DE10134866A1 - Verfahren zum horizontalen Ziehen von Kohlenstoff-Nanoröhren und Feldeffekttransistor, der die durch das Verfahren gezogenen Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet - Google Patents

Verfahren zum horizontalen Ziehen von Kohlenstoff-Nanoröhren und Feldeffekttransistor, der die durch das Verfahren gezogenen Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren beschrieben, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhren selektiv in einer horizontalen Richtung an spezifischen Orten eines Substrats, das einen Katalysator darauf gebildet hat, wachsen gelassen werden können, so dass das Verfahren nützlich beim Herstellen von Nanoeinrichtungen verwendet werden kann. Das Verfahren umfasst die Schritte: (a) Bilden eines vorbestimmten Katalysatormusters auf einem ersten Substrat; (b) Bilden einer Schicht zum Verhindern eines vertikalen Wachstums auf dem ersten Substrat, die verhindert, dass Kohlenstoff-Nanoröhren in eine vertikale Richtung wachsen; (c) Bilden von Öffnungen durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat, um das Katalysatormuster durch die Öffnungen freizulegen; und (d) Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren an freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters, um die Kohlenstoff-Nanoröhren in der horizontalen Richtung wachsen zu lassen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ziehen von Kohlenstoff-Nanoröhren und insbesondere auf ein Verfahren zum horizontalen Ziehen von Kohlenstoff-Nanoröhren, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhren selektiv in einer horizontalen Richtung an spezifischen Orten eines Substrats wachsen gelassen werden können, das einen Katalysator darauf geformt hat, so dass das Verfahren nützlich beim Herstellen von Nanoeinrichtungen verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren, bei dem Katalysatoren in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden an gewünschten speziellen Orten geformt sind, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren selektiv an ausgewählten Orten gezogen werden, wodurch das Verfahren nützlich beim Herstellen von Nanoeinrichtungen eingesetzt werden kann.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Feldeffekttransistor, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhren in einer horizontalen Richtung gezogen sind, so dass sie eine Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke bilden, die einen Feldeffekttransistor (FET) bildet, und wobei Katalysatoren in Kontakt mit einer Quelle und einer Senke, zwischen denen eine Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke geformt wird, in eine gewünschten Richtung magnetisiert werden, so dass gleichzeitig sowohl ein Spinventil als auch eine Singleelektronentransistor (SET) geformt wird.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine Kohlenstoff-Nanoröhre hat eine Konstruktion eines eindimensionalen Quantenfadens und hat gute mechanische und chemische Eigenschaften. Es ist auch bekannt, dass die Kohlenstoff-Nanoröhre sehr interessante elektrische Charakteristika aufweist, wie das Phänomen des Quantentransports. Weiterhin fand die Kohlenstoff-Nanoröhre als ein neues Material weit Beachtung, da es neu entdeckte, besondere Charakteristika hat, zusätzlich zu den oben erwähnten Charakteristika.
Um die überragenden Charakteristika des Materials auszunützen, muss ein nachvollziehbares Verfahren zum Herstellen der Kohlenstoff-Nanoröhre entwickelt werden. Bei dem vorhandenen Verfahren werden die Kohlenstoff-Nanoröhren, jedoch, nachdem sie wiederhergestellt worden sind, individuell einzeln behandelt, damit sie an einer gewünschten Position platziert werden. Daher ist es schwierig, das bestehende Verfahren, bei dem die gezüchteten Kohlenstoff- Nanoröhren in gewünschten Positionen in "einer individuellen Handhabungsart" platziert sind, auf ein elektronisches Element oder ein hochintegriertes Element anzuwenden, und viel Forschung und Entwicklung wird nun durchgeführt, um dieses Problem zu überwinden.
Ferner werden bei dem vertikalen Wachstumsverfahren, das ein vorhandenes Verfahren zum Synthetisieren der Kohlenstoff- Nanoröhren ist, Kohlenstoff-Nanoröhren 6 in der vertikalen Richtung in einer Gestalt eines gut angeordneten Gerstenfelds auf einem Substrat 2 gezüchtet, auf dem ein Muster 4 eines Katalysators gebildet ist. Hinsichtlich des vertikalen Wachstumsverfahrens ist bereits eine große Menge an Berichten vorhanden.
Um die Kohlenstoff-Nanoröhren jedoch als eine Nanoeinrichtung mit einer neuen Funktion zu verwenden, ist eine Technik nützlicher, die selektiv die Kohlenstoff-Nanoröhren in der horizontalen Richtung an spezifischen Positionen wachsen lassen kann, und wird hinsichtlich des Gesichtspunkts der Anwendbarkeit mehr verlangt als das vertikale Wachstumsverfahren.
Der erste Bericht, der darstellt, dass Kohlenstoff-Nanoröhren horizontal zwischen gemusterten Metallen gezüchtet werden können, die in miteinander verbunden werden sollen, wurde durch Hong Jie Die aufgestellt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist (siehe Nature, Vol. 395, Seite 878). Fig. 2 ist eine Ansicht, um schematisch das Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren darzustellen, das durch Hong Jie Die beschrieben ist. Fig. 2 zeigt jedoch offensichtlich, dass eine große Anzahl Kohlenstoff-Nanoröhren nicht nur in der horizontalen Richtung wachsen, sondern auch in der vertikalen Richtung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren von Oberflächen aus Katalysatormetall gezüchtet werden und ferner zufällig an allen freigelegten Oberflächen des Katalysators gezüchtet werden.
Seit ein Effekt einer Riesen-Magnetoresistenz (giant magneto resistance, GBR) in einem mehrschichtigen Film mit magnetischem Metall und nicht-magnetischem Metall 1988 entdeckt wurde, wird Forschung um einen dünnen Film magnetischen Metalls verstärkt in der ganzen Welt durchgeführt. Da Elektronen in einem spin-polarisierten Zustand in dem magnetischen Metall vorhanden sind, kann ferner eine polarisierter Spinstrom durch Verwenden dieser Charakteristik erzeugt werden. Daher wurden eine große Anstrengungen unternommen, um die Spinelektronik (Spintronic) oder die Magneto-Elektronik zu verstehen und zu entwickeln, durch Verwenden des Freiheitsgrads des Spins, der eine wichtige inhärente Charakteristik des Elektrons ist.
Vor kurzem wurde solche Phänomene, wie eine tunnelnde Magnetoresistenz (TMR) und eine Riesen-Magnetoresistenz (GMR), die in dem magnetischen Mehrschichtfilmsystem der Nanostruktur entdeckt wurden, bereits auf ein Magnetoresistenz (MR) magnetisches Kopfelement angewendet und in einem Festplattenlaufwerk (HDD) eines Computers, der kommerzialisiert werden soll, platziert.
In diesem Fall bezeichnet TMR ein Phänomen, bei dem der tunnelnde Strom sich gemäß der relativen magnetisierten Richtung eines ferromagnetischen Materials in einer Verbindung ändert, die eine Konstruktion Ferromagnet/Dielektrikum (Semiconductor)/Ferromagnet hat und die ein größeres magnetisches Resistenzverhältnis und eine größere Feldempfindlichkeit hat als die andere magnetische Resistenz, so dass Forschung zur Verwendung von ihm in einem Metall für einen magnetischen Random-Access-Memory (MRAM) oder einen magnetischen Resistenzkopf der nächsten Generation aktiv durchgeführt wurde. Eine nacharbeitbare Ausbildung einer dielektrischen Schicht und die Verringerung des Verbindungswiderstands werden jedoch zu ernsthaften Problemen.
Gegenwärtig führen eine große Anzahl von Forschern in dem Gebiet der magnetischen Anwendung aktiv Forschungsarbeiten beim Herstellen von MRAMs durch, die eine magnetische tunnelnde Verbindung (MTJ) und ein Spinventil verwenden, das das Phänomen eines magnetischen Widerstands in dem schwachen magnetischen Feld aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend wurde die vorliegende Erfindung getätigt, um die beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren vorzusehen, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhren selektiv in einer horizontalen Richtung an spezifischen Orten eines Substrats gezüchtet werden können, das einen Katalysator darauf gebildet hat, so dass das Verfahren nützlich beim Herstellen von Nanoeinrichtungen verwendet werden kann.
Es ist ferner eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum horizontalen Züchten von Kohlenstoff- Nanoröhren vorzusehen, bei dem Katalysatoren in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden an gewünschten spezifischen Orten geformt sind, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren selektiv an spezifischen Orten gezüchtet werden, so dass das Verfahren nützlich beim Herstellen von Nanoeinrichtungen verwendet werden kann.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Feldeffekttransistor vorzusehen, bei dem Kohlenstoff- Nanoröhren in einer horizontalen Richtung gezüchtet werden, so dass sie eine Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke bilden, so dass ein Feldeffekttransistor (FET) erzeugt wird, wobei die Katalysatoren in Kontakt mit einer Quelle und einer Senke, zwischen denen eine Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke gebildet wird, in einer gewünschten Richtung magnetisiert sind, so dass gleichzeitig sowohl ein Spinventil als auch ein Single- Elektronentransistor (SET) erzeugt wird.
Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff- Nanoröhren vor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Bilden eines vorbestimmten Katalysatormusters auf einem ersten Substrat; (b) Bilden einer Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums auf dem ersten Substrat, die verhindert, dass Kohlenstoff-Nanoröhren in einer vertikalen Richtung wachsen; (c) Bilden von Öffnungen durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat, so dass das Katalysatormuster durch die Öffnungen freigelegt wird; und (d) Synthetisieren von Kohlenstoff-Nanoröhren an freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren in horizontaler Richtung wachsen.
In diesem Fall haben die in Schritt (c) geformten Öffnungen eine Lochgestalt, wobei die Öffnungen sich vollständig durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat erstrecken, oder sie sind in der Art eines Schachts, wobei das erste Substrat teilweise geätzt ist, so dass die Öffnungen sich durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und einen Bereich des ersten Substrats erstrecken.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff- Nanoröhren vor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (i) Bilden von Masken an vorbestimmten Orten auf einem ersten Substrat; (j) Bilden eines Katalysatormusters auf dem ersten Substrat und den Masken, die auf dem ersten Substrat geformt sind; (k) Bilden einer Schicht zum Verhindern des vertikale Wachstums auf dem ersten Substrat, die verhindert, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren in einer vertikalen Richtung wachsen; (l) Eliminieren der Masken aus der Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und dem ersten Substrat, so dass Öffnungen gebildet werden und das Katalysatormuster freigelegt wird; und (m) Synthetisieren der Kohlenstoff- Nanoröhren an freigelegten Orten des Katalysatormusters, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren in der horizontalen Richtung wachsen.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff- Nanoröhren vor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bilden eines Katalysatormusters in einer vorbestimmten zweidimensionalen Anordnung auf einem ersten Substrat; Herstellen eines zweiten Substrats zum Verhindern des vertikalen Wachstums der Kohlenstoff-Nanoröhren, das Löcher in einer vorbestimmten Anordnung hat; Platzieren des zweiten Substrats zum Verhindern des vertikalen Wachstums der Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem vorbestimmten Zwischenraum über das erste Substrat, das das Katalysatormuster hat; und Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren am Katalysatormuster, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren horizontal wachsen gelassen werden.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren vor, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bilden eines Katalysators in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden auf einem Substrat; Ausbilden eines Musters einer Schicht zum Verhindern des Wachstums auf dem Katalysator in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden, so dass verhindert wird, dass die Nanopunkte oder Nanofäden in einer vertikalen Richtung wachsen; und selektives Wachsenlassen der Kohlenstoff-Nanoröhren in einer horizontalen Richtung an den Nanopunkten oder Nanofäden.
In diesem Fall ist der Katalysator in der Gestalt der Nanopunkte oder Nanofäden durch ein Druckverfahren oder ein Selbstanordnungsverfahren als Muster aufgebracht.
Weiterhin kann die Schicht zum Verhindern des Wachstums aus einem Isolierfilm gebildet werden, der aus einer Verbindung gefertigt ist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Silikonnitrid (SiN) und Silikonoxid (SiO2) besteht, oder sie kann aus einem Metall geformt werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Palladium (Pd), Niob (Nb) und Molybdän (Mo) besteht.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren vor, wobei das Verfahren die Schritt Se umfasst: Bilden von Katalysatoren in der Gestalt von Nanofäden auf einem Substrat; Bilden einer Schicht zum Verhindern des Wachstums auf den Katalysatoren, die die Gestalt von Nanofäden hat durch einen Halbleitervorgang, einschließlich eines Lithographievorgangs, wobei die Wachstumsverhinderungsschicht von dem Substrat mit einem vorbestimmten Zwischenraum beabstandet ist; Eliminieren eines Bereichs des Katalysators, der die Gestalt von Nanofäden hat, durch Nassätzen in einem Gebiet, in dem die Wachstumsverhinderungsschicht nicht gebildet ist; und Wachsenlassen der Kohlenstoff-Nanoröhren in einer horizontalen Richtung zwischen den Katalysatoren, die unter der Wachstumsverhinderungsschicht geformt sind, die von dem Substrat mit einem vorbestimmten Zwischenraum beabstandet ist, durch ein chemisches Dampfdepositionsverfahren.
Ferner sieht gemäß einem anderen Aspekt die Erfindung auch einen Feldeffekttransistor vor, der eine Quelle, eine Senke und eine Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke zwischen der Quelle und der Senke umfasst, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke durch Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet wird, die in einer horizontalen Richtung zwischen der Quelle und der Senke gewachsen sind, so dass der Feldeffekttransistor den Fluss von Elektronen kontrollieren kann.
In diesem Fall umfasst die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke, die zwischen der Quelle und der Senke gebildet ist, Kohlenstoff- Nanoröhren, die die Charakteristik eines Halbleiters haben.
Weiterhin sind auf der Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke, die zwischen der Quelle und der Senke geformt ist, eine Vielzahl von Gate-Kohlenstoff-Nanoröhren geformt, die die Kohlenstoff- Nanoröhrenbrücke zwischen der Quelle und der Senke kreuzen, so dass sie eine Energiebarriere erzeugen, dass ein Quantenpunkt gebildet wird und der Fluss des elektrischen Stroms kontrolliert wird.
Ferner hat der Quantenpunkt eine Größe, die durch Verwenden eines gewöhnlichen Anschlusses gesteuert wird, wenn die Gate- Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücken Gates bilden.
Ferner umfasst der Feldeffekttransistor auch eine erste und zweite Leitung, durch die ein elektrischer Strom gelangen kann, und die auf der Quelle und der Senke vorgesehen sind, so dass Katalysatoren in einer gewünschten Richtung magnetisiert werden, die in Kontakt mit der Quelle und der Senke sind. Die erste Leitung, die auf der Quelle angebracht ist, und die zweite Leitung, die auf der Senke angebracht ist, sind parallel zueinander angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obenstehenden Aufgaben und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierte Beschreibung deutlicher, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen gesehen wird, in denen:
Fig. 7 eine Ansicht zum schematischen Darstellen eines herkömmlichen Verfahrens des vertikalen Wachsens von Kohlenstoff-Nanoröhren ist;
Fig. 2 eine Ansicht ist, um schematisch ein anderes herkömmliches Verfahren des horizontalen Wachsens von Kohlenstoff-Nanoröhren zu zeigen, das durch Hong Jie Die beschrieben worden ist;
Fig. 3A bis 3D Ansichten sind, um ein Verfahren des horizontalen Wachsens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darzustellen;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Gegenstands ist, der durch das in Fig. 3A bis 3D gezeigte Verfahren hergestellt ist;
Fig. 5A oder Fig. 5B Querschnittsansichten sind, die jeweils einen Lochtyp zeigen, bei dem sich Öffnungen durch eine Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und ein erstes Substrat erstrecken, und einen Schachttyp, bei dem ein Bereich des ersten Substrats nicht geätzt ist sondern so verbleibt, dass jede der Öffnungen sich nicht vollständig durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat erstreckt;
Fig. 6A bis 11 Ansichten sind, um verschiedene Gestalten von Kohlenstoff-Nanoröhren darzustellen, die horizontal durch das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung gewachsen sind;
Fig. 12A und 12B Ansichten sind, um Konstruktionen darzustellen, in denen ein Metall mit Muster versehen ist, um eine Verbindung oder Verbindungen mit den horizontal gewachsenen Kohlenstoff- Nanoröhren herzustellen, die durch das Verfahren des horizontalen Wachsens von Kohlenstoff- Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung gewachsen sind;
Fig. 13A bis 13D Ansichten sind, um schematisch ein anderes Verfahren des horizontalen Wachsens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darzustellen;
Fig. 14A bis 14C Ansichten sind, um schematisch ein anderes Verfahren des horizontalen Wachsens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darzustellen;
Fig. 15A bis 15C Ansichten sind, um schematisch einen Vorgang des horizontalen Wachsens der Kohlenstoff- Nanoröhren an gewünschten Orten durch das Verfahren zum horizontalen Wachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen;
Fig. 16A bis 17D Ansichten sind, um ein Verfahren des selektiven Wachsenlassens von Kohlenstoff- Nanoröhren in einer horizontalen Richtung darzustellen, bei dem das Katalysatormetall in der Gestalt von Nanofäden gebildet ist und der Ort zum Bilden des Katalysators durch Nassätzen gesteuert werden kann;
Fig. 18A und 18B Ansichten sind, um schematisch das Verfahren der Nanodruck-Lithographie zum Bilden von Nanopunkten oder Nanofäden in dem Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff- Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen;
Fig. 19 eine Ansicht ist, um schematisch das selbstzusammenfügende Verfahren zum Bilden der Nanopunkte oder Nanofäden bei dem Verfahren des horizontalen Wachsens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen;
Fig. 23 eine Ansicht ist, um schematisch die Konstruktion eines Spinventil-Single-Elektronentransistors zu zeigen, der die Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht des Spinventil-Single- Elektronentransistors gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wie er in Fig. 20 gezeigt ist;
Fig. 22 eine Ansicht ist, um schematisch einen Spinventil- Single-Elektronentransistor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu zeigen; und
Fig. 23 bis 26 Ansichten sind, um schematisch verschiedene Feldeffekttransistoren zu zeigen, die durch das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die obenstehende und andere Aufgaben, Charakteristika und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
Fig. 3A bis 3D sind Ansichten, um ein Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darzustellen, und Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Gegenstands, der durch das in Fig. 3A bis 3D gezeigte Verfahren hergestellt ist.
Unter Verweis auf Fig. 3A bis 4 umfasst das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung die Schritte: (a) Bilden eines vorbestimmten Katalysatormusters 12 auf einem ersten Substrat 10; (b) Bilden einer Schicht zum Verhindern eines vertikalen Wachstums 14 auf dem ersten Substrat 10, die verhindert, dass Kohlenstoff-Nanoröhren in einer vertikalen Richtung wachsen; (c) Bilden von Öffnungen 16 durch die Schicht 14 zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat 10, um das Katalysatormuster 12 durch die Öffnungen 16 freizulegen; und (d) Synthetisieren von Kohlenstoff- Nanoröhren an freigelegten Oberflächen 18 des Katalysatormusters 12, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren in der horizontalen Richtung gezogen werden.
Verschiedene Materialien, wie Silikon, Glas, Silikonoxid, mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichtetes Glas, können als erstes Substrat 10 und die Schicht 14 zum Verhindern des vertikalen Wachstums abhängig von den Gegenständen eingesetzt werden.
Bezüglich des beschriebenen Katalysators können alle Arten von Materialien, auf denen Kohlenstoff-Nanoröhren wachsen können, einschließlich Metall, Metalllegierungen, superleitendes Metall und ein anderes besonderes Metall verwendet werden. Diese Materialien können ferner durch ein. Verfahren wie Lithographie, Sputtering und Verdampfen geformt werden, so dass sie das vorbestimmte Muster 12 aufweisen.
In diesem Fall können die Öffnungen 16, die an spezifischen Orten des Katalysatormusters positioniert sind, durch Verfahren wie Laserbohren, Nassätzen und Trockenätzen geformt werden. Hinsichtlich einer detaillierteren Beschreibung können dabei die Öffnungen 16 vom Lochtyp sein, bei dem sich die Öffnungen 16 durch die Schicht 14 zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat 10 wie in Fig. 5A gezeigt erstrecken, oder von einem Schachttyp, bei dem ein Bereich des ersten Substrats 10 nicht geätzt ist sondern so verbleibt, dass jede der Öffnungen 16 sich nicht vollständig durch die Schicht 14 zum zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat 10 erstreckt, wie es in Fig. 5B gezeigt ist.
Dann wird das in Fig. 5A oder 5B gezeigte Objekt, das durch den oben beschriebenen Vorgang präpariert ist, in eine Vorrichtung zum Synthetisieren von Kohlenstoff-Nanoröhren gelegt und wird synthetisiert, so dass jede Kohlenstoff- Nanoröhre nur an der freigelegten Oberfläche 18 des Katalysatormusters wächst, die einer Gasquelle ausgesetzt ist. Das heißt, die Kohlenstoff-Nanoröhren wachsen nur in einer horizontalen Richtung, die parallel zum ersten Substrat 10 ist.
Dabei können solche Verfahren wie ein katalytisches thermales Dekompositionsverfahren, ein Plasmadampf-Depositionsverfahren und ein Heißfilament-Dampfdepositionsverfahren beim Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden. Ferner kann als Rohmaterial eine Verbindung eines Kohlenwasserstoffs, wie Methan, Acetylen, Kohlenstoffmonoxid, Benzen und Ethylen verwendet werden.
Dabei zeigen Fig. 6A, 6B und 11 verschiedene Gestalten von Kohlenstoff-Nanoröhren, die durch das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung gewachsen sind.
Fig. 6A und 6B zeigen eine Kohlenstoff-Nanoröhre 20, die auf einem Katalysatormuster 12 der geradlinigen Art gewachsen ist und bei der die Öffnung in einem vorbestimmten Bereich des Katalysatormusters gebildet ist. In diesem Fall kann durch geeignetes Steuern der Synthetisierzeit optional eine Kohlenstoff-Nanoröhre 20 mit einer. Brückenkonstruktion erzielt werden, bei der die freigelegten Oberflächen 18 des Katalysatormusters, die einander gegenüber sind, miteinander durch die Kohlenstoff-Nanoröhre verbunden werden, oder eine Kohlenstoff-Nanoröhre einer freihängenden Konstruktion, bei der die gegenüberliegenden freigelegten Oberflächen 18 nicht miteinander verbunden werden.
Dabei kann der Durchmesser der gewachsenen Kohlenstoff- Nanoröhre 20 durch Steuern der Fläche oder der Größe der Partikel auf der freigelegten Katalysatoroberfläche bestimmt werden und die freigelegte Katalysatoroberfläche kann verschiedenartige Oberflächenzustände haben, indem die Bedingungen beim Bilden des Musters verändert werden oder durch eine nachfolgende Behandlung, wie eine Plasmabehandlung und eine Säurebehandlung. Daher können durch das oben beschriebene Verfahren mindestens zwei Kohlenstoff-Nanoröhren 20 an einer einzigen freigelegten Oberfläche gezogen werden, und die an den gegenüberliegenden freigelegten Oberflächen 18 des Katalysatormusters gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhren 20 können unterschiedliche Konstruktionen haben, d. h. unterschiedliche Durchmesser, unterschiedliche Chiralitäten usw., wie es in Fig. 6B gezeigt ist.
Fig. 7A bis 7D zeigen jeweils eine Kohlenstoff-Nanoröhre, die horizontal auf einem Katalysatormuster mit einer sich schneidenden Art gewachsen ist, bei der die Öffnungen auf dem Schnittgebiet des Katalysatormusters geformt sind.
Wie bei dem Katalysatormuster der geradlinien Art können eine Kohlenstoff-Nanoröhre 20 der Brückenkonstruktion, wie es in Fig. 7A gezeigt ist, oder eine Kohlenstoff-Nanoröhre 20 der freihängenden Konstruktion, wie es in Fig. 7C gezeigt ist, auch bei diesem Katalysatormuster der Kreuzungsart erzielt werden. Ferner können die Kohlenstoff-Nanoröhren 20, die an den freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters, die einander gegenüberliegen, gewachsen sind, unterschiedliche Durchmesser bezüglich einander haben, wie es in Fig. 7C gezeigt ist, und mindestens zwei Kohlenstoff-Nanoröhren 20 können an einer freigelegten Oberfläche gewachsen sein, wie es in Fig. 7B gezeigt ist. Ferner können durch Wachsenlassen einer Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren an jeder der freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters die gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhren eine Gittergestalt einnehmen, wie es in Fig. 7D gezeigt ist.
Ferner können, wie es in Fig. 7A gezeigt ist, durch Steuern der Höhe des Katalysatormusters in der vertikalen Richtung und in der horizontalen Richtung Kohlenstoff-Nanoröhren 20 wachsen gelassen werden, wobei sie einander schneiden, und dies kann als Gateelement verwendet werden. Ferner können die gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhren, die einander schneiden, in mechanischem Kontakt miteinander sein, so dass eine elektrische Verbindung gebildet wird, die direkt in der Verbindungsanalyse verwendet werden kann, und diese Verbindungscharakteristik kann durch Elemente verwendet werden.
In diesem Fall kann als ein Verfahren zum Erleichtern der Bildung der Verbindung eine thermische Expansion/Kontraktion von Material eingesetzt werden. Da die Synthese der Kohlenstoff-Nanoröhren gewöhnlich bei einer Temperatur zwischen 500°C und 900°C ausgeführt wird, kann der Kontakt zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 20, die einander kreuzend wachsen gelassen werden, durch Verwenden eines Phänomens der thermischen Kontraktion vereinfacht werden, die in einem Kühlschritt nach der Synthese auftritt.
Fig. 5, 9, 10 und 11 zeigen jeweils eine horizontal gewachsene Kohlenstoff-Nanoröhre bei einem radialen Katalysatormuster, einem kreisförmigen Katalysatormuster, einem rechteckigen Katalysatormuster und einer Konstruktion, die mindestens zwei Nuten auf mindestens zwei Katalysatormustern des geradlinigen Typs angeordnet hat, bzw. bei der Öffnungen an Schnittgebieten geformt sind, einem Inneren des Kreises und einem Inneren des Rechtecks des Musters.
Fig. 6A bis 11 zeigen verschiedene Gestalten der Kohlenstoff- Nanoröhren, die horizontal gemäß der vorliegenden Erfindung gewachsen sind, die jedoch nicht den Rahmen der Erfindung beschränken, sondern wobei das Katalysatormuster vielmehr in einer effizienteren Weise beim Anwenden auf Nanoeinrichtungen modifiziert werden kann.
Dabei zeigen Fig. 12A und 12B Konstruktionen, bei denen ein Metall 30 gemustert ist, so dass eine Verbindung oder Verbindungen mit den durch das Verfahren des horizontalen Wachsens der Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung horizontal gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt wird. Folglich kann die Verbindung zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 20 und dem Metall 30 einfach erreicht werden und solch eine Verbindung kann optional an einem spezifischen Ort geformt werden.
Ferner kann durch Verwenden des obenstehenden Verfahrens eine Kohlenstoff-Nanoröhren/Kohlenstoff-Nanoröhren-Verbindung, eine Kohlenstoff-Nanoröhren/Metallverbindung und eine Kohlenstoff-Nanoröhren/Halbleiterverbindung optional an gewünschten Orten gebildet werden.
Ferner sind Fig. 13A bis 13D Ansichten, um schematisch ein anderes Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darzustellen.
Bezugnehmend auf Fig. 13A bis 13D umfasst das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schritte: (i) Bilden von Masken 40 an vorbestimmten Orten auf einem ersten Substrat 10; (j) Bilden des Katalysatormusters 12 auf dem ersten Substrat 10 und den Masken 40, die auf dem ersten Substrat 10 gebildet sind; (k) Bilden einer Schicht 14 zum Verhindern des vertikalen Wachstums auf dem ersten Substrat 10, die verhindert, dass Kohlenstoff-Nanoröhren in einer vertikalen Richtung wachsen; (l) Eliminieren der Masken 40 aus der Schicht 14 zum Verhindern des vertikalen Wachstums und dem ersten Substrat 10, so dass Öffnungen 42 gebildet werden und das Katalysatormuster 12 freigelegt wird; und (m) Synthetisieren von Kohlenstoff-Nanoröhren an den freigelegten Orten des Katalysatormusters, so dass die Kohlenstoff- Nanoröhren in der horizontalen Richtung wachsen gelassen werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind das Material des ersten Substrats 10 und das Katalysatormuster 12, das Verfahren zum Bilden des Katalysatormusters, und das Verfahren zum Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren gleich wie diejenigen aus der ersten Ausführungsform. Weiterhin sind die Masken 40, die einfach durch Ätzen, Heizen usw. eliminiert werden können, auf dem Substrat durch solch ein Verfahren wie Verdampfung gebildet. Ferner kann das Katalysatormuster in verschiedenartigen Gestalten geformt sein, einschließlich einer geradlinigen Gestalt, einer Kreuzungsgestalt, einer radialen Gestalt, einer kreisförmigen Gestalt und einer rechteckigen Gestalt. Ferner können durch die vorliegenden Ausführungsform die in der horizontalen Richtung gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhren erzielt werden, die in Fig. 6A bis 11 gezeigt sind.
Fig. 14A bis 14C sind Ansichten, um schematisch ein anderes Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff- Nanoröhren gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zu zeigen.
Bezug nehmend auf Fig. 14A bis 14C umfasst das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die Schritte: Bilden eines Katalysatormusters 12 in einer vorbestimmten zweidimensionalen Anordnung auf dem ersten Substrat 10; Herstellen eines separaten Substrats 50 zum Verhindern des vertikalen Wachstums der Kohlenstoff-Nanoröhren, das Löcher 52 in einer vorbestimmten Anordnung hat; Platzieren des Substrats zum Verhindern des vertikalen Wachstums 50 über das erste Substrat 10, das das Katalysatormuster 12 hat, mit einem vorbestimmten Zwischenraum 54; und Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren am Katalysatormuster 12, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren horizontal gezogen werden.
In diesem Fall sind die Arten des ersten Substrats 10 und des Katalysatormusters 12, das Verfahren zum Bilden des Katalysatormusters und das Verfahren zum Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren in der vorliegenden Erfindung gleich wie bei der ersten Ausführungsform. Ferner können die Löcher 52 des zweiten Substrats 50 zum Verhindern des vertikalen Wachstums der Kohlenstoff-Nanoröhren durch Verfahren wie Laserbohren, Nassätzen und Trockenätzen gebildet werden. Beim Schritt des Platzierens des Substrats 50 zum Verhindern des vertikalen Wachstums über das erste Substrat 10 wird ein Raum, in dem die Kohlenstoff-Nanoröhren wachsen können, für den vorbestimmten Zwischenraum 54 zwischen den zwei Substraten 10 und 50 eingesetzt, und Abstandshalter 56 können zwischen den Ecken des ersten und zweiten Substrats 10 und 50 angebracht werden, so dass der Zwischenraum dazwischen aufrecht erhalten wird.
Dabei sind Fig. 15A bis 15C schematische Ansichten zum Darstellen eines Verfahrens des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren an gewünschten Orten durch einen Katalysator, der die Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden hat bei dem Verfahren des horizontalen Wachsenlassens der Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 15A wird zunächst ein Katalysatormetall, das in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden als Muster verteilt wird, auf einem Silikonsubstrat abgelagert, das einen Oxidfilm aufweist. Dabei wird das gleiche Material wie für das Katalysatormuster 12 wie oben beschrieben gewöhnlich als Katalysatormetall verwendet.
Weiter, wie es in Fig. 15B gezeigt ist, wird ein Material wie Palladium (Pd), Niob (Nb), Molybdän (Mo) oder ein Isolator aus Silikonnitrid (SiN) Film oder Silikonixid (SiO2) Film abgelagert, um eine Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums auf den Nanopunkten oder Nanofäden zu bilden. Diese Schicht verhindert, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren in der vertikalen Richtung von dem Katalysator wachsen und wirkt ferner als eine Elektrode im Fall von Metall. In diesem Fall kann die Schicht zum Verhindern des Wachstums in einer gewünschten Gestalt durch einen allgemeinen Halbleitervorgang, wie einen Fotoresistvorgang (PR Vorgang) und einen Lithographievorgang gemustert werden.
Wie es in Fig. 15C gezeigt ist, können entsprechend auf dem Substrat, das eine Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums in einem Muster geformt hat, die Kohlenstoff- Nanoröhren in der horizontalen Richtung von dem Katalysator durch ein chemisches Dampfdepositionsverfahren wachsen gelassen werden.
Fig. 16A bis 16D sind Ansichten, um ein Verfahren des selektiven Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren in einer horizontalen Richtung zu zeigen, bei dem das Katalysatormetall in der Gestalt von Nanofäden gebildet ist und der Ort zum Bilden des Katalysators durch Nassätzen kontrolliert werden kann.
Wie es in Fig. 16A und 17A gezeigt ist, wird ein in der Gestalt von Nanofäden gemustertes Katalysatormetall zunächst auf einem Silikonsubstrat mit einem Oxidfilm darauf abgelagert. In diesem Fall wird das gleiche Material wie das Katalysatormuster 12 wie oben beschrieben gewöhnlich als Katalysatormetall verwendet.
Ferner wird, wie es in Fig. 16B und 17B gezeigt ist, ein Material wie Palladium (Pd), Niob (Nb), Molybdän (Mo) oder ein Isolator aus Silikonnitrid (SiN) Film oder Silikonoxid (SiO2) Film abgelagert, so dass eine wachstumsverhindernde Schicht auf dem Katalysator in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen gebildet wird. Diese Schicht verhindert, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren in der vertikalen Richtung von dem Katalysator wachsen und wirkt weiter als eine Elektrode im Fall von Metall.
Die das Wachstum verhindernde Schicht kann in einer gewünschten Gestalt durch ein allgemeines Halbleiterverfahren, wie ein Fotoresistverfahren und ein Lithographieverfahren, gemustert werden. In diesem Fall zeigt Fig. 17B den Fall, in dem ein Fehler während des Bildens des Musters auftritt, d. h. den Fall, in dem der Katalysator in einem nicht gewünschten Gebiet während des Bemusterns der Schicht zum Verhindern des Wachstums freigelegt wird.
Ferner, wie es in Fig. 16C und 17C gezeigt ist, wird der Katalysator, der die Gestalt von Nanofäden hat, in einem Gebiet, in dem die wachstumsverhindernde Schicht nicht gebildet ist, d. h. der Katalysator in einem nicht gewünschten Gebiet, durch Nassätzen eliminiert. In diesem Fall, beim Durchführen des Nassätzens, wird das Katalysatormetall weiter nach innen in der das Wachstum verhindernden Schicht (siehe Fig. 16C) geätzt, da ein isotropes Ätzens durchgeführt wird, so dass die Funktion der Schicht zum Verhindern des Wachstums, also das Verhindern, dass die Kohlenstoff- Nanoröhren, in der vertikalen Richtung wachsen, wichtiger wird.
In dem Fall, in dem der Katalysator in der Gestalt von Nanofäden geformt ist, bleibt ferner, selbst wenn ein übermäßiges Ätzen durchgeführt worden ist, der Katalysator, von dem die Kohlenstoff-Nanoröhren wachsen gelassen werden, auf dem Substrat, so dass eine effektivere Schicht zum Verhindern des Wachstums gebildet wird, im Unterschied zum Fall des Katalysators in der Gestalt der Nanoröhren. Selbst wenn das Muster der Schicht zum Verhindern des Wachstums irrtümlich in dem lithographischen Verfahren gebildet wird, wie es in Fig. 17B und 17C gezeigt ist, kann ferner der Fehler, der in dem lithographischen Verfahren erzeugt worden ist, durch das Nassätzen korrigiert werden.
Daher können durch das chemische Dampfdepositionsverfahren die Kohlenstoff-Nanoröhren horizontal zwischen den gebildeten Katalysatoren unter der das Wachstum verhindernden Schicht, die davon mit einem vorbestimmten Zwischenraum beabstandet ist, horizontal wachsen gelassen werden.
Dabei können bei den in Fig. 15A bis 17D gezeigten Ausführungsformen die folgenden bereits öffentlich bekannten Verfahren als Verfahren zum Bilden des Katalysatormusters auf dem Substrat in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden verwendet werden.
Eines dieser Verfahren verwendet das Verfahren der Nanodrucklithographie, wie es in Fig. 18A und 18B gezeigt ist. Fig. 18A und 18B sind Ansichten zum schematischen Darstellen des Verfahrens einer Nanodrucklithographie zum Bilden von Nanopunkten oder Nanofäden bei dem Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Nanodrucklithographie ist ein Druckvorgang, bei dem ein Stempel mit einem Nanomuster auf einen hochmolekularen dünnen Film gedrückt wird, so dass ein hochmolekulares Muster in einer Größe von Nanometern gebildet wird, das auf einen Wafer mit großer Fläche aufgebracht werden kann, wie es in Fig. 18A und 18B gezeigt ist. Die Nanodrucklithographie ist ein Verfahren zum einfachen Herstellen eines Musters, das eine Größe von einigen zehn Nanometern hat, das im großen Maß vereinfacht im Vergleich zu einem Verfahren des Bildens des großflächigen Nanomusters durch die bestehende feinoptische Verarbeitungstechnologie ist.
Ferner kann das Katalysatormuster von Nanopunkten oder Nanofäden durch ein Selbstaufbauverfahren gebildet werden, wie es in Fig. 19 gezeigt ist, die eine Ansicht zum schematischen Darstellen des Selbstaufbauverfahrens zum Bilden der Nanopunkte oder Nanofäden beim Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Bei dem Selbstaufbauverfahren, das oben erwähnt wurde, wird die obere Oberfläche des Substrats, das aus einem Metall wie Gold (Au) oder Silikon (Si) gefertigt ist, mit einem spezifischen Material beschichtet, das zur Oberfläche als eine oberflächenaktive Kopfgruppe adsorbiert werden kann, was hauptsächlich organische Moleküle sind, die in einer Mono- Molekülschicht adsorbiert werden, und wird dann mit einem Material in der Alcylgruppe beschichtet, was eine Verbindung zu einem Material, auf das beschichtet werden soll, ermöglicht. Danach wird ein Material einer Oberflächengruppe, das die Charakteristik eines Films hat, darauf beschichtet, so dass ein ultrafeiner dünner Film, der verschiedene Schichten von einer einzigen Schicht bis zu einer Vielzahl von Schichten hat, hergestellt werden kann.
Das heißt, das spezifische Material, das in das Substrat adsorbiert werden kann, wird aufgebracht, und ein Material, das als Brücke zum Material des dünnen Films, der abgelagert werden soll, dient, wird aufgebracht und dann wird das gewünschte Material des dünnen Films abgelagert. Nachdem das spezifische Material, das eine chemische Adsorption durchführen kann, auf der Oberfläche abgelagert ist, wird es durch ein Scanning-Tunnelmikroskop/Atomkraftmikroskop (STM/AFM) gemustert, so dass ein ultrafeiner dünner Film mit einem gewünschten Muster erzielt werden kann. Weiter ist Fig. 20 eine Ansicht, um schematisch die Konstruktion eines Spinventil-Singleelektronentransistors zu zeigen, der die Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, und Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht des Spinventil-Singleelektronentransistors gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in Fig. 20 gezeigt ist. Der Spinventil- Singleelektronentransistor wie folgt kann durch Verwenden der in der horizontalen Richtung des Substrats gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhren durch das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren, wie es oben beschrieben ist, gewonnen werden.
Bezugnehmend auf Fig. 20 und 21 werden bei dem Spinventil- Singleelektronentransistor gemäß der vorliegenden Erfindung die Kohlenstoff-Nanoröhren in der horizontalen Richtung zwischen einer Quelle 210 und einer Senke 220 wachsen gelassen, so dass eine Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke 260 gebildet wird, die den Fluss des elektrischen Stroms durch die Einheit eines Elektrons, das gesteuert werden soll, ermöglicht. In diesem Fall besteht die Kohlenstoff- Nanoröhrenbrücke 260, die zwischen der Quelle 210 und der Senke 220 gebildet ist, aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die die Charakteristik eines Halbleiters haben.
Ferner ist die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke 260, die zwischen der Quelle 210 und der Senke 220 gebildet ist, auf einer Vielzahl von Gate-Kohlenstoff-Nanoröhren 270 und 280 geformt, die auf solch eine Weise geformt sind, dass sie eine Energiebarriere erzeugen, so dass ein Quantenpunkt gebildet wird, und den Fluss des elektrischen Stroms steuern.
Ferner sind Leitungen 251 und 252, durch die ein elektrischer Strom gelangen kann, auf der Quelle 210 und der Senke 220 vorgesehen, so dass der Katalysator, der in Kontakt mit der Quelle 210 und der Senke 220 ist, in einer gewünschten Richtung magnetisiert wird. Ferner sind die Quellenleitung 251, die auf der Quelle 210 angebracht ist, und die Senkenleitung 252, die auf der Senke 220 angebracht ist, parallel zueinander angeordnet.
Ferner ist Fig. 22 eine Ansicht, um schematisch einen Spinventil-Singleelektronentransistor gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zu zeigen.
Bezugnehmend auf Fig. 22 wird, wenn eine Vielzahl von Gate- Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücken 470 und 480 Gates 430 und 440 bilden, die Größe des Quantenpunkts durch Verwenden eines gemeinsamen Anschlusses 490 kontrolliert. Andere Elemente in der vorliegenden Ausführungsform sind gleich denjenigen, die unter Verweis auf Fig. 20 und 21 beschrieben wurden.
Untenstehend wird eine Beschreibung hinsichtlich einer Arbeitsweise des Spinventil-Singleelektronentransistors gegeben, der Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, der die oben beschriebene Konstruktion hat.
Bezugnehmend auf Fig. 20 und 21 wird in der Kohlenstoff- Nanoröhrenbrücke 260 der Halbleitercharakteristik, die zwischen der Quelle 210 und der Senke 220 geformt ist, eine positive Spannung auf die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücken 270 und 280 aufgebracht, die jeweils als erstes und zweites Gate 230 und 240 definiert sind. Folglich können die elektrischen Ladungen in den Punkten C1 und C2 nicht ausreichend sein, was zu einer Ausbildung von Energiebarrieren an den Punkten C1 und C2 führt. In diesem Fall wird der Bereich zwischen den Punktei C1 und C2 von der Umgebung unter Bildung des Quantenpunkts isoliert, im Fall der Kohlenstoff- Nanoröhrenbrücke 260 zwischen der Quelle 210 und der Senke 220.
Da die Elektroden der Quelle 210 und der Senke 220 in Kontakt mit der Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke 260 durch den Transitionsmetallkatalysator sind, kann ferner der Katalysator, der in Kontakt mit der Quelle 210 und der Senke 220 ist, in einer gewünschten Richtung durch Übertragen von elektrischen Strömen, die als Im1 und Tm2 im Hinblick auf eine geeignete Koerzitivkraft definiert sind, magnetisiert werden.
Durch das oben beschriebene Verfahren kann der Spin des in die Quelle 210 eingebrachten Elektrons kontrolliert werden. In diesem Fall kann der Spin des eingebrachten Elektrons konserviert werden, wenn Bereiche der Kohlenstoff- Nanoröhrenbrücke 260 zwischen der Quelle 210 und dem Punkt C1 und zwischen dem Punkt C2 und der Senke 220 ballistische Leiter sind. Im Fall, in dem ein Elektron durch Tunneln Zugang zu dem Quantenpunkt, der zwischen den Punkten C1 und C2 gebildet ist, herstellt, wird entsprechend der magnetisierten Richtung der Quelle 210 und der Senke 220 das Tunneln daher einfach erzeugt, wenn die Spinrichtungen gleich sind, während es nicht einfach erzeugt wird, wenn die Spinrichtungen zueinander entgegengesetzt sind.
Wie es oben beschrieben worden ist, kann der spinbezogene Singleelektronentransistor durch Kontrollieren des elektrischen Stroms erhalten werden, der durch die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke 260 für Kanäle überträgt.
Weiterhin sind Fig. 23 bis 26 Ansichten zum schematischen Darstellen verschiedener Feldeffekttransistoren, die durch das Verfahren des horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind. Bezugnehmend auf Fig. 23 bis 26 werden untenstehend verschiedene Konstruktionen der Feldeffekttransistoren beschrieben.
Fig. 23 zeigt einen Feldeffekttransistor, bei dem Gates an beiden Seiten der Kohlenstoff-Nanoröhre angebracht sind. In diesem Fall kann ein Metall wie Niob (Nb), Molybdän (Mo) als Elektrode oder eine Elektrodenschicht für den das Wachstum verhindernden Film verwendet werden. Ferner ist eine Katalysatorschicht, die als Katalysator verwendet wird, unter den Elektrodenschichten der Quelle und der Senke angebracht. In diesem Fall kann das gleiche Material wie das Katalysatormuster 12, das oben beschrieben worden ist, als Katalysator verwendet werden, und gewöhnlich werden Materialien wie Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kobalt (Co) verwendet.
In diesem Fall sind die Gateelektroden an beiden Seiten der Quelle und der Senke angebracht. Ferner wird die Kohlenstoff- Nanoröhre zwischen den Gateelektroden durch ein thermisches chemisches Dampfdepositionsverfahren (TCVD) synthetisiert. Daher wird eine geometrische Gestalt, die den Raum zwischen den Gateelektroden einschließt, benötigt, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhre zwischen den Gateelektroden synthetisiert werden kann. In diesem Fall wird bevorzugt, dass der Raum zwischen den Gates so gestaltet ist, dass er eine Längliche Konstruktion hat, d. h. eine lange und enge Konstruktion, so dass das Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhre gesteuert wird, wobei das elektrische Feld durch die Gates ausreichend erzeugt wird.
Fig. 24 zeigt einen Feldeffekttransistor, bei dem die Gatekonstruktion am Boden angebracht ist. In diesem Beispiel ist unter der Katalysatorschicht eine Pufferschicht zum Erleichtern einer Höhenjustierung und einer Haftung an einer isolierenden Schicht eines Wafers angebracht, da die Höhe der Katalysatorschicht größer sein muss als diejenige des Gates.
Ferner können die Kohlenstoff-Nanoröhren durch das elektrische Feld verbogen werden, da sie eine gute Elastizität haben. In diesem Fall ändert sich das Maß der Verbiegung entsprechend der Art und der Länge der Kohlenstoff-Nanoröhre. Obwohl der maximale Grad der Verbiegung einige zehn Nanometer sein kann, wird vorweggenommen, dass die Kohlenstoff-Nanoröhre gewöhnlich um einige Nanometer verwunden wird. Daher ist die Konstruktion, die in Fig. 23 gezeigt ist, auf solch eine Weise gestaltet, dass der Abstand zwischen den Gates um mehr als einige zehn Nanometer größer ist als die Breite des Katalysators, auf dem die Kohlenstoff-Nanoröhre wächst. In dem Fall des geerdeten Gates, das in Fig. 24 gezeigt ist, kann eine dünne dielektrische Schicht auf der Gateelektrode nach Bedarf abgelagert werden.
Ferner zeigt Fig. 25 eine Konstruktion, bei der die Kohlenstoff-Nanoröhren als Gates verwendet werden.
Wenn die Kohlenstoff-Nanoröhre synthetisiert wird, kann dabei die Kohlenstoff-Nanoröhre vertikal zur Oberfläche der Elektrode wachsen, und es ist sehr schwierig, die Kohlenstoff-Nanoröhre aus der gewünschten Position zur gegenüberliegenden Katalysatorschicht wachsen zu lassen, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhre die Halbleitercharakteristik hat. Um diese Probleme zu lösen, kann ein Weg, der als eine Führung dient, um das Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhre zu führen, d. h. ein Durchlass für das Wachstum der Kohlenstoff­ Nanoröhre, zwischen den Katalysatorschichten angeordnet sein, und die Kohlenstoff-Nanoröhre kann im Weg oder dem Durchlass wachsen gelassen werden (siehe Fig. 26).
In diesem Fall kann die Führung für das Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhre sehr präzise auf dem Silikonoxidfilm durch Trockenätzen als ein reaktives Ionenätzen (RIE) hergestellt werden. Dann wird der Katalysator auf beiden Enden der Führung abgelagert und dann wird eine Elektrode darauf abgelagert. Ferner sind die Gates neben der Führung angebracht. Ferner können die Gates auf der Oberfläche des Dielektrikums positioniert sein, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, und die Gateelektroden können auf geätzten Gebieten, wie den Katalysatorschichten platziert sein, so dass die Gateelektroden ein elektrisches Feld in der gleichen Stärke wie derjenigen der Katalysatorschicht oder der Kohlenstoff-Nanoröhre aufbringen können.
Die in Fig. 23 und 24 gezeigten Konstruktionen können durch zweimaliges lithographisches Verfahren hergestellt werden. Die in Fig. 25 und 26 gezeigten Konstruktionen benötigen jedoch einen dreifachen lithographischen Vorgang. In diesem Fall kann die Konstruktion, die in Fig. 25 gezeigt ist, nicht nur als Feldeffekttransistor (FET), sondern auch als tunnelnder Transistor hergestellt werden. Ferner kann im Fall, in dem mindestens zwei Kohlenstoff-Nanoröhren als Gates abgelagert sind, ein Kondo-Element hergestellt werden, wobei die Kondo-Resonanz oder der Singleelektronentransistor (SET) abhängig von der Gatevorspannung verwendet wird. In der in Fig. 26 gezeigten Konstruktion wird die Kohlenstoff-Nanoröhre an einem Wachstum in einer ungewünschten Richtung beim Synthetisieren gehindert, so dass ein Fehler verringert wird.
Während das dargestellt und beschrieben worden ist, was als bevorzugte spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen wird, wird durch die Fachleute verändern, dass die vorliegende Erfindung nicht auf ihre spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Änderungen und Modifikationen und Äquivalente für ihre Elemente eingesetzt werden können, ohne von dem wahren Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (35)

1. Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
  • a) Bilden eines vorbestimmten Katalysatormusters auf einem ersten Substrat;
  • b) Bilden einer Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums auf dem ersten Substrat, die verhindert., das Kohlenstoff-Nanoröhren in einer vertikalen Richtung wachsen;
  • c) Bilden von Öffnungen durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat, um das Katalysatormuster durch die Öffnungen freizulegen; und
  • d) Synthetisieren von Kohlenstoff-Nanoröhren an freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters, um die Kohlenstoff-Nanoröhren in der horizontalen Richtung wachsen zu lassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in Schritt c geformten Öffnungen von einem Lochtyp sind, bei dem sich die Öffnungen vollständig durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und das erste Substrat erstrecken.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in Schritt c gebildeten Öffnungen von einem Schachttyp sind, bei dem das erste Substrat teilweise geätzt wird, so dass sich die Öffnungen durch die Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und einen Bereich des ersten Substrats erstrecken.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Katalysatormuster eine geradlinige Gestalt, eine kreuzende Gestalt, eine radiale Gestalt, eine kreisförmige Gestalt oder eine rechteckige Gestalt hat, wobei die Öffnungen an den Kreuzungsgebieten des Katalysatormusters einer geradlinigen Gestalt, einer Kreuzungsgestalt und einer radialen Gestalt und im Innern eines Kreises und im Inneren eines Rechtecks des Musters geformt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Kohlenstoff- Nanoröhren, die jeweils aus dem Katalysatormuster und den Öffnungen gebildet werden, wachsen gelassen werden, so dass eine Verbindung zwischen ihnen hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Verbindung zwischen den einander kreuzenden Kohlenstoff-Nanoröhren durch das Phänomen einer thermischen Kontraktion des Materials gebildet wird, das in einem Kühlschritt nach dem Wachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die aus dem Katalysatormuster und den Öffnungen gebildeten Kohlenstoff-Nanoröhren jeweils wachsen gelassen werden, wobei sie einander kreuzen.
8. verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Schritt d wachsen gelassen Kohlenstoff-Nanoröhren eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren sind, die auf einem einzigen Katalysatormuster wachsen gelassen werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Schritt d wachsen gelassenen Kohlenstoff- Nanoröhren eine Brückenkonstruktion bilden, durch die freigelegte Oberflächen des Katalysatormusters, die einander gegenüberliegen, miteinander verbunden werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die in Schritt d wachsen gelassen Kohlenstoff-Nanoröhren eine freihängende Konstruktion bilden, bei der die Kohlenstoff-Nanoröhren von den freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters, die einander gegenüberliegen, voneinander getrennt sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die in Schritt d wachsen gelassen Kohlenstoff-Nanoröhren eine Gitterkonstruktion bilden, bei der eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren von den freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters, die einander gegenüberliegen, wachsen gelassen werden, so dass sie miteinander zu verbinden sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiter nach Schritt d einen Schritt des Bemusterns eines Metalls auf einer gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhre umfasst, so dass selektiv eine Verbindung zwischen der Kohlenstoff-Nanoröhre und dem Metall an einem spezifischen Ort gebildet wird.
13. Verfahren zum horizontalen Wachsenlassens von Kohlenstoff-Nanoröhren, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
  • a) Bilden von Masken an vorbestimmten Orten auf einem ersten Substrat;
  • b) Bilden eines Katalysatormusters auf dem ersten Substrat und den auf dem ersten Substrat geformten Masken;
  • c) Bilden einer Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums auf dem ersten Substrat, die verhindert, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren in einer vertikalen Richtung wachsen;
  • d) Eliminieren der Masken aus der Schicht zum Verhindern des vertikalen Wachstums und dem ersten Substrat, um Öffnungen zu bilden und das Katalysatormuster freizulegen; und
  • e) Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren an freigelegten Orten des Katalysatormusters, um die Kohlenstoff-Nanoröhren in der horizontalen Richtung wachsen zu lassen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Katalysatormuster eine geradlinige Gestalt, eine Kreuzungsgestalt, eine radiale Gestalt, eine kreisförmige Gestalt oder eine rechteckige Gestalt hat, wobei die Öffnungen an Kreuzungsgebieten des Katalysatormusters einer geradlinigen Gestalt, einer Kreuzungsgestalt und einer radialen Gestalt, im Inneren eines Kreises, und im Inneren eines Rechtecks des Musters geformt sind.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Kohlenstoff- Nanoröhren, die jeweils von dem Katalysatormuster und den Öffnungen geformt sind, wachsen gelassen werden, so dass eine Verbindung zwischen ihnen hergestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die jeweils von dem Katalysatormuster und den Öffnungen gebildeten Kohlenstoff-Nanoröhren wachsen gelassen werden, wobei sie einander kreuzen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhren, die in Schritt m wachsen gelassen werden, eine Brückenkonstruktion bilden, durch die freigelegte Oberflächen des Katalysatormusters, die einander gegenüberliegen, miteinander verbunden werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die in Schritt m wachsen gelassenen Kohlenstoff-Nanoröhren eine freihängende Konstruktion bilden, bei der die Kohlenstoff-Nanoröhren von den freigelegten Oberflächen des Katalysatormusters, die einander gegenüberliegen, voneinander getrennt sind.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das Verfahren nach Schritt m weiter einen Schritt des Bemusterns eines Metalls auf einer gewachsenen Kohlenstoff-Nanoröhre umfasst, um selektiv eine Verbindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Metall an einem spezifischen Ort zu bilden.
20. Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Bilden eines Katalysatormusters in einer vorbestimmtem zweidimensionalen Anordnung auf einem ersten Substrat;
Herstellen eines zweiten Substrats zum Verhindern eines vertikalen Wachstums der Kohlenstoff-Nanoröhren, das Löcher in einer vorbestimmten Anordnung hat;
Platzieren des zweiten Substrats zum Verhindern des vertikalen Wachstums der Kohlenstoff-Nanoröhren über das erste Substrat, das das Katalysatormuster hat, mit einem vorbestimmten Zwischenraum; und
Synthetisieren der Kohlenstoff-Nanoröhren am Katalysatormuster, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren horizontal wachsen gelassen werden.
21. Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Bilden eines Katalysators in einer Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden auf einem Substrat;
Bemustern einer Schicht zum Verhindern eines Wachstums auf dem Katalysator in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden, so dass verhindert wird, dass die Nanopunkte oder Nanofäden in einer vertikalen Richtung wachsen; und
selektives Wachsenlassen der Kohlenstoff-Nanoröhren in einer horizontalen Richtung an den Nanopunkten oder Nanofäden.
22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Katalysator in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden durch ein Druckverfahren bemustert ist.
23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Katalysator in der Gestalt von Nanopunkten oder Nanofäden durch ein Selbstaufbauverfahren bemustert ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die das Wachstum verhindernde Schicht auf einem Isolierfilm geformt ist, der aus einer Verbindung gefertigt ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silikonnitrid (SiN) und Silokonoxid (SiO2) besteht.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die das Wachstum verhindernde Schicht aus einem Metall gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Palladium (Pd), Niob (Nb) und Molybdän (Mo) besteht.
26. Verfahren zum horizontalen Wachsenlassen von Kohlenstoff-Nanoröhren, wobei das Verfahren die Schritt umfasst:
Bilden von Katalysatoren in der Gestalt von Nanofäden auf einem Substrat;
Bilden einer das Wachstum verhindernden Schicht auf den Katalysatoren, die die Gestalt von Nanofäden hat, durch ein Halbleiterverfahren einschließlich eines Lithographievorgangs, wobei die das Wachstum verhindernde Schicht von dem Substrat mit einem vorbestimmten Zwischenraum beabstandet ist;
Eliminieren eines Bereichs der Katalysators, der die Gestalt von Nanofäden hat, durch Nassätzen in einem Gebiet, in dem die das Wachstum verhindernde Schicht nicht gebildet ist; und
Wachsenlassen der Kohlenstoff-Nanoröhren in einer horizontalen Richtung zwischen den Katalysatoren, die unter der wachstumsverhindernden Schicht gebildet sind, die von dem Substrat mit einem vorbestimmten Zwischenraum beabstandet ist, durch ein chemisches Dampfdepositionsverfahren.
27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Katalysator in cler Gestalt von Nanofäden durch ein Druckverfahren als Muster aufgebracht ist.
28. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Katalysator in cler Gestalt von Nanofäden durch ein Selbstaufbauverfahren als Muster aufgebracht ist.
29. Feldeffekttransistor, umfassend eine Quelle, eine Senke und eine Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke zwischen der Quelle und der Senke, wobei die Kohlenstoff- Nanoröhrenbrücke durch Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet wird, die in einer horizontalen Richtung zwischen der Quelle und der Senke gewachsen sind, so dass der Feldeffekttransistor den Fluss von Elektronen kontrollieren kann.
30. Feldeffekttransistor nach Anspruch 29, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke, die zwischen der Quelle und der Senke gebildet ist, Kohlenstoff-Nanoröhren umfasst, die die Charakteristik eines Halbleiters haben.
31. Feldeffekttransistor nach Anspruch 29, wobei auf der Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke, die zwischen der Quelle und der Senke gebildet ist, eine Vielzahl von Gate- Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet sind, die die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke zwischen der Quelle und der Senke kreuzen, so dass eine Energiebarriere gebildet wird, um einen Quantenpunkt zu bilden und den Fluss des elektrischen Stroms zu kontrollieren.
32. Feldeffekttransistor nach Anspruch 31, wobei der Quantenpunkt eine Größe hat, die durch Verwenden eines gemeinsamen Anschlusses geregelt wird, wenn die Gate- Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücken-Gates bilden.
33. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei der Feldeffekttransistor weiter eine erste und zweite Leitung umfasst, durch die ein elektrischer Strom gelangen kann, und die auf der Quelle und der Senke vorgesehen sind, so dass die Katalysatoren, die in Kontakt mit der Quelle und der Senke sind, in einer gewünschten Richtung magnetisiert werden.
34. Feldeffekttransistor nach Anspruch 33, wobei die erste Leitung, die auf der Quelle angebracht ist, und die zweite Leitung, die auf der Senke angebracht ist, parallel zueinander angeordnet sind.
35. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 29 bis 34, wobei eine Führungsnut an einem Substrat des Feldeffekttransistors gebildet ist, um zu ermöglichen, dass die Kohlenstoff Nanoröhren in einer horizontalen Richtung zwischen der Quelle und der Senke wachsen gelassen werden, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrenbrücke in der horizontalen Richtung zwischen der Quelle und der Senke gebildet wird.
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