CN1819970A - 碳纳米管制造装置和碳纳米管制造方法 - Google Patents

碳纳米管制造装置和碳纳米管制造方法 Download PDF

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Abstract

在碳纳米管制造装置(1000、2000、3000)中具有：使含碳化合物气化气体离化的离化装置(例如，负离子发生器10)，产生电场的电场发生装置(例如，直流电源21、阳极电极22和阴极电极23)以及加热在用电场发生装置产生的电场内配置的生长衬底(50、55)的加热装置(例如，高频加热器30)，碳纳米管制造方法采用了通过使离化后的含碳化合物气化气体经过电场内而加热了的生长衬底接触，在生长衬底上取向生长碳纳米管(4)。

Description

碳纳米管制造装置和碳纳米管制造方法
技术领域
本发明涉及碳纳米管制造装置和碳纳米管制造方法。
背景技术
近年来，碳纳米管作为FED(Field Emission Display：场发射显示器)电极、电容器电极、电池电极等各种电极材料以及吸藏氢气功能材料等而受到很大关注。
特别是，在导电性衬底上竖立配置碳纳米管时，碳纳米管由于其直径极其之小，所以随着外加电场而使电场集中于其顶端，电子被拉到碳纳米管的顶端部，容易从该顶端部发射电子。进而，如果导电性衬底的电阻很小，就容易供应随发射而造成缺少的电子并增加电子发射量，电子发射将容易持续进行。
现在，就在衬底上边垂直地取向生长碳纳米管的方法来说，大家都知道通过将表面上蒸镀了铁系催化剂的硅衬底浸渍到甲醇、乙醇等醇溶液内的状态下加热，析出生长高取向性碳纳米管的方法(例如，参照专利文献特开2003-12312号公报)。
可是，上述专利文献的情况下，为了在硅衬底浸入醇溶液内的状态下，把硅衬底加热到约900℃下合成生长碳纳米管，需要将醇溶液的温度保持在沸点以下。特别是由于大量使用醇溶液，所以为了防止气化了的乙醇与空气混合而引起爆炸、着火，对于碳纳米管合成装置的维护、管理必须予以注意。根据硅衬底表面上的温度梯度，控制碳纳米管生长方向，因而为了使其取向性生长良好，需要适当进行其温度管理。
发明内容
本发明的目的在于提供更容易维护管理，制造取向性良好碳纳米管的碳纳米管制造装置和碳纳米管制造方法。
为了解决上述课题，本发明的碳纳米管制造装置是备有：在生长衬底(50、55)上大体垂直地生长多个碳纳米管4的取向生长装置(例如，取向生长装置300)的碳纳米管制造装置(1000、2000)中，其特征是要构成
上述取向生长装置具备：
使规定含碳化合物的气化气体离化的离化装置(例如，负离子发生器10)，
发生电场的电场发生装置(例如，电场发生器20)，以及
加热配置在用上述电场发生装置发生的电场内的上述生长衬底的加热装置(例如，高频加热器30)；
通过用上述离化装置使带负电荷的上述含碳化合物的气化气体通过用上述电场发生装置发生的电场内，使上述含碳化合物的气化气体与上述生长衬底接触。
按照本发明的碳纳米管制造装置，碳纳米管制造装置采取使得用离化装置离化后的规定含碳化合物的气化气体通过用电场发生装置发生的电场内的措施，让该含碳化合物的气化气体与生长衬底接触。这时，因为用加热装置加热了生长衬底，所以与生长衬底接触的含碳化合物的气化气体由于该热而提高反应性能，热分解为水、氢和碳，由该碳形成碳纳米管。而且，形成的碳纳米管由于电场作用而沿着电场方向取向生长，因此能够制造取向性良好的碳纳米管。
所以，比起把硅衬底浸渍在现有醇溶液内形成碳纳米管来更容易维护管理，能够制造取向性良好的碳纳米管。
在本发明的碳纳米管制造装置中，
上述生长衬底理想的是在有硅或硅化合物的硅层(例如，硅膜2、硅衬底(5)表面上形成了催化剂膜(3)的衬底。生长衬底只要是在有硅或硅化合物的硅层表面上形成了催化剂膜的衬底，都适合取向生长碳纳米管。
这里，硅或硅化合物是适合生长碳纳米管的材料，所以也能适合生长碳纳米管。另外，就构成硅层的材料来说，有硅(Si)和硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所谓催化剂膜就是取向生长碳纳米管时必要的物质，促进其生长的物质。就催化剂膜来说，可以使用铁、氧化铁、钴、镍等材料。
并且，在本发明的碳纳米管制造装置中，
上述离化装置具备负离子发生器(10)，
借助于上述离化装置给上述含碳化合物的气化气体提供电子，使得上述含碳化合物的气化气体带负电荷也行。离化装置是负离子发生器的话，就可以用负离子发生器给含碳化合物的气化气体提供电子，使含碳化合物的气化气体带负电荷，所以能够更可靠地使含碳化合物的气化气体离化、带负电荷。
并且，在本发明的碳纳米管制造装置中，也可以具备：
在规定的金属衬底(1)表面上形成生长膜(例如，硅膜2)，在上述生长膜表面上形成催化剂膜(3)而形成上述生长衬底的生长衬底形成装置(例如，生长膜形成装置100和催化剂膜形成装置200)；
用上述取向生长装置取向生长碳纳米管后，除去上述生长膜的生长膜除去装置(例如，生长膜除去装置400)；
使上述金属衬底熔解，将在上述金属衬底表面上配设的上述碳纳米管的一端部(4a)埋设在上述金属衬底内，而后，使上述金属衬底固化的衬底形成装置(例如，衬底形成装置500)。
在碳纳米管制造装置中，用生长衬底形成装置在规定金属衬底表面上形成生长膜，同时在该生长膜表面上形成催化剂膜而形成生长衬底，用取向生长装置的取向生长碳纳米管后，用生长膜除去装置除去生长膜，用衬底形成装置熔解金属衬底，把配设于金属衬底表面的碳纳米管的一端部埋设在该金属衬底内，而后，通过使该金属衬底固化，就能制造取向性良好的碳纳米管。
即，制成的多个碳纳米管由于其一端部埋设在金属衬底内而与金属衬底表面大体垂直地嵌入着，因而几乎全部碳纳米管都是沿其长度方向取向性良好地大致平行排列。
在这里，所谓金属衬底是由例如，铜、铝、铬、不锈钢等金属构成的衬底。
所谓生长膜是由适合生长碳纳米管的材料构成的薄膜。另外，就适合生长碳纳米管的材料来说，有硅(Si)和硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
通过这样取向性良好地排列的多个碳纳米管，就能够对几乎全部碳纳米管长度方向施加电场，由于电场集中在碳纳米管的顶端，使电子局部地集中那里，所以能够高效率地发射电子。而且，电阻值会降低，电流流动容易了，能提高电子发射效率。
并且，碳纳米管的一端部埋设在金属衬底内，所以碳纳米管就固定在金属衬底的内部，增加了碳纳米管与金属衬底之间的固定力，减少碳纳米管拨出来的可能性，提高了耐久性。
并且，在本发明的碳纳米管制造装置中，也可以具备：
在硅衬底(5)的表面上形成催化剂膜(3)后再形成上述生长衬底的生长衬底形成装置(例如，催化剂膜形成装置200)；
用所述取向生长装置取向生长碳纳米管后，在熔解了的金属内插入所述碳纳米管顶端部(4b)，而后，使所述金属固化而形成金属衬底(1A)的金属衬底形成装置(例如，碳纳米管嵌入装置550)；以及
从上述硅衬底上分离上述碳纳米管的分离装置(例如，衬底分离装置600)。
碳纳米管制造装置通过用生长衬底形成装置在硅衬底表面上形成催化剂膜再形成生长衬底，用取向生长装置的取向生长碳纳米管后，用金属衬底形成装置将碳纳米管顶端部插入到熔解了的金属内，而后使该金属固化并形成金属衬底，用分离装置从硅衬底上分离碳纳米管，就能够制造取向性良好的碳纳米管。
即，制成的多个碳纳米管由于其顶端部埋设在金属衬底内而与金属衬底表面大体垂直嵌入着，所以几乎全部碳纳米管都是在其长度方向取向性良好地大致平行排列。
这里，所谓硅衬底是由适合生长碳纳米管的硅材料构成的衬底。另外，就适合生长碳纳米管的硅材料来说，有硅(Si)和硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
构成金属衬底的金属是例如，铜、铝、铬、不锈钢等。
碳纳米管的顶端部由于埋设在金属衬底内，因而碳纳米管就是被固定在金属衬底内部，增加了碳纳米管与金属衬底之间的固定力，减少碳纳米管拨下来的可能性，提高耐久性。
采用将硅衬底上取向生长的碳纳米管移植到金属衬底上的办法，就可能再次利用硅衬底，所以成了能够多次传递使用高价的硅衬底，可降低制造成本。
并且，本发明的第一方案的碳纳米管制造方法，其特征在于具备：
在规定的金属衬底表面上形成生长膜的生长膜形成工序(例如，生长膜形成装置100、步骤S102)；
在通过上述生长膜形成工序形成的上述生长膜表面上形成由规定催化剂构成的催化剂膜的催化剂膜形成工序(例如，催化剂膜形成装置200、步骤S103)；
使构成通过上述催化剂膜形成工序形成的上述催化剂膜的上述催化剂与规定含碳化合物的气化气体催化反应，介以上述生长膜而在上述金属衬底表面大致垂直地取向生长多个碳纳米管的取向生长工序(例如，取向生长装置300、步骤S104)；
除去上述生长膜，在上述金属衬底表面上配设通过所述取向生长工序取向生长上述碳纳米管的生长膜除去工序(例如，生长膜除去装置400、步骤S105)；以及
熔解上述金属衬底，把在上述金属衬底表面上配设的上述碳纳米管一端部埋设在上述金属衬底上，而后使上述金属衬底固化的衬底形成工序(例如，衬底形成装置500、步骤S106)。
按照本发明第一方案的碳纳米管制造方法，采用通过碳纳米管制造方法的生长膜形成工序在规定金属衬底表面上形成生长膜，通过催化剂膜形成工序在生长膜表面上形成催化剂膜，使通过取向生长工序构成催化剂膜的催化剂与规定含碳化合物的气化气体进行催化反应，介以生长膜而在金属衬底表面上大致垂直地取向生长多个碳纳米管，通过生长膜除去工序除去生长膜并在金属衬底表面上配设碳纳米管，通过衬底形成工序把碳纳米管的一端部埋设在熔解了的金属衬底内，而后使金属衬底固化的办法，就能够制造取向性良好的碳纳米管。
即，使构成催化剂膜的催化剂与规定含碳化合物的气化气体进行催化反应，在金属衬底表面上大致垂直地取向生长多个碳纳米管，就能制造碳纳米管，所以比起把衬底浸渍到现有醇溶液内形成碳纳米管来更容易维护管理，可制造取向性良好的碳纳米管。
制成的多个碳纳米管因为其一端部埋设在金属衬底内而且大致垂直地嵌入在金属衬底表面，所以几乎全部碳纳米管都是沿着其长度方向取向性良好地大体平行排列。
在这里，所谓生长膜是由适合生长碳纳米管的材料构成的薄膜。就适合生长碳纳米管的材料来说，有硅(Si)或硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所谓催化剂膜是碳纳米管取向生长时必要的物质，促进其生长的物质。就催化剂膜来说，可用铁、氧化铁、钴、镍等材料。
由于这样取向性良好地排列了多个碳纳米管，就能够对几乎全部的碳纳米管长度方向施加电场，使电场集中于碳纳米管的顶端，电子局部地集中那里，所以能够高效率地发射电子。即，电阻值降低，电流变得容易流动了，会提高电子的发射效率。
碳纳米管的一端部埋设在金属衬底内，所以碳纳米管就固定在金属衬底的内部，增加了碳纳米管与金属衬底之间的固定力，减少碳纳米管拨下来的可能性，提高耐久性。
并且，本发明的第二方案碳纳米管制造方法，其特征在于具备：
在规定的生长衬底表面上形成由规定催化剂构成的催化剂膜的催化剂膜形成工序(例如，催化剂膜形成装置200、步骤S202)；
使通过上述催化剂膜形成工序形成了构成上述催化剂膜的上述催化剂与规定含碳化合物的气化气体催化反应，在上述生长衬底表面上大体垂直地取向生长多个碳纳米管的取向生长工序(例如，取向生长装置300、步骤S203)；
熔解规定的金属衬底，向熔解了的上述金属衬底内插入通过上述取向生长工序取向生长的上述碳纳米管顶端部，而后，使上述金属衬底固化的碳纳米管嵌入工序(例如，衬底生长装置(碳纳米管嵌入装置550)、步骤S204)；以及
从上述生长衬底上分离上述碳纳米管的衬底分离工序(例如，衬底隔离装置600、步骤S205)。
按照本发明第二方案的碳纳米管制造方法，采用通过碳纳米管制造方法的催化剂膜形成工序在规定生长膜表面上形成催化剂膜，使通过取向生长工序构成催化剂膜的催化剂与规定含碳化合物的气化气体进行催化反应，介以生长膜而在金属衬底表面上大致垂直地取向生长多个碳纳米管，通过衬底形成工序在熔解了的金属衬底上插入碳纳米管的顶端部，而后，使金属衬底固化，通过衬底分离工序从生长衬底上分离碳纳米管的办法，就能够制造取向性良好的碳纳米管。
即，使构成催化剂膜的催化剂与规定含碳化合物的气化气体进行催化反应，在生长衬底表面上大致垂直地取向生长多个碳纳米管，就能制造碳纳米管，所以比起把衬底浸渍到现有醇溶液内形成碳纳米管来更容易维护管理，可制造取向性良好的碳纳米管。
制成的多个碳纳米管因为其顶端部埋设金属衬底内而且大致垂直地嵌入在金属衬底表面，所以几乎全部碳纳米管都是沿着其长度方向取向性良好地大体平行排列。
在这里，所谓生长衬底是由适合生长碳纳米管的材料构成的衬底。就适合生长碳纳米管的材料来说，有硅(Si)或硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所谓催化剂膜是碳纳米管取向生长时必要的物质，促进其生长的物质。就催化剂膜来说，可用铁、氧化铁、钴、镍等材料。
由于这样取向性良好地排列了多个碳纳米管，就能够对几乎全部的碳纳米管长度方向施加电场，使电场集中于碳纳米管的顶端，电子局部地集中那里，所以能够高效率地发射电子。即，电阻值降低，电流变得容易流动了，会提高电子的发射效率。
碳纳米管的顶端部埋设在金属衬底内，所以碳纳米管就固定在金属衬底的内部，增加了碳纳米管与金属衬底之间的固定力，减少碳纳米管拨下来的可能性，提高耐久性。
通过将硅衬底上取向生长的碳纳米管移植到金属衬底上就能再次利用生长衬底，所以成了能够多次传递使用由高价硅构成的生长衬底，会降低制造成本。
并且，本发明的第三方案碳纳米管制造方法，其特征在于具备：
在规定的生长衬底表面上形成由规定催化剂构成催化剂膜的催化剂膜形成工序(例如，催化剂膜形成装置200、步骤S302)；
使通过上述催化剂膜形成工序形成了构成上述催化剂膜的上述催化剂与规定含碳化合物的气化气体催化反应，在上述生长衬底表面上大体垂直地取向生长多个碳纳米管的取向生长工序(例如，取向生长装置300、步骤S303)；
在通过上述取向生长工序取向生长成的上述碳纳米管顶端部侧面蒸镀规定金属膜层的金属膜蒸镀工序(例如，金属膜蒸镀装置700、步骤S304)；
在通过金属膜蒸镀工序形成的金属膜上形成规定金属层的金属层形成工序(例如，金属层电镀装置800、步骤S305)；以及
从上述生长衬底上分离上述碳纳米管的衬底分离工序(例如，衬底隔离装置600、步骤S306)。
按照本发明第三方案的碳纳米管制造方法，采用通过碳纳米管制造方法的催化剂膜形成工序在规定生长衬底表面上形成催化剂膜，使通过取向生长工序构成催化剂膜的催化剂与规定含碳化合物的气化气体催化反应，介以生长膜而在金属衬底表面大致垂直地取向生长多个碳纳米管，通过金属膜蒸镀工序在碳纳米管的顶端部侧面蒸镀规定金属膜层，通过金属层形成工序在金属膜上形成规定金属层，通过衬底分离工序从生长衬底上分离碳纳米管的办法，就能够制造取向性良好的碳纳米管。
即，使构成催化剂膜的催化剂与规定含碳化合物的气化气体进行催化反应，在生长衬底表面上大致垂直地取向生长多个碳纳米管，就能制造碳纳米管，所以比起把衬底浸渍到现有醇溶液内形成碳纳米管来更容易维护管理，可制造取向性良好的碳纳米管。
制成的多个碳纳米管因为其顶端部埋设在金属衬底内而且大致垂直地嵌入在金属衬底表面，所以几乎全部碳纳米管都是沿着其长度方向取向性良好地大体平行排列。
在这里，所谓生长衬底是由适合生长碳纳米管的材料构成的衬底。就适合生长碳纳米管的材料来说，有硅(Si)或硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所谓催化剂膜是碳纳米管取向生长时必要的物质，促进其生长的物质。就催化剂膜来说，可用铁、氧化铁、钴、镍等材料。
通过这样取向性良好地排列了多个碳纳米管，就能够对几乎全部的碳纳米管长度方向施加电场，使电场集中于碳纳米管的顶端，电子局部地集中那里，所以能够高效率地发射电子。即，电阻值降低，电流变得容易流动了，会提高电子的发射效率。
碳纳米管的顶端部埋设在金属衬底的金属膜内，所以碳纳米管就固定在金属衬底的内部，增加了碳纳米管与金属衬底之间的固定力，减少碳纳米管拨下来的可能性，提高耐久性。
通过将硅衬底上取向生长的碳纳米管移植到金属衬底(金属膜、金属层)上就能再次利生长衬底，所以成了能够多次传递使用由高价的硅构成的生长衬底，可降低制造成本。
并且，在本发明的碳纳米管制造方法中，也可以具备：
在上述衬底分离工序中使从上述生长衬底上分离后的上述碳纳米管取向生长的第2取向生长工序(例如，用取向生长装置300取向生长碳纳米管的图18(b)、(d)工序)；
在通过上述第2取向生长工序取向生长了的上述碳纳米管侧面和上述碳纳米管后端部埋设的上述金属膜表面上形成规定金属层的第2金属层形成工序(例如，用金属层电镀装置800形成金属层的图18(c)、(e))；
在与上述碳纳米管取向生长方向交叉的方向切断通过上述第2金属层形成工序形成并层叠的上述金属层，形成规定厚度切断片的金属层切片工序(例如，图18(g)的工序)；以及
在上述碳纳米管取向生长方向除去规定量的通过上述金属层切片工序形成的上述切断片金属层，露出规定量的上述碳纳米管的金属层除去工序(例如，图18(h)、(i)的工序)。
采用通过取向生长碳纳米管和重复形成金属层等层叠形成的金属层，通过金属层切片工序在与碳纳米管取向生长方向交叉的方向进行切断而取得有规定厚度的切断片，通过金属层除去工序在碳纳米管取向生长方向将该切断片除去规定量而露出规定量的碳纳米管的办法，就能够制造取向性良好的碳纳米管。
特别是，采用衬底分离工序中以形成的配置了金属膜(金属层)的碳纳米管为基础进行取向生长碳纳米管的办法，不使用由高价硅等构成的生长衬底，就能制造碳纳米管，可降低制造成本。
并且，在本发明的碳纳米管制造方法中，
上述取向生长工序具备：
使规定含碳化合物的气化气体离化的离化工序(例如，第1工序)，
通过上述离化工序使电场作用于离化了的上述含碳化合物的气化气体的电场作用工序(例如，第2工序)，以及
加热上述金属衬底或上述生长衬底的加热工序(例如，第3工序)，
在上述电场作用工序中，也可以是电场作用于离化了的上述含碳化合物的气化气体，使上述含碳化合物的气化气体接触上述金属衬底或上述生长衬底，在上述金属衬底或生长衬底的表面上大体垂直地取向生长多个碳纳米管。
在碳纳米管制造方法的取向生长工序中，通过电场作用工序对通过离化工序离化后的含碳化合物的气化气体作用电场，让规定含碳化合物的气化气体接触通过加热工序加热了的金属衬底或生长衬底，在金属衬底或生长衬底的表面上大体垂直地取向生长多个碳纳米管。
即，离化了的规定含碳化合物的气化气体通过借助于电场的库伦力作用而与加热的金属衬底或生长衬底接触，反应使之形成碳纳米管。形成的碳纳米管由于电场作用而沿着电场方向取向生长，所以能够制造取向性良好的碳纳米管。
附图说明
图1是表示有关本发明第一实施例的碳纳米管制造装置框图。
图2是表示有关本发明碳纳米管制造装置中的取向生长装置典型图。
图3是表示有关本发明第一实施例的碳纳米管制造方法的制造工序流程图。
图4是对应图3的各步骤说明图。
图5是表示取向生长装置中的负离子发生器典型图。
图6是表示取向生长装置中的电场发生器典型图。
图7是表示取向生长装置中的高频加热器典型图。
图8是取向生长碳纳米管的说明图。
图9是表示有关本发明第二实施例的碳纳米管制造装置框图。
图10是表示有关本发明第二实施例的碳纳米管制造方法的制造工序流程图。
图11是对应图10的各步骤说明图。
图12是说明有关本发明第二实施例的另外实施例的碳纳米管制造工序说明图。
图13是说明碳纳米管贯通金属衬底两侧面伸出的构件说明图，图13(a)伸出前的状态，图13(b)是伸出后的状态。
图14是有关利用图13(b)的含碳纳米管构件的说明图。
图15是表示有关本发明第三实施例的碳纳米管制造装置框图。
图16是表示有关本发明第三实施例的碳纳米管制造方法的制造工序流程图。
图17是对应图16的各步骤说明图。
图18是表示有关本发明第四实施例的碳纳米管制造装置框图。
图19是表示有关本发明第四实施例的碳纳米管制造方法的制造工序流程图。
具体实施方式
下面，按照图1到图19说明本发明实施例。
[第一实施例]
图1是表示有关本发明第1实施的碳纳米管制造装置框图。
如图1所示，碳纳米管制造装置1000的构成包括：生长膜形成装置100，用以在金属衬底1表面上形成硅膜2作为生长膜的硅层；催化剂膜形成装置200，用以在该硅膜2的表面上形成催化剂膜3；取向生长装置300，利用催化剂膜3的催化作用，介以硅膜2在金属衬底1上取向生长多个碳纳米管4...；生长膜除去装置400，用以除去硅膜2，在金属衬底1的表面上配置碳纳米管4...；以及衬底形成装置500，用以熔解金属衬底1，把配置于金属衬底1表面的碳纳米管4一端部4a埋设在金属衬底1内，在金属衬底1内嵌入碳纳米管4...。
生长膜形成装置100是，例如蒸镀装置，在金属衬底1的表面上形成作为生长膜的硅膜2。
金属衬底1是，例如由铜、铝、铬、不锈钢等导电性物质构成的板状构件。
用生长膜形成装置100在金属衬底1的表面上形成的硅膜2是，例如由n型硅蒸镀形成厚数nm～数百nm的薄膜。
所谓该生长膜就是为适合生长后述的碳纳米管4...而形成的膜。另外，就适合生长碳纳米管4...的材料来说，除硅(Si)外还有碳化硅(SiC)等。
催化剂膜装置200是，例如真空蒸镀装置、分子束蒸镀(MBE)装置、离子喷镀装置、离子束蒸镀装置、溅射装置、电镀装置，在金属衬底1表面所形成的硅膜2的表面上形成催化剂膜3，也是形成生长衬底50的装置。
用催化剂膜装置200形成于硅膜2表面的催化剂膜3是蒸镀例如，铁、氧化铁、钴、镍等厚数nm～数百nm而形成的薄膜。
构成该催化剂膜3的铁、氧化铁、钴、镍等是形成后述的碳纳米管4...使之取向生长时需要的物质，即促进其生长的物质。
取向生长装置300是在生长衬底50上取向生长多个碳纳米管4...的装置，介以硅膜2在金属衬底1上取向生长多个碳纳米管4...。
取向生长装置300，如图2所示，具备通过连接部303连通内部空间的第1室301和第2室302，具有作为第1室301备有离化装置的负离子发生器10、作为第2室302备有电场发生装置的电场发生器20以及作为加热装置的高频加热器30。
负离子发生器10是由直流电源11、连接直流电源11负极的负高压电极12、连接直流电源11正极的接地电极13构成。
负高压电极12和接地电极13要空出规定间隔相对配置。直流电源11正极与接地电极13之间有地14。
负离子发生器10通过直流电源11供给的直流电流，由于在负高压电极12与接地电极13之间加上直流电压，使电子从负高压电极12向接地电极13发射。
电场发生器20由直流电源21、连接直流电源21负极的阴极电极22和连接直流电源21正极的阳极电极23构成。
阴极电极22和阳极电极23要空出规定间隔相对配置。
电场发生器20通过直流电源21供给的直流电流，由于在阴极电极22与阳极电极23之间加上直流电压，产生自阳极电极23上面向阴极电极22下面的电场。
并且，如后述那样，阳极电极23兼备用高频加热器30加热的加热部功能，以磁性物质和导电性物质层叠或者混合的材料形成。
如后述那样，阳极电极23兼备作为试料台载置生长衬底50的功能，在阳极电极23与阴极电极22相对的面上载置生长衬底50。
高频加热器30由高频电源31和连接高频电源31的线圈32构成。
高频加热器30用由高频电源31供给的交流电流，由于给线圈32加上交流电压，使线圈32产生交变磁场，同时在线圈32周围产生高频电磁波。
该高频加热器30的线圈32在对作为电场发生器20阳极电极23下侧的阴极电极22相反侧，在阳极电极23下面垂直方向配置了线圈32的中心轴。配置于该位置的线圈32中发生的电磁波就照射作为加热部的阳极电极23。
照射阳极电极23的电磁波因阳极电极23含有磁性物质，用以聚集该电磁波的磁束而使该磁束高速变化。随着磁束高速变化而在阳极电极23含有的导电性物质中产生涡电流。因为该涡电流在阳极电极23里流动，阳极电极23里便由焦耳热而引起发热，使阳极电极23的温度上升。
生长膜除去装置400是例如蚀刻装置，也是溶解蚀刻装置内贮存的硅溶解液中溶解浸渍了硅成分的装置。硅溶解液是有选择地溶解硅的溶液。
生长膜除去装置400通过溶解硅膜2，在金属衬底1表面上配设硅膜2表面的碳纳米管4...。
衬底形成装置500是，例如边加热熔解衬底边使熔解了的衬底冷却固化的装置。
衬底形成装置500熔解金属衬底1，使金属衬底1表面上配设碳纳米管4...的一端部4a沉入到规定深度以后，冷却固化金属衬底1，在金属衬底1上嵌入碳纳米管4...。
接着，说明关于碳纳米管制造装置1000的碳纳米管制造方法。
图3是表示有关本发明第1实施例的碳纳米管制造方法的制造工序流程图，图4是对应图3的各制造工序(步骤)的说明图。
如图3所示，第1实施例的碳纳米管制造方法，主要由六工序(六个步骤)：预备金属衬底1的金属衬底准备工序(步骤S101)、在金属衬底1表面上形成硅膜2作为生长膜的生长膜形成工序(步骤S102)、在形成了硅膜2的表面上形成催化剂膜3的催化剂膜形成工序(步骤S103)、一边取得构成形成了催化剂膜3的催化剂粒子作为核，一边介以硅膜2在金属衬底1表面上取向生长碳纳米管4...的取向生长工序(步骤S104)、除去硅膜2后，在金属衬底1表面上配设碳纳米管4...的生长膜除去工序(步骤S105)、熔解金属衬底1后，把已配设于金属衬底1表面的碳纳米管4...的一端部4a埋设在该熔解后的金属衬底1内，而后使该金属衬底1固化的衬底形成工序(步骤S106)而构成。
在步骤S101的金属衬底准备工序，如图4(a)所示，是进行形成碳纳米管4...的准备金属衬底1的工序。
在步骤S102的生长膜形成工序，如图4(b)所示，是用生长膜形成装置100在金属衬底1表面上形成硅膜2作为生长膜的工序。
在步骤S103的催化剂膜形成工序，如图4(c)所示，是用催化剂膜形成装置200在硅膜2表面上再形成催化剂膜3的工序。因此形成生长衬底50。
在步骤S104的催化剂膜形成工序，如图4(d)所示，是用取向生长装置300在硅膜2表面上取向生长碳纳米管4...的工序。
另外，碳纳米管4...是一边取得构成催化剂膜3的物质粒子作为核一边生长。
在这里，将详细说明关于取向生长装置300的取向生长工序(S104)。
取向生长工序主要由使形成碳纳米管用原料的规定含碳化合物的气化气体(蒸气)带负电荷，将该气化气体负离子化的第1工序、将带负电荷的含碳化合物的气化气体供给加上了电场的阳极电极23与阴极电极22之间的第2工序、以及带负电荷的含碳化合物的气化气体作用于阳极电极23上载置的生长衬底50，取向生长碳纳米管4...的第3工序而构成。
所谓形成碳纳米管用原料的规定含碳化合物是，例如含碳(C)的有机物，可以使用例如，甲醇、乙醇、1-丁醇、1-辛醇等。本实施例中，就规定的含碳化合物(有机物)来说，说明有关使用了甲醇的例子。
首先，在作为试料台的电场发生器20阳极电极23上面，载置步骤S103的催化剂膜形成工序中形成了催化剂膜3的金属衬底1(生长衬底50)。
用真空泵抽出图2所示取向生长装置300的第1室301、第2室302和连接部303内的空气，同时向第1室301、第2室302和连接部303内供应惰性气体(氩等)，以惰性气体充满装置内进行气体置换。
其次，通过加热和抽到高真空，将图未示出的原料罐贮存的甲醇气化后的气化气体即甲醇蒸气M...送入第1室301。
送入第1室301的甲醇蒸气M...，如图5所示，通过负离子发生器10的负高压电极12与接地电极13之间。甲醇蒸气M...通过负高压电极12与接地电极13之间时，由于负高压电极12发射的电子轰击甲醇蒸气M...，使甲醇蒸气M...带负电荷而变成甲醇离子Mi...在这里，将带有负电荷的甲醇离子Mi...拉向接地电极13，然后借助于送入的甲醇蒸气M...以压出的方式从第1室301送出。这个工序是第1工序。
甲醇离子Mi...经过连接部303被送往第2室302。
接着，如图6所示，送入了第2室302的甲醇离子Mi...被送往电场发生器20的阴极电极22与阳极电极23之间。这时，电场发生器20施加从阳极电极23到阴极电极22的电场(图6中箭头A方向的电场)。这个工序是第2工序。
如图7所示，依靠高频加热器30输出的高频电磁波，在阳极电极23里产生涡电流，加热阳极电极23升到高温(例如，600℃～1200℃)。通过阳极电极23加热阳极电极23上面载置的生长衬底50也同样使之升到高温。
送到电场发生器20的阴极电极22与阳极电极23之间的甲醇离子Mi...由于带有负电荷，因而受到从阳极电极23向阴极电极22的电场作用即库伦力而被拉向阳极电极23一侧。而且，一直拉到阳极电极23上载置生长衬底50的甲醇离子Mi...就与生长衬底50的金属衬底1上所形成的催化剂膜3接触。生长衬底50的金属衬底1和催化剂膜3通过阳极电极23用高频加热器30加热到高温(例如，600℃～1200℃)，因而甲醇离子Mi...在生长衬底50(催化剂膜3)上热分解。进行该热分解的反应时间约30分钟是可取的，更可取的反应时间为30分钟以上。如图8所示，甲醇离子Mi...中含有的碳留在生长衬底50的金属衬底1(催化剂膜3)上，由于热分解而产生的水(H2O)和氢(H2)则排出装置外(第2室302)。
另外，按照形成碳纳米管4...的反应速度输送甲醇离子Mi...供生长衬底50表面上进行热分解，这是反应效率方面适宜的条件。这样以来就没有供应多于需要量甲醇离子Mi...的情况，在装置维护管理的安全方面是可取的。
通过重复该甲醇离子Mi...的热分解，在生长衬底50的金属衬底1(催化剂膜3)上累积了碳。累积的碳一边取得构成催化剂膜3的铁等粒子作为催化剂一边形成碳纳米管4...。这个工序就是第3工序。
为了使碳与催化剂发生化学反应，需要提高最外层电子具有的能量，因而需要在这样的高温下进行反应(碳纳米管形成工序)。
生长衬底50上形成碳纳米管4...的硅膜2因为通过阳极电极23用直流电源21带有正电荷，所以碳纳米管4...也就带有正电荷。由于在阴极电极22与阳极电极23之间施加从阳极电极23到阴极电极22的电场(图6、图8中箭头方向的电场)，因而将碳纳米管4...的顶端部4b拉近阴极电极22的一侧上方。受该电场的作用，边形成生长碳纳米管4...边向上方牵引其顶端部4b。因此，碳纳米管4...从生长衬底50开始沿大体垂直方向取向生长。这时，碳纳米管4...一面取得构成催化剂膜3的催化剂粒子一面生长。
另外，碳纳米管4...虽然沿着从阳极电极23到阴极电极22的电场方向取向生长，但是如果与该电场垂直地载置生长衬底50，碳纳米管4...就从生长衬底50的金属衬底1开始沿垂直方向取向生长。
这样，在步骤S104，碳纳米管4...便在生长衬底50的金属衬底1上取向生长。
在步骤S105的生长膜除去工序是，如图4(e)所示，用生长膜除去装置400除去作为生长膜的硅膜2的工序。
随着硅膜2用生长膜除去装置400内贮存的硅溶解液溶解而被除去，介以硅膜2在金属衬底1上形成了的碳纳米管4...就配设在金属衬底1的表面上。
用这种硅溶解液通过充分地溶解硅膜2，让硅膜2上的碳纳米管4...慢慢地降落配设在金属衬底1上边，所以一面维持取向生长的形状一面在金属衬底1表面上配设碳纳米管4...。
在步骤S106的形成工序是，如图4(f)所示，用衬底形成装置500把金属衬底1表面上配设了碳纳米管4...的一端部4a埋设在金属衬底1内，在金属衬底1上嵌入碳纳米管4...的工序。
金属衬底1由例如铜(Cu)构成时，用衬底形成装置500把金属衬底1加热到熔点(约1084℃)以上予以熔解，要埋设金属衬底1表面上配设了碳纳米管4...的一端部4a使其沉入到规定的深度。接着，用衬底形成装置500冷却金属衬底1，使金属衬底1固化来嵌入碳纳米管4...以便固定在金属衬底1上。
这样，金属衬底1上嵌入的碳纳米管4...是，例如，直径为数nm～数十nm，长度为1μm～数十μm，形成了100万～100亿根/mm2左右。
这样，按照使用本发明的碳纳米管制造装置1000的碳纳米管制造方法，通过用负离子发生器10使甲醇蒸气M...带负电荷的甲醇离子Mi...在电场中安置的生长衬底50表面热分解，就能在生长衬底50的金属衬底1表面上制造、形成取向生长碳纳米管4...。而且，可以在金属衬底1上取向性良好地配设碳纳米管4...。
按照本发明，由于在电场中形成碳纳米管，就很容易生长取向良好的碳纳米管。
作为碳纳米管4...原料的甲醇贮藏在图未示出的原料罐内，进行热分解形成碳纳米管4...需要部分的甲醇离子Mi...由于送到加热到高温的阳极电极23和生长衬底50上，所以在防止供应多余的甲醇爆炸、着火方面，容易进行装置的维护管理。特别是，由于将装置内的气体置换成惰性气体，因而甲醇不会与空气(氧气)混合，就更安全了。
按照形成碳纳米管4...的反应速度输送生长衬底50表面上热分解的甲醇离子Mi...，因而能够生长效率很好地制造碳纳米管4...。
这样制成的碳纳米管4...因其一端部4a埋设在金属衬底1内，大体垂直地嵌入在金属衬底1表面，所以碳纳米管4...成了在其长度方向取向良好大致平行排列。由于这样取向性良好地排列多个碳纳米管4...，就能够对几乎全部碳纳米管4...的长度方向施加电场，使电场集中于碳纳米管4...的顶端，电场局部地集中那里，因而能高效率地发射电子，电阻值降低，电流变得容易流动了，可提高电子发射效率。即，碳纳米管4...适用于进行电子发射的电子发射电极等方面。
[第2实施例]
接着，说明本发明的第2实施例。另外，对于与第1实施例同一部分附加同一标号，并且仅说明有关不同的部分。
图9是表示本发明第2实施例的碳纳米管制造装置框图。
如图9所示，碳纳米管制造装置2000是由在作为硅层的硅衬底5表面上形成催化剂膜3而形成生长衬底55的催化剂膜形成装置200、利用催化剂膜3的催化作用，在生长衬底55(硅衬底5)上取向生长多个碳纳米管4...的取向生长装置300、把生长衬底55(硅衬底5)表面上取向生长了碳纳米管4...的顶端部4b插入熔解后的金属衬底1A内，在金属衬底1A上嵌入碳纳米管4...的衬底形成装置550、以及从硅衬底5上分离碳纳米管4...的衬底分离装置600等而构成。
衬底形成装置550是，边加热熔解金属衬底1A边冷却固化熔解了的金属衬底1A的装置，同时把硅衬底5表面上生长了碳纳米管4...的顶端部4b埋设在熔解了的金属衬底1A内，在金属衬底1A上嵌入碳纳米管4...的装置。
衬底分离装置600是从硅衬底5上分离碳纳米管4...的装置，也是在金属衬底1A上配设碳纳米管4...的装置。
接着，说明关于碳纳米管制造装置2000的碳纳米管制造方法。
图10是表示本发明第2实施例的碳纳米管制造方法的制造工序流程图，图11是对应图10的各制造工序(步骤)说明图。
如图10所示，在第2实施例的碳纳米管制造方法主要由五个工序(五个步骤)：预备硅衬底5的生长衬底准备工序(步骤S201)、在硅衬底5表面上形成催化剂膜3的催化剂膜形成工序(步骤S202)、一边取得构成形成了催化剂膜3的催化剂粒子作为核，一边在硅衬底5表面上取向生长碳纳米管4...的取向生长工序(步骤S203)、把硅衬底5表面取向生长了碳纳米管4...的顶端部4b插入熔解了的金属衬底1A内，而后使该金属衬底1A固化的衬底形成工序(步骤S204)、以及从硅衬底5上分离碳纳米管4...的衬底分离工序(步骤S205)而构成。
在步骤S201的生长衬底准备工序，如图11(a)所示，是进行形成碳纳米管4...的准备硅衬底5的工序。
硅衬底5是，例如由n型硅构成的板状构件。
在步骤S202的催化剂膜形成工序，如图11(b)所示，是用催化剂膜形成装置200，在硅衬底5表面上形成催化剂膜3的形成生长衬底55的工序。
在步骤S203的取向生长工序，如图11(c)所示，是用取向生长装置300，在生长衬底55的硅衬底5表面上取向生长碳纳米管4...的工序。
碳纳米管4...是用图2所示的取向生长装置300取向生长形成的。
另外，关于取向生长工序的碳纳米管4...取向生长的方法与第1实施例的步骤S104大致同样，因为取向生长装置300是同样的装置，所以省略说明。
在步骤S204的衬底形成工序，如图11(d)所示，用衬底形成装置550把硅衬底5表面上取向生长后的碳纳米管4...的顶端部4b插入熔解了的金属衬底1A内，而后，使该金属衬底1A固化的工序。
金属衬底1A由例如，铜、铝、铬、不锈钢等的导电性物质构成。
金属衬底1A由例如铜构成时，用衬底形成装置550把金属衬底1A加热到熔点(约1084℃)以上予以熔解，在取向生长工序(S203)，插入硅衬底5表面上取向生长后的碳纳米管4...的顶端部4b直到规定深度。接着，用衬底形成装置550冷却金属衬底1A，使金属衬底1A固化，把碳纳米管4...嵌入在金属衬底1A使其固定。该衬底形成工序也可以说是碳纳米管嵌入工序，衬底形成装置550也可以说是碳纳米管嵌入装置。
在步骤S205的衬底分离工序是，如图11(e)所示，用衬底分离装置600从硅衬底5上分离碳纳米管4...，在金属衬底1A上配设碳纳米管4...的工序。
就从硅衬底5上分离碳纳米管4...的方法来说，例如，有用作衬底分离装置600的加热装置加热硅衬底5，从熔解了的硅衬底5上拔出碳纳米管4...的方法。
就从硅衬底5上分离碳纳米管4...的方法来说，例如，有用作衬底分离装置600的激光照射装置，通过靠近硅衬底5一侧的部分对碳纳米管4...照射激光来切断碳纳米管4...的方法。
并且，就从硅衬底5上分离碳纳米管4...的方法来说，例如，还有用作衬底分离装置600的磁铁(电磁铁或永久磁铁)，通过把硅衬底5上作为催化剂分布配置的铁或者分离用配置的铁拉向磁铁，对硅衬底5施加拉力将碳纳米管4...分离的方法。
这样，金属衬底1上嵌入的碳纳米管4...是，例如，直径为数nm～数十nm，长度为1μm～数十μm，形成了100万～100亿根/mm2左右。
这样，按照使用本实施例的碳纳米管制造方法，通过用负离子发生器10使甲醇蒸气M...带负电荷的甲醇离子Mi...在电场中安置的生长衬底55的硅衬底5表面热分解，并在硅衬底5表面上取向生长了碳纳米管4...以后嵌入到金属衬底1A上，就能制造形成碳纳米管4...。而且，按照本发明，采用在电场中形成碳纳米管的办法，很容易生长取向性良好的碳纳米管。
特别是，在硅衬底5表面取向生长了的碳纳米管4...移植嵌入到金属衬底1A上，因而成了可以连续多次使用高价的硅衬底5，能够降低制造成本。
并且，按照形成碳纳米管4...的反应速度输送在生长衬底55的硅衬底5表面热分解的甲醇离子Mi...所以能够生长效率很好地制造碳纳米管4...，同时这样形成碳纳米管4...需要部分的甲醇离子Mi...供应加热到高温的阴极电极23或金属衬底1，在防止供应多余的甲醇爆炸、着火方面，容易进行装置的维护管理，也是安全的。
接着，说明有关第2实施例的另外实施例。
图12是有关第2实施例的另外实施例的碳纳米管制造工序说明图。
如图12所示，第2实施例的另外实施例碳纳米管制造方法，主要由七个工序：预备硅衬底5的生长衬底准备工序(图12(a))、在硅衬底5表面上形成催化剂膜3的催化剂膜形成工序(图12(b))、一边取得构成形成了催化剂膜3的催化剂粒子作为核一边在硅衬底5表面上取向生长碳纳米管4...的取向生长工序(图12(c))、蒸镀金属膜111a覆盖取向生长的碳纳米管4...的侧面周围的金属膜蒸镀工序(图12(d))、把碳纳米管4...的顶端部4b插入熔解了的金属衬底1A内，而后使该金属衬底1A固化的衬底形成工序(图12(e))、从硅衬底5上分离碳纳米管4...的衬底分离工序(图12(f))以及除去金属膜111a的金属膜除去工序而构成。
图12(a)所示的生长衬底准备工序是进行形成碳纳米管4...的准备硅衬底5的工序。
硅衬底5是，例如由n型硅构成的板状构件。
图12(b)所示的催化剂膜形成工序是用催化剂膜形成装置200，在硅衬底5表面上形成催化剂膜3的形成生长衬底55的工序。
图12(c)所示的取向生长工序是用取向生长装置300，在生长衬底55的硅衬底5表面上取向生长碳纳米管4...的工序。
碳纳米管4...是用图2所示的取向生长装置300取向生长形成的。
另外，在取向生长工序中的使碳纳米管4...取向生长的方法与第1实施例的步骤S104大致同样，取向生长装置300也是同样的装置，所以省略说明。
图12(d)所示的金属膜蒸镀工序是，例如用金属膜蒸镀装置，在碳纳米管4...的侧面周围和硅衬底5表面上蒸镀金属膜111a的工序。金属膜蒸镀装置是与催化剂膜形成装置200同样的装置，例如，真空蒸镀装置、分子束蒸镀(MBE)装置、离子喷镀装置、离子束蒸镀装置、溅射装置以及电镀装置。
金属膜蒸镀装置给硅衬底5的表面一侧蒸镀厚度数nm～数百nm的导电性金属，例如铝、铜、银、镍等的金属膜111a。
该金属膜111a没有完全覆盖碳纳米管4...，而且碳纳米管4...的顶端部4b伸出了金属膜111a表面。
图12(e)所示的衬底形成工序是，用衬底形成装置550，把硅衬底5表面上取向生长后的碳纳米管4...的顶端部4b插入金属衬底1A内，而后，使该金属衬底1A固化，在金属衬底1A上嵌入碳纳米管4...的工序。金属衬底1A由例如，铜、铝、铬、不锈钢等的导电性物质构成。
另外，通过预先进行以金属膜111a覆盖碳纳米管4的金属膜蒸镀处理，熔解后的金属衬底1A就容易与碳纳米管4接合。这种现象与焊接等所谓濡湿现象同样，即使一度用蒸镀法等使金属附着于碳纳米管4上，熔解后的金属衬底1A也变得容易附着于碳纳米管4上，所以通过利用该现象，适合在金属衬底1A上嵌入碳纳米管4...。
图12(f)所示的衬底分离工序是用衬底分离装置600，从硅衬底5上分离碳纳米管4...，在金属衬底1A上配设碳纳米管4...的工序。该方法因与第2实施例同样，所以省略说明。
图12(g)所示的金属膜除去工序是用金属膜除去装置，除去金属膜111a的工序。
金属膜除去装置是溶解例如，金属膜111a的装置，用金属膜除去装置里贮存的金属膜溶解液(例如，盐酸、硝酸、硫酸等)选择性地溶解金属膜111a。
金属膜溶解液根据构成金属膜111a与共成金属衬底1A的金属的组合，使用选择性地溶解金属膜111a的溶解液是可取的。而且，根据金属膜溶解液的种类，考虑形成构成金属膜111a与构成金属衬底1A的金属组合是令人满意的。
这样，在金属衬底1上嵌入的碳纳米管4...，例如，直径为数nm～数十nm，长度为1μm～数十μm，形成了100万～100亿根/mm2左右。
按照这样的碳纳米管制造方法，也很容易生长取向性良好的碳纳米管。而且，可在金属衬底1A上取向性良好地配设碳纳米管4...。
另外，对图12(g)所示的金属衬底1A而言，虽然配设成为使碳纳米管4...露出金属衬底1A的一个侧面外，但是也可以配设成为使碳纳米管4...露出金属衬底1A的两个侧面外。
例如，在作为第2实施例的另外实施例的碳纳米管制造工序的衬底分离工序(参照图12(f))中形成的，如图13(a)所示那样地在金属衬底1A与金属膜111a的二层之间的样子，把埋设了碳纳米管4...的构件浸渍在规定溶解液(例如，盐酸、硝酸、硫酸等)里，通过溶解规定量的金属衬底1A和金属膜111a，如图13(b)所示，就可以使碳纳米管4...露出于金属衬底1A的两个侧面外。碳纳米管4...贯穿金属衬底1A露出该两个侧面外。
碳纳米管4...露出金属衬底1A等表面外的程度，可通过溶解金属衬底1A或金属膜111a的程度进行调整。而且，各碳纳米管4...要露出了从金属衬底1A等表面上伸出适当尺寸。
溶解液也可以是能一起溶解金属衬底1A和金属膜111a的溶解液，并且，也可以是分别溶解金属衬底1A和金属膜111a的多种溶解液。
说明如图13(b)所示的这种在金属衬底1A两个侧面外露出碳纳米管的构件利用领域。
碳纳米管4作为在电场中发射电子e的物质而闻名，也有用作电子发射电极。
这一发射电子的现象，通常叫做场发射现象，如果给固体表面施加强电场，固体内封闭电子表面的势垒就降低变薄，电子因隧道效应而向真空中发射的现象。尤其是，如果将曲率半径小的物质置于电场中，电荷集中到曲率半径小的尖锐区域，就容易发射电子。在所谓电荷尖端集中现象的放电工程学上这是众所周知的现象。尤其，金刚石结构(diamond structure)的物质具有负性电子亲和力(NegativeElectron Affinity)，有容易发射传导电子的性质。
在这样的金刚石结构物质方面，可以举出象碳纳米管4之类，主要由碳原子构成的物质。该碳纳米管4是直径细小的物质，由于电荷尖端集中现象使碳纳米管4内的电子因库伦力而集中于最靠近正电位的区域。在这里，加到碳纳米管4上的电场大于电子发射阈值时，集中于碳纳米管4曲率半径小的尖端部的部分电子向空间发射。该碳纳米管4是直径数纳米极细的管状物质，即使弱电场下也能发生电子发射。
碳纳米管4的电子发射量与碳纳米管4的温度成正比指数函数式增加。所以，对从碳纳米管4发射很多电子而言，如图14所示需要通过用热源H使碳纳米管4的温度上升以增加碳纳米管4内部电子带有的能量。由于热以非常高速地传导到碳纳米管4中，因而直接热传导给碳纳米管4的场合要比来自热源H的热能经过金属膜111a和金属衬底1A间接地传导到碳纳米管4的场合能够提高电子发射效率。因此，作为电子发射电极的最佳构造，如图14所示，是贯穿电极的方式在该电极的两个侧面外露出碳纳米管4的构造。
如图14所示，用热源H直接地加热伸出金属膜111a侧面配置的碳纳米管4，从露出金属衬底1A侧面配置的碳纳米管4发射电子时，热能很有效地转换为电子动能。为了使碳纳米管4的顶端持续地发射电子，就需要经由金属衬底1A等向碳纳米管4供应电子。所供应的电子就是碳纳米管4发射的电子经由电子收集电极和负载电阻又回到电子发射电极的电子。如果持续重复图14示出的电子发射和电子供应的话，电子将循环起来而没有消耗。该电子通过负载电阻时，电子的动能作为热能向外部发散，而与该发散能量相当的热能由热源H供应，因而遵守能量守恒定律。
例如，可以有效地利用由汽车发动机产生的热能、在焚烧炉燃烧煤炭等时产生的热能等的排放热能作为热源。有效地利用这种排放热能的技术也是为持续地保持地球环境所需要的技术。
[第3实施例]
接着，说明本发明的第3实施例。另外，对于与第1、第2实施例同一部分附加同一标号，而只说明有关不同的部分。
图15是表示本发明第3实施例的碳纳米管制造装置框图。
如图15所示，碳纳米管制造装置3000是由在作为硅层的硅衬底5表面上形成催化剂膜3而形成生长衬底55的催化剂膜形成装置200、利用催化剂膜3的催化作用，在生长衬底55(硅衬底5)上取向生长多个碳纳米管4...的取向生长装置300、对取向生长了碳纳米管4...的顶端部4b侧面蒸镀金属膜111a的金属膜蒸镀装置700、在蒸镀了的金属膜111a上又电镀金属层111b的金属层电镀装置800以及从硅衬底5上分离碳纳米管4...的衬底分离装置600等而构成。
接着，说明在该碳纳米管制造装置3000中的碳纳米管制造方法。
图16是表示本发明第3实施例的碳纳米管制造方法的制造工序流程图，图17是对应图16的各制造工序(步骤)说明图。
如图16所示，第3实施例的碳纳米管制造方法主要由六个工序(六个步骤)：预备硅衬底5的生长衬底准备工序(S301)、在硅衬底5表面上形成催化剂膜3的催化剂膜形成工序(S302)、一边取得构成形成了催化剂膜3的催化剂粒子作为核，一边在硅衬底5表面上取向生长碳纳米管4...的取向生长工序(S303)、对取向生长了碳纳米管4...的顶端部4b侧面蒸镀金属膜111a的金属膜蒸镀形成工序(S304)、作为金属层形成工序又在蒸镀后的金属膜111a上电镀金属层111b的金属层电镀工序(S305)以及从硅衬底5上分离碳纳米管4...的衬底分离工序(S206)而构成。
在步骤S301的生长衬底准备工序，如图17(a)所示，是进行形成碳纳米管4...的准备硅衬底5的工序。
硅衬底5是，例如由n型硅构成的板状构件。
在步骤S302的催化剂膜形成工序，如图17(b)所示，是用催化剂膜形成装置200在硅衬底5表面上形成催化剂膜3而形成生长衬底55的工序。
在步骤S303的取向生长工序，如图17(c)所示，是用取向生长装置300在生长衬底55的硅衬底5表面上取向生长碳纳米管4...的工序。
碳纳米管4...是用图2所示的取向生长装置300取向生长形成的。
另外，在取向生长工序中使碳纳米管4...取向生长的方法与第1实施例的步骤S104大致同样，取向生长装置300是同样的装置，所以省略说明。
在步骤S304的金属膜蒸镀工序，如图17(d)所示，是用金属膜蒸镀装置700对碳纳米管4...的顶端部4b侧面蒸镀金属膜111a。金属膜蒸镀装置700是与催化剂膜形成装置200同样的装置，例如，真空蒸镀装置、分子束蒸镀(MBE)装置、离子喷镀装置、离子束蒸镀装置、溅射装置以及电镀装置。
而且，金属膜蒸镀装置700对碳纳米管4...的顶端部4b侧面蒸镀厚度数nm～数百nm例如，铝、镍、铜的金属膜111a。
在步骤S305的金属层电镀工序，如图17(e)所示，是用金属层电镀装置800又在蒸镀了的金属膜111a上电镀金属层111b的电镀工序。金属层电镀装置800可应用通常的电镀装置。
而且，将硅衬底5(在表面上形成了碳纳米管4...的侧面蒸镀了金属膜111a的硅衬底5)浸渍在例如，金属层电镀装置800的电镀槽中贮存的镀铜用溶液(配比为例如，硫酸铜(CuSO4)50克、硫酸(H2SO4)12.5cc、水(H2O)225cc、氯化钠(NaCl)微量)里，给该金属膜111a表面镀上厚度数nm～数百nm的金属层111b(例如，由铜构成的金属层)。在本实施例，对浸入40～50℃的镀铜用溶液中硅衬底5的金属膜111a进行1小时，通过0.05～0.1A电流密度的电镀处理，形成了金属层111b。
另外，用金属层电镀装置800进行的电镀不只限于镀铜，也可以用金、铟、银、镍合金(纯Ni、Ni-Fe系、Ni-Cr系、Ni-Cu系)、钴合金(纯Co、Co-Ni系、Co-Cr系、Co-Fe系)、铁合金(纯Fe、Fe-Cr系、Fe-Ta系)、铝合金(纯铝、Al-Cu系、Al-Ti系、Al-Nd系)等金属进行的电镀。
在步骤S306的衬底分离工序，如图17(f)所示，是用衬底分离装置600从硅衬底5上分离碳纳米管4...，在金属衬底(金属膜111a、金属层111b)上配设碳纳米管4...的工序。
就从硅衬底5上分离碳纳米管4...的方法来说，除第2实施例中说过的方法外，例如，还有使大电流流过硅衬底5将硅衬底5升到高温，使碳纳米管4...容易剥离的方法、通过超声波作用于硅衬底5使碳纳米管4...容易剥离的方法等。
这样，在由金属膜111a和金属层111b构成的金属衬底上嵌入的碳纳米管4...，例如，直径为数nm～数十nm，长度为1μm～数十μm，形成了100万～100亿根/mm2左右。
即使这样的装置、方法，也都与第1、第2实施例同样，能够适合形成碳纳米管4。而且，能够在金属衬底上取向性良好地配设碳纳米管4...。
另外，通过图17(e)所示的金属层电镀工序，对形成了金属层111b的硅衬底5再次用取向生长装置300生长碳纳米管4也行。
[第4实施例]
接着，说明本发明的第4实施例。另外，对于与第1到第3实施例同一部分附加同一标号，而只说明有关不同的部分。
图18、图19是本发明第4实施例的碳纳米管制造工序的说明图。
如图18、图19所示，第4实施例的碳纳米管制造方法是把在本发明第3实施例中制成的，由图17(f)所示的金属膜111a和金属层111b构成的金属衬底上配设了碳纳米管4...的碳纳米管衬底(CNT衬底)作为基础制造碳纳米管，以便制造更多CNT衬底的方法。
图18(a)是在第3实施例制成的CNT衬底。
将该CNT衬底装在取向生长装置300的规定位置(电场发生装置20的阴极电极23上)，作为第2取向生长工序从CNT衬底上配设了碳纳米管4...的顶端部起再取向生长碳纳米管4...(参照图18(b))。
接着，与第2实施例的金属膜蒸镀工序(参照图12(d))同样，例如，用金属膜蒸镀装置，作为第2金属层形成工序在碳纳米管4...侧面周围和金属膜111a表面上蒸镀金属层111b(参照图18(c))。
进而，用取向生长装置300取向生长碳纳米管4...(参照图18(d))，在该碳纳米管4...的侧面周围和金属层111b表面上用金属膜蒸镀装置蒸镀金属层111b(参照图18(e))。
这样，通过重复取向生长碳纳米管4...和蒸镀金属层111b，如图19(f)所示，使碳纳米管4...取向生长得更长，同时形成由厚金属层111b覆盖的CNT衬底状物体。
借助于具有金刚石刀具的切断装置，把图19(f)中所示的CNT衬底状的厚金属层111b部分与碳纳米管4的取向生长方向相垂直地切断成规定厚度(参照图19(g))。
其次，例如，用金属层除去装置，除去规定厚度的图19(g)中所示切断片的金属层111b切断面一侧，金属层除去装置是例如溶解金属层111b的装置，用金属层除去装置内贮存的金属层溶解液(例如，盐酸、硝酸、硫酸等)溶解金属层111b。
通过溶解除去规定厚度部分金属层111b，从金属层111b中露出规定长度碳纳米管4...(参照图19(h))。
这样，就能够形成由碳纳米管4...从金属层111b中伸出规定长度的金属层111b和碳纳米管4...而构成如图19(h)所示的CNT衬底。
这样，在由金属层111b构成的金属衬底上嵌入的碳纳米管4...，例如，直径为数nm～数十nm，长度为1μm～数十μm，形成了100万～100亿根/mm2左右。
即使这样的方法，也都与第1到第2实施例同样，能适合形成碳纳米管4。而且，能够在金属衬底上取向性良好地配设碳纳米管4...。
特别是，以金属衬底(金属膜111a、金属层111b)上配设了碳纳米管4...的CNT衬底为基础，通过重复取向生长碳纳米管4...和蒸镀(层叠)金属层111b，能够形成更多的CNT衬底(由金属层111b和碳纳米管4构成的CNT衬底)。
并且，在制造工序中不需要高价的硅衬底，因而能够降低制造成本。
而且，也不需要用溅射装置等催化剂膜形成装置形成催化剂膜的工序，因而能够降低制造成本。
特别是，通过应用如图19(f)所示的CNT衬底状结构，可以制造混入非常长碳纳米管4...的铜线(由铜构成金属层111b时)。采用在该铜线(导线)的输电方向取向性良好地配设碳纳米管4...的办法，可制成超低电阻的导线，成为能够大幅度地降低电力传输损耗的导线。
另外，用金属层除去装置溶解图19(g)所示切断片的金属层111b切断面侧时，如图19(h)所示，不只是限于溶解一个切断面侧，如图19(i)所示，也可以溶解金属层111b的两个侧面，贯穿金属层111b而成为该金属层111b的两个侧面都露出碳纳米管4的CNT衬底构造。
这样以来，如果采用本发明碳纳米管的制造装置和制造方法，就能够高生产率地制造取向性优良的碳纳米管4...。该碳纳米管的制造装置即使是使用甲醇作为碳纳米管4...的原料，在防止甲醇爆炸、着火方面，也容易进行装置的维护管理。
以上的实施例中，虽以甲醇为例说明了作为原料的有机物，但本发明不只是限于此，有机物只要是含碳(C)的有机物就行，也可以使用例如，乙醇、1-丁醇、1-辛醇等。
按照使用的有机物种类，可以形成各种各样的种类、形状的碳纳米管。
当然其它关于具体的构造细节等也能适当改变。
例如，生长碳纳米管时，为了去掉因场所不同而造成的生长不均匀性，也可以转动生长衬底。
又例如，不是以惰性气体(氩)置换装置内的被置换气体，而是以氮气进行置换也行。
按照使用本发明碳纳米管制造装置的碳纳米管制造方法，在气相中通过电场的作用沿电场方向生长碳纳米管，能够制造取向性良好的碳纳米管。所以，比起把硅衬底浸渍到现有的乙醇溶液中形成碳纳米管来更容易维护管理，能够制造取向性良好的碳纳米管。
借助于取向性良好排列的多个碳纳米管，就可能给几乎全部的碳纳米管长度方向加上电场，使电场集中于碳纳米管的顶端，电子局部地集中那里。而且，从碳纳米管的顶端能够高效率地发射电子，能够提高电子的发射效率。
因此，可以用作从碳纳米管发射电子的电子发射电极，使电子发射电极发射的电子循环就可能应用于产生电流的发电装置里。

Claims (10)

1.一种碳纳米管制造装置，具备在生长衬底上大体垂直地取向生长多个碳纳米管的取向生长装置，其特征是
所述取向生长装置具备：
使规定含碳化合物的气化气体离化的离化装置；
发生电场的电场发生装置；以及
加热配置在用所述电场发生装置发生的电场内的所述生长衬底的加热装置，
构成是通过使由所述离化装置离化了的所述含碳化合物的气化气体通过用所述电场发生装置发生的电场内，使所述含碳化合物的气化气体与所述生长衬底接触。
2.按照权利要求1所述的碳纳米管制造装置，其特征是所述生长衬底是在有硅或硅化合物的硅层表面上形成了催化剂膜的衬底。
3.按照权利要求1或2所述的碳纳米管制造装置，其特征是
所述离化装置具备负离子发生器，
用所述负离子发生器向所述含碳化合物的气化气体提供电子，使所述含碳化合物的气化气体带负电荷。
4.按照权利要求1～3任何一项所述的碳纳米管制造装置，其特征是具备：
在规定的金属衬底表面上形成生长膜，在所述生长膜表面上形成催化剂膜而形成所述生长衬底的生长衬底形成装置；
用所述取向生长装置取向生长碳纳米管后，除去所述生长膜的生长膜除去装置；以及
使所述金属衬底熔解，在所述金属衬底表面上配设的所述碳纳米管的一端部埋设在所述金属衬底内，而后，使所述金属衬底固化的衬底形成装置。
5.按照权利要求1～3任何一项所述的碳纳米管制造装置，其特征是具备：
在硅衬底表面上形成催化剂膜而形成所述生长衬底的生长衬底形成装置；
用所述取向生长装置取向生长碳纳米管后，在熔解了的金属内插入所述碳纳米管顶端部，而后，使所述金属固化而形成金属衬底的金属衬底形成装置；以及
从所述硅衬底上分离所述碳纳米管的分离装置。
6.一种碳纳米管制造方法，其特征是具备：
在规定的金属衬底表面上形成生长膜的生长膜形成工序；
在通过所述生长膜形成工序形成的所述生长膜表面上形成由规定催化剂构成催化剂膜的催化剂膜形成工序；
使构成通过所述催化剂膜形成工序形成的所述催化剂膜的所述催化剂与规定含碳化合物的气化气体催化反应，介以所述生长膜而在所述金属衬底表面大致垂直地取向生长多个碳纳米管的取向生长工序；
除去所述生长膜，在所述金属衬底表面上配设通过所述取向生长工序取向生长了所述碳纳米管的生长膜除去工序；以及
熔解所述金属衬底，在所述金属衬底表面上配设了的所述碳纳米管一端部埋设在所述金属衬底内，而后，使所述金属衬底固化的衬底形成工序。
7.一种碳纳米管制造方法，其特征是具备：
在规定的生长衬底表面上形成由规定催化剂构成的催化剂膜的催化剂膜形成工序；
使通过所述催化剂膜形成工序形成了构成所述催化剂膜的所述催化剂与规定的含碳化合物的气化气体催化反应，在所述生长衬底表面上大体垂直地取向生长多个碳纳米管的取向生长工序；
熔解规定的金属衬底，向熔解了的所述金属衬底内插入通过所述取向生长工序取向生长了的所述碳纳米管顶端部，而后，使所述金属衬底固化的碳纳米管嵌入工序；以及
从所述生长衬底上分离所述碳纳米管的衬底分离工序。
8.一种碳纳米管制造方法，其特征是具备：
在规定的生长衬底表面上形成由规定催化剂构成催化剂膜的催化剂膜形成工序；
使通过所述催化剂膜形成工序形成了构成所述催化剂膜的所述催化剂与规定含碳化合物的气化气体催化反应，在所述生长衬底表面上大体垂直地取向生长多个碳纳米管的取向生长工序；
在通过所述取向生长工序取向生长成的所述碳纳米管顶端部侧面蒸镀规定金属膜层的金属膜蒸镀工序；
在通过金属膜蒸镀工序形成了的金属膜上形成规定金属层的金属层形成工序；以及
从所述生长衬底上分离所述碳纳米管的衬底分离工序。
9.按照权利要求8所述的碳纳米管制造方法，其特征是具备：
在所述衬底分离工序中使从所述生长衬底上分离后的所述碳纳米管取向生长的第2取向生长工序；
在通过所述第2取向生长工序取向生长了的所述碳纳米管侧面和埋设了的所述碳纳米管后端部所述金属膜的表面上形成规定金属层的第2金属层形成工序；
在与所述碳纳米管取向生长方向交叉的方向切断通过所述第2金属层形成工序形成并层叠的所述金属层，形成规定厚度切断片的金属层切片工序；以及
在所述碳纳米管取向生长方向除去规定量的通过所述金属层切片工序形成的所述切断片金属层，露出规定量的所述碳纳米管的金属层除去工序。
10.按照权利要求6～9任何一项所述的碳纳米管制造方法，其特征是所述取向生长工序具备：
使规定含碳化合物的气化气体离化的离化工序，
通过所述离化工序使电场作用于离化了的所述含碳化合物气化气体的电场作用工序，以及
加热所述金属衬底或所述生长衬底的加热工序，
在所述电场作用工序中，以电场作用于离化了的所述含碳化合物的气化气体，使所述含碳化合物的气化气体接触所述金属衬底或所述生长衬底，在所述金属衬底或生长衬底的表面上大体垂直地取向生长多个碳纳米管。
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