JP2010197387A - カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー及びその製造方法は、第一電極と、第二電極と、カーボンナノチューブアレイと、少なくとも１つの第一導電金属層と、少なくとも１つの第二導電金属層と、を備える。カーボンナノチューブアレイは、第一電極と第二電極の間に配置されていて、且つカーボンナノチューブアレイの第一端部が少なくとも１つの第一導電金属層を通じて第一電極に電気的に接続され、カーボンナノチューブアレイの第二端部が少なくとも１つの第二導電金属層を通じて第二電極に電気的に接続される。カーボンナノチューブアレイの第一端部と第二端部に、それぞれ第一金属親和性膜と第二金属親和性膜が形成されていて、第一金属親和性膜が第一導電金属層に接触し、第二金属親和性膜が第二導電金属層に接触する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー及びその製造方法は、第一電極と、第二電極と、カーボンナノチューブアレイと、少なくとも１つの第一導電金属層と、少なくとも１つの第二導電金属層と、を備える。カーボンナノチューブアレイは、第一電極と第二電極の間に配置されていて、且つカーボンナノチューブアレイの第一端部が少なくとも１つの第一導電金属層を通じて第一電極に電気的に接続され、カーボンナノチューブアレイの第二端部が少なくとも１つの第二導電金属層を通じて第二電極に電気的に接続される。カーボンナノチューブアレイの第一端部と第二端部に、それぞれ第一金属親和性膜と第二金属親和性膜が形成されていて、第一金属親和性膜が第一導電金属層に接触し、第二金属親和性膜が第二導電金属層に接触する。
【選択図】図１
Description
本発明は、カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー及びその製造方法に関するものである。
カーボンナノチューブは１９９１年に発見された新しい一次元ナノ材料となるものである。カーボンナノチューブは高引張強さ及び高熱安定性を有し、また、異なる螺旋構造により、金属にも半導体にもなる。カーボンナノチューブは、理想的な一次元構造を有し、優れた力学的機能、電気的機能及び熱的機能などを有するので、材料科学、化学、物理などの科学領域、例えば、フィールドエミッタ（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｔｔｅｒ）を応用した平面ディスプレイ、単一電子デバイス（ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＡＦＭ）のプローブ、熱センサー、光センサー、フィルターなどに広くに応用されている。
カーボンナノチューブを応用したセンサーは、ガス分子が半導体カーボンナノチューブに吸着すると両者間で電荷移動を起こし、半導体カーボンナノチューブの電気的特性（コンダクタンス、キャパシタンス）が変化するため、この現象を利用してガス検知するものである。このようなカーボンナノチューブセンサーの構造については、磁場をかけた雰囲気下で一対の電極間にＣＶＤ法によって金属電極上で複数の半導体カーボンナノチューブを成長させる。即ち、予め生成した複数の半導体カーボンナノチューブを溶媒に分散して電極間に塗布、乾燥させてランダムに集積したカーボンナノチューブセンサー等が提案されている（非特許文献１を参照）。
"Ｒｅｃｅｎｔ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｒ−ｂａｓｅｄ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ"、Ｔｉｎｇ Ｚａｎｇ他、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２００８年、第１９巻、Ｐ３３２００１
Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
しかし、従来のカーボンナノチューブセンサーの製造過程で残った残留物を徹底的に除去できなく、また、金属電極とカーボンナノチューブの間の接着力がよくないので、前記カーボンナノチューブセンサーの精度と感度に影響する。
従って、前記課題を解決するために、本発明は高感度で高速に応答し、高精度であり、安定性が良いカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー及びその製造方法を提供する。
本発明のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサーは、第一電極と、第二電極と、カーボンナノチューブアレイと、少なくとも１つの第一導電金属層と、少なくとも１つの第二導電金属層と、を備える。前記カーボンナノチューブアレイは、複数のカーボンナノチューブを含み、前記カーボンナノチューブアレイが、前記カーボンナノチューブの縦軸方向に沿って対向する第一端部と第二端部を含み、前記カーボンナノチューブアレイは、第一電極と第二電極の間に配置されていて、且つ前記カーボンナノチューブアレイの第一端部が前記少なくとも１つの第一導電金属層を通じて前記第一電極に電気的に接続され、前記カーボンナノチューブアレイの第二端部が前記少なくとも１つの第二導電金属層を通じて前記第二電極に電気的に接続され、さらに、前記カーボンナノチューブアレイの第一端部と第二端部に、それぞれ第一金属親和性膜と第二金属親和性膜が形成されていて、前記第一金属親和性膜が前記第一導電金属層に接触し、前記第二金属親和性膜が前記第二導電金属層に接触する。
前記第一導電金属層の融点が第一電極の融点より低く、前記第二導電金属層の融点が第二電極の融点より低い。
本発明のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサーの製造方法は、縦軸方向に沿って対向した第一端部と第二端部を含む複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの各々のカーボンナノチューブの第一端部にそれぞれ第一金属親和性膜を形成する第二ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの第一金属親和性膜が形成された第一端部に少なくとも１つの第一導電金属層と第一電極を形成する第三ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの各々のカーボンナノチューブの第二端部にそれぞれ第二金属親和性膜を形成する第四ステップと、前記カーボンナノチューブアレイの第二金属親和性膜が形成された第一端部に少なくとも１つの第二導電金属層と第二電極を形成する第五ステップと、を含む。
従来の技術と比べて、本発明のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー及びその製造方法は、カーボンナノチューブ両端にそれぞれ第一金属親和性膜と第二金属親和性膜が形成されている。且つ前記第一金属親和性膜と第二金属親和性膜は、カーボンナノチューブ、第一導電金属層及び第二導電金属層全てに良好な湿潤性を有するので、前記カーボンナノチューブは、第一導電金属層及び第二導電金属層を通じて、第一電極と第二電極に堅固に接続することができる。従って、カーボンナノチューブアレイを利用したセンサーは、高感度で高速に応答し、高精度であり、安定性が良い状態で作動することを確保する。
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。
（実施形態１）
図１を参照すると、本実施形態のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０は、第一電極１１と、第二電極１２と、カーボンナノチューブアレイ１３と、第一導電金属層１４と、第二導電金属層１５と、を備える。前記第一電極１１と第二電極１２は、所定の距離により互いに対向して配置される。前記第一導電金属層１４は、前記第一電極１１の前記第二電極１２に対向する表面に配置される。前記第二導電金属層１５は、前記第二電極１２の前記第一電極１１に対向する表面に配置される。前記カーボンナノチューブアレイ１３は、前記第一導電金属層１４と前記第二導電金属層１５の間に配置されている。
図１を参照すると、本実施形態のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０は、第一電極１１と、第二電極１２と、カーボンナノチューブアレイ１３と、第一導電金属層１４と、第二導電金属層１５と、を備える。前記第一電極１１と第二電極１２は、所定の距離により互いに対向して配置される。前記第一導電金属層１４は、前記第一電極１１の前記第二電極１２に対向する表面に配置される。前記第二導電金属層１５は、前記第二電極１２の前記第一電極１１に対向する表面に配置される。前記カーボンナノチューブアレイ１３は、前記第一導電金属層１４と前記第二導電金属層１５の間に配置されている。
前記第一電極１１と第二電極１２は、例えば銅、アルミニウム、金、鉄、銀などの一種又は幾種の混合物などの導電材料からなる。本実施例において、前記第一電極１１と第二電極１２は、それぞれ金属銅からなり、その厚さが１〜２０μｍである。
前記カーボンナノチューブアレイ１３は、同じ方向に沿って配列された複数の相互に平行なカーボンナノチューブ１３０を含む。前記各々のカーボンナノチューブ１３０は、同じ長さを持っていて、別々に第一端部１３２と第二端部１３４を含んでいる。前記第一端部１３２と第二端部１３４は、前記カーボンナノチューブ１３０の縦軸方向に沿った前記カーボンナノチューブの対向する２つの端である。前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２に、第一金属親和性膜（ｍｅｔａｌｌｏｐｈｉｌｉｃ ｌａｙｅｒ）１３６が形成されている。且つ、前記各々のカーボンナノチューブ１３０は、前記第一金属親和性膜１３６を通じて前記第一電極１１に電気的に接続される。前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第二端部１３４に、第二金属親和性膜１３８を形成されている。且つ、前記各々のカーボンナノチューブ１３０は、前記第二金属親和性膜１３８を通じて前記第二電極１２に電気的に接続される。
該カーボンナノチューブアレイ１３は、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２を参照）であり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積法、アーク放電法またはレーザー蒸発法を採用する。前記カーボンナノチューブ１３０は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。本実施例において、前記カーボンナノチューブ１３０は、多層カーボンナノチューブである。且つ、前記カーボンナノチューブアレイ１３の高さが１〜８００μｍである。
前記第一金属親和性膜１３６と第二金属親和性膜１３８を、電気めっき、化学めっき、真空めっき、マグネトロンスパッタリングなどの方法で、前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２と第二端部１３４に別々に沈着させる。前記第一端部１３２と第二端部１３４は、具体に前記カーボンナノチューブ１３０の端面又は端面から距離が０．０１〜５０μｍであるカーボンナノチューブ１３０の側壁部を示す。前記第一金属親和性膜１３６と第二金属親和性膜１３８は、別々に前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２と第二端部１３４の部分又は全部を覆う。前記第一金属親和性膜１３６と第二金属親和性膜１３８は、前記カーボンナノチューブ１３０、第一導電金属層１４及び第二導電金属層１５全てに良好な湿潤性を有する。従って、前記各々のカーボンナノチューブ１３０は、前記第一金属親和性膜１３６と第二金属親和性膜１３８を通じて前記第一導電金属層１４及び第二導電金属層１５に良好に接続することができる。即ち、前記各々のカーボンナノチューブ１３０は、前記第一電極１１と前記第二電極１２に良好な電接続性を保持することができる。前記第一金属親和性膜１３６と第二金属親和性膜１３８は、それぞれパラジウム、クロム、ニッケル、チタン、マグネシウムなどの一種又は数種の合金からなる。前記第一金属親和性膜１３６と第二金属親和性膜１３８の厚さが、それぞれ０．５〜５０ｎｍである。
前記第一導電金属層１４は、前記第一電極１１と前記第一金属親和性膜１３６の間に配置されている。前記第二導電金属層１５は、前記第二電極１２との前記第二金属親和性膜１３８の間に配置されている。さらに、前記第一金属親和性膜１３６が覆われた前記カーボンナノチューブ第一端部１３２の全部又は部分が前記第一導電金属層１４に埋め込まれて配置され、前記第二金属親和性膜１３８が覆われた前記カーボンナノチューブ第二端部１３４の全部又は部分が前記第二導電金属層１５に埋め込まれて配置される。従って、前記第一金属親和性膜１３６及び前記第二金属親和性膜１３８は、それぞれ前記第一導電金属層１４と前記第二導電金属層１５に良好に接触し、且つ電気的に接続されて、前記カーボンナノチューブ１３０を前記第一電極１１と第二電極１２に電気的に接続させる。
前記第一導電金属層１４及び前記第二導電金属層１５は、溶融状態で、それぞれ前記第一電極１１及び第二電極１２と良好な湿潤性を有する低融点材料、例えば、インジウム、スズ、銅、鉛、アンチモン、金、銀、ビスマスなどの一種又は幾種の合金からなる。さらに、前記第一導電金属層１４及び前記第二導電金属層１５の融点が、前記第一電極１１と第二電極１２の融点より低いことが好ましい。それによって、前記第一導電金属層１４及び前記第二導電金属層１５が溶ける場合に、前記第一電極１１及び第二電極１２が溶けることを防ぐ。前記第一導電金属層１４及び前記第二導電金属層１５の厚さが０．１〜９００ｎｍである。また、前記第一導電金属層１４及び前記第二導電金属層１５は、前記第一金属親和性膜１３６と第二金属親和性膜１３８にも良好な湿潤性を有するので、前記第一金属親和性膜１３６が前記第一電極１１によりよく接続することを確保でき、前記第二金属親和性膜１３８が前記第二電極１２によりよく接続することを確保できる。
本実施形態のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０は、さらにスペーサー１６を含んでいる。前記スペーサー１６は、前記第一電極１１と第二電極１２との間に位置する。前記スペーサーは、前記カーボンナノチューブアレイ１３が破損するか曲がるのを防ぐために、前記第一電極１１と第二電極１２を支持するように配置されている。それによって、カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０の寿命を延長することができる。前記スペーサー１６は、絶縁材料、例えば、ガラス又はセラミックからなる。前記スペーサー１６の形状に対しては特に制限がなく、横断面が三角形、四角形又は六角形の形状に形成されることができる。本実施形態において、前記スペーサー１６は、横断面が矩形の細長物である。
さらに、本実施形態のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０のカーボンナノチューブ１３０に表面修飾層（図に示せず）を形成させる。前記カーボンナノチューブ１３０の外表面に配置された表面修飾層は、前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０の感度及び精度を高める。前記表面修飾層の材料は、パラジウム、プラチナ又は金である。異なる材料からなる表面修飾層がそれぞれ異なるガスに対してその含有量を正確的に探測することができる。例えば、パラジウムからなる表面修飾層を含むカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０が、水素とメタンの含有量を正確に探測することができる。
図２と図３は、前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０の製造方法を示す図である。前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０の製造方法は、縦軸方向に沿って対向した第一端部１３２と第二端部１３４を含む複数のカーボンナノチューブ１３０からなるカーボンナノチューブアレイ１３を提供するステップＳ１０と、前記カーボンナノチューブアレイ１３の各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２にそれぞれ第一金属親和性膜１３６が形成されるステップＳ２０と、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一金属親和性膜１３６が形成された第一端部に第一導電金属層１４と第一電極１１を形成させるステップＳ３０と、前記カーボンナノチューブアレイ１３の各々のカーボンナノチューブ１３０の第二端部１３４にそれぞれ第二金属親和性膜１３８が形成されるステップＳ４０と、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第二金属親和性膜１３８が形成された第一端部に第二導電金属層１５と第二電極１２を形成させるステップＳ５０と、を含む。
図２（ａ）を参照すると、前記ステップＳ１０では、前記カーボンナノチューブアレイ１３は、複数の相互に平行、且つ基材１７に垂直なカーボンナノチューブ１３０を含む。前記カーボンナノチューブアレイ１３は高さが１００μｍ程度になる。前記カーボンナノチューブ１３０は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。
該カーボンナノチューブアレイ１３は、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２を参照）であり、該超配列カーボンナノチューブアレイの製造方法は、化学気相堆積法を採用する。該製造方法は、次のステップを含む。ステップ（ａ）では、平らな基材１７を提供し、該基材１７はＰ型のシリコン基材、Ｎ型のシリコン基材及び酸化層が形成されたシリコン基材のいずれか一種である。本実施形態において、４インチのシリコン基材を選択することが好ましい。ステップ（ｂ）では、前記基材１７の表面に、均一的に触媒層を形成する。該触媒層の材料は鉄、コバルト、ニッケル及びその２種以上の合金のいずれか一種である。ステップ（ｃ）では、前記触媒層が形成された基材１７を７００℃〜９００℃の空気で３０分〜９０分間アニーリングする。ステップ（ｄ）では、アニーリングされた基材１７を反応炉に置き、保護ガスで５００℃〜７４０℃の温度で加熱した後で、カーボンを含むガスを導入して、５分〜３０分間反応を行って、超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）を成長させることができる。該カーボンナノチューブアレイの高さは１００マイクロメートル以上である。該カーボンナノチューブアレイは、互いに平行し、基材１７に垂直するように生長する複数のカーボンナノチューブからなる。該カーボンナノチューブは、長さが長いため、部分的にカーボンナノチューブが互いに絡み合っている。生長の条件を制御することによって、前記カーボンナノチューブアレイは、例えば、アモルファスカーボン及び残存する触媒である金属粒子などの不純物を含まなくなる。
前記カーボンナノチューブアレイ１３は、基材１７に接着する第一端部（図に示せず）と、該第一端部と反対する第二端部（図に示せず）を有する。前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一端部は、前記カーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２を含んでいて、前記基材１７に遠い方の端である。前記カーボンナノチューブアレイ１３の第二端部は、前記カーボンナノチューブ１３０の第二端部１３４を含んでいて、前記基材１７に近い方の端である。
本実施形態において、前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。保護ガスは窒素ガスまたは不活性ガスであり、アルゴンガスが好ましい。
本実施形態から提供されたカーボンナノチューブアレイは、前記の製造方法により製造されることに制限されず、アーク放電法またはレーザー蒸発法で製造してもいい。
図２（ｂ）を参照すると、前記ステップＳ２０では、電気めっき、化学めっき、真空めっき、マグネトロンスパッタリングなどの方法で、前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２に、前記第一金属親和性膜１３６を別々に沈着させる。本実施形態において、前記第一金属親和性膜１３６は、電気めっき方法で、前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２に形成される。前記電気めっき方法で前記第一金属親和性膜１３６を沈着する工程は、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一端部を酸性溶剤に浸漬させて、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一端部の残存する触媒である金属粒子などの不純物を除去させるステップＳ２１と、金属塩を含む電気めっき液を提供するステップＳ２２と、前記パッシベーションされた前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一端部を前記電気めっき液に浸漬させて陰極になるとともに、陽極を提供して前記電気めっき液に挿入するステップＳ２３と、前記陰極と陽極に電圧を印加させ、電解反応によって前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２に第一金属親和性膜１３６を形成させるステップＳ２４と、前記各々のカーボンナノチューブ１３０の第一端部１３２に電気めっきされた第一金属親和性膜１３６を乾燥させるステップＳ２５と、を含む。
前記ステップＳ２１では、前記酸性溶剤は、硫酸、塩酸、硝酸などの一種又は数種の混合物である。本実施形態において、前記酸性溶剤は、３：１の質量比で混合された硫酸と硝酸の混合物である。
前記ステップＳ２２では、前記金属塩は、硫酸マグネシウム、塩化パラジウム又はクロム硫酸塩である。本実施形態において、前記金属塩は、塩化パラジウムである。前記電気めっき液における前記塩化パラジウムの質量パーセンテージは、２０％〜３５％である。前記電気めっき液の溶剤が水である。前記電気めっき液のＰＨ値が３．５〜６である。前記電気めっき液は、さらに導電塩溶液を含んでいる。それによって、前記電気めっき液の導電率を高める。前記導電塩溶液は、塩化アンモニウムであるり、前記電気めっき液における前記塩化アンモニウムの質量パーセンテージは、３％である。前記電気めっき液は、さらに緩衝剤を含んでいる。前記緩衝剤は、硫酸アルミニウムとホウ酸の混合物である。前記電気めっき液における前記硫酸アルミニウムの質量パーセンテージは、３％である。前記電気めっき液における前記ホウ酸の質量パーセンテージは、１％である。前記緩衝剤は、陰極から水素が分けられて、電気めっき液のｐＨ値を高めることを緩和させるので、前記電気めっき液のｐＨ値を安定させるために使用することができる。且つ、前記緩衝剤は、前記電気めっき液の分散能力と前記電気めっきされた第一金属親和性膜１３６の安定性を改善することができる。
前記ステップＳ２３では、前記陽極は、化学活性が前記第一金属親和性膜１３６の材料の化学活性より低い又は同じ材料、例えば、金、黒鉛、パラジウム、ニッケル、ロジウム、マグネシウム、チタン又はクロムからなる。本実施形態において、前記陽極は、前記第一金属親和性膜１３６の材料と同じ、パラジウムからなる。
前記ステップＳ２４では、前記陰極と陽極に電圧を印加させる電源が、ＤＣ入力電源であり、その電流密度が５〜１００ｍＡ／ｃｍ２である。前記陰極と陽極の間に電流を通す時間が５〜１０ｍｉｎである。
図２（ｃ）を参照すると、前記ステップＳ３０では、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一金属親和性膜１３６が形成された第一端部に、第一導電金属層１４と第一電極１１を形成させる場合、以下のステップで形成する。まず、１つの第一電極１１を提供し、マグネトロンスパッタリング方法を採用して、前記第一電極１１の１つの表面に第一導電金属層１４を形成させる。次に、前記第一導電金属層１４を形成する第一電極１１を加熱して、前記第一導電金属層１４を溶融させる。最後、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一金属親和性膜１３６が形成された第一端部を、前記溶融した第一導電金属層１４に接触させ、且つ前記溶融した第一導電金属層１４を急速に冷却させて、前記カーボンナノチューブアレイ１３を第一導電金属層１４に固定させる。
前記ステップＳ３０では、前記第一電極１１は、厚さが１〜２０μｍであり、面積が前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一端部の面積より大きい。前記カーボンナノチューブアレイ１３の第一金属親和性膜１３６が形成された第一端部を、さらに前記溶融した第一導電金属層１４に挿入させることができる。
図２（ｄ）と（ｅ）を参照すると、前記ステップＳ４０では、まず、前記カーボンナノチューブアレイ１３の前記第二端部を露出するために、前記カーボンナノチューブアレイ１３を前記基材１７から剥離する。次に、前記カーボンナノチューブアレイ１３の各々のカーボンナノチューブ１３０の第二端部１３４に、前記第二金属親和性膜１３８を別々に沈着させる（このステップは全て前記ステップＳ２０と同じである）。最後、前記第一電極１１に、さらにスペーサー１６を形成する工程を備える。前記スペーサー１６の一端を、接着剤によって前記第一電極１１の第一導電金属層１４が形成された表面に、第一導電金属層１４が形成された部位以外の部位に付着させる。
図２（ｆ）を参照すると、前記ステップＳ５０では、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第二金属親和性膜１３８が形成された第二端部に、第二導電金属層１５と第二電極１２を形成させる場合、以下のステップで形成する。まず、１つの第二電極１２を提供し、マグネトロンスパッタリング方法を採用して、前記第二電極１２の１つの表面に第二導電金属層１５を形成させる。次に、前記第二導電金属層１５を形成する第二電極１２を加熱して、前記第二導電金属層１５を溶融させる。最後、前記カーボンナノチューブアレイ１３の第二金属親和性膜１３８が形成された第二端部を、前記溶融した第二導電金属層１５に接触させ、且つ前記溶融した第二導電金属層１５を急速に冷却させて、前記カーボンナノチューブアレイ１３を第二導電金属層１５に固定させる。従って、前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０を形成する。
前記ステップＳ５０では、前記第二電極１２は、厚さが１〜２０μｍであり、面積が前記カーボンナノチューブアレイ１３の第二端部の面積より大きい。前記カーボンナノチューブアレイ１３の第二金属親和性膜１３８が形成された第二端部を、さらに前記溶融した第二導電金属層１５に挿入させることができる。
前記ステップＳ５０では、さらに前記スペーサー１６の他端を、接着剤によって前記第二電極１２の第二導電金属層１５が形成された表面に、第二導電金属層１５が形成された部位以外の部位に付着させるステップを備える。
前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０のカーボンナノチューブアレイ１３は、導線として用いられることができるので、前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０の第一電極１１と第二電極１２に、それぞれ電圧を印加して、前記第一電極１１と第二電極１２の間の導電率が測量できる。このような前記カーボンナノチューブアレイ１３のカーボンナノチューブ１３０の電子特性はカーボンナノチューブ１３０の分子構造から決まるので、前記カーボンナノチューブ１３０が外力を受けての変形、又は化学吸着など現象は全て導線としたカーボンナノチューブアレイ１３の導電率に影響する。前記導電率の変化を電流信号によって測定することができる。即ち、前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０は、ガス分子の含有量を測定することができる。
（実施形態２）
図４を参照すると、本実施形態のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー２０は、第一電極２１と、第二電極２２と、カーボンナノチューブアレイ２３と、複数の第一導電金属層２４と、複数の第二導電金属層２５と、を備える。前記第一電極２１と第二電極２２は、互いに対向して配置される。前記第一導電金属層２４、カーボンナノチューブアレイ２３、第二導電金属層１５は、前記第一電極２１と第二電極２２の間に配置されている。
図４を参照すると、本実施形態のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー２０は、第一電極２１と、第二電極２２と、カーボンナノチューブアレイ２３と、複数の第一導電金属層２４と、複数の第二導電金属層２５と、を備える。前記第一電極２１と第二電極２２は、互いに対向して配置される。前記第一導電金属層２４、カーボンナノチューブアレイ２３、第二導電金属層１５は、前記第一電極２１と第二電極２２の間に配置されている。
本実施形態に係るカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー２０の構造は、実施形態１に係るカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０と比べて、次の異なる点がある。前記第一導電金属層２４と第二導電金属層２５の数量が、それぞれカーボンナノチューブアレイ２３のカーボンナノチューブ２３０の数量と同じで、複数である。且つ、各々の第一導電金属層２４は、各々のカーボンナノチューブ２３０の第一金属親和性膜２３６が覆われた第一端部２３２に形成されている。各々の第二導電金属層２５は、各々のカーボンナノチューブ２３０の第二金属親和性膜２３８が覆われた第二端部２３４に形成されている。
前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー２０の製造方法は、縦軸方向に沿って対向した第一端部２３２と第二端部２３４を含む複数のカーボンナノチューブ２３０からなるカーボンナノチューブアレイ２３を提供するステップＳ６０（図５（ａ）を参照）と、前記カーボンナノチューブアレイ２３の各々のカーボンナノチューブ２３０の第一端部２３２に、それぞれ第一金属親和性膜２３６を形成させるステップＳ６１（図５（ｂ）を参照）と、前記カーボンナノチューブアレイ２３の第一金属親和性膜２３６が形成された第一端部に第一導電金属層２４と第一電極２１を形成させるステップＳ６２（図５（ｃ）と（ｄ）を参照）と、前記カーボンナノチューブアレイ２３の各々のカーボンナノチューブ２３０の第二端部２３４に、それぞれ第二金属親和性膜２３８を形成させるステップＳ６３（図５（ｅ）を参照）と、前記カーボンナノチューブアレイ２３の第二金属親和性膜２３８が形成された第二端部に、第二導電金属層２５と第二電極２２を形成させるステップＳ６４（図５（ｆ）を参照）と、を含む。
前記ステップＳ６０、ステップＳ６１及びステップＳ６３は、それぞれ実施形態１に係るカーボンナノチューブアレイを利用したセンサーの製造方法のステップＳ１０、ステップＳ２０及びステップＳ４０に同じである。
前記ステップＳ６２では、前記カーボンナノチューブアレイ２３の第一金属親和性膜２３６が形成された第一端部に第一導電金属層２４と第一電極２１を形成させる場合、以下のステップで形成する。まず、前記カーボンナノチューブアレイ２３の各々のカーボンナノチューブ２３０の第一金属親和性膜２３６が形成された第一端部２３２に、それぞれ第一導電金属層２４を形成させる（図５（ｃ）を参照）。次に、前記カーボンナノチューブアレイ２３の前記第一導電金属層２４が形成されている第一端部を加熱して、前記第一導電金属層２４を溶融させる。最後、１つの第一電極２１を提供し、前記溶融した第一導電金属層２４に接触させ、且つ前記溶融した第一導電金属層２４を急速に冷却させて、前記第一電極２１を第一導電金属層２４に固定させる（図５（ｄ）を参照）。
前記ステップＳ６４では、前記カーボンナノチューブアレイ２３の第二金属親和性膜２３８が形成された第二端部に、第二導電金属層２５と第二電極２２を形成させる場合、以下のステップで形成する。まず、前記カーボンナノチューブアレイ２３の各々のカーボンナノチューブ２３０の第二金属親和性膜２３８が形成された第二端部２３４に、それぞれ第二導電金属層２５を形成させる。次に、前記カーボンナノチューブアレイ２３の前記第二導電金属層２５が形成されている第二端部を加熱して、前記第二導電金属層２５を溶融させる。最後、１つの第二電極２２を提供し、前記溶融した第二導電金属層２５に接触させ、且つ前記溶融した第二導電金属層２５を急速に冷却させて、前記第二電極２２を第一導電金属層１４に固定させる。従って、前記カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー１０を形成する。
前記ステップＳ６４では、さらに前記スペーサー２６の他端を、接着剤によって前記第二電極２２の表面に外囲に付着させるステップを備える。
１０、２０ カーボンナノチューブアレイを利用したセンサー
１１、２１ 第一電極
１２、２２ 第二電極
１４、２４ 第一導電金属層
１３６、２３６ 第一金属親和性膜
１３８、２３８ 第二金属親和性膜
１３、２３ カーボンナノチューブアレイ
１３０、２３０ カーボンナノチューブ
１５、２５ 第二導電金属層
１６、２６ スペーサー
１３４、２３４ 第二端部
１３２、２３２ 第一端部
１１、２１ 第一電極
１２、２２ 第二電極
１４、２４ 第一導電金属層
１３６、２３６ 第一金属親和性膜
１３８、２３８ 第二金属親和性膜
１３、２３ カーボンナノチューブアレイ
１３０、２３０ カーボンナノチューブ
１５、２５ 第二導電金属層
１６、２６ スペーサー
１３４、２３４ 第二端部
１３２、２３２ 第一端部
Claims (3)
- 第一電極と、第二電極と、カーボンナノチューブアレイと、少なくとも１つの第一導電金属層と、少なくとも１つの第二導電金属層と、を備えるカーボンナノチューブアレイを利用したセンサーであって、
前記カーボンナノチューブアレイは、複数のカーボンナノチューブを含み、前記カーボンナノチューブアレイが、前記カーボンナノチューブの縦軸方向に沿って対向する第一端部と第二端部を含み、
前記カーボンナノチューブアレイは、第一電極と第二電極の間に配置されていて、且つ前記カーボンナノチューブアレイの第一端部が前記少なくとも１つの第一導電金属層を通じて前記第一電極に電気的に接続され、前記カーボンナノチューブアレイの第二端部が前記少なくとも１つの第二導電金属層を通じて前記第二電極に電気的に接続され、
さらに、前記カーボンナノチューブアレイの第一端部と第二端部に、それぞれ第一金属親和性膜と第二金属親和性膜が形成されていて、前記第一金属親和性膜が前記第一導電金属層に接触し、前記第二金属親和性膜が前記第二導電金属層に接触することを特徴とするカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー。 - 前記第一導電金属層の融点が前記第一電極の融点より低く、前記第二導電金属層の融点が前記第二電極の融点より低いことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブアレイを利用したセンサー。
- 縦軸方向に沿って対向した第一端部と第二端部を含む複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイの各々のカーボンナノチューブの第一端部にそれぞれ第一金属親和性膜を形成する第二ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイの第一金属親和性膜が形成された第一端部に少なくとも１つの第一導電金属層と第一電極を形成する第三ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイの各々のカーボンナノチューブの第二端部にそれぞれ第二金属親和性膜を形成する第四ステップと、
前記カーボンナノチューブアレイの第二金属親和性膜が形成された第一端部に少なくとも１つの第二導電金属層と第二電極を形成する第五ステップと、
を含むことを特徴とするカーボンナノチューブアレイを利用したセンサーの製造方法。
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