JP2009107903A - Method and device for cutting carbon nanotube - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブの切削方法と切削装置に係り、特に通電によるジュール発熱を利用してカーボンナノチューブを昇華させて切削する方法と装置に関する。 The present invention relates to a carbon nanotube cutting method and cutting apparatus, and more particularly, to a method and apparatus for sublimating and cutting carbon nanotubes using Joule heat generated by energization.
カーボンナノチューブは機械的、電気的に優れた特性を有することから、走査型プローブ顕微鏡やフィールドエミッション、更には電界効果型トランジスタへの応用研究が盛んに行われている。近年では、走査型プローブの探針としてカーボンナノチューブが広く使用されるようになった。その理由としては、カーボンナノチューブの先端の曲率半径がきわめて小さく、最小曲率半径は約1nmであり、また剛性が高いので探針として高アスペクト化できるということが挙げられる。 Since carbon nanotubes have excellent mechanical and electrical properties, active research is being conducted on scanning probe microscopes, field emission, and field effect transistors. In recent years, carbon nanotubes have been widely used as a probe for scanning probes. The reason is that the radius of curvature of the tip of the carbon nanotube is extremely small, the minimum radius of curvature is about 1 nm, and the rigidity is high, so that the aspect can be increased as a probe.
カーボンナノチューブの作製方法としてはアーク法、CVD法、レーザーアブレーション法などが知られている。これらのうち、最も結晶性が高い作製方法はアーク法であり、走査型プローブ顕微鏡の探針に用いるにはアーク法で作製したものが強度の観点からは最も良いとされる。 Known methods for producing carbon nanotubes include the arc method, the CVD method, and the laser ablation method. Of these, the arc method is the method with the highest crystallinity, and the arc method is the best from the viewpoint of strength for use in the probe of a scanning probe microscope.
しかし、アーク法でのカーボンナノチューブ作製時に直径および長さを制御する技術は、未だ見出されていない。走査型プローブ顕微鏡の中でも特に原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy:AFM)の安定した測定のためにはカーボンナノチューブ探針の剛性が非常に重要であり、そのためには直径および長さを制御する必要がある。 However, a technique for controlling the diameter and length when producing carbon nanotubes by the arc method has not yet been found. Among the scanning probe microscopes, the rigidity of the carbon nanotube probe is very important for the stable measurement of the atomic force microscope (AFM), and it is necessary to control the diameter and length for that purpose. There is.
これまでにカーボンナノチューブの長さを加工によって調節する方法がいくつか提案されてきた。例えば特許文献1、2に示されるようにカーボンナノチューブ先端の研削や収束イオンビームによる切断方法がある。特許文献1ではナノチューブと鋭利な放電用針を用意し、ナノチューブと放電針との間で直流電圧もしくは、パルス電圧を印加して放電を励起させ先端形状を研削する。この方法の特徴はナノチューブが先鋭化されることである。また特許文献2では集束イオンビームを所望の箇所で走査することで切削する。この方法ではナノチューブにおける切断箇所以外への集束イオンビームの照射エネルギーを考慮する必要があるが、任意の位置で切断できる利点がある。このようにしてカーボンナノチューブの長さを調節することで、走査型プローブ顕微鏡の探針として応用されてきた。
Until now, several methods for adjusting the length of carbon nanotubes by processing have been proposed. For example, as disclosed in
AFMは主に表面形態の観察やラフネス評価に用いられることがほとんどであったが、カーボンナノチューブ探針の登場により3次元的な構造の高さや溝幅などの定量的評価にも用いられつつある。しかし、3次元形状測定では探針−試料間に働く力の影響による像の歪みやノイズが発生することによって、分解能が低下することがしばしば起こる。カーボンナノチューブ探針の場合には特に顕著であることが知られており、凹凸の大きい試料ではファンデルワールス力による側面部への凝着や探針滑り、もしくは曲げによる像への影響が問題となる。 AFM was mostly used for surface morphology observation and roughness evaluation, but with the advent of carbon nanotube probes, it is also being used for quantitative evaluation of three-dimensional structure height and groove width. . However, in three-dimensional shape measurement, resolution often decreases due to image distortion and noise due to the force acting between the probe and the sample. In the case of a carbon nanotube probe, it is known to be particularly noticeable, and in the case of a sample with large irregularities, adhesion to the side surface due to van der Waals force, probe slip, or the influence on the image by bending is a problem. Become.
そのためカーボンナノチューブプローブにおいて長さ、直径による探針の剛性の制御が重要である。例えば加工によって長さを調整する場合、長さをカーボンナノチューブの直径程度の精度で制御すれば充分制御性が良いと考えられるが、研削や切断によってカーボンナノチューブが先鋭化していると、ある値の長さと直径によって得られるべき最大のカーボンナノチューブ探針剛性が確保できなくなる。また先端形状がばらついていると、探針ごとに測定画像もばらつくため、定量評価を行おうとするAFMの探針としては好ましくない。よってカーボンナノチューブ探針は長さを高精度に制御できることに加え、探針先端にかけて円筒型を保つことが探針の剛性確保のために好ましいと考えられる。 Therefore, it is important to control the rigidity of the probe by the length and diameter in the carbon nanotube probe. For example, when adjusting the length by processing, it is considered that the controllability is sufficiently good if the length is controlled with an accuracy about the diameter of the carbon nanotube, but if the carbon nanotube is sharpened by grinding or cutting, a certain value is obtained. The maximum carbon nanotube probe rigidity to be obtained depending on the length and diameter cannot be secured. Also, if the tip shape varies, the measurement image varies from probe to probe, which is not preferable as an AFM probe for quantitative evaluation. Therefore, in addition to being able to control the length of the carbon nanotube probe with high accuracy, it is considered preferable to maintain a cylindrical shape over the tip of the probe in order to ensure the rigidity of the probe.
本発明の目的は、カーボンナノチューブ探針の長さを高精度に調整することを可能とし、しかも先端部まで円筒形を保つことが可能なカーボンナノチューブ切削方法と切削装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a carbon nanotube cutting method and a cutting apparatus that can adjust the length of a carbon nanotube probe tip with high accuracy and can maintain a cylindrical shape up to the tip.
本発明は、切削しようとするカーボンナノチューブの一端を基材に固定し、前記基材に固定したカーボンナノチューブの他端の先端部を電極に接触させ、前記基材と前記電極との間にコンデンサ放電による電流もしくはパルス電流を流して、カーボンナノチューブの接触部分に生じるジュール発熱により前記基材に固定したカーボンナノチューブの前記他端部分を昇華させて切削することを特徴とするカーボンナノチューブの切削方法にある。 In the present invention, one end of a carbon nanotube to be cut is fixed to a substrate, the tip of the other end of the carbon nanotube fixed to the substrate is brought into contact with an electrode, and a capacitor is interposed between the substrate and the electrode. A method of cutting a carbon nanotube, characterized by sublimating and cutting the other end portion of the carbon nanotube fixed to the substrate by Joule heat generated at a contact portion of the carbon nanotube by passing an electric current or a pulse current due to discharge is there.
また、本発明は、切削しようとするカーボンナノチューブの一端を基材に固定し、このほかにもう一つのカーボンナノチューブを用意して電極に担持し、基材に固定したカーボンナノチューブの他端と電極に担持したカーボンナノチューブの先端を接触させ、基材と電極との間にコンデンサ放電による電流もしくはパルス電流を流して、2つのカーボンナノチューブの接触部分に生じるジュール発熱により、基材に固定したカーボンナノチューブの先端部分を昇華させて切削することを特徴とするカーボンナノチューブの切削方法にある。 The present invention also fixes one end of the carbon nanotube to be cut to the base material, prepares another carbon nanotube in addition to this and carries it on the electrode, and the other end of the carbon nanotube fixed to the base material and the electrode The carbon nanotubes fixed to the base material are brought into contact with each other by contacting the tip of the carbon nanotube supported on the substrate and passing a current or pulse current due to capacitor discharge between the base material and the electrode, resulting from Joule heat generated at the contact portion of the two carbon nanotubes. In the method of cutting carbon nanotubes, the tip portion of the carbon nanotubes is sublimated for cutting.
この切削方法において、電極に担持するカーボンナノチューブの直径を、基材に固定するカーボンナノチューブの直径よりも大きくすることが望ましい。これらにより、基材側のカーボンナノチューブをより選択的に切削することが可能になる。 In this cutting method, it is desirable that the diameter of the carbon nanotube supported on the electrode is larger than the diameter of the carbon nanotube fixed to the substrate. As a result, the carbon nanotubes on the substrate side can be cut more selectively.
また、この切削方法において、基材に固定するカーボンナノチューブおよび電極に担持するカーボンナノチューブは、いずれも電子ビーム堆積により固着することが望ましく、これにより電極と基材間の導通を良くし、カーボンナノチューブを切削し易くすることができる。 Further, in this cutting method, it is desirable that the carbon nanotubes fixed to the base material and the carbon nanotubes supported on the electrode are fixed by electron beam deposition, thereby improving conduction between the electrode and the base material. Can be easily cut.
基材と電極の間にコンデンサ放電による電流もしくはパルス電流を流す操作を複数回繰り返すことで、カーボンナノチューブは先端部まで円筒型を保ち切削面がより平坦形状に近づくことがわかった。 It was found that the carbon nanotube maintained a cylindrical shape up to the tip and the cutting surface became closer to a flat shape by repeating the operation of passing a current or pulse current due to capacitor discharge between the substrate and the electrode a plurality of times.
また本発明は、切削しようとするカーボンナノチューブの一端を基材に固定し他端を電極もしくは電極に担持されたカーボンナノチューブに交差させて担持し、前記基材と前記電極との間にコンデンサ放電による電流もしくはパルス電流を流して、前記カーボンナノチューブを任意の長さに切断した後、切断面同士を接触させて再度、コンデンサ放電による電流もしくはパルス電流を流し、前記基材に固定されているカーボンナノチューブの先端部分を昇華させて切削することを特徴とするカーボンナノチューブの切削方法にある。 In addition, the present invention also has a structure in which one end of a carbon nanotube to be cut is fixed to a base material and the other end is supported by intersecting with an electrode or a carbon nanotube supported on an electrode, and a capacitor discharge is performed between the base material and the electrode. After the carbon nanotube is cut to an arbitrary length by flowing a current or a pulse current, the cut surfaces are brought into contact with each other, and a current or a pulse current caused by capacitor discharge is again flowed to fix the carbon nanotubes to the substrate. There is a carbon nanotube cutting method characterized by sublimating and cutting a tip portion of a nanotube.
この切削方法においても、先端部まで円筒型を保ち、平切削面を平坦に近づける場合には、カーボンナノチューブをその任意の部分で切断したのちに行う通電操作を複数回繰り返すことが望ましい。また、カーボンナノチューブを基材と電極の一方又は両方に電子ビーム堆積によって固着しておくことが望ましい。 Also in this cutting method, when the cylindrical shape is maintained up to the tip portion and the flat cutting surface is made close to flat, it is desirable to repeat the energization operation performed after cutting the carbon nanotube at an arbitrary portion a plurality of times. In addition, it is desirable to fix the carbon nanotubes to one or both of the substrate and the electrode by electron beam deposition.
本発明のカーボンナノチューブ切削装置は、一対の電極と、電荷を蓄積するためのコンデンサと、前記コンデンサに電荷を蓄積するための直流電源および充電と放電を切り替えるスイッチを有する電気回路を備えることを特徴とする。また、一対の電極と、一対の前記電極間にパルス電流を流すパルス印加電源ないしは直流電源とを有する電気回路を備えることを特徴とする。 The carbon nanotube cutting device of the present invention includes a pair of electrodes, a capacitor for storing electric charge, a DC power source for storing electric charge in the capacitor, and an electric circuit having a switch for switching between charging and discharging. And In addition, an electric circuit having a pair of electrodes and a pulse application power source or a DC power source for passing a pulse current between the pair of electrodes is provided.
本発明のカーボンナノチューブ切削方法は、カーボンナノチューブ探針の長さを高精度に調節するのに適し、しかも先端部まで円筒形を保つため最大限の剛性を確保できるので、カーボンナノチューブ探針の長さ調整方法として好適である。 The carbon nanotube cutting method of the present invention is suitable for adjusting the length of the carbon nanotube probe with high accuracy, and can secure the maximum rigidity to maintain the cylindrical shape up to the tip portion. It is suitable as a thickness adjusting method.
カーボンナノチューブ探針を用いたAFM計測において、ライン&スペース等の測定時の像歪みやノイズ、またエッジ形状の不確定性の原因は、カーボンナノチューブ探針の曲げ剛性が低いこと、および先端形状が探針ごとにばらついていることに起因する。 In AFM measurement using a carbon nanotube probe, image distortion and noise during line and space measurement, and the cause of uncertainty in the edge shape are due to the low bending rigidity of the carbon nanotube probe and the tip shape. This is due to the fact that it varies from probe to probe.
本発明の切削方法は、電子顕微鏡内で観察しながら実施することによってカーボンナノチューブを最小で約50nmの長さまで短くすることが可能であり、極力長さを短くして曲げ剛性を高めることができる。 By performing the cutting method of the present invention while observing in an electron microscope, the carbon nanotube can be shortened to a length of about 50 nm at the minimum, and the bending rigidity can be increased by shortening the length as much as possible. .
また、先端部にかけて直径が一様な円筒型を保つことができるので、最大のカーボンナノチューブ探針剛性が確保でき、探針ごとの測定画像のばらつきの解消につながる。 In addition, since a cylindrical shape with a uniform diameter can be maintained over the tip, the maximum carbon nanotube probe rigidity can be ensured, leading to elimination of variations in measurement images for each probe.
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。なお、図面中で、同じ部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1はコンデンサ放電による電流を流してカーボンナノチューブを切削する際の切削装置構成を示したものである。本実施例の切削装置は、基材3と電極4よりなる一対の電極と、電荷を蓄積するためのコンデンサ6と、抵抗7と、コンデンサ6に電荷を蓄積するための直流電源9および、充電と放電を切り替えるスイッチ8を含む電気回路を有する。
FIG. 1 shows a configuration of a cutting apparatus when a carbon nanotube is cut by flowing a current due to capacitor discharge. The cutting apparatus of the present embodiment includes a pair of electrodes composed of a
カーボンナノチューブの切削は、切削しようとするカーボンナノチューブ1の一端を基材3に固定し、これとは別にもう一つのカーボンナノチューブ2を用意して電極4に担持し、カーボンナノチューブ1とカーボンナノチューブ2の先端部分を接触させて、基材3と電極4の間にコンデンサ放電による電流を流すことにより行う。
In the cutting of the carbon nanotube, one end of the
このとき、電極4に担持されているカーボンナノチューブ2と基材3に固定されたカーボンナノチューブ1との切削時の接触状態は、図3のように正面よりカーボンナノチューブの先端を接触させたり、または図4のように斜め方向よりカーボンナノチューブの先端を接触させたりしてよい。しかし、図5のように先端同士を突合せ切削することで先端形状を整える方法が、目的の長さに調整するには最も好適である。
At this time, the contact state at the time of cutting between the
コンデンサ放電時の電流によってカーボンナノチューブ1とカーボンナノチューブ2の接触部分においてジュール発熱が生じ、その部分が瞬時に昇華され、カーボンナノチューブ先端部の切削が生じる。
Joule heat is generated at the contact portion between the
カーボンナノチューブ2の直径をカーボンナノチューブ1の直径よりも大きくすることでカーボンナノチューブ1を優先的に切削することができる。
The
コンデンサ6の容量は0.1〜100μF程度で、放電電圧は1Vから10Vの範囲の値を使用し、基材3に固定されたカーボンナノチューブ1のアスペクト比に応じて変えるのが望ましい。例えば直径20nm、長さ1〜2μmのカーボンナノチューブであれば2Vから5Vで切削する。コンデンサ放電による電圧の緩和時間は抵抗7とコンデンサ6によるが特に緩和時間の影響はなく、このときに用いたのは2.2Ω程度で、立ち上がりの電流値が数10〜100μA程度であれば充分に切削は生じる。
The capacity of the capacitor 6 is about 0.1 to 100 μF, and the discharge voltage is preferably in the range of 1 V to 10 V, and is preferably changed according to the aspect ratio of the
図1は、カーボンナノチューブ1とカーボンナノチューブ2の先端部分を接触させた状態すなわち切削前の状態を示している。切削後は、図2に示すように切削領域が一部消失する。本実施例の方法によれば、切削面よりカーボンナノチューブ1の層の厚み程度までの長さにわたって、非晶質化した非晶質領域10が得られ、非晶質領域より中心部側で直径が一様な円筒型となる。また、カーボンナノチューブ1の切削面は、チューブの孔が閉じた状態になった。
FIG. 1 shows a state in which the tip portions of the
従来の電流を利用したカーボンナノチューブの切削法は、導電性の基材にカーボンナノチューブの一端を固着させ、他端を導電性の基材に固着させ、電気的接触を確保した状態で行われていた。電圧を徐々に大きくしていくことでカーボンナノチューブの最外層から一層ずつ蒸発が生じ、切削するまで通電し続けると、内層になるにつれて蒸発時間が短くなるために先鋭化する。蒸発時間の遅れが各層で生じるため、カーボンナノチューブを先端まで円筒型にすることはできず、まして先端部が平坦になることはない。電子ビームの切断は先端まで円筒型が保たれる、また収束イオンビームを用いた切断も先端まで円筒型が保たれるが、カーボンナノチューブの切断ピッチの長さの精度に関する保障はない。また放電によるカーボンナノチューブ切削も一回で切削されるカーボンナノチューブの長さの精度に関する保障がない
本発明では図6に示すように切削を複数回繰り返すことにより、カーボンナノチューブ1の長さと先端形状を最小で約50nmの精度で微調整することが可能である。
A conventional method of cutting carbon nanotubes using electric current is performed in a state in which one end of carbon nanotubes is fixed to a conductive base material and the other end is fixed to a conductive base material to ensure electrical contact. It was. By gradually increasing the voltage, evaporation occurs one layer at a time from the outermost layer of the carbon nanotubes. When the current is continued until it is cut, the evaporation time becomes shorter as the inner layer is formed, which sharpens. Since the evaporation time is delayed in each layer, the carbon nanotube cannot be made cylindrical up to the tip, and the tip is never flattened. Although the electron beam cutting is kept cylindrical up to the tip, and the cutting using the focused ion beam is kept up to the tip, there is no guarantee regarding the accuracy of the length of the carbon nanotube cutting pitch. In addition, there is no guarantee regarding the accuracy of the length of the carbon nanotube that is cut once by discharge. In the present invention, the length and the tip shape of the
各切削後のカーボンナノチューブ1の先端は非晶質化するために再度切削を行うと先端の非晶質部分が先ず昇華される。この方法で数10nmのピッチで切削を行うことが可能である。この方法により短時間でカーボンナノチューブ長さの制御ができる。特に直径が10nm〜50nm程度の多層カーボンナノチューブに限定されず、単層カーボンナノチューブに適用することでも、先端部まで円筒型を保つことができる。
Since the tip of the
基材3の材料には、カーボンナノチューブ短針を用いたカンチレバーにおいて、探針ホルダーとして一般に用いられているシリコン、窒化シリコン、金属コートシリコン、もしくはタングステンを用いることができる。従来の切削方法の場合には、基材に半導体を用いることはなく金属コーティング等の処理を施しているものや、金属が用いられるが、本発明の切削方法では基材に半導体を用いることでも適用できる。
As a material of the
一般のカーボンナノチューブ探針カンチレバーは、従来のシリコン探針カンチレバーやタングステン探針カンチレバーにおける探針をホルダーとして使用し、そのホルダーにカーボンナノチューブ探針を固定することにより作製される。シリコン探針にはボロンや窒素をドープしたものもある。これらの探針の形状は四角錐、三角錐、または円錐形状などである。カーボンナノチューブ探針を有するカンチレバーの探針を本発明の切削方法によって切削する場合には、カーボンナノチューブ探針を固定しているホルダーを基材3とすることができる。
A general carbon nanotube probe cantilever is manufactured by using a probe in a conventional silicon probe cantilever or a tungsten probe cantilever as a holder and fixing the carbon nanotube probe to the holder. Some silicon probes are doped with boron or nitrogen. The shape of these probes is a quadrangular pyramid, a triangular pyramid, or a conical shape. When a cantilever probe having a carbon nanotube probe is cut by the cutting method of the present invention, the holder to which the carbon nanotube probe is fixed can be used as the
カーボンナノチューブ1の基材3への固定は、電子顕微鏡内での電子ビーム堆積を用いる方法によって行うことが望ましい。電子線照射により金属化合物ガスを分解し、生成物を堆積する方法によって、カーボンナノチューブ1と基材3との固定部5に金属コーティング膜を形成し、この金属コーティング膜によってカーボンナノチューブ1を基材3に固定し、固定部5を形成する。堆積物としてはタングステン、金、白金等を用いることができる。
The
堆積物としてタングステンを用いる場合には、カーボンナノチューブ1と基材3を接触させ、W(CO)6もしくはWF2を加熱気化させたガスを真空度の高い走査型電子顕微鏡の試料室内部に導入させ、W(CO)6もしくはWF2のガスを、ノズルを用いてカーボンナノチューブ1と基材3の接触部の近傍に放出させて、接触部付近に前記ガスの雰囲気を形成する。その後、前記接触部に電子ビームを照射してガスを分解し、析出したタングステンを照射領域である前記接触部に堆積させることで、タングステンを堆積物として固定部5を形成することができる。
When tungsten is used as the deposit, the
電極4側に担持されるカーボンナノチューブ2についても、基材側に固定されるカーボンナノチューブ1と同様に、電子ビーム堆積により固着することができる。図4に、カーボンナノチューブ2が電子ビーム堆積により電極4に固着され、固定部11が形成されている例を示した。
The
シリコンベースのホルダーを基材3に用いる場合には、電子ビームによるチャージアップを防止するために、反射膜のアルミニウムを基材にコートしておくことが望ましい。
When a silicon-based holder is used for the
カーボンナノチューブには、単層および多層カーボンナノチューブ、ボロンや窒素をドープしたカーボンナノチューブ等が存在する。また、金属原子を内包したナノチューブやナノチューブ先端に金属原子や金属微粒子をメッキしたナノチューブもある。本発明の切削方法は、これらのカーボンナノチューブのいずれにも適用することができる。 Carbon nanotubes include single-walled and multi-walled carbon nanotubes, carbon nanotubes doped with boron or nitrogen, and the like. There are also nanotubes encapsulating metal atoms and nanotubes with metal atoms and metal fine particles plated on the tips of the nanotubes. The cutting method of the present invention can be applied to any of these carbon nanotubes.
本実施例の方法は、カーボンナノチューブの先端部分を数10nmのピッチで切削することができ、これにより、走査型プローブ顕微鏡のプローブに用いた場合には、カーボンナノチューブ探針の必要な長さに調整され高い曲げ剛性を保つことができるようになり、また先端まで円筒形を保つことで、ある値の長さと直径によって得られるべき最大のカーボンナノチューブ探針剛性が確保でき、カーボンナノチューブ探針ごとの測定画像の再現性の良い測定が可能となる。 In the method of this embodiment, the tip of the carbon nanotube can be cut at a pitch of several tens of nanometers. Thus, when used as a probe of a scanning probe microscope, the carbon nanotube probe has a required length. By adjusting and maintaining high bending rigidity, it is possible to secure the maximum carbon nanotube probe rigidity to be obtained with a certain length and diameter by keeping the cylinder shape to the tip, and each carbon nanotube probe The measurement image can be measured with good reproducibility.
また、本実施例によれば、先端まで円筒形を保ったカーボンナノチューブが得られるために走査型プローブ顕微鏡のプローブに用いた場合には、凹凸のある試料の側面の微細凹凸をより忠実に捉えることも可能になる。 In addition, according to the present example, since carbon nanotubes having a cylindrical shape up to the tip can be obtained, when used in a probe of a scanning probe microscope, fine irregularities on the side surface of an uneven sample are captured more faithfully. It becomes possible.
図5はパルス電流を流してカーボンナノチューブを切削する場合の切削時の構成を示したものである。本実施例のカーボンナノチューブ切削装置は、基材3と電極4からなる一対の電極と、一対の電極間にパルス電流を流すパルス印加電源12とを含む電気回路を有する。
FIG. 5 shows a configuration at the time of cutting when a carbon nanotube is cut by flowing a pulse current. The carbon nanotube cutting apparatus according to the present embodiment includes an electric circuit including a pair of electrodes including a
切削しようとするカーボンナノチューブ1のほかに、もう1つのカーボンナノチューブ2を用意し、カーボンナノチューブ1を基材3に固定し、カーボンナノチューブ2を電極4に担持する。カーボンナノチューブ1の先端とカーボンナノチューブ2の先端を接触させ、基材と電極間にパルス印加電源12によってパルス電流を流して切削を行う。
In addition to the
このときパルス印加電源ではなく瞬時のスイッチング可能な直流電源であっても同様の効果が得られる。 At this time, the same effect can be obtained even with a DC power supply capable of instantaneous switching instead of a pulse application power supply.
このとき、電極4に担持されているカーボンナノチューブ2と基材3に固定されたカーボンナノチューブ1との切削時の接触状態は、図3のように正面よりカーボンナノチューブの先端を接触させたり、または図4のように斜め方向よりカーボンナノチューブの先端を接触させたりしてよい。しかし、図5のように先端同士を突合せ切削することで先端形状を整える方法が、目的の長さに調整するには最も好適である。
At this time, the
パルス電圧は1Vから10Vの範囲の値でよく、基材3に固定されたカーボンナノチューブ1のアスペクト比に応じて変えるのが望ましく、例えば直径20nm、長さ1〜2μmのカーボンナノチューブ1であれば2Vから5Vで切削する。パルス印加による電流値が数10〜100μA程度であれば充分切削は生じる。この放電時の電流によってカーボンナノチューブ1およびカーボンナノチューブ2の接触部分においてジュール発熱が生じ、全チューブ層が瞬時に昇華されることによりカーボンナノチューブ1の先端部の切削が生じる。本実施例でも、コンデンサ放電を利用する実施例1の場合と同様の効果が得られ、また充電と放電を切り替える時間を短縮できる利点がある。
The pulse voltage may be a value in the range of 1V to 10V, and is preferably changed according to the aspect ratio of the
カーボンナノチューブ2の直径をカーボンナノチューブ1の直径よりも大きくすることでも、同様にカーボンナノチューブ1を選択的に切削することができる。基材3に用いる材料、カーボンナノチューブ1の基材3への固定方法等に関しては、実施例1の場合と同様に行うことができる。例えば基材3に関しては、ボロンや窒素をドープしたシリコン探針あるいはタングステン探針で、四角錐、三角錐、または円錐形状をしたものを用いることができる。また、カーボンナノチューブ1の基材3への固定に関しても、電子顕微鏡内での電子ビーム堆積を用いる方法によって行うことができる。電極4側に担持されたカーボンナノチューブ2に関しても、図4に示したのと同様に電子ビーム堆積により固定部11を設けて固定することができる。
Similarly, the
本実施例の切削方法は、単層および多層カーボンナノチューブ、ボロンや窒素をドープしたカーボンナノチューブ、金属原子を内包したカーボンナノチューブ、ナノチューブ先端に金属原子や金属微粒子をメッキしたカーボンナノチューブなどのいずれにも適用可能である。 The cutting method of the present embodiment can be applied to any of single-walled and multi-walled carbon nanotubes, carbon nanotubes doped with boron or nitrogen, carbon nanotubes containing metal atoms, carbon nanotubes plated with metal atoms or metal fine particles at the tips of the nanotubes, etc. Applicable.
本実施例の方法でも、複数回の切削によってカーボンナノチューブの先端部分を数10nmのピッチで切削することができ、これによりカーボンナノチューブを必要な長さに調整でき、また先端まで円筒形を保つことができる。 Even in the method of this example, the tip portion of the carbon nanotube can be cut at a pitch of several tens of nanometers by a plurality of times of cutting, so that the carbon nanotube can be adjusted to a required length, and the cylindrical shape is maintained up to the tip. Can do.
図6はコンデンサ放電による電流を流して切削を行う場合の他の例を示している。本実施例ではカーボンナノチューブ1の一端を基材3に固定し、他端を電極4に担持し、基材3と電極4の間にコンデンサ放電による電流を流して、まずカーボンナノチューブの半分程度の長さに切断を行い、その後、切断面同士を接触させて、再度放電することによって接触部分のカーボンナノチューブの切削を行う。
FIG. 6 shows another example in which cutting is performed by passing a current due to capacitor discharge. In this embodiment, one end of the
このとき図11のように切削したいカーボンナノチューブを電極4に担持されたカーボンナノチューブと交差させて図12のように切断を行っても同様の効果が得られる。特にこの場合はカーボンナノチューブ同士の接触部位で切断されるため制御性がよりよい。 At this time, the same effect can be obtained even if the carbon nanotubes to be cut as shown in FIG. 11 intersect with the carbon nanotubes supported by the electrode 4 and are cut as shown in FIG. Particularly in this case, controllability is better because the carbon nanotubes are cut at the contact sites.
切削面同士を接触させた後にコンデンサ放電による電流を流すと、基材側と電極側の両方のカーボンナノチューブ先端が瞬時に昇華され、両方のカーボンナノチューブの長さが短くなっていく。切削された面は非晶質層になっており、その厚さはカーボンナノチューブの層の厚み程度であり、数10nmである。この部分が瞬時に昇華される。したがって、本発明によれば数10nm程度の精度で切削を行うことが可能である。 When a current due to capacitor discharge is applied after the cut surfaces are brought into contact with each other, the tips of the carbon nanotubes on both the base material side and the electrode side are instantaneously sublimated, and the lengths of both carbon nanotubes become shorter. The cut surface is an amorphous layer, and the thickness is about the thickness of the carbon nanotube layer, which is several tens of nm. This part is instantly sublimated. Therefore, according to the present invention, it is possible to perform cutting with an accuracy of about several tens of nm.
本実施例の図6の場合には、カーボンナノチューブとして、切削しようとするカーボンナノチューブのみを用意すればよく、電極側に2本目のカーボンナノチューブを用意する必要がない。 In the case of FIG. 6 of the present embodiment, it is only necessary to prepare the carbon nanotube to be cut as the carbon nanotube, and it is not necessary to prepare the second carbon nanotube on the electrode side.
基材3の材料、基材および電極へのカーボンナノチューブの固定方法等に関しては、実施例1の場合と同様に行うことができる。
The material of the
図7は、パルス電圧を印加することによって切削を行う、別の実施例を示している。本実施例ではカーボンナノチューブの一端を固定部5によって基材3に固定し、他端を電極4に担持し、基材3と電極4の間にパルス印加電源12よってパルス電流を流して、カーボンナノチューブを半分程度の長さに切断し、その後、切断面同士を接触させて、再度パルス印加電源12によってパルス電圧を印加することによって先端部分の切削を行う。このときパルス印加電源ではなく瞬時のスイッチング可能な直流電源であっても同様の効果が得られる。
FIG. 7 shows another embodiment in which cutting is performed by applying a pulse voltage. In this embodiment, one end of the carbon nanotube is fixed to the
このとき図11のように切削したいカーボンナノチューブを電極4に担持されたカーボンナノチューブと交差させて、図12のように切断を行っても同様の効果が得られる。特にこの場合はカーボンナノチューブ同士の接触部位で切断されるため制御性がよりよい。 At this time, the same effect can be obtained even if the carbon nanotubes to be cut as shown in FIG. 11 intersect with the carbon nanotubes supported by the electrode 4 and are cut as shown in FIG. Particularly in this case, controllability is better because the carbon nanotubes are cut at the contact sites.
本実施形態でも、切削しようとするカーボンナノチューブ以外のカーボンナノチューブを用意する必要はない。切削面同士を接触させた後は、基材側と電極側の両方のカーボンナノチューブ先端が瞬時に昇華されることによって両方のカーボンナノチューブの長さが短くなっていく。また平坦な先端面を得ることが可能である。 Also in this embodiment, it is not necessary to prepare carbon nanotubes other than the carbon nanotubes to be cut. After the cut surfaces are brought into contact with each other, the lengths of both carbon nanotubes are shortened by instantaneously sublimating the tips of the carbon nanotubes on both the base material side and the electrode side. It is also possible to obtain a flat tip surface.
本実施例でも、コンデンサ放電を利用する実施例3の場合と同様の効果が得られ、また充電と放電を切り替える時間を短縮できる利点がある。 In this embodiment, the same effect as that of the third embodiment using capacitor discharge can be obtained, and there is an advantage that the time for switching between charging and discharging can be shortened.
基材3の材料、基材および電極へのカーボンナノチューブの固定方法等に関しては、実施例1の場合と同様である。
The material of the
図13はコンデンサ放電による電流を流してカーボンナノチューブを切削する際の切削装置構成を示したものである。本実施例の切削装置は、基材3と電極4よりなる一対の電極と、電荷を蓄積するためのコンデンサ6と、抵抗7と、コンデンサ6に電荷を蓄積するための直流電源9および、充電と放電を切り替えるスイッチ8を含む電気回路を有する。
FIG. 13 shows a configuration of a cutting apparatus when a carbon nanotube is cut by flowing a current due to capacitor discharge. The cutting apparatus of the present embodiment includes a pair of electrodes composed of a
カーボンナノチューブの切削は、切削しようとするカーボンナノチューブ1の一端を基材3に固定し、電極4にカーボンナノチューブ1の先端部分を接触させて、基材3と電極4の間にコンデンサ放電による電流を流すことにより行う。このとき図14のように先端同士を突合せ切削することで先端形状を整える方法が、目的の長さに調整するには最も好適である。
The carbon nanotube is cut by fixing one end of the
コンデンサ放電時の電流によってカーボンナノチューブ1と電極4の接触部分においてジュール発熱が生じ、その部分が瞬時に昇華され、カーボンナノチューブ先端部の切削が生じる。
Joule heat is generated at the contact portion between the
図15は切削後の様子を示している。このようにカーボンナノチューブ1先端切削領域が一部消失する。本実施例の方法によれば、カーボンナノチューブ1の切削面は、チューブの孔が閉じた状態になった。
FIG. 15 shows a state after cutting. Thus, a part of the
本発明においても切削を複数回繰り返すことにより、カーボンナノチューブ1の長さ微調整することが可能であるが、制御性の観点からはカーボンナノチューブを用いる方法がよい。しかし、この方法により電極4側にカーボンナノチューブを用意する必要がないことから時間を短縮することが可能となる。
In the present invention, the length of the
基材3の材料、基材および電極へのカーボンナノチューブの固定方法等に関しては、実施例1の場合と同様である。
The material of the
1…カーボンナノチューブ、2…カーボンナノチューブ、3…基材、4…電極、5…固定部、6…コンデンサ、7…抵抗、8…スイッチ、9…直流電源、10…非晶質領域、11…固定部、12…パルス印加電源。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007283769A JP2009107903A (en) | 2007-10-31 | 2007-10-31 | Method and device for cutting carbon nanotube |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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2007
- 2007-10-31 JP JP2007283769A patent/JP2009107903A/en active Pending
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