CN1302857C - 液体排出装置以及用于对齐针状物质的方法 - Google Patents

Abstract

包含针状物质的分散液体从嘴的排出开口排出，该嘴为锥形，这样，它的直径朝着排出开口减小。嘴的最大直径大于针状物质的长度，而排出开口的直径大于针状物质的直径，并小于针状物质的长度。针状物质通过经过嘴而对齐。

Description

液体排出装置以及用于对齐针状物质的方法

技术领域

本发明涉及一种液体排出装置，该液体排出装置将包含分散的针状物质的分散液体排向基体等，从而对齐该针状物质，本发明还涉及一种用于对齐针状物质的方法。

背景技术

近来引人注意的碳纳米管(该碳纳米管代表针状物质)具有这样的结构，其中，粘在平面中的sp²碳(该sp²碳构成石墨结构)卷成纳米大小的柱体。碳纳米管有很多超级特征，因此用于各种用途。特别是，碳纳米管通常用于电材料，因为它们的电特征为这样，即它们可以有良好的导电性或半导电性。碳纳米管的一个用途是在MOS晶体管中使用它们。

图8是已知MOS晶体管的示意图。为了制造MOS晶体管，多个碳纳米管204在硅基体210上面的SiO₂膜211上沿相同方向对齐，并通过光刻术而形成源电极212、漏电极213和门电极214。然后，较高电压施加在源电极212和漏电极213之间，以便破坏导电良好的碳纳米管，并保留半导电的碳纳米管。这样制成MOS晶体管。

碳纳米管的另一用途是使用它们作为场致发射显示器(FEDs)的电子源。当对其施加电压时，碳纳米管发出电子。很多碳纳米管沿相同方向绑在一起，以便形成电子发射器，且该电子发射器两维地布置成FED电子源。碳纳米管已经用于各种其它用途，且在大部分用途中需要沿一个方向对齐。

对于碳纳米管的对齐，在日本专利公开No.2000-208026、2001-93404、2001-195972和2003-197131中公开了一些方法，这些专利文献都涉及FED电子源。在日本专利公开No.2000-208026中，包含碳纳米管的材料封装在柱体中，且该柱体进行拉长，以便使碳纳米管沿拉长方向对齐。在日本专利公开No.2002-93404中，包含分散的碳纳米管的导电性胶被压进形成于一陶瓷板材中的多个通孔中，使得碳纳米管沿着垂直于该基体的方向对齐。在日本专利公开文件No.2001-195972中包含在分散碳纳米管中的胶通过丝网印刷或旋涂而施加在基体表面上的锯齿形特征或其它物理形状上。因此，碳纳米管沿与基体表面垂直的方向对齐。在日本专利公开No.2003-197131中，碳纳米管布置在形成于金属膜表面中的很多小凹口内，以便使它们沿垂直于金属膜表面的方向对齐。

不过，这些方法有以下缺点。在日本专利公开No.2000-208026中公开的方法需要用于对齐的复杂生产步骤。而且，为了使对齐的碳纳米管用于FED电子源，该方法需要附加步骤来将对齐的碳纳米管布置成阵列(matrix)，从而增加了生产步骤数目。日本专利公开No.2001-93404和2001-195972的方法将很难对齐碳纳米管。还有，在日本专利公开No.2003-197131中所述的方法的缺点在于对齐精度，因为在该方法中，指向任意方向的碳纳米管简单布置在凹口中。

发明内容

本发明的发明人发展了一种用于很容易地对齐针状物质的方法，即通过将分散在分散介质内的针状物质施加在具有槽或凹口的基体内，并将针状物质扫入凹口内，以便使它们沿凹口的内壁对齐。

本发明将提高上述对齐方法的效率，本发明的目的是提供一种液体排出装置和一种用于对齐针状物质的方法。该液体排出装置具有锥形嘴，包含针状物质的分散液体通过该锥形嘴排出。嘴的最大直径大于针状物质的长度，而排出开口直径大于针状物质的直径，并小于针状物质的长度。

通过下面(参考附图)对优选实施例的说明，可以清楚本发明的其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是碳纳米管供给头的侧剖图，该碳纳米管供给头是碳纳米管供给装置的主要部分，并作为第一实施例的液体排出装置。

图2是将从图1中所示的碳纳米管供给头的排出开口排出的分散液体的示意图，碳纳米管分散在该分散液体中。

图3是基体的透视图，碳纳米管将在该基体中对齐。

图4是基体的透视图，碳纳米管将在该基体中对齐。

图5是基体的透视图，碳纳米管将在该基体中对齐。

图6是基体的透视图，碳纳米管将在该基体中对齐，且该基体提供有抽吸装置。

图7是碳纳米管供给头的侧剖图，该碳纳米管供给头是碳纳米管供给装置的主要部分，并作为第二实施例的液体排出装置。

图8是已知MOS晶体管的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图介绍本发明的实施例。

第一实施例

本实施例利用碳纳米管作为针状物质的代表。

图1是碳纳米管供给头的侧剖图，该碳纳米管供给头是碳纳米管供给装置的主要部分，并作为本实施例的液体排出装置。

碳纳米管供给头1排出分散液体，碳纳米管分散在该分散液体中，以便施加给基体，碳纳米管将在该基体中对齐。

碳纳米管供给头1包括加热器2，该加热器2用于产生排出能，以便将分散液体14排出(见图2)，碳纳米管15分散在该分散液体14中。加热器2是一种电热转换器，用于将电能转变成热能，并使热能能够作用在分散液体14上。加热器2布置在顶板3中。顶板3与底板5连接，该底板5有下游壁13和作为嘴7的孔，且该顶板3和底板5构成流动通路6。包含碳纳米管15的分散液体14从排出开口4排出。

流动通路6通过嘴7而与排出开口4连通，且该流动通路6还与分散液体供给腔室(图中未示出)连通。分散液体供给腔室向多个流动通路6供给分散液体14，该分散液体14的量基本等于从排出开口4排出的量。特别是，包含碳纳米管15的分散液体14沿由图中箭头a所示的方向从分散液体供给腔室流入流动通路6中。

碳纳米管供给头1有在加热器2和分散液体14之间的交界面附近的气泡产生区域12，在该气泡产生区域12处，加热器2快速加热，以便在分散液体14中产生气泡。

在对着顶板3的底板5中，嘴7形成锥形形状，它的直径朝着排出开口4减小。嘴7和排出开口4布置在与气泡产生区域12相对应的区域中。可用于本实施例的碳纳米管15优选是直径在几纳米和几十纳米之间的范围内，长度在几微米和几十微米之间的范围内。为了对齐碳纳米管15，喷嘴7的排出开口4的直径大于碳纳米管15的直径并小于碳纳米管15的长度。优选是，排出开口4的直径为碳纳米管15的直径的几倍至几十倍。优选是，喷嘴7或锥形开口的最大直径大于碳纳米管15的长度，且由参考标号16表示的锥形角θ为30°或更小。当锥形角减小时，对齐能力增加。本实施例采用的碳纳米管的直径为20nm，长度为20μm。因此，优选是排出开口4的直径为几百纳米，嘴7的最大直径为几十微米。在本实施例中，排出开口4为300nm，而嘴7的最大直径为30μm。优选是，嘴7通过光刻术而在散焦状态下形成为具有该尺寸。

底板5有在气泡产生区域12上游侧的后部调节器部分11。该后部调节器部分11局部减小流动通道6的横截面，以便增加流阻，从而防止分散液体4的气泡能量溢出。因此，分散液体14可以高效排出。气泡产生区域12下游侧通过下游壁13而封闭。

下面将介绍碳纳米管供给头1的排出操作。

图2是将从排出开口4排出的分散液体14的示意图，碳纳米管15分散在该分散液体14中。

电能从图中未示出的控制器施加给加热器2，从而使加热器2变热，以便在与加热器2接触的分散液体14中产生气泡(图中未示出)。由于在气泡产生区域12中产生气泡而形成的压力将迫使流动通路6中的分散液体14朝着嘴7以及上游侧和下游侧而运动。在本例中，分散液体14向下游侧的流动由下游壁13阻止，而分散液体14向上游侧的流动受到后部调节器部分11的阻挡，从而减小流量。对于朝着嘴7的流体流，流阻增加，因为嘴7为锥形，它的直径朝着排出开口4减小。不过，下游壁13和后部调节器部分11的存在帮助分散液体14流入嘴7中。因为嘴7为锥形，在流向排出开口4的分散液体14中的碳纳米管15逐渐对齐。

因为排出开口4的直径大于碳纳米管15的直径，并小于碳纳米管15的长度(如上所述)，因此，在分散液体14中的碳纳米管15在经过排出开口4时将沿箭头A所示的排出方向对齐。

在排出开口4和基体之间的距离优选是尽可能短，特别是短到使得从排出开口4排出的分散液体14的液滴在通过表面张力而形成近似球形之前就落在基体上。这样的原因如下：

尽管在分散液体14中的碳纳米管15并不在流动通路6中对齐，但是它们通过嘴7的锥形而逐渐对齐，并在沿排出方向A对齐的状态下排出。刚刚排出后的分散液体14沿排出方向A拉长，因此在液体中的碳纳米管15沿排出方向对齐。尽管在分散液体14中对齐的碳纳米管15使得分散液体14保持沿排出方向A拉长，但是分散液体14将由于表面张力而形成球形。因此，沿排出方向A对齐的碳纳米管15可能不希望地指向任意方向。为了在使碳纳米管15对齐的情况下将分散液体14施加在基体上，优选是使得在基体和碳纳米管供给头1之间的距离尽可能短，这样，分散液体14在通过表面张力的作而用形成球形之前就落在基体上。

为了防止在分散液体14中的碳纳米管15下沉，控制器可以在与排出分散液体14不同的时间向加热器2供给电能。这是因为下沉的碳纳米管15阻塞嘴7或排出开口4，从而降低分散液体14的排出能力。为了防止该阻塞，控制器例如间歇地向加热器施加这样程度的电能，即重复使细气泡产生和消失的顺序，但又不能使分散液体14排出。更具体地说，加热器2用作振动装置，以便向分散液体14施加脉冲。因此，将防止碳纳米管15下沉，并保持分散液体14的排出能力。也可以不采用加热器2(该加热器2用于排出分散液体14和防止碳纳米管15下沉)，具有与加热器2相同的机构的电热转换器可以附加布置在流动通道6中，以便防止碳纳米管下沉。

碳纳米管供给装置还可以包括恢复装置，用于恢复排出分散液体14的能力。截留在嘴7中的分散液体14蒸发，因此液体的粘性增加，从而降低了排出能力。还有，重复排出使得在嘴7和流动通路6中产生残留气泡，从而降低了排出能力。因此，优选是恢复装置向流动通路6中的分散液体14施加正压或负压，以便去除阻塞嘴7的分散液体14以及残留气泡。恢复装置可以布置在流动通路6的上游，以便向流动通路6中的分散液体14施加正压，从而推出阻塞排出开口4的分散液体14，或者通过抽吸而施加负压，从而向上游侧吸出阻塞的分散液体14或残留气泡。在该结构中，也可选择，恢复装置可以向分散液体14施加正压和负压，以便使恢复排出能力和防止碳纳米管15下沉的能力加倍。也可选择，恢复装置可以布置在碳纳米管供给头1的外部。这时，恢复装置直接布置在排出开口4上，并通过抽吸而吸出阻塞的液体14和残留的气泡，以便除去它们。

加热器2可以用作恢复装置。特别是，作为振动装置的加热器2可以向分散液体14施加脉冲，以便恢复排出能力。

在本实施例中，因为分散液体14通过产生气泡而排出，因此分散液体14的分散介质是具有相对较低粘性的材料，例如溶剂。当高粘性材料(例如导电胶或绝缘树脂胶)用作分散介质时，优选是碳纳米管供给头包括压电元件，如后面所述。

图3表示了基体，碳纳米管将在该基体中对齐。

在图3中，基体20有形成于它的表面中的多个槽21或凹口。基体20的材料并不特别限制，且基体20可以由绝缘材料(例如陶瓷或树脂)或半导体或导体材料(例如硅晶片或金属)制成。还有，基体20可以包括覆盖有氧化层(例如SiO₂膜)的硅。任意材料可以构成基体20，只要在基体20的表面保证平直。

槽21有顶点朝下的V形截面，并以预定间隔基本彼此平行地形成于基体20中。槽21将用于对齐碳纳米管15。碳纳米管15沿槽21的侧壁22布置在槽21中，如后面所述，从而进行对齐。因此，槽21的开口的宽度w设置成大于碳纳米管15的直径，这样，碳纳米管15可以布置在槽21中。还有，为了使碳纳米管15沿槽21的侧壁22对齐，宽度w设置成小于碳纳米管15的长度。

尽管图3表示了V形槽实例，不过槽21可以为任意形状，只要能够使碳纳米管15对齐。例如，槽21的截面可以是矩形、梯形、半圆形或半椭圆形。因为在本实施例中槽21的截面为V形，因此碳纳米管15沿槽21的侧壁22对齐。不过，当截面例如为矩形时，碳纳米管4可以沿槽21的底部对齐。换句话说，槽21可以有任意形状，只要碳纳米管15可以沿它们的内壁对齐。

优选是，如上所述，可用于本实施例的碳纳米管15的尺寸为：直径在几纳米和几十纳米之间的范围内，长度在几微米和几十微米之间的范围内。本实施例使用的碳纳米管的直径为20nm，长度为20μm。因此，可以使槽21的宽度w设置成小于碳纳米管的长度(20μm)。不过，从提高对齐能力的观点来看，优选是宽度w为碳纳米管15的直径的几十倍，且槽21的长度L为碳纳米管15的长度的大约1.2倍。在本实施例中，槽21的宽度w为500nm，长度L为25μm。槽21的长度L还可以更长，因为它可以根据用途而在对齐后进行切割。对于FED电子源，槽21优选是宽度w为大约500nm，长度L为大约1mm。尽管本实施例表示的槽21的长度L小于基体20的纵向长度，但是该长度L可以与基体20的纵向长度相同。

槽21可以通过离子束、电子束或波长短于或等于可见光波长的光束而形成，或者通过摩擦而形成。当基体20为硅晶片时，槽21可以通过干蚀刻或各向异性蚀刻而形成。

包含碳纳米管15的分散液体14从本实施例的碳纳米管供给装置排入如上述形成于基体20中的槽21内。排出可以在嘴7沿槽21的纵向方向运动时进行。排入槽21中的分散液体14通过刮板25而被扫过，以便均匀散开。在该步骤中，在从槽21中溢出的分散液体14内的碳纳米管15通过刮板25而被扫过，以便落入相邻槽21中。当碳纳米管供给装置将分散液体14施加在除槽21之外的区域中时，液体14通过刮板25扫过而落入槽21中。

在槽21外部的分散液体14可以通过用刮板25扫过基体20的、具有槽21的表面20a而刮走，并重新使用。

为了使碳纳米管15沿槽21的长度在彼此平行形成的槽21中对齐，如图3所示，碳纳米管15可以沿相对于基体20表面成几十度的方向排出，但是排出方向并没有特别限制。更具体地说，排出方向设置为这样的角度，即碳纳米管15的对齐不会由于碳纳米管15与槽21内壁的碰撞而破坏，也就是，在相对于基体20表面为90°角或更小角度。

通过采用本发明的装置和方法，向前对齐的碳纳米管装入形成于基体中的槽或凹口内，且供给除槽之外区域的碳纳米管重新使用，而并不浪费。

图4表示了变化情况，其中，基体20布置在工作台26上，且刮板沿与图3中所示方向不同的方向运动。

为了使碳纳米管15落入槽21中，刮板25可以在没有限制的情况下沿任意方向运动。不过，图4中所示的方向(其中，刮板25沿基本与槽21的长度平行的方向往复运动)比图3中所示的方向(其中，布置成与槽21的长度平行的刮板25沿基本与槽21的长度垂直的方向往复运动)更高效。

在本实施例中，因为碳纳米管15分散在具有相对较低粘性的分散介质(例如溶剂)中，因此分散液体14可以很容易通过产生气泡而排出，优选是，进行加热步骤以便从液体14中除去分散介质。更优选是，施加包含碳纳米管15的分散液体14、扫过具有槽21的表面20a以及加热分散液体14的步骤顺序地重复进行，从而使碳纳米管15可以紧密布置在槽21中。例如可以通过包含在支承基体20的工作台26中的加热器或者外部加热装置来对基体20进行加热。

这样，制备了对齐单元(碳纳米管15在该对齐单元中对齐)。对齐单元提供有通过光刻或喷墨而形成的源电极、漏电极和门电极，并因此制造MOS晶体管。

图5表示了另一基体，碳纳米管将在该基体中对齐。

尽管图3和4中所示的基体有与基体20的表面20a平行形成的槽21，但是图5中所示的基体30有多个凹口31，各凹口31由圆锥形开口31b以及与该圆锥形开口31b连通的柱形保持器31c而确定。在图5中的基体30的凹口31也将用于对齐碳纳米管15，与图3和4中所示情况相同，且碳纳米管15通过布置凹口31而对齐。不过，图5中所示情况与图3和4中所示情况的区别在于：碳纳米管沿保持器31c的内壁31a而基本与基体30的表面30a垂直地对齐，而图3和4中的碳纳米管15基本与基体20的表面20a平行地对齐。

开口31b和保持器31c的直径大于碳纳米管15的直径，且保持器31c的直径小于碳纳米管15的长度。

图5中所示的凹口31为圆锥形形状，且碳纳米管从圆锥形形状的较大直径侧进入凹口31。不过，凹口31并不特别限制为该形状，也可以只由保持器31c确定，也就是可以为简单的柱形。

在回收保留在基体30的表面30a上的碳纳米管时，长度小于凹口31深度的碳纳米管15可以通过用刮板扫过而收集。对于长度大于凹口31深度的碳纳米管15，优选是用纯水冲洗基体30的表面30a，以便洗去碳纳米管15。冲走的碳纳米管15可以通过图中未示出的收集装置来收集，以便重新使用。

为了使碳纳米管15紧密布置在凹口31中，在将碳纳米管15置于凹口31内的步骤之后，可以执行加热步骤，以便蒸发和除去分散介质或溶剂。

图6表示了变化情况，其中，碳纳米管15可以更紧密地、基本与基体垂直地布置。

图6中所示的凹口31形成与图5中相同的形状，除了图6的凹口31穿过基体30的底部。

抽吸装置37布置在支承基体30的工作台36上，且抽吸装置37从基体30的工作台侧缓慢吸入包含碳纳米管的分散液体，以便重复地将分散液体施加在凹口31中。工作台36优选是由多孔陶瓷制成，抽吸装置37例如为真空泵。因为抽吸压力通常取决于碳纳米管15的直径和长度以及凹口31的形状(包括直径)，因此根据变化的条件来确定，且抽吸在预定压力下进行。

在本实施例中，包含在分散液体14中的碳纳米管15通过碳纳米管供给头1的排出开口4(该排出开口4的直径大于碳纳米管15的直径，并小于碳纳米管15的长度)排出，从而沿排出方向A对齐。

在使用具有槽或凹口的基体时，碳纳米管可以直接送入槽或凹口中，因此可以减少碳纳米管15的浪费。此外，因为分散液体与预先对齐的碳纳米管15一起供给，因此可以进一步提高碳纳米管15的对齐。

第二实施例

图7是碳纳米管供给头的侧剖图，该碳纳米管供给头是碳纳米管供给装置的主要部分，并作为第二实施例的液体排出装置。

本实施例的碳纳米管供给头101包括：顶板103；底板105，该底板105有具有排出开口104的嘴107；以及振动板103a，该振动板103a有压电元件102，并处于与嘴107和排出开口104相对应的位置处。

尽管第一实施例的碳纳米管供给头1通过由产生气泡而形成的压力来排出分散液体，但是本实施例的碳纳米管供给头101通过由振动板103a的变形而形成的压力来从排出开口104排出分散液体，该振动板103a的变形通过由于施加电信号使得压电元件103a膨胀而产生。

因为碳纳米管供给头101的其它部件与第一实施例中相同，且该供给头101以相同方式将分散液体排出至相同基体上，因此不再重复说明。

当例如通过将金属颗粒分散至溶剂中而制备的导电胶用作分散液体时，优选是在施加分散液体的步骤之后进行加热步骤。该加热可以烧结金属颗粒，以便提高导电性。

在本实施例中，包含在分散液体中的碳纳米管通过排出开口104而排出，该排出开口104的直径大于碳纳米管的直径，并小于碳纳米管的长度，因此，碳纳米管沿排出方向对齐，与第一实施例相同。

在使用具有槽或凹口的基体时，碳纳米管可以直接供给槽或凹口，因此，可以减少碳纳米管的浪费。此外，因为分散液体与预先对齐的碳纳米管一起供给，因此可以进一步提高碳纳米管的对齐。

尽管已经参考优选实施例介绍了本发明，但是应当知道，本发明并不局限于所述实施例。相反，本发明将覆盖包含在附加权利要求的精神和范围内的各种变化形式和等效结构。下面的权利要求的范围将根据最广义的解释，以便包含所有这些变化形式以及等效结构和功能。

Claims (18)

1.一种用于对齐针状物质的液体排出装置，具有：

嘴，该嘴有排出开口，包含针状物质的分散液体从该排出开口排出，该嘴以如下方式形成锥形，即，它的直径朝着排出开口的方向减小，该嘴的最大直径大于针状物质的长度，而排出开口的直径大于针状物质的直径，并小于针状物质的长度。

2.根据权利要求1所述的液体排出装置，其中：针状物质是碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的液体排出装置，其中：嘴的锥形角为30°或更小。

4.根据权利要求1所述的液体排出装置，其中：排出开口的直径为针状物质的直径的几至几十倍。

5.根据权利要求1所述的液体排出装置，还包括：电热转换器，该电热转换器将电能转变成热能，其中，该热能产生气泡，从而排出该分散液体。

6.根据权利要求1所述的液体排出装置，还包括：压电元件，该压电元件用于排出该分散液体。

7.根据权利要求1所述的液体排出装置，还包括：振动装置，用于向分散液体施加脉冲。

8.根据权利要求7所述的液体排出装置，其中：该振动装置是电热转换器。

9.根据权利要求7所述的液体排出装置，其中：该振动装置是压电元件。

10.根据权利要求1所述的液体排出装置，还包括：恢复装置，用于通过向嘴中的分散液体施加正压或负压而恢复排出分散液体的能力。

11.根据权利要求1所述的液体排出装置，还包括：恢复装置，该恢复装置直接布置在排出开口上，该恢复装置通过从排出开口向外抽吸而吸出分散液体，从而恢复排出分散液体的能力。

12.一种用于对齐针状物质的方法，包括以下步骤：

布置基体，基体中设有用于将针状物质对齐的凹口；以及

通过利用嘴将包含分散的针状物质的分散液体排出至所述基体中的凹口，使所述针状物质在所述基体中的凹口中对齐，该嘴具有用于排出所述分散液体的排出开口，并形成这样的锥形，即，它的直径朝着排出开口的方向减小；

该锥形嘴的最大直径大于针状物质的长度，而排出开口的直径大于针状物质的直径，并小于针状物质的长度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：分散在所述分散液体中的所述针状物质是碳纳米管。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：向该嘴中的分散液体施加脉冲的步骤。

15.根据权利要求12所述的方法，其中：所述凹口具有槽形开口，所述凹口在纵向方向的长度大于针状物质的长度，所述凹口的开口的宽度大于所述针状物质的直径并小于针状物质的长度，所述针状物质沿着凹口在纵向方向上对齐。

16.根据权利要求12所述的方法，其中：所述凹口具有圆柱形的开口，所述凹口的开口大于所述针状物质的直径并小于针状物质的长度，所述针状物质对齐成沿着所述凹口的开口的内壁基本上垂直于所述基体。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：所述圆柱形的开口为穿过所述基体至背面的孔，所述方法还包括下述步骤：从所述基体的背面吸收所述分散液体，使所述针状物质在与所述基体基本垂直的孔的内壁上对齐。

18.根据权利要求12所述的方法，其中：所述基体在上述布置基体的步骤中布置在这样的位置，即分散液体从所述排出开口排出的液滴在由于分散液体的表面张力而形成基本上球形之前就落在基体上。

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