FI121540B - Menetelmä, jolla siirretään korkean aspektisuhteen omaavia molekyylirakenteita - Google Patents

Description

MENETELMÄ., JOLLA SIIRRETÄÄN KORKEAN ASPEKTISUHTEEN OMAAVIA MOLEKYYLIRAKENTEITA

Keksintö koskee menetelmää, jolla siirretään korkean aspektisuhteen omaavia molekyylirakenteita 5 (HARMS = High Aspect Ratio Molecular Structures), ja menetelmän käyttöä.

TEKNIIKAN TASO

Korkean aspektisuhteen molekyylirakenteet 10 (HARMS) ovat lupaavia nanoskaalasta ylöspäin olevien laitteiden rakennusblokkeja johtuen niiden pienestä koosta ja ainutlaatuisesta, lähes yksiulotteisesta morfologiasta. Esimerkkeihin HARM-rakenteista sisältyvät nanoputket, esimerkiksi hiilinanoputket (CNT:t), 15 fullereenilla funktionalisoidut hiilinanoputket (FFCNT:t), boorinitridi-NT:t (BNNT:t), nanosauvat, mukaan lukien hiiltä, fosforia, booria, typpeä ja sili-konia sisältävät nanosauvat, kuidut ja muut putkimaiset, sauvamaiset tai nauhamaiset tai muuten korkean 20 aspektisuhteen omaavat molekyylirakenteet.

HARMS:iin pohjautuvia rakennelmia, kuten kenttäefektitransistorej a, kenttäemissionäyttöj ä, muistilaitteita, kvanttikuituja (quantum wires) ja loogisia porttipiirejä on jo esitetty. Edelleen kehit-25 tymisen ja laajempien sovellutusten kannalta kontrol loitavien ja taloudellisten synteesimenetelmien, erotus-, keräys-, kerrostamis-, kuvioimis- ja HARM-rakenteiden sisällyttämismenetelmien kehitys laitteisiin on kuitenkin äärimmäisen toivottavaa. Erityisesti 30 monet HARM-rakenteiden sovellutukset vaativat pääosin yksittäisiä (so. ei kimppuna olevia) HARM-rakenteita, jotka ovat kaasumaisissa, nestemäisissä tai kiinteäai-nedispersioissa tai kerrostumana pinnalla kerroksen, kalvon, kuviokerrostuman tai kolmiulotteisen rakenteen 35 muodossa.

Ongelmana on kuitenkin, että johtuen vahvoista molekyylien välisistä voimista (kuten van der Waal- 2 sin ja Coulombin voimat) monenlaiset HARM-rakenteet muodostavat spontaanisti kimppuja synteesinsä, kuljetuksensa ja/tai säilytyksensä aikana. Esimerkiksi CNT:iden tuotantoon hiilikaaripurkauksella, laserab-5 laatiolla ja/tai korkeapaineisilla CO-prosesseilla liittyy suuressa määrin putkien kimputtumista.

Menetelmät erillisten dispersioissa, kerroksissa, kalvoissa tai rakenteissa olevien, erillisten HARM-rakenteiden tuottamiseksi ovat alalla tunnettuja. 10 Tunnettujen menetelmien ongelmana on kuiten kin, että erillisten HARM-rakenteiden erottaminen vaatii tyypillisesti erillisiä synteesi-, puhdistus-, funktionalisointi- ja/tai kerrostamisvaiheita, jotka edellyttävät pinta-aktiivisten aineiden, polymeerien, 15 peptidien tai muiden yhdisteiden käyttöä, kimppujen purkamiseksi ja yksittäisten rakenteiden uuttamiseksi. Sellaiset prosessit voivat muuttaa merkittävästi alkuperäisiä HARM-rakenteiden ominaisuuksia ja ne ovat kalliita, aikaavieviä ja tehottomia.

20 Eräs tällainen tunnetun tekniikan tapa ero tella yksittäiset ja kimpuissa olevat hiilinanoputki-rakenteet toisistaan on esitelty julkaisussa WO 2009/036354 A3 (Wang et ai.)

Erillisten HARM-rakenteiden suoraan syntee-25 siin pinnoille on käytetty sellaisia menetelmiä kuin tuettu kemiallinen höyrykerrostaminen (CVD). Eräs tunnetun tekniikan esimerkki CVD-synteesistä on kuvattu julkaisussa Li, Yan, Cheng, Zhang, Liu: "A scalable CVD synthesis of high-purity single-walled carbon na-30 notubes with porous MgO as support material", Centre for Nanoscale Science and Technology, Beijing University, 2002. Kuitenkin vaatimus käyttää korkeita kasva-tuslämpötiloja ja/tai spesifistä pintareaktiokykyä rajoittaa väistämättä lämpöherkkien tai reaktiivisten 35 substraattimateriaalien (esim. polymeerien) käyttöä ja estää HARM-rakenteiden yksinkertaisen integraation 3 esimerkiksi nanoskaalan elektronisiin laitteisiin, johtaviin kalvoihin ja rakennekomposiitteihin.

Esillä olevan keksinnön tarkoitus on poistaa yllä mainitut haitat.

5 Esillä olevan keksinnön tarkoitus on parantaa synteesimateriaalien käytön tehokkuutta ja tuotteen saantoa, vähentää tai eliminoida HARM-rakenteiden hajoaminen prosessoinnin aikana, mahdollistaa kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden erottaminen 10 ja sallia matalassa lämpötilassa homogeeninen tai ku-viokerrostaminen hyvin monenlaisille substraateille, mikä olisi erittäin hyödyllistä teollisuudelle ja kaupalle .

15 KEKSINNÖN YHTEENVETO

Menetelmälle ja sen käytölle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.

Keksintö perustuu tehtyyn tutkimustyöhön, jossa yllättäen havaittiin, että HARM-rakenteilla on 20 tiettyjä hyödyllisiä ominaisuuksia.

Termin HARM-rakenne (korkean aspektisuhteen molekyylirakenne) on tarkoitus sisältää, mutta ei rajoittua seuraaviin, nanoputki, hiilinanoputki, fulle-reenilla funktionalisoitu hiilinanoputki, boorinitri-25 dinanoputki, nanosauva, joka sisältää hiiltä, nanosau- va, joka sisältää fosforia, booria, typpeä ja/tai piitä, kuitu ja/tai mikä muu putki hyvänsä, putkimainen, sauvamainen ja/tai nauhamainen ja tai mikä muu korkean aspektisuhteen omaava molekyylirakenne tahansa esimer-30 kiksi yksittäisenä tai kimppuna olevassa muodossa.

Toisin sanoen yhdellä tai useammalla HARM-rakenteella voidaan tarkoittaa yhtä tai useampaa erilaista ja/tai samanlaista HARM-rakennetta. Yhdellä tai useammalla HARM-rakenteella voidaan tarkoittaa yhtä tai useampaa 35 samanlaista HARM-rakennetta, esimerkiksi hiilinanoput- kia, esimerkiksi kimppuna ja/tai yksittäisenä.

4

Yksi erityinen HARM-rakenteiden ominaisuus on HARM-rakenteiden kimppujen spontaani varautuminen ja yksittäisten HARM-rakenteiden sähköinen neutraalisuus. Synteesiprosessin aikana ja muun lisävaraamisen puut-5 tuessa, esimerkiksi kimppuna olevat CNT:t sisältävät suureksi osaksi sähköisen nettovarauksen, kun yksittäiset CNT: t ovat suureksi osaksi varauksettomia. Samanlaista käyttäytymistä esiintyy kaikissa HARM-rakenteissa, koska ne ovat olennaisilta osiltaan 10 yksiulotteisia rakenteita ja suuri osa niiden pinta-atomeista on käytettävissä suoraan kontaktiin lähi-HARM-rakenteiden kanssa, mikä lisää varautumista. Tätä varautumisilmiötä voidaan käyttää esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuodossa yhden tai useamman 15 HARM-rakenteen, esimerkiksi yksittäisten ja/tai kimppuna olevien HARM-rakenteiden, siirtämiseen (esimerkiksi kiihdyttämiseen), erottamiseen ja/tai kerrostamiseen. Myös muita eri HARM-rakenteiden ominaisuuksia voidaan käyttää esimerkiksi kimppuna olevien ja yksit-20 täisten HARM-rakenteiden erottamiseen toisistaan. Esimerkiksi kimppuna olevien HARM-rakenteiden lisääntynyttä massaa yksittäisten massaan verrattuna voidaan käyttää erottamaan rakenteet toisistaan perustuen niiden erilaisiin inertia- ja vetovoimien suhtei-25 siin. Tämä suhde määritetään Stokesin luvulla (St), o P du joka määritellään St =-, missä p on yksittäisen tai 18μΖ- kimppuna olevan HARM-rakenteen efektiivinen tiheys, d on kimppuna olevan yksittäisen HARM-rakenteen efektiivinen halkaisija, U on kantajanesteen nopeus, μ on 30 kantajanesteen viskositeetti ja L on kanavalle tai suuttimelle tunnusomainen halkaisija. Kimppuna olevilla HARM-rakenteilla on korkeammat Stokesin luvut kuin yksittäisillä.

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää, jol-35 la siirretään korkean aspektisuhteen omaavia molekyylirakenteita (HARM-rakenteet) , joka menetelmä käsittää 5 sähköisen tai elektrostaattisen voiman käyttämisen dispersioon, joka sisältää yhden tai useampia kimppuna olevia ja yksittäisiä HARM-rakenteita, joka voima siirtää kimppuna olevia HARM-rakenteita perustuen 5 kimppuna olevien HARM-rakenteiden spontaaniin varautumiseen verrattuna yksittäisten HARM-rakenteiden sähköiseen neutraaliuteen, kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden erottamiseksi oleellisesti toisistaan. Toisin sanoen voima siirtää mainitun yhden 10 tai useampia HARM-rakenteita yhteen tai useampaan ennalta määrättyyn suuntaan. Voima voi myös siirtää valitusti määrättyjä ennalta varattuja rakenteita.

Fysikaalisella piirteellä ja/tai ominaisuudella tarkoitetaan mitä tahansa HARM-rakenteen luon-15 nollisesti esiintyvää piirrettä ja/tai ominaisuutta ja/tai mitä tahansa piirrettä, esimerkiksi ominaisuutta, joka on annettu HARM-rakenteelle. Esillä olevan keksinnön mukaan HARM-rakenne voidaan esimerkiksi varata millä tahansa sopivalla keinolla ennen menetelmän 20 suoritusta tai sen aikana. Esimerkiksi kimppuna olevan rakenteen luonnollisen varauksen ja yksittäisen rakenteen luonnollisen neutraalin varauksen lisäksi ja/tai vaihtoehtona voidaan varata yksi tai useampi haluttu spesifinen HARM-rakenne käyttäen mitä tahansa sopivaa 25 tapaa ennen menetelmän suorittamista. Tällä tavalla esimerkiksi voidaan varata myös yksittäisiä luonnostaan varauksettomia HARM-rakenteita esimerkiksi niiden kerrostamisen mahdollistamiseksi. Sekä kimppuna olevat että yksittäiset HARM-rakenteet voidaan myös varata, 30 jotta niihin saadaan haluttu fysikaalinen piirre niin, että molemmat reagoivat kohdistettuun voimaan. Edullisesti sellainen fysikaalinen piirre ja/tai ominaisuus, joka perustuu siihen, että voima siirtää yhtä tai useampaa HARM-rakennetta, on varaus, joko luonnostaan 35 esiintyvä varaus tai aikaansaatu varaus.

Esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuodossa menetelmä suoritetaan yhtenä vaiheena HARM- 6 rakenteiden synteesin ja/tai tuotannon jälkeen. Toisin sanoen keksinnön mukaiset HARM-rakenteet voidaan tuottaa ennen menetelmän suoritusta ja/tai ne voidaan tuottaa menetelmän kanssa jatkuvana prosessina. Esillä 5 olevan keksinnön mukainen menetelmä voidaan suorittaa myös HARM-rakenteiden tuotantovaiheessa.

Mainittu dispersio, esimerkiksi seos, voi olla lietettynä kaasufaasiin aerosolina, lietettynä nesteessä akvasolina ja/tai olla tyhjiössä. Dispersio 10 voidaan esimerkiksi viedä sähkövoimakenttään, jossa luonnostaan varatut, kimppuna olevat HARM-rakenteet siirtyvät tai kiihtyvät sähkökentässä, kun taas yksittäisiin HARM-rakenteisiin kentällä ei ole oleellista vaikutusta. Toisin sanoen mainittu voima siirtää se-15 lektiivisesti kimppuna olevia ja/tai yksittäisiä HARM-rakenteita suhteessa toisiinsa niin, että tällä tavalla kimppuna olevat ja yksittäiset HARM-rakenteet erotetaan ja/tai eristetään.

Esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuo-20 dossa menetelmä käsittää edelleen yhden tai useamman HARM-rakenteen kerrostamisen kaasu-, neste- ja/tai kiinteässä dispersiossa ja/tai matriisissa ja/tai pinnalle kerroksena, kuviona ja/tai rakenteena. Esimerkiksi erotetut kimppuna olevat ja/tai yksittäiset 25 HARM-rakenteet voidaan kerrostaa. Esimerkiksi kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden dispersio voi olla kerrostettu.

Esimerkiksi aikaisemmin esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä siirretyt ja siten erote-30 tut, kimppuna olevat HARM-rakenteet voidaan kerrostaa pinnalle niin haluttaessa. Tällä tavalla on esimerkiksi mahdollista poistaa mainitut HARM-rakenteet dispersiosta ja kerätä ne edelleen käytettäviksi. Mainitut HARM-rakenteet voidaan myös niin haluttaessa tehdä py-35 symään dispersiona ja tällä tavalla tuottaa kaksi dispersiota, joista toinen sisältävää kimppuna olevia ja toinen yksittäisiä HARM-rakenteita.

7

Esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuo dossa HARM-rakenne on luonnollisesti varattu tai varaukseton rakenne. Esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuodossa HARM-rakenne on positiivisesti, nega-5 tiivisesti tai neutraalisti varattu (nolla-varattu). Esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuodossa HARM-rakenteeseen on aikaansaatu varaus käyttäen mitä tahansa sopivaa prosessia.

Esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuo- 10 dossa sähkövoima, joka siirtää yhtä tai useampia HARM-rakenteita, on aikaansaatu elektrostaattisella voimalla, so. sähkökentällä. Elektrostaattinen voima voidaan aikaansaada esimerkiksi saattamalla johtava materiaali yhteen johtamattoman tai puolijohtavan substraatin 15 kanssa niin, että substraatin pinta varautuu, jolloin yksi tai useampi samanlainen ja/tai erilainen HARM-rakenne, jolla on tietty sähkövaraus, siirtyy sitä pinnan aluetta kohti, jolla on vastakkainen varaus. Johtava materiaali voi olla kuviollisen leiman tai 20 maskin muodossa. Tämä kuviollinen leima tai maski voidaan tuoda johtamattoman tai puolijohtavan materiaalin pinnalle kosketusvaraamisella. Vain haluttu HARM-rakenne siirtyy varattua kuviota kohti, jossa se kerrostetaan, ja sen kautta muodostuu HARM-rakenteiden 25 kuviollinen kerrostuminen.

Edelleen voima, jolla siirretään, esimerkiksi kiihdytetään, ja/tai edelleen kerrostetaan, voi olla termoforeettinen voima. Termoforeettinen voima voi olla aikaansaatu esimerkiksi kuumennetulla levyllä tai 30 pinnalla paralleelin jäähdytetyn levyn tai pinnan läheisyydessä, jotta saadaan aikaan halutun yhden tai useamman HARM-rakenteen siirtyminen jäähdytetyn levyn tai pinnan suuntaan. Edelleen, jäähdytetty levy voidaan kuumentaa ennalta määrätyiltä alueilta, jotta 35 muodostuu vaihtoehtoisten kuumien ja kylmien alueiden kuvio, ja näin saadaan aikaan se, että haluttu yksi tai useampi HARM-rakenne siirtyy kylmille alueille 8 muodostaen näin HARM-rakenteiden kuviollisen kerrostuman. On myös mahdollista sijoittaa substraatti mainitun jäähdytetyn levyn tai pinnan ja HARM-rakenteiden dispersion/seoksen väliin niin, että saadaan aikaan 5 se, että haluttu yksi tai useampi HARM-rakenne siirtyy kylmille alueille muodostaen näin kuviollisen kerrostuman substraatin päälle.

Esillä olevan keksinnön yhdessä suoritusmuodossa yksi tai useampia reagoivia aineita, vaikuttavia 10 lisäaineita, pinnoitemateriaaleja, funktionalisointi- materiaaleja, pinta-aktiivisia aineita ja/tai seostus-aineita voidaan lisätä yhteen tai useampaan HARM-rakenteeseen, esimerkiksi kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden dispersioon, kimppuna oleviin 15 HARM-rakenteisiin tai yksittäisiin HARM-rakenteisiin.

Tällä tavalla on mahdollista esimerkiksi muokata HARM-rakennetta ennen kerrostamista ja/tai esimerkiksi muodostaa komposiitteja tai funktionalisoituja materiaaleja tai muokata muulla tavalla yhtä tai useampaa 20 HARM-rakennetta ennen kerrostamista.

Erotetut dispergoituneet yksittäiset ja/tai kimppuna olevat HARM-rakenteet voidaan kerrostaa esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä pintaan, kalvoon ja/tai kiinteään, nestemäiseen ja/tai kaasu-25 maiseen dispersioon ja/tai matriisiaineeseen ja/tai niiden päälle. HARM-rakenteet voidaan myös suunnata, pinnoittaa, funktionalisoida ja/tai muokata muuten ennen kuin ne esimerkiksi on kerrostettu ja/tai kerätty, ja/tai kerrostamisen ja/tai keräämisen jälkeen. Kimp-30 puna olevat ja/tai yksittäiset HARM-rakenteet voidaan kerrostaa kuvioon ja/tai määrätyissä paikoissa oleviin rakenteisiin.

Edelleen, HARM-rakenteiden kerrostumisen tehokkuuden kasvattamiseen voidaan käyttää monenlaisia 35 keinoja, joihin kuuluvat, elektroforeesi, magnetofo- reesi, termoforeesi, inertiatörmäys, gravitaatioon perustuva saostuminen, fotoforeesi, akustinen fokusointi 9 ja/tai jotkin muut samankaltaiset keinot, mutta keinot eivät rajoitu näihin.

HARM-rakenteita, esimerkiksi HARM- rakennekomposiitteja voidaan formuloida dispersiona 5 kaasussa, nesteessä, kiinteässä aineessa, jauheessa, tahnassa ja/tai kolloidisuspensiossa ja/tai ne voidaan kerrostaa pinnalle.

Esillä oleva keksintö koskee edelleen menetelmän käyttöä jatkuvissa tai periodisissa prosesseis-10 sa yhden tai useamman HARM-rakenteen tuottamiseksi, erottamiseksi, muokkaamiseksi, kerrostamiseksi ja/tai edelleen prosessoimiseksi.

Esillä oleva keksintö koskee edelleen esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän käyttöä funktio-15 naalisen aineen valmistuksessa.

Esillä oleva keksintö koskee edelleen esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän käyttöä paksun tai ohuen kalvon, linjan, johtimen, kuvion, kerrostetun ja/tai kolmiulotteisen rakenteen valmistuksessa.

20 Esillä oleva keksintö koskee edelleen esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän käyttöä laitteen valmistuksessa. Laite voi olla esimerkiksi kondensaattorin elektrodi, polttokenno tai paristo, looginen portti, sähkömekaaninen käynnistin, tasa- 25 vaihtovirtamuuntaja, anturi tai sensori, valolähde tai diodi, termionivoimansyöttö (engl. a thermionic power supply), kenttäefektitransistori, jäähdytyslevy tai lämmön levittäjä, metalli-matriisikomposiitti tai po-lymeerimatriisikomposiitti painetussa piirissä, tran-30 sistori, lääkemolekyylien kantaja tai elektroniemitte- ri kenttäemissionäytössä. Laite voi edelleen olla mikä muu laite tahansa, jonka valmistuksessa voidaan käyttää esillä olevan keksinnön mukaista menetelmää.

Esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän 35 etu on, että sitä voidaan käyttää jatkuvana ja/tai pe riodisena prosessina. Edelleen, menetelmä mahdollistaa yksittäisten HARM-rakenteiden ja kimppuna olevien 10 HARM-rakenteiden erottamisen in situ tukiaineen läsnä ollessa tai ilman sitä.

Esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän etuna on, että se ei vaadi korkeiden substraattilämpö-5 tilojen käyttöä tai pintareaktiivisuutta, eikä se vaadi, että HARM-rakenteet syntetisoidaan samassa paikassa kuin missä ne kerrostetaan. Tällä tavalla menetelmä mahdollistaa suuren määrän aiemmin käyttökelvottomien substraattien ja/tai synteesimenetelmien käytön mate-10 riaali-, komponentti- tai laitetuotantoon. Etu on, että erotusta voi seurata mainittujen HARM-rakenteiden dispersio, homogeeninen ja/tai kuviokerrostaminen suurelle määrälle substraatteja ilman mitään lämpötila-ja/tai reaktiivisuusrajoitusta. Koska esimerkiksi ke-15 räys voidaan tehdä ympäristön lämpötilassa, se mahdollistaa esimerkiksi yksittäisten tai kimppuna olevien CNT:iden kerrostamisen suurelle määrälle substraatteja, mukaan lukien ne substraatit, jotka eivät kestä kohonneita prosessointilämpötiloja. Menetelmä mahdol-20 listaa edelleen HARM-rakenteiden syntetisoinnin eri paikassa kuin missä ne erotetaan, kerrostetaan, kerätään ja/tai kuvioidaan, mikä mahdollistaa monien substraattien, kuviointi- ja/tai synteesimenetelmien käytön .

25 Lisäetu on, että HARM-rakenteet voidaan ker rostaa suoraan pinnalle kalvona tai kerroksena tai kolmiulotteisena rakenteena tai kaasu-, neste- tai kiinteäainedispersiona. HARM-rakenteet voidaan kerrostaa suoraan myös kuvioituihin ja/tai kerroksellisiin 30 kerrostumiin pinnalle tai kolmiulotteiseen, kuvioituun monikerroksiseen rakenteeseen, jotka voidaan sisällyttää HARM-pohjaisiin laitteisiin.

Erotus- ja/tai kerrostamisprosessit voidaan edelleen yhdistää suoraan esimerkiksi HARM-rakenne-35 synteesiprosesseihin. Täten esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä voidaan yhdistää jatkuviin HARM-rakenteisiin perustuvien dispersioiden, kalvojen, ku- 11 vioitujen ja kerrostettujen rakenteiden tuottamispro-sesseihin. Toisin sanoen esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä voi olla osa monipuolista prosessia, joka voi käsittää useita eri vaiheita, joihin sisältyy 5 HARM-rakenteiden synteesi, erilaisten HARM-rakenteiden erottaminen, niiden kerrostaminen ja käyttämättömien reagenssien uudelleenkäyttö esimerkiksi HARM-rakenteiden synteesissä.

10 KUVALUETTELO

Seuraavassa kappaleessa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti sovellusesimerkeillä viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuva 1 esittää esillä olevan menetelmän yhtä 15 sovellusta HARM-rakenteiden siirtämiseksi ja siten kimppuna olevien HARM-rakenteiden erottamiseksi yksittäisistä HARM-rakenteista,

Kuva 2a esittää esillä olevan menetelmän yhtä sovellusta kimppuna olevien HARM-rakenteiden jatkuvak-20 si erottamiseksi ja selektiiviseksi kerrostamiseksi,

Kuva 2b esittää esillä olevan menetelmän yhtä sovellusta kimppuna olevien HARM-rakenteiden erottamiseksi erinä ja selektiiviseksi kerrostamiseksi,

Kuvat 3a, 3b ja 3c esittävät esillä olevan 25 menetelmän muita sovelluksia kimppuna olevien HARM- rakenteiden ja yksittäisten HARM-rakenteiden erottamiseksi toisistaan ja selektiiviseksi kerrostamiseksi,

Kuva 4 esittää esillä olevan menetelmän yhtä sovellusta yksittäisten HARM-rakenteiden kerrostami-30 seksi,

Kuva 5 esittää esillä olevan keksinnön yhtä sovellusta kimppuna olevien ja yksittäisten seoksen, vain kimppuna olevien ja/tai vain yksittäisten HARM-rakenteiden kuviokerrostamiseksi, 35 Kuva 6 esittää esillä olevan menetelmän yhtä sovellusta kimppuna olevien ja yksittäisten seoksen, 12 vain kimppuna olevien ja/tai vain yksittäisten HARM-rakenteiden kerrostamiseksi termoforeesilla,

Kuvat 7a ja 7b esittävät esillä olevan keksinnön muita sovelluksia kimppuna olevien ja yksit-5 täisten seoksen, vain kimppuna olevien ja/tai vain yksittäisten HARM-rakenteiden kuviokerrostamiseksi termof oreesilla,

Kuva 8 esittää HARM-rakenteiden jatkuvaa syn-teesiprosessia ja edelleen prosessointia, 10 Kuva 9a esittää kaasufaasissa olevien, posi tiivisesti ja negatiivisesti luonnostaan varattujen, kimppuna olevien CNT:iden osuuden liikkuvuus-kokojakaumaa (mitattu käyttäen DMA: ta ilman 241 Am bipo-laarista varaajaa), 15 (b) TEM -kuva kasvatetuista (as-grown), kimp puna olevista CNT:istä,

Kuva 10 esittää a) kaikkien ja neutraalien CNT:iden ja katalyyttipartikkelien liikkuvuus- kokojakaumien vertailua eri CO-pitoisuuksissa ja b) 20 graafisesti esitettynä partikkelien varattuja osuuksia (N+/~)ja partikkelien lukumääräkonsentraatiota versus CO-pitoisuus,

Kuva 11 esittää a) kaikkien ja neutraalien CNT:iden ja katalyyttipartikkelien liikkuvuus- 25 kokojakaumien vertailua eri kuumalankakuumennustehoil-la (hot wire heating powers)ja b) graafisesti esitettynä aerosolipartikkelien varattuja osuuksia (N+/”)ja partikkelien lukumääräkonsentraatiota versus kuumalan-kakuumennusteho, 30 Kuva 12 esittää TEM-kuvia a) yksittäisistä CNTristä ja b) sekä yksittäisistä että kimppuna olevista CNT:istä,

Kuva 13 esittää AFM-kuvia yksittäisistä CNT:istä, jotka on kerrostettu a) lämpöherkälle poly-35 meeripohjaiselle substraatille (SU-8; 10 pm paksu kerros) ja b) S13N4 -substraatille (119 pm paksu kerros), 13

Kuva 14 esittää AFM-kuvaa yksittäisistä CNT:istä, jotka on kerrostettu Si3N4 -kalvohilalle, ja

Kuva 15 esittää AFM-kuvaa yksittäisistä CNT:istä, jotka on kerrostettu SiCt -substraatille.

5

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS

Kuva 1 esittää esillä olevan menetelmän yhtä sovellusta kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden siirtämiseksi ja siten erottamiseksi toi-10 sistaan. Kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden seokseen (1) kohdistuu kollektiivisesti voima (2), joka vaikuttaa selektiivisesti joko kimppuna oleviin tai yksittäisiin HARM-rakenteisiin, perustuen ainakin yhteen niiden fysikaaliseen piirteeseen, 15 esimerkiksi ominaisuuteen erotella ne niin, että ne siirtyvät, esimerkiksi kiihtyvät, suhteessa toisiinsa, niin että ne eroavat erilleen toisistaan moniksi yksittäisiksi (3) ja kimppuna oleviksi(4) HARM-rakenteiksi.

20 Kuva 2a esittää esillä olevan keksinnön yhtä sovellusta, jossa kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden seos (1) on lietetty esimerkiksi kan-tajakaasuun, nesteeseen tai se on lietetty tyhjiössä. Mainittu dispersio kuljetetaan sähkökentän läpi jänni-25 te-eroavuuteen perustuen (6) . Koska kimppuna olevat HARM-rakenteet ovat luonnostaan huomattavan varautuneita ja yksittäiset HARM-rakenteet ovat huomattavan varauksettomia, sähkökenttä saa aikaan kimppuna olevien HARM-rakenteiden (4) kulkeutumisen sähkökentässä 30 (suunta riippuu niiden nettovarauksen merkistä) ja erottumisen yksittäisistä HARM-rakenteista (3), jotka kulkevat sähkökentän läpi ilman että se suuresti vaikuttaa niihin. Toisin sanoen luonnostaan varatut HARM-rakenteet kiihtyvät kanavan seiniä kohti (9), kun taas 35 yksittäiset HARM-rakenteet poistuvat kanavasta.

Samalla tavalla kuva 2b esittää panoksena tehtyä menetelmää, jossa kimppuna olevien ja yksit- 14 täisten HARM-rakenteiden dispersio (1) on pantu kammioon (13), jossa sähköpotentiaali tai -jännite (6) saa aikaan kimppuna olevien (4) ja yksittäisten (3) HARM-rakenteiden erottumisen ja kerrostumisen. Luonnostaan 5 varatut, kimppuna olevat HARM-rakenteet kiihtyvät seiniä kohti (9), kun yksittäiset HARM-rakenteet pysyvät suspensiona.

Kuva 3 esittää esillä olevan menetelmän toista sovellusta, jossa kimppuna olevien ja ei-kimppuna 10 olevien HARM-rakenteiden seos (1) on lietetty nesteeseen tai kaasuun, ja altistettu voimalle, tässä tapauksessa inertia- tai gravitaatiokiihtyvyydelle, täten saaden aikaan kimppuna olevien (4) ja yksittäisten (3) HARM-rakenteiden erottumisen. Tässä kimppuna olevat 15 HARM-rakenteet on kerrostettu selektiivisesti yksittäisistä HARM-rakenteista erilleen ja yksittäisten HARM-rakenteiden suspensio on saatu aikaan inertian ja vastusvoiman tasapainotuksella. Tässä sovelluksessa dispersio on lisätty kaarevaan kanavaan (9) a) tai 20 suunnattu pintaa kohti (4) b) ja kimppuna olevia HARM-rakenteita, joilla on korkeampi tehollinen Stokes-luku, kiihdytetään pintaa kohti, kun taas yksittäiset HARM-rakenteet pysyvät liettyneenä. Edelleen, kimppuna olevat HARM-rakenteet voidaan saada kerrostumaan sub-25 straatille. Vaihtoehtoisesti c), yksittäisten ja kimppuna olevien HARM-rakenteiden dispersio (1) syötetään laajenevaan kanavaan (7) painovoiman aiheuttamaa kiihtyvyyttä vastaan (8). Suspensionesteen tai -kaasun nopeus pienenee laajenevassa tilavuudessa. Siten yksit-30 täiset HARM-rakenteet(3) , joilla on alhaisempi Stokes-luku kuin kimppuna olevilla HARM-rakenteilla (4) kulkeutuvat ylemmäs kanavassa kuin kimppuna olevat HARM-rakenteet, mikä saa ne erottumaan.

Kuva 4 esittää sitä, että esimerkiksi erote-35 tut, yksittäiset HARM-rakenteet (3) voidaan kerrostaa eri substraateille (9) elektrostaattisella presipitaa-tiolla. Tässä jännite (11) pannaan neulaan (12), jotta 15 saadaan aikaan elektronipilvi, joka varaa aiemmin varauksettomat, yksittäiset HARM-rakenteet. Tässä laitteessa HARM-rakenteet varataan kenttävarauksella käyttäen koronapurkausta, joka ionisoi kaasun ja saa ai-5 kaan pienen virran kahden levyn välille. Sen jälkeen voiman käyttö, tässä tapauksessa elektrostaattisen kulkeutumisnopeuden, saa ne kerrostumaan maadoitetulle keräyslevylle (10), johon substraatti (9) on sijoitettu. Lisäksi kerrostumiskohta voidaan määrätä sähköken-10 tän paikallisella vaihtelulla, mikä mahdollistaa ku-viokerrostamisen. Sähkökentän sijoittamiseen on käytettävissä monenlaisia keinoja.

Kuva 5 valaisee yhtä tapaa, joka mahdollistaa kuviokerrostamisen käyttämällä elektrostaattista voi-15 maa. Varauksen kuvio voidaan sijoittaa puolijohtavalle tai johtamattomalle substraatille (9) tekemällä esimerkiksi leima tai maski johtavasta materiaalista (14) ja laittamalla maski substraattiin niin, että kontakti varaa ne substraatin alueet, jotka ovat kontaktissa 20 leiman tai maskin kanssa (15). Sen jälkeen kun maski tai leima on poistettu, kontaktialueet pysyvät varattuina, ja sitten kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden seos (1) , kimppuna olevat (4) tai yksittäiset (3) HARM-rakenteet tuodaan varatun substraa-25 tin läheisyyteen, minkä jälkeen paikallinen sähkökenttä saa ne, joilla on vastakkainen varaus, kiihdyttämään kohti ennalta määrättyä kuviota ja kerrostumaan leiman tai maskin kuvion mukaisesti. Kerrostumiskuvion resoluutio on siten suunnilleen sama kuin leiman tai 30 maskin.

Kuva 6 esittää esillä olevan keksinnön yhtä suoritusmuotoa, jossa termoforeettista voimaa käytetään kerrostamaan HARM-rakenteita (1,3,4) substraatille. Huomattava etu partikkelien kerrostamissa käyttäen 35 termoforeettista presipitoijaa on minkälaisen substraatin tahansa käyttömahdollisuus. Tässä kantajakaa-sun ja HARM-rakenteiden aerosoli on saatu kulkemaan 16 kuumennetun levyn (16) ja jäähdytetyn levyn (17) välissä. Levyjen kuumentamiseen ja jäähdyttämiseen voidaan käyttää useita alalla tunnettuja keinoja, mutta edullisessa suoritusmuodossa kuuma levy on kuumennettu 5 sähkövirralla ja kylmä levy jäähdytetty johtamalla kylmällä vesivirralla. HARM-rakenteet siirtyvät sitten kuumalta levyltä kylmälle ja kerrostuvat kiinnitetylle substraatille (9).

Kuva 7a esittää HARM-rakenteiden kerrostamis-10 tapaa, jossa HARM-rakenteet kerrostetaan kuvioon kerä-yslevyn kuvionmukaisella kuumennuksella ja jäähdytyksellä. Tässä suuri määrä kuumennus- (18) ja jäähdy-tyselementtejä (19) on sijoitettu substraatin toiselle puolelle (9) ja kimppuna olevien ja/tai yksittäisten 15 HARM-rakenteiden seoksen aerosoli on lisätty substraatin toiselle puolelle ja kuumennuslevyn väliin (16). HARM-rakenteet kerrostetaan sitten termoforeettisella voimalla, so. termoforeesilla, substraatin suhteessa viileämpiin osiin. Muita keinoja voidaan käyttää, jot-20 ta saadaan aikaan substraatille kuumennus- ja jäähdy-tyskuvioita. Esimerkiksi alhaista lämpöä johtaville substraateille voidaan käyttää säteilyä (esimerkiksi lasersäteilyä) . Esimerkiksi lasersäteiden kuvio voidaan suunnata kohti jäähdytettyä substraattia tietty-25 jen alueiden lämmittämiseksi. Esillä olevan keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää kerrostamaan HARM-rakenteita, joilla on erilaisia ominaisuuksia, joiden mukaan kerrostaminen tapahtuu eri paikkoihin, kuten kuvassa 7b on esitetty. Tässä aikavälillä 1 (tl) sub-30 straatin kuumennus ja jäähdytys on annetun kuvion mukainen, minkä mukaan tyypin 1 HARM-rakenteet kerrostetaan. Sen jälkeen substraatin kuumennus ja jäähdytys muutetaan ja kerrostetaan tyypin 2 HARM-rakenteet. Prosessi voidaan toistaa, jotta saadaan aikaan moni-35 mutkaisia, monia ominaisuuksia omaavia kerrostumisku-vioita.

17

Kuva 8 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän sisällyttämistä HARM

tuotantoprosessiin. Kuvassa 8 esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä on sisällytetty alalla tunnettuun, 5 kelluva katalyytti-HARM-tuotantoprosessiin. Tässä ka-talyyttipartikkelit tai katalyyttipartikkeliprekurso-rit (20 lisätään HARM-reaktoriin (21) yhdessä sopivan lähteen/ sopivien lähteiden (22) ja lisäreagenssien (23) kanssa, tarpeen mukaan. HARM-rakenteiden aerosoli 10 lähtee reaktorista ja rakenteet erotetaan erotuslait-teistossa (24), joka toimii minkä tahansa menetelmän mukaan, jonka on kuvattu erottavan kimppuna olevat (4) ja yksittäiset (3) HARM-rakenteet. Tämän jälkeen yksittäiset HARM-rakenteet voidaan varata, pinnoittaa, 15 funktionalisoida tai muuten muokata ilmastointireakto-rissa (25) ja kerrostaa sitten substraatille (9) ker-rostusreaktorissa (27) minkä tahansa menetelmän mukaan, jonka on kuvattu siirtävän kimppuna olevia ja/tai yksittäisiä HARM-rakenteita. Kerrostumiskerros 20 voi olla homogeenisesti kerrostettu tai kuvioitu kek sinnössä kuvatuilla menetelmillä. Edelleen kerrosta-miskerrosta voidaan prosessoida edelleen millä tahansa sopivalla menetelmällä. Edelleen, käyttämättömät pre-kursorit ja/tai reagenssit voidaan ottaa talteen ta-25 kaisinkeräysreaktorissa (30) alalla tunnetuilla kei noilla ja syöttää takaisin tuotantosykliin. Prosessi voidaan toistaa.

Esimerkit 30 Seuraavissa esimerkeissä kimppuna olevat ja yksittäiset HARM-rakenteet, tässä esimerkissä hii-linanoputket (CNT), siirrettiin ja siten erotettiin toisistaan ja kerrostettiin erikseen kuvatun keksinnön mukaisesti.

35 Kaikissa esimerkeissä CNT:t syntetisoitiin jatkuvasti, ennen erottamis- ja kerrostamisvaiheita, kimppuna olevien ja yksittäisten CNT:iden seoksen si- 18 sältävän aerosolin tuottamiseksi. Kuumalankageneraat-tori-menetelmää (HWG) käytettiin CNT:iden synteesiin, kuten alalla on tunnettua. Menetelmässä Fe-katalyyttipartikkelit tuotettiin höyrystämällä vastuk-5 sella kuumennetusta katalyyttilangasta H2/Ar:ssa (moo-lisuhteella 7/93, virtaus 400 cm3/min). Partikkelit muodostettiin ja kasvatettiin höyrynukleaatio-, kon-densaatio- ja partikkelikoagulointiprosesseissa. Sen jälkeen tuotetut partikkelit lisättiin keraamiseen 10 putkireaktoriin noin 400 °C:ssa, sekotettiin hiilimonoksidin (CO) kanssa, virtaus 400 cm3/min, ja kuumennettiin CNT-muodostuksen aikaansaamiseksi (700 °C -900 °C) . Huokoinen putkilaimentaja (6 1/min) asennet tiin ennen reaktoria estämään tuotteen kerrostumista 15 seinille. C02 lisättiin virtauksella 12 cm3/min reakto riin etsausaineena. Ellei muuta ole mainittu, kaikki kokeet tehtiin käyttäen kuituun 19 W kuumennusvoimaa, 53 %:n CO-pitoisuutta CO/(Ar-H2)-seoksessa (moolisuhde 93-7) ja reaktorin huippulämpötilana 700 "C. Aerosoli-20 partikkelien (so. dispergoituneena kaasutaasissa ole vien katalyyttipartikkelien, yksittäisten CNT:iden ja CNT-kimppujen) liikkuvuus-kokojakaumat mitattiin differentiaalisella liikkuvuusanalysaattorij ärj estelmäl-lä, joka koostui luokittelijasta, kondensaatiopartik-25 kelilaskurista ja 241Am bipolaarisesta lisävaraajasta.

Sopivia virtalähteitä käytettiin tuomaan sekä positiivinen että negatiivinen polaarisuus sisäiseen elektrodiin, kun taas ulkoinen elektrodi pidettiin maadoitettuna. Elektrostaattinen suodatin (ESF) sijoitettiin 30 reaktorin jälkeen ja sitä käytettiin suodattamaan pois varaukselliset aerosolipartikkelit (tarvittaessa). ESP muodostuu kahdesta metallilevystä, joiden mitat ovat pituus 15 cm ja korkeus 2 cm, ja jotka ovat erillään toisistaan, välimatka 1 cm. Kun yhdistettiin toinen 35 levy korkeajännitteeseen (noin 4000 V) ja toinen pi dettiin maadoitettuna, tämä laite mahdollisti varattujen aerosolipartikkelien suodattamisen pois. Aerosoli- 19 partikkelit, joihin kuuluivat katalyyttipartikkelit ja CNT-HARM-rakenteet, kerättiin hiilellä pinnoitetuille kuparihiloille partikkelien rakenteiden TEM:illä tapahtuvaa karakterisointia varten.

5

Esimerkki 1: Kimppuna olevien ja yksittäisten HARM- rakenteiden siirtäminen ja erottaminen elektrostaatti-sella presipitaatiolla käyttäen hyväksi kimppuna olevien HARM-rakenteiden luonnollista varausta.

10 Luonnostaan varattujen aerosolipartikkelien (so. jotka ovat varattuja ilman ulkoista bipolaarista varaajaa ennen DMA:ta) liikkuvuuskokojakauma on havainnollistettu kuvassa 9. Kuva osoittaa mitatun frekvenssin riippuvuuden sekä ekvivalentista liikku-15 vuushalkaisijasta, D, joka on laskettu oletuksin: pallomainen ja yksi varaus, että käänteisen riippuvuuden sähköisestä liikkuvuudesta, 1/Z. Kuten voidaan havaita, leveä liikkuvuusjakauma, jonka keskiliikkuvuushal-kaisija oli noin 45 nm, saatiin poikkeaman polaarisuu-20 desta huolimatta ja sen katsottiin johtuvan CNT:iden olemassaolosta. TEM-havainnot näytteestä, joka on tuotettu 700 °C:ssa ja kerätty suoraan kaasufaasista TEM-hilalle osoittivat, että nanoputket olivat yksiseinäi-siä ja selvästi kimpuiksi aggregoituneet (kuva 9b). 25 Koska DMA voi luokitella vain varaukselliset aerosoli-partikkelit, nämä tulokset osoittavat, että reaktorista tulevat nanoputket olivat luonnostaan sähköisesti varattuja. Edelleen, tämä ilmiö havaittiin riippumatta DMA:han tuodusta polaarisuudesta. Konsentraatiomitta-30 usten mukaan CNT:t olivat suunnilleen tasan positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet: osuudet N+=47 %:n ja N“=53 %, tässä järjestyksessä (taulukko 1).

Aikaisemmat tutkimukset metallinanopartikke-lien muodostumisesta HWG:llä osoittivat, että partik-35 keleillä on sähkövarauksia muodostumisensa jälkeen. Sen mahdollisuuden tutkimiseksi, että myös Fe-katalyyttipartikkelit voisivat varautua meidän järjes- 20 telmässämme ja niin muodoin olla nanoputkien varautumisen alkuperä, CO korvattiin N2:lla (siten estäen CNT:iden muodostuminen). Meidän tutkimuksemme, jotka suoritettiin lämpötiloissa, jotka olivat välillä 25 "C-5 900°C, osoittivat, että melkein kaikki Fe-partikkelit (99 %:iin saakka) olivat sähköisesti neutraaleja (taulukko 2), mikä viittaa siihen, että katalyyttipartik-kelit eivät ole suoraan tekemisissä havaitun nanoputkien varautumisen kanssa.

10 Neutraalien aerosolipartikkelien liikkuvuus- kokojakaumien mittaamiseksi varauksellinen aerosoli suodatettiin pois laittamalla elektrodien välille potentiaaliero ESF:ssä. Uutetut neutraalit aerosolipar-tikkelit varattiin keinotekoisesti käyttäen ulkoista 15 bipolaarista varaajaa (241 Am) ennen liikkuvuusjakauma-mittausta DMA:11a. Havaittiin huippu 5 nm:n keskiekvi-valenttihalkaisijalla ja katsottiin sen kuuluvan Fe-katalyyttipartikkeleille, jotka pysyivät CNT:iden kasvun suhteen inaktiivisina. Näin ollen nämä tulokset 20 osoittavat, että kaikki nanoputket kerrostettiin ESF:ssä ja siten olivat sähköisesti varattuja. Samanlaisia tuloksia saatiin 800 °C:ssa ja 900 °C:ssa (taulukko 1) .

25 Taulukko 1. CNT:iden varattu osuus (N+/~) , joka on syntetisoitu käyttäen 53 % CO ja 19 W kuumennustehoa eri reaktorin lämpötiloissa. (N+) ja (N”) osoittavat varattujen CNT:iden polaarisuusjakaumaa.

3 0 Lämpötila (°C) N+/_ (%) N+ (%) N” (%) TOP 99 47 53 ~00 99 48 52 TÖÖ 97 41 59 35 Taulukko 2. Fe-katalyyttipartikkelien varattu osuus (Np+/_) , joka on tuotettu HWG-menetelmällä N2-atmosfäärissä reaktorin eri lämpötiloissa. (Np+) ja 21 (Np") osoittavat varattujen katalyyttipartikkelien po-laarisuusj akaumaa.

Lämpötila (°C) Np+/“(%) Np+(%) Np~(%) 5 25 1 99 1 700 1 4 96 800_4_27_73_ ~00 2 28 72 10 On tunnettua, että kaasupintareaktiot saatta vat indusoida metallipinnoilla elektroniekskitaatiota. Kun tapahtuu hyvin eksotermisiä reaktioita, nämä eks-kitaatiot voivat johtaa ionien ja elektronien purkautumiseen pinnalta. Tämän seurauksena voidaan esittää 15 oletus, että eksoterminen CO disproportinoitumisreak-tio, jota tarvitaan CNT:iden kasvuun, saattaisi osallistua niiden sähkövarauksella varautumiseen. Sen tutkimiseksi tehtiin kokeita, joissa vaihdeltiin CO-pitoisuutta. Varattujen CNTriden (N+/“) osuuden kvanti-20 tatiivista arviointia varten liikkuvuuskokojakauma mitattiin liuokittelijalla, jota edelsi 241Am bipolaari-nen varaaja. Kuva 10a esittää liikkuvuuskokojakauma-vertailun kaikkien CNTriden (ESF pois) ja neutraalien CNTriden (ESF mukana) välillä CO-konsentraatioilla 27 25 %, 34 % ja 53 %. Odotuksen mukaisesti CNT-pitoisuus kasvoi reaktoriin lisätyn hiililähteen (CO) pitoisuuden mukaan. 27 % pitoisuudella kaikkien CNTriden ja neutraalin osuuden liikkuvuuskokojakauma osoittautui identtiseksi, mikä tarkoittaa, että melkein kaikki 30 CNTrt ovat sähköisesti neutraaleja. Neutraalien CNTriden osuus pieneni kuitenkin asteittain, kun CO-pitoisuutta kasvatettiin. Täten 53% CO-pitoisuudella lähes kaikki CNTrt olivat varattuja. Kuva 10b kuvaa lyhyesti CO-pitoisuuden vaikutuksen varattujen nano-35 putkien (N+/_) kokonaisosuuteen ja tuotteen pitoisuuteen .

22

Samalla tavalla mitattiin liikkuvuusjakaumat myös vaihtelemalla kuituun tuotua kuumennustehoa 16 W:sta 19 W:iin, kun CO-pitoisuus pidettiin vakiona, 53 %. Tehon lisäys kasvattaa CNT:iden pitoisuutta johtuen 5 tuotettujen rautakatalyyttipartikkelien suuremmasta pitoisuudesta. Niin muodoin nanoputkien kimppuna oleminen lisääntyy. Kuten kuvasta 11 voidaan nähdä, varautuneiden CNT:iden osuus kasvaa kuumennettuun lankaan tuodun tehon myötä.

10 Tulokset osoittavat, että CNT:iden suurempi pitoisuus johtaa tehokkaampaan varautumiseen. Tämä tosiasia on yhteydessä CNT:iden yhteen kimputtumisen kanssa, koska kimputtumisen todennäköisyys kasvaa CNT:iden konsentraation kasvaessa kaasutaasissa. 15 CNT:iden luonnollinen varautuminen voi siis tapahtua kimppujen muodostumisprosessissa. Tätä hypoteesia tuki varattuja CNT:itä sisältävän näytteen TEM-havainto, jossa löydettiin vain kimppuna olevia CNT:itä (kuva 9b) .

20 CNT:iden neutraalin osuuden keräämiseksi käy tettiin ESF:ää varattujen CNT:iden pois suodattamiseen. CNT: t syntetisoitiin käyttäen 16,5 W kuumennus-tehoa ylläpitämään CNT:iden matalaa pitoisuutta ja siten minimoimaan niiden kimputtumista. Näissä koeolo-25 suhteissa varattujen CNT:iden osuuden arvioitiin olevan noin 12 %. CNT:t kerättiin suoraan kaasufaasista TEM reikiä täynnä olevalle hiilikalvosubstraatille käyttäen piste levylle (point-to-plate) elektrostaat-tista saostajaa. Neutraalien CNT:iden TEM-havainnot 30 osoittivat ainoastaan yksittäisten CNT:iden olemassa olon (kuva 12a). Koko tuotteen keräys (so. varattuja CNT:itä ei suodatettu pois) osoitti sekä kimppujen että yksittäisten CNT:iden olemassa olon (kuva 12b) Tämä osoittaa, että yksittäiset CNT:t olivat neutraaleja, 35 kun taas kimput olivat varattuja.

Varautumisefekti voidaan selittää van der Waalsin energialla, joka vapautuu CNT kimputtumisen 23 aikana. Vapaan kokonaisenergian minimoimiseksi CNT: t muodostavat kimppuja, jotka koostuvat toisiinsa nähden paralleelisti sijoittuneista yksittäisistä putkista. Tämä johtaa suhteellisen suureen energian vapautumi-5 seen: esimerkiksi kahden nojatuoli-CNT:n kimputtuminen (10,10) johtaa kokonaisenergian pienenemiseen niinkin paljolla kuin 95 eV/100 nm:lla. Kimppu voi olla varautunut elektroni- ja ionien emission vuoksi, jonka saa aikaan vapautuneen van der Waalsin energian dissipaa-10 tio. CNT:iden suuri kontaktialan suhde pinnan alaan ja suuri pinnan alan suhde tilavuuteen mahdollistaa todennäköisesti merkittävän varautumisen, joka ei olisi havaittavissa suuren ja/tai matalan sivusuhteen rakenteissa .

15 Koska kimputtumisesta johtuva varautuminen on suoraan verrannollinen näiden lähes yksiulotteisten rakenteiden korkeaan kontaktiala/tilavuus- suhteeseen, löydökset ovat sovellettavissa mihin tahansa korkean aspektisuhteen molekyylirakenteisiin (HARM-rakenteet) , 20 kuten yllä on mainittu.

Esimerkki 2.

Kimppuna olevien ja yksittäisten CNT:iden erottaminen kaasutaasissa ja erillään kerrostaminen 25 elektrostaattisella saostuksella polymeeripohjaiselle substraatille ja Si3N4-substraateille.

Kimppuna olevat ja yksittäiset CNT:t siirrettiin ja erotettiin siten esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä. Erotetut CNT:t kerrostet-30 tiin sitten erikseen polymeeripohjaiselle substraatille (SU-8, 10 pm paksu kerros), hajoamislämpötila -300 °C, ja S13N4 substraatille (119 pm paksu kerros) . Kerrostaminen tehtiin käyttäen elektrostaattista presipi-taattoria (Kuva 4) Atomivoimamikroskopiakuvat (AFM), 35 jotka on esitetty kuvassa 13 a-b, osoittavat, että on olemassa yksittäisiä CNT:itä, halkaisijaltaan 0,7 1,1 nm määritettynä korkeusmittauksista, jotka olivat 24 olleet varattuja ennen kerrostamista, mikä on yhtäpitävä TEM:illä saatujen määritystulosten kanssa. Lisäksi kuvassa 14 on esitetty Si3N4-substraateille (100 nm paksu) kerättyjen yksittäisten CNT:iden AFM-kuvia.

5

Esimerkki 3.

Kimppuna olevien ja yksittäisten CNT:iden erottaminen kaasufaasissa ja kerrostaminen erikseen termoforeesilla S1O2-substraatille.

10 Kimppuna olevat ja yksittäiset CNT:t siirret tiin ja siten erotettiin esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä. Erotetut CNT:t kerrostettiin sitten erikseen polymeeripohjaiselle substraatille (SU-8, 10 pm paksu kerros), jonka pilkkoutumislämpöti- 15 la on -300 °C, ja Si02-substraatille. Kerrostaminen tehtiin käyttäen termoforeettista saostajaa (kuva 6) . Atomivoimamikroskopiakuva (AFM), joka on esitetty kuvassa 15, osoittaa yksittäisten CNT:iden olemassaolon.

Keksintöä ei rajoiteta pelkästään suoritus-20 muodon esimerkkeihin, jotka on kuvattu yllä, vaan mo net modifikaatiot ovat mahdollisia patenttivaatimuksissa määritellyllä keksinnön suoja-alalla.

Keksintöä ei rajoiteta pelkästään suoritusmuotojen esimerkkeihin, jotka on kuvattu yllä, vaan 25 monet muunnokset ovat mahdollisia patenttivaatimuksis sa määritellyllä keksinnön suojapiirillä.

Claims (11)

1. Menetelmä korkean aspektisuhteen molekyylirakenteiden (HARM-rakenteiden) siirtämiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää sähköisen 5 tai elektrostaattisen voiman käyttämisen dispersioon, joka sisältää yhden tai useampia kimppuna olevia ja yksittäisiä HARM-rakenteita, joka voima siirtää kimppuna olevia HARM-rakenteita perustuen kimppuna olevien HARM-rakenteiden spontaaniin varautumiseen verrattuna 10 yksittäisten HARM-rakenteiden sähköiseen neutraaliuteen, kimppuna olevien ja yksittäisten HARM-rakenteiden erottamiseksi oleellisesti toisistaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi 15 yhden tai useamman HARM-rakenteen kerrostamisen kaasu-, neste- ja/tai kiinteäaine-erottamisessa ja/tai matriisissa ja/tai pinnalle kerroksena, kuviona ja/tai rakenteena.

3. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-2 20 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kimppuna oleva ja/tai yksittäinen HARM-rakenne kerrostetaan.

4. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kimppuna olevat ja yksittäiset HARM-rakenteet kerrostetaan.

5. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että HARM-rakenne käsittää nanoputken, hiilinanoputken, fulle- reenilla funktionalisoidun hiilinanoputken, boorinit-ridinanoputken, nanosauvan, joka sisältää hiiltä, fos-30 toria, booria, typpeä ja/tai silikonia sisältävän nanoputken, langan ja/tai minkä tahansa muun putken, putkimaisen sauvan ja/tai nauhan ja/tai minkä tahansa muun korkean aspektisuhteen molekyylirakenteen yksittäisessä tai kimppuna olevassa muodossa.

6. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että HARM- rakenne on positiivisesti, negatiivisesti tai neutraalisti varautunut.

7. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetel-5 mä käsittää lisäksi yhden tai useamman reagoivan aineen, lisäaineiden, pinnoitemateriaalien, funktionali-soivien materiaalien, pinta-aktiivisten aineiden ja/tai seostusaineiden lisäämisen yhteen tai useampaan HARM-rakenteeseen.

8. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-7 mukaisen menetelmän käyttö jatkuvassa tai periodisessa prosessissa yhden tai useamman HARM-rakenteen tuottamiseksi, erottamiseksi, muokkaamiseksi, kerrostamiseksi ja/tai edelleen prosessoimiseksi.

9. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-7 mukaisen menetelmän käyttö funktionaalisen materiaalin valmistuksessa.

10. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-7 mukaisen menetelmän käyttö paksun tai ohuen kalvon, 20 linjan, johtimen, kuvion, kerrostetun ja/tai kolmiulotteisen rakenteen valmistuksessa.

11. Minkä tahansa patenttivaatimuksen 1-7 mukaisen menetelmän käyttö laitteen valmistuksessa.