化学反应器模板:牺牲层的制备和模板的应用制造技术

本发明专利技术涉及含有平行于模板主轴的沟状空隙的化学反应器模板。沟状空隙的横截面积可以是微米级的，也可以是纳米级的。化学反应器模板可用来生产微米级和纳米级细丝和颗粒。本发明专利技术的化学反应器模板至少具有两个基本上平行于所述模板主轴的相交沟状空隙。本发明专利技术还涉及利用牺牲层制备化学反应器模板的方法。本发明专利技术的化学反应器模板可制成具有多个沟状结构阵列，以及垂直元件，为沟状空隙与模板中形成的材料之间的接触提供通路。本发明专利技术涉及用化学反应器模板制备细丝和颗粒的方法。细丝或颗粒在沟状空隙中形成，然后挤出化学反应器模板。用化学反应器模板可以制备许多器件，在模板的基底上的第一和第二材料体系之间至少具有一个接触区。本发明专利技术另一方面提供了用本发明专利技术的化学反应器模板制备的细丝。相应地，本发明专利技术涉及具有纳米或微米级截面的定向细丝，它在具有纳米级截面的沟道中制备。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含有平行于模板主轴的沟状空隙的化学反应器模板。沟状空隙的横截面积可以是微米级的，也可以是纳米级的。此化学反应器模板可用来生产具有广泛用途的微米级和纳米级细丝和颗粒。
技术介绍
具有微米级或纳米级截面积的颗粒和细丝有着许多潜在的技术用途，其中许多用途利用了它们因具有纳米级尺寸而显示出来的新颖基本化学和物理性质。例如，可参见“纳米电子学”(Nanoscale Electronics)，化学与工程新闻(Chemical & Engineering News)，2002年9月30日，p.38。举例来说，从纳米丝(如Mn 12)的磁性就可以看到这种新颖的基本化学和物理性质，这种磁性与块体材料的磁性有很大不同。细丝的机械性质、铁电性质、传感能力和导电性等性质也是同样的情况。例如，在理论上可以预计聚乙炔细丝的固有室温导电性比铜还要高。而聚乙炔块体材料则不具有这种性质，因为它里面的缺陷浓度比较高(S.Kilverson，A.J.Heeger，“导体聚合物的固有导电性”(Intrinsic Conductivity of Conducting Polymers)，Synth.Met.22，371，1988；L.Pietronero，“碳聚合物和嵌入化合物的理想导电性”(IdealConductivity of Carbon Polymers and Intercalation Compounds)，Synth.Met.8，225，1983)，但细丝却能获得这种性质，它可由少数定向分子形成，甚至只由一个分子形成。纳米丝结构的例子有纳米导电线或丝如聚乙炔，半导体纳米线或碳纳米管(CNT)，这种结构在电子学和光电子学的进步中起着重要作用。它们在生产微米级和纳米级分子电子器件或纳米电子器件，以及这些器件的连接器方面具有诱人的应用前景。通过建立具有适当掺杂结构的定向纳米线，本专利技术细丝可用作p-n结二极管或场效应晶体管(FET)。这种细丝经过适当排布，也可用来建立高密度的三维线路。虽然纳米线具有这样一些重要的应用前景，而且纳米导线的制备技术也取得了一些进展，但纳米线在应用方面的进展明显放慢，因为制备后的操纵上存在一些问题。使用纳米丝如纳米线时，大都需要操纵单根纳米丝，以便进行定位和定向。这种必需的操作不利于获得低成本、高产出的生产技术。例如，利用磁性生产细丝的方法一般不能直接得到定向丝；对若干细丝进行定向需要另外的步骤。导电丝同样如此。要了解这一点，只需注意到导电聚合物纳米线的许多制造方法，都使用膜模板来形成纳米线的直径，纳米线是将模板溶解于合适的溶液中获得的(Charles R.Martin，“基于膜的纳米材料制造法”(Membrane-based Synthesis of Nanomaterials)，Chem.Mater.8(8)，1996)。在此情况下，要使纳米线定向排列，并将其置于特定位置，组装成电子器件、磁性器件、传感器件等，是比较困难的。研究人员已经尝试了各种组装技术，如基于电场或分子自组装的技术。在细丝的例子中，碳纳米管(CNT)一般也有这种问题。它们常常通过化学气相沉积、激光烧蚀、微波和碳弧技术形成，但需要另外对CNT进行定位(Iver Schmidt，“中孔沸石单晶的碳纳米管模板生长”(Carbon NanotubeTemplated Growth of Mesoporous Zeolite Single Crystals)，Chem.Mater.13(12)，2001；Y.C.Sui，“在阳极氧化铝模板中通过CVD法制造的多支碳纳米管的结构、热稳定性和形变”(Structure，Thermal Stability andDeformation of Multi-branched Carbon Nanotubes Sythesized by CVD inAnodic Aluminum Oxide Template)，J.Phys.Chem.B.105(8)，2001；TakashiKyotani，“在阳极氧化铝膜的纳米通道中制备超细碳管”(Preparation ofUltra-fine Carbon Tubes in Nanochannels of an Anodic Aluminum OxideFilm)，Chem.Mater，8(8)，1996)。认识到微米级和纳米级应用上的进展由于后制备操纵问题而放慢，本专利技术的应对方法是采用具有沟状结构的化学反应器模板，所述沟状结构具有微米级和纳米级截面尺寸。本专利技术涉及制造和使用这种化学反应器模板，并用它生产微米级和纳米级的细丝和颗粒。附图简介附图说明图1所示为生产材料丝的化学反应器模板示意图。如图所示，细丝是连续取出并异位使用的。图2所示为生产材料丝的化学反应器模板示意图。如图所示，细丝是原位使用的。在此情况下，化学反应器模板在排列上能给出按一定方式排布并内含电接触的器件，如化学敏感丝。图3所示为本专利技术将多空隙或无空隙牺牲层用来生产化学反应模板的一般方案。图4所示为高表面积-体积比的柱状空隙网状硅。图5所示为用作高表面积-体积的牺牲材料的定位珠。图6所示为用无空隙牺牲层制备的实际纳米沟模板的FESEM图。FESEM图示出了5个20nm宽、20nm高的纳米丝模板，它们彼此间隔200nm。图7所示为各含5根形成的型丝的2组模板的FESEM图。这些丝均高20nm。左边这组丝均宽170nm，右边这组丝均宽120nm。所有的丝均间隔200nm。两组间隔10μm。图8所示为在制备本专利技术化学反应模板的过程中采用SAM作为无空隙牺牲层的一般方案。从图可以看出自组装单分子层(SAM)是如何用来形成沟状结构的。这些分子覆盖在表面上，分子上沉积一层膜，然后清除掉SAM。图9所示为通过制备和利用本专利技术的化学反应器模板精确控制聚合物纳米线的形成一般方法的一个实例。图10(a)-(c)是在形成催化区的一个具体情况中制备和利用化学反应器模板的实例。这里，在消除牺牲金属(a)之前或(b)之后，或者(c)沉积牺牲金属之前，通过沉积方法将Ti定位在某些特定区域，然后通过湿法蚀刻做成图案。形成模板后，Ti通过化学反应转化为TiClx，然后通过与Al(C2H5)3气体反应，接着在乙炔气体中聚合而活化为催化剂。图11所示为化学反应器模板和引导结构在模板内部的应用。图12所示为生产定向聚乙炔线的化学反应器模板示意图。图13所示为用纳米沟道化学反应器模板制备空心碳管的化学反应器模板示意图。图14所示为在化学反应器模板的纳米沟道中通过自由基阳离子聚合反应制备线列聚合物纤维的化学反应器模板示意图。图15所示为用化学反应器模板使氧化硅沟道功能化，制成复合聚合物同心束。图16所示为在化学反应器模板中，在电化学辅助下挤出聚合物的示意图。图17所示为用化学反应器模板原位制备纳米导线电阻器。图18所示为用化学反应器模板原位制备纳米导线二极管。图19(a)和(b)所示为用化学反应器模板原位制备的半导体纳米线，分别用作晶体管的(a)一面单纳米线共面栅极和(b)两面双平行纳米线共面栅极。图20所示为用化学反应器模板原位制备的包含垂直栅极的半导体纳米线晶体管。图21所示为用化学反应器模板异本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学反应器模板，它至少具有两个基本上平行于所述模板主轴的相交沟状空隙。

【技术特征摘要】
US 2001-12-12 60/339,689;US 2002-1-23 60/352,432;U1.一种化学反应器模板，它至少具有两个基本上平行于所述模板主轴的相交沟状空隙。2.权利要求1所述化学反应器模板，其特征在于沟状空隙是微米级空隙、纳米级空隙或它们的组合。3.权利要求2所述化学反应器模板，其特征在于至少两个沟状空隙相交形成T形、Y形、X形或+形相交点。4.权利要求3所述化学反应器模板，其特征在于沟状空隙形成+形相交点，其中至少一个沟状空隙是微米级空隙，至少一个沟状空隙是纳米级空隙。5.权利要求4所述化学反应器模板，其特征在于微米级沟状空隙与纳米级沟状空隙相对。6.权利要求5所述化学反应器模板，其特征在于微米级沟状空隙包含一个可除去的部件，在相交处构成一个止回阀。7.权利要求6所述化学反应器模板，其特征在于可除去的部件是球形、棒形、棱锥形、三角形或圆锥形的。8.权利要求6所述化学反应器模板，其特征在于可除去的部件包含用于化学反应的催化剂材料。9.权利要求3所述化学反应器模板，其特征在于相交形成了化学反应区。10.权利要求9所述化学反应器模板，其特征在于催化剂存在于相交部位。11.一种化学反应器模板，它至少具有一个基本上平行于所述模板主轴的纳米级沟状空隙。12.权利要求11所述化学反应器模板，其特征在于它至少具有两个基本上平行于所述模板主轴的纳米级相交沟状空隙。13.权利要求12所述化学反应器模板，其特征在于至少两个沟状空隙相交形成T形、Y形、X形或+形相交点。14.一种化学反应器模板，它至少具有一个基本上平行于所述模板主轴的微米级沟状空隙。15.权利要求14所述化学反应器模板，其特征在于它至少具有两个基本上平行于所述模板主轴的微米级相交沟状空隙。16.权利要求15所述化学反应器模板，其特征在于至少两个沟状空隙相交形成T形、Y形、X形或+形相交点。17.权利要求1、11或14所述化学反应器模板，其特征在于至少一个沟道的至少一部分沟道中包含珠子。18.权利要求17所述化学反应器模板，其特征在于所述珠子在沟道内形成珠床反应器。19.制备化学反应器模板的方法，它包含如下步骤在基底上以预定图案施涂一个牺牲层；施涂一个覆盖层，从而使牺牲层位于覆盖层和所述基底之间，形成化学反应器模板；除去牺牲层，在化学反应器模板内产生沟状空隙，该沟状空隙基本上平行于基底。20.权利要求19所述方法，其特征在于除去牺牲层的方法包括腐蚀、溶解、气化、升华或分解牺牲层。21.权利要求19所述方法，其特征在于所述牺牲层是多空隙材料、无空隙材料、自组装分子材料或珠子。22.权利要求21所述方法，其特征在于所述牺牲层是无空隙材料，所述沟状空隙具有纳米级截面。23.权利要求19所述方法，其特征在于在施涂牺牲层之前还包括如下步骤在基底的一个区域施涂功能材料，所述牺牲层覆盖在至少一部分功能材料上。24.权利要求19所述方法，其特征在于它在施涂牺牲层之前还包括如下步骤在基底的一个区域施涂功能材料，使至少一部分功能材料覆盖在牺牲层上。25.权利要求23或24所述方法，其特征在于所述功能材料是催化剂、催化剂前体或电接触材料。26.权利要求25所述方法，其特征在于所述功能材料是催化剂前体，它还包括如下步骤在清除牺牲层之后，将催化剂前体转化为活性催化剂。27.制备化学反应器模板的方法，它包括如下步骤a.在基底上以预定图案施涂第一牺牲层；b.施涂第一覆盖层，从而使第一牺牲层位于覆盖层和所述基底之间；c.在已经施涂的覆盖层上以预定图案再施涂一个牺牲层；d.再施涂一个覆盖层，从而使第二个牺牲层位于第二个覆盖层和已经施涂的覆盖层之间；e.还可重复步骤(c)和(d)；f.除去第一和第二牺牲层，在化学反应器模板内产生沟状空隙，该沟状空隙基本上平行于基底。28.权利要求27所述方法，其特征在于第一牺牲层在施涂第二个牺牲层之前清除。29.权利要求27所述方法，其特征在于第一和第二牺牲层分两个步骤清除。30.权利要求27所述方法，其特征在于用于施涂第二个牺牲层的预定图案基本上与用于施涂第一个牺牲层的预定图案相同。31.权利要求27所述方法，其特征在于它还包括建立至少一个垂直连接沟状空隙的通道的步骤。32.权利要求31所述方法，其特征在于所述通道是个进出孔或连接器。33.用化学反应器模板制备细丝的方法，该方法包括如下步骤将至少一种单体引入化学反应器模板，该模板具有至少一个基本上平行于模板主轴的沟状空隙；在沟状空隙中使所述单体发生聚合反应，从而在沟状空隙中形成细丝。34.权利要求33所述方法，其特征在于单体是乙炔。35.权利要求33所述方法，其特征在于聚合步骤是电化学辅助的聚合。36.权利要求33所述方法，其特征在于沟状空隙是微米级空隙、纳米级空隙或它们的组合。37.用化学反应器模板制备半导体、电介质、金属或半金属的细丝的方法，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：SJ方纳什，CY彭，S阿玉斯曼，SH金，HC福雷，B顾，WJ南姆，K常，
申请(专利权)人：宾夕法尼亚州立大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]