JP2004168617A

JP2004168617A - 多層筒状炭素構造体及びその製造方法ならびに電子装置

Info

Publication number: JP2004168617A
Application number: JP2002338288A
Authority: JP
Inventors: Yuji Awano; 祐二粟野; Mari Obuchi; 真理大淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】形態を改良された多層カーボンナノチューブを提供すること。
【解決手段】実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体において、最外層の円筒体が、カーボンナノチューブに由来するものであり、かつ少なくとも１個の内層円筒体が、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料の反応に由来するものであり、前記最外層の円筒体とは異なる形態を有しているように構成する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層筒状炭素構造体に関し、さらに詳しく述べると、多層カーボンナノチューブとその製造方法に関する。本発明はまた、かかる多層カーボンナノチューブを配線等に使用した電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、フラーレンの発見から約１５年、そしてカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」とも記す）の発見から約１０年を経過したところであるが、これらのナノカーボンの進歩には目覚しいものがあり、すでに多くの研究成果が報告されている。
【０００３】
概説すると、フラーレンやＣＮＴは、一般的に、レーザーアブレーション（レーザー蒸発）法、アーク放電法又は化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって製造されているが、それぞれに一長一短がある。また、ＣＮＴには、炭素の円筒体が１層だけの単層ナノチューブと、２層以上の炭素の円筒体から構成された多層ナノチューブとがある。一般に多層ナノチューブの方が製造しやすいので、各社あるいは各研究機関が、いろいろなタイプの多層ナノチューブを開発し、報告している。多層ナノチューブの一例が、図１に模式的に示す２層ナノチューブである。２層ナノチューブ１１０は、内層のナノチューブ１１１と、それを取り囲んだ外層のナノチューブ１１２とからなる。かかる２層ナノチューブ１１０の直径は、通常、約２〜５ｎｍのオーダーである。また、図では示されていないが、内層及び外層のナノチューブ１１１及び１１２は、それぞれ、６角形の網目をもったシート（グラファイトシート）を円筒形に丸めたような形態を有している。２層ナノチューブ及びその他の多層ＣＮＴは、導電性、機械的強度などにおいて特異的な性質を示すので、バイオテクノロジー、エレクトロニクス、医療、診断、エネルギーなどの分野において利用価値が大である（非特許文献１を参照されたい）。
【０００４】
従来の多層ＣＮＴは、しかし、図１の模式図からも理解されるように、外層及び内層のナノチューブがそれぞれ長手方向において同じ直径を有している。これは、多層ＣＮＴの製造方法に大きな理由があるものと理解されるが、もしも円筒体の形態を変更できれば、多層ＣＮＴの利用価値を一段と高めることができるであろう。
【０００５】
【非特許文献１】
篠原久典、「量産技術の本質はなにか」、日経サイエンス、２００２年８月、２６〜３１頁。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、したがって、多層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）において、その形態を改良し、その利用範囲を拡大し、かつ利用価値を一段と高めることにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、改良された形態を有するＣＮＴの有利な製造方法を提供することにある。
【０００８】
さらに、本発明の目的は、本発明の多層ＣＮＴを組み込んだ高性能な電子装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の上記したような目的やその他の目的は、以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その１つの面において、実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体において、
最外層の円筒体が、カーボンナノチューブに由来するものであり、かつ
その円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体が、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料の反応に由来するものであり、前記最外層の円筒体とは異なる形態を有していることを特徴とする多層筒状炭素構造体にある。
【００１１】
また、本発明は、そのもう１つの面において、実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体を製造する方法において、
最外層の円筒体をカーボンナノチューブから形成し、かつ
その最外層の円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体を、２種類もしくはそれ以上のカーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料から、前記最外層の円筒体とは異なる形態で形成することを特徴とする多層筒状炭素構造体の製造方法にある。
【００１２】
さらに、本発明は、そのもう１つの面において、実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体を１構成要素として有する電子装置において、
前記炭素構造体の最外層の円筒体が、カーボンナノチューブに由来するものであり、かつ
その円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体が、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料の反応に由来するものであり、前記最外層の円筒体とは異なる形態を有していることを特徴とする電子装置にある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による多層円筒状炭素構造体は、本発明の範囲内でいろいろな炭素構造体を包含できるけれども、典型的には、多層カーボンナノチューブ（多層ＣＮＴ）であり、以下においてもこれを中心に説明する。また、以下、本発明の好ましい実施の形態を添付の図面を参照しながら説明が、本発明は、図示のような２層ＣＮＴに限定されるものではなく、その他の構造の２層ＣＮＴや３層以上の多層ＣＮＴにも有利に適用できることは言うまでもない。
【００１４】
本発明の多層ＣＮＴは、それぞれが実質的に炭素のみからなる、２個もしくはそれ以上の円筒体（チューブ）から構成される。これらの円筒体は、同心円状に配置され、したがって、１つの外側の円筒体（外層もしくは最外層の円筒体）の中に、１個もしくはそれ以上の円筒体（内層円筒体）が入れ子状に挿入されたような構成を有する。なお、かかる多層ＣＮＴは非常に微細であり、その直径は、ナノメートルのオーダー、通常、５０ｎｍ以下、好ましくは約１〜５ｎｍの範囲、さらに好ましくは約１〜３ｎｍの範囲である。必要ならば、１ｎｍを下回る直径も可能である。
【００１５】
本発明の多層ＣＮＴにおいて、その外側を構成する外層円筒体は、カーボンナノチューブからなる。このカーボンナノチューブは、かかる多層ＣＮＴの製造のために予め調製されたものである。すなわち、このカーボンナノチューブは、本発明の多層ＣＮＴの製造途中で形成されたものではない。ここで外層円筒体の形成に使用されるカーボンナノチューブは、特に限定されるものではなく、レーザーアブレーション法、アーク放電法、ＣＶＤ法などの常用の技法に従って製造することができる。カーボンナノチューブの種類やサイズは、目的とする多層ＣＮＴの構成やその他の要件の応じて任意に変更することができる。
【００１６】
本発明に従うと、カーボンナノチューブからなる外層円筒体の内部に、少なくとも１個の内層円筒体が収納される。内層円筒体は、基本的には、外層円筒体のカーボンナノチューブと同様な構成を有しているけれども、外層円筒体のように長手方向にほぼ一定の直径を有するカーボンナノチューブであってはならず、外層円筒体とは異なる形態を有することが必要である。適当な形態としては、内層円筒体が、その一部に直径を異にする部分（狭窄部分；換言すると、外層円筒体の内壁からの距離が大きくなった部分）を有する形態、そのような狭窄部分が繰り返されている形態、分岐した部分を有する形態、そのような分岐部分が繰り返されている形態、長手方向に連続的に直径が変化する部分を有する形態などを挙げることができる。このような本発明に特有な形態を多層ＣＮＴの内層円筒体に導入した結果、得られる多層ＣＮＴにおいて、いままで予想できなかったことであるが、
（１）外層円筒体と内層円筒体間の電気的絶縁性が高まる、
（２）内層円筒体の一部に電荷の閉じ込め領域ができる、
（３）内層円筒体のバンドキャップが周期的に変化することで、超格子としての量子効果が起こる、
（４）内層円筒体に多層のエネルギー障壁ができることで、共鳴トンネル効果の如き量子効果が起こる、
（５）内層円筒体内に電荷を加速もしくは減速するための電界を作ることができる、
などの注目すべき作用効果を具現することができ、よって、多層ＣＮＴの用途を大幅に広げることができ、利用価値も一段と高めることができる。
【００１７】
外層円筒体とは異なる形態を有する内層円筒体は、本発明に従うと、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料を相互に反応させることによって形成することができる。すなわち、原料として使用する炭素材料の種類及び量、反応条件などを任意に変更することによって、目的とする形態をもった内層円筒体を形成することができる。
【００１８】
内層円筒体の形成に使用する炭素材料は、目的とする内層円筒体が得られる限りにおいて特に限定されるものではないけれども、取り扱い性や円筒体の形成性などを考慮した場合、フラーレンもしくはカーボンナノチューブが好適である。すなわち、例えば２種類もしくはそれ以上のフラーレンを相互に反応させることによって内層円筒体を有利に形成することができる。特に、２種類以上の大きさあるいはその他の特性の異なるフラーレンを相互に反応させることによって内層円筒体を有利に形成することができる。また、このフラーレンどうしの相互反応は、本発明に従うと、外層円筒体に使用されるカーボンナノチューブの内部で実施するのがとりわけ有利である。内層円筒体の品質を高くできるからである。
【００１９】
本発明の実施に使用するフラーレンは、置換もしくは非置換のいずれであってもよい。適当なフラーレンの例は、以下に列挙するものに限定されるわけではないけれども、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８４、Ｃ_６０／Ｃ_１３、Ｃ_６０（ＯＨ）_ｎ、Ｃ_６０（Ｈ）_ｎ、Ｃ_６０Ｆ_３６、フラーレン誘導体（金属内包フラーレン）などを包含する。
【００２０】
本発明の多層ＣＮＴにおいて、外層円筒体の内部に収納される内層円筒体の数は、特に限定されるものではなく、通常、１〜１００個の範囲である。製造技術がさらに進歩すれば、さらに多層のＣＮＴも提供できるであろう。
【００２１】
図２は、本発明による多層ＣＮＴの好ましい１形態を模式的に示した断面図である。多層ＣＮＴ１０は、２層構造体であり、内側の炭素質円筒体（内層チューブ）１と、内層チューブ１の外周を取り囲む外側の炭素質円筒体（外層チューブ）２とからなる。内層チューブ１及び外層チューブ２は、内層チューブ１において本発明に従いその長手方向の形態に変化をもたせたという相違点があるが、基本的にはどちらのチューブもカーボンナノチューブからなる。なお、ある部分に形態変化をもたせるには、その部分に６員環以外の構造を含めることで、達成できる。
【００２２】
ここで、本発明に使用し得るカーボンナノチューブについて説明する。
【００２３】
カーボンナノチューブは、その独特の特性から最近注目を浴びている新しい炭素系材料である。カーボンナノチューブは、炭素原子がｓｐ２という最も強い結合で６員環状に組み上げられたグラファイトシートを筒状に丸めた構造を持ち、チューブの先端は５員環を含むいくつかの６員環で閉じられている。チューブの直径はサブナノメートルのオーダーまで微細化でき、最小で０．４ｎｍである。チューブの長さは、現在のところ数ｍｍに達するものまで製作可能である。
【００２４】
カーボンナノチューブには、金属的な性質を示すための条件を満たすバンド構造を取るものと、半導体的（半金属的）な性質を示すための条件を満たすバンド構造を取るものがある。カーボンナノチューブが金属的性質を示すか半導体的性質を示すかには、カーボンナノチューブのカイラリティ（チューブのねじれ方、あるいはグラファイトシートの巻き方）が関与している。図４（ａ）は、金属的性質を示すナノチューブのカイラリティ（アームチェア型と呼ばれる）を示しており、図４（ｂ）は、半導体的性質を示すもの（ジグザグ型と呼ばれる）を示している。また、図４（ｃ）に示した構造はカイラル型として知られるものであり、この場合には、条件により金属的性質を示すことと半導体的性質を示すことがある。カーボンナノチューブのカイラリティは、その製作方法や製作条件などに左右される。
【００２５】
カーボンナノチューブは、その構造が自己組織化によってできあがることから、１本のチューブの径は通常一定である。しかし、本発明の場合、上記したように、チューブの中に別のチューブが入った多層ナノチューブを提供するものであるが、内層チューブは、従来の多層ナノチューブと異なって、径が一定でないことに特徴がある。径のサイズに変化を持たせることで、特有の作用効果を得ることができるからである。
【００２６】
また、それぞれのカーボンナノチューブが異なるカイラリティを示すことを利用して、内側のチューブが半導体的性質を有し、外側のチューブが金属的性質を有する多層構造体を提供することもできる。
【００２７】
さらに、カーボンナノチューブは、上述のようにカイラリティによって電気伝導率が半導体的にも金属的にもなること以外に、ダイヤモンド以上の熱伝導率や、電流密度が１平方センチメートル当たり１０^６アンペアまで流せること、ヤング率が高いこと、水素などの吸蔵効率が高い可能性があること、機械的な強度が大であることなど、数多くの魅力的な物性を備えている。
【００２８】
再び図２を参照して説明すると、内層チューブ１は、図示されるように、その長手方向の途中に、狭窄部Ａを有している。すなわち、内層チューブ１は、その一部において直径が変化している。また、この内層チューブ１において、狭窄部Ａの外壁と外層チューブ２の内壁との間には、大きな間隙ｇ_２が存在している。さらに、狭窄部Ａは、それに隣接して通常の径をもった拡径部Ｂを有している。拡径部Ｂにおいて、その外壁と外層チューブ２の間の間隙ｇ_１は、間隙ｇ_２に比較してかなり小さくなっている。この構造を拡張することで、１本のナノチューブにおいて、長手方向に…ＢＡＢＡＢＡ…の如く、直径の変化領域が周期的に存在する２層ＣＮＴを作ることができる。
【００２９】
図２では、内層チューブ１において狭窄部Ａの両側に拡径部Ｂを配置した例を示した。この例では、例えば、狭窄部Ａ及び拡径部Ｂの長さを、それぞれ、所望に応じて任意に変更することができる。もちろん、それぞれの部分の径も、任意に変更可能である。また、狭窄部Ａ及び拡径部Ｂのそれぞれのカイラリティの違いを利用して金属と半導体を連ねることも可能である。さらに、図示しないけれども、本発明の多層ＣＮＴでは、内層チューブをいろいろに変更することができる。例えば、図示の例で採用されている狭窄部Ａ及び拡径部Ｂの他に、追加の部分、例えば中間的な径をもった中間径部Ｃを設けることもできる。中間径部Ｃを設けることによって、多層ＣＮＴをさらに多様化することができる。例えば、狭窄部Ａ、拡径部Ｂ及び中間径部Ｃの周期パターンについてみると、…ＡＢＣＡＢＣＡＢＣ…、…ＡＡＢＣＡＡＢＣＡＡＢＣ…、…ＡＢＣＣＡＢＣＣＡＢＣＣ…などのように、所望とする効果などに応じていろいろな組み合わせを採用することができる。
【００３０】
また、本発明の多層ＣＮＴでは、その内層チューブをその一部において分岐させてもよく、また、その分岐領域が周期的に存在しているように構成してもよい。
【００３１】
さらに、上記のような分岐形態の一変形例として、図３に示すように、内層チューブ１を中実とし、その一部において中空の領域（キャビティ）１１を配置した２層ＣＮＴ１０を提供することができる。中空領域１１を設けることで、内層チューブ１をチューブ１ａ及び１ｂに分岐させ、分岐領域に特有な効果を得ることができる。なお、図示の例では、内層チューブ１において分岐領域Ａの両側に中実領域Ｂが設けられているが、配置パターンは、追加の領域の存在も含めて、任意に変更可能である。
【００３２】
本発明はまた、上述のような多層ＣＮＴの新規な製造方法にある。本発明による多層ＣＮＴの製造方法は、特に、
（１）外層チューブをカーボンナノチューブから形成すること、
（２）外層チューブの内部に挿入された１個もしくはそれ以上の内層チューブにおいて、その少なくとも１個を、２種類もしくはそれ以上の炭素材料から形成すること、及び
（３）内層チューブを、上記したように、外層チューブとは異なる形態で形成すること、
を特徴とする。
【００３３】
本発明方法は特に、外層チューブを構成すべきカーボンナノチューブの内部で２種類もしくはそれ以上の炭素材料を反応させることによって内層チューブを形成することで、有利に実施できる。また、このようにして内層チューブを形成する場合、２種類以上の大きさの異なるフラーレンを炭素材料として使用するのが有利であるが、短いカーボンナノチューブを用いることもできる。
【００３４】
例えば、図２の２層ＣＮＴ１０において、その内層チューブ１は、小型のフラーレンと大型のフラーレンを、外層チューブ２を形成するためのカーボンナノチューブの内部で相互に反応させることによって、有利に形成することができる。すなわち、内層チューブ１は、図５に順を追って示すようにして有利に形成することができる。
工程Ａ：
外層チューブ形成のためのカーボンナノチューブ２を用意する。
工程Ｂ：
カーボンナノチューブ２の所定の領域に、狭窄部を形成するための小型のフラーレン２１を選択的に挿入する。
工程Ｃ：
カーボンナノチューブ２の空き領域（フラーレン２１を有しない領域）に、拡径部を形成するための大型のフラーレン２２を充填する。
工程Ｄ：
カーボンナノチューブ２の内部に小型のフラーレン２１と大型のフラーレン２２を充填した後、所定の条件下で反応させる。図示のように、図２の２層ＣＮＴ１０を正確な形状及びサイズで得ることができる。
【００３５】
図３の２層ＣＮＴ１０も、基本的には、図５の方法と同様な手順で有利に製造することができる。但し、この２層ＣＮＴ１０の場合、図６（Ａ）に示すように、小型フラーレン２１に代えて微小型フラーレン２３を２列（２回り）で配置することが必要である。カーボンナノチューブ２の内部にフラーレン２２及び２３を予め定められたパターンで配置し、反応させると、図６（Ｂ）に示すように、図３の２層ＣＮＴ１０を正確な形状及びサイズで得ることができる。もちろん、図示の例では２分岐タイプの２層ＣＮＴを製造しているが、使用するフラーレンの種類やサイズ、配置パターンなどを変更することによって、３分岐タイプもしくはそれ以上の多分岐タイプの２層ＣＮＴも製造できる。
【００３６】
本発明による多層ＣＮＴの製造方法は、いろいろな製造装置を使用して有利に実施することができる。本発明者らは、このたび、本発明方法の特異性に鑑みて、特殊な構成の反応器の使用が本発明の実施に有用であることを見出した。本発明者らが有用性を見出した反応器は、カーボンナノチューブや炭素材料、好ましくはフラーレンをそれぞれ別個に充填する反応管を本発明方法の実施に必要な数だけ備えるとともに、それぞれの反応管が、互いに連通可能でありかつ開閉可能なシャッター機構を備える多分岐型反応器である。
【００３７】
図７は、本発明の実施に好適な多分岐型反応器の好ましい一例を示した斜視図である。図示されているのは、図２の２層ＣＮＴ１０の製造に好適な４分岐型反応器３０である。４分岐型反応器３０は、その中央反応室３５から４本の反応管３１、３２、３３及び３４が分岐しており、また、反応管３１、３２、３３及び３４は、それぞれ、シャッター機構４１、４２、４３及び４４を装備している。それぞれのシャッター機構は、反応の手順に従って開閉可能である。反応管３１には、外層チューブ形成のための両端もしくは片端の開かれたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）２５が収容され、反応管３２には、内層チューブ形成のための比較的に小型の第１のフラーレン２１が収容され、また、反応管３３には、内層チューブ形成のための比較的に大型の第２のフラーレン２２が収容される。
【００３８】
図７に示す４分岐型反応器３０を使用して、図２の２層ＣＮＴ１０を例えば図８に順を追って示す手順で有利に製造することができる。
工程（１）：
４本の反応管３１、３２、３３及び３４をそれぞれシャッター４１、４２、４３及び４４で閉じた状態から、シャッター４２のみを開放する。よって、反応管３２に入れておいた小型フラーレン２１が中央反応室３５の方向に昇華によって流出する。しかし、シャッター４１、４３及び４４は閉じられているので、フラーレン２１が大型フラーレン２２やカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）２５と反応することはない。
工程（２）：
シャッター４２を閉じた後、シャッター４１を開放する。シャッター４１内のＣＮＴ２５が中央反応室３５の方向に流出し、小型フラーレン２１と混合する。先に図５（Ｂ）を参照して説明したように、内部に小型フラーレン２１が挿入されたＣＮＴ２５が得られる。
工程（３）：
シャッター４１を閉じ、シャッター４１、４２、４３及び４４のすべてが閉じた状態とする。この状態のまま、小型フラーレン２１が挿入されたＣＮＴ２５を相互に反応させる。
工程（４）：
シャッター４４を開け、未反応の小型フラーレン２１を系外に放出する。
工程（５）：
再びシャッター４４を閉じる。図示しないが、小型フラーレン２１が挿入されたＣＮＴ２５が中央反応室３５の内部に充満した状態となる。
工程（６）：
シャッター４１、４２、４３及び４４を閉じた状態から、シャッター４３のみを開放する。よって、反応管３３に入れておいた大型フラーレン２２が中央反応室３５の方向に流出する。小型フラーレン２１が挿入されたＣＮＴ２５と大型フラーレン２２が混合した状態が得られる。
工程（７）：
シャッター４３を閉じると、先に図５（Ｃ）を参照して説明したように、内部に小型フラーレン２１及び大型フラーレン２２が規則的に挿入されたＣＮＴ２５が得られる。この状態のまま、小型フラーレン２１及び大型フラーレン２２をＣＮＴ２５と相互に反応させる。目的とする２層ＣＮＴが中央反応器３５内に生成する。
工程（８）：
シャッター４４を開放し、生成した２層ＣＮＴを中央反応器３５から取り出す。
【００３９】
本発明は、さらに、本発明の多層ＣＮＴを１構成要素としてそのまま、あるいは加工して備えた電子装置にある。ここで、「電子装置」とは、広義で使用されており、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の各種の機能素子を組み込んだ半導体装置、回路基板、電界放射電子源、燃料電池などを包含する。同様に、「構成要素」も広義で使用されており、本発明の多層ＣＮＴがその機能を発揮できる各種の要素、例えば、チャンネル、ゲート、配線、ビア、量子ドット、電子放出源、吸蔵媒体、プローブ探針などを包含する。これらの構成要素は、電子装置に単独で組み込まれていてもよく、２種類以上の構成要素が組み合わせて組み込まれていてもよい。
【００４０】
本発明の電子装置の典型例は、半導体装置である。本発明の多層ＣＮＴは、公知のいろいろなタイプの半導体装置のなかに、チャンネル、ゲートなどとして有利に組み込んで使用することができる。例えば、本発明の半導体装置は、多層ＣＮＴが内層チューブと外層チューブの２層構造を有していて、内層チューブが半導体的性質を有し、かつ外層チューブが金属的性質を有し、内層チューブの電気伝導度を外層チューブに印加する電圧により制御するように構成された半導体装置であることができる。
【００４１】
より具体的に言えば、この半導体装置は、内層チューブが半導体的性質を有し、外層チューブが金属的性質を有する多層ＣＮＴと、外層チューブをはさんで相対する側でそれぞれ内層チューブと接続する導電体と、外層チューブに電圧を印加する手段とを有することを特徴とする半導体装置である。
【００４２】
図９は、かかる半導体装置の好ましい１実施形態を模式的に示した断面図である。半導体装置５０は、多層ＣＮＴ５２を含み、これは内層チューブ５４と外層チューブ５６から構成され、内層チューブ５４は半導体的性質を有し、外層チューブ５６は金属的性質を有する。内層チューブ５４と外層チューブ５６のそれぞれは、同じ性質（半導体的性質又は金属的性質）のチューブを複数含む多層構造を備えることもできる。これらのチューブは、それぞれ、図４に例示したように炭素元素の編み目構造体により形成されているが、簡略化のために単純な円筒状として表されている。
【００４３】
図９の半導体装置５０は更に、内層チューブ５４の先端５４ａ、５４ｂに接続する導電体５８、６０と、外層チューブ５６に電圧を印加する手段６２を備える。この半導体装置５０では、半導体的性質を示す内層チューブ５４と金属的性質を示す外層チューブ５６とが半導体−金属接合を形成しており、従って内層チューブ５４がトランジスタのチャネルとして働き、そして外層チューブ５６がゲートとして働くことができる。この場合、例えば導電体５８から、半導体的性質の内層チューブ５４を通って導電体６０へと流れる電流を、外部から電圧印加手段６２により印加される電圧に応じて制御することができる。内層チューブ５４の先端５４ａ、５４ｂは、図９では外層チューブ５６の両端５６ａ、５６ｂから伸び出しているが、導電体５８、６０と接合するのにそれらの導電体が金属的性質の外層チューブ５６と接触しない限りは、外層チューブの両端５６ａ、５６ｂと同じ面に位置しても差し支えない。
【００４４】
図９の半導体装置５０においては、チャネルに相当する内層チューブ５４をゲートに相当する外層チューブ５６が取り囲んでおり、いわゆる「サラウンドゲート構造」になっていることが分かる。この半導体装置５０では、外側のナノチューブ５６に正の電圧を加えることで内側のナノチューブ５４内の正孔密度が減少して、チャネルを流れる電流が減少する。そしてこの構造は、ゲートから延びる電気力線がチャネルの外に逃げだすことがないことから、ショートチャネル効果の抑制に特に有効であり、良好なオフ特性をもたらすことができる。ここで、ナノチューブ５４には図示のように狭窄部があり、そこにナノチューブ５６があることから、ナノチューブ５４とナノチューブ５６の間隔が拡がっていて、電気的な絶縁性が高い。
【００４５】
導電体５８、６０は、内層チューブ５４と電気的に接続することができる限り、どのような材料のものでもよい。例えば、プローブ状に加工した金属でよく、あるいは金属的性質を示すカーボンナノチューブでもよい。内層チューブ５４との接続の仕方も、図９に示したような内層ューブの先端５４ａ、５４ｂと導電体５８、６０の先端どうしの接合に限らない。例えば、外層チューブ５６の両端５６ａ、５６ｂの外側に伸び出して露出された内層チューブ１４の側面に導電体１８、２０を接続してもよい。また、多層ＣＮＴの外層チューブを分断し、分断した外層チューブのうちのゲートとして働くものに直接接触しないものを、導電体５８、６０として用いることも可能である。
【００４６】
外層チューブ５６に電圧を印加する手段６２は、一般に導電体でよい。この電圧印加手段６２は、図９に模式的に示したように外層チューブ５６に直接つないでもよく、あるいは外層チューブ５６と電圧印加手段６２との間に挿入した絶縁物（図示せず）を介して外層チューブ５６に電圧を印加するようにしてもよい。
【００４７】
次に、本発明による半導体装置のもう１つの好ましい実施の形態を説明する。図１０（Ａ）の平面図及び図１０（Ｂ）の断面図に示すように、この半導体装置は、多層ＣＮＴ７２のうちの２箇所に、電気的性質の外層チューブがなく半導体的性質の内層チューブ７４だけが存在する部分があり、それによりこの半導体装置は、ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、及びチャネル領域Ｃに電気的に絶縁・分離されている。ソース領域Ｓでは、金属的性質の外層チューブ７６Ｓにオーム性電極としてのソース電極７８がオーミック接続しており、ドレイン領域Ｄでは、やはり外層チューブ７６Ｄにオーム性電極としてのドレイン電極８０がオーミック接続している。一方、チャネル領域Ｃにおいては、金属的性質の外層チューブ７６Ｃに整流性電極としてのゲート電極８２が接続（この接続自体はオーミック接続）して、それによりゲートを構成しており、そしてこのゲートと内層チューブ７６Ｃとの整流性の接触によりチャネル領域Ｃの内層チューブ７４を通過する電流を制御している。このように、この半導体装置もサラウンドゲート構造になっており、従ってやはり良好なオフ特性を有する。また、この半導体装置は、金属と半導体とのショットキー接合をゲートに用いる電界効果トランジスタに相当するものであり、そのため特に、高周波動作用の半導体装置として利用するのに好適である。ここで、ナノチューブ７４には図示のように狭窄部があり、そこにナノチューブ７６があることから、ナノチューブ７４とナノチューブ７６の間隔が拡がっていて、電気的な絶縁性が高い。
【００４８】
ソース電極７８、ドレイン電極８０は、一般に、低コンタクト抵抗を得るためにＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｔ−Ａｕ合金などの金属材料から形成することができる。一方、ゲート電極８２は、ＡｌやＷ等の金属材料、又は多結晶シリコンなどから形成することができる。ソース電極７８、ドレイン電極８０、及びゲート電極８２は、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）においてはＣＮＴ７２の外層チューブ７６Ｓ、７６Ｄ、７６Ｃの側面の全長と接触するように描かれているが、それらの一部と接触するようにすることもできる。
【００４９】
図１０（Ｂ）に示すように、ＣＮＴ３２は一般に任意の絶縁体層８４上に配置される。絶縁体層８４は絶縁材料の単一基板であってもよく、あるいは別の材料の基板８６上に設けた絶縁材料層であってもよい。また、伝導率の低い半導体層でもよい。
【００５０】
本発明の半導体装置のさらにもう１つの好ましい実施の形態を、図１０（Ｂ）と同様の断面図である図１１を参照して説明する。
【００５１】
図示の半導体装置では、ゲート電極８２とチャネル領域Ｃの外層チューブ７６Ｃとの間、及びゲート電極８２の側面に沿って、絶縁体９２が配置されている。この相違点を除けば、図示の半導体装置は、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）で説明したものと同様である。この構造の半導体装置では、ソース−ゲート間、ゲート−ドレイン間に絶縁体９２が挿入されることから、ゲート容量を低下させることができる。そのため、この半導体装置は高速スイッチング動作、高集積用に特に好適である。
【００５２】
本発明の半導体装置のさらにもう１つの好ましい実施の形態を、図１２（Ａ）の平面図及び図１２（Ｂ）の断面図に示す。先に説明したいずれの実施の形態でも、ＣＮＴ３２の長手方向軸は基板８６の面と平行であったのに対し、これから説明する形態では、ＣＮＴの長手方向軸は基板面に対して垂直になっている。すなわち、図示の形態の半導体装置は、いわゆる縦型半導体装置である。
【００５３】
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）において、下方のソース電極９２と上方のドレイン電極９４との間に、複数のＣＮＴ９６が垂直方向に配列されている。これらのＣＮＴ９６は、先に説明した多層構造のものであり、金属的性質の外層チューブ９８は２箇所で切断・分離されて、半導体的性質の内層チューブ１００を露出させている。中央の外層チューブの残された部分（チャネル領域に相当する）に隣接して、ゲート電極１０２が配置されている。ここで、ナノチューブ１００には図示のように狭窄部があり、そこにナノチューブ９８があることから、ナノチューブ１００とナノチューブ９８の間隔が拡がっていて、電気的な絶縁性が高い。図示されたそのほかの部分は、いずれも絶縁材料で形成されている。なお、図に示した半導体装置ではＣＮＴ９６とゲート電極１０２との間に絶縁材料が存在しているが、ゲート電極１０２は、多層構造のＣＮＴの外層チューブと接触することもできる。
【００５４】
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示した半導体装置には、多層構造のＣＮＴ９６が複数含まれていて、図１２（Ａ）に模式的に示したバンドル（束）１０６を形成している。この半導体装置における多層構造のＣＮＴは、１本であってもよいが、図に示したように複数のチューブのバンドルを利用することによって、バンドル由来の特別な利点を得ることができる。ＣＮＴのバンドルを有する半導体装置では、チャネル部分の複数の多層ＣＮＴのバンドルでも、外側の金属的性質のナノチューブ９８が残されているため、ゲートの電位はこれら金属面が互いに接触することで等電位に維持されている。通常チャネルの直径を太くするとしきい値電圧が高くなってしまうが、この半導体装置では、各チューブごとにゲート（金属的性質の外層チューブ）が巻きついているため、内層チューブの直径にバラツキがなければ、しきい値電圧はチューブ本数によらず変化しないという特長がある。従って、チャネルとなるナノチューブを複数本束ねることによって、より多くの電流を流せるようになり、電流駆動能力が更に高くなる。
【００５５】
以上、本発明を特にその好ましい実施の形態について説明した。これらの好ましい実施の形態を整理すると、次の通りである。
【００５６】
（付記１）実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体において、
最外層の円筒体が、カーボンナノチューブに由来するものであり、かつ
その円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体が、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料の反応に由来するものであり、前記最外層の円筒体とは異なる形態を有していることを特徴とする多層筒状炭素構造体。
【００５７】
（付記２）前記内層円筒体が、前記カーボンナノチューブの内部で２種類もしくはそれ以上の炭素材料を反応させることによって形成されたものであることを特徴とする付記１に記載の多層筒状炭素構造体。
【００５８】
（付記３）前記内層円筒体の形成に用いられた炭素材料が、２種類以上の大きさの異なるフラーレンからなることを特徴とする付記１又は２に記載の多層筒状炭素構造体。
【００５９】
（付記４）前記内層円筒体が、その一部において直径が変化していることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の多層筒状炭素構造体。
【００６０】
（付記５）前記内層円筒体において、直径の変化領域が周期的に存在していることを特徴とする付記４に記載の多層筒状炭素構造体。
【００６１】
（付記６）前記内層円筒体が、その一部において分岐していることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の多層筒状炭素構造体。
【００６２】
（付記７）前記内層円筒体において、分岐領域が周期的に存在していることを特徴とする付記６に記載の多層筒状炭素構造体。
【００６３】
（付記８）前記内層円筒体が、中実であり、その一部において中空の領域を有していることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の多層筒状炭素構造体。
【００６４】
（付記９）前記内層円筒体において、中空領域が周期的に存在していることを特徴とする付記８に記載の多層筒状炭素構造体。
【００６５】
（付記１０）多層カーボンナノチューブの形態をとることを特徴とする付記１〜９のいずれか１項に記載の多層筒状炭素構造体。
【００６６】
（付記１１）実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体を製造する方法において、
最外層の円筒体をカーボンナノチューブから形成し、かつ
その最外層の円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体を、２種類もしくはそれ以上のカーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料から、前記最外層の円筒体とは異なる形態で形成することを特徴とする多層筒状炭素構造体の製造方法。
【００６７】
（付記１２）前記内層円筒体を、前記カーボンナノチューブの内部で２種類もしくはそれ以上の炭素材料を反応させることによって形成することを特徴とする付記１１に記載の多層筒状炭素構造体の製造方法。
【００６８】
（付記１３）前記内層円筒体の形成において、２種類以上の大きさの異なるフラーレンを前記炭素材料として使用することを特徴とする付記１１又は１２に記載の多層筒状炭素構造体の製造方法。
【００６９】
（付記１４）前記カーボンナノチューブ又は前記炭素材料を充填する複数個の反応管を備えるとともに、それぞれの反応管が、互いに連通可能でありかつ開閉可能なシャッター機構を備える多分岐型反応器を使用することを特徴とする付記１１〜１３のいずれか１項に記載の多層筒状炭素構造体の製造方法。
【００７０】
（付記１５）多層カーボンナノチューブを製造することを特徴とする付記１１〜１４のいずれか１項に記載の多層筒状炭素構造体の製造方法。
【００７１】
（付記１６）実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体を１構成要素として有する電子装置において、
前記炭素構造体の最外層の円筒体が、カーボンナノチューブに由来するものであり、かつ
その円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体が、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料の反応に由来するものであり、前記最外層の円筒体とは異なる形態を有していることを特徴とする電子装置。
【００７２】
（付記１７）前記内層円筒体が、前記カーボンナノチューブの内部で２種類もしくはそれ以上の炭素材料を反応させることによって形成されたものであることを特徴とする付記１６に記載の電子装置。
【００７３】
（付記１８）前記内層円筒体の形成に用いられた炭素材料が、２種類以上の大きさの異なるフラーレンからなることを特徴とする付記１６又は１７に記載の電子装置。
【００７４】
（付記１９）前記内層円筒体が、その一部において直径が変化していることを特徴とする付記１６〜１８のいずれか１項に記載の電子装置。
【００７５】
（付記２０）前記内層円筒体において、直径の変化領域が周期的に存在していることを特徴とする付記１９に記載の電子装置。
【００７６】
（付記２１）前記内層円筒体が、その一部において分岐していることを特徴とする付記１６〜１８のいずれか１項に記載の電子装置。
【００７７】
（付記２２）前記内層円筒体において、分岐領域が周期的に存在していることを特徴とする付記２１に記載の電子装置。
【００７８】
（付記２３）前記内層円筒体が、中実であり、その一部において中空の領域を有していることを特徴とする付記１６〜１８のいずれか１項に記載の電子装置。
【００７９】
（付記２４）前記内層円筒体において、中空領域が周期的に存在していることを特徴とする付記２３に記載の電子装置。
【００８０】
（付記２５）前記炭素構造体が多層カーボンナノチューブであることを特徴とする付記１６〜２４のいずれか１項に記載の電子装置。
【００８１】
（付記２６）前記構成要素が、チャンネル、ゲート、配線、ビア、量子ドット、電子放出源、吸蔵媒体及びプローブ探針からなる群から選ばれた一員であり、当該電子装置に単独もしくは組み合わせて組み込まれていることを特徴とする付記１６〜２５のいずれか１項に記載の電子装置。
【００８２】
（付記２７）前記炭素構造体が、内層円筒体が半導体的性質を有し、かつ外層円筒体が金属的性質を有する２層構造体であり、前記内層円筒体の電気伝導度を前記外層円筒体に印加する電圧により制御するように構成された半導体装置であることを特徴とする付記１６〜２６のいずれか１項に記載の電子装置。
【００８３】
（付記２８）前記半導体装置が、前記内層円筒体が半導体的性質を有し、かつ外層円筒体が金属的性質を有する２層構造体と、内層円筒体の外層円筒体をはさんで相対する側にそれぞれ接続する導電体と、外層円筒体に電圧を印加する手段とを有することを特徴とする、付記２７に記載の電子装置。
【００８４】
（付記２９）前記外層円筒体が分断なしの連続構造体であり、かつ前記内層円筒体が分断なしの連続構造体である、付記２７又は２８に記載の電子装置。
【００８５】
（付記３０）前記外層円筒体が分断された不連続の構造体であり、かつ前記内層円筒体が分断なしの連続構造体である、付記２７又は２８に記載の電子装置。
【００８６】
（付記３１）前記外層円筒体に整流性電極が直接接触している、付記２９に記載の電子装置。
【００８７】
（付記３２）前記外層円筒体に整流性電極が絶縁材料を介し間接的に接触している、付記２９に記載の電子装置。
【００８８】
（付記３３）前記外層円筒体が１箇所で分断され、分断された各外層円筒体に整流性電極が直接接触している、付記３０に記載の電子装置。
【００８９】
（付記３４）前記外層円筒体が１箇所で分断され、分断された各外層円筒体に整流性電極が絶縁材料を介し間接的に接触している、付記３０に記載の電子装置。
【００９０】
（付記３５）前記外層円筒体が２箇所以上で分断され、分断された両端部の外層円筒体にはオーム性電極がそれぞれ接触し、かつ分断された中間の外層円筒体には整流性電極が接触している、付記３０に記載の電子装置。
【００９１】
（付記３６）前記整流性電極が前記外層円筒体に直接接触している、付記３５に記載の電子装置。
【００９２】
（付記３７）前記整流性電極が前記外層円筒体に絶縁材料を介し間接的に接触している、付記３５に記載の電子装置。
【００９３】
（付記３８）前記整流性電極の前記分断された両端部の外層円筒体に面する側面に絶縁材料の側壁が設けられている、付記３７に記載の電子装置。
【００９４】
（付記３９）前記整流性電極の接触する連続の外層円筒体の長さが電子の平均自由行程以下である、付記３１〜３８のいずれか１項に記載の電子装置。
【００９５】
（付記４０）前記２層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面と平行である、付記２７〜３９のいずれか１項に記載の電子装置。
【００９６】
（付記４１）前記２層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面に対して垂直である、付記２７〜３９のいずれか１項に記載の電子装置。
【００９７】
（付記４２）前記２層構造体を複数含み、それらが外層円筒体どうしの接触によりバンドルを形成している、付記２７〜４１のいずれか１項に記載の電子装置。
【００９８】
（付記４３）前記２層構造体が複数のカーボンナノチューブから形成されている、付記２７〜４２のいずれか１項に記載の電子装置。
【００９９】
【発明の効果】
以上に詳細に説明したように、本発明によれば、多層カーボンナノチューブにおいて、その内層チューブの直径を途中で自由に変化させたり、内層チューブを分岐させたりすることができるので、導電性、機械的強度、バンドギャップなどを任意に制御することができ、よって、高性能な電子装置やその他のデバイスを提供することができる。また、多層カーボンナノチューブは、単純な構造の製造装置を使用して、容易にかつ歩留まりよく製造することができる。
【０１００】
また、したがって、本発明の多層カーボンナノチューブは、その特異的に優れた特性を生かして、バイオテクノロジー、エレクトロニクス、医療、診断、エネルギーなどの幅広い分野において有利に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の多層カーボンナノチューブを模式的に示した斜視図である。
【図２】本発明による多層カーボンナノチューブの好ましい１形態を示した断面図である。
【図３】本発明による多層カーボンナノチューブのもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【図４】本発明による多層カーボンナノチューブの最外層を構成するカーボンナノチューブの典型的な形態を模式的に示した斜視図である。
【図５】図２に示した多層カーボンナノチューブの形成原理を模式的に示した断面図である。
【図６】図３に示した多層カーボンナノチューブの形成原理を模式的に示した断面図である。
【図７】本発明による多層カーボンナノチューブの製造に用いられる装置の好ましい一例を模式的に示した斜視図である。
【図８】図７の製造装置を使用して図２の多層カーボンナノチューブを製造する工程を、順を追って示した断面図である。
【図９】本発明による半導体装置の好ましい１形態を示した模式図である。
【図１０】本発明による半導体装置のもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【図１１】本発明による半導体装置のさらにもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【図１２】本発明による半導体装置のさらにもう１つの好ましい形態を示した断面図である。
【符号の説明】
１…内層チューブ
２…外層チューブ
１０…多層カーボンナノチューブ
１１…中空領域
２１…小型フラーレン
２２…大型フラーレン
２３…微小型フラーレン
２５…カーボンナノチューブ
３０…４分岐型反応器

Claims

実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体において、
最外層の円筒体が、カーボンナノチューブに由来するものであり、かつ
その円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体が、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料の反応に由来するものであり、前記最外層の円筒体とは異なる形態を有していることを特徴とする多層筒状炭素構造体。
前記内層円筒体の形成に用いられた炭素材料が、２種類以上の大きさの異なるフラーレンからなることを特徴とする請求項１に記載の多層筒状炭素構造体。
前記内層円筒体が、その一部において直径が変化していることを特徴とする請求項１又は２に記載の多層筒状炭素構造体。
前記内層円筒体が、その一部において分岐していることを特徴とする請求項１又は２に記載の多層筒状炭素構造体。
実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体を製造する方法において、
最外層の円筒体をカーボンナノチューブから形成し、かつ
その最外層の円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体を、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料から、前記最外層の円筒体とは異なる形態で形成することを特徴とする多層筒状炭素構造体の製造方法。
前記内層円筒体を、前記カーボンナノチューブの内部で２種類もしくはそれ以上の炭素材料を反応させることによって形成することを特徴とする請求項５に記載の多層筒状炭素構造体の製造方法。
前記内層円筒体の形成において、２種類以上の大きさの異なるフラーレンを前記炭素材料として使用することを特徴とする請求項５又は６に記載の多層筒状炭素構造体の製造方法。
前記カーボンナノチューブ又は前記炭素材料を充填する複数個の反応管を備えるとともに、それぞれの反応管が、互いに連通可能でありかつ開閉可能なシャッター機構を備える多分岐型反応器を使用することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の多層筒状炭素構造体の製造方法。
実質的に炭素のみからなる２個もしくはそれ以上の円筒体が同心円状に配置された多層筒状炭素構造体を１構成要素として有する電子装置において、
前記炭素構造体の最外層の円筒体が、カーボンナノチューブに由来するものであり、かつ
その円筒体の内部に収納された少なくとも１個の内層円筒体が、２種類もしくはそれ以上の、カーボンナノチューブもしくはそれ以外の炭素材料の反応に由来するものであり、前記最外層の円筒体とは異なる形態を有していることを特徴とする電子装置。
前記構成要素が、チャンネル、ゲート、配線、ビア、量子ドット、電子放出源、吸蔵媒体及びプローブ探針からなる群から選ばれた一員であり、当該電子装置に単独もしくは組み合わせて組み込まれていることを特徴とする請求項９に記載の電子装置。