KR20050106468A

KR20050106468A - 나노스케일 구조물을 제조하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20050106468A
Application number: KR1020057016080A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 크리스토퍼 콕스; 로이 던캔 포레스트; 셈버크셔라킬리지 레이비 실바
Original assignee: 유니버시티 오브 서레이
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-11-09
Also published as: WO2004076049A3; WO2004076049A2; EP1599413A2; JP2006521213A; GB0304623D0; US20060205109A1

Abstract

본 발명은 샘플 홀더 (3)를 하우징하는 조작 챔버 (2)에 걸쳐 정위된 주사전자현미경 (SEM) (1)을 포함하는 장치에 관한 것이다. 조작 챔버 (2)의 벽은 두개의 프로브 (4,4a)를 지지하고, 샘플 홀더 (3)는 기재 상에서 수행되는 샘플 (5), 예를 들어 탄소 나노튜브 (10a)를 유지시킬 수 있다. 장치는 선택적으로 이동하고 SEM (1) 하에서 전압 및 전류를 프로브 또는 프로브들 (4,4a) 및 샘플 홀더 (3)로 인가할 수 있다. 프로브 (4)와 탄소 나노튜브 (10a) 사이의 콘텍트를 관통되는 전류를 조절함으로써, 조절된 용접이 형성된다. 마찬가지로, 탄소 나노튜브 (10a)를 따라 통과되는 전류를 조절함으로써, 나노튜브 (10a)가 어닐링될 수 있다. 프로브 (4,4a) 둘 모두를 사용하여, 탄소 나노튜브가 지탱되고 이의 기장을 따라 임의의 지점에서 절단될 수 있다. 이는 신규한 탄소 나노튜브 구조물을 형성시킨다.

Description

나노스케일 구조물을 제조하는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR FABRICATING NANOSCALE STRUCTURES}

본 발명은 나노스케일 구조물을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 나노 와이어(nanoscale wire)를 구조물에 용접시키는 방법, 나노 와이어를 어닐링(annealing)하는 방법 및 나노 와이어를 절단하는 방법, 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치 및 이러한 방법에 의해 생산될 수 있는 나노스케일 구조물에 관한 것이다.

나노 와이어로부터 제조될 수 있는 나노스케일 구조물에 대한 가능성은 매우 활발하게 연구되고 있다. 나노 와이어, 특히 탄소 나노튜브는 나노스케일 전기-기계 장치의 방대한 배치를 형성시키기 위한 흥미있는 성질 및 가능성을 지니고 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브의 작은 크기(수 나노미터의 직경); 높은 전류 밀도를 견딜 수 있는 능력; 및 반도체 또는 금속성 전기적 성질은 이들을 차세대 전자 장치에서 중요한 구성요소로서 이상적인 후보자로 만든다. 그러나, 탄소 나노튜브는 현재 기재 상에 또는 얽힌 다발로서 대규모로 성장하게 된다. 이는 탄소 나노튜브로부터 특정 장치 또는 구조물을 제조함에 있어서 심각한 한계를 부가한다. 따라서, 이러한 물질에 대한 연구 중 대부분은 이들 생산 방법에 적합한 적용, 예를 들어, 물질을 강화시키기 위한 이들의 용도; 중합체에서 혼입된 전도성 섬유의 제공; 또는 평판 디스플레이용 전계방출 팁(tip) 배치에서의 이들의 용도에 집충되어 있다.

개개의 탄소 나노튜브를 선택된 지점에 정위시키고, 전기적으로 신뢰할 수 있는 나노튜브 대 나노튜브, 또는 나노튜브 대 기재의 접합점을 선택적으로 생성시킬 수 있는 능력은 아직 기술되지 않았다. 현재까지 탄소 나노튜브로부터 형성된 한정된 수의 전자 장치는 주로 많은 나노튜브를 적절한 기재상에 산란시키고, 통상적인 전기적 콘텍트(contact)를 올려 놓은 후 기본 장치를 구성하기 위한 나노튜브의 정확한 조합 및/또는 배향을 찾는 것에 따른다. 그러므로, 나노튜브 장치를 조절되고 선택된 방식으로 제조하고 주문품의 전자 장치를 생산하기 위해 조작할 수 있는 방법이 개발될 필요가 있다. 이는 미래의 전자 장치의 기준이 될 수 있다. 동시에, 이는 존재하는 성장 기술을 사용하여 성장된 섬유를 이용하여 제조될 가능성이 요망될 수 있다.

발명의 개요

본 발명의 제 1 양태에 따라, 본 발명은 나노 와이어를 구조물에 용접시키는 방법을 제공하는 것으로,

나노 와이어와 구조물을 서로 접촉되도록 정위시키고;

콘텍트(contact)에 걸쳐 전압을 인가하여 전류를 콘텍트를 통하여 흐르게 하여 와이어가 구조물에 용접되도록 가열시킴을 포함하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제 2 양태에 따라, 본 발명은 나노 와이어를 구조물에 용접시키기 위한 장치를 제공하는 것으로,

나노 와이어와 구조물을 서로 접촉되도록 정위시키기 위한 조작기; 및

콘텍트에 걸쳐 전압을 인가시켜 전류를 콘텍트를 통하여 흐르게 하여 와이어가 구조물에 접촉되도록 가열시키기 위한 제어기를 포함하는 장치를 제공한다.

그러므로, 나노 와이어, 예를 들어 탄소 나노튜브와 다른 구조물, 예를 들어 조작기의 프로브가 서로 접촉되도록 할 수 있으며, 와이어와 구조물 간에 콘텍트를 통하여 전류를 통과시킴으로써, 용접이 형성될 수 있다. 본 출원인은 일반적으로 콘텍트의 전기적 저항이 초기에 와이어 또는 다른 구조물의 저항 보다 높다는 것을 인식하였다. 따라서, 전류가 와이어와 구조물 간의 콘텍트에 걸쳐 통과하는 경우, 콘텍트는 와이어 또는 다른 구조물 이상의 전류에 의해 가열되고 용접이 형성된다.

본 발명은 와이어 또는 다른 구조물에 손상없이 용접을 형성시킬 수 있다. 그러나, 용접 동안 손상될 수 있는 와이어 또는 다른 구조물의 위험을 감소시키기 위해, 용접 동안 콘텍트를 통하여 흐르는 전류를 제한하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 제어기는 바람직하게는 용접 동안 콘텍트를 통하여 흐르는 전류를 제한한다. 게다가, 전류는 용접 전류한계치 이하로 제한될 수 있다. 이는 통상적으로 과열되고 끓어지거나 구조적으로 손상되기 전에 용접되는 특정 타입의 나노 와이어에 의해 수행될 수 있는 특정 전류 미만으로 셋팅된다. 이는 실험에 의해 확립될 수 있다. 일반적으로, 용접 전류 한계는 10 μA 정도이나, 이는 와이어 타입에 따라 크게 좌우된다.

약 5V 미만의 전압은 일반적으로 요망되는 전류를 발생시키기에 충분하다. 일예로서, 전압은 단지 한번 콘텍트에 걸쳐 인가될 수 있다. 유사하게는, 전류는 미리측정된 시간, 예를 들어 약 1초 내지 약 100초 동안 유지될 수 있다. 이는 실험이 최적의 용접을 얻기 위해 요망되는 전류 및 기간을 확립하는 경우에 유용할 것이다. 그러나, 전압은 한번 이상 콘텍트에 걸쳐 적용되는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 전압은 다수의 별도의 기간 동안 콘텍트에 걸쳐 인가될 수 있다. 그러므로, 장치는 다수의 별도의 기간 동안 콘텍트에 걸쳐 전압을 인가하기 위한 제어기를 포함할 수 있다.

본 출원인은 이러한 전압의 반복된 적용이 용접을 조절하고 형성 동안 이의 질(quality)을 모니터링할 수 있는 것으로 인식하였다. 더욱 구체적으로, 콘텍트에 걸쳐 기지의 전압 또는 전압 파형을 반복적으로 인가하고 연속적인 적용에서 전류를 측정함으로써, 콘텍트의 저항의 감소를 검출할 수 있다. 저항의 감소는 용접의 개선된 전기적 및 기계적 성질을 나타낼 수 있다. 더욱이, 본 출원인은 저항이 떨어지지 않는 경우, 용접이 최적의 질에 도달되는 것을 인식하였다.

그러므로, 본 방법은 전압이 인가될 때 콘텍트를 통과하는 전류를 모니터링함을 포함하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 제어기가 전압이 인가되는 동안 콘텍트를 통과하는 전류를 모니터링하는 것이 바람직하다. 또한, 본 방법은 기지의 전압을 인가한 경우의의 전류와 전압을 재인가한 경우의 전류를 비교함을 포함하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 제어기가 기지의 전압을 인가한 경우의 전류와 전압을 재인가한 경우의 전류를 비교하는 것이 바람직하다. 따라서, 콘텍트의 저항의 변화가 모니터링될 수 있다. 이는 서로 다른 간격 동안 인가된 전압들 간에, 예를 들어 전압의 연속적인 적용 간에 비교될 수 있다. 그러나, 전압은 각각 개개의 간격 동안 증가되고 감소되며 전압이 증가하는 동안의 전류는 전압이 감소하는 동안의 전류와 비교되는 것이 바람직하다. 정확성을 개선하기 위하여, 전류는 다수의 개별적인 전압에서 비교될 수 있거나 전압-전류 관계가 비교될 수 있다.

상술한 바와 같이, 추가로 실질적인 저항의 감소가 검출되지 않는 경우, 용접이 최적화된 것으로 간주될 수 있다. 그러므로, 본 방법은 이러한 비교가 전류에서 대해 실질적인 차이가 없을 때까지 콘텍트에 걸쳐 전압을 계속 인가(예를 들어, 다른 간격 동안 전압을 인가)함을 포함하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 장치는 비교 측정기가 전류에 대해 실질적인 차이가 나타내지 않을 때까지 콘텍트에 걸쳐 전압을 계속 인가(예를 들어, 다른 간격 동안 전압을 인가)하는 제어기를 포함할 수 있다. 이는 전류의 차이가 미리 셋팅된 한계 미만, 예를 들어 1 %경우일 수 있다.

상술한 바와 같이, 다른 구조물은 통상적으로 나노 와이어를 조작하기 위한 프로브, 예를 들어 나노 프로브일 수 있다. 그러나, 다른 구조물은 다양한 다른 장치 또는 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 다른 구조물은 나노 와이어를 위한 기재일 수 있다. 대안적으로, 또다른 나노 와이어일 수 있다. 그러므로, 다른 나노 와이어를 포함하는 다양한 다른 구조물에 나노 와이어를 용접하고, 용접을 조절하여 최적화된 전기적 및 기계적 연결부를 형성하기 위한 본 발명의 능력은 많은 신규한 나노스케일 구조물을 형성시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명의 제 3의 양태에 따라, 본 발명은 상기 방법을 이용하여 생산된 나노스케일 구조물을 제공한다. 이러한 구조물은 다양한 서로 다른 형태일 수 있으나, 상기 방법을 이용하여 형성된 하나 이상의 용접을 포함함을 특징으로 한다.

다른 구조물이 이동성 프로브인 경우, 나노 와이어가 포르브에 용접되자 마자, 프로브는 와이어를 이동시키거나 와이어의 변형을 가하도록 이동될 수 있다. 용접이 조절함에 따라 기계적으로 강화되기 때문에, 비교적 큰 힘은 용접의 깨짐 없이 프로브에 의해 적용될 수 있다. 더욱이, 용접이 양호한 전기적 특징을 갖기 때문에, 비교적 큰 전류가 나노 와이어를 통과할 수 있다. 본 출원인은 나노 와이어 자체의 전기적 및 기계적 특징이 어닐링(annealing)에 의해 개선될 수 있는 것으로 인식하였다. 다시 말해서, 구조물은 프로브일 수 있으며 방법은 와이어를 따라 프로브를 경우하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열시키고 어닐링시킬 수 있음을 포함할 수 있다. 유사하게, 구조물은 프로브일 수 있으며, 제어기는 와이어를 따라 프로브를 경유하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열시키고 어닐링시킬 수 있다.

본 출원인은 이를 그 자체로 신규한 것으로 사료되며, 본 발명의 제 4의 양태에 따라, 본 발명은 프로브를 와이어에 용접시키고, 와이어를 따라 프로브를 경유하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열시키고 어닐링시킴을 포함하는, 나노 와이어를 어닐링하는 방법을 제공한다.

마찬가지로, 본 발명의 제 5의 양태에 따라, 본 발명은 프로브를 와이어에 용접하기 위한 수단 및 와이어를 따라 프로브를 경유하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열시키고 어닐링을 야기시키기 위한 제어기를 포함하는, 나노 와이어를 어닐링하기 위한 장치를 제공한다.

그러므로, 단순하게 와이어를 가열함으로써 와이어를 어닐링시킬 수 있으며 이의 전기적 및 기계적 특징을 개선시킬 수 있다. 그러나, 프로브를 이동시킴으로써 어닐링 동안 와이어를 곧게 펴거나 구부려서 와이어에 변형을 가할 수 있다. 그러므로, 본 방법은 프로브를 이동시켜 와이어에 변형을 가함을 포함하는 것이 바람직하다. 프로브는 와이어를 구부림으로써 와이어에 변형을 가할 수 있다. 대안적으로, 프로브는 와이어를 곧게 폄으로써 와이어에 변형을 가할 수 있다.

나노 와이어를 용접하고/하거나 조절하자 마자, 이를 절단하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 나노 와이어는 이를 고정되지 않도록 요망되는 것으로부터의 기재에 부착될 수 있다. 그러므로 본 방법은 와이어를 지탱하는 중간의 두 지점의 기장을 따라 한 지점에 절단 프로브를 정위시키고; 절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가시켜 기장에 따른 지점에서 와이어를 절단시킴을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

마찬가지로, 장치는 와이어를 지탱하는 중간의 두 지점의 기장을 따라 한 지점에 절단 프로브를 정위시키기 위한 조작기 및; 제어기는 절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가시켜 와이어의 기장에 따른 지점에에서 와이어를 절단시키기 위한 제어기를 추가로 포함한다.

본 출원인은 그 자체를 신규한 것으로 여기고 있으며, 그러므로 본 발명의 제 6의 양태에 따라, 본 발명은 와이어를 지탱하느 중간의 두 지점의 기장에 따라 한 지점에서 절단 프로브를 정위시키고; 절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가시켜 와이어의 기장을 따른 지점에서 와이어를 절단시킴을 포함하는, 나노 와이어를 절단하는 방법을 제공한다.

마찬가지로, 본 발명의 제 7의 양태에 따라, 본 발명은 와이어를 지탱하느 중간의 두 지점의 기장에 따라 한 지점에서 절단 프로브를 정위시키기 위한 조작기; 절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가시켜 와이어의 기장을 따른 지점에서 와이어를 절단시키기 위한 제어기를 포함하는, 나노 와이어를 절단시키기 위한 장치를 포함한다.

두개의 지점 중 하나는 와이어가 구조물에 용접되는 지점일 수 있다. 두개의 지점 중 다른 하나는 와이어가 예를 들어, 성장되는 기재와 접촉하는 지점일 수 있다. 통상적으로, 절단 프로브는 정위되어 와이어의 기장을 따른 지점에 와이어를 접촉시키고, 전위는 단지 절단 프로브 및 와이어를 지탱하는 두 지점 중 하나 사이에 인가된다. 이는 절단 프로브와 와이어가 접촉되는 지점과 두개의 지점 중 하나 사이에 와이어의 부분에만 전류를 흘르게 할 수 있다. 그러므로, 와이어의 이러한 부분은 가열되고, 나머지 부분으로부터 절단된다. 이를 달성하기 위하여, 전류는 통상적으로 비교적 높다. 예를 들어, 인가된 전위는 나노 와이어가 끊어지거나 구조적으로 손상되는 추정된 통상적인 전류를 초과하는 전류를 통과시키도록 조절될 수 있다.

대안적으로, 절단 프로브는 와이어의 기장을 따라 한 지점에 와이어에 대해 가장 근접하지만, 와이어로부터 약간 이격되도록 정위될 수 있다. 전위가 인가될 때, 이후 와이어가 와이어와 프로브 간의 전기장에 의해 와이어의 기장을 따른 지점에서 기화된다. 이러한 경우, 인가된 전위가 교류인 것이 바람직하다.

본 발명의 나노 와이어를 용접하고, 어닐링하고 절단하는 능력은 다수의 신규한 나노스케일 구조물을 형성시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명의 제 8의 양태에 따라, 본 발명은 임의의 상기 방법을 사용하여 생산된 나노스케일구조물을 제공한다.

본 발명의 방법은 소프트웨어, 예를 들어 컴퓨터 프로그램을 이용하여 적어도 부분적으로 수행될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 또다른 양태에 따라, 본 발명은 컴퓨터에 설치되는 경우, 구체적으로 상술된 방법을 수행하기에 적합한 컴퓨터 소프트웨어를 제공한다. 본 발명은 또한 이러한 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터 소프트웨어 캐리어로 연장된다. 컴퓨터 소프트웨어 캐리어는 물리적 저장 매질, 예를 들어, ㅊROM 칩, CD ROM 또는 디스크일 수 있거나, 신호, 예를 들어 와이어를 통한 전자 신호, 최적 신호 또는 예를 들어 위성 등에 대한 라디오 신호일 수 있다.

나노스케일은 1 nm 내지 1 ㎛ 로 측정되는 적어도 1 차원을 갖는 것을 의미하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 나노 와이어의 직경은 1 nm 내지 1 ㎛ 일 수 있다. 게다가, 상술된 나노 와이어는 탄소 나노튜브이며, 이들은 통상적으로 약 100 nm 이하인 직경을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명은 탄소 나노튜브로 제한되는 것은 아니다. 또한, 나노 와이어는 나노섬유, 나노 분말, 나노 입자, 나노 봉, 나노 구조물, 나노 구 및 단일 결정 나노와이어일 수 있다. 마찬가지로, 와이어는 보다 큰 마이크론 또는 밀리미터 크기일 수 있다. 이들 나노 와이어 등이 전도성인 한, 이들은 무기물 또는 유기물일 수 있다. 적절한 무기 물질의 예들로는 탄소 또는 실리콘일 수 있다. 유기 물질은 전도성 중합체 또는 단백질 계열 섬유, 예를 들어, DNA, 효소 또는 마이크로 채널을 포함할 수 있다.

탄소 나노튜브와 관련하여, 임의의 특정 방법에 의해 제조된 탄소 나노튜브, 또한 본 발명의 발명에 의해 수행될 수 있는 문헌 중에 기술된 임의의 인식된 방법에 의해 제조된 나노튜브로 제한되지 않는다. 또한 본 명세서에서 언급된 탄소 나노튜브는 단일 벽 또는 다중 벽 나노튜브일 수 있는 것으로 이해될 것이다; 즉 이들은 흑연 탄소 물질의 하나 이상의 동심층으로부터 구성될 수 있는 것으로 여겨질 수 있다. 이들은 또한 실리콘 나노와이어 또는 무기 전도성 물질로 이루어진 임의의 다른 나노/마이크로 와이어일 수 있다.

본 발명의 바람직한 구체예는 첨부된 도면을 참고로 하여, 단지 일예로서 기술된 것이다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도이며;

도 2는 도 1의 장치를 이용하여 탄소 나노튜브를 프로브에 용접하는 방법을 나타낸 개략도이며;

도 3은 용접 동안 전류 대 전압의 로그선형 그래프이며;

도 4는 도 1의 장치를 이용하여 탄소 나노튜브를 절단하는 방법을 나타낸 개략도이며;

도 5는 도 1의 장치를 이용하여 탄소 나노튜브를 또다른 탄소 나노튜브에 용접하는 방법을 나타낸 개략도이다.

바람직한 구체예의 상세한 설명

도 1과 관련하여, 장치는 샘플 홀더 (3) (또는 SEM 스테이지)를 하우징하는 조작 챔버 (2) (또는 SEM 챔버) 위에 정위된 주사전자현미경 (SEM)을 포함한다. 조작 챔버 (2)의 벽은 두개의 프로브 (4,4a)를 지지하고, 샘플 홀더 (3)는 기재 (10) 상에서 수행되거나 지지체 상에 배열된 샘플 (5), 예를 들어 탄소 나노튜브 (10a)를 지탱시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 두개 이상의 프로브 (4,4a)가 제공되며 프로브 (4,4a)는 샘플 홀더 (3) (또는 SEM 스테이지) 상에 지지된다.

이러한 구체예에서, 각각의 프로브 (4,4a)는 약 5 nm 내지 약 100 ㎛의 팁(tip) 반경을 갖는 날카로운 도구 또는 조작기를 포함한다. 다른 구체예에서, 프로브 (4,4a)는 갈고리 모양을 갖는다. 텅스텐의 전기적, 물리적 및 기계적 성질로 인해 텅스텐은 특히 적절한 프로브 (4,4a)용 물질이다. 그러나, 프로브 (4,4a)는 텅스텐 이외의 금속으로부터 제조될 수 있다. 게다가, 프로브는 임의의 전도성 물질로부터 제조될 수 있다. 대안적으로, 프로브는 나노튜브의 전기적 성질의 보다 광범위한 평가를 제공하기 위해 산화물 코팅되거나 반도체화될 수 있다.

프로브 (4,4a)는 조작 챔버 (2), 각각의 프로브 및 샘플 홀더 (3)로부터 전기적으로 절연되지만, 조작 챔버 (2)의 벽을 관통하는 외부 와이어 (6,6a)에 연결된다. 마찬가지로, 샘플 홀더 (3)는 조작 챔버 (2) 및 프로브 (4,4a)로부터 샘플 (5)이 전기적으로 절연되도록 배열되지만, 샘플 홀더를 조작 챔버 (2)의 벽을 관통하는 외부 와이어 (7)에 연결된다. 전기적 접속의 목적은 프로브 (4,4a) 및 샘플 홀더 (3)에 인가되는 전위를 제공하고; 샘플 (5)을 경유하여 프로브 (4,4a)와 샘플 홀더 (3)간에 형성된 회로를 관통되는 전류를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적을 위하여, 전원장치 (8)는 외부 와이어 (6,6a,7)에 연결된다. 전원장치 (8)는 와이어 (6,6a,7)의 임의의 조합 간에 전위를 선택적으로 인가할 수 있으며, 그 결과, 프로브 (4,4a) 및/또는 샘플 홀더 (3)의 임의의 조합 간에 전위를 선택적으로 인가할 수 있다. 그러므로, 전원장치 (8)는 전원(미표시됨)에 연결되고, 전원과 서로 다른 와이어 (6,6a,7)간의 접속을 만들기 위한 스위치를 포함한다. 전원장치 (8)는 또한 예를 들어, 샘플 (5)을 경유하여, 프로브 (4,4a) 및/또는 샘플 홀더에 의해 형성된 임의의 회로에 흐르는 전류를 다양하고 선택적으로 제한할 수 있다. 다시 말해서, 와이어 (6,6a,7)는 프로브 (4,4a)에서 프로브 (4,4a)로, 또는 프로브 (4,4a)에서 샘플 홀더 (3) 중 하나로 서로 다른 전위 및/또는 전류를 제공할 수 있다. 전원장치 (8)가 제공할 수 있는 전압은 실질적으로 약 -50V 내지 약 +50V이다. 전원장치 (8)가 제공할 수 있는 전류는 실질적으로 약 1×10^-12 A 내지 약 1 A이다.

프로브 (4,4a)는 세개의 축 (x, y, z)으로의 이동에 의해 움직일 수 있다. 유사하게는, 샘플 홀더 (3)는 세개의 축 (x, y, z)으로의 이동, 기울기 및 회전에 의해 움직일 수 있다. 다른 구체예에서, 서로 다르거나 추가적인 타입의 움직임은 프로브 (4,4a) 및 샘플 홀더 (3) 둘 모두에 대해 제공될 수 있다. 프로브 (4,4a) 및 샘플 홀더 (3)는 전체 범위가 약 10 ㎛ 내지 약 10 mm 정도의 나노미터의 정밀도로 움직일 수 있다. 이러한 구체예에서, 움직임은 압전 작동기를 사용하여 달성되지만, 다른 구체예에서, 다른 타입의 기계적 및 전기적 작동기가 사용될 수 있다.

조절 유닛 (9)은 전원장치 (8) 및 작동기를 사용하여 프로브 (4,4a)와 샘플 홀더 (3)의 움직임을 조절하도록 배열된다. 이러한 구체예에서, 제어기 (9)는 하기 기술되는 방법을 수행하기에 적합한 소프트웨어를 구동시키고 전원장치 (8) 및 작동기를 조절하기 위한 인터페이스를 갖는 컴퓨터이다. 제어기 (9)는 전원장치 (8)를 조절할 뿐만 아니라, 전원장치 (8)에 의해 발생되는 서로 다른 전위 및 전류를 모니터링할 수 있다. 유사하게는, 제어기 (9)는 프로브 (4,4a) 및 샘플 홀더 (3)의 움직임을 조절할 뿐만 아니라, SEM (1)을 조절하고, 하기에 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, SEM (1)에 의해 발생되는 이미지를 분석하고 프로브 (4,4a), 샘플 홀더 (3) 및 심지어 개개의 탄소 나노튜브 (10a)의 움직임을 모니터링하기 위한 이미지 분석 소프트웨어를 사용할 수 있다.

탄소 나노튜브 (10a)는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그러므로 샘플 (5)은 여러 서로 다른 형태 중 하나를 갖을 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 (10a)는 한 다발의 탄소 나노튜브 (10a)에 딥핑된(dipped) 팁에 부착되거나; 탄소 나노튜브 (10a)가 노출되도록 갈라진 전도성 중합체 샘플에 삽입되거나; 샘플 (5)를 생산하는 임의의 다른 방법을 사용하여 제조되어, 탄소 나노튜브 (10a)를 프로브 (4,4a)간에, 또는 프로브 (4,4a) 중 하나 또는 둘 모두와 샘플 홀더 간의 전기적 콘텍트를 생기게 할 수 있다. 게다가, 본 발명은 탄소 나노튜브 이외의 나노 와이어에 적용가능하지만, 이는 전도성이어야 하며, 기재 (10)에 부착되는 경우도, 전도성인 것이 유용하다. 그러나, 하기 구체예는 나노튜브 (10a)를 성장시킴으로부터 기재 (10)를 형성하는 촉매 입자에 부착된 탄소 나노튜브 (10a)를 포함하는 샘플 (5)에 관한 것을 기술한 것이다.

그러므로, 장치는 선택적으로 움직일 수 있으며, SEM (1) 아래의 프로브 (4,4a) 또는 프로브들 (4,4a) 및 샘플 홀더 (3)에 전압 및 전류를 인가할 수 있다. 이는 개개의 탄소 나노튜브 (10a)를 선택하거나, 이를 다른 구조물, 예를 들어 프로브 (4,4a), 기재 (5) 또는 또다른 탄소 나노튜브 (10a)에 용접하거나, 이의 기장을 따라 선택된 지점에서 절단되도록 할 수 있다. 이러한 개개의 공정은 하기에 보다 충분히 기술하고 있다.

탄소 나노튜브의 선택

도 2와 관련하여, 여러 탄소 나노튜브 (10a)가 부착된 기재 (10)를 포함하는 샘플 (5)은 샘플 홀더 (3)에 지탱된다. 프로브 (4)는 샘플 홀더 (3)에 대해 상대적으로 움직일 수 있으며, 결과적으로 탄소 나노튜브 (10a)에 대해 상대적으로 움직일 수 있다.

제어기 (9)는 먼저 기재 (10)에 대해 타겟 탄소 나노튜브 (10a) 원심의 말단의 면에 SEM (1)을 초점을 맞춘다. 이후 프로브 (4)는 탄소 나노튜브 (10a)의 말단과 동일한 면으로 이동되고 탄소 나노튜브 (10a) 쪽으로 이러한 면 (도 1에서 x, z 면)으로 옮겨진다. 이러한 대략적인 정렬이 수행되자 마자, 제어기는 기재 (10)와 함께 프로브 (4)에 실질적으로 약 1V 내지 2V의 선택 전압을 인가하도록 전원장치를 가동시키고, 나노튜브 (10a)는 바탕 전압, 예를 들어 0 V을 유지시킨다. 동시에, 제어기 (9)는 프로브 (4)와 샘플 홀더 (3) 간에, 예를 들어 임의의 나노튜브 (10a) 또는 기재 (10)를 경유하여 흐를 수 있는 전류를 선택 전류 한계 이하, 예를 들어 실질적으로 약 1 μA 이하로 제한도록 전원장치 (8)를 작동시킨다. 선택 전압의 목적은 프로브 (4)와 타겟 나노튜브 (10a)간의 정전기적 인력을 야기시키기 위한 것이다. 전류 제한의 목적은 반드시, 프로브 (4)가 임의의 나노튜브 (10a)와 접촉하도록, 전류가 예를 들어, 이를 충분히 가열시켜 증발시킴으로써 나노튜브 (10a)에 현저한 손상을 야기시키기에 불충분하도록 하기 위한 것이다.

SEM (1)의 심도는 500 nm 정도의 깊이일 수 있다. 그러므로, SEM (1)의 심도를 사용함으로써 프로브 (4) 및 타겟 탄소 나노튜브 (10a)를 서로 약 500 nm 내에 정위되도록 할 수 있다. 프로브가 타겟 탄소 나노튜브 (10a)와 동일한 심도에 놓이자 마자, 제어기 (9)는 프로브 (4)를 별도의 단계에서 나노튜브 (10a) 쪽으로 이동되도록 한다. 동시에, 제어기 (9)는 SEM (1)에 의해 생산되는 이미지를 이용하여 나노튜브 (10a)의 위치를 모니터링한다. 프로브 (4)와 타겟 나노튜브 (10a)간의 간격이 충분히 작은 경우, 정전기적 인력이 나노튜브 (10a)를 프로브 (4) 쪽으로 구부려지게할 것이다. 이는 프로브 (4)의 접근을 조심스럽게 모니터링되게 할 것이다.

나노튜브 (10a)가 프로브 (4) 쪽으로 굽어질 때, 제어기 (9)는 프로브 (4)와 샘플 홀더 (3) 사이에 흐르는 전류를 모니터링한다. 프로브 (4)가 충분히 근접하고 나노튜브 (10a)가 충분히 굽혀진 경우, 나노튜브 (10a)는 프로브 (4)와 접촉될 것이다. 콘텍트를 만들기 전에는, 실질적으로 전류가 프로브 (4)와 샘플 홀더 (3) 간에 흐르지 않는다. 그러나, 나노튜브 (10a) 및 프로브 (4)가 콘텍트를 만드는 경우, 전류는 프로브 (4)와 샘플 홀더 (3) 사이에 흐르게 된다. 제어기 (9)가 전류를 모니터링할 때, 제어기 (9)는 콘텍트가 프로브 (4)와 나노튜브 (10a) 사이에 만들어지는 정확한 순간을 인지할 수 있으며, 콘텍트가 인지될 때, 제어기는 기재 (10)에 대해 상대적으로 움직이는 프로브 (4)를 정지시킨다. 프로브 (4)에 인가된 선택 전압은 또한 인가되지 않거나 감소될 수 있다. 타겟 나노튜브 (10a)는 여기서 선택된다.

나노튜브 (10a)가 선택되자 마자, 특정 나노튜브 (10a)의 전기적 성질 (예를 들어, 반도체성 또는 금속성)은 프로브 (4)와 샘플 홀더 (3) 사이에 기지의 전압을 인가하고 흐르는 전류를 측정함으로써 결정된다. 이는 나노튜브 (10a)의 질 및 구체적인 적용에 대한 이의 유용성을 결정하는데 도움을 줄 수 있다. 나노튜브 (10a)가 적합하지 않은 경우, 콘텍트는 예를 들어, 전류를 나노튜브 (10a)가 기화되도록 상승시키거나 단지 프로브 (4)를 회수시킴으로써 끊어질 수 있으며, 대안적인 나노튜브 (10a)가 선택될 수 있다.

나노튜브를 프로브에 용접

나노튜브 (10a)가 선택되고 나노튜브 (10a)가 적절하다고 간주되면, 전류는 나노튜브 (10a), 더욱 중요하게는 프로브 (4)에 대한 이의 접속(connection)을 통과하여 나노튜브 (10a)를 가열시킬 수 있다. 이는 나노튜브 (10a)를 프로브 (4)에 용접시켜, 나노튜브 (10a)와 프로브 (4) 사이의 전기적 및 기계적 콘텍트를 개선시킨다.

더욱 구체적으로, 나노튜브 (10a)가 용접을 위해 선택되기 전에, 특정 샘플 (5)의 나노튜브 (10a)가 과열 및 증발에 의해 끊어지는 정도의 전류가 결정된다. 이러한 구체예에서, 이는 샘플 (5)의 나노튜브 (10a)를 선택하고, 콘텍트가 확립되자 마자, 콘텍트가 끊어질때 까지 나노튜브 (10a)를 통하여 흐르는 전류를 점진적으로 상승시키도록 전원장치 (8)를 작동시키는 제어기 (9)에 의해 달성된다. 콘텍트가 끊어질 때, 전류는 0으로 급격하게 떨어진다. 제어기 (9)는 전류를 모니터링하고 나노튜브 (10a)를 통하여 흐르는 최대 전류를 측정하는데, 이는 대개 나노튜브 (10a)가 끊어지거나 구조적으로 손상되기 바로 전에 이루어진다. 이는 파손 전류(failure current)로 불리운다. 공정은 대개 두개 이상의 나노튜브 (10a)에 대해 반복되고 용접 전류 한계는 통상적으로 (예를 들어, 가장 낮거나 평균의) 측정된 파손 전류 이하로 셋팅된다. 물론, 상당한 실험을 통하여 실시예 5의 특정 타입 또는 배치를 획득하자 마자, 용접 전류 한계는 신뢰성 있게 측정될 수 있으며 모든 실시예 5에 대한 신규한 제한을 셋팅하는데 필수적이지 않다.

나노튜브 (10a)가 선택될 때, 상술된 바와 같이, 콘텍트가 만들어지는 시점에 흐르는 작은 전류는 콘텍트 영역에서 나노튜브 (10a)를 가열시킨다. 더욱 구체적으로, 나노튜브 (10a)와 프로브 (4) 사이의 콘텍트가 초기에 나머지 나노튜브 (10a), 프로브 (4) 및 기재 (10)와 비교하여 전기적으로 불량하기 때문에, 예를 들어 높은 저항을 갖기 때문에, 이러한 영역은 나머지 나노튜브 (10a) 보다 높은 온도로 가열된다. 이는 콘텍트에서 나노튜브 (10a)와 프로브 (4)간에 소량의 물질의 확산을 초래한다. 그러나, 선택 동안 전류 한계가 매우 낮기 때문에, 콘텍트에서 가열 및 확산은 최소이고 전기적 접속은 불량한 채로 남아 있다.

그러므로, 나노튜브 (10a)가 선택되고 콘텍트가 만들어지자 마자, 콘텍트는 접속을 개선시키도록 용접된다. 이는 예를 들어 프로브 (4)아 샘플 홀더 (3) 사이의 콘텍트에 걸쳐 조절된 방식으로 전압을 상승시키거나 경사지게 상승(ramping)시키고, 전류를 용접 전류 한계로 증가시킴으로써 달성된다. 하나의 구체예에서, 제어기 (9)는 전원장치 (8)를 전류를 상승시키고 미리측정된 기간, 실질적으로 약 1 초 내지 100 초 동안 정류 수준에서 이를 유지하도록 작동시킨다. 전류는 나노튜브 (10a)와 프로브 (4) 사이의 콘텍트를 가열시켜 나노튜브 (10a)와 프로브 (4) 사이에 추가의 물질 확산 (예를 들어, "동반 확산")을 초래한다. 그러므로, 형성된 용접은 전기적 및 기계적 성질을 개선시킨다.

다른 구체예에서, 제어기 (9)는 전원장치 (8)를 예를 들어 프로브 (4)와 샘플 홀더 (3) 사이의 콘텍트에 걸쳐 전압을 반복적으로 인가하도록 작동시킨다. 더욱 구체적으로, 전압은 하나 이사의 개별적인 경우에 대해 짧은 시간에 걸쳐 상승되고 이후 감소된다. 전압이 상승되고 감소됨에 따라 전류를 모니터링함으로써, 전기적 접속의 질이 예를 들어 이의 저항이 낮아짐으로써 개선되는 것처럼 보인다. 다시 말해서, 전류의 흐름이 콘텍트를 개선시키는 열을 발생시키는 동안, 콘텍트를 가로지르는 저항은 전압의 인가 동안 변화한다. 그러므로, 도 3과 관련하여, 전압에 대한 전류의 플롯은 각각의 전압 인가(11a-e)에 대해 전압이 감소되는 경우 (예를 들어, 곡선 B)와 비교하여 전압이 증가(예를 들어, 곡선 A)되는 바 서로 다른 곡선을 나타낸다. 그러나, 콘텍트의 전기적 접속이 거의 개선되지 않는 경우, 저항은 현저하게 변화하지 않으며 전압이 상승할 때의 곡선은 실질적으로 전압이 감소할 때의 곡선과 동일하다 (예를 들어, 도 3의 곡선 11e 참조).

그러므로, 첫번째 단계는 전원장치 (8)를 콘텍트에 걸쳐 낮은 전압, 예를 들어, ± 1V을 인가시키도록 하고, 콘텍트에 걸쳐 임의의 전류, 예를 들어 약 수 nA가 흐르는지의 여부를 측정함으로써 콘텍트가 만들어지도록 제어기 (9)를 설정하는 것이다. 전류가 흐르는 경우, 제어기 (9)는 프로브 (4)와 나노튜브 (10a) 사이의 콘텍트가 만들어진 것으로 결정한다. 이는 콘텍트 형성이 상술된 바와 같이, 선택 동안 타겟 나노튜브 (10a)와 함께 만들어지는 것과 같은 효과적으로 동일한 단계이다. 전류가 흐르지 않는 경우, 나노튜브 (10a)를 선택하는 공정이 반복된다.

다음으로, 제어기 (9)는 전원장치를 프로브 (4)와 샘플 홀더 (3) 사이에 전압을 상승시키도록 작동시킨다. 이러한 구체예에서, 제어기 (9)는 단계에서 약 0.1 V의 전압을 상승시킨다. 전류는 각 단계에서, 예를 들어 수 ms 이상으로 유지된다. 전압이 상승하는 시간에, 전류가 측정된다.

전압이 상승되는 동안, 제어기 (9)는 전원장치 (8)를 전류를 용접 전류 한계로 제한되도록 작동시킨다. 통상적으로, 이러한 제한은 약 1μA 이하이다. 마찬가지로, 제어기 (9)는 전압을 용접 전압 한계로 제한한다. 용접 전압 한계는 통상적으로 수 볼트이다. 그러므로, 제어기 (9)는 전원장치를 용접 전류 한계가 도달되거나 용접 전압 한계가 도달될 때 전압의 상승을 멈추도록 작동시킨다. 전류 한계 또는 전압 한계가 도달될 때, 제어기 (9)는 전원장치 (8)를 단계에서 약 약 0.1 내지 0 V의 전압으로 감소되도록 작동시킨다. 다시, 전압이 감소되는 각각의 시간에 전류가 측정된다. 이러한 전압의 상승 및 감소는 안정화 주기(conditioning cycle)로서 언급된다.

각각의 안정화 주기 후 또는 동안에, 제어기 (9)는 콘텍트의 질을 결정한다. 이는 전압이 각각의 전류 측정에서 안정화 주기 동안 전압이 상승될 때의 전류 측정을 안정화 주기 동안 전압이 감소될 때의 전류 측정과 비교하는 제어기 (9)에 의해 달성된다. 하나의 선택된 전압에서의 비교는 충분하다. 그러나, 정확성을 개선시키기 위해, 여러번의 비교를 수행하거나 전압이 상승될 때의 전류-전압 곡선을 전압이 감소될 때의 전류-전압 곡선과 비교한다. 도 3에서 보는 바와 같이, 콘텍트가 불량한 경우, 상승 곡선 및 감소 곡선에서 현저한 차이가 보여지는데, 이는 예를 들어, 이력 현상이라 한다. 그러나, 콘텍트가 양호한 경우, 콘텍트의 저항은 안정화 주기에 걸쳐 개선되지 않으며 상승 및 감소 데이타 곡선에서 실질적인 차이가 없다.

그러므로, 주기의 상승 및 감소 단계 동안 각각의 (또는 동시의) 전압에서의 전류 사이에 미리 셋팅된 차이, 예를 들어 1% 이상인 경우, 제어기 (9)는 또다른 안정화 주기를 수행한다. 대안적으로, 제어기 (9)가 두개의 전류 또는 전류의 셋트 간의 미리 셋팅된 차이 미만으로 측정된 경우, 콘텍트의 전기적 접속은 양호한 것으로 측정된다. 이후 제어기 (9)는 임의의 추가 안정화 주기를 수행하지 않는다.

제어기 (9)에 의해 다른 안정화 주기를 수행시키는 것으로 결정되는 경우, 또한 종래 안정화 주기에서 전압의 상승을 멈추도록 제어기를 작동시키기 위해 전압 한계의 도달 여부 또는 또는 전류 한계의 도달 여부를 측정한다. 전압 한계에 도달한 경우, 전압 한계는 약 1V 까지 상승된다. 전류 한계에 도달한 경우, 전류 한계는 약 1 μA 까지 상승된다. 이후 다음 안정화 주기는 보다 높은 전압 또는 전류 한계를 사용하여 수행하여 보다 높은 전류가 콘텍트에 걸쳐 통과하도록 한다.

제어기 (9)는 콘텍트의 질이 거의 개선되지 않을 때까지, 예를 들어 주기의 상승 및 감소 단계 동안 각각의 (또는 동시의) 전압에서 1% 미만의 전류의 차이로 측정될 때까지 이러한 방식으로 안정화 주기를 계속 수행한다. 이는 나노튜브 (10a)와 프로브 (4) 사이의 콘텍트를 개선시키는 반면 전류 흐름이 정밀한 조절하에서 이루어지며, 과량의 전류 가열이 나노튜브 (10a)를 손상시키지 않도록 한다. 더욱이, 전압의 조절된 인가는 안정화된 용접을 빠르고 안정하게 확립되도록할 수 있다.

나노튜브의 안정화

용접을 안정화시키는데 사용되는 것과 유사한 방식으로, 개개의 나노튜브 (10a)를 안정화시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 나노튜브 (10a)가 촉매법에 의해 저온에서 성장되는 경우, 이는 종종 꼬임(curl) 및 비틀림(kink)을 함유하는 것으로 공지되었다. 본 발명을 이용하여 이들 꼬임 및 비틀림을 곧게 펴고 다른 타입의 안정화를 수행하는 것이 바람직하다.

샘플 홀더 (3)에서 기재 (10)에 연결되는 나노튜브 (10a)가 상기 방법을 이용하여 프로브 (4)에 용접되는 경우, 각각의 말단에 안정하게 유지되고 각각이 말단에 양호한 전기적 접속이 존재한다. 그러므로, 비교적 높은 전류는 손상된 프로브 (4)/나노튜브 (10a) 또는 나노튜브 (10a)/기재 (10) 콘텍트 없이 나노튜브 (10a)를 따라 통과될 수 있다. 그러므로, 프로브 (4)는 나노튜브 (10a) 상에 기계적 변형을 가하도록 샘플 홀더(3)에 대해 상대적으로 움직일 수 있다.

예를 들어, 나노튜브 (10a)가 구부러지는 경우, 프로브 (4)에 용접되자 마자, 제어기 (9)는 기재 (10)로부터 떨어지도록 프로브 (4)를 이동시킨다. 이는 나노튜브 (10a)를 곧게 펴는 것이다. 이후 제어기 (9)는 전원장치 (8)를 나노튜브 (10a)를 통하여 전류를 통과시켜 고정된 기간 동안 나노튜브 (10a)를 가열시키도록 작동시킨다. 이는 나노튜브 (10a)를 어닐링시킴으로써, 이의 구조물을 보다 더 곧게 한다. 게다가, 제어기 (9)는 나노튜브 (10a)를 통하여 전류를 통과시켜 점진적으로 프로브 (4)를 샘플 홀더 (3)로부터 떨어지게 함과 동시에 가열시킬 수 있다. 따라서, 현저한 양의 곧게 폄을 달성될 수 있다.

다른 구체예에서, 제어기 (9)는 직선의 나노튜브 (10a)에서 곡선을 유발시키도록 프로브 (4)를 이동시킨다. 이는 나노튜브 (10a)에 특정 전기적 성질, 예를 들어 양자 점을 발달시킬 수 있다.

다른 구체예에서, 제어기 (9)는 상술된 바와 같이, 용접에 대한 안정화 주기 동안과 유사한 방법으로 인가된 전압을 다양화함으로써 나노튜브를 가열한다. 다시 말해서, 제어기 (9)는 전압을 상승시키고 감소시키며, 전류를 모니터링하고 나노튜브 (10a)의 전기적 특징의 개선이 측정되지 않을 때까지 이를 반복한다. 따라서, 전체 나노튜브 (10)의 전기적 특징에서 신뢰성 있는 개선이 달성될 수 있다. 물론, 프로브 (4)는 또한 전압의 인가 전 또는 동안 이동되어 요망되는 바와 같이 나노튜브를 곧게 펴거나 구부릴 수 있다.

그러므로, 나노튜브 (10a)를 곧게 펴거나 구부림 없이 나노튜브 (10a)의 전기적 행동 또는 특징 둘모두를 개선시키거나 나노튜브 상에 변형을 가하도록 샘플 홀더 (3)에 대해 프로브 (4)를 이동시키며, 일부 범위에 대해 나노튜브 (10a)를 곧게 펴거나 구부리는 동안 전기적 행동을 개선시킬 수 있다.

나노튜브의 절단

나노튜브 (10a)를 프로브 (4)에 용접하자 마자, 나노튜브의 신장을 따르거나 기재 (10)에 부착되는 말단의 어느 지점에서 나노튜브 (10a)를 절단하도록 하는 것이 유용하다. 이를 달성하기 위하여, 제 1 프로브 (4)와 독립적으로 이동시킬 수 있는 제 2 프로브 (4a)가 사용된다.

도 4와 관련하여, 제어기 (9)는 나노튜브 (10a) 쪽으로 나노튜브 (10a)를 절단하도록 요망되는 한 지점에 제 2 프로브 (4a)를 이동시킨다. 이후 제어기 (9)는 전원장치를 작동시켜 제 2 프로브 (4a)에 선택 전압, 예를 들어 약 1V 내지 2V를 인가시키는 반면, 제 1 프로브 (4) 및 기재는 기저 전압, 예를 들어 0V를 유지시킨다. 이는 나노튜브 (10a)를 절단하도록 요망되는 지점을 규정한다. 그러므로, 선택 공정은 제 2 프로브 (4a)를 이용하여 효과적으로 반복되고 나노튜브 (10a)는 곧 제 1 프로브 (4)에 용접된다.

제 1 프로브 (4)에 용접된 일부의 나노튜브 (10a)를 유지시키도록 요망되는 경우, 콘텍트가 제 2 프로브 (4a)와 나노튜브 (10a) 사이에 확립되자 마자, 제어기 (9)는 전원장치 (8)를 제 2 프로브 (4a)와 샘플 홀더 (3) 사이에 전압을 인가하도록 작동시켜 제 2 프로브 (4a)와 기재 (10) 사이의 나노튜브 (10a)의 일부에 파손 전류를 초과하는 전류를 발생시킨다(예를 들어, 대개 수십 μA 내지 수백 μA 전류를 인가). 전류는 제 2 프로브 (4a)와 제 1 프로브 (4)사이의 나노튜브 (10a)의 일부를 통과되지 않는다. 그러므로, 제 2 프로브 (4a)와 기재 (10) 사이의 일부의 나노튜브 (10a)는 증발되어, 제 2 프로브 (4a)와 제 1 프로브 (4) 사이의 일부의 나노튜브 (10a)를 본래대로 남기고, 제 1 프로브 (4a)에 용접된다. 제 2 프로브 (4a)와 나노튜브 (10a)가 접촉되는 지점을 적절하게 선택함으로써, 나노튜브 (10a)는 이의 신장에 따른 임의의 요망되는 지점에서 절단된다. 이후 나노튜브 (10a)는 자유롭게, 예를들어 샘플 (5)의 다른 지역 또는 다른 기재 (10)로 움직일 수 있다.

다른 구체예에서, 작은 간격은 제 2 프로브 (4a)와 나노튜브 (10a) 사이에 존재할 수 있다. 이후 대안적인 전압은 제 2 프로브 (4a)와 나노튜브 (10a) 사이에 인가되어, 제 2 프로브 (4a)에 가장 근접한 작은 부분의 나노튜브 (10a)를 증발시킨다. 이는 도 4에서 보는 바와 같이, 하나는 제 1 프로브 (4)에 부착되고, 다른 하나는 기재 (10)에 부착되는 두 부분의 나노튜브 (10a)를 초래한다.

나노튜브 (10a)를 용접하고 이들을 안정화시키기 때문에, 이러한 공정은 제어기 (9)에 의해 조절될 수 있다. 가장 단순한 경우에, 프로브 (4a)는 수작업으로 정위될 수 있으며 제어기 (9)는 각각의 팁 및 기재 각각에서 흐르는 전압 및 전류를 조절하기 위해 사용된다. 대안적으로, 제어기 (9)는 SEM (1)으로부터의 이미지를 사용하여 프로브 (4,4a)를 정위시킬 수 있고, 전체 절단 공정이 자동화될 수 있다. 제어기 (9)는 절단 및 단축 공정의 속도 및 반복능력 둘모두에서 현저한 개선을 제공할 수 있다.

나노튜브를 다른 구조물에 용접

상술된 용접 공정은 나노튜브 (10a)를 프로브 (4,4a) 이외의 구조물에 용접하는데 동일하게 잘 사용될 수 있다. 예를 들어, 나노튜브 (10a)는 다른 나노튜브 (10a) (도 5 참조) 또는 다른 구조물 또는 기재 (미표시됨)에 용접될 수 있다. 대개, 나노튜브 (10a)는 용접 및 절단 공정을 이용하여 먼저 제 1 프로브 (4)에 용접되고 상기 기재 (10)로부터 절단된다. 이후, 나노튜브 (10a)는 효과적으로 프로브 (4)의 연장선이 된다. 이는 다른 튜브 (10a) 또는 기재 (10)를 접촉시키도록 이동되며, 이를 상술된 용접 공정을 이용하여 용접시킬 수 있음을 의미한다. 게다가, 나노튜브 (10a) 말단과 말단을 용접시켜 다른 나노튜브로부터 보다 긴 나노튜브를 생성시키고, 또한 나노튜브를 다른 튜브의 측면부에 용접시켜 도 5에서 보는 바와 같이, 'T' 형태의 나노튜브를 생성시킬 수 있다. 그 결과, 두개 이상의 말단을 갖는 나노튜브 장치가 생성될 수 있다. 이후 단일 나노튜브 또는 용접된 나노튜브 조합물은 상술된 방법을 다시 사용하여 다른 적절한 구조물 또는 기재에 용접될 수 있다. 다른 구조물 또는 기재가 전기적으로 전도성이고 전원 장치 (8)에 연결될 수 있음을 요구한다.

상술된 기술을 사용하여, 종래 기술된 것 보다 상당히 더욱 복잡한 탄소 나노튜브 (10a)를 기초로 하는 전자 장비를 구성할 수 있다. 유사하거나 다른 나노튜브 (10a)는 서로 매우 다양한 형태로, 다른 장치에 차례로 연결될 수 있는 적절한 기재 (10)에 용접되어 선택적이고 높은 성공률을 갖는 탄소 나노튜브 전자 장치 (및 관련 구조물)을 제조할 수 있다. 다른 유용한 구조물의 예들로는 주사 프로브 현미경 팁에 대한 높은 가로세로비 연장, 및 마이크로 전기기계 시스템 (MEMS) 장치 및 센서에서 기계적 구동기를 포함한다.

전체적으로, 상기 나노튜브 선택, 용접 및 절단 공정은 전압 및 전류 흐름의 조심스런 조절 및 샘플 홀더 (3)에 대한 프로브 (4,4a)의 이동을 기초로 한다. 제어기 (9)는 전원 장치 (8)를 사용하여 전류 및 전압을 조절하고 모니터링한다. 또한, SEM 이미지를 사용하고 구동기로부터 피드백(feedback)하여 프로브 (4,4a), 나노튜브 (10a) 및 기재 (10)의 3차원적 공간의 위치들을 설정할 수 있다. 그러므로, 공정은 요망되는 경우, 전체적으로 또는 부분적으로 자동화될 수 있다.

본 발명의 기술된 구체예는 단지 본 발명이 수행될 수 있는 방법의 예이다. 기술된 구체예에 대한 변형, 변이 및 변경은 적합한 기술 및 지식을 갖는 자들에게 일어날 것이다. 이들 변형, 변이 및 변경은 본 정신 및 청구범위 및 이의 균등물에서 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다.

Claims

나노 와이어(nanoscale wire) 및 구조물을 서로 접촉되도록 정위시키고;

콘텍트(contact)에 걸쳐 전압을 인가하여 전류를 콘텍트를 통하여 흐르게 하여 와이어를 구조물에 용접시킴을 포함하여, 나노 와이어를 구조물에 용접시키는 방법.
제 1항에 있어서, 용접하는 동안 콘텍트를 통하여 흐르는 전류를 제한함을 추가로 포함하는 방법.
제 2항에 있어서, 전류가, 나노 와이어가 끊어지거나 구조적으로 손상되는 추정된 통상적인 전류보다 낮은 전류한계치 수준으로 제한되는 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 전류한계치 수준이 약 10 μA 미만인 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 전압이 약 5V 미만인 방법.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 별도의 기간 동안 콘텍트에 걸쳐 전압을 인가함을 포함하는 방법.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 전압을 인가하는 동안 전류를 모니터링함을 포함하는 방법.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 기지의 전압을 인가한 경우의 전류를 전압을 재인가한 경우의 전류와 비교하여 콘텍트의 저항 변화를 모니터링함을 포함하는 방법.
제 8항에 있어서, 비교된 전류에서 실질적인 차이가 없을 때까지 콘텍트에 걸쳐 전압을 지속적으로 인가함을 포함하는 방법.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 구조물이 나노 프로브(nanoscale probe)인 방법.
제 1 항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 구조물이 다른 나노 와이어인 방법.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 구조물이 프로브이고, 와이어를 따라 프로브를 경유하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열시키고 어닐링을 야기시킴을 포함하는 방법.
프로브를 와이어에 용접시키고, 와이어를 따라 프로브를 경유하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열시키고, 어닐링을 야기시킴을 포함하여 나노 와이어를 어닐링하는 방법.
제 12항 또는 제 13항에 있어서, 프로브가 이동성이고, 프로브를 이동시켜 어닐링 동안 와이어에 변형을 가함을 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 와이어를 구부림으로써 와이어에 변형을 가함을 포함하는 방법.
제 14항에 있어서, 와이어를 곧게 폄으로써 와이어에 변형을 가함을 포함하는 방법.
제 1항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어를 지탱하는 와이어 중간의 두 지점의 기장을 따라 한 지점에 절단 프로브를 정위시키고;

절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가시켜 와이어의 기장에 따른 지점에서 와이어를 절단함을 포함하는 방법.
와이어를 지탱하는 와이어 중간의 두 지점의 기장을 따라 한 지점에 절단 프로브를 정위시키고;

절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가시켜 와이어의 기장에 따른 지점에서 와이어를 절단함을 포함하여, 나노 와이어를 절단하는 방법.
제 17항 또는 제 18항에 있어서, 절단 프로브가 와이어의 기장을 따라 한 지점에 와이어와 접촉되도록 정위되고, 전위가 절단 프로브와 와이어를 지탱하는 두 지점 중 하나 사이에만 인가되는 방법.
제 18항 또는 제 19항에 있어서, 인가된 전위가 나노 와이어가 끊어지거나 구조적으로 손상되는 추정 전류를 초과하는 전류를 통과시키도록 조절되는 방법.
제 18항 또는 제 19항에 있어서, 절단 프로브가, 와이어의 기장을 따라 한 지점에 와이어에 대해 가장 근접하지만, 와이어로부터 약간 이격되도록 정위되는 방법.
제 21항에 있어서, 인가된 전위가 교류되는 방법.
제 1 항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서, 나노 와이어가 탄소 나노튜브인 방법.
제 1항 내지 제 23항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 제조된 나노스케일 구조물.
제 1 항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 함께 용접된 두개 이상의 나노 와이어를 포함하는 나노스케일 구조물.
제 13항 내지 제 17항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 어닐링된 나노 와이어를 포함하는 나노스케일 구조물.
제 24항 내지 제 26항 중 어느 한 항에 있어서, 나노 와이어가 탄소 나노튜브인 나노스케일 구조물.
나노 와이어와 구조물을 서로 접촉되도록 정위시키기 위한 조작기; 및

콘텍트에 걸쳐 전압을 인가시켜 전류가 용접 동안 콘텍트를 통하여 흐르도록 하기 위한 제어기를 포함하는, 나노 와이어를 기재에 용접시키기 위한 장치.
제 28항에 있어서, 제어기가 용접 동안 콘텍트를 통하여 흐르는 전류를 제한하는 장치.
제 29항에 있어서, 제어기가 전류를 나노 와이어가 끊어지거나 구조적으로 손상되는, 추정된 통상적인 전류 보다 낮은 한계치 수준으로 제한하는 장치.
제 29항 또는 제 30항에 있어서, 전류한계치 수준이 약 10 μA 미만인 장치.
제 28항 내지 제 31항 중 어느 한 항에 있어서, 전압이 약 5V 미만인 장치.
제 28항 내지 제 32항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기가 다수의 별도의 기간 동안 전압을 인가하는 장치.
제 28항 내지 제 33항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기가 전압을 인가하는 동안 전류를 모니터링하는 장치.
제 28항 내지 제 34항 중 어느 한 항에 있어서, 제어기가 기지의 전압을 인가한 경우의 전류와 전압을 재인가한 경우의 전류를 비교하여 콘텍트의 저항 변화를 모니터링하는 장치.
제 35항에 있어서, 제어기가 비교된 전류가 실질적으로 차이가 없을 때까지 콘텍트에 걸쳐 전압을 계속 인가하는 장치.
제 28항 내지 제 36항 중 어느 한 항에 있어서, 구조물이 나노 와이어를 조작하기 위한 프로브인 장치.
제 28항 내지 제 36항 중 어느 한 항에 있어서, 구조물이 다른 나노 와이어인 장치.
제 28항 내지 제 36항 중 어느 한 항에 있어서, 구조물이 프로브이고, 제어기가 와이어를 따라 프로브를 경유하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열하고 어닐링을 야기시키는 장치.
프로브를 와이어에 용접시키기 위한 수단, 및 와이어를 따라 프로브를 경유하여 전류를 통과시켜 와이어를 충분히 가열시키고 어닐링을 야기시키기 위한 제어기를 포함하는, 나노 와이어를 어닐링하는 장치.
제 39항 또는 제 40항에 있어서, 어닐링 동안 와이어에 변형을 가하도록 프로브를 이동시키기 위한 조작기를 포함하는 장치.
제 39항 내지 제 41항 중 어느 한 항에 있어서, 조작기가 프로브를 이동시켜 와이어를 굽힘으로써 와이어에 변형을 가하는 장치.
제 39항 내지 제 41항 중 어느 한 항에 있어서, 조작기가 프로브를 이동시켜 와이어를 곧게 폄으로써 와이어에 변형을 가하는 장치.
제 28항 내지 제 43항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어를 지탱하는 와이어 중간의 두 지점의 기장을 따라 한 지점에 절단 프로브를 정위시키기 위한 조작기를 포함하며, 제어기가 와이어의 기장을 따라 한 지점에서 와이어를 절단하도록 절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가하는 장치.
와이어를 지탱하는 와이어 중간의 두 지점의 기장을 따라 한 지점에 절단 프로브를 정위시키기 위한 조작기; 및

와이어의 기장을 따라 한 지점에서 와이어를 절단하도록 절단 프로브와 와이어 사이에 전위를 인가하기 위한 제어기를 포함하는 장치.
제 44항 또는 제 45항에 있어서, 절단 프로브가 와이어의 기장을 따라 한 지점에 와이어를 접촉시키도록 정위되고, 제어기가 절단 프로브와 와이어를 지탱하는 두 지점 중 하나 사이에만 전위를 인가하는 장치.
제 46항에 있어서, 제어기가 나노 와이어가 끊어지거나 구조적으로 손상되는, 추정된 통상적인 전류를 초과하는 전류를 통과시키도록 전위를 인가시키는 장치.
제 44항 또는 제 45항에 있어서, 조작기가 와이어의 기장을 따른 지점에서 와이어와 가장 근접하지만, 와이어로부터 약간 이격되도록 프로브를 정위시키는 장치.
제 48항에 있어서, 인가된 전위가 교류되는 장치.
제 28항 내지 제 49항 중 어느 한 항에 있어서, 나노 와이어가 탄소 나노튜브인 장치.
프로세서에 의해 처리되는 경우, 제 1항 내지 제 23항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기에 적합한 컴퓨터 소프트웨어.
제 51항에 있어서, 데이타 캐리어에 의해 수행되는 컴퓨터 소프트웨어.
첨부된 임의의 도면과 관련하여 실질적으로 기술된 바와 같이, 나노 와이어를 용접하거나, 어닐링하거나, 절단하는 방법.
첨부된 임의의 도면과 관련하여 실질적으로 기술된 바와 같이, 나노 와이어를 용접하거나, 어닐링하거나, 절단하기 위한 장치.