JP2008140967A

JP2008140967A - 波長可変カーボンナノチューブ素子

Info

Publication number: JP2008140967A
Application number: JP2006325421A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Maki; 英之牧; Tetsuya Sato; 徹哉佐藤; Koji Ishibashi; 幸治石橋
Original assignee: Keio University; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Keio University; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】波長可変カーボンナノチューブ素子に関し、一本のカーボンナノチューブに対して純粋な引っ張り応力の印加が可能な数ｍｍ以下のサイズの小型デバイスを実現する。
【解決手段】少なくとも一方の端部が開放された間隙４を介して対向するとともに、間隙４を架橋する孤立したカーボンナノチューブ６を設けた１対の支持要素部材２からなる支持部材１を圧電素子１０の伸縮方向に沿った面に支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は波長可変カーボンナノチューブ素子に関するものであり、特に、半導体特性を有する個々のカーボンナノチューブの禁制帯幅（バンドギャップ）を電気的に連続的に可変にすることによって発光波長或いは光吸収波長を可変にするための構成に特徴のある波長可変カーボンナノチューブ素子に関するものである。

従来、固体半導体におけるバンドギャップ制御は、材料の組成を変えることにより行われているため、一つの素子でバンドギャップを連続的に変化させることは困難であった。

バンドギャップを外部からの入力により連続的に変化させる方法として、応力印加による歪みを用いる方法が提案（例えば、特許文献１参照）されているが、従来の固体半導体では機械的弾性が低く、バンドギャップの変化が小さすぎて、バンドギャップの変化を有効に利用したデバイスの実用化は難しいという問題がある。

一方、カーボンナノチューブは、機械的弾性に優れており、大きな歪みを与えることが出来ることから、応力印加によるバンドギャップ制御が期待される。
例えば、カーボンナノチューブに対して引っ張り応力を印加した際に、どのようなバンドギャップ変化が得られるかに関しての理論的な考察がなされており（例えば、非特許文献１参照）、理論・電子状態計算からカーボンナノチューブのカイラリティーに依存してバンドギャップの変化が得られることが示された。

カーボンナノチューブに応力を印加してバンドギャップを制御する技術に関しては、これまでに、
（ａ）原子間力顕微鏡プロープによるもの（例えば、非特許文献２参照）、および、
（ｂ）高分子分散によるもの（例えば、非特許文献３或いは非特許文献４参照）
の２つが報告されている。

このうち、原子間力顕微鏡プロープによるものとしては、純粋な引っ張り応力ではないものの、原子間力顕微鏡のプローブを架橋したカーボンナノチューブに押し付けることにより、カーボンナノチューブを曲げて電気測定を行い、電気伝導測定の結果をバンドギャップの変化により解釈したという報告がなされている。

また、高分子分散によるものとしては、高分子にカーボンナノチューブを分散した際に、高分子に分散することにより受ける歪によりカーボンナノチューブの発光波長が変化することが報告されている。

ここではさらに、試料を温度変化させて高分子の膨張・収縮を起こすことにより、発光波長の連続的な変化を観測している。

一方、カーボンナノチューブを利用したエレクトロルミネッセンス素子としては、カーボンナノチューブＦＥＴの有する同時両極性（ａｍｂｉｐｏｌａｒ）を利用して電子と正孔を注入して再結合発光させることが提案されている（例えば、特許文献２或いは非特許文献５参照）。
特開２００６−２４５５４３号公報特開２００５−３３２９９１号公報Ｌ．Ｙａｎｇｅｔ．ａｌ．，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐ．１５４，２０００Ｅ．Ｍｉｎｏｔｅｔ．ａｌ．，ＰｈｙｓｉｃａＩＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９０，ｐ．１５６４０１，１８，Ａｐｒｉｌ，２００３Ｋ．Ａｒｎｏｌｄｅｔ．ａｌ．，ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．４，ｐ．２３４９，２００４Ｌ．Ｌｉｅｔ．ａｌ．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９３，ｐ．１５６１０４，２００４Ｊ．Ａ．Ｍｉｓｅｗｉｃｈｅｔ．ａｌ．，ＳｃｉｅｎｃｅＶｏｌ．３００，ｐ．７８３，２００３

しかし、上述の原子間力顕微鏡を用いる方法の場合には、バンドギャップ変化の直接測定である光学測定等の電気測定以外の測定を行うことは困難で、また、原子間力顕微鏡等の大型装置を用いる必要があるためデバイス化できず、デバイス化による応用は困難であるという問題がある。

また、上述の高分子分散を用いる方法の場合には、
（１）高分子中に含まれる非常に多くのカーボンナノチューブからの発光を観測しているために一本からの発光を利用することが出来ない、
（２）温度変化による膨張・収縮を利用していることから電気的信号による高速な波長変化が不可能である、
（３）高分子中のカーボンナノチューブを用いているために電極形成が不可能であり電流注入による発光素子へ応用できない、などの理由からこれらをデバイスとして実用化することは困難である、
等の問題がある。

また、上述の特許文献２においても、一本のカーボンナノチューブのみからの発光を得るための具体的方法・構成については何ら開示がなされていないものである。
いずれにしても、一本のカーボンナノチューブに対して純粋な引っ張り応力を印加することは非常に困難であり、これまで報告はないというのが現状である。

したがって、本発明は、一本のカーボンナノチューブに対して純粋な引っ張り応力の印加が可能な数ｍｍ以下のサイズの小型デバイスを実現することを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）上記課題を解決するために、本発明は、波長可変カーボンナノチューブ素子であって、少なくとも一方の端部が開放された間隙４を介して対向するとともに、間隙４を架橋する孤立したカーボンナノチューブ６を設けた１対の支持要素部材２からなる支持部材１を圧電素子１０の伸縮方向に沿った面に結合したことを特徴とする。

この様に、カーボンナノチューブ６を設けた支持部材１を圧電素子１０に取り付けることによって、カーボンナノチューブ６に印加する引っ張り応力を電気的に任意に制御することが可能になり、それによって、数ｍｍ以下のサイズのデバイスとして小型化することができる。

また、カーボンナノチューブ６を成長させる支持基板３として、少なくとも一方の端部が開放された間隙４を介して対向するとともに、間隙４を架橋する孤立したカーボンナノチューブ６を設けた１対の支持要素部材２からなる支持部材１を用いることによって、一本づつに孤立化したカーボンナノチューブ６を成長させることができ、それによって、一本一本の孤立化したカーボンナノチューブ６のバンドギャップの圧力依存性を発光素子或いは分光素子として利用することができるので、電子顕微鏡、プローブ顕微鏡、光学測定装置、電気伝導測定装置等の装置内に容易に導入することが可能になる。
なお、この場合の間隙４の間隔は、一本づつに孤立化したカーボンナノチューブ６を架橋させるためには０．５〜３μｍ程度が適当である。

この場合、圧電素子１０の伸縮方向と略垂直な端面に固着される第１の支持片と、第１の支持片と略垂直方向に延在して支持部材１の底面に固着される第２の支持片とからなる１対のＬ字状部材９によって、支持部材１と圧電素子１０とを結合することが望ましく、それによって、圧電素子１０の伸長による引っ張り応力を最大限にしてカーボンナノチューブ６に印加することができる。

即ち、圧電素子１０の伸縮方向の面と支持部材１の底面とは直接固着されていないので、圧電素子１０の伸長による引っ張り応力の全てを間隙４の伸長に印加することが可能になる。
なお、この場合、間隙４を介して対向する１対の支持要素部材２の他端も開放することが望ましく、それによって、間隙４のいかなる位置において架橋していても、全てのカーボンナノチューブ６に同じ引っ張り応力を印加することができる。

また、各支持要素部材２が、カーボンナノチューブ６に対するゲート電極５を有していることが望ましく、それによって、カーボンナノチューブ６からなるＦＥＴの同時両極性特性をゲート電圧によって制御することができ、ひいては、発光特性或いは受光特性をゲート電圧で制御することが可能になる。

なお、この場合のゲート電極５は、支持部材１の主要部を構成する支持基板３を導電性単結晶シリコン基板等の導電性支持基板にすることによって支持基板３自体をゲート電極５としても良いし、或いは、支持基板３上に別個のゲート電極５を設けても良いものである。

また、カーボンナノチューブ６の両端に設けた電極７，８は、互いに仕事関数の異なる金属材料からなることが望ましく、それによって、カーボンナノチューブ６の両端に設けた電極７，８のショットキーバリア障壁を任意に制御することが可能になる。

また、カーボンナノチューブ６に対する一対のゲート電極５に対して、互いに異なった電圧を印加する機構を設けることが望ましく、それによって、カーボンナノチューブ６の両端に設けた電極７，８のショットキーバリア特性を任意に制御して、正孔の注入効率と電子の注入効率を独立に制御することが可能になる。

なお、孤立したカーボンナノチューブ６は、一つの支持部材１に対して一本のみでも良いし、或いは、複数本が所定の間隔を隔てて略平行に配列された状態でも良く、複数本設ける場合には、一本のカーボンナノチューブ６にのみ電圧を印加するようにしても良いし、複数本のカーボンナノチューブ６に電圧を印加してアレイ的に使用しても良いものである。

本発明によれば、小型で直接応力印加可能なカーボンナノチューブ素子を構成することができるので、電子顕微鏡、プローブ顕微鏡、光学測定装置、電気伝導測定装置等の大型装置内に容易に導入することができ、超小型の分光器への応用が可能になるとともに、圧電素子を用いて電気的に応力を印加できることから、高速なバンドギャップ変調も可能となり、電流注入による広い波長範囲を有する波長可変発光素子の実現が可能になる。

本発明は、少なくとも一方の端部が開放された間隙を介して対向するとともに、間隙間にカーボンナノチューブを架橋成長させた一対の支持要素部材を構成するシリコン基板等の支持基板を圧電素子、特に積層型圧電素子の伸縮方向に沿った面上に配置することにより、応力印加可能な素子とし、圧電素子を介して電気制御により圧力を一本一本のカーボンナノチューブに印加することによってバンドギャップを変化させて、発光波長或いは光吸収波長を可変にしたものである。

ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の実施例１のカーボンナノチューブ波長可変素子を説明するが、まず、図２及び図３を参照して本発明の実施例１のカーボンナノチューブ波長可変素子の製造工程を説明する。
図２参照
まず、ｐ型シリコン基板１１の表面に熱酸化により酸化膜１２を形成したのち、ダイヤモンドカッターを用いてｐ型シリコン基板１１の劈開方向に沿って表面から裏面に掛けて貫通する程度の溝１３を形成する。

次いで、溝１３の一方の端部側をダイヤモンドカッターで切り離して、一対の支持要素片１５，１６からなる支持部材１４を構成する。
なお、この場合、溝１３の一方が開放端になることによって形成された間隙１７の平均的間隔は０．５μｍ〜３μｍ、例えば、２μｍ程度であり、一対の支持要素片１５，１６から開放端に向かって若干広がった形状となる。

図３参照
次いで、一対の支持要素片１５，１６上に触媒となるＣｏ膜１８を形成したのち、アルコールＣＣＶＤ（ＡｌｃｏｈｏｌＣａｔａｌｙｔｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてカーボンナノチューブを成長させる。
成長条件は、例えば、基板温度を８００℃とし、Ｃ₂Ｈ₅ＯＨを原料ガスとして、ガス圧２５Ｔｏｒｒで１０分間成長させる。

この時、一対の支持要素片１５，１６上には、網状カーボンナノチューブ１９が成長するが、間隙１６においては一本一本が独立した半導体的特性を有するＳＷＮＴ（単層カーボンナノチューブ）２０が、例えば、２μｍ程度の間隔を離して架橋成長する。

次いで、ＳＷＮＴ２０を成長させた支持部材１４を積層圧電素子２１の伸縮方向に沿った平坦化加工面上に例えば、厚さが０．８ｍｍの黄銅製の一対のＬ字状部材２２を介してエポキシ樹脂によって固着する。
なお、この場合の積層圧電素子２１の長さは５．０ｍｍで、その積層数は、例えば、４０層であり、１Ｖ当たりの伸長量は、例えば、０．０３μｍ／Ｖである。

この場合の固着状態としては、Ｌ字状部材２２の支持片２３の側で積層圧電素子２１の伸縮方向の端部と接合させ、一方、Ｌ字状部材２２の支持片２４の側で支持部材１４の底面と接合するようにし、支持部材１４と積層圧電素子２１とは直接接合しない構成とする。

このように構成することによって、積層圧電素子２１に電圧を印加して伸長させ場合、一対のＬ字状部材２２も同時に同じ伸長長さだけ左右に広がるが、支持部材１４は積層圧電素子２１とは直接接合していないため、Ｌ字状部材２２と一緒に一対の支持片２３，２４がスライドして左右に広がり、その結果、積層圧電素子２１の伸長長さだけ間隙１７が広がることになる。

図４参照
図４は、積層圧電素子に電圧を印加した場合のＳＷＮＴの状態の顕微鏡写真を模写したものでであり、左図は無バイアス（０Ｖ）の状態であり、右図は１４Ｖの電圧を印加した状態を示している。
図から明らなように、積層圧電素子に電圧を印加することによって、弛んでいたＳＷＮＴ２０が真っ直ぐになり、引っ張り応力が印加されていることが分かる。

図５参照
図５は、ＳＷＮＴからのフォトルミネッセンス波長の印加電圧依存性の説明図であり、積層圧電素子２１に印加する電圧を大きくするほど、したがって、ＳＷＮＴ２０に印加される引っ張り応力が大きいほど、フォトルミネッセンス波長が長波長側に遷移することが分かり、これは、上記非特許文献１における理論的解析結果における予想に矛盾しない結果を示している。
なお、印加電圧を大きくすると、ＳＷＮＴが切断したり、或いは、ＳＷＮＴが接続している網状のカーボンナノチューブから引き出されて撓んでしまうため、引っ張り応力が印加されない状態となり、無バイアス状態と同じフォトルミネッセンス波長となる。

このように、本発明の実施例１のカーボンナノチューブ波長可変素子においては、間隙を有する支持部材を用いてカーボンナノチューブを架橋成長させているので、一本一本のＳＷＮＴ２０が分離した状態で架橋成長し、一本一本のＳＷＮＴ２０の特性を利用することが可能になる。

また、カーボンナノチューブを間隙間に架橋成長させた支持部材１４を積層圧電素子２１に固着させているので、カーボンナノチューブに印加する引っ張り応力を電気的に任意に制御することができるとともに、デバイス化して小型化することが可能になる。

さらに、この場合、一対のＬ字状部材２２を用いて両者を固着することによって、積層圧電素子２１の伸長量を全て間隙１７の伸長量とすることができるので、小さい印加電圧で大きなバンドギャップ変化を実現することができる。

次に、図６乃至図８を参照して、本発明の実施例２のカーボンナノチューブ分光素子を説明する。
まず、ｐ型シリコン基板１１の表面に熱酸化により酸化膜１２を形成したのち、全面にゲート電極４１，４２となるＷ膜３１を成長させたのち、ゲート絶縁膜となるＳｉＯ₂膜３２を成長させる。

以降は、上記の実施例１と同様に、ダイヤモンドカッターを用いてｐ型シリコン基板１１の劈開方向に沿って表面から裏面に掛けて貫通する程度の溝３３を形成する。

次いで、溝３３の一方の端部側をダイヤモンドカッターで切り離して、一対の支持要素片３５，３６からなる支持部材３４を構成する。
なお、この場合も、溝３３の一方が開放端になることによって形成された間隙３７の平均的間隔は０．５μｍ〜３μｍ、例えば、２μｍ程度であり、一対の支持要素片３５，３６から開放端に向かって若干広がった形状となる。

図７参照
次いで、一対の支持要素片３５，３６上に触媒となるＣｏ膜３８を形成したのち、アルコールＣＣＶＤ法を用いてカーボンナノチューブを成長させる。
成長条件は、例えば、基板温度を８００℃で、Ｃ₂Ｈ₅ＯＨを原料ガスとして、ガス圧２５Ｔｏｒｒで１０分間成長させる。

この時、一対の支持要素片３５，３６上には、カーボンナノチューブ３９が成長するが、間隙３７においては一本一本が独立した半導体的特性を有するＳＷＮＴ４０が、例えば、２μｍ程度の間隔を離して架橋成長する。

次いで、ＳＷＮＴ４０を成長させた支持部材３４を積層圧電素子２１の伸縮方向に沿った平坦化加工面上に例えば、黄銅製の一対のＬ字状部材２２を介してエポキシ樹脂によって固着する。
なお、この場合の積層圧電素子２１の長さは５．０ｍｍであり、その積層数は、例えば、４０層であり、１Ｖ当たりの伸長量は、例えば、０．０３μｍ／Ｖである。

次いで、ＳＷＮＴ２０の両端に例えば、Ｔｉからなるソース電極４３及びドレイン電極４４を形成し、最後に、一対の支持要素片３５，３６の他端を切り離して間隙３７を開放にすることによって、本発明の実施例２のカーボンナノチューブ分光素子の基本構成が完成する。

図８参照
この場合のＳＷＮＴ４０は、上図に示すようにバンドギャップで大きなスパイク状の状態密度を持つことから、あるスペクトルをもつ光がこのカーボンナノチューブ分光素子入射すると、光のエネルギーとバンドギャップが共鳴する、例えば、Ｅ₁₁或いはＥ₂₂に相当するエネルギーのところで大きな光誘起電流が観測されることになり、この特性を利用することで、グレーティング等を用いることなく超小型の分光器を作製することが可能になる。
なお、光励起電流を観測する際には、ソース電極４３とドレイン電極４４間に電圧を印加した状態で電流を測定しても良い。

即ち、下図に示すように、ナノチューブに印加する応力を変化させながら入射光による光誘起電流を観測した場合、測定される電流の圧電素子印加電圧依存特性性が入射光のスペクトルに対応することになる。
なお、ゲート電極に印加する電圧は、カーボンナノチューブＦＥＴが良好なａｍｂｉｐｏｌａｒ特性が得られるように制御して印加すれば良い。

このように、本発明の実施例２においては、圧力印加による連続的なバンドギャップの変化と共鳴とを利用しているので、従来のグレーティングを用いた分光器とは全く原理の異なる新しい分光法であり、そのため、従来の卓上分光器を１チップ化することができ、超小型の分光器が可能になる。

次いで、図９を参照して、本発明の実施例３のカーボンナノチューブ分光素子を説明するが、ソース・ドレイン電極の形成材料が異なるだけであって、基本的製造工程は上記の実施例２と全く同様であるので、最終的な素子の断面構造のみを示す。
図９参照
図９は、本発明の実施例３のカーボンナノチューブ分光素子の概略的断面図であり、ソース電極５１として、ＳＷＮＴ４０よりも仕事関数の大きな金属、例えば、Ｐｄと、Ａｌとの積層膜を用い、一方、ドレイン電極５２としてはＳＷＮＴ４０よりも仕事関数の小さな金属、例えば、Ｃａと、Ａｌとの積層膜を用いる。

この場合、ソース電極５１を形成する場合には、マスク成膜法を用いてＰｄ膜及びＡｌ膜を順次選択成長させれば良く、ドレイン電極５２を形成する場合にも、マスク成膜法を用いてＣａ膜及びＡｌ膜を順次選択成長させれば良い。

この実施例３においては、ソース電極５１側においては正孔注入効率を制御するように、即ち、ソース電極５１側に形成されるショットキーバリアの障壁層の厚さを制御するようにゲート電極４１に印加する電圧を制御し、一方、ドレイン電極５２側においては電子注入効率を制御するように、即ち、ドレイン電極５２側に形成されるショットキーバリアの障壁層の厚さを制御するようにゲート電極４２に印加する電圧を制御すれば良い。

このように、本発明の実施例３においては、ソース電極側とドレイン電極側を独立に制御しているので、光起電力型の分光素子を構成することができる。

次いで、図１０を参照して、本発明の実施例４のカーボンナノチューブ分光素子を説明するが、実施例２と同様に、一対の支持要素片３５，３６の他端を切り離して間隙３７を開放にすることによって別個のゲート電極を省略しただけであって、基本的製造工程は上記の実施例１と全く同様であるので、最終的な素子の断面構造のみを示す。
図１０参照
図１０は、本発明の実施例４のカーボンナノチューブ分光素子の概略的断面図であり、ゲート電極として、ｐ型シリコン基板１１自体を用いたものである。

即ち、ｐ型シリコン基板１１は、一対の支持要素片３５，３６の他端を切り離した際に、電気的にも切り離されており、且つ、導電性を有しているので、別個にゲート電極を設けることなく、ｐ型シリコン基板１１自体に電圧を印加することによってゲート電極として作用させることができ、製造工程が簡素化される。

次いで、図１１を参照して、本発明の実施例５のカーボンナノチューブ波長可変発光素子を説明するが、基本的な構成は上記の実施例３と全く同様であるので、最終的な素子の断面構造のみを示す。
図１１参照
図１１は、本発明の実施例５のカーボンナノチューブ波長可変発光の概略的断面図であり、ソース電極６１として、ＳＷＮＴ４０よりも仕事関数の大きな金属、例えば、Ｐｄと、Ａｌとの積層膜を用い、一方、ドレイン電極６２としてはＳＷＮＴ４０よりも仕事関数の小さな金属、例えば、Ｃａと、Ａｌとの積層膜を用いる。

この場合も、ソース電極６１を形成する場合には、マスク成膜法を用いてＰｄ膜及びＡｌ膜を順次選択成長させれば良く、ドレイン電極６２を形成する場合にも、マスク成膜法を用いてＣａ膜及びＡｌ膜を順次選択成長させれば良い。

この実施例５においては、ソース電極６１側においては正孔注入効率が向上するように、即ち、ソース電極６１側に形成されるショットキーバリアの障壁層の厚さが薄くなるようにゲート電極４１に印加する電圧を制御し、一方、ドレイン電極６２側においては電子注入効率が向上するように、即ち、ドレイン電極６２側に形成されるショットキーバリアの障壁層の厚さが薄くなるようにゲート電極４２に印加する電圧を制御すれば良い。

このように、本発明の実施例５においては、積層圧電素子２１に印加する電圧を制御して、ＳＷＮＴ４０に印加される引っ張り応力を制御することによって、発光波長を広範な範囲にわたって可変にすることができる。
また、発光効率は、ゲート電極４１，４２に印加する電圧で正孔及び電子の注入効率を制御することによって制御することができる。

次いで、図１２を参照して、本発明の実施例６のカーボンナノチューブ波長可変発光素子を説明するが、実施例２と同様に、一対の支持要素片３５，３６の他端を切り離して間隙３７を開放にすることによって別個のゲート電極を省略しただけであって、基本的製造工程は上記の実施例１と同様であるので、最終的な素子の断面構造のみを示す。
図１２参照
図１２は、本発明の実施例６のカーボンナノチューブ可変波長発光素子の概略的断面図であり、ゲート電極として、ｐ型シリコン基板１１自体を用いたものであり、また、ソース・ドレイン電極としては、実施例５と同様に、ソース電極６１はマスク成膜法を用いてＰｄ膜及びＡｌ膜を順次選択成長させた積層膜を用い、ドレイン電極６２はマスク成膜法を用いてＣａ膜及びＡｌ膜を順次選択成長させた積層膜を用いる。

この場合も、ｐ型シリコン基板１１は、一対の支持要素片３５，３６の他端を切り離した際に、電気的にも切り離されており、且つ、導電性を有しているので、別個にゲート電極を設けることなく、ｐ型シリコン基板１１自体に電圧を印加することによってゲート電極として作用させることができ、製造工程が簡素化される。

以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は各実施例に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においては、支持部材を構成する支持基板としてｐ型シリコン基板を用いているが、ｎ型シリコン基板を用いても良いものであり、また、ゲート機能を用いない場合或いはゲート電極を別個に形成する場合には半絶縁性シリコン基板を用いても良いものである。
さらには、支持基板としては、ガラス基板等の他の絶縁性基板を用いても良いものであり、劈開を利用する場合には、劈開面を有する単結晶絶縁基板が望ましい。

また、上記の各実施例においては、触媒としてＣｏ膜を用いているが、Ｃｏに限られるものではなく、ＰｔやＦｅ等のカーボンナノチューブの成長の際に触媒となる他の材料を用いても良いものである。
また、触媒は膜状である必要はなく、例えば、Ｃｏ，Ｐｔ，Ｆｅ等の触媒微粒子を溶媒とともに噴霧することによって、支持要素部材上に固着させても良いものである。

また、上記の各実施例においては、カーボンナノチューブの成長方法としてアルコールＣＣＶＤ法を用いているが、アルコールＣＣＶＤ法に限られるものではなく、プラズマＣＶＤ法等の他の成長方法を用いても良いものである。

また、上記の各実施の形態においては、支持部材を圧電素子に固着する際に、Ｌ字状部材を用いているが、Ｌ字状部材は必ずしも必須ではなく、支持部材を圧電素子の伸縮方向に沿った平坦化面に直接接着させても良いものである。
但し、この場合には、間隙の変位量が少なくなるので圧電素子に大きな電圧を印加する必要がある。

また、上記の各実施例においては、Ｌ字状部材として加工容易性の観点から黄銅を用いているが、黄銅に限られるものではなく、Ｔｉ等の黄銅より硬度の大きな他の金属やセラミック材料を用いても良いものである。

また、上記の実施例３乃至実施例６においては、ソース電極としてＰｄを用いているが、Ｐｄに限られるものではなく、Ｐｄと同様に、使用するカーボンナノチューブより仕事関数の大きな金属であれば良く、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ等を用いても良いものである。

また、上記の実施例３乃至実施例６においては、ドレイン電極としてＣａを用いているが、Ｃａに限られるものではなく、Ｃａと同様に、使用するカーボンナノチューブより仕事関数の小さな金属であれば良く、例えば、Ｃｓ，Ｋ，Ｌｉ，Ｍｇ等を用いても良いものである。

また、上記の各実施例においては、架橋成長するＳＷＮＴの本数については言及していないが、本数は任意であるので、一本のみであっても良いし、複数本であっても良い。
但し、実験的には架橋するＳＷＮＴの平均間隔は２μｍ程度であるので、間隙の長さを制御することによって成長本数を制御することは可能である。

なお、複数本のＳＷＮＴを成長させる場合には、フォトルミネッセンス発光を測定して、目的に対して最適なバンドギャップを有する特定の一本にソース・ドレイン電極を形成して波長可変素子としても良いし、全てのＳＷＮＴに個々のソース・ドレイン電極を形成してアレイ的に使用しても良い。
なお、アレイ的に用いる場合には、各ＳＷＮＴの間の網状カーボンナノチューブ及びＣｏ膜（触媒膜）を除去する必要がある。

さらには、全てのＳＷＮＴに共通のソース・ドレイン電極を形成しても良く、特に、発光素子の場合には光出力を大きくすることができる。
なお、ＳＷＮＴのバンドギャップは太さ等に依存するので、共通のソース・ドレイン電極を形成した場合には、ピーク発光波長はブロードになる。
或いは、多数のＳＷＮＴの内から、対物レンズを用いて特定の一本のＳＷＮＴのみからの発光を選択的に取り出して使用することもできる。

本発明の活用例としては、電流注入型波長可変発光素子や超小型分光素子等のディスクリートデバイスが典型的なものであるが、本デバイスは小型のために様々な機器・デバイスに導入することが可能であり、様々な機器・デバイスとの融合による新しい光・電子デバイスへの応用が可能となる。

本発明の原理的構成の説明図である。本発明の実施例１のカーボンナノチューブ波長可変素子の途中までの製造工程の説明図である。本発明の実施例１のカーボンナノチューブ波長可変素子の図２以降の製造工程の説明図である。積層圧電素子に電圧を印加した場合のＳＷＮＴの状態の説明図である。ＳＷＮＴからのフォトルミネッセンス波長の印加電圧依存性の説明図である。本発明の実施例２のカーボンナノチューブ分光素子の途中までの製造工程の説明図である。本発明の実施例２のカーボンナノチューブ分光素子の図６以降の製造工程の説明図である。本発明の実施例２のカーボンナノチューブ分光素子の分光原理の説明図である。本発明の実施例３のカーボンナノチューブ分光素子の概略的断面図である。本発明の実施例４のカーボンナノチューブ分光素子の概略的断面図である。本発明の実施例５のカーボンナノチューブ波長可変発光素子の概略的断面図である。本発明の実施例６のカーボンナノチューブ波長可変発光素子の概略的断面図である。

符号の説明

１支持部材
２支持要素部材
３支持基板
４間隙
５ゲート電極
６カーボンナノチューブ
７電極
８電極
９Ｌ字状部材
１０圧電素子
１１ｐ型シリコン基板
１２酸化膜
１３溝
１４支持部材
１５支持要素片
１６支持要素片
１７間隙
１８Ｃｏ膜
１９網状カーボンナノチューブ
２０ＳＷＮＴ
２１積層圧電素子
２２Ｌ字状部材
２３支持片
２４支持片
３１Ｗ膜
３２ＳｉＯ₂膜
３３溝
３４支持部材
３５支持要素片
３６支持要素片
３７間隙
３８Ｃｏ膜
３９網状カーボンナノチューブ
４０ＳＷＮＴ
４１ゲート電極
４２ゲート電極
４３ソース電極
４４ドレイン電極
５１ソース電極
５２ドレイン電極
６１ソース電極
６２ドレイン電極

Claims

少なくとも一方が開放された間隙を介して対向するとともに、前記間隙を架橋する孤立したカーボンナノチューブを設けた１対の支持要素部材からなる支持部材を圧電素子の伸縮方向に沿った面に結合したことを特徴とする波長可変カーボンナノチューブ素子。
上記圧電素子の伸縮方向と略垂直な端面に固着される第１の支持片と、前記第１の支持片と略垂直方向に延在して上記支持部材の底面に固着される第２の支持片とからなる１対のＬ字状部材によって、前記支持部材と圧電素子とを結合したことを特徴とする請求項１記載の波長可変カーボンナノチューブ素子。
上記各支持要素部材が、上記カーボンナノチューブに対するゲート電極を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変カーボンナノチューブ素子。
上記カーボンナノチューブの両端に設けた電極が、互いに仕事関数の異なる金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長可変カーボンナノチューブ素子。
上記カーボンナノチューブに対する一対のゲート電極に対して、互いに異なった電圧を印加する機構を設けたことを特徴とする請求項４記載の波長可変カーボンナノチューブ素子。