JP2008239378A - Method for manufacturing monolayer carbon nanotube - Google Patents

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Takao Shiokawa
高雄 塩川
Koji Ishibashi
幸治 石橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a growth method of monolayer carbon nanotube by which carbon nanotubes can be grown at a low pressure and/or a low temperature. <P>SOLUTION: The method comprises heating a substrate provided with a catalyst in an ultrahigh vacuum space and then introducing a source material gas to grow monolayer carbon nanotubes, wherein the pressure in the ultrahigh vacuum space just before heating the substrate is not more than 1/1000 of the pressure in the ultrahigh vacuum space when introduction of the source material gas is finished. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、単層カーボンナノチューブの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing single-walled carbon nanotubes.

触媒を用いた化学気相成長法(以下、「CCVD」と略すことがある)を利用した、単層カーボンナノチューブ(以下、「SWNTs」と略すことがある)の成長方法は、集積化が可能な成長方法として注目されている。しかし、従来から公知のメタンガスを原料に用いたCCVDは高圧(例えば、50kPa)・高温(例えば、900℃)で行われていたため、その用途は制限されていた。
そこで、非特許文献1に記載のように、アルコールを用い、低圧(1.5kPa)・低温(550℃)でSWNTsを成長させる方法が開発された。しかしながら、この方法でも、シリコンデバイス上や、ガリウム砒素デバイス上にSWNTsを成長させる場合には、温度が高すぎ、シリコンデバイスやガリウム砒素デバイスが壊されてしまう。
例えば、SWNTsとGaAs/AlGaAs系基板とからなるハイブリッドデバイスでは、該基板上にSWNTsを成長させて作製するが、該基板上に400℃以上でSWNTsを成長させようとすると、基板中のAsが抜けて、基板が破壊されてしまう。このために、現在は他の成長方法で成長したSWNTsを基板上に分散させて利用している。このような間接的な成長方法では、プロセス数が多くなるためにSWNTsに損傷が入る可能性が高く、また、集積化には対応できないなどの重要な欠点がある。
The growth method of single-walled carbon nanotubes (hereinafter abbreviated as “SWNTs”) using a chemical vapor deposition method using a catalyst (hereinafter abbreviated as “CCVD”) can be integrated. Is attracting attention as a new growth method. However, since CCVD using conventionally known methane gas as a raw material has been performed at a high pressure (for example, 50 kPa) and a high temperature (for example, 900 ° C.), its application has been limited.
Therefore, as described in Non-Patent Document 1, a method for growing SWNTs at low pressure (1.5 kPa) and low temperature (550 ° C.) using alcohol has been developed. However, even in this method, when SWNTs are grown on a silicon device or a gallium arsenide device, the temperature is too high and the silicon device or the gallium arsenide device is broken.
For example, a hybrid device composed of SWNTs and a GaAs / AlGaAs substrate is manufactured by growing SWNTs on the substrate. It will come off and the substrate will be destroyed. For this purpose, SWNTs grown by other growth methods are currently dispersed on the substrate. Such an indirect growth method has an important disadvantage that the SWNTs are likely to be damaged due to an increase in the number of processes and cannot be integrated.

また、SWNTsは、従来から用いられている銅材料を用いた集積回路と比較して、3桁以上の大電流を流すことができ、許容電流密度が高いため、また熱伝導率も高いために次期配線材料として注目されている。しかしながら、集積回路の層間配線は、通常、製作過程の最終工程で行われるため、SWNTs配線の成長温度が高いと層間絶縁層や配線下のデバイスに多大な影響を与える。このために、成長温度を低くすることが求められている。
かかる状況のもと、非特許文献2には、アセチレンガスを原料とし、Al/Fe触媒を用いて350℃でSWNTsを成長させる方法が記載されている。この方法は、触媒の活性化のため、高圧力のアンモニアガスまたは水素ガス雰囲気で成長温度(350℃)と同じ温度で処理することが必要である。しかしながら、このようなガス雰囲気中での高温処理では、シリコンデバイス上の低誘電率絶縁物のエッチングやGaAs系基板表面の窒化が起こる可能性が高いという問題がある。
In addition, SWNTs can flow a large current of 3 digits or more compared to an integrated circuit using a copper material that has been used conventionally, and since the allowable current density is high and the thermal conductivity is also high. It is attracting attention as the next wiring material. However, since the interlayer wiring of the integrated circuit is normally performed at the final step of the manufacturing process, if the growth temperature of the SWNTs wiring is high, the interlayer insulating layer and the device under the wiring are greatly affected. For this reason, it is required to lower the growth temperature.
Under such circumstances, Non-Patent Document 2 describes a method of growing SWNTs at 350 ° C. using an acetylene gas as a raw material and using an Al / Fe catalyst. This method requires treatment at the same temperature as the growth temperature (350 ° C.) in a high-pressure ammonia gas or hydrogen gas atmosphere in order to activate the catalyst. However, in such a high temperature treatment in a gas atmosphere, there is a problem that there is a high possibility that etching of a low dielectric constant insulator on a silicon device or nitriding of the surface of a GaAs substrate occurs.

Chem.Phys.Lett.,360,229(2002)Chem. Phys. Lett., 360, 229 (2002) Nano.Lett.6, 1107(2006)Nano.Lett. 6, 1107 (2006)

本発明は上記課題を解決することを目的とするものであって、新規なSWNTsの成長方法を提供することを目的とする。   The present invention aims to solve the above-described problems, and provides a novel method for growing SWNTs.

本願発明者は、触媒が設けられた基板を加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法において、これらの一連の操作を超高真空空間で行い、かつ、基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力(以下、「初期圧力」ということがある)が、原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力(以下、「成長圧力」ということがある)の1/1000以下となるようにすることにより、低温および/または低圧力でも良好なSWNTsを成長させうることを見出した。特に、超高真空空間において作業を行い、かつ、初期圧力と成長圧力の比を特定の値とした点に本発明の特徴がある。例えば、上記非特許文献2(Nano.Lett.6, 1107(2006))に記載の方法は、350℃でSWNTsを成長させることに成功しているが、超高真空空間において行っておらず、初期圧力と成長圧力の比が重要な点について何ら記載されていない。   The inventor of the present application performs a series of operations in an ultra-high vacuum space and heats the substrate in a method of growing a single-walled carbon nanotube after introducing a source gas after heating a substrate provided with a catalyst. The pressure in the ultra-high vacuum space (hereinafter sometimes referred to as “initial pressure”) just before the start is the pressure in the ultra-high vacuum space (hereinafter also referred to as “growth pressure”) when the introduction of the source gas is completed. It was found that good SWNTs can be grown even at low temperatures and / or low pressures by setting the ratio to 1/1000 or less. In particular, the present invention is characterized in that the work is performed in an ultra-high vacuum space and the ratio between the initial pressure and the growth pressure is set to a specific value. For example, the method described in Non-Patent Document 2 (Nano. Lett. 6, 1107 (2006)) succeeds in growing SWNTs at 350 ° C., but is not performed in an ultrahigh vacuum space. No mention is made of the importance of the ratio of initial pressure to growth pressure.

具体的には、上記課題は、下記手段により、達成された。
(1)超高真空空間において、触媒が設けられた基板を加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000以下である単層カーボンナノチューブの成長方法。
(2)超高真空空間において、基板に触媒を設け、該触媒が設けられた基板を加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000以下である単層カーボンナノチューブの成長方法。
(3)超高真空空間において、基板をクリーニングした後、基板に触媒を設け、該触媒が設けられた基板を加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000以下である単層カーボンナノチューブの成長方法。
(4)アルゴンガスにより基板のクリーニングを行う、(3)に記載の成長方法。
(5)クリーニングを、700〜800℃で行う、(3)または(4)に記載の成長方法。
(6)前記触媒が設けられた基板の加熱温度は、430℃以下である、(1)〜(5)のいずれか1項に記載の単層カーボンナノチューブの成長方法。
(7)前記単層カーボンナノチューブを、10nm/分以下の速度で成長させる、(1)〜(6)のいずれか1項に記載の成長方法。
(8)前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、2×10-7〜1×10-5Paである、(1)〜(7)のいずれか1項に記載の成長方法。
(9)前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力が、0.001〜0.2Paである、(1)〜(8)のいずれか1項に記載の成長方法。
(10)前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000〜1/10000である、(1)〜(9)のいずれか1項に記載の成長方法。
(11)前記原料ガスが、炭化水素系ガスである、(1)〜(10)のいずれか1項に記載の成長方法。
(12)原料ガスが、アルコール系ガスである、(1)〜(10)のいずれか1項に記載の成長方法。
(13)原料ガスが、エチルアルコールである、(1)〜(10)のいずれか1項に記載の成長方法。
(14)触媒が、コバルトを含む、(1)〜(13)のいずれか1項に記載の成長方法。
(15)超高真空空間において、触媒が設けられた基板を350〜750℃に加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が2×10-7〜1×10-5Paであり、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力が0.002〜0.2Paである単層カーボンナノチューブの成長方法。
Specifically, the above problem has been achieved by the following means.
(1) A method of growing a single-walled carbon nanotube by introducing a source gas after heating a substrate provided with a catalyst in an ultra-high vacuum space, wherein the ultra-high vacuum space just before heating the substrate A method for growing single-walled carbon nanotubes, wherein the pressure is 1/1000 or less of the pressure in the ultra-high vacuum space when the introduction of the source gas is completed.
(2) In an ultra-high vacuum space, a method is provided in which a catalyst is provided on a substrate, the substrate provided with the catalyst is heated, a source gas is introduced, and single-walled carbon nanotubes are grown. A method for growing single-walled carbon nanotubes, wherein the pressure in the ultra-high vacuum space immediately before is less than 1/1000 of the pressure in the ultra-high vacuum space at the time when the introduction of the source gas is completed.
(3) A method of growing single-walled carbon nanotubes by cleaning a substrate in an ultra-high vacuum space, providing a catalyst on the substrate, heating the substrate provided with the catalyst, and then introducing a source gas. The method for growing single-walled carbon nanotubes, wherein the pressure in the ultra-high vacuum space immediately before heating the substrate is 1/1000 or less of the pressure in the ultra-high vacuum space when the introduction of the source gas is completed.
(4) The growth method according to (3), wherein the substrate is cleaned with argon gas.
(5) The growth method according to (3) or (4), wherein the cleaning is performed at 700 to 800 ° C.
(6) The method for growing single-walled carbon nanotubes according to any one of (1) to (5), wherein the heating temperature of the substrate provided with the catalyst is 430 ° C. or lower.
(7) The growth method according to any one of (1) to (6), wherein the single-walled carbon nanotube is grown at a rate of 10 nm / min or less.
(8) The growth method according to any one of (1) to (7), wherein the pressure in the ultra-high vacuum space immediately before heating the substrate is 2 × 10 −7 to 1 × 10 −5 Pa. .
(9) The growth method according to any one of (1) to (8), wherein the pressure in the ultrahigh vacuum space at the time when the introduction of the source gas is completed is 0.001 to 0.2 Pa.
(10) The pressure in the ultra-high vacuum space immediately before heating the substrate is 1/1000 to 1/10000 of the pressure in the ultra-high vacuum space at the time when the introduction of the source gas is completed. The growth method according to any one of 9).
(11) The growth method according to any one of (1) to (10), wherein the source gas is a hydrocarbon-based gas.
(12) The growth method according to any one of (1) to (10), wherein the source gas is an alcohol-based gas.
(13) The growth method according to any one of (1) to (10), wherein the source gas is ethyl alcohol.
(14) The growth method according to any one of (1) to (13), wherein the catalyst contains cobalt.
(15) A method in which a substrate provided with a catalyst is heated to 350 to 750 ° C. in an ultra-high vacuum space, and then a raw material gas is introduced to grow single-walled carbon nanotubes immediately before heating the substrate. Single layer in which the pressure in the ultra-high vacuum space is 2 × 10 −7 to 1 × 10 −5 Pa, and the pressure in the ultra-high vacuum space is 0.002 to 0.2 Pa when the introduction of the source gas is completed Carbon nanotube growth method.

本発明の成長方法を採用することにより、低温(例えば、400℃未満)および/または低圧でも、SWNTsを成長させることが可能になった。   By employing the growth method of the present invention, it has become possible to grow SWNTs even at low temperatures (for example, less than 400 ° C.) and / or low pressure.

以下において、本発明の内容について詳細に説明する。尚、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。   Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. In the present specification, “to” is used to mean that the numerical values described before and after it are included as a lower limit value and an upper limit value.

本発明では、触媒が設けられた基板を加熱し、原料ガスを導入し、SWNTsを成長させる方法において、これらの作業を超高真空空間において行い、かつ、初期圧力が、成長圧力の1/1000以下となるように調整している。ここで、超高真空空間とは、1×10-5Pa以下の圧力状態のことをいう。
初期圧力は、成長圧力の1/1000〜1/10000であることが好ましく、1/1000〜1/100000であることがより好ましい。このような手段を採用することにより、SWNTsの成長温度が低くても、基板の損傷等の問題なく、良好なSWNTsを成長させることができる。
また、本発明では、初期圧力を1×10-5〜2×10-7Paとすることが好ましく、1×10-5Pa〜1×10-8Paとすることがより好ましい。初期圧力の調整は、通常、超高真空装置において、排気時間を調整することによって行う。排気時間は、設定する初期圧力に応じて適宜調整することができ、通常、10〜120分である。但し、超高真空空間内の圧力が、圧力調整前から、初期圧力に適した圧力となっている場合、圧力の調整作業が不要であることは言うまでもない。
さらに、本発明では、成長圧力を、0.001Pa〜0.1Paとすることができ、さらには、0.002〜0.05Paとすることができる。成長圧力は、原料ガスの導入によって、通常は、流量制御器による調整する。具体的な導入量は、通常、0.24〜24cc/分である。
In the present invention, in a method of heating a substrate provided with a catalyst, introducing a source gas, and growing SWNTs, these operations are performed in an ultrahigh vacuum space, and the initial pressure is 1/1000 of the growth pressure. The following adjustments have been made. Here, the ultra-high vacuum space means a pressure state of 1 × 10 −5 Pa or less.
The initial pressure is preferably 1/1000 to 1/10000 of the growth pressure, and more preferably 1/1000 to 1/100000. By adopting such means, even if the growth temperature of SWNTs is low, good SWNTs can be grown without problems such as substrate damage.
In the present invention, the initial pressure is preferably 1 × 10 −5 to 2 × 10 −7 Pa, more preferably 1 × 10 −5 Pa to 1 × 10 −8 Pa. Adjustment of the initial pressure is usually performed by adjusting the exhaust time in an ultra-high vacuum apparatus. The exhaust time can be appropriately adjusted according to the initial pressure to be set, and is usually 10 to 120 minutes. However, it goes without saying that the pressure adjustment work is not necessary when the pressure in the ultra-high vacuum space is a pressure suitable for the initial pressure before the pressure adjustment.
Furthermore, in the present invention, the growth pressure can be 0.001 Pa to 0.1 Pa, and further can be 0.002 to 0.05 Pa. The growth pressure is usually adjusted by a flow controller by introducing the raw material gas. The specific introduction amount is usually 0.24 to 24 cc / min.

本発明において、触媒が設けられた基板の加熱温度が、SWNTsの成長温度に相当する。本発明の方法においては、基板の加熱温度を、例えば、430℃以下、さらには、400℃未満とすることができる。このように、基板の加熱温度を低くすることにより、損傷が少なく、集積化可能にSWNTsを成長させることができる。尚、本発明の方法では、初期圧力と成長圧力を調整することにより、成長温度を調整できるため、成長温度の下限値は、特に定めるものではない。すなわち、成長温度が低くても高くても、良好なSWNTsを成長させることが可能になる。   In the present invention, the heating temperature of the substrate provided with the catalyst corresponds to the growth temperature of SWNTs. In the method of the present invention, the heating temperature of the substrate can be, for example, 430 ° C. or lower, and further lower than 400 ° C. In this way, by lowering the substrate heating temperature, SWNTs can be grown with little damage and can be integrated. In the method of the present invention, since the growth temperature can be adjusted by adjusting the initial pressure and the growth pressure, the lower limit value of the growth temperature is not particularly defined. That is, it is possible to grow good SWNTs regardless of whether the growth temperature is low or high.

本発明の成長方法において、原料ガスを導入したあと、SWNTsを成長させる時間(以下、「成長時間」ということがある)は、初期圧力、成長圧力、成長温度等によって適宜定めることができるが、例えば、アルコール系ガスを原料ガスとして用いる場合、50〜2000分である。   In the growth method of the present invention, after introducing the source gas, the time for growing SWNTs (hereinafter sometimes referred to as “growth time”) can be appropriately determined according to the initial pressure, growth pressure, growth temperature, etc. For example, when an alcohol-based gas is used as a raw material gas, it is 50 to 2000 minutes.

特に発明では、触媒が設けられた基板の加熱温度が350〜450℃の場合(好ましくは360〜450℃の場合)、初期圧力2×107〜2×10-6Pa、成長圧力0.002〜0.02Paであることが好ましく、この場合の成長時間は、500〜2000分であることが好ましい。
また、触媒が設けられた基板の加熱温度が450〜650℃の場合、初期圧力2×10-6〜5×10-6Pa、成長圧力0.02〜0.05Paであることが好ましく、この場合の成長時間は、500〜200分であることが好ましい。
特に、触媒が設けられた基板の加熱温度が650〜750℃の場合、初期圧力1×10-6〜5×10-6Pa、成長圧力0.05〜0.2Paであることが好ましく、この場合の成長時間は、200〜50分であることが好ましい。
In particular, in the invention, when the heating temperature of the substrate provided with the catalyst is 350 to 450 ° C. (preferably 360 to 450 ° C.), the initial pressure is 2 × 10 7 to 2 × 10 −6 Pa, and the growth pressure is 0.002. It is preferable that it is -0.02 Pa, and it is preferable that the growth time in this case is 500-2000 minutes.
When the heating temperature of the substrate provided with the catalyst is 450 to 650 ° C., it is preferable that the initial pressure is 2 × 10 −6 to 5 × 10 −6 Pa and the growth pressure is 0.02 to 0.05 Pa. In this case, the growth time is preferably 500 to 200 minutes.
In particular, when the heating temperature of the substrate provided with the catalyst is 650 to 750 ° C., the initial pressure is preferably 1 × 10 −6 to 5 × 10 −6 Pa and the growth pressure is 0.05 to 0.2 Pa. In this case, the growth time is preferably 200 to 50 minutes.

本発明においては、単層カーボンナノチューブを、10nm/分以下の速度で成長させることが好ましく、1nm/分以下の速度で成長させることがより好ましい。このように遅い速度で成長させることにより、長さ方向の制御が高精度に可能となるという利点がある。このような遅い成長速度は、本発明におけるSWNTsの成長を、超高真空空間において行い、かつ、初期圧力が、成長圧力の1/1000以下となるようにしたことの相乗効果によって達成される。   In the present invention, the single-walled carbon nanotubes are preferably grown at a rate of 10 nm / min or less, more preferably 1 nm / min or less. By growing at such a low speed, there is an advantage that control in the length direction can be performed with high accuracy. Such a slow growth rate is achieved by a synergistic effect that the SWNTs in the present invention are grown in an ultra-high vacuum space and the initial pressure is 1/1000 or less of the growth pressure.

本発明では、触媒が基板上に設けられたものを用いてSWNTsを成長させてもよいが、好ましくは、超高真空空間において、触媒を基板上に設ける。超高真空空間において、触媒を基板上に設けることにより、触媒の酸化、汚染などを極めて軽減できるという利点がある。触媒を設ける方法は公知の方法を採用できるが、通常、基板上に触媒材料を蒸着させることにより設ける。
ここで、本発明の成長方法における触媒の種類は、本発明の趣旨を逸脱しない限り特に定めるものではないが、例えば、Ni、Fe、Coなどの鉄族、Pd、Pt、Rhなどの白金族、La、Yなどの希土類金属、あるいはMo、Mnなどの遷移金属のいずれかを含む単体金属、合金または化合物の1種以上から選択される。このうち、Fe、Ni、Co、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、La、Y、MoおよびMnからなる群から選択されるいずれか1種以上を含む金属または化合物が好ましく、Coおよび/またはPtを含むことがより好ましく、Coを含むことがさらに好ましい。
In the present invention, SWNTs may be grown using a catalyst provided on a substrate, but the catalyst is preferably provided on the substrate in an ultra-high vacuum space. By providing the catalyst on the substrate in the ultra-high vacuum space, there is an advantage that the oxidation and contamination of the catalyst can be extremely reduced. Although a known method can be adopted as a method for providing the catalyst, it is usually provided by depositing a catalyst material on the substrate.
Here, the type of catalyst in the growth method of the present invention is not particularly defined unless it deviates from the gist of the present invention. For example, an iron group such as Ni, Fe, and Co, and a platinum group such as Pd, Pt, and Rh And selected from one or more of single metals, alloys or compounds containing rare earth metals such as La, Y, and transition metals such as Mo and Mn. Of these, metals or compounds containing at least one selected from the group consisting of Fe, Ni, Co, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, La, Y, Mo, and Mn are preferred, and Co and More preferably, Pt is contained, and Co is further preferably contained.

また、基板の種類は、成長させたSWNTsの用途等に応じて適宜定めることができ、例えば、シリコン、石英、サファイア、MgOなどの結晶基板、アルミナ、ガラスなどの非晶質基板、またその他の金属基板を用いることができる。本発明では、SWNTsの成長温度を低くすることができるため、耐熱性が低い基板も採用できる。   The type of the substrate can be appropriately determined according to the use of the grown SWNTs, for example, a crystal substrate such as silicon, quartz, sapphire, MgO, an amorphous substrate such as alumina, glass, and the like. A metal substrate can be used. In the present invention, since the growth temperature of SWNTs can be lowered, a substrate having low heat resistance can also be employed.

本発明の成長方法における原料ガスは、炭化水素系ガスが好ましく、エチルアルコールなどのアルコール系ガスならびにアセチレンなどが特に好ましい。   The raw material gas in the growth method of the present invention is preferably a hydrocarbon gas, particularly preferably an alcohol gas such as ethyl alcohol, and acetylene.

本発明においては、基板に触媒を設けるに際し、基板をクリーニングすることが好ましい。この場合、クリーニングも、超高真空空間において行うことが好ましい。本発明のSWNTsの成長方法においては、基板のクリーニングを含めた一連の操作を超高真空空間中で行うことにより、低圧力による低温成長することができ、さらに、有利な条件でSWNTsが得られるという相乗的な利点がある。また、本発明では、基板をクリーニングした後に触媒を設けることができるため、触媒の酸化、汚染などを防ぐという利点がある。
クリーニングは、希ガスやアンモニア、水素等のガスを導入することによって行うことが好ましく、アルゴンガスの導入によって行うことが基板との不要な反応がないのでより好ましい。さらに超高真空中で行うことがさらに好ましい。ガス導入の温度は、通常、成長温度と同程度であり、導入ガスの圧力は、通常、0.1〜1.0Pa程度であり、ガスの導入時間は、通常、10〜60分である。
In the present invention, it is preferable to clean the substrate when the catalyst is provided on the substrate. In this case, cleaning is also preferably performed in an ultra-high vacuum space. In the method for growing SWNTs according to the present invention, by performing a series of operations including cleaning of a substrate in an ultra-high vacuum space, low-temperature growth can be achieved with low pressure, and SWNTs can be obtained under advantageous conditions. There is a synergistic advantage. Further, in the present invention, since the catalyst can be provided after the substrate is cleaned, there is an advantage of preventing oxidation and contamination of the catalyst.
Cleaning is preferably performed by introducing a gas such as a rare gas, ammonia, or hydrogen, and more preferably by introducing argon gas because there is no unnecessary reaction with the substrate. Furthermore, it is more preferable to carry out in an ultrahigh vacuum. The gas introduction temperature is usually about the same as the growth temperature, the pressure of the introduction gas is usually about 0.1 to 1.0 Pa, and the gas introduction time is usually 10 to 60 minutes.

特に本発明では、初期圧力が、成長圧力の1/1000以下であり、超高真空中で、クリーニングした基板に触媒を設ける手段を、併せて採用することにより、SWNTsの成長速度が制御可能な速度であり、SWNTs成長量が多く、かつ、得られるSWNTsが良好なものが得られる。特に、これらの効果は、上記の手段を組み合わせて採用することにより、相乗的に発揮される。   In particular, in the present invention, the initial pressure is 1/1000 or less of the growth pressure, and the growth rate of SWNTs can be controlled by employing a means for providing a catalyst on a cleaned substrate in an ultra-high vacuum. It is the speed, the amount of SWNTs grown is large, and the obtained SWNTs are good. In particular, these effects are exhibited synergistically by employing a combination of the above means.

本発明の成長方法により成長させたSWNTsは、各種トランジスタや配線材料等に用いることができる。   SWNTs grown by the growth method of the present invention can be used for various transistors and wiring materials.

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown below.

実施例1
基板のクリーニング
SiO2/Si基板を、超高真空装置(製造元:(株)片桐エンジニアリング、品番:UHV−400Xに導入し、10-7Pa下の超高真空中で800℃、2時間のクリーニングを行った。
Example 1
Cleaning the substrate The SiO 2 / Si substrate was introduced into an ultra-high vacuum apparatus (manufacturer: Katagiri Engineering Co., Ltd., product number: UHV-400X, and cleaned at 800 ° C. for 2 hours in an ultra-high vacuum at 10 −7 Pa. Went.

触媒の蒸着
前記クリーニングした基板の表面に、超高真空装置中で、コバルトを平均膜厚が0.1nmとなるように蒸着した。
Deposition of catalyst Cobalt was deposited on the surface of the cleaned substrate in an ultrahigh vacuum apparatus so that the average film thickness was 0.1 nm.

初期圧力の設定
前記触媒を蒸着した基板を、超高真空装置中の成長室に移動させ、成長室の圧力を、10-7Paになるまで調整した。
Setting of initial pressure The substrate on which the catalyst was deposited was moved to a growth chamber in an ultra-high vacuum apparatus, and the pressure in the growth chamber was adjusted to 10 −7 Pa.

基板の加熱
初期圧力が、10-7Paになった後、前記触媒を蒸着した基板を、成長温度(380℃)まで加熱した。
Substrate heating After the initial pressure reached 10 −7 Pa, the substrate on which the catalyst was deposited was heated to a growth temperature (380 ° C.).

原料ガスの導入
基板が成長温度(380℃)に達した後、エチルアルコールを導入して、超高真空装置中の圧力(成長圧力)が2×10-3Paになるようにした。そのままの状態を保ってSWNTsを成長させた(1000分間)。
Introduction of source gas After the substrate reached the growth temperature (380 ° C.), ethyl alcohol was introduced so that the pressure (growth pressure) in the ultra-high vacuum apparatus was 2 × 10 −3 Pa. SWNTs were grown in the same state (1000 minutes).

ラマン分光法による分析
成長したSWNTsの温度が低下した後、ラマン分光法により分析した。この結果、SWNTs特有の低周波数部分の径に依存するいくつかのピーク(図1の(a))ならびに1600cm-1付近のG−バンドの分裂(図1の(b))から、SWNTsが基板上に成長していることを確認した。ラマン分光による結果を図1に示した。
Analysis by Raman spectroscopy After the temperature of the grown SWNTs decreased, analysis was performed by Raman spectroscopy. As a result, the SWNTs are formed on the substrate from several peaks depending on the diameter of the low frequency part peculiar to SWNTs (FIG. 1 (a)) and G-band splitting around 1600 cm −1 (FIG. 1 (b)). Confirmed growing up. The result by Raman spectroscopy is shown in FIG.

実施例2
実施例1において、成長温度を380℃とし、成長時間を200分とし、他は同様に行った。この結果、図2に示すとおり、この結果、SWNTs特有の低周波数部分の径に依存するいくつかのピーク(図2の(a))ならびに1600cm-1付近のG−バンドの分裂(図2の(b))から、SWNTsが基板上に成長していることを確認した。また、実施例1と比較して、SWNTsの生成量が10倍以上であり、得られるSWNTsの径分布が広いことが分かった。加えて基板の損傷等は見られなかった。
Example 2
In Example 1, the growth temperature was 380 ° C., the growth time was 200 minutes, and the others were performed in the same manner. As a result, as shown in FIG. 2, this results in several peaks (FIG. 2 (a)) depending on the diameter of the low-frequency part peculiar to SWNTs, as well as the splitting of the G-band in the vicinity of 1600 cm −1 (FIG. 2). From (b)), it was confirmed that SWNTs were grown on the substrate. Moreover, compared with Example 1, it turned out that the production amount of SWNTs is 10 times or more, and the diameter distribution of SWNTs obtained is wide. In addition, the substrate was not damaged.

比較例1
実施例1において、超高真空に代え、1kPaの圧力中、他は同様に行っても、成長温度(380℃)ではSWNTsは成長しなかった。
Comparative Example 1
In Example 1, the SWNTs did not grow at the growth temperature (380 ° C.) even when the same procedure was performed in place of ultrahigh vacuum in the pressure of 1 kPa.

比較例2
実施例1において、初期圧力を1Pa、成長圧力を10Pa、すなわち、初期圧力を成長圧力の1/10倍とし、他は同様に行うと、SWNTsは、成長しない。さらに、成長温度を挙げて同様に行うと、600℃まで成長温度を上昇させても、SWNTsの成長は認められない。
Comparative Example 2
In Example 1, if the initial pressure is 1 Pa, the growth pressure is 10 Pa, that is, the initial pressure is 1/10 times the growth pressure, and others are performed in the same manner, SWNTs do not grow. Furthermore, if the growth temperature is raised in the same manner, the growth of SWNTs is not recognized even when the growth temperature is raised to 600 ° C.

比較例3
実施例1において、基板のクリーニングを行わず、超高真空装置の内で触媒の蒸着を行った基板を用い、他は同様に行った。その結果、SWNTsは成長しないことが分かった。一方、初期圧力が、成長圧力の1/1000以下となる条件下で、成長温度380℃より高い温度とし、超高真空装置の外で触媒の蒸着を行った基板を用い、同様に行ったところ、SWNTsが成長する傾向が認められた。例えば、成長温度を600℃とした場合、実施例1の400倍程度のSWNTs量が成長していることが認められた。
Comparative Example 3
In Example 1, the substrate was not cleaned, and a substrate on which the catalyst was vapor-deposited in an ultra-high vacuum apparatus was used. As a result, it was found that SWNTs do not grow. On the other hand, when the initial pressure was 1/1000 or less of the growth pressure, the growth temperature was higher than 380 ° C., and the same process was performed using a substrate on which the catalyst was deposited outside the ultrahigh vacuum apparatus. , A tendency for SWNTs to grow was observed. For example, when the growth temperature was 600 ° C., it was recognized that the amount of SWNTs about 400 times that of Example 1 was growing.

実施例1において測定したラマン分光法のスペクトルを示す。The spectrum of the Raman spectroscopy measured in Example 1 is shown. 実施例2において測定したラマン分光法のスペクトルを示す。The spectrum of the Raman spectroscopy measured in Example 2 is shown.

Claims (15)

超高真空空間において、触媒が設けられた基板を加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000以下である単層カーボンナノチューブの成長方法。   In a super high vacuum space, after heating a substrate provided with a catalyst, a raw material gas is introduced to grow single-walled carbon nanotubes, and the pressure in the ultra high vacuum space immediately before heating the substrate is: A method for growing single-walled carbon nanotubes, which is 1/1000 or less of the pressure in an ultra-high vacuum space when the introduction of the source gas is completed. 超高真空空間において、基板に触媒を設け、該触媒が設けられた基板を加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000以下である単層カーボンナノチューブの成長方法。   In an ultra-high vacuum space, a catalyst is provided on a substrate, the substrate provided with the catalyst is heated, a source gas is introduced, and single-walled carbon nanotubes are grown. A method for growing single-walled carbon nanotubes, wherein the pressure in the high vacuum space is 1/1000 or less of the pressure in the ultra-high vacuum space when the introduction of the source gas is completed. 超高真空空間において、基板をクリーニングした後、基板に触媒を設け、該触媒が設けられた基板を加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000以下である単層カーボンナノチューブの成長方法。   In the ultra-high vacuum space, after cleaning the substrate, a catalyst is provided on the substrate, the substrate provided with the catalyst is heated, a source gas is introduced, and single-walled carbon nanotubes are grown. A method for growing single-walled carbon nanotubes, wherein the pressure in the ultra-high vacuum space immediately before heating is 1/1000 or less of the pressure in the ultra-high vacuum space when the introduction of the raw material gas is completed. アルゴンガスにより基板のクリーニングを行う、請求項3に記載の成長方法。  The growth method according to claim 3, wherein the substrate is cleaned with argon gas. クリーニングを、700〜800℃で行う、請求項3または4に記載の成長方法。  The growth method according to claim 3 or 4, wherein the cleaning is performed at 700 to 800 ° C. 前記触媒が設けられた基板の加熱温度は、430℃以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の単層カーボンナノチューブの成長方法。   The method for growing single-walled carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 5, wherein a heating temperature of the substrate on which the catalyst is provided is 430 ° C or lower. 前記単層カーボンナノチューブを、10nm/分以下の速度で成長させる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の成長方法。  The growth method according to any one of claims 1 to 6, wherein the single-walled carbon nanotube is grown at a rate of 10 nm / min or less. 前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、2×10-7〜1×10-5Paである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の成長方法。 The growth method according to claim 1, wherein the pressure in the ultrahigh vacuum space immediately before heating the substrate is 2 × 10 −7 to 1 × 10 −5 Pa. 前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力が、0.001〜0.2Paである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の成長方法。   The growth method according to any one of claims 1 to 8, wherein the pressure in the ultra-high vacuum space at the time when introduction of the source gas is completed is 0.001 to 0.2 Pa. 前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力の1/1000〜1/10000である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の成長方法。  The pressure in the ultra-high vacuum space immediately before heating the substrate is 1/1000 to 1 / 10,000 of the pressure in the ultra-high vacuum space when the introduction of the source gas is completed. 2. The growth method according to item 1. 前記原料ガスが、炭化水素系ガスである、請求項1〜10のいずれか1項に記載の成長方法。  The growth method according to claim 1, wherein the source gas is a hydrocarbon-based gas. 原料ガスが、アルコール系ガスである、請求項1〜10のいずれか1項に記載の成長方法。   The growth method according to claim 1, wherein the source gas is an alcohol-based gas. 原料ガスが、エチルアルコールである、請求項1〜10のいずれか1項に記載の成長方法。  The growth method according to claim 1, wherein the source gas is ethyl alcohol. 触媒が、コバルトを含む、請求項1〜13のいずれか1項に記載の成長方法。  The growth method according to claim 1, wherein the catalyst contains cobalt. 超高真空空間において、触媒が設けられた基板を350〜750℃に加熱した後、原料ガスを導入し、単層カーボンナノチューブを成長させる方法であって、前記基板を加熱する直前の超高真空空間の圧力が2×10-7〜1×10-5Paであり、前記原料ガスを導入し終えた時点の超高真空空間の圧力が0.002〜0.2Paである単層カーボンナノチューブの成長方法。 In an ultra-high vacuum space, a substrate provided with a catalyst is heated to 350 to 750 ° C., and then a raw material gas is introduced to grow single-walled carbon nanotubes. The ultra-high vacuum just before heating the substrate The pressure of the space is 2 × 10 −7 to 1 × 10 −5 Pa, and the pressure of the ultra-high vacuum space when the introduction of the source gas is finished is 0.002 to 0.2 Pa. Growth method.
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