CN1421378A - 空心石墨片结构、电极结构、其生产过程和所产生的器件 - Google Patents

Abstract

空心石墨片结构具有以连续形状设置的至少一对空心石墨片材料，其中该对空心石墨片材料的相邻端以一个间隙彼此相对。

Description

空心石墨片结构、电极结构、其生产过程和所产生的器件

发明领域

本发明涉及可以广泛用于电子器件等的空心石墨片(graphene sheet)结构和电极结构，其生产过程和包括该电极结构的新器件。

背景技术

碳纳米管包括围绕成空心形状的石墨片(碳原子六角形网络的片状结构)。由于碳纳米管不仅具有化学稳定性，而且尽管其直径小至1到50nm，仍然表现出高导电性，因此已经对它在从宏观尺寸器件(例如放电电极)到纳米级电子器件范围的应用进行了深入的研究。由于碳纳米管自身不仅导电而且坚固，已经进行应用的研究来支持利用空心结构的作用的加强材料或结构和储氢材料。

对这种碳纳米管的主要应用的研究是包括一层石墨片的单壁碳纳米管(SWNT)和包括多层石墨片的多壁碳纳米管(MWNT)。

另一方面，为了碳纳米管的大量生产，已经研究了各种方法，例如放电方法和激光烧蚀方法。但是，由于碳纳米管自身是绳状材料，如果按原样使用，则它的应用非常有限。因此，需要一种例如切割所产生的碳纳米管的加工技术。

例如，在制备一个具有大量存储元件的微小电子器件的情况下，即使可以由碳纳米管形成布线自身从而具有减小的宽度，但是如果碳纳米管自身过长，则难以减小整个器件的尺寸。

作为用于加工碳纳米管的方法，已知有以下方法：利用强酸的氧化作用切割SWNT的方法(J.Liu等，“Science”，280，p.1253(1998))；利用螺旋以聚合体中的分散物形式切割碳纳米管的方法(M.Yuda saka等，“Appl.Phys.”，A71，p.449-451(2000))；以通过在金属微粒中固着获得的结晶块形式磨削和切割碳纳米管的方法(日本专利特开平No.2000-223004)；利用离子辐射切割碳纳米管的方法(日本专利特开平No.2001-180920)。

但是，上述涉及使用强酸的过程的缺点在于，整个碳纳米管被损坏并且必须把碳纳米管加热一段持续时间，使得难以获得具有希望性质的切断的碳纳米管，并且使生产率显著下降。

另外，该方法不能用于切割多壁碳纳米管，这是因为在切割碳纳米管前必须氧化很多个层。在涉及聚合体中的分散物的方法中，完全切割需要超声波处理，并且需要加热和燃烧过程来除去聚合体，这增加了复杂性。

在涉及使用金属微粒的方法中，所切割的碳纳米管一般不能使用，除非把从结晶块的表面突出的碳纳米管用作发射极。

在涉及离子辐射的方法中，必须使用从几千伏到几十千伏的加速电压，需要一个大规模器件和两个步骤，即，利用离子辐射在碳纳米管上形成一个未结合区域(unbonded site)的步骤，和通过未结合区域与氧或氢的反应切割碳纳米管的步骤，这增加了复杂性。

如上所述，这些已知加工方法有缺点。

另一方面，在H.Watanabe，“Jpn.J.Appl.Phys.”32，p.2809(1993)中描述了一种利用微粒金作为氧化催化剂来蚀刻石墨表面的方法。

由于碳纳米管在其生产过程期间要受到大量杂质(例如无定形碳和石墨)的污染，E.Mizoguchi等参考这些文献提出了一种方法作为碳纳米管的提取方法，该方法包括把金微粒与表面活性剂混合，在氧气氛中加热该混合物，使得无定形碳和石墨被氧化并分解以留下提取的SWNT，SWNT与这些杂质相比是稳定的(E.Mizoguchi等，“Chem.Phys.Lett.”，321，p.297-301(2000))。

在该方法中已说明，高温加热造成SWNT自身被氧化和分解。因此，微粒金和碳纳米管的这种组合可以去除杂质，但是不能期望应用于碳纳米管的加工。也没有对该应用的建议。

为了制备一个包括碳纳米管的器件或提供一个具有希望功能的碳纳米管本身，希望能够简单地加工碳纳米管自身而不损害其性质。目前已知的方法具有上述优点和缺点。

为了把碳纳米管用于各种目的，需要一种具有新形状的碳纳米管。

另一方面，为了把碳纳米管用作连接元件的电极，如何设置碳纳米管自身是一项巨大的工作。换句话说，碳纳米管非常精细，因此很难处理。例如，当把碳纳米管用作至少两个电极时，非常难以根据具有减小尺寸的电子元件的微小节点空间设置这两个碳纳米管以得到一个微小间隙。

本发明是根据上述问题作出的。本发明的目的是通过切割或加工一个包括碳纳米管的空心石墨片材料提供一种新颖的空心石墨片结构和电极结构，同时对空心石墨片材料结构的破坏较小。本发明的另一个目的是实现把该电极结构应用于空心石墨片材料的微小器件(例如碳纳米管)。

发明内容

为了解决这些问题，本发明提出一种用于加工包括碳纳米管的空心石墨片材料的新颖生产过程，和由该生产过程获得的新颖的空心石墨片结构和电极结构。本发明进一步提出一种应用上述电极结构的器件。

此处使用的术语“空心石墨片材料”是指一种空心围绕的石墨片结构，通常包括具有纳米级直径的空心石墨片材料，例如麦管状碳纳米管(straw-likecarbon nanotube)，锥形碳纳米角(conical carbon nanohorn)，具有连接到麦管状碳纳米管的珠状碳结构的碳纳米珠和螺旋碳纳米线圈)。

如前所述，根据E.Mizoguchi等的方法，碳纳米管自身经历氧化破坏和消失。因此，不能利用微粒金加工碳纳米管。

发明人进一步研究了该方法。结果，搞清楚了在微粒金和单壁碳纳米管的混合物被氧化的情况下碳纳米管完全消失的原因，并且发现具有氧化催化作用的微粒金和碳纳米管的结合使得有可能加工碳纳米管。还发现，除了金以外，其他金属也具有诱发碳纳米管氧化的催化剂作用，因此可以用于加工空心石墨片材料。

换句话说，本发明如下所述，但是本发明不限于以下内容。

<1>提供一种空心石墨片结构，具有至少一对在空心石墨片的纵向连续设置的空心石墨片，并且其中该对空心石墨片的相邻端以一个间隙彼此相对。

<2>提供一种生产空心石墨片结构的过程，包括以下步骤：把诱发石墨片的氧化的微粒催化剂涂覆在一个空心石墨片上，并在包含氧气的气氛中使微粒催化剂起作用以加工空心石墨片的形状。

<3>提供一种根据条目<2>的过程，其中催化剂是诱发石墨片的氧化的微粒金属，并且氧化步骤包括以下步骤：以比空心石墨片在缺少催化剂的情况下燃烧的温度低的温度加热催化剂。

<4>提供一种根据条目<3>的过程，进一步包括以下步骤：把微粒金属设置在空心石墨片的纵向中间位置，在设置微粒金属位置的附近氧化空心石墨片以切割空心石墨片。

<5>提供一种根据条目<4>的过程，其中把微粒金属固着到一个衬底上。

<6>提供一种根据条目<4>的过程，进一步包括以下步骤：除去微粒金属。

<7>提供一种根据条目<3>到<6>的任何一个的过程，其中微粒金属是微粒金。

<8>提供一种根据条目<3>到<6>的过程，其中微粒金属是微粒银、微粒铜和微粒铂之一。

<9>提供一种根据条目<3>的过程，其中空心石墨片是多壁碳纳米管，并且微粒金属是微粒铂。

<10>提供一种根据条目<3>的过程，进一步包括以下步骤：利用一个掩模把微粒金属设置在空心石墨片的纵向中间位置。

<11>提供一种电极结构，具有一对以一个间隙彼此相对设置的电极，其中该电极是一对空心石墨片，该对空心石墨片在其纵向连续设置，并且该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对。

<12>提供一种电极结构，具有一对以一个间隙彼此相对设置的电极，其中该电极是一对空心石墨片，该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对，微粒金属被设置在该间隙中，并且在微粒金属与该对空心石墨片的每个相邻端之间限定一个微小间隙。

<13>提供一种电极结构，包括一对以一个间隙彼此相对设置的电极，其中该电极是一对空心石墨片，该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对，微粒金属被设置在该间隙中，并且微粒金属与该对空心石墨片的相邻端之一彼此电连接。

<14>提供一种电极结构的生产过程，包括以下步骤：把微粒金属设置在空心石墨片的纵向中间位置，并在包含氧气的气氛中在该微粒金属位置的附近氧化该空心石墨片以便在该点切割空心石墨片，由此形成该电极结构。

<15>提供一种根据条目<14>的过程，进一步包括以下步骤：把微粒金属固着到一个衬底的表面上。

<16>提供一种根据条目<14>的过程，进一步包括以下步骤：除去微粒金属。

<17>提供一种根据条目<14>到<16>中任何一个的过程，其中微粒金属是微粒金。

<18>提供一种根据条目<14>到<16>中任何一个的过程，其中微粒金属是微粒银、微粒铜和微粒铂之一。

<19>提供一种器件，该器件包括一对以一个间隙彼此相对设置的电极和一个具有预定电气功能的功能元件，其中该电极是一对空心石墨片，该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对，一微粒金属被设置在该间隙中，在该微粒金属与该对空心石墨片的每个相邻端之间限定一个微小间隙，并且该功能元件连接到微粒金属以及该对空心石墨片的相邻端中的一个相邻端。

<20>提供一种器件，该器件包括一对以一个间隙彼此相对设置的电极和一个功能有机分子，其中该电极是一对空心石墨片，该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对，一微粒金属被设置在该间隙中，在该微粒金属与该对空心石墨片的每个相邻端之间限定一个微小间隙，并且有机功能分子被插入该微小间隙中。

<21>提供一种空心石墨片结构，该结构包括一个具有至少一层的管状石墨片和一个纵向区域，在该纵向区域中另一个具有至少一层的石墨片层叠在该石墨片上。

进一步参考上述说明，微粒金用作碳纳米管的一种非常有效的氧化催化剂。但是，E.Mizoguchi等并没有旨在加工碳纳米管，而只是要完全去除碳纳米管中的杂质和分散的金微粒。因此，一旦在氧化的加热步骤结束了一个邻近碳纳米管的分解，微粒金就移动到其他碳纳米管以依次分解它们。最终，所有碳纳米管被分解。并没有建议把这种方法应用到碳纳米管的加工。

但是，发明人发现，如果防止微粒金自由移动，使用固着到衬底上的微粒金使得有可能部分地分解碳纳米管，并因此在氧化的加热步骤切割碳纳米管。

某些诱发碳纳米管氧化的微粒材料不象上述微粒金在造成氧化的加热温度时那样表现出活性催化作用(大概是热能造成微粒移动)。在此情况下，氧化仅在微粒附近发生。因此，发现这种微粒材料可以用于加工碳纳米管。

换句话说，发明人发现诱发碳纳米管氧化的微粒催化剂的作用使得可能加工碳纳米管。这种作用的使用还使得可以提供一种新颖的碳纳米管，一种具有微小间隙的电极结构等等。

附图说明

图1是表示一个衬底的表面上形成的薄金属膜的示意性放大剖视图；

图2是表示一个衬底的表面上形成的微粒金属的示意性放大剖视图；

图3是表示一个衬底的表面上设置的微粒金属和碳纳米管(空心石墨片材料)的示意性放大剖视图；

图4是表示本发明的空心石墨片结构的示意性放大剖视图；

图5是表示一个衬底的表面上设置的碳纳米管(空心石墨片材料)的示意性放大剖视图；

图6是表示碳纳米管(空心石墨片材料)的表面上形成的微粒金属的示意性放大剖视图；

图7是表示本发明的另一个空心石墨片结构的示意性放大剖视图；

图8是表示一个衬底的表面上设置的碳纳米管(空心石墨片材料)的示意性放大剖视图；

图9是表示利用一个掩模进行的真空蒸镀步骤的示意性放大剖视图；

图10是表示具有一个直径减小区域的碳纳米管(空心石墨片结构)的示意性放大剖视图；

图11是表示进行构图真空淀积步骤的示意性放大剖视图；

图12是表示电极的设置的放大图；

图13是表示电极之间形成的微粒金属的放大图；

图14是表示本发明的电极结构的放大图；

图15是表示本发明的另一个电极结构的示意性放大剖视图；

图16是表示本发明的器件的结构的放大图；

图17是表示本发明的另一个器件的结构的放大图；

图18显示一个示例的碳纳米管结构(空心石墨片结构)；和

图19显示另一个示例的碳纳米管结构(空心石墨片结构)。

优选实施例的详细说明

下面将参考体现本发明实质的实施例对本发明进行进一步说明。

<第一实施例>

在本实施例中，将说明一种碳纳米管结构(空心石墨片结构)及其生产过程，该碳纳米管结构具有至少一对以连续形状设置的空心石墨片(碳纳米管)，其中该对空心石墨片的相邻端以一个间隙彼此相对。

图1到4是示意性表示根据本实施例的碳纳米管结构的生产过程的放大剖视图。图1表示如何在衬底10的表面上形成薄金属膜20，图2表示由薄金属膜20形成的微粒金属21，图3表示微粒金属21如何被碳纳米管30覆盖，图4表示通过切割碳纳米管30获得的碳纳米管结构。

首先，如图1所示，在衬底表面上进行溅射以在其上形成薄金属膜20。可以利用溅射以外的任何已知的薄膜形成方法(例如真空蒸镀和CVD)来完成薄金属膜20的形成。

薄金属膜20所使用的金属没有特别限定，只要是当金属膜20形成微粒时，微粒金属在氧气气氛中诱发碳纳米管30上的氧化作用即可。可以使用金属以外的其他材料。在本发明中，优选使用金、银、铂和铜。另外，可以使用这些金属的合金。另选地，这些微粒金属可以是树脂等中的分散物的形式。

当使用一个具有很少的金属原子陷阱(trap)的玻璃衬底作为衬底10时，在用于后面描述的微粒化(globurization)的加热(预处理)后微粒金属21的分布可以是均匀的。反之，可以使用一个具有陷阱的衬底，从而特意提供具有规则性的凝聚地点。

此处使用的使用“陷阱”是指金属原子所固定的并且甚至在加热时难以移动的地点，例如，晶体表面上的微小凹陷，具有金属原子易于聚集的相对低能级的地点。

薄金属膜20的厚度最好足够小以在衬底的表面上形成不连续的膜，从而使薄金属膜20以微粒金属的形式起到催化作用。具体地说，其厚度最好是1到100nm。特别是，当实施下面所述的微粒化(预处理)时，薄金属膜20的厚度最好是5到30nm。

随后，如图2所示，把薄金属膜20加热到一个接近金属的熔点的温度(预处理)。在该处理期间，金属和衬底10之间的表面能量差和由加热引起的金属原子(凝聚材料)的移动造成薄金属膜20在衬底10的表面上凝聚成微粒金属21。

例如金之类的金属甚至在氧气气氛中加热时也通常处于非活性状态，但是在成为微粒时在低于其熔点的加热温度就被激活。因此，通过上述预处理进行的金属微粒化不仅对于在一个微小的点切割碳纳米管来说是重要的，而且对于获得氧化反应的活性点来说也是重要的。

在金属原子形成微粒时，例如金之类的金属被固着到衬底10的表面。此处使用的术语“固着”是指甚至在后面所述的碳纳米管被加热到氧化温度时，微粒金属21也不移动。具体地说，在热处理之前或期间微粒金属21较小并且是几乎球形的情况下，微粒金属21在热处理期间可以容易地沿着衬底10的表面移动，这是因为微粒金属21与衬底10具有较小的接触面积。但是，当微粒金属21的尺寸有些增加或者具有几乎半球形形状时，它与衬底10的接触面积增大，因此甚至在加热期间也不沿着衬底10的表面移动。因此，此处使用的术语“固着”就是指上述状态。

如前所述，根据本发明，利用微粒金属21的氧化作用切割包括碳纳米管的空心石墨片材料。因此，需要预处理某些金属，以使这些金属的微粒被固着到衬底10的表面。

微粒金属21的粒径优选是10nm到5μm，更优选是50nm到1μm。当微粒金属21的粒径低于10nm时，微粒金属21不能与碳纳米管30接触，使得不可能具有充足的氧化作用或不可能使微粒金属21牢固地固着到衬底10上。反之，当微粒金属21的粒径超过5μm时，微粒金属21具有变差的催化活性。

如果金属原子甚至在不经受热处理时已经凝聚成衬底10表面上的微粒，那么不需要实施上述热处理。用于在衬底10表面上直接形成微粒金属的过程不受特定限制。但是，所得到的微粒金属几乎是薄膜形式或者具有较大粒径是不希望出现的。所得到的微粒金属最好具有10nm到5μm的粒径。

金属微粒21之间的距离可以依据后面描述的加工的目的来控制。但是，在金属微粒21之间的距离低于10nm的情况下，不能正确地相对于一个微粒金属21设置一个具有通常使用的常规长度的碳纳米管30。反之，在微粒金属21之间的距离超过5μm的情况下，会有很多碳纳米管30不与金属微粒21接触，偶尔会使得不可能有效地加工碳纳米管30。

金属微粒21之间的距离(金属微粒21在衬底10表面上的分布)可以由薄金属膜20的厚度、预处理步骤中的加热温度(还包括金属或衬底10的种类)等等来控制。例如，即使薄金属膜20由等量的相同种类的金属形成，也可以提高预处理步骤中的加热温度以提高微粒金属21的粒径以及金属微粒之间的距离。反之，可以降低预处理温度以降低微粒金属21的粒径以及金属微粒之间的距离。

随后，如图3所示，把有机溶剂中的碳纳米管30分散物喷射到已经形成了微粒金属21的衬底表面上，使得碳纳米管30被设置为覆盖微粒金属21。在此情况下，有必要在至少一个点切断碳纳米管30与微粒金属21的接触。不被切割的碳纳米管可以存在于衬底10的表面上。

本实施例中使用的碳纳米管30可以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

碳纳米管30的长度优选是10nm到100μm，更优选是20nm到10μm。当碳纳米管30的长度低于10nm时，它还是短于微粒金属21的粒径，因此如后所述在受到微粒金属21的氧化时会完全消失。反之，当碳纳米管30的长度超过100μm时，碳纳米管偶尔会相互牵连，因此变得难以处理。

碳纳米管30的直径最好是1到100nm。当碳纳米管30的直径低于1nm时，所得到的碳纳米管结构过于薄弱而难以保持结构的形状。反之，当碳纳米管30的直径超过100nm时，在本实施例中将难以切割所得到的碳纳米管。

作为有机溶剂，优选使用乙醇、异丙醇、四氢呋喃等等。碳纳米管30在有机溶剂中的分散浓度优选是0.1到1％(按重量)，因为碳纳米管30可以被均匀地设置在衬底10的表面上。

在制备碳纳米管30的分散物时，可以添加表面活性剂以使有机溶剂中碳纳米管30的分散物均匀。但是，由于这种表面活性剂的使用会影响微粒金属21在衬底10上的粘合力，表面活性剂最好在一个比碳纳米管30经受催化剂氧化时的温度低的温度分解。此处可采用的表面活性剂的特定例子包括十二烷基硫酸钠，氯化苄烷铵等等。

涂覆方法不限于喷涂。如果使用分散物，可以实施旋涂或浸渍。另选地，可以把粉状的碳纳米管30直接附着到衬底10的表面。

对于设置覆盖微粒材料21的碳纳米管30的过程，可以把一个碳纳米管30设置在一个金属微粒21上。在此情况下，在一个扫描探头显微镜(scanningprobe microscope)(SPM)下，其上形成有金属微粒21的衬底10被观察为一个样本衬底，而碳纳米管作为探头。在这些条件下，可以移动碳纳米管30以覆盖金属微粒21。

随后，使被如此喷射的衬底10经受溶剂的蒸镀。在包含氧气的气氛中把其上设置有金属微粒21和碳纳米管30的衬底10完全加热到一个温度，诱发作为催化剂的微粒金属21对碳纳米管30的氧化(加热步骤)。

该加热温度需要低于碳纳米管30在缺少催化剂时燃烧的温度。当加热温度不低于碳纳米管30的燃烧温度时，碳纳米管30会完全烧光。

具体地说，在本实施例中切割碳纳米管30时的加热温度最好是T0到T0+200℃，假设T0是碳纳米管30在存在催化剂时的燃烧开始温度。

氧化的诱发机制是未知的。氧化需要氧在微粒金属21的表面离解。因此认为，氧化开始时，微粒金属21在其表面上有些熔化并保持为有活性的。因此，加热温度最好不低于微粒金属所使用的金属开始熔化的温度。但是，随着微粒金属21的粒径的减小，微粒金属21更多地受到热的影响。因此，加热温度最好被预先确定得较低。

在诱发氧化以切割碳纳米管30的包含氧气的气氛中的氧气浓度最好不低于0.1％。但是，氧化可以在普通气氛中被充分地诱发。这可以应用于下面描述的包含氧气的气氛。

如E.Mizoguchi等在“Chem.Phys.Lett.”，321，p.297-301(2000)中所述，当薄金属膜20由金构成时，如果金属微粒不固着到衬底10上，则金属微粒在加热期间沿着衬底10的表面移动，造成碳纳米管30的完全分解和消失。因此，为了使用金作为金属来加工碳纳米管30，最好把微粒金属固着到衬底10，使得只能在微粒金属附近的区域切割碳纳米管30。

图4表示由通过如此切割碳纳米管30获得的碳纳米管31a和31b构成的碳纳米管结构的概念。此处使用的术语“切割”是指当微粒金属21氧化石墨片时，碳纳米管30在微粒金属21的附近部分地消失以形成一个间隙。

可以通过选择微粒催化剂的大小来控制该结构中的该对碳纳米管31a，31b的相邻端之间的间隙。因此，与重新设置两个以机械方式切割的碳纳米管相比，可以以更高的精度把两个碳纳米管设置为彼此相对。

设置在该对碳纳米管31之间的微粒金属21与一个相邻碳纳米管的端部31之间的间隙(微小间隙)是0.1到50nm，因为认为反应是在该切割造成了金属微粒之间形成间隙时结束。

随后，把图4中显示的具有固着到衬底10的碳纳米管31a，31b的碳纳米管完全浸渍到一个用于溶解微粒金属21的溶剂中(在微粒金的情况下是王水)，以除去微粒金属21，使得可以获得一个在该对碳纳米管31的相邻端之间没有微粒金属的碳纳米管结构。

因此，上述过程不仅可以应用于碳纳米管也可以应用于其他空心石墨片材料。因此，本发明可以提供一种空心石墨片结构，其具有至少一对以连续形状设置的空心石墨片，其中该对空心石墨片的相邻端以一个间隙彼此相对。

通过把超声波施加到浸渍到溶剂(例如乙醇)中的碳纳米管使得碳纳米管从衬底10上脱离，然后除去溶剂，就可以提取出如此切割的上述碳纳米管。当发现金属微粒21均匀地分布在衬底10的表面上时，这意味着如此获得的碳纳米管具有与金属微粒21之间的平均间隙相应的均匀长度。

<第二实施例>

在第一实施例中，其上形成有薄金属膜20的衬底10受到加热(预处理)，使得金属被微粒化。但是，根据所使用的金属或要与之结合的衬底10的种类，微粒金属21在一个接近于发生催化作用的碳纳米管燃烧温度的温度几乎不沿着衬底10的表面移动。例如，当在形成薄金属膜20的条件下微粒金属21的直径急剧增加时，微粒金属21甚至在碳纳米管30被催化剂的作用氧化时的温度也不能移动。在使用一个很容易俘获金属原子的衬底10的情况下，微粒金属21在碳纳米管30被氧化的温度附近不能逃脱该俘获。

因此，在使用一个不能移动的金属作为微粒金属或者使用一个很容易俘获金属原子的衬底的情况下，可以在形成薄金属膜之前把碳纳米管30涂覆到衬底10的表面。

在本实施例中，将对由上述过程获得的包括一对以一个间隙彼此相对的碳纳米管的碳纳米管结构进行说明。

图5到7是示意性表示根据本实施例的碳纳米管结构生产过程的放大剖视图。图5表示如何把碳纳米管30设置到衬底10的表面上，图6表示如何在碳纳米管30的表面上形成微粒金属21，图7表示通过切割碳纳米管30获得的碳纳米管结构。

首先，如图5所示，把与第一实施例中使用的相同的有机溶剂中的碳纳米管30的分散物喷射到衬底10的表面，使得碳纳米管30被设置在衬底10的表面上。

使用的碳纳米管30的优选长度和直径与第一实施例中的相同。所使用的有机溶剂，浓度和涂覆方法可以与第一实施例相同。

有机溶剂中可以包括有机聚合物，该有机聚合物作为粘结剂(binder)来防止碳纳米管30在有机溶剂蒸发后散开。粘结剂最好在一个比催化剂氧化碳纳米管30的石墨片的温度低的温度分解。例如，可以使用乙烯基聚合物，丙烯酸聚合物，聚氨酯等等。

随后，在衬底10的表面上进行溅射以在其上形成薄金属膜。然后在真空中把衬底10加热到金属的熔点附近。以此方式，如图6所示，可以形成微粒金属21或分解粘结剂，而不造成碳纳米管30被作为催化剂的微粒金属21氧化。

薄金属膜的优选厚度，微粒金属21的粒径，和金属微粒21之间的间隙与第一实施例相同。

如前所述，微粒金很容易在加热期间(不包括固着到衬底10表面的期间)移动，因此不是所希望的用于形成薄金属膜的金属。因此，本实施例中所使用的金属最好是银，铜或铂，而不是金。

但是，在微粒金属21的熔点或粘结剂的分解温度高于碳纳米管30在真空中的稳定上限的情况下，不能采用该过程。因此，在此情况下可以省略该加热过程。

随后，把衬底10移到一个包含氧气的气氛中，然后在其中把它加热到一个诱发微粒金属21对碳纳米管30的氧化的温度。甚至在此状态下，图6中的微粒金属21也不沿着碳纳米管30的表面移动并氧化整个碳纳米管30。因此，石墨片在其与微粒金属21接触的地点附近的区域中逐渐经受氧化并消息。此时，碳纳米管30如图7所示被切割。因此，形成了由如此分离的碳纳米管31a，31b构成的碳纳米管。

如图7所示最终获得的碳纳米管结构具有与图4所示相同的中间切割点。根据本实施例，与第一实施例一样，可以获得一个具有至少一对以连续形状设置的空心石墨片的空心石墨片结构，其中该对空心石墨片的相邻端以一个间隙彼此相对。

根据本实施例的过程，另一方面，当使用很容易在催化剂(例如金)起作用的温度附近移动的微粒金属21时，碳纳米管30被完全氧化，使得不可能加工碳纳米管30。在此情况下，需要进行设计以禁止微粒催化剂的移动，例如，通过选择容易俘获金属原子的衬底和提高微粒金属21的粒径。

以此方式，即使微粒金属21从碳纳米管30的表面移动，当微粒金属21到达衬底10的表面时它也会被固着到衬底10上。因此，与第一实施例相同，碳纳米管30在它与微粒金属21接触的地点附近的区域中被氧化和切割。

对于微粒金属21的粒径的提高，如果使用具有很少陷阱的玻璃作为衬底10，微粒金属的粒径可以不小于100nm以允许微粒金属被固着到衬底10的表面。

<第三实施例>

下面将对一种与第一和第二实施例不同的新颖碳纳米管结构及其生产过程进行说明，该碳纳米管结构是通过在纵向中间点减小连续碳纳米管的厚度获得的。

由该生产过程获得的碳纳米管结构是一个空心石墨片结构，该结构包括一个具有至少一层的管状石墨片和一个纵向区域，在该纵向区域中另一个具有至少一层的石墨片层叠在该石墨片上。

图8到11是示意性表示根据本实施例的碳纳米管结构的生产过程的放大剖视图。图8表示如何把碳纳米管30设置在衬底10的表面上，图9表示如何利用一个掩模40把金属真空蒸镀到碳纳米管30上，图10表示在除了被掩蔽部分以外的碳纳米管30区域中厚度被减小的碳纳米管结构，图11表示如何利用一个构图掩模41把金属真空蒸镀到碳纳米管30上。

首先，如图8所示，与第二实施例相同，把有机溶剂中的碳纳米管30分散物喷射到衬底10的表面，使得碳纳米管30被设置在衬底10的表面上。

在此情况下，为了减小一个纵向部分中碳纳米管30的直径，需要碳纳米管30是一个多壁碳纳米管。这是因为如果使用一个单壁碳纳米管，与第一或第二实施例相同，它会在微粒铂所附着的地点分解，只能提供切断的碳纳米管。

考虑到上述说明，本实施例中使用的碳纳米管30的长度优选是10nm到100μm，更优选是20nm到10μm。当碳纳米管30的长度低于20nm时，会使得难以沿着纵向减小碳纳米管30的直径。反之，当碳纳米管30的长度超过10μm时，碳纳米管会相互牵连，使得难以加工碳纳米管30。

需要依据加工目的选择碳纳米管30的直径。但是，当碳纳米管30的直径低于10nm时，可以利用如上所述的氧化来切割碳纳米管30。

构成碳纳米管30的石墨片层的数量是几个到几十个。但是，本实施例中使用的碳纳米管30的层数不限于这个范围。

随后，如图9所示，利用掩模40遮盖预定区域A在碳纳米管30上进行溅射，以在碳纳米管30除了预定区域A以外的区域B上形成薄金属膜。在图9中，箭头表示由氩离子等等溅射的金属原子和分子的移动。金属和分子不到达被掩模40掩蔽的碳纳米管30的区域A。

此后，在本实施例中，在一个包含氧气的气氛中在一个加热步骤把碳纳米管30氧化，而无需经过金属微粒化步骤(预处理步骤)。

作为薄金属膜中使用的金属，使用一种最好能诱发碳纳米管30的氧化朝其中心(垂直方向)进行的催化剂。作为上述催化剂，最好使用微粒铂。换句话说，即使被真空蒸镀成一个薄膜，微粒铂在催化作用下发生的氧化的温度附近也几乎不移动和凝聚。因此认为，微粒铂在加热步骤垂直地氧化和刻蚀微粒铂附近存在的碳纳米管。因此，通过真空蒸镀如上所述掩蔽的碳纳米管30，可以获得如图10所示的在存在微粒铂的区域B具有减小直径的碳纳米管32(碳纳米管结构)。

为了生产根据本实施例的碳纳米管结构，可以如上所述使用一个掩模在预定区域上形成薄铂膜。另选地，可以仅把微粒铂附着到层叠在一个衬底的表面上的多个碳纳米管层的表面上，使得它被氧化以减小仅在其表面附近部分处的碳纳米管的直径，从而提供碳纳米管结构。

微粒铂对其他微粒金属的特异性是未知的。但是，认为铂具有比其他金属高得多的熔点，因此很难在碳纳米管30的氧化温度熔化和凝聚，造成氧化反应的发生而优先于发生铂的凝聚。

如上所述，在本实施例中，需要溅射铂以进行微粒化。因此，如此溅射得到的薄金属膜的厚度最好是1到10nm，如此形成的微粒铂的粒径最好是0.1到5nm。

在本实施例中碳纳米管30的直径减小的加热步骤中，加热温度最好是T0到T0+200℃，假设T0是在存在催化剂的情况下碳纳米管30的燃烧开始温度。

在本实施例中，如图11所示，可以通过一个以希望方式构图的掩模41把微粒铂附着到碳纳米管30，以获得具有变化直径的碳纳米管结构或者根据图形的线之间的距离C切割的碳纳米管结构。在图11中，箭头与图9一样表示溅射的金属原子和分子的移动。

<第四实施例>

在本实施例中，将对一个具有微小间隙的电极结构，一个包括一对以一个间隙彼此相对的电极的电极结构，及其生产过程的示例进行说明。

图12到14是示意性表示根据本实施例的电极结构的生产过程的放大图。图12表示电极50，50’的设置，图13表示如何在电极50，50’之间形成金属微粒21，图14表示一个具有微小间隙的电极结构。

首先，如图12所示，在衬底10的表面上形成电极50，50’作为连接到外部的端子。考虑到在电极结构的形成中使用的碳纳米管的长度，电极50，50’之间的距离最好是10nm到20μm。随后，在衬底10的表面上溅射对碳纳米管有氧化催化作用的金属，该金属的厚度较小。然后把衬底10加热到金属的熔点附近以形成如图13所示的金属微粒21。在冷却时，这些金属微粒21被固着到衬底10的表面。

金属微粒21的粒径和金属微粒21之间的距离需要预先确定，使得在把后面描述的碳纳米管设置在电极50之间时，它们至少在一个点与至少一个金属微粒21接触。从这个观点来看，金属微粒21的粒径最好是10nm到1μm。微粒之间的距离最好是10nm到5μm。

随后，把碳纳米管设置在电极50，50’之间。为了在电极50，50’之间设置碳纳米管，可以把碳纳米管粉附着到衬底10的表面，从而随机地设置碳纳米管。最终，可以利用电连接到电极50，50’的碳纳米管。另选地，如前所述，当使用碳纳米管作为探头在SPM下观察时，可以把碳纳米管设置在电极50，50’之间。但是，考虑到生产率，前一种过程较为有效。

本实施例中使用的碳纳米管的优选直径和长度与第一实施例中相同。

随后，在包含氧气的气氛中把衬底10加热到微粒金属21诱发碳纳米管氧化的温度。碳纳米管经受氧化分解，在与微粒金属21的接触部分消失。同时，在微粒金属21侧被如此分离的碳纳米管31a和31b的端部与微粒金属21之间形成一个间隙，该间隙与微粒金属21的大小相比非常小。

如图14所示，在一个碳纳米管被在两个或更多个点(不限于一个点)切割以得到段31c，31d和31e的情况下，可以在多个点形成这种微小间隙。

因此，在所获得的电极结构中，在一对碳纳米管的相邻端之间设置有一个微粒金属，并且在该对碳纳米管的每一个相邻端与微粒金属之间设置有一个微小间隙。

可以通过选择微粒催化剂的大小来控制电极结构中该对碳纳米管的相邻端之间的间隙。

与前面的说明相同，在设置在该对碳纳米管的相邻端之间的微粒金属21与一个相邻碳纳米管31的端部31之间的微小间隙是0.1到50nm。

随后，把如图14所示具有如此切割的固着到衬底10表面的碳纳米管的电极结构完全浸渍到一个用于溶解微粒金属21的溶剂中(在微粒金的情况下是王水)，以除去微粒金属21，使得可以获得在该对碳纳米管的相邻端之间没有微粒金属的电极结构。

因此，上述过程不仅可以应用于碳纳米管也可以应用于其他空心石墨片材料。因此，本发明可以提供一种具有一对以一个间隙彼此相对设置的电极的电极结构，其中该电极是一对空心石墨片，该对空心石墨片以连续形状设置，该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对。同时，可以获得一个电极结构，该电极结构在该间隙中设置有微粒金属，在微粒金属与该对空心石墨片材料的每个相邻端之间有微小间隙。

<第五实施例>

在本实施例中，将对一个电极结构的示例及其生产过程进行说明，该电极结构在一对碳纳米管的相邻端之间设置一微粒金属，其中该微粒金属电连接到该对碳纳米管的一个端部。

此处使用的术语“电连接”主要是指两个材料彼此物理地接触或连接以导通。例如，这包括空间中电子的飞行所导致的电连接。

上述电极结构可以由以下的两个过程中的任何一个产生。

其中一个过程涉及使用一个在一对碳纳米管的相邻端之间设置有微粒金属的电极结构，其中与第四实施例中一样在微粒金属与该对碳纳米管的每个相邻端之间有一个微小间隙，由此利用一种连接方式把微粒金属与该对碳纳米管的一个相邻端彼此连接。这种连接方式的例子包括使用一个导电纳米管把微粒金属连接到该对碳纳米管的一个相邻端。可以仅通过允许该纳米管与微粒金属和碳纳米管的一个相邻端接触或者通过化学地结合它们来完成该连接。但是，上述连接方式不限于此。

另一个过程涉及第四实施例中微粒金属的形成和碳纳米管的切割的特定使用。换句话说，在第四实施例的碳纳米管切割之后在微粒金属与该对碳纳米管的每个相邻端之间不形成微小间隙。在切割后，该对碳纳米管的一个相邻端与微粒金属保持接触。

图15是示意性表示上述状态的放大图。在图15中，31f和31g表示被微粒金属21氧化和切割的碳纳米管。碳纳米管31g完全与微粒金属21分离以形成一个微小间隙，而碳纳米管31f在切割后保持与微粒金属21的接触和电连接。因此，该状态最终类似于通过利用连接单元把微粒金属21连接到靠近它的碳纳米管的一个端部所形成的状态。

为了形成该状态，微粒金属21最好具有大于一个特定值的粒径。换句话说，当微粒金属21较大时，它在增加的点数和增加的面积与未切割的碳纳米管接触。因此，在切割后，更可能发生图15所示的状态。还认为，微粒金属21的粒径越大，催化剂活性的减小越少。

<第六实施例>

在本实施例中，将对一个利用第四实施例中获得的电极结构的器件进行说明，该电极结构在微粒金属与一对碳纳米管的每个相邻端之间有一个微小间隙。

根据第四实施例的包括一对在其间具有微小间隙的碳纳米管的电极结构在制备纳米级电子器件时非常有用。换句话说，为了制备纳米级高集成器件，需要减小布线宽度和长度，并减小诸如电阻器和电容器之类的基本功能元件和具有存储能力的其他高性能功能元件的尺寸。这当然需要减小尺寸被减小的功能元件的电端子之间的距离。因此，为了把用于提供电源的端子连接到功能元件，需要一个具有微小间隙的电极结构。微小间隙越小，可以连接的功能元件的尺寸越小。

图16是示意性表示根据本实施例的器件的结构的放大图。在图16中，功能元件60连接到碳纳米管31a(即所分离的一个碳纳米管)的端部和以一个微小间隙与碳纳米管31a的端部相对设置的微粒金属21。通过把电极50和微粒金属21连接到外部，提供一个具有上述结构的器件。

通过把具有作为电极的一对具有微小间隙的碳纳米管的上述电极结构连接到上述功能元件实现的根据本实施例的器件相对于常规硅器件具有很多优点，由于器件中作为电极的碳纳米管是柔软的，功能元件相对于其尺寸可以有一定的连接自由度，该器件是一个具有比光刻分辨率小的直径的碳纳米管电极，并且可以使用化学结合(chemical bonding)来进行连接。利用这些优点，可以对具有不大于5nm的分子大小的功能元件进行直接访问。因此，本发明的电极结构的使用使得很容易以低成本生产高密度大规模电子集成电路。

通过把一个包括把碳纳米管表面上的石墨片改性获得的纳米线的纳米网络设计为一个用于分子电子学的功能元件并把该功能元件连接到以一个微小间隙彼此相对设置的碳纳米管的端部和微粒金属，可以实现分子开关，分子存储器，分子处理器等等。

<第七实施例>

在本实施例中，将对使用第四实施例中获得的电极结构的另一个器件进行说明，该电极结构在微粒金属与一对碳纳米管的每个相邻端之间有一个微小间隙。该器件是一个通过把一个功能有机分子插入以微小间隙彼此相对设置的碳纳米管的端部与微粒金属之间的微小间隙获得的器件。

图17是根据本实施例的器件的结构的放大图。在图17中，把功能有机分子61设置在碳纳米管31a(即所分离的一个碳纳米管)的端部与一个以微小间隙相对于碳纳米管31a的端部设置的微粒金属21之间。通过把电极50和微粒金属21连接到外部，提供一个具有上述结构的器件。

上述功能有机分子的示例包括离子，晶体，微粒，聚合物，和从活体提取的分子和组织。这些功能有机分子的性质是绝缘性，导电性，半导电性(同时包括半导电性和电阻二者的概念)，光吸收，光发射性，显色性，收缩和膨胀性，电产生性，和光电性。可以使用这些性质随温度、湿度和环境气体改变的材料。

功能有机分子可以是一个具有设计功能的物质，例如功能聚合物和功能微粒材料。近年来，已经发现很多聚合物和微粒材料具有半导体性质。使用这些材料使得可以提供一个具有切换功能或存储功能的器件。

特别是，希望使用一个具有不均匀分布的电荷的分子作为功能有机分子。这种分子的例子包括：具有相组合的分子的电荷贡献性质(charge-donatingproperty)和分子的电荷接受性质(charge-accepting property)的分子，具有与分子的电荷贡献或电荷接受性质组合的对称分子的分子，重复上述分子形成的大分子，和具有由这些分子的聚合提供的功能的分子聚合体。可以由电子亲和性或电离电位的值定义电荷贡献性质和电荷接受性质。

此外，可以使用诸如DNA和胶原的生物分子或模仿活体的人造分子，使得可以添加类似于活体功能的功能。

对于把这种功能有机分子插入微小间隙的过程，如果使用功能聚合物，可以把它以分子级或聚合体的形式设置在微小间隙中。另选地，可以把这种功能聚合物的反应端子化学结合到碳纳米管的端部和/或微粒金属。此外，可以把如此插入的功能有机分子电连接到微粒金属和/或碳纳米管的相邻端。

因此，根据第六和第七实施例，可以制备一种利用本发明的电极结构的器件，该电极结构在微粒金属与一对碳纳米管的每个相邻端之间有一个微小间隙。

在第四实施例中的电极结构在间隙中没有微粒金属，并且包括以连续形状设置的碳纳米管，其中碳纳米管的端部彼此相对，可以把这种电极结构用作上述器件的电极结构，尽管具有一个增大的间隙。

与第六和第七实施例相同，上述过程不仅可以应用于碳纳米管而且可以应用于其他空心石墨片材料。通过在空心石墨片材料的端部与微粒金属之间形成有一个微小间隙的情况下连接一个功能元件或者把一个功能有机分子插入微小间隙中，可以形成具有功能元件和功能有机分子的各种功能的器件。

已经参照七个实施例对本发明进行了说明。第一到第七实施例是参照使用碳纳米管的情况进行说明的。在使用其他空心石墨片材料(例如碳纳米角，碳纳米珠和碳纳米线圈)的情况下，上述实施例在长度，直径等方面同样适用。可以通过上述相同过程完成这些空心石墨片材料的生产。

在以下示例中将对本发明进行进一步说明。

<示例1>

(步骤1)

在氩气氛中利用来自一个金板的金对一个玻璃衬底的表面进行溅射，以在其上形成厚度为3nm的均匀膜。

(步骤2)

在马弗炉(muffle furnace)内把已经形成有薄金膜的玻璃衬底(步骤1)加热到550℃持续2小时，以在其上形成平均直径200nm、平均微粒间距离500nm的金属微粒(预处理步骤)。

(步骤3)

把0.02g多壁碳纳米管(纯度：90-95％，平均长度：3μm；平均直径：30nm)添加到20g四氢呋喃中。然后利用一个超声波分散机以3W的输出把该混合物完全分散，以制备一个碳纳米管分散物。

(步骤4)

通过一个滴管把几滴所制备的分散物(步骤3)滴到玻璃衬底的具有金微粒(步骤2)的一侧。然后蒸镀四氢呋喃，以使得碳纳米管均匀地设置在衬底的表面上。

(步骤5)

在一个马弗炉中把制备的衬底(步骤4)加热到400℃持续2小时，以在微粒金与碳纳米管彼此接触的地点切割碳纳米管(加热步骤)。图18显示如此获得的碳纳米管结构(放大倍数：×50,000)。由于放大的原故，图中的放大倍数有一定误差(图19也是如此)。

在图18中，白色微粒是金微粒，带状材料是碳纳米管。从图18可以看出，碳纳米管在连续形状的碳纳米管的中间点处微粒金存在的地点被切割。最终，已经形成了一种碳纳米管结构，其中一对碳纳米管的相邻端以一个间隙彼此相对。

<示例2>

(步骤1)

把0.02g多壁碳纳米管(纯度：90-95％，平均长度：3μm；平均直径：30nm)添加到20g四氢呋喃中。然后利用一个具有3W输出的超声波把该混合物完全分散，以获得一个碳纳米管分散物。

(步骤2)

把几滴所制备的分散物(步骤1)滴到玻璃衬底的表面。然后蒸镀溶剂，以使得碳纳米管均匀地设置在衬底的表面上。

(步骤3)

在一个氩气氛中利用来自一个铂板的铂对其上设置有碳纳米管(步骤2)的衬底表面进行溅射，以在其上形成厚度为3nm的均匀薄铂膜。

(步骤4)

在一个马弗炉中把其上形成了薄铂膜的衬底(步骤3)加热到400℃持续2小时(加热步骤)。图19显示如此获得的碳纳米管结构(放大倍数：×30,000)。

在图19中，精细的分支状材料是直径已经被氧化减小的碳纳米管，带状材料是未氧化的碳纳米管。从图17可以看出，在已经真空淀积了铂微粒的表面附近的区域中碳纳米管的直径减小，但是在其上未真空淀积铂微粒的碳纳米管层的内部(玻璃衬底附近)碳纳米管的直径不减小。

从上述说明可以看出，当利用设置的铂作为微粒催化剂氧化多壁碳纳米管时，可以仅在设置铂微粒的区域减小碳纳米管的直径。因此，通过利用一个希望的掩模真空蒸镀铂，可以获得一种碳纳米管结构，该碳纳米管结构的纵向区域具有不同层叠数量的石墨片(局部不同的直径)。

根据本发明，可以加工包括碳纳米管的空心石墨片材料而不会损害其性质。如此获得的空心石墨片结构可以用于各种目的。

此外，使用以类似方式获得的本发明的电极结构可以制备更精细的高度集成器件。

Claims (21)

1.一种空心石墨片结构，包括至少一对在空心石墨片的纵向连续设置的空心石墨片，

并且该对空心石墨片的相邻端以一个间隙彼此相对。

2.一种空心石墨片结构的生产过程，包括以下步骤：

把诱发石墨片的氧化的微粒催化剂涂覆在一个空心石墨片上；和

在包含氧气的气氛中使微粒催化剂起作用以加工空心石墨片的形状。

3.根据权利要求2所述的过程，

其中催化剂是诱发石墨片的氧化的微粒金属；和

其中氧化步骤包括以下步骤：以比空心石墨片在缺少催化剂的情况下燃烧的温度低的温度加热催化剂。

4.根据权利要求3所述的过程，进一步包括以下步骤：

把微粒金属设置在空心石墨片的纵向中间位置；

在设置微粒金属位置的附近氧化空心石墨片以切割空心石墨片。

5.根据权利要求4所述的过程，其中把微粒金属固着到一个衬底上。

6.根据权利要求4所述的过程，进一步包括以下步骤：除去微粒金属。

7.根据权利要求3所述的过程，其中微粒金属是微粒金。

8.根据权利要求3所述的过程，其中微粒金属是微粒银，微粒铜和微粒铂之一。

9.根据权利要求3所述的过程，

其中空心石墨片是多壁碳纳米管；和

其中微粒金属是微粒铂。

10.根据权利要求3所述的过程，进一步包括以下步骤：利用一个掩模把微粒金属设置在空心石墨片的纵向中间位置。

11.一种电极结构，包括：

一对以一个间隙彼此相对设置的电极，

其中该电极是一对空心石墨片；

其中该对空心石墨片在其纵向连续设置；和

其中该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对。

12.一种电极结构，包括：

一对以一个间隙彼此相对设置的电极，

其中该电极是一对空心石墨片；

其中该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对；

其中微粒金属被设置在该间隙中；和

在微粒金属与该对空心石墨片的每个相邻端之间限定一个微小间隙。

13.一种电极结构，包括：

一对以一个间隙彼此相对设置的电极，

其中该电极是一对空心石墨片；

其中该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对；

其中微粒金属被设置在该间隙中；和

其中微粒金属与该对空心石墨片的相邻端之一彼此电连接。

14.一种电极结构的生产过程，包括以下步骤：

把微粒金属设置在空心石墨片的纵向中间位置；和

在包含氧气的气氛中在该微粒金属位置的附近氧化该空心石墨片以便在该点切割空心石墨片，从而形成该电极结构。

15.根据权利要求14所述的过程，进一步包括以下步骤：把微粒金属固着到一个衬底的表面。

16.根据权利要求14所述的过程，进一步包括以下步骤：除去微粒金属。

17.根据权利要求14所述的过程，其中微粒金属是微粒金。

18.根据权利要求14所述的过程，其中微粒金属是微粒银，微粒铜和微粒铂之一。

19.一种器件，包括：

一对以一个间隙彼此相对设置的电极；和

一个具有预定电功能的功能元件，

其中该电极是一对空心石墨片；

其中该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对；

其中一微粒金属被设置在该间隙中；

其中在微粒金属与该对空心石墨片的每个相邻端之间限定一个微小间隙；和

其中该功能元件连接到微粒金属以及该对空心石墨片的相邻端中的一个相邻端。

20.一种器件，包括：

一对以一个间隙彼此相对设置的电极；和

一个功能有机分子，

其中该电极是一对空心石墨片；

其中该对空心石墨片的相邻端以该间隙彼此相对；

其中一微粒金属被设置在该间隙中；

其中在该微粒金属与该对空心石墨片的每个相邻端之间限定一个微小间隙；和

该有机功能分子被插入该微小间隙中。

21.一种空心石墨片结构，包括：

一个具有至少一层的管状石墨片；和

一个纵向区域，在该纵向区域中另一个具有至少一层的石墨片层叠在该石墨片上。

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