JP2009243999A - ナノチューブ探針を有する測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
ナノチューブを探針として用いた電気伝導特性評価装置・プローブ顕微鏡等の測定装置において、カーボンナノチューブの電気抵抗、さらに金属基材とカーボンナノチューブの間の電気抵抗を低減することにより、ナノチューブ探針の導電性を改善し、かつ一様な径を達成して、測定装置の測定精度を向上することにある。
【解決手段】
上記課題を解決するため、ナノチューブの表面をグラフェンシート小片で覆い、金属の濡れ性を良くした上で、金属コーティングする等の手段を用いたナノチューブ探針を有する電気伝導特性評価装置にある。もしくは、グラフェンシートよりなるアモルファスナノチューブに金属コーティングしたナノチューブ探針を有する電気伝導特性評価装置にある。
【選択図】図２
ナノチューブを探針として用いた電気伝導特性評価装置・プローブ顕微鏡等の測定装置において、カーボンナノチューブの電気抵抗、さらに金属基材とカーボンナノチューブの間の電気抵抗を低減することにより、ナノチューブ探針の導電性を改善し、かつ一様な径を達成して、測定装置の測定精度を向上することにある。
【解決手段】
上記課題を解決するため、ナノチューブの表面をグラフェンシート小片で覆い、金属の濡れ性を良くした上で、金属コーティングする等の手段を用いたナノチューブ探針を有する電気伝導特性評価装置にある。もしくは、グラフェンシートよりなるアモルファスナノチューブに金属コーティングしたナノチューブ探針を有する電気伝導特性評価装置にある。
【選択図】図２
Description
本発明は、ナノチューブを探針として用いた、電気伝導特性評価装置，プローブ顕微鏡等の測定装置に関する。
カーボンナノチューブは、直径が０.７ｎｍから数十ｎｍで、長さがサブミクロンから数十ミクロンと非常にアスペクト比の高い形状をしていることから、微細形状サンプルの電気伝導特性や寸法を測定するための探針として有望である。特開２００２−０３１６５５（特許文献１）には、ナノチューブを探針として用いた電気伝導特性評価装置が記載されている。
特許文献１のように、ナノチューブを直接探針として用いると、カーボンナノチューブ自身の電気抵抗と、ナノチューブと基材との接触抵抗のために、正確な電気伝導特性の測定を行うことが困難な場合がある。例えば、カーボンナノチューブの電気抵抗率が１×１０-6Ωｍ程度と高く、また金属電極との接触抵抗も数十ｋΩ程度と高い場合には、試料の電気伝導特性を高精度で評価することが困難であった。
そこで本願発明の目的は、カーボンナノチューブの電気抵抗、さらに金属基材とカーボンナノチューブの間の電気抵抗を低減し、高精度での試料の観察が可能なナノチューブを探針として用いた電気伝導特性評価装置，プローブ顕微鏡等の測定装置を実現することにある。
探針の電気抵抗を小さくし、また、探針と探針を固定する金属基材との電気抵抗を低減するため、カーボンナノチューブの表面に金属層を設けることが考えられる。しかしながら、カーボンナノチューブの表面に直接金属をコーティングすると、カーボンナノチューブの表面の金属との濡れ性が低いため均一な金属層の形成が困難であり、金属が粒子状になり付着したり、金属層に凹凸が生じる等の問題がある。金属層の凹凸等は、探針の径を変化させ、電気状態や形状の観察に影響を与えるため好ましくない。
そこで、本願発明の特徴は、ナノチューブと、ナノチューブの表面に設けられたグラフェンシート小片などの燐片状の物質よりなるコート層と、コート層を覆う金属層を有する探針を用いた点にある。このようなコート層を設けることにより、ナノチューブ表面と、金属との濡れ性を向上させ、均一な金属コーティングを設けることが可能となり、探針の電気抵抗，探針と探針を固定する基材との電気抵抗を低減することができる。
本発明により、カーボンナノチューブを探針として用いた高精度での試料の観察が可能な電気伝導特性評価装置，プローブ顕微鏡等の導電性測定装置を提供できる。
以下、本発明の測定装置の更に詳細を説明する。
ナノチューブは、二次元構造を有するシート状の化合物よりなり、シート状の化合物が単層、または多層の同軸管状構造を有する。
下記の実施例では、ナノチューブとして、炭素元素のみで構成される３層構造の多層カーボンナノチューブの例を示す。
尚、多層のナノチューブとしては、三層構造に限らず、任意の層数の多層ナノチューブを用いることができる。また、単層ナノチューブを用いることも可能である。
ナノチューブの両端は、キャップのように閉じた閉構造，開口となっている開構造のいずれもを採用することができる。
シート状物質としては、炭素よりなるグラフェンシートなど、ナノチューブを構成する物質の小片のほか、ＢＮ化合物など、二次元のシートを形成する化合物がある。ＣＶＤ法，スパッタ法や、シート状物質の集合体の粉砕によっても形成される。
また、炭素のみより構成されるナノチューブに限らず、ホウ素や窒素を含有するカーボンナノチューブや、炭素以外の元素で構成されるナノチューブを用いることができる。
また、下記の実施例では、金属層として金・白金をはじめ、導電性の高い金属を使用することができる。特に金，銀，白金を使用することが好ましい。アルミニウム，鉄も使用できるが、酸化に留意する必要がある。また、タングステンのように炭化物を形成しやすい金属は、金属層としては使用が困難である。
導電性がよく、アスペクト比の高い形状の探針を達成する手段としては、上記のようなナノチューブに燐片状のシート状物質を多数付着させたコート層を形成してその上に金属コーティング層を設けた探針のほかに、ナノチューブを省略し、多数の燐片状のシートよりなるアモルファスチューブに金属のコート層を設けることが挙げられる。
また、炭素含有金属コーティング層を用いることによってもナノチューブと金属層との濡れ性が向上する。炭化タングステン（ＷＣ）などの炭化物や、金属により少量の炭素が添加されている膜が挙げられる。特に、炭化物よりも炭素の比率を少なくすることで、表面の導電性が高くなり好ましい。
また、多層膜よりなるナノチューブの場合には、金属層を設ける代わりに、内部の層を活用し電気伝導性を向上させることが可能である。例えば、ナノチューブの端部が閉じられていない開口を有する場合には、端部に金属端子を設けることで各層間を接続し、導電性を向上させることができる。ナノチューブの端部はπ電子の障壁がなく、またダンブリング結合が露出しているので、金属との濡れ性が高い。また、多層膜間に金属の粒子等を挿入した構造のナノチューブとすることで、導電性を向上させることができる。
本実施例のナノチューブ探針について、図１を用いて説明する。本実施例のナノチューブ探針は、複数の炭素層１０１から構成される多層カーボンナノチューブと、多層カーボンナノチューブの表面を被覆するグラフェンシート小片１０２の層と、グラフェンシート小片１０２の層の表面に設けられる金属コーティング層１０３を有する積層構造を有する。
グラフェンシート小片１０２は、カーボンナノチューブを隙間なく多層に被覆している。グラフェンシートの端は、末端基が露出しており、グラフェンシート表面と比して金属との濡れ性がよい。ナノチューブの表面をグラフェンシート小片で隙間なく覆うことにより、金属濡れ性が良好になり、グラフェンシート小片層の上には凹凸を少なくした金属層を積層することができる。
カーボンナノチューブの表面にグラフェンシート小片を積層するには、気相成長法を用いることができる。カーボンナノチューブ、あるいはカーボンナノチューブを基材等に接合したものを、成長炉に入れて、４００〜９００℃に加熱しながら、アセチレン・プロピレン等の炭素含有材料を成長炉内に流す。その結果、カーボンナノチューブの表面にグラフェンシート小片層を積層することができる。グラフェンシート小片の大きさは、０.１ｎｍから１０ｎｍ程度である。グラフェンシート小片層の膜厚は、成長温度および成長時間により制御することができる。
他のグラフェンシート小片層の形成方法は、炭素含有材料のガスを流しながら電子線，イオンビーム，レーザ光等を照射する方法がある。電子線，イオンビーム，レーザ光のエネルギーにより炭素含有ガスが分解され、多層カーボンナノチューブの表面でグラフェンシート小片となり積層するものと考えられる。また、スパッタ製膜法や抵抗加熱製膜法によっても、グラフェンシート小片層を積層することが可能である。
グラフェンシート小片層の上に金属コーティング層を作成するときには、金属含有材料のガスを流しながら、電子線，イオンビーム，レーザ光等を照射する方法がある。また、他にもスパッタ製膜法，抵抗加熱製膜法を使用できる。また、ナノチューブ分散液と金属ナノ粒子分散液を混合し、ナノチューブ表面に金属ナノ粒子を付着させ、その後に熱処理することにより金属コーティング層を作製することも可能である。
このようにカーボンナノチューブに金属コーティングを施すことにより、カーボンナノチューブの電気抵抗率を１０-8Ωｍ台にまで低減することが可能である。
また、電気伝導性がよく形状が一様な探針が得られるため、導電性ＡＦＭ等に好適である。
〔比較例１〕
図２は、多層カーボンナノチューブの電気伝導測定結果を示す図である。カーボンナノチューブを二つのＩｒＰｔ針の間に架橋し、ＩｒＰｔ針とカーボンナノチューブをタングステン電極で接合し、両ＩｒＰｔ針間の電気抵抗を測定した。測定後カーボンナノチューブを過大電流により切断し、再度切断端をＩｒＰｔ針にタングステン電極により接合し、両ＩｒＰｔ針間の電気抵抗を測定することを繰返すことにより、電気抵抗のカーボンナノチューブ長さ依存性を測定した。図２のグラフは、全抵抗のカーボンナノチューブ長さ依存性を示し、その傾きからカーボンナノチューブ自体の電気抵抗率を、切片からＩｒＰｔ針とカーボンナノチューブ間の接触抵抗を見積もることが出来る。図２には、直径が２３ｎｍと３０ｎｍの多層カーボンナノチューブの測定結果を示した。両者の平均から、カーボンナノチューブの電気抵抗率は１×１０-6Ωｍ，ＩｒＰｔ針とカーボンナノチューブの接触抵抗は、両端で１０ｋΩとなる。従って、金属層を設けないナノチューブ探針の比較例では、表面層にのみ電流が流れ、探針の導電性が低い。
図２は、多層カーボンナノチューブの電気伝導測定結果を示す図である。カーボンナノチューブを二つのＩｒＰｔ針の間に架橋し、ＩｒＰｔ針とカーボンナノチューブをタングステン電極で接合し、両ＩｒＰｔ針間の電気抵抗を測定した。測定後カーボンナノチューブを過大電流により切断し、再度切断端をＩｒＰｔ針にタングステン電極により接合し、両ＩｒＰｔ針間の電気抵抗を測定することを繰返すことにより、電気抵抗のカーボンナノチューブ長さ依存性を測定した。図２のグラフは、全抵抗のカーボンナノチューブ長さ依存性を示し、その傾きからカーボンナノチューブ自体の電気抵抗率を、切片からＩｒＰｔ針とカーボンナノチューブ間の接触抵抗を見積もることが出来る。図２には、直径が２３ｎｍと３０ｎｍの多層カーボンナノチューブの測定結果を示した。両者の平均から、カーボンナノチューブの電気抵抗率は１×１０-6Ωｍ，ＩｒＰｔ針とカーボンナノチューブの接触抵抗は、両端で１０ｋΩとなる。従って、金属層を設けないナノチューブ探針の比較例では、表面層にのみ電流が流れ、探針の導電性が低い。
また、多層カーボンナノチューブの表面に金属コーティング層を直接積層したナノチューブ探針の比較例では、多層カーボンナノチューブの表面での金属の濡れ性が悪いため、金属が粒状になり、均一な金属コーティング層を形成することが出来ない。
従って、直接金属層を設けたナノチューブ探針の比較例では、金属層の導電性が悪い。
本実施例では、アモルファスナノチューブを使用した例について図３を用いて説明する。実施例１で使用した切れ目のないシート状物質で形成されるカーボンナノチューブの代わりに、断片的なシート状物質の集合体よりなるカーボンナノチューブ（アモルファスナノチューブ）を使用した。
グラフェンシート小片でアモルファスチューブを構成し、アモルファスチューブの表面に金属コーティング層３０２を積層する。実施例１と同様に、グラフェンシートの末端基の効果により、アモルファスチューブの表面は金属との濡れ性が良好である。このため、グラフェンシート小片で構成されたアモルファスチューブの上には、均質な金属層を積層することができる。
グラフェンシート小片で構成されたアモルファスチューブは、鋳型法により作製することができる。すなわち、金属アルミニウムを陽極酸化することにより、その表面にアルミナのチューブ穴を形成する。例えば、硫酸を電解液に用いることにより、直径が２０ｎｍのチューブ穴を形成することができる。チューブ穴の深さは、陽極酸化時間により制御する。次に、このアルミナチューブ穴の中に、気相成長法によりグラフェンシート小片を積層し、アルミナをウエットエッチングにより除去することにより、アモルファスチューブを得ることができる。この気相成長法には、炭素材料としてアセチレンを用い、６００℃で２時間成長を行った。また、このアモルファスチューブは、触媒金属含有物質と炭素含有物質を混合して加熱する通常の気相成長法によっても作製することができる。触媒含有金属としてはフェロセン等、炭素含有物質としてはトルエン等を用い、成長温度は４００〜９００℃が適当である。
グラフェンシート小片層の上に金属コーティング層を作成するときには、金属含有材料のガスを流しながら、電子線，イオンビーム，レーザ光等を照射する方法がある。また、他にもスパッタ製膜法，抵抗加熱製膜法を使用できる。
このようなアモルファスチューブに金属コーティング層を付した探針では、カーボンナノチューブの電気抵抗率を１０-8Ωｍ台にまで低減することが可能である。
なお、本実施例では、炭素のみより構成されるアモルファスナノチューブを用いて説明したが、ホウ素や窒素を含有するナノチューブや、炭素以外の元素で構成されるナノチューブでもよい。また、ナノチューブの両端は、キャップのように閉じた閉構造，開口となっている開構造のいずれもを採用することができる。
実施例３は、ナノチューブの表面に、炭素を含有する金属コーティング層４０２を積層した探針の例について図４を用いて説明する。炭素を含有する金属コーティング層は、純粋な金属の膜に比して、カーボンナノチューブ表面での濡れ性が改善されるために、連続した均一膜を形成することが可能である。
炭素含有金属コーティング層は、金属含有材料のガスを流しながら電子線照射あるいはイオンビームあるいはレーザ光を照射することにより、多層カーボンナノチューブの表面に形成することができる。金属含有材料として、(ＣＨ3)3(ＣＨ3Ｃ5Ｈ4)Ｐｔ，Ａｕ(ＣＨ3)2(ＣＨ3ＣＯＣＨ2ＣＯＣＨ3)，Ｗ(ＣＯ)6等を金属種に応じて用いる。
本手法により、さらに、炭素を含有する金属コーティング膜の上に、金属層を設けてもよく、カーボンナノチューブ探針の電気抵抗率を１０-8Ωｍ台にまで低減することが可能である。
金属コーティング層とナノチューブの濡れ性を改善するためには、ナノチューブの構成元素のうち少なくとも一つの元素を金属コーティング層に混合することが有効である。その結果、金属層のナノチューブとの濡れ性に加え、接着性，金属層の均質性の向上する。
多層カーボンナノチューブは、炭素層６０１が重なりあった構造を有する。通常、多層カーボンナノチューブの場合、電気伝導に寄与しているのは、最外層のみであると考えられる。多層構造の炭素層間の電気抵抗は、一の炭素層層内の電気抵抗に比べて、二桁以上大きいためである。そこで、多層カーボンナノチューブの各層６０１を電気的に接合すれば、電気抵抗が層数分の一に低減すると考えられる。
実施例４では、ナノチューブの両端に金属端子を設け、炭素層間を金属層５０２により電気的に導通させた例について、図５を用いて説明する。ナノチューブの両端は開口を有し、炭素層の端部が露出している。多層カーボンナノチューブの各層５０１より構成される多層カーボンナノチューブの開構造の両端に、金属層５０２を形成することにより、多層カーボンナノチューブの各層５０１を電気的に接合できるため、多層カーボンナノチューブの電気抵抗率を大幅に低減することができる。
金属端子は、真空中に金属含有材料を流しながら、電子線照射あるいはイオンビームあるいはレーザ光を照射することにより、目的とする部位に金属層を形成して設けることができる。このような金属端子はナノチューブの両端に設けることが好ましい。
本手法により、カーボンナノチューブの電気抵抗率を１０-8Ωｍ台にまで低減することが可能である。
実施例５では、実施例４と同様に、多層カーボンナノチューブの各層６０１を電気的に接合し、電気抵抗を低減する例について図６を用いて説明する。実施例５は、多層よりなり各炭素層の間に金属の原子またはクラスターを有するカーボンナノチューブを用いたカーボンナノチューブ探針の例である。多層カーボンナノチューブの炭素層間に金属原子または金属クラスター６０２を挿入することにより、各炭素層６０１を電気的に接合し、多層カーボンナノチューブの電気抵抗率を大幅に低減することができる。
金属粒子は、気相反応でナノチューブ中に含浸させることができる。金属ガス中にカーボンナノチューブを配置し、７〜８時間静置することで、各炭素層間に金属元素が挿入されたカーボンナノチューブを得ることができる。金属ガスの種類を変更することにより、合金の挿入や、クラスターの挿入も可能である。
図６は、多層カーボンナノチューブとして３層構造の例を示す。炭素層の間には、金属原子または金属クラスターを設ける。金属原子、または金属クラスターとして、金・白金をはじめ、如何なる金属および合金を用いることも可能である。
なお、ナノチューブとして炭素層よりなるナノチューブを説明したが、ホウ素，窒素等を含有するカーボンナノチューブであっても同様である。また、他の元素よりなるナノチューブでもよい。
金属原子および金属クラスターの挿入には、以下の手法を用いる。カーボンナノチューブを金属含有溶液の中に分散し、数時間放置することにより、金属原子および金属クラスターを多層カーボンナノチューブの層間に挿入することができる。また、多層カーボンナノチューブと金属含有材料を真空容器に封入し、加熱することにより、金属原子および金属クラスターを多層カーボンナノチューブの層間に挿入することができる。本手法により、カーボンナノチューブの電気抵抗率を１０-8Ωｍ台にまで低減することが可能である。
図７は、試料の電気伝導性を測定する装置の構成例を示す図である。本実施例の測定装置は、ナノ針形状を有する針基材７０３にナノチューブ探針７０１を接合剤７０２により接合したナノチューブプローバを使用する。ナノチューブプローバをコントローラー７０４に接続し、ナノチューブ探針７０１を測定サンプル７０５の表面に接触させ、電気伝導特性を測定することができる。試料は試料台に搭載されており、試料台とコントローラーは接続されている。コントローラーは電源，電流計，制御装置を備え、ナノチューブプローバを制御するとともに試料との接触により得られる情報を取得する。試料台及びコントローラーは接地されていてもよい。
このような測定は、電子顕微鏡中など、真空の条件で行われることが好ましい。例えば大気中では、水蒸気等の影響を受けるためである。
また、ナノチューブプローバを複数設けた測定装置でもよい。図８は、ナノチューブプローバを４本設けた構成である。４本のナノチューブプローバをそれぞれコントローラー８０４に接続し、ナノチューブ探針８０１を測定サンプル８０５の表面に接触させて、いわゆる四端子法によりサンプルの電気伝導特性を測定することができる。
ナノチューブ探針として、コート層と金属層を有するナノチューブを用いることにより、針基材との接触抵抗を１０Ω以下と低くすることができる。また、その際の接合剤としては、タングステン・白金・金等の金属コーティング層を使用することが望ましい。
また、試料の表面を走査し、試料と探針の間に働く力を検出すること（原子間力顕微鏡の原理）により、同時に測定サンプル８０５の表面形状を観察することができる。さらに、試料と探針の間に流れるトンネル電流を測定し（走査型トンネル顕微鏡の原理）、測定サンプル表面の電子状態を測定することも可能である。
１０１，４０１，５０１，６０１ 多層カーボンナノチューブの各層
１０２ グラフェンシート小片
１０３，３０２ 金属コーティング層
３０１ グラフェンシート小片よりなるナノチューブ
４０２ 炭素含有金属コーティング層
５０２ 金属層
６０２ 金属原子または金属クラスター
７０１，８０１ ナノチューブ探針
７０２，８０２ 接合剤
７０３，８０３ 針基材
７０４，８０４ コントローラー
７０５，８０５ 測定サンプル
１０２ グラフェンシート小片
１０３，３０２ 金属コーティング層
３０１ グラフェンシート小片よりなるナノチューブ
４０２ 炭素含有金属コーティング層
５０２ 金属層
６０２ 金属原子または金属クラスター
７０１，８０１ ナノチューブ探針
７０２，８０２ 接合剤
７０３，８０３ 針基材
７０４，８０４ コントローラー
７０５，８０５ 測定サンプル
Claims (10)
- ナノチューブを用いた探針により試料の観察を行う導電性測定装置であって、
前記探針は、ナノチューブと、前記ナノチューブの表面を被覆する燐片形状の物質よりなるシート層と、前記シート層の表面を被覆する金属層を有することを特徴とする導電性測定装置。 - 請求項１に記載された導電性測定装置であって、
前記ナノチューブに含まれる元素の少なくとも一つが、前記シート層に含まれることを特徴とする導電性測定装置。 - 請求項１に記載された導電性測定装置であって、
前記シート層が気相成長法により形成された層であることを特徴とする導電性測定装置。 - 請求項１に記載された導電性測定装置であって、
前記シート層は、ナノチューブを構成する元素のうち少なくとも一つを含有することを特徴とする導電性測定装置。 - 請求項１に記載された導電性測定装置であって、
前記シート層は、気相成長法により形成されていることを特徴とする導電性測定装置。 - ナノチューブを用いた探針により試料の観察を行う導電性測定装置であって、
前記探針は、ナノチューブと、ナノチューブの構成元素種を添加され、一または複数の金属よりなる金属膜とを有することを特徴とする導電性測定装置。 - ナノチューブを用いた探針により試料の観察を行う導電性測定装置であって、
前記ナノチューブは両端に開口部を有する多層の同軸管状構造であって、前記ナノチューブの両端に設けられた金属よりなる導電部とを有することを特徴とする導電性測定装置。 - ナノチューブを用いた探針により試料の観察を行う導電性測定装置であって、
前記ナノチューブは両端に開口部を有する多層の同軸管状構造であって、前記ナノチューブを構成するシート状物質の間に金属原子または金属クラスターを有することを特徴とする導電性測定装置。 - ナノチューブを用いた探針により試料の観察を行う導電性測定装置であって、
前記探針はシート状物質が積層して構成されるナノチューブと、前記ナノチューブの表面を覆う金属膜とを有するナノチューブ探針を用いたことを特徴とする導電性測定装置。 - 請求項９に記載の導電性測定装置において、該ナノチューブを気相成長法により作製したことを特徴とする導電性測定装置。
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