JP2004235618A

JP2004235618A - カーボンナノチューブを用いた配線、単一電子トランジスタおよびキャパシタ

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Publication number: JP2004235618A
Application number: JP2003428385A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Sugiyama; 幸宏杉山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】良好な性能を示し生産性に優れたナノデバイスを提供する。
【解決手段】シリコン基板２０２上に、ソース電極２０４、ドレイン電極２０６およびゲート電極２０８を設け、ソース電極２０４とドレイン電極２０６にまたがるようにカーボンナノチューブ構造体１３１を固定する。カーボンナノチューブ構造体１３１は、カーボンナノチューブ１０５の表面に高分子１１９が巻回した構造とする。高分子１１９はトンネル層として機能し、カーボンナノチューブ１０５のうちのソース電極２０４とドレイン電極２０６の間に位置する部分がクーロンアイランドとして機能する。すなわち、ソース電極２０４から高分子１１９を介してカーボンナノチューブ１０５に電子が流入し、カーボンナノチューブ１０５から高分子１１９を介してドレイン電極２０６に電子が流出する。ゲート電極２０８に印加される電圧に応じてカーボンナノチューブ１０５内に存在する電子の数が制御され、ドレイン電流の大きさが制御される。
【選択図】図１２

Description

本発明は、カーボンナノチューブを用いた配線、単一電子トランジスタおよびキャパシタに関するものである。

近年、いわゆるナノ加工技術を用いたナノデバイスの開発が活発化している。ナノデバイスは、数個の電子により動作させることができ、従来のシリコンデバイスに比べ、消費電力を大幅に低減できる。また素子サイズを飛躍的に縮小させることが可能である。

こうしたナノデバイスを実用に供するためには、基板上に様々な素子を集積するとともにそれらを微細な配線で結線することが必要となり、高度な微細加工技術が要求される。

また、単一電子トランジスタ等の量子効果を利用する量子効果ナノデバイスの設計にあっては、微細加工技術に対する要請はさらに厳しいものとなる。たとえば単一電子トランジスタの設計においては、ソース・ドレイン電極およびクーロンアイランドとの間にトンネル障壁が形成される程度の極薄の絶縁膜を形成することが重要となる。この絶縁膜の厚さが厚すぎると電子が通過できなくなり、薄すぎると電子が自由に通り抜けてしまう。また、量子効果に基づく特異的な特性を明瞭に得るためには、クーロンアイランドのサイズをたとえば５０ｎｍ以下にする必要がある。

従来、特許文献１、特許文献２等に見られるように単一電子トランジスタの検討が盛んに行われてきたが、トンネル層やクーロンアイランドのサイズを高度に制御し、量子効果に基づく特性を充分に引き出した例はほとんど報告されていない。
特開２００１−７７３４６号公報特開平９−６９６３０号公報

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的は、良好な性能を示し生産性に優れたナノデバイスを提供することにある。また本発明の別な目的は、ナノデバイスによる集積回路を実現するのに必要な微細配線を提供することにある。

本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面を被覆する高分子からなる層を含むカーボンナノチューブ構造体が複数連結してなることを特徴とする配線が提供される。

この配線において、カーボンナノチューブの側面を層状に被覆する高分子は、配線被覆材として機能する。

また、本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面に巻回された高分子を含むカーボンナノチューブ構造体が複数連結してなることを特徴とする配線が提供される。

この配線において、カーボンナノチューブの側面に巻回された高分子は、配線被覆材として機能する。

本発明において、カーボンナノチューブの側面を「被覆」するとは、カーボンナノチューブの側面の所定の領域が露出しないように覆うことを指す。被覆の態様として、カーボンナノチューブの側面を高分子が巻回し、被覆する態様が挙げられる。また、カーボンナノチューブの側面を高分子が層状に被覆する態様、すなわち高分子の被覆層が形成された態様が挙げられる。

本発明において、高分子がカーボンナノチューブの側面に「巻回」するとは、高分子の分子鎖がカーボンナノチューブ側面を周回して巻き付き、カーボンナノチューブの表面を被覆することをいう。また、本発明において、「被覆層」とは、カーボンナノチューブの側面のある領域で全面にわたって緻密に形成された覆いを指す。

以下、本明細書において、「被覆」という場合には、巻回および被覆層のいずれの場合も含まれるものとする。

本発明の配線において、個々のカーボンナノチューブ構造体は、配線構成単位となる。これらを連結する方法は様々な態様が可能であるが、たとえば、側面に巻回された高分子に特定の官能基を導入するか、あるいは特定の分子を結合させた上で、それらを介してカーボンナノチューブ構造体同士を接合し、その後、接合部分の高分子を除去しつつ接合部分を金属材料でモールドするといった方法が可能である。

本発明の配線を基材上の所定の位置に固定するためには、配線固定位置を構成する材料と特異的に反応するユニット（原子団）または特定の分子を上記高分子に導入ないし結合させるといった方法が有効である。

さらに、本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面を被覆する高分子からなる層を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するソース電極と、前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するドレイン電極と、前記カーボンナノチューブに電圧を印加するゲート電極とを備えることを特徴とする単一電子トランジスタが提供される。

また、本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面に巻回された高分子を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するソース電極と、前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するドレイン電極と、前記カーボンナノチューブに電圧を印加するゲート電極とを備えることを特徴とする単一電子トランジスタが提供される。

また本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面を被覆する高分子からなる層を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子を介して設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記カーボンナノチューブに電圧を印加するゲート電極とを備えることを特徴とする単一電子トランジスタが提供される。

また本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面に巻回された高分子を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子を介して設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記カーボンナノチューブに電圧を印加するゲート電極とを備えることを特徴とする単一電子トランジスタが提供される。

この単一電子トランジスタは、上記高分子がトンネル層として機能し、ソース・ドレイン電極間のカーボンナノチューブがクーロンアイランドとして機能する。本発明によれば、これらの厚み、寸法を高度に制御することができるため、良好な性能を示し生産性に優れた単一電子トランジスタが提供される。

ここで、単一電子トランジスタにおいては、クーロンアイランドに接する２つのトンネル層の厚みを均一にし、その抵抗値をほぼ同一にすることが特に重要となる。トンネル層の厚みをｄ、トンネル抵抗をＲとすると、
Ｒ＝ｋ・ｅｘｐ（−ｄ）（ｋは定数）
なる関係が近似的に成立する。したがって、２つのトンネル層の厚みがわずかに異なる場合でも、その抵抗値は大きく変動する。こうしたことから、トンネル層の厚みを高度に制御することは、きわめて重要となる。くわえて、集積回路の設計においては同一特性の複数のトランジスタを形成することが必要とされるため、トランジスタ間の性能のばらつきを可能な限り低減する観点から、上記複数のトランジスタについてトンネル層の厚みを均一に作製することが要求される。

こうした要求に対し、本発明は、トンネル層を高分子により形成することで課題解決を図っている。この構成によれば、トンネル層の厚みがその高分子固有の寸法に規定されることとなり、同一トランジスタ内のトンネル層のばらつき、複数トランジスタのトンネル層のばらつきをともに効果的に低減される。この結果、良好な性能を安定的に示し、素子間のばらつきの少ない生産性に優れた単一電子トランジスタを実現することができる。

さらに、本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面を被覆する高分子からなる層を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子と直接または接合材を介して接合した導電部材とを備えることを特徴とするキャパシタが提供される。

また本発明によれば、カーボンナノチューブおよびその側面に巻回された高分子を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子と直接または接合材を介して接合した導電部材とを備えることを特徴とするキャパシタが提供される。

このキャパシタは、カーボンナノチューブの側面に巻回された高分子が容量膜として機能する。この容量膜の厚みは上記高分子固有の寸法に規定されるため、設計通りの容量値を再現性良く実現でき、また、素子間の性能ばらつきも効果的に低減できる。

本発明において、「高分子」とは、カーボンナノチューブを被覆するために充分な骨格鎖長を有する分子のことをいう。有機高分子および無機高分子のいずれを用いることもできるが、有機高分子を用いた場合、側鎖に多様な官能基を導入することができ、他の構造体と良好に接合する際、有利である。

本発明において、前記高分子が前記カーボンナノチューブの側面を直接被覆する構成とすることができる。こうすることにより、カーボンナノチューブの側面をさらに確実に被覆することができる。このため、接合体の製造安定性を向上させることができる。

また、カーボンナノチューブ側面において、被覆を有する領域が、側面の一部であってもよく、また全部であってもよい。

本発明において、前記層は、前記カーボンナノチューブの側面全面を一様に被覆している構成とすることができる。こうすることにより、カーボンナノチューブの分散安定性をさらに向上させることができる。また、カーボンナノチューブの表面のある領域に確実に被覆層を形成することができる。このため、所望の形状もしくは構造の接合体またはこれを用いたナノデバイスをさらに安定的に作製することができる。

本発明において、前記高分子が前記カーボンナノチューブの側面を均一な厚さで被覆する前記層を有する構成とすることができる。こうすることにより、カーボンナノチューブ構造体の表面特性のばらつきを低減することができる。

本発明において、前記カーボンナノチューブ構造体における前記層の厚さを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。

本発明において、前記高分子が絶縁体であってもよい。こうすることにより、カーボンナノチューブの側面に絶縁性の被覆を形成することが可能となる。

本発明において、前記高分子が生体高分子であってもよい。こうすることにより、カーボンナノチューブに新たな表面特性を付与することができる。

本発明において、前記高分子が水不溶性であってもよい。こうすることにより、高分子層の剥離およびカーボンナノチューブ表面への水分子の侵入を抑制し、カーボンナノチューブ構造体を水中で安定的に存在、また機能させることができる。このため、所望の形状もしくは構造の接合体またはこれを用いたナノデバイスをさらに安定的に作製、かつ動作させることができる。

本発明において、上記高分子はポリペプチドを含むことができる。ポリペプチドを用いた場合、その骨格鎖をカーボンナノチューブに安定的に巻回させ、安定な被覆層を形成することができる。また、アミノ酸残基側鎖の性質を基材との結合に用いることが可能になるとともに、これを用いて、カーボンナノチューブの側面に溶媒への分散性の向上等、多様な表面特性を付与することができる。

本発明において、上記高分子は変性タンパク質とすることができる。変性タンパク質は未変性タンパク質に比べて通常疎水部が露出した構造であるため、カーボンナノチューブ側面への被覆がより一層容易、確実になる。また、タンパク質の分散液を液体表面に展開することにより、気液界面の界面張力によってタンパク質を効率よく変性させ、疎水部を露出させることができる。なお本発明においてタンパク質の「変性」とは、当該タンパク質分子の立体構造の崩壊と機能の失活、または当該タンパク質分子を構成する一次構造すなわちアミノ酸配列の切断以外のコンフォメーション変化のことをいい、コンフォメーション変化の程度に特に制限はない。

本発明において、前記高分子は膜タンパク質とすることができる。膜タンパク質は多くの場合疎水性の高い領域を有しているため、これを用いることにより、カーボンナノチューブ側面に効率よく吸着し、安定的に被覆させることができる。このため、所望の形状もしくは構造の接合体またはこれを用いたデバイスをさらに安定的に作製することができる。

本発明において、接合材は、特異的相互作用を有する一組の分子を含むものとすることができる。特異的相互作用を有する一組の分子を含むことにより、接合部位をより一層確実に制御することができる。ここで、「特異的相互作用を有する一組の分子」は、たとえばリガンドとレセプターの組み合わせ、または、抗原と抗体の組み合わせを含むものが例示される。

以上説明したように本発明によれば、良好な性能を示し生産性に優れたナノデバイスが提供される。また本発明によれば、ナノデバイスによる集積回路を実現するのに必要な微細な配線が提供される。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。まず第１〜第３の実施の形態により、本発明に係る配線構造やデバイスを形成するための接合体について説明する。接合体には、側面に被覆を有するカーボンナノチューブ構造体を用い、これが所定の位置で他のカーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ構造体、または基板等と連結される。次いで、本発明に係るデバイスについて第４、第５の実施の形態により説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る接合体は、カーボンナノチューブの側面を高分子が被覆するカーボンナノチューブ構造体の被覆に接合材としてレセプターまたはリガンドが固定化されており、レセプターとリガンドとの特異的相互作用を介してカーボンナノチューブ構造体同士が連結された構成を有する。

本実施形態に係る接合体に用いられるカーボンナノチューブ構造体は、カーボンナノチューブの側面に高分子からなる被覆を有する。被覆は、カーボンナノチューブの表面の一部の領域に形成されていてもよく、またカーボンナノチューブの側面全面に一様に形成されていてもよい。また、被覆は、カーボンナノチューブの側面のある領域で全面にわたって緻密に形成された稠密な層であってもよい。

このカーボンナノチューブ構造体において、カーボンナノチューブの側面に高分子が巻回し、被覆していてもよい。また、巻回という被覆の態様においても、所定の条件において本発明における「層」が好適に形成される。

以下、高分子がカーボンナノチューブの側面に巻回するカーボンナノチューブ構造体を用いる場合を例に、説明する。本実施形態に係るカーボンナノチューブ構造体は、カーボンナノチューブの側面に高分子が巻回された構成を有する。

図１（ａ）は、第１の実施形態に係る接合体の構成を示す斜視図である。この接合体は、側面にレセプター１６７が固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１と、側面にリガンド１６９が固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１とが、リガンド１６９とレセプター１６７との特異的相互作用により連結された構成を有する。カーボンナノチューブ構造体１３１は、カーボンナノチューブ１０５の側面外周に高分子１１９が巻回した構成となっている。

カーボンナノチューブ構造体１３１において、カーボンナノチューブ１０５の側面外周の被覆は、高分子１１９の巻回によって形成されているため、被覆の表面形状や厚さは高分子１１９の主骨格構造により主として決定される。このため、一本のカーボンナノチューブ１０５における被覆の凹凸構造のピッチや厚さを均一にすることができる。さらに、カーボンナノチューブ１０５間における被覆の厚さ等のばらつきが抑制される。このため、ナノデバイスとして好適に用いることができる。

また、図１（ａ）の接合体においては、カーボンナノチューブ構造体１３１同士がレセプター１６７とリガンド１６９との特異的相互作用により連結しているため、カーボンナノチューブ構造体１３１の連結を、設計に応じて所定の位置で確実に形成することができる。

カーボンナノチューブ構造体１３１を構成するカーボンナノチューブ１０５は、設計に応じて所定の直径、長さのものを選択して用いる。たとえば、直径０．４ｎｍ〜１００ｎｍ程度、長さ５０ｎｍ〜１０μｍ程度のものを選択する。単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）のいずれを用いてもよい。

高分子１１９は、カーボンナノチューブ１０５側面に巻回し、カーボンナノチューブ１０５の表面を被覆することができる分子であれば特に制限はなく、各種の合成高分子や生体高分子を用いることができる。また、巻回によりカーボンナノチューブの側面を層状に被覆する分子であることが好ましい。カーボンナノチューブ１０５の側面に巻回させるために、たとえば疎水性骨格鎖を有する合成高分子を用いることが好ましい。高分子１１９として、具体的には、たとえばポリオレフィン、ポリアミドや、ポリペプチド等が挙げられる。また、タンパク質、ＤＮＡ、多糖等の生体高分子を用いることもできる。また、高分子１１９として水不溶性の高分子を用いてもよい。

このうち、ポリペプチドを用いることにより、巻回構造を安定的に再現性よく得ることができる。また、分子の有するアミノ酸の種類を選択することにより、カーボンナノチューブ１０５表面に多様な表面特性を付与することができる。また、カーボンナノチューブ構造体１３１同士の連結に用いる官能基の選択の自由度も高い。

タンパク質として、変性タンパク質を用いてもよい。特に、膜タンパク質由来の変性タンパク質は、通常非水溶性であり、疎水性アミノ酸を多く含む。そして、膜タンパク質由来の変性タンパク質は、未変性タンパク質に比べて通常疎水部が露出した構造であるため、カーボンナノチューブ１０５の側面への巻回がより一層容易、確実になる。たとえば後述のように、タンパク質の分散液を液体表面に展開することにより、分散液と液体との界面張力によってタンパク質を効率よく変性させて疎水部を露出させつつ、カーボンナノチューブ１０５の側面に巻回させ、被覆を形成することができる。また、タンパク質を変性させてカーボンナノチューブ１０５の側面を被覆することにより、層状の被覆を形成し、被覆層を薄膜とすることができる。

なお本実施形態においてタンパク質の「変性」とは、当該タンパク質分子の立体構造の崩壊と機能の失活、または当該タンパク質分子を構成する一次構造、すなわち、アミノ酸配列の切断以外のコンフォメーション変化のことをいい、コンフォメーション変化の程度に特に制限はない。

また、高分子１１９としてタンパク質を用いる場合、たとえばバクテリオロドプシン等の各種膜タンパク質を用いることができる。膜タンパク質は疎水性アミノ酸を多く含む。このため、気液界面で変性した膜タンパク質をカーボンナノチューブ１０５側面に効率よく吸着させ、安定的に巻回させることができる。また、カーボンナノチューブ１０５の表面に緻密な被覆層を形成することができる。なお、高分子１１９の骨格鎖長は、カーボンナノチューブ１０５の長さやカーボンナノチューブ構造体１３１の用途に応じて適宜選択される。

高分子１１９として、疎水性骨格を有し、側鎖に水酸基、カルボキシル基等の親水基を有する高分子を用いることにより、カーボンナノチューブ１０５の水中での分散性を顕著に向上させることができる。このとき、高分子１１９がカーボンナノチューブ１０５の表面に巻回されているため、カーボンナノチューブ１０５の側面を均一に被覆することができる。また、高分子１１９の側鎖を変化させることにより、後述するように他のカーボンナノチューブ１０５との連結位置を調節することができる。

また、レセプター１６７およびリガンド１６９には、各種リガンドおよびレセプターを用いることができる。たとえば抗原と抗体、または酵素と基質、基質誘導体もしくは阻害剤等、特異的相互作用を有する組み合わせとすることができる。具体的には、たとえばステロイドとそのレセプター等を用いることができる。また、図１（ａ）ではレセプター１６７とリガンド１６９との組み合わせとしているが、ＤＮＡとＤＮＡまたはＲＮＡ等の組み合わせを接合材として用いてもよい。

なお、一般に抗体は抗原との結合部位を２箇所有する。このため、レセプター１６７とリガンド１６９との組み合わせを抗原と抗体等の組み合わせとすると、分岐構造を形成することができる。具体的にはたとえば、ジニトロフェノール（ＤＮＰ）誘導体と抗ＤＮＰ抗体等を用いることができる。

また、アビジンはビオチンとの結合部位を４箇所有するため、アビジンとビオチンとの相互作用を用いることにより、さらに複雑な分岐構造を有する接合体を形成することが可能となる。なお、アビジンにかわりストレプトアビジンを用いてもよい。分岐した構成の電子デバイスを形成する場合、連結箇所の電気抵抗が不均一であると、分岐したそれぞれのカーボンナノチューブ１０５に均一に電流が流れなくなるが、本実施形態では連結箇所に用いる接合材として上述の分子を用いているため、連結箇所の電気抵抗を均一にすることができる。このような分岐構造は、たとえばデバイスを作製する際の仮止めとして用いてもよい。仮止めとして用いる場合、分岐構造を形成した後、たとえば第５の実施形態にて後述するようにして交差部分における電気的なコンタクトを確保し、分岐配線構造として用いることができる。

次に、図１（ａ）の接合体の作製方法について、図２〜図４を参照して説明する。図２は、カーボンナノチューブ構造体１３１の製造方法の一例を示す図である。また、図３および図４は、カーボンナノチューブ構造体１３１同士をリガンド１６９およびレセプター１６７を介して連結させる方法を説明する図である。

図２において、まず、高分子１１９を分散媒１２１に分散させる（図２（ａ））。そして、カーボンナノチューブ１０５を添加してさらに分散させ、分散液１２３を得る（図２（ｂ））。分散方法として、たとえば超音波分散器等を用いた方法が採用される。

得られた分散液１２３を、シリンジ１０９等を用いて水槽中の下層液１２５の液面上に展開する（図２（ｃ））。図２では、水槽として可動式バリア１２７を備えたラングミュアトラフ１１３を用いている。

展開後、分散液１２３を静置する（図２（ｄ））。すると、カーボンナノチューブ１０５側面にコンフォメーション変化した高分子１１９が巻回し、被覆したカーボンナノチューブ構造体１３１が得られる（図２（ｅ））。

こうして得られたカーボンナノチューブ構造体１３１を基材の表面に付着させる。ここでは、下層液１２５の液面上に展開されたカーボンナノチューブ構造体１３１を、基板（不図示）表面に、水平付着法により付着させる。水平付着法とは、基板の表面が水面に水平になるよう、基板を液面に接触させ、引き上げることによって、水面上に展開されたカーボンナノチューブ構造体１３１を基板の表面に付着させる方法である。以上により、基板の表面に、カーボンナノチューブ構造体１３１が配置される。

ここで、分散媒１２１は、高分子１１９をある程度安定的に分散させることができる有機溶媒またはその混合液、水溶液等から適宜選択される。さらに、下層液１２５は、分散媒１２１および高分子１１９に応じて適宜選択される。たとえば、高分子１１９としてバクテリオロドプシンを用いる場合、分散媒１２１として有機溶媒の水溶液を用いることができる。具体的には、たとえば、ＤＭＦ（ジメチルフォルムアミド）水溶液またはＤＭＳＯ（ジメチルスルフォキシド）水溶液等を用いることができる。また、下層液１２５として、たとえばｐＨ２以上６以下、好ましくはｐＨ３以上４以下の酸性水溶液を用いることができる。こうすることにより、下層液１２５上に、カーボンナノチューブ１０５とバクテリオロドプシンの一様な混合単分子膜を形成することができる。図２（ｃ）において、カーボンナノチューブ構造体１３１は、下層液１２５の気液界面の混合単分子膜上に形成される。

なお、バクテリオロドプシンを用いたカーボンナノチューブ構造体１３１の製造方法については、後述の実施例においてさらに詳細に説明する。

また、バクテリオロドプシン以外のタンパク質を高分子１１９として用いることもできる。このとき、システイン残基を有するタンパク質を用いる場合には、必要に応じてＤＴＴ（ジチオスレイトール）等の還元試薬を分散媒１２１または下層液１２５中に添加してもよい。こうすれば、高分子１１９をさらに確実にカーボンナノチューブ１０５側面外周に巻回させ、被覆することができる。

また、カーボンナノチューブ構造体１３１を作製する際に、図２（ｅ）の工程に引き続き、しきり板、すなわちラングミュアトラフ１１３の可動式バリア１２７を用いて展開されたカーボンナノチューブ構造体１３１を圧縮する工程をさらに設けてもよい。展開されたカーボンナノチューブ構造体１３１を圧縮することにより、カーボンナノチューブ構造体１３１を一定方向に配向させることができる。たとえば高分子１１９として紫膜中のバクテリオロドプシンを用いる場合、たとえば表面圧力が５ｍＮ／ｍ〜２５ｍＮ／ｍ程度になるまで圧縮速度２０ｃｍ^２／ｍｉｎ程度で圧縮することが好ましい。カーボンナノチューブ１０５の配向は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）などを用いて確認することができる。このとき、高分子１１９すなわち変性したタンパク質のうち、カーボンナノチューブ１０５に巻回しなかったものはアモルファス状単分子膜の凝集物となるが、この凝集物は、カーボンナノチューブ構造体１３１の支持体となり、カーボンナノチューブ１０５の配向状態を維持する。

なお、カーボンナノチューブ構造体１３１を圧縮する際、表面圧力が大きいほどカーボンナノチューブ１０５の側面に被覆される高分子１１９の厚さが厚くなる。したがって、接合体の用途に応じて圧縮速度を調節することにより、カーボンナノチューブ構造体１３１を多様な設計の接合体に適用することが可能となる。

次に、図３および図４を参照しながら、得られたカーボンナノチューブ構造体１３１と他のカーボンナノチューブ構造体１３１とを連結させる方法について説明する。ここで、図３（ａ）は、上述の方法により基板１６１上に付着されたカーボンナノチューブ構造体１３１を示す。なお、基板１６１の表面に、炭化物を形成し得る金属が含まれる場合、カーボンナノチューブ構造体１３１を付着させた後、適宜アニーリングを行ってもよい。こうすることにより、基板１６１とカーボンナノチューブ１０５との界面に炭化物が形成されるため、基板１６１表面にカーボンナノチューブ構造体１３１を確実に固定化することができる。

こうしてカーボンナノチューブ構造体１３１の付着した基板１６１の表面に緩衝液１６３を満たす（図３（ｂ））。これは、たとえば基板１６１を緩衝液中１６３に浸漬することにより行うことができる。緩衝液１６３としては、レセプター１６７およびリガンド１６９の変性等を生じないものであればよく、リン酸緩衝液等公知のものが用いられる。

次に、カルボジイミド等を用いて予めカルボキシル基を活性化したレセプター１６７をカーボンナノチューブ構造体１３１側面の高分子１１９のアミノ基等と結合させる。結合方法としては、たとえばマイクロコンタクトプリンティング（μＣＰ）法を用いることができる。このとき、活性化されたレセプター１６７を緩衝液等に分散または溶解し、この液体を、インクジェットプリンターのノズル等、ピコリットル程度の液体を噴霧することができるノズル１６５に充填し、噴霧することにより、カーボンナノチューブ構造体１３１の所定の位置に確実にレセプター１６７を固定化することが可能となる（図３（ｃ））。なお、カルボジイミド法にかわり、他の縮合試薬を用いた方法で固定化を行ってもよい。

そして、緩衝液１６３を交換することにより、カーボンナノチューブ構造体１３１に固定化されなかったレセプター１６７を洗い流す（図３（ｄ））。

また、図４（ａ）囲み部に示されるように、上記と同様の工程により、側面にリガンド１６９を固定化したカーボンナノチューブ構造体１３１を作製する。このとき、カーボンナノチューブ構造体１３１を基板（不図示）上に固定化した後、上述のようにしてリガンド１６９を固定化してもよいし、図２（ｅ）の工程の後、カーボンナノチューブ構造体１３１を回収し、リガンド１６９とともに緩衝液中に懸濁し、カーボンナノチューブ構造体１３１にリガンド１６９を固定化してもよい。この場合、遠心分離によって結合しなかったリガンド１６９を除去してもよい。

こうして得られた、レセプター１６７の固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１とリガンド１６９の固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１とを連結させる。すなわち、図３（ｄ）の工程に続き、表面にレセプター１６７の固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１を有する基板１６１上に満たされた緩衝液１６３中に、リガンド１６９の固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１を添加する（図４（ａ））。このとき、リガンド１６９の固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１は緩衝液中に分散させておくとよい。カーボンナノチューブ構造体１３１に固定化されたレセプター１６７とリガンド１６９とが特異的相互作用し、カーボンナノチューブ構造体１３１同士が連結される（図４（ｂ））。以上より、基板１６１上にカーボンナノチューブ構造体１３１が所定の位置で連結された接合体が得られる。

なお、図１（ａ）の接合体の作製において、カーボンナノチューブ構造体１３１にレセプター１６７を固定化する際にも、リガンド１６９の固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１を作製する場合と同様に、図２（ｅ）の工程の後、カーボンナノチューブ構造体１３１をレセプター１６７とともに緩衝液中に懸濁し、カーボンナノチューブ構造体１３１にレセプター１６７を固定化してもよい。

本実施形態の接合体は、ナノデバイスの配線構造等に好適に用いることができる。こうすれば、高分子１１９の分子構造によって被覆の厚さやその電気抵抗等の特性、または表面形状や表面特性を制御することが可能になる。

なお、本実施形態の接合体において、レセプター１６７またはリガンド１６９は、カーボンナノチューブ構造体１３１を構成するカーボンナノチューブ１０５に結合してもよい。たとえば、カーボンナノチューブ１０５の末端がカルボキシル化されている場合、カルボキシル基に固定化してもよい。

また、カーボンナノチューブ構造体１３１を基板１６１の所定の位置に制御性良く固定化することができれば、所望のナノデバイスをより一層安定的に製造することが可能となる。たとえば、第３の実施形態で説明するように、高分子１１９またはカーボンナノチューブ１０５の所定の位置にチオール基を導入し、金パッドの形成された基板１６１を用いれば、金とチオール基との特異的相互作用によって金パッド表面にカーボンナノチューブ構造体１３１を選択的に固定化することができる。

本実施形態によれば、カーボンナノチューブ１０５の表面の少なくとも一部に緻密な被覆層を形成することができる。このため、カーボンナノチューブに新たな表面特性を付与することができる。たとえば、水中での分散安定性に優れたカーボンナノチューブ構造体１３１を得ることができる。また、高分子１１９を絶縁性の物質とすることにより、カーボンナノチューブ１０５の表面に緻密な絶縁層を形成することができる。このようなカーボンナノチューブ構造体１３１を有する接合体は、被覆層をゲート絶縁膜とするトランジスタやキャパシタ等の電子デバイスに好適に用いることができる。さらには、高分子１１９の化学修飾性を利用することもできる。

本実施形態の方法において、カーボンナノチューブ１０５として多層カーボンナノチューブを用いた場合には、たとえば、カーボンナノチューブ１０５の表面に、均一な厚さの高分子１１９の被覆層を形成することができる。また、単層カーボンナノチューブを用いた場合には、所定のピッチを有する巻回層を形成することができる。

また、カーボンナノチューブ構造体１３１において、高分子１１９がカーボンナノチューブ１０５の側面に巻回した構成とすることにより、高分子１１９がカーボンナノチューブ１０５の側面に密着した状態で安定的に保持することができる。このため、カーボンナノチューブ構造体１３１の分散安定性または保存安定性を向上させることができる。また、高分子１１９を絶縁性の物質とすると、カーボンナノチューブ１０５の側面の絶縁性を向上させることができる。

高分子１１９が巻回したカーボンナノチューブ構造体１３１において、カーボンナノチューブの側面に一定ピッチの被覆が形成された構成であってもよい。このときの被覆の厚さは、被覆形成時の制御により適宜選択される。たとえば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲で被覆の厚さを制御することにより、カーボンナノチューブ１０５の電気的な表面特性を確実に変化させることができる。高分子１１９が巻回して被覆層を形成している場合、高分子１１９の巻回層は、単層であってもよく、また多層であってもよい。

また、本実施形態に係るカーボンナノチューブ構造体１３１はカーボンナノチューブ１０５の側面に、一定の厚さの均一な被覆層が形成された構成とすることもできる。

均一な被覆層が形成されたカーボンナノチューブ構造体１３１において、被覆層の厚さは、たとえば０．１ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上とすることができる。こうすることにより、カーボンナノチューブ１０５の表面特性を確実に変化させることができる。また、被覆層の厚さはたとえば１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下とすることができる。こうすることにより、被覆層を薄膜とすることができる。このため、カーボンナノチューブ１０５の特性を充分に発揮させつつ、さらに分散安定性を向上させることができる。また、必要最少量の高分子１１９を用いてカーボンナノチューブ１０５の表面に薄層を効率よく形成することができる。また、高分子１１９を絶縁層の物質とすると、カーボンナノチューブ１０５の側面にトンネル層として利用可能な薄い絶縁膜を安定的に形成することができる。このため、種々の電子デバイスに好適に用いることができる。

なお、本実施形態において、カーボンナノチューブ構造体１３１は以下の方法で作製することもできる。図１５は、カーボンナノチューブ構造体の製造手順を説明する図である。図１５に示した方法においても、基本的には図２を用いて前述した方法を用いることができるが、カーボンナノチューブ１０５の分散液１８３と高分子１１９の分散液１８５とを別々に調製し、カーボンナノチューブ１０５の分散液１８３、高分子１１９の分散液１８５の順に下層液１２５上に展開する点が異なる。

まず、カーボンナノチューブ１０５を分散媒１８０に分散させ、分散液１８３を調製する（図１５（ａ））。分散媒１８０として、たとえば１０ｖ／ｖ％以上９０ｖ／ｖ％以下のＤＭＦ水溶液または１０ｖ／ｖ％以上９０ｖ／ｖ％以下のＤＭＳＯ水溶液を用いることができる。こうすることにより、カーボンナノチューブ１０５を分散液１８３中で良好に分散させることができる。また、分散の際に超音波処理を行ってもよい。次に、得られた分散液１８３を、下層液１２５上に展開する（図１５（ｂ））。

また、高分子１１９を分散媒１８１に分散させて、分散液１８５を調製する（図１５（ｃ））。分散媒１８１は、高分子１１９をある程度安定的に分散させておくことが可能な有機溶媒またはその水溶液とすることができる。こうすることにより、後述するように、分散液１８５を下層液１２５の上に展開した際に、気液界面における高分子１１９によるカーボンナノチューブ１０５の側面の被覆を安定的に生じさせることができる。

また、分散媒１８１は、カーボンナノチューブ１０５をある程度安定的に分散させうることが好ましい。こうすることにより、確実に高分子１１９により一本一本のカーボンナノチューブ１０５の側面を被覆することができる。分散媒１８１は、たとえば図２において前述した方法において分散媒１２１として利用可能な液体とすることができる。また、分散媒１８１に分散媒１８０と同じものを用いてもよい。

次に、得られた分散液１８５を、分散液１８３を展開した下層液１２５上にさらに展開する（図１５（ｄ））。分散液１８５を展開すると、高分子１１９とカーボンナノチューブ１０５とが混和し、カーボンナノチューブ１０５の側面を高分子１１９が被覆し、カーボンナノチューブ構造体１３１が形成される（図１５（ｅ））。

このように、カーボンナノチューブ１０５の分散液１８３と高分子１１９の分散液１８５とを異なるタイミングで下層液１２５上に展開した場合にも、カーボンナノチューブ構造体１３１を安定的に製造することができる。

図１５の方法において、カーボンナノチューブ１０５として多層カーボンナノチューブを用いた場合には、カーボンナノチューブ１０５の表面に、均一な厚さの高分子１１９の被覆層を形成することができる。また、単層カーボンナノチューブを用いた場合には、所定のピッチで高分子１１９を巻回させた被覆を形成することができる。また、この場合、所定の条件で高分子１１９が層状に被覆した巻回層を得ることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、カーボンナノチューブ構造体と高分子が被覆していないカーボンナノチューブとを連結させた接合体に関する。図１（ｂ）は、本実施形態に係る接合体の構成を示す上面図である。図１（ｂ）に示される接合体の作製を、第１の実施形態と異なる部分を中心に図２、図３および図５を用いて説明する。

第１の実施の形態と同様に、図２、図３の工程によって基板１６１上のカーボンナノチューブ構造体１３１にレセプター１６７を固定化する（図３（ｄ））。

次いで、表面にレセプター１６７の固定化されたカーボンナノチューブ構造体１３１を有する基板１６１上に満たされた緩衝液１６３中に、リガンド１６９を固定化したカーボンナノチューブ１０５を添加する（図５（ａ））。カーボンナノチューブ構造体１３１に固定化されたレセプター１６７とカーボンナノチューブ１０５に固定化されたリガンド１６９とが特異的相互作用し、カーボンナノチューブ構造体１３１とカーボンナノチューブ１０５とが連結される（図５（ｂ））。

ここで、カーボンナノチューブ１０５端部へのリガンド１６９の固定化は、以下のようにして行う。カーボンナノチューブ１０５として、予め切断することにより末端にカルボキシル基が導入されたものを用いる。カーボンナノチューブ１０５の切断方法として、酸処理と超音波処理とを組み合わせた方法等、公知の方法を採用することができる。そして、カーボンナノチューブ１０５の末端のカルボキシル基を上述の場合と同様に、カルボジイミド法等により活性化し、リガンド１６９のアミノ基等を固定化する。

以上より、基板１６１上にカーボンナノチューブ構造体１３１とカーボンナノチューブ１０５とが所定の位置で連結された接合体を形成することができる。このとき、カーボンナノチューブ構造体１３１とカーボンナノチューブ１０５とを用いているため、カーボンナノチューブ構造体１３１の所定の側面にカーボンナノチューブ１０５の端部を連結することが可能である。

本実施形態においても、レセプター１６７、リガンド１６９の組み合わせに限らず、他の組み合わせに係る特異的相互作用を用いてカーボンナノチューブ構造体１３１とカーボンナノチューブ１０５とを連結させてもよい。たとえば第１の実施形態に記載の組み合わせを採用してもよい。

たとえば、図１（ｃ）は、レセプター１６７とリガンド１６９の組み合わせにかわり、抗体１７１と抗原１７３とを介してカーボンナノチューブ１０５とカーボンナノチューブ構造体１３１とが連結された構成を示す。また、図１（ｄ）は、アビジン１７５とビオチン１７７との特異的な相互作用を介してカーボンナノチューブ構造体１３１とカーボンナノチューブ１０５とを連結させた構成を示す。このように、所定の組み合わせを選択することにより、分岐した連結構造を含む複雑な接合体の形成が可能となる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、カーボンナノチューブ構造体を基板上に固定化する方法に関する。図７は、本実施形態に係る接合体の構成を示す図である。カーボンナノチューブ構造体１３１は、高分子１１９の有するチオール基によって、基材（不図示）上の金１７９の表面に選択的に吸着している。

本実施形態において、高分子１１９としては、たとえば第１の実施形態に記載の物質にチオール基を導入して用いる。また、チオール基を有する高分子１１９をそのまま用いてもよい。また、基材としては、たとえば表面の一部もしくは全体に金１７９を有する材料を用いることができる。金１７９を有する材料を用いることにより、高分子１１９の有するチオール基を表面に選択的に吸着させることが可能となる。

図７の接合体は、以下のようにして作製する。すなわち、第１の実施形態と同様にしてカーボンナノチューブ１０５の側面に高分子１１９を被覆したカーボンナノチューブ構造体１３１を、水平付着法により基材上の金１７９の表面に付着させる。高分子１１９を被覆する際には、必要に応じてＤＴＴ等の還元試薬を図２中の分散媒１２１または下層液１２５中に添加してもよい。そして、基板表面を、超音波振動を与えながらエタノールで洗い流すことにより、金１７９表面にカーボンナノチューブ構造体１３１が配置される。

このようにすれば、簡便なステップで、基材表面のうち金１７９が設けられた部分に選択的にカーボンナノチューブ構造体１３１を吸着させることができる。なお、チオール基は、高分子１１９に導入した場合を例示したが、カーボンナノチューブ１０５の末端に導入してもよい。

また、金１７９の表面にチオール基およびアミノ基を有する分子を吸着ないし結合し、これとカーボンナノチューブ構造体１３１の有するカルボキシル基とを反応させることにより、金１７９およびカーボンナノチューブ構造体１３１を接合することができる。具体的には以下のようにする。まず金１７９の表面にＨＳ−（ＣＨ₂）_n−ＮＨ₂（ただし、ｎは自然数）等のチオール基を有する分子を吸着させることによりアミノ基を導入する。つづいて高分子１１９またはカーボンナノチューブ１０５の末端に存在するカルボキシル基をカルボジイミド法等により活性化し、上記と同様にして金１７９表面に連結させることができる。このとき、金１７９表面における所定の位置にチオール基を有する分子を吸着させておけば、その位置において選択的にカーボンナノチューブ構造体１３１を固定させることが可能となる。

本実施形態の方法を用いると、たとえばカーボンナノチューブ接合体を配線に用いたトランジスタを作製する際に、表面に金電極を用いた基板を用いることにより、金電極上にカーボンナノチューブ構造体１３１を選択的に接合することが可能となる。このため、トランジスタの製法を簡便なものとするとともに製造安定性も向上させることが可能となる。

以上、本発明の接合体について実施の形態に基づいて説明した。このようにして得られる接合体は、様々な用途への展開が可能である。

たとえば、電子デバイスにおいて、基板上や電極上等の所定の位置にカーボンナノチューブ構造体を配置し、固定化することが可能となる。このとき、第１の実施形態において説明したように、カーボンナノチューブ構造体は一定方向に配列させることができるため、方向についても制御可能であり、精密な設計に対応可能である。また、カーボンナノチューブまたはカーボンナノチューブ構造体同士を結合させれば、種々のナノ立体構造を形成することも可能となるため、ナノ回路構造や３次元ナノ配線等に利用することができる。以下、そうしたデバイスについて例を挙げて説明する。

（第４の実施形態）
図１２は、本実施形態に係る単一電子トランジスタ２００の概略構造を示す。図１２を参照して、シリコン基板２０２上に、ソース電極２０４、ドレイン電極２０６およびゲート電極２０８が離間して形成されている。ソース電極２０４とドレイン電極２０６にまたがるようにカーボンナノチューブ構造体１３１が形成されている。カーボンナノチューブ構造体１３１は、カーボンナノチューブ１０５の表面を高分子１１９が被覆した構造となっている。カーボンナノチューブ構造体１３１は、高分子１１９を介してソース電極２０４とドレイン電極２０６に固定されている。なお、高分子１１９と、ソース電極２０４、ドレイン電極２０６との間には、接合材が介在してもよい。本実施形態では、カーボンナノチューブ構造体１３１はシングルウォール構造のカーボンナノチューブが好ましく用いられる。また、高分子１１９として、チオール基を導入したポリペプチドが好ましく用いられる。たとえば、高分子１１９として、チオール基を導入したバクテリオロドプシンを用いてもよい。

この単一電子トランジスタ２００において、高分子１１９はトンネル層として機能し、カーボンナノチューブ１０５のうちのソース電極２０４とドレイン電極２０６の間に位置する部分がクーロンアイランドとして機能する。すなわち、ソース電極２０４から高分子１１９を介してカーボンナノチューブ１０５に電子が流入し、カーボンナノチューブ１０５から高分子１１９を介してドレイン電極２０６に電子が流出する。ゲート電極２０８に印加される電圧に応じてカーボンナノチューブ１０５内に存在する電子の数が制御され、ドレイン電流の大きさが制御される。単一電子トランジスタ２００によれば、数個の電子によりスイッチング動作を行うことができるので、従来のＭＯＳＦＥＴに比べ飛躍的に消費電力を低減することができる。

この単一電子トランジスタ２００は、以下のようにして作製することができる。まずシリコン基板２０２上に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることにより、ソース電極２０４、ドレイン電極２０６およびゲート電極２０８を形成する。次に、第３の実施の形態で述べた方法により、カーボンナノチューブ構造体１３１を作製し、これを金により構成されたソース電極２０４およびドレイン電極２０６に選択的に付着させる。以上のようにして、図１２に示す単一電子トランジスタ２００を形成することができる。

カーボンナノチューブ構造体１３１の各部のサイズは、たとえば以下の範囲とする。
カーボンナノチューブの長さ：１００〜１，０００ｎｍ
カーボンナノチューブの直径：１〜５０ｎｍ
高分子の厚み：０．３〜２０ｎｍ

一般的に、単電子トランジスタの設計においては、クーロンアイランドおよびこれとソース・ドレイン電極との間に介在するトンネル層を、量子効果が発現する程度の微小サイズで再現性よく形成することが重要な技術的課題となる。本実施形態では、カーボンナノチューブ１０５のうちのソース電極２０４とドレイン電極２０６の間に位置する部分がそのままクーロンアイランドとなるので、そのサイズの設計は容易である。

すなわち、ソース電極２０４とドレイン電極２０６の間の距離を適宜に設定すればその距離がクーロンアイランドの長さになる。また、カーボンナノチューブの直径がクーロンアイランドの幅になるが、これはカーボンナノチューブの作製条件を適切に調節することにより精度良く制御することが可能である。一方、トンネル層の厚みは、高分子１１９の種類の選択およびカーボンナノチューブ１０５の表面に高分子１１９を被覆する際の条件の調整により、良好に制御できる。このように本実施形態の単一電子トランジスタ２００は、設計した寸法により良好な製造安定性で作製することができる。この結果、量子効果に基づく素子性能を安定的に発揮する。

なお、本実施形態において、クーロンアイランドを確実に機能する程度の大きさとするために、エッチングやナノインプリンティングの技術を用いてもよい。

（第５の実施形態）
本実施形態は、微小サイズのキャパシタに関するものである。以下、図１３および図１４を参照して説明する。図１３は、本実施形態に係るナノキャパシタの断面図である。このキャパシタは、カーボンナノチューブ２５４および高分子２５５からなるカーボンナノチューブ構造体２５６が、接合材２１０を介して電極２５１と結合した構成を有する。接合材２１０は、一対のリガンドおよびレセプターからなり、一方が高分子２５５に結合し、他方が第一電極２５１に結合している。

カーボンナノチューブ２５４および電極２５１はいずれも良伝導性を示す材料により構成されており、それぞれキャパシタの電極として機能する。高分子２５５は、これらの電極に挟まれた容量膜として機能する。

カーボンナノチューブ構造体２５６の各部のサイズは、たとえば以下の範囲とする。
カーボンナノチューブの長さ：１００〜１，０００ｎｍ
カーボンナノチューブの直径：１〜１００ｎｍ
高分子の厚み：０．３〜５０ｎｍ

図１４は、図１３のキャパシタと、これに電力を供給する配線を備える構造体２５０の概略図である。シリコン基板２６０上に第一電極２５１と第二電極２５２とが形成されている。カーボンナノチューブ構造体２５６は前述したキャパシタの一部を構成する。カーボンナノチューブ構造体２６４は、カーボンナノチューブ２６２および高分子２６３からなり、キャパシタに電力を供給する微細配線としての役割を果たす。カーボンナノチューブ構造体２５６の高分子２５５は容量膜として機能するため、その厚みは比較的厚い。一方、カーボンナノチューブ構造体２６４の高分子２６３は、配線の絶縁被覆層として機能するため、その厚みは比較的薄い。

この２つのカーボンナノチューブ構造体は、その端部において交差し接触している。接触部においては高分子は除去されカーボンナノチューブ同士が直接接触し、オーミックコンタクトが実現される。交差部は金属パッド２５３により覆われ、良好なコンタクト抵抗が得られるようになっている。この交差部は、カーボンナノチューブ構造体の接合体を作製した後、接合部分の高分子を除去しつつ接合部分を金属材料でモールドするといった方法が有効である。すなわち、カーボンナノチューブ構造体２５６の高分子２５５およびカーボンナノチューブ構造体２６４の高分子２６３を、すでに述べた接合材を用いる等の方法により接合した後、この接合部分に金属膜を選択的に成膜する。この成膜工程において加熱処理を加える等の方法により、上記高分子を除去することができる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、高分子１１９の所定の位置にチオール基を導入してもよい。こうすることにより、リガンドとレセプター等の連結用分子を用いずに、カーボンナノチューブ構造体１３１同士を連結させた接合体が得られる。

図６は、この接合体の構成を示す斜視図である。図６に示されるように、基板上１６１で、２つのカーボンナノチューブ構造体１３１が、それぞれの高分子１１９中の側鎖間でジスルフィド結合を形成している。図６の接合体は、高分子１１９の有するチオール基同士を結合させるため、より簡便な構成であり、作製も容易である。また、結合用の分子を用いていないため、連結されたカーボンナノチューブ構造体１３１中の、カーボンナノチューブ１０５間の導電性がより一層良好に確保される。なお、図６では、二つのカーボンナノチューブ構造体１３１同士が連結されているが、３つ以上のカーボンナノチューブ構造体１３１が連結した接合体についても同様に作製することができる。

本実施例においては、まず、様々な接合体を構成する基礎単位であるカーボンナノチューブ構造体を作製した。

図８はカーボンナノチューブ構造体の製造方法を示す図である。図８に示されるように、本実施例では、カーボンナノチューブ１０５に変性バクテリオロドプシン１１５のポリペプチド鎖を巻回させたカーボンナノチューブ構造体１１７を作製した。

まず、バクテリオロドプシン１０１を含む紫膜を分散媒１０３に分散させた（図８（ａ））。バクテリオロドプシン１０１として、たとえば、紫膜または紫膜に含まれるバクテリオロドプシン１０１を用いることができるが、本実施例では紫膜を用いた。紫膜は、ハロバクテリウム・サリナルム（Ｈａｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓａｌｉｎａｒｕｍ）などの好塩菌から分離することができる。紫膜の分離には、ＭｅｔｈｏｄｓｉｎＥｎｚｙｍｏｌｏｇｙ，３１，Ａ，ｐｐ．６６７−６７８（１９７４）に記載の方法を用いた。また、分散媒１０３として、３３ｖ／ｖ％ＤＭＦ（ジメチルフォルムアミド）水溶液を用いた。なお、分散媒１０３としては、３３ｖ／ｖ％ＤＭＦ（ジメチルフォルムアミド）水溶液に限らず、有機溶媒の水溶液等を用いることができる。

バクテリオロドプシン１０１の分散液に過剰量のカーボンナノチューブ１０５を加え、超音波分散器を用いて１時間以上分散化処理を行った（図８（ｂ））。分散後、残存するカーボンナノチューブ１０５の凝集物を除去した。カーボンナノチューブとして、ＣＮＩ社製単層カーボンナノチューブ（Ｏｐｅｎｅｎｄｔｙｐｅ、直径約１ｎｍ、精製純度約９３％）を用いた。

こうして得られた分散液１０７（図８（ｃ））を、シリンジ１０９を用いて、水槽に張った下層液１１１の液面上に静かに展開した（図８（ｄ））。こうすることにより、カーボンナノチューブ１０５とバクテリオロドプシン１０１の混合単分子膜が得られた。なお、本実施例では、水槽としてラングミュアトラフ１１３を用い、下層液１１１としてＨＣｌでｐＨ３．５に調製した純水を用いた。

次に、カーボンナノチューブ１０５とバクテリオロドプシン１０１の混合単分子膜を静置し、バクテリオロドプシン１０１を下層液１１１の界面張力によって界面変性させた。紫膜を用いる場合、紫膜中のすべてのバクテリオロドプシンが界面変性するまで、室温で５時間以上静置することが好ましいため、本実施例でも５時間静置した（図８（ｅ））。こうすることにより、変性バクテリオロドプシン１１５が、カーボンナノチューブ１０５の側面に巻回するようになる（図８（ｆ））。

こうして得られたカーボンナノチューブ構造体１１７を、ＡＦＭおよびＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて確認した。図９、図１０、および図１６は、カーボンナノチューブ構造体１１７のＡＦＭ像を示す図である。また、図１１は、バクテリオロドプシン１０１を添加せずにカーボンナノチューブ１０５のみを分散させた分散液について、同様の処理を行った場合のカーボンナノチューブ１０５のＡＦＭ像を示す図である。ＡＦＭ観察には、生体分子可視化・計測装置ＢＭＶＭ−Ｘ１（ＤｉｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＮａｎｏＳｃｏｐｅＩＩＩａを改造）を用いた。シリコン単結晶（ＮＣＨ）をプローブとして用いた。図９〜図１１では、測定モードをタッピングＡＦＭとし、測定範囲は、６０４ｎｍ×６０４ｎｍ(Ｚ８ｎｍ)とした。

図９、図１０、および図１６を図１１と比較すると、図９、図１０、および図１６より、バクテリオロドプシン１０１を添加した場合には２０ｎｍ程度のほぼ一定のピッチを有する凹凸がカーボンナノチューブ１０５の表面に形成されている。また、図１０より、表面の凹凸の山頂と谷底間の高さ、すなわち被覆の厚さはほぼ一定であることがわかる。したがって、カーボンナノチューブ１０５表面に変性バクテリオロドプシン１１５が巻回することにより、均一な厚みの被覆層が表面に形成されていることがわかる。一方、図１１より、カーボンナノチューブ１０５のみを同様に観察した場合、このような凹凸表面は観察されない。したがって、カーボンナノチューブ１０５の表面に変性バクテリオロドプシン１１５が巻回していることがわかる。

また、上記水面上に形成されたカーボンナノチューブ構造体１１７を、その支持単分子膜ごとＴＥＭ観察用グリッドに転写し、乾燥後にＴＥＭでそのまま観察した。図１７は、カーボンナノチューブ構造体１１７のＴＥＭ像を示す図である。図１７に示したように、カーボンナノチューブ１０５の表面に、所定のピッチを有する変性バクテリオロドプシン１１５の緻密な巻回層が形成されていた。

このように、本実施例では、バクテリオロドプシン１０１とカーボンナノチューブ１０５とを分散させ、液面上に展開するという簡便な方法により、カーボンナノチューブ構造体１１７を作製することができた。得られたカーボンナノチューブ構造体１１７を用いることにより、所定の構成の接合体を形成することが可能となる。

また、カーボンナノチューブ１０５として、ＭＴＲＬｔｄ．社製多層カーボンナノチューブ（Ｃｌｏｓｅｄｅｎｄｔｙｐｅ、直径数１０〜２００ｎｍ、精製純度約９５％）を用いて、図８に示した上述の方法によりカーボンナノチューブ構造体１１７を作製した。そして、得られたカーボンナノチューブ構造体１１７について、ＡＦＭ観察およびＴＥＭ観察を行った。図１８は、多層カーボンナノチューブを用いて作製したカーボンナノチューブ構造体１１７のＡＦＭ像を示す図である。また、図１９は、多層カーボンナノチューブを用いて作製したカーボンナノチューブ構造体１１７のＴＥＭ像を示す図である。

図１８に示したように、カーボンナノチューブ１０５に多層カーボンナノチューブを用いた場合にも、カーボンナノチューブ構造体１１７が略平行に配向した配向膜が得られた。また、上記水面上に形成されたカーボンナノチューブ構造体１１７を、その支持単分子膜ごとＴＥＭ観察用グリッドに転写し、乾燥後にＴＥＭでそのまま観察したところ、図１９に示したように、カーボンナノチューブ１０５の表面に変性バクテリオロドプシン１１５の層が均一に形成されていた。また、変性バクテリオロドプシン１１５の層の厚さは、３ｎｍ程度であった。

以上のように、膜タンパク質であるバクテリオロドプシン１０１を用いることにより、製造安定性に優れるカーボンナノチューブ構造体１３１を得ることができた。また、本実施例では両親媒性構造を有する脂質膜がバクテリオロドプシン１０１の周りに配位する紫膜を用いて、カーボンナノチューブ構造体１３１を安定的に製造することができた。

なお、高分子１１９として、バクテリオロドプシン１０１にかえて子牛由来ヒストンタンパク質を用いてカーボンナノチューブ構造体１１７の作製を試みた。ところが、下層液１１１上にヒストンタンパク質の良好な単分子膜が形成されず、カーボンナノチューブ１０５の表面にヒストンタンパク質の被覆層を形成することはできなかった。

さらに、図８を用いて説明した方法にかえて、図１５に記載の方法を用いてカーボンナノチューブ構造体１１７の作製を試みた。ここで、図１５における分散媒１８０および分散媒１８１として、３３ｖ／ｖ％ＤＭＦ（ジメチルフォルムアミド）水溶液を用いた。また、下層液１２５として、ＨＣｌでｐＨ３．５に調製した純水を用いた。

その結果、カーボンナノチューブ１０５として単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブのいずれを用いた場合も、変性バクテリオロドプシン１１５がカーボンナノチューブ１０５の表面を被覆したカーボンナノチューブ構造体１１７を安定的に得ることができた。また、得られたカーボンナノチューブ構造体１１７の分散安定性は良好であった。

一方、図１５に記載の方法とは逆に、下層液１２５上に先に分散液１８５を展開し、次いで分散液１８３を展開した場合、カーボンナノチューブ構造体１１７を得ることができなかった。

このように、気液界面近傍に先にカーボンナノチューブ１０５を存在させた後にバクテリオロドプシン１０１を添加することにより、界面においてバクテリオロドプシン１０１を変性させて、その疎水性領域を露出させつつ、カーボンナノチューブ１０５の表面との間の疎水的相互作用によりカーボンナノチューブ１０５の表面を被覆させることができる。

また、本実施例では、得られたカーボンナノチューブ構造体１１７のガラス基板上への固定化および固定化したカーボンナノチューブ構造体１１７の表面のビオチン化およびアビジン化を行った。

カーボンナノチューブ１０５として、上述のＭＷＣＮＴを用い、図８に示した上述の方法によりカーボンナノチューブ構造体１１７を作製した。ここで、図８を用いて上述したように、下層液１１１上には、変性バクテリオロドプシン１１５により側面を被覆されたカーボンナノチューブ１０５、すなわちカーボンナノチューブ構造体１１７の単分子膜が形成される。

そこで、このカーボンナノチューブ構造体１１７の単分子膜をスライドガラスの表面に転写した。図２０（ａ）〜図２０（ｄ）および図２１（ａ）〜図２１（ｄ）は、本実施例において、ビオチン化に先立ち準備したカーボンナノチューブ構造体転写基板の作製手順を説明する図である。図２１（ａ）から図２１（ｄ）は、それぞれ図２０（ａ）〜図２０（ｄ）のＡ−Ａ’断面図である。

まず、基板としてスライドガラス２７１を準備し（図２０（ａ）、図２１（ａ））、前述した水平付着法を用いてスライドガラス２７１の一方の面にカーボンナノチューブ構造体１１７の単分子膜を付着させ、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３とした（図２０（ｂ）、図２１（ｂ））。カーボンナノチューブ構造体１１７の単分子膜は、後述する操作により流失することなく、スライドガラス２７１の表面に強固に付着していた。

次いで、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３の上に、二つのスペーサ２７５を互いに略平行に配置した（図２０（ｃ）、図２１（ｃ））。スペーサ２７５は、スライドガラス２７１の長辺の周縁部に、スライドガラス２７１の長手方向に沿って配置した。そして、二つのスペーサ２７５上にカバーガラス２７７を配置した（図２０（ｄ）、図２１（ｄ））。これにより、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３とカバーガラス２７７との間に、スペーサ２７５の厚さの空隙２７８が形成された。スペーサ２７５間に形成される空隙２７８の間隔ｄを約１ｃｍとした。

次いで、この空隙２７８に以下の試薬を順次流し入れることにより、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３のビオチン化を行い、次いで、ビオチンを介してカーボンナノチューブ構造体１１７の表面をアビジン化した。

ビオチン化またはアビジン化の際に、以下の試薬を用いた。Ｂｉｏｔｉｎ−ＡＣ₅−ＯＳｕ（同仁化学研究所社製）１．１ｍｇにＤＭＳＯ１．２４ｍｌを加え、１．９５ｍＭビオチンＤＭＳＯ溶液を作製した。このビオチンＤＭＳＯ溶液５０μｌに純水９５０μｌを加え、０．０９７６ｍＭのビオチン溶液とした。得られたビオチン溶液を、Ａ液（約０．１ｍＭビオチン溶液）とした。蛍光色素結合アビジン（Ａｖｉｄｕｎ，ＡｌｅｘａＦｌｏｕｒ４８８ｃｏｎｊｕｇａｔｅ：ＭｏｒｅｃｕｌａｒＰｒｏｂｅｓ社製）０．０９ｍｇを０．５Ｍリン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．１）９００μＬに溶解させた。これをＢ液とした。

図２２（ａ）〜図２２（ｆ）および図２３（ａ）〜図２３（ｃ）は、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３のビオチン化の手順を説明する図である。

まず、変性バクテリオロドプシン１１５中のリジン残基を活性化するために、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３とカバーガラス２７７との間の空隙２７８の一方の端にピリジンを滴下した。すると、毛細管現象により空隙２７８中に速やかにピリジンが流入した。そして、空隙２７８の他方の端から、濾紙を用いてピリジンを吸い取った（図２２（ａ））。次に、空隙２７８の一端から空隙２７８中に純水を流入させ、他端から濾紙に吸い取らせる操作を数回繰り返した。

図２３（ａ）は、図２２（ｂ）の状態のカーボンナノチューブ構造体１１７の断面の一部を模式的に示す図である。図２３（ａ）は、ＭＷＣＮＴ２７９の表面に変性バクテリオロドプシン１１５が被覆形成されている様子を示す。なお、変性バクテリオロドプシン１１５一分子は２４８個のアミノ酸残基を有し、そのうちの７個がリジン残基２８１である。

次に、空隙２７８の一端から空隙２７８中にＡ液を流入させた後、他端から濾紙に吸い取らせた（図２２（ｃ））。そして、図２２（ｂ）と同様にして、空隙２７８中に純水を流し、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３の表面を洗浄した（図２２（ｄ））。図２３（ｂ）は、図２２（ｄ）の状態のカーボンナノチューブ構造体１１７の断面の一部を模式的に示す図である。本実施例で用いたビオチン２８３はスクシンイミドにより活性化されているため、図２３（ｂ）に示したように、変性バクテリオロドプシン１１５のリジン残基２８１にビオチン２８３が結合する。

そして、空隙２７８の一端から空隙２７８中にＢ液を１００μＬ流入させた後、他端から濾紙に吸い取らせた（図２２（ｅ））。そして、図２２（ｂ）と同様にして、空隙２７８中に１００μＬのバッファーを流し、カーボンナノチューブ構造体転写面２７３の表面をバッファーで６回洗浄した後、空隙２７８をバッファーで満たした（図２２（ｆ））。図２３（ｃ）は、図２２（ｆ）の状態のカーボンナノチューブ構造体１１７の断面の一部を模式的に示す図である。ビオチン２８３とアビジン２８５との特異的相互作用により、カーボンナノチューブ構造体１１７の表面がビオチン２８３を介してアビジン化する。

このようにして表面をアビジン化したカーボンナノチューブ構造体転写面２７３の表面を蛍光顕微鏡観察に供した。観察は、カバーガラス２７７の側を蛍光顕微鏡の油芯レンズにつけて行った。

図２４は、ビオチン２８３を介してアビジン化したカーボンナノチューブ構造体転写面２７３の蛍光顕微鏡像を示す図である。図２４に示したように、背景に対し、紐状のＭＷＣＮＴ２７９の表面が顕著に発光していた。ＭＷＣＮＴ２７９の表面は、赤味がかった緑色に発光していた。

一方、カーボンナノチューブ構造体１１７を付着させていないスライドガラス２７１の表面に対し、同様にしてビオチン化処理および蛍光色素結合アビジン化処理を行い、蛍光顕微鏡観察を行ったところ、視野の全体が一様に薄い緑色に発光していた。

なお、本実施例に使用した蛍光色素結合アビジンは、吸収波長の極大値が約４９５ｎｍであり、また、蛍光波長の極大値が約５１９ｎｍである。

図２４より、カーボンナノチューブ構造体１１７を付着させたカーボンナノチューブ構造体転写面２７３において、カーボンナノチューブ構造体１１７を構成するＭＷＣＮＴ２７９の表面を変性バクテリオロドプシン１１５が緻密に被覆しているため、緻密な被覆層にアビジン２８５が濃縮され、ＭＷＣＮＴ２７９の表面がその形状に赤味がかった緑色に発光し、バックグラウンドと比較して顕著に強く発光していることがわかる。

また、ＭＷＣＮＴ２７９の被覆層の表面を安定的にビオチン化し、ビオチン２８３とアビジン２８５の特異的相互作用を用いて被覆層の表面を安定的にアビジン化することができた。

以上のように、本実施例では、ガラス基板の表面にカーボンナノチューブ構造体１１７を固着させたカーボンナノチューブ接合体を作製することができた。また、付着させたカーボンナノチューブ構造体１１７の表面をビオチン化するとともに、このビオチン２８３を介してカーボンナノチューブ構造体１１７の表面をアビジン化することができた。

また、本実施例の方法を用いれば、アビジン２８５を他の構造体に結合させておくことにより、さらに種々の形状または構造を有するカーボンナノチューブ接合体を作製することができる。

実施の形態に係る接合体を示す図である。実施の形態に係るカーボンナノチューブ構造体の製造方法を説明するための図である。実施の形態に係るカーボンナノチューブ構造体とカーボンナノチューブとをリガンドおよびレセプターを介して連結させる方法を説明する断面図である。実施の形態に係るカーボンナノチューブ構造体とカーボンナノチューブとをリガンドおよびレセプターを介して連結させる方法を説明する断面図である。実施の形態に係るカーボンナノチューブ構造体とカーボンナノチューブとをリガンドおよびレセプターを介して連結させる方法を説明する断面図である。実施の形態に係る接合体を示す斜視図である。実施の形態に係る接合体を示す図である。実施例に係るカーボンナノチューブ構造体の製造方法を説明するための図である。実施例のカーボンナノチューブ構造体を示すＡＦＭ写真である。実施例のカーボンナノチューブ構造体を示すＡＦＭ写真である。実施例のカーボンナノチューブを示すＡＦＭ写真である。実施の形態に係る単一電子トランジスタの概略構造を示す図である。実施の形態に係るナノキャパシタの断面図である。図１３のキャパシタと、これに電力を供給する配線を備える構造体の概略図である。実施の形態に係るカーボンナノチューブ構造体の製造手順を説明する図である。実施例に係る単層カーボンナノチューブ構造体のＡＦＭ像を示す図である。実施例に係る単層カーボンナノチューブ構造体のＴＥＭ像を示す図である。実施例に係る多層カーボンナノチューブ構造体のＡＦＭ像を示す図である。実施例に係る多層カーボンナノチューブ構造体のＴＥＭ像を示す図である。実施例に係るカーボンナノチューブ構造体転写面のアビジン化前準備手順を説明する図である。実施例に係るカーボンナノチューブ構造体転写面のアビジン化前準備手順を説明する図である。実施例に係るカーボンナノチューブ構造体転写面のアビジン化の手順を説明する図である。実施例に係るカーボンナノチューブ構造体転写面のアビジン化の手順を説明する図である。実施例に係るカーボンナノチューブ構造体転写面のアビジン化後の蛍光顕微鏡像を示す図である。

符号の説明

１０１バクテリオロドプシン、１０３分散媒、１０５カーボンナノチューブ、１０７分散液、１０９シリンジ、１１１下層液、１１３ラングミュアトラフ、１１５変性バクテリオロドプシン、１１７カーボンナノチューブ構造体、１１９巻回高分子、１２１分散媒、１２３分散液、１２５下層液、１２７可動式バリア、１３１カーボンナノチューブ構造体、１６１基板、１６３緩衝液、１６５ノズル、１６７レセプター、１６９リガンド、１７１抗体、１７３抗原、１７５アビジン、１７７ビオチン、１７９金、１８０分散媒、１８１分散媒、１８３分散液、１８５分散液、２００単一電子トランジスタ、２０２シリコン基板、２０４ソース電極、２０６ドレイン電極、２０８ゲート電極、２１０接合材、２５０構造体、２５１第一電極、２５２第二電極、２５３金属パッド、２５４カーボンナノチューブ、２５５高分子、２５６カーボンナノチューブ構造体、２６０シリコン基板、２６２カーボンナノチューブ、２６３高分子、２６４カーボンナノチューブ構造体、２７１スライドガラス、２７３カーボンナノチューブ構造体転写面、２７５スペーサ、２７７カバーガラス、２７９ＭＷＣＮＴ、２８１リジン残基、２８３ビオチン、２８５アビジン。

Claims

カーボンナノチューブおよびその側面を被覆する高分子からなる層を含むカーボンナノチューブ構造体が複数連結してなることを特徴とする配線。
カーボンナノチューブおよびその側面に巻回された高分子を含むカーボンナノチューブ構造体が複数連結してなることを特徴とする配線。
請求項１または２に記載の配線において、前記高分子がポリペプチドを含むことを特徴とする配線。
カーボンナノチューブおよびその側面を被覆する高分子からなる層を含むカーボンナノチューブ構造体と、
前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するソース電極と、
前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するドレイン電極と、
前記カーボンナノチューブに電圧を印加するゲート電極とを備えることを特徴とする単一電子トランジスタ。
カーボンナノチューブおよびその側面に巻回された高分子を含むカーボンナノチューブ構造体と、
前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するソース電極と、
前記高分子を介して前記カーボンナノチューブ構造体と接合するドレイン電極と、
前記カーボンナノチューブに電圧を印加するゲート電極とを備えることを特徴とする単一電子トランジスタ。
請求項４または５に記載の単一電子トランジスタにおいて、前記高分子がポリペプチドを含むことを特徴とする単一電子トランジスタ。
カーボンナノチューブおよびその側面を被覆する高分子からなる層を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子と直接または接合材を介して接合した導電部材とを備えることを特徴とするキャパシタ。
カーボンナノチューブおよびその側面に巻回された高分子を含むカーボンナノチューブ構造体と、前記高分子と直接または接合材を介して接合した導電部材とを備えることを特徴とするキャパシタ。
請求項７または８に記載のキャパシタにおいて、前記高分子はポリペプチドを含むことを特徴とするキャパシタ。
請求項７乃至９いずれかに記載のキャパシタにおいて、前記接合材は、特異的相互作用を有する一組の分子を含むことを特徴とするキャパシタ。
請求項１０に記載のキャパシタにおいて、特異的相互作用を有する前記一組の分子は、リガンドとレセプターの組み合わせ、または、抗原と抗体の組み合わせを含むことを特徴とするキャパシタ。