JP2007520409A - 窒化ナノ構造体の制御された成長 - Google Patents
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Abstract
高度の構造秩序及び狭い細孔直径分布(±0.15ナノメートル半値幅(FWHM))を備えた、遷移金属で置換された、非結晶性メソポーラスシリカ枠構造物が合成され、例えば、単層のナノチューブ、ナノパイプ及びナノワイヤーのようなGaNナノ構造体の鋳型成長に使用された。GaNナノ構造体の物理学的特性(直径、直径の分布、電気的な特性)が、鋳型の細孔直径及び細孔壁の化学的性質により制御されうる。GaNナノ構造体は、例えばフィールドエミッタのようなナノスケールの電子デバイスや化学センサで使用されうる。
Description
発明の背景
窒化ガリウム(GaN)は、広い光学的バンドギャップの幅を有する、耐熱性の半導性材料であり、添加剤として添加してあるn−型及びp−型である場合がある。より詳細には、例えば発光ダイオード(LED)やダイオードレーザーのような、発光デバイスは、LEDが、今、非効率な白熱光を発するランプや蛍光を放つ照明器具にさえ置き換えられつつある、圧倒的な商業的な成功に遭遇している。
窒化ガリウム(GaN)は、広い光学的バンドギャップの幅を有する、耐熱性の半導性材料であり、添加剤として添加してあるn−型及びp−型である場合がある。より詳細には、例えば発光ダイオード(LED)やダイオードレーザーのような、発光デバイスは、LEDが、今、非効率な白熱光を発するランプや蛍光を放つ照明器具にさえ置き換えられつつある、圧倒的な商業的な成功に遭遇している。
さらに、GaNは、高い化学的安定性、及び高い機械的安定性だけでなく、低い電子親和力
を有し、それゆえ、電界放出デバイスのための材料として注目を集めた。GaNにより製作された電界放出カソードは、高いスパッタリング耐久性及び残存ガス、特に酸素に対する低い感受性のため、より長い寿命を持つはずである。
を有し、それゆえ、電界放出デバイスのための材料として注目を集めた。GaNにより製作された電界放出カソードは、高いスパッタリング耐久性及び残存ガス、特に酸素に対する低い感受性のため、より長い寿命を持つはずである。
電界放出陰極からの放出電流は、電界放出陰極のチップにおける電場に依存する。ナノチップを電子源として使用するとそのチップの大きさを小さくできるので、ディスプレー装置の電力の消費量を、著しく削減することができる。ナノチップ電子源を使用することはまた、ディスプレーの形状係数を減らすことができる。
これらの理由、及びこれから明らかにされるであろう、その他の理由から、制御された化学的特性及び物理的特性を備えた、例えばナノチューブ及びナノワイヤーのようなGaNナノ構造体を製造するプロセスを提供することは望ましいであろう。
電子的な用途及び感知装置としての用途のための、そのようなGaNナノ構造体を組み込んだナノスケールデバイスを製造することもまた、望ましいであろう。
発明の概要
一つの局面において、本発明は、触媒作用を有する鋳型又は触媒作用を有する枠構造物の中や上での、たとえば所定の直径及び狭い直径分布のような、制御できる物理的特性を備えたGaNナノ構造体の成長に向けられている。その調製されたGaNナノ構造体は、明確に定められた電子的及び/又は光学的な特性、及び/又は異種分子の存在下における選択的な反応を有することができる。
一つの局面において、本発明は、触媒作用を有する鋳型又は触媒作用を有する枠構造物の中や上での、たとえば所定の直径及び狭い直径分布のような、制御できる物理的特性を備えたGaNナノ構造体の成長に向けられている。その調製されたGaNナノ構造体は、明確に定められた電子的及び/又は光学的な特性、及び/又は異種分子の存在下における選択的な反応を有することができる。
本発明の一つの局面、すなわちGaNナノ構造体の製造法は、所定の直径を有する細孔を有し、その細孔中に配置されている触媒作用を有する金属を含むメソポーラスシリカ構造を有する枠構造物を提供する行為、及び所定の温度で、ガリウムを含む反応剤及び窒素を含む反応剤に、その枠構造物を曝す行為を含む。製造されたGaNナノ構造体は、その所定の細孔の直径と相関する直径又は断面積を有する。
本発明の実施態様は、以下の特徴の一つ又はそれ以上を含むかもしれない。所定の温度が、およそ700℃から1000℃の間の温度、好ましくは750℃から950℃の間の温度である場合もある。触媒作用を有する金属は、周期律表の第VIII族の元素、例えばFe、Co及び/又はNiであってよく、0.1から10重量パーセントの間の濃度、好ましくは0.5から5重量パーセントの間の濃度である場合もある。
メソポーラスシリカ構造は、MCM−41から形成することができ、1ナノメートルから10ナノメートルの間の直径の細孔を有することができる。GaNナノ構造体の成長のための、前記の枠構造物は、シリカを含むMCM−41をベーマイト(γ−AlOOH)と混合し、その混合物を、例えばシリコンウエハーのような支持物上に置き、そしてその担持された混合物を焙焼することにより、調製することができる。その反応物は、例えばガリウム金属のような金属、例えばGaCl3のような金属ハライド、例えばトリメチルガリウム、トリエチルガリウム及び/又はガリウムアセチルアセトネートのような金属有機化合物を包含することができるのに対して、窒素含有反応剤は、アンモニアである場合もある。
製造されるナノ構造体は、ナノチューブ、ナノワイヤー、ナノパイプ及び/またはナノツリーを包含することができる。そのナノチューブの直径又は横方向のサイズは、メソポーラスシリカ構造物の中に分散している、触媒作用を有する金属により、その細孔中に形成される触媒サイトにより決定されるようである。ここにおいて、細孔中の触媒サイトのサイズは、メソポーラスシリカ構造物中の触媒作用を有する金属イオンの量により決定される。ナノチューブの直径は、幾何学的な細孔の直径よりも小さい傾向がある。逆に、ナノワイヤーの直径は、その所定の細孔の直径と実質的に同じである。
いわゆる「基幹」及び「分岐」を有する、樹木状のGaN ツリーナノ構造体は、その製造されたGaNナノ構造体をガリウム又はインジウムの蒸気に曝し、ついでそれを、金属有機ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に再度曝し、任意に金属有機インジウムを添加された反応剤が添加することにより成長させることができる。任意に、その構造物を、その分岐を成長させる前に、水素及び/又はガリウム若しくはインジウムの蒸気に曝さらすことができる。
本発明のさらなる特徴及び利点が、次の好ましい実施態様の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明のさらなる特徴及び利点が、次の好ましい実施態様の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
とりわけ、本発明は、触媒成分を枠構造物の壁に取り込ませた状態のメソポーラスモレキュラーシーブ(MPMS)触媒性鋳型を成長させ、ナノチューブ及びナノワイヤーの直径、構造及び直径分布の均一性の高い制御を提供する方法を向けられている。これは、材料の光学的及び電子的特性の制御を可能にし、そしてその材料から調製されるデバイスの光学的及び電子的特性をもまた制御せしめる。
現在まで、10ナノメートルから30ナノメートルの間の壁の厚さを有する、厚い壁のGaNナノパイプが製造されたにすぎない。これらの大きな直径の構造は、三次元性の電子的特性を示す。逆に、薄い壁のGaNナノチューブ、特に3ナノメートル未満の直径を有する、単層ナノチューブ(SWNT)及びナノワイヤーは、化学的によるよりもむしろサイズにより制御される、低い次元性(一元性及び二次元性)の電子的特性を示す。例えば、GaN SWNTは、添加剤の添加だけでなく、直径による波長調節性を持ちつつも可視光領域において光学的に活性であり、例えばミクロレーザー(SWNT直径により制御される波長)、光通信、熱電気材料又は光分解による水素の生産用の触媒のような潜在的用途があると予測されてきた。
本発明者らは、触媒サイトのための源として、適切に枠構造物に取り込まれた金属イオンを有するモービル(Mobil) M41Sクラス(MCM−41及びMCM−48)という、金属により置換されたメソポーラス枠構造物を用いると、化学気相成長法(CVD)を使用して、2ナノメートルから10ナノメートルの間の制御された直径及び狭い直径分布を備えた、秩序あるGaNナノワイヤー及びSWNTを製造することができるということは、発明者の成し遂げたことである。
IUPACの定義によれば、メソポーラス材料は、約2.0ナノメートルから20ナノメートルの間の範囲の細孔の直径を有する材料として定義されている。今日では、その範囲は、1.5ナノメートルから20ナノメートルに拡大されている。万が一細孔が十分に円形ではない場合には、細孔の直径という用語は、以下において、細孔の横方向の平均の寸法又は幅と定義すべきである。結晶性材料であるがゆえに、組成に関係なくその直径が変わらないゼオライトとは異なり、モービル・オイル・コーポレーション(Mobil Oil Corporation)により開発されたM41Sクラスメソポーラス材料(MCM−41及びMCM−48)は、細孔壁が非結晶であり、1.5から4ナノメートルの範囲の細孔直径を備えた、組み立てられた細孔配列を有している。細孔の構造及び細孔の直径は、枠構造物中における遷移金属イオンの置換とは独立に作製することができる(希釈された置換のため)。均一な細孔分布及び細孔直径(細孔の直径において、〜0.1ナノメートル半値幅(FWHM)の均一性)を、以下に述べるであろう成長プロセスの注意深い管理を通して、成し遂げることができる。化学的な組成及び細孔の直径の両者が、その細孔に形成されるGaNナノチューブの構造を決定するのに役割を果たしていることが見出された。
実施例:触媒作用を有する枠構造物の合成
GaNナノチューブの制御された成長のために触媒作用を有する枠構造物として、明確で、均一な、およそ1.5−4ナノメートルの範囲の細孔の直径を備えた、Fe、Co及びNi枠構造物置換のあるMCM−41が合成された。
GaNナノチューブの制御された成長のために触媒作用を有する枠構造物として、明確で、均一な、およそ1.5−4ナノメートルの範囲の細孔の直径を備えた、Fe、Co及びNi枠構造物置換のあるMCM−41が合成された。
シリカ源は、ピッツバーグ・プレート・グラス(Pittsburgh Plate Glass(PPG))製のHiSil−915及びテトラメチルアンモニウム シリケート(10重量%シリカ、エスエーケム インク.(SACHEM Inc.))であった。金属源は、CoSO4・xH2O(アルドリッチ・ケミカル・カンパニー(Aldrich Chemical Co.))、Fe(SO4)・7H2O(フィッシャ・サイエンテフィック・カンパニー(Fisher Scientific Co.))、Fe(NO3)3・9H2O(シグマ・カンパニー(Sigma Co.))及びNi(NO3)2・6H2O(アルドリッチ・ケミカル・カンパニー(Aldrich Chemical Co.))であった。4級アンモニウム界面活性剤CnH2n+1(CH3)3NBr(n=12、14、16)は、シグマ・カンパニー(Sigma Co.)から入手し、CnH2n+1(CH3)3NBr(n=10)は、アメリカン・トーキョウ・カセイ(American Tokyo Kasei)から入手した。界面活性剤溶液は、29重量%CnH2n+1(CH3)3NBrの水溶液を、等モルの交換容量のアムバージェット(Amberjet)−400(OH)イオン交換樹脂(シグマ・カンパニー(Sigma Co.))と回分式で一夜混合することによりイオン交換することにより調製された。消泡剤は、シグマ・カンパニー(Sigma Co.)から供給された、末端がメトキシ基で置換されているシラン・ポリマー・アルキルであるアンチフォーム・エー(Antifoam A)であった。酢酸(フィッシャー・サイエンティフィック)により、合成溶液のpHを調整した。そのpHは、11±0.1に維持された。
テトラメチルアンモニウムシリケートであるHiSil−915の水溶液とその金属前駆体(Mは、Fe、Co及び/又はNiである。)の水溶液を、50mlの脱イオン水と30分間にわたり混合した。その水対シリコンの比は、その界面活性剤の鎖長に基づいているH2O/Siのモル比=74.4乃至86の範囲で様々であった。その界面活性剤の溶液を、その調製されたケイ素及び金属の混合物に加え、そして少量の消泡剤(界面活性剤の0.2重量%)を、その界面活性剤により生じる、過剰の泡を除去するために添加した。酢酸を加え、pHを11±0.1に維持した。この合成溶液中の各成分のモル比を、SiO2:界面活性剤:M:H2O=1:0.27:0.017:X(X=74.4〜86)に制御した。さらに約30分間混合した後、この合成溶液をポリプロピレン瓶に移し、ついで6日間100℃でオートクレーブした。室温に冷却後、生じた固形物を濾取し、脱イオン水で洗浄し、そして周囲条件下で乾燥した。
その置換されたFe、Co及びNiは、最初は多かれ少なかれ原子的にシリカ枠構造物の中に、1ナノメートル未満の粒子(広域X線吸収微細構造(EXAFS)にて測定)として分散している。合成工程の間にその枠構造物の細孔中に形成される、その触媒粒子の最終的なサイズは、その鋳型の細孔の直径及び合成条件により実質的に決定される。言い換えれば、より大きな細孔の場合、より大きな触媒粒子が形成される傾向がある。
GaNナノチューブの成長の前に、その粉末触媒をベーマイト(γ−AlOOH)ゾルと細かく混合し、シリコンウエハー・チップに塗りつけた。得られた触媒を室温で乾燥し、流れる空気中550℃で6時間焼いた。このGaN合成法が、反応容器中で、その置換されたMCM−41の保持状態に対して感受性があると考えられない。
GaNナノチューブ及びナノワイヤーの合成
そのMCM−41触媒鋳型の制御された細孔の直径及び細孔壁の化学的性質は、例えばナノチューブの直径及び光学的/電子的特性のような、製造後のGaNナノ構造体の物理的な特性の制御にとって重要である。すべての触媒は、科学技術的に興味ある構造を作り出した。Ni−MCM−41触媒が、単層ナノチューブ構造に対して非常に高い選択性を生じさせることが見出された。例えば単層ナノチューブ、ナノパイプ(厚い細孔壁)及びナノワイヤー(中実のコア)のような、数種のGaN構造体が観察された。しかしながら、ここに開示されたプロセスにより製造されるナノワイヤー及びナノチューブは、先行技術のプロセスで製造されたGaNナノ構造体に比べて、より小さい直径を有し、そしてより均一な直径分布を有する傾向がある。
そのMCM−41触媒鋳型の制御された細孔の直径及び細孔壁の化学的性質は、例えばナノチューブの直径及び光学的/電子的特性のような、製造後のGaNナノ構造体の物理的な特性の制御にとって重要である。すべての触媒は、科学技術的に興味ある構造を作り出した。Ni−MCM−41触媒が、単層ナノチューブ構造に対して非常に高い選択性を生じさせることが見出された。例えば単層ナノチューブ、ナノパイプ(厚い細孔壁)及びナノワイヤー(中実のコア)のような、数種のGaN構造体が観察された。しかしながら、ここに開示されたプロセスにより製造されるナノワイヤー及びナノチューブは、先行技術のプロセスで製造されたGaNナノ構造体に比べて、より小さい直径を有し、そしてより均一な直径分布を有する傾向がある。
GaNナノ構造体(ナノワイヤー及びナノチューブ)を、以下の二つの異なる方法により合成した。
(1)1〜10気圧の間の圧力下における伝統のフローリアクターにおける合成
(2)10〜200トル(Torr)の間の圧力下における低圧の金属有機気相成長(LP−MOCVD)法
これは、例えば、温度、圧力、反応試薬の接触方法、異なる鋳型組成及び前駆体のような合成条件の広範囲の変動を表す。GaNナノワイヤー及びナノチューブの合成について多くの仕事が報告されているが、特定のタイプのナノ構造体、すなわちナノチューブ及びナノワイヤーを獲得するために、反応形態/反応条件を最適化することは、ほんの少しの注意しか払われなかった。たとえば、ある手法では、例えばNi−MCM−41のような金属により置換されたMCM−41は、ガス状態で、Ga前駆体(例えばトリメチルガリウム)と窒素前駆体(例えば、アンモニア)に曝された。もう一つの方法では、インジウム及び/又はガリウムを、パターン状の基質(例えば、MCM−41)に沈積させ、ついで窒素前駆体としてガス状態のアンモニアに曝す。
(1)1〜10気圧の間の圧力下における伝統のフローリアクターにおける合成
(2)10〜200トル(Torr)の間の圧力下における低圧の金属有機気相成長(LP−MOCVD)法
これは、例えば、温度、圧力、反応試薬の接触方法、異なる鋳型組成及び前駆体のような合成条件の広範囲の変動を表す。GaNナノワイヤー及びナノチューブの合成について多くの仕事が報告されているが、特定のタイプのナノ構造体、すなわちナノチューブ及びナノワイヤーを獲得するために、反応形態/反応条件を最適化することは、ほんの少しの注意しか払われなかった。たとえば、ある手法では、例えばNi−MCM−41のような金属により置換されたMCM−41は、ガス状態で、Ga前駆体(例えばトリメチルガリウム)と窒素前駆体(例えば、アンモニア)に曝された。もう一つの方法では、インジウム及び/又はガリウムを、パターン状の基質(例えば、MCM−41)に沈積させ、ついで窒素前駆体としてガス状態のアンモニアに曝す。
例えば、金属で置換されたMCM−41のようなナノ構造を有する枠構造物を使用するGaNナノワイヤーの製造のための最適な温度は、750℃から950℃の間であるようである。これは、950℃よりも高い温度で起こるようである枠構造物の消失を防ぐためには、十分低い温度範囲である。
低圧化学気相成長(CVD)反応器における代表的な合成例では、反応剤に曝す前に、金属で置換されたMCM−41枠構造物を500℃で30分間にわたり水素で還元した。その模範的な枠構造物は、およそ3ナノメートルの細孔直径を有していた。X線吸収分光法による分析によれば、この水素による処理では、わずかにその構造物が還元されることが示された。ついで、その枠構造物を、10%水素、2−5μmol/分トリメチルガリウム及び10−15sccmアンモニアからなる混合物に曝す。その構造物を、800℃から1000℃の間の固定された温度、好ましくは950℃に保持し、反応剤に5分間から90分間、好ましくは1時間曝した。その化学気相成長(CVD)反応器中の圧力は、50ミリバールから1気圧の間で範囲であった。
MCM−41枠構造物に取り込まれたすべての触媒(Fe、Co、Ni)は、興味ある構造を形成したが、Ni−MCM−41は、小さい直径のGaNナノチューブについて、最も高い選択性を生じた。製造されたGaNナノチューブは、枠構造物の物理的な細孔の直径である3ナノメートルよりも小さい、1ナノメートル・オーダーの直径を有していた。このことは、そのGaNナノチューブの直径が、その細孔直径自体よりもむしろ、細孔壁の中又は上に配置されたその触媒原子から細孔内に形成された、触媒作用を有する核形成サイトのサイズ(触媒粒子サイズ)により制御されることが示唆された。制御され且つ均一な直径を有するGaNナノチューブの成長のプロセスは、例えば、共通に譲渡された、2002年12月18日に出願された米国特許出願番号10/328857及び2003年12月2日に出願された米国特許出願番号10/726394の米国特許出願に開示されている、均一な直径を有する、整列した単層カーボンナノチューブの成長と似ているので、この米国出願の開示内容は、完全な形で参照によりここに援用した。
米国特許出願第10/328857号公報
米国特許出願第10/726394号公報
3ナノメートル・オーダーの直径を有するナノワイヤーもまた、実施例1の成長条件と同じ成長条件下で製造した。しかしながら、そのナノワイヤーの直径は、その細孔の直径に一致する傾向がある。このことは、GaNナノチューブの成長とは異なった成長の動力学であることを示唆している。しかしながら、900℃で製造されたナノチューブの量は、950℃よりも高い温度で製造されたナノワイヤーの量をはるかに超えていることに注目されたい。
およそ750℃から1200℃の間の温度で、金属で置換されたMCM−41に、In及び/又はGaを「予め添加」すると、ナノワイヤーの成長のための核生成のサイトを生じた。そのワイヤーの直径は、そのMCM−41鋳型の均一な細孔の形態により制御される。
小さなGaNナノワイヤーを、最初に実施例2の条件下で製造されたナノワイヤー上におけるGaNナノ構造体の再成長によりナノツリーに変換することができる。そのとき、そのワイヤーをその枠構造物上に保持し、そしておよそ750℃から1000℃の間の温度に保持した。Ga及び/又はIn金属の舟形容器をその枠構造物の上流に置き、そしておよそ750℃から1100℃の間の温度で保持し、そして成長したばかりのナノワイヤーに接触させるために、金属蒸気を、窒素又はアルゴンの気流により下流に運ぶ。任意にインジウムを添加することができるGaNナノワイヤーを、実施例1に開示された条件と同じ条件、すなわち850℃から1000℃の間の温度で、窒素及び10%水素、トリメチルガリウム2−5μmole/分及びアンモニア10−15sccmの気流下、5分間〜90分間、好ましくは1時間の成育時間として、接触させたナノワイヤー上で成長させる。その化学気相成長(CVD)反応器の圧力は、50ミリバールから1気圧の間であった。そのナノツリーは、GaNナノワイヤー結晶の形をした基幹を有し、ナノチューブ又はナノワイヤーの何れかの形をしている分岐を有している。そのGaNの分岐の成長は、およそ900℃の温度では優先的にナノチューブが成長し、及び少し高い、およそ950℃の温度ではナノワイヤーが優先的に成長するとように、選択的である。ナノチューブは、可視領域にバンドギャップを有するので、これは、おそらく非常に興味ある構造である。III−窒化物材料システムは、すべての可視及び太陽光のスペクトルをカバーする直接的なバンドギャップを有する。そのようなナノツリー・システムにおける潜在的な電気化学的プロフィールを、非常に大きな表面積を有する分岐から、電気的に接続された基幹への太陽エネルギーの効果的な移動及び変換を行えるように設計することができる。前記のナノツリーのようなGaNナノ構造体もまた、水素の光触媒生産用の触媒支持物/助触媒として重要になるであろう。
図1Aは、成長したばかりのGaNナノ構造体の細部を示す図1Aとともに、予め還元された、およそ3ナノメートルの細孔サイズのNi−MCM−41枠構造物上で成長したGaNナノ構造体の透過電子顕微鏡の画像を示す。
図2は、GaNナノチューブの二つの束の透過電子顕微鏡の画像を示す。ここにおいて、各ナノチューブは、およそ0.9ナノメートルの直径を有する。その画像の左上の束は、透過電子顕微鏡による分析の間に損傷を受けたようである。
図3は、これらの試料について得られた電子エネルギー損失分光スペクトルである。この電子エネルギー損失分光スペクトルの特徴は、これらの構造が、確かに単層ナノチューブ(SWNT)であることを強く示唆している。図3のスペクトルは、バルクGaNと考えられるGaNエピタキシャル層(曲線a)、GaNナノチューブ(曲線b)及び密度汎関数理論(DFT)に基づいて算出されたスペクトル(曲線c)を表す。その密度汎関数理論の計算により予想されるピークの分裂が存在することは、明確にGaNナノチューブ試料(曲線b)で観察された。このことは、GaNナノチューブが存在することの決定的な証拠を提供する。
図4は、実施例4で記載したように、成長温度900℃でナノワイヤーの基幹上に成長したナノチューブ分岐を有する、典型的なGaNナノツリーの透過電子顕微鏡の画像を示す。
図5は、成長温度950℃でナノワイヤー基幹上に成長したナノチューブ分岐を有する、典型的なGaNナノツリーの透過電子顕微鏡の画像を示す。前記のように、そのGaNナノチューブは、GaNナノワイヤー「基幹」よりも小さい光学的な直接的バンドギャップを有し、こうしてGaNナノチューブは、添加剤の添加又は、例えばGaInNのような合金を形成することなく、ナノチューブ又はナノワイヤーの何れか一方のみよりも、光学的なスペクトルの広い範囲にわたり吸収すると予測される。
本発明は、詳細に示された及び記載された好ましい実施態様に関連して開示された。同時に、それに対する様々な修正及び改良は、当業者には容易に明らかになるであろう。したがって、本発明の精神及び範囲は、次の請求の範囲によってのみにより限定されるべきである。
次の図は、本発明の例証となる実施態様を示す。この実施態様における同様な参照番号は、同様な要素を示す。これらの開示された実施態様は、本発明の実例として理解され、そして、決して限定的なものと理解されてはならない。
図1Aは、予め還元された触媒により製造されたGaNナノ構造体の 透過電子顕微鏡の画像を示し、図1Bは、図1Aの中の四角で囲んだ部分を 拡大した図である。
図2は、GaNナノチューブの二つの配列を示す。右下の構造は、透過電子顕 微鏡の電子ビームにより損傷を受けている。
図3は、GaNエピタキシャル層(上段)及びGaNナノチューブ試料(中段) の電子エネルギー損失分光スペクトルを示す。下段の折れ線グラフは、密度 汎関数理論(DFT)に基づいて単層GaNナノチューブについて算出され たスペクトルである。
図4は、分枝したナノチューブを有するGaNナノツリーの透過電子顕微鏡の 画像を示す。
図5は、分枝したナノワイヤーを有するGaNナノツリーの透過電子顕微鏡の 画像を示す。
Claims (24)
- 細孔中に配置された触媒金属を含み、且つ所定の細孔の直径を備えた細孔を有するメソポーラスシリカの枠構造物を供給する工程、そして
枠構造物を、所定の温度で、ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に曝す工程、それによって、前記の所定の細孔直径と相関する直径又は断面積を有するGaNナノ構造体を製造することを含むGaNナノ構造体の製造方法。 - 触媒金属が、周期律表の第VIII族から選ばれることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 細孔に配置された触媒金属が、0.1から10重量%の間の濃度であることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 細孔に配置された触媒金属が、0.5から5重量%の間の濃度であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 触媒金属が、Fe、Co及びNiからなる群から選ばれる少なくとも一元素を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 触媒金属が、Niを含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- メソポーラスシリカ構造物が、MCM−41を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 所定の細孔の直径が、1から10ナノメートルの間であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 反応剤が、ガリウム金属を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 反応剤が、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム及びガリウムアセチルアセトナートからなる群から選ばれる一種の金属有機化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 反応剤が、ガリウムハライドを含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 反応剤が、三塩化ガリウム(GaCl3)を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 窒素含有反応剤が、アンモニア(NH3)を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 枠構造物を供給する工程が、シリカMCM−41とベーマイト(γ−AlOOH)との混合物を調製し、前記混合物を支持物に置き、前記の担持された混合物を仮焼(原語:calcining)する処理を含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 支持物が、シリコンウエハーを含むことを特徴とする請求項14に記載の製造方法。
- 所定の温度が、およそ750℃から950℃の間の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ナノ構造体が、ナノチューブ、ナノワイヤー及びナノパイプの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ナノ構造体が、ナノチューブを含み、金属イオンが、メソポーラスシリカ構造物中に分散され、そして触媒金属が、細孔中に、メソポーラスシリカ構造物中の触媒金属イオンの量により決定される触媒サイトのサイズを備えた触媒サイトを形成することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- ナノ構造体が、ナノワイヤーであり、そしてそのナノワイヤーの直径又は断面積が、所定の細孔の直径と実質的に同じであることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 所定の温度よりも低い温度で、製造されたGaNナノ構造体を、金属有機インジウム含有反応剤、金属有機ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に曝し、製造されたGaNナノ構造体の自由部分に沿ったサイトから生じる、一つ又はそれ以上のナノ構造体を含むGaN樹枝状構造体を製造することをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 枠構造物をガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に曝す前に、枠構造物を水素に曝す処理をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- GaN樹枝状構造体を製造するために、製造されたGaNナノ構造体を金属有機ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に再度曝す前に、製造されたGaNナノ構造体を、インジウム蒸気及びガリウム蒸気のうちの少なくとも一つに曝す処理をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 枠構造物を、750℃から1000℃の間の温度で、インジウム蒸気又はガリウム蒸気に曝すことを特徴とする請求項22に記載の製造方法。
- 金属有機インジウム含有反応剤を、金属有機ガリウム含有反応剤に添加することをさらに含むことを特徴とする請求項23に記載の製造方法。
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