Only Perception: 「乾印」奈米管圖案到任何表面可革新微電子學

2010-08-30

「乾印」奈米管圖案到任何表面可革新微電子學

Dry printing of nanotube patterns to any surface could revolutionize microelectronics
http://www.physorg.com/news183392789.html

January 22, 2010

(PhysOrg.com) -- 觀察一隻壁虎在牆上爬行。不管表面看起來有多麼地平滑，當牠黏上面時顯然抗拒了重力。

所發生的事並非什麼神奇魔法。壁虎之所以能固定不動，是因為其腳上數百萬根微小毛髮與表面之間的靜電吸引力（electrical attraction）-- 凡得瓦力（van der Waals force）。

本週 Rice 大學在 ACS Nano 線上版報告的新研究應用了這個原理。不過在此例中，這些象徵性的毛髮不在壁虎身上而是使自己豎立在「壁」上。

Rice 畢業生 Cary Pint 想出一種方法，在幾分鐘內將強制排列的（strongly aligned）單壁奈米碳管（SWNTs）圖案（patterns），從基質轉移到另一個表面上 -- 任何表面上。而在同一基質上，其催化粒子仍保持完整無缺，能反覆使用，生長更多奈米管，猶如橡皮圖章在打印。

Pint 是本研究論文的主要作者，該論文亦詳述一種方法，能快速、輕易地的測定一批由化學氣相沈積（CVD）所長成之奈米管的直徑大小。在觀察一批直徑大於二奈米的碳管時 -- 即 CVD「supergrowth」製程中，絕大多數奈米管的直徑 -- 常見光譜學技術不盡理想。

"這很重要，因為奈米碳管的所有特性 -- 電、熱與力學 -- 都隨著直徑而改變，" 他說。"最棒的是，幾乎每所大學都設置了傅立葉轉換紅外線光譜（Fourier transform infrared，FTIR）儀，可以進行這些測量，那應能使奈米碳管的合成過程與應用開發更加精確。"

Pint 與其他學生還有 Robert Hauge（Rice 化學榮譽教職員）的同事們，也在研究「獲得印好的單壁奈米碳管薄膜並使它們全部成為導體或全部成為半導體」的方法 -- 此製程因其可在奈米尺度下操縱電子運動的能力而被 Hauge 稱為「飛米級（Fermi-level，1x10^-15 公尺）工程」。

結合之後，這些技術代表著朝數量無限之實際應用（包括感應器、高效率太陽能板與電子元件）邁出的一大步。

"奈米科學領域的一大邊疆是在找尋方法，使我們在奈米尺度上所能完成的事能影響我們的日常活動，" Hauge 表示。"為了在「能改變我們做事方法的裝置」中使用奈米碳管，一種直接了當的、規模可縮放的方法，將整齊的奈米碳管轉印（patterning）到任何表面上且不限定圖案，是一大進展。"

Pint 表示，在他大一某個午後，這個「具創造性構想的實驗」變成了一個計畫，在 Rice 的這段時間內一直對它很感興趣。"我早明白，那對於將奈米管轉移到其他表面上也許很有用，" 他說。

"我從把玩水蒸汽以清除奈米管上的非結晶碳（amorphous carbons）開始。當我拉出樣本時，我注意到，奈米管實際上是黏在鑷子上..."

"我自個兒想，'那真有趣...'"

水結果證明是個關鍵。在生長奈米管後，Pint 將其以氫氣及水蒸汽的混合物蝕刻，那減弱奈米管與金屬催化鍵之間的化學鍵。在壓印時，奈米管落下並黏到新表面上（經由凡得瓦力），把所有催化劑拋諸腦後。

Pint，他希望在八月答辯他的論文，練就出一隻夠穩定的手，以便將奈米管沈積到一系列表面上 -- "任何我能拿到手的東西（anything I could lay my hands on）" -- 形成能輕易被複製且無疑能經由工業製程強化的圖案。其研究的突出例子是一片十字形奈米管薄膜，他將一組直線壓印到一表面上，然後用原本的催化劑生長更多碳管，接著將原來的圖案轉 90 度往印好的圖案上再印一次。這過程花不到 15 分鐘的時間。

"我坦白的說 -- 在幾年內結合技巧並辦到這件事，那有點小幸運，" 他提到這件縮小的藝術品時表示。"但如果我在業界，我想要打造一部機器為我辦到這件事。"

Pint 相信，為了將奈米管電路嵌入電子裝置，業界將以挑剔的眼光看待這項技術，他表示該技術的規模能輕易擴大。

他自己的目標是發展這項製程，藉此製造一系列高效率的感光裝置。他也在研究摻雜技術，那在生長金屬的（導體的）或半導體的單壁奈米碳管時能避免胡亂猜測。

※ 相關報導：

＊ Dry Contact Transfer Printing of Aligned Carbon Nanotube Patterns and Characterization of Their Optical Properties for Diameter Distribution and Alignment
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn9013356

Cary L. Pint, Ya-Qiong Xu, Sharief Moghazy, Tonya Cherukuri,
Noe T. Alvarez, Erik H. Haroz, Salma Mahzooni,
Stephen K. Doorn, Junichiro Kono, Matteo Pasquali and
Robert H. Hauge
ACS Nano, 2010, 4 (2), pp 1131–1145
doi: 10.1021/nn9013356