伸长的纳米结构及其相关装置制造方法及图纸

在制备伸长的碳化物纳米结构的方法中，施加多个空间上分离的催化剂颗粒到底物上；在预先选择的温度下将空间上分离的催化剂颗粒和至少一部分底物暴露于含金属的蒸气并且维持足够长的时间，使得无机纳米结构在底物和至少一部分催化剂颗粒之间形成；以及在预先选择的温度下将无机纳米结构暴露于含碳的蒸气源并且维持足够长的时间，使得无机纳米结构渗碳。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】关于政府权利的说明本专利技术是利用根据商业部的国家标准和技术研究所(the NationalInstitute of Standards and Technology，Department of Commerce)授予的合同号70NANB2H3030的政府支持而做出的，因此美国政府享有本专利技术的某些权利。背景本专利技术的领域本专利技术涉及纳米尺寸的结构，特别是伸长的纳米结构。现有技术的描述场致发射装置(门控或非门控的)可用于X-射线成像、医疗成像系统、显示器、电子器件、微波放大器、荧光灯阴极、气体放电管以及许多其它的电学系统，场致发射装置的其它应用包括传感器、光子带隙装置和宽带隙半导体装置。碳纳米管目前作为电子发射源例如用在平板场致发射显示器(″FED″)的应用、微波功能放大器应用、晶体管应用和电子束石印术应用中被研究。碳纳米管一般通过电弧放电方法、化学蒸气沉积(CVD)方法或激光消融方法被合成，碳纳米管具有高长宽比的优点，这提高了场致增强因子，因此能够在相对低的电场中输出电子，但是碳纳米管显示了相当高的功函，并且在一般的操作条件下易被损坏，限制了装置的寿命和效率，因此需要一种更耐用的、具有比碳更低的功函，但是具有圆柱形的几何形状和在10-100nm范围的直径的材料。碳化物材料由于其化学稳定性、机械硬度和强度、高的导电性以及相对低的功能而可能是优选的，这些特征使它们特别适于存在于CT系统中的环境，这种材料在超导纳米装置、光学参量振荡器电子(opoelectronic)纳米装置和其它类似的系统中也是很重要的。目前对于合成碳化物纳米棒(nanorods)的大量研究是使用碳纳米管(CNT)作为样板，在样板上以蒸气形式进行CNT和金属、金属氧化物或金属碘化物之间的反应，产生金属碳化物纳米棒，但是推测由于与这种方法有关的许多危险，包括大的体积变化(对于转化为Mo2C的CNTs，为约60％)、转化后粘结于底物以及维持对准的能力，至今还没有证明在装置结构中这种CNT的转化。因此需要一种不需要碳纳米管作为碳化物纳米棒转化的样板的系统。也需要一种在门控控结构(gated structure)中就地直接生长伸长的碳化物纳米结构的系统。还需要一种制造方法，这种方法允许与门控装置结构的无缝整合，并且能够控制纳米棒的横向密度，以便不发生电场屏蔽。专利技术的概述本专利技术克服了现有技术的缺点，一方面提供了制备伸长的碳化物纳米结构的方法，即将大量空间上分离的催化剂颗粒用于底物，并且在预先选择的温度下使空间上分离的催化剂颗粒和至少一部分底物暴露于含金属的蒸气并且维持足够长的时间，使得无机纳米结构在底物和至少一个催化剂颗粒之间形成；以及在预先选择的温度下将无机纳米结构暴露于含碳蒸气源并且维持足够长的时间，使得无机纳米结构渗碳。另一方面，本专利技术提供制备场致发射装置的方法，该方法将介质层施加于底物，将导电层施加于底物对面的介质层上，在导电层和介质层中至少形成一个空腔，由此暴露底物，在空腔中生长至少一个纳米棒。另一方面，本专利技术提供场致发射装置，该装置包括具有顶面和反面的底面的底物，介质层被布置在顶面上，导电层被布置在介质层底物对面的顶面上，该导电层和介质层限定了向下延伸到底物的空腔，至少一个纳米棒被固定在底物上，并且基本上被布置在空腔内。另一方面，本专利技术提供了包括具有顶面和底面的无机底物的纳米结构，导电的缓冲层被布置成与顶面相邻，许多伸长的渗碳金属纳米结构从导电的缓冲层向外延伸。另一方面，本专利技术提供了包括底物的场致发射装置，该底物具有顶面和反面的底面，介质层被布置在顶面上，导电层被布置在与底物相对的介质层的顶面上，该导电层和介质层限定了向下延伸到底物的空腔，具有顶表面的导电平台被布置在空腔内的底物的顶面上，至少一个纳米棒从导电平台的顶表面向上延伸，并且基本上被布置在空腔内。另一方面，本专利技术提供了包括多晶纳米棒的结构，该多晶纳米棒由选自以下的材料制成碳化钼、硅化钼、氧碳化钼和碳化铌。本专利技术的上述方面和其它方面将从优选的实施方案的说明中结合以下附图而变为显而易见的，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离公开的新的概念的精神和范围内，可以对本专利技术进行许多变化和改进。附图的简要说明附图说明图1A是侧视图，表示在本专利技术的一个实施方案中使用的结构生长步骤。图1B是侧视图，表示图1A所示步骤之后的渗碳步骤。图1C是侧视图，表示图1B所示步骤之后的蚀刻步骤。图1D是侧视图，表示图1C所示步骤之后形成的渗碳纳米结构。图2A是侧视图，表示本专利技术第二个实施方案中采用的结构生长步骤。图2B是侧视图，表示图2A所示步骤之后的渗碳步骤。图2C是侧视图，表示图2B所示步骤之后的蚀刻步骤。图2D是侧视图，表示图2C所示步骤之后的渗碳纳米结构。图3A是侧视图，表示制备场致发射体的步骤。图3B是侧视图，表示图3A所示步骤之后按照本专利技术的一个实施方案制备场致发射体的步骤。图3C是侧视图，表示图3B所示步骤之后按照本专利技术的一个实施方案制备场致发射体的步骤。图3D是侧视图，表示图3C所示步骤之后按照本专利技术的一个实施方案制备场致发射体的步骤。图3E是侧视图，表示图3D所示步骤之后按照本专利技术的一个实施方案制备场致发射体的步骤。图4A是侧视图，表示制备场致发射体的另一实施方案。图4B是侧视图，表示图4A所示步骤之后的步骤。图4C是侧视图，表示图4B所示步骤之后的步骤。图4D是侧视图，表示图4C所示步骤之后的步骤。图4E是侧视图，表示图4D所示步骤之后的步骤。图5A是按照本专利技术一个实施方案的纳米棒的显微影像。图5B是按照本专利技术一个实施方案的纳米带状物的显微照片。图5C是按照本专利技术一个实施方案的多晶纳米棒的显微照片。专利技术的详细说明以下对本专利技术的优选实施方案进行详细说明，参照附图，在图中同样的数字是指同样的部件，如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，除了本文清楚指出另外的含意以外，以下术语明确地指出相关的含意″一″、″一个″和″该″包括复数的含意，″在…之内″的含意包括″在…之内″和″在…之上″，除了另有说明，附图没有必要按照尺寸画出。另外，如本文使用的″纳米棒″是指伸长的棒状结构，具有最窄的尺寸小于800纳米(nm)的直径。按照本专利技术的一个实施方案，在制备伸长的纳米结构方法的一个实施方案中(如图lA-1D)，多个催化剂颗粒112被沉积在无机底物110上，底物110可以由以下几种材料之一制备，例如氧化物、金属或元素半导体。在某些实施方案中，无机单晶物质是优选的，而在其它实施方案中，多晶材料或无定形玻璃是优选的，合适的底物材料的某些特定的实例包括硅、蓝宝石和碳化硅物。催化剂颗粒112可以包括金、镍或钴，并且可以采用几种方法之一沉积，在将催化剂颗粒112施加到底物110上的一个方法中，将催化剂的薄膜施加在底物110上，然后加热到足够使催化剂进入液相的温度，由此使催化剂聚集以便形成空间上分离的颗粒112，薄膜的厚度一般在3nm和10nm之间，并且能够通过如电子束蒸发或溅射的方法被施加在底物110上。在另一其中催化剂颗粒112可以被施加在底物110上的方法的实例中，催化剂颗粒112被沉积在多孔样板(如阳极化的氧化铝或二氧化硅)上而引发生长，可以将催化剂的图形薄膜沉积在底物110上，以便控制催化剂颗本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备伸长的碳化物纳米结构的方法，包括以下步骤：ａ．施加多个空间上分离的催化剂颗粒到底物上；ｂ．在预先选择的温度下将空间上分离的催化剂颗粒和至少一部分底物暴露于含金属的蒸气中并且维持足够长的时间，使得包括金属的无机纳米结构在底物和至少一部分催化剂颗粒之间形成；和ｃ．在预先选择的温度下将无机纳米结构暴露于含碳的蒸气源并且维持足够长的时间，使得无机纳米结构渗碳，由此产生伸长的碳化物纳米结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-11-25 10/722,7001.制备伸长的碳化物纳米结构的方法，包括以下步骤a.施加多个空间上分离的催化剂颗粒到底物上；b.在预先选择的温度下将空间上分离的催化剂颗粒和至少一部分底物暴露于含金属的蒸气中并且维持足够长的时间，使得包括金属的无机纳米结构在底物和至少一部分催化剂颗粒之间形成；和c.在预先选择的温度下将无机纳米结构暴露于含碳的蒸气源并且维持足够长的时间，使得无机纳米结构渗碳，由此产生伸长的碳化物纳米结构。2.权利要求1的方法，还包括从伸长的碳化物纳米结构中除去多个催化剂颗粒的步骤。3.权利要求2的方法，其中所述的除去步骤使用蚀刻方法。4.权利要求1的方法，其中无机底物包括选自以下的材料氧化物、金属或元素半导体以及它们的组合。5.权利要求1的方法，其中所述的含碳蒸气源选自以下的气体甲烷、乙烯、乙烷、丙烷和异丙烯以及它们的组合。6.权利要求1的方法，其中无机纳米结构在暴露于含碳蒸气源的同时也暴露于氢气。7.权利要求1的方法，其中施加多个空间上分离的催化剂颗粒的步骤包括以下步骤a.将催化剂的薄膜施加到底物上；和b.加热薄膜到足够使催化剂进入到液相的温度，从而使催化剂聚集形成空间上分离的颗粒。8.权利要求7的方法，其中薄膜的厚度在3nm和10nm之间。9.权利要求7的方法，其中所述的薄膜是通过电子束蒸发被施加到底物上的。10.权利要求7的方法，其中所述的薄膜是通过溅射被施加到底物上的。11.权利要求1的方法，还包括在渗碳过程中通入还原气体的步骤。12.权利要求11的方法，其中还原气体包括氢气。13.权利要求1的方法，其中施加多个空间上分离的催化剂颗粒的步骤包括在多孔样板上沉积催化剂颗粒的步骤。14.权利要求13的方法，其中多孔样板包括阳极化的氧化铝。15.权利要求13的方法，其中多孔样板包括二氧化硅。16.权利要求1的方法，其中施加多个空间上分离的催化剂颗粒的步骤包括a.在有机溶剂中悬浮多个催化剂的纳米颗粒；b.将该纳米颗粒和溶剂施加到底物上；和c.使用旋转涂覆机分散纳米颗粒。17.权利要求16的方法，还包括将表面活性剂加到有机溶剂和纳米颗粒中，以便抑制纳米颗粒的聚集。18.权利要求16的方法，其中所述的溶剂包括乙醇。19.权利要求16的方法，其中所述的溶剂包括丙酮。20.权利要求1的方法，其中催化剂选自金、镍、铁、钴或镓或它们的组合。21.权利要求1的方法，还包括在将多个空间上分离的催化剂颗粒施加到底物之前，将导电缓冲层施加到底物上的步骤，其中缓冲层作为扩散阻挡层。22.权利要求21的方法，其中所述的缓冲层选自以下材料碳化锗钨、碳化硅或钛钨以及它们的组合。23.权利要求21的方法，其中施加导电缓冲层的步骤使用外延方法。24.权利要求1的方法，还包括当暴露于含金属的蒸气时将电场施加到空间上分离的催化剂颗粒和至少一部分底物上的步骤，由此影响无机纳米结构生长的方向。25.制备场致发射装置的方法，包括以下步骤a.将介质层施加到底物上；b.将导电层施加到底物对面的介质层上；c.在导电层和介质层中形成至少一个空腔，由此暴露底物；和d.在空腔内生长至少一个纳米棒。26.权利要求25的方法，其中生长至少一个纳米棒的步骤包括a.在空腔内施加至少一个催化剂颗粒；b.在预先选择的温度下将催化剂颗粒和至少一部分底物暴露于金属蒸气和氧化气体并且维持足够长的时间，使得氧化物包括金属氧化物的...

【专利技术属性】
技术研发人员：L查卡拉科斯，JU李，WH胡伯，RR科尔德曼，V马尼，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]