JP2007103625A - 機能性デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノメートルサイズの機能性構造体からなり、この機能性構造体を外部電極に接続する接続抵抗を小さく抑えることができ、かつ、様々な機能性構造体の構造設計に与える制約を最小限に抑えることのできる配線手段を備えた機能性デバイス及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】絶縁層２が形成された基板１に、例えば１〜２μｍの間隙を有する電極３と４が形成されているものとする。これらの電極上及び電極間に金属性のカーボンナノチューブを分散させた液を被着させた後、電極間に交流電圧を印加して、電極間を架橋するようにカーボンナノチューブを配置する。次に、やや大きい電圧を印加してカーボンナノチューブに欠除部８を形成し、カーボンナノチューブ６及び７に区分する。欠除部８に面したカーボンナノチューブ６及び７の開口部において、機能性構造体９の被内包部９ａ及び９ｅをそれぞれカーボンナノチューブ６及び７に内包させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブを配線材料等として用いた機能性デバイス及びその製造方法に関するものである。

ナノテクノロジーは、大きさが１億分の１メートル（１０^-8ｍ＝１０ｎｍ）程度の微細構造を観察・作製・利用する技術である。

１９８０年代後半に、走査型トンネル顕微鏡と呼ばれる超高精度の顕微鏡が発明され、原子１個、分子１個を見ることができるようになった。走査型トンネル顕微鏡を用いれば、原子や分子を観察できるばかりでなく、１個ずつ操作することができる。

例えば、結晶の表面に原子を並べて文字を書いた例等が報告されている。しかし、原子や分子を操作できると言っても、莫大な個数の原子や分子を１個ずつ操作して、新材料やデバイスを組み立てるのは実際的ではない。

原子や分子やその集団を操作して、ナノメートルサイズの構造体を形成するには、それを可能にする新しい超精密加工技術が必要である。そのようなナノメートル精度の微細加工技術として、大きく分けて２つの方式が知られている。

１つは、従来から様々な半導体デバイスの製造に用いられてきた方法で、例えば大きなシリコンウエハを限界まで小さく精密に削り込んで行き、集積回路を作り込むような、所謂トップダウン型の方法である。他の１つは、極微の単位である原子や分子を部品として、小さな部品を組み上げて目的のナノ構造体を作製する、所謂ボトムアップ型の方法である。

トップダウン方式によって、どの位小さな構造体を作製できるかという限界に関しては、インテルの共同創設者であるゴードン・ムーアが１９６５年に提示した有名なムーアの法則がある。これは、「トランジスタの集積度は１８ヶ月で２倍になる。」という内容である。１９６５年以後、半導体産業界は、３０年以上にわたって、ムーアの法則どおりにトランジスタの集積度を高めてきた。

米半導体工業会（ＳＩＡ）から発表されている今後１５年間の半導体産業のロードマップＩＴＲＳ（International Technology Roadmap for Semiconductor）は、ムーアの法則は引き続き有効であるという見解を示している。

ＩＴＲＳは、２００７年までの短期ロードマップと、２０１６年までの長期ロードマップからなる。短期ロードマップは、２００７年に半導体チップのＤＲＡＭ（ダイナミック・ラム）のハーフピッチは６５ｎｍになるとしている。長期ロードマップは、２０１６年のハーフピッチは２２nmになるとしている。

半導体チップは、微細化するほど高速化し、同時に電力消費を抑えられる。更に、１枚のウエハから得られる製品数が多くなり、生産コストを下げることもできる。マイクロプロセッサのメーカーが、新製品のプロセスルールとトランジスタ集積度を競うのもそのためである。

しかしながら、「ムーアの法則」も、いずれは自然法則に基づく限界にぶつかるとも指摘されている。

例えば、現在主流になっている半導体技術では、シリコンウエハ上にリソグラフィ技術で回路パターンを焼き付けて、半導体チップを製造する。より微細化するためには解像度を上げねばならず、解像度を上げるためには、より波長の短い光を利用する技術を実用化しなければならない。

また、集積度の増大によって半導体チップ当たりの発熱量が大きくなりすぎ、高温になった半導体チップが誤動作したり、熱的に破壊されてしまったりする心配もある。

更に、専門家の予測によると、半導体業界がこのままチップを小さくしつづければ、設備コストやプロセスコストが膨らみ、歩留まりの悪化もあって、２０１５年あたりで経済的に成り立たなくなるとも考えられている。

最近、さらに大きな問題点として、パターンエッジの微細な凹凸、すなわちラインエッジラフネスの問題が指摘されている。レジストマスク表面の凹凸については、パターンの微細化とともに、レジストを構成している分子の大きさや、化学増幅型フォトレジストにおける酸の拡散距離などが問題になると言われている。パターンエッジの凹凸の周期の大きさとデバイス特性との関係も評価されており、重要な課題となっている。

上記のようなトップダウン方式の技術的な壁を打開する新たな技術として、個々の分子に電子部品としての機能を持たせようとする研究が注目を集めている。単一分子からなる電子デバイス（分子スイッチなど）であり、ボトムアップ方式で作製する。

金属やセラミックス、半導体についても、ボトムアップ方式でナノメートルサイズの構造体を作る研究が行われている。しかし、もともと１個１個が独立していて、形の違い、機能の違いなど数１００万種類に及ぶ多様性のある分子こそ、それを生かせば、従来とはまったく異なる特徴を持つ機能性デバイス（機能性分子構造体デバイス）をボトムアップ方式で設計し、作製することができる。

例えば、AviramとRatnerは、１９７４年に後述の非特許文献１において、分子のみで作製する分子整流器のコンセプトを発表している。

A.Aviram and M.A.Ratner，"Molecular Rectifiers"，Chem,Phys.Lett.，29，277（1974）（第279頁、図2及び6）

さて、分子や、金属または半導体の微粒子などを機能性材料として用いた機能性構造体デバイス（略して、機能性デバイス）の可能性および有用性に関しては疑う余地はないものの、その小さな機能性構造体と外部電極とを結ぶ配線形成にブレークスルーがなければ、ナノメートルサイズの機能性構造体の特徴を生かした機能性デバイスを設計する上で大きな障害が発生する。

例えば、非特許文献１のコンセプトでは、分子整流器と外部電極との間の配線は導電性有機分子を共有結合でつないで形成し、デバイス全体が一個の大きな分子からなる分子デバイスを構築することを構想している。しかしながら、すべての配線を導電性有機分子によって形成しようとすると、合成経路が複雑化するため、さまざまな特性を持つ分子デバイスを実現する上での制約となる。

本発明の目的は、上記のような実情に鑑み、ナノメートルサイズの機能性構造体からなり、この機能性構造体を外部電極に接続する接続抵抗を小さく抑えることができ、かつ、様々な機能性構造体の構造設計に与える制約を最小限に抑えることのできる配線手段を備えた機能性デバイス及びその製造方法を提供することにある。

即ち、本発明は、互いに離間した位置に被内包部を有する機能性構造体が、カーボンナノチューブに保持された機能性デバイスであって、
前記カーボンナノチューブに欠除部が形成され、この欠除部によって前記カーボンナ ノチューブが第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノチューブに区分され、
前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、一方の前記 被内包部が前記第１のカーボンナノチューブに内包され、かつ、前記欠除部に面した前 記第２のカーボンナノチューブの開口部において、他方の前記被内包部が前記第２のカ ーボンナノチューブに内包されている、
機能性デバイスに係わるものである。

また、その第１の製造方法であって、
対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するようにカーボンナノチューブ を配置する工程と、
前記対向電極間において前記カーボンナノチューブに欠除部を形成し、この欠除部に よって前記カーボンナノチューブを第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノ チューブに区分する工程と、
前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、第１の導電 性連結基前駆体が有する一方の被内包部を前記第１のカーボンナノチューブに内包させ 、かつ、前記欠除部に面した前記第２のカーボンナノチューブの開口部において、第２ の導電性連結基前駆体が有する他方の被内包部を前記第２のカーボンナノチューブに内 包させる工程と、
前記第１の導電性連結基前駆体及び前記第２の導電性連結基前駆体と機能性構造部と を反応させ、前記一方の被内包部及び前記他方の被内包部が、それぞれ、第１の導電性 連結基及び第２の導電性連結基によって前記機能性構造部に連結された前記機能性構造 体を形成する工程と
を有する、機能性デバイスの製造方法に係わるものである。

また、その第２の製造方法であって、
対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するようにカーボンナノチューブ を配置する工程と、
前記対向電極間において前記カーボンナノチューブに欠除部を形成し、この欠除部に よって前記カーボンナノチューブを第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノ チューブに区分する工程と、
一方の被内包部及び他方の被内包部が、それぞれ、導電性連結基によって機能性構造 部に連結された機能性構造体を形成する工程と、
前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、前記一方の 被内包部を前記第１のカーボンナノチューブに内包させ、かつ、前記欠除部に面した前 記第２のカーボンナノチューブの開口部において、前記他方の被内包部を前記第２のカ ーボンナノチューブに内包させる工程と
を有する、機能性デバイスの製造方法に係わるものである。

本発明の機能性デバイスによれば、前記機能性構造体は、前記カーボンナノチューブに形成された前記欠除部において前記カーボンナノチューブに保持されるため、前記カーボンナノチューブを適切に配置しておき、所定の位置に前記欠除部を形成することによって、前記機能性構造体を自動的に前記所定の位置に配置することができる。この際、前記カーボンナノチューブは導電性を有するため、前記機能性構造体を小さな接続抵抗で外部電極に接続する配線手段として利用することができる。以上の結果、様々なナノメートルサイズの前記機能性構造体を所定の位置に配置するという困難な課題と、前記機能性構造体に電気的接続を形成するという困難な課題とを、前記カーボンナノチューブを適切な位置に配置し、このカーボンナノチューブに電気的接続を形成するという、はるかに容易な課題に置き換えることができる。

また、前記機能性構造体は、その前記一方の被内包部及び前記他方の被内包部が、それぞれ、前記欠除部に面した前記開口部において前記第１のカーボンナノチューブ及び前記第２のカーボンナノチューブ部に内包されることによって、前記カーボンナノチューブに保持される。この工程は複雑な化学変化などを必要としないので、前記機能性構造体の構造設計に与える制約を最小限に抑えながら、前記機能性構造体を前記第１のカーボンナノチューブ及び前記第２のカーボンナノチューブ部に結合させることができる。また、前記被内包部として、例えば、前記第１のカーボンナノチューブ及び前記第２のカーボンナノチューブ部の内径に適合した外径を有する被内包部を選択するなどの方法で、前記第１のカーボンナノチューブ及び前記第２のカーボンナノチューブ部と前記機能性構造体との接続抵抗を小さく抑えることができる。

また、本発明の機能性デバイスの第１及び第２の製造方法によれば、
対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するようにカーボンナノチューブ を配置する工程と、
前記対向電極間において前記カーボンナノチューブに欠除部を形成し、この欠除部に よって前記カーボンナノチューブを第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノ チューブに区分する工程と
を有するので、上述した、前記カーボンナノチューブを適切な位置に配置し、このカーボンナノチューブに電気的接続を形成するという課題が解決される。

その上で、本発明の機能性デバイスの第１の製造方法によれば、
前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、第１の導電 性連結基前駆体が有する一方の被内包部を前記第１のカーボンナノチューブに内包させ 、かつ、前記欠除部に面した前記第２のカーボンナノチューブの開口部において、第２ の導電性連結基前駆体が有する他方の被内包部を前記第２のカーボンナノチューブに内 包させる工程と、
前記第１の導電性連結基前駆体及び前記第２の導電性連結基前駆体と機能性構造部と を反応させ、前記一方の被内包部及び前記他方の被内包部が、それぞれ、第１の導電性 連結基及び第２の導電性連結基によって前記機能性構造部に連結された前記機能性構造 体を形成する工程と
を有するので、簡易な化学的工程で、前記機能性構造体の構造設計に与える制約を最小限に抑えながら、前記機能性構造体に配線手段として前記第１のカーボンナノチューブ及び前記第２のカーボンナノチューブ部を結合させることができる。

同様に、本発明の機能性デバイスの第２の製造方法によれば、
一方の被内包部及び他方の被内包部が、それぞれ、導電性連結基によって機能性構造 部に連結された機能性構造体を形成する工程と、
前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、前記一方の 被内包部を前記第１のカーボンナノチューブに内包させ、かつ、前記欠除部に面した前 記第２のカーボンナノチューブの開口部において、前記他方の被内包部を前記第２のカ ーボンナノチューブに内包させる工程と
を有するので、簡易な化学的工程で、前記機能性構造体の構造設計に与える制約を最小限に抑えながら、前記機能性構造体に配線手段として前記第１のカーボンナノチューブ及び前記第２のカーボンナノチューブを結合させることができる。

本発明の機能性デバイスは、前記被内包部としてフラーレン核を両端部に有する機能性構造体が、金属性カーボンナノチューブに保持された機能性デバイスであって、
対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するように前記金属性カーボンナ ノチューブが配置され、
前記対向電極間において前記金属性カーボンナノチューブに前記欠除部が形成され、
前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、一方の前記 フラーレン核が前記第１のカーボンナノチューブに内包され、かつ、前記欠除部に面し た前記第２のカーボンナノチューブの開口部において、他方の前記フラーレン核が前記 第２のカーボンナノチューブに内包されている
のがよい。

この機能性デバイスによれば、前記対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するように前記金属性カーボンナノチューブが配置されているので、上述した、前記カーボンナノチューブを適切な位置に配置し、このカーボンナノチューブに電気的接続を形成するという課題が解決されている。この際、前記カーボンナノチューブとして導電性に優れた金属性カーボンナノチューブが用いられているため、前記機能性構造体は外部電極である前記対向電極に小さな接続抵抗で電気的に接続される。また、前記被内包部である前記フラーレン核は、いったん前記第１のカーボンナノチューブ又は前記第２のカーボンナノチューブに内包されると脱離しにくくなるので、安定な機能性デバイスが形成される。また、前記第１及び前記第２のカーボンナノチューブの内径に合わせて、それに近い適切な外径を有する前記フラーレン核を用いることで、前記機能性構造体と前記第１及び前記第２のカーボンナノチューブとの間の接続抵抗を小さく抑えることができる。

また、上記の機能性デバイスは、抵抗素子として構成されているのがよい。この場合、前記機能性構造体が、金属又は半導体の微粒子、前記フラーレン核、及び前記微粒子と前記フラーレン核とを連結する導電性連結基からなるのがよい。或いは、前記機能性構造体が、金属又は半導体の微粒子、前記フラーレン核、及び前記微粒子と前記フラーレン核とを連結する連結基からなるか、又は、前記機能性構造体が、金属又は半導体の微粒子、及びそれに直結した前記フラーレン核からなるのがよい。

また、上記の機能性デバイスは、導電性を制御できる能動素子、例えば、スイッチ、又は、前記対向電極間の領域にゲート電極が設けられ、前記機能性構造体の導電性が前記ゲート電極の電位によって制御される、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成されているのがよい。

上記の前記抵抗素子及び前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタである機能性デバイスは、前記機能性構造体が、半導体性カーボンナノチューブ、前記フラーレン核、及び前記半導体性カーボンナノチューブと前記フラーレン核とを連結する導電性連結基からなるのがよい。この場合、前記半導体性カーボンナノチューブは、酸素が吸着された通常のｐ型カーボンナノチューブであっても、酸素の脱着によって得られたｎ型カーボンナノチューブであってもよい。また別のイオンや分子の内包によってｐ型化又はｎ型化されたカーボンナノチューブであってもよい。前記半導体性カーボンナノチューブと前記導電性連結基との連結方法は、特に限定されるものではないが、ここでもカーボンナノチューブにフラーレン核が安定に内包される性質を利用すると、容易に機能性デバイスを作製でき、好都合である。

本発明の機能性デバイスの製造方法において、前記対向電極間に交流電圧を印加することによって、これらの電極間を架橋するように前記カーボンナノチューブを配向させて配置するのがよい。

また、前記対向電極間に電圧を印加することによって、前記対向電極間において前記カーボンナノチューブに前記欠除部を形成するのがよい。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。

図１は、本発明に基づく機能性デバイスの一例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。なお、断面図（ｂ）は、平面図（ａ）に１ｂ−１ｂ線で示した位置における断面図であり、点線で示した領域の部分拡大図を下部に付記している。

図１に示すように、基板１の上に絶縁層２が形成され、絶縁層２の上に外部電極として前記対向電極である電極３と電極４とがパターニングされて形成されているものとする。本機能性デバイスは、それぞれ前記第１のカーボンナノチューブおよび前記第２のカーボンナノチューブであるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）６およびカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）７と、機能性構造体９とで構成されている。

初めは、前記カーボンナノチューブである１本のカーボンナノチューブ（図示省略）が電極３と電極４とに接してこれらの電極間を架橋するように配置されており、カーボンナノチューブ６および７は、欠除部８の形成によって前記カーボンナノチューブが２つの部分に区分されて生じたものである。図１（ｂ）には、カーボンナノチューブ６とカーボンナノチューブ７とが完全に分断されている例を示したが、これに限られるものではなく、欠除部８にカーボンナノチューブの壁面がわずかに残され、この壁面によってカーボンナノチューブ６とカーボンナノチューブ７とが連結されていてもよい。

機能性構造体９は、断面図（ｂ）の部分拡大図に示すように、一方の被内包部９ａ、導電性連結基９ｂ、機能性構造部９ｃ、導電性連結基９ｄ、および他方の被内包部９ｅで構成され、一方の被内包部９ａが、欠除部８に面したカーボンナノチューブ６の開口部においてカーボンナノチューブ６に内包され、他方の被内包部９ｅが、欠除部８に面したカーボンナノチューブ７の開口部においてカーボンナノチューブ７に内包されている。この結果、機能性構造体９は、カーボンナノチューブ６とカーボンナノチューブ７との間に保持されている。

カーボンナノチューブ６及び７は、特に限定されるものではないが、導電性が良好であることから、単層の金属性カーボンナノチューブが特に好ましい。なお、本明細書では、金属ではない物質が、非局在化したπ電子の移動などによって、金属と同程度の高い電気伝導度を示す場合、「その物質は金属性である」ということにする。単層のカーボンナノチューブは、ベンゼン環を形成する炭素原子の６員環を平面状に連結した網目構造からなるグラフェンシートを長方形に切断し、この長方形を長辺どうしが互いに重なるように円筒状に丸めたのに相当する構造を有する。この際、シートの丸め方によって分子構造が微妙に異なるカーボンナノチューブができ、これらの電気的性質は、半導体性であるものから金属性であるものまで変化する（田中一義編、「化学フロンティア２ カーボンナノチューブ」、化学同人、２００１年、ｐ．１９−ｐ．３１参照。）。

被内包部９ａおよび９ｅは、カーボンナノチューブ６および７に内包され得るものであれば特に限定されるものではない。ただし、カーボンナノチューブ６及び７との電気的接続が良好であるもの、例えばフラーレンが好ましく、カーボンナノチューブ６および７の代表的な内径が０．７ｎｍ程度であることから、サイズがこれに適合してカーボンナノチューブ６および７の内壁に密着できるフラーレン、例えばフラーレンＣ₆₀が特に好ましい。

導電性連結基９ｂ及び９ｄは、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、導電性が良好であることから、ポリジアセチレン基（＝ＣＨ−Ｃ≡Ｃ−ＣＨ＝）_n などが好ましい（川合知二監修、「図解ナノテクノロジーのすべて」、工業調査会、２００１年、ｐ．１４２−ｐ．１４５参照。）。

機能性構造部９ｃは、特に限定されるものではないが、受動素子である抵抗素子を構成するのであれば金属や半導体の微粒子であるのが好ましく、能動素子、例えば電流をオン、オフするスイッチ機能を有するデバイスを構成するのであれば、図２に模式的に示すように、電界の作用によって電流をオン、オフする機能を有する分子素子などであるのが好ましい。

以下、上記の機能性デバイスについて、次の２つを例としてさらに具体的に説明する。

実施の形態１
実施の形態１では、主として請求項２〜４に対応する機能性デバイス、および請求項１１、１３、１４に対応する機能性デバイスの製造方法の例として、抵抗素子として構成された機能性デバイスおよびその製造方法について説明する。

図３は、実施の形態１に基づく機能性デバイスの平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。なお、断面図（ｂ）は、平面図（ａ）に３ｂ−３ｂ線で示した位置における断面図であり、点線で示した領域の部分拡大図を付記している。なお、本明細書中では、発明の主旨に照らして、同じ目的をもって設けられ、同等の機能を有する部材は、形状や大きさが多少異なっていても同じ指示番号で指示するものとする。

図３に示すように、基板１の上に絶縁層２が形成され、絶縁層２の上に外部電極として前記対向電極である電極１３と電極１４とがパターニングされて形成されているものとする。基板１および絶縁層２の材料は特に限定されるものではなく、基板および絶縁層の材料として通常用いられるものをそれぞれ用いることができる。

電極１３および電極１４は、例えば、チタン（Ｔi）層およびパラジウム（Ｐd）層がこの順に積層されたＴi／Ｐdの２層構造などからなるのがよい。このような積層構造にすることで、下地の絶縁層２に対する密着性と、金属性カーボンナノチュ−ブ１６および１７に対する良好なオーミック接触性を実現できる。電極１３と電極１４との間の間隙の長さは、例えば１〜２μｍである。

機能性デバイスは、それぞれ前記第１および前記第２のカーボンナノチューブである、単層の金属性カーボンナノチューブ１６および１７と、機能性構造体１９とで構成されている。前述したように、金属性カーボンナノチューブ１６および１７は、もとは電極１３と電極１４とに接してこれらの電極間を架橋するように配置されていた１本の金属性カーボンナノチューブ（図示省略）であったものが、欠除部（ナノギャップ）１８の形成によって２つの部分に区分されたものである。欠除部（ナノギャップ）１８の長さは、例えば約２０ｎｍである。

断面図（ｂ）の部分拡大図に示すように、機能性構造体１９は、一方の被内包部および他方の被内包部である、例えばＣ₆₀などのフラーレン核１９ａ２個、導電性連結基１９ｂ２個、および機能性構造部である導電性微粒子１９ｃで構成され、２個のフラーレン核１９ａが、欠除部１８に面した開口部において金属性カーボンナノチューブ１６および１７にそれぞれ内包されている。この結果、機能性構造体１９は、金属性カーボンナノチューブ１６と金属性カーボンナノチューブ１７との間に保持される。

導電性微粒子１９ｃは、欠除部（ナノギャップ）１８の長さに対応した直径、例えば約２０ｎｍの直径を有する金属（単体あるいは合金）や半導体の微粒子であるのが好ましく、導電性微粒子１９ｃの材質を適当に選択することなどによって、所定の抵抗を有する抵抗素子を形成することができる。また、本機能性デバイスは単なる接続配線であってもよく、その場合には導電性微粒子１９ｃは金などからなるのがよい。

図４および図５は、本実施の形態に基づく機能性デバイスの作製工程のフローを示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、例えばシリコン基板などの基板１の表面に、熱酸化などの方法で絶縁層２を形成する。次に、全面に、例えばチタン層およびパラジウム層がこの順に積層されたＴi／Ｐdの２層構造などからなる電極材料層を形成した後、フォトリソグラフィなどによってパターニングして、互いに対向した電極１３および電極１４を形成する。電極１３と電極１４との間の間隙の長さは、例えば１〜２μｍとする。

次に、図４（ｂ）に示すように、電極１３と電極１４とに接してこれらの電極間を架橋するように金属性カーボンナノチューブ１５を配置する。

具体的には、まず、レーザアブレーション法によってニッケル／コバルト（Ｎi／Ｃo）微粒子を触媒として単層の金属性カーボンナノチューブを作製する。この粉末にジメチルホルムアミド（Dimethylformamide；ＤＭＦ）を溶媒として加えた混合物に超音波処理を１０時間程度行うことにより、金属性カーボンナノチューブがＤＭＦに均一に分散した分散液を調製する。

次に、電極１３と電極１４の上、およびこれら電極間の絶縁層２の上に、上記の分散液を被着させる。この状態で電極１３と電極１４との間に電圧を印加し、分散液中の金属性カーボンナノチューブ１５を電極間に架橋するように配向させた後、溶媒であるＤＭＦを蒸発させる。

上記のように、金属性カーボンナノチューブを分散させた分散液に電場を印加することで、電極間に金属性カーボンナノチューブを高確率で配向させることが可能であることは、既に知られている（文献１： K. Yamamoto, S. Akita, and Y. Nakayama, Jpn. J. Appl. Phys.，35, L917 (1996)、文献２： L. A. Nagahara, I. Amlani, J. Lewenstein, and R. K. Tsui, Appl. Phys. Lett.，80, 3826 (2002)、文献３： R. Krupke, F. Hennrich, H. B. Weber, M. M. Kappes, H. v. Lohneysen, Nano Lett.，3, 1019 (2003)、文献４： M. S. Kumar, T. H. Kim, S. H. Lee, S. M. Song, J. W. Yang, K. S. Nahm, and E. -K. Suh, Chem. Phys. Lett.，383, 235 (2004)、文献５： X. Liu, J. L. Spencer, A. B. Kaiser, W. M. Arnold, Curr. Appl. Phys.，4, 125 (2004)参照。）。

一般的に、金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブとでは分極率に差があり、金属性カーボンナノチューブの方が分極率が大きい。このため、電極間に電圧が印加された場合、金属性カーボンナノチューブの方がよりよく電界に応答して、半導体性カーボンナノチューブよりも電極間に配向しやすい傾向がある。前述の金属性カーボンナノチューブをＤＭＦに分散させた分散液中には、半導体性カーボンナノチューブなども不純物として含まれるが、金属性カーボンナノチューブが配向するのに十分であり、かつ、半導性カーボンナノチューブは配向しない強さの電圧を印加することで、金属性カーボンナノチューブだけを選択的に電極１３と電極１４との間に配向させることができる。

印加する電圧が直流電圧の場合、一方の電極にカーボンナノチューブが引き寄せられてしまい、電極間に配置されるカーボンナノチューブの割合は少ない。これに対し、交流電圧を印加する場合には、一方の電極にカーボンナノチューブが引き寄せられてしまうことがなく、カーボンナノチューブは効率よく電極間に架橋した状態で配置される。

また、交流電圧を印加すると、カーボンナノチューブの一方及び他方の端部に向かう力がカーボンナノチューブの各部に交互に作用するが、カーボンナノチューブがこの力に高速で応答する結果、加える交流電圧の周波数が高くなるほど、分子内での配向のばらつきを減少させ、電極の対向面に直交する方向へまっすぐに向くように、曲がったカーボンナノチューブを整形する作用が大きくなる。また、直流電圧や比較的周波数の低い交流電圧を印加した場合には、電極の対向面に斜めに配置されるカーボンナノチューブがかなりの割合で存在するのに対し、周波数が高くなるほどこのようなカーボンナノチューブの割合は減少し、電極の対向面に直交するように配置されるカーボンナノチューブの割合が増加する。また、周波数が高いほど、不純物である粒状の炭素微粒子に対する作用は小さくなり、カーボンナノチューブ、とくに金属性カーボンナノチューブだけを選択的に電極１３と電極１４との間に配向させる作用が高くなる。

上述のように、印加する電圧としては、直流電圧よりも交流電圧、とくに比較的高い周波数の交流電圧が望ましい。但し、カーボンナノチューブが応答できないような高周波電圧では効果がないので、適切な周波数、例えば１ＭＨｚ程度の周波数の交流電圧が最も望ましい。

以上のことから、電極１３と電極１４との間に金属性カーボンナノチューブ１５だけを選択的に配向させるには、大きさ１Ｖ程度、周波数１ＭＨｚ程度の交流電圧を３０秒間程度印加するのがよい。

図６（ａ）は、大きさ１Ｖ、周波数１ＭＨｚの交流電圧を３０秒間印加した後、溶媒であるＤＭＦを蒸発させ、対向電極である電極１３と電極１４との間に架橋するように配向させた金属性カーボンナノチュ−ブ１５の走査電子顕微鏡写真である。この写真から、金属性カーボンナノチュ−ブ１５が、電極１３と電極１４との間を架橋するように配置されていることがわかる。電界を印加しなければ配向が起こらないのは当然であるが、直流電界を印加した場合でも、上述したように、電極間に金属性カーボンナノチュ−ブ１５を配向させることはできない。なお、図６（ａ）の写真では複数の金属性カーボンナノチュ−ブ１５が電極１３と電極１４との間に架橋しているが、この数は金属性カーボンナノチュ−ブの分散液の濃度を調節することによって制御することができる。

次に、図４（ｃ）に示すように、電極１３と電極１４との間に大きさ５Ｖ程度、周波数１００Ｈｚ程度の交流電圧を印加して、金属性カーボンナノチュ−ブ１５の一部を焼き切ることによって、金属性カーボンナノチュ−ブ１５に欠除部（ナノギャップ）１８を形成する。この結果、金属性カーボンナノチュ−ブ１５は、前記第１のカーボンナノチュ−ブである金属性カーボンナノチュ−ブ１６と、前記第２のカーボンナノチュ−ブである金属性カーボンナノチュ−ブ１７とに区分される。欠除部（ナノギャップ）１８の長さは、例えば約２０ｎｍ程度である。

図６（ｂ）は、大きさ５Ｖ、周波数１００Ｈｚの交流電圧を印加して、金属性カーボンナノチュ−ブ１５の一部を焼き切り、欠除部１８を形成した金属性カーボンナノチュ−ブの走査電子顕微鏡写真である。金属性カーボンナノチュ−ブに電圧を印加し、電流を流すことによって欠除部を形成できることは公知であるが、本発明者は様々な条件下で実験を繰り返し、配向させた金属性カーボンナノチュ−ブに所定の大きさの欠除部１８を形成することが可能であることを明らかにした。

欠除部（ナノギャップ）１８の形成方法として、本実施の形態では電流で焼き切る方法を説明したが、これに限られるものではなく、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などを用いた微細加工法によって形成してもよい。

次に、図５（ｄ）に示すように、欠除部１８に面した金属性カーボンナノチューブ１６および１７の開口部において、前記第１および前記第２の導電性連結基前駆体である導電性連結基前駆体分子１１が有する、前記一方の被内包部及び前記他方の被内包部であるフラーレン核１９ａを、金属性カーボンナノチューブ１６および１７のそれぞれに内包させる。

具体的には、まず、図７に示すように、導電性連結基前駆体分子１１を合成する。この合成反応では、Ｃ₆₀などのフラーレン核１９ａにメタノ基を介してカルボキシル基が直結したフラーレン誘導体と、分子の両端にヒドロキシル基（水酸基）を有するジアルキルジスルフィド誘導体とを、脱水剤の存在下でエステル化反応させ、分子の両端にフラーレン核１９ａが結合したジアルキルジスルフィド誘導体を、導電性連結基前駆体分子１１として合成する。この際、クロロホルムなどを溶媒として用い、４８時間ほど室温程度の温度に保って反応させる。

次に、導電性連結基前駆体分子１１を適当な溶媒、例えばトルエンなどに０．１ｍＭ程度の濃度に溶解させた後、少なくとも金属性カーボンナノチューブ１６および１７の欠除部１８に面した開口部を被覆するように、この溶液を金属性カーボンナノチューブ１６および１７に被着させる。この状態で７２時間ほど室温程度の温度に保つと、導電性連結基前駆体分子１１のフラーレン核１９ａが金属性カーボンナノチューブ１６および１７に取り込まれる。この際、導電性連結基前駆体分子１１の分子骨格をなす導電性連結基前駆体基１１ｂに含まれるジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−がストッパとして働くので、導電性連結基前駆体分子１１がどこまでも金属性カーボンナノチューブ１６または１７に取り込まれていくということはない。

次に、直径２０ｎｍ程度の金などの導電性微粒子１９ｃをトルエンなどに分散させた分散液を、少なくとも金属性カーボンナノチューブ１６および１７の欠除部１８に面した開口部を被覆するように加える。これによって、フラーレン核１９ａが金属性カーボンナノチューブ１６または１７に取り込まれた導電性連結基前駆体分子１１と、前記機能性構造部をなす導電性微粒子１９ｃとを反応させ、図５（ｅ）に示すように、フラーレン核１９ａが導電性連結基１９ｂによって導電性微粒子１９ｃに連結された機能性構造体１９を形成する。

図８は、導電性連結基前駆体分子１１と導電性微粒子１９ｃとの反応によって、機能性構造体１９が形成される反応を示す説明図である。図８に示すように、導電性連結基前駆体分子１１が有するジスルフィド基−Ｓ−Ｓ−が金などの導電性微粒子１９ｃに出会うと、Ｓ−Ｓ結合が切断され、二分された導電性連結基前駆体基１１ｂのそれぞれが、導電性微粒子１９ｃと結合し、導電性連結基１９ｂを形成する。

１つの導電性連結基前駆体分子１１から生じる２つの導電性連結基１９ｂのうちの１つは、図５（ｅ）に示すように、金属性カーボンナノチューブ１６または１７に内包されたフラーレン核１９ａと結合しており、機能性構造体１９における有効な導電路を形成する。図５（ｅ）では図示省略した、他の１つの導電性連結基１９ｂは導電性微粒子１９ｃと結合しているものの、機能性構造体１９の有効な導電路としては機能しない。このような反応が金属性カーボンナノチューブ１６および１７の開口部でそれぞれ行われ、図５（ｅ）に示した機能性構造体１９が形成される。

導電性微粒子１９ｃとして金微粒子を添加し、その前後で電極１３と電極１４との間に１Ｖの電圧を印加して導電性を測定したところ、添加する前の電極間の電流値は１５ｆＡであったのに対し、添加後は１ｍＡとなることから、図５（ｅ）に示すような状態で金属性カーボンナノチューブ１６と金属性カーボンナノチューブ１７との間が機能性構造体１９によって相互接続されていることが確証された。

以上に説明したように、本実施の形態では、電極１３と電極１４との間に適切な大きさと周波数を有する交流電圧を印加することによって、これらの電極に接してこれらの電極間を架橋するように、金属性カーボンナノチューブ１５を選択的に効率よく配置することができる。さらに、これらの電極間にやや大きな電圧を印加することによって、簡易に電極間に欠徐部１８を形成することができる。機能性構造体１９は、この欠徐部１８によって金属性カーボンナノチューブ１５が区分されて生じた金属性カーボンナノチューブ１６および１７の間に保持されるので、従来の方法では困難であった、ナノメートルサイズの機能性構造体１９を所定の位置に配置する課題と、ナノメートルサイズの機能性構造体１９に電気的接続を形成する課題が、簡易に解決される。

しかも、金属性カーボンナノチューブ１６および１７は優れた導電性を有し、また、金属性カーボンナノチューブ１６および１７の内径に合わせて適切な外径を有するフラーレン核１９ａを前記被内包部として用いることにより、機能性構造体１９と金属性カーボンナノチューブ１６および１７との間の接続抵抗を小さく抑えることができる。また、フラーレン核１９ａは、いったん金属性カーボンナノチューブ１６または１７に内包されると脱離しにくくなる。これらの結果、機能性構造体１９は外部電極である電極１３および電極１４に小さな接続抵抗で安定して電気的に接続される。

さらに、フラーレン核１９ａと導電性連結基前駆体基１１ｂからなる導電性連結基前駆体分子１１を合成する反応、導電性連結基前駆体分子１１のフラーレン核１９ａを金属性カーボンナノチューブ１６または１７に内包させる工程、および導電性連結基前駆体分子１１と導電性微粒子１９ｃから機能性構造体１９を形成する反応は、いずれも複雑な化学変化などを必要としないので、金属性カーボンナノチューブ１６および１７に電気的に接続された機能性構造体１９を容易に形成することができる。また、工程の流れから、機能性構造体１９の構造設計に制約を与える可能性があるのは最後の機能性構造体１９の形成反応のみであるが、この反応は金属などの特定の物質でのみ起こる特殊な反応であるから、本実施の形態に基づく機能性デバイスの製造方法は、機能性構造体１９の構造設計に与える制約を最小限に抑えることができる製造方法である。

実施の形態２
実施の形態２では、主として請求項２、５、７、８に対応する機能性デバイス、および請求項１０〜１２に対応する機能性デバイスの製造方法の例として、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された機能性デバイスおよびその製造方法を説明する。但し、重複を避けるため、実施の形態１異なる点に重点を置いて説明する。

図９は、実施の形態２に基づく機能性デバイスの平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。なお、断面図（ｂ）は、平面図（ａ）に９ｂ−９ｂ線で示した位置における断面図であり、点線で示した領域の部分拡大図を付記している。

図９に示すように、本実施の形態に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタでは、高濃度にドープされた、例えばシリコン基板などの半導体基板２１がゲート電極を兼ねている。半導体基板２１の表面には、例えばシリコン基板の熱酸化などによって酸化シリコン層などの絶縁層がゲート絶縁層２２として形成されている。

ゲート絶縁層２２の上には、前記対向電極である電極１３と電極１４とがパターニングされて形成されているものとする。ソース電極である電極１３およびドレイン電極である電極１４は、例えば、チタン（Ｔi）層およびパラジウム（Ｐd）層がこの順に積層されたＴi／Ｐdの２層構造などからなるのがよい。このような積層構造にすることで、下地の絶縁層２に対する密着性と、金属性カーボンナノチュ−ブ１６および１７に対する良好なオーミック接触性を実現できる。電極１３と電極１４との間の間隙の長さは、例えば１〜２μｍである。

機能性デバイスは、それぞれ前記第１および前記第２のカーボンナノチューブである、単層の金属性カーボンナノチューブ１６および１７と、機能性構造体２９とで構成されている。先述したように、金属性カーボンナノチューブ１６および１７は、もとは電極１３と電極１４とに接してこれらの電極間を架橋するように配置されていた１本の金属性カーボンナノチューブ（図示省略）であったものが、欠除部（ナノギャップ）１８の形成によって２つの部分に区分されたものである。欠除部（ナノギャップ）１８の長さは、例えば約２０ｎｍである。

断面図（ｂ）の部分拡大図に示すように、機能性構造体２９は、一方の被内包部および他方の被内包部である、例えばＣ₆₀などのフラーレン核２９ａ２個、導電性連結基２９ｂ２個、例えばＣ₆₀などのフラーレン核２９ｃ２個、および機能性構造部である半導体性カーボンナノチューブ２９ｄで構成されている。このうち、２個のフラーレン核２９ａが金属性カーボンナノチューブ１６および１７にそれぞれ内包されることで、機能性構造体２９は、金属性カーボンナノチューブ１６と金属性カーボンナノチューブ１７との間に保持される。

半導体性カーボンナノチューブ２９ｄは、酸素が吸着された通常のｐ型カーボンナノチューブであっても、酸素の脱着によって得られたｎ型カーボンナノチューブであってもよい。また別のイオンや分子の内包によってｐ型化又はｎ型化されたカーボンナノチューブであってもよい。

半導体性カーボンナノチューブ２９ｄと導電性連結基２９ｂとの接続方法は、特に限定されるものではないが、本実施の形態では一例として、カーボンナノチューブにフラーレン核が安定に内包される性質をここでも利用して、導電性連結基２９ｂに結合したフラーレン核２９ｃを半導体性カーボンナノチューブ２９ｄに内包させ、半導体性カーボンナノチューブ２９ｄと導電性連結基２９ｂとを電気的に接続する方法を示す。この方法によれば容易に機能性構造体２９を形成でき、好都合である。

図９に示した機能性デバイスが絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして機能する場合には、ゲート電極を兼ねる半導体基板２１に印加されるゲート電圧によって半導体性カーボンナノチューブ２９ｄにおける導電性が制御され、その導電性に応じた電流がソース電極およびドレイン電極としての電極１３および１４から出入りする。なお、この機能性デバイスを、ゲート電圧を印加せずに固定抵抗素子として用いたり、所定の大きさのゲート電圧を印加することによって可変抵抗素子として用いたりすることもできる。

図１０および図１１は、本実施の形態に基づく機能性デバイスの作製工程のフローを示す断面図である。

まず、図１０（ａ）に示すように、例えば高濃度にドープされたシリコン基板などの半導体基板２１の表面に、熱酸化などの方法で酸化シリコンなどからなるゲート絶縁層２２を形成する。次に、全面に、例えばチタン層およびパラジウム層がこの順に積層されたＴi／Ｐdの２層構造などからなる電極材料層を形成した後、フォトリソグラフィなどによってパターニングして、互いに対向した電極１３および電極１４を形成する。電極１３と電極１４との間の間隙の長さは、例えば１〜２μｍとする。

次に、図１０（ｂ）に示すように、実施の形態１と同様にして、電極１３と電極１４の上、およびこれら電極間の絶縁層２の上に、金属性カーボンナノチューブ１５をＤＭＦに分散させた分散液を被着させ、電極１３と電極１４とに接してこれらの電極間を架橋するように金属性カーボンナノチューブ１５を配置する。この際、金属性カーボンナノチューブ１５だけを選択的に配向させるには、大きさ１Ｖ程度、周波数１ＭＨｚ程度の交流電圧を３０秒間程度電極１３と電極１４との間に印加するのがよい。

次に、図１０（ｃ）に示すように、実施の形態１と同様にして、電極１３と電極１４と間に大きさ５Ｖ程度、周波数１００Ｈｚ程度の交流電圧を印加して、金属性カーボンナノチュ−ブ１５の一部を焼き切って欠除部（ナノギャップ）１８を形成し、金属性カーボンナノチュ−ブ１５を金属性カーボンナノチュ−ブ１６と金属性カーボンナノチュ−ブ１７とに区分する。欠除部（ナノギャップ）１８の長さは、例えば約２０ｎｍ程度とする。

次に、図１１（ｄ）に示すように、機能性構造体２９を別途合成する。

具体的には、まず、Ｃ₆₀などのフラーレン核２９ａと、Ｃ₆₀などのフラーレン核２９ｃとが、ポリジアセチレン基などの導電性連結基２９ｂによって連結された導電性連結分子を合成する。この合成反応では、図７に示したのと同様に、Ｃ₆₀などのフラーレン核１９ａおよび１９ｃにメタノ基を介してカルボキシル基が直結したフラーレン誘導体と、分子の両端にヒドロキシル基（水酸基）を有する導電性連結基２９ｂとを、脱水剤の存在下でエステル化反応させ、導電性連結基２９ｂの両端にフラーレン核１９ａおよび１９ｃが結合した導電性連結分子を合成する。

次に、導電性連結分子を適当な溶媒に溶解させた後、半導体性カーボンナノチューブ２９ｄと混合し、導電性連結分子のフラーレン核１９ｃを半導体性カーボンナノチューブ２９ｄの両端部に内包させ、機能性構造体２９を形成する。

次に、図１１（ｅ）に示すように、別途合成した機能性構造体２９を適当な溶媒に分散させた後、少なくとも金属性カーボンナノチューブ１６および１７の欠除部１８に面した開口部を被覆するように、この分散液を被着させる。これによって、機能性構造体２９のフラーレン核１９ａが金属性カーボンナノチューブ１６および１７に取り込まれ、金属性カーボンナノチューブ１６および１７の間に機能性構造体２９が保持され、本実施の形態の機能性デバイスが形成される。

なお、実際に多くの場合にそうであるように、金属性カーボンナノチューブ１６および１７の内径と、半導体性カーボンナノチューブ２９ｄの内径とが大差ない場合、フラーレン核１９ａとフラーレン核１９ｃとは同じものでよく、このようにすると作製工程はよりいっそう簡易になる。

以上に説明したように、本実施の形態では、前記機能性構造部として半導体性カーボンナノチューブ２９ｄを用い、ゲート絶縁層２２を介して基板側にゲート電極を設けることによって、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして機能する機能性デバイスを容易に得ることができる。この機能性デバイスは、ゲート電極に印加する電圧によって、固定抵抗素子としても、可変抵抗素子としても機能させることができる。

その他は実施の形態１に記載したのとほぼ同様の作用効果を得ることができる。すなわち、電極１３と電極１４との間に適切な大きさと周波数を有する交流電圧を印加することによって、これらの電極に接してこれらの電極間を架橋するように、金属性カーボンナノチューブ１５を選択的に効率よく配置することができる。さらに、これらの電極間にやや大きな電圧を印加することによって、簡易に電極間に欠徐部１８を形成することができる。機能性構造体２９は、この欠徐部１８によって金属性カーボンナノチューブ１５が区分されて生じた金属性カーボンナノチューブ１６および１７の間に保持されるので、従来の方法では困難であった、ナノメートルサイズの機能性構造体２９を所定の位置に配置する課題と、ナノメートルサイズの機能性構造体２９に電気的接続を形成する課題が、簡易に解決される。

しかも、金属性カーボンナノチューブ１６および１７は優れた導電性を有し、また、金属性カーボンナノチューブ１６および１７の内径に合わせて適切な外径を有するフラーレン核２９ａを前記被内包部として用いることにより、機能性構造体２９と金属性カーボンナノチューブ１６および１７との間の接続抵抗を小さく抑えることができる。また、フラーレン核２９ａは、いったん金属性カーボンナノチューブ１６または１７に内包されると脱離しにくくなる。これらの結果、機能性構造体２９は電極１３および電極１４に小さな接続抵抗で安定して電気的に接続される。

さらに、フラーレン核２９ａ、フラーレン核２９ｃおよび導電性連結基２９ｂからなる導電性連結分子を合成する反応、導電性連結分子のフラーレン核２９ｃを半導体性カーボンナノチューブ２９ｄに内包させ機能性構造体２９を形成する工程、および機能性構造体２９のフラーレン核２９ａを金属性カーボンナノチューブ１６および１７に内包させる工程は、いずれも複雑な化学変化などを必要としないので、金属性カーボンナノチューブ１６および１７に電気的に接続された機能性構造体２９を容易に形成することができる。また、工程の流れから、機能性構造体１９の構造設計に制約を与える可能性があるのは最後の２つの工程であるが、これらはいずれもカーボンナノチューブにフラーレン核を内包させる工程にすぎず、化学反応をともなわないので、本実施の形態に基づく機能性デバイスの製造方法は、機能性構造体２９の構造設計に与える制約を最小限に抑えることができる製造方法である。

図１２は、本発明に基づく機能性デバイスの別の例を示す説明図である。図１２に示すように、この機能性デバイスは、ソース電極３３およびドレイン電極３４を有するとともに、これらと同一平面内にカーボンナノチューブによって形成されたゲート電極３１を有し、実施の形態２で示した機能性デバイスと同様、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成されている。

図１３（ａ）は、本発明に基づく機能性デバイスのさらに別の例として、請求項５に対応する機能性デバイスの例を示す断面図であり、請求項４に対応する機能性デバイスを示す図１（ｂ）の部分拡大断面図に対応するものである。図１（ｂ）に示した請求項４に対応する機能性デバイスでは、機能性構造体９において、機能性構造部９ｃと被内包部９ａおよび９ｅとは各々導電性連結基９ｂおよび９ｄによって連結されている。連結基が導電性であることは、機能性構造部９ｃと被内包部９ａおよび９ｅ、ひいては機能性構造部９ｃとカーボンナノチューブ６および７との良好な電気的接続を実現する上で好ましい。

しかしながら、連結基が導電性を有することが、機能性デバイスの機能が発現するための絶対的に必要な条件ということではない。例えば、フラーレンなどがそうであるように、被内包部９ａおよび９ｅがカーボンナノチューブ６および７の奥へ奥へと取り込まれていくと、機能性構造部９ｃとカーボンナノチューブ６および７の開口部との距離が次第に小さくなる。そしてこの距離が１ｎｍ以下になると、機能性構造部９ｃとカーボンナノチューブ６および７との間にはトンネル電流が流れはじめる。図１３（ａ）に示した機能性デバイスはこのトンネル電流によって機能が発現するデバイスである。この場合、その特性が連結基９ｇおよび９ｈの導電性の大きさに依存しないため、連結基に導電性が求められる場合に比べ、はるかに多くの選択肢の中から連結基９ｇおよび９ｈを選択できる利点がある。

図１３（ｂ）は、図２に対応するものであり、機能性構造部とカーボンナノチューブ６および７との間をトンネル電流で接続する上記の方法を、機能性構造部が分子スイッチ９ｆなどの能動素子である場合に適用した例であり、図１３（ａ）に示した機能性デバイスと同様、多くの選択肢の中から連結基９ｇおよび９ｈを選択できる利点がある。

図１３（ｃ）は、本発明に基づく機能性デバイスのさらに別の例として、請求項６に対応する機能性デバイスの例を示す断面図であり、図１３（ａ）と同様、図１（ｂ）の部分拡大断面図に対応するものである。図１３（ｃ）に示した機能性デバイスでは、機能性構造体９において、機能性構造部９ｃと被内包部９ａおよび９ｅとが、連結基を介さず直結されており、その特性が連結基に依存しないという特徴がある。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

本発明の、カーボンナノチューブを配線材料として用いた機能性デバイス及びその製造方法は、従来困難であったナノメートルサイズの機能性構造体を所定の位置に配置し、これに配線を形成する困難な課題を解決し、抵抗、スイッチ、トランジスタなど、ナノメートルサイズの次世代機能性デバイスの実現に寄与できる。

本発明に基づく機能性デバイスの一例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 本発明に基づく、スイッチとして構成された機能性デバイスの一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に基づく機能性デバイスの平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 同、機能性デバイスの作製工程のフローを示す断面図である。 同、機能性デバイスの作製工程のフローを示す断面図である。 同、対向電極上に配向したカーボンナノチュ−ブの走査電子顕微鏡写真である。 同、導電性連結基前駆体分子の合成反応を示す説明図である。 同、機能性構造体の形成反応を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に基づく機能性デバイスの平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 同、機能性デバイスの作製工程のフローを示す断面図である。 同、機能性デバイスの作製工程のフローを示す断面図である。 本発明に基づく機能性デバイスの別の例を示す説明図である。 本発明に基づく機能性デバイスのさらに別の例を示す説明図である。

符号の説明

１…基板、２…絶縁層、３、４…電極、６、７…カーボンナノチュ−ブ（ＣＮＴ）、
８…欠除部、９…機能性構造体、９ａ…一方の被内包部、９ｂ…導電性連結基、
９ｃ…機能性構造部、９ｄ…導電性連結基、９ｅ…他方の被内包部、
９ｆ…分子スイッチ、９ｇ、９ｈ…連結基、１３、１４…電極、
１５〜１７…金属性カーボンナノチュ−ブ（金属性ＣＮＴ）、
１８…欠除部（ナノギャップ）、１９…機能性構造体、
１９ａ…フラーレン核（Ｃ₆₀など）、１９ｂ…導電性連結基、
１９ｃ…導電性微粒子（Ａuなど）、
２１…高濃度にドープされたシリコン基板などの半導体基板（ゲート電極を兼ねる。）、
２２…ゲート絶縁層（酸化シリコン層など）、
２９…機能性構造体、２９ａ…フラーレン核（Ｃ₆₀など）、２９ｂ…導電性連結基、
２９ｃ…フラーレン核（Ｃ₆₀など）、
２９ｄ…半導体性カーボンナノチュ−ブ（半導体ＣＮＴ）、３１…ゲート電極、
３３…ソース電極、３４…ドレイン電極

Claims (16)

1. 互いに離間した位置に被内包部を有する機能性構造体が、カーボンナノチューブに保持された機能性デバイスであって、
   前記カーボンナノチューブに欠除部が形成され、この欠除部によって前記カーボンナ ノチューブが第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノチューブに区分され、
   前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、一方の前記 被内包部が前記第１のカーボンナノチューブに内包され、かつ、前記欠除部に面した前 記第２のカーボンナノチューブの開口部において、他方の前記被内包部が前記第２のカ ーボンナノチューブに内包されている、
   機能性デバイス。
2. 前記被内包部としてフラーレン核を両端部に有する機能性構造体が、金属性カーボンナノチューブに保持された機能性デバイスであって、
   対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するように前記金属性カーボンナ ノチューブが配置され、
   前記対向電極間において前記金属性カーボンナノチューブに前記欠除部が形成され、
   前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、一方の前記 フラーレン核が前記第１のカーボンナノチューブに内包され、かつ、前記欠除部に面し た前記第２のカーボンナノチューブの開口部において、他方の前記フラーレン核が前記 第２のカーボンナノチューブに内包されている、
   請求項１に記載した機能性デバイス。
3. 抵抗素子として構成されている、請求項２に記載した機能性デバイス。
4. 前記機能性構造体が、金属又は半導体の微粒子、前記フラーレン核、及び前記微粒子と前記フラーレン核とを連結する導電性連結基からなる、請求項３に記載した機能性デバイス。
5. 前記機能性構造体が、金属又は半導体の微粒子、前記フラーレン核、及び前記微粒子と前記フラーレン核とを連結する連結基からなる、請求項３に記載した機能性デバイス。
6. 前記機能性構造体が、金属又は半導体の微粒子、及びそれに直結した前記フラーレン核からなる、請求項３に記載した機能性デバイス。
7. 導電性を制御できる能動素子として構成されている、請求項２に記載した機能性デバイス。
8. スイッチとして構成された、請求項７に記載した機能性デバイス。
9. 前記対向電極間の領域にゲート電極が設けられ、前記機能性構造体の導電性が前記ゲート電極の電位によって制御される、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された、請求項７に記載した機能性デバイス。
10. 前記機能性構造体が、半導体性カーボンナノチューブ、前記フラーレン核、及び前記半導体性カーボンナノチューブと前記フラーレン核とを連結する導電性連結基からなる、請求項３又は９に記載した機能性デバイス。
11. 請求項１に記載した機能性デバイスの製造方法であって、
    対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するようにカーボンナノチューブ を配置する工程と、
    前記対向電極間において前記カーボンナノチューブに欠除部を形成し、この欠除部に よって前記カーボンナノチューブを第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノ チューブに区分する工程と、
    前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、第１の導電 性連結基前駆体が有する一方の被内包部を前記第１のカーボンナノチューブに内包させ 、かつ、前記欠除部に面した前記第２のカーボンナノチューブの開口部において、第２ の導電性連結基前駆体が有する他方の被内包部を前記第２のカーボンナノチューブに内 包させる工程と、
    前記第１の導電性連結基前駆体及び前記第２の導電性連結基前駆体と機能性構造部と を反応させ、前記一方の被内包部及び前記他方の被内包部が、それぞれ、第１の導電性 連結基及び第２の導電性連結基によって前記機能性構造部に連結された前記機能性構造 体を形成する工程と
    を有する、機能性デバイスの製造方法。
12. 請求項１に記載した機能性デバイスの製造方法であって、
    対向電極に接して少なくともこれらの電極間を架橋するようにカーボンナノチューブ を配置する工程と、
    前記対向電極間において前記カーボンナノチューブに欠除部を形成し、この欠除部に よって前記カーボンナノチューブを第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノ チューブに区分する工程と、
    一方の被内包部及び他方の被内包部が、それぞれ、導電性連結基によって機能性構造 部に連結された機能性構造体を形成する工程と、
    前記欠除部に面した前記第１のカーボンナノチューブの開口部において、前記一方の 被内包部を前記第１のカーボンナノチューブに内包させ、かつ、前記欠除部に面した前 記第２のカーボンナノチューブの開口部において、前記他方の被内包部を前記第２のカ ーボンナノチューブに内包させる工程と
    を有する、機能性デバイスの製造方法。
13. 前記対向電極間に交流電圧を印加することによって、これらの電極間を架橋するように前記カーボンナノチューブを配向させて配置する、請求項１１又は１２に記載した機能性デバイスの製造方法。
14. 前記対向電極間に電圧を印加することによって、前記対向電極間において前記カーボンナノチューブに前記欠除部を形成する、請求項１１又は１２に記載した機能性デバイスの製造方法。
15. 請求項２〜１０に記載した機能性デバイスを製造する、請求項１１に記載した機能性デバイスの製造方法。
16. 請求項２〜１０に記載した機能性デバイスを製造する、請求項１２に記載した機能性デバイスの製造方法。