JP2004181620A - 炭素ナノチューブのマトリックス構造及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 一定の方向へ曲げた炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供することである。
【解決手段】 本発明は炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供し、それは基板、該基板に形成された触媒合金粒子、及び該触媒合金粒子に成長された一定の方向へ曲げた炭素ナノチューブのマトリックスを含み、炭素ナノチューブを用いた素子に対して設計の多様化に利く。また、下記のステップを含む前記構造の製造方法を提供し、（１）基板に触媒層を堆積し、（２）該触媒層に炭素ナノチューブの成長速度を制御するための材料層を堆積し、（３）酸素を含む雰囲気でアニールし、該触媒層をナノオーダー粒子に酸化させ、（４）炭化水素ガスを導入し、炭素ナノチューブを成長する。
【選択図】 図４
【解決手段】 本発明は炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供し、それは基板、該基板に形成された触媒合金粒子、及び該触媒合金粒子に成長された一定の方向へ曲げた炭素ナノチューブのマトリックスを含み、炭素ナノチューブを用いた素子に対して設計の多様化に利く。また、下記のステップを含む前記構造の製造方法を提供し、（１）基板に触媒層を堆積し、（２）該触媒層に炭素ナノチューブの成長速度を制御するための材料層を堆積し、（３）酸素を含む雰囲気でアニールし、該触媒層をナノオーダー粒子に酸化させ、（４）炭化水素ガスを導入し、炭素ナノチューブを成長する。
【選択図】 図４
Description
本発明は、炭素ナノチューブのマトリックス構造及びその製造方法に関するものである。
炭素ナノチューブは、特別的な電学性質を有し、ナノ集積回路、単分子素子など領域において広く使用されている。現在、実験室で炭素ナノチューブを用いた電界放出素子、ロジック素子及びメモリ素子などを少量的に製造でき、且つ前記素子の性質を研究していて、Ｓander J Tansなどの研究内容が非特許文献１に開示されている。しかし、大規模的な製造及び工業応用に対して下から上への成長方法（Bottom Up）を使用する必要がある。
下から上への成長方法は炭素ナノチューブの成長位置、方向、大小さ、長さ、ねじり方などを制御することができる。Shoushan Fanなど非特許文献２に開示され及びZ. F. Renなど非特許文献３に開示されているように、触媒パターン(Patterned Catalyst)により炭素ナノチューブの成長位置を制御し及びそれを基板に対して垂直させる。
また、B. Q. Weiなどは基板の各表面に対して垂直された炭素ナノチューブの成長方法を提供し、詳しい内容は非特許文献４に開示されている。
しかし、前記成長方法による炭素ナノチューブのマトリックスは基板に対して垂直に直立し、該炭素ナノチューブのマトリックスの成長方向を制御し、或は変えることはできない。
Yuegang Zhangなどは電場により炭素ナノチューブの成長方向を制御する方法を提供し、電場を作用する際、炭素ナノチューブを電場方向に沿って成長させ、詳しい内容は非特許文献５に開示されている。
しかし、前記電場により炭素ナノチューブの成長方向を制御する方法は素子設計を複雑化し、また電場本来の広域性で、それぞれの成長方向を局部的に制御し難く、炭素ナノチューブを用いた素子設計の多様化及び実用性において限界がある。従って、電場を使用しないで炭素ナノチューブの成長方向を局部的に制御する方法を提供する必要がある。
「Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube」，Nature，１９９８，第３９３巻，p. ４９ 「Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties」，Science，１９９９，第２８３巻，p. ５１２−５１４ 「Synthesis of large arrays of well-aligned carbon nanotubes on glass」，Science，１９９８，第２８２巻，p. １１０５〜１１０７ 「Organized assembly of carbon nanotubes」，Nature，２００２，第４１６巻，p. ４９５〜４９６ 「Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes」，Applied Physics Letters，２００１，第７９巻，p. １９
「Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube」，Nature，１９９８，第３９３巻，p. ４９ 「Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties」，Science，１９９９，第２８３巻，p. ５１２−５１４ 「Synthesis of large arrays of well-aligned carbon nanotubes on glass」，Science，１９９８，第２８２巻，p. １１０５〜１１０７ 「Organized assembly of carbon nanotubes」，Nature，２００２，第４１６巻，p. ４９５〜４９６ 「Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes」，Applied Physics Letters，２００１，第７９巻，p. １９
本発明は、一定の方向へ曲げた炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供することを目的とする。
本発明は、一定の方向へ曲げた炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法を提供することを他の目的とする。
前記の目的を解決するように、本発明は炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供し、それは基板、該基板に形成された触媒合金粒子、及び該触媒合金粒子に成長された炭素ナノチューブのマトリックスを含み、該触媒合金粒子中に炭素ナノチューブの成長速度を制御するための材料を含み、該材料含量が一定の方向に沿って変え、該炭素ナノチューブのマトリックスが一定の方向へ曲げる。
前記の他の目的を解決するように、本発明は下記のステップを含む炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法を提供する。
（１）基板を提供する。
（２）該基板に触媒パターン層を堆積する。
（３）該触媒パターン層に炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料を堆積する。
（４）酸素を含む雰囲気でアニールし、前記触媒をナノオーダー粒子に酸化させる。
（５）炭化水素ガスを導入し、炭素ナノチューブのマトリックスを成長させる。
（１）基板を提供する。
（２）該基板に触媒パターン層を堆積する。
（３）該触媒パターン層に炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料を堆積する。
（４）酸素を含む雰囲気でアニールし、前記触媒をナノオーダー粒子に酸化させる。
（５）炭化水素ガスを導入し、炭素ナノチューブのマトリックスを成長させる。
従来の炭素ナノチューブのマトリックスはほぼ基板に対して垂直に直立するのに対して、本発明による炭素ナノチューブのマトリックスは、一定の方向へ曲がり、炭素ナノチューブを用いた素子の設計の多様化に適しており、炭素ナノチューブを用いた素子に対して更に広い設計空間を提供することができる。
従来の炭素ナノチューブのマトリックスの成長方法と比べて、本発明の成長方法は触媒層に炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料を堆積すのみを増加し、該材料の厚さの変化及び該材料の分布に従って、基板の異なる位置に異なる炭素ナノチューブの成長速度が実現でき、炭素ナノチューブ間にファン・デル・アールス力により、炭素ナノチューブのマトリックスは一定の方向へ曲がって成長する。炭素ナノチューブの曲げ形状は炭素ナノチューブの成長速度を制御するための材料厚さに従って変えることができる。
図１を参照されたい。基板１０を提供し、基板１０としてシリコン板であり、基板１０に光抵抗層１１を形成し、光の照射により光抵抗層１１を予定のパターンに形成させる。炭素ナノチューブを成長するための位置に厚さ数ｎｍの触媒層１３を堆積し、触媒層１３は厚さが均一で、少なくとも２〜３ｎｍで、多くとも７〜９ｎｍであり、触媒層１３の堆積法としては、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）、或は電子線加熱法（ＰＶＤ）がフォトエッチパターンと組み合せる方法、又は、マスクパターン法が選ばれ、触媒層１３の材料は鉄、コバルト、ニッケル或はその合金が選ばれる。本実施例には鉄を触媒層１３の材料として、堆積厚さ６ｎｍである。
図２を参照されたい。触媒層１３に炭素ナノチューブの成長速度を制御するための材料層１２１を堆積し、材料層１２１の厚さは一端から他端へ薄くなり、本実施には、光抵抗層１１の斜上方向に直線型銅蒸発源１２を位置させ、化学的気相堆積法により触媒層１３に厚さの変えた材料層１２１を堆積し、厚い端部が１０ｎｍより大きくなく、薄い端部が０ｎｍに近い。直線型銅蒸発源１２の代りに直線に沿って移動する点蒸発源が選ばれる。材料層１２１の堆積法として、ビーム束蒸発などの方向性の堆積法とフォトエッチパターンと合せる方法、或はマスクパターン法、或は溶液吹付け塗り回り膜法、更にフォトエッチ法が選ばれる。
図３と図４を参照されたい。光抵抗層１１を除き、触媒層１３及び材料層１２１を有した基板１０を空気雰囲気で３００℃アニールさせ、触媒層１３を酸化してナノオーダーの触媒粒子（図に示ず）に縮める。次に、基板１０を反応炉中（図に示ず）に配置し、アルゴンの雰囲気で化学的気相堆積法（ＣＶＤ）により６００〜７００℃間に１０分成長し、合金粒子１３１の銅含量は材料層１２１の厚い端部から薄い端部へ小さくなり、銅は炭素ナノチューブの成長速度を低下させる作用を有し、材料層１２１の厚い端部に位置された炭素ナノチューブの成長速度はより緩やかで、材料層１２１の厚い端部に位置された炭素ナノチューブの成長速度はより速いことによって、合金粒子１３１に成長された炭素ナノチューブのマトリックス１５は材料層１２１のより厚い端部へ曲がる。炭化水素ガスとしてエチレンが選ばれ、保護ガスとして窒素、水素が選ばれる。成長時間と成長温度を制御するによって炭素ナノチューブのマトリックス１５の高さを制御するものである。
図４を参照されたい。本発明の方法による炭素ナノチューブのマトリックス構造４０は基板１０、該基板１０に形成されたナノオーダーの合金粒子１３１、及び該合金粒子１３１に成長された炭素ナノチューブのマトリックス１５を含み、該合金粒子１３１の大小さは一定の方向に沿って変え、且つ銅含量も一定の方向に沿って変え、該炭素ナノチューブのマトリックス１５は一定の方向へ曲がる。
材料層１２１として、炭素ナノチューブの成長速度を低下させる銅、或は炭素ナノチューブの成長速度を高めるモリブデンが選ばれ、つまり、材料層１２１は炭素ナノチューブの成長速度を高める作用をする場合には、炭素ナノチューブが材料層１２１の薄い端部へ曲がり、材料層１２１は炭素ナノチューブの成長速度を降下する作用を有する場合には、炭素ナノチューブが材料層１２１の厚い端部へ曲がる。
触媒層１３と材料層１２１との堆積順序は互いに変えられ、つまり、触媒層１３を堆積した後、材料層１２１を堆積してもよく、また、材料層１２１を堆積した後、触媒層１３を堆積してもよい。材料層１２１が厚さ数ｎｍで、酸素を拡散し易く、触媒層１３に材料層１２１を堆積するのは触媒層１３の酸化を妨げないので、該堆積順序は炭素ナノチューブのマトリックス１５の成長方向に対して制御するのを妨げないものである。
本発明方法による炭素ナノチューブのマトリックス構造はディスプレイ、ナノ電子学、強電流電界放出銃など装置の陰極に用いられることがある。
前記は単なる本願におけるより好ましい実施例にすぎず、本発明の請求範囲を限定するものではない。本発明の技術を熟知している者が本考案の思想に基づきなしうる修飾或いは変更は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
１０ 基板
１１ 光抵抗層
１２ 銅蒸発源
１２１ 材料層
１３ 触媒層
１３１ 合金粒子
１５ 炭素ナノチューブのマトリックス
４０ 炭素ナノチューブのマトリックス構造
１１ 光抵抗層
１２ 銅蒸発源
１２１ 材料層
１３ 触媒層
１３１ 合金粒子
１５ 炭素ナノチューブのマトリックス
４０ 炭素ナノチューブのマトリックス構造
Claims (14)
- 基板、該基板に位置された触媒合金粒子及び該触媒合金粒子に成長した炭素ナノチューブのマトリックスを含む炭素ナノチューブのマトリックス構造であって、
該触媒合金粒子中に炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料を含み、該材料の含有量が一方向に沿って漸進的に変化し、該炭素ナノチューブのマトリックスが一定の方向へ曲がっていることを特徴とする素ナノチューブのマトリックス構造。 - 前記基板は、シリコン板であることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造。
- 前記炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料は銅、或はモリブデンを含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造。
- 前記触媒合金粒子材料は鉄、コバルト、ニックル或はその合金の一つを選ぶことを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造。
- （１）基板を提供するステップと、
（２）該基板に触媒パターン層を堆積するステップと、
（３）該触媒パターン層に炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料を堆積するステップと、
（４）酸素を含む雰囲気でアニールし、前記触媒をナノオーダー粒子に酸化させるステップと、
（５）炭化水素ガスを導入し、炭素ナノチューブのマトリックスを成長させるステップと、
含むことを特徴とする炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。 - 前記基板は、シリコン板であることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記触媒合金粒子材料として、鉄、コバルト、ニックル或はその合金の中から一つを選ぶことを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 該触媒合金層の厚さは略同じで、２〜９ｎｍ間であることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料は、銅或はモリブデンを含むことを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料の厚さが漸進的に変化することを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料は、厚い端部が１０ｎｍより厚くなく、薄い端部が０ｎｍより厚いであることを特徴とする請求項１０に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記炭素ナノチューブのマトリックスの成長速度を制御するための材料の堆積方法は、化学的気相堆積法、電子線加熱法或は溶液吹付け塗り回り膜法を選ぶことを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記熱蒸発堆積法の蒸発源は直線型蒸発源或は直線に沿って移動する点蒸発源であることを特徴とする請求項１２に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記ステップ（３）はステップ（２）の前に行うことを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
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