JP2004311733A

JP2004311733A - Nanodevice material and nanodevice using the same

Info

Publication number: JP2004311733A
Application number: JP2003103643A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takenobu; 大志竹延; Yoshihiro Iwasa; 義宏岩佐
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: JP3993126B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nanodevice material having a p-type semiconductor material / n-type semiconductor material and a metal material of a nano scale using a carbon nanotube, and a nanodevice using it. <P>SOLUTION: The nanodevice material contains a material 2 causing charge transfer inside the carbon nanotube 1. The material 2 which causes the charge transfer is an organic molecule such as TCNQ, TTF, TDAE, TMTSF, F<SB>4</SB>TCNQ, DNBN and the like. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デバイス材料及びそれを用いたデバイスに係り、特に、カーボンナノチューブを用いたナノスケールのデバイス材料及びそれを用いたデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピューターの性能は飛躍的に向上しているが、更なる高性能化の為にはナノスケールでのデバイス作製が必要不可欠である。技術的には、現在のデバイス作製方法をナノスケールで行うには、ナノサイズのＰ型半導体材料・Ｎ型半導体材料およびそれらを連結する金属材料が必要不可欠である。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ，Ｍ．Ｓ．，Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ，Ｇ．＆Ａｖｏｕｒｉｓ，Ｐ．（ｅｄｓ．）ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅｓ（Ｓｐｒｉｎｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，２００１）．
【非特許文献２】

【非特許文献３】
Ｄｅｒｙｃｋｅ，Ｖ．，Ｍａｒｔｅｌ，Ｒ．，Ａｐｐｅｎｚｅｌｌｅｒ，Ｊ．＆Ａｖｏｕｒｉｓ，Ｐ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｄｏｐｉｎｇａｎｄｃａｒｒｉｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｎｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８０，２７７３−２７７４（２００２）．
【非特許文献４】
Ｋｏｎｇ，Ｊ．ｅｔａｌ．Ｎａｎｏｔｕｂｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｉｒｅｓａｓｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ２８７，６２２−６２５（２０００）．
【非特許文献５】
Ｃｏｌｌｉｎｓ，Ｐ．，Ｂｒａｄｌｅｙ，Ｋ．，Ｉｓｈｉｇａｍｉ，Ｍ．＆Ｚｅｔｔｌ．，Ａ．Ｅｘｔｒｅｍｅｏｘｙｇｅｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ２８７，１８０１−１８０４（２０００）．
【非特許文献６】
Ｍａｒｔｅｌ，Ｒ．ｅｔａｌ．Ａｍｂｉｐｏｌａｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８７，１０６８０１（２００１）．
【非特許文献７】
Ｚｈｏｕ，Ｃ．，Ｋｏｎｇ，Ｊ．，Ｙｅｎｉｌｍｅｚ，Ｅ．＆Ｄａｉ，Ｈ．Ｍｏｄｕｌａｔｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｄｏｐｉｎｇｏｆｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ２９０，１５５２−１５５５（２０００）．
【非特許文献８】
Ｋａｚａｏｕｉ，Ｓ．，Ｍｉｎａｍｉ，Ｎ．，Ｊａｃｑｕｅｍｉｎ，Ｒ．，Ｋａｔａｕｒａ，Ｈ．＆Ａｃｈｉｂａ，Ｙ．Ａｍｐｈｏｔｅｒｉｃｄｏｐｉｎｇｏｆｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｃａｒｂｏｎ−ｎａｎｏｔｕｂｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓａｓｐｒｏｂｅｄｂｙｏｐｔｉｃａｌａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６０，１３３３９−１３３４２（１９９９）．
【非特許文献９】
Ｋａｚａｏｕｉ，Ｓ．，Ｍｉｎａｍｉ，Ｎ．，Ｍａｔｓｕｄａ，Ｎ．，Ｋａｔａｕｒａ，Ｈ．＆Ａｃｈｉｂａ，Ｙ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｕｎｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔａｔｅｓｉｎｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｉｎｓｉｔｕａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄａｃｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，３４３３−３４３５（２００１）．
【非特許文献１０】
Ｊｏｕｇｕｅｌｅｔ，Ｅ．，Ｍａｔｈｉｓ，Ｃ．＆Ｐｅｔｉｔ，Ｐ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｂｙｃｈｅｍｉｃａｌｄｏｐｉｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３１８，５６１−５６４（２０００）．
【非特許文献１１】
Ｋｏｎｇ，Ｊ．＆Ｄａｉ，Ｈ．Ｆｕｌｌａｎｄｍｏｄｕｌａｔｅｄｃｈｅｍｉｃａｌｇａｔｉｎｇｏｆｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｂｙｏｒｇａｎｉｃａｍｉｎｅ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ１０５，２８９０−２８９３（２００１）．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カーボンナノチューブは１９９１年に発見された炭素原子のみからなる筒状分子であり、それ自体がナノサイズのワイヤーであることから、ナノサイズデバイス材料として期待されている。カーボンナノチューブには、金属的伝導を示す物と真性半導体の物があり、通常得られる材料は１対２の比率でこれらが混ざり合った物である。近年、これら混ざり物の中から真性半導体の物だけを取り出す方法が確立されつつあるが、金属的伝導を示す物のみを取り出す方法は大きな課題である。
【０００５】
また、Ｐ型半導体およびＮ型半導体を準備する技術も大きな課題である。全てのチューブをＰ型もしくはＮ型の半導体や金属的伝導を示す物にする方法として、アルカリ金属やハロゲン元素を反応させ電荷の移動を起こし、カーボンナノチューブの電子状態を制御する方法がある。しかしながら、この方法で得られるカーボンナノチューブは大気中で不安定であり、実用には大きな問題がある。それとは別に、カーボンナノチューブとの間に電荷の移動を生じる分子をカーボンナノチューブの外側に反応させる方法も示されているが、この場合も大気中での安定性が問題となる。
【０００６】
また、多くの試料を一度に合成する方法も確立されていない。さらに、溶液プロセスを用いることが困難であるなど、実用には多くの課題を抱えている。
【０００７】
本発明は、この問題を解決する方法として、半導体カーボンナノチューブ内に、カーボンナノチューブとの間に電荷の移動を生じる分子（例えば、ＴＣＮＱやＴＴＦ）を内包させることによって、大気中でも安定なナノスケールのデバイス材料を見出した。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑みて、カーボンナノチューブを用いたナノスケールのＰ型半導体材料・Ｎ型半導体材料および金属材料を有するナノデバイス材料及びそれを用いたナノデバイスを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、
〔１〕ナノデバイス材料において、カーボンナノチューブの内部に電荷移動を起こす材料が含有されていることを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載のナノデバイス材料において、前記電荷移動を起こす材料は、イオン化エネルギーが６．６ｅＶ以下のドナーか、電子親和力が２．６ｅＶ以上のアクセプターの有機分子であることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔２〕記載のナノデバイス材料において、前記有機分子がＴＣＮＱ、ＴＴＦ、ＴＤＡＥ、ＴＭＴＳＦ、Ｆ_４ＴＣＮＱ、ＤＮＢＮであることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕記載のナノデバイス材料において、前記カーボンナノチューブと前記電荷移動を起こす材料の間で電荷のやりとりが行われる、Ｐ型もしくはＮ型の半導体を具備することを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔１〕記載のナノデバイス材料において、前記カーボンナノチューブと２種類以上の電荷移動を起こす材料の間で電荷のやりとりが行われ、前記カーボンナノチューブの中にＰ型半導体とＮ型半導体の部分を同時に有することを特徴とする。
【００１４】
〔６〕上記〔１〕記載のナノデバイス材料において、前記カーボンナノチューブと前記電荷移動を起こす材料の間で電荷のやりとりが行われ、この材料の密度を上げて、前記カーボンナノチューブの中に金属的伝導性を示す部分を有することを特徴とする。
【００１５】
〔７〕上記〔１〕〜〔６〕記載の何れか１項に記載のナノデバイス材料を用いて作製されるナノデバイス。
【００１６】
〔８〕上記〔７〕記載のナノデバイスが、Ｐ型半導体の材料とＮ型半導体の材料を組み合わせた電子デバイスであることを特徴とする。
【００１７】
〔９〕上記〔８〕記載のナノデバイスにおいて、前記電子デバイスが、トランジスタ、ダイオード、発光素子、レーザー発振素子、又は論理回路であることを特徴とする。
【００１８】
〔１０〕上記〔９〕記載のナノデバイスにおいて、前記電子デバイスがＰ型半導体の材料またはＮ型半導体の材料を他の材料と組み合わせて作製されたものであることを特徴とする。
【００１９】
〔１１〕上記〔１０〕記載のナノデバイスにおいて、前記電子デバイスがトランジスタ、ダイオード、発光素子、レーザー発振素子又は論理回路であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１実施例を示すカーボンナノチューブを用いたナノデバイス材料を示す模式図である。
【００２２】
この図に示すように、第１実施例では、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１内部に、電荷移動を起こす材料として、ＴＣＮＱ（Ｔｅｔｒａｃｙａｎｏ−ｐ−ｑｕｉｎｏｄｉｍｅｔｈａｎｅ）２〔電子を受け取る性質を持つ分子（アクセプタ）を包含させている。
【００２３】
図２は本発明の第１実施例を示すカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の内部に包含させる材料となり得る各種の分子の化学式を示す図である。
【００２４】
図１ではカーボンナノチューブ１の内部に包含させる材料としてＴＣＮＱ２が示されているが、かかる電荷移動を起こす材料としては、ＴＣＮＱ２に代わって、ＴＴＦ（Ｔｅｔｒａｔｈｉａｆｕｌｖａｌｅｎｅ）やＴＤＡＥ〔Ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｅｔｈｙｌｅｎｅ〕、ＴＭＴＳＦ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−ｔｅｔｒａｓｅｌｅｎａｆｕｌｖａｌｅｎｅ）、Ｆ_４ＴＣＮＱ（Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｔｅｔｒａｃｙａｎｏ−ｐ−ｑｕｉｎｏｄｉｍｅｔｈａｎｅ）、ＤＮＢＮ（３，５−Ｄｉｎｉｔｒｏｂｅｎｚｏｎｉｔｒｉｌｅ）などの分子を用いることができる。特に、イオン化エネルギーが６．６ｅＶ以下のドナーか、電子親和力が２．６ｅＶ以上のアクセプターになりえる有機分子であることが望ましい。
【００２５】
このとき、例えば、ＴＣＮＱなどのカーボンナノチューブ１から電子を受け取る性質を持つ分子（アクセプタ）を包含させるとＰ型半導体のデバイス材料を、例えば、ＴＤＡＥなどの電子をカーボンチューブ１へ与える分子（ドナー）を包含させるとＮ型半導体のデバイス材料を作製することができる。
【００２６】
図３は本発明の第１実施例にかかるカーボンナノチューブ内にカーボンナノチューブとの間で電荷移動を起こす分子を内包してカーボンナノチューブの電子状態を制御する様子を示す模式図である。
【００２７】
図３（ａ）には、カーボンナノチューブ１１内に複数のドナー１２が包含されたＮ型半導体１３が示され、図３（ｂ）には、カーボンナノチューブ１５内に複数のアクセプタ１６が包含されたＰ型半導体１７が示されている。
【００２８】
図４は本発明の第１実施例にかかるカーボンナノチューブ内に電荷移動を起こす材料を内包させることによる利点を示す図である。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、電荷移動を起こす材料であるＴＣＮＱ２１が単独で存在する場合には、大気中で酸素等の影響を強く受けるために、不安定であるが、図４（ｂ）に示すように、電荷移動を起こす材料であるＴＣＮＱ２１がカーボンナノチューブ２２内に存在する場合には、カーボンナノチューブ２２でガードされて酸素等の影響を受けることがなく、大気中でも安定である。
【００３０】
図５は本発明の第１実施例にかかる電荷の移動を起こす分子の密度とその電気特性を示す模式図である。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ３１内で電荷の移動を起こす分子３２が疎らである場合には、半導体としての働きをし、図５（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ３５内で電荷の移動を起こす分子３６の密度が高い場合には、電気抵抗が低くなり、金属としての働きをする。
【００３２】
図６は本発明の第１実施例にかかるカーボンナノチューブと電荷移動を起こす材料間の電荷のやり取りによって得られた金属的伝導性を示すナノデバイス材料の電気伝導度特性図であり、横軸に温度（Ｋ）、縦軸に抵抗（Ω）を示している。
【００３３】
この図から明らかなように、カーボンナノチューブにＴＣＮＱがドープされることにより、曲線ａに示すように金属的伝導性を有するものになった（抵抗がほぼ０）ことがわかる。なお、曲線ｂは従来のカーボンナノチューブの温度−抵抗特性を示している。
【００３４】
図７は本発明の第１実施例を示す、カーボンナノチューブと電荷移動を起こす材料との間の電荷のやり取りにより得られた、Ｐ型もしくはＮ型の半導体（ナノデバイス材料）の光吸収スペクトル特性図である。図７（ａ）はＴＣＮＱ（アクセプタ）を包含させた場合、図７（ｂ）はＴＤＡＥ（ドナー）を包含させた場合であり、ａは本発明のナノデバイス材料、ｂは従来のナノデバイス材料、ｃはそれらの差分をそれぞれ示している、図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ横軸に光子エネルギー（ｅＶ）、縦軸に吸光度（相対単位）を示している。
【００３５】
このように、カーボンナノチューブと電荷移動を起こす材料の間で電荷のやり取りが行われ、Ｐ型〔図７（ａ）〕もしくはＮ型〔図７（ｂ）〕の半導体となっていることが、図７の光吸収スペクトル特性から明らかである。
【００３６】
図８は本発明の第２実施例を示すカーボンナノチューブと２種類以上の電荷移動を起こす材料との間の電荷のやりとりにより、１つのカーボンナノチューブの中にＰ型半導体とＮ型半導体の部分を同時に有するナノデバイス材料を示す模式図である。
【００３７】
この図において、４１はカーボンナノチューブ、４２はアクセプタ、４３はドナーを示している。
【００３８】
このように、カーボンナノチューブ４１内に２種類以上の電荷移動を起こす材料であるアクセプタ４２とドナー４３を包含させると、電荷のやりとりが行われ、カーボンナノチューブ４１の中にＰ型半導体の部分４４とＮ型半導体の部分４５が同時に得られる。
【００３９】
図９は本発明の第３実施例を示すカーボンナノチューブのナノデバイス材料を用いたナノデバイスの例を示す模式図である。
【００４０】
この図において、５１は第１の電極（ゲート電極）、５２は絶縁膜（ゲート酸化膜）、５３はその絶縁膜５２上に形成される第２の電極（ソース電極）、５４はその第２の電極５３と対向する第３の電極（ドレイン電極）、５５は第２の電極５３と第３の電極５４の間に配置されるカーボンナノチューブ、５６はそのカーボンナノチューブ５５の内部に包含される材料（例えば、ＴＣＮＱからなるアクセプタ）である。
【００４１】
この図から明らかなように、ゲート電極５１、ゲート酸化膜５２、ソース電極５３、ドレイン電極５４、カーボンナノチューブ５５とその内部に包含されるアクセプタ５６からなるＰ型チャネルを有する電界効果トランジスタ５０を構成することができる。
【００４２】
図１０は本発明の第４実施例を示すカーボンナノチューブのナノデバイス材料を用いたナノデバイスと、Ｎ型半導体の材料を組み合わせた電子デバイスの例を示す模式図である。
【００４３】
この図において、６１は絶縁膜、６２は第１の電極、６３はカーボンナノチューブ６４とその内部に包含されるアクセプタ６５からなるＰ型半導体、６６はＮ型半導体、６７は第２の電極である。
【００４４】
この図から明らかなように、Ｐ型半導体６３と接合するＮ型半導体６６を有するＰ−Ｎダイオード６０を構成することができる。
【００４５】
本発明によれば、上記したように、カーボンナノチューブ内にカーボンナノチューブとの間で電荷移動を起こす分子を内包させて、カーボンナノチューブの電子状態を制御することができる。つまり、電子を与える分子（ドナー）を内包させるとＮ型半導体が形成され、逆に電子を受け取る分子（アクセプタ）を内包させるとＰ型半導体が形成される。
【００４６】
具体的には、カーボンナノチューブから電子を受け取る性質を持つ分子を用いるとＰ型半導体のデバイス材料を、電子をカーボンナノチューブに与える性質を持つ分子を用いるとＮ型半導体のデバイス材料を作製できる。
【００４７】
このデバイスは、空気中でも安定であり、かつ溶液プロセスを用いることが可能な点が、従来用いられる化合物との最も大きな違いである。
【００４８】
さらに、電荷移動を起こす分子を高密度にカーボンチューブ内に内包すると、全てのチューブに金属的伝導性を有するものとしての働きをさせることができる。つまり、この方法によると元々は金属的導電体と半導体の混ざり物であったカーボンナノチューブを、全て金属にすることができる。
【００４９】
このように、別々に作製したＰ型半導体とＮ型半導体のチューブを接合して、ナノスケールのトランジスタやダイオードや発光素子などのデバイスの作製が可能である。
【００５０】
また、同様の方法で１本のカーボンナノチューブ内にＰ型半導体の部分とＮ型半導体の部分を作製して、ダイオードや発光素子などのデバイスにすることも可能である。さらに、金属的伝導性を有するチューブを利用すれば、ナノデバイスにおける金属ワイヤーとしての利用価値はもちろん、カーボンナノチューブのみであらゆる回路を作製することもできる。
【００５１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００５３】
（Ａ）空気中で安定な、Ｐ型・Ｎ型・金属（伝導体）カーボンナノチューブを作製することができる。
【００５４】
（Ｂ）本発明の種々の型のカーボンナノチューブを有するナノデバイス材料を組み合わせることにより、ナノスケールで様々なデバイス、つまりトランジスタ、ダイオード、発光素子、レーザー発振素子、又は論理回路を作製することができる。
【００５５】
（Ｃ）１本のカーボンナノチューブ内でもＰ−Ｎ接合を作製することができる。
【００５６】
（Ｄ）本発明のナノデバイス材料を既存の材料と組み合わせても様々なデバイスを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すカーボンナノチューブを用いたナノデバイス材料を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示すカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の内部に包含させる材料となり得る各種の分子の化学式を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例にかかるカーボンナノチューブ内にカーボンナノチューブとの間で電荷移動を起こす分子を内包してカーボンナノチューブの電子状態を制御する様子を示す模式図である。
【図４】本発明にかかるカーボンナノチューブ内に電荷移動を起こす材料を内包させることによる利点を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例にかかる電荷の移動を起こす分子の密度とその電気特性を示す模式図である。
【図６】本発明の第１実施例にかかるカーボンナノチューブと電荷移動を起こす材料間の電荷のやり取りによって得た金属的伝導性を示すナノデバイス材料の電気伝導度特性を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例を示すカーボンナノチューブと電荷移動を起こす材料との間の電荷のやり取りにより得られたＰ型もしくはＮ型の半導体（ナノデバイス材料）の光吸収スペクトル特性図である。
【図８】本発明の第２実施例を示すカーボンナノチューブと２種類以上の電荷移動を起こす材料との間の電荷のやりとりにより、１つのカーボンナノチューブの中に複数のＰ型半導体とＮ型半導体の部分を有するナノデバイス材料を示す模式図である。
【図９】本発明の第３実施例を示すカーボンナノチューブのナノデバイス材料を用いたナノデバイスの例を示す模式図である。
【図１０】本発明の第４実施例を示すカーボンナノチューブのナノデバイス材料を用いたナノデバイスと、Ｎ型半導体の材料を組み合わせた電子デバイスの例を示す模式図である。
【符号の説明】１，１１，１５，２２，３１，３５，４１，５５，６４カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
２，２１ＴＣＮＱ
１２，４３ドナー
１３Ｎ型半導体
１６，４２アクセプタ
１７Ｐ型半導体
３２，３６電荷の移動を起こす分子
４４Ｐ型半導体の部分
４５Ｎ型半導体の部分
５０電界効果トランジスタ
５１第１の電極（ゲート電極）
５２絶縁膜（ゲート酸化膜）
５３第２の電極（ソース電極）
５４第３の電極（ドレイン電極）
５６カーボンナノチューブの内部に包含される材料
６１絶縁膜
６２第１の電極
６３Ｐ型半導体
６５アクセプタ
６６Ｎ型半導体
６７第２の電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a device material and a device using the same, and more particularly, to a nanoscale device material using a carbon nanotube and a device using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the performance of computers has been dramatically improved, but in order to achieve higher performance, it is essential to manufacture devices on a nanoscale. Technically, nano-sized P-type and N-type semiconductor materials and a metal material connecting them are indispensable for performing the current device manufacturing method on a nano-scale.
[0003]
[Non-patent document 1]
Dresselhaus, M .; S. , Dresselhaus, G .; & Avouris, P .; (Eds.) Carbon Nanotubes (Spring, Berlin, 2001).
[Non-patent document 2]

[Non-Patent Document 3]
Derycke, V .; , Martel, R .; , Appenzeller, J. et al. & Avouris, P .; Controlling doping and carrier injection in carbon nanotube transformers. Appl. Phys. Lett. 80, 2773-2774 (2002).
[Non-patent document 4]
Kong, J .; et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors. Science 287, 622-625 (2000).
[Non-Patent Document 5]
Collins, P.C. , Bradley, K .; , Ishigami, M .; & Zettle. , A. Extreme oxygen sensibility of properties properties of carbon nanotubes. Science 287, 1801-1804 (2000).
[Non-Patent Document 6]
Martel, R .; et al. Abipolar electrical transport in semiconductive single-wall carbon nanotubes. Phys. Rev .. Lett. 87, 106801 (2001).
[Non-Patent Document 7]
Zhou, C .; , Kong, J. et al. , Yenilmez, E .; & Dai, H .; Modulated chemical doping of indi- vidual carbon nanotubes. Science 290, 1552-1555 (2000).
[Non-Patent Document 8]
Kazaoui, S .; , Minami, N .; Jacquemin, R .; , Kataura, H .; & Achiba, Y .; Amphoteric doping of single-wall carbon-nanotube thin films as probed by optical absorption spectroscopy. Phys. Rev .. B60, 13339-13342 (1999).
[Non-Patent Document 9]
Kazaoui, S .; , Minami, N .; , Matsuda, N .; , Kataura, H .; & Achiba, Y .; Electrochemical tuning of electronic states in single-wall carbon nanotubes studied by in situ absorption spectroscopy and action. Appl. Phys. Lett. 78, 3433-3435 (2001).
[Non-Patent Document 10]
Jouguelet, E .; Mathis, C .; & Petit, P.M. Controlling the electronic properties of single-wall carbon nanotubes by chemical doping. Chem. Phys. Lett. 318, 561-564 (2000).
[Non-Patent Document 11]
Kong, J .; & Dai, H .; Full and modified chemical gating of individual carbon nanotubes by organic amine. J. Phys. Chem. B105, 2890-2893 (2001).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Carbon nanotubes are cylindrical molecules consisting of only carbon atoms discovered in 1991 and are themselves expected to be nano-sized device materials because they are nano-sized wires. Carbon nanotubes include those exhibiting metallic conduction and those of intrinsic semiconductors. Generally, the material obtained is a mixture of these at a ratio of 1: 2. In recent years, a method of extracting only an intrinsic semiconductor from these mixed substances has been established, but a method of extracting only an object exhibiting metallic conduction is a major problem.
[0005]
A technique for preparing a P-type semiconductor and an N-type semiconductor is also a major issue. As a method for converting all tubes into a P-type or N-type semiconductor or a material exhibiting metallic conduction, there is a method of causing an alkali metal or a halogen element to react to cause charge transfer to control the electronic state of the carbon nanotube. However, carbon nanotubes obtained by this method are unstable in the air, and have a serious problem in practical use. Separately, a method of reacting a molecule that causes charge transfer between the carbon nanotube and the carbon nanotube to the outside of the carbon nanotube has been described, but in this case, stability in the air is a problem.
[0006]
Also, a method for synthesizing many samples at once has not been established. Furthermore, there are many problems in practical use, for example, it is difficult to use a solution process.
[0007]
The present invention solves this problem by encapsulating molecules (e.g., TCNQ and TTF) that cause charge transfer between the carbon nanotubes in the semiconductor carbon nanotubes, thereby providing a nanoscale that is stable even in the atmosphere. Device materials found.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a nanodevice material having a nanoscale P-type semiconductor material / N-type semiconductor material using a carbon nanotube and a metal material, and a nanodevice using the same. Things.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in order to achieve the above object,
[1] The nanodevice material is characterized in that a material that causes charge transfer is contained inside the carbon nanotube.
[0010]
[2] The nanodevice material according to [1], wherein the material causing the charge transfer is an organic molecule of a donor having an ionization energy of 6.6 eV or less or an acceptor having an electron affinity of 2.6 eV or more. And
[0011]
[3] The nanodevice material according to [2], wherein the organic molecule is TCNQ, TTF, TDAE, TMTSF, F ₄ TCNQ, or DNBN.
[0012]
[4] The nanodevice material according to [1], further comprising a P-type or N-type semiconductor in which electric charge is exchanged between the carbon nanotube and the material that causes the charge transfer.
[0013]
[5] In the nanodevice material according to [1], charges are exchanged between the carbon nanotube and two or more kinds of materials that cause charge transfer, and a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are contained in the carbon nanotube. Are simultaneously provided.
[0014]
[6] In the nanodevice material according to the above [1], charges are exchanged between the carbon nanotube and the material causing the charge transfer, and the density of the material is increased so that metallic material is contained in the carbon nanotube. It has a portion exhibiting conductivity.
[0015]
[7] A nanodevice manufactured using the nanodevice material according to any one of [1] to [6].
[0016]
[8] The nanodevice according to [7] is an electronic device in which a P-type semiconductor material and an N-type semiconductor material are combined.
[0017]
[9] The nanodevice according to the above [8], wherein the electronic device is a transistor, a diode, a light emitting element, a laser oscillation element, or a logic circuit.
[0018]
[10] The nanodevice according to [9], wherein the electronic device is manufactured by combining a P-type semiconductor material or an N-type semiconductor material with another material.
[0019]
[11] The nanodevice according to [10], wherein the electronic device is a transistor, a diode, a light emitting element, a laser oscillation element, or a logic circuit.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a nanodevice material using carbon nanotubes according to a first embodiment of the present invention.
[0022]
As shown in this figure, in the first embodiment, as a material that causes charge transfer, a carbon nanotube (CNT) 1 is made of TCNQ (Tetracyano-p-quinodimethane) 2 [a molecule (acceptor) having a property of receiving an electron. Is included.
[0023]
FIG. 2 is a diagram showing the chemical formulas of various molecules that can be a material to be included in the carbon nanotube (CNT) according to the first embodiment of the present invention.
[0024]
In FIG. 1, TCNQ2 is shown as a material included in the carbon nanotube 1. However, as a material causing such charge transfer, TTF (Tetrathiafulvalene), TDAE (Tetrakis (dimethylamino) ethylene), or TMTSF is used instead of TCNQ2. Molecules such as (tetramethyl-tetraselenafulvalene), F ₄ TCNQ (tetrafluorotetracyano-p-quinodidimethane), and DNBN (3,5-Dinitrobenzontrile) can be used. In particular, an organic molecule that can be a donor having an ionization energy of 6.6 eV or less or an acceptor having an electron affinity of 2.6 eV or more is preferable.
[0025]
At this time, for example, if a molecule (acceptor) having a property of receiving electrons from the carbon nanotube 1 such as TCNQ is included, a device material of a P-type semiconductor, for example, a molecule (donor) for giving electrons such as TDAE to the carbon tube 1 is provided. Is included, an N-type semiconductor device material can be produced.
[0026]
FIG. 3 is a schematic view showing a state in which the carbon nanotube according to the first embodiment of the present invention contains molecules that cause charge transfer with the carbon nanotube to control the electronic state of the carbon nanotube.
[0027]
FIG. 3A shows an N-type semiconductor 13 in which a plurality of donors 12 are contained in a carbon nanotube 11, and FIG. 3B shows a plurality of acceptors 16 in a carbon nanotube 15. A P-type semiconductor 17 is shown.
[0028]
FIG. 4 is a diagram showing an advantage obtained by including a material causing charge transfer in the carbon nanotube according to the first embodiment of the present invention.
[0029]
As shown in FIG. 4A, when TCNQ21, which is a material causing charge transfer, exists alone, it is unstable because it is strongly affected by oxygen and the like in the atmosphere. As shown in ()), when TCNQ21, which is a material that causes charge transfer, exists in the carbon nanotube 22, it is protected by the carbon nanotube 22 and is not affected by oxygen or the like, and is stable in the air.
[0030]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the density of molecules causing charge transfer and their electrical characteristics according to the first embodiment of the present invention.
[0031]
As shown in FIG. 5A, when the molecules 32 that cause the transfer of charges in the carbon nanotube 31 are sparse, they function as a semiconductor, and as shown in FIG. When the density of the molecules 36 that cause the transfer of electric charges therein is high, the electric resistance is low, and functions as a metal.
[0032]
FIG. 6 is an electrical conductivity characteristic diagram of a nanodevice material showing metallic conductivity obtained by exchanging charges between the carbon nanotube and the material causing charge transfer according to the first embodiment of the present invention. Temperature (K) and resistance (Ω) are shown on the vertical axis.
[0033]
As is apparent from this figure, the carbon nanotubes were doped with TCNQ to have metallic conductivity as shown by curve a (resistance was almost 0). The curve b shows the temperature-resistance characteristics of the conventional carbon nanotube.
[0034]
FIG. 7 shows a first embodiment of the present invention. The light absorption spectrum characteristics of a P-type or N-type semiconductor (nanodevice material) obtained by exchanging charges between a carbon nanotube and a material causing charge transfer. FIG. FIG. 7 (a) shows the case where TCNQ (acceptor) is included, and FIG. 7 (b) shows the case where TDAE (donor) is included, where a is the nanodevice material of the present invention, and b is the conventional nanodevice material. , C show the difference between them. FIGS. 7A and 7B show the photon energy (eV) on the horizontal axis and the absorbance (relative unit) on the vertical axis, respectively.
[0035]
As described above, the exchange of charge between the carbon nanotube and the material that causes charge transfer is performed, and a P-type (FIG. 7A) or N-type (FIG. 7B) semiconductor is obtained. This is apparent from the light absorption spectrum characteristics of FIG.
[0036]
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention, in which a P-type semiconductor portion and an N-type semiconductor portion are formed in one carbon nanotube by exchanging charges between the carbon nanotube and a material causing two or more kinds of charge transfer. It is a schematic diagram which shows the nano device material which has simultaneously.
[0037]
In this figure, 41 indicates a carbon nanotube, 42 indicates an acceptor, and 43 indicates a donor.
[0038]
As described above, when the acceptor 42 and the donor 43, which are the materials that cause two or more kinds of charge transfer, are included in the carbon nanotube 41, the charge exchange is performed, and the carbon nanotube 41 includes the P-type semiconductor portion 44. An N-type semiconductor portion 45 is obtained at the same time.
[0039]
FIG. 9 is a schematic view showing an example of a nanodevice using a carbon nanotube nanodevice material according to the third embodiment of the present invention.
[0040]
In this figure, 51 is a first electrode (gate electrode), 52 is an insulating film (gate oxide film), 53 is a second electrode (source electrode) formed on the insulating

film

52, and 54 is the second electrode A third electrode (drain electrode) facing the electrode 53, a carbon nanotube 55 disposed between the second electrode 53 and the third electrode 54, and a material 56 contained in the carbon nanotube 55 (For example, an acceptor made of TCNQ).
[0041]
As is apparent from this figure, a field effect transistor 50 having a P-type channel comprising a gate electrode 51, a gate oxide film 52, a source electrode 53, a drain electrode 54, a carbon nanotube 55 and an acceptor 56 contained therein is formed. can do.
[0042]
FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of an electronic device in which a nanodevice using a carbon nanotube nanodevice material according to the fourth embodiment of the present invention and an N-type semiconductor material are combined.
[0043]
In this figure, 61 is an insulating film, 62 is a first electrode, 63 is a P-type semiconductor comprising a carbon nanotube 64 and an acceptor 65 contained therein, 66 is an N-type semiconductor, and 67 is a second electrode. .
[0044]
As is clear from this figure, the PN diode 60 having the N-type semiconductor 66 joined to the P-type semiconductor 63 can be configured.
[0045]
According to the present invention, as described above, it is possible to control the electronic state of a carbon nanotube by including a molecule that causes charge transfer between the carbon nanotube and the carbon nanotube. That is, an N-type semiconductor is formed when a molecule (donor) that gives an electron is included, and a P-type semiconductor is formed when a molecule (acceptor) that receives an electron is included.
[0046]
Specifically, a device material of a P-type semiconductor can be manufactured by using a molecule having a property of receiving electrons from the carbon nanotube, and an N-type semiconductor device material can be manufactured by using a molecule having a property of giving an electron to the carbon nanotube.
[0047]
The most significant difference from the conventionally used compounds is that this device is stable even in air and can use a solution process.
[0048]
Furthermore, if molecules that cause charge transfer are included in the carbon tube at a high density, all the tubes can function as having metallic conductivity. That is, according to this method, the carbon nanotubes, which were originally a mixture of a metallic conductor and a semiconductor, can be entirely made of metal.
[0049]
In this manner, by joining tubes of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor which are separately manufactured, a device such as a nanoscale transistor, a diode, or a light emitting element can be manufactured.
[0050]
Further, a P-type semiconductor portion and an N-type semiconductor portion can be formed in a single carbon nanotube by a similar method to make a device such as a diode or a light emitting element. Furthermore, if a tube having metallic conductivity is used, not only can it be used as a metal wire in a nanodevice, but also any circuit can be made using only carbon nanotubes.
[0051]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0052]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0053]
(A) P-type / N-type / metal (conductor) carbon nanotubes that are stable in air can be produced.
[0054]
(B) By combining nanodevice materials having various types of carbon nanotubes of the present invention, various devices can be manufactured on a nanoscale, that is, transistors, diodes, light-emitting elements, laser oscillation elements, or logic circuits. .
[0055]
(C) A PN junction can be produced even within one carbon nanotube.
[0056]
(D) Various devices can be manufactured by combining the nanodevice material of the present invention with an existing material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a nanodevice material using carbon nanotubes according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing chemical formulas of various molecules which can be a material included in carbon nanotubes (CNT) according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a state in which a molecule causing charge transfer between the carbon nanotube and the carbon nanotube is included in the carbon nanotube according to the first embodiment of the present invention to control the electronic state of the carbon nanotube.
FIG. 4 is a diagram showing advantages obtained by including a material that causes charge transfer in the carbon nanotube according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the density of molecules causing charge transfer and their electrical characteristics according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the electrical conductivity characteristics of a nanodevice material having metallic conductivity obtained by exchanging charges between the carbon nanotube and the material causing charge transfer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a light absorption spectrum characteristic diagram of a P-type or N-type semiconductor (nanodevice material) obtained by exchanging charges between a carbon nanotube and a material causing charge transfer, showing the first embodiment of the present invention. It is.
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention, in which a plurality of P-type semiconductors and N-type semiconductors are contained in one carbon nanotube by exchanging charges between the carbon nanotube and a material causing two or more kinds of charge transfer. FIG. 3 is a schematic view showing a nanodevice material having a portion of FIG.
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a nanodevice using a carbon nanotube nanodevice material according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of an electronic device in which a nanodevice using a carbon nanotube nanodevice material and a N-type semiconductor material are combined according to a fourth embodiment of the present invention.
[Description of Signs] 1,11,15,22,31,35,41,55,64 Carbon nanotube (CNT)
2,21 TCNQ
12, 43 Donor 13 N-

type semiconductor

16, 42 Acceptor 17 P-

type semiconductor

32, 36 Molecule 44 causing charge transfer 44 Part of P-type semiconductor 45 Part of N-type semiconductor 50 Field-effect transistor 51 First electrode (gate electrode)
52 Insulating film (gate oxide film)
53 Second electrode (source electrode)
54 Third electrode (drain electrode)
56 Material included in carbon nanotube 61 Insulating film 62 First electrode 63 P-type semiconductor 65 Acceptor 66 N-type semiconductor 67 Second electrode

Claims

A nanodevice material, characterized in that a material causing charge transfer is contained inside the carbon nanotube.

2. The nanodevice material according to claim 1, wherein the material causing the charge transfer is a donor having an ionization energy of 6.6 eV or less or an acceptor organic molecule having an electron affinity of 2.6 eV or more. material.

3. The nanodevice material according to claim 2, wherein the organic molecule is TCNQ, TTF, TDAE, TMTSF, F ₄ TCNQ, or DNBN.

The nanodevice material according to claim 1, further comprising a P-type or N-type semiconductor in which electric charge is exchanged between the carbon nanotube and the material that causes the charge transfer.

2. The nanodevice material according to claim 1, wherein charges are exchanged between the carbon nanotube and two or more kinds of materials that cause charge transfer, and a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are simultaneously placed in the carbon nanotube. A nanodevice material comprising:

2. The nanodevice material according to claim 1, wherein charges are exchanged between the carbon nanotubes and the charge-transferring material, and the density of the materials is increased to exhibit metallic conductivity in the carbon nanotubes. A nanodevice material having a portion.

A nanodevice manufactured using the nanodevice material according to claim 1.

8. The nanodevice according to claim 7, wherein the nanodevice is a combination of a P-type semiconductor material and an N-type semiconductor material.

9. The nano device according to claim 8, wherein the electronic device is a transistor, a diode, a light emitting element, a laser oscillation element, or a logic circuit.

10. The nanodevice according to claim 9, wherein the electronic device is manufactured by combining a P-type semiconductor material or an N-type semiconductor material with another material.

11. The nano device according to claim 10, wherein the electronic device is a transistor, a diode, a light emitting element, a laser oscillation element, or a logic circuit.