Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften sowie zum

Vervielfältigen von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wachstum von vertikal ausgerichteten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen

elektronischen Eigenschaften sowie zum Vervielfältigen von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften.

Kohlenstoffnanoröhren sind aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften vielversprechende Kandidaten für zukünftige technische Anwendungen. So können Kohlenstoffnanoröhren in Abhängigkeit von ihrem Durchmesser und ihrer Helizität bzw. Chiralität metallisch oder halbleitend sein.

Herstellungsmethoden aus dem Stand der Technik führen allerdings zu einer Mischung von Kohlenstoffnanoröhren unterschiedlicher Typen, also mehrwandige, einwandige, metallische und halbleitende

Kohlenstoffnanoröhren in einem Bündel, die nachfolgend mühsam voneinander getrennt werden müssen. Es ist somit bislang nicht möglich, den Durchmesser und die Chiralität der hergestellten Kohlenstoffnanoröhren gezielt während der Herstellung festzulegen.

Bisher wurden einwandige Kohlenstoffnanoröhren durch Bogenentladung, Laserablation sowie katalysatorunterstützte Zersetzung von

Kohlenwasserstoffen durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) erhalten. Diesen Methoden ist jedoch gemein, dass eine Kontrolle der elektronischen Eigenschaften bzw. des Durchmessers und der Chiralität während eines Herstellungsprozesses nicht kontrolliert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vervielfältigen von Kohlenstoffnanoröhren sowie entsprechende Kohlenstoffnanoröhren zu entwickeln, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden, also Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie einen Träger mit darauf angeordneten

Kohlenstoffnanoröhren nach Anspruch 15 und einen Träger mit darauf angeordneten Kohlenstoffnanoröhren nach Anspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Ein Verfahren zum Vervielfältigen von mindestens einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre oder mehreren einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften weist mehrere Schritte auf.

Zunächst wird eine Dispersion aus einer Flüssigkeit und der mindestens einen einwandigen Kohlenstoffnanoröhre oder den mehreren einwandigen Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die gleiche elektronische Eigenschaften haben. Durch einen Energieeintrag in die Dispersion werden Fragmente der mindestens einen einwandigen Kohlenstoffnanoröhre oder der mehreren einwandigen Kohlenstoffnanoröhren ausgebildet, diese

Kohlenstoffnanoröhren also gebrochen. Aus der Dispersion werden die erzeugten Fragmente auf eine Oberfläche eines Trägers aufgebracht und dienen nach dem Aufbringen als Startschicht zum Vervielfältigen. Gleichzeitig hierzu, also während des Aufbringens aus der Dispersion, insbesondere solange die Dispersion in ihrer flüssigen Phase vorliegt und noch nicht getrocknet ist, werden die Fragmente auf der Oberfläche ausgerichtet, so dass die Oberfläche von einer Längsachse der Fragmente geschnitten wird und die Fragmente nicht parallel in einer Ebene zu dem Träger bzw. genauer zu der genannten Oberfläche des Trägers ausgerichtet sind. Der Träger mit den darauf aufgebrachten und ausgerichteten Fragmenten wird anschließend in eine Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung eingebracht. Durch chemische Gasphasenabscheidung werden in der Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung einwandige Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften ausgehend von den als Startschicht dienenden Fragmenten in einer kohlenstoffhaltigen Gasatmosphäre gewachsen, indem die Fragmente verlängert werden.

Durch das beschriebene Verfahren können Kohlenstoffnanoröhren mit definierten, vorgegebenen Eigenschaften erzeugt werden und ein

nachfolgendes Sortieren entfällt. Dadurch, dass bereits eine homogene Mehrzahl von Kohlenstoffnanoröhren verwendet wird und diese vervielfältigt werden, werden Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen und vorzugsweise gleichen optischen Eigenschaften erzeugt. Die eine einwandige Kohlenstoffnanoröhre oder die mehreren einwandigen

Kohlenstoffnanoröhren, die als Ausgangsstoff für das Verfahren verwendet werden, können hierbei sowohl metallisch als auch halbleitend sein. Durch das Ausrichten auf der Oberfläche können die Kohlenstoffnanoröhren in einer Richtung einfach verlängert werden, ohne sich gegenseitig zu behindern, so dass sich idealerweise vertikal zu der Oberfläche und parallel zueinander angeordnete einwandige Kohlenstoffnanoröhren auf dem Träger ausbilden und sich eine hohe Packungsdichte an Kohlenstoffnanoröhren je

Flächeneinheit ergibt. Da dieses Ausrichten auf der Oberfläche gleichzeitig zu dem Aufbringen erfolgt, wird das Verfahren effizienter durchführbar und eine Dichte der Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren auf dem Substrat wird erhöht. Die Längsachse eines der Fragmente soll hierbei die Achse

bezeichnen, um die das jeweilige Fragment der Kohlenstoffnanoröhren rotationssymmetrisch angeordnet ist. Das Verfahren weist außerdem den Vorteil auf, dass typischerweise keine Katalysatoren wie bei herkömmlichen Herstellungsverfahren verwendet werden müssen und somit die

Kohlenstoffnanoröhren besonders rein vorliegen, es kann aber natürlich auch vorgesehen sein, bei der chemischen Gasphasenabscheidung Katalysatoren zu verwenden. Die Längsachsen der Kohlenstoffnanoröhren liegen nach dem

Durchführen des Verfahrens typischerweise unter einem von 0°

verschiedenen Winkel zu einer parallel zu der Oberfläche des Trägers liegenden Ebene. Die Kohlenstoffnanoröhren, mit denen das Verfahren gestartet werden kann, können auch nur zu einem bestimmten Prozentsatz, typischerweise

80 Prozent, vorzugsweise 90 Prozent, besonders vorzugsweise 99 Prozent einwandige Nanoröhrchen mit gleichen elektronischen Eigenschaften, also metallisch oder halbleitend, und bzw. oder einem jeweils gleichen

Durchmesser und bzw. oder einer jeweils gleichen Chiralität umfassen. Das

Verfahren ist bei einem höheren Anteil an Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen Eigenschaften besser durchzuführen, ein geringer Anteil an

Kohlenstoffnanoröhren mit zumindest einer abweichenden Eigenschaft kann jedoch toleriert werden. Die Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen

Eigenschaften, die als Ausgangsmaterial des Verfahrens dienen, sind typischerweise mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt und durch bekannte Separationsverfahren, z. B.

Ultrazentrifugation, Chromatografie oder auf Gelen oder Polymeren basierende Verfahren, hinsichtlich ihrer Eigenschaften sortiert worden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Fragmente in der Dispersion durch ein Einbringen von Ultraschall ausgebildet werden. Ultraschall sorgt für eine zuverlässige Teilung bzw. ein Durchschneiden oder Durchbrechen der Kohlenstoffnanoröhren in einzelne Bruchstücke bzw. Fragmente.

Vorzugsweise haben die Fragmente eine Länge zwischen 30 nm und 100 nm.

Dies erlaubt ein großes Aspektverhältnis, d. h. dass eine Länge typischerweise größer als ein Durchmesser eines der Kohlenstoffnanoröhren ist. In üblicher Weise haben einwandige Kohlenstoffnanoröhren einen Durchmesser zwischen 0,6 nm und 2 nm. Der Ultraschall wird typischerweise mit einer Leistung zwischen 30 W und 100 W und einer Frequenz zwischen 20 kHz und

40 kHz verwendet. Die Fragmente können durch Anlegen eines elektrischen Feld auf der Oberfläche des Trägers ausgerichtet werden. Dies erlaubt in besonders einfacher Weise eine vertikale Ausrichtung, bei der die sich ausbildenden Kohlenstoffnanoröhren von der Oberfläche weggerichtet wachsen. Feldlinien des elektrischen Feld weisen hierzu vorzugsweise einen Winkel zwischen 80° und 100° zu der Oberfläche des Trägers auf, um eine vertikale Ausrichtung zu gewährleisten. Typischerweise haften die Kohlenstoffnanoröhren nach einem Trocknen der Dispersion an auf der Oberfläche zurückbleibenden

Bestandteilen der Dispersion wie beispielsweise oberflächenaktiven Stoffen. Hierzu kann insbesondere das Substrat als eine Elektrode verwendet werden und das elektrische Feld zwischen dem Substrat und einer dem Substrat gegenüberliegenden Elektrode das Wachstum der Kohlenstoffnanoröhren entlang der Feldlinien unterstützen. Durch das elektrische Feld werden aber bereits auch die Fragmente während des Aufbringens auf das Substrat entsprechend ausgerichtet, so dass die Oberfläche von der Längsachse der Fragmente geschnitten wird und die Fragmente nicht parallel in einer Ebene zum Träger ausgerichtet sind.

Alternativ oder zusätzlich können die Fragmente durch Selbstorganisation auf einer auf der Oberfläche des Trägers aufgebrachten Goldschicht ausgerichtet werden. Hierzu werden vorzugsweise SH(CH ₂ ) _n NH2-Moleküle, z. B.

Cysteamine, verwendet, die für eine vertikale Ausrichtung der

Kohlenstoffnanoröhren sorgen. Die beschriebene Selbstorganisation kann auch mit dem zuvor beschriebenen Ausrichten mittels des elektrischen Felds kombiniert werden.

Eine Oberflächendichte der Fragmente kann bei Aufbringen und Ausrichten der Fragmente kontrolliert werden über die Konzentration der Fragmente in der Dispersion, d. h. je höher der Anteil der Fragmente, desto größer ist auch die Oberflächendichte, also die Anzahl der Fragmente je Flächeneinheit. Die Fragmente können beispielsweise durch Eintauchen des Trägers in die Dispersion aufgebracht werden, wobei nachfolgend eine Trocknung des Trägers samt Beschichtung erfolgt, so dass die Fragmente letztlich auf einer trockenen Oberfläche haften. Der Träger kann ein Siliziumoxid- oder Glassubstrat sein, da derartige

Substrate in der Mikro- und Nanotechnologie oftmals verwendet werden, thermisch stabil bei Temperaturen bis 1200 °C und einfach zu handhaben sind.

Die Längsachse der auf dem Träger aufgebrachten Fragmente weist typischerweise einen Winkel zu der Oberfläche zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 75° und 105°, besonders vorzugsweise zwischen 80° und 100° auf. Die Längsachse, entlang der die Kohlenstoffnanoröhren verlängert werden, steht also möglichst parallel zu einer

Oberflächennormalen der Oberfläche des Trägers. Es kann auch nur ein bestimmter Prozentsatz der wachsenden Kohlenstoffnanoröhren diesen Winkel aufweisen, typischerweise 60 Prozent, vorzugsweise 75 Prozent, besonders vorzugsweise 90 Prozent. Der Träger selbst kann ein planarer Träger sein, d. h. die Oberfläche, auf der die Fragmente abgeschieden werden, ist eben.

Um die Kohlenstoffnanoröhren zu verlängern bzw. zu wachsen, kann plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung eingesetzt werden, da hierdurch ein verbessertes Wachstum erreicht wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Dispersion aus Wasser, vorzugsweise destilliertem Wasser, und einem oberflächenaktiven Stoff, vorzugsweise einem Tensid, gebildet wird, um eine homogene Dispersion zu erzeugen, die eine gleichmäßige Bedeckung der Oberfläche des Trägers ermöglicht. Als Tensid kann Natriumdodecylsulfat (sodium dodecyl sulfate, SDS) oder

Natriumdodecylbenzolsulfonat (sodium dodecylbenzenesulfonate, SDBS) verwendet werden. Das Tensid dient vorzugsweise auch als Bindemittel und als Fixiermittel, insbesondere können getrocknete Reste des Tensids zum Binden und Fixieren der ausgerichteten Fragmente benutzt werden.

Typischerweise ist der oberflächenaktive Stoff in einer Konzentration von zwischen 0,02 Massenprozent und 2 Massenprozent, vorzugsweise weniger als 1 Massenprozent in der Dispersion vorhanden. Zusätzlich kann allerdings auch Isopropanol oder Ethanol zu der Dispersion aus destilliertem Wasser, dem oberflächenaktiven Stoff und der mindestens einen Kohlenstoffnanoröhre hinzugefügt werden.

Typischerweise bildet sich beim Trocknen der mit dem Tensiden versetzten Dispersion eine Tensidschicht auf dem Träger aus und die Fragmente der Kohlenstoffnanoröhren werden auf der Tensidschicht aufgebracht und ausgerichtet. Die Konzentration des Tensiden in der Dispersion wird hierbei derart gewählt, dass sich eine gewünschte Dicke der Tensidschicht einstellt, wobei bei einem höheren Anteil die Dicke der Tensidschicht pro

Flächeneinheit ebenfalls erhöht wird.

Typischerweise werden nach dem Erzeugen der Fragmente Partikel aus der Dispersion entfernt, die keine Fragmente sind. Dies erfolgt vorzugsweise durch Ultrazentrifugation oder eine andere der bereits genannten Techniken. Hierdurch wird eine hohe Güte der abgeschiedenen Fragmente ohne störende Fremdkörper gewährleistet.

Die erzeugten Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen

Eigenschaften können von dem Trägermaterial entfernt werden und als Ausgangsstoff für ein erneutes Durchführen des Verfahrens dienen. Hierdurch kann kaskadierend eine Ausbeute an Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften erhöht werden. Dies erlaubt ein Aufskalieren des Verfahrens, wobei mit jedem Durchführen ein Reinheitsgrad, also ein Anteil an hergestellten Kohlenstoffnanoröhren mit identischen physikalischen Eigenschaften, systematisch erhöht werden kann.

Nach dem Wachsen durch chemische Gasphasenabscheidung können die vervielfältigten Kohlenstoffnanoröhren hinsichtlich ihrer Eigenschaften vermessen werden. Vorzugsweise erfolgt dies durch optische

Absorptionsspektroskopie, Ramanspektroskopie und bzw. oder eine

Photolumineszenzmessung. Kohlenstoffnanoröhren, die von den

gewünschten Eigenschaften abweichen, werden danach von den restlichen Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften getrennt. Die Trennung kann wiederum mittels Zentrifugieren, insbesondere

Ultrazentrifugation, Chromatografie oder einer auf Gel oder Polymeren basierenden Technik erfolgen. Durch Zentrifugieren können in einem

Verfahrensschritt auch Schmutzpartikel, die beim Erzeugen der Fragmente entstanden sind, aus der Dispersion entfernt werden, indem die Dispersion bei unterschiedlichen Beschleunigungen zentrifugiert wird.

Eine Packungsdichte der mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten Kohlenstoffnanoröhren auf dem Träger kann bis zu 10000 pro μιη ² , vorzugsweise bis zu 20000 Kohlenstoffnanoröhren pro μιη ² besonders vorzugsweise bis zu 40000 Kohlenstoffnanoröhren pro μιη ² betragen. Ein Abstand der Kohlenstoffnanoröhren zueinander auf dem Träger oder ein Abstand der Fragmente zueinander auf dem Träger ist typischerweise kleiner als 0,5 μιη.

Auch wenn die Fragmente aus Kohlenstoffnanoröhren gebildet werden, können alternativ zu den Kohlenstoffnanoröhren an den Fragmenten auch Nanoröhren aus Bornitrid, Bor oder Silizium wachsen. Hierzu findet das Wachstum entsprechend in einer borhaltigen, siliziumhaltigen und bzw. oder stickstoffhaltigen Atmosphäre in der Vorrichtung zur chemischen

Gasphasenabscheidung statt. Es ist auch möglich, dotierte

Kohlenstoffnanoröhren zu wachsen, bei denen also an einzelnen Stellen von Kohlenstoffatomen verschiedene Atome in ein Gerüst der Nanoröhre eingefügt werden. Entsprechende Fremdatome werden hierbei während des Wachstums der Nanoröhren in der Vorrichtung zur chemischen

Gasphasenabscheidung bereitgestellt.

Es ist ein Träger, typischerweise mit dem beschriebenen Verfahren, mit auf einer Oberfläche des Trägers angeordneten einwandigen

Kohlenstoffnanoröhren gleichen Durchmessers und gleicher Chiralität herstellbar, bei dem die Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche derart angeordnet sind, dass eine Längsachse der Kohlenstoffnanoröhren die Oberfläche schneidet und die Kohlenstoffnanoröhren nicht parallel in einer Ebene zum Träger ausgerichtet sind. Es liegt somit ein Träger mit vertikal zu dem Träger ausgerichteten, auf dem Träger aufgebrachten

Kohlenstoffnanoröhren vor, der in Bauteilen eingebaut werden kann.

Außerdem kann ein Träger mit darauf angeordneten und auf dem Träger ausgerichteten Fragmenten, aber noch nicht daran wachsenden oder bereits gewachsenen Kohlenstoffnanoröhren hergestellt werden, vorzugsweise mit dem beschriebenen Verfahren. Der Träger liegt somit typischerweise in dem Zustand vor, in dem er gemäß dem bereits beschriebenen Verfahren in die Vorrichtung zur chemischen Gasphasenabscheidung eingebracht wird. Ein derartig präparierter Träger kann gelagert und später weiterverarbeitet werden.

Es kann vorgesehen sein, dass auf dem Träger nach dem Trocknen eine aus der mit dem Tensiden versetzten Dispersion abgeschiedene Tensidschicht vorhanden ist. Auf dieser Tensidschicht sind die Fragmente angeordnet und deren Ausrichtung wird durch die Tensidschicht stabilisiert.

Diese Tensidschicht kann eine Dicke aufweisen, die geringer ist als eine Länge der Fragmente. Diese Dicke beträgt typischerweise zwischen 0,3 μιη und 1 μιη, vorzugsweise zwischen 0,5 μιη und 0,8 μιη. Hierdurch können die Fragmente einerseits zuverlässig an der Tensidschicht haften, ohne dass ein nachfolgendes Wachstum behindert wird.

Eine Oberfläche des Trägers, auf der die Fragmente ausgerichtet werden, kann nach dem Entfernen des Trägers aus der Dispersion und Trocknen des Trägers vollständig mit der Tensidschicht bedeckt sein, um auf einer möglichst großen Fläche ein Haften der Fragmente zu ermöglichen.

Statt des Tensiden kann die Oberfläche des Trägers auch mit einer Goldschicht versehen sein, auf der die Fragmente aufgebracht und ausgerichtet sind, wobei zum Ausrichten die Oberfläche vorzugsweise mit einer Schicht von SH(CH ₂ )nN H2-Molekülen versehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 8 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine in einem in perspektivischer Ansicht dargestellten Gefäß

enthaltene Dispersion aus einer Flüssigkeit und einwandigen

Kohlenstoffnanoröhren; Fig. 2 eine Ultraschallbehandlung der in Fig. 1 gezeigten Dispersion in einer Fig. 1 entsprechenden Ansicht;

Fig. 3 die nach der in Fig. 2 gezeigten Ultraschallbehandlung erhaltenen

Fragmente der Kohlenstoffnanoröhren in einer Fig. 1 entsprechenden Ansicht;

Fig. 4 die aus der Dispersion auf eine Oberfläche eines Trägers

abgeschiedenen Fragmente in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 5 einen Reaktor zur chemischen Gasphasenabscheidung in einer

perspektivischen Ansicht, in dem der in Fig. 4 dargestellte Träger eingebracht ist;

Fig. 6 eine Fig. 4 entsprechende Ansicht des Trägers mit den verlängerten, vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren,

Fig. 7 eine Mehrzahl der in Fig.6 dargestellten Träger mit darauf

angeordneten Kohlenstoffnanoröhren und

Fig. 8 eine Fig. 4 entsprechende Ansicht des Trägers mit einer Tensidschicht und darauf aufgebrachten Kohlenstoffnanoröhren.

In Fig. 1 ist ein Gefäß 1 gezeigt, in dem eine homogene Dispersion 2 aus einer Flüssigkeit mit einem Tensiden und mehreren Kohlenstoffnanoröhren 3 enthalten ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch nur eine einzelne Kohlenstoffnanoröhre mit vorgegebenen elektronischen Eigenschaften als Ausgangsstoff für das Verfahren genommen werden. Die Flüssigkeit ist im dargestellten Ausführungsbeispiel destilliertes Wasser, es kann jedoch auch allgemein deionisiertes Wasser verwendet werden. Das Tensid, im

dargestellten Ausführungsbeispiel Natriumdodecylsulfat, SDS, ist in einer Konzentration von 0,1 Massenprozent in der Dispersion vorhanden.

Außerdem ist der Dispersion Isopropanol beigesetzt, worauf in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch verzichtet werden kann. In einer vergrößerten Darstellung ist beispielhaft eine der Kohlenstoffnanoröhren 3 gezeigt. Mindestens 90 Prozent der in der Dispersion 2 enthaltenen Kohlenstoffnanoröhren 3 haben gleiche elektronische Eigenschaften, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel also halbleitend, und haben vorzugsweise einen gleich großen Durchmesser und eine identische Chiralität. Außerdem sind die Kohlenstoffnanoröhren 3 alle einwandig. In weiteren

Ausführungsbeispielen können die Kohlenstoffnanoröhren 3 aber auch metallisch sein. Durch die Zugabe des Tensiden wird vermieden, dass sich die Kohlenstoffnanoröhren 3 aneinander anlagern und Bündel bilden, sondern gleichverteilt in der Dispersion 2 vorhanden sind. In weiteren

Ausführungsbeispielen können die Kohlenstoffnanoröhren 3 auch durch eine Säure oxidiert werden und somit statt hydrophob hydrophil sein oder es werden organische Lösungen wie Dimethylformamid (DMF) zum Erzeugen einer homogenen Dispersion verwendet. Die Kohlenstoffnanoröhren 3 mit identischen physikalischen Eigenschaften wurden im dargestellten Beispiel mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erzeugt und nachfolgend sortiert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen

99 Prozent der für die Dispersion 2 verwendeten Kohlenstoffnanoröhren 3 identische Eigenschaften auf.

Um die in der Dispersion 2 enthaltenen Kohlenstoffnanoröhren 3 zu vervielfältigen bzw. zu reproduzieren, wird bei dem in Fig. 2 dargestellten

Verfahrensschritt das Gefäß 1 mit der Dispersion 2 der Kohlenstoffnanoröhren 3 durch Ultraschalleinwirkung ein Brechen der Kohlenstoffnanoröhren 3 in kleinere Fragmente bewirkt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Zum Erzeugen der Fragmente wird in die Dispersion 2 eine Spitze 4 eines

Ultraschallsonikators eingebracht und Ultraschall einer Frequenz von 30 kHz und einer Leistung von 30 W bis 100 W über das Ultraschallgerät 5 in die Dispersion 2 eingebracht. Das Gefäß 1 mit der Dispersion 2 und den erzeugten Fragmenten 6 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Fragmente 6 weisen eine Länge von 30 nm bis 100 nm bei einem Durchmesser von ca. 1 nm auf. Da sich durch den Ultraschalleintrag auch weitere Partikel wie Bündel von Kohlenstoffnanoröhren 3, amorpher Kohlenstoff oder Reste von Katalysatoren gebildet haben können, können in einem weiteren Verfahrensschritt durch Zentrifugieren diese Partikel aus der

Dispersion 2 entfernt werden, beispielsweise wird die Dispersion 2 acht Stunden lang bei einem 20000-fachen der Erdbeschleunigung, also 20000 g, zentrifugiert.

Die in Fig. 3 gezeigte Dispersion 2 wird auf einen planaren Träger 7

beispielsweise durch eine Pipette aufgebracht und die Flüssigkeit entfernt, beispielsweise durch Erhitzen. Der planare Träger 7 ist ein Siliziumwafer, der während oder nach dem Trocknen zum Entfernen flüssiger Bestandteile der Dispersion 2 in ein elektrisches Feld eingebracht wird und aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit bis 1200 °C auch eine nachfolgende

Weiterbehandlung unbeschadet übersteht. Feldlinien des elektrischen Feld stehen hierbei senkrecht auf eine ebene Oberfläche 8 des Trägers 7, so dass sich die Fragmente 6 parallel zu diesen Feldlinien auf der Oberfläche 8 ausrichten, also eine Längsachse der Fragmente 6 ebenfalls im rechten Winkel zu der Oberfläche 8 steht. Es ergibt sich somit eine Schicht vertikal auf dem Träger 7 ausgerichteter Fragmente 6. Es kann allerdings auch passieren, dass nur ein bestimmter Prozentsatz der Fragmente 6 eine gleiche Ausrichtung aufweist. Beispielsweise sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 80 Prozent der Fragmente 6 parallel zu einer Oberflächennormale

ausgerichtet, während der Rest einen Winkelversatz von bis zu 20° zu der Oberflächennormale aufweist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist auf die Oberfläche 8 eine

Goldschicht flächig aufgebracht, auf der sich unterstützt durch Cysteamine, nämlich SH(CH ₂ )2 H2, die Fragmente 6 durch Selbstorganisation so ausrichten, dass die Längsachse die Oberfläche 8 schneidet, die Fragmente 6 also rechtwinklig auf der Oberfläche 8 stehen. Das Aufbringen der Dispersion 2 auf den Träger erfolgt durch Eintauchen des Trägers 7 in die Dispersion 2. Die verwendeten Cysteamine sind hierbei in der Dispersion 2 enthalten oder werden in einem vorhergehenden Verfahrensschritt auf die Goldschicht aufgebracht, beispielsweise durch Eintauchen in eine mit den Cysteaminen versetzte Flüssigkeit.

Der derartig präparierte Träger 7 mit den auf der Oberfläche 8 ausgerichteten Fragmenten 6 der einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit gleichen elektronischen Eigenschaften kann in dieser Form zwischengelagert werden und erst nachfolgend in einem weiteren Schritt weiterverarbeitet werden. Der in Fig. 4 dargestellte Träger 7 mit auf der Oberfläche 8 ausgerichteten Fragmenten 6 der einwandigen Kohlenstoffnanoröhren 3 mit gleichen elektronischen Eigenschaften wird wie in Fig. 5 gezeigt in einen Reaktor 9 eingebracht, der zur chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) geeignet ist. In diesem Reaktor 9 werden zunächst Spitzen der Fragmente 6 in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre chemisch aktiviert und danach werden in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre startend von den Fragmenten 6 epitaktisch durch chemische Gasphasenabscheidung Kohlenstoffnanoröhren 3 mit gleichen elektronischen Eigenschaften und, sofern als Ausgangsstoff Kohlenstoffnanoröhren 3 mit gleichem Durchmesser und gleicher Chiralität verwendet wurden, auch mit gleichem Durchmesser und gleicher Chiralität gewachsen, bis die gewünschte Länge erreicht ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann hierfür auch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung verwendet werden. Durch das epitaktische

Wachstum wird die atomare Struktur der Fragmente 6, also insbesondere deren Durchmesser und deren Chiralität, nicht verändert. Außerdem können in entsprechender Atmosphäre auch dotierte Kohlenstoffnanoröhren, Bornitridnanoröhren, Bornanoröhren bzw. Siliziumnanoröhren gewachsen werden.

Nach dem Ende der chemischen Gasphasenabscheidung sind auf der

Oberfläche 8 des Trägers 7 die Kohlenstoffnanoröhren 3 ausgehend von den als Startschicht verwendeten Fragmenten 6 gewachsen, wie in Fig. 6 gezeigt. Diese Kohlenstoffnanoröhren sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einwandig, halbleitend und haben typischerweise jeweils einen gleichen Durchmessers und eine gleiche Chiralität, wenn als Ausgangsstoff

Kohlenstoffnanoröhren mit gleichem Durchmesser und gleicher Chiralität verwendet wurden. Außerdem sind sie alle vertikal zur Oberfläche 8 angeordnet, d. h. entlang einer Längsachse der Fragmente 6 gewachsen und bilden eine Schicht vertikal angeordneter Kohlenstoffnanoröhren 3. Eine Packungsdichte beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 10000

Kohlenstoffnanoröhren pro μιη ² , während ein Abstand der

Kohlenstoffnanoröhren zueinander kleiner als 0,5 μιη ist.

Es kann in weiteren Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass die gewachsenen Kohlenstoffnanoröhren 3 durch Ramanspektroskopie oder ein anderes Messverfahren hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen

Eigenschaften vermessen werden. Kohlenstoffnanoröhren 3, deren

physikalische Eigenschaften sich von der Mehrheit unterscheiden, können anschließend aus dem Bündel der erhaltenen Kohlenstoffnanoröhren 3 entfernt werden, beispielsweise durch Ultrazentrifugation, Chromatografie oder ein auf Gelen oder Polymeren beruhendes Verfahren.

Die Kohlenstoffnanoröhren 3 können von dem Träger 7 entfernt werden und in Anwendungen, beispielsweise in Transistoren, beispielsweise

Feldeffekttransistoren, oder anderen Bauteile wie Sensoren,

Photonendetektoren, optischen Modulatoren, Lichtquellen Solarzellen oder thermoelektrischen Bauelementen eingebaut werden.

Alternativ können die Kohlenstoffnanoröhren 3 von dem Träger 7 entfernt werden und eine weitere Dispersion 2 gebildet werden, wie in Fig. 1 dargestellt. Das Verfahren kann dann zum kaskadierenden Vervielfältigen der Kohlenstoffnanoröhren 3 wiederholt werden, also ebenfalls durch Ultraschall Fragmente 6 erzeugt werden und diese Fragmente 6 auf einem weiteren Träger 7 abgeschieden und verlängert werden. Hierdurch ergibt sich die in Fig. 7 dargestellte Konfiguration von mehreren Trägern 7, auf denen jeweils Kohlenstoffnanoröhren 3 mit definierten physikalischen Eigenschaften abgeschieden sind.

Fig. 8 zeigt in einer Figur 4 entsprechenden Ansicht den Träger 7 mit einer darauf abgeschiedenen, schraffiert eingezeichneten Tensidschicht 9 aus SDS, die eine Dicke von 200 nm aufweist und als Zwischenschicht eine Oberfläche 8 des Trägers 7, auf der die Fragmente 6 abgeschieden werden, vollständig, also ohne Aussparungen oder Löcher, bedeckt. Die Fragmente 6 weisen eine Länge auf, die größer ist als die Dicke der Tensidschicht 9, so dass die Fragmente 6 auf der Tensidschicht 9 abgeschieden und ausgerichtet sind und durch die getrocknete Tensidschicht 9 in ihrer Ausrichtung stabilisiert werden.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der

verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.