JP2500628B2 - カ―ボンナノチュ―ブ細線およびスイッチ - Google Patents

カ―ボンナノチュ―ブ細線およびスイッチ

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JP2500628B2 JP5174006A JP17400693A JP2500628B2 JP 2500628 B2 JP2500628 B2 JP 2500628B2 JP 5174006 A JP5174006 A JP 5174006A JP 17400693 A JP17400693 A JP 17400693A JP 2500628 B2 JP2500628 B2 JP 2500628B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体素子を用いた超高
集積電子技術、特に一次元細線構造を持つスイッチ素子
に関する。
【0002】
【従来の技術】微細加工したデバイスの動作中の構造安
定性はデバイスの信頼性を決定するが、半導体を利用し
たデバイスの多くは、エレクトロマイグレーション等の
拡散現象が動作中に起きデバイス構造にダメージを生じ
るため、構造が微細になればなるほどその信頼度が低下
することは避けられない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、デバ
イスの微細化に伴う構造の不安定性を解消するため、化
学的結合力の強い材料を選択しかつデバイスとして働く
構造を提供することにある。
【0004】本発明の他の目的は、ダイヤモンド並の強
度を持つカーボンナノチューブとフラーレン分子を構成
要素とするデバイスを提供することにある。
【0005】本発明のさらに他の目的は、カーボンナノ
チューブとフラーレン分子とを構成要素とする、直径1
0〜20オングストローム程度の細線構造をもつデバイ
スを提供することにある。
【0006】本発明のさらに他の目的は、デバイスの構
成要素として適したフラーレン分子を精製する方法を提
供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のカーボンナノチ
ューブ細線は、管内にフラーレン分子を含んでいる。こ
のようなフラーレン分子は、その炭素原子をIII 族原子
またはV族原子で置換されており、或いはIII 族原子と
V族原子が同時に炭素原子と置換されており、かつ、II
I 族原子とV族原子の位置が分子の両端に位置してい
る。
【0008】これらのフラーレン分子は、合成されたフ
ラーレン分子を、プラス或いはマイナスに帯電した電極
の近傍を通過させ、軌道が曲げられたフラーレン分子の
みを選択することにより得られる。さらに質量分析によ
って、III 族原子とV族原子が同時に炭素原子と置換さ
れており、かつ、III 族原子とV族原子の位置が分子の
両端に位置しているフラーレン分子を選択できる。
【0009】このようなフラーレン分子が混入されたカ
ーボンナノチューブ細線の長手方向に対して垂直方向に
電界をかけ、それによって内部のフラーレン分子の回転
を引き起こし、絶縁体であったナノチューブ細線を金属
へと変え、誘電率を変化させることができる。したがっ
て、カーボンナノチューブ細線をスイッチとして利用で
きる。この場合、カーボンナノチューブ内に金属原子を
挿入させてその両端を終端し、電極とのコンタクトをと
る。
【0010】
【作用】フラーレン分子(C60,C70など)を合成する
際に、III 族原子またはV族原子を分子内の炭素原子と
置換できることは、既に文献1“Ting Guo,C
hangming Jin and R.E Smal
ley,J.Phys.Chem,95,4948(1
991)”で報告されている。
【0011】また文献2“Yoshiyuki Miy
amoto,Noriaki Hamada,Atsu
shi Oshiyama and Susumu S
aito,Phys.Rev B,46,1749(1
992)”及び文献3“Wanda Andoreon
i,Francois Gygi and Miche
le Parrinello,Chem.Phys.L
ett.190,159(1991)”の理論的研究に
よれば、これらの置換された原子は、フラーレン分子を
凝集した物質の中で、それぞれ半導体中のアクセプター
やドナーの様に正孔や電子のキャリアーを供給すること
が示されている。III 族原子は正孔を供給しプラスに帯
電し、V族原子は電子を供給しマイナスに帯電する。
【0012】合成されたフラーレン分子の炭素原子がII
I 族原子及び/またはV族原子と置換された場合、III
族原子及び/またはV族原子の置換位置によって、前記
帯電により分子自身が分極したり、分極しなかったりす
る。
【0013】1つのフラーレン分子内にIII 族原子とV
族原子が同時に炭素と置換されており、かつ、それぞれ
が分子の両端に位置する場合には、III 族原子はプラス
にV族原子はマイナスに帯電するため、フラーレン分子
は分極する。図1は、このようなフラーレン分子を示
す。BとNで示された原子位置にそれぞれIII 族原子で
あるBとV族原子であるNとが配置している。図のよう
にIII 族原子とV族原子が互いに離れた位置にあるフラ
ーレン分子は、III 族原子がプラスにV族原子がマイナ
スに帯電するために分極する。もしIII 族原子とV族原
子が近接している場合には、双方の帯電が打ち消し合う
ので分極しない。
【0014】また合成されたフラーレン分子の中で、II
I 族原子またはV族原子によって炭素原子を置換された
分子は分極している。
【0015】そのため、フラーレン分子線をプラス或い
はマイナスに帯電した電極の近傍を通過させると、分極
したフラーレン分子は帯電した電極から力を受けて軌道
が曲げられ、分極しないフラーレン分子は電極からの力
を受けずにまっすぐ飛行する。
【0016】以上のような方法で、III 族原子またはV
族原子のみを含むフラーレン分子と、III 族原子とV族
原子の両方を含みかつ各々の原子が離れた位置にあるフ
ラーレン分子とを選択できる。選択された分子の中か
ら、質量分析の技術を用いてIII 族原子とV族原子の両
方を含むものをさらに選択することができる。
【0017】また文献4“P.M.Ajayan an
d Sumio Iijima,Nature,36
1,333(1993)”の報告によると、近年発見さ
れたカーボンナノチューブの管の中に、様々な物質が毛
細管現象により混入されることが報告されている。
【0018】本発明では、直径10〜20オングストロ
ームのカーボンナノチューブの中に、上記の方法で精製
されたIII 族原子とV族原子の両方で炭素原子を置換さ
れたフラーレン分子を混入させ、図2に示すような細線
を合成する。図2において、10はカーボンナノチュー
ブを、12はフラーレン分子を示している。
【0019】自然な状態では分極したフラーレン分子
は、カーボンナノチューブ10の中で図3の様にIII 族
原子(B)とV族原子(N)の置換位置が互いに向き合
うように配置し安定となる。このときは、III 族原子か
ら供給される正孔とV族原子から供給される電子が結合
して互いに打ち消し合ってしまうので、細線は絶縁体と
なっている。
【0020】図4に示すように、この細線の長手方向に
垂直な電界をかけフラーレン分子の方向を図4の様に向
かせる。文献2によるとフラーレン分子の回転にはおよ
そ0.1eV程のエネルギーが必要で、分子の両端には
それぞれ電子と正孔の電荷があることから、回転に必要
な電界の大きさは10mmV/オングストローム以上で
あれば良いことが解る。極牲分子が細線の軸に対して垂
直方向の電界を感じて、III 族原子サイトとV族原子サ
イトの向きが揃っていることを示している。図4の向き
になった場合には、チューブの側面に電子と正孔を生じ
させることができるので細線は金属となる。
【0021】以上述べたように、細線の長手方向に対し
て垂直な外部電界を掛けることにより細線は絶縁体から
金属へと変化するので、細線の電気物性及び光物性が変
化して、電気伝導スイッチ及び光学スイッチとなること
ができる。
【0022】
【実施例】まず、分極したフラーレン分子の精製方法に
ついて説明する。
【0023】フラーレン分子を合成する際に、III 族原
子及び/またはV族原子を分子内の炭素原子と置換す
る。合成されたフラーレン分子を、プラス或いはマイナ
スに帯電した電極の近傍を通過させる。軌道が曲げられ
たフラーレン分子のみを選択する。選択されたフラーレ
ン分子は分極しており、III 族原子またはV族原子で置
換されたもの、及びIII 族原子及びV族原子の両方で置
換されたものを含む。III 族原子とV族原子の両方を含
むものは、質量分析の技術を用いてさらに選択する。
【0024】質量分析を用いて選択されたIII 族原子及
びV族原子の両方を含むフラーレン分子を、カーボンナ
ノチューブの管中に混入させ細線を合成する。
【0025】このようなカーボンナノチューブ細線を電
気伝導スイッチとして使用する場合には、カーボンナノ
チューブの両端を電極につなぐ。このとき、毛細管現象
を利用して文献4で行われたように金属原子を取り込
み、チューブの両端を金属で蓋をして電極とのコンタク
トをとる。このスイッチ素子は、高度に集積化された論
理回路やメモリー回路の一部として使用できる。
【0026】また、カーボンナノチューブ細線を光学ス
イッチとして使用する場合には、カーボンナノチューブ
のバンドギャップに対応する波長より長い波長の光に対
するシャッターとして利用する。自然な状態では、細線
はバンドギャップのある絶縁体なので透明であるが、細
線の長手方向に垂直な電界をかけて金属にすると不透明
となる。細線が曲げ方向に対して柔軟であることから、
シャッターの形状を自由に加工することが可能となる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、カーボンナノチューブ
の管内にフラーレン分子を含んだカーボンナノチューブ
細線を実現できる。このとき用いられるフラーレン分子
は、その炭素原子をIII 族原子またはV族原子で置換さ
れており、或いはIII 族原子とV族原子が同時に炭素原
子と置換されており、かつ、III 族原子とV族原子の位
置が分子の両端に位置している。このようなフラーレン
分子は、分極しているので、本発明の精製方法により選
択が可能となる。
【0028】このようなカーボンナノチューブ細線を用
いて、化学的に安定な、電気的及び光学的スイッチを実
現できた。これらスイッチは、フラーレン分子の炭素原
子同士の持つ強い化学結合のため動作中も構造が安定で
ある。
【0029】更に、本発明により配線とデバイスが一体
となったデバイス構造がとれることから、集積化した回
路設計も従来よりも容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】III 族原子とV族原子の両方を含むフラーレン
分子を示す図である。
【図2】毛細管現象で、ナノチューブ内にフラーレン分
子がとりこまれる状態を示す図である。
【図3】チューブ内に毛細管現象によって挿入された分
子列を示す図である。
【図4】極牲分子が細線の軸に対して垂直方向の電界を
感じて、III 族原子サイトとV族原子サイトの向きが揃
っている状態を示す図である。
【符号の説明】
10 カーボンナノチューブ 12 フラーレン分子

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】カーボンナノチューブの管内にフラーレン
    分子を含んだことを特徴とするカーボンナノチューブ細
    線。
  2. 【請求項2】前記フラーレン分子はその炭素原子をIII
    族原子またはV族原子で置換されていることを特徴とす
    る請求項1記載のカーボンナノチューブ細線。
  3. 【請求項3】前記フラーレン分子は、III 族原子とV族
    原子が同時に炭素原子と置換されており、かつ、III 族
    原子とV族原子の位置が分子の両端に位置していること
    を特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブ細
    線。
  4. 【請求項4】合成されたフラーレン分子の中から、III
    族原子とV族原子が同時に炭素原子と置換されており、
    かつ、III 族原子とV族原子の位置が分子の両端に位置
    しているフラーレン分子を精製する方法において、 合成されたフラーレン分子を、プラス或いはマイナスに
    帯電した電極の近傍を通過させ、軌道が曲げられたフラ
    ーレン分子のみを選択し、選択されたフラーレン分子の
    中から、III 族原子とV族原子が同時に炭素原子と置換
    されており、かつ、III 族原子とV族原子の位置が分子
    の両端に位置しているフラーレン分子を、質量分析によ
    り選択することを特徴とするフラーレン分子の精製方
    法。
  5. 【請求項5】請求項1〜3のいずれかに記載のカーボン
    ナノチューブ細線の長手方向に対して垂直方向に電界を
    かけ、それによって内部のフラーレン分子の回転を引き
    起こし、絶縁体であったナノチューブ細線を金属へと変
    え、誘電率を変化させることを特徴とする方法。
  6. 【請求項6】請求項1〜3のいずれかに記載のカーボン
    ナノチューブ細線を有することを特徴とするスイッチ。
  7. 【請求項7】カーボンナノチューブ内に金属原子を挿入
    させてその両端を終端し、電極とのコンタクトをとった
    ことを特徴とする請求項6記載のスイッチ。
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