JP2002524725A - 延在する導電体間のトンネル電流を用いた測定 - Google Patents

延在する導電体間のトンネル電流を用いた測定

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JP2002524725A JP2000569178A JP2000569178A JP2002524725A JP 2002524725 A JP2002524725 A JP 2002524725A JP 2000569178 A JP2000569178 A JP 2000569178A JP 2000569178 A JP2000569178 A JP 2000569178A JP 2002524725 A JP2002524725 A JP 2002524725A
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ミハレウィッチ,マレック,タデウス
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    • GPHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び/又は監視するための装置であって、前記それぞれの要素と関連するようになっている一対の長い導電体(10、11)と、前記導電体の間に電気的ポテンシャルの差を与えることで、その間に検出可能な量子的トンネル電流が発生するように、前記導電体を相互に離隔させて配置する手段(12、13、18)とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 <発明の分野> この発明は、例えば、回転または角度の分離または変位、振動、直線的な分離
または移動、位置合わせおよび位置合わせ不良等、細密な相対的位置または変位
の正確な測定およびモニタリングに関する。限定的ではないが、当然、重要なの
は角度の測定である。
【0002】 <背景技術> 角度の超精密測定のために設計された公知の装置としては、オートコリメータ
、回折に基づくシステムおよびギアに基づくシステムが含まれる。オートコリメ
ータは、例えば、直線性、平面度、直角度および平行度を順番に決定するために
、角偏差の測定を用いる。最近の形態のものは、レーザダイオード光源およびビ
ームスプリッタを用い、角変位の正確な測定のために、接眼視認システムにおい
てマイクロメータを取り込んでいる。典型的な最良の精度は、160秒(arcsec
ond)の測定範囲について、0.2秒である。
【0003】 公知のゴニオメータ式機器においては、一対の放射状格子が同時に同速度にて
回転し、一対の読み取りヘッドによってスキャンされる。これらのうち一方は固
定され、他方は測定されるべき角度を通じて移動する。結果として生じた二つの
信号の間の相対的な位相変化は、移動可能な読み取りヘッドの、固定ヘッドに対
する回転を指示するものである。達成される精度は、0.1秒であるといわれる
【0004】 このような従来の装置は比較的高価であり、典型的に割と大きな機器である。
これらは、しばしば、例えば回折計等の他の科学的な機械の主要な部分を形成し
、ここでは、角度の精密な測定が機器の解像度および品質を決定する。
【0005】 角測定の精度は、Zhang et al. “Improving the Accuracy of Angle Measure
ment System with Optical Grating”, Annals of the CIRP Vol 43, No.1 (199
4)の主題である。この論文は、正弦関数透過率および他の拡張機能を備えたイン
デクス格子の使用を提唱し、プロトタイプの機器にて0.2秒の精度を報告する
【0006】 本発明の目的は、公知の機器および技術により達成されるものよりも好ましく
は優れた満足のいく精度におよぶような、角度、直線またはその他の相対的な位
置または変位の細密な測定およびモニタリングを提供することにある。
【0007】 <発明の概要> 本発明は、従来用いられてきたものとはかなり異なるアプローチを提唱するも
のであり、好ましくはナノ単位の寸法の二つの近接した導電体の間の量子的なト
ンネル電流のモニタリングを必要とする。好適な実施形態においては、直線状に
配された導電体の二つのアレイを用いることができ、これらは、好都合には、カ
ーボンナノチューブであってもよい。
【0008】 したがって、本発明は、第一の態様においては、二つの要素の相対的な位置ま
たは変位を測定および/またはモニタリングする方法を提供するものであり、 延在する導電体のそれぞれに対して要素を関連づけ; 導電体を、好ましくは、相互に分離して、おおよそ直線状とし、検出可能な量
子的トンネル電流がそれらの間に存在するように、電位差を印加し;そして 前記量子的トンネル電流を検出および/または測定することを含む。
【0009】 好ましくは、最大の量子的トンネル電流が検出されるような位置を決定するた
めに、導電体の相対的な位置が調整される。
【0010】 第二の態様においては、本発明は、二つの要素の相対的な位置または変位を測
定および/またはモニタリングするのに用いるための装置を提供する。装置は、
それぞれの要素と関連づけられるのに適した一対の延在する導電体と、導電体間
に電位差を印加した際に、検出可能な量子的トンネル電流(quantum tunneling
current)がそれらの間に生成されうるように、導電体を、好ましくは相互に平
行な関係にてほぼ直線状に、相互に分離された状態に配置するための手段とを含
む。
【0011】 装置は、さらに、前記電位差を印加するための手段と、導電体間の量子的トン
ネル電流を検出および/または測定するための手段とを含みうる。
【0012】 好ましくは、装置は、さらに、最大の量子的トンネル電流が検出されるような
位置を決定するために、導電体の相対的な位置を調整するための手段を含む。
【0013】 位置または変位は、回転または角度の分離または変位、振動、直線的な分離ま
たは移動、位置合わせおよび位置合わせ不良の一つまたはそれ以上であってもよ
い。
【0014】 好ましくは、導電体は、幅1ミクロンまたはそれ以下であり、例えば、一また
はそれ以上の実施形態において、ナノオーダーないしサブミクロンの範囲の幅で
ある。後者の場合、導電体は、任意のヘリシティもしくは半径のカーボンナノチ
ューブ、カーボンモノフィラメントの単層または多層のいずれか、またはナノワ
イヤであってもよい。代わりに、導電体は、例えば、ミクロンないしサブミクロ
ン単位の疑似一次元の導電体であってもよい。いくつかの実施形態においては、
導電体は、長さが1mmまたはそれ以下であってもよい。
【0015】 導電体は、絶縁性または半導体性のサブストレート中にまたはその上に、好ま
しくはサブストレートの表面と同一平面となるように取り付けられることによっ
て、前述の要素と関連づけられうる。サブストレートは、例えば固体または結晶
面であってもよい。導電体は、近接表面上のそれぞれの原子的段差(atomic ste
p)に沿って配置してもよい。
【0016】 好都合には、導電体は、それぞれ、好ましくは例えば単一供給のリード線(si
ngle supply lead)を通じて並列に結線されて並べられたグリッド(ordered gr
id)または導電体のセグメントのアレイに配置される。これらのグリッドまたは
アレイは、相補的であり、検出可能な量子的トンネル電流を得るべく導電体セグ
メントを十分な近接に置くために重ねられる。
【0017】 ここで、本発明について、添付の図面に関して、例示のみによりさらに説明す
る。 図1の実施形態において、ナノないしサブミクロン寸法の範囲の幅の、ナノ寸
法の延在する電気伝導性のワイヤ10、11はそれぞれ、それぞれの絶縁性メジ
ウムのサブストレート12、13に、同一平面となるように埋め込まれる。この
場合、導電体間を渡って電位差が電位源26によって印加されたときに、これら
の間に、適切な検出回路27において検出可能な量子的トンネル電流100が存
在するように、ワイヤは、2〜50オングストロームの範囲内の分離またはギャ
ップ18にて実質的に直線状且つ平行な関係に重ね合わされる。
【0018】 具体的に実施するための好適な技術は、電子ビームナノリソグラフィーであり
、整列された導電性のワイヤを半導体サブストレート上に描画することができる
。これは、例えば、「微小構造及び微小デバイスの物理と製作(The Physics an
d Fabrication of Microstructures and Microdevices)」(Kelly & Weisbuch
編、Spring-Verlag、1986)なるテキストの論文、ウイルキンソンら「電子
ビームナノリソグラフィー」(Wilkinson et al, "Electron Beam Nanolithogra
phy")に記載されており、半導体サブストレート上にある1組の平行なGaAs
導線を記載及び図示している。デバイスの実用的な応用にあっては、サブストレ
ート又はプレート12、13は、それぞれのエレメントと組み合わされあるいは
結合されており、エレメントの変位又は位置は測定されあるいはモニタされるこ
ととなる。
【0019】 一般に、トンネル電流100は、一対の相隣り合う電極(すなわち導電体)上
の状態の局所密度の積に比例する。あるいは言い換えると、両方の電極上の状態
間におけるトンネル行列要素の自乗の和に比例する。それはまた、トンネルポテ
ンシャルと電極曲線の鋭敏な関数でもある。さらに、量子的トンネル電流は、量
子波動関数が導電体表面の外側では指数関数的に減衰するために、導電体の間の
間隔に極めて大きく依存する。そして、検出電流は一対の交差するナノチューブ
の間の相対角度の関数となるであろう。本発明は前記指数関数的及び角度の関係
を利用しており、トンネル電流100の検出値は、前記導電体の長手方向に対向
する表面部分が離れて移動して、回転方向の及び/又は並進的な不整合が増大す
ると(あるいは減少しても)急激に変化する。
【0020】 より詳細には、ギャップ18に好適なシュレーディンガー波動関数は、Kiejna
& Wojciechowski「金属表面の電子物理(Metal Surface Electron Physics)」
(Pergamon、(1996))に見られる。波動関数の分析から、量子的トンネル
電流は、量子波動関数が導電体表面の外側では指数関数的に減衰するために、導
電体の間の間隔に極めて大きく依存し、検出電流は一対の交差するナノ導電体の
間の相対角度の関数となるであろうことが証明されている。
【0021】 整列され対向している導電体表面セグメントの間のギャップ18は、2〜50
オングストロームの範囲にあることが適当と考えられ、より好ましくは2〜20
オングストロームである。導電体セグメントは、サブストレート上に揃えて配置
することが実用的に可能であればいかなる長さであってもよい点で便宜であり、
例えば1μmないし10−2mの範囲の導線が取り付けられている。
【0022】 ギャップ18は部分的に真空であってもよく、あるいは適当な媒体で満たして
もよい。ギャップ18を正確に維持するのに好適な構成には、バッキーボール(
60)ナノベアリング20、22を用いたり、有機媒体の分離フィルム、好ま
しくは例えばシクロヘキサン(以下に詳述する)等の有機潤滑体を介設させたり
する。後者は、平行な微小分離を厳密に維持するのに特に効果的な手法であると
考えられている。
【0023】 調整手段としては、既知のタイプの圧電素子保持器があり、ナノレベルの寸法
で調整するのに好適である。
【0024】 前記の効果は、導電体がカーボンナノチューブのように円筒形である場合、さ
らに拡張される。グリッドあるいはアレイの場合、前記導電体セグメントが平行
に結合されていれば、増幅効果が生じ、電流測定が可能となるであろう。しかし
、ラインが独立した接続を有していれば、サンドイッチを形成するグリッドは、
点「キャパシタ」の二次元アレイとして機能することが可能となるであろう。そ
の点キャパシタは、それぞれ独立してオンオフ切換が可能であり、トンネル井戸
の「ピクセル化された」アレイを形成する。
【0025】 トンネル電流100は、アスペクト比(導電体セグメントの間隔に対する長さ
)に応じて1以上の位置で最小値を示し、2つのグリッド/アレイの導電体セグ
メントが完全に整列したときに最大値を示す。
【0026】 図3は代替実施例を示し、導電体は、絶縁性媒質のサブストレート12’、1
3’上に堆積された複数の平行なナノチューブ10a、10b、10c、11a
、11b、11cを含む。
【0027】 サブストレート上に1組の整列されたナノチューブを形成する手順は、例えば
、Chauvet et al, Physical Review B52, 52 (1995)、de Heer et al, Science
268, 845 (1995)、及びKiang et al, Carbon 33, 903-914 (1995)に記載されて
いる。
【0028】 単一壁ナノチューブの性質は、例えば、Iijima, Nature 354, 56-58 (1991)、
及びIijima et al, Nature 363, 603-605 (1993)に記載されている。種々のタイ
プのカーボンナノチューブは、Ostling et al, Physical Review B, 55, 55 (19
97)に記載されている。
【0029】 本発明に好適な平行導電体セグメントを有するグリッドの製造手法としては特
に、ナノチューブ又は他のナノオーダーの寸法の導電体を、主面(primary plan
e)に対してある角度で結晶をスライスすることにより作成して形成された近接
表面の原子的な段差上に、エピタキシャル堆積させるものがある。導電体セグメ
ントの分離は規則的であったり不規則であったりしてもよいが、もっとも好まし
いのは平行であることである。図5は、図3の実施例の変形例を示しており、ナ
ノチューブは段差のついた近接表面上に連続する原子的段差14、15で図示の
ように堆積されている。
【0030】 図2及び4は、ナノチューブでない場合、ミクロン、サブミクロン、又はナノ
オーダーの寸法を有する導電体の配列がそれぞれサブストレート212の内部あ
るいはその上にある1つの配列の導電体210とともに配置されており、サブス
トレート213の内部あるいはその上にある他の配列の導電体211に向けほぼ
直角に延在している。直角ではなく、角度の関係としては、他の角度、例えば菱
形又は偏菱形の二次元格子を形成するような角度であってもよい。好ましくは多
数の導電体ラインを利用するこのような構成の一応用例にあっては、交点(cros
s-over point)250の組が人工的散乱格子を形成し、サンドイッチ構造に平行
に入射した原子のビームを導電体配列間のスペース218の内部へ効果的に散乱
させるであろう。各ラインが独立して電気的に接続されれば、すなわち、それら
が電気的に並列でなければ、原子に対する二次元的な「ピンボールゲーム」の相
似形であるピクセル化された配列が存在することとなり、あらかじめ定義された
散乱中心を持つことであろう。
【0031】 散乱格子の一変形にあっては、格子を形成し前記交点に又は交点の間に一次元
の領域を生成する磁気要素の配列をさらに含んでもよい。
【0032】 図6は他の実施例であって、各サブストレート312、313は、原子的に平
滑で劈開したばかりのマイカであり、導電体310、311は金のオーバーレイ
330、331をエッチングし、次いでラングミュア−ブロジェット・プロセス
によって単分子層を適用して隙間の溝を充填することにより形成される。2つの
アレイは、以前と同様に、外側の熱収縮ラップ340により保持されるシクロヘ
キサン等の好適な有機潤滑膜318によって分離することができる。
【0033】 例示されているデバイスは、有効な電気機械的ナノデバイスである。一方では
、これらを応用して、微視的及び巨視的レベルでの角度、回転角度、回転速度、
及び整列又は整列不良を測定することができる。例えば、回転速度は、単位時間
あたりの電流最大値の数を測定して得ることができる。20度近辺の動作角度域
にわたって、角度にして0.01秒オーダーの精度は可能であると考えられる。
【0034】 あるいは、例示されているデバイスは、相対的な直線位置、あるいは平行移動
を測定したり監視したりするのに利用することもできる。図3、5、及び6の実
施例における一方のサブストレートが他方に対して平行移動すれば、トンネル電
流100には一連の非常にシャープなピークが観察されるであろう。横切った距
離は、観察されたピークの数と、導電体間の間隔との積で与えられることとなる
。分解能は導電体の幅のオーダーであり、現在利用可能なナノリソグラフィーの
技術では約200オングストロームであるが、ナノチューブを用いると約10〜
30オングストロームである。
【0035】 回転方向の及び並進的な効果は、例えば地震記録計のように、振動の監視と測
定とのいずれにも寄与することとなろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明にかかるナノ寸法の装置の第一実施形態の一部断
面図であり、それぞれの導電体はおおむね直線状であり、電気接続は模式的に描
かれている。
【図2】 図2は、図1の実施形態の変更例であり、導電体は実質的に直角
にある。
【図3】 図3は、複数のナノチューブ導電体を利用した実施形態の、図1
に類似した図である。
【図4】 図4は、図3の実施形態の変更例の、図2に類似した図である。
【図5】 図5は、特定の方法にて形成された、図3の実施形態の変形を描
いたものである。
【図6】 図6は、エッチングされた導電性のオーバーレイと、ラングミュ
ア‐ブロジェット技術が適用されたフィルムとを利用した本発明のさらなる実施
形態の、図1および3に類似した図である。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年8月25日(2000.8.25)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CR, CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI,G B,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL ,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ, LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,M G,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT ,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL, TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,V N,YU,ZA,ZW

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び/又は監視す
    るための装置であって、 前記それぞれの要素と関連付けられるようになっている一対の延在する導電体
    と、 前記導電体の間に電気的ポテンシャルの差を与えることで、その間に検出可能
    な量子的トンネル電流が発生するように、前記導電体を相互に離隔させて配置す
    る手段とを有する装置。
  2. 【請求項2】 前記導電体の相対位置を調整して最大の量子的トンネル電流
    が検出される位置を決定する手段をさらに備える請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】 前記調整手段は、1以上の圧電素子保持器を備えている請求
    項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】 前記延在する導電体は、実質的に互いに平行となる関係で整
    列されている請求項1、2、又は3に記載の装置。
  5. 【請求項5】 前記延在する導電体は、導電体セグメントの並べられたグリ
    ッド又はアレイにそれぞれ配置されており、そのグリッド又はアレイは相補的に
    かつ重ね合わされて前記導電体セグメントが検出可能な量子的トンネル電流を得
    るために十分な近さに配置される、先行するいずれかの請求項に記載の装置。
  6. 【請求項6】 前記各グリッド又はアレイの導電体セグメントは実質的に平
    行であるが、その他の一又は複数のグリッド又はアレイの導電体セグメントとは
    ある角度をなして配列されている請求項5に記載の装置。
  7. 【請求項7】 前記各グリッド又はアレイの導電体セグメントは、電気的に
    並列に結線されている請求項5又は6に記載の装置。
  8. 【請求項8】 前記延在する導電体は、ミクロンからナノオーダーの寸法で
    ある、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
  9. 【請求項9】 前記延在する導電体は、カーボンナノチューブ、又はナノワ
    イヤ、あるいはミクロンからサブミクロンの疑似一次元導体である請求項8に記
    載の装置。
  10. 【請求項10】 前記導電体は、それぞれの絶縁性又は半導体性サブストレ
    ートの内部又はその上に取り付けられることによって前記要素と関連付けられて
    いる、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
  11. 【請求項11】 前記導電体は、各々のサブストレートの表面と同一平面上
    にある請求項9に記載の装置。
  12. 【請求項12】 前記各導電体は、サブストレートを与える近接表面上のそ
    れぞれの原子的段差に沿って配設される、先行する請求項のいずれかに記載の装
    置。
  13. 【請求項13】 前記延在する導電体は、絶縁性又は半導体性サブストレー
    ト上にある一体的な導電層のそれぞれのセグメントを備えている請求項1から8
    までのいずれかに記載の装置。
  14. 【請求項14】 前記セグメントは絶縁性媒質の膜又はフィルムによって分
    離及び/又は重ね合わされている請求項13に記載の装置。
  15. 【請求項15】 前記導電体の対向する表面セグメント相互の分離は2〜5
    0オングストロームの範囲にある、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
  16. 【請求項16】 前記導電体の対向する表面セグメント相互の分離は2〜2
    0オングストロームの範囲にある、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
  17. 【請求項17】 前記導電体は、長さが10−6〜10−2mの範囲にある
    1以上の導電体セグメントの中にある、先行する請求項のいずれかに記載の装置
  18. 【請求項18】 前記相互に離隔させて前記導体を配設する手段は、介挿フ
    ィルム及びそのフィルムを包囲する手段を含む、先行する請求項のいずれかに記
    載の装置。
  19. 【請求項19】 前記介挿フィルムは、有機媒質のフィルム、例えば有機溶
    剤である請求項18に記載の装置。
  20. 【請求項20】 前記導電体を相互に離隔して配設する手段は、ナノチュー
    ブ又はバッキーボール(C60)ベアリングを備えている、先行する請求項のい
    ずれかに記載の装置。
  21. 【請求項21】 前記測定及び/又は監視された位置又は変位は、回転の又
    は角度の分離された変位、振動、直線的な分離又は平行移動、整列及び整列不良
    の一つ以上である、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
  22. 【請求項22】 前記延在する導電体は、導電体セグメントの並べられたグ
    リッド又はアレイそれぞれに配置され、それにより各アレイの交点が静電的な散
    乱井戸を画成している、先行する請求項のいずれかに記載の装置。
  23. 【請求項23】 前記の格子は、そのグリッドを形成するとともに、前記交
    点においてあるいはその間に1次元の領域を生成する磁気要素のアレイをさらに
    含んでいる請求項22に記載の装置。
  24. 【請求項24】 前記電気的ポテンシャルの差を与える手段と、前記導電体
    間の量子的トンネル電流を検出及び/又は測定する手段とをさらに備えている請
    求項1〜23のいずれかに記載の装置。
  25. 【請求項25】 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び/又は監視
    する方法であって、 前記要素を延在する導電体にそれぞれ関連付け、 前記導電体を相互に離隔させて配置し、その間に検出可能な量子的トンネル電
    流が発生するように、それら導電体の間に電気的ポテンシャルの差を与え、 前記量子的トンネル電流を検出及び/又は測定する方法。
  26. 【請求項26】 さらに前記導電体の相対位置を調整して最大の量子的トン
    ネル電流が検出される1以上の位置を決定する請求項25に記載の方法。
JP2000569178A 1998-09-07 1999-09-07 延在する導電体間のトンネル電流を用いた測定 Pending JP2002524725A (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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