JP2007242253A - Sharpened carbon nanotube and electron source using it - Google Patents

Sharpened carbon nanotube and electron source using it Download PDF

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JP2007242253A JP2006058828A JP2006058828A JP2007242253A JP 2007242253 A JP2007242253 A JP 2007242253A JP 2006058828 A JP2006058828 A JP 2006058828A JP 2006058828 A JP2006058828 A JP 2006058828A JP 2007242253 A JP2007242253 A JP 2007242253A
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貴志夫 日▲高▼
Tadashi Fujieda
正 藤枝
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire a distinct observation image by enhancing the field intensity of the electron source of an electron microscope. <P>SOLUTION: This electron microscope has an electron emitting negative electrode having a carbon nanotube, and an extraction device to cause field emission of an electron, and uses the carbon nanotube having an acute angle portion in an almost conic form at its tip part. A manufacturing method having a process to heat-treat the carbon nanotube having the acute angle portion by leaving it so as to stand still on the temperature side lower and higher than a phase transition temperature is used. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、先端形状が先鋭化したカーボンナノチューブに関する。また、そのカーボンナノチューブの電子源への応用に関する。   The present invention relates to a carbon nanotube with a sharpened tip shape. The present invention also relates to the application of the carbon nanotube to an electron source.

特開2004−079223号公報(特許文献1)にはカーボンナノチューブを用いた電子源が開示されており、高輝度かつ狭エネルギー幅の電子ビームが得られることが記載されている。電子源については現在多くの検討がされているが、ビームパターンとカーボンナノチューブの電子放出サイトの相関性はいまだ不明である。特に、カーボンナノチューブの寸法は径方向に量子化するとも言われており、不確定性原理の観点からも前記電子放出サイトの大きさについては学会でも大いに議論されている。これは、電子ビームの特性を電子顕微鏡の電子源として用いる場合に、電子光学上の電子銃設計を困難にしている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-079223 (Patent Document 1) discloses an electron source using carbon nanotubes, and describes that an electron beam with high luminance and a narrow energy width can be obtained. Although many studies are currently being conducted on electron sources, the correlation between the beam pattern and the electron emission site of the carbon nanotube is still unclear. In particular, it is said that the dimensions of the carbon nanotubes are quantized in the radial direction, and the size of the electron emission site is also greatly discussed in academic societies from the viewpoint of the uncertainty principle. This makes it difficult to design an electron gun on electron optics when the characteristics of an electron beam are used as an electron source of an electron microscope.

特開2004−079223号公報JP 2004-079223 A

電子顕微鏡では、観察画像を鮮明とするために電子源の電界強度を向上させる必要があるものの、電圧を上昇させることには限界がある。そこで本発明の目的は、電圧上昇を抑えて電界強度を向上させた電子源を提供することにある。   In the electron microscope, it is necessary to improve the electric field strength of the electron source in order to make the observation image clear, but there is a limit to increasing the voltage. Accordingly, an object of the present invention is to provide an electron source that suppresses a voltage increase and improves the electric field strength.

上記目的を解決する本発明は、カーボンナノチューブを有する電子放出陰極と、電子を電界放出させる引出装置とを有する電子顕微鏡であって、先端部に略円錐形状の鋭角部を有するカーボンナノチューブを用いる点にある。また、鋭角部を有するカーボンナノチューブを、相転移温度より低温側及び高温側で静置して熱処理する工程を有する製造方法を用いる点にある。   The present invention for solving the above-mentioned object is an electron microscope having an electron emission cathode having carbon nanotubes and an extraction device for field emission of electrons, and using carbon nanotubes having a substantially conical acute angle at the tip. It is in. In addition, a manufacturing method including a step of heat-treating the carbon nanotube having an acute angle portion by standing at a lower temperature side and a higher temperature side than the phase transition temperature is used.

上記課題を解決するための本発明の特徴はカーボンナノチューブの先端部に、鋭角部を設けたカーボンナノチューブ電子源にある。鋭角部は例えば鉛筆形状のような略円錐形状である。上記のような構成とすることにより、印荷電圧を一定にした場合であっても電子銃の電界強度を向上させることが可能である。   A feature of the present invention for solving the above-described problems resides in a carbon nanotube electron source in which an acute angle portion is provided at the tip of the carbon nanotube. The acute angle portion has a substantially conical shape such as a pencil shape. By adopting the above-described configuration, it is possible to improve the electric field strength of the electron gun even when the applied voltage is constant.

上記鉛筆形状の先端部の開き角は120度以下が好ましい。電子源の電界強度は、
E(電界強度)=V(印加電圧)/R(電子源先端部の曲率半径)となる。従って、120°程度の開き角とすることで、先端部の曲率半径は約1/2であり、2倍の電界強度が得られる。
The opening angle of the pencil-shaped tip is preferably 120 degrees or less. The electric field strength of the electron source is
E (electric field intensity) = V (applied voltage) / R (radius of curvature of the electron source tip). Therefore, by setting the opening angle to about 120 °, the radius of curvature of the tip is about ½, and a double electric field strength can be obtained.

なお、開き角とは先鋭化したカーボンナノチューブの先端部の立体角を、平面に投射したときに形成される角度とする。   The opening angle is the angle formed when the solid angle at the tip of the sharpened carbon nanotube is projected onto a plane.

上記課題を解決するためのほかの本発明の特徴は、カーボンナノチューブの製造方法であって、相転移温度(カーボンナノチューブがアモルファス化する温度;660℃)より低温の550℃〜620℃、高温の700℃〜1200℃の熱処理を、カーボンナノチューブを静置して少なくとも1回行うことを特徴とする。   Another feature of the present invention for solving the above-described problem is a method for producing carbon nanotubes, which is a temperature lower than 550 ° C. to 620 ° C. and higher than the phase transition temperature (temperature at which the carbon nanotubes become amorphous; 660 ° C.). The heat treatment at 700 ° C. to 1200 ° C. is performed at least once with the carbon nanotubes standing still.

上記熱処理工程を行う時間は低温で0.8〜4時間、高温で0.8〜2時間が好ましい。   The time for performing the heat treatment step is preferably 0.8 to 4 hours at a low temperature and 0.8 to 2 hours at a high temperature.

上記の構成の電子源によれば、電子顕微鏡の画像を鮮明化することが可能である。また、同程度の画像を取得する場合の印加電圧を下げ、電子顕微鏡の耐久性を向上させることが可能である。   According to the electron source having the above configuration, it is possible to sharpen an image of an electron microscope. In addition, it is possible to reduce the applied voltage when acquiring images of the same degree and improve the durability of the electron microscope.

以下、上記の本発明について詳細を記載する。   Hereinafter, details of the present invention will be described.

(カーボンナノチューブの製法)
カーボンナノチューブの製造法にはアーク放電法,レーザーアブレーション法、および気相(CVD)法などが代表的である。
(Production method of carbon nanotube)
Typical methods for producing carbon nanotubes include an arc discharge method, a laser ablation method, and a vapor phase (CVD) method.

アーク放電法は直径10mm,長さ100mmの黒鉛棒を二本用意し、お互いの端面を付き合わせた。前記の二本の黒鉛棒がお互いの中心軸が合うように設置し、接触させた後に1−2mm程度のギャップをあけた。この状態で直流電圧を印加してアーク放電させてもかまわないが、大気中のガス成分が混入してカーボンナノチューブを汚染する可能性がある。そこで前記黒鉛棒を設置した試料室内部を、ロータリーポンプを用いて真空引きして、前記ガス成分を除去した。その後、HeもしくはArのような不活性ガスを導入し、ほぼ大気圧に調節した。アーク放電は電流を150乃至200アンペアの範囲、電圧を10乃至20ボルトの範囲で直流アーク放電で行った。陰極側黒鉛棒から陽極側黒鉛棒に向かってアークが飛ぶことにより、陽極側の黒鉛棒の端面から黒鉛を揮発させて、陰極側の黒鉛棒の端面に堆積させた。   In the arc discharge method, two graphite rods having a diameter of 10 mm and a length of 100 mm were prepared, and the end faces of each other were attached. The two graphite rods were placed so that their central axes were aligned with each other, and a gap of about 1-2 mm was formed after contact. In this state, a DC voltage may be applied to cause arc discharge, but there is a possibility that gas components in the atmosphere are mixed to contaminate the carbon nanotube. Therefore, the inside of the sample chamber in which the graphite rod was installed was evacuated using a rotary pump to remove the gas component. Thereafter, an inert gas such as He or Ar was introduced to adjust the pressure to almost atmospheric pressure. The arc discharge was performed by DC arc discharge with a current in the range of 150 to 200 amperes and a voltage in the range of 10 to 20 volts. When the arc flew from the cathode side graphite rod to the anode side graphite rod, the graphite was volatilized from the end surface of the anode side graphite rod and deposited on the end surface of the cathode side graphite rod.

カーボンナノチューブを連続的に陰極側の黒鉛棒端面に堆積させるため、前記ギャップを変化させないように、黒鉛棒を送りながらギャップ調整した。   In order to continuously deposit the carbon nanotubes on the end face of the graphite rod on the cathode side, the gap was adjusted while feeding the graphite rod so as not to change the gap.

また、上記電流および電圧の範囲内で運転しながら常時ギャップ調節した。   Further, the gap was constantly adjusted while operating within the range of the current and voltage.

アーク放電が一箇所に集中すると端面からツノが生えたようにカーボンナノチューブが堆積する場合がある。ツノ形成は陽極棒と陰極棒が接触して漏電する原因になりやすいからである。   When arc discharge concentrates in one place, carbon nanotubes may be deposited as if horns grew from the end face. This is because horn formation is likely to cause electrical leakage due to contact between the anode rod and the cathode rod.

また、前記黒鉛棒の中心に孔を空けて金属ボロンまたは硼化炭素を充填させたものを使用し、同様の製造条件でカーボンナノチューブを作成すると、ボロンドープしたカーボンナノチューブを製造することもできる。そのときの製造条件は変わらない。ホウ素の含有量は充填の量により調節することができ、カーボンナノチューブの硬度、電子顕微鏡に使用した場合の電子放出特性より、0.5〜5mol% が望ましい。   Further, when a carbon nanotube is produced under the same production conditions using a graphite rod with a hole formed in the center of the graphite rod and filled with boron or carbon boride, a boron-doped carbon nanotube can be produced. The manufacturing conditions at that time do not change. The boron content can be adjusted by the amount of filling, and is preferably 0.5 to 5 mol% from the hardness of the carbon nanotube and the electron emission characteristics when used in an electron microscope.

次に、CVD法によるカーボンナノチューブの製造方法について述べる。我々は熱CVD法を用いて製造を行った。熱CVD法を行う装置構成を図1に示す。カーボンナノチューブの原料はトルエンもしくはメタノールなど、液状の有機溶媒である。まず、これらの有機溶媒を気化する。気化の方法は、有機溶媒をシリンジによって炉心管に送り出し、前記炉心管内で揮発させる方法、または、溶媒を予め気化させて流量計およびバルブにて流量調節して送り出す方法がある。気化した溶媒を希釈するキャリアガスとしてArを用いた。気化した溶媒を基板上で、または真空の反応管内で、触媒を用いてカーボンナノチューブに成長させる。触媒は、酢酸鉄,フェロセン,酢酸ニッケル,ニッケロセン,酢酸コバルト等を用いることができる。基板上で成長させる場合、触媒をいずれか単独でまたは複数混合して、溶液をシリコン基板に塗布して用いる。また、炉心管内部で気相成長させる場合には、原料の有機溶媒に溶かし、溶媒と同時に気化して用いた。   Next, a method for producing carbon nanotubes by CVD will be described. We manufactured using the thermal CVD method. An apparatus configuration for performing the thermal CVD method is shown in FIG. The raw material of the carbon nanotube is a liquid organic solvent such as toluene or methanol. First, these organic solvents are vaporized. As a vaporization method, there are a method in which an organic solvent is sent to a reactor core tube by a syringe and volatilized in the reactor core tube, or a method in which the solvent is previously vaporized and the flow rate is adjusted with a flow meter and a valve. Ar was used as a carrier gas for diluting the evaporated solvent. The vaporized solvent is grown on carbon nanotubes using a catalyst on a substrate or in a vacuum reaction tube. As the catalyst, iron acetate, ferrocene, nickel acetate, nickelocene, cobalt acetate and the like can be used. When growing on a substrate, the catalyst is used alone or in combination, and the solution is applied to a silicon substrate. In the case of vapor phase growth inside the furnace core tube, it was dissolved in a raw material organic solvent and vaporized at the same time as the solvent.

炉の温度設定は600乃至1200℃の範囲とし、カーボンナノチューブを製造した。基板上で成長させた場合は基板上にカーボンナノチューブが生成し、気相成長させた場合には真空管の炉壁に沿って生成していた。また、気相で成長してガスと一緒に排出されたため、後段でトラップして取り出した。   The temperature of the furnace was set in the range of 600 to 1200 ° C., and carbon nanotubes were produced. When grown on the substrate, carbon nanotubes were formed on the substrate, and when vapor grown, they were formed along the furnace wall of the vacuum tube. Further, since it was grown in the vapor phase and discharged together with the gas, it was trapped and taken out later.

なお、前記液状有機溶媒にメラミン,ピラジンなどの窒素を含有した炭素化合物を溶解させて用いると、窒素ドープしたカーボンナノチューブが生成した。その場合、キャリアガスとしてArおよびアンモニアを混合して用いた。Arとアンモニアの混合比は1:1乃至20:1までの範囲とすることで、カーボンナノチューブ中の窒素量を1乃至5原子%に制御できた。窒素量を2乃至4原子%に制御する場合はArとアンモニアガス比を
10:1程度とした。カーボンナノチューブ中の窒素含有量はアンモニアガス配合比が大きいほど多くなった。また、炉内温度は800乃至1000℃が望ましい。温度を低くするほど窒素含有量が多くなった。
When a carbon compound containing nitrogen such as melamine or pyrazine was dissolved in the liquid organic solvent and used, nitrogen-doped carbon nanotubes were generated. In that case, Ar and ammonia were mixed and used as the carrier gas. By setting the mixing ratio of Ar and ammonia in the range of 1: 1 to 20: 1, the amount of nitrogen in the carbon nanotube could be controlled to 1 to 5 atomic%. When controlling the nitrogen amount to 2 to 4 atomic%, the ratio of Ar to ammonia gas was set to about 10: 1. The nitrogen content in the carbon nanotubes increased as the ammonia gas blending ratio increased. The furnace temperature is desirably 800 to 1000 ° C. The nitrogen content increased as the temperature was lowered.

ガス流量は反応管の径によって変えなければならないが、単位面積あたりの全ガス流量は1.0乃至100ml/cm2/min の範囲が良い。本実施例では内径60mmの石英管を用いて20ml/分のガス流量で実施した。 Although the gas flow rate must be changed depending on the diameter of the reaction tube, the total gas flow rate per unit area is preferably in the range of 1.0 to 100 ml / cm 2 / min. In the present embodiment, a quartz tube having an inner diameter of 60 mm was used and the gas flow rate was 20 ml / min.

(鋭角部を有するカーボンナノチューブの製法)
以下、本発明の先端に鋭角部を有するカーボンナノチューブの製法について説明する。
(Manufacturing method of carbon nanotube with sharp corner)
Hereinafter, the manufacturing method of the carbon nanotube which has an acute angle part at the front-end | tip of this invention is demonstrated.

まず、本発明の熱処理用のカーボンナノチューブを上記製造方法に従って作成した。カーボンナノチューブは炭素のみからなるカーボンナノチューブ(A)、炭素中にホウ素が含有されたカーボンナノチューブ(B)、炭素中に窒素が含有されたカーボンナノチューブ(C)を用意した。カーボンナノチューブ(A)及び(B)はアーク放電により作成した。また、カーボンナノチューブ(C)はCVD法により作成した。なお、これらのカーボンナノチューブの先端形状は略半球状を有していた。   First, the carbon nanotube for heat treatment of the present invention was prepared according to the above production method. As the carbon nanotube, a carbon nanotube (A) made of only carbon, a carbon nanotube (B) containing boron in carbon, and a carbon nanotube (C) containing nitrogen in carbon were prepared. Carbon nanotubes (A) and (B) were prepared by arc discharge. Moreover, the carbon nanotube (C) was created by the CVD method. These carbon nanotubes had a substantially hemispherical tip shape.

次に、上記のカーボンナノチューブを真空熱処理装置中、気圧1×10-3Pa以下の、真空雰囲気中で静置し、熱処理を行った。 Next, the above-mentioned carbon nanotubes were left in a vacuum atmosphere at a pressure of 1 × 10 −3 Pa or less in a vacuum heat treatment apparatus to perform heat treatment.

低温側の熱処理を600℃で一時間行い、その後装置温度を10℃/分かけて上昇させて、高温側の1050℃で一時間保持し、その後放冷した。上記の熱処理の結果、太さ約25nm、先端の開き角が約130℃のカーボンナノチューブは、ほぼ太さが変化しないままに先端開き角が約10度になった。図2に熱処理前後のカーボンナノチューブを示す。   The heat treatment on the low temperature side was performed at 600 ° C. for 1 hour, and then the apparatus temperature was increased over 10 ° C./minute, held at 1050 ° C. on the high temperature side for 1 hour, and then allowed to cool. As a result of the heat treatment, the carbon nanotube having a thickness of about 25 nm and a tip opening angle of about 130 ° C. has a tip opening angle of about 10 degrees with almost no change in thickness. FIG. 2 shows the carbon nanotubes before and after the heat treatment.

カーボンナノチューブは、1×10-3Paより高い真空雰囲気下で温度を上げると、約660℃(相転移温度)以下でカーボンナノチューブがアモルファス化し、相転移温度以上では、半アモルファス化した炭素質がグラファイト化した。その熱処理の間、カーボンナノチューブを静置することにより、熱処理前と先端形状の異なるカーボンナノチューブを得られた。 When the temperature of the carbon nanotube is increased in a vacuum atmosphere higher than 1 × 10 −3 Pa, the carbon nanotube becomes amorphous at about 660 ° C. (phase transition temperature) or lower, and the semi-amorphous carbonaceous material becomes higher than the phase transition temperature. Graphitized. By leaving the carbon nanotubes during the heat treatment, carbon nanotubes having different tip shapes from those before the heat treatment were obtained.

上記の熱処理は低温側を550〜620℃の範囲とすることが良い。550℃以上でないとアモルファス化がすばやく進行しないからである。また、620℃以上になると相転移温度に近づきすぎ、アモルファス化・グラファイト化が同時に進行してしまうためである。   In the heat treatment, the low temperature side is preferably set in the range of 550 to 620 ° C. This is because amorphization does not proceed quickly unless the temperature is 550 ° C. or higher. Moreover, when it becomes 620 degreeC or more, it will become too close to a phase transition temperature and amorphous-ized and graphitization will advance simultaneously.

また高温側を700℃〜1200℃の範囲とするとよい。700℃以下であると、カーボンナノチューブ化が進行しないためである。また、1200℃以上であると、カーボンナノチューブからグラファイトに相転移する可能性がある。特に、2000℃以上の高温にするとグラファイト化温度に到達し、カーボンナノチューブの円筒構造が破壊されて一枚ずつの平面グラファイトシートに分裂破壊するおそれがある。   Moreover, it is good to make a high temperature side into the range of 700 to 1200 degreeC. This is because carbon nanotube formation does not proceed when the temperature is 700 ° C. or lower. Further, when the temperature is 1200 ° C. or higher, there is a possibility of phase transition from carbon nanotubes to graphite. In particular, when the temperature is higher than 2000 ° C., the graphitization temperature is reached, and the cylindrical structure of the carbon nanotubes is destroyed, and there is a risk that the flat graphite sheets are split and broken one by one.

熱処理の保持時間は、低温側を0.1〜8時間、高温側を0.1〜2時間とするとよい。低温側を0.1 時間以下では充分にアモルファス化せず、4時間以上ではアモルファス化が進行しすぎてカーボンナノチューブの形状が消滅する可能性があるからである。高温側を0.1 時間以下では充分にグラファイト化せず、2時間以上加熱しても変化しない。   The holding time of the heat treatment is preferably 0.1 to 8 hours on the low temperature side and 0.1 to 2 hours on the high temperature side. This is because the low temperature side is not sufficiently amorphized at 0.1 hours or less, and amorphization proceeds too much at 4 hours or more, and the shape of the carbon nanotubes may disappear. When the high temperature side is 0.1 hours or less, it is not sufficiently graphitized and does not change even when heated for 2 hours or more.

なお、上記熱処理を攪拌しながら行うと、カーボンナノチューブの切断が起こったが先端部は先鋭化されなかった。   When the heat treatment was performed with stirring, the carbon nanotubes were cut but the tip was not sharpened.

なお、相転移温度は一次転移であり、相変態である。相転移は熱活性化過程であるため、十分な入熱がなければ早く反応が進行しない。磁気変態温度のような二次転移では転移温度に到達すると一気に反応が進行することと対象的である。活性化エネルギーが指数関数的に大きくなるアレニウスの法則に従うことが一般的に知られている。なお、空孔のような原子的欠損や、前記欠損の集合、炭素が五員環を形成するひずみ部分では、比較的低い温度で変態を開始できると思われる。   The phase transition temperature is a first order transition and a phase transformation. Since the phase transition is a thermal activation process, the reaction does not proceed quickly without sufficient heat input. The second order transition such as the magnetic transformation temperature is aimed at the fact that the reaction proceeds at once when the transition temperature is reached. It is generally known to follow Arrhenius' law where the activation energy increases exponentially. In addition, it is considered that transformation can be started at a relatively low temperature in atomic defects such as vacancies, a collection of the defects, and a strained portion where carbon forms a five-membered ring.

変態では幾何学的な原子の再配列をするために、エネルギーを必要とする。欠陥部があると再配列に必要なエネルギーが小さくてすむが、欠陥がない場合には再配列のエネルギーが大きい。したがって、カーボンナノチューブの相転移温度は660℃±40℃と幅がある。この範囲に熱処理温度を設定すると、カーボンナノチューブの各部分で異なる反応が進行する可能性があるため避けるべきである。   Transformation requires energy to rearrange geometric atoms. If there is a defect, less energy is required for rearrangement, but if there is no defect, the rearrangement energy is higher. Therefore, the phase transition temperature of the carbon nanotube has a range of 660 ° C. ± 40 ° C. Setting the heat treatment temperature within this range should be avoided because different reactions may occur in each part of the carbon nanotube.

次に図3のように、上記工程を二回くりかえして熱処理を行った。熱処理温度・時間は上記実施例1と同様である。その結果、先端形状はさらに鋭角となった。一方、複数回の熱処理により、一部のカーボンナノチューブが切断され、全体として短いカーボンナノチューブが得られた。   Next, as shown in FIG. 3, heat treatment was performed by repeating the above steps twice. The heat treatment temperature and time are the same as in Example 1. As a result, the tip shape became an acute angle. On the other hand, some carbon nanotubes were cut by multiple heat treatments, and short carbon nanotubes were obtained as a whole.

カーボンナノチューブのアモルファス化は前記欠損部分を中心に開始する。カーボンナノチューブに欠損部分が存在すると、その部分より断裂等が発生する場合がある。二回繰り返す熱処理により、10μm以上の長かったカーボンナノチューブも2−3箇所がアモルファス化し、半分以下の長さになってしまうことがある。   Amorphization of the carbon nanotube starts centering on the defect portion. If a defect portion exists in the carbon nanotube, tearing or the like may occur from the portion. By repeating the heat treatment twice, carbon nanotubes having a length of 10 μm or more may become amorphous at 2-3 locations, and may be half or less in length.

次に、熱処理によるカーボンナノチューブの長さへの影響について検討した。実施例2の工程の低温側の熱処理温度に保持する時間を変更して、二回くりかえして熱処理を行い、熱処理後のカーボンナノチューブの長さの変化を計測した。手作業で各試料ごと約500本を確認し、小数点以下を四捨五入して1μm,2μm,3μm,4μm,5μm,6
μm,7μm,8μm,9μm,10μm以上に分類して数えた。
Next, the influence of the heat treatment on the length of the carbon nanotube was examined. The time for maintaining the heat treatment temperature on the low temperature side in the process of Example 2 was changed, and the heat treatment was repeated twice, and the change in the length of the carbon nanotube after the heat treatment was measured. Check about 500 pieces for each sample by hand and round off the decimal point to 1μm, 2μm, 3μm, 4μm, 5μm, 6
The numbers were classified into μm, 7 μm, 8 μm, 9 μm, 10 μm or more.

その結果を図4に示す。熱処理前には10μm以上のものが多かったが、熱処理により10μm未満のものが増えた。600℃で3時間保持した場合、1時間の場合に比して長さ2μmのものが多く得られた。また、600℃で6時間保持した結果、1〜4μmのカーボンナノチューブがほぼ同数得られた。   The result is shown in FIG. Before the heat treatment, many were 10 μm or more, but the heat treatment increased those less than 10 μm. When held at 600 ° C. for 3 hours, a larger number of 2 μm length was obtained compared to 1 hour. Further, as a result of holding at 600 ° C. for 6 hours, substantially the same number of carbon nanotubes of 1 to 4 μm were obtained.

従って、長いカーボンナノチューブが必要な場合にはアモルファス化時間を短時間とすることが好ましい。具体的には、0.5 時間以下とすることが好ましい。また、異なる長さのカーボンナノチューブが必要な場合には、5時間以上とすることが好ましい。   Therefore, when a long carbon nanotube is required, it is preferable to make the amorphization time short. Specifically, it is preferably 0.5 hours or less. In addition, when carbon nanotubes having different lengths are required, it is preferable that the length is 5 hours or longer.

(先鋭化カーボンナノチューブを用いた電子源)
上記実施例1で作成したカーボンナノチューブを用いて、電子源を作成した。使用したカーボンナノチューブは炭素からなり、直径は約25nm、長さは約5μm、先端の鋭角部の開き角は約10°である。
(Electron source using sharpened carbon nanotubes)
An electron source was prepared using the carbon nanotubes prepared in Example 1 above. The carbon nanotube used was made of carbon, had a diameter of about 25 nm, a length of about 5 μm, and an opening angle of an acute angle portion at the tip of about 10 °.

図5に本発明の電子顕微鏡用カーボンナノチューブ電子源の概略構成図を示す。図1の電子源は、先端に鋭角部を有する一本のカーボンナノチューブと、それを支持する導電性基材から構成される陰極と、電子を電界放出させる引出装置と、電子を加速させる加速装置から構成されている例である。   FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of a carbon nanotube electron source for an electron microscope of the present invention. The electron source shown in FIG. 1 includes a single carbon nanotube having an acute angle portion at the tip, a cathode composed of a conductive base material supporting the carbon nanotube, an extraction device that emits electrons in an electric field, and an acceleration device that accelerates electrons. It is an example comprised from.

先端部に鋭角部を有する電子源を用いて電子源の動作実験を行った。一方、比較例として先端が円弧形状を有する通常のカーボンナノチューブを用いた以外は上記と同様の電子源を作成し、同様にその動作実験を行った。   An electron source operation experiment was conducted using an electron source having an acute angle at the tip. On the other hand, as a comparative example, an electron source similar to the above was prepared except that a normal carbon nanotube having a circular arc at the tip was used, and the operation experiment was similarly performed.

熱処理前のカーボンナノチューブの先端部の頂点は、カーボンナノチューブの径の回転中心位置ではない場合がある(図6参照)。しかし、熱処理後の先鋭化されたカーボンナノチューブ先端部頂点は軸の延長線上(中心位置)となる。その結果、本発明のカーボンナノチューブを適用した電子源は、ビーム位置がずれず、ビームの軸の調整が容易である。また、ビームがまっすぐに放出され、ノイズが少ないという効果がある。   The apex of the tip of the carbon nanotube before the heat treatment may not be the rotational center position of the diameter of the carbon nanotube (see FIG. 6). However, the apex of the sharpened carbon nanotube tip after the heat treatment is on the extension line (center position) of the shaft. As a result, the electron source to which the carbon nanotube of the present invention is applied does not shift the beam position, and the adjustment of the beam axis is easy. In addition, the beam is emitted straight and there is an effect that there is little noise.

さらに、先端部を先鋭化されているため、電圧に比例して電流密度が大きくなり、通常のカーボンナノチューブを使用すると2kV(しきい電圧)かけなければ電界放出できないところ、本発明のカーボンナノチューブでは0.5kV の電圧で電界放出が可能であった。その結果、電源負担の少ない、低消費電力の電子源/電子顕微鏡を提供できるはずである。また、同一の電圧であれば電流密度,電界強度が大きくなるため、取得画像が明るくなり、高精細の電子顕微鏡が提供できることとなる。   Furthermore, since the tip is sharpened, the current density increases in proportion to the voltage, and when normal carbon nanotubes are used, field emission cannot be achieved unless 2 kV (threshold voltage) is applied. Field emission was possible at a voltage of 0.5 kV. As a result, an electron source / electron microscope with low power consumption and low power consumption should be provided. In addition, if the voltage is the same, the current density and the electric field strength increase, so that the acquired image becomes bright and a high-definition electron microscope can be provided.

また、電子顕微鏡の電子線を収束させて解像度を向上させる手法として、磁界重畳を採用することが検討されている。従来の電磁界レンズで用いられる電子ビームの散逸と異なり、磁界重畳ではビーム電流をかせぐため、電子ビームを集光する方法である。本発明の電子源を採用した場合には、先端部の直径が小さいために重畳がしやすいという効果が期待される。   In addition, as a technique for improving the resolution by converging the electron beam of an electron microscope, it has been studied to employ magnetic field superposition. Unlike the dissipation of the electron beam used in the conventional electromagnetic lens, this method condenses the electron beam in order to increase the beam current in the magnetic field superposition. When the electron source of the present invention is employed, an effect of being easily superposed because of the small diameter of the tip is expected.

(先鋭化カーボンナノチューブを用いたAFM)
また、近年カーボンナノチューブを用いた走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーが検討されている。特に、カーボンナノチューブの先端が細いことを利用し原子間力顕微鏡
(AFM)等に用いて微細な試料表面の凹凸を検出することが記載されている(特開2000−249712号等)。図7にカンチレバー部分の装置構成を示す。
(AFM using sharpened carbon nanotubes)
In recent years, a cantilever for a scanning probe microscope using carbon nanotubes has been studied. In particular, it is described that a fine unevenness of a sample surface is detected using an atomic force microscope (AFM) or the like by utilizing the thin tip of a carbon nanotube (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-249712, etc.). FIG. 7 shows the device configuration of the cantilever part.

上記本発明の先端に鉛筆形状のように鋭角部を有するカーボンナノチューブを使用した探針と、従来のパルス電圧を印加して先端部を切断したカーボンナノチューブを使用した探針とを用いた結果を比較した。どちらも約25nm直径のカーボンナノチューブを使用した。   The results of using a probe using a carbon nanotube having a sharp corner like a pencil at the tip of the present invention and a probe using a carbon nanotube having a tip cut by applying a conventional pulse voltage are shown below. Compared. Both used carbon nanotubes with a diameter of about 25 nm.

分解能の評価にはVeeco 社製DI5000を用いた。コンタクトモードを用いてカンチレバーを共振させながらシリコン半導体の表面に接触させて前記表面の形状を計測する方法で実施した。また、その時に用いたカンチレバーのバネ定数は1.8N/m のものを用いた。   For evaluation of resolution, Veeco DI5000 was used. The contact mode was used to measure the shape of the surface by contacting the surface of the silicon semiconductor while resonating the cantilever. The spring constant of the cantilever used at that time was 1.8 N / m 2.

その結果、先端に鉛筆形状のように鋭角部を有するカーボンナノチューブ探針は前記鋭角部の先端径である約1.5nm の分解能が実現した。一方、パルス電圧を前記先端部を印加して切断されたカーボンナノチューブでは、カーボンナノチューブ直径に相当する約25nmの分解能が得られた。   As a result, the carbon nanotube probe tip having a sharp corner like a pencil shape at the tip realized a resolution of about 1.5 nm which is the tip diameter of the sharp corner. On the other hand, with the carbon nanotubes cut by applying a pulse voltage to the tip, a resolution of about 25 nm corresponding to the diameter of the carbon nanotubes was obtained.

また、本発明のカーボンナノチューブの先端部は、カーボンナノチューブの回転中心軸上に頂点があるため、ゆがみの少ない画像の取得が可能であった。前記カーボンナノチューブ探針は先端形状の寸法が、そのまま画像分解能に直結することが判明し、カーボンナノチューブの先鋭化が分解能向上に有効であった。   In addition, since the tip of the carbon nanotube of the present invention has an apex on the rotation center axis of the carbon nanotube, it is possible to obtain an image with little distortion. It was found that the tip shape of the carbon nanotube probe was directly linked to the image resolution as it was, and sharpening of the carbon nanotube was effective in improving the resolution.

カーボンナノチューブの製造を行うCVD装置(カーボンナノチューブ製造装置)の概略図。Schematic of a CVD apparatus (carbon nanotube manufacturing apparatus) that manufactures carbon nanotubes. 熱処理前の従来のカーボンナノチューブの先端部。The tip of a conventional carbon nanotube before heat treatment. 熱処理後の本発明のカーボンナノチューブの先端部。The front-end | tip part of the carbon nanotube of this invention after heat processing. 実施例2の熱処理工程を説明する図。FIG. 6 is a diagram illustrating a heat treatment process of Example 2. カーボンナノチューブ長さの熱処理工程への依存性を示す図。The figure which shows the dependence to the heat treatment process of carbon nanotube length. 電子顕微鏡用カーボンナノチューブ電子源の概略構成図。The schematic block diagram of the carbon nanotube electron source for electron microscopes. 先端部の頂点が回転軸上からずれたカーボンナノチューブ。Carbon nanotube with the apex of the tip deviating from the axis of rotation. (a)は走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー部分の構成概略図、(b)はカンチレバー探針部分の拡大図。(A) is the structure schematic of the cantilever part for scanning probe microscopes, (b) is an enlarged view of the cantilever probe part.

符号の説明Explanation of symbols

1a…炉(ヒータ)、1b…反応管、1c…バルブ、1d…流量計、1e…生成物回収用液体窒素トラップ、1f…アンモニアガス中和用排気ガストラップ、5a…カーボンナノチューブ、5b…電極、5c…電極支持台、5d…引出電極、5e…加速電極、5f…引出電極電源、5g…加速電極電源、5h…電界放出型陰極、7a…カンチレバー、7b…基部、7c…ホルダ、7d…カーボンナノチューブ(探針)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... Furnace (heater), 1b ... Reaction tube, 1c ... Valve, 1d ... Flow meter, 1e ... Liquid nitrogen trap for product recovery, 1f ... Exhaust gas trap for neutralization of ammonia gas, 5a ... Carbon nanotube, 5b ... Electrode 5c ... electrode support, 5d ... extraction electrode, 5e ... acceleration electrode, 5f ... extraction electrode power supply, 5g ... acceleration electrode power supply, 5h ... field emission cathode, 7a ... cantilever, 7b ... base, 7c ... holder, 7d ... Carbon nanotube (probe).

Claims (10)

カーボンナノチューブを有する電子放出陰極と、電子を電界放出させる引出装置とを有する電子顕微鏡であって、
前記カーボンナノチューブは電子を放出する側の先端部が略円錐形状を有し、先端部が閉構造であることを特徴とする電子顕微鏡。
An electron microscope having an electron emission cathode having carbon nanotubes and an extraction device for field emission of electrons,
2. The electron microscope according to claim 1, wherein the carbon nanotube has a substantially conical shape at a tip portion on the side from which electrons are emitted, and the tip portion has a closed structure.
請求項1に記載された電子顕微鏡において、前記カーボンナノチューブの先端の略円錐形状は、開き角が120°以下であることを特徴とする電子顕微鏡   2. The electron microscope according to claim 1, wherein the substantially conical shape at the tip of the carbon nanotube has an opening angle of 120 ° or less. 請求項1または2に記載された電子顕微鏡であって、
前記カーボンナノチューブの直径が30nm以下であることを特徴とする電子顕微鏡。
The electron microscope according to claim 1 or 2,
The diameter of the said carbon nanotube is 30 nm or less, The electron microscope characterized by the above-mentioned.
請求項1ないし3のいずれかに記載された電子顕微鏡であって、
前記カーボンナノチューブは0.5〜5.0mol% のホウ素または窒素を含有することを特徴とする電子顕微鏡。
The electron microscope according to any one of claims 1 to 3,
The electron microscope characterized in that the carbon nanotube contains 0.5 to 5.0 mol% boron or nitrogen.
請求項1ないし4のいずれかに記載された電子顕微鏡であって、
前記カーボンナノチューブの略円錐形状の頂点部はカーボンナノチューブの回転中心軸上にあることを特徴とする電子顕微鏡。
The electron microscope according to any one of claims 1 to 4,
An electron microscope characterized in that the apex of the substantially conical shape of the carbon nanotube is on the rotation center axis of the carbon nanotube.
先端部に鋭角部を有するカーボンナノチューブの製造方法であって、
カーボンナノチューブを低温側の550〜620℃で静置し、ついで高温側の700℃〜1200℃で静置して熱処理をすることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A method for producing a carbon nanotube having an acute angle portion at a tip,
A method of producing a carbon nanotube, comprising: standing still at 550 to 620 ° C. on the low temperature side, and then heat-treating the carbon nanotube at 700 to 1200 ° C. on the high temperature side.
請求項6に記載されたカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記低温側の熱処理工程は0.1〜8時間、前記高温側の熱処理時間を0.1〜2時間とすることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
It is a manufacturing method of the carbon nanotube according to claim 6,
The method for producing carbon nanotubes, wherein the low temperature side heat treatment step is 0.1 to 8 hours, and the high temperature side heat treatment time is 0.1 to 2 hours.
請求項6または7に記載されたカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記低温側及び高温側の熱処理工程をくりかえすことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A method for producing a carbon nanotube according to claim 6 or 7,
A method for producing carbon nanotubes, comprising repeating the heat treatment steps on the low temperature side and the high temperature side.
請求項6ないし8のいずれかに記載されたカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記熱処理を行うカーボンナノチューブはホウ素または窒素を含有するものであることを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
A method for producing a carbon nanotube according to any one of claims 6 to 8, comprising:
The method for producing carbon nanotubes, wherein the carbon nanotubes subjected to the heat treatment contain boron or nitrogen.
探針と、探針の位置の変動を感知するカンチレバーとを有する走査型プローブ顕微鏡であって、前記探針は、請求項6ないし9の製造方法により製造されたカーボンナノチューブであることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
A scanning probe microscope having a probe and a cantilever that senses a change in the position of the probe, wherein the probe is a carbon nanotube manufactured by the manufacturing method according to claim 6. Scanning probe microscope.
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