CN1626438A - 促进碳纳米管的稳定合成的方法及结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种合成碳纳米管的方法和由此形成的结构。该方法包括在由第一衬底支撑的多个合成位置上形成碳纳米管、中断纳米管合成、安装每个碳纳米管的自由端至第二衬底上、以及去除第一衬底。每个碳纳米管由一个合成位置盖住顶部，生长反应物易于进入该合成位置。随着恢复的纳米管合成过程中碳纳米管增长，至合成位置的通道保持畅通。

Description

促进碳纳米管的稳定合成的方法及结构
技术领域
本发明涉及半导体器件制造，更具体地涉及促进碳纳米管的稳定合成的方法和结构。
背景技术
传统场效应晶体管(FET)是熟知的常规器件，其通常作为基本构造模块包含在集成电路(IC)芯片的复杂电路中。FET尺寸的缩小改善了电路性能并提高了封装在IC芯片上的FET的功能容量。然而，与传统材料有关的尺寸限制和与光刻构图有关的成本会阻碍持续的尺寸减小。
碳纳米管是由六角形碳原子环构成的纳米尺度大长径比圆筒，其可以呈现半导电电子态或者导电电子态。混合FET(hybrid FET)已经被成功地制备，其使用半导电碳纳米管作为沟道区，且在延伸于位于衬底表面上的金源极电极和金漏极电极之间的半导电碳纳米管的两端形成接触。栅极电极定义在衬底中该碳纳米管之下，且通常在源极电极和漏极电极之间。衬底的氧化表面形成了位于嵌入的栅极电极和碳纳米管之间的栅极电介质。纳米管混合FET应当可靠地开关，同时由于碳纳米管的小尺度而比可比较的硅基器件结构消耗显著少的能量。通过使用精确定位的原子力显微镜来操纵单根半导电碳纳米管，或者通过随机分散的一批半导电碳纳米管中单根半导电碳纳米管在源极电极和漏极电极之间的巧合放置，已经在实验室条件下成功地制备了这样的FET。
碳纳米管的可供应性及其合成成本是阻碍其进入诸如IC芯片的各种可能的批量生产的最终产品的主要因素。合成碳纳米管的传统方法是在衬底上沉积一层催化剂材料，其可以被构图以形成小点的阵列，该小点作为采用含碳前驱体的化学气相沉积(CVD)生长的种籽区域。碳纳米管通过在每个纳米管与种籽区的催化剂材料的界面处插入活性碳原子而生长和变长，该纳米管保持附着于衬底上。随着碳纳米管变长，CVD反应物向种籽区的流动受到抑制，特别是对于紧密阵列的种籽区。特别地，相邻碳纳米管间向反应物流开口的空间变窄。反应物必须从碳纳米管的前部自由端附近流经该开口空间而到达催化剂材料，以参与生长反应。流动受限减缓，甚至会停止种籽区处纳米管的合成，从而随着纳米管长度增加生长速率急剧变慢，且可能停止。
因此，所需要的是一种通过CVD合成碳纳米管的方法，其不受衬底所携带的催化剂材料种籽垫的催化剂材料的合成界面处的反应物流约束限制。
发明内容
按照本发明的原理，生产碳纳米管的方法包括在衬底所携带的多个合成位置(synthesis site)上合成碳纳米管。大量生产半导电碳纳米管的方法包括在第一衬底所携带的多个合成位置上合成多个碳纳米管至第一长度。该多个碳纳米管的合成被中断，且该多个碳纳米管中的每一个的自由端由第二衬底支撑。该方法还包括将该多个合成位置从第一衬底分离，且恢复该多个碳纳米管在该多个合成位置处的合成，以延长该多根碳纳米管至比该第一长度更长的第二长度。结果，每个合成位置与相应碳纳米管之间的界面持续无遮蔽自由接触反应物气体，以增长碳纳米管至有限长度。
本发明还涉及一种具有多个碳纳米管的结构，每个纳米管延伸于第一端和第二端之间。该多个碳纳米管的每一个的第一端被支撑在一衬底上。该多个碳纳米管的每一个的第二端与多个合成位置中的一个相连。
按照本发明的原理、采用简化的制备工艺即可大量生产和收获碳纳米管。本发明在其各实施例中满足了对以高生长速率合成超长碳纳米管的方法的需要。本发明的方法可用于批量生产碳纳米管以用于任何潜在的和实际的用途，不管是在半导体器件制造中，还是在其他不同的应用中。紧密的碳纳米管阵列可以形成，而无需考虑反应物向合成位置的流动。
附图说明
包括在此说明书中且构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，且与以上给出的对本发明的概括描述和下面给出的对实施例的详细说明一起，用于解释本发明的原理。
图1-6是按照本发明一实施例的处理方法的不同阶段中一部分衬底的截面图；以及
图7-13是按照本发明另一实施例的处理方法的不同阶段中一部分衬底的截面图。
具体实施方式
本发明在其多个实施例中提供了稳定合成碳纳米管的方法，该碳纳米管在促进生长的催化剂材料种籽垫(seed pad)上通过化学气相沉积合成或者生长。这些方法普遍包括：于第一衬底支撑的合成位置处形成碳纳米管；中断纳米管合成；将每个碳纳米管的自由端安置到第二衬底上；以及去除第一衬底。结果，每个碳纳米管是被合成位置之一盖住顶部的一独立结构，且至合成位置的反应物通路不被延长的碳纳米管阻塞(occluded)。在形成无阻塞结构后，纳米管的合成在合成位置处被恢复以延长碳纳米管。
参照图1，多个空间上分隔开的合成位置10设置于衬底12上。例如，合成位置10可以被布置成在衬底12的表面上延伸的行和列的周期性阵列。每个合成位置10包括位于平台或柱16的上表面上的适于合成碳纳米管(图2)的催化剂材料种籽垫(seed pad)14。衬底12可由任何合适的支撑衬底材料构成，其不支持碳纳米管的生长，包括但不限于晶片(wafer)或硅(Si)、砷化镓(GaAs)、玻璃、碳化硅(SiC)、氧化硅(SiO2)、以及不起纳米管催化剂作用的适当的金属。柱16是种籽垫14的支撑元件，且由也不支持碳纳米管生长的任何合适的材料形成。包围种籽垫14的周边且位于柱16上的是隔离壁(spacer)18，其由不支持碳纳米管的合成或生长的材料组成。位于合成位置10之下的是释放层(release layer)20，其也可起蚀刻终止层的作用，尽管除释放层20之外可设置单独的蚀刻终止层(未显示)。解理面(cleaving plane)定义于沿着释放层20的水平面。
在本发明的一个实施例中，释放层20是可由湿法刻蚀或本领域技术人员知晓的任何其它现有技术去除的材料。图案化(patterned)的种籽垫14可通过如下步骤形成：通过任何传统沉积技术于绝缘层12上沉积一催化剂材料覆盖层(blanket layer)，该沉积技术包括但不限于使用诸如金属卤化物、金属氧化物和羰基金属的适当前驱体的化学气相沉积(CVD)、溅射和物理气相沉积(PVD)；然后采用标准光刻和减去刻蚀(subtractive etch)工艺来构图该覆盖层。隔离壁18可由标准沉积和刻蚀工艺形成于种籽垫14周围。然后，空间上分隔开的柱16可通过进行自对准各向异性刻蚀来形成，该刻蚀依靠种籽垫14和隔离壁18作为掩模，且相对于构成种籽垫14和隔离壁18的材料选择性地刻蚀衬底12的材料至释放层20的深度。
催化剂垫10中的催化剂材料是当在适于促进纳米管生长的化学反应条件下暴露于合适的反应物时，能使碳纳米管形核且支持其生长的任何材料。例如，合适的催化剂材料包括但不限于铁、镍、钴、这些金属中的每一种的合金、以及这些金属的化合物，所述化合物例如是金属硅化物和金属氧化物。
此处对诸如“垂直面”、“水平面”的术语的提及是示例性的，而不是限定性的，从而建立了参照系。此处所用的术语“水平面”被定义为平行于常规平面或衬底12的表面的平面，而不管取向。术语“垂直面”是指垂直于如刚才定义的水平面的方向。诸如“上”、“上方”、“下面”、“侧面”(如“侧壁”)、“较高”、“较低”、“以上”、“以下”和“下方”的术语参照水平面定义。可理解的是各种其他参照系可以采用，而不偏离本发明的精神和范围。
参照图2，碳纳米管22通过任何合适的生长技术在种籽垫14上生长或者合成。当获得较短的平均长度时，暂时中断碳纳米管22的合成。在本发明的一个实施例中，当碳纳米管22具有约100纳米到约200纳米范围内的平均长度时，合成被中断。碳纳米管22表现为半导电电子态或导电电子态。合成暂时中断时的特定长度短于纳米管合成恢复后纳米管22的最终长度，如此处所述。隔离壁18防止了自种籽垫14侧面的横向或水平纳米管合成。更优选地，种籽垫14的表面区域受到限制或者合成条件被调整，由此每个种籽垫14支持仅单个碳纳米管22的合成，然而本发明不限于此，因为一个或多个种籽垫14可携带垂直伸出的多个碳纳米管22。
在本发明的一个实施例中，碳纳米管22在适于促进形成种籽垫14的催化剂材料上的碳纳米管生长的生长条件下，通过采用任何合适的气态或汽化含碳反应物的化学气相沉积(CVD)或等离子体增强CVD来生长，该反应物包括但不限于一氧化碳(CO)、乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙炔和氨(NH3)的混合物、乙炔和氮气(N2)的混合物、乙炔和氢气(H2)的混合物、以及二甲苯(C6H4(CH3)2)。衬底12可以被加热到适于促进和/或加快CVD生长的温度。添加剂可与反应物混合以促进单壁纳米管的合成、多壁纳米管的合成，或者增加纳米管的伸长速度或长度。
反应物被传输或提供到每个种籽垫14，在该处反应物与催化剂材料发生化学反应，从而使碳纳米管22形核且在形核之后维持其生长。种籽垫14的催化剂材料通过降低形成碳纳米管22的反应的活化能而参与碳纳米管的合成，而其自身没有被其暴露表面上发生的化学反应所转变或消耗。碳纳米管22集聚或者成群生长，其随机地具有半导电电子态或导电电子态，因为电子态在生长中不能选择，因此给定种籽垫14上的任意给定纳米管22的电子态不能可靠地预测。碳纳米管22构成中空圆筒管，其由精确排列的键合碳原子的六角环形成。碳纳米管22可为类似同心圆筒的多壁纳米管，或可为单壁纳米管。
平均地，碳纳米管22自种籽垫14基本上垂直向上地延伸，其相对于种籽垫14的水平表面具有垂直或者至少近似垂直的取向。碳纳米管22被期望具有高度或长度的统计分布，每个高度或长度在自由端或前端(leading tip)24与电连接相应种籽垫14的根部26之间测量而得。生长被认为是通过在每个碳纳米管22和相应的种籽垫14间的界面27处添加碳原子而发生。本发明预计碳纳米管22中的一个或全部会如此处所定义的那样稍微倾斜而偏离垂直方向，且纳米管的取向会表现为统计分布，即平均地基本上垂直。
参照图3，层28共形地沉积于衬底12上，其厚度完全覆盖碳纳米管22且填充相邻合成位置10之间的空隙。例如，层28可由采用正硅酸乙酯(TEOS)或硅烷作为硅前驱体源通过CVD工艺沉积的氧化硅(SiO2)构成，然而本发明不限于此。
参照图4，层28的暴露表面30通过化学机械抛光(CMP)工艺或任何其他合适的平坦化工艺抛平坦。一般地，CMP工艺包括受到抛光垫和层28之间引入的合适的抛光剂化学辅助的抛光或机械研磨作用。在本发明的某些实施例中，CMP工艺是可选的，而不是必须的。操作晶片(handle wafer)32以本领域技术人员熟知的任何常规技术粘接到层28的暴露表面30上。操作晶片32例如可以是硅晶片或金属晶片。例如，操作晶片32可以采用高温粘接剂层或通过合适的热处理粘接到层28上。可选地，操作晶片32可以被氧化物覆盖或以其他层覆盖(未示出)以协助粘接。然后，衬底12通过处理释放层20而去除，使得合成位置10和电介质层28保留在后面，从而操作晶片32提供了必备的机械支撑。例如，释放层20可通过湿法刻蚀工艺处理。通常，操作晶片32在制造过程中的此阶段是倒置的，如图4所示，然而本发明不限于此。
参照图5，层28被去除至露出种籽垫14、以及每个碳纳米管22与相应的一个种籽垫14之间的对应界面27的深度。如果层28由SiO2组成，则一种相对于合成位置10中的材料和碳纳米管22选择性地去除层28的技术为采用诸如缓冲氢氟酸(HF)溶液的适当水性蚀刻剂溶液的各向同性湿法蚀刻。纳米管22和相联的合成位置10形成相对于操作晶片32基本垂直延伸的结构。由于层28的凹陷，对于每个碳纳米管22的根部26、以及每个根部26与相联的种籽垫14间的界面27存在用于纳米管生长反应物的畅通的反应物(即气体)通道。
参照图6，半导电碳纳米管22的生长或合成通过向相连的种籽垫14的界面27处提供生长反应物而再度开始。在与初始较短的碳纳米管22的形成过程中起作用的相同的催化剂材料界面27处，生长继续进行。界面27附近的环境随着碳纳米管22增长而保持恒定。换句话说，随着碳纳米管22伸长，至纳米管22与相连的种籽垫14之间的界面的反应物通道不被生长过程阻塞或改变，甚至对于合成位置10的紧密初始阵列也如此。结果，合成继续进行不受伸长的纳米管22阻碍。
碳纳米管22被合成至所需长度，然后通过切除合成位置10并从操作晶片32上取下来收集，以用于形成微电子器件或其他结构，例如用于场效应显示器的发射体阵列。半导电和导电碳纳米管22可采用本领域技术人员所熟知的任何适当的分类技术分离。作为选择，包含碳纳米管22的器件结构可直接制作在操作晶片34上，这对本领域技术人员而言也是显然的。
参照图7且按照本发明的替换实施例，处于图2所示的处理方法的阶段中的衬底12被第一材料的层40覆盖，该材料例如是由CVD工艺沉积的多晶硅。层40共形地覆盖碳纳米管22，从而暴露的表面不规则。
参照图8，层40的表面42采用CMP工艺抛平坦。随着长碳纳米管22的前端24被去除，层40的厚度减少，CMP工艺也可用于使碳纳米管22的长度相等。CMP工艺后碳纳米管22的统一长度将等于表面42和相对的种籽垫14的表面之间的层40的厚度。值得一提的是，某些碳纳米管22可能在CMP工艺后具有比该相等或统一的长度短的长度，且保持埋没在表面42下面的层40中。
参照图9，然后采用反应离子刻蚀(RIE)工艺使层40的暴露表面42进一步相对于碳纳米管22下凹，该工艺相对于碳纳米管22选择性地去除层40。作为选择，可以使用采用适当刻蚀溶液的湿法刻蚀工艺，例如对SiO2采用缓冲氢氟酸(HF)溶液。参照图10，然后第二材料的层44沉积到暴露表面42上。碳纳米管22的露出的前端24嵌入层44中。层44是相对于形成层40的材料选择性刻蚀且不支持碳纳米管合成的任何材料。例如，如果层40是多晶硅，则层44例如可为SiO2，因为多晶硅相对于SiO2可采用含氯气体、含溴气体、或者其混合物通过RIE工艺被选择性地刻蚀。
参照图11，诸如硅晶片或金属晶片的操作晶片46通过本领域技术人员熟知的任何传统技术与层44粘接。例如，该操作晶片46可采用高温粘接剂层或通过合适的热处理与层44粘接。操作晶片46可选择性地被氧化物覆盖或被其他层覆盖(未示出)以协助粘接。然后，衬底12通过处理释放层20去除，使得合成位置10、以及层40和44保留在后面，从而操作晶片46提供了必备的机械支撑。通常，操作晶片46在制造过程中的此阶段是倒置的，如图11所示，然而本发明不限于此。
参照图12，层40通过对构成层44的材料有选择性的刻蚀工艺去除，层44作为该刻蚀工艺的刻蚀终止层。该刻蚀工艺也相对于合成位置10中的材料和碳纳米管22选择性地去除层40。纳米管22和相连的合成位置10形成相对于操作晶片46的水平面基本垂直延伸的结构。由于层40的去除，对于每个碳纳米管22的根部26、以及每个根部26与相联的种籽垫14间的界面27存在用于纳米管生长反应物的畅通的气体通道。
参照图13，半导电碳纳米管22的合成通过在相连的种籽垫14的界面27处提供生长反应物而再度开始，种籽垫14仍固定于每个碳纳米管22的根部26。生长于在较短碳纳米管22的形成过程中起作用的相同的催化剂材料初始界面27处进行。随碳纳米管22增长，生长界面27附近的反应物流动环境保持恒定且不变。换句话说，随着碳纳米管22增长，至纳米管22和相连的种籽垫14之间的界面27的气体通道不被生长过程阻塞或改变，甚至对于合成位置10的密集初始阵列也如此，因为种籽垫14随同伸长的纳米管22一起移离操作晶片46。结果，合成进行，不受伸长的纳米管22阻碍。碳纳米管22被合成至所需长度，然后被收集或结合到器件结构中。按照本发明的此实施例，对于生长被终止时的任何长度，碳纳米管22具有基本一致的长度分布。
尽管本发明已经通过对多个实施例的描述而得以说明，且尽管这些实施例被相当详细地描述，但是申请人并非要将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制至这样的细节。其它的优点和修改对本领域技术人员而言易于看出。于是，在更宽的方面上，本发明因此不限于特定细节、代表性设备和方法、以及所示出和描述的说明性示例。相应地，可在不偏离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，对这些细节作出变更。

Claims (33)

1.一种批量生长碳纳米管的方法，包括：
在第一衬底携带的多个合成位置上合成多个碳纳米管至第一长度；
中断该多个碳纳米管的合成；
由第二衬底支撑该多个碳纳米管中的每一个的自由端；
将该多个合成位置与该第一衬底分离；以及
恢复该多个碳纳米管在该多个合成位置处的合成，从而将该多个碳纳米管增长至比该第一长度长的第二长度。
2.按照权利要求1的方法，其中支撑该自由端包括：
以具有相对的第一和第二表面的层覆盖该多个合成位置和该多个碳纳米管；
粘接该层的该第一表面至该第二衬底；以及
使该层的该第二表面凹陷至一深度，该深度足以露出该多个碳纳米管中的每一个和该多个合成位置中的相应的一个之间的界面。
3.按照权利要求2的方法，其中该多个碳纳米管中的每一个包括一前端，且使该层凹陷包括：
限制该层的凹陷，使得该多个碳纳米管中的每一个的该前端保持埋没在该层中。
4.按照权利要求1的方法，其中该多个合成位置中的每一个包括可支持碳纳米管的该合成的催化剂材料种籽垫。
5.按照权利要求4的方法，其中合成该多个碳纳米管包括：
在该多个合成位置中的每一个的该种籽垫和该多个碳纳米管中的相应的一个之间的界面处提供反应物。
6.按照权利要求5的方法，其中中断该合成包括：
停止向该界面处提供该反应物。
7.按照权利要求5的方法，其中恢复该碳纳米管的合成包括：
将反应物提供至该界面处。
8.按照权利要求3的方法，还包括：
用一隔离壁围绕该多个合成位置中的每一个的该种籽垫，该隔离壁防止与包含该第一衬底的平面基本平行的纳米管合成。
9.按照权利要求1的方法，其中将该多个合成位置与该第一衬底分离包括：
处理位于该第一衬底和该多个合成位置之间的释放层，以促进该第一衬底的脱落。
10.按照权利要求1的方法，还包括：
防止包含该第一衬底的水平面上的横向纳米管合成，使得该多个碳纳米管中的每一个相对于包含该第一衬底的该水平面具有基本垂直的取向。
11.按照权利要求10的方法，其中防止横向纳米管合成包括：
用阻止横向纳米管合成的隔离壁围绕该多个合成位置中的每一个。
12.按照权利要求1的方法，其中该多个合成位置中的每一个携带单个碳纳米管。
13.按照权利要求1的方法，还包括：
在该第一衬底上形成该多个合成位置。
14.按照权利要求1的方法，其中该多个合成位置中的每一个按一定尺寸制造，从而支持该多个碳纳米管中的一个的合成。
15.按照权利要求1的方法，其中合成该多个碳纳米管包括：
在该多个合成位置处进行化学气相沉积工艺。
16.按照权利要求16的方法，其中该多个合成位置中的每一个包括能支持该多个碳纳米管的合成的催化剂材料种籽垫。
17.按照权利要求16的方法，其中进行该化学气相沉积工艺包括：
提供反应物至该种籽垫，该反应物由该催化剂材料催化，从而合成该多个碳纳米管。
18.按照权利要求1的方法，其中恢复该多个碳纳米管的合成包括：
在该多个合成位置处进行化学气相沉积工艺。
19.按照权利要求18的方法，其中该多个合成位置中的每一个包括能支持该多个碳纳米管的合成的催化剂材料种籽垫。
20.按照权利要求19的方法，其中进行该化学气相沉积工艺包括：
提供反应物至该种籽垫，该反应物由该催化剂材料催化，从而合成该多个碳纳米管。
21.按照权利要求1的方法，其中所述多个碳纳米管为多壁碳纳米管。
22.按照权利要求1的方法，其中所述多个碳纳米管具有基本均匀的长度。
23.按照权利要求1的方法，其中支撑该自由端包括：
用第一层和第二层覆盖该多个合成位置和该多个碳纳米管；
粘接该第二层至该第二衬底上；以及
相对于该第二层选择性地去除该第一层至足够露出该多个合成位置的深度。
24.按照权利要求23的方法，还包括：
在形成该第二层于该第一层上之前，去除该第一层至足够露出该多个碳纳米管中的每一个的自由端的深度，从而该多个碳纳米管中的每一个的自由端嵌入该第二层中。
25.按照权利要求24的方法，其中去除该第一层缩短了该多个碳纳米管中的至少一个的长度。
26.一种结构，包括：
衬底；
多个碳纳米管，均在第一端和第二端之间延伸，该第一端连接所述衬底；以及
多个合成位置，均与该多个碳纳米管中的相应的一个的该第二端连接。
27.按照权利要求26的结构，其中该多个合成位置中的每一个按一定尺寸制造，从而支持单个碳纳米管的合成。
28.按照权利要求26的结构，其中所述多个碳纳米管中的每一个由该多个合成位置中的相应的一个携带。
29.按照权利要求26的结构，其中所述衬底还包括：
覆盖该多个合成位置和该多个碳纳米管的层，所述层具有第一表面和第二表面，该第一表面与所述衬底粘合。
30.按照权利要求29的结构，其中所述多个碳纳米管的所述第一端埋在所述层中。
31.按照权利要求29的结构，其中所述层的所述第二表面被凹陷至足够露出该多个合成位置的深度。
32.按照权利要求26的结构，其中所述多个碳纳米管是多壁碳纳米管。
33.按照权利要求26的结构，其中所述多个碳纳米管具有基本均匀的长度。
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Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7038299B2 (en) * 2003-12-11 2006-05-02 International Business Machines Corporation Selective synthesis of semiconducting carbon nanotubes
US20050167655A1 (en) * 2004-01-29 2005-08-04 International Business Machines Corporation Vertical nanotube semiconductor device structures and methods of forming the same
US7211844B2 (en) 2004-01-29 2007-05-01 International Business Machines Corporation Vertical field effect transistors incorporating semiconducting nanotubes grown in a spacer-defined passage
US7829883B2 (en) 2004-02-12 2010-11-09 International Business Machines Corporation Vertical carbon nanotube field effect transistors and arrays
US7109546B2 (en) 2004-06-29 2006-09-19 International Business Machines Corporation Horizontal memory gain cells
US7233071B2 (en) 2004-10-04 2007-06-19 International Business Machines Corporation Low-k dielectric layer based upon carbon nanostructures
US20060258054A1 (en) * 2005-05-11 2006-11-16 Molecular Nanosystems, Inc. Method for producing free-standing carbon nanotube thermal pads
KR100645064B1 (ko) * 2005-05-23 2006-11-10 삼성전자주식회사 금속 산화물 저항 기억소자 및 그 제조방법
US7170055B1 (en) * 2005-08-18 2007-01-30 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nanotube arrangements and methods therefor
KR100682952B1 (ko) * 2005-08-31 2007-02-15 삼성전자주식회사 나노탄성 메모리 소자 및 그 제조 방법
CN103588984A (zh) * 2007-02-22 2014-02-19 道康宁公司 制备导电薄膜的方法和由该方法制得的制品
JP4224109B2 (ja) * 2007-03-02 2009-02-12 コーア株式会社 積層体およびその製造方法
JP5269352B2 (ja) * 2007-06-08 2013-08-21 学校法人早稲田大学 単層カーボンナノチューブ製造方法、半導体配線構造の製造方法、フィールドエミッションディスプレイ用電子部品の製造方法及び探針製造方法
FR2917893B1 (fr) * 2007-06-22 2009-08-28 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d'une connexion electrique a base de nanotubes de carbone
US7985394B2 (en) * 2007-09-19 2011-07-26 Gideon Duvall System and method for manufacturing carbon nanotubes
US20100212727A1 (en) * 2009-02-26 2010-08-26 Ji Ung Lee Apparatus and methods for continuously growing carbon nanotubes and graphene sheets
MX2011010864A (es) 2009-04-17 2011-11-01 Seerstone Llc Metodo para la produccion de carbono solido mediante la reduccion de oxidos de carbono.
CN102083075B (zh) * 2009-11-30 2014-02-26 中国移动通信集团江苏有限公司 一种基于邻区优先级的频率规划和扰码规划方法和设备
TW201119935A (en) * 2009-12-04 2011-06-16 Univ Nat Chiao Tung Catalytic seeding control method
US8878157B2 (en) 2011-10-20 2014-11-04 University Of Kansas Semiconductor-graphene hybrids formed using solution growth
EP2838837A4 (en) 2012-04-16 2015-12-23 Seerstone Llc METHODS AND STRUCTURES FOR REDUCING CARBON OXIDES WITH NON-FERROUS CATALYSTS
EP2838844A4 (en) 2012-04-16 2015-10-28 Seerstone Llc METHOD FOR TREATING A GAS CLEARANCE CONTAINING CARBON OXIDES
NO2749379T3 (zh) 2012-04-16 2018-07-28
US9090472B2 (en) 2012-04-16 2015-07-28 Seerstone Llc Methods for producing solid carbon by reducing carbon dioxide
US9221685B2 (en) 2012-04-16 2015-12-29 Seerstone Llc Methods of capturing and sequestering carbon
US9896341B2 (en) 2012-04-23 2018-02-20 Seerstone Llc Methods of forming carbon nanotubes having a bimodal size distribution
US10815124B2 (en) 2012-07-12 2020-10-27 Seerstone Llc Solid carbon products comprising carbon nanotubes and methods of forming same
WO2014011631A1 (en) 2012-07-12 2014-01-16 Seerstone Llc Solid carbon products comprising carbon nanotubes and methods of forming same
WO2014011206A1 (en) 2012-07-13 2014-01-16 Seerstone Llc Methods and systems for forming ammonia and solid carbon products
US9779845B2 (en) 2012-07-18 2017-10-03 Seerstone Llc Primary voltaic sources including nanofiber Schottky barrier arrays and methods of forming same
JP6389824B2 (ja) 2012-11-29 2018-09-12 シーアストーン リミテッド ライアビリティ カンパニー 固体炭素材料を製造するための反応器および方法
US9586823B2 (en) 2013-03-15 2017-03-07 Seerstone Llc Systems for producing solid carbon by reducing carbon oxides
WO2014151138A1 (en) 2013-03-15 2014-09-25 Seerstone Llc Reactors, systems, and methods for forming solid products
US10115844B2 (en) 2013-03-15 2018-10-30 Seerstone Llc Electrodes comprising nanostructured carbon
US9783416B2 (en) 2013-03-15 2017-10-10 Seerstone Llc Methods of producing hydrogen and solid carbon
WO2014151144A1 (en) 2013-03-15 2014-09-25 Seerstone Llc Carbon oxide reduction with intermetallic and carbide catalysts
WO2018022999A1 (en) 2016-07-28 2018-02-01 Seerstone Llc. Solid carbon products comprising compressed carbon nanotubes in a container and methods of forming same

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5796573A (en) * 1997-05-29 1998-08-18 International Business Machines Corporation Overhanging separator for self-defining stacked capacitor
US6250984B1 (en) * 1999-01-25 2001-06-26 Agere Systems Guardian Corp. Article comprising enhanced nanotube emitter structure and process for fabricating article
US6465132B1 (en) * 1999-07-22 2002-10-15 Agere Systems Guardian Corp. Article comprising small diameter nanowires and method for making the same
KR100360476B1 (ko) 2000-06-27 2002-11-08 삼성전자 주식회사 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터 및 그제조방법
GB2364933B (en) * 2000-07-18 2002-12-31 Lg Electronics Inc Method of horizontally growing carbon nanotubes
DE10036897C1 (de) 2000-07-28 2002-01-03 Infineon Technologies Ag Feldeffekttransistor, Schaltungsanordnung und Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors
DE60126310T2 (de) 2000-11-01 2007-06-06 Japan Science And Technology Agency, Kawaguchi Punktkontaktarray, Not-Schaltung und elektronische Schaltung damit
US6423583B1 (en) * 2001-01-03 2002-07-23 International Business Machines Corporation Methodology for electrically induced selective breakdown of nanotubes
US6737939B2 (en) * 2001-03-30 2004-05-18 California Institute Of Technology Carbon nanotube array RF filter
US7084507B2 (en) * 2001-05-02 2006-08-01 Fujitsu Limited Integrated circuit device and method of producing the same
WO2003063208A2 (en) 2002-01-18 2003-07-31 California Institute Of Technology Array-based architecture for molecular electronics
EP1341184B1 (en) 2002-02-09 2005-09-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Memory device utilizing carbon nanotubes and method of fabricating the memory device
US6515325B1 (en) * 2002-03-06 2003-02-04 Micron Technology, Inc. Nanotube semiconductor devices and methods for making the same
US6891227B2 (en) 2002-03-20 2005-05-10 International Business Machines Corporation Self-aligned nanotube field effect transistor and method of fabricating same
US20030211724A1 (en) 2002-05-10 2003-11-13 Texas Instruments Incorporated Providing electrical conductivity between an active region and a conductive layer in a semiconductor device using carbon nanotubes
DE10250984A1 (de) 2002-10-29 2004-05-19 Hahn-Meitner-Institut Berlin Gmbh Feldeffekttransistor sowie Verfahren zu seiner Herstellung
DE10250830B4 (de) 2002-10-31 2015-02-26 Qimonda Ag Verfahren zum Herstellung eines Schaltkreis-Arrays
KR100790859B1 (ko) 2002-11-15 2008-01-03 삼성전자주식회사 수직 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자
KR100493166B1 (ko) 2002-12-30 2005-06-02 삼성전자주식회사 수직나노튜브를 이용한 메모리
US6933222B2 (en) 2003-01-02 2005-08-23 Intel Corporation Microcircuit fabrication and interconnection
WO2004105140A1 (ja) 2003-05-22 2004-12-02 Fujitsu Limited 電界効果トランジスタ及びその製造方法
US7038299B2 (en) 2003-12-11 2006-05-02 International Business Machines Corporation Selective synthesis of semiconducting carbon nanotubes
US7211844B2 (en) 2004-01-29 2007-05-01 International Business Machines Corporation Vertical field effect transistors incorporating semiconducting nanotubes grown in a spacer-defined passage
US20050167655A1 (en) 2004-01-29 2005-08-04 International Business Machines Corporation Vertical nanotube semiconductor device structures and methods of forming the same
US7829883B2 (en) 2004-02-12 2010-11-09 International Business Machines Corporation Vertical carbon nanotube field effect transistors and arrays

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US20080160312A1 (en) 2008-07-03
JP2005170785A (ja) 2005-06-30
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JP4032083B2 (ja) 2008-01-16

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