JP2005212018A - ポーラスメンブレン孔内のナノ構造体とその作製方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 新規なナノデバイス、量子素子、ナノサイズ触媒、触媒担持、化学や生物、製薬等の製造に好適なナノメートルサイズの構造体の作製方法を提供する。
【構成】 ポーラスメンブレン孔配列面近傍に目的の元素を含んだガスを供給し、ポーラスメンブレンの裏側に収束電子線を照射する。
【選択図】図１

Description

この出願の発明は、ナノ構造体とその作製方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ポーラスメンブレン孔内に目的とする元素から成るナノ構造体を作製する方法に関するものである。

近年、カーボンナノホーンや、ナノチューブ、フラーレン等に関するナノテクノロジーの発展は著しく、ナノサイズの構造物はナノサイズデバイスや高集積度デバイスあるいは量子素子などの研究開発に大きく寄与している。また、触媒技術などにおいてもナノサイズの触媒や触媒担体が注目されており、さらには化学、生物、医薬などにおける基礎的研究や新製品の開発においても、ナノサイズ構造物とこれを提供するプロセスの進展には大きな期待が寄せられている。

また、量子効果を用いたデバイスの実用化に向けた取り組みも盛んに行われており、ナノワイヤー等のナノサイズの構造物を作製する手段についての検討も精力的に進められている。これまで、例えば、細孔を有するナノ構造体の製造方法（特許文献１、特許文献２）や、電気化学の方法を用いてＮｉを細孔配列ポーラスアルミナメンブレンにデポジションする方法（非特許文献１）が報告されている。
特開２００２-４０８７号公報 特開２００３−３４２７９１号公報 K.Nielsch et al, Adv.Mater, 12(2000)582-586

しかしながら、これまで、ナノサイズの構造物、すなわちナノ構造体を固体基板上に形成すること、そして固体基板との特有の配設位置やその形状についての関係を制御することについては必ずしも充分に検討が進められてはいないのが実情である。たとえば、電子・光デバイスや、医療用部材、触媒部材等として活用されている多孔質体、多孔質膜（シート、フィルムを含む）の表面に、特にその孔内にナノ構造体を優先的に形成させることについてはほとんど知られていない。

そこで、この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板との特有の関係に注目し、産業的にも有用な多孔質体、多孔質膜の孔内へのナノ構造体の作製方法と、この方法により得られる新しいナノ構造体を提供することを課題としている。

この出願の発明では、上記の課題を解決するものとして、第１には、固体元素を含んだガスをポーラスメンブレン表面（孔配列面側）に導入し、収束かつ走査できる電子線をポーラスメンブレン裏側から照射し、ポーラスメンブレン孔内に前記元素を有するナノ構造体を形成することを特徴とするナノ構造体の作製方法を提供する。

第２には、複数種のガスを導入して複数種の元素を含むナノ構造体を作製することを特徴とする上記のナノ構造体の作製方法を提供する。

そして第３には、ポーラスメンブレンの孔内に固体元素のナノ構造体が配設されていることを特徴とするナノ構造体を提供する。

この出願の第１および第２の発明のナノ構造体の作製方法によれば、基板としてのナノポーラスメンブレンの孔内に選択的に固体元素のナノ構造体を形成することが可能とされ、そして第３の発明によれば、基板としてのナノポーラスメンブレンの特徴、その機能をも生かした、ナノデバイスや、ナノサイズ触媒、触媒の担体、製薬など様々な分野への応用が期待される、新しいナノ構造体が提供される。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明のナノ構造体の作製方法において用いられるガスは、常温常圧においては固体の元素、たとえばＷ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｇａ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の金属元素や、Ｓｉ，Ｂ等の半導体元素もしくは半金属元素等の各種の元素を含むガスである。つまりガスとしてこの出願の発明の方法においてポーラスメンブレン細孔配列面近傍に供給されるものである。これらの元素を含むガスは、たとえばこれらの元素の化合物として用いられる。

メンブレン用基板材料は、セラミックス、ガラス、樹脂、あるいはそれらの複合物等のうち各種のものであってよい。これらのメンブレン用基板材料により構成されるこの出願の発明のポーラスメンブレンについては、例えば、細孔の直径は数ｎｍから数百ｎｍ、細孔の深さは数ｎｍから数十μｍ、細孔間の間隔は数ｎｍから数百ｎｍ、メンブレンの厚さは、数十ｎｍから数十μｍの範囲とすることが考慮される。

ナノ構造体の作製は、電磁場中に置かれた減圧密閉容器内において行われ、通常は１×１０^-2Ｐａ以下の減圧度が考慮される。印加される電磁場は、収束電子線の制御とその作用に欠かせないものである。この電磁場の強度は、通常は１〜１０テスラの範囲とすることが考慮される。

収束電子線は、特に限定されるものではないが、その強度としては、たとえば、加速電圧２００ｋＶ、エネルギーは２００ｋｅＶとして、０．５ｎＡから５０ｎＡの範囲、あるいは５０ｎＡ以上とすることができる。その照射時間は、たとえば数秒から数十分の範囲とすることが考慮される。そして収束電子線は、これを走査可能にすることが、二次元パターンとして、ナノ構造体を形成配置するのに有効である。

なお、基板材料であるポーラスメンブレンの温度については、必要であれば加熱してもよいが、通常は室温（５℃〜２２℃程度）とすることができる。

図１はこの出願の発明の態様を示した模式図であるが、模式図に示されているように、ポーラスメンブレン細孔配列面近傍に向けて、固体元素を含んだガスをノズルから供給する。そして、ポーラスメンブレン裏側からたとえば磁場をかけて拡散が抑えられた収束かつ走査可能な電子線を照射する。入射電子線及びこの入射電子線により生ずる電荷の集中、熱、２次電子、Ｘ線若しくは光のいずれか一つ又は幾つかにより元素を含むガスは反応し、電子線照射した範囲の孔内に元素からなるナノ構造体が形成される。複数種のガスを導入することにより、複数の元素を含む合金、混合物又は反応物のナノ構造体が作製可能であり、また、照射する電子線を走査することにより、任意の２次元的なパターンに配置させることも可能である。

この出願の発明であるポーラスメンブレン孔内に目的とする元素から成るナノ構造体を作製する方法はこれまで知られていない。この出願の発明によって得られる新しいナノ構
造体の作製方法は集積度が高い半導体デバイス、触媒デバイスあるいは量子素子等に有効であると考えられ、このナノ構造体に関する技術はこれら用途の実用化や効率化に大きく寄与するものと考えられる。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

基板材料としてポーラスアルミナメンブレンを用い、室温において原料気体であるＷ（ＣＯ）₆ガスを導入した。ガスの圧力は１０^-2Ｐａ以下とした。そこで約１．５Ｔ（テス
ラ）の磁場により広がりを抑えた電子線を６０秒間照射することにより、タングステン（Ｗ）のナノ構造を電子線照射範囲の孔内に選択的な成長をさせた。図２はポーラスアルミナメンブレンを用い、電子線照射範囲の孔内にデポジションされたタングステン（Ｗ）ナノ構造の透過電子写真である。電子線照射範囲は約１５００ｎｍであった。図３は電子線照射したデポジション範囲の１つの孔内をエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により分析した結果であり、アルミナメンブレンのアルミニウム（Ａｌ）および酸素（Ｏ）に加えて、タングステン（Ｗ）のピークが見られることから、原料気体に含まれていたタングステン（Ｗ）のナノ構造体が作製されていることが確認される。一方、図４は電子線照射したデポジション範囲の孔間のマトリクス箇所にエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により分析した結果であるが、孔間のマトリクス箇所から原料気体に含まれていたタングステン（Ｗ）のピークが見られなかったことから、タングステン（Ｗ）のナノ構造体は電子線照射した箇所の孔内に選択的な形成され位置制御されていることが確認される。

もちろん、この出願の発明は以上の実施形態および実施例に限定されるものではなく、詳細については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、位置制御しつつポーラスメンブレンの孔内に目的元素から成るナノ構造体を優先的に形成させることができる。このため、電子デバイス分野におけるナノサイズ及び高集積度デバイス、または化学、生物、医薬分野でのナノサイズ触媒や触媒担持構造物の作製への利用が期待でき、産業上においても有効に活用することができる。

この出願の発明の態様を示した模式図である。 ポーラスアルミナメンブレンを用い、電子線照射範囲の孔内にデポジションされたタングステン（Ｗ）ナノ構造の透過電子写真である。 電子線照射したデポジション範囲の１つの孔内をエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により分析した結果を示した図である。 電子線照射したデポジション範囲の孔間のマトリクス箇所にエネルギー分散型分析装置（ＥＤＳ）により分析した結果を示した図である。

Claims (3)

1. 固体元素もしくはその化合物を含んだガスをポーラスメンブレン表面（孔配列面側）に供給し、収束かつ走査できる電子線をポーラスメンブレン裏側から照射し、ポーラスメンブレン孔内に前記元素の、またはこれを有するナノ構造体を形成することを特徴とするナノ構造体の作製方法。
2. 複数種のガスを導入して複数種の元素を含むナノ構造体を作製することを特徴とする請求項１に記載のナノ構造体の作製方法。
3. ポーラスメンブレンの孔内に固体元素のナノ構造体が配設されていることを特徴とするナノ構造体。