JP2010240794A - カーボンナノチューブ配置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＮＴを基板上の所望の位置に配置する方法を提供すること。
【解決手段】基板１０８は、表面にフェリチン１０７が配置された複数の領域を備え、前記フェリチン１０７は配列番号１に記載のペプチド鎖を備え、前記基板１０８にＣＮＴ分散液１１０を接触させることにより、前記フェリチン１０７に前記分散液１１０に分散されたＣＮＴ１０９の一部が配置して固定される。
【選択図】図１

Description

本発明はタンパク質を利用して基板上にカーボンナノチューブを配置する方法に関する。

カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称することがある）は各種電子デバイスの構成材料として期待されている。またフェリチンは球状のタンパク質であり、内部には酸化鉄に代表される金属化合物を内包することができる。内部に金属化合物を内包せず、当該内部が空洞になっている場合には、「アポフェリチン」と呼ぶこともある。本明細書ではアポフェリチンと内部にコアを有するフェリチンを特に区別せず、両者を含めてフェリチンと称する。

特許文献１、２、３には、フェリチンを基板上に配置させる従来技術として、基板表面の一部にアミノシラン分子修飾膜を形成し、フェリチン溶液に接触させることにより、アミノシラン分子修飾膜上にフェリチンを配置させる技術が開示されている。

特許文献４には、フェリチンを基板上に配置させる従来技術として、基板表面の一部にチタンあるいは窒化シリコンからなる部分を形成し、フェリチン溶液に接触させることにより、チタンあるいは窒化シリコンからなる部分の上にフェリチンを配置させる技術が開示されている。

特許文献５には、カーボンナノホーンと親和性を有するペプチド配列および前記ペプチドを提示させたフェリチン（図３）について開示されている。

特開２００６−１８７８４４号公報 特開２００６−１８７８４５号公報 国際公開第２００８／１５５８７２号 国際公開第２００６／０６４６４０号 国際公開第２００６／０６８２５０号

ＣＮＴを基板上に形成する技術としては、基板上に配置あるいは形成した金属酸化物触媒から、基板上でＣＮＴを成長させる手法が知られている。しかし、基板上の所望の位置および方向に、所望の形状および長さのＣＮＴを成長させることは容易ではなかった。また作製されるＣＮＴは、その構造やカイラリティ、直径等により、電子的な性質が異なり、例えば、金属的な特性と半導体的な特性のＣＮＴとが混在することになる。したがって、目的の物性を有するＣＮＴのみを成長させることは著しく困難である。

他方、予め作製した遊離ＣＮＴを分離・精製することで、形状や特性の揃ったＣＮＴを収集する技術は進展している。金属的なＣＮＴだけ、あるいは半導体的なＣＮＴだけを分離して精製することも可能となっている。しかし、精製したＣＮＴを電子デバイスとして利用するには、溶媒中等に遊離したＣＮＴを、基板上の所望の位置および方向に配置・固定する必要があり、これを実現することが困難であった。

上記課題を解決する本発明に係るＣＮＴ配置方法は、基板上にカーボンナノチューブを配置する方法であって、前記基板は表面にフェリチンが配置された複数の領域を備え、前記フェリチンは、配列番号１のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を備えた改変体フェリチンであって、前記方法は、前記カーボンナノチューブを含有する分散液を前記基板に接触させることにより、前記フェリチンに前記カーボンナノチューブを固定することでカーボンナノチューブを配置する配置工程を有する。

前記分散液は、界面活性剤分子を含むことが好ましい。

前記基板は複数の電極を備え、前記フェリチンが配置された領域が、前記各電極上に設けられていることが好ましい。

前記配置工程の前に、前記フェリチンが配置された複数の領域を形成する工程として、
表面にアミノ基を有する複数の分子膜スポットを備えた前記基板に、前記フェリチンを含有する溶液を接触させることにより、前記各分子膜スポットに前記フェリチンを配置させる配置工程をさらに有することが好ましい。

前記分子膜スポットはアミノシラン分子膜からなることが好ましい。

前記基板は複数の電極を備え、前記分子膜スポットが、前記各電極上に設けられていることが好ましい。

前記配置工程の前に、前記フェリチンが配置された複数の領域を形成する工程として、
表面にチタン膜スポットを備えた前記基板に、前記フェリチンを含有する溶液を接触させることにより、前記各チタン膜スポットに前記フェリチンを配置させる配置工程をさらに有することが好ましい。

前記基板は複数の電極を備え、前記チタン膜スポットが、前記各電極上に設けられていることが好ましい。

本発明によれば、ＣＮＴを基板上の所望の位置に配置する方法が提供される。

ＣＮＴの配置法の工程を示す図 ＣＮＴの配置法の工程における基板状態を示す斜視図 特許文献５に開示される、フェリチンの結晶構造とＤＹＦＳＳＰＹＹＥＱＬＦ（配列番号１）の提示部位を示す図

本発明で用いる改変体フェリチンは、２４個のタンパク質サブユニットにより構成されており、各サブユニットはそのＮ末端の位置に、配列番号１のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を有している。

本発明において用いられるフェリチンは、外周面にＤＹＦＳＳＰＹＹＥＱＬＦ（以下、配列番号１）で示されるアミノ酸配列を有している。このアミノ酸配列は特許文献５において配列番号１として開示されている。一例として、本発明において用いられるフェリチンは、配列番号２に示されるタンパク質である。このタンパク質は、１８７残基を有し、１７４残基のウマ由来フェリチンのアミノ酸配列のアミノ末端に、開始コドンに対応するメチオニンと配列番号１のアミノ酸配列とからなる１３残基のアミノ酸配列が付加されたものである。

本発明の改変体フェリチンは、内部にコアを有しないアポフェリチンの状態でよい。ただし内部に鉄酸化物粒子をコアとして内包することもできる。鉄酸化物粒子は、走査型電子顕微鏡により容易に観察できるので、基板上のフェリチンの配置状態を確認する際に有用である。

本発明のＣＮＴを含む分散液は、界面活性剤分子を含む水溶液であることが望ましい。界面活性剤分子としては、非イオン性界面活性剤を用いることができ、非イオン性界面活性剤として、例えばTween20やTween80を用いることができる。Tween20及びTween80は、ポリオキシエチレンソルビタン（Polyoxyethylene sorbitan alkyl ester）類で、特に低温で溶解しやすく、水溶液中でイオンに解離する基を持たず、親水性を調整できる特徴を持つ物質である。これらの界面活性剤分子を用いることで、ＣＮＴを水溶液中に均一に分散でき、またＣＮＴとフェリチン表面のペプチドとの結合を妨げることなく良好な配置ができる。

本発明の基板が複数の電極を備え、フェリチンが配置された領域が、前記各電極上に設けられていることにより、電極間に橋渡しするようにＣＮＴを配置することができるので、例えばＣＮＴにより構成されたＦＥＴ素子を構成することができ好ましい。

ＣＮＴ配置の後、基板を加熱してタンパク質を分解する分解工程、あるいは基板に紫外線を照射しつつオゾン雰囲気に暴露させる分解工程により、フェリチンのタンパク質部分を除去しつつ、ＣＮＴを配置された状態で基板上に残すことができる。フェリチンが分子膜上に配置されている場合は、前記の分解工程で、同時に分子膜を除去することができる。

本発明において、表面にアミノ酸を有する複数の分子膜スポットを備えた基板に、フェリチンを含有する溶液を接触させることにより、各分子膜スポットにフェリチンを配置させることができる。

本発明のアミノ基を有する分子膜としては、アミノシラン分子を用いることにより、均質で微細な薄膜スポットを形成することができるので好ましい。アミノシラン分子としては、例えば３−アミノプロピルトリエトキシシラン（以下、「ＡＰＴＥＳ」と略することがある）を用いることができる。

本発明の基板が複数の電極を備え、分子膜スポットが、前記各電極上に設けられていることにより、電極間に橋渡しするようにＣＮＴを配置することができ好ましい。

本発明において、複数のチタン膜スポットを備えた基板に、フェリチンを含有する溶液を接触させることにより、各チタン膜スポットにフェリチンを配置させることができる。

チタン膜スポットにフェリチンを含有する溶液を接触する工程において、前記フェリチンを含有する溶液が、界面活性剤分子を含む水溶液であることが望ましい。界面活性剤分子としては、非イオン性界面活性剤を用いることができ、非イオン性界面活性剤として、例えばTween20やTween80を用いることができる。これらの界面活性剤分子を用いることで、高い選択性でフェリチンのチタン膜スポット上への配置ができる。

本発明の基板が複数の電極を備え、チタン膜スポットが、前記各電極上に設けられていることにより、電極間に橋渡しするようにＣＮＴを配置することができ好ましい。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態である基板表面へＣＮＴ配置の工程を、図１および図２を用いてさらに詳細に説明する。

まずp型シリコン基板１０１を酸化して表面に厚さ100nmのシリコン酸化膜１０２を形成した（図示してない）。次にフォトリソグラフィーあるいは電子ビームリソグラフィーを用いてレジストパターンを形成し、チタン（Ｔｉ、下層）および金（Ａｕ、上層）の積層膜からなる金属膜を蒸着した後、リフトオフ工程を行うことで、Ａｕ／Ｔｉ金属電極パターンを作製した（図１(a)および図２(b)）。

さらに上記と同様にフォトリソグラフィーあるいは電子ビームリソグラフィーを用いてレジストパターンを形成し、チタン（Ｔｉ）薄膜を蒸着してリフトオフを行うことで、直径５０ｎｍのＴｉ膜スポット１０４を作製した（図１(b)および図２(b)）。Ｔｉスポットのサイズは、直径１２ｎｍから５００ｎｍの範囲とすることでフェリチンを固定でき、かつＣＮＴの複数吸着を抑制できるので好ましい。

上記の基板上に、フェリチン溶液１０６を滴下し、室温にて１０分間静置する。この間に、溶液中のフェリチン１０５の一部が基板上のＴｉ膜スポット１０４上に吸着した（図１(c)）。ここで用いたフェリチン溶液１０６は、配列番号２に示されるアミノ酸配列に対応するフェリチン１０５と、非イオン性界面活性剤であるTween20を含む。本実施の形態では、内部にＦｅコアを有するフェリチンを利用したが、内部にコアを持たないアポフェリチン、あるいは別のコアを有するフェリチンを利用することも可能である。

上記の後、基板を純水の流水中で５分間洗浄することにより、吸着していない余剰のフェリチンを除去した。洗浄後の基板を乾燥し、１１０℃で３分間ベーキングして吸着したフェリチン１０７を基板上に固定し、分子膜スポット１０４上にフェリチン１０７が吸着固定された基板１０８を得た（図１(d)および図２(c)）。

作製した基板上１０８に、ＣＮＴ分散液１１０を滴下し、室温にて５分間静置する。この間に、溶液中のＣＮＴ１０９の一部が基板上のフェリチン１０７上に吸着した（図１(e)）。ここで用いたＣＮＴ分散液１１０は、精製したＣＮＴ１０９と、非イオン性界面活性剤であるTween20を含む。

上記の後、基板を純水の流水中で５分間洗浄することにより、吸着していない余剰のＣＮＴを除去した。洗浄後の基板を乾燥し、１１０℃で３分間ベーキングして吸着したＣＮＴ１１１を基板上に固定し、ＣＮＴ１１１が固定された基板１１２を得た（図１(f)および図２(d)）。

作製した基板１１２には、電極を橋渡しする状態でＣＮＴ１１１が固定されているので、各種の電子デバイスへの応用が可能である。例えば、この上部に絶縁層を作製してゲート電極を設けることで、そのままＦＥＴ素子とすることができ、また複数のゲート電極を形成して演算回路を構成することもできる。あるいは予め基板の下部に埋め込まれたゲート電極を形成しておくことも可能である。

（実施の形態２）
実施の形態１では、Ｔｉ膜スポットを利用してフェリチンを配置したが、本実施の形態２ではアミノシラン分子であるＡＰＴＥＳを利用した配置方法について述べる。

実施の形態２でも、図１(b)および図２(b)までの工程は、実施の形態１と同じである。しかし、本実施の形態２においては、この後、電極以外の領域（ＳｉＯ_２表面が露出した領域）をレジストにより被覆し、基板をＡＰＴＥＳ蒸気中に保持することで、Ｔｉスポットの表面にＡＰＴＥＳ分子を吸着させた。なお、電極のＴｉスポット以外の表面はＡｕが露出しているが、Ａｕ面にはＡＰＴＥＳ分子は吸着せず、Ｔｉ表面はＡＰＴＥＳ分子で覆われた。これにより、実施の形態２においては、Ｔｉスポットの表面がＡＰＴＥＳ分子膜により覆われた状態となった。以下、本実施の形態２では、この状態のスポット１０４を分子膜スポットと呼称する。

本実施の形態でも、上記の基板上に、フェリチン溶液１０６を滴下し、室温にて１分間静置する。この間に、溶液中のフェリチン１０５の一部が基板上の分子膜スポット１０４上に吸着した（図１(c)）。なお、本実施の形態２で用いたフェリチン溶液１０６は、配列番号２に示されるアミノ酸配列に対応するフェリチン１０５を含み、非イオン性界面活性剤は含まない。本実施の形態２では、内部にＦｅコアを有するフェリチンを利用したが、内部にコアを持たないアポフェリチン、あるいは別のコアを有するフェリチンを利用することも可能である。

上記の後、基板を純水の流水中で５分間洗浄することにより、吸着していない余剰のフェリチンを除去した。洗浄後の基板を乾燥し、１１０℃で３分間ベーキングして吸着したフェリチン１０７を基板上に固定し、分子膜スポット１０４上にフェリチン１０７が吸着固定された基板１０８を得た（図１(d)および図２(c)）。

以降の工程は、実施の形態１と同じである。

本実施の形態２でも実施の形態１と同様、ＣＮＴ１１１が固定された基板１１２を得た（図１(f)および図２(d)）。

本発明にかかる配置方法は、ＣＮＴの基板上への配置法として有用である。特に特定位置への選択的なＣＮＴ配置が要求される、例えば電子デバイス等の用途に特に有用できる。

１０１ シリコン基板
１０２ シリコン酸化膜
１０３ 電極
１０４ スポット
１０５ フェリチン
１０６ フェリチン溶液
１０７ スポット上に固定されたフェリチン
１０８ フェリチンが配置された基板
１０９ ＣＮＴ
１１０ ＣＮＴ分散液
１１１ フェリチンに吸着したＣＮＴ
１１２ ＣＮＴが配置された基板

Claims (8)

1. 基板上にカーボンナノチューブを配置する方法であって、
   前記基板は表面にフェリチンが配置された複数の領域を有し、
   前記フェリチンは、配列番号１のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を備えた改変体フェリチンであって、
   前記方法は、
   前記カーボンナノチューブを含有する分散液を前記基板に接触させることにより、前記フェリチンに前記カーボンナノチューブを固定することでカーボンナノチューブを配置する配置工程を有する、方法。
2. 前記分散液が、界面活性剤分子を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記基板が複数の電極を備え、前記フェリチンが配置された領域が、前記各電極上に設けられている、請求項１に記載の方法。
4. 前記配置工程の前に、前記フェリチンが配置された複数の領域を形成する工程として、
   表面にアミノ基を有する複数の分子膜スポットを備えた前記基板に、前記フェリチンを含有する溶液を接触させることにより、前記各分子膜スポットに前記フェリチンを配置させる配置工程をさらに有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記分子膜スポットがアミノシラン分子膜からなる、請求項４に記載の方法。
6. 前記基板が複数の電極を備え、前記分子膜スポットが、前記各電極上に設けられている、請求項４に記載の方法。
7. 前記配置工程の前に、前記フェリチンが配置された複数の領域を形成する工程として、
   表面にチタン膜スポットを備えた前記基板に、前記フェリチンを含有する溶液を接触させることにより、前記各チタン膜スポットに前記フェリチンを配置させる配置工程をさらに有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記基板が複数の電極を備え、前記チタン膜スポットが、前記各電極上に設けられている、請求項７に記載の方法。