JP2006524625A - カーボンナノチューブ成長方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、熱フィラメント化学的気相成長法による基板（１）上へのカーボンナノチューブ（５）の成長方法に関する。本発明の方法は、チタン層の厚さが０．５乃至５ｎｍであり、かつコバルト層の厚さが０．２５乃至１０ｎｍであって、コバルト層の厚さがチタン層の厚さの半分から２倍となるように、最初基板上にチタン（１２）とコバルト（１３）との二重層を積層する手順を含む。
Description
本発明はカーボンナノチューブの分野に関する。カーボンナノチューブは単一の壁（単層ナノチューブ）または同心円状の複数の壁（複層ナノチューブ）を有し、それぞれの壁は湾曲したグラファイト面で形成されている。
カーボンナノチューブを基板上に成長させるために、様々な方法が開発されてきた。これらの方法のうち殆どは、カーボンナノチューブの成長の開始点として、ナノチューブの直径に近い寸法の触媒粒を用いている。
本発明の発明者のうち２人は、熱フィラメント化学的気相成長法によりカーボンナノチューブを得る方法を論文公開している（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，ｖｏｌ．６１−６２，ｐ．４８５，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂ．Ｖ．）。熱フィラメントは１９００度乃至２１００度の温度であり、成長は７００乃至９００度の温度範囲で起こる。前記論文中で、著者らは、５０ｎｍの厚さのチタン層であって、薄いコバルト層がこれを覆う該チタン層を含むパッドを酸化ケイ素で覆われた基板上に積層すると、カーボンナノチューブの成長が見られることを明らかにしている。図は、成長が主としてパッドの側部表面から始まっていることを示している。
引き続く実験で、発明者は、ナノチューブの直径と構造（単層か複層か）とが、本質的にコバルト層の厚さに依存することを示した。
側部表面から成長した多くのナノチューブは限られた密度しか示さなかった。さらに、比較的大きな直径（５ｎｍより大きい）のナノチューブが得られたことは、略同一の厚さのコバルト層が積層していることを示唆していた。
特開２００２−１４６５３４号公報
本発明の目的は、適した基板を選択してカーボンナノチューブの成長を最適化することにある。
本発明の他の目的は、薄層の上部表面にカーボンナノチューブを生成するのに適した方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、突起上でのカーボンナノチューブの成長を最適化することにある。
これらの目的を達成するために、本発明は、チタン層の厚さが０．５乃至５ｎｍであり、かつコバルト層の厚さが０．２５乃至１０ｎｍであって、該コバルト層の厚さを該チタン層の厚さの半分から２倍と成すように予め基板上にチタンとコバルトとの二重層を積層させる手順を含む、熱フィラメント化学的気相成長法による基板上へのカーボンナノチューブ成長方法を提供する。
本発明の１つの実施形態によれば、チタン層はコバルト層の上に形成される。
本発明の１つの実施形態によれば、基板は酸化物で覆われたシリコンで製造されている。
本発明の１つの実施形態によれば、基板は少なくとも１つの突起を有し、それによって、個々の突起の先端からは一本のナノチューブが基板を離れるように成長し、かつ他のナノチューブは基板上に広がって成長する。
本発明の１つの実施形態によれば、前記方法は、ナノチューブに求められる直径と構造とに従ってチタンとコバルトの厚さの和を選択する手順を有する。
本発明の１つの実施形態によれば、二重層はコバルト層がチタン層の上に設けられ型のものであり、かつ二重層は厚いチタン層の上に形成されている。
本発明の１つの実施形態によれば、二重層はチタン層がコバルト層の上に設けられる型のものであり、かつ二重層は２０ｎｍより厚いチタン層で覆われ、それによって、ナノチューブが二重層の側部表面のみから成長する。
本発明は、チタン層の厚さが０．５乃至５ｎｍであり、かつコバルト層の厚さが０．２５乃至１０ｎｍであって、該コバルト層の厚さが該チタン層の厚さの半分から２倍であるチタンとコバルトとの二重層で覆われて成る、カーボンナノチューブを支持する基板をもまた提供する。
以下の、添付した図面に関連した特定の実施形態の限定されることのない記述の中で、本発明の前述およびその他の目的、特徴並びに利点を詳細に述べる。
図１に示すように、上述の方法では、ＳｉＯ２層１で覆われた基板上のカーボンナノチューブ成長の開始点として、薄いコバルト層３で覆われたおよそ５０ｎｍの厚さのチタン層部分から成るパッドが用いられる。
パッドの概念は限定的ではなく、選択された輪郭線で区切られた層の、どのような厚さの不連続部分をも指すものとして解釈されるべきである。
前述の成長条件下、図に略示するように、コバルト層の高さに略一致する側部パッド壁面から成長したカーボンナノチューブ５が得られる。
本発明では、厚い前記チタン層（ここで「厚い」層は１０乃至２０ｎｍより大きい厚さを有する）を、５ｎｍ未満の厚さのかなり薄い層で置き換えてある。
より特定すると、チタン層の厚さは０．５乃至５ｎｍであり、コバルト層の厚さは０．２５乃至１０ｎｍであって、コバルト層の厚さはチタン層の厚さの半分から２倍である。
図２Ａに示すように、かなり薄いチタン層１２はコバルト層１３の下に設けられてよく、又は、図２に示すように、チタン層１２はコバルト層１３の上に設けられてよい。両者の場合、先行技術の場合に前述したような同様の熱フィラメント化学的気相成長法条件下で、二重層の上部表面と二重層の側部表面との両方にカーボンナノチューブ５の成長が見られる。これらのナノチューブは、成長の始まる場所を示すためにかなり略示されていることと、これらのナノチューブは、長さが等しくなく、かつ図に示されているよりずっと高い密度を有しているであろうこととは、当業者には明らかなはずである。
本発明の利点に関して、これらのナノチューブの直径及び構造（単層か複層か）は略均質である。
本発明の特徴に関して、発明者は、ナノチューブの直径と構造とが、先行技術のように単独のコバルト層の厚さにだけではなく、チタン層とコバルト層の両方を合わせた厚さにも依存することを実験的に見出した。更に、発明者は、ある直径のナノチューブを得るためには、二重層の全厚が、同じ結果を与えるコバルト単一層の全厚よりずっと薄くても十分であることを見出した。例えば、４ｎｍ程度のある厚さの二重層に対して、２倍の厚さのコバルト単一層で得られるものと略同一の直径のカーボンナノチューブが得られる。
特に、その端部は丸くならずに起伏形状を保ちつつ、比較的歪んだ起伏上に積層を行い得る場合、より薄い積層からより大きな直径のナノチューブが得られることの有利性に当業者は注目すべきである。
この特徴の利点は図３に示された構造に現れており、そこでは、錘形の突起２１を備えたシリコン基板２０が、本発明に係るチタン−コバルト二重層１２，１３で覆われている。そこでナノチューブ成長が行われると、単層ナノチューブまたは単一のナノチューブバンドル２５が突起から基板を離れて成長する一方で、残りの表面からはナノチューブ５が成長するが、基板上の二重層に積み重なったままとなる。
本発明の他の利点に関して、得られたカーボンナノチューブの密度は、二重層と同じ厚さのコバルト単一層から得られるそれよりずっと大きい。
一方で、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、本発明によれば、カーボンナノチューブが成長する領域を選択することができる。
例えば、図４Ａに示すように、本発明に係るチタン−コバルト二重層を（１０乃至２０ｎｍよりも大きな厚さの）厚いチタン層で覆い、かつ層がパッドを形成するように成した場合、ナノチューブ５の側面からの成長のみが見られる。
しかし、図４Ｂに示すように、本発明に係るコバルト−チタン二重層を厚いチタン層の上に積層した場合、二重層の上面とより低い面とからのナノチューブ５の成長が見られる。
図５は単なる１つの例として、例えば、パッドの間の接続を形成するために、カーボンナノチューブの成長の最適化を可能とするパッドの集合体を示している。４つの厚い（１０乃至２０ｎｍよりも厚い）チタンのパッド３０，４０，５０，６０がシリコン上に形成されている。パッド３０は、薄いコバルト層３２で覆われている。パッド４０は、薄いコバルト層４２で覆われており、該コバルト層は部分的に、薄いチタン層４３で覆われている。パッド５０は、薄いコバルト層５２で均一に覆われており、該コバルト層の一部分は薄いチタン層５３で覆われ、前記コバルト層の他の部分は厚いチタン層５４で覆われている。パッド６０は、薄いコバルト層６２で覆われており、該コバルト層は厚いチタン層６３で覆われている。そして、図に略示されるようにナノチューブの成長が得られる。パッド３０に関しては、ナノチューブは横方向のみに伸長する。パッド４０に関しては、ナノチューブは横方向に伸長し、チタン層４３部分の表面上にも伸長する。パッド５０に関しては、ナノチューブは横方向に伸長し、薄いチタン層５３部分の表面上にも伸長する。パッド６０に関しては、ナノチューブは横方向にコバルト層６２領域のみから伸長する。上方から見て１μｍ未満の寸法のパッドから成長を開始すると、生成したナノチューブは凝集し絡み合った（組み紐）形になる。
種々の様式の接続及び／又は接点、例えば電気的接続、を形成するためのこの種の構造の利点が期待できる。チタン層が存在することによりナノチューブとの接点の電気抵抗が低くなることは注目すべきである。
本発明は、最適化されたカーボンナノチューブ成長方法とそれに適した基板を目的として成されている。これらのナノチューブは、既知の技術への応用、および技術の進歩に関与する当業者が考案する種々の応用が様々に可能である。
Claims (9)
- カーボンナノチューブ成長方法において、チタン層の厚さが０．５乃至５ｎｍであり、かつコバルト層の厚さが０．２５乃至１０ｎｍであって、該コバルト層の厚さを該チタン層の厚さの半分から２倍と成すように予め基板上にチタン（１２）とコバルト（１３）との二重層を積層させる手順を含む、熱フィラメント化学的気相成長法による基板（１）上へのカーボンナノチューブ（５）成長方法。
- チタン層はコバルト層の上に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 基板は酸化物で覆われたシリコンで製造されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 基板は少なくとも１つの突起（２１）を有し、それによって、個々の突起の先端からは一本のナノチューブ（２５）が基板を離れるように成長し、かつ他のナノチューブは基板上に広がって成長することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- ナノチューブに求められる直径と構造とに従ってチタンとコバルトの厚さの和を選択する手順を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 二重層はコバルト層がチタン層の上に設けられる型のものであり、かつ二重層は厚いチタン層の上に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 二重層はチタン層がコバルト層の上に設けられる型のものであり、かつ二重層は２０ｎｍより厚いチタン層で覆われ、それによって、ナノチューブが二重層の側部表面のみから成長することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- カーボンナノチューブを支持する基板において、チタン層の厚さが０．５乃至５ｎｍであり、かつコバルト層の厚さが０．２５乃至１０ｎｍであって、該コバルト層の厚さが該チタン層の厚さの半分から２倍であるチタン（１２）とコバルト（１３）との二重層で覆われてなる、カーボンナノチューブ（５）を支持する基板。
- 微小の突起（２１）を備え、それにより、単層カーボンナノチューブまたは単一のナノチューブバンドルがそれぞれの微小の突起の先端から成長し、かつ他のナノチューブは基板上に広がって成長することを特徴とする請求項８の基板。
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