JP2004534662A - 電子の電界放出特性を高めたナノチューブ基材料の作成方法(連邦政府の資金援助による研究または開発に関する声明)本発明の少なくともいくつかの態様は、契約番号n00014−98−1−05907の下で政府によって支援された。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。 - Google Patents
電子の電界放出特性を高めたナノチューブ基材料の作成方法(連邦政府の資金援助による研究または開発に関する声明)本発明の少なくともいくつかの態様は、契約番号n00014−98−1−05907の下で政府によって支援された。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。 Download PDFInfo
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、ナノチューブおよびナノ微粒子の基材料のある特性を改良する方法に関する。例えば、本発明は、ナノ構造またはナノチューブの含有材料に外来種(foreign species)をインターカレートすることにより、その材料が、仕事関数の減少、電子の電界放出に対する電界閾値の減少、半導性材料の金属への変換、導電率の増加、フェルミ準位状態における電子密度の増加、および電子の電界放出位置での密度の増加、のうちの1つ以上を示すようにする方法に関する。
【背景技術】
【0002】
次の本発明の背景技術の記載において、ある構造や方法に対する参照がなされるが、そのような参照は、これらの構造と方法が適切な法律の条文の下での従来技術としての資格を有することの認可として、必ずしも解釈されるべきではない。出願人は、参照された要旨のいずれもが本発明に関して従来技術を構成しないことを示す権利を留保する。
【0003】
用語「ナノ構造の」(“nano−structured”)あるいは「ナノ構造」材料 (“nanostructure” material)は、C60フラ−レンや、フラ−レンタイプの同心状の黒鉛粒子などのナノ微粒子、シリコン、ゲルマニウム、SiOx、GeOxなどのナノワイヤ/ナノロッド、またはカーボン、BxNy、CxByNz、MoS2、およびWS2などの単一の、または、複数の元素で構成されたナノチューブを含む材料を指定するために、この技術に精通した人によって使用されている。「ナノ構造の」または「ナノ構造」材料の共通の特徴の1つは、それらの基本の基礎単位(building block)である。単一のナノ微粒子またはカーボンナノチューブは、少なくとも一方向で500nm未満である寸法を持っている。これらのタイプの材料は、さまざまなアプリケ−ションへの関心をもたらすある特性を現すことが示されてきた。
【0004】
米国特許第6,280,697号(「ナノチューブ基の高エネルギー材料とその製造方法」の名称の出願第09/259,307号)は、カーボンナノチューブ基の電子放出構造にその全体が参照文献として組み込まれる。
【0005】
米国特許第**号(審査中)(「カーボンナノチューブ電界エミッター構造を有するデバイスとそのデバイスの製造方法」の名称の出願09/256,572号)は、カーボンナノチューブ基の電子エミッター構造にその全体が参照文献として組み込まれる。
【0006】
米国特許第**号(審査中)(「薄膜カーボンナノチューブ電界エミッター構造を有するデバイス」の名称の出願09/351,537号)は、高放出電流密度を有するカーボンナノチューブ電子エミッター構造にその全体が参照文献として組み込まれる。
【0007】
米国特許第**号(審査中)(「パターン化されたカーボンナノチューブ薄膜の製造方法」の名称の出願09/376,457号)は、基板上に、粘着性のパターン化されたカーボンナノチューブ薄膜の製造方法にその全体が参照文献として組み込まれる。
【0008】
米国特許第6,334,939号(「ナノチューブ基の高エネルギー材料とその製造方法」の名称の出願09/594,844号)は、その構成要素の1つとしてアルカリ金属を用いるナノ構造合金にその全体が参照文献として組み込まれる。そのような材料は、あるバッテリーアプリケ−ションにおいて役に立つものであると記述されている。
【0009】
米国特許第**号(審査中)(「電界放出カソードを用いるX線発生のメカニズム」の名称の出願09/679,303号)は、ナノ構造含有材料を組み込むX線発生デバイスにその全体が参照文献として組み込まれる。
【0010】
米国特許第**号(審査中)(「高められた電界放出を用いるコーティングされた電極と着火(Ignition)の特徴」の名称の出願09/817,164)は、第1の電極物質と、付着促進層と、すくなくともその付着促進層の一部の上に配列されたカーボンナノチューブ含有材料とを含む電極と、そのような電極を組み込んだ予想されるデバイスとにその全体が参照文献として組み込まれる。
【0011】
上記で証明されるように、これらの材料は、優れた電子の電界放出材料であることが示された。この点で、そのような材料は、特に、他の従来の電子放出材料と比べると、放出された電子流の高い密度能力と同様に、電界値に適用される低い電子放出閾値(low electron emission threshold applied field value)を持っていることが示された。
【0012】
例えば、カーボンナノチューブ材料の電子の仕事関数は、これは電子放出の電界の閾値(electron emission threshold field)を決定する臨界パラメ−タの1つであるが、4.6−4.9eV(電子ボルト)の範囲であるのが示された。例えば、「未処理時(Pristine)およびCsがインターカレートされた時の単一壁カーボンナノチューブ管束の仕事関数と原子価結合状態」 Suzuki et al、Appl.Phys.Lett., Vol.76, No.26,pp.407−409,Jun.26,2000を参照してください。
【0013】
また、セシウムなどのアルカリ金属がインターカレートされると、カーボンナノチューブ材料の電子的な仕事関数が実質的に減少され得ることが示された。例えば、上記および「単一壁カーボンナノチューブ管束電界放出特性に関するセシウム沈着効果」 W.A.Stallcup,Appl.Phys.Lett.,78(No.1),pp. 108−110,Jan.1,2001を参照。
【0014】
図1で例示されるように、未処理の単一壁カーボンナノチューブのフェルミ準位のスペクトル強度は非常に小さい。一方、明確なフェルミエッジがセシウムがインターカレートされたサンプルに対して観測される。フェルミ準位におけるスペクトル強度から、セシウムがインターカレートされたサンプルのフェルミ準位状態の密度が未処理の物質よりもおよそ2オーダー大きいと結論することができる。さらに、図2で例示されるように、その結果は、増加するセシウム沈着時間に従って単一壁カーボンナノチューブの仕事関数が減少することを示している。(スペクトルは室温でヘリウムランプHV=21.22eVを使用することで測定された。)
【0015】
カーボンナノチューブ材料の電子的な仕事関数を減少させることによって、電子放出を引き起こすのに必要な印加される電界の大きさは、実質的に低減することができる。この関係は、Fowler−Nordheim式から理解することができる。
【0016】
I=aV2exp(−bφ3 / 2/bV)
ここで、I=放出電流、V=印加電圧、φ=電子的な仕事関数、およびβ=電場増強ファクター、a、b=定数である。
【0017】
上の式から明白なように、仕事関数値φの減少は、放出電流Iに対して指数的な効果を有する。実験的な証拠は上記述べた関係を証明した。
【0018】
レ−ザアブレ−ション、化学蒸着法、およびア−ク放電法などの最新の技術によって合成されるカーボンナノチューブなどのナノチューブは、通常、グラフェン殻によってサイドと両端とが閉じた中空コアを持つ閉じた構造を有している。カーボンナノチューブ、特に単一壁カーボンナノチューブは、側壁上に非常に低い欠陥および空格子点密度を持っている。完全なグラフェン殻には、外来種が入り込めない。通常、ナノチューブの内部空間は充填(filling)および/またはインターカレーションに利用されにくい。欠陥が多壁カーボンナノチューブの側壁上に一般的に観察されるが、同心状のグラフェン殻間の空間だけが部分的に利用可能である。
【0019】
カーボンナノチューブ材料にインターカレートする従来の技術は、未処理のカーボンナノチューブ材料とインターカレートされる材料(例えば、アルカリ金属)の間の気相反応、電気化学法などの技術を含んでいた。この方法でインターカレートされたカーボンナノチューブ材料の検査は、単壁ナノチューブ管束(バンドル)内部の単壁ナノチューブ間の空間中に、あるいは多壁カーボンナノチューブ中の同心状のグラフェン殻間の空間中に、アルカリ金属原子がインターカレートされることを明らかにした。
【0020】
しかしながら、そのようなインターカレートされたカーボンナノチューブの材料はある欠点を有している。
【0021】
最初に、アルカリ金属は空気に非常に敏感であるので、カーボンナノチューブ材料との相互作用は、真空環境中で起こらなければならない。このことは、これらの材料を処理することが難しく、実際のデバイス中に組み込むことが難しい。
【0022】
2番目に、アルカリ金属は比較的高い蒸気圧を持っており、比較的低温度で容易に蒸発させることができる。したがって、カーボンナノチューブ材料上に沈積されたアルカリ金属は、電子放出の間、非常に不安定であり、少なくとも一部でカーボンナノチューブからインターカレートされた金属が蒸発することによって、短時間で容易に劣化する。
【0023】
3番目に、カーボンナノチューブは閉じられたかごのような構造の状態であり、通常、そこには比較的わずかな欠陥しかない。このことは単一壁カーボンナノチューブに対して特に正しい。したがって、インターカレートされるアルカリ金属原子は閉じられているかごのようなナノチューブ自体の内部よりはむしろナノチューブの管束(バンドル)中に沈積される傾向がある。これは、ナノチューブの内部空間が、カーボンナノチューブ管束中の格子間位置よりはるかに大きな容積を示すので好ましくない。これは、カーボンナノチューブ材料中にインターカレートされることができる金属の量を制限する。
【0024】
したがって、この技術分野において、特に、アルカリ金属のような電子ドナー、または同等の電子アクセプターをインターカレートする技術に関して、カーボンナノチューブなどのナノチューブやナノ微粒子材料の電子的な仕事関数を減少する方法と結びつけられる上記説明した欠点に取り組む必要性がある。
【0025】
<発明の概要>
本発明は、本技術分野の状態等に関連付けられる上記説明した欠点に取り組むものである。
【0026】
例えば、本発明は、ナノチューブまたはナノ微粒子自体の中に密閉されたアルカリ金属あるいは他の外来種を含んだ、閉じこめられた構造を形成するための手段を提供する。これらの閉じこめられた構造は、空気中や溶媒などの他の環境中で安定である「カプセル」を形成する。アルカリ金属または外来種はこれらのカプセル中に閉じこめられているので、もはやその材料が環境にさらされた場合ほどその環境に敏感ではない。したがって、上記のカプセルを、任意の環境でさらに処理することができる。カプセル中に置かれたインターカレートされたアルカリ金属または他の外来種は、容易に蒸発しない。そのうえ、カプセル中にインターカレートされるアルカリ金属または他の外来種は、化学的な反応性が低くなる、すなわち、比較的化学的には不活性である。カプセルの内部空間は、カーボンナノチューブ管束などの隣接する構造間の格子間位置よりも大きいので、より多くのアルカリ金属あるいは他の外来種が貯蔵され得る。インターカレートされたアルカリ金属から周囲の構造への電荷移動により、その結果としての材料は、より低い電子的な仕事関数値とフェルミ電子準位における状態のより高い密度とを有する。さらに、上記説明した電荷移動現象のために、半導性材料と金属材料の両方を通常含むカプセルは、本発明に従って実施された上記説明のインターカレーションの後に、すべて金属的な性質になる。この電荷移動効果は、さらに電子放出特性を改良するように作用する。
【0027】
1つの実施形態によると、本発明は、(a)未処理のナノ構造あるいはナノチューブ含有の材料であって閉じられた構造を含む材料を生成するステップと、(b)前記未処理の材料を精製するステップと、(c)前記精製した材料を処理することにより、前記閉じられた構造に開口を形成する工程と、(d)少なくともいくつかの前記開口の内部に電子ドナーあるいは電子アクセプターとなる外来種を導入するステップと、(e) 前記開口を閉じることにより、前記外来種で満ちたカプセルを形成するステップと、を有する製造方法を提供する。
【0028】
さらなる実施形態によると、本発明は、カーボンナノチューブ含有材料の電子的な仕事関数を減少する方法、閾値電界放出値を減少する方法、半導性の性質を金属の性質に変換する方法、フェルミ準位状態の電子密度を増加する方法、および電子放出位置の密度を増加する方法を提供し、その方法は、(a)カーボンナノチューブ含有材料に開口を形成するステップと、(b)少なくともいくつかの前記開口の内部に、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属の混合物、アルカリ土類金属の混合物、または、アルカリ金属とアルカリ土類金属との混合物、を含む外来種を導入するステップと、(c)前記開口を閉じることにより、前記外来種で満たされたカーボンナノチューブカプセルを形成する工程と、を有する。
【0029】
別の実施形態によると、本発明は、(a) 保持体表面に垂直に配列されたカーボンナノチューブを生成するステップと、(b) 絶縁層を塗るステップと、(c) 前記ナノチューブの先端を開口するステップと、(d)前記ナノチューブの前記開口された先端中および内部の空間に外来種を導入するステップと、(e) 前記ナノチューブの前記開口された先端を閉じるステップと、(f) 前記満たされたナノチューブを活性化するステップとを有する製造方法を提供する。
【0030】
本発明は、ここで説明されたいずれかの方法によって形成されたカプセルを有する電子の電界放出デバイスも提供する。このデバイスは、X線管、気体放電デバイス、点燈デバイス、マイクロ波増幅器、イオン銃、または電子線リソグラフィ−デバイスを含むことができる。
【0031】
更なる一実施形態によれば、本発明は、ここで説明されたいずれかの方法によって形成されたカプセルを有する製造物品を提供する。その物品は、2V/μm以下で、0.01mA/cm2の電子放出電流密度が得られるための電子放出のターンオン電界をもっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
本発明の原理と一致して、および好ましい実施形態に従って、実行される方法は、図3で図式的に例証される。
【0033】
このプロセスは、カーボンナノチューブ含有材料110などの未処理(raw)のナノ微粒子のあるいはナノチューブ含有の材料を用いて始まる。この未処理のナノチューブ材料110は、単一壁カーボンナノチューブおよび多壁で囲まれたカーボンナノチューブの少なくとも一方を含むことができる。好ましい実施形態によると、未処理のカーボンナノチューブ含有材料110は、単一壁カーボンナノチューブを含む。この未処理のカーボン含有材料110は、類似する多くの異なった技術によって、製造することができる。例えば、レーザアブレ−ション技術(例えば、米国特許番号第6,280,697号(出願9/259,307号)参照)、その内容は、その全体が参照文献としてここで組み込まれる、化学蒸着法の技術(例えば、C.Bower他,「曲がった表面上にカーボンナノチューブのプラズマで導入されたコンフォーマル配列」,Appl.Phys. Lett.vol.77,No.6,pgs.830−32(2000)参照)、、あるいは、ア−ク放電の技術(例えば、C.Journet 他、Nature,Vol.388、p.756(1997)参照)によって製造することができる。
【0034】
BxCyNz(B=ほう酸、C=カーボン、およびN=窒素)の組成を有するナノチューブ構造、または、MS2(M=タングステン、モリブデン、または酸化バナジウム)の組成を有するナノチューブのまたは同心状フラ−レンの構造の形態である未処理の材料が利用され得ることも、本発明によって予想される。これらの未処理の材料は、上記説明したアーク放電技術などの適当な技術によって形成され得る。
【0035】
次に、未処理のカーボンナノチューブ含有材料110は,精製にさらされる。この未処理材料を精製する多くの技術が予想される。1つの好ましい実施形態によると、この未処理のカーボンナノチューブ含有材料110は、酸性媒体、有機溶媒溶液、またはアルコ−ル好ましくはメタノ−ルなどの適当な液体媒体中に置かれる。このナノチューブは、数時間、高出力の超音波ホーンを使用して液体媒体の中で懸濁され、そして、このけん濁液を微細孔膜(microporous membrane)を通過して精製する。別の実施例において、この未処理材料は、過酸化物(H2O2)と水の組み合わせの適当な溶媒中で、例えば、1〜40容積%のH2O2濃度、好ましくはおよそ20容積%のH2O2濃度で還流することによって精製され、続いてCS2中およびその後メタノ−ル中でのすすぎと、続いて濾過が続く。推奨すべき技術によると、およそ10−100mlの過酸化物は、媒体中にナノチューブの1−10mgごとに対して媒体中に導入され、そして、この還流反応は、20〜100℃の温度で実行される(例えば、米国特許番号第**号(審査中)(出願9/679,303号)を参照)。
【0036】
別の実施例では、この未処理材料は、200〜700℃の温度で空気あるいは酸素環境中での酸化によって精製され得る。未処理材料中の不純物はナノチューブよりも速い速度(rate)で酸化される。
【0037】
次に、この未処理材料は、更に、カットされたナノチューブ120を形成するためにナノチューブの端部を短くして開くための処理にかけられる。カットされたナノチューブ120を形成するための多くの適当な技術が予想される。好ましい実施形態によると、カットされたナノチューブ120は機械的方法によって形成される。例えば、カットされたカーボンナノチューブ120は、この精製されたカーボンナノチューブ材料をボール粉砕(ball milling)により形成することができる。この技術によると、精製されたカーボンナノチューブ材料のサンプルは、適切な粉砕媒体を伴って適当な容器中に置かれる。この容器は、次に閉じられて、ボ−ルミル粉砕機の適当なホルダー中に置かれる。本発明によると、このサンプルが粉砕される時間を変えることができる。粉砕時間の適当な長さは、粉砕されたナノチューブを点検することにより容易に決定することができる。
【0038】
別の実施例によると、カットされたカーボンナノチューブ120は化学プロセスによって形成することができる。例えば、精製されたカーボンナノチューブ材料は、強酸中での酸化にさらされ得る。例えば、精製されたカーボンナノチューブ材料は、H2SO4とHNO3とを含む酸溶液中の適切な容器中に置かれ得る。続いて、溶液中のカーボンナノチューブは、適切な時間の間、超音波処理にさらされる。超音波処理後、この処理されたナノチューブは、酸溶液から脱イオン水を用いる希釈を繰り返した後に濾過によってまたは遠心分離することによって集められる。
【0039】
別の実施例によると、このナノチューブは、ナノチューブの端部に開口を形成するために処理される前に、最初にナノチューブの側壁に欠陥を生成するためにイオン衝撃(ion bombardment)によって処理される。この欠陥密度は、処理時間、イオンビ−ム強度、および使用されるイオンの性質によって制御されることができる。カーボンナノチューブの例では、イオン衝撃は,衝撃によりカーボン結合の破壊を引き起こす。続いて、イオン衝撃の後に、ナノチューブは、次に、それらの端部中に開口を形成するためにさらに処理され、それは、上記説明されたようなアルコールまたは酸中における粉砕または超音波処理を含む。
【0040】
図5は、精製された単一壁カーボンナノチューブの顕微鏡像である。このナノチューブは、レーザアブレーション法によって作成され、H2O2による還流と続いて濾過によって精製された。図6は、H2SO4とHNO3の3:1の容積比で、10時間、超音波処理された後の単一壁カーボンナノチューブの顕微鏡像である。図7は、H2SO4とHNO3の3:1の容積比で24時間、超音波処理された後の精製された単一壁カーボンナノチューブの顕微鏡像である。
【0041】
上記説明されたカットされたナノチューブ120は、最初に真空中、100℃〜600℃で乾燥され、次に、電子ドナー(electron donor)あるいは電子アクセプター(electron acceptor)がインターカレートされる。好ましい実施形態によると、カットされたカーボンナノチューブ120に、アルカリ金属がインターカレートする。更なる好ましい実施形態によると、カットされたカーボンナノチューブ120に、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Fe、Co、Ni、Cu、またはそれらの合金、ルイス酸、ハロゲン混合物、金属塩化物、金属臭化物、金属ふっ化物、金属オキシハライド、酸性の酸化物、および強酸が、インターカレートする。更なる実施例によると、ルイス酸はハロゲン元素Br2を含み、酸性の酸化物はN2O5あるいはSO3を含み、強酸はHNO3あるいはH2SO4を含む。
【0042】
多くの適当な技術が、インターカレートされた種130を導入するために予想される。例えば、インターカレートされる種130は、気相移送法によって導入されるかもしれない。一般に、この技術は、カットされたカーボンナノチューブ120を気化されたインターカレートされる種130にさらすことを含む。例えば、上記のカットされたカーボンナノチューブがガラス管などの反応容器の片端に置かれ得る。アルカリ金属などのインターカレートされる種は、容器の反対の端に置かれ得る。その化学薬品(Chemical)が空気および/または水に対して敏感であるときには、不活性ガスで満たされた箱中で充填(loading)が実行され得る。続いて、その反応容器は、不活性ガス環境下または真空下で封をされる。続いて、それは、炉の中で化学薬品が十分高い蒸気圧を有する温度で加熱される。アルカリ金属の場合では、通常、この温度は、200〜500℃である。この化学薬品からの蒸気はナノチューブと反応するだろう。
【0043】
上記の代わりに、インターカレートされる種、あるいはこのインターカレートされる種を含む化合物または合金である130は、カットされたナノチューブ120との反応で導入されるかもしれない。例えば、アルカリ金属の場合では、アルカリ金属源として、AH(A=アルカリ金属、H=水素)、ABH4(Bほう酸)、AN3(アルカリ金属アジ化物)、AF(F=フッ素)、およびABr(Br=臭素)などの化合物を使用することができる。それらは、ナノチューブと混合され、次に、反応容器中で封をされることができる。続いて、その容器は化合物の分解温度以上の温度にまで加熱される。
【0044】
別の実施例によると、インターカレートされた種は、溶液合成によって導入されるかもしれない。一般に、この技術は、まず例えば、THFあるいは液体アンモニアであり得る溶媒中へのナノチューブの溶解か分散(dissolution or dispersion)を伴う。アルカリ金属などの外来種は、その溶媒中に溶解される。しばらくの間撹拌した後、その溶液/懸濁液は、溶媒を除去するために加熱される。このインターカレートされたナノチューブは、溶媒の除去の後に採取され得る。
【0045】
さらに別の実施例によると、インターカレートされる種130は、電気化学反応によって導入されるかもしれない。一般に、この技術は、それと同じ材料で形成された電極からこのインターカレートされる種130のイオンの放出と、続いて、それが放出された電極からカットされたナノチューブ材料120中へ移動する。カットされたナノチューブ120に達すると、化学反応が比較的低温度でさえ起こる(例えば、米国特許番号第**号(審査中)(出願9/594,884号を参照)。
【0046】
さらに別の実施例によると、インターカレートされる種は、ナノチューブ表面に蒸発させることができる。次に、このさらされたナノチューブは、ナノチューブ中へのこの種の拡散を容易にするために加熱される。空気に敏感な材料に対して、蒸発および加熱は、真空中か制御された環境で実行される。例えば、アルカリ金属は、アルカリ金属ディスペンサを使用することによって、あるいは、真空下で密閉された容器中にアルカリ金属を含むリザーバーを直接加熱することによって、ナノチューブ上に蒸発させられることができる。
【0047】
その材料のフェルミ準位状態の電子の密度と同様の電子的な仕事関数および電気伝導度は、導入される外来種の量を制御することにより変更されることができる。例えば、仕事関数は、導入される外来種の量を変えることによって、0〜3eVに変えられた。
【0048】
図3で例示されるように、インターカレートされる種130は、隣接しているナノチューブ間の間と同様に、カットされるナノチューブ120中に導入される。
【0049】
続いて、インターカレートされたナノチューブは、それらの開口された端部を閉じるためのさらなる処理にかけられる。この目的を達成するために多くの適当な技術が可能である。好ましい実施形態によると、インターカレートされたカーボンナノチューブは化学的に処理される。例えば、インターカレートされたナノチューブは、アルコールなどの適当な溶媒中に分散される。この溶媒は、隣接するナノチューブの間に配置されているインターカレートされた種130と反応する、または溶解する。さらに、その溶媒は、同様に、ナノチューブの開かれた端部で溶媒にさらされるインターカレートされた種と反応するだろう。この反応は、ナノチューブの開口端を閉じるために作用する不活性化層140の形成をもたらす。不活性化層140は、例えば、インターカレートされた種130の酸化物か水酸化物を含むことができる。
【0050】
別の実施例では、不活性化層140は、その満たされた材料を酸素あるいは酸素を含むガスにさらすことによって、形成され得る。
【0051】
この満たされたナノチューブ材料あるいはナノ構造材料は、また更に、上記説明した処理ステップの1つあるいはそれ以上に起因する、反応生成物を取り除くための処理にされるかもしれない。
【0052】
ナノ構造材料あるいはナノチューブ材料がインターカレートされた種と反応した後に、その材料が、カーボンナノ構造またはナノチューブである実施例では化合物、AxC、ここでxが0〜1と等しく、AがLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Fe、Co、Ni、Cu、またはそれらの合金、ルイス酸、 ハロゲン混合物、金属塩化物、金属臭化物、金属ふっ化物、金属オキシハライド、酸性の酸化物、および強酸の少なくとも1つを含む外来種である、が生成される。ルイス酸はハロゲンBr2を含むことができ、酸性の酸化物は、N2O5またはSO3を含むことができ、強酸はHNO3またはH2SO4を含む。
【0053】
不活性化層140の形成の後に、結果として生ずる構造では、含まれているインターカレートされた種130は、ナノチューブ壁150のみならず不活性化層140によって封入されており、その結果、封入された安定した構造すなわちカプセル160をもたらす。これらのカプセル160は空気中および溶媒中で安定している。したがって、このカプセル160には、スクリーン印刷、電気泳動析出、スピンコ−ティング、キャスティング、噴霧、およびスパッタリングなどの技術によって基板上への成膜(deposition)などの処理を更に容易にかけられる。さらに、このカプセルが比較的安定しているので、このようなカプセル160を処理され得る環境の厳格な制御は必要でない。このカプセル160は、カプセルに封入されたインターカレートされた種130の揮発度が、封入された構造によって減少させられているので、高められた電子放出の安定性を示す。このカプセル160は、また、比較的化学的に不活性である。
【0054】
本発明の方法により製造されたカプセル160の更なる利点は、未処理のナノチューブの材料だけに関連する仕事関数の低減である。更に、インターカレートされた種130がアルカリ金属などの電子ドナーを構成する、または電子アクセプターである場合には、インターカレートされたアルカリ金属の電荷は周囲のナノチューブ構造に移送されて、その結果、放出特性における更なる改良が期待される。
【0055】
任意の追加の処理ステップとして、不活性化層140を、水素プラズマをそれら上に通過するなどの適当な技術によって、取り除いてもよい。
【0056】
上記説明されたタイプの封入されたカプセルを形成するために本発明による別の方法は、図4で図式的に例示される。図4で例示された方法は、上記説明された同じ技術と原理の多くを利用する。したがって、以下の記載は、別の方法の前に説明された要旨と異なっている実施部分を強調する。
【0057】
このプロセスは、保持体(support)212の表面上に直接的に生長さする単一壁あるいは多壁のカーボンナノチューブ210のようなナノチューブの形成で始まる。このナノチューブは、上記説明された化学蒸着法の技術によって生長され得る。1つの実施例では、プラズマで強化された化学蒸着法が使用される。このプロセスではニッケル、コバルト、鉄、ロジウム、パラジウム、それらの合金などの適当な触媒、またはこれらの元素の少なくとも1つを含む化学薬品(Chemical)が使用される。好ましくは、ナノチューブ210は、図4で例示されるように実質的に縦方向に配列される。保持体212は、Siウエハなどの適当材料から形成され得る。1つの好ましい実施形態では、その触媒が保持している材料の表面に小さい島状の構造を形成するまで、触媒を含む保持材料はしばらく真空中で加熱される。その島のサイズは、好ましくは均一で、直径が100nmより小さい。カーボンナノチューブは、400〜1200℃に加熱される反応チャンバー中にその保持体を置き、プラズマを点火し、反応チャンバー中に炭化水素ガスを通過することにより、これらの触媒から生長する。
【0058】
プラズマの影響を受けて、垂直に配向された(すなわち、保持体表面に垂直な)カーボンナノチューブが作製され得る。
【0059】
適当な絶縁層211が供給される。図4で例示されるように、絶縁層214は少なくとも垂直に配向されたナノチューブ210間のスペースを占有し、例示された実施例ではその端部を被覆する。好ましい実施形態によると、絶縁層211は、ポリメタクリル酸メチル、ポリイミド類、またはエポキシなどの高分子である。
【0060】
次に、ナノチューブ210は、それらのさらされた端部あるいは先端を開くために処理され、その結果、カットされたあるいは開口されたナノチューブ220を形成する。好ましい実施形態では、その開口されたナノチューブ220は、上記説明されたように、ナノチューブの端部を開口するのと同様に、絶縁層211を被覆している端部を取り除くために作用する化学エッチング、水素プラズマエッチング、または酸素プラズマによって形成され得る。この例示された好ましい実施形態によると、絶縁層211のナノチューブ間の部分は残っている。
【0061】
次に、前に開示された外来種230のいずれかが、開口されたナノチューブ220の開口部と内部の空間に導入され得る。この外来種230は、前に説明された技術のいずれによって導入され得る。好ましい実施形態によると、外来種230は、上記説明されたような蒸発あるいは電気化学反応によって導入される。
【0062】
次に、この満たされたナノチューブは、それらの開口端を閉じるために更に処理される。好ましい実施形態によると、不活性化層240は、上記説明された技術のいずれによって形成される。
【0063】
あるアプリケ−ションでは、使用前にこの酸化物の不活性化層を取り除くことが好ましい。この場合には、サンプルは最初に、真空チャンバーに移される。不活性化層240は、次に、それらの上に水素プラズマを通過することによって取り除かれる。
【0064】
本発明の方法は、それら自身がナノチューブ中に封入されているインターカレートされたアルカリ金属あるいは他の外来種を含むナノチューブ構造を形成するための改良された方法を提供する。これらの封入された構造は、空気中および溶媒などの他の環境中で安定である。したがって、アルカリ金属あるいは外来種がカプセル中に封入されているので、その材料がその環境にさらされた場合にも環境に対してもはや敏感でない。したがって、上記説明されたカプセルは、任意の条件下でさらに処理され得る。ナノチューブ中に配置されたインターカレートされたアルカリ金属あるいは他の外来種は、容易に蒸発させることができない。さらに、ナノチューブ中のこのインターカレートされたアルカリ金属あるいは外来種は、化学的に反応性が低い、すなわち、比較的化学的には不活性である。ナノチューブの内部のスペ−スは、ナノチューブのバンドル間の間隙よりも大きいので、より多くのアルカリ金属あるいは他の外来種が貯蔵され得る。このインターカレートされたアルカリ金属から周囲のナノチューブに電荷が転送されるために、その結果としての材料は、より低い電子的な仕事関数値とフェルミ電子準位状態のより高い密度とを有する。加えて、上記説明した電荷移動現象のため、本発明によって処理された上記説明されたインターカレーション後には、通常半導性の性質であるナノチューブは金属の性質になる。この電荷移動効果は、さらに電子放出特性を改良するために作用する。
【0065】
本発明の方法は、多くの異なったアプリケーションにおける使用に対して有益な特性を有するナノチューブ材料を生成するのに有用である。一般に、本発明の方法は、X線発生装置、ガス放電管、点燈装置、マイクロ波出力増幅器、イオン銃、電子線リソグラフィ−装置、高エネルギー加速器、自由電子レーザ、電子顕微鏡、マイクロプローブ、およびフラットパネルディスプレイなどのデバイスのための、電子の電界放出カソード中に取り込むナノチューブ材料を供給する上で特に有益である。
【0066】
本発明の方法によって形成されたカプセルを組み込む物品は、優れた特性を示す。例えば、本発明の方法で形成されたカプセルを有する製造物品は、2V/μm未満、好ましくは1V/μm未満、より好ましくは0.5V/μm未満で、0.01mA/cm2の電子放出電流密度を得ryための電子放出のターンオン電界を持つ。さらに、本発明の方法によって形成されたカプセルを含む物品は、1mA/cm2以上、好ましくは10mA/cm2以上、より好ましくは100mA/cm2以上の電流密度で電子放出特性を維持できる。
【0067】
本発明は、上記説明した実施例を引用して説明されたが、それらの変更や変形は当業者にとって明白であろう。したがって、本発明は、この添付された請求項の範囲と精神によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【0068】
【図1】未処理状態とセシウムがインターカレートされた単一壁カーボンナノチューブのフェルミ準位付近の光電子放出スペクトルを示す図である。
【図2】未処理状態および種々のセシウム沈着時間でセシウムがインターカレートされた単一壁カーボンナノチューブ管束の二次電子閾値領域付近の光電子放出スペクトルを示す図である。
【図3】本発明の原理と一致して処理された方法を示す概要図である。
【図4】本発明の原理と一致して処理された別の方法を示す概要図である。
【図5】純粋な単一壁カーボンナノチューブの顕微鏡像を示す図である。
【図6】10時間処理した後の単一壁カーボンナノチューブの顕微鏡像を示す図である。
【図7】24時間処理された単一壁カーボンナノチューブの顕微鏡像を示す図である。
Claims (70)
- (a)未処理のナノ構造のあるいはナノチューブ含有の材料であって閉じられた構造を含む材料を生成するステップと、
(b)前記未処理の材料を精製するステップと、
(c)前記精製した材料を処理することにより、前記閉じられた構造に開口を形成するステップと、
(d)少なくともいくつかの前記開口の内部に電子ドナーあるいは電子アクセプターとなる外来種(foreign species)を導入するステップと、
(e) 前記開口を閉じることにより、前記外来種で満たされたカプセルを形成するステップと、
を有することを特徴とする製造方法。 - ステップ(a)は、単一壁カーボンナノチューブ含有材料を生成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(a)は、多壁カーボンナノチューブ含有材料を生成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(a)は、保持体表面上にカーボンナノチューブを直接的に成長させるステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(a)は、同心状のフラ−レン型構造を有するカーボンナノ微粒子を生成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(a)は、BxCyNz、ここでBは=ほう酸、C=カーボン、N=窒素である、の組成を有するナノチューブ構造を生成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(a)は、MS2、ここでM=タングステン、モリブデンまたは酸化バナジウムである、の組成を有するナノチューブ構造を生成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(a)は、MS2、ここで、M=タングステン、モリブデンまたは酸化バナジウムである、の組成を有する同心状のフラ−レン型構造を生成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(b)は、前記未処理の材料を超音波濾過にさらすステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(b)は、前記未処理の材料を酸性媒体中で還流処理するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(b)は、前記未処理の材料を最初に酸性媒体中で還流処理し、続いて濾過するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記酸性媒体は、1−40容積%の過酸化物濃度を持つ過酸化物水溶液を有することを特徴とする請求項11に記載の製造方法。
- 10−100mlの過酸化水素がカーボンナノチューブの1−10mgごとに対して前記酸性媒体中に添加され、そして前記還流反応が20−100℃の温度で行われることを特徴とする請求項11に記載の製造方法。
- ステップ(b)は、前記未処理の材料を300−600℃の温度で空気または酸素中における酸化にさらすステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(c)は、酸性媒体中で前記精製された材料の超音波処理を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(c)は、前記精製された材料を粉砕するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(c)は、前記精製された材料をイオン衝撃し、続いて、前記材料を酸性媒体中で超音波処理にさらすステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(c)は、前記精製された材料をプラズマエッチングするステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(c)は、前記プラズマエッチングは水素または酸素プラズマでエッチングするステップを有することを特徴とする請求項18に記載の製造方法。
- ステップ(d)の外来種は、少なくとも1つのアルカリ金属またはアルカリ金属の合金を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記少なくとも1つのアルカリ金属は、Li、Na、K、Rb、または、Csを有することを特徴とする請求項20に記載の製造方法。
- ステップ(d)の外来種は、Mg、Ca、Sr、Ba、またはそれの合金のうちの少なくとも1つを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)の外来種は、Sc、Y、Fe、Co、Ni、Cu、またはそれの合金のうちの少なくとも1つを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)の外来種は、ルイス酸、ハロゲン混合物、金属塩化物、金属臭化物、金属ふっ化物、金属オキシハロゲン化物、酸性の酸化物、および強酸のうちの少なくとも1つを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記ルイス酸がハロゲンBr2を含み、前記酸性の酸化物がN2O5またはSO3を含み、前記強酸がHNO3またはH2SO4を有することを特徴とする請求項24に記載の製造方法。
- ステップ(d)の外来種は、セシウムを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)は、前記外来種の気相移送を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)は、ソース(源)からの前記外来種の蒸発を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)は、前記外来種と前記処理され精製された材料とを含む化学製品の固相反応を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)は、前記外来種と前記処理され精製された材料との間の電気化学反応を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(e)は、不活性化層を形成することにより、前記満たされたカプセル中に前記外来種を閉じこめるステップを有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記不活性化層は、溶媒中に前記満たされたカプセルを分散することによって形成されることを特徴とする請求項31に記載の製造方法。
- 前記不活性化層は、前記満たされたカプセルを酸素あるいは酸素含有ガスにさらすことによって形成されることを特徴とする請求項31に記載の製造方法。
- (f)前記満たされたカプセルの外部表面から反応生成物を取り除くステップを更に有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- (f)前記カプセルのスクリーン印刷、電気泳動析出、スピンコーティング、鋳込み、噴霧、またはスパッタリングによって、電界放出カソードを形成するステップを更に有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)の後で生成された材料は、AxCの化学的組成を有し、ここで、x=0〜1であり、Aは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Fe、Co、Ni、Cu、またはそれの合金、ルイス酸、ハロゲン混合物、金属塩化物、金属臭化物、金属ふっ化物、金属オキシハロゲン化物、酸性酸化物、および強酸のうちの少なくとも1つを有する前記外来種であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(e)の後で生成された材料は、AxCの化学的組成を有し、ここで、x=0〜1であり、Aは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Fe、Co、Ni、Cu、またはそれの合金、ルイス酸、ハロゲン混合物、金属塩化物、金属臭化物、金属ふっ化物、金属オキシハロゲン化物、酸性酸化物、および強酸のうちの少なくとも1つを有する前記外来種であることを特徴とする請求項36に記載の製造方法。
- 前記ルイス酸がハロゲンBr2を含み、前記酸性の酸化物がN2O5またはSO3を含み、前記強酸がHNO3またはH2SO4を有することを特徴とする請求項36に記載の製造方法。
- ステップ(d)後に生成された材料が、5.5eV未満の電子的な仕事関数を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)後に生成された材料が、4V未満の電子的な仕事関数を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)後に生成された材料が、3V未満の電子的な仕事関数を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(e)後に生成された材料が、5eV未満の電子的な仕事関数を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(e)後に生成された材料が、4V未満の電子的な仕事関数を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(e)後に生成された材料が、3V未満の電子的な仕事関数を有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- インターカレートされた外来種の量を制御することによって、ステップ(d)後に生成された材料の電子的な仕事関数を0〜3eVに変えるステップを更に有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- インターカレートされた外来種の量を制御することによって、ステップ(e)後に生成された材料の電子的な仕事関数を0〜3eVに変えるステップを更に有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(d)後に生成された材料が金属の性質を持っていることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ステップ(e)後に生成された材料が金属の性質を持っていることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- カーボンナノチューブ含有材料の電子的な仕事関数を減少する方法、閾値電界放出値を減少する方法、半導性の性質を金属の性質に変換する方法、フェルミ準位状態の電子密度を増加する方法、および電子放出位置の密度を増加する方法であって、
(a)前記カーボンナノチューブ含有材料に開口を形成するステップと、
(b)少なくともいくつかの前記開口の内部に、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属の混合物、アルカリ土類金属の混合物、または、アルカリ金属とアルカリ土類金属との混合物、を含む外来種を導入するステップと、
(c)前記開口を閉じることにより、前記外来種で満たされたカーボンナノチューブカプセルを形成する工程と、
を有することを特徴とする方法。 - ステップ(a)が、前記カーボンナノチューブ含有材料を酸性媒体中で酸化させるステップ、または前記カーボンナノチューブ含有材料を粉砕するステップを有することを特徴とする請求項49に記載の方法。
- ステップ(c)が、溶媒中に前記満たされたカーボンナノチューブ含有材料を分散することによって、不活性化層を形成するステップを有することを特徴とする請求項50に記載の方法。
- (d)少なくとも一部に前記カプセルを有する電界放出フラットパネルディスプレイを形成するステップを更に有することを特徴とする請求項49に記載の製造方法。
- (a) 保持体表面上に垂直に配列されたカーボンナノチューブを生成するステップと、
(b) 絶縁層を塗るステップと、
(c) 前記ナノチューブの先端を開口するステップと、
(d)前記ナノチューブの前記開口された先端中および内部の空間に外来種を導入するステップと、
(e) 前記ナノチューブの前記開口された先端を閉じるステップと、
(f) 前記満たされたナノチューブを活性化するステップと、
を有することを特徴とする製造方法。 - ステップ(a)は化学蒸着法によって前記ナノチューブを生成するステップを有することを特徴とする請求項53に記載の製造方法。
- ステップ(b)における前記絶縁層が高分子を有することを特徴とする請求項53に記載の製造方法。
- ステップ(c)がエッチングを有することを特徴とする請求項53に記載の製造方法。
- ステップ(c)が化学エッチング、水素プラズマエッチングまたは酸素プラズマエッチングを有することを特徴とする請求項56に記載の製造方法。
- ステップ(c)が前記絶縁層の少なくとも一部を除去するステップを含むことを特徴とする請求項57に記載の製造方法。
- ステップ(d)が前記外来種の蒸発を有することを特徴とする請求項53に記載の製造方法。
- ステップ(d)が前記外来種の電気化学反応を有することを特徴とする請求項53に記載の製造方法。
- ステップ(e)が不活性化層を形成することにより、前記開口の末端を閉じることを特徴とする請求項53に記載の製造方法。
- ステップ(f)が前記満たされたナノチューブを水素プラズマにさらすステップを有することを特徴とする請求項53に記載の製造方法。
- 前記請求項49の製造方法によって形成されたカプセルを有することを特徴とする電界放出デバイス。
- 前記電界放出デバイスが、X線管、ガス放電デバイス、点燈デバイス、マイクロ波増幅器、イオン銃、または電子線リソグラフィ−デバイスを含むことを特徴とする請求項63に記載の電界放出デバイス。
- 請求項1に記載の製造方法によって形成されたカプセルを有する製造物品であって、
前記製造物品は、2V/μm以下で0.01mA/cm2の電子放出電流密度を得るための電子放出のターンオン電界をもつことを特徴とする製造物品。 - 前記ターンオン電界が1V/μm未満であることを特徴とする請求項65に記載の製造物品。
- 前記ターンオン電界が0.5V/μm未満であることを特徴とする請求項65に記載の製造物品。
- 請求項1に記載の製造方法によって形成されたカプセルを有する製造物品であって、前記製造物品は、1mA/cm2以上の電流密度で持続して電子放出をすることできることを特徴とする製造物品。
- 10mA/cm2以上の電流密度で持続して電子放出特性をすることができることを特徴とする請求項68に記載の製造物品。
- 100mA/cm2以上の電流密度で持続して電子放出特性をすることができることを特徴とする請求項68に記載の製造物品。
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091019 |