JP2008297197A - 分岐型カーボンナノチューブの成長方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、分岐型カーボンナノチューブの成長方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る分岐型カーボンナノチューブの成長方法は、基板を準備して、該基板の一側の表面にバッファ層を設置する第一ステップと、前記バッファ層に触媒層を堆積させる第二ステップと、前記触媒層及び前記バッファ層を有する前記基板を、反応装置に設置する第三ステップと、化学気相堆積法により、前記バッファ層の表面に分岐型カーボンナノチューブを成長させる第四ステップと、を含む。ここで、前記触媒層及び前記バッファ層は、それぞれ相互に浸透しない材料からなる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る分岐型カーボンナノチューブの成長方法は、基板を準備して、該基板の一側の表面にバッファ層を設置する第一ステップと、前記バッファ層に触媒層を堆積させる第二ステップと、前記触媒層及び前記バッファ層を有する前記基板を、反応装置に設置する第三ステップと、化学気相堆積法により、前記バッファ層の表面に分岐型カーボンナノチューブを成長させる第四ステップと、を含む。ここで、前記触媒層及び前記バッファ層は、それぞれ相互に浸透しない材料からなる。
【選択図】図１
Description
本発明は、カーボンナノチューブの成長方法に関し、特に、分岐型カーボンナノチューブの成長方法に関する。
カーボンナノチューブは、新型の炭素材料であり、日本の研究員飯島澄男よって１９９１年に発見された。カーボンナノチューブは特有の電気特性を有するので、ナノ集積回路、単分子素子などの研究及び開発に重要な地位を占める。現在のカーボンナノチューブを用いた様々な応用分野に対応して、特性化されたカーボンナノチューブを要求している。例えば、カーボンナノチューブが電極の材料、高分子の強化材、トランジスタ又は電気化学的材料として用いられるには、３次元の構造を有する分岐型カーボンナノチューブがさらに有利であることができる。
従って、分岐型カーボンナノチューブの成長方法に対しては、次の提案が掲載されている。例えば、アーク放電法でカーボンナノチューブを合成した後、生成されたカーボンナノチューブにおいて、Ｌ、Ｙ、Ｔ形態のカーボンナノチューブと共に生成することができると報告した。しかし、これらの結果は、合成された大部分がワイヤ形態の１次元のカーボンナノチューブであり、極めて一部分の２次元的なカーボンナノチューブだけが合成することができると確認したものである。
また、孔を有するテンプルレートを準備して、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＣＶＤ）方法により、該テンプルレートの孔を貫通した分岐型カーボンナノチューブを成長する方法が開示されている。しかし、該成長方法は複雑であり、コストが高いという課題がある。
その他、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＭＯＣＶＤ）により、分岐型カーボンナノチューブを成長する方法も開示されている。しかし、該成長工程において、有機金属を高温条件で気化させて分岐型カーボンナノチューブを成長させるので、所定の領域にカーボンナノチューブを形成させることができないという課題がある。従って、ナノスケールの集積回路に応用するための分岐型カーボンナノチューブの成長は、困難である。
上述の課題を解決するために、本発明は、コストが低く、収率が高く、成長工程が簡単であり、所定の領域に分岐型カーボンナノチューブが成長される方法を提供する。
本発明の分岐型カーボンナノチューブの成長方法は、基板を準備して、該基板の一側の表面にバッファ層を設置する第一ステップと、前記バッファ層に触媒層を堆積させる第二ステップと、前記触媒層及びバッファ層を有する前記基板を、反応装置に設置する第三ステップと、化学気相堆積法により、前記バッファ層の表面に分岐型カーボンナノチューブを成長させる第四ステップと、を含む。ここで、前記触媒層及び前記バッファ層は、それぞれ相互に浸透しない材料からなる。
前記バッファ層は、酸化アルミニウム及び／又は二酸化ケイ素からなる。
前記触媒層は、金、銀、銅、白金、ニッケルまたは鉛のいずれか一種からなることを特徴とする、請求項１に記載の分岐型カーボンナノチューブの成長方法。
前記バッファ層の厚さは１ｎｍ以上であり、前記触媒層の厚さは０．５〜１．５ｎｍであることが好ましい。
本発明において、前記分岐型カーボンナノチューブは前記バッファ層に沿って成長される。
従来技術と比べると、本発明の分岐型カーボンナノチューブの成長方法は、次の優れた点がある。第一に、本発明において、アセチレン、エチレン、メタン又は他の化合物のいずれか一種を、カーボンを含むガスとして利用するので、成長のコストが低い。第二に、本発明の成長方法により、５０％程度の高産出が実現することができる。第三に、本発明の成長方法によって得られた分岐型カーボンナノチューブの端部に触媒としての金属が形成されるので、該分岐型カーボンナノチューブと集積回路又は電気装置との間には、良好な電気接続が形成されることができる。第四に、所定のパターンにより分岐型カーボンナノチューブを成長させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１を参照すると、本実施形態の分岐型カーボンナノチューブの成長方法は、基板１０を準備して、該基板１０の一側の表面に密接的にバッファ層１２を設置する第一ステップと、該バッファ層１２に触媒層１４を堆積させる第二ステップと、前記触媒層１４及バッファ層１２を有する前記基板１０を反応装置に設置する第三ステップと、保護ガスの雰囲気において、所定の時間に前記基板１０を所定の温度に加熱させた後、カーボンを含むガスを前記反応装置に導入して、前記基板１０に分岐型カーボンナノチューブを成長させる第四ステップと、を含む。
次に、詳しく前記成長方法について説明する。
前記第一ステップでは、前記基板１０は、ガラス、シリコン、金属などのいずれか一種からなる。前記バッファ層１２は、酸化アルミニウム又は／及び二酸化ケイ素からなり、厚さが１ｎｍ以上にされる。前記バッファ層１２は、電子線堆積法、スパッタ法、熱堆積法などのいずれか一種の方法により形成される。本実施形態において、前記基板１０はシリコンからなり、前記バッファ層１２は厚さが１０ｎｍの酸化アルミニウムであり、電子線堆積法により前記基板１０に形成されている。
前記第二ステップでは、前記触媒層１４は、電子線堆積法、スパッタ法、熱堆積法などのいずれか一種の方法により形成される。前記触媒層１４は金、銀、銅、白金、ニッケル、鉛のいずれか一種からなる。前記触媒層１４の厚さは０．５〜１．５ｎｍにされる。前記バッファ層１２及び前記触媒層１４は、それぞれ分岐型カーボンナノチューブの成長温度で相互に浸透しない材料からなる。本実施形態において、前記触媒層１４は、厚さが１ｎｍの金であり、電子線堆積法により前記バッファ層１２に形成されている。さらに、所定のパターンにより分岐型カーボンナノチューブを成長させるために、フォトエッチング方法で触媒層を形成することができる。
前記第三ステップでは、前記反応装置は、直径が１インチのチューブ形状の反応炉である。
前記第四ステップでは、前記触媒層１４の材料に対応して前記反応温度を設定する。本実施形態において、前記反応温度は８８０℃〜９５０℃にされ、９００℃〜９５０℃にされることが好ましい。前記保護ガスは、流量が０〜１４０ｓｃｃｍの水素及び流量が２００ｓｃｃｍのアルゴンを含む。前記アルゴンと前記水素の流量比が１４０：２００にされることが好ましい。前記保護ガスの導入時間は１０〜３０分間にされる。前記カーボンを含むガスは、アセチレン、エチレン、メタンなどのガスである。前記カーボンを含むガスの流量が１０〜５０ｓｃｃｍにされ、１０〜２５ｓｃｃｍであることが好ましい。前記カーボンを含むガスの導入時間は、５〜３０分間にされ、１５分間であることが好ましい。本実施形態において、前記カーボンを含むガスとして、アセチレンが利用される。
図２及び図３を参照すると、前記分岐型カーボンナノチューブの成長過程について説明する。
前記第四ステップにおいて、まず、前記基板１０を加熱する場合、該基板１０に形成された前記触媒層１４は溶けて複数の触媒粒子になる（前記触媒層１４と前記バッファ層１２は相互に浸透しない原因である）。前記複数の触媒粒子は前記バッファ層１２の表面に移動することができる。
次に、前記触媒粒子の表面を前記カーボンを含むガスと接触させて、前記カーボンを含むガスを分解して、該触媒粒子の表面にカーボンナノチューブを成長させる。前記触媒粒子は移動可能であり、前記カーボンナノチューブは前記触媒粒子の移動パターンにより、前記バッファ層１２に沿って成長される。この場合、前記触媒粒子はそれぞれ異なるカーボンナノチューブの端部に形成される。
次に、二つの前記触媒粒子は移動の過程で接触すると、一つの新たな触媒粒子に形成することができる。この場合、前記二つの触媒粒子に接続された二本のカーボンナノチューブは、端と端で接続される。この後、前記新たな触媒粒子から、新たなカーボンナノチューブが成長され、Ｙ形状のカーボンナノチューブ（図２ａ及び図３ａを参照する）、“逆Ｔ字”形状又は“十字”形状のカーボンナノチューブ（図３ｃ及び図３ｄを参照する）に形成される。さらに、前記Ｙ形状のカーボンナノチューブの端部にある触媒粒子は、もう一本のカーボンナノチューブの端部にある触媒粒子と接触する場合、多分岐型カーボンナノチューブが形成される（図３ｂを参照する）。上述方法により、二つ以上の前記触媒粒子は接触して新たな触媒粒子に形成した後、該触媒粒子から新たなカーボンナノチューブが成長されて、多分岐型カーボンナノチューブが形成される（図３ｅを参照する）。特に、図２ｂ及び図３ｆを参照すると、第一カーボンナノチューブの端部にある触媒粒子は、第二カーボンナノチューブの側辺に接触すると、前記第一カーボンナノチューブの成長方向が変更して、Ｋ形状のカーボンナノチューブが形成される。
本実施形態の成長方法によれば、３０％〜５０％程度の高収率が実現することができる。また、本実施形態の成長方法による分岐型カーボンナノチューブの端部に、触媒粒子である良好な導電性がある金属が形成されるので、該分岐型カーボンナノチューブが良好に電気接続するように、直接ナノレーベルの集積回路に組み合わせることができる。
１０ 基板
１２ バッファ層
１４ 触媒層
１２ バッファ層
１４ 触媒層
Claims (5)
- 基板を準備して、該基板の一側の表面にバッファ層を設置する第一ステップと、
前記バッファ層に触媒層を堆積させる第二ステップと、
前記触媒層及び前記バッファ層を有する前記基板を、反応装置に設置する第三ステップと、
化学気相堆積法により、前記バッファ層の表面に分岐型カーボンナノチューブを成長させる第四ステップと、を含み、
前記触媒層及び前記バッファ層は、それぞれ相互に浸透しない材料からなることを特徴とする分岐型カーボンナノチューブの成長方法。 - 前記バッファ層は、酸化アルミニウム又は／及び二酸化ケイ素からなることを特徴とする、請求項１に記載の分岐型カーボンナノチューブの成長方法。
- 前記触媒層は、金、銀、銅、白金、ニッケルまたは鉛のいずれか一種からなることを特徴とする、請求項１に記載の分岐型カーボンナノチューブの成長方法。
- 前記バッファ層の厚さは１ｎｍ以上であり、前記触媒層の厚さは０．５〜１．５ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の分岐型カーボンナノチューブの成長方法。
- 前記分岐型カーボンナノチューブは前記バッファ層に沿って成長されることを特徴とする、請求項１に記載の分岐型カーボンナノチューブの成長方法。
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