[发明专利]富勒烯掺杂的纳米结构及其方法

说明书

相关专利文件

根据35U.S.C.§119，本专利文件要求2010年1月25日提交的题为“富勒烯掺杂纳米结构”的美国临时专利申请序列第61/298,043号的优先权；该临时专利申请通过引用完全结合入本文。

联邦资助研究与开发

本发明是在国家地理空间情报局（National Geospatial-Intelligence Agency）授予的合同号HM1582-07-1-2009，以及国家科学基金会(National Science Foundation)授予的0213618的政府资助下完成的。美国政府享有本发明的一定权利。

技术领域

本发明一般地涉及纳米结构，更具体地，涉及掺杂纳米结构及其方法。

背景技术

纳米结构，例如碳纳米管（CNT）以及基于石墨烯的材料，在多种不同应用中的使用越来越多。例如，一些基于CNT的应用涉及用于安全、化学以及生物应用的电子电路、生物功能化装置、晶体管、显示器、触摸屏、OLED、电子书、太阳能电池以及传感器。在许多的所述应用中，所希望的是薄的高导电材料。

在许多的所述应用中，在许多条件下，特别是在大量生产条件下，制备具有一致特性的纳米管是困难的。例如，纳米管通常具有不同的外形或者手性以及不同的导电性和电子特性（例如，纳米管制造会产生半导体以及金属纳米管）。

鉴于上述问题，操作或者以其他方式改性诸如纳米管和石墨烯的纳米结构以适合具体的应用。例如，使用诸如碘、氯化银和亚硫酰氯的掺杂剂掺杂碳纳米管，可以提升CNT的导电性。然而，所述掺杂剂对于大规模制造和真实世界的应用可能具有挑战性。例如，某些掺杂剂涉及或者需要使用不合乎希望（例如，有毒）的气体或者难以使用，且许多掺杂剂不能用于形成长时间稳定的掺杂结构。某些掺杂剂会随时间降解碳纳米管和其他有机材料，阻碍了封装并使得掺杂结构不适用于许多应用。此外，许多掺杂或者以其他方式改性碳纳米管的方法涉及不合乎希望和/或昂贵的制备过程，如那些涉及高热或者冗长生产的方法。

这些以及其他问题对于各种用于或者受益于纳米结构的方法、装置和系统仍具有挑战性。

发明内容

本发明的各个方面针对涉及纳米结构的装置、方法和系统，所述纳米结构的装置、方法和系统解决了包括上述所讨论的那些问题在内的难题。

根据一个示例性的实施方式，用基于富勒烯的材料掺杂纳米结构。所述基于富勒烯的材料，如卤化富勒烯（例如，氟化富勒烯），应用于纳米结构和成核。成核的基于富勒烯的材料用来自成核的基于富勒烯的材料的掺杂剂掺杂纳米结构。

另一个示例性实施方式涉及如下掺杂纳米结构的方法。将基于富勒烯的材料施加于纳米结构的外表面。此基于富勒烯的材料具有低于费米能级和/或纳米结构导带能带的费米能级，用于在纳米结构上生长出基于富勒烯的掺杂剂材料。所述纳米结构的表面用来自基于富勒烯的掺杂剂材料的掺杂剂掺杂，以形成包含部分纳米结构以及掺杂剂的混合材料。所述混合材料展现出比用基于富勒烯的掺杂剂材料掺杂之前的纳米结构大的导电性。

另一个示例性实施方式涉及用于掺杂诸如单纳米丝和/或部分电路的碳基纳米丝的方法。将包含选自C₆₀F₁₈、C₆₀F₂₄、C₆₀F₃₆、C₆₀F₄₈、C₆₀F₄₄以及C₇₀F₅₄的材料的基于富勒烯的材料施加于碳基纳米丝。使（氟化的）基于富勒烯的材料成核以在碳基纳米丝电路上形成成核的基于富勒烯的材料，并用（氟化的）富勒烯掺杂所述碳基纳米丝电路。

另一个示例性实施方式涉及具有半导体碳基纳米材料和导电混合材料的碳基纳米丝，导电混合材料包含卤化（例如，氟化）富勒烯掺杂剂以及碳基纳米材料。相对于碳基纳米材料的导电性，所述混合材料展现出增强了半导体碳基纳米丝的导电性。

以上概述并不是用来描述本发明的各个实施方式或者每个实现形式。以下附图和详述更具体地举例说明了各种实施方式。

附图简要说明

通过下面结合附图对本发明的各种实施方式所作的详细说明，可以更全面地理解本发明的内容，其中。

根据本发明的一个示例性实施方式，图1显示了掺杂过程中各个阶段的纳米结构；

根据本发明的各个示例性实施方式，图2显示了掺杂碳纳米管的能级；以及