CN102917977A

CN102917977A - 用于在网络、织物和膜中对纳米元件进行排列的方法

Info

Publication number: CN102917977A
Application number: CN2011800267125A
Authority: CN
Inventors: D·A·罗伯茨; 林浩钰; T·R·本特森; T·鲁克斯; K·鲁滨逊; H·M·曼宁; R·森; M·蒙泰罗
Original assignee: Nantero Inc
Current assignee: Nantero Inc
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2013-02-06
Also published as: JP6130787B2; JP2013527806A; KR101938425B1; EP2552826A4; EP2552826A1; US9422651B2; US10124367B2; WO2011123560A1; US20110291315A1; KR20130079358A; US20170072431A1; KR20170026652A

Abstract

揭示了一种在纳米管织物层中对纳米管元件进行排列的方法。对纳米管织物层施加定向力使得织物层成为纳米管元件的有序网络。也就是说，纳米管元件网络沿其侧壁拉在一起，并且朝向是基本一致的方向。在一些实施方式中，通过使得圆柱形元件在织物层上滚动来施加该定向力。在其他实施方式中，通过使得摩擦材料经过纳米管织物层的表面来施加该定向力。在其他实施方式中，通过使得抛光材料在纳米管织物层上移动预定的时间来施加该定向力。还揭示了示例性的滚动、摩擦以及抛光设备。

Description

用于在网络、织物和膜中对纳米元件进行排列的方法

相关技术说明

本说明书中涉及相关技术的任意讨论都不应被理解为承认所述技术广为人知或构成本领域普通知识的一部分。

纳米管织物层和膜被用于各种电子结构和电子装置中。例如，Bertin等的美国专利申请第11/835,856号（其通过引用全文结合入本文）揭示了使用纳米管织物层来实现非易失性装置的方法，所述非易失性装置是例如，但不限于，闭塞开关、可编程电阻元件以及可编程逻辑装置。Bertin等的美国专利第7,365,632号（其通过引用全文结合入本文）揭示了在制造基于薄膜纳米管的电阻器中使用所述织物层和膜。Ward等的美国专利申请第12/066,063号（其通过引用全文结合入本文）揭示了使用所述纳米管织物和膜在电子装置和系统中形成传热元件。

利用各种已知技术（在结合的参考文献中有更详细的描述），在形成纳米管织物层或膜之前或之后，纳米管元件可以呈现传导性、非传导性或者半传导性，使得所述纳米管织物层和膜在电子装置或系统中发挥各种功能。此外，在一些情况中，如Bertin等的美国专利申请第11/280,786号（其通过引用全文结合入本文）所揭示，可以在两个或更多个非易失性状态之间调节纳米管织物层或膜的导电性，使得所述纳米管织物层和膜在电子系统中用作存储元件或者逻辑元件。

Ward等的美国专利第7,334,395号（其通过引用全文结合入本文）揭示了使用预成形纳米管在基材元件上形成纳米管织物层和膜的各种方法。所述方法包括，但不限于，旋涂法（将纳米管溶液沉积在基材上，然后使得所述基材旋转，以在所述基材的整个表面均匀地分布所述溶液）、喷涂法（将多个纳米管悬浮在气溶胶溶液中，然后将所述气溶胶溶液分散在基材上）以及浸涂法（将多个纳米管悬浮在溶液中，将基材元件浸入所述溶液中，然后取出）。此外，Sen等的美国专利第7,375,369号（其通过引用全文结合入本文）以及Ghenciu等的美国专利申请第11/304,315号（其通过引用全文结合入本文）揭示了非常适合通过旋涂法在基材元件上形成纳米管织物层的纳米管溶液。

虽然存在各种现有技术对单个纳米管元件-原子力显微探针进行移动和确定方向，例如使用本领域技术人员已知的用于在实验室实验等中对单独纳米管元件的位置进行调节的方法，但是本领域现在越来越多地需要对纳米管元件的较大规模的膜和织物进行排列用于大规模商业应用中。例如，对于物理尺寸规模小于20纳米的基于纳米管织物的电子装置，越来越需要发展更致密的纳米管织物。也就是说，以某种方式形成纳米管织物，从而对尺寸进行限制，或者，在一些情况下，显著地消除了单个纳米管元件之间的间隙和空穴。在另一个例子中，在某些应用中，例如，但不限于，基于纳米管织物的场效应装置、基于纳米管织物的光伏装置以及基于纳米管织物的传感器中，需要纳米管织物层展现出较一致的物理和电子特性。在所述应用中，膜中的纳米管元件的相互朝向会对膜的总体电参数（例如，但不限于，电荷移动性、薄层电阻以及电容）造成显著影响。

小规模纳米管排列技术（例如，但不限于，原子力显微术）通常限于一次对非常少量的纳米管的位置进行调节，并且通常仅在微米范围内进行调节。此外，这类基于实验室的方法不能规模化应用或者被任意大规模商业应用简单地采用。因此，这类方法不能实际用于对大规模膜和织物中的纳米管元件进行排列。

用于对较大规模的膜中纳米管元件调节朝向的各种现有技术涉及当纳米管元件分散体沉积到基材层上，使得分散体经过电场或机械场作用。例如，Ma等（“Alignment and Dispersion of Functionalized Carbon Nanotubes in PolymerComposites Induced by an Electric Field（通过电场诱导使得官能化碳纳米管在聚合物复合物中对齐和分散）”Carbon 46(4):706-710(2008)）揭示了纳米管元件的对齐方法，该方法包括对悬浮在聚合物复合物中的大量官能化多壁碳纳米管施加电场。在电场的作用下，在聚合复合物中的官能化纳米管会以基本一致的朝向调节它们的方向。在另一个例子中，Merkulov等（“Alignment Mechanismof Carbon Nanofibers Produced by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition（通过等离子体增强化学气相沉积制备的碳纳米纤维的对齐机制）”AppliedPhysics Letters 79:2970(2001)）揭示了通过在CVD生长过程中施加电场来引导碳纳米纤维生长的方法。在该方法中，纳米管会趋向于沿着电场线生长。

在膜中调节纳米管元件方向的一些其他现有技术涉及施加机械作用力，将（相对于下方基材平面）垂直生长的纳米管元件压入到基本平行的纳米管的膜中。例如，de Heer等（“Aligned Carbon Nanotube Films:Production and Opticaland Electronic Properties（对准的碳纳米管膜的制备以及光学和电学特性）”Science 268(5212):845-847(1995)）揭示了使用特氟隆或铝板将垂直方向分布的纳米管元件压入到基本对准的纳米管元件的膜中的方法。类似地，Tawfick等（“Flexible High-Conductivity Carbon-Nanotube Interconnects Made by Rollingand Printing（通过滚动和印刷制造的挠性高传导性碳纳米管互连）”Small(Weinheiman der Bergstrasse,Germany)(2009)）揭示了使用辊元件将垂直生长的纳米管元件分布压入基本对准的水平膜中的方法。

但是这些相关技术不需要动用液体载剂（如Ma和Merkulov所揭示的方法），它们需要垂直生长纳米管的分布。所述原位生长的垂直膜的制造和使用限于某些应用。例如，所述垂直纳米管膜的生长通常要求特殊的操作条件（例如，但不限于，高温、某些试剂以及高气压），这不是合乎希望的，或者在某些半导体制备操作中是不便的。例如，所述条件会与某些基材材料不相容。此外，用于使得纳米管生长的催化剂通常是金属或者准金属材料，其难以在高纯度应用中去除。此外，膜的原位生长限制了形成纳米管配制掺混物的能力，例如，半导体与金属纳米管的结合，单壁与多壁纳米管的结合，或者纳米管与其他材料如布基球（buckyball）、二氧化硅或者其他金属颗粒的混合。此外，因为生长没有另外的液体处理来增强管的结合，所以垂直生长膜的粗糙度取决于垂直管的密度和均匀性。垂直纳米管膜的生长的这些限制降低了它们的有限性并限制了它们在大规模商业应用中的可用性。

虽然这些以及其他类似的已知方法提供了对准或者其他任意方式对纳米管元件调整方向的方法，但是它们的限制是需要纳米管元件的湿悬浮液或者垂直方向生长的纳米管元件。在许多应用中，这些限制明显地限制了这些技术在商业应用中的作用。此外，这些已知技术会倾向于限制使得对准的纳米管元件的朝向沿着一个单独的方向。因此，需要一种有效并且较不复杂的方法用于在干纳米管织物（例如，通过在基材上旋涂纳米管施涂溶液形成的纳米管织物）中排列纳米管元件。此外，需要一种方法，根据预先选择的方向在纳米管织物中排列纳米管元件（该方法包括沿着多个方向的纳米管排列）。

发明内容

本发明涉及通过施加定向力在纳米管织物层和膜中排列纳米管元件的方法。

特别地，本发明提供了一种在网络中排列纳米元件的方法。该方法包括首先提供设置在材料层上的纳米元件的网络。该方法还包括向至少一部分的所述纳米元件的网络施加定向力，使得至少一部分纳米元件以规则的网络排列。

根据本发明的一个方面，纳米元件的网络包含纳米管织物。

根据本发明的另一个方面，纳米元件包含碳纳米管、纳米丝及其混合物。

根据本发明的另一个方面，在施加定向力之前，将润滑介质沉积在纳米元件网络上。

根据本发明的另一个方面，用于形成纳米管织物层的方法包括以下步骤：在材料表面形成无序纳米管织物层，在所述无序纳米管织物层上施加定向力使得至少一部分的所述无序纳米管织物层成为纳米管元件的有序网络。

根据本发明的另一个方面，耐刺穿材料包含支撑结构和有序纳米管织物元件，所述有序纳米管织物元件包含至少一层有序纳米管织物层，其中所述有序纳米管织物元件与所述支撑结构固定在一起，从而所述有序纳米管织物元件覆盖了至少一部分的所述支撑结构材料。

根据本发明的另一个方面，有序纳米管织物层包含纳米管元件网络，其中所述纳米管元件的分组以基本一致的方式排列，从而使得所述纳米管元件的分组以基本平行于相邻纳米管元件的方式放置。

根据本发明的另一个方面，有序纳米管织物层包含致密地压紧在一起的纳米管元件网络，显著地使得所述有序纳米管织物层中的间隙最小化。

根据本发明的另一个方面，有序纳米管织物层包含纳米管元件网络，其中单个纳米管元件与相邻纳米管元件间隔的间隙约为1-2nm。

根据本发明的另一个方面，有序纳米管织物层包含纳米管元件网络，其中单个纳米管元件与相邻纳米管元件间隔的间隙约为10nm。

根据本发明的另一个方面，有序纳米管织物层包含纳米管元件网络，其中单个纳米管元件与相邻纳米管元件间隔的间隙约为50nm。

根据本发明的另一个方面，有序纳米管织物层包含官能化纳米管元件的网络，对所述官能化元件的一部分进行涂覆，从而使得单独纳米管元件的侧壁与相邻纳米管元件的侧壁电绝缘。

根据本发明的另一个方面，纳米管织物层包含纳米管元件的有序网络，其中基本所有的纳米管元件沿着纳米管元件的长轴与多个其他纳米管元件平行并接触。

根据本发明的另一个方面，纳米管织物层包含纳米管元件的有序网络，其中微米级颗粒不能透过所述纳米管织物。

根据本发明的另一个方面，纳米管织物层包含纳米管元件的有序网络，其中纳米级颗粒不能透过所述纳米管织物。

根据本发明的另一个方面，通过至少一种旋涂操作形成了无序的纳米管织物层。

根据本发明的另一个方面，通过至少一种喷涂操作形成了无序的纳米管织物层。

根据本发明的另一个方面，通过至少一种浸涂操作形成了无序的纳米管织物层。

根据本发明的另一个方面，通过丝网印刷过程形成了无序的纳米管织物层。

根据本发明的另一个方面，通过凹印或者其他大型膜印刷过程形成了无序的纳米管织物层。

在本发明的另一个方面，通过将圆柱形元件在无序纳米管织物层上滚动来对所述无序纳米管织物层施加滚动力。

在本发明的另一个方面，通过将无序纳米管织物层在材料表面上滑动来对所述无序纳米管织物层施加摩擦力。

在本发明的另一个方面，通过如下步骤对无序的纳米管织物层施加定向力：将柔韧膜放置在CNT表面上，然后用加压气体、冷冻气体的射流或者其他颗粒或液体的射流撞击中间柔韧层的表面。

在本发明的另一个方面，通过使得抛光材料经过无序纳米管织物层的表面来对所述无序纳米管织物层施加抛光作用力。

在本发明的另一个方面，通过对无序纳米管织物层的表面施涂旋转抛光材料来对所述无序纳米管织物层施加抛光作用力。

结合附图提供本发明的以下描述，本发明的其他特征和优点是显而易见的。

附图简要说明

图1显示了纳米管织物上的定向力的平移的力图；

图2A显示了包含纳米管元件的基本无序网络的示例性纳米管织物层；

图2B是包含纳米管元件的基本无序网络的示例性纳米管织物层的SEM图；

图2C显示了包含纳米管元件的高度有序网络的示例性纳米管织物层；

图2D是包含纳米管元件的高度有序网络的示例性纳米管织物层的SEM图；

图3A-3F显示了根据本发明的方法，通过定向力使得基本无序的纳米管织物层成为纳米管元件的有序网络的示例性过程的示意图；

图4所示是通过施加线型定向力使得基本无序的纳米管织物层成为纳米管元件的有序网络的方法的流程图；

图5所示是通过施加两个线型定向力使得基本无序的纳米管织物层成为纳米管元件的有序网络的方法的流程图，分开并以不同的方向施加每一个所述的力；

图6所示是通过施加旋转定向力使得基本无序的纳米管织物层成为纳米管元件的有序网络的方法的流程图；

图7A所示是根据本发明的方法，适用于对纳米管织物层施加定向力的示例性滚动设备的示意图；

图7B显示了图7A所示的示例性滚动设备的运行图；

图8A所示是根据本发明的方法，适用于对纳米管织物层施加定向力的示例性摩擦设备的示意图；

图8B显示了图8A所示的示例性摩擦设备的运行图；

图9A所示是根据本发明的方法，适用于对纳米管织物层施加弧形定向力的示例性摩擦设备的示意图；

图9B显示了图9A所示的示例性摩擦设备的运行图；

图10A所示是根据本发明的方法，适用于对纳米管织物层施加线型定向力的示例性抛光设备的示意图；

图10B显示了图10A所示的示例性抛光设备的运行图；

图11A所示是根据本发明的方法，适用于对纳米管织物层施加旋转定向力的示例性抛光设备的示意图；

图11B显示了图11A所示的示例性抛光设备的运行图；

图12A所示是根据本发明的方法，适用于对纳米管织物层施加定向力的示例性冷冻动力学冲击设备（cryokinetic impingement apparatus）的示意图；

图12B显示了图12A所示的示例性冷冻动力学冲击设备的运行图；

图13A所示是根据本发明的方法，适用于对纳米管织物层施加线型定向力的示例性辊到辊抛光设备的示意图；

图13B显示了图13A所示的示例性辊到辊抛光设备的运行图；

图14A-14B是包含基本无序的纳米管织物层的三层结构的截面图；

图15A-15B是包含有序的纳米管织物层的三层结构的截面图；

图16所示是用于确定在部分有序的纳米管织物层上观察到的摩擦的设备；

图17所示是用图16所示的设备在部分有序的纳米管织物层上观察到的摩擦力的图；

图18所示是包含多层有序的纳米管元件的多层纳米管织物元件的示意图，其中每一层中包含的纳米管元件的方向与相邻层中的纳米管元件的方向不同；

图19A-19C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含通过施加定向滚动作用力有序排列的纳米管元件的网络；

图20A-20C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含用特氟隆或者聚四氟乙烯膜摩擦15次之后部分有序排列的纳米管元件的区域；

图21A-21C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含用特氟隆或者聚四氟乙烯膜摩擦25次之后有序排列的纳米管元件的网络；

图22A-22C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含用硅晶片摩擦250次之后有序排列的纳米管元件的网络；

图23A-23C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含用羊毛摩擦垫以弧形运动对纳米管织物层扫过100次之后有序排列的纳米管元件的网络；

图24A-24C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含用丝绒抛光辊以线型运动对纳米管织物层扫过50次之后有序排列的纳米管元件的网络；

图25A-25C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含通过旋转羊毛抛光垫以60rpm旋转90秒对纳米管织物层施加旋转定向力之后有序排列的纳米管元件的网络；

图26A-26C是示例性纳米管织物层（不同放大倍数）的SEM图，所述纳米管织物层包含无序纳米管元件的网络；

图27A-27C所示是图26A-26C的示例性纳米管织物层成为纳米管元件的网络之后（不同放大倍数）的SEM图，通过将受力的CMP垫沿着纳米管织物层的长度滑动20次之后使得所述纳米管织物层成为纳米管元件的网络；

图28A-28D所示是（不同放大倍数）的SEM图，详细显示了通过冷冻动力学冲击操作使得示例性纳米管织物层成为有序状态；

图29A-29C所示是SEM图，详细显示了通过摩擦操作使得沉积在1018低碳钢基材上的示例性纳米管织物层成为有序状态；

图30A-30D所示是（不同放大倍数）的SEM图，详细显示了通过压电摩擦操作使得示例性纳米管织物层成为有序状态；

图31A-31C是（不同放大倍数）的SEM图，详细显示了通过摩擦操作使得沉积在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基材上的示例性纳米管织物层成为有序状态；

图32A-32D所示是（不同放大倍数）的SEM图，详细显示了通过高压空气流抛光操作使得示例性纳米管织物层成为有序状态；

图33A-33B所示是SEM图，详细显示了通过摩擦操作使得沉积在2024铝合金基材上的示例性纳米管织物层成为有序状态；

图34A-34C所示是SEM图，详细显示了通过使用化学机械抛光（CMP）机器进行摩擦操作使得沉积在氮化钛（TiN）基材上的示例性纳米管织物层成为有序状态；

图35所示是AFM图，详细显示了通过使用电控线性致动器提供冲程长度为1mm的摩擦作用力使得示例性纳米管织物层成为有序状态；

图36所示是AFM图，详细显示了通过使用电控线性致动器提供冲程长度为0.1mm的摩擦作用力使得示例性纳米管织物层成为有序状态；

图37所示是AFM图，详细显示了通过使用电控线性致动器提供冲程长度为0.05mm的摩擦作用力使得示例性纳米管织物层成为有序状态；

图38所示是AFM图，详细显示了通过使用电控线性致动器提供冲程长度为0.01mm的摩擦作用力使得示例性纳米管织物层成为有序状态；

图39A-39D是SEM图，详细显示了通过使用人造丝摩擦垫使得涂覆有硅纳米丝层的示例性纳米管织物层成为有序状态。

具体实施方式

本发明揭示了在纳米管织物层和膜中排列纳米管元件的方法，该方法通过在所述层和膜上施加定向力来完成。可以运用这些方法使得沉积的纳米管织物层中的区域成为一个或多个基本有序的纳米管元件的网络，即纳米管元件基本均匀排列的区域，从而它们沿着它们的侧壁聚集成群。例如，以这种方式可以产生高度致密的纳米管织物。在某些应用中，所述有序的纳米管织物层在纳米管元件之间基本不含间隙和空穴。或者，在另一个例子中，可以产生基本不含大于某一尺寸的间隙和空穴的有序的纳米管织物。此外，在另一个例子中，所述方法可用于实现显著减少了织物中的间隙和空穴数量的纳米管织物。在另一个例子中，根据本发明的方法排列的有序的纳米管织物层包含朝向基本是相同方向的多个纳米管元件。

应注意，本文所用术语“网络”指的是分散在基材表面上的纳米管元件的排列。在某些应用中，纳米管元件的网络较致密，纳米管元件相互紧密地压紧在一起，在一些情况下与相邻纳米管元件缠绕。在其他应用中，纳米管元件的网络较稀疏，在单独纳米管元件之间具有间隙和空间。在某些应用中，具有稀疏网络的单独纳米管元件分隔的间隙约为1-2nm。在其他应用中，所述间隙可以约为10nm。在其他应用中，所述间隙可以约为50nm。

本发明所述的纳米管的织物包含多个互连碳纳米管的层。本发明中的纳米管的织物（或纳米织物），例如非机织碳纳米管（CNT）织物，可以具有例如，相互不规则排列的多个缠结纳米管的结构。或者，或除此之外，本发明的纳米管的织物可以具有例如，一定程度的位置规整性的纳米管，例如一定程度的沿着它们的长轴平行的纳米管。例如，可以在较小尺寸上发现所述位置规整性，其中纳米管的平面阵列沿着它们的长轴排列在一起，约为1个纳米管长和10至20个纳米管宽成排。在其他例子中，可以在较大尺寸上发现所述位置规整性，在某些情况下，有序纳米管的区域基本延伸到整个织物层。所述大尺寸的位置规整性是本发明特别感兴趣的。

由纳米管形成的纳米管的织物保留有所述纳米管所需的物理特性。例如，在一些电学应用中，织物优选具有足量的接触的纳米管，从而存在从织物中的一个给定点到织物中的另一点的至少一个欧姆（金属性）或半导体路径。单壁纳米管的直径通常约为1-3nm，多壁纳米管的直径通常约为3-30nm。纳米管的长度范围可以是例如，约0.2微米至约200微米。纳米管可以是弯曲的并且有时相互交叉。织物中，即纳米管横向或纵向之间可以存在间隙。所述织物可以包含单壁纳米管、多壁纳米管或者两者都有。织物可以具有没有管存在的不连续小区域。可以制备单层织物层或者一层在另一层上的多层织物层。可以对织物的厚度进行选择，薄至基本是单层纳米管或者明显更厚，例如厚度为数十至数百微米。织物的孔隙率可以从具有高孔隙率的低密度织物到具有低孔隙率的高密度织物间变化。例如，可以通过使用化学气相沉积（CVD）法与各种催化剂联用使纳米管进行生长来制备此类织物。用于产生此类织物的其他方法可以涉及对悬浮在合适溶剂中的纳米管进行旋涂技术和喷涂技术，丝网印刷，凹印以及静电喷涂。可以将其他材料的纳米颗粒与纳米管的悬浮液在所述溶剂中进行混合，并通过旋涂和喷涂沉积以形成纳米颗粒分散在纳米管中的织物。在本发明的背景技术部分中引用的相关技术中对这些示例性方法进行了详细描述。

应注意，尽管本发明的大部分描述了用于在纳米管织物中排列纳米管元件的方法，但是本发明的方法并不限于此方面。实际上，本发明的方法可用于将高长宽比的纳米元件（即，长宽比约为4至1的纳米“管状”结构，其中长或宽中的至少一个尺寸小于100nm）排列在各种织物或者网络中。所述纳米元件包含，但不限于，单壁纳米管、多壁纳米管、纳米丝及其混合物。本文所述的纳米丝指的是单纳米丝、非织造纳米丝的聚集物、钠米簇、与包含纳米织物的纳米管缠绕的纳米丝、无光泽纳米丝等。纳米丝（纳米棒）材料的例子是氧化铝、铋、镉、硒化物、氮化镓、金、磷化镓、锗、硅、磷化铟、氧化镁、氧化锰、镍、钯、碳化硅、钛、氧化锌以及另外的混合纳米丝，例如硅锗混合纳米丝或者其他类型的涂覆的混合纳米丝。此外，本发明中所述的纳米元件的网络指的是将这些自由成形和沉积的纳米元件排列在基本平面的配置中。示例性的纳米元件的网络包含，但不限于，本发明中所述纳米管织物层以及对分散在材料表面上的纳米丝进行排列。

如Sen等的美国专利第7,375,369号以及Ghenciu等的美国专利申请第11/304,315号中所述（其都通过引用全文结合入本文），可以通过将纳米管施涂溶液（例如，但不限于，悬浮在水性溶液中的多个纳米管元件）施涂到基材元件上形成纳米管织物和膜。例如，可以使用旋涂方法将纳米管元件均匀地分布在基材元件上，制造基本均匀的纳米管元件层。在其他情况下，可以使用其他方法（例如，但不限于，喷涂法、浸涂法、丝网印刷法以及凹印法）来施涂并将纳米管元件分布在基材元件上。在其他情况下，在材料表面上纳米管的CVD生长可用于实现无序纳米管织物层。此外，Sen等的美国专利申请第61/304,045号（其全文通过引用结合入本文）中揭示了对纳米管施涂溶液中的某些参数进行调整（例如，纳米管密度或者某些离子物质的浓度）来促进或者阻碍在由所述溶液形成的纳米管织物层中的成排的方法，所述成排即纳米管元件沿着它们的侧壁成组在一起并形成致密排状结构的趋势。通过增加纳米管织物层中成排的发生率，可以增加所述织物层的密度，降低所述织物层中的空穴和间隙的数量和尺寸。

应注意，本发明的实施方式中使用和提及的纳米管元件可以是单壁纳米管、多壁纳米管或者它们的混合物，且其长度可以发生改变。此外，纳米管可以是导电性的，半导电性的或者它们的组合。此外，纳米管可以是官能化的（例如，通过硝酸的氧化导致醇、醛、酮或者羧酸部分与纳米管连接）或者非官能化的。

应注意，本发明的方法非常适用于将官能化纳米管元件排列在纳米管织物层中。出于各种理由，纳米管元件可以是官能化的。例如，可以在纳米管元件的侧壁上形成某些部分，以增加这些元件在施涂溶液中的分散。在另一个例子中，形成在纳米管元件的侧壁上的某些部分可以有助于纳米管织物形成的效率。在另一个例子中，可以用某些部分对纳米管元件进行官能化，例如对纳米管元件的侧壁进行电绝缘。可以通过将有机、二氧化硅或者金属部分（或其部分组合）与纳米管元件的侧壁连接对纳米管元件进行官能化。所述部分可以与纳米管元件发生共价相互作用或者通过π-π键保持附着。

对于具有极小电路尺寸的装置，减少或基本消除纳米管织物层中的间隙和空穴是特别有用的，在所述装置中希望是纳米管的均匀分布。例如，当图案化并蚀刻了具有非常少或者仅有非常小间隙和空穴的织物时，有效地保证了剩下的纳米管制品含有纳米管，不会因为织物中的大空穴而缺少纳米管。由于特征尺寸的下降以及如今实施的光刻技术，使得纳米管织物层中间隙和空穴的最小化变得更加重要，以保证蚀刻织物时功能电路元件的产量较高。

例如，在某些应用中，先进的光刻技术可以确定最小特征尺寸（例如，约20nm）。纳米管织物层中的空穴和间隙大于一部分的所述特征尺寸（例如，大于约10nm）会导致非功能或无效的电路元件。通过最小化，或者其他任意方式显著消除纳米管织物层中的间隙和空穴，可以显著降低所述非功能或无效电路元件的发生率。

在一些应用中，通过最小化或者基本消除纳米管织物层中的间隙和空穴，可以增加由所述层制造的纳米管开关装置阵列的密度。Bertin等的美国专利申请系列第11/280,786号（其通过引用全文结合入本文）中描述了一种非易失性二终端纳米管开关结构，所述非易失性二终端纳米管开关结构（至少在一个实施方式中）具有沉积在两个电绝缘的电极元件之间的纳米管织物制品。如Bertin所述，通过将不同电压施加在所述电极元件上，可以在多个非易失性状态之间切换纳米管织物制品的电阻状态。也就是说，在一些实施方式中，纳米管织物制品可以在较高电阻状态（基本导致两个电极元件之间的开路）和较低电阻状态（基本导致两个电极元件之间的短路）之间重复切换。

在其他应用中，较低密度的有序纳米管织物（在某些情况下，约单个纳米管厚度的情况下）可以是高度有益的。例如，某些逻辑应用使用较薄纳米管织物层作为导电平面。这些应用要求通过纳米管织物层的导电路径是基本均匀的。在这些应用中，可以将薄和/或低密度纳米管织物层进行排列成为朝向是一致方向的纳米管元件的有序网络，其中单个纳米管元件倾向于不与相邻的纳米管元件发生交迭或者接触。

所述纳米管开关装置阵列的制造可以包括使纳米管织物层图案化，以实现多个所述纳米管织物制品。纳米管织物层中的间隙和空穴的数量和尺寸会限制可以对所述阵列中的这些纳米管织物制品进行图案化的特征尺寸。例如，在单个纳米管开关装置约为20nm²的纳米管开关装置中（即，每个装置中的纳米管织物制品基本为20nm×20nm），纳米管织物层中的间隙大于，例如约10nm会导致非功能或者无效的纳米管开关装置。例如，对于典型的无序纳米管织物层，在其约25%的表面上会显示出间隙，对于典型的有序纳米管织物层，在其约2%的表面上会显示出间隙。在形成纳米管开关元件阵列之前，通过最小化织物层中间隙的数量，或者限制所述间隙的尺寸，可以显著地降低此类非功能或无效纳米管开关装置的发生率，或者在某些应用中基本消除此类非功能或无效纳米管开关装置的发生率。

在本发明的方法中，通常在其他材料层上（通过，例如一次或多次旋涂操作）形成纳米管织物。在一些应用中，该材料层可以是硅晶片。在其他应用中，该材料层可以是导电性材料，例如，但不限于，钨、铝、铜、镍、钯、氮化钛以及氮化钨。在其他应用中，该材料层可以是半导体材料，例如，但不限于，硅和砷化镓。在其他应用中，该材料层可以是介电材料，例如，但不限于，氧化硅和氧化铝。在其他应用中，该材料层可以是有机半导体材料，例如，但不限于，聚芴聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚（对-亚苯基硫化物）以及聚（对-苯乙炔）。

在某些应用中，可以由刚性材料，例如，但不限于，金属（例如，钢或铝）、陶瓷或者玻璃来形成该材料层。在其他应用中，所述材料层可以由挠性材料，例如，塑料膜或片，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚砜以及多环烯烃形成。在其他应用中，可以在刚性材料（例如，但不限于钢）上形成所需的界面材料（例如，但不限于，氧化硅）以形成刚性结构复合体，其提供了具有所需的第一材料的界面特性以及第二材料的结构特性的基材。

取决于应用的需求，可以由以下材料来形成所述材料层，例如，但不限于：元素硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、PTFE、有机聚合物（包括，但不限于，聚酯、pvc、苯乙烯、聚乙烯醇以及聚乙酸乙烯酯）、烃聚合物（包括，但不限于，聚乙烯、聚丙烯以及聚纤维素(cellulosic)）、无机主链聚合物（包括，但不限于，硅氧烷、聚磷腈）、氮化硼、砷化镓、III/V族化合物、II/VI族化合物、木材、金属，含金属合金以及金属氧化物（包括，但不限于，钢、铝、镍、铁、锰、钛、铜、锌和锡）、陶瓷（包括，但不限于，氧化铝、氧化铈、氧化镁、氧化钛、氧化锡、氧化锌）以及玻璃（包括，但不限于，硅酸盐玻璃、硅酸硼玻璃以及硅酸钠玻璃）。

在本发明的某些实施方式中，可以从材料层中分离出（通过本发明的方法成为纳米管元件的有序网络的）纳米管织物层，以实现独立的纳米管织物层。

在其他应用中，例如大多数纳米管元件的朝向是基本相同方向的有序纳米管织物层，可用于提供展现出较一致电特性或物理特性（例如，但不限于，薄层电阻、载荷子的均匀性以及热传输）的纳米管织物。所述有序纳米管织物可用于制造电子装置和组件，例如，但不限于，非易失性开关元件、基于纳米管织物的逻辑装置以及热传输结构。

在其他应用中，基本不含间隙和空穴的有序的纳米管织物层可用于在相邻材料层上或周围形成保护性阻隔层。例如，可以在较厚的无序纳米管织物层上形成包含纳米管元件的有序网络的薄纳米管织物层。以这种方式，基本不含间隙和空穴的薄的有序纳米管织物层在较厚的无序纳米管层和任意材料层（例如，诸如钨的导电接触层）之间提供了阻隔层，所述任意材料层在之后的加工步骤中沉积在两个纳米管织物层上。在另一个例子中，具有最小化间隙和空穴的有序的纳米管织物层可用于保护下方材料层免受外部污染（例如，水、催化金属以及无定形碳）。所述有序的纳米管织物层可用于，例如，为OLED（有机发光二极管）显示屏或光伏电池形成基本疏水性的保护层。在另一个例子中，所述有序的纳米管织物层可用于实现运输材料的保护性包装。在另一个例子中，所述有序的纳米管织物层可用于在车辆主体面板上形成抗腐蚀层。

在其他应用中，有序的纳米管织物层可用于在材料层上提供低摩擦涂层或者任意其他方式的减少摩擦的涂层。在某些应用中，有序的纳米管织物层（其中，通过本发明的方法使得纳米管元件以基本一致的方法朝向）展现出低摩擦系数。所述有序的纳米管织物层可用于降低机械系统（例如，但不限于，发动机气缸、活塞以及MEMS装置中的移动元件）中移动件之间的摩擦。所述有序的纳米管织物层还可用于在某些物体（例如，但不限于，炊具和滑雪板）上提供低摩擦涂层。

图1显示了纳米管织物120上的示例性定向力的平移的力图。如图1所示，施加的力130以θ角传递到纳米管织物120的表面（在此例子中，在材料层110上形成了纳米管织物120）。当施加的力130沿着方向150在纳米管织物层120上移动时，该施加的力130的垂直分量130b和水平分量130a作用于纳米管织物层120上。施加的力130的水平分量130a在纳米管织物120的平面中整个纳米管织物120上起作用，产生了整个纳米管织物层上的定向力。在本发明的一些实施方式中，所述实施方式中施加的力130的水平分量130a基本是摩擦力，所述施加的力130的垂直分量130b的大小可用于对水平分量的大小进行调节，从而对定向力的大小进行调节。在本发明的下文中将显示，所述定向力在整个纳米管织物上的平移会倾向于使得纳米管织物中的纳米管元件排列成基本沿着定向力路径朝向的有序的网络。定向力在纳米管织物上的平移所作的功将用于排列单独纳米管元件的能量传输到纳米管织物中。在本发明的某些实施方式中，定向力的多次往复（即，定向力多次经过纳米管织物）会对所述能量进行传递，从而通过每一次连续经过使得越来越多的纳米管元件有序排列。

本发明揭示了使得定向力在纳米管织物上以一个或多个方向平移的多种设备。在一些实施方式中，在纳米管织物上施加一次定向力。在其他实施方式中，施加了多次定向力，所述施加的定向力在纳米管织物上的每一次往复沿着基本相同的路径（沿着该路径来回移动，或者对于每一次往复回到起始位置，从而仅以一个单独的方向施加所述定向力）。在一些实施方式中，在整个纳米管织物上施加了（在大小和方向方面）基本均匀的定向力，从而使得织物中的纳米管元件的朝向沿着单一的方向。在其他实施方式中，对于纳米管织物的不同区域选择定向力的大小和方向，从而使得织物中的纳米管元件以预选的模式朝向。应注意，在本发明优选的实施方式中，以非垂直的角度（即θ不等于90度）施加所述施加的力（图1中的130），并多次往复施加。此外，优选使用多次往复而不是少量往复。

通过在纳米管元件的基本无序网络上施加定向力，纳米管元件可以成为基本有序的网络，显著地限制，或者在一些应用中，显著地消除了纳米管元件之间的间隙和空穴，并使得纳米管元件朝向是一个或多个基本一致的方向。应注意，尽管图1显示将线型定向力直接施加到纳米管织物，但是本发明的方法并不限于该方面。根据本发明的方法，可以直接施加该定向力（例如，设备对织物层中的纳米管元件直接施加定向力）或者直接传递该定向力（例如，经过另一种材料施加定向力）。此外，在某些应用中，直接施加到纳米管织物层中的一个或多个纳米管元件的定向力可以通过这些元件传递到织物层中的其他纳米管元件。示例性的定向力包括，但不限于，滚动、摩擦、抛光以及冷冻动力学冲击。可以以线型（即，沿着直线经过织物层的表面）、弧形或者旋转地施加所述的力。

如上所述，应注意，可以在自由成形的、固定的纳米管织物上施加如上所述的定向力。也就是说，在基本干的、完全成形的纳米管织物（即，基本不含使得纳米管在一定范围内移动的任意悬浮介质的纳米管织物）并由多个自由纳米管元件形成的纳米管织物上施加如上所述的定向力。也就是说，以独立的操作形成并得到纳米管元件，从而可以根据具体应用的需求对所述纳米管元件进行纯化、分类以及选择。在某些应用中，这使得用于在纳米管织物中排列纳米管元件的方法基本不受到形成该织物的方法的影响。以这种方式，本发明的方法可用于以所需或者预先选择的密度、几何形状和构造通过各种沉积和成形技术（例如，但不限于，旋涂、喷涂、浸涂、丝网印刷以及凹印）来排列纳米管织物层。

此外，本发明的方法无需对膜进行垂直生长。如上所述，此类垂直生长的膜（以及用于使得它们平坦化成为基本对准排列的现有方法）在许多应用中受到限制。例如，用于使得垂直膜平坦化的现有方法的限制在于，一旦它们平坦化之后就不能对纳米管元件进行再排列。下文中将显示，在某些实施方式中，本发明的方法可用于多次和以多种方向对自由成形的固定的纳米管织物进行排列。在非平坦材料层上形成的纳米管膜中，垂直生长膜的应用也受到限制。在所述应用中，从沉积催化剂层生长的垂直生长纳米管会倾向于遵循下方材料层的形貌。但是，在所述应用中，可以（通过，例如旋涂操作）使得自由成形的固定的纳米管织物在较厚层中沉积，从而提供基本平面的顶表面。然后可以使用本发明的方法使得该自由成形的、固定的纳米管织物的部分或全部排列成纳米管元件的致密、有序网络。

还应注意，尽管垂直生长纳米管膜对生长的纳米管元件的类型和性质有限制，但自由成形的固定的纳米管织物层可以包含独立选择的（在一些情况下，纯化和/或官能化的）纳米管元件。因此，本发明的方法可用于在按预先选择的构造形成的纳米管织物中对纳米管元件进行排列。例如，本发明的方法可用于在由金属纳米管、半导体纳米管或其部分组合的纳米管织物中对纳米管元件进行排列。类似地，本发明的方法可用于在由单壁纳米管、多壁纳米管或其部分组合的纳米管织物中对纳米管元件进行排列。此外，本发明的方法可用于在纳米管与其他材料（例如，但不限于，布基球、二氧化硅颗粒、无定形碳、银纳米管、量子点、胶体银以及单分散聚苯乙烯珠）的复合体的纳米管织物中对纳米管元件进行排列。此外，本发明的方法可用于在由纳米管元件构成的纳米管织物中对纳米管元件进行排列，所述纳米管元件经过官能化，以具有特定的电特性或者以所需的方式在某些物理或化学条件下发生反应。

在本发明的一些实施方式中，通过使得材料表面在纳米管织物上移动对纳米管织物施加定向力。在其他实施方式中，通过使得纳米管织物（例如，与一些基材元件固定）在固定的材料表面上移动来施加定向力。此外，本发明的方法可用于对包含纳米管元件和其他材料的混合物的纳米管织物进行排列。所述材料可以包括，但不限于，布基球、无定形碳、银纳米管、量子点（约2-10nm）、胶体银（约20nm）、单分散聚苯乙烯珠（约200nm）以及二氧化硅颗粒（高至600nm）。本发明的方法可用于在包含单壁纳米管或多壁纳米管（或其部分组合）的纳米管织物中对纳米管元件进行排列。本发明的方法还可用于在包含金属纳米管或半导体纳米管（或其部分组合）的纳米管织物中对纳米管元件进行排列。

在某些应用中，希望仅使得一部分的纳米管织物排列成纳米管元件的有序网络。这些应用可能需要织物的某些区域是有序的而其他区域是无序的，或者可能需要纳米管织物的总体孔隙率降低预定值，从而实现纳米管织物的部分有序。（相比于用于对纳米管膜中的纳米管元件的位置进行调节的现有方法）本发明的方法特别适用于如下应用：通过调节定向力的大小和该定向力在纳米管织物上平移的次数（即，往复的次数）对纳米管织物的有序度进行简单控制的应用。在后续附图讨论中显示并描述了本发明中所述参数的使用以使得纳米管织物层部分有序（或者仅对纳米管织物的预定区域中的纳米管进行排列）。

图2A显示了基本无序的纳米管织物层201，其包含多个相互以不同朝向沉积的纳米管元件210。在该纳米管织物层201中，在整个织物层201中，纳米管元件201之间的间隙和空穴是明显的。换言之，图2A所示的纳米管织物层201可以被认为具有低密度的纳米管元件201，每单元截面积中的纳米管元件210的数量较少。图2B所示是类似于图2A所示的无序纳米管织物层201的纳米管织物层202的SEM图。

图2C显示了包含基本有序的纳米管元件210的网络的纳米管织物层203。也就是说，纳米管织物层203中的纳米管元件210的排列基本一致，从而相邻的纳米管元件203沿着它们的侧壁成组，显著地消除了纳米管元件之间的间隙。换言之，图2C所示的有序纳米管织物层203可以被认为具有高密度的纳米管元件210，每单元截面积中的纳米管元件210的数量较多。图2D所示是类似于图2C所示的有序纳米管织物层203的纳米管织物层204的SEM图。

应注意，图2A和2C中所示已经简单地提供了对于本发明方法的说明，并用于对这些方法进行解释。特别地，对图2A和2C中所示的纳米管元件210的相对尺寸、位置以及密度进行设计，从而从逻辑上说明了无序的纳米管织物层（图2A）以及有序的纳米管织物层（图2C）之间的相对朝向变化，并且其没有按比例绘制。实际上，在两种示例性纳米管织物层201和203中，纳米管元件210相互更靠近地堆积在一起，在相邻纳米管元件210之间基本是交迭和接触的，这对于本领域技术人员是显而易见的。此外，单个纳米管元件210之间的间隙尺寸远小于纳米管元件210的尺寸。图2B和2D（实际上分别是无序和有序的纳米管织物的SEM图）包含提供了所述织物的实际图像，作为图2A和2C中所示的示意图的补充。

图3A-3F显示了使得基本无序的纳米管织物层（例如，图2A和2B中所示的纳米管织物层201和202）成为纳米管元件的有序网络（例如，图2C和2B中所示的纳米管织物层203和204）的示例性过程。图3A-3F中详述的示例性过程是为了介绍本发明的方法，特别是使用定向力使得无序的纳米管织物层成为纳米管元件的有序网络，并有助于（以较高的级别）对其进行讨论。因此，尽管出于概述的目的，图3A-3F中详细描述的示例性过程对使用滚动过程来施加定向力进行了最初的介绍，会在图7A-7C的讨论中对该过程进行更具体的描述。此外，本发明还会（在后续的附图中）对纳米管织物层施加此类定向力的各种其他方法，包括滚动、摩擦、抛光以及冷冻动力学冲击进行详细描述。

在图3A-3F所示的示例性过程中，首先通过三次沉积操作形成基本无序的纳米管织物层。也就是说，进行三次沉积操作（例如，三次旋涂操作），通过三层分开沉积的纳米管元件层实现无序的纳米管织物层，在之前形成的层上形成了每一个后续层。如上所述，可以通过各种沉积方法，例如，但不限于，旋涂法、喷涂法、浸涂法、丝网印刷法以及凹印法来实现该无序的纳米管织物层。此外，在一些应用中，在材料表面上纳米管的CVD生长可用于实现无序的纳米管织物层。可以通过各种因素对单独沉积层的厚度进行选择，包括，但不限于，纳米管施涂溶液的浓度或者用于旋涂操作中的基材的旋转速度。此外，尽管图3A-3F中的示例性过程显示了特定的三次沉积操作，但是纳米管织物层的形成不限于这种方法。实际上，取决于具体应用的需求，可以在单次沉积操作或者多次沉积操作中形成该纳米管织物层。

在以下的图3A-3F中的讨论中详细描述了使用辊设备在无序的纳米管织物层上施加定向力。在此示例性方法中，该定向力沿着线型路径在无序的纳米管织物层上平移，调节下方的纳米管元件成为平行于该线型路径的基本一致的朝向。在一些应用中，在施加的定向力的作用下，单独沉积的层还会相互压缩在一起，因此降低了所有层的厚度。以这种方式，无序的纳米管织物层的一个区域成为纳米管元件的有序网络。

在图3A-3F所示的示例性过程中，使用正交于纳米管织物层平面的作用力使得辊设备抵靠住纳米管织物层，使得当辊设备移动时在纳米管织物层上产生了向下的压力。在一些实施方式中，该压力较小（例如，当辊元件移动经过纳米管织物层时，基本仅是辊元件自身重量的结果，即约10帕斯卡）。在其他实施方式中，所述力较大（例如，约200帕斯卡）。该增加的压力（通过施加正交作用力提供）在辊设备和纳米管织物层之间，并增加了平移经过纳米管织物层的定向力。如上所述，该滚动操作（以及使用正交力以在辊设备和纳米管织物层之间施加增加的压力）会在图7A-7C的讨论中进行更详细的讨论。

现在参考图3A，在第一加工步骤301中提供了基材元件310。该基材元件310可以由各种最符合具体应用要求的材料形成。例如，在一些应用中，基材元件310可以是硅晶片。在其他应用中，基材元件310可以是导电性材料层，例如，但不限于，钨层、铝层、铜层、镍层、钯层、氮化钛层以及氮化钨层。在其他应用中，基材元件310可以是半导体材料层，例如，但不限于，硅层和砷化镓层。在其他应用中，基材元件310可以是介电材料层，例如，但不限于，氧化硅层和氧化铝层。在其他应用中，基材元件310可以是有机半导体材料层，例如，但不限于，聚芴聚噻吩层、聚乙炔层、聚吡咯层、聚苯胺层、聚（对-亚苯基硫化物）层以及聚（对-苯乙炔）层。在一些应用中，可以由刚性材料，例如，但不限于，金属（例如，钢或铝）、陶瓷或者玻璃来形成基材元件310。在其他应用中，所述基材元件310可以由挠性材料，例如，塑料膜或片，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚砜以及多环烯烃形成。

现在参考图3B，在下一个加工步骤302中，在基材元件310上形成了无序的纳米管元件320的第一层。如上所述，可以通过例如旋涂操作、喷涂操作、浸涂操作、丝网印刷操作以及凹印操作来形成该第一层。在一些实施方式中，还可以通过纳米管在材料表面上的CVD生长来形成该层。现在参考图3C，在下一个加工步骤303中，在第一层上形成了无序的纳米管元件320的第二层。现在参考图3D，在下一个加工步骤304中，在第二层上形成了无序的纳米管元件320的第三层。以这种方式，在基材元件310上形成了包含基本无序纳米管网络的基本三层单独沉积层的纳米管织物层。

现在参考图3E，在下一个加工步骤305中，使用滚动设备330对沉积的纳米管织物层施加定向力。该施加的定向力沿着线型方向390在无序的纳米管织物层的表面上平移。所述滚动设备330包括滚动元件330a并经过沉积的纳米管织物层，从而对下方的纳米管元件进行调节，成为平行于滚动方向390基本一致的方向。在一些应用中，滚动设备330经过沉积的纳米管织物层一次。在其他应用中，滚动设备330沿着每次经过基本相同的线型路径经过沉积的纳米管织物层多次（例如，约50次或者在另一个例子中，约250次）。尽管没有在图3E中示出，但是在一些实施方式中，在应用滚动设备330之前将柔韧材料的中间阻隔层（例如，但不限于，PET层）置于沉积的纳米管织物层上。滚动元件330a可以由各种材料制成，包括，但不限于，金属（例如，但不限于，铁、钴、镍、锌、钨、铬、锰、镁、钛、铝及其包含钢族的合金），聚合物包括橡胶、塑料（包括聚苯乙烯）、三聚氰胺、硅酮、聚碳酸酯、聚乙烯，瓷器，玻璃（包括氧化硅以及其他结晶固体），氧化铝，碳化硅以及木材。

现在参考图3F，沉积的纳米管织物层的滚动区域350形成了纳米管元件320的有序网络（如结构306所示）。如图3F所示，该滚动区域350显示在纳米管元件320之间基本无间隙或空穴。在一些实施方式中，可以使用另外的加工步骤以对纳米管元件320的有序网络提供高温退火过程，例如对基材元件310和纳米管织物层在400°C至625°C的范围内烘烤（取决于具体应用的要求）给定的时间（例如，约30分钟）。在一些实施方式中，该高温退火过程有助于防止在对织物的进一步加工中与化学和物理状态的后续接触，避免了有序的纳米管织物层确定朝向之后对其进行扰乱。例如，在某些实施方式中，该高温退火过程可以使得有序的纳米管织物成为基本疏水性的状态，防止了当排列的纳米管与水接触时发生反应。但是应注意，在一些实施方式中，对于某些具体的应用，对于某些化学或物理状态的敏感性可以是有益的。例如，当与具体的化学或物理状态接触时，在织物内展现出局部变化的有序的纳米管织物可用于传感器应用或者用于贮存和/或记录信息的应用中。

应注意，图3A-3F中所示已经简单地提供了对于本发明方法的说明，并用于对这些方法进行解释。特别地，图3A-3F中的不同结构元件的相对尺寸没有按比例绘制。实际上，纳米管元件320远小于滚动设备330，同样地所述元件320之间的实际间隙尺寸也小得多，这对于本领域技术人员是显而易见的。

尽管图3A-3F中所示的示例性过程中沿着单独的线型路径施加了定向力，从而使得纳米管织物层成为有序的状态，但是本发明的方法不限于此方面。实际上，在一些应用中，可以依次以不同的方向施加多个定向力以实现纳米管织物层中的多个区域中的相邻有序区域中的纳米管元件的朝向是不同的方向。在其他应用中，可以在无序的纳米管织物层上施加旋转定向力以形成纳米管织物层中的有序纳米管元件的区域。图4-6显示了根据本发明的方法，使用不同的定向力从而使得纳米管织物成为有序的纳米管元件的网络。

现在参见图4，显示了通过施加线型作用力使得无序的纳米管织物层成为朝向基本沿着单一方向的有序的纳米管元件网络的示例性过程。在示例性过程开始时，提供了包含多个纳米管元件410的无序的纳米管织物层401。然后对无序的纳米管织物层401施加线型定向作用力（例如，以图4所示的方向施加50次滚动作用力）以实现部分有序的纳米管织物层402。部分有序的纳米管织物层402显示出有序的纳米管元件的区域420，其中纳米管元件的朝向是施加的力的方向。该区域420中的纳米管元件沿其侧壁成组在一起，导致所述区域420中基本无间隙或空穴。然后再次沿着相同的方向施加线型定向作用力（例如，再次施加相同的滚动作用力50次）以实现有序的纳米管织物层403。在有序的纳米管织物层403中，基本上所有的纳米管元件410具有沿着施加的力的方向的基本一致朝向。如图4所示，有序的纳米管织物层403基本不含间隙和空穴。

现在参见图5，显示了通过沿着多个方向施加线型作用力使得无序的纳米管织物层成为朝向基本沿着多个方向的有序的纳米管元件网络的示例性过程。在示例性过程开始时，提供了包含多个纳米管元件510的无序的纳米管织物层501。然后对无序的纳米管织物层501以第一方向（如图5所示）施加第一线型定向力，以实现第一部分有序的纳米管织物层502。该第一线型力可以是，例如，施加了20次的摩擦力。第一部分有序的纳米管织物层502显示出有序的纳米管元件的区域520，其中纳米管元件的朝向是第一施加力的方向。该区域520中的纳米管元件沿其侧壁成组在一起，导致所述区域520中基本无间隙或空穴。然后沿着第二方向（如图5所示）施加第二线型定向力，以实现第二部分有序的纳米管织物层503。该第二线型力可以是，例如，以第二方向施加了20次的另一摩擦力。第二部分有序的纳米管织物层503显示出多个区域530，其中纳米管元件的朝向是第二施加力的方向。

应注意，有序区域520中的纳米管元件510（即那些通过施加第一线型力确定朝向的纳米管元件）通常基本不受到施加的第二线型定向力的影响。也就是说，一旦纳米管元件510的区域充分地成为朝向基本沿着第一方向的有序网络，则该区域中的纳米管元件会倾向于保持它们的有序状态，即使经受第二方向的力的作用时，也会比无序的纳米管元件更为显著地抵抗朝向变化。但是应注意，在一些实施方式中，持续施加第二线型定向力会使得纳米管的有序网络成为第二定向力的方向。

如图5所示，第二部分有序的纳米管织物层503包含朝向沿着第一方向的区域520和朝向沿着第二方向的区域530。在两组区域（520和530）中，纳米管元件510沿其侧壁成组在一起，导致这些区域（520和530）中基本不含间隙和空穴。可以通过施加另外的定向力使得第二部分有序的纳米管织物层503中的无序的纳米管元件510的剩下区域成为有序的状态。

现在参见图6，显示了通过使用旋转定向力使得无序的纳米管织物层成为有序的纳米管元件网络（其中织物层的不同区域的朝向明显是多个方向）的示例性过程。在示例性过程开始时，提供了包含多个纳米管元件610的无序的纳米管织物层601。然后对无序的纳米管织物层601施加旋转定向力以提供部分有序的纳米管织物层602。例如，可以通过将羊毛抛光垫以约60转每分钟旋转约90秒来施加该旋转定向力（在图11A和11B中显示了适用于施加该旋转定向力的设备，并在下文中进行详细描述）。部分有序的纳米管织物层602显出有序纳米管元件的多个区域620，其中纳米管元件沿其侧壁成组在一起，导致这些区域620中基本不含间隙或空穴。由于旋转定向力，这些有序的区域620的朝向是不同的方向。可以通过施加另外的定向力使得部分有序的纳米管织物层602中的无序的纳米管元件610的剩下区域成为有序的状态。

应注意，前述的部分有序的纳米管织物层（即分别是图4、5和6中的纳米管织物层402、502和602）显示所述纳米管织物层响应施加的定向力最初开始将它们排列成较窄带。在这方面，还应注意，这些附图与图20A和25B的示例性SEM图中所示的部分有序的纳米管织物是一致的。不希望受理论限制，认为在某些实施方式中，无序的纳米管织物中一定数量的纳米管元件的最初朝向是施加的定向力的方向。响应施加的定向力，与所述某些纳米管元件相邻，但是朝向略微不同的纳米管元件会倾向于调节它们的朝向以匹配那些朝向已经是所需方向的纳米管元件。在这些实施方式中，认为增加（重复）施加定向力会倾向于将越来越多的无序的纳米管元件的朝向调节到与那些最初的纳米管元件的朝向一致，直至最终将整个纳米管织物层调节到基本一致的朝向。

在以较高级别介绍了本发明的方法，特别是以一个或多个方向使用定向力将基本无序的（或者，在一些应用中是部分无序的）纳米管织物层排列成为纳米管元件的有序网络之后，本发明接着要具体讨论用于施加该定向力的各种方法。具体地，图7A-7B详细介绍了使用滚动设备来施加定向力。图8A-8B详细介绍了使用摩擦设备以线型运动施加定向力。图9A-9B详细介绍了使用摩擦设备以弧形运动施加定向力。图10A-10B详细介绍了使用抛光设备以线型方向施加定向力。图11A-11B详细介绍了使用抛光设备来施加旋转定向力。图12A-12B详细介绍了使用冷冻动力学冲击设备来施加定向力。以及，图13A-13B详细介绍了使用辊到辊抛光设备大规模地施加旋转定向力。

现在参见图7A-7B，显示了适用于在纳米管织物层上施加线型定向力的滚动设备。如图3A-3F的示例性过程中的简要描述，在一些应用中，可以通过将圆柱形元件在形成的纳米管层上滚动一次或多次来施加定向滚动作用力。该圆柱形元件可以由各种材料制成，包括，但不限于，金属（例如，但不限于，铁、钴、镍、锌、钨、铬、锰、镁、钛、铝及其包含钢族的合金），聚合物包括橡胶、塑料（包括聚苯乙烯）、三聚氰胺、硅酮、聚碳酸酯、聚乙烯、瓷器、玻璃（包括氧化硅以及其他结晶固体），氧化铝，碳化硅以及木材。在一些实施方式中，该圆柱形元件直接施加到纳米管织物层上。在其他实施方式中，将中间层（例如，但不限于，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜层）置于纳米管织物层和圆柱形元件表面之间。在一些实施方式中，所述圆柱形元件在形成的纳米管层上滚动一次。在其他实施方式中，所述圆柱形元件在形成的纳米管层上滚动约50次。在其他实施方式中，所述圆柱形元件在形成的纳米管层上滚动约250次。在一些实施方式中，当圆柱形元件经过纳米管织物层时，没有对其施加另外的向下作用力，也就是说，基本仅有圆柱形元件的重量引起了施加的向下作用力（当辊设备移动经过纳米管织物层时，对其提供例如约500帕斯卡的压力）。在其他实施方式中，例如，通过使用压制机械装置或者通过使用滚动设备，对圆柱形元件施加了（例如，约50牛，又或者例如约500牛）的另外的向下作用力，所述滚动设备通过一对以固定距离分开的圆柱形辊经过纳米管织物涂覆的基材元件。在此类实施方式中，当辊设备移动时该另外的向下作用力对于纳米管织物层提供了明显更多的压力（例如，约20,000帕斯卡）。

图7A和7B分别是示意图和应用图，显示了适用于根据本发明的方法对沉积的纳米管织物层施加滚动作用力的示例性滚动设备700。涂覆有纳米管织物层的基材元件710沿着方向790从上辊元件720和下辊元件730之间经过。通过调节机械装置740，所述上辊元件720在框架750中是可调节的，从而可以沿着方向795对基材元件710施加所需的滚动作用力，并且当沉积在基材元件710上的纳米管织物层从上辊元件720和下辊元件730之间经过时，所述上辊元件720移动经过所述沉积在基材元件710上的纳米管织物层。以这种方式，可以在纳米管织物层上施加一次或多次滚动作用力，使得纳米管层成为有序纳米管元件的网络。（在下文中详述的）图19A-19C所示是经过施加该定向滚动作用力之后的示例性纳米管织物层的SEM图。

现在参见图8A-8B，显示了适用于在纳米管织物层上施加线型定向力的摩擦设备。在一些应用中，可以通过首先在基材层上形成纳米管织物层，之后将该纳米管织物层在摩擦表面上（所述纳米管织物层与摩擦表面发生直接接触）滑动一次或多次，来对纳米管织物层施加定向摩擦力（如图8A-8B的示例性设备中所示）。在其他应用中，可以使得摩擦表面在形成的纳米管织物层上移动（也就是说，将纳米管织物层固定，使得摩擦元件进行移动，例如图21的示例性设备中所示）。在本发明的方法中，所述摩擦元件包含平坦材料板，该平坦材料板为纳米管织物提供了光滑界面以最小化对纳米管织物的磨损或划痕。所述摩擦表面或者摩擦元件可以由各种材料形成，包括，但不限于，元素硅晶片的光滑表面、聚四氟乙烯（PTFE）、乙酸纤维素、纤维素（例如，人造丝）、聚酯（例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丁酯）、聚酰胺（例如市售可得的尼龙）、聚合材料（纤维、泡沫、织物或者膜形式），包括前述聚合物材料类型或者天然材料（例如，皮革、纤维素材料，如纤维或片）的掺混物以及半刚性浆料（例如，但不限于，淀粉和水的半刚性浆料）。

在一些实施方式中，纳米管织物层经过摩擦表面一次。在其他实施方式中，纳米管织物层经过摩擦表面约20次。在其他实施方式中，纳米管织物层经过摩擦表面约200次。在一些实施方式中，纳米管织物层以单向移动经过摩擦表面（也就是说，使得摩擦表面从起始位置仅推进预定的距离，然后从摩擦表面提起并回到该起始位置进行后续的摩擦次数）。在其他实施方式中，纳米管织物层以双向移动经过摩擦表面（也就是说，使得摩擦表面从起始位置仅推进预定的距离，然后将摩擦表面再次拉回到该起始位置）。

在一些实施方式中，对基材元件和/或摩擦表面施加正交力（垂直于定向力施加），从而对两种材料之间的压力进行调节，当定向力平移经过纳米管织物层时调节其大小。在一些实施方式中，通过该另外的向下作用力提供的压力约为300至800帕斯卡。在其他实施方式中，通过该另外的向下作用力提供的压力可以大于1000帕斯卡。在某些实施方式中，该压力可以改善下方纳米管织物层变得有序的速度和质量，只要该压力不破坏或者以任意其他方式融除织物层即可。

图8A和8B分别是示意图和应用图，显示了适用于根据本发明的方法对纳米管织物层施加定向摩擦力的示例性摩擦设备800。在该例子中，在基材元件810上形成了纳米管织物，然后使得基材元件810移动经过固定的摩擦表面820。（使用真空泵870）使（涂覆有纳米管织物层的）基材元件810紧靠住真空盘840并靠着摩擦表面820放置，从而使得纳米管织物层抵靠住摩擦表面820。使载体机械装置850紧靠着真空盘840周围，用于沿着方向890推动基材元件810经过摩擦表面820。将砝码元件860放在真空盘840的顶上，从而增加施加在纳米管织物层和摩擦表面820之间的压力。当推动基材元件810经过摩擦表面820时，由砝码元件860提供的方向895的另外的作用力以方向890传递到纳米管织物层。以这种方式，可以在纳米管织物层上施加一次或多次摩擦力，使得纳米管层成为有序纳米管元件的网络。图20A-20C、21A-21C以及22A-22C所示是施加了所述定向摩擦力之后的纳米管织物层的SEM图（在下文中详述）。

现在参见图9A-9B，显示了适用于以弧形运动在纳米管织物层上施加定向力的摩擦设备。在一些应用中，可以通过使得摩擦元件以弧形运动经过成形的纳米管织物层的表面来对所述纳米管织物层施加定向摩擦力。例如，可以使用化学机械抛光（CMP）机器使得摩擦垫以浅弧形在沉积在基材元件上的纳米管织物层上来回经过（基材位于CMP机器的真空盘中的固定位置）。该摩擦垫通常可由聚氨酯材料形成，但是可以包含其他材料，包括，但不限于，聚酯和聚酰胺微纤维，其他形式的聚酯（例如，纤维、泡沫、织物或者膜形式的聚酯）、聚酰胺以及其他聚合物、苯乙烯、聚乙烯醇泡沫、棉、羊毛、纤维素和人造丝。

图9A和9B分别是示意图和应用图，显示了适用于根据本发明的方法对沉积的纳米管织物层以弧形移动施加定向力的第一示例性摩擦设备900。载体组件940中设置有涂覆了纳米管织物层的基材元件910。通过可调节臂950绕着枢轴机械装置960使得载体组件940以弧形经过（固定在装置表面970中的）摩擦表面920，从而使得沉积在基材元件910表面上的纳米管织物层以方向990经过摩擦表面920。以这种方式，可以在纳米管织物层上施加一次或多次摩擦定向力，使得纳米管层成为有序纳米管元件的网络。（在下文中详述的）图23A-23C所示是经过施加该定向摩擦力之后的纳米管织物层的SEM图。应注意，如图23A-23C所示，通过以宽弧形移动施加摩擦定向力而变得有序的纳米管织物会倾向于以基本线型的方向变得有序。

现在参见图10A-10B，显示了适用于以线型运动在纳米管织物层上施加定向力的抛光设备。当圆柱形抛光元件（以旋转圆柱体与纳米管织物层接触的方式）线型重复经过纳米管织物层区域数分钟时，可以将该圆柱形抛光元件以约15至20转每分钟（RPM）旋转，所述圆柱形抛光元件是例如，涂覆有软抛光材料（例如，但不限于，羊毛和丝绒）并绕其长轴旋转的刚性圆柱体。合适的抛光材料包括，但不限于，聚酯和聚酰胺微纤维，其他形式的聚酯（例如，纤维、泡沫、织物和膜形式的聚酯）、聚酰胺和其他聚合物、苯乙烯、聚乙烯醇泡沫、棉、羊毛、纤维素和人造丝。可以对当抛光材料经过纳米管织物层时施加的力进行选择，从而增加两种材料之间的压力。例如，在一些实施方式中，对该施加的力进行选择从而对抛光材料靠着纳米管织物层的绒毛压缩约50%。在一些实施方式中，防止该作用力使得抛光材料的绒毛完全压缩并使得抛光材料的背衬与纳米管织物层发生物理接触是重要的。在此类实施方式中，所述接触会导致背衬层刮擦或其以任意其他方式破坏纳米管织物层。当抛光材料经过纳米管织物层时，该另外的作用力在纳米管织物层上平移，在织物上产生了定向力。在一些实施方式中，该施加的力对纳米管织物层产生约5至100帕斯卡的压力。在其他实施方式中，该施加的力会导致约500帕斯卡的压力。

图10A和10B分别是示意图和应用图，显示了适用于根据本发明的方法对沉积的纳米管织物层施加定向力的第二示例性抛光设备1000。将涂覆有纳米管织物层的基材元件1010固定在真空台1070上。将圆柱形抛光元件1020放置在轨道元件1050中，从而覆盖了圆柱形抛光元件1020表面的抛光材料抵靠着沉积在基材元件1010上的纳米管织物层放置。圆柱体辊1020以方向1090（以例如60rpm）进行旋转并在轨道元件1050中移动，从而通过圆柱形抛光元件1020施加的力在沉积到基材元件1010上的纳米管织物层上平移。以这种方式，可以在纳米管织物层上施加一次或多次抛光作用力，使得纳米管层成为有序纳米管元件的网络。（在下文中详述的）图24A-24C所示是经过施加该抛光定向力之后的纳米管织物层的SEM图。

现在参见图11A-11B，显示了适用于在纳米管织物层上施加旋转定向力的抛光设备。可以通过将抛光元件在形成的纳米管织物层的表面上进行旋转来施加旋转定向力。例如，可以将抛光垫放置在纳米管织物层上并进行预定时间（例如，约90秒）的旋转。用于抛光元件的合适的材料，包括，但不限于，聚酯和聚酰胺微纤维，其他形式的聚酯（例如，纤维、泡沫、织物或者膜形式的聚酯），聚酰胺和其他聚合物，苯乙烯，聚乙烯醇泡沫，棉，羊毛，纤维素和人造丝。在一些实施方式中，可以根据具体的但尼尔规格对抛光材料进行选择（但尼尔是纺织品的特性，指的是9000m纤维的重量，单位是克）。在一些实施方式中，当抛光元件在纳米管织物层上旋转时对抛光元件施加另外的作用力，以增加两种材料之间的压力。当抛光元件旋转时，该另外的作用力在纳米管织物层上平移。在一些实施方式中，该施加的力会对纳米管织物层产生约2至5帕斯卡的压力。在其他实施方式中，该施加的力会导致约100帕斯卡的压力。

图11A和11B分别是示意图和应用图，显示了适用于根据本发明的方法对沉积的纳米管织物层施加旋转抛光作用力的示例性设备1100。将涂覆有纳米管织物层的基材元件1110固定在真空台1170上。将抛光元件1120固定在旋转组件1140中，并安装有调节臂1150，从而抛光元件1120抵靠住沉积在基材元件1110上的纳米管织物层放置。然后抛光元件1120在原位以方向1190旋转（例如，以60转每分钟旋转60秒）。以这种方式，可以在纳米管织物层上施加旋转抛光作用力，使得纳米管层成为有序纳米管元件的网络。（在下文中详述的）图25A-25C所示是经过施加该旋转抛光力之后的纳米管织物层的SEM图。

现在参见图12A-12B，显示了适用于在纳米管织物层上施加定向力的冷冻动力学冲击设备。可以使用冷冻动力学方法向纳米管织物层施加定向抛光作用力。图12A-12B显示了根据本发明的方法适合使用的示例性冷冻动力学冲击装置。在该装置中，施涂棒1250用于引导以浅角度（例如，相对于纳米管织物层平面约为15度）较高速率（例如，以约60PSIG的压力推动）在纳米管织物层1210上喷射冷冻颗粒1220。这些冷冻颗粒1220的冲击提供了定向力，当施涂棒1250沿着方向1290移动时所述定向力在纳米管织物层1210上平移。在该系统中，冷冻颗粒1220可以是冷冻气体（例如，但不限于，二氧化碳（CO₂）或者氩气）的米粒大小的颗粒（例如，直径约为0.125英寸）。

图12A和12B所示分别是冷冻动力学冲击系统的示意图和应用图。纳米管织物涂覆的晶片1210与真空盘1230固定，从而在抛光操作中的位置固定。通过空气软管1270和粒料供给软管1260向施涂棒1250进料，从而引导了冷冻粒料1220在纳米管织物涂覆的晶片1210上的喷射。造粒机单元上的控制器1280用于对物流1220的速率和数量进行控制。在示例性抛光操作中，施涂棒1250以浅角度放置并沿着方向1290在纳米管织物覆盖的晶片1210上移动。

尽管没有在图12A和12B中示出，但是在一些实施方式中，在施加冷冻动力学喷射1220之前，将柔韧材料的中间阻隔层（例如，但不限于，PET层、塑料薄膜（例如，基于聚偏二氯乙烯的保鲜膜）或者薄箔膜）放置在沉积的纳米管织物层上。在此类实施方式中，该柔韧材料层可用于保护下方纳米管织物层1210并保护单个纳米管元件免受高速喷射1220下的融除。在一些实施方式中，该柔韧材料层还可用于将冷冻动力学喷射作用力高效地传递到纳米管织物。以这种方式，可以在纳米管织物层上施加一次或多次抛光作用力，使得纳米管层成为有序纳米管元件的网络。（在下文中详述的）图28A-28D所示是经过施加该冷冻动力学冲击作用力之后的纳米管织物层的SEM图。

在其他应用中，（相对于如上所述的冷冻动力学冲击操作）可以通过使用喷射高压气体或液体（例如，空气枪）实现类似的变得有序的操作。在该高压流抛光操作中，空气枪可用于使得气体（例如，但不限于，氮气）在无序的纳米管织物层上流动，使得该织物层成为纳米管元件的有序网络。通过冷冻动力学冲击操作，在一些实施方式的高压气流操作中，当进行空气流动操作时，可以在纳米管织物层上使用柔韧保护性层（例如，但不限于，PET层、塑料薄膜（例如，基于聚偏二氯乙烯的保鲜膜）或者薄箔膜）。图32A-32D显示了示例性高压空气流抛光操作，并在下文中进行详细描述。

现在参见图13A-13B，显示了适用于在纳米管织物层上施加定向力的辊到辊抛光设备。涂覆有基本无序的纳米管织物1310a的挠性材料1310（例如，但不限于，纸、塑料或者金属箔）在第一辊1350和第二辊1360之间沿着方向1395传递。在图13A和13B所示的示例性辊到辊抛光设备中，圆柱形抛光元件1320抵靠着无序的纳米管织物层沿着方向1320旋转，无序的纳米管织物层在所述圆柱形抛光元件1320下面，在第一辊1350和第二辊1360之间传递。该圆柱形抛光元件1320的组成和使用如上图10A和10B中所示，并进行了详细描述。通过圆柱形抛光元件1320施加的定向力使得（通过施涂器1340沉积的）无序的纳米管织物层1310a中的纳米管元件排列成为有序的纳米管的网络1310b。以这种方式，可以将大规模的纳米管织物排列成有序的纳米管织物层。

应注意，尽管在图13A和13B中示出了圆柱形抛光元件1320，但是本发明的该方面的方法不限于此方面。实际上，本发明中所述的任意滚动、摩擦和抛光方法可用于图13A和13B中所示的辊到辊系统。此外，在某些应用中，例如如图13A和13B所示的辊到辊抛光设备还可以包含施涂器机械装置和干燥机械装置，其可用于当挠性材料1310上的纳米管织物在第一辊1350和第二辊1360之间传输时对其进行沉积和干燥。

在其他应用中，可以将压电材料层放置在无序的纳米管织物层上并对织物层施加定向力。在该应用中，压电材料会响应某些电刺激产生振动，有效地产生在纳米管织物层上平移的摩擦力。在某些应用中，会形成一层压电材料，从而仅对纳米管织物层中的一个或多个预先选择的区域施加所述定向力。在所述应用中，所述预先选择的区域会成为纳米管元件的有序网络，余下的区域仍是基本无序的。所述选择性有序的纳米管织物层是有用的，例如，作为光刻操作中的掩模或印刻装置。如图30A-30D所示是示例性压电摩擦操作，并在下文中进行详细描述。

如上所述，CMP机器（通常容易在半导体制备设施中得到的抛光/平面化设备）是非常适用于（在某些应用中）对纳米管织物施加定向力的装置。例如，CMP机器可用于使得抛光元件或摩擦元件以弧形或线型路径经过沉积在硅晶片上的纳米管织物层（以类似于图9A和9B中所示的示例性设备的操作）。在另一个例子中，CMP机器可以用于使得抛光元件或摩擦元件在沉积在硅晶片上的纳米管织物层上旋转（以类似于图11A和11B中所示的示例性设备的操作）。

在某些应用中，可以使用润滑介质将抛光元件或摩擦元件施加到纳米管织物层。所述润滑介质可以包括，但不限于，水,卤烃（包括，但不限于，以下液体：含卤素的醇，烷基亚硝酸盐，烷醇，有机胺，氟化化合物以及全氟代碳化合物，全氟己烷，全氟庚烷氯碳化合物，全氟化或者基本氟化的有机化合物包括：全氟己烷、全氟(2-丁基-四氢呋喃以及全氟聚醚)，液化气体（包括，但不限于，二氧化碳（CO₂）和液体氙气），液态烃（包括，但不限于，C₃-C₁₂烷烃、C₈-C₁₆芳基烷烃、C₁₀-C₂₅芳基环烷烃、C₆-C₁₂芳烃、甲苯和二甲苯），官能化有机液体（包括，但不限于，含酮、醛、酯、醚、酰胺、醇、C₂-C₁₂醚、DME、甘醇二甲醚、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、丙酮以及四氢呋喃的官能化有机液体），基于有机硅氧烷的环状和线型液体（包括，但不限于，聚二甲基硅氧烷环状和线型液体的组以及聚苯基硅氧烷环状和线型液体的组），以及固体（包括，但不限于，二硫化钼、氮化硼、石墨以及苯乙烯珠）。

在这些应用中，所述润滑介质可以通过限制抛光（或摩擦）元件与纳米管织物表面之间的拖拉以有助于施加定向力。例如，在以较高压力施加摩擦元件从而变得有序的操作中，润滑介质可用于保证在纳米管织物的整个表面上均匀施加所产生的定向力。

在一些应用中，可以在变得有序的操作之前对抛光/摩擦垫施加润滑介质（例如，用水对抛光/摩擦垫进行润湿）。在其他应用中，在应用抛光/摩擦垫之前可以将润滑介质沉积到纳米管织物上。在该应用中，以如下方式对润滑介质进行选择和/或施加：不产生任意明显的纳米管织物中的纳米管元件再悬浮进入到施加的润滑介质中。

应注意，尽管（如上所述）在某些应用中使用润滑介质是有益的，但是在其他应用中这在变得有序的操作中可能是有问题的。例如，在某些应用中，施加润滑介质会使得纳米管元件从基材表面完全离开。在另一个例子中，（在某些应用中）润滑介质会与纳米管元件产生（物理或化学）反应，对无序的纳米管织物层造成破坏或者其他方式的负面影响。

还应注意，通过本发明的方法对纳米管织物层中的纳米管元件进行排列还提供了相比于无序的纳米管织物层为高度光滑的纳米管织物。在某些应用中，这些较光滑的织物层对后续材料层的沉积提供了最优化的表面。例如，所述有序的纳米管织物层预期在整个层上具有基本均匀的厚度，降低了织物中薄区域的可能性，所述薄区域在一些应用中可能会使得后续沉积层渗透通过纳米管织物层。

为此，图14A和14B显示了沉积在基材层1410上的基本无序的纳米管织物层1420的截面图。在无序的纳米管织物层1420上进一步沉积了材料的顶层1430，以产生三层结构。图14A是该三层结构的SEM图1401，而图14B是相同结构的画线图。在两个图（1401和1402）中可以发现，基本无序的纳米管织物层1420显示出非均匀的厚度，在基材层1410和顶材料层1430之间具有多个“薄点”。

相反地，图15A和15B显示了沉积在基材层1510上的有序的纳米管织物层1520的截面图。相比于上述图14A和14B的结构，在有序的纳米管织物层1520上进一步沉积了材料的顶层1530，以产生三层结构。图15A是该三层结构的SEM图1501，而图15B是相同结构的画线图。在两个图（1501和1502）中可以发现，无序的纳米管织物层1520的厚度均匀性有了明显的改善（相比于图14A和14B中的无序的纳米管织物层1420），在基材层1510和顶材料层1530之间提供了更均匀的间距。

还应注意，在某些实施方式中，有序的纳米管织物层的摩擦系数降低（相比于无序的纳米管织物层），可用于制备低摩擦涂层。例如，可以在内燃机中的汽缸的内表面上形成纳米管织物层，然后使得该纳米管织物层成为有序的状态。然后该有序的织物可用于减小活塞在汽缸内移动时的摩擦系数。在另一个例子中，可以在机械化系统中的齿轮、轴承、轴以及其他机械部件的匹配表面上形成有序的纳米管织物层。该涂层会降低这些部件的匹配表面之间的摩擦，降低磨损并延长单个部件的寿命和系统自身的寿命。在另一个例子中，所述有序的纳米管织物层可用于在微型机电系统（MEMS）中提供纳米级低摩擦表面和涂层。

图16和17显示了在部分有序的纳米管织物层上进行实验，证实相比于无序的纳米管织物层，有序的纳米管织物层的摩擦系数下降。在硅基材1670上形成了纳米管织物层1610，并将该纳米管织物层1610切割成约4cm宽，20cm长的条。然后使得纳米管织物层1610选择性地成为有序的状态，从而实现如图17所示的沿着条长度的五个区域（1710a-1710e）。然后用抛光垫1650缠绕并固定住切割的SiO₂晶片1640（尺寸约为4cm×4cm），从而形成刚性摩擦元件并放置在选择性有序的纳米管织物层1610上。将（约75g）的砝码元件1660放置在（由抛光材料1650和晶片1640形成的）该刚性摩擦元件上，当摩擦元件沿着纳米管织物层1610的长度拉动时提供向下作用力。然后使用测力计1630和滑轮元件1680使得抛光材料1650沿着方向1690在纳米管织物层1610的长度上滑动。

现在具体参见图17，显示了使用测力计（图16中1630）观察到的摩擦力，并绘制了当刚性摩擦元件沿着方向1790（该方向对应于图16中的方向1690）在纳米管织物层上拉动时刚性摩擦元件的物理位置。如上所述，纳米管织物层条（图16中的1610）成为了5个区域。作为实验的对照区域，区域1710a、1710c以及1710e仍是基本无序的。区域1710b成为了纳米管元件的有序网络，所述纳米管元件的朝向垂直于方向1790（即，垂直于摩擦元件的路径）。区域1710d成为了纳米管元件的有序网络，所述纳米管元件的朝向平行于方向1790（即，平行于摩擦元件的路径）。

从图17中可以明显地看出，当刚性摩擦元件经过区域1710c的无序的纳米管织物层时，观察到的摩擦力约为0.310N。当刚性摩擦元件经过区域1710b的垂直朝向的纳米管织物层（相对于摩擦力的方向）时，观察到的摩擦力约为0.245N，相对于对照区域1710a、1710c和1710e的摩擦减少了约21%。当刚性摩擦元件经过区域1710d的平行朝向的纳米管织物层（相对于摩擦力的方向）时，观察到的摩擦力约为0.235N，相对于对照区域1710a、1710c和1710e的摩擦减少了约24%。

还应注意，尽管本发明的大部分描述了从基本无序的纳米管织物得到纳米管元件的有序网络的方法，但是本发明的方法并不限于此方面。实际上，本发明的方法还可用于使得部分有序的纳米管织物层成为更加高度有序的纳米管织物层。例如，可以通过上文所述的本发明的各种实施方式施加定向力使得（通过，例如Sen等美国专利申请第61/304,045号中所揭示的方法形成的）成排纳米管织物层成为完全有序的纳米管织物层。

在某些应用中，可以在较厚纳米管织物层上施加定向力。在此类应用中，即使重复施加定向力，可能也仅使得厚纳米管织物层表面附近的那些纳米管成为纳米管元件的有序网络。也就是说，可以将所得的结构描述为与较厚的无序纳米管织物层相邻的薄而有序的纳米管织物层。该结构可用于在包含无序的纳米管织物层的基材元件上实现有序的纳米管织物层。在某些实施方式中，还可以通过对无序的纳米管层的相反表面施加定向力对该结构（在无序的纳米管织物层上形成的有序的纳米管织物层）进行进一步调节，使得所述相反表面成为有序的纳米管元件的网络。在该实施方式的某些应用中，初始沉积的厚纳米管织物层沉积在牺牲基材元件上，去除所述牺牲基材元件或以任意其他方式使得所述牺牲基材元件挥发，以对无序的纳米管织物层的相反表面施加所述力。在该实施方式的某些方面，可以将所得结构描述为在两个薄而有序的纳米管织物层之间形成有无序的纳米管元件的较厚层的结构。

还应注意，尽管本发明所示的各种附图和例子以及所述的方法特别地涉及半导体制备，但是本发明的方法不限于此方面。事实上，包含有序的纳米管织物层的纳米管织物可用于各种系统和装置中。例如，在某些实施方式中，该纳米管织物基本是气体不可透过的，可用于制备气体容器（例如，但不限于，氧气罐和浮选装置）。在其他实施方式中，该纳米管织物层基本是疏水性的，并可用作（例如，太阳能板上的）抗湿涂层或抗腐蚀涂层。在其他实施方式中，该纳米管织物层对于某些微粒污染物是基本不可透过的，并可用于保护性阻隔层的制备。在其他实施方式中，该纳米管织物层对于某些生物有害物质（例如，细菌）是基本不可透过的，并可用于生物过滤器等的制备。在其他实施方式中，该纳米管织物可用作透明或半透明保护性涂层，该保护性涂层可施涂在其他材料（例如，车辆底盘）上，以防止漆刮擦或者作为安全玻璃中的粘结剂。在其他实施方式中，该纳米管织物具有高度抗压性和耐磨性（并且仍然是较薄的），并可用于制备高应力机械部件（例如，内燃机中的活塞汽缸）。

在其他实施方式中，该纳米管织物具有高度抗透性，并可用于制备耐刺穿材料，例如用于车辆装甲板或者个人保护性装备的耐刺穿材料。例如，较薄的有序纳米管织物层可以与填充材料结合使用，以实现重量较轻的防弹背心。在另一个例子中，可以在材料表面形成纳米管织物，然后通过本发明的方法使得该纳米管织物成为有序网络以实现重量较轻的基本防弹面板，该防弹面板可用作坦克或车辆的装甲板。

为此，图18是包含四层单独的有序纳米管织物层（1820、1830、1840以及1850）和三层无序的纳米管织物层（1825、1835以及1845）的多层纳米管织物元件1800的示意图。四层有序的纳米管织物层（1820、1830、1840以及1850）分别独立地发生沉积并在后续的纳米管织物层沉积之前形成纳米管元件的有序网络。此外，相比于相邻层，有序的纳米管织物层（1820、1830、1840以及1850）各自沿着不同的朝向成为有序的状态。也就是说，通过以第一方向施加线型力使得第一有序纳米管织物层1820成为有序状态，通过以第二方向施加线型力使得第二有序纳米管织物层1830成为有序状态，依此类推。如前所述，在本发明的某些实施方式中，施加在较厚纳米管织物层上的定向力会倾向于仅使得该层表面附近的那些纳米管成为有序的网络。因此，纳米管织物元件1800包含在所用的变得有序的过程之后仍然为无序的纳米管元件层（1825、1835以及1845）。以这种方式，形成了包含多层独立的有序纳米管织物层（1820、1830、1840以及1850）的多层次纳米管织物元件1800。

应注意，尽管（如图18所示的）多层纳米管织物元件1800包含在有序的纳米管织物层（1820、1830、1840以及1850）之间的无序的纳米管元件层（1825、1835以及1845），但是本发明的方法不限于此方面。实际上，在本发明的方法中，在形成后续层之前，单独形成的层可以分别成为厚的有序的纳米管织物层（相对于仅层的表面变得有序），基本消除了无序的层（1825、1835和1845）。也就是说，织物层在其整个厚度上包含纳米管元件的有序网络。在本发明的某些实施方式中，每一个单独形成的层可以保持足够薄从而保证在形成后续层之前的施加定向力时，纳米管织物层从顶部到底部是有序的。在其他实施方式中，可以分别对单独形成的层施加足够的往复定向力，从而保证在形成后续层之前纳米管织物层从顶部到底部是有序的。

根据本发明的方法，以下实施例描述了使得多个无序的纳米管织物层成为单独纳米管元件的有序网络。

在每一个实施例中，首先通过如下方法得到纯化的纳米管施涂溶液。将50克碳纳米管（CNT）原料（即，非官能化的）在微电子级别硝酸中回流。可以从各种供应商（例如，托马斯天鹅公司(Thomas Swan)）购得（如以下实施例中使用的）纳米管原料的供给。根据初始CNT材料对硝酸的浓度、回流时间以及温度进行最优化。例如，在120°C使得CNT在浓硝酸（70%）中回流24-30小时。在硝酸回流步骤之后，用0.35-3%的硝酸溶液（8-16L）对悬浮在酸中的CNT进行稀释，并经过交叉流过滤装置（CFF）数次。首先进行的数次CFF（下文称作CFF1）可以去除悬浮液中的酸和可溶性金属盐。通过在每一次步骤之后将材料用0.35-3%的硝酸回收，使得CFF1步骤中的悬浮液的pH维持在1+/-0.3。通常进行5-11次CFF1步骤。在CFF1步骤之后，用去离子水收集滞留物，用氢氧化铵将纳米管：去离子水悬浮液的pH增加到8+/-0.2，并进行超声处理。将该液体经过另一组CFF（下文称作CFF2）。CFF2可以去除溶液中的无定形碳杂质。在CFF2过程之后，用去离子水收集滞留物，将纳米管：去离子水液体的pH调节到8+/-0.2，在冷却超声浴（4-5°C）中对溶液超声处理120分钟。

在方法的此步骤中，通过控制用于从CFF2薄膜中回收滞留物的去离子水的体积，可以实现所需浓度或者光学密度的CNT制剂。例如，如果在最后的CFF2步骤之前的CNT制剂的光学密度是2，体积是2L，则1L的回收体积会使得光学密度接近4（假设此处通过渗透的光学密度的损失忽略不计）。类似地，如果在最后的CFF2步骤之前的CNT制剂的光学密度是2，体积是16L，则1L的回收体积会使得CNT制剂的光学密度为32。实际能达到的CNT制剂的浓度（光学密度）取决于，但不限于，反应中所用的起始CNT加料、反应条件、CFF步骤的数量、CFF薄膜孔径、CFF膜表面积以及pH。

最后，对溶液进行离心2或3次，每次约70000-100000g，持续约20-30分钟。在某些情况下，在每次离心之间，将溶液的pH调节到8+/-0.2，这可以通过沉淀去除液体中残留的金属或者碳纳米颗粒。在离心步骤之后，收集上清液并用作最终纯化的纳米管施涂溶液。最终的纳米管施涂溶液的浓度取决于所用的离心条件。通常，对于光学密度计划为约20+/-5的旋涂CNT施涂溶液，所用的pH为7+/-0.5。

此外，在每一个以下实施例中，将该纯化的纳米管施涂溶液旋涂到基材层上以形成无序的纳米管织物层。特别地，进行三次旋涂操作以形成实施例1、2、3、5、7、9、10、11、12、13、14、16、17、18、19以及20的纳米管织物层，进行四次旋涂操作以形成实施例4和8的纳米管织物层，进行一次旋涂操作以形成实施例6的纳米管织物层，进行五次旋涂操作以形成实施例15的纳米管织物层。在二氧化硅基材上形成了实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、16、17、17、19以及20的纳米管织物层。在1018低碳钢基材上形成了实施例10的纳米管织物层。在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基材上形成了实施例12的纳米管织物层。在2024铝合金基材上形成了实施例14的纳米管织物层。在氮化钛（TiN）基材上形成了实施例15的纳米管织物层。

对于所有的实施例，旋涂操作如下所述。将未加工的晶片在300°C的热板上预烘烤五分钟。通过塑料移液管将约3ml经过调节的溶液分散到晶片上，该晶片同时以60rpm进行旋转。30秒之后，旋转速度增加到500rpm并保持两秒，然后降低到50rpm并保持180秒，最终增加到2000rpm并保持20秒。对于实施例1-14，在每次旋涂操作之间，将晶片放置在300°C的热板上并保持2分钟。对于实施例15，在每次旋涂操作之间，将晶片放置在500°C的环境中并保持5分钟。在冷却循环之后，整个过程重复两次，从而将施涂溶液的所需数量涂层施涂到晶片上。

一旦在晶片表面上形成了无序的纳米管织物层，对织物层的表面施加定向力（分别在以下实施例中详述）从而使得至少部分的纳米管织物层成为纳米管元件的有序网络。在实施例20中，在施加定向力之前，（通过如下所述的旋涂操作）将另外的硅纳米丝层施加到纳米管织物层的表面上。最后，进行退火过程（625°C，保持30分钟）。

实施例1：

图19A-19C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是1901、1920和1903），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加定向滚动作用力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过钢手辊施加滚动作用力，以轻压力（约2牛）将所述钢手辊直接抵靠住纳米管织物层滚动50次。从图19A（10,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的滚动作用力的方向成为了有序状态。

实施例2：

图20A-20C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是2001、2002和2003），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加定向摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过如下步骤来施加摩擦力：将晶片面朝下放置在TEFLON或者聚四氟乙烯板上（从而使得纳米管织物层与TEFLON或者聚四氟乙烯板发生直接接触），将150g的重物放置在晶片的反面（即未涂覆面），并将晶片沿着TEFLON或者聚四氟乙烯板滑动约5英寸的距离15次。从图20A中（5,000x放大倍数的图）可以看出，由施加的摩擦力得到了具有无序纳米管的薄带（对径约2μm）的纳米管织物层。

实施例3：

图21A-21C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是2101、2102和2103），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加定向摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过如下步骤来施加摩擦力：将晶片面朝下放置在TEFLON或者聚四氟乙烯板上（从而使得纳米管织物层与TEFLON或者聚四氟乙烯板发生直接接触），将150g的重物放置在晶片的反面（即未涂覆面），并将晶片沿着TEFLON或者聚四氟乙烯板滑动约5英寸的距离25次。从图21A（5,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序状态。

实施例4：

图22A-22C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是2201、2202和2203），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的四次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加定向摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过如下步骤来施加摩擦力：将晶片面朝下放置在300mm二氧化硅晶片上（从而使得纳米管织物层与二氧化硅晶片表面发生直接接触），将150g的重物放置在反面（即晶片的未涂覆面），并将晶片沿着二氧化硅晶片滑动约4英寸的距离250次。从图22A（5,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序状态。

实施例5：

图23A-23C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是2301、2302和2303），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加弧形摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过使得羊毛摩擦垫在晶片上以弧形移动100次来施加所述摩擦力。当羊毛摩擦垫经过晶片时没有发生旋转。从图23A（10,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层成为有序状态，其朝向基本是与施加的弧形作用力的初始角度基本相切的基本线型方向。从图23B（25,000x放大倍数）中可以明显看出，尽管施加的摩擦力是弧形方向，但是纳米管元件以基本线型的朝向变得有序。

实施例6：

图24A-24C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是2401、2402和2403），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的单次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加线型抛光作用力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过使得圆柱形丝绒辊在晶片上以线型移动50次来施加所述抛光作用力。所述圆柱形丝绒辊以60rpm的速度旋转，对于每次经过，以约为0.4英寸/秒的恒定速率经过晶片。从图24C（75,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的抛光作用力的方向成为了有序状态。

实施例7：

图25A-25C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是2501、2502和2503），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加旋转抛光作用力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过将圆羊毛抛光垫放置在晶片上并以60转/分钟的速率将抛光垫旋转90秒来施加抛光作用力。从图25B（25,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着数个方向形成了有序的纳米管元件的数个区域。

实施例8：

图26A-26C是根据本发明的方法成为有序状态之前的示例性纳米管织物层在不同放大倍数下的SEM图（分别为2601、2602和2603）。通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液在Si晶片上的四次旋涂操作形成了图26A-26C中所示的纳米管织物层。然后通过施加线型摩擦力使得沉积的纳米管织物层成为了纳米管元件的有序网络。通过使得加重的CMP垫（约75g）沿着纳米管织物层的长度滑动20次来施加线型摩擦力。图27A-27B是图26A-26C中所示的相同的纳米管织物层在沿着图27A-27C中所示的方向施加了所述线型摩擦力之后的SEM图。从图27C（75,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的作用力的方向成为了纳米管元件的有序网络。

实施例9：

图28A-28C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是2801、2802和2803），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加冷冻动力学冲击操作形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。图28D是在施加了冷冻动力学冲击操作之前形成的纳米管织物层的SEM图2804，显示了在施加抛光作用力之前的纳米管织物层的基本无序的状态。一旦在硅基材上形成了纳米管织物层，将保护性塑料层（基于聚偏二氯乙烯的保鲜膜）置于织物层上。然后使用冷冻动力学冲击枪（购自Va-Tran系统有限公司(Va-Tran System,Inc)的商业干冰清洁系统）喷射二氧化碳冷冻粒料10次。每次包括使该喷射在（由塑料层保护的）晶片表面上扫动10秒。每次之间，给予（约30秒的）时间使得保护性塑料层解冻。从图28C（75,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的冷冻动力学冲击作用力的方向成为了有序状态。

实施例10：

图29A-29C所示是在1018低碳钢基材上形成并变得有序的示例性纳米管织物层的SEM图。图29A是在纳米管织物层沉积之前的钢基材的SEM图2901。图29B是通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作形成的（基本无序状态的）示例性纳米管织物层的SEM图2902。图29C是通过沿着SEM图2903中所示的方向施加定向摩擦力成为纳米管元件的有序网络之后的示例性纳米管织物层的SEM图2903。在所有的三个SEM图（2901、2902以及2903）中都可以看到沿着钢基材表面的机加工凹槽，其方向垂直于所示施加的摩擦力的方向（如SEM图2903所示）。通过将晶片面朝下放置在人造丝抛光垫上（即对晶片进行放置，使得纳米管织物层与人造丝抛光垫发生直接物理接触），并使得晶片沿着垫表面滑动约6至8英寸50次来施加所述摩擦力。用于本实施例中的人造丝抛光垫是购自南湾科技有限公司(South Bay Technology,Inc)的p/PRF12A-10“人造丝精细抛光布料”。从图29C中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序状态。

实施例11：

图30A-30C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是3001、3002和3003），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加压电产生的摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。图30D是在施加了压电产生的摩擦力之前形成的纳米管织物层的SEM图3004，显示了在施加摩擦力之前的纳米管织物层的基本无序的状态。一旦在硅基材上形成了纳米管织物层，将保护性塑料层（基于聚偏二氯乙烯的保鲜膜）置于织物层上。然后将y极化压电晶体元件放置在塑料层上，从而该元件基本覆盖了整个纳米管织物层。然后将1.25磅的重物放置在压电晶体元件上（使用PTFE膜层提供重物和压电晶体之间的电绝缘），从而在晶体元件和纳米管织物层之间维持了足够的压力。然后用11kHz，10V（峰到峰）的压电放大器驱动压电晶体元件2.5小时。SEM图2901、2902以及2903中所示的方向代表压电晶体元件振动的轴。从图30C（75,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着振动的方向成为了有序状态。

实施例12：

图31A-31C是示例性纳米管织物层的不同放大倍数的SEM图（分别是3101、3102以及3103），在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基材上形成所述示例性纳米管织物层，然后通过沿着各个SEM图中所示的方向施加定向摩擦力使其成为纳米管元件的有序网络。通过将晶片面朝下放置在人造丝抛光垫上（即对晶片进行放置，使得纳米管织物层与人造丝抛光垫发生直接物理接触），并使得晶片沿着垫表面滑动约6至8英寸50次来施加所述摩擦力。用于本实施例中的人造丝抛光垫是购自南湾科技有限公司(South Bay Technology,Inc)的p/PRF12A-10“人造丝精细抛光布料”。从图31C（75,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序状态。

实施例13：

图32A-32C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是3201、3202和3203），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加高压空气流抛光操作形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。图32D是在施加高压空气流抛光操作之前形成的纳米管织物层的SEM图3204，显示了在施加抛光作用力之前的纳米管织物层的基本无序的状态。一旦在硅基材上形成了纳米管织物层，将保护性塑料层（基于聚偏二氯乙烯的保鲜膜）置于织物层上。然后使用（购自Exair公司的设置有型号为1110SS的“纳米超级空气”喷嘴的商用精密安全空气枪，型号1410SS）空气枪以100psi使得氮气（N2）在纳米管织物层上流动扫过12次。每次扫过包括将空气枪在（由塑料层保护的）晶片表面上以“之”字形图案移动约10秒。从图32C（75,000x放大倍数）中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着空气流的方向成为了有序状态。

实施例14：

图33A-33B所示是形成在2024铝合金基材上的示例性纳米管织物层变得有序的SEM图。图33A是通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作形成的（基本无序状态的）示例性纳米管织物层的SEM图3301。图33B是通过沿着SEM图3302中所示的方向施加定向摩擦力成为纳米管元件的有序网络之后的示例性纳米管织物层的SEM图3302。通过将晶片面朝下放置在人造丝抛光垫上（即对晶片进行放置，使得纳米管织物层与人造丝抛光垫发生直接物理接触），并使得晶片沿着垫表面滑动约6至8英寸50次来施加所述摩擦力。用于本实施例中的人造丝抛光垫是购自南湾科技有限公司(SouthBay Technology,Inc)的p/PRF12A-10“人造丝精细抛光布料”。从图33B中可以明显看出，所得纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序状态。

应理解，2024铝合金基材的表面显示氧化铝表面涂层中的大孔，其中纳米管织物层中的纳米管元件从表面向下凹进去。这些孔区域中的纳米管元件几乎没有显示对准迹象，而更致密的氧化铝表面上的纳米管元件（即，不在孔中的那些纳米管元件）显示出非常高度的对准。这表明与织物的接触对于该实施例的对准是重要的方面。

实施例15：

图34A-34C是不同放大倍数下示例性纳米管织物层的SEM图（分别是3401、3402和3403），首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的五次旋涂操作，然后分别沿着每一个SEM图中所示的方向施加定向摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。通过将晶片面朝下放置在20”的罗门哈斯(ROHM HAAS)SPM3100CMP垫上来施加摩擦力（从而使得纳米管织物层与cmp垫表面发生直接接触）。在开始摩擦操作之前，用去离子水对负载到CMP机器头上的晶片进行喷射，在晶片表面上的纳米管织物层与CMP垫之间的界面处提供润滑介质。CMP头以1.6英寸的最大冲程长度在CMP垫上来回经过5分钟，速率为10个冲程/分钟。当晶片在CMP垫表面摩擦时，CMP垫没有旋转。从图34C（75,000x放大倍数）中可以明显看出，纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序状态。

实施例16：

图35是示例性纳米管织物层的AFM图3501，首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后通过电控线性致动器施加摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。在本实施例中，用新港通用运动控制器驱动器（Newport universal motion controller driver）（型号ESP 300）对牛顿线性致动器（Newton linear actuator）（型号CMA 12CCCL）进行驱动使得硅晶片在示例性纳米管织物层的表面上来回移动。致动器和运动控制器驱动器购自加利福尼亚州爱尔文的新港公司(Newport Corporation ofIrvine,CA)，该设备的使用是本领域技术人员所熟知的。每个冲程使得硅晶片移动1mm的距离，总共进行100次往复。组件还提供了38g的向下作用力（即使得硅摩擦表面抵靠住纳米管织物层的作用力）。从图35中可以清楚看出，纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序的状态。

实施例17：

图36是示例性纳米管织物层的AFM图3601，首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后通过电控线性致动器施加摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。在本实施例中，用新港通用运动控制器驱动器（型号ESP 300）对牛顿线性致动器（型号CMA12CCCL）进行驱动使得硅晶片在示例性纳米管织物层的表面上来回移动。致动器和运动控制器驱动器购自加利福尼亚州爱尔文的新港公司(NewportCorporation of Irvine,CA)，该设备的使用是本领域技术人员所熟知的。每个冲程使得硅晶片移动0.1mm的距离，总共进行1000次往复。组件还提供了42g的向下作用力（即使得硅摩擦表面抵靠住纳米管织物层的作用力）。从图36中可以清楚看出，纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序的状态。

实施例18：

图37是示例性纳米管织物层的AFM图3701，首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后通过电控线性致动器施加摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。在本实施例中，用新港通用运动控制器驱动器（型号ESP 300）对牛顿线性致动器（型号CMA12CCCL）进行驱动使得硅晶片在示例性纳米管织物层的表面上来回移动。致动器和运动控制器驱动器购自加利福尼亚州爱尔文的新港公司(NewportCorporation of Irvine,CA)，该设备的使用是本领域技术人员所熟知的。每个冲程使得硅晶片移动0.05mm的距离，总共进行1000次往复。组件还提供了80g的向下作用力（即使得硅摩擦表面抵靠住纳米管织物层的作用力）。从图37中可以清楚看出，纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序的状态。

实施例19：

图38是示例性纳米管织物层的AFM图3801，首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液的三次旋涂操作，然后通过电控线性致动器施加摩擦力形成纳米管元件的有序网络来得到所述示例性纳米管织物层。在本实施例中，用新港通用运动控制器驱动器（型号ESP 300）对牛顿线性致动器（型号CMA12CCCL）进行驱动使得硅晶片在示例性纳米管织物层的表面上来回移动。致动器和运动控制器驱动器购自加利福尼亚州爱尔文的新港公司(NewportCorporation of Irvine,CA)，该设备的使用是本领域技术人员所熟知的。每个冲程使得硅晶片移动0.01mm的距离，总共进行1000次往复。组件还提供了28g的向下作用力（即使得硅摩擦表面抵靠住纳米管织物层的作用力）。从图38中可以清楚看出，纳米管织物层朝向沿着施加的摩擦力的方向成为了有序的状态。

实施例20：

图39A-39D所示是SEM图，显示了形成示例性纳米管织物层之后沿着示例性硅纳米丝层变得有序。图39A是示例性纳米管织物层的SEM图3901，首先通过（如上所述的）纯化的纳米管施涂溶液在硅晶片上的三次旋涂操作，然后用硅纳米丝层涂覆来得到所述示例性纳米管织物层。特别地，将（购自密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,Inc of St.Louis,MO)，型号730866）的单分散的硅纳米丝逐滴施涂到形成的纳米管织物层。施加了30滴，在施加后续的液滴之前每一滴都经过了空气干燥。在施加了所有的30滴之后，将（现涂覆有纳米管织物层和硅纳米丝层的）硅晶片在300°C烘烤2分钟。图39B-39D分别是通过施加定向摩擦力使得示例性纳米管织物和硅纳米丝层成为纳米管元件的有序网络之后的不同放大倍数下的SEM图像（3902、3903以及3904）。通过将晶片面朝下放置在人造丝抛光垫上（即对晶片进行放置，使得纳米管织物和硅纳米丝层与人造丝抛光垫发生直接物理接触），并使得晶片沿着垫表面滑动约4英寸30次来施加所述摩擦力。用于本实施例中的人造丝抛光垫是购自南湾科技有限公司(South Bay Technology,Inc)的p/PRF12A-10“人造丝精细抛光布料”。从图39C（10,000x放大倍数）中可以明显看出，纳米管织物和硅纳米丝层朝向都沿着施加的摩擦力的方向成为了有序状态。本实施例证实用于将高纵横比的纳米结构（包括，但不限于，纳米管和纳米丝）变得有序的本发明的方法的普遍性。

我们描述了使得纳米管织物中的间隙和空穴最小化或基本消除的多种技术。所述技术也可说成用来控制织物中的纳米管的定位，控制纳米管织物中间隙的位置，控制织物中的纳米管的浓度。例如，这些技术可以提供低孔隙率、高密度的织物。此外，所述技术可以被描述为控制纳米管织物中的纳米管的间隙。因此，我们揭示了用于制造尺寸小于或等于现有光刻技术限制（例如，小于或等于约20nm）的装置的技术。还可以通过例如用另外的纳米管元件填充纳米管膜中的间隙来制造低孔隙率、高密度的织物。

此外，我们描述了使得定向力在纳米管织物层上平移的各种方法和设备。在本发明的方法的大多数应用中，在变得有序的操作中对于所述一种或多种方法的选择应该限于不会对进行操作的纳米管织物层中的纳米管造成破坏或者任意其他方式融除的那些方法和设备。

此外，对于本领域的技术人员应理解，通过本文所揭示的方法制得的有序的纳米管织物可用于对于某些功能要求薄、坚固、耐用膜的任意装置、制品或方法中。例如，本发明的方法适用于任意使用纳米管织物的应用，其中所述织物中的纳米管元件的浓度或者所述织物中间隙的数量或尺寸需要满足在预定的容差之内。

尽管结合特定的实施方式对本发明进行了描述，但是很明显本领域的技术人员可以进行许多其他的变化和改进。因此，优选本发明不受到本文具体所述的限制，而应由所附权利要求书进行界定；这些权利要求包含本文所述的变形和改进。

Claims

1.一种对网络中的纳米元件进行排列的方法，该方法包括：

提供设置在材料层上的纳米元件的网络；以及

对所述纳米元件的网络的所述部分施加定向力，使得至少一部分所述纳米元件排列成为有序的网络。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述纳米元件的网络的所述部分上施加所述定向力至少一次。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沿着单一的方向施加所述定向力。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沿着多个方向施加所述定向力。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沿着弧形方向施加所述定向力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括对所述纳米元件的网络的所述部分重复施加所述定向力。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，沿着经过所述纳米元件的网络的固定路径重复施加所述定向力。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料层是刚性的。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述材料层选自：元素硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、PTFE、有机聚合物、pvc、苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、烃聚合物、无机主链、氮化硼、砷化镓、III/V族化合物、II/VI族化合物、木材、金属、金属合金、金属氧化物、陶瓷以及玻璃。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料层是刚性结构复合物。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料层是挠性的。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述材料选自：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚甲基丙烯基甲酯、聚酰胺、聚砜以及多环烯烃。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定向力的施加使得至少一部分所述纳米元件在所述纳米元件的网络的至少一个预定的区域中排列成预定的朝向。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在所述施加所述定向力之前，将润滑介质沉积在一部分所述纳米元件的网络上。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述润滑介质由至少一种选自下组的材料组成：水、卤烃液体、液化气体、液态烃、官能化有机液体、基于有机硅氧烷的环、线型液体、二硫化钼、氮化硼、石墨以及苯乙烯珠。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过旋涂操作、喷涂操作、浸涂操作、丝网印刷操作或者凹印操作中的一种来形成所述纳米元件的网络。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米元件是纳米管。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述纳米管是碳纳米管。

19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米元件的网络是碳纳米管与其他材料的复合体混合物。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述其他材料选自：布基球、无定形碳、银纳米管、量子点、胶体银、单分散聚苯乙烯珠以及二氧化硅颗粒。

21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米元件是官能化碳纳米管。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述官能化碳纳米管是结合有对所述碳纳米管的侧壁提供了电绝缘阻隔的部分的碳纳米管。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述部分是有机官能基团。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述部分是硅官能基团。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述部分包括有机硅酸盐、氧化硅、有机氧化硅、甲基硅倍半氧烷、氢硅倍半氧烷、有机硅氧烷、二甲基硅氧烷/聚有机醚、有机聚合物、DNA以及聚酰胺中的至少一种。

26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米元件是纳米丝。

27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米元件的网络基本不含任意悬浮介质。

28.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过摩擦元件施加所述定向力。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述摩擦元件包含至少一种以下材料：元素硅、聚四氟乙烯（PTFE）、乙酸纤维素、纤维素（例如，人造丝）、聚酯、聚酰胺（例如，尼龙）、聚合材料以及淀粉和水的半刚性浆料。

30.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过抛光元件施加所述定向力。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述抛光元件在平行于所述纳米管织物层的平面中旋转。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述抛光元件包含聚酯微纤维、聚酰胺微纤维、聚酯、聚酰胺、苯乙烯、聚乙烯醇泡沫、棉、羊毛、纤维素以及人造丝中的至少一种。

33.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在所述纳米管织物层上滚动圆柱形元件来施加所述定向力。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述圆柱形元件包含选自以下的材料：铁、钴、镍、锌、钨、铬、锰、镁、钛、铝、钢、橡胶、塑料、聚苯乙烯、三聚氰胺、硅酮、聚碳酸酯、聚乙烯、瓷器、氧化硅、氧化铝、碳化硅和木材。

35.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过冷冻动力学喷射施加所述定向力。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述冷冻动力学喷射包含二氧化碳（CO₂）和氩（Ar）中的一种。

37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述冷冻动力学喷射以线型方向在所述纳米管织物层上移动。

38.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在辊到辊过程中施加所述定向力。

39.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述定向力直接施加到所述纳米元件的网络。

40.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过中间材料将所述定向力施加到所述纳米元件的网络。