CN100343937C - 用于对准针状物的方法以及对准单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过将针状物置于形成在衬底中的凹槽内，在凹槽的纵向上容易地对准针状物的方法，以及一种包括对准的针状物的对准单元。

Description

用于对准针状物的方法以及对准单元

技术领域

本发明涉及一种用于对准针状物的方法以及对准单元。

背景技术

近来引人注意的碳纳米管，代表针状物，具有其中键合在平面中的构成石墨结构的sp²碳以纳米量级卷成圆柱体的结构。碳纳米管具有许多优良特性，并且因此已经用在各种应用中。特别地，由于它们可以是良导电的或半导电的电特性，碳纳米管经常用于电子材料。碳纳米管的一个应用是将它们用于MOS晶体管。

图6是已知的MOS晶体管的示意图。为了制作MOS晶体管，在硅衬底10上方的SiO₂膜上，多个碳纳米管104在同一方向上对准，并且通过光刻形成源电极12、漏电极13以及栅电极14。然后，在源电极12和漏电极13之间施加高电压，以破坏良导电的碳纳米管并且使得半导电的碳纳米管保留。从而，制成MOS晶体管。

碳纳米管的另一个应用是把它们用作场发射显示器(FEDs)的电子源。当向它们施加电压时，碳纳米管发射电子。许多碳纳米管在同一方向上束在一起以形成电子发射体，并且这种电子发射体两维地布置在FED电子源内。碳纳米管已经用于各种其他应用中，并且在大多数应用中，要求碳纳米管在一个方向上对准。

为了对准碳纳米管，在日本专利公开No.2000-208026、2001-93404、2001-195972和2003-197131中已经公开了一些方法，并且所有这些都涉及了FED电子源。在日本专利公开No.2000-208026中，包含碳纳米管的材料密封在圆柱体中，并且拉长圆柱体以在拉长方向对准碳纳米管。在日本专利公开No.2001-93404中，将包含分散的碳纳米管的导电胶压入形成在陶瓷薄板中的许多通孔内，以便在垂直于衬底的方向上对准碳纳米管。在日本专利公开No.2001-195972中，通过丝网印刷或旋转涂布将包含分散的碳纳米管的胶涂敷于在衬底表面设置的锯齿特征或其他物理形状。从而，在垂直于衬底表面的方向上对准碳纳米管。在日本专利公开No.2003-197131中，将碳纳米管置于形成在金属膜表面中的许多小凹口，以在垂直于金属膜表面的方向上对准它们。

然而，这些方法有如下缺点。在日本专利公开No.2000-208026中公开的方法需要用于对准的复杂的生产步骤。而且，为了使用用于FED电子源的对准的碳纳米管，该方法需要附加步骤以将对准的碳纳米管排列成矩阵，因此增加了生产步骤的数目。

日本专利公开No.2001-93404、2001-195972和2003-197131的方法限制各电子发射体的小型化，因为在这些方法中，在垂直于衬底的方向上对准碳纳米管，以便排列成矩阵。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种用于容易地对准针状物的方法，以及其中将针状物对准的对准单元。在该方法中，通过将针状物置于形成在衬底中的凹槽内，在凹槽的纵向上对准针状物。

从下述参考附图对优选实施例的描述，本发明另外的目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1A至1D是表示根据第一实施例的用于在衬底上对准碳纳米管的方法的步骤示意图；

图2A至2D是表示用于从根据第一实施例的对准方法中制备的对准单元形成矩阵电极的过程的步骤示意图；

图3是表示根据第二实施例的用于在衬底上对准碳纳米管的方法的步骤示意图；

图4A至4D是表示用于从根据第二实施例的对准方法中制备的对准单元形成线电极的过程的步骤示意图；

图5是线电极的局部放大图；

图6是已知MOS晶体管的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明的实施例。

第一实施例

本实施例采用碳纳米管作为针状物的代表。首先将描述用于对准碳纳米管的方法，并且然后将描述用于将对准的碳纳米管排列成矩阵的过程。

1.用于对准碳纳米管的方法

现在将参考图1A至1D描述用于在衬底上对准碳纳米管的方法。

图1A中所示的衬底1具有形成在其表面的多个凹槽2。衬底1的材料并不特别地限定，并且衬底1可以由绝缘材料组成，例如陶瓷或树脂，或由半导电或导电的材料组成，例如硅片或金属。而且，衬底1可以包括覆盖有氧化层的硅，例如SiO₂膜。只要在衬底1的表面确保平整度，任何材料都可以构成衬底1。

凹槽2具有其顶点指向下的V字形横截面，并且以预定间隔彼此充分平行地形成在衬底1中。凹槽2用于对准碳纳米管4。如后面所述，沿凹槽2的侧壁2a将碳纳米管4置于凹槽2中，由此对准。因此，设置凹槽2的开口宽度w大于碳纳米管4的直径，以便碳纳米管4可以置于凹槽2中。而且，为了使碳纳米管4沿凹槽2的侧壁2a平放，设置宽度w小于碳纳米管4的长度。

尽管作为例子，图1A至1D说明了V字形凹槽，但只要使得碳纳米管4对准，凹槽2可以具有任何形状。例如，凹槽2的横截面可以是长方形、梯形、半圆形或半椭圆形的。由于在本实施例中凹槽2的横截面是V字形，所以沿凹槽2的侧壁2a对准碳纳米管4。但是，如果例如截面是长方形，可以沿凹槽2的底部对准碳纳米管4。换句话说，只要沿凹槽2的内壁能够对准碳纳米管4，凹槽2可以具有任何形状。

本实施例中可用的碳纳米管4，优选地具有在几纳米到几十纳米之间范围内的直径以及在几微米到几十微米之间范围内的长度尺寸。本发明使用具有20nm的直径和20μm的长度的碳纳米管。因此，设置凹槽2的宽度w少于碳纳米管的长度20μm是足够的。然而，从提高对准性能的观点看，优选宽度w为碳纳米管4的直径的几十倍，并且凹槽2的长度L为碳纳米管4的长度的大约1.2倍。在本实施例中，凹槽2具有500nm的宽度w和25μm的长度L。凹槽2的长度L仍然可以更长，因为根据对准之后的应用，它可以被切割。对于FED电子源，凹槽2优选具有约500nm的宽度w和约1mm的长度L。尽管本实施例说明了具有长度L小于衬底1纵向长度的凹槽2，但长度L可以与衬底1的纵向长度相同。

凹槽2可以通过具有波长短于或等于可见光波长的离子束、电子束或光束形成，或通过摩擦形成。如果衬底1是硅片，凹槽2可以通过干法刻蚀或各向异性刻蚀形成。衬底1放于平台8上。

图1B表示将分散在胶3中的碳纳米管4用涂刷器5置于凹槽2中的步骤。

在本实施例中作为分散介质的胶3是导电的。例如，在本实施例的MOS晶体管的应用中，优选导电胶用作分散介质。然而，胶3并不限于是导电的，而且可以是绝缘的。绝缘分散媒介包括树脂胶和具有相对低的粘度的材料例如溶剂。

涂刷器5扫过胶3以将碳纳米管4置于凹槽2中所在的方向并不特别地限定，但在图1B中所示的双箭头A所指定的方向上往复运动是最有效的。这个方向减少了没有在凹槽2中对准的留在衬底1的表面1a上的碳纳米管4的数目。

图1C表示用涂刷器5刮擦残留在衬底1的表面1a上的碳纳米管4的步骤。在这个步骤中刮擦的碳纳米管4在图1B中所示的步骤中再度利用。

图1D是通过将碳纳米管4沿凹槽2的侧壁2a放置在凹槽2中以在凹槽2的纵向上对准它们，因而制备得到的对准单元6的透视图。这里优选加热胶3以除去溶剂。更优选地，重复涂包含碳纳米管4的胶3(图1B)、刮擦碳纳米管4(图1C)和加热胶3的步骤序列，以便能够将碳纳米管4紧密地置于凹槽2中。可以在衬底1上用例如包含在支撑衬底1的平台8中的加热器或外部加热装置执行加热。

本发明的方法中所需要的仅是将碳纳米管置于形成在衬底中的凹槽中。因而，通过该方法可以容易地对准碳纳米管。另外，本发明的方法允许重复利用残留在衬底上的碳纳米管，并且因而防止碳纳米管的浪费，而在已知的技术中，难以重复利用残留的或未对准的碳纳米管。

为了制造FED电子源，将多个对准单元6平放在彼此的顶部上，以便碳纳米管排列成矩阵。随后将描述用于制造FED电子源的这个过程。

在通过本发明的方法，制造使用碳纳米管的MOS晶体管的过程中，衬底1包括覆盖有SiO₂膜的硅。在这种情况下，在SiO₂膜上必须彼此平行地对准长度某种程度上一致的碳纳米管4，以及必须对准碳纳米管纵向上的端部。在这种情形下，优选凹槽2的长度某种程度上大于(例如，长1.2倍)碳纳米管4的长度。因此，不仅沿凹槽2的侧壁2a，而且在凹槽2的端部2b(见图1A)，对准置于凹槽2中的碳纳米管4。

通过干法刻蚀可以在SiO₂膜的表面形成凹槽2。在通过与上述相同的方法将碳纳米管4置于凹槽2制备对准单元6之后，通过光刻或喷墨在对准单元6设有源电极、漏电极和栅电极。从而，完成使用碳纳米管4的MOS晶体管。

2.用于制造矩阵电极的过程

现在将借助于图2A至2D，描述用于从上述对准方法中制备的对准碳纳米管单元或对准单元6制造矩阵电极以便用作FED电子源的过程。

图2A表示包括在四个凹槽2中对准的碳纳米管4的对准单元6叠置在具有相同结构的另一个对准单元6上。将多个对准单元6平放在彼此的顶部上，以便凹槽2在同一方向上延伸。通过根据衬底1的材料适当选择的合适技术，将对准单元6彼此键合在一起。对于陶瓷或硅组成的衬底，如本实施例，利用环氧粘合剂或表面活化键合，使得对准单元6在室温下粘着。对于硅衬底，通过高温下的硅键合可以键合对准单元6。为了精确地键合对准单元6，使用粘合剂是不适合的，而使用活化键合和硅键合是适合的。

在如上述叠置希望数目的对准单元6之后，不具有凹槽的衬底1布置并键合在对准单元6的顶部上，如图2B中所示。从而，制备了对准单元6的组合件(composite)6a。图2B表示其中不具有凹槽的衬底1布置在四个对准单元6的顶部上的组合件6a。

沿图2C中所示的切割线15将组合件6a切割成几块。以为了形成具有希望尺寸的矩阵电极7的这种间隔，设置切割线15以便横切凹槽2。在这种情况下，将切割线15之间的间隔设置在凹槽长度L之内，以便使凹槽2暴露在得到的矩阵电极7的端表面7a。

因此，通过制备由每个具有四个凹槽2的四个对准单元6构成的组合件6a的步骤，以及将组合件6a沿切割线15切割成几块的步骤，完成矩阵电极7，其每个中凹槽2包括用作电子发射体(电极)的对准的碳纳米管4，且凹槽2在端表面7a排列成4乘4的矩阵。

组合件6a的切割可以用激光器执行。由于对准单元6彼此紧密地键合在一起，所以普通切割机也是可用的。

在本实施例中，排列凹槽2以便在组合件6a中相同方向上延伸。但是，凹槽2的排列不限于此，而且对准单元6可以按凹槽2的方向不同这样的方式叠置。

在本实施例中，通过选择凹槽2之间的间隔和衬底1的厚度，能够任意地改变矩阵电极7的电极线之间的间隔，并且能够细微而精确地设置。

第二实施例

本实施例将描述用于从对准的碳纳米管形成线电极的方法。

图3表示将分散在导电胶33中的碳纳米管34用涂刷器35置于形成在衬底31中的凹槽32中的步骤。本实施例中的衬底31具有无间隔的连续邻近的凹槽。凹槽32按与第一实施例中相同的方式形成，并且不再重复描述。

现在借助于图4A至4D，描述用于从如图3所示制备的对准单元36制造线电极的方法。

图4A表示两个对准单元36和36′，其表面36b和36b′具有彼此相对的凹槽。将这些单元36和36′叠置以形成组合件36a，如图4B所示。在这种情况下，布置对准单元36的凹槽32，以便在其中排列凹槽的列的方向上，从对准单元36′的凹槽32′移动半个间距。如果通过在溶剂中分散金属粒子制备导电胶，在图4B所示的步骤之后优选热处理组合件36a。热处理使金属粒子烧结以提高导电性。

沿图4C所示的切割线45将组合件36a切割成几块，以制备图4D中所示的线电极39，组合件36a中凹槽32和32′错开半个间距，且具有凹槽的表面36b和36b′彼此相对。确切地说，通过错开凹槽32和32′半个间距，在凹槽32和32′中对准的碳纳米管34以三角波形相通，如图5中所示。因而，完成线电极39，其中每个由在凹槽32和32′的列排列方向以三角波形连续的对准的碳纳米管34构成。线电极39的部分并不限于这种三角波形状，并且能取决于凹槽32和32′的形状，可以是长方形、梯形、半圆形或半椭圆形。

尽管已经参考目前所考虑到的优选实施例描述了本发明，但应当理解本发明并不限于所公开的实施例。相反，本发明可以覆盖包括在所附权利要求的精神和范围之内的各种修改和等同布置。以下权利要求的范围将给予最广泛解释，以便包含所有这种修改和等同结构及功能。

Claims (11)

1.一种对准单元，包括：

具有至少一个凹槽的衬底；以及

与所述衬底的表面平行地沿所述凹槽的长度方向对准的碳纳米管，

其中所述凹槽的长度大于所述碳纳米管的长度，以及所述凹槽的宽度大于所述碳纳米管的直径并小于所述碳纳米管的长度。

2.一种装置，包括：

多个对准单元，每个对准单元包括具有多个彼此基本平行延伸的凹槽的衬底，以及与所述衬底的表面平行地沿所述凹槽的长度方向对准的碳纳米管，所述对准单元平放在彼此的顶部上，

其中所述凹槽的长度大于所述碳纳米管的长度，以及所述凹槽的宽度大于所述碳纳米管的直径并小于所述碳纳米管的长度。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述多个对准单元的所述凹槽以同一方向延伸。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述凹槽的端部暴露在所述装置的端表面。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述衬底中的所述凹槽的列无间隔地连续排列，所述对准单元以具有所述凹槽的表面彼此相对这样的方式叠置，以及所述相对的凹槽彼此错开半个间距。

6.一种用于对准针状物的方法，包括：

制备具有至少一个凹槽的衬底的制备步骤；以及

将分散在分散介质中的针状物置于所述凹槽中，以便所述针状物与所述衬底的表面平行地沿所述凹槽的长度方向对准的对准步骤，

其中所述凹槽的长度大于所述针状物的长度，以及所述凹槽的宽度大于所述针状物的直径并小于所述针状物的长度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中通过将所述针状物用涂刷器扫入所述凹槽，执行所述对准步骤。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述对准步骤之后，刮擦除所述凹槽之外区域中残余的所述针状物的刮擦步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述刮擦步骤包括用所述涂刷器扫过所述衬底的具有所述凹槽的表面。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述对准步骤之后，将包含所述针状物的所述分散介质加热的加热步骤。

11.根据权利要求6所述的方法，其中所述针状物是碳纳米管。

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