[发明专利]用于选择性地锚定且暴露大量的纳米级结构的方法

说明书

发明背景

（1）技术领域

本发明大体上涉及用于形成结合了纳米级物体的结构的方法，且更特别地，涉及纳米级结构在锚定结构中的选择性锚定和暴露。

（2）相关技术描述

（2.1）纳米结构的性能和应用

广泛预期纳米结构带来显著的技术进步。十多年来，纳米结构在表征和制造两者中已经是密切研究的对象。纳米管是在需要减少的功率消耗、减轻的质量及通过规模经济的极端功能增益的装置中的整体部件。与较大规模的材料及相同组成的装置不同，纳米级装置的依赖于尺寸的性能较大地受益于它们的小的长度尺度。

纳米级装置目前仅意图用于在高度控制的环境中的应用。这种在“日常”环境中稳健性的通常缺乏是限制有用的基于纳米级的装置的实现的主要因素。阻止纳米结构在环境中应用的潜在破坏性的环境考虑因素包括以下的存在：气载微粒、流体、与固体表面的冲击和相互作用及潜在的与因素比如不期望的温度、流体流动和化学反应的相互作用。对这些环境危害的典型的解决方案涉及在高度控制的条件下（通常在“clean room（洁净室）”内）进行试验、实施额外的装置开发及进行制造。因此，纳米级装置通常局限于以下应用中：装置处于可以控制潜在破坏性的环境相互作用的环境中。

对于纳米结构，存在许多有用的应用。然而，减轻对基于纳米的技术所构成的这些环境危害的可行解决方案的缺乏通常阻止了它们在这些应用中的使用。这些应用的小样本包括基于场致发射的平板显示器和水动力减阻的纳米结构化的表层和表面及微米结构化的表层和表面。

（2.2）纳米结构复合材料

一个解决方案是将纳米结构完全浸入可固化材料中，从而形成复合材料。这样的复合材料增强了机械性能，比如纳米结构的弹性模量和韧度。一般而言，这是通过将冲击力分布遍及可固化材料的大的表面积、通过复合材料而不是直接通过纳米结构来转移力并离开复合材料的底部表面积来完成的。

特别是在制造后的生产领域中，最近的发展集中在解决用于具有长期的切身需要的领域的设计考虑因素。大多数的制造后生产研究是关于开发克服历史上不利于纳米结构的现有环境条件的问题的解决方案。如上文所提及的，一个最新发展集中在将纳米结构浸入可固化材料中，以形成纳米结构复合材料。复合材料通常由聚合物材料和碳纳米管的组合构成，但用于生产它们的技术典型地缺乏对纳米管布置的控制。

一种这样的制造后的处理技术使用经由光刻阴影掩模工艺在SiC纳米棒上的二氧化硅垫沉积物内的固定的纳米结构和分散在原子上平坦（atomically flat）的MoS2表面上的多壁碳纳米管，留下从垫的边缘突出的一些纳米结构（Wong等，1997）。

另一方法涉及使电弧放电生长的碳纳米管分散在温度固化的环氧树脂内，固化，且然后用显微镜用薄片切片机（microtome）薄薄地将复合材料切成片，留下很好地对齐且完全嵌入或与切片表面相切的且与切片表面对齐的纳米管（Ajayan等，1994）。

另一方法涉及使用刀片以将紫外线可固化的环氧树脂涂抹在从溶液沉积在表面上的碳纳米管上，之后是紫外线固化和机械试验（Wagner等，1998）。

还另一方法涉及研磨的电弧放电生长的碳纳米管在热塑性聚合物中的分散，定时固化位于特氟隆表面上的层及剥落纳米管-聚合物复合材料用于机械测试（Jin等，1998）。

另一方法使用碳纳米管的对齐阵列的化学气相沉积生长，之后是整个样品和生长基质在可固化聚合物（PMMA或PDMS）溶液中的浸没，之后是纳米管-聚合物复合材料的固化和除去（Raravikar等，2005）。

还另一方法涉及单个碳纳米管对蚀刻的钨尖端的基于范德华力的附着，之后用紫外线可固化的聚合物在尖端上的自然涂抹来用紫外线可固化的聚合物覆盖钨尖端和碳纳米管底部，然后紫外线固化，留下相对于周围环境“隔离的”尖端，同时纳米管暴露于局部环境中（Boo等，2006）。

用于机械地保护纳米结构的前述方法遭受纳米管在材料内的不可预知的分散，通常如图1中所示的。在图1A中，显示复合材料100的俯视图。复合材料100包括在固化的材料102内的多个纳米结构104。为了形成复合材料102，纳米结构104被放置在流体材料层上。在固化之前旋涂材料得到基本上平的表面。作为旋涂过程的结果，纳米结构104变得随机地分散在流体材料内。尽管许多纳米结构104被完全浸没在固化的材料102中，但是许多纳米结构106随机地从材料102突出。