專利名稱：用于組裝和分選含納米結構的材料的方法和相關制品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將含納米結構或納米管的材料沉積至物體上的方法， 對含納米結構或納米管的材料進行分選的方法，用含納米結構或納米 管的材料形成制品的方法，對含納米結構或納米管的材料進行分選的 方法，以及相關結構和設備，
背景技術：
在下文的背景描述中，參考了某些結構和方法，但是，這些參考 不應該必然地理解為承認這些結構和方法在適用的法律規(guī)定下作為現(xiàn) 有技術.申請人保留證實任何參考主題對于本發(fā)明不構成現(xiàn)有技術的 權利.
對本領域熟知的人員使用術語"納米結構"材料來表示包括諸如 C"富勒烯，富勒烯型同心石墨顆粒，金屬，諸如CdSe、 InP的化合物 半導體的納米顆粒的材料；包括諸如Si、 Ge、 SiO,、 GeO,的納米線/納 米棒的材料，或者由一種或多種元素，諸如碳、B，N,、 CAN。 MoS2和 WS2組成的納米管的材料，納米結構的材料的一個共同特征是它們的基 本構件.單個納米顆粒或者單個碳納米管至少在一個方向上的尺寸小 于500 nm.這類材料已經顯示出某些性能，這些性能引起人們對其在 各種應用和方法中的興趣.
周等人的美國專利6, 280, 697和6, 422, 450 (兩者名稱都是"納米管基高能材料和方法")，它們的內容在此全文引入作為參考，公開 了碳基納米管材料的制造方法及其作為電池電極材料的應用.
美國專利____(序號09/296 572,名稱是"含有碳納米管場發(fā)射體 結構的裝置及制造該裝置的方法")，它的內容在此全文引入作為參考， 公開了 一種碳納米管基電子發(fā)射體結構.
Bower等人的美國專利6, 630, 772 (名稱為"含有薄膜碳納米管電
子場發(fā)射體結構的裝置")，它的內容在此全文引入作為參考，公開了
一種具有高發(fā)射電流密度的碳納米管場發(fā)射體結構.
Bower等人的美國專利6, 277, 318 (名稱為"困案化(patterned )
碳納米管薄膜的制造方法")，它的內容在此全文引入作為參考，公開
了一種在基片上制造粘附式圖案化碳納米管薄膜的方法.
美國專利6, 334, 939 (名稱為"納米結構基高能材料和方法")， 它的內容在此全文引入作為參考，公開了 一種以堿金屬為組分之一的 納米結構合金.這種材料據稱可以在某些電池裝置中使用.
周等人的美國專利6, 553, 096 (名稱為"使用電子場發(fā)射陰極產生 X射線的機制")，它的內容在此全文引入作為參考，公開了采用一種 含納米結構的材料的X射線產生裝置，
美國已公開專利申請US 2002 / 0140336 (名稱為"具有增強電子 發(fā)射和點火特性的涂層電極")，它的內容在此全文引入作為參考，公 開了一種電極，該電極包括第一電極材料，粘合促進劑，以及分布在 至少一部分粘合促進層上的含碳納米管材料，以及采用了這種電極的 相關裝置.
美國專利公開US 2002 / 0193040 (名稱為"采用增強場發(fā)射制造 納米管基材料的方法")，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一 種引入外來物質進入納米管型材料以改進其性能的技術.
美國專利公開US2002 / 0094064 (名稱為"大面積可單個尋址的 多束X射線系統(tǒng)及其形成的方法")，它的內容在此全文引入作為參考， 公開了一種產生X射線的具有多個靜止以及可單個電尋址的場發(fā)射電 子源諸如碳納米管的結構.
美國專利公開US2003 / 0180472 (名稱為"組裝納米級物體的方 法")，它的內容在此全文引入作為參考，公開了一種用預成形納米級 物體自組裝成宏觀結構的技術，可以將其進行處理以得到需要的長徑比(aspect ratio)和/或化學官能度.
可以看出，納米結構的材料，特別是那些諸如具有大的長徑比(也 就是說-遠比其直徑大得多的長度)的碳納米管和其它納米級物體具有 很有前途的性能，這些性能使其對于各種應用場合，例如發(fā)光元件， 諸如平板顯示器的場發(fā)射裝置，用于過栽保護的氣體放電管，X射線發(fā) 生裝置，小的導線，傳感器，致動器以及諸如用于掃描顯微鏡的高分 辨率探針特別有吸引力.
在這些材料的加工過程中遣遇的困難阻礙了有效地將這些材料引 入此種裝置.例如納米結構的材料能夠通過諸如激光燒蝕，以及電弧 放電法，溶液合成，化學浸蝕，分子束外延，化學氣相淀積，激光燒 蝕等技術形成.但是，組裝這些納米結構的材料的處理技術遇到了某 些困難，
已經使用了諸如絲網印刷以及噴霧等后成型方法將諸如碳納米管 的預成型納米級物體沉積到基片上.但是，這些技術具有某些缺陷， 例如絲網印刷技術需要利用粘結刑材料以及活化步驟.噴霧技術對于 大規(guī)模的制造來說可能既無效率又不實用.此外， 一般地這些技術會 導致納米結構的材料在襯底上形成無規(guī)分布的納米結構.
已經使用化學氣相淀積(CVD)技術直接在基片上生長碳納米管. 參見，例如J. Hafner等，Nature,第398巻，笫761頁，1999以 及美國專利6， 457， 350以及6， 401 526.這種技術的一個潛在應用是 用諸如碳納米管的納米結構的材料制造導線以及電路.CVD方法可用來 形成導線，這些導線利用CVD技術被附著于電極上特定位置以便形成 導線.但是這些技術需要相對較高的溫度(例如600 -l，OOOTC)以及反 應性環(huán)境，并且需要使用催化劑以有效地生長納米管.對這些苛刻環(huán) 境條件的要求嚴重地限制了能夠使用的基底材料的類型.此外，CVD 技術常常形成復壁碳納米管， 一般情況下，與單壁碳納米管相比，這 種復壁碳納米管沒有同樣水平的結構完美性，并且因此具有較差的電 子發(fā)射性能.并且，使用這些技術直接在基片上生長納米管使沉積的 納米管的長度，取向以及數(shù)量難以控制.
其它技術包括精確控制將單個或者小組納米級物體，諸如碳納米 管沉積至基片，諸如尖端或者突出物上方面的工作.參見例如Dai, Nature,笫384巻，第147 - 150頁(1996);以及R. Stevens等人，
9Appl. Phys. Lett.，笫77巻，笫3453頁，但是，這些技術費力費時， 并且不能進行有效的大規(guī)模生產或者批量處理.例如，美國專利 6， 528， 785描述了 一種將板狀電極置于電泳溶液中，并且將納米管沉積 至至少一個電極上的方法.將電極從溶液中取出，在后續(xù)工藝步驟中
將電極上沉積的納米管轉移到尖端上，然后通過另 一個可以包括將一 種涂料沉積至至少該附著于尖端上的納米管部分上的工藝步驟將納米 管"熔焊"至尖端上.該方法很慢而且不能進行取向控制.由此形成 的尖端通常每個尖端包括一個碳納米管(CNT).尖端與CNT之間的界 面結合往往很弱.難以一次制造多個尖端.該方法不合要求地既復雜 又繁瑣，并且因此不實用于大規(guī)模生產.
本領域另一個考慮是在使用納米結構的材料制造電器時，通常必 須采用具有諸如同樣電子性能的同樣性能的材料.這還沒有實現(xiàn).例 如，通過激光燒蝕方法合成的單壁碳納米管材料包含了從本質上講既 具有金屬性質和又具有半導體性質的材料.目前，還沒有根據性能來 分離納米管的有效方法.例如，對于很多裝置應用來說有必要使金屬 的和半導電的納米管相分離，
發(fā)明概述
已經開發(fā)了在相對溫和的條件下可以高效和有效地組裝含納米結 構的材料，以及基于材料性能對含納米結構的材料進行分離而且所用 方法適于批量處理的技術及其相關制品.
根據本發(fā)明的一個方面，是一種將含納米結構的材料附著于物體 的尖端上的方法，此方法包括i)在一種液體介質中形成一種含納米 結構的材料的懸浮液；(ii)將至少一個電極浸沒在該懸浮液中；(iii) 將尖端放入該懸浮液中；以及(iv)在浸沒的電極和尖端上施加直流或 交流電，使懸浮液中的至少一部分含納米結構的材料附著于物體最接 近于尖端頂點處.
根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種直徑為.5 nm — 100 長 度為lO納米(nm)-大于l厘米(cm)的包括含納米結構的材料的線.
根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種具有涂復有單個碳納米管， 碳納米管束，或者納米線的尖端的物體，該物體包括以下至少一種 點電子場發(fā)射源，原子力顯微鏡(AFM)的探針，掃描隧道顯微鏡(STM) 的探針，透射電子顯微鏡(TEM)的電子源，掃描電子顯微銑(SEM)的電子源，磁力顯微鏡(MFM)的探針，或者顯微光波干涉儀.
根據本發(fā)明的一個方面，提供一種將含納米結構的材料附著于物 體的尖端上的方法，此方法包括i)在一種液體介質中形成一種含納 米結構的材料的懸浮液，(ii)將至少一個電極浸沒在該懸浮液中，(iii) 將尖端放入該懸浮液中，以及(iv)在浸沒的電極和尖端上施加直流或 交流電，使懸浮液中的至少一部分含納米結構的材料附著于物體最接 近于尖端的頂點處.
根據本發(fā)明的另一個方面，提供了一種裝置，該裝置包括具有一 個錐體軸的基本上為圃錐形的尖端，以及包括附著于尖端上并且基本
上與尖端錐體軸對齊的含有納米結構的材料的原纖維，原纖維的直徑 為0. 5 nm - 10jim,
根據本發(fā)明的又一個方面，提供一種在多個組件之間建立電連接 的方法，該方法包括i)在一種液體介質中形成含納米結構的材料的 懸浮液，(ii)將懸浮液與組件接觸以及(iii)在組件上施加直流或交流 電，因而在組件之間形成電場，從而使得由連接組件的含納米結構的 材料形成導線.
根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種裝置，該裝置包括一個笫一 組件； 一個第二組件；以及一個包括含納米結構的材料的笫一導線， 該導線附著于笫一以及笫二組件，并且在兩者間提供電連接，
根據本發(fā)明的又一個方面，提供一種將含納米結構的材料的組分 離的方法，該方法包括(i)形成包括待分離的含納米結構的材料的組 和液體介質的混合物，(ii)向混合物中引入多個電極；(iii)在混合物 內部建立一個不對稱電場，(iv)將混合物中含納米結構的材料的組極 化，從而使至少笫一組遷移至笫一電極，使笫二組遷移至第二電極， 以及(v)從液體介質的笫一電極處回收至少第一組.
根據本發(fā)明的又一個方面，提供一種將混合物中包含的笫一組顆 粒與笫二組顆粒分離的方法，其中至少笫一與笫二組顆粒的其中之一 包括含納米結構的材料，該方法包括(i)形成電極的裝置，(ii)向該 裝置施加交流電電源，(iii)將混合物與該裝置靠近，(iv)將笫一組顆 粒與第二組顆粒進行不同程度的極化，(v)依靠極性的不同將笫一組顆 粒與第二組顆粒分離，以及(vi)回收笫一或笫二組顆粒中的至少一種.
當在本文中用到時，術語"含納米結構的材料"表示至少部分包括以下材料諸如C6。富勒烯，富勒烯型同心石墨顆粒，金屬，諸如CdSe、 InP的化合物半導體的納米顆粒；諸如Si、 Ge、 SiO,、 GeO,的納米線/ 納米棒，或者包括諸如碳、B,N,、 C,B,Nz、 MoSz和WSz的一種或多種元素 的納米管.
術語"基本上為圃錐形"包括本質上主要是圃錐形的幾何結構， 但也可以包括從純粹的圃錐形演變出的各種結構.這些變動的范圍通 常在形成所用的尖端的過程中能觀察到，例如在各種探針的形成過程 中能觀察到，這些探針用于原子力顯微鏡、掃描探針顯微鏡、磁力顯 微鏡、顯微光波干涉儀、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等等，它 們使用傳統(tǒng)的技術來形成此秀尖端，
術語"基本上對齊"包括最高達15度或者稍微更大的對齊誤差.
術語"原纖維"包括單個納米結構顆粒，納米線或者納米管；多 個這樣的顆粒，納米線或者納米管；這些物體的單束；或者這些物體 的多個束.
附圖簡述


圖1為含有納米結構的材料的示意圖， 困2為含有納米結構的材料的TEM困像.
圖3為通過所公開的方法而組裝于物體上的如困1和圖2所示的 含有納米結構的材料的示意困.
圖4A和4B為根據所公開的方法而實施的方法的一個實施方案的 示意圖.
圖5A和5B為根據所公開的方法而實施的方法的另一個實施方案 的示意圖。
圖6為用于實施這種方法的設備的一個實施方案的示意困. 圖7為用于實施這種方法的設備的另一個實施方案的示意閨， 圖8A和8B為根據本發(fā)明的原理而實施的方法的另一個實施方案 的示意圖.
圖9A-9E為帶有附著的碳納米管或納米線的原纖維的尖端的放大 的SEM圖像.
圖10為原纖維的示意困，示出了附著于尖端上時的各種取向的關系.
圖U為根據本發(fā)明的另一個實施方案形成的另一種物體的示意圖.
圖12為根據本發(fā)明的一個替代實施方案形成的另一種物體的示意圖.
圖13為根據本發(fā)明的另一個實施方案形成的另一種物體的示意圖.
圖14為根據本發(fā)明的一種分離裝置和/或技術的示意圖.
圖15為根據本發(fā)明的另外一種分離裝置和/或技術的示意圖.
圖16為根據本發(fā)明形成的設備的所發(fā)射電子流與所加電壓的曲線閨.
圖17為根據本發(fā)明形成的設備的所發(fā)射電子流與時間的曲線圖. 圖18為根據本發(fā)明形成的設備的點電子場發(fā)射源與發(fā)射圖案的示 意圖.
發(fā)明詳述
下文描述了根據本發(fā)明原理以及說明性實施方案進行的方法以及 相應的結構和設備.
一般情況下，根據本發(fā)明原理進行的方法可以包括部分或全部下 列步驟的組合(l)形成一種適當?shù)暮{米結構的材料；(2)提純該含 納米結構的材料；(3)將該含有納米結構的材料官能化；(4)形成含有 該納米結構的材料的溶液或懸浮液；(5)選擇性地向該溶液中添加"充 電器"；(6)將電極浸沒在溶液中，將需要沉積納米結構的材料的基片 或者物體作為其中一個電極；(7)持續(xù)一定時期施加直流和/或交流電 以在電極之間形成電場，從而使溶液中的納米結構的材料向基片電極 遷移并附著于基片上；(8)逐漸將物體移開液體，同時使沉積材料的最 前表面與液體保持接觸以使納米結構的材料連續(xù)沉積至基片上；以及 (9)任選地對涂褒的基片進行后續(xù)處理.只是將這些一般步騍的部分或 全部進行組合的方法也在本發(fā)明的范圍內.但是，還應當明白其它步 驟和方法也可包括于內.同時應了解，將部分所述步驟的組合或者全 部步驟以特定順序進行的方法也在本發(fā)明的范閨內.或者，步稞的順 序可以不同于此處的描述，
此方法開始于預成型的，優(yōu)選高長徑比的"未加工"含納米結構 的材料，或者諸如含碳納米管材料的含納米管的材料.這種未加工材 料可以包含單壁碳納米管、復壁碳納米管、硅、二氧化硅、鍺、氣化鍺、碳氮化物、硼、氮化硼、二疏屬化物(dichalcogenide)、銀、金、 鐵、二氣化鈦、氧化鎵、磷化銦、或者諸如封裝于納米結構內部的Pe、 Co、和Ni的磁性顆粒中的至少一種.根據優(yōu)選實施方案，未加工含碳 納米管的材料包括單壁碳納米管.碳納米管能夠通過任何適用技術， 諸如上述的電弧放電，激光燒蝕和化學氣相淀積工藝形成.
本發(fā)明還涵蓋了組成為B,CA (B-硼，C-碳，以及N-氮)的納米管 結構形式，或者組成為MS2 ( M -鎢，鉬，或者釩的氣化物)的納米管 或同心富勒烯結構形式的未加工材料.這些未加工材料能夠通過諸如 上述電弧放電技術的任何適用技術形成.
未加工材料可以通過本領域技術人員熟知的技術，諸如上述背景
技術部分所述的多種不同技術制造.
根據本發(fā)明的其他實施方案，磁管或者納米線可以用作原材料. 例如，如圖l所示，諸如碳納米管的納米結構的材料100可以含有磁 性顆粒110,可以預期形成這些磁性顆粒的幾種技術. 一個這樣的技術 包括化學氣相淀積方法.諸如Fe、 Co、和/或Ni的磁性顆粒在CVD技 術中用作催化刑.烴用作碳源.在合適的條件下，磁性顆粒起到納米 管形成的成核點的作用.磁性顆粒110被截留于納米管的端部或尖端 處.或者，使用適當技術將諸如單壁或者復壁碳納米管的納米管成型 為原材料.然后將原材料進行加工以開通納米管的端部.然后通過溶 液、電化學、蒸氣相或者固態(tài)處理技術將磁性顆粒插入納米管芯中. 然后可以用諸如形成鈍化層的適當方法封端.美國專利公開US 2003 / 0180472對這些技術進行了更為詳細的描述，它的內容在此全文引入作 為參考.
困2是上文所述的這種磁性顆粒的示意困.例如如圖2所示，提 供一種復壁碳納米管200，其包括一種置于其中的Co顆粒210.如圖3 所示，根據此處公開的更詳細的方法，還可以將磁性顆粒310組裝或 者附著于諸如原子力顯微鏡的探針的尖端上.
如此處進一步的解釋與說明，根據下文公開的更詳細的方法，還 可以將這些磁性顆粒組裝或者附著于諸如原子力顯微鏡的探針的尖端 上.通過測量如上述方法制造的磁性尖端與需要成像的物體間的相互 作用力，可以將物體的磁性結構成像.此種物體包括磁性數(shù)據存儲介 質.由于上述磁性顆粒尺寸小，可以預期得到高得多的分辨率.未加工的含納米結構的材料可以進行提純.可以預期提純未加工 材料的幾種技術，根據一個優(yōu)選實施方案，可以將未加工材料在適當
的溶刑，諸如&02的體積濃度為1- 40%,優(yōu)選&02體積濃度約為 的過氧化物0M)2)和水的混合物中回流，接著在CS2中漂洗，再接著在 甲醇中漂洗，然后過濾進行提純，根據示例性技術，對于介質中每i-io mg的納米管向介質中引入大約10-100 ml的過氧化物，并且回流反應 在20 -100lC溫度下進行(參見，例如美國專利6, 553, 096 (序號09/ 679， 303)).
根據另一個備選方案，將未加工含納米結構的材料放入適當?shù)囊?體介質，諸如酸性介質，有機溶刑，或者醇，優(yōu)選為甲醇之中.使用 大功率超聲變幅桿將未加工材料以懸浮液保留在液體介質中幾個小 時，同時將懸浮液通過微孔膜.在另一個實施方案中，可以在空氣或 者氧氣環(huán)境中在200-700iC溫度下通過氧化將未加工材料提純.未加工
材料中的雜質以一種比納米管快的速度氣化.
在又一實施方案中，可以用液相色謙將納米管/納米線與雜質分離 而將未加工材料提純，
然后任選地將原料進一步加工，諸如化學浸蝕或者碾磨以縮短納 米管和納米管束的長度.
無論是否進行上述縮短處理，提純的未加工材料都可以任選地在 諸如100-1200iC的合適溫度下進行退火.根據優(yōu)選實施方案，退火溫 度是100TC-600iC,材料進行諸如大約1-60分鐘的適當時間的退火處 理.根據優(yōu)選實施方案，材料退火時間大約為1小時.材料在約為10—2 torr或者更高的真空度的真空中進行退火.根據優(yōu)選實施方案，真空 大約為5 xl(T7 torr,
現(xiàn)在可以將上述"未加工"或者預成型的材料引入溶液，以將其 沉積在物體或基片上和/或形成諸如導線的制品.
根據一個備選實施方案，在將提純的含納米結構的材料放入上述 溶液或者懸浮液中前，將其官能化.例如，可以在強酸中將提純的含 納米結構的材料氧化以使材料具有親水性.此做法的一個示例性方法 包括將提純的納米結構的材料引入H2S04和HN03的溶液中10-24小時， 同時受到超聲能量的作用.或者，可以通過化學方法或者物理方法將 化學物質附著于納米結構的外表面上來將提純的含納米結構的材料官能化，以使納米結構可溶或者促進穩(wěn)定的懸浮液形成.
選擇適當?shù)囊后w介質以使得在該液體中可以形成未加工的納米結 構的材料的穩(wěn)定懸浮液.根據優(yōu)選實施方案，液體介質包括水，甲醇，
乙醇，醇類，和二甲基甲耽胺(DMF)和甘油中的至少一種.向液體介 質中添加未加工材料時，可以任選地施加超聲能量或者使用諸如磁力 攪拌棒來攪拌混合物，以促進穩(wěn)定懸浮液形成.可以改變施加超聲能 量的時間，但是我們發(fā)現(xiàn)在室溫下大約兩個小時就已足夠.
可以改變液體介質中未加工材料的濃度，只要形成了穩(wěn)定的懸浮 液即可.例如，采用包括甲醇的液體介質，每毫升液體介質中可以有 大約O. 01 mg(O. 01 mg/ml)的諸如單壁碳納米管的未加工材料，就可 以提供穩(wěn)定的懸浮液.當液體介質包含DMF時，每毫升液體介質中可 以有大約0.4-0.5 mg(O. 4-0. 5 mg/ml)的諸如單壁碳納米管的未加工 材料，就可以提供穩(wěn)定的懸浮液.當使用截短的碳納米管時，可以得 到較高濃度的穩(wěn)定懸浮液.例如，可以形成水中的大約0. lmg / ml的 截短納米管的穩(wěn)定的分散體.另一個實施例中，將通過化學處理而具 有親水性的單壁碳納米管束分散在水中.根據需要的沉積率來調節(jié)納 米管的濃度.
根據一個實施方案，向懸浮液中添加充電器以促進電泳淀積.一 種優(yōu)選的充電器是MgCl2.其它可能的充電器包括Mg (N03)2,La (N03)3，
Y( N03)3， AlCl3和氫氧化鈉.可以使用任何合適的量.相對于含納米 結構的材料的量，從低于1重重％最高達50重量、的量都是可行的.根 據優(yōu)選實施方案，懸浮液可以含有不到lX的充電器.
根據本發(fā)明的另一個實施方案，將少量碳納米管分散在水中.將 懸浮液進行超聲處理以得到破納米管的均勻分散體.無需向懸浮液施 加任何充電器.使用交流電介電泳技術將碳納米管沉積至需要的物體 上.在AC場下，碳納米管極化并且向某個場方向遷移，該方向取決于 場濃度，AC場頻率，以及液體和碳納米管的介電常數(shù).
然后向懸浮液中引入多個電極.根據優(yōu)選實施方案，使用兩個電 極. 一個電極包括其上將要沉積納米結構的材料的物體.可以預期使 用任何合適的物體或者基片材料，只要它具有必要程度的導電率.根 據優(yōu)選實施方案，物體可以是金屬或者摻雜的硅.根據另一個優(yōu)選實 施方案，至少一個電極包括一個或多個尖端.
16向電極上施加交流電或者直流電，使電極間形成電場.這引起懸 浮液中的納米結構的材料向基片電極遷移并且附著于基片電極上.根
據一個實施方案，施加在電極間的電場是0.1-1000 V/cn ,并且施加 0. l-200mA/cn^的直流電1秒-1小時，根據另一個實施方案，施加頻率 為10 GHz的交流電.
根據優(yōu)選實施方案，上述電泳淀積在室溫下進行.
多種因素可以影響沉積率以及沉積的納米結構的材料的結構和形 貌.這些因素包括懸浮液中納米結構的材料的濃度，如果有的話懸 浮液中充電器材料(例如MgCh)濃度，物體電導率，以及電源控制(也 就是說，當施加交流電時，施加的電流，電壓條件和頻率).
例如，施加直流電時，可以通過選擇充電器材料來控制納米結構 的材料向之遷移的特定電極(也就是說陽極或者陰極).例如，通過利 用諸如氫氧化鈉(NaOH)的負充電器，向納米結構的材料施加負電荷， 從而使納米結構的材料產生向正電極(陰極)遷移的趨勢.相反地，當 使用諸如MgCl2的正充電器材料時，向納米結構的材料施加正電荷，從 而使納米結構的材料產生向負電極(陽極)遷移的趨勢.
當使用交流電場時，可以通過選擇交流電頻率，相對于納米結構 的材料的液體介電常數(shù)，場濃度，以及電極的幾何形狀來控制納米結 構的材料向之遷移的特定電極.
可以任選地對其上沉積了含納米結構的材料的帶涂層物體進行進 一步加工.例如，可以將帶涂層物體退火以除去液體介質.可能優(yōu)選 進行這樣的退火工序，因為除去諸如殘余懸浮液介質的雜質可以改善 納米結構的材料與物體間的電和熱接觸與結合情況.例如，可以將涂 覆的基片加熱至大約100-12001C，保持大約1小時，然后在大約800 t:保持2小時，兩個過程都在大約5 x10 —7 torr的真空下進行.
根據另一個實施方案，可以進一步地通過引入諸如粘結刑，碳溶 解或者碳化物形成金屬的粘合促進材料以及高溫退火來改善碳納米管 與基片的粘合.這些材料可以通過諸如下列工藝之一來引入納米結 構與粘合促進材料的顆粒共沉積，順序沉積，粘合促進材料層的預沉 積等等.
在一個實施方案中，添加諸如聚合物粘合刑的粘合劑至含納米結 構的材料的懸浮液中，然后將其攪拌或者進行超聲處理以得到均勻懸浮液.合適的聚合物粘合刑包括聚(乙烯基丁縮眵-乙烯醇-乙酸乙烯酯)
和聚(偏二氣乙烯).選擇合適的充電器以在施加的DC或者AC電場下， 粘合刑與納米結構將向相同電極遷移，以形成納米結構和粘合刑的緊 密混合涂層.
在另一個實施方案中，諸如鈦，鐵，鉛，錫，鈷的小金屬徵粒被 混入含納米結構的材料的懸浮液.選擇合適的充電器以在施加的電場 下，金屬微粒與納米結構將向需要的電極遷移，以形成金屬微粒和納 米結構緊密混合的均勻涂層.沉積后，在10、orr或者更高的基本真 空壓力的真空中將涂層退火處理0.1-10小時.優(yōu)選地，顆粒直徑小于 l微米.
粘合劑或者粘合促進材料可以以任何合適的量添加，可以涵蓋相 對于含納米結構的材料的量為0.1-20重重X的量.
在另一個實施方案中，需要涂覆納米結構的物體首先涂覆至少一 層諸如鈦，鐵，鉛，錫，鈷，鎳，鉭，鴒，鈮，鋯，釩，鉻或者鉿的 粘合促進金屬的層.這樣的層可以通過諸如電化學鍍法，熱蒸發(fā)，濺 射或者脈沖激光器沉積的技術施加.在納米結構的電泳淀積后，在10— 3 torr或者更高的基本真空壓力的真空中將膜退火處理0. 1-10小時.
上述方法有利地適用于高輸出和自動化應用中.這些方法也是非 常多用途的.本發(fā)明的方法也適于生產包括含納米結構的材料的制品， 這些含納米結構的材料具有使其適于多種不同應用的性能.這些方法 也可用于生產微米級或者較大尺寸的制品以及包括DNA的更大或巨大分子.
一般情況下，本發(fā)明的方法特別適于提供在顯微光波干涉儀以及 電子顯微鏡探針，諸如X射線發(fā)生裝置、氣體放電管、照明裝置、微 波功率放大器、離子槍、電子束平印術裝置、高能加速器、自由電子 激光器以及平板顯示器的設備中的電子場發(fā)射陰極中使用的納米管和 /或納米棒材料，例如，公開的電泳法可用于將單個或者一束碳納米管 或者納米線選擇性地沉積至尖端上.這種尖端可以是例如用于諸如包 括原子力顯微鏡(APM)，掃描隧道顯微鏡(STM),磁力顯微鏡(MFM)， 以及化學力顯微鏡(CFM)的顯微鏡尖端.本方法還可以用于碳納米管 和其它納米結構的材料的連續(xù)纖維或者長纖維的生產.本方法還可以 進一步地用于制備在電路中使用納米結構的材料的電聯(lián)接.現(xiàn)在將出于示例目的描述上文概述的與本發(fā)明原理一致的特定技 術以及相關制 品,
圖4A與4B示出了一種技術，其中首先制備一種諸如納米管或者 納米線的含納米結構的材料的稀釋懸浮液.首先將一個反電極410浸 入懸浮液420中，將金屬尖端430用作第二電極.可以通過，例如化 學方法蝕刻諸如鎢絲的標準金屬絲來形成金屬尖端.首先將金屬尖端 430與懸浮液420表面垂直放置，使需要沉積含納米結構的材料的尖端 稍微高于懸浮液420的上表面.然后逐漸將尖端430向懸浮液420表 面移動，將電源440電連接至電極410和尖端430.可以使用一個諸如 電流計的計量儀監(jiān)測反電極與金屬尖端之間的電流.此外，可以使用 一個適當?shù)墓鈱W放大設備監(jiān)測金屬尖端430與懸浮液表面420間的間 距，當尖端430接觸到懸浮液420表面時，可以檢測到兩個電極間通 過的電流，尖端430可以保持接觸一段預定時間，該時間取決于懸浮 液中含納米結構的材料的濃度以及所用電場.電壓由電源440通過直 流或交流電施加于兩個電極之間.預定時間后關閉電壓，將尖端430 升到懸浮液上方以停止沉積過程.或者，如圖4B所示，可以在將尖端 430逐漸移開懸浮液420的同時繼續(xù)施加電壓，以在尖端430上形成附 著的納米管450的線或繩.可以引入裝置460，其可為臺架或滾子， 用于使尖端430旋轉和/或線性運動.根據納米結構的材料450的沉積 速率控制移開尖端的速度，以保證只有附著于尖端430的納米結構的 材料的最外層表面與懸浮液420接觸.帶有在真空中附著于其上的碳 納米管450或其它納米結構的金屬尖端430也可進行退火以便增加尖 端與納米結構之間的結合作用.
參考圖5A與5B描述本發(fā)明另一個實施方案.將諸如任何在先公 開的材料，優(yōu)選碳納米管的含納米結構的材料分散在諸如水的適當溶 刑中，濃度約為0.01 g/L.將懸浮液進行超聲處理以使材料均勻分散 在液體中.將納米管/水懸浮液510的液滴施加至金屬0形環(huán)520上. 金屬O形環(huán)520是可活動的，例如安裝在一個平移臺架上(未示出). 將金屬尖端530電連接至電源540，電源540還連接于金屬O形環(huán)520. 開始時金屬尖端530不與液滴510接觸.在優(yōu)選實施方案中，將裝置 放在光學顯微鏡下.通過AC電源540建立20 V和10 MHz的AC信號. 在顯微鏡下，將尖端530逐漸向液滴510移動.它們物理接觸后，在電場下使它們保持靜止約1-60秒.然后逐漸將尖端530移開液體.當 金屬尖端530與液滴510物理接觸時，形成了以金屬尖端530與金屬 O形環(huán)作為兩個電極的電路.如圖5B所示，在AC場下，納米結構550 被極化了，因為電極是不對稱的，所以場并非均勻分布，而是主要集 中在尖端周圍.如困5B所示，從而諸如納米管的納米結構550被拉近 尖端530.通過調節(jié)納米結構濃度以及沉積時間，可以將單個納米結構 或者納米結構組，諸如單個碳納米管或者碳納米管束附著于金屬尖端 上.
作為上述工序的一個可能變型，可以在尖端530與反電極或者0 形環(huán)520之間建立一個直流電電場，而非交流電場.可以向懸浮液添 加諸如MgCl,的適當?shù)?充電器"，在電場下，納米結構550或者納米 管向尖端530遷移并且附著于尖端表面.
在本發(fā)明的另一個實施方案中，通過與根據圖4A， 4B, 5A和5B 描述的相似技術制造包括優(yōu)選為破納米管的納米結構的導線.如圖4B 和5B所示，當建立AC場時，分散在液體中的納米結構450， 550或者 碳納米管被極化并且對齊于場方向.在不對稱的電場下，納米結構450, 550接著向場較強的尖電極端430， 530遷移.然后它們附著于尖端 430， 530上，成為電極最初的最外層表面，當更多納米結構450， 550 被拉動并且附著，所附著的最外層納米結構450， 550或者碳納米管成 為電極的最外層表面.可以通過以上方法形成納米結構的材料的長連 續(xù)導線(參見，例如圖9).通過優(yōu)化轉速，電場，電場頻率，以及分散 有納米結構的材料的液體的濃度，可以制造一巻納米結構的材料的連 續(xù)纖維.通過諸如電流以及所用懸浮液中納米結構的濃度等參數(shù)來控 制導線長度.沉積后，導線可以通過諸如退火進一步處理，來增加機 械強度或者改善官能性，
本發(fā)明還涵蓋可以集成到如上所述的沉積過程中的對纖維的進一 步處理方法.例如，可以將從液體抽出的導線或者纖維穿過一個放置 在裝置460與液體之間的爐子，以在成型處理期間一步增強纖維性能. 本發(fā)明還涵蓋了可以將纖維穿過一個包括諸如聚合物熔體或者聚合物 溶液的不同類型材料的浴.通過首先從液體抽出納米結構的材料的纖 維然后通過液體，聚合物將浸漬和涂復纖維，并且罔此形成一種納米 結構的材料與聚合物的復合材料.圖6示出了如上所概述的方法和/或裝置類型的示例性實施方案， 根據所示實施方案，將電極610放入容器620中.容器620充滿了含 有納米結構的材料630的介質.可以用如下方法從介質630中抽出含 納米結構的材料640的連續(xù)線或繩.首先將呈滾子650形式的反電極 放在與介質630的表面接觸的位置.當電源660在電極610與反電極 650之間提供交流電電位的時候，反電極650向遠離介質630上表面的 方向移動，如此處詳述的，介質630中含有的含納米結構的材料附著 于反電極650上，然后彼此附著，并且可以形成連續(xù)的線或繩640. 含納米結構的材料的線或繩640可以任選地通過可以用來除去包含在 介質630中的液體等的加熱設備或者爐子670.根據另一個備選方案， 可以使用一系列滾子680來輸送線或繩640通過各種附加處理步驟. 例如，如圖6所示，線或繩640可以通過含有需要與該含納米結構線 或繩640混合的第二材料的第二介質690.例如，介質690可以含有聚 合物熔體，這種聚合物熔體可以浸漬含納米結構的材料線或繩640，因 此形成一種復合材料纖維.介質690位于容器695中.然后將繩690 從容器695拉出并且輸送至附加處理步驟，或者堆積在最后的滾子680 上.含納米結構的材料線或繩640可以包含或者基本上由單壁碳納米 管組成.可替換地，含納米結構的材料可以包含或基本上由本發(fā)明前 面提到的任何含納米結構的材料組成.
在本發(fā)明又一實施方案中，涵蓋了同時處理多個尖端的批量型方 法，如圖7所示，可以直接從原材料通過飪刻形成一組尖端710或者 將尖端710安裝在支架720上.將諸如碳納米管的納米結構730的懸 浮液放在容器740中.將扁平的金屬電極750放入同一容器中，將交 流電電源760連接到支架720和扁平電極750上.在尖端710與扁平 電極750之間建立AC場，頻率的一個例子是l KHz-lOGHz.升高容器 740 (或者降低尖端710)直到尖端710與懸浮液730表面相接觸。在一 段固定的停留時間(諸如1秒-10秒)之后，將尖端710與懸浮液730 分開.通過控制電流，懸浮液中含納米結構的材料的濃度，以及停留 時間，有可能使一個納米結構或碳納米管或者一組納米結構或者碳納 米管束附著于每個尖端上.沉積后，可以進一步處理尖端710以提高 結合強度.帶涂層尖端能用作AFM、 STM或者其它掃描探針顯微鏡的 探針，傳感器的微電極或者電化學電池在另一個實施方案中，包括納米物體的導線按照組裝方式形成預
定圖案以便制作電路中不同元件之間的電連接.困8A和8B示出了一 個特定實施例.將含有諸如碳納米管的納米物體的液體液滴850放入 由四個組件810, 820， 830與840限定的區(qū)域中，這四個組件可以是 電路板中的組件.首先在諸如810和830的兩個組件間建立諸如AC場 的電場，直到含有納米物體或者納米管的導線形成并且連通810與 830.然后在820和840之間建立場直到含有所述納米物體的導線形成 并且連通820與840.結果，在四個組件810 - 840間建立了一種交叉 電連接.
圖9A至9E是附著有根據本發(fā)明形成的碳納米管或者納米線920 的尖金屬端910的SEM困像.圖9C是含有根據本發(fā)明方法附著到鎢尖 端的單壁碳納米管(SWNT)束的導線的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像.根 據示例性實施方案，原纖維的直徑可小于1. O微米，優(yōu)選O. 5nm-10 微米，優(yōu)選小于1微米.原纖維的長度可為50 nm - 50微米，優(yōu)選 小于30微米.根據本發(fā)明構造的尖端可以提供l-10微安量級的穩(wěn)定 的電子發(fā)射電流.
困IO為具有大致縱向的軸線Ap的原纖維F的示意困，其附著于具 有錐體軸Ac的基本上為錐形的尖端T上，以便使得原纖維F基本上沿 著錐體軸Ac對齊.也就是說，軸Ap與軸A。相對于彼此限定了一個角度 ct，小于大約15度，優(yōu)選地小于大約IO度.
根據本發(fā)明制造的附著有碳納米管的尖端可用于包括原子力顯微 鏡，掃描隧道顯微鏡，磁力顯微鏡與化學力顯微鏡的掃描探針顯微鏡.
由于諸如碳納米管的納米結構的材料具有大的長徑比與小的直徑，因 而可以獲得更好的成像質量.例如，圖ll示出了一種具有組裝在其尖 端上的納米結構1120的典型的原子力顯微鏡探針1110.圖12示出了 一種其上布置有納米結構1220的掃描電子顯微鏡尖端1210.困13是 一種尖端組裝有納米結構1320的Spindt型電子場發(fā)射體1310.
根據本發(fā)明的另一個方面，提供了以其性能差異為基礎分離納米 結構的材料的技術與裝置.可以分離含有一種或多種含納米結構的材 料的混合物的材料.例如，可以將諸如碳納米管的金屬的和半導體的 納米結構分成兩個子群.例如， 一個是只含有金屬碳納米管的子群， 另一個是只含有半導體碳納米管的子群.在一個特定實施例中，將預中.更優(yōu)選地首先用適當?shù)募夹g將單壁碳 納米管提純以除去雜質相.通過在兩個電極之間施加交流電壓在液體
中建立一個不對稱AC場. 一種建立不對稱電場的方法是使用兩個具有 不同幾何形狀的電極.例如， 一個電極具有平面幾何形狀，另一個具 有尖銳的突出部分，調節(jié)AC場的頻率.由于電性能不同，金屬的和半 導體的碳納米管的極化將具有不同的頻率依賴性.在最理想的頻率下， 金屬碳納米管將比半導體碳納米管更快地向具有突出部分的電極移 動.在另一種情況下，有可能通過調節(jié)頻率以及所用液體，使在一定 條件下金屬碳納米管向一個電極移動而半導體碳納米管向相反電極移 動.在施加電場一定時間后，可以在相反電極表面上從液體中收集每 組材料.此處描述的方法還可以用于將碳納米管與存在于原材料中的 磁性顆粒分離.此方法不局限于碳納米管.它還可根據電性能和/或幾 何形狀用于分離其它納米物體.
圖14示出了根據本發(fā)明的另一個分離技術/裝置的示例性實施方案.
裝置1400包括多個根據一種特定困案排列的電極1402， 1404,根 據示例性實施方案，電極1402， 1404以相對于彼此為90度的角度排 列.但是，應該意識到本發(fā)明也涵蓋很多其它電極困案.電源1406向 電極1402， 1404供給交流電.由于交流電流過電極1402， 1404引起 的邊緣效應出現(xiàn)了不均勻電場.在示例性實施方案中，產生了具有相 對高的強度的電場區(qū)域1408.另外，還產生了具有相對低的電場強度 的區(qū)域1410.
裝置1400可以放在通道或者腔室中，示意性地示于1412處.可 以向腔室或者通道1412中引入含有笫一類型顆粒1416和第二類型顆 粒1418的混合物.含有至少兩種不同類型顆粒的混合物可以有多種形 式.例如，顆粒1416和1418中的至少一種可以包括含納米結構的材 料.根據一個實施例，將顆粒1416和1418放置于一種液體介質內部. 根據另一個實施例，將包括第一類型含納米結構的材料-顆粒1416和 不同的第二類型含納米結構的材料顆粒1418的混合物放置于液體介質 中.可以在腔室或者通道1412的一端引入液體介質，并且使液體介質 例如基本上沿箭頭F所示的方向流動.由于性能的差異，顆粒1416和 1418被施加的電場以不同的方式極化或者影響.例如，笫一類型顆粒1416可能被施加的電場負極化，而笫二類型顆粒1418可能被施加的電 場正極化.因此，由于極性不同，第二類型顆粒1418被保持并截留在 具有相對高的強度的電場區(qū)域1408，并且可能附著在電極1402, 1404 上.相反地，笫一類型顆粒1416由于其極性而未被吸引到具有相對高 的強度的電場1408，而是可以在具有相對低的強度電場區(qū)域1410中沿 著圖14中箭頭F所示的方向流動.這樣，第一顆粒1416可以在腔室 或者通道1412中向下游流動，并且可以在遠離電極的位置被收集到. 第二類型顆粒1418包含于電場1408中，和/或附著在電極1402， 1404 上，并且因此能從電極上回收，
圖15包括根據本發(fā)明的另一個分離技術/裝置的示例性實施方案. 裝置1500包括多個圖案化電極1502, 1504, 1506和1508.向這些電 極施加交流電，根據一個實施方案向所有這些電極施加的交流電的量 相等.然而，電流的施加方式可以使得其相對于其它電極的相位差為 90° .然后可以將裝置1500放在包括至少第一和笫二類型顆粒1510， 1512的混合物中.該混合物可以包括任何上文描述的那些類型的混合 物，由于向笫一與笫二顆粒1510， 1512所施加電場引起的差異與效應， 在這些顆粒與電極1502， 1504， 1506以及1508之間存在這樣的相互
作用，以至于每種顆粒都存在相對運動.特定運動方向取決于兩種不 同類型顆粒1510， 1512中每一種的極化羋.這樣，就引起一種顆粒， 例如1510向裝置1500中心運動，如圖15所示，而引起另一種顆粒 1512向遠離裝置1500中心的方向運動，這樣，用這樣的方式將兩組顆 粒彼此分離.笫一組顆粒1510可以從裝置1500中心處收集，并且實 際上可能附著于電極1502, 1504, 1506和1508上.笫二組顆粒1512 向遠離裝置1500的方向移動，因而可以從較遠的位置回收.
現(xiàn)在參考下列示例性、非限制性實施例進一步地描述本發(fā)明的原理.
實施例
將通過化學浸蝕方法制備的鎢尖端用作工作電極，將小金屬板或 者環(huán)用作反電極.將它們安裝在分開的平移臺架上并且放在光學顯微 鏡下，首先將單壁碳納米管提純，蝕刻至約2微米的束長，并且通過 化學氣化作用進行親水化處理，然后將它們分散在去離子水中.將納 米管懸浮液的液滴放在金屬環(huán)中.為了開始沉積作用，首先在兩個電極之間施加AC場(10V 、 2 MHz).在電場下將尖端電極水平地平移， 使其與納米管/水懸浮液接觸，并且逐漸地拉出，直到形成具有需要長 度的原纖維.
沉積后，在10' torr真空度，800匸下將附著有納米管原纖維的 金屬尖端退火處理1小時以除去剩余溶刑，并且提高納米管與金屬尖 端之間的枯合性以及納米管之間的結合，
使用具有安裝在測微計頭上的尖端作為陰極，相對的金屬板作為 陽極的點-面幾何構造來測量這些尖端的電子場發(fā)射特性.通過平移 測微計頭來調節(jié)兩者之間的距離并且固定為約200mm. 將裝置放在 5xl(T Torr基礎壓力的真空室里面，將來自尖端的總發(fā)射電流收集為 所施加電壓的函數(shù).困16與插圖示出了從一個尖端直徑為約50 nm的 尖端收集的數(shù)據，發(fā)射電流-電壓特征呈現(xiàn)經典Fowler-Nordheim型 特性，在ln(I/V2)與1/V之間具有線性關系.在所施加電壓低于1000V 時，發(fā)射電流達到5 mA,其產生的電流密度估計為2. 5xl05A/cm2 ,
通過監(jiān)測在固定電壓、DC模式下連續(xù)IO個小時內發(fā)射電流隨時間 的變化來測定發(fā)射穩(wěn)定性.圖17顯示了連續(xù)在三個不同電壓下測定的 尖端(直徑為約50 nm)的數(shù)據.當外加電壓分別固定為800 V和1000 V時，發(fā)射電流穩(wěn)定在lmA以及2.8mA，發(fā)射電流沒有出現(xiàn)總體襲減. 使用與陰極串聯(lián)的鎮(zhèn)流電阻，則局部電流波動在lmA時被計算為5%, 而在2. 8mA時為2. .當電壓進一步增加至1200 V時，同一樣品的 發(fā)射電流達到5.5 mA，但是一小時后突然降低為零.甚至在更高電壓 下也檢測不到電流.如圖17所示，SEM測試顯示出W線斷裂以及整個 尖端消失的嚴重損壞.這歸結于在W與原纖維界面處的電阻加熱效應. 在另一個制備的尖端中，得到了穩(wěn)定的6.5 mA的電流.這個不帶鎮(zhèn)流 電阻的樣品的電流波動約為12%,比得上從無鎮(zhèn)流的單個單壁碳納米管 所記錄的值.
如圖18所示，為了記錄尖端1800的發(fā)射困案，將上面測重中使 用的金屬陽極用熒光刑涂夜的ITO (銦-錫-氧化物)玻璃1810代替.用 一臺放置在真空室外面的CCD攝像機記錄發(fā)射電子在熒光屏上形成的 圖像1820.發(fā)射田像1820是從復壁納米管/尖端獲得的.在全部工作 電壓下都能觀察到單個發(fā)射點，這與SEM結果一致，表明在每一鴒尖 端上只錨定一個密堆積碳納米管.在1400 V下熒光屏上亮點的直徑大約為200咖，射束發(fā)散角為50°.大擴展角緣于電場分布呈點-面幾 何形狀，而非來自納米管的場發(fā)射電子的固有發(fā)散角.
盡管已經參考上述實施方案來描述了本發(fā)明，但某些修改和變化 對于本領域普通技術人員來說是顯而易見的，因此，本發(fā)明僅僅由所
附權利要求書的范閨和精神所限制.
權利要求
1.一種將含納米結構的材料附著于物體的尖端上的方法，該方法包括(i)在液體介質中形成含納米結構的材料的懸浮液；(ii)將至少一個電極浸沒在該懸浮液中；(iii)將尖端放入該懸浮液中；以及(iv)在浸沒的電極和尖端上施加直流或交流電，使懸浮液中的至少一部分含納米結構的材料附著于物體最接近于尖端的頂點處。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中的物體包括點電子場發(fā)射源， 原子力顯微鏡的探針，掃描隧道顯微銑的探針，透射電子顯微鏡的電 子源，掃描電子顯微鏡的電子源，磁力顯微鏡的探針，或者顯微光波 干涉儀。
3. 根據權利要求1所迷的方法，進一步包括在步驟(i)之前將含納 米結構的材料官能化的步碟.
4. 根據權利要求1所迷的方法，其中步稞(iii)與(iv)進一步地包 括將尖端向懸浮液表面移動直到在尖端與懸浮液之間建立電連接，保 持電連接一段預定時間，并且將尖端從懸浮液中取出.
5. 根據權利要求4所述的方法，其中含納米結構的材料包括碳納 米管，并且其中步驟(iv)進一步地包括向尖端上附著單個碳納米管， 納米管束，或納米線，或者附著包括許多碳納米管，納米管束或納米 線的原纖維.
6. 根據權利要求5所述的方法，其中單個碳納米管，納米管束， 或納米線的縱軸與尖端錐體軸對齊.
7. 根據權利要求5所述的方法，其中包括納米管，納米管束，或 納米線的原纖維的縱軸與尖端錐體軸對齊.
8. 根據權利要求5所述的方法，其中在原纖維中的納米管，納米 管束或納米線的縱軸與原纖維的縱軸對齊.
9. 根據權利要求5所述的方法，其中原纖維具有圃柱形本體和兩 個末端，其中原纖維的笫一末端附著于尖端頂點，原纖維的笫二末端 具有漸縮幾何形狀，其中漸縮末端的尖端直徑是O. 5nm-100 nm.
10. 根據權利要求5所述的方法，進一步地包括在附著上納米管， 納米管束或納米線后將尖端退火.
11. 根據權利要求1所述的方法，其中步稞(Ui)包括在懸浮液中放置多個尖端.
12. 根據權利要求1所述的方法，其中步稞(iv)包括施加頻率為 10Hz-10GHz的交流電.
13. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟(W )包括施加直流電.
14. 根據權利要求13所述的方法，其中步稞(i)進一步地包括向懸 浮液中添加至少一種化合物以給予含納米結構的材料一種充電特性.
15. 根據權利要求5所述的方法，其中含納米結構的材料包括單壁碳納米管；復壁碳納米管；硅；二氧化硅；鍺；氣化鍺；破氮化物； 硼；氮化硼；二硤屬化物；銀；金；鐵；二氧化鈦；氧化鎵；磷化銦； 或者封裝于納米管內部的磁性顆粒；組成為B,C,N,的納米管；組成為 MS2 (M-鴒，鉬，或者釩的氣化物)的納米管或同心富勒烯中的至少一 種.
16. 根據權利要求4所述的方法，其中一邊施加電流一邊逐漸將尖 端從懸浮液表面拉出，以首先將含納米結構的材料組裝至接近尖端頂 點之處，然后再組裝至已經附著的含納米結構的材料上，從而形成含 納米結構的材料的導線.
17. 根據權利要求16所述的方法，其中形成的導線直徑為 0， 5nm-100 jun,
18. 根據權利要求1所述的方法，進一步地包括在步驟(iv)之后將尖端和含納米結構的材料退火。
19. 一種導線，其直徑為0.5 nm -100 Jim,包含含納米結構的材料.
20. 根據權利要求19所述的導線，其中含納米結構的材料包括碳 納米管.
21. 根據權利要求19所述的導線，其由權利要求16所述的方法形成.
22. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟(iv)包括將一個碳納米 管附著至尖端頂點上，其中碳納米管縱軸與尖端錐體軸對齊，并且其 中遠離頂點的碳納米管末端含有磁性顆粒.
23. 根據權利要求22所述的方法，其中尖端是原子力顯微鏡的探針.
24. 根據權利要求22所述的方法，其中磁性顆粒被碳納米管封裝.
25. —種設備，包括具有一個錐體軸的基本上為圓錐形的尖端，以及包括附著于尖端上并且基本上與尖端的錐體軸對齊的含有納米結 構的材料的原纖維，原纖維的直徑為0. 5 nm - 1. Ojim,
26. 根據權利要求25所述的設備，其中該設備包括點電子場發(fā)射源.
27. 根據權利要求25所述的設備，其中該設備包括原子力顯微鏡， 掃描探針顯微鏡，透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡，磁力顯微鏡， 或顯微光波干涉儀的探針.
28. 根據權利要求25所述的設備，其中含納米結構的材料包括單壁碳納米管；復壁碳納米管；硅；二氧化硅；鍺；氣化鍺；碳氦化物； 硼；氮化硼；二疏屬化物；銀；金；鐵；二氣化鈦；氧化鎵；磷化銦； 或者封裝于納米管內部的磁性顆粒；組成為B,C，N:的納米管；組成為 MS2 (M-鴒，鉬，或者釩的氣化物)的納米管或同心富勒烯中的至少一 種.
29. 根據權利要求25所述的設備，其中原纖維包括單個碳納米 管，多個碳納米管，單個碳納米管束，或多個碳納米管束.
30. —種在多個組件之間建立電連接的方法，該方法包括(i) 在液體介質中形成含納米結構的材料的懸浮液，(ii) 將懸浮液與組件接觸；以及(iii) 在組件上施加直流或交流電，從而在兩者間形成一個電場， 從而使得由連接組件的含納米結構的材料來形成導線.
31. 根據權利要求30所述的方法，其中多個組件包括兩個組件，
32. 根據權利要求30所述的方法，其中多個組件包括四個組件， 步驟(i i)包括將懸浮液與全部四個組件接觸，以及步驟(i i i)包括向笫 一對組件施加直流或交流電以在兩者間形成笫一連接，然后向笫二對 組件施加直流或交流電以在兩者間形成笫二連接.
33. 根據權利要求30所述的方法，其中組件包括布置在電路板上 的組件.
34. 根據權利要求30所述的方法，進一步地包括在附著上納米管， 納米管束或納米線后將尖端退火.
35. 根據權利要求30所述的方法，其中步稞(i i i)包括施加直流電.
36. 根據權利要求35所述的方法，其中步驟(i)進一步地包括向懸 浮液中添加至少一種化合物以給予含納米結構的材料一種充電特性.
37. 根據權利要求30所述的方法，其中含納米結構的材料包括單 壁碳納米管；復壁碳納米管；硅；二氣化硅；鍺；氧化鍺；碳氮化物； 硼；氮化硼；二硫屬化物；銀；金；鐵；二氧化鈦；氣化鎵；磷化銦； 或者封裝于納米管內部的磁性顆粒Fe， Co或Ni;組成為BANz的納米 管；組成為MS2 ( M -鴒，鉬，或者釩的氣化物)的納米管或同心富勒 烯中的至少一種，
38. —種裝置，包括笫一組件； 笫二組件；以及包括含納米結構的材料的笫一導線，該導線附著于第一以及第二 組件，并且在兩者間提供電連接。
39. 根據權利要求38所述的裝置，其中導線由根據權利要求30所 述的方法形成.
40. 根據權利要求38所述的裝置，進一步地包括第三組件； 第四組件；以及包括含納米結構的材料的笫二導線，該導線附著于笫一與笫二組 件并且在兩者間提供電連接.
41. 根據權利要求40所述的方法，其中笫二導線由根據權利要求 30所述的方法形成.
42. 根據權利要求38所述的裝置，其中組件布置在電路板上.
43. —種將混合物中所含的笫一組顆粒與第二組顆粒分離的方法， 其中至少第一與笫二組顆粒的其中之一包括含納米結構的材料，該方 法包括(i) 形成電極的裝置；(ii) 向該裝置施加交流電電源；(iii) 將混合物與該裝置靠近；(iv) 將笫一組顆粒與第二組顆粒進行不同的極化；(v) 依靠極性的不同將笫一組顆粒與笫二組顆粒分離；以及(vi)回收第一或第二組顆粒中的至少一種.
44. 根據權利要求43所迷的方法，其中含納米結構的材料包括碳 納米管.
45. 根據權利要求43所述的方法，其中混合物包括液體介質.
46. 根據權利要求43所述的方法，其中步驟(i)包括形成多個相對 于彼此為90°交叉的電極.
47. 根據權利要求43所述的方法，其中步驟(i)包括形成多個同心 電極.
48. 根據權利要求47所述的方法，其中步驟(ii)包括向每個同心 電極施加與另一個同心電極至少有90。相位差的交流電.
49. 根據權利要求43所迷的方法，其中步壤(v)包括向電極上附著 至少一組顆粒.
全文摘要
一種將含納米結構的材料沉積至物體或基片上的方法，包括一個或多個下列步驟(1)形成含納米結構的材料的溶液或懸浮液，(2)選擇性地向溶液中添加“充電器”，(3)將電極浸沒在溶液中，將需要沉積納米結構的材料的基片或者物體作為其中一個電極，(4)在兩個電極間施加直流和/或交流電電場并持續(xù)一定時間，從而使溶液中的納米結構的材料向基片電極遷移并附著于基片電極上，以及(5)任選地對涂覆的基片進行后續(xù)處理。本發(fā)明還提供了相關物體和設備。本發(fā)明還描述了基于納米結構的性能和/或幾何形狀將其分離的方法。
文檔編號B05D1/12GK101612612SQ20091016463
公開日2009年12月30日 申請日期2003年12月8日 優(yōu)先權日2002年12月9日
發(fā)明者周子剛, 捷 唐, 光 楊, 秦祿昌, 健 章, 耿懷之 申請人:北卡羅來納-查佩爾山大學