JP2591458B2 - カーボンナノチューブの加工方法 - Google Patents

カーボンナノチューブの加工方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は微小なカーボンナノチュ
ーブの加工方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】炭素原子からなる多重の円筒状構造(カ
ーボンナノチューブ)が飯島により発見され、新しい材
料として期待されている。カーボンナノチューブは1つ
または複数のグラファイト構造を基本とした面が同心円
筒状に配置しており、円筒内部には空洞が形成されてい
る。このカーボンナノチューブの構造に関しては、飯島
によりネイチャー(S. Iijima, Natur
e,Vol.354,p56,1991)に報告されて
おり、またその製造方法についてはエブソンらによりネ
イチャー(T.W.Ebbesen,Nature,V
ol.358,p220,1992)に報告されてい
る。しかし、カーボンナノチューブを任意に加工する方
法はまだ報告されていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】カーボンナノチューブ
に新しい機能を付加するためには、カーボンナノチュー
ブの一部に穴をあけたり、切断したり、不純物を導入・
排出したり、またカーボンナノチューブを枝分かれをさ
せることが必要になる。
【0004】本発明の目的は、カーボンナノチューブに
新たな機能を付加するため、カーボンナノチューブの一
部に加工する方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明のカーボンナノチ
ューブの加工方法は、少なくともカーボンナノチューブ
に適当な質量とエネルギーのイオンを照射しカーボンナ
ノチューブを透過させて、カーボンナノチューブを構成
する炭素原子の結合の一部を切断して未結合手(ダング
リングボンド)を作り出す工程を含むことを特徴として
いる。
【0006】
【作用】チューブの一部に穴をあけたり、切断したり、
不純物を導入・排出したり、またチューブを枝分かれを
させることが可能になる。
【0007】
【実施例】以下、本発明について実施例を示す図面を参
照して詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施例を
示す工程図である。図1において、(a)はカーボンナ
ノチューブにイオン照射中、(b)はイオン照射後の工
程であり、1は断面図で示したカーボンナノチューブ、
2はカーボンナノチューブのグラファイト面、3はカー
ボンナノチューブ中心部の空洞、4は照射するイオン、
5は切断されたグラファイト面の未結合手、6はグラフ
ァイト面の切断によってできたクレーターである。
【0008】この本発明の第1の実施例のカーボンナノ
チューブの加工方法について、イオン4にガリウムイオ
ン(Ga+ )を例に説明する。図1(a)で示すように
カーボンナノチューブ1を真空室に置き、これにGa+
イオン4を照射する。カーボンナノチューブに打ち込ま
れたイオン1はグラファイト面2で相互作用によりその
エネルギーの一部を失うが、まだ十分なエネルギーを持
ってカーボンナノチューブを透過する。
【0009】イオン4が透過したあとには、放出された
エネルギーによりグラファイト面を構成する炭素原子間
の結合の一部が切れ、炭素原子の未結合手5が形成され
る(図1(b))。1つのイオンの透過による未結合手
5の形成がカーボンナノチューブの表面から内部にかけ
てグラファイト面各層で連続的に起こると、図1(b)
に示すようなカーボンナノチューブの外側に膨らんだよ
うなクレーター6が形成される。このクレーター6の形
成が、カーボンナノチューブの空洞まで達すると、穴が
形成されることになる。
【0010】エブソンらの方法により作製したカーボン
ナノチューブを集束イオン注入(FIB)装置に入れ、
加速電圧130keVのGa+ イオンを2x1013cm
-3照射した。このカーボンナノチューブを透過電子顕微
鏡に移して断面構造を観測した結果、図1(b)に示さ
れるようなクレーター構造が局部的に見られ、カーボン
ナノチューブが加工されていることを確認することがで
きた。
【0011】図2は本発明の第2の実施例を示す工程図
である。図2はカーボンナノチューブにイオンをカーボ
ンナノチューブを横切るように照射し、カーボンナノチ
ューブを切断した後の断面構造を示している。ここで、
図1と同じ番号のものは図1と同等物で同一機能を果た
すものであり、7は切断部分である。
【0012】この本発明の第2の実施例のカーボンナノ
チューブの加工方法について、イオンに金イオン(Au
+ )を例に説明する。第1の実施例で説明したように、
1つのイオン照射によりクレーター構造が形成される。
その近くに他のイオンを照射すると、またクレーター構
造が形成される。このため、カーボンナノチューブを横
断するように選択的に多数のイオンを照射すると、多く
のクレーター構造が集中して形成され、それらがつなが
って、カーボンナノチューブが切断される。
【0013】カーボンナノチューブを集束イオン注入
(FIB)装置に入れ、加速電圧130keVのAu+
イオンを3x106 cm-1の密度でカーボンナノチュー
ブを横切るように照射した。その結果、カーボンナノチ
ューブが切断された構造が見られた。ここでAu+ を用
いた理由は、Au+ は重いイオンであるため、カーボン
ナノチューブの構造を壊しやすく、イオン照射により深
くて大きなクレーター構造を形成するためである。
【0014】図3は本発明の第3の実施例を示す工程図
である。図3はカーボンナノチューブにイオンを照射し
て空洞まで達するクレーター構造を形成し、このクレー
ターより空洞に不純物を挿入した後の断面構造を示して
いる。ここで、図1と同じ番号のものは図1と同等物で
同一機能を果たすものであり、8は挿入した不純物であ
る。
【0015】この本発明の第3の実施例のカーボンナノ
チューブの加工方法について、照射イオンにガリウムイ
オン(Ga+ )、不純物8にセレン(Se)を例に説明
する。まず、第1の実施例で説明したように、イオン照
射によりカーボンナノチューブの空洞まで達するクレー
ター構造(穴)を形成する。つぎに、カーボンナノチュ
ーブをSe蒸気中にさらす。カーボンナノチューブのク
レーターから進入したSeは空洞部に付着する。また、
カーボンナノチューブのクレーター近傍に付着したSe
は毛細管現象によりクレーター内部へと入り込んでい
き、空洞中へ導かれる。その結果、空洞中に不純物であ
るSeが挿入される。
【0016】カーボンナノチューブを集束イオン注入
(FIB)装置に入れ、加速電圧130keVのGa+
イオンを2x1013cm-3照射して、カーボンナノチュ
ーブの空洞まで達するクレーター構造を形成した。その
後、カーボンナノチューブとSeを石英管に封入した。
Seを加熱してSe蒸気を発生させ、カーボンナノチュ
ーブにSeが付着するようにした。その結果、カーボン
ナノチューブのクレーター構造のある空洞部にSeが挿
入されているのが見られた。
【0017】図4は本発明の第4の実施例を示す工程図
である。図4はカーボンナノチューブにイオンを照射し
て空洞まで達するクレーター構造を形成し、このクレー
ターを通して空洞内の不純物の一部を取り出した後の断
面構造を示している。ここで、図1および図3と同じ番
号のものは図1および図3と同等物で同一機能を果たす
ものである。
【0018】この本発明の第4の実施例のカーボンナノ
チューブの加工方法について、照射イオンにガリウムイ
オン(Ga+ )、不純物8にセレン(Se)を例に説明
する。まず、第1の実施例で説明したように、イオン照
射によりカーボンナノチューブの空洞まで達するクレー
ター構造(穴)を形成する。ここで用いるカーボンナノ
チューブはあらかじめSeが空洞部に充填されているも
のである。つぎに、カーボンナノチューブをSeの蒸気
圧が高くなる温度まで加熱する。カーボンナノチューブ
の空洞部にあるSeはクレーター部より蒸発し、クレー
ター近傍のSeが取り除かれる。
【0019】カーボンナノチューブを集束イオン注入
(FIB)装置に入れ、加速電圧130keVのGa+
イオンを2x1013cm-3照射して、カーボンナノチュ
ーブの空洞まで達するクレーター構造を形成した。その
後、カーボンナノチューブを真空容器内に移し加熱し
た。その結果、カーボンナノチューブのクレーター構造
部近傍のSeが取り除かれているのが見られた。
【0020】図5は本発明の第5の実施例を示す工程図
である。図5はカーボンナノチューブにイオンを照射し
て多数の未結合手が存在するクレーター構造を形成し、
ここの未結合手を核として新たなカーボンナノチューブ
構造を成長させた後の断面構造を示している。ここで、
図1と同じ番号のものは図1と同等物で同一機能を果た
すものであり、9はカーボンナノチューブの接続部分、
10は新たに成長したカーボンナノチューブである。
【0021】この本発明の第5の実施例のカーボンナノ
チューブの加工方法について、照射イオンにガリウムイ
オン(Ga+ )を例に説明する。まず、第1の実施例で
説明したように、イオン照射によりカーボンナノチュー
ブにクレーター構造を形成する。つぎに、このカーボン
ナノチューブをカーボンナノチューブ製造装置内に導入
し、カーボンナノチューブの成長を行う。このとき、ク
レーター部の未結合手に新たな炭素原子が結合してゆ
き、そこに新たなカーボンナノチューブ構造が形成され
る。
【0022】カーボンナノチューブを集束イオン注入
(FIB)装置に入れ、加速電圧130keVのGa+
イオンを2x1013cm-3照射して、カーボンナノチュ
ーブにクレーター構造を形成した。その後、カーボンナ
ノチューブをカーボンナノチューブ製造装置に導入し、
メタン(CH4 )ガスを流して放電を行った。その結
果、カーボンナノチューブのクレーター構造のあった部
分から新たなカーボンナノチューブが成長しているのが
見られた。
【0023】以上の本発明の実施例では、照射イオンと
してGa+ やAu+ しか示さなかったが、その他のイオ
ンでもよいことは明らかである。照射イオンの質量,加
速エネルギー,照射量を適当に選ぶことにより、クレー
ターの大きさや密度を制御することができる。
【0024】選択的にカーボンナノチューブの一部だけ
にクレーターを形成するときには、イオンビームを絞っ
て照射する必要があり、FIB装置やマスクを用いる必
要がある。しかし、確率的にクレーター構造を形成する
ためには通常のイオン注入装置のように広がったイオン
ビームを利用してもよい。
【0025】第3の実施例および第4の実施例において
不純物としてはSeしか示さなかったが、金属や半導体
などその他の不純物でもよいことは明らかである。
【0026】ここで示した実施例ではそれぞれ個別の方
法として説明したが、もちろんこれらの実施例を組み合
わせてカーボンナノチューブの多様な構造を作製するこ
ともできる。
【0027】
【発明の効果】本発明のカーボンナノチューブの加工方
法により、カーボンナノチューブの一部に穴をあけた
り、切断したり、不純物を導入・排出したり、またチュ
ーブを枝分かれをさせることができ、カーボンナノチュ
ーブに新しい機能を付加することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す工程図である。
(a)はカーボンナノチューブにイオン照射中、(b)
はイオン照射後の状態を示している。
【図2】本発明の第2の実施例を示す工程図であり、カ
ーボンナノチューブを切断した後の断面構造を示してい
る。
【図3】本発明の第3の実施例を示す工程図であり、ク
レーターより空洞に不純物を挿入した後の断面構造を示
している。
【図4】本発明の第4の実施例を示す工程図であり、ク
レーターを通して空洞内の不純物の一部を取り出した後
の断面構造を示している。
【図5】本発明の第5の実施例を示す工程図であり、新
たなカーボンナノチューブ構造を成長させた後の断面構
造を示している。
【符号の説明】
1 カーボンナノチューブ 2 グラファイト面 3 空洞 4 イオン 5 未結合手 6 クレーター 7 切断部分 8 不純物 9 接続部分 10 新たに成長したカーボンナノチューブ

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくともカーボンナノチューブに適当
    な質量とエネルギーのイオンを照射し前記カーボンナノ
    チューブを透過させて、前記カーボンナノチューブを構
    成する炭素原子の結合の一部を切断して未結台手(ダン
    グリングボンド)を作り出す工程を含むことを特徴とす
    るカーボンナノチューブの加工方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載のカーボンナノチューブの加
    工方法により該カーボンナノチューブの円周全体にわた
    って炭素原子の未結合手を作り、前記カーボンナノチュ
    ーブを切断することを特徴とするカーボンナノチューブ
    の加工方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載のカーボンナノチューブの加
    工方法により該カーボンナノチューブの空洞まで穴をあ
    け、前記穴から前記空洞に不純物を挿入することを特徴
    とするカーボンナノチューブの加工方法。
  4. 【請求項4】請求項1記載のカーボンナノチューブの加
    工方法により該カーボンナノチューブの空洞まで穴をあ
    け、前記穴から前記空洞にある不純物を引き出すことを
    特徴とするカーボンナノチューブの加工方法。
  5. 【請求項5】請求項1記載のカーボンナノチューブの加
    工方法により該カーボンナノチューブの一部に未結合手
    を形成し、前記未結合手から新たなカーボンナノチュー
    ブを成長させることを特徴とするカーボンナノチューブ
    の加工方法。
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