 후, 제 1 영역 (120)에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비는 제 1 값을 가지며, 제 1 값은 기준 값보다 크다. 제 1 영역 (120)은 산소 원자의 수 NO|120 및 탄소 원자의 수 NC|120을 포함한다. 제 1 영역 (120)에서 탄소 원자에 대한 산소의 몰비 (NO|120)/(NC|120)는 NO/NC|120로 표시될 것이다. 산화가 발생하였기 때문에, NO/NC|120 > NO/NC|110.
베이스 (115)의 적어도 일부가 노출되지 않기 때문에, 베이스는 일부를 포함하며, 여기에서 베이스 (115)의 일부의 산화 수준은 영향을 받지 않는다. 이러한 방식으로 산화가 단지 로컬 발생하기 때문에, 본 방법은
- 탄소 나노물질 조각 (110)의 제 1 영역 (120)을 패터닝하는 것을 포함한다.
본 방법은 예를 들어, 그래핀을 패터닝하는데 적합한 것으로 밝혀졌다. 이러한 설명에서, 용어 "그래핀"은 평면형, 벤딩된 또는 롤링된 그래핀 샘플에 사용된다; 그러나, 밀폐된 튜브를 형성하기 위해 롤링된 그래핀 샘플은 나노튜브로 불린다. 탄소 나노튜브는 개방되거나 그 끝에서 폐쇄된다; 그러나, 나노튜브의 표면은 폐쇄된다. 반대로, 탄소 나노스크롤은 나선형 (개방) 단면을 갖는 롤링된 그래핀 샘플이다. 나노튜브와 반대로, 용어 "그래핀"은 평면형, 벤딩된 또는 롤링된 개방 그래핀 샘플을 지칭할 수 있다.
특히, 탄소 나노물질 조각 (100)은 하기를 포함하거나 바람직하게는 하기로 구성될 수 있다:
- 예를 들어, 평면형 또는 굴곡의 선택적으로 최대한 부분적으로 산화된 그래핀 단층, 또는
- 선택적으로 적어도 표면이 화학적으로 처리된, 다수의 그래핀 단층을 포함하는 예를 들어, 평명 또는 굴곡의 다층 그래핀 (상기 다수는 최대 30임).
광-유도된 산화 정도는 산화에 사용된 파리미터에 의존적인 것으로 또한 밝혀졌다. 게다가, 제 2 영역 (130)에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰비가 제 2 값 NO/NC|130을 가지며, 제 2 값은 기준 값보다 크며 즉, NO/NC|130 > NO/NC|110이며, 제 1 값과 상이한 즉, NO/NC|130 ≠ NO/NC|120인 방식으로 탄소 나노물질의 동일한 조각 (100)의 제 2 영역 (130)을 패터닝하는 것이 가능함이 밝혀졌다.
방법의 제 2 구체예는 제 1 구체예의 모든 단계를 포함한다. 특히, 제 1 구체예는 제 1 영역 (120) 노출을 포함하며, 제 1 (및 제 2) 구체예는
- 처리 파라미터 값의 제 1 집합을 사용하여 제 1 영역 (120)을 산화시키는 것을 포함하며, 여기에서
- 처리 파라미터 값의 제 1 집합은 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값 및 제 1 산소 함량을 포함한다.
처리 파라미터 값의 제 1 집합은 제 1 처리 환경 (155)의 제 1 산소 함량 값 이외에 예를 들어, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에서 광 펄스의 세기 값, 파장(들)의 값, 기간 값 및 광 펄스 수의 값을 포함할 수 있다.
도 1b를 참조로 하여, 탄소 나노물질 조각 (100)은 제 2 영역 (130)을 추가로 포함할 수 있다. 논의되는 바와 같이, 제 2 구체예에서, 제 2 영역 (130)은 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)에 노출된다. 제 1 영역 (120)은 또한 도 1b에 도시되어 있다. 제 2 영역 (130)은 제 1 영역 (120)에 포함될 수 있다. 제 2 영역 (130)은 전체 베이스 (115)를 포함하지 않으며, 이러한 베이스 (115)는 본 방법의 제 1 구체예에 의해 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 노출되지 않는다. 즉, 제 2 영역 (130)과 베이스 (115)의 차집합은 비-공집합이다. 따라서, 베이스 (115)의 적어도 일부는 또한 제 2 구체예에서 (광 펄스 시퀀스 (150 및 160) 둘 모두에) 노출되지 않은 채 유지된다.
제 2 구체예는
- 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값을 변경하여 처리 파라미터 값의 제 2 집합을 발생시키는 단계로서, 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에서의 처리 파라미터 값과 상이한 단계를 포함한다.
따라서, 제 2 구체예는 탄소 나노물질 조각을 노출시키는 광 펄스 시퀀스 즉, 노출 광 펄스를 제 1 시퀀스 (150)로부터 제 2 시퀀스 (160)로 변경할 때,,
- 노출 광 펄스 시퀀스 (150, 160)의 광 펄스의 광 세기,
- 노출 광 펄스 시퀀스 (150, 160)의 광 펄스의 기간,
- 노출 광 펄스 시퀀스 (150, 160)에서 광 펄스의 수,
- 영역 (120, 130)을 노출시키는데 사용된 노출 시간,
- 광 펄스 시퀀스 (150, 160)에서 광 펄스의 반복률,
- 탄소 나노물질이 산화되는 환경의 산소 함량, 또는
- 환경 중 적어도 하나를 변경시키는 것을 포함할 수 있다.
제 2 구체예는
- 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)를 발생시키는 단계를 추가로 포함하며, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함되며, 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)는 적어도 하나의 광 펄스를 포함한다.
제 2 구체예는
- (a) 제 2 산소 함량을 갖는 처리 환경 (155)에서 또는 (b) 제 2 산소 함량을 갖는 또 다른 처리 환경 (165)에서 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)에 제 2 영역 (130)을 노출시키는 단계를 추가로 포함하며, 제 2 산소 함량은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함된다.
예를 들어, 제 1 노출이 제 2의 상이한 환경 (165)에서 이루어지는 경우, 제 2 노출은 상이한 산소 함량을 갖는 제 2 환경 (165)에서 이루어질 수 있다. 탄소 나노물질 조각 (100)은 제 1 환경 (155)으로부터 제 2 환경 (165)으로 이동될 수 있다. 그러나, 제 1 및 제 2 환경의 산소 함량은 시간에 대한 상수일 수 있다.
대안적으로, 동일한 환경 (즉, 위치)은 산소 함량이 제 1 노출과 제 2 노출 사이에 변경되는 방식으로 두 노출 모두에 이용될 수 있다. 대안적으로, 동일한 환경은 산소 함량이 제 1 노출과 제 2 노출 사이에 변경되지 않는 방식으로 두 노출 모두에 이용될 수 있으며; 대신 적어도 하나의 상이한 특성을 갖는 광 펄스 시퀀스 (150, 160)가 사용된다.
특히, 제 2 구체예는 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 노출되지 않았던 베이스 (115)의 적어도 일부를 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)에 노출시키지 않으면서 제 2 영역 (130)을 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)에 노출시키는 것을 포함한다. 따라서, 베이스 (115)의 적어도 일부가 제 1 광 펄스 시퀀스 (150) 또는 제 2 광 펄스 시퀀스 (160) 중 하나에 노출되지 않는다.
적어도 하나의 처리 파라미터 값이 변경되기 때문에, 제 2 영역 (130)을 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)에 노출시키는데 사용된 적어도 하나의 처리 파라미터 값은 제 1 영역 (120)을 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 노출시키는데 사용된 상응하는 처리 파라미터 값과 상이하며, 이에 의해 제 2 영역 (130)은 제 1 영역 (120)과 상이한 방법으로 산화된다. 게다가, 베이스 (115)의 적어도 일부는 산화되지 않거나 추가로 산화되지 않는다. 따라서, 본 방법은
- 제 2 영역 (130)에서 탄소 나노물질 조각 (100)의 적어도 일부 탄소 원자를 로컬 산화시키는 것을 포함한다.
또한, 제 2 구체예에서, 단지 약간의 물질이 존재하는 경우 상기 노출에 의해 제거된다. 따라서, 제 2 구체예는
- 제 2 영역 (130)의 탄소 원자의 최대 10%가 제 2 영역 (130)으로부터 제거되는 방식으로 탄소 나노물질 조각 (100)의 적어도 일부 탄소 원자를 제 2 영역 (130)에서 로컬 산화시키는 것을 포함한다.
제 2 영역 (130)이 산화되기 때문에, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)로의 제 2 영역 (130)의 상기 노출 후, 제 2 영역 (130)에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 제 2 값 NO/NC|130을 가지며, 이러한 제 2 값은 기준 값보다 크며 즉, NO/NC|130 > NO/NC|110이다.
제 2 영역 (130)이 제 1 영역 (120)의 광-유도된 산화에 대한 것보다 광-유도된 신호에 대해 상이한 처리 파라미터를 사용하여 산화되기 때문에, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)로의 제 2 영역 (130)의 상기 노출 후, 제 2 영역 (130)에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비는 제 2 값 NO/NC|130을 가지며, 제 2 값은 제 1 값과 상이하며 즉, NO/NC|130 ≠ NO/NC|120이다.
논의된 바와 같이, 산화는 예를 들어, 탄소 나노물질 조각 (100)의 전기 특성에 로컬 영향을 끼친다. 이러한 전기적 특성의 예는 물질의 (로컬) 밴드 갭이다. 밴드 갭은 일반적으로 전기 도체에 있어서 작으며 전기 절연체에 있어서 크다.
방법의 구체예에서, 탄소 나노물질 조각 (100)은 초기에 산화되지 않는다. 따라서, 또한 처리 후, 베이스 (115)의 적어도 일부는 전도체이다. 따라서, 본 구체예에서, 베이스 (115)의 적어도 일부의 밴드 갭은 최대 0.01 eV 예컨대, 0 eV이다. 상응하는 방법에서, 탄소 나노물질 조각 (100)을 처리함으로써 수득된 처리된 나노물질 조각 (400)에서, 베이스의 일부의 밴드 갭은 최대 0.01 eV, 예컨대, 0 eV이다. 바람직한 구체예에서, 탄소 나노물질 조각은 그래핀을 포함하고, 베이스 (115)의 미처리된 부분의 밴드 갭은 이러한 값 내에 있다.
비교예로서, 환원된 그래핀 산화물 (RGO)의 밴드 갭은 0.02 eV 내지 2 eV의 범위에 있을 수 있다. 따라서, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 RGO로 구성되거나 RGO로 제조된 조각으로부터 훨씬 우수한 전자 장치에 적합하다. 유사한 방식으로, 0.02 eV 미만의 밴드 갭을 갖는 베이스를 갖는 탄소 나노물질 조각에 본 방법을 적용함으로써, RGO를 기반으로 하는 장치와 비교하여, 전자 장치의 목적에 더욱 탁월한 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)을 생성할 것이다. 상응하게는, 처리된 조각 (400)의 베이스 (115)의 일부는 0.02 eV 미만의 밴드 갭을 가질 수 있다.
탄소 나노물질 조각 (100)은 초기에 어느 정도 산화될 수 있다. 따라서, 베이스 (115)의 밴드 갭은 0.01 eV에보다 또한 클 수 있다. 본 방법의 제 1 구체예에 따르면, 나노물질 조각 (100)의 제 1 영역 (120)의 전도성은 상기 산화에 의해 감소된다. 따라서, 구체예에서, 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 밴드 갭이 베이스 (115)의 상기 언급된 전도성 부분의 밴드 갭보다 큰 방식으로 산화된다. 더욱 구체적으로, 구체예에서,
- 베이스 (115)는 베이스 밴드 갭을 가지며,
- 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 밴드 갭이 제 1 밴드 갭 값을 갖는 방식으로 산화되며, 여기에서
- 제 1 밴드 갭 값은 베이스 밴드 갭보다 더 크며,
- 제 2 영역 (130)은 제 2 영역 (130)의 밴드 갭이 제 1 밴드 갭 값보다 큰 값을 갖는 방식으로 산화된다.
또한, 제 1 영역 (120)이 반도성이 되게 하기 위해 (즉, 매우 전도성 또는 매우 절연성이 아님), 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 밴드 갭이 0.05 eV 예컨대, 적어도 0.1 eV이 되는 방식으로 산화될 수 있다. 또한, 제 1 영역 (120)이 반도성이 되게 하기 위해, 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 밴드 갭이 3 eV 미만 예컨대, 최대 2 eV이 되는 방식으로 산화될 수 있다.
따라서, 상응하는 처리된 탄소 나노물질의 조각 (400)에서, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 밴드 갭이
- 베이스 (115)의 일부의 밴드 갭보다 크고, 선택적으로 3 eV 미만이고/거나
- 0.05 eV 초과 예컨대, 적어도 0.1 eV, 선택적으로 3eV 미만인 방식으로 산화된다.
본 방법의 제 2 구체예에 따르면, 나노물질 조각 (100)의 제 2 영역 (130)의 전도성은 상기 산화에 의해 감소된다. 제 1 및 제 2 영역 (120, 130)은 제 2 영역 (130)이 제 1 영역 (120)보다 크게 산화되는 방식으로 정리 (지정)될 수 있다. 제 2 영역 (130)은 예를 들어, 전기 절연 영역을 형성하기 위해 산화될 수 있다. 따라서, 구체예에서, 제 2 영역 (130)은 제 2 영역 (130)의 밴드 갭이
- 제 1 영역 (120)의 밴드 갭보다 크고/거나
- 적어도 3eV이 되는 방식으로 산화된다.
따라서, 구체예에서, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 제 2 영역 (130)은 제 2 영역 (130)의 밴드 갭이
- 제 1 영역 (120)의 밴드 갭보다 크고/거나
- 적어도 3eV이 되는 방식으로 산화된다 (산화되었다).
상기 논의된 바와 같이, 바람직하게는 레이저 광원 (들)은 광 펄스 시퀀스 (150 또는 160) 또는 상기 광 펄스 시퀀스 (150 및 160)를 생성하는데 사용된다.
따라서, 구체예에서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)는 제 1 레이저 광원을 사용하여 발생된다. 레이저 광원은 광원 (330) (도 3b 참조) 또는 광원 (180) (도 3a 참조)일 수 있다.
구체예에서, 또한 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)가 발생되며,
- 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)는 레이저 광원 예컨대, 제 1 레이저 광원 또는 또 다른 레이저 광원 (도 3a 및 3b 참조)을 사용하여 발생된다.
제 1 (및 선택적으로 다른) 레이저 광원은 광 펄스 시퀀스 (150) (선택적으로, 또한 160)를 생성하도록 정렬된다. 따라서, 바람직하게는 펄스 레이저는 광 펄스 시퀀스 (150, 160)를 발생시키기 위한 광원으로서 사용된다. 펄스 레이저 광원은 기간을 갖는 레이저 광 펄스를 발생하도록 정렬된다. 기간은 바람직하게는, 1 fs 내지 1 ps 예컨대, 10 fs 내지 200 fs, 예컨대, 20 fs 내지 60 fs의 범위이다. 이 기간은 산화의 관점에서 강도 및 노출 시간의 양호한 제어를 제공하는 것으로 관찰되었다. 광 펄스 시퀀스 (150, 160)에서 광 펄스의 수는 예를 들어, 대략 106일 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 그리고 도 3a 및 3b를 참조로 하여, 레이저 광원이 사용되는 경우, 마스크가 필요하지 않다. 따라서, 구체예에서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)는 투명한 영역 및 불투명한 다른 영역을 포함하는 수동 마스크를 투과하지 않으면서 제 1 레이저 광원 (180, 330)으로부터 제 1 영역 (120) 상으로 운반된다.
특히, 본 구체예에서, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)는 수동 마스크의 불투명 영역에 의해 약화되지 않거나 차단되지 않는다. 따라서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)는 수동 마스크의 불투명 영역에 의해 적어도 부분적으로 차단되지 않으면서 제 1 레이저 광원 (180, 330)으로부터 제 1 영역 (120) 상으로 운반되며, 이를 통해 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)가 정렬되어 진행된다.
용어 수동 마스크에 있어서, 수동 마스크의 로컬 투명도 즉, 수동 마스크의 투명 및 불투명 영역의 투명도는 전기적으로 제어될 수 없다.
구체예에서,
- 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)는 투명한 영역 및 불투명한 다른 영역을 포함하는 수동 마스크를 투과하지 않으면서 제 1 레이저 광원 (180, 330) 또는 또 다른 레이저 광원으로부터 제 2 영역 (130) 상으로 운반된다. 예를 들어, 수동 마스크의 불투명 영역에 의해 적어도 부분적으로 차단되지 않으면서, 이를 통해 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)가 정렬되어 진행된다.
일반적으로, 수동 마스크는 패터닝에 사용될 수 있다. 대응하는 구체예에서, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 적어도 일부는 수동 마스크를 통하여 정렬 진행되어, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 적어도 일부가 수동 마스크의 불투명 영역에 의해 차단된다.
산화 정도는 특히 탄소 나노물질 조각 (100)의 전기 전도성에 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다. 다른 한편으로, 전기 전도성은 로컬 조작되어 기능성 전기 소자를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 구체예의 단계가 수행되는 제 3 구체예에서,
- 베이스 (115)는 베이스 전기 전도성을 가지며,
- 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 전기 전도성이 베이스 전기 전도성보다 낮은 방식으로 산화된다.
예를 들어, 베이스 (115)는 전도체를 형성할 수 있으며, 제 1 영역 (120)은 반도체를 형성할 수 있다. 반도체의 전도성은 예를 들어, 전기장에 의해 영향을 받을 수 있다.
상응하는 방식에서, 구체예에서,
- 베이스 (115)는 베이스 밴드 갭을 가지며,
- 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 밴드 갭이 베이스 밴드 갭보다 큰 방식으로 산화된다.
게다가, 제 2 구체예의 단계가 수행되는 제 4 구체예에서,
- 베이스 (115)는 베이스 전기 전도성을 가지며,
- 제 1 영역 (120)은 제 1 영역 (120)의 전기 전도성이 제 1 전기 전도성을 갖는 방식으로 산화되며, 여기에서
- 제 1 전기 전도성은 베이스 전기 전도성 미만이며,
- 제 2 영역 (130)은 제 2 영역 (130)의 전기 전도성이 제 1 전기 전도성보다 낮은 방식으로 산화된다.
여러 유형의 탄소 나노물질은 본 방법의 다양한 구체예로 패터닝될 수 있다.
도 2a 내지 2c는 탄소 나노물질 조각의 예를 보여준다. 탄소 나노물질 조각 (100)은
- 단층 그래핀 (210)(도 2a),
- 다층 그래핀 (도 2b) (즉, 그래핀 단층 (210)의 수 N, 바람직하게는, 최대 30개의 그래핀 단층을 포함하는 다층 그래핀 (220)),
- 탄소 나노튜브 (240) (도 2c) 예컨대, 단일 벽 탄소 나노튜브 (SWCNT)
- 또 다른 탄소 나노튜브 (240) (도 2c) 예컨대, 다중 벽 탄소 나노튜브 (MWCNT), 및/또는
- 서로 부착된 탄소 나노튜브 (240)의 네트 (도 2d)를 포함할 수 있다. 나노튜브는 이들의 말단으로부터 또는 다르게 부착될 수 있다.
도 2a는 탄소 나노물질 조각 (100)의 예인 그래핀 단층 (210)을 보여준다. 그래핀은 육각형 방향족 탄소 네트워크로 구성된 이차원 물질이다. 이는 최소한 단지 하나의 원자 층의 두께를 갖는 초박형이며, 탁월한 전자 특성을 가져서, 이로 인해 가능한 물질이 유연한 투명 박막 전자 소자에 사용될 수 있게 한다. 그래핀 층은 지지체 예컨대, 중합체 지지체 또는 유리 지지체 상에 지지될 수 있다. 또한, 예를 들어, 금속 지지체에 의해 단지 이의 경계로부터 지지될 수 있다. 이러한 그래핀 층은 또한 어느 정도 산화될 수 있으며, 즉 격자의 원자의 일부는 산소 원자와의 결합을 형성할 수 있다.
도 2b는 다층 그래핀 (220) 즉, 수개 (즉, N개)의 그래핀 단층 (210) 예컨대, 최대 30개 단층을 포함하는 박편을 보여준다. 도 2b에서, 수 N은 3이다. 탄소 나노물질 조각 (100) 즉, 다층 그래핀 (220)은 지지체 예컨대, 중합체 지지체 또는 유리 지지체 상에 지지될 수 있다. 또한, 예를 들어, 금속 지지체에 의해 단지 이의 경계로부터 지지될 수 있다. 이러한 탄소 나노물질 조각은 또한 어느 정도 산화될 수 있으며, 즉 틴서 원자의 일부가 산소 원자와의 결합을 형성할 수 있다.
도 2c는 탄소 나노물질 조각 (100)의 또 다른 예인 탄소 나노튜브 (240)를 보여준다. 탄소 나노튜브 (CNT)는 롤링된 그래핀으로부터 형성된 튜브로서 간주될 수 있다. CNT는 단일 벽 (SWCNT) 또는 다중벽 (MWCNT)일 수 있다. CNT는 그래핀 시트가 튜브 내로 어떻게 롤링되는 지에 따라 금속성 또는 반전도성일 수 있다. 탄소 나노튜브는 탄소 나노물질 조각 (100)의 폭 및 두께 둘 모두와 동일한 직경을 갖는다. 탄소 나노튜브의 길이는 전형적으로 직경의 수배이다. 탄소 나노튜브 (240)는 도 2c에 예시된 바와 같이 단일 벽 나노튜브 (SWCNT) 또는 다중 벽 나노튜브 (MWCNT)일 수 있다.
박막은 CNT의 네트워크가 상호연결된 튜브의 박층을 형성하는 CNT로부터 제조될 수 있다. CNT 필름은 전기 및 센서 적용에서 (반)투명 물질로서 사용될 수 있다. 도 2d는 탄소 나노물질 조각 (100)의 또 다른 예인 탄소 나노 튜브 (240)의 네트워크를 보여준다. 탄소 나노 튜브 (240)는 단일 벽 나노튜브 (SWCNT) 및/또는 다중 벽 나노튜브 (MWCNT)를 포함할 수 있다. 나노튜브는 서로에 대해 부착된다. 나노튜브는 이들의 말단으로부터 또는 다르게 서로 부착될 수 있다.
제 1 구체예 및 제 2 구체예 둘 모두에서 탄소 나노물질을 패터닝하는 방법은 이들 유형의 탄소 나노물질을 패터닝하는데 적합하다. 따라서, 구체예에서, 탄소 나노물질 조각 (100)은
- 그래핀 단층 또는 다수의 그래핀 단층 예컨대, 최대 30개 단층을 포함하는 다층 그래핀,
- 탄소 나노튜브 예컨대, 단일 벽 탄소 나노튜브 (SWCNT) 또는 다중 벽 탄소 나노튜브 (MWCNT), 및/또는
- 예를 들어, 이들의 말단에서 서로 부착된 탄소 나노튜브의 네트를 포함한다.
게다가, 제 1 및 제 2 구체예 특히, 제 1 구체예는 그래핀을 포함하는 탄소 나노물질을 처리하는데 특히 적합하다. 따라서, 구체예에서, 탄소 나노물질 조각 (100)은 하기를 포함하며, 바람직하게는 하기로 구성된다:
- 그래핀 단층 (210),
- 적어도 부분적으로 산화된 그래핀 단층,
- 다수의 그래핀 단층 (210)을 포함하는 그래핀 다층 (220) (여기에서, 다수는 최대 30임),
- 적어도 하나의 표면이 화학적으로 처리된, 다수의 그래핀 단층을 포함하는 표면 처리된 다층 그래핀 (다수는 최대 30임),
- 다수의 그래핀 단층 (210)을 포함하는 다층 그래핀 (220) (여기에서, 다수는 최대 10임), 및
- 적어도 하나의 표면이 화학적으로 처리된, 다수의 그래핀 단층을 포함하는 표면 처리된 다층 그래핀 (다수는 최대 10임).
또한, 탄소 나노물질 조각은 선택적으로, 단지 이의 경계로부터 지지체상에 지지될 수 있다. 지지체는 예를 들어, 80 몰-% 미만의 탄소 원자를 포함할 수 있다.
제 1 광 펄스 시퀀스 (150)는 광 펄스를 포함한다. 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스는 바람직하게는 적어도 하나의 레이저를 이용하여 생성된다. 또한, 추가의 레이저는 강도를 증가시키고/거나 제 1 영역 (120)에 많은 다양한 파장을 적용하는데 사용될 수 있다. 이는 또한 제 2 구체예에 사용된 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)에 적용되어 제 2 영역 (130)을 노출시켰다.
파장에 있어서, 제 1 또는 제 2 구체예에서, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 특성은
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스가 250nm 내지 1100nm의 파장을 갖는 광자를 포함하도록 선택될 수 있다.
제 2 구체예에서, 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)의 특성은
- 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)의 광 펄스가 250nm 내지 1100nm의 파장을 갖는 광자를 포함하도록 선택될 수 있다.
이러한 파장은 탄소 나노물질 (100) 조각을 효과적으로 산화시키는 것으로 관찰되었다.
제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광의 세기에 있어서, 제 1 또는 제 2 구체예에서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스는 109 W/(cm)2 내지 1014 W/(cm)2; 예컨대, 1010 W/(cm)2 내지 1013 W/(cm)2 예를 들어, 7x1010 W/(cm)2 내지 7×1011 W/(cm)2의 세기를 갖는다.
제 2 구체예에서,
- 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)의 광 펄스는 109 W/(cm)2 내지 1014 W/(cm)2; 예컨대, 1011 W/(cm)2 내지 1013 W/(cm)2, 예를 들어, 7x1010 W/(cm)2 내지 7×1011 W/(cm)2의 세기를 갖는다.
이들 값은 로컬 산화에 충분히 높은 것으로 밝혀졌다. 이들 값은 다중광자 산화를 사용하여 로컬 산화에 충분히 높은 것으로 밝혀졌다. 이들 값은 제 1 영역 (120) 및 선택적으로 제 2 영역 (130)으로부터 탄소 물질의 과도한 제거를 방지하기 위해 충분히 낮은 것으로 밝혀졌다.
특히, 세기는 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 모든 광 펄스의 세기가 어블레이션 임계점 미만이도록 선택될 수 있다. 본원에서 어블레이션 임계점은 본원에서 부수적인 강한 방사로 인해 탄소 나노물질 조각 (100)으로부터 탄소 원자의 분리를 유도하는데 필요한 최소 세기로서 규정된다. 분리된 탄소 원자는 산화탄소 예컨대, 일산화탄소 (CO) 또는 이산화탄소 (CO2) 가스를 형성할 수 있다. 이러한 임계점은 초기 산화 정도 즉, 기준 값 NO/NC|110 (상기 참조) 및/또는 환경의 산소 함량 (즉, 제 1 또는 제 2 산소 함량)에 의존적일 수 있다.
게다가, 공정이 다중광자 여기를 포함하는 경우, 세기는 한편으로는 다중광자 여기를 가능하게, 다른 한편으로는 어블레이션을 피하도록 조심스럽게 선택되어야 함이 관찰되었다. 다중광자 여기는 적어도 가시광 또는 근적외선 광 (400nm 내지 1100nm의 파장)이 대응되는 광 펄스 시퀀스 (150, 160)에 사용되는 경우 필요한 것으로 보인다. 상기 언급된 세기는 다중광자 산화에 적합하다. 게다가, 상기 언급된 세기는 또한 다양한 파장의 광 펄스에 적합할 수 있다.
탄소 나노물질 조각이 광에 노출되는 제 1 환경 (155)의 산소 함량에 있어서, 제 1 또는 제 2 구체예에서,
- 제 1 산소 함량은 적어도 0.4 mol/m3이다.
원칙적으로, 산소 함량에 대한 상한은 없다. 필요한 경우, 제 1 산소 함량은 예를 들어, 최대 100 mol/m3, 예컨대, 최대 40 mol/m3일 수 있다.
제 2 구체예에서,
- 제 2 산소 함량은 적어도 0.4 mol/m3이다.
제 2 산소 함량은 예를 들어, 최대 100 mol/m3, 예컨대, 최대 40 mol/m3일 수 있다.
게다가, 산소 함량이 약 10 mol/m3을 초과하는 경우, 산화율은 산소 함량에 민감하지 않은 것으로 보인다.
이들 값은 로컬 산화에 충분히 높은 것으로 밝혀졌다. 이들 값은 예를 들어, 상기 언급된 세기 중 적어도 일부에 있어서 탄소 나노물질 조각의 점화를 방지하기에 충분히 낮은 것으로 밝혀졌다. 원칙적으로, 산소 함량이 높을수록, 더 낮은 세기 및/또는 더 짧은 노출 시간이 충분할 수 있다.
노출 시간에 있어서, 상기 언급된 세기 범위 내에서, 10m 내지 10s, 예컨대, 100m 내지 5s, 예컨대, 0.5s 내지 2s 예를 들어, 약 1s의 노출 시간은 우수한 산화 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 더 적은 노출 시간은 더 높은 세기에 이용될 수 있으며 그 반대일 수 있다.
본원에서 노출 시간은 광 펄스 시퀀스에 대한 영역(들) (120, 130)을 노출하는 시간으로서 규정된다. 더욱 정확하게는, 마지막 광 펄스가 발광을 중단할 때의 경우와 제 1 광 펄스가 발광을 시작할 때의 경우의 차이이다. 적합한 노출 시간은 광 펄스 시퀀스 (150, 160)의 광 펄스의 반복률에 의존적일 수 있다.
광 펄스 시퀀스 (150, 160)의 광 펄스에 대한 반복률은 단위 시간 당 광 펄스의 수로서 규정될 수 있다. 따라서, 반복률은 후속 광 펄스의 시간 차이의 반대이다 (특히, 펄스의 동일한 부위의 시간 차이). 10 kHz 내지 10 MHz, 예컨대, 100 kHz 내지 1 MHz, 예컨대, 약 600 kHz의 반복률은 우수한 산화 결과를 제공하는 것으로 입증되었다.
(a) 노출 시간 동안 펄스 시퀀스 (제 1 시퀀스 (150) 또는 제 2 시퀀스 (160))에서 광 펄스의 수 및 (b) 펄스 기간의 결과인 총 발광 시간은 현저하게 줄어들 수 있다. 예를 들어, 노출 시간 1s, 반복률 600kHz 및 펄스 기간 40fs에 있어서, 총 발광 시간은 단지 24ns이다.
상기 언급된 펄스 기간 및 노출 시간을 이용하여, 광 펄스의 적용가능한 수는 1x103 내지 1x107, 예컨대, 1x104 내지 3x106, 예컨대, 1x105 내지 1x106, 예를 들어, 약 6x105의 범위일 수 있다.
향후 전자 소자는 작으며 다중의 상이하게 작동하는 영역을 포함하기 쉽다. 따라서, 본 방법은 바람직하게는 패터닝된 영역이 작고/거나 이것이 정확하게 형상화되는 방식으로 적용된다. 패터닝이 광-유도되기 때문에, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)는 제 1 영역 (120) 즉, 노출된 영역을 히팅할 때, 바람직하게는, 작은 크기를 갖는다. 노출된 영역의 크기는 예를 들어, 결상 옵틱스를 이용함으로써 또는 근접장 옵틱스를 사용함으로써 제어될 수 있다. 이들은 제 1 구체예 또는 제 2 구체예에 사용될 수 있다. 게다가, 집속은 제 1 영역 (120)에 있어서 사용될 수 있으며 근접장 옵틱스는 제 2 영역 (130)에 사용될 수 있거나, 그 반대일 수 있다. 일반적으로, 집속 또는 근접장 옵틱스는 제 1 영역 (120) 및 제 2 영역 (130) 둘 모두에 대해 이용될 수 있다.
도 3a는 제 1 영역 (120) 상으로 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)을 평행하게 하기 위해 결상 옵틱스 (310)을 이용하는 예를 보여준다. 유사한 광학이 사용되어 제 2 영역 (130) 상으로 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)를 평행하게 할 수 있다. 도 3a의 장치는
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 발생시키기 위해 배열된 광원 (180) (여기에서, 광원 (180)은 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)를 발생시키기 위해 정렬될 수 있음), 및
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스의 단면적을 감소시키기 위해 정렬된 결상 옵틱스 (310)를 포함한다.
상응하는 방법의 구체예는
- 결상 옵틱스 (310)를 사용하여 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 집속하여 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스의 단면적을 감소시키는 것을 포함한다.
결상 옵틱스 (310)는 렌즈 (310)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 반사 표면은 광 펄스 시퀀스 (제 1 또는 제 2)를 집속시키는데 사용될 수 있다. 도 3a로부터 분명해지는 바와 같이, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스의 단면적은 렌즈 (310) 통과 후 감소된다. 도 3a의 장치를 사용하여 달성가능한 패턴 크기는 광 펄스 시퀀스의 광의 파장에 의해 제한된다. 따라서, 작은 선폭을 갖는 영역을 생성하기 위해, 단파장의 광이 사용되어야 한다.
도 3b는 제 1 영역 (120) 또는 제 2 영역 (130)을 노출시키기 위한 근접장 옵틱스를 사용하는 예를 보여준다. 도 3b는 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 발생시키고 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 도파관 (320)으로 안내하기 위해 정렬된 광 펄스 공급원 (330)을 보여준다. 도 3b는 또한 도파관 (320)을 보여주며, 이는 광에 노출되는 탄소 나노물질 조각 (100)의 영역 (120, 130) 가까이에 정렬된다.
근접장 옵틱스에서, 도파관 (320)의 말단과 노출된 영역 (120, 130) 간의 간격 d는 사용된 광의 파장보다 짧다. 따라서, 구체예에서,
- 광 펄스 시퀀스 (즉, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150) 또는 제 2 광 펄스 시퀀스 160)는 가장 긴 파장을 갖는 광 펄스 또는 광 펄스들을 포함한다.
구체예는
- 도파관의 말단과 탄소 나노물질 조각 (100) 간의 가장 가까운 간격 d가 최대 가장 긴 파장이 되는 방식으로 광원 (330)으로부터 도파관의 말단으로 광 펄스 시퀀스 (즉, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150) 또는 제 2 광 펄스 시퀀스 (160))를 안내하기 위해 도파관 (320)을 사용하는 것을 포함한다.
이러한 방식으로, 제 1 광 펄스 시퀀스의 광 펄스의 파장보다 짧거나 이와 동일한 선폭을 갖는 영역이 패터닝될 수 있다.
가장 긴 파장은 예를 들어, 1100 nm, 700 nm, 300 nm, 또는 250 nm일 수 있다. 따라서, 간격 d는 예를 들어, 최대 1100 nm, 최대 700 nm, 최대 300 nm, 또는 최대 250 nm일 수 있다.
패터닝 공정, 특히 패터닝된 제 1 영역 (120)의 형상을 제어하기 위해 수동 마스크가 상기 논의된 바와 같이 사용될 수 있으나, 이러한 수동 마스크는 바람직하게는 사용되지 않는다. 대안적으로, 패터닝되는 제 1 영역 (120)의 형상은 빔을 이동시킴으로써 제어될 수 있다. 여전히 추가로, 패터닝되는 제 1 영역 (120)의 형상은 제 1 광 펄스 시퀀스 (150) 및/또는 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)의 형상 및/또는 세기 프로파일에 의해 제어될 수 있다.
영역 (120, 130)의 조사 동안, 노출된 영역 (즉, 광 펄스 시퀀스 (150, 160)에 의해 조사된 영역)은 탄소 나노물질 내에서 연장된 산화된 패턴을 패터닝시키기 위해 탄소 나노물질 조각 (100)과 관련하여 이동될 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노물질 조각 (100)은 고정된 옵틱스와 관련하여 이동될 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노물질 조각 (100)은 고정될 수 있으며, 노출된 영역은 옵틱스를 이동시키거나 터닝시킴으로써 이동될 수 있다. 관련 이동의 속도는 노출 시간에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 제 1 영역 (120) 및 제 2 영역 (130)은 조사된 영역 (120, 130)이 탄소 나노물질 조각 상에서 정렬되는 속도를 변화시킴으로써 또한 다양한 방법으로 패터닝될 수 있다.
광 펄스 시퀀스 예컨대, 제 1 (150) 또는 제 2 (160)의 형상 및/또는 세기 프로파일은 또한 공간 광 변조기 (SLM)에 의해 또한 조정될 수 있다. 이러한 구체예에서, 입력 레이저 빔은 광 펄스 시퀀스의 일부 공간 부분이 더 높은 세기를 갖고 다른 공간 부분은 더 낮은 세기를 갖도록 구성된다. 이러한 방식으로, 탄소 나노물질 조각의 어떤 부분이 다른 부분과는 상이한 방식으로 산화된다. 이에 반해, 예를 들어, 광의 공간 프로파일을 또한 변형시키는 렌즈와 상반되게, 공간 광 변조기는 활성 요소이다. 공간 광 변조기는 전자적으로 제어될 수 있다.
따라서, 공간 광 변조기를 사용함으로써, 광 펄스 시퀀스는 공간적으로 두 부분을 포함하도록 변형된다: 제 1 광 펄스 시퀀스 (150) 및 제 2 광 펄스 시퀀스 (160). 이러한 구체예에서, 2개의 광 펄스 시퀀스가 제 1 영역 (120) 및 제 2 영역 (130)을 산화시키기 위해 동시에 사용된다. 자연적으로, 2개의 상이한 광원이 또한 상이한 방법으로 영역들을 동시에 산화시키기 위해 사용될 수 있다.
공간 광 변조기는 편광판 및 전기적으로 제어가능한 액체 결정 유닛을 포함할 수 있다. 액체 결정 유닛은 액체 결정 유닛을 통한 광 전파의 편광화를 로컬 변경시키도록 정렬된다. 편광화의 변경 양은 액체 결정 유닛 내에서 전기적으로 그리고 로컬로 제어될 수 있다. 편광판과 조합되어, 공간 광 변조기의 투시도는 공간적으로 불균일하게 되며, 이에 의해 공간 광 변조기는 탄소 나노물질 조각을 패터닝하는데 사용될 수 있다. 게다가, 공간 광 변조기의 공간 투시도는 전기적으로 제어가능하다. 이러한 방식으로, 공간 광 변조기는 활성 마스크를 형성한다. 상기 언급된 수동 마스크와 상반되게, 활성 마스크의 로컬 투시도 즉, 활성 마스크의 투명 영역 및 불투명 영역의 투시도는 전기적으로 제어될 수 있다.
따라서, 구체예는 활성 공간 광 변조기를 사용하여 광 펄스 시퀀스의 공간 프로파일을 변경시키는 것을 포함한다. 예로서, 구체예는 활성 공간 광 변조기를 사용하여 광 펄스 시퀀스의 광 펄스의 공간 프로파일을 변형시키는 것을 포함한다. 활성 공간 광 변조기는 전기적으로 제어가능할 수 있다. 활성 공간 광 변조기의 로컬 투시도는 전기적으로 제어가능할 수 있다.
탄소 나노물질 조각 (100)이 처리된 후, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)이 수득된다. 도 4를 참조하여, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은
- 길이 (L)는 두께 (T)보다 크거나 이와 동일하고, 폭 (W)은 두께 (T)보다 크거나 이와 동일하고, 길이 (L), 폭 (W) 및 두께 (T)의 각 방향은 다른 두 방향과 수직이 되도록
-길이 (L), 폭 (W) 및 두께 (T)를 갖는다.
구체예에서,
- 두께는 최대 50 nm이다.
그러나, 상기 언급된 산화 공정 이외에, 탄소 나노물질의 샘플 또는 탄소 나노물질 조각 (100)은 더 큰 두께를 갖는 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)을 형성하도록 처리 예를 들어, 벤딩 또는 롤링될 수 있다. 따라서, 구체예에서, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)이 길이, 폭 및 두께를 갖는 탄소 나노물질 샘플로부터 예를 들어, 벤딩 또는 롤링에 의해 수득가능하며, 여기에서 길이는 두께보다 크거나 이와 동일하며, 폭은 두께보다 크거나 이와 동일하며, 두께는 최대 50nm이다.
구체예에서, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 평면이며 (즉, 벤딩되거나 롤링되지 않음), 여기에서 처리된 탄소 나노물질 조각은 상기 기술된 측정치를 갖는다.
처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은
- 적어도 80 몰-% 탄소 원자,
- 일부를 갖는 베이스 (115)로서, 산소 대 탄소의 몰비 NO/NC가 0과 동일하거나 이보다 큰 기준 값 NO/NC|110 (상기 참조, 이러한 비는 본 방법에 의해 영향을 받지 않음이 주목되는데, 베이스의 일부가 광에 노출되기 않기 때문임)을 갖는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 베이스 (115)의 적어도 일부,
- 제 1 영역 (120)에서 산소 대 탄소의 몰 비가 기준 값 NO/NC|110 보다 큰 제 1 값 NO/NC|120을 갖는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 1 영역 (120), 및
- 제 2 영역 (130)에서 산소에 대 탄소의 몰 비가 기준 값 NO/NC|110 보다 크며 제 1 값 NO/NC|120과 상이한 제 2 값 NO/NC|130을 갖는 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 2 영역 (130)을 포함한다.
처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 방법의 제 2 구체예에 의해 탄소 나노물질 조각 (100)을 처리한 결과이며, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은
- 그래핀 단층 또는 다수의 그래핀 단층 예컨대, 최대 30개 단층을 포함하는 다층 그래핀,
- 탄소 나노튜브 예컨대, 단일 벽 탄소 나노튜브 (SWCNT) 또는 다중 벽 탄소 나노튜브 (MWCNT), 또는
- 예를 들어, 이들의 말단에서 서로 부착된 탄소 나노튜브의 네트를 포함할 수 있다.
특히, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 하기를 포함하거나 바람직하게는 하기로 구성될 수 있다:
- 선택적으로 적어도 부분적으로 산화된 비-롤링된 그래핀 단층, 또는
- 선택적으로 적어도 표면이 화학적으로 처리된, 다수의 그래핀 단층을 포함하는 비-롤링된 다층 그래핀 (다수는 최대 30임).
처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 지지체 예컨대, 유리 지지체 또는 폴리머 지지체 상에 정렬될 수 있다. 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 예컨대, 구멍을 제한하는 금속 지지체에 부착된 단지 이의 경계로부터의 지지체로 정렬될 수 있으며, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 구멍 상에 정렬된다. 지지체는 예를 들어, 80 몰-% 미만의 탄소 원자를 포함할 수 있다.
영역은 광-유도된 산화를 사용하여 패터닝되는 경우, 적정하게는 작은 영역이 정확하게 패터닝될 수 있다. 구체예에서,
- 제 1 영역 (130)은 선폭 (WL), 선길이 (LL), 및 선두께 (TL)를 가지며, 선두께 (TL)는 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 두께 (T)에 평행하며, 선폭 (WL)의 방향은 선길이 (LL)의 방향에 수직이며 선두께 (TL)의 방향에 수직이며, 선폭 (WL)은 최대 (at most) 선길이 (LL)이며, 여기에서
- 선폭 (WL)은 전자 소자에 적합하도록 구성된다.
여기에서 선두께 (TL)는 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 층의 두께에 평행하다. 처리된 탄소 나노물질 조각이 평면이거나 구부러진 경우, 처리된 조각 (400)은 단지 하나의 그러한 층을 포함한다. 따라서, 선두께 (TL)는 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 두께 및 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 층에 평행하다. 그러나, 처리된 탄소 나노물질 조각이 나노물질 층으로부터 롤링되는 경우, 선두께 (TL)는 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 층의 두께에 평행하다.
구체예에서, 선폭 (WL)은 최대 1mm, 예컨대, 최대 10 μm, 최대 700 nm 또는 최대 300 nm이다. 선폭 (WL)은 상기 논의된 바와 같은 조준 옵틱스(collimation optics) 또는 근접장 기법을 이용함으로써 감소될 수 있다.
상응하는 방법에서, 탄소 나노물질 조각 (100)은 이들 측정치가 달성되는 방식으로 처리된다.
선길이 (LL)는 지점을 이동시킴으로써 증가될 수 있으며, 여기에서 (제 1 또는 제 2) 광 펄스 시퀀스가 탄소 나노물질 조각을 조사한다.
처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 일부 탄소 원자를 제거하는 광-유도된 산화에 의해 제조될 수 있기 때문에, 구체예에서,
- 적어도 일부 탄소 원자가 처리된 탄소 나노튜브 조각 (400)의 처리된 영역으로부터 제거되었으며, 이에 의해
- 제 1 영역 (120) 또는 제 2 영역 (130)은 그루브를 포함한다.
게다가, 그루브를 포함하는 처리된 영역 (즉, 제 1 영역 (120) 또는 제 2 영역 (130))에서 탄소에 대한 산소의 몰 비는 베이스 (115)보다 높다.
나노물질 조각 (100) 또는 처리된 물질 조각 (400)의 특성은 예를 들어, 4-파 섞임 (FWM) 현미경을 사용함으로써 분석될 수 있다. 이러한 방법에서, 상이한 주파수를 갖는 3개 레이저 장은 나노물질의 민감성을 통해 상호작용하여 제 4 주파수에서 신호를 발생시킨다. 4개 파장은 제 4 파장이 다른 3개로부터 광학적으로 분리될 수 있는 방식으로 모두 가시선 범위인 것으로 선택될 수 있다. 그 후, 광학 현미경은 제 4 파장에서의 신호를 분석하는데 이용될 수 있다. FWM 신호는 특히 나노물질의 전기 및 진동 특성에 민감하다. 유입 또는 방출 주파수를 물질의 전자 공명으로 맞춤으로써, 선택된 전자 여기가 프로빙될 수 있다. 또한, 물질의 전자 공명 여기는 향상된 FWM 반응에 의해 수반된다. 이러한 방식으로, 상기 언급된 구체예에 의해 수득된 바와 같은 물질의 전기 특성에서의 변화가 확인될 수 있다. FWM의 적용 예는 간섭성 반스톡스 라만 분광계 (CARS) 이미징이다. FWM 방법의 또 다른 예는 모의 라만 분광계 (SRS)이다.
도 5는 왼쪽 부분에 문자 "A"로 나타낸 바와 같이, 처리 전의 탄소 나노물질 조각 (100)으로부터 수득된 FWM 신호를 보여준다. 도 5는 오른쪽 부분에 문자 "B"로 나타낸 바와 같이, 즉 처리 후 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)으로부터 수득된 FWM 신호를 추가로 보여준다. FWM 신호는 산화시 감소되며 이는 산화된 및 비산화된 영역 사이의 콘트라스트를 제공한다. 산화 수준은 전기 특성 및 FWM 신호와 연관성이 있기 때문에, 후자는 전기 특성 변화를 모니터링하는데 이용될 수 있다.
처리된 탄소 나노물질 조각 (400) (도 5, B)으로부터 수득된 FWM 신호는 어두운 사각형을 보여준다. 이는 산화된 직사각형이 탄소 나노물질 조각 상으로 패터닝되었음을 나타낸다. 도 5의 탄소 나노물질은 단층 그래핀이다. 이러한 방식으로, 베이스의 것과 상이한 전기 특성을 갖는 직사각형이 패터닝되었다. 예를 들어, 패터닝된 영역의 밴드 갭 (제 1 영역 (120))은 상기 논의된 바와 같이 제 1 영역 (120) 또는 제 2 영역 (130)에 대해 규정된 범위에 있을 수 있다.
처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 전자 소자를 형성하는데 사용될 수 있다. 전자 소자에서, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 또 다른 물체와 전기적으로 커플링된다. 또 다른 물체는 전기 전도체, 전기 반도체, 또는 전기 절연체일 수 있다. 기타 물체는 금속 전기 전도체일 수 있다.
예를 들어, 베이스 (115)는 전도체를 형성할 수 있으며, 제 1 영역 (120)은 반도체를 형성할 수 있으며, 제 2 영역 (130)은 절연체를 형성할 수 있다. 따라서, 2개의 전도성 베이스 영역 (115) 사이에서 반도성 제 1 영역 (120)을 갖는 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 트랜지스터 예컨대, 전계 트랜지스터 (FET)로서 작용할 수 있다. 제 2 영역 (130)이 전도체로부터 제 1 영역 (120)을 전기적으로 분리하는데 사용될 수 있다; 이에 의해, 전도체는 제 1 영역 내로 전기장 생성하는데 사용될 수 있다.
도 4는 그러한 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)의 예를 보여준다. 도면에서, 베이스 (115)는 4개의 베이스 영역 (115a, 115b, 115c, 및 115d)을 포함한다. 베이스 영역 (115a 및 115b)는 반도체성 제 1 영역 (120)에 전기 결합된다. 반도체성 영역은 상기 기술되었던 바와 같이 제 1 영역 (120)에 대해 제조된다. 게다가, 처리된 탄소 나노물질 조각 (400)은 절연성의 제 2 영역 (130)을 포함한다.
도 4를 참조로 하여, 절연 영역 또는 절연 영역들 (130)이 사용되어 반도체성 영역 (120)으로 전기적으로 연결되는 그러한 전도성 영역 (115a 및 115b)을 서로 전기적으로 절연시키는데 사용된다.
조각 (400)이 전도성 베이스 영역 (115c 및 115d)을 추가로 포함하는 도 4에서, 절연 영역 (130)은 반도체성 영역 (120)에 전기적으로 결합되는 영역들 (115a 및 115b) 사이에 단 전류를 형성하지 않도록 다른 베이스 영역 (115c 및 115d)으로부터 또한 전도성 영역 (115a 및 115b)을 또한 분리하는데 사용된다. 전도성 영역 (115c 및/또는 115d)은 반도체성 제 1 영역 (120)으로 전기장을 발생시키는데 사용될 수 있다.
이러한 트랜지스터는
- 처리된 탄소 나노물질 조각 (400), 및
- 제 1 영역 (120)의 전기 전도성에 영향을 끼치는 수단을 포함한다.
전기 전도성에 영향을 끼치는 수단은 제 1 영역 (120)으로부터 예를 들어, 제 2 영역 (130)에 의해 전기적으로 절연된 예를 들어, 전기 전도체 (예를 들어, 115c 및/또는 115d)를 포함하여, 제 1 영역 (120) 내로 전기장을 발생시키도록 정렬될 수 있다.
실시예:
1. 탄소 나노물질 조각을 패터닝하는 방법으로서,
- 탄소 나노물질 조각은 길이, 폭 및 두께를 가지며,
- 이때 상기 길이는 두께보다 크거나 이와 동일하며, 폭은 두께보다 크거나 이와 동일하며, 두께는 최대 50 nm이며,
- 탄소 나노물질 조각은 영역을 포함하는데, 여기에서
· 영역은 적어도 80 몰-%의 탄소 원자를 포함하고,
· 영역에서, 탄소에 대한 산소의 몰 비는 0과 동일하거나 이보다 큰 기준 값을 가지며,
- 영역은, 제 1 영역이 상기 영역보다 더 작은 방식으로 제 1 영역을 포함하며; 이에 의해 영역과 제 1 영역은 영역과 제 1 영역의 차집합에 포함되는 베이스를 규정하며;
- 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 1 광 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계로서, 제 1 광 펄스 시퀀스가 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계, 및
- 베이스의 적어도 일부를 상기 제 1 광 펄스 시퀀스에 노출시키지 않으면서, 제 1 산소 함량을 갖는 제 1 처리 환경에서 상기 제 1 광 펄스 시퀀스에 제 1 영역을 노출시키는 단계를 포함하는 방법에 있어서; 이에 의해
- 제 1 영역의 탄소 원자의 최대 10%가 제 1 영역으로부터 제거되고, 상기 제 1 광 펄스 시퀀스로의 제 1 영역의 상기 노출 후, 제 1 영역에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 큰 제 1 값을 갖는 방식으로 탄소 나노물질 조각의 적어도 일부 탄소 원자를 제 1 영역에서 로컬 산화시키고; 이에 의해,
- 탄소 나노물질 조각의 제 1 영역을 패터닝하는 것을 포함하는 방법.
2. 탄소 나노물질 조각을 패터닝하는 방법으로서,
- 탄소 나노물질 조각은 길이, 폭 및 두께를 갖는 탄소 나노물질의 샘플로부터 벤딩 또는 롤링에 의해 수득가능하며, 여기에서
- 탄소 나노물질 샘플의 길이는 두께보다 크거나 이와 동일하며, 폭은 두께보다 크거나 이와 동일하며, 두께는 최대 50nm이며; 여기에서
- 탄소 나노물질 조각은 영역을 포함하는데, 여기에서
· 영역은 적어도 80 몰-% 탄소 원자를 포함하고,
· 영역에서, 탄소에 대한 산소의 몰 비는 0과 동일하거나 큰 기준 값을 가지며,
- 영역은 제 1 영역이 상기 영역보다 작은 방식으로 제 1 영역을 포함하며; 이에 의해 영역과 제 1 영역은 제 1 영역과 영역의 차집합에 포함되는 베이스를 규정하며;
- 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 1 광 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계로서, 제 1 광 펄스 시퀀스가 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계, 및
- 베이스의 적어도 일부를 상기 제 1 광 펄스 시퀀스에 노출시키지 않으면서, 제 1 산소 함량을 갖는 제 1 처리 환경에서 상기 제 1 광 펄스 시퀀스에 제 1 영역을 노출시키는 단계를 포함하는 방법에 있어서; 이에 의해
- 제 1 영역의 탄소 원자의 최대 10%가 제 1 영역으로부터 제거되고, 상기 제 1 광 펄스 시퀀스로의 제 1 영역의 상기 노출 후, 제 1 영역에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 큰 제 1 값을 갖는 방식으로 탄소 나노물질 조각의 적어도 일부 탄소 원자를 제 1 영역에서 로컬 산화시키고; 이에 의해,
- 탄소 나노물질 조각의 제 1 영역을 패터닝하는 것을 포함하는 방법.
3. 실시예 1 또는 2에 있어서,
- 탄소 나노물질 조각은 제 2 영역을 추가로 포함하며,
- 제 1 영역의 상기 노출에 의해, 방법이 처리 파라미터 값의 제 1 집합을 이용하여 제 1 영역을 산화시키는 것을 포함하며, 여기에서 처리 파라미터 값의 제 1 집합은 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값 및 제 1 산소 함량을 포함하며;
- 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값을 변경하여 처리 파라미터 값의 제 2 집합을 발생시키는 단계로서, 여기에서 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에서의 처리 파라미터 값과 상이한 단계,
- 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 2 광 펄스 시퀀스를 발생시키는 단계로서, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함되며, 제 2 광 펄스 시퀀스는 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계, 및
- (a) 제 2 산소 함량을 갖는 처리 환경에서 또는 (b) 제 2 산소 함량을 갖는 또 다른 처리 환경에서 상기 제 2 광 펄스 시퀀스에 상기 제 2 영역을 노출시키는 단계로서, 제 2 산소 함량은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함되는 단계를 추가로 포함하는 방법에 있어서; 이에 의해
- 처리 파라미터 값의 제 2 집합을 이용하여,
- 제 2 영역의 탄소 원자의 최대 10%가 제 2 영역으로부터 제거되고, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스로의 제 2 영역의 상기 노출 후, 제 2 영역에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 크며 제 1 값과 상이한 제 2 값을 갖는 방식으로 제 2 영역에서 적어도 일부 탄소 원자를 로컬 산화시키는, 방법.
4. 실시예 1 내지 3 중 어느 것에 있어서,
- 제 2 영역이, 베이스의 적어도 일부가 제 1 광 펄스 시퀀스 또는 제 2 광 펄스 시퀀스 어느 것에도 노출되지 않는 방식으로 상기 제 2 광 펄스 시퀀스에 노출되는 방법.
5. 실시예 1 내지 4 중 어느 것에 있어서, 탄소 나노물질 조각이
- 그래핀 단층 또는 다수의 그래핀 단층 예컨대, 최대 30개 단층을 포함하는 다층 그래핀,
- 탄소 나노튜브 예컨대, 단일 벽 탄소 나노튜브 (SWCNT) 또는 다중 벽 탄소 나노튜브 (MWCNT), 또는
- 예를 들어, 이들의 말단에서 서로 부착된 탄소 나노튜브의 네트를 포함하는 방법.
6. 실시예 1 내지 5 중 어느 것에 있어서, 탄소 나노물질 조각이
- 선택적으로 최대 부분적으로 산화된 그래핀 단층, 또는
- 선택적으로 적어도 표면이 화학적으로 처리된 다수의 그래핀 단층을 포함하는 다층 그래핀 (다수가 최대 30임)을 포함하며, 바람직하게는 이들로 구성되는 방법.
7. 실시예 1 내지 6 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스가 제 1 레이저 광원을 사용하여 발생되며;
- 선택적으로, 제 2 광 펄스 시퀀스는 또한 레이저 광원 예컨대, 제 1 레이저 광원 또는 또 다른 레이저 광원을 사용하여 발생되는 방법.
8. 실시예 1 내지 7 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스가 수동 마스크의 불투명 영역에 의해 적어도 부분적으로 차단되지 않으면서 제 1 영역 상으로 제 1 레이저 광원으로부터 운반되며, 이를 통해 제 1 광 펄스 시퀀스가 정렬되어 진행되는 방법.
9. 실시예 1 내지 8 중 어느 것에 있어서,
- 공간 광 변조기를 사용하여 광 펄스 시퀀스의 광 펄스의 공간 프로파일을 변경시키는 것을 포함하는 방법.
10. 실시예 1 내지 9 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스의 광 펄스가 250 nm 내지 1100 nm의 파장을 갖는 광자를 포함하는 방법.
11. 실시예 1 내지 10 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스의 광 펄스가 109 W/(cm)2 내지 1014 W/(cm)2; 예컨대, 7x1010 W/(cm)2 내지 7x1011 W/(cm)2의 세기를 갖는 방법.
12. 실시예 1 내지 11 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 산소 함량이 적어도 0.4 mol/m3인 방법.
13. 실시예 1 내지 12 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 산소 함량이 최대 100 mol/m3, 예컨대, 최대 40 mol/m3 또는 최대 10 mol/m3인 방법.
14. 실시예 1 내지 13 중 어느 것에 있어서,
- 결상 옵틱스를 이용하여 제 1 광 펄스 시퀀스를 집속시켜 제 1 광 펄스 시퀀스의 광 펄스의 단면적을 감소시키는 방법.
15. 실시예 1 내지 14 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스가 가장 긴 파장을 갖는 광 펄스 또는 광 펄스들을 포함하며, 방법이
- 도파관을 이용하여, 도파관의 말단과 탄소 나노물질 조각 사이의 가장 가까운 간격이 최대 가장 긴 파장이 되는 방식으로 제 1 광 펄스 시퀀스를 광원으로부터 도파관의 말단으로 안내하여; 제 1 광 펄스 시퀀스의 광 펄스의 파장보다 작거나 또는 이와 동일한 선폭을 갖는 영역을 패터닝하는 것을 포함하는 방법.
16. 실시예 1 내지 15 중 어느 것에 있어서,
- 베이스의 적어도 일부의 밴드 갭이 최대 0.01 eV이고,
- 제 1 영역은 제 1 영역의 밴드 갭이 베이스의 밴드 갭보다 큰 방식으로 산화되는 방법.
17. 실시예 16에 있어서,
- 제 1 영역의 밴드 갭이 0.05 eV 초과, 예컨대, 적어도 0.1 eV이 되는 방식으로 산화되는 방법.
18. 실시예 16 또는 17에 있어서,
- 제 1 영역은 제 1 영역의 밴드 갭이 3 eV 미만이 되는 방식으로 산화되는 방법.
19. 실시예 3 내지 18 중 어느 것에 있어서,
- 제 2 영역은 실시예 3에 따라 산화되며,
- 제 2 영역은 제 2 영역의 밴드 갭이
ㆍ제 1 영역의 밴드 갭보다 크고,
ㆍ선택적으로, 적어도 3eV이 되는 방식으로 산화되는 방법.
20. 길이, 폭 및 두께를 갖는 처리된 탄소 나노물질 조각으로서,
- 이때 상기 길이는 두께보다 크거나 이와 동일하며, 폭은 두께보다 크거나 이와 동일하며, 두께는 최대 50 nm이며, 처리된 탄소 나노물질 조각은
- 적어도 80 몰-%의 탄소 원자,
- 일부를 갖는 베이스로서, 베이스의 적어도 일부는 탄소 원자 및, 탄소에 대한 산소의 몰 비가 0과 동일하거나 큰 기준 값을 갖는 방식으로 선택적으로 또한, 산소 원자를 포함하는 베이스,
- 탄소에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 큰 제 1 값을 갖는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 1 영역, 및
- 탄소에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 크고 제 1 값과는 상이한 제 2 값을 갖는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 2 영역을 포함하는 처리된 탄소 나노물질 조각.
21. 길이, 폭 및 두께를 갖는 탄소 나노물질의 샘플을 벤딩하거나 롤링함으로써 수득가능한 처리된 탄소 나노물질 조각으로서,
- 길이는 두께보다 크거나 이와 동일하고, 폭은 두께보다 크거나 이와 동일하며, 두께는 최대 50 nm이며;
처리된 탄소 나노물질 조각은
- 적어도 80 몰-%의 탄소 원자,
- 일부를 갖는 베이스로서, 베이스의 적어도 일부는 탄소 원자 및, 탄소에 대한 산소의 몰 비가 0과 동일하거나 큰 기준 값을 갖는 방식으로 선택적으로 또한, 산소 원자를 포함하는 베이스,
- 탄소에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 큰 제 1 값을 갖는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 1 영역, 및
- 탄소에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 크고 제 1 값과는 상이한 제 2 값을 갖는 방식으로 탄소 원자 및 산소 원자를 포함하는 제 2 영역을 포함하는 처리된 탄소 나노물질 조각.
22. 실시예 20 또는 21의 처리된 탄소 나노물질 조각으로서,
- 그래핀 단층 또는 다수의 그래핀 단층 예컨대, 최대 30개 단층을 포함하는 다층 그래핀,
- 탄소 나노튜브, 예컨대, 단일 벽 탄소 나노튜브 (SWCNT) 또는 다중 벽 탄소 나노튜브 (MWCNT), 또는
- 예를 들어, 이들의 말단에서 서로 부착된 탄소 나노튜브의 네트를 포함하는 처리된 탄소 나노물질 조각.
23. 실시예 20 내지 22 중 어느 것에 있어서,
- 선택적으로 최대 부분적으로 산화된 그래핀 단층, 또는
- 선택적으로 적어도 표면이 화학적으로 처리된 다수의 그래핀 단층을 포함하는 다층 그래핀 (다수가 최대 30임)을 포함하며, 바람직하게는 이들로 구성되는 처리된 탄소 나노물질 조각.
24. 실시예 20 내지 23 중 어느 것에 있어서,
- 베이스의 일부의 밴드 갭이 최대 0.01 eV이고,
- 제 1 영역의 밴드 갭이 베이스의 일부의 밴드 갭보다 큰 처리된 탄소 나노물질 조각.
25. 실시예 24에 있어서,
- 제 1 영역의 밴드 갭이 0.05 eV 초과, 예컨대, 적어도 0.1 eV인 처리된 탄소 나노물질 조각.
26. 실시예 24 또는 25에 있어서,
- 제 1 영역의 밴드 갭이 3 eV 미만인 처리된 탄소 나노물질 조각.
27. 실시예 20 내지 26 중 어느 것에 있어서,
- 제 2 영역의 밴드 갭이 제 1 영역의 밴드 갭을 초과하고, 선택적으로 적어도 3eV인 처리된 탄소 나노물질 조각.
28. 실시예 20 내지 27 중 어느 것에 있어서,
- 제 1 영역이 선폭, 선길이 및 선두께를 가지며, 선두께는 탄소 나노물질 조각의 층 또는 처리된 탄소 나노물질 조각의 두께와 평행하며, 선폭은 선길이에 수직이며 선두께에 수직이고, 선폭은 최대(at moast) 선길이이며, 여기에서,
- 선폭은 전자 소자에 적합하도록 구성되며 예컨대, 최대 1 mm, 최대 10 μm, 최대 700 nm 또는 최대 300 nm인 처리된 탄소 나노물질 조각.
29. 실시예 20 내지 28 중 어느 것에 있어서,
- 적어도 일부 탄소 원자가 처리된 영역으로부터 제거되고, 이에 의해
- 제 1 영역 또는 제 2 영역은 그루브를 포함하는, 처리된 탄소 나노물질 조각.
30. - 실시예 20 내지 29 중 어느 것의 처리된 탄소 나노물질 조각, 및
- 처리된 탄소 나노물질 조각dp 전기 결합된 또 다른 물체를 포함하는 전자 소자.
31. - 실시예 20 내지 30 중 어느 것의 처리된 탄소 나노물질 조각,
- 처리된 탄소 나노물질 조각으로 전기 결합된 또 다른 물체, 및
- 제 1 영역의 전기 전도성에 영향을 끼치기 위한 수단을 포함하는 트랜지스터.
32. 실시예 30의 전자 소자 또는 실시예 31의 트랜지스터로서,
- 다른 물체가 전기 컨덕터 또는 전기 반도체인 전자 소자 또는 트랜지스터.
33. 트랜지스터와 같은 실시예 32의 전자 소자로서,
- 다른 물체가 금속 전기 전도체인 전자 소자.
Claims (13)
- 탄소 나노물질 조각 (100)을 패터닝하는 방법으로서,
- 탄소 나노물질 조각 (100)이 (i) 길이 (L), 폭 (W) 및 두께 (T)를 갖거나 (ⅱ) 길이 (L), 폭 (W) 및 두께 (T)를 갖는 탄소 나노물질의 샘플로부터 수득가능하며, 여기에서,
- 길이 (L)는 두께 (T)보다 크거나 이와 동일하며, 폭(W)은 두께(T)보다 크거나 이와 동일하며, 두께 (T)는 최대 50 nm이고,
- 탄소 나노물질은 (i) 그래핀 단층, 또는 (ii) 다수의 그래핀 단층을 포함하는 다층 그래핀을 포함하며, 여기에서 다수는 최대 30이며,
- 탄소 나노물질 조각 (100)이 탄소에 대한 산소의 몰 비가 0과 동일하거나 이보다 큰 기준 값을 갖는 영역 (110)을 포함하며,
- 탄소 나노물질 조각 (100)의 영역 (110)은 적어도 80 몰-%의 탄소 원자를 포함하며,
- 영역 (110)은, 제 1 영역 (120)이 상기 영역 (110)보다 더 작은 방식으로 제 1 영역 (120)을 포함하며; 이에 의해 영역 (110)과 제 1 영역 (120)은 영역(110)과 제 1 영역 (120)의 차집합에 포함되는 베이스 (115)를 규정하며;
- 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 발생시키는 단계로서, 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)가 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계, 및
- 베이스 (115)의 적어도 일부를 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 노출시키지 않으면서, 제 1 산소 함량을 갖는 제 1 처리 환경 (155)에서 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)에 제 1 영역 (120)을 노출시키는 단계를 포함하는 방법에 있어서;
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스가 400nm 내지 1100nm의 파장을 갖는 광자를 포함하도록 레이저를 사용하여 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)를 발생시키고, 이에 의해
- 제 1 영역 (120)의 탄소 원자의 최대 10%가 제 1 영역 (120)으로부터 제거되고, 상기 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)로의 제 1 영역(120)의 상기 노출 후, 제 1 영역(120)에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 큰 제 1 값을 갖는 방식으로 2-광자 또는 다중광자 산화에 의해 탄소 나노물질 조각 (100)의 적어도 일부 탄소 원자를 제 1 영역 (120)에서 국부적으로 산화시키고; 이에 의해,
- 탄소 나노물질 조각 (100)의 제 1 영역 (120)을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1항에 있어서, 탄소 나노물질이 부분적으로 산화된 그래핀 단층을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
- 탄소 나노물질 조각 (100)이 제 2 영역 (130)을 추가로 포함하며,
- 제 1 영역 (120)의 상기 노출에 의해, 방법이 처리 파라미터 값의 제 1 집합을 이용하여 제 1 영역 (120)을 산화시키는 것을 포함하며, 여기에서 처리 파라미터 값의 제 1 집합은 제 1 광 펄스 시퀀스 특성 값 및 제 1 산소 함량을 포함하며; 방법은
- 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값을 변경하여 처리 파라미터 값의 제 2 집합을 발생시키는 단계로서, 여기에서 처리 파라미터 값의 제 1 집합 중 적어도 하나의 처리 파라미터 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에서의 처리 파라미터 값과 상이한 단계,
- 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값을 갖는 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)를 발생시키는 단계로서, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 특성 값은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함되며, 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)는 적어도 하나의 광 펄스를 포함하는 단계, 및
- (a) 제 2 산소 함량을 갖는 처리 환경에서 또는 (b) 제 2 산소 함량을 갖는 또 다른 처리 환경에서 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)에 상기 제 2 영역 (130)을 노출시키는 단계로서, 제 2 산소 함량은 처리 파라미터 값의 제 2 집합에 포함되며; 이에 의해
- 처리 파라미터 값의 제 2 집합을 이용하여,
- 제 2 영역 (130)의 탄소 원자의 최대 10%가 제 2 영역 (130)으로부터 제거되고, 상기 제 2 광 펄스 시퀀스 (160)로의 제 2 영역 (130)의 상기 노출 후, 제 2 영역(130)에서, 탄소 원자에 대한 산소의 몰 비가 기준 값보다 크며 제 1 값과 상이한 제 2 값을 갖는 방식으로 제 2 영역 (130)에서 적어도 일부 탄소 원자를 국부적으로 산화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 1항에 있어서, 탄소 나노물질이
- 탄소 나노튜브, 또는
- 서로 부착된 탄소 나노튜브의 네트를 추가로 포함하며;
- 방법이 그래핀을 패터닝하는 것을 포함하는 방법. - 제 1항에 있어서, 탄소 나노물질이
- 그래핀 단층, 또는
- 다수의 그래핀 단층을 포함하는 다층 그래핀으로 이루어지며, 상기 다수는 최대 30개인 방법. - 제 1항에 있어서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스가 109 W/(cm)2 내지 1014 W/(cm)2의 세기를 갖는 방법. - 제 6항에 있어서,
- 제 1 광 펄스 시퀀스 (150)의 광 펄스가 7x1010 W/(cm)2 내지 7×1011 W/(cm)2의 세기를 갖는 방법. - 제 1항에 있어서,
- 제 1 산소 함량이 적어도 0.4 mol/m3인 방법. - 제 8항에 있어서,
- 제 1 산소 함량이 0.4 mol/m3 내지 40 mol/m3인 방법. - 제 1항에 있어서,
- 베이스 (115)의 적어도 일부의 밴드 갭이 최대 0.01 eV이며,
- 제 1 영역 (120)이, 제 1 영역 (120)의 밴드 갭이 0.05 eV 초과가 되는 방식으로 산화되는 방법. - 제 3항에 있어서,
- 제 2 영역 (130)이, 제 2 영역 (130)의 밴드 갭이 제 1 영역(120)의 밴드 갭보다 크게 되는 방식으로 산화되는 방법. - 제 11항에 있어서,
- 제 2 영역 (130)이, 제 2 영역 (130)의 밴드 갭이 2 eV 초과가 되는 방식으로 산화되는 방법. - 제 1항에 있어서,
- 제 1 영역 (120)이 선폭 (WL), 선길이 (LL) 및 선두께를 가지며, 선폭 (WL)은 선 길이 (LL)에 수직이며 선 두께에 수직이며, 선폭 (WL)은 최대로(at most) 선길이 (LL)이며, 여기에서
- 선폭 (WL)은 전자 소자에 적합하게 구성된 방법.
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