[发明专利]碳纳米管的气相官能化

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年2月7日提交的美国临时申请第60/766,000号的优先权，其全文通过引用结合到本文中。

关于联邦资助的研究的声明

本发明是在政府支持下在NSF授予的合同第CTS-0236584号下完成的。政府对本发明具有一定的权利。

发明背景

本发明涉及碳纳米管，更详细地讲涉及在碳纳米管表面上形成材料层的技术。

碳纳米管日益用于各种纳米体系和纳米器件中。独特的电子结构、优越的弹性性质和极高的纵横比，碳纳米管的所有特征解决了纳米体系和纳米器件当前所关注的许多考虑问题。在微细加工这类基于碳纳米管的体系和器件的过程中，可能需要或要求在纳米管表面上沉积一个或多个材料层。同轴涂覆碳纳米管，使得纳米管的纵向同轴表面基本完全由一个或多个涂层所围绕，这对于例如提供同轴对称的纳米管结构和材料性质可尤其合乎需要。周遭栅极晶体管及其他器件构造尤其依赖这类同轴涂层配置。此外，经常用于感测应用的基于悬置碳纳米管的器件的几何结构一般优选用同轴涂覆的纳米管实现。

纳米管壁构造、电子结构和表面性质都可影响所选材料在纳米管表面上沉积的能力。例如，多壁碳纳米管(MWNT)的均匀保形涂层可在一些条件下通过有原子层沉积(ALD)得到。ALD允许多种材料在相对低的加工温度下以优良的厚度精确性和高组成均匀性沉积，因此它对于许多应用为具有吸引力的沉积技术。通过使这种高度沉积精确性实现，ALD充分解决了碳纳米管纳米级几何结构并克服了CVD沉积技术的缺点。但是对于许多应用来说，应理解的是MWNT可通过ALD方法涂覆，只是因为MWNT的特点在于在纳米管表面上存在可充当ALD前体的成核点的缺陷。因此不能保证MWNT ALD涂层为可再生成或均匀的。单壁碳纳米管(SWNT)的特点在于具有比MWNT更加理想且无缺陷的表面结构。发现SWNT在化学上对ALD前体分子具有惰性。因此，通过ALD涂覆到SWNT上的连续ALD涂层通常不可按照惯例对于任何工艺条件来实现。

发现存在所选涂覆材料或涂覆方法的其他类似情形与选择的纳米管壁结构或其他构造不相容。例如，化学气相沉积方法(CVD)通常不能保证得到均匀的纳米管同轴涂层，且可需要等离子体或如此高以至于影响纳米管的电学或机械性质的沉积温度。对于许多工艺条件来说，SWNT在小于约400℃的CVD温度下在化学上对CVD前体具有惰性。尽管物理沉积方法(PVD)如溅镀或蒸发有时可直接沉积金属或其他材料到SWNT上，但是这类沉积并不保形且不均匀围绕管，这是由于例如所述方法的定向性质所致。纳米管上的“保形”涂层在此是指在每个方向上都以均匀厚度完全围绕纳米管包裹的涂层。因此难以可靠且良好地制成围绕纳米管的保形材料层。

对于许多应用来说，需要在电子器件如同轴栅极纳米管晶体管的形成中用绝热金属材料均匀且保形地涂覆纳米管。但是，一般来说，可能难以用所选材料均匀且保形地涂覆纳米管，尤其是SWNT。如上文所说明，SWNT对ALD前体具有惰性，因此不能通过ALD方法涂覆。CVD和PVD技术都不可靠地在纳米管上生成薄、均匀且保形的层。已知液体化学沉积方法能够用低κ电介质SiO₂涂覆SWNT，但是不能使高κ材料沉积在纳米管上。

已经建议，为了克服这个困难，可首先使纳米管表面官能化以使表面对沉积前体分子敏感，由此使得能够通过所选技术如ALD沉积。例如，可使用基于液体的技术通过共价化学键结官能化层到SWNT表面而使SWNT表面官能化。所得层提供共价键结纳米管纵向侧壁上的官能团，所述官能团可与沉积前体如ALD前体分子反应。

虽然这种技术确实能够在共价官能化的SWNT表面上沉积均匀的ALD薄膜，但是基于液体的方法程序冗长且对于大规模制造情形会不实用。此外，化学键结方法的共价性质通常可改变纳米管的混杂状态，破坏纳米管的光电子和/或其他性质。可需要官能化后热处理或其他方法来恢复这种官能化纳米管的初始混杂状态。因此，迄今为止利用共价官能化作为使所选材料、尤其是绝缘材料能够均匀沉积在纳米管上的方法并不实用。

发明概述

本发明通过提供官能化方法克服了共价键结、基于液体的纳米管表面官能化技术的缺点，所述官能化方法借助于蒸气处理仅需要弱的物理键结(如非共价键结)碳纳米管以在纳米管上生成官能化层。