JP2006255817A - 金属構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光のちらつき等の不要輻射が抑制されるようカーボンナノチューブ等のカーボン膜を成長可能とした金属構造とその製造方法を提供すること。
【解決手段】カーボン膜の成長を促進する触媒金属微粒子１４ａと、基板１０と触媒金属微粒子１４ａとの間に介在する介在金属微粒子１２ａとを備え、触媒金属微粒子１４ａと介在金属微粒子１２ａとの磁化率が互いに異なっている構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属構造およびその製造方法に係り、より詳しくは、それぞれが種類が異なる金属微粒子からなる少なくとも２つの金属微粒子層を備えた金属構造およびその製造方法に関するものである。

フィールドエミッション型表示装置では、針状のエミッタ先端から電界集中により電子を放出させてアノード側の蛍光体を高輝度に励起発光させるものであり、この電子エミッタにカーボンナノチューブを採用したものがある（特許文献１参照。）。カーボンナノチューブ は、大きなアスペクト比と鋭利な先端とを備えるとともに、化学的な安定性と機械的な強靱性と高温での安定性とによりエミッタ材料として極めて優れているために、電子エミッタ材料として汎用されつつある。このようなカーボンナノチューブの製造方法には、アーク放電法、レーザ蒸発法、ＣＶＤ法、などがある。これら製造方法のうち、例えば、ＣＶＤ法では、基板上にカーボンナノチューブの成長のための触媒となる金属微粒子を基板上に分散して炭化水素等のガス雰囲気中で基板を加熱することによりカーボンナノチューブを作成することが行われている。このような金属触媒となる微粒子の形成としては、基板上に触媒となるべき金属薄膜を蒸着して、それを加熱処理することで微粒子化する方法が知られている。しかしながら、上記微粒子化のために金属薄膜を加熱処理している最中に、触媒金属が基板中に拡散してしまい、触媒金属微粒子が作成されないことがある。そこで、触媒金属微粒子と基板との反応を抑止して触媒金属微粒子の触媒作用を補助する補助金属薄膜を基板と触媒金属微粒子との間に介在させてカーボンナノチューブを成長させる技術が知られる（特許文献２参照。）。

以上の従来の技術に対して、本発明者は基板と触媒金属微粒子との間に触媒金属微粒子とは異なる種類の金属微粒子（介在金属微粒子）を介在させてカーボンナノチューブを成長させ、成長したカーボンナノチューブを用いて蛍光膜の発光実験を実施していたが、その発光がちらつくといった不要輻射の課題があり、この不要輻射を解消する研究を行っていた。
特開２００３−１６９１２ 特開２００１−３０３２５０

以上により、本発明は、基板と触媒金属微粒子との間に介在金属微粒子を介在させた金属構造において、発光のちらつき等の不要輻射が抑制されるようカーボンナノチューブ等のカーボン膜を成長可能とした金属構造およびその製造方法を提供することを解決すべき課題とするものである。

（１）本発明による金属構造は、磁化率が高低に相異なる少なくとも２種類の金属微粒子からなり、両金属微粒子がその磁化率に対応して分離されていることを特徴とする金属構造である。

上記発明は、従来の課題を解決するべく研究を続行した結果、不要輻射の原因が触媒金属微粒子と介在金属微粒子とがランダムに配列されていたためであることが判り、以下の構成を備えた本発明を完成することができたのである。

本発明の金属構造によると、例えば、基板上に高磁化率の金属微粒子を触媒金属微粒子となし、低磁化率の金属微粒子を基板と触媒金属微粒子との間に介在配置させるべき介在金属微粒子とした場合、磁場を印加するだけで容易にかつ確実に介在金属微粒子を基板と触媒金属微粒子との間に介在配置させることができるから、触媒金属微粒子をカーボン膜の成長用触媒としてカーボン膜を高密度に成長させることが可能となるとともに、触媒金属微粒子の直径を小さくしても確実に表面側に触媒金属微粒子を配置させることができ、カーボン膜を高アスペクト比で成長させることが可能となり、発光効率に優れた電子エミッタの製造に寄与することができるようになる。

本発明の１つの態様として上記両金属微粒子が磁場の印加により分離されている。

本発明の１つの態様として両金属微粒子はそれぞれ金属薄膜もしくは基板上に分散した状態から熱処理して生成されたものである。

本発明の１つの態様として両金属微粒子は、上記熱処理中に磁場が印加されて分離されたものである。

本発明の１つの態様として両金属微粒子のうちの一方はカーボン膜の成長を促進する触媒作用を有する触媒金属微粒子であり、他方は基板と触媒金属微粒子との間に介在する介在金属微粒子であり、触媒金属微粒子は高磁化率の金属微粒子であり、介在金属微粒子は、触媒金属微粒子よりも低磁化率の金属微粒子である。

本発明の１つの態様として触媒金属微粒子は、遷移金属である。この金属には例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏあるいはこれらの組み合わせがある。

本発明の１つの態様として介在金属微粒子は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏから選択された１種またはこれらの組み合わせである。

本発明の金属構造は、カーボン膜の成長を促進する触媒金属微粒子と、基板と触媒金属微粒子との間に介在する介在金属微粒子とを備え、触媒金属微粒子と介在金属微粒子それぞれの磁化率が互いに異なっていることを特徴とする金属構造である。

本発明によると、基板上に触媒金属微粒子生成用と介在金属微粒子生成用との２層の金属薄膜を熱処理して微粒子化する最中に、磁場を印加した場合、微粒子化した上記介在金属微粒子は基板側に配列し、触媒金属微粒子は基板とは反対側に配列するようになり、触媒金属微粒子は本来の触媒作用を有効に発揮することが可能となる一方で、介在金属微粒子は基板と触媒金属微粒子との間に介在して触媒金属微粒子の基板への拡散を抑止する作用を有効に発揮することができる。その結果、上記金属構造を用いて基板上に触媒金属微粒子の層と介在金属微粒子の層との２層構造を作成する場合、触媒金属微粒子を均一に基板上に密な状態に分散配置させることができ、触媒金属微粒子を用いてカーボンナノチューブ等のカーボンファイバを成長させた場合、カーボンファイバを密集させかつ高アスペクト比で長さ均一に成長させることが可能となり、蛍光膜の発光のちらつきといった不要輻射を低減させることができるようになった。

本発明によれば、介在金属微粒子を基板側に配列し、触媒金属微粒子を基板とは反対側に配列させて電子放出性能を向上し、もって、発光のらつき等の不要輻射を解消することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る金属構造およびその製造方法を説明する。図１は、実施の形態の金属構造の製造方法を示す工程図、図２は鉄とアルミニウムの磁化を説明するための図、図３（ａ）（ｂ）は、実施の形態と従来による金属構造を概念的に示す断面図、図４（ａ）（ｂ）は、実施形態と従来との金属構造によるカーボンナノチューブの成長状態を示す図である。これらの図は、理解のため、実際の構造よりも誇張し概念的に示している。

最初に、図１（ａ）で示すようにガラスやシリコン等の基板１０上に介在金属薄膜１２をＥＢ−ＰＶＤ等の適宜の成膜装置により１００ｎｍの範囲に成膜する。介在金属薄膜１２にはアルミニウム、クロムがある。アルミニウム、クロム等は常磁性体であり、強磁場の印加でも磁化されにくい。

次いで、図１（ｂ）で示すように、この介在金属薄膜１２の上に触媒金属薄膜１４を上記と同様の成膜装置により１０ｎｍの範囲に成膜する。触媒金属薄膜１４には、鉄、ニッケル、コバルト等がある。これらは強磁性体であり、低磁場の印加でも磁化されやすい。これら触媒金属のうち鉄が、磁歪が小さいので好ましい。

次いで、図１（ｃ）で示すように、適宜の加熱炉、例えば不活性ガス雰囲気のアニール炉で加熱処理する。加熱処理は、４００℃の温度を０．５時間、その後、１時間冷却する。加熱処理により、介在金属薄膜１２と触媒金属薄膜１４それぞれは介在金属微粒子１２ａと触媒金属微粒子１４ａとに微粒子化する。この加熱処理により両薄膜１２，１４の境界が無くなるので、加熱状態の金属として符号１６で示す。そして、この加熱処理の最中に磁石１８等の磁界印加手段により、４００Ｇ程度の磁場を印加すると、介在金属薄膜１２は介在金属微粒子１２ａに微粒子し、介在金属微粒子層１２ｂを形成し、また、触媒金属薄膜１４は触媒金属微粒子１４ａに微粒子化し、触媒金属微粒子層１４ｃを形成する。この場合、介在金属微粒子１２ａは磁石１８による磁場で磁化するものの、その磁化力は小さい。そのため、介在金属微粒子１２ａの層１２ｂ全体が受ける磁場印加方向に移動させる磁気力よりも、触媒金属微粒子１４ａの層４ｂ全体が受ける磁場方向に移動させる磁気力の方が大きい。そのため、介在金属微粒子層１２ｂは基板１０上に配列され、また、触媒金属微粒子層１４ｂは介在金属微粒子層１２ｂ上に配列させられる。

図１（ｄ）は、以上の製造工程で基板１０上に製造した金属構造２０とこの金属構造２０を備える触媒金属微粒子層１４ｂ内の個々の触媒金属微粒子１４ａを触媒として炭素ガス雰囲気中で成長したカーボンナノチューブ２２とを示す図であり、図１（ｄ）からカーボンナノチューブ２２が整然とかつ密集した状態で高さ均一に成長している状態が判る。

なお、図２には横軸に磁場（Ｈ）をとり、縦軸に磁化（Ｂ）をとる特性図において、介在金属微粒子１２ａの一例としてアルミニウム（Ａｌ）、触媒金属微粒子１４ａの一例として鉄（Ｆｅ）の磁化率の相違を示している。図２で明らかであるように、鉄は磁化率が大きく、アルミニウムは磁化率が小さいので、同じ磁場でも、鉄が大きく磁化されて、磁石の存在でその磁場の方向に強く吸引されるのに対して、アルミニウムは磁化が小さく、磁場が小さいと吸引されないか、吸引されても僅かである。

以上のことから、触媒金属は高磁化率の金属を採用することが好ましく、介在金属は低磁化率の金属を採用することが好ましいのであるが、基板に対する触媒金属と介在金属との並ばせ方であるので磁化率は絶対値ではなく相対値として選択することができる。磁化率の異なる組合わせとしては例えばＦｅ／Ａｌ，Ｎｉ／Ａｌ，Ｃｏ／Ｃｕなどがある。

以上の製造工程において介在金属微粒子１２ａをアルミニウム、金属触媒微粒子１４ａを鉄とした場合で製造した実施の形態に係る金属構造の概念的な断面構造を図３（ａ）に、従来の金属構造の概念的な断面構造を図３（ｂ）に示している。図３（ａ）（ｂ）において、黒は鉄１００％、黒に近い灰色は鉄リッチで鉄アルミニウム固溶、白に近い灰色はアルミニウムリッチで鉄アルミニウム固溶、白はアルミニウム１００％を示している。図３（ａ）（ｂ）を比較して実施の形態ではアニールの最中に磁場を印したことにより表面側が鉄１００％の金属微粒子が整然と並び、基板側にアルミニウム１００％の金属微粒子が整然と並んでいる。

その結果、実施の形態の金属構造２０では図４（ａ）で示すようにカーボンナノチューブ２２が整然と密集状態で長さ均一に成長しているのに対して従来の金属構造２４では図４（ｂ）で示すようにカーボンナノチューブ２６が不揃いでまばらな状態で不均一に成長していることが判る。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

実施の形態の金属構造の製造方法を示す工程図である。 鉄とアルミニウムの磁化を説明するための図である。 実施の形態と従来による金属構造を概念的に示す断面図である。 実施形態と従来との金属構造によるカーボンナノチューブの成長状態を示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 介在金属薄膜
１２ａ 介在金属微粒子
１２ｂ 介在金属微粒子層
１４ 触媒金属薄膜
１４ａ 触媒金属微粒子
１４ｂ 触媒金属微粒子層
１８ 磁石
２０ 金属構造
２２ カーボンナノチューブ

Claims (12)

1. 磁化率が高低に相異なる少なくとも２種類の金属微粒子からなり、両金属微粒子がその磁化率に対応して分離されている、ことを特徴とする金属構造。
2. 上記両金属微粒子が磁場の印加により分離されている、ことを特徴とする請求項１に記載の金属構造。
3. 両金属微粒子はそれぞれ金属薄膜もしくは基板上に分散した状態から熱処理して生成されたものである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の金属構造。
4. 両金属微粒子は、上記熱処理中に磁場が印加されて分離されたものである、ことを特徴とする請求項３に記載の金属構造。
5. 両金属微粒子のうちの一方はカーボン膜の成長を促進する触媒作用を有する触媒金属微粒子であり、他方は基板と触媒金属微粒子との間に介在する介在金属微粒子であり、触媒金属微粒子は高磁化率の金属微粒子であり、介在金属微粒子は、触媒金属微粒子よりも低磁化率の金属微粒子である、ことを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の金属構造。
6. 触媒金属微粒子は、遷移金属である、ことを特徴とする請求項５に記載の金属構造。
7. 介在金属微粒子は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏから選択された１種またはこれらの組み合わせである、ことを特徴とする請求項５または６に記載の金属構造。
8. カーボン膜の成長を促進する触媒金属微粒子と、基板と触媒金属微粒子との間に介在する介在金属微粒子とを備え、両金属微粒子は互いに磁化率が異なっている、ことを特徴とする金属構造。
9. 磁化率が高低に相異なる少なくとも２種類の金属微粒子を磁化率の相違に対応して分離することを特徴とする金属構造の製造方法。
10. 両金属微粒子を磁場内でそれぞれの磁化率に応じて磁化し、その磁化の程度に従い移動させて分離する、ことを特徴とする請求項９に記載の金属構造の製造方法。
11. 両金属微粒子それぞれを、金属薄膜の状態から熱処理して生成し、その生成中に上記磁場を印加する、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の金属構造の製造方法。
12. 上記両金属微粒子のうちの一方をカーボン膜の成長を促進する触媒金属微粒子とし、他方を触媒金属微粒子と基板との間に介在する介在金属微粒子とする、ことを特徴とする請求項９ないし１１いずれかに記載の金属構造の製造方法。

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