JP3536288B2 - ナノチューブ探針の製造方法 - Google Patents
ナノチューブ探針の製造方法Info
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Description
鏡(Scanning Tunneling Microscope;STM)、原子間
力顕微鏡(Atomic Force Microscope;AFM)等の走査
プローブ型顕微鏡、或いは、物質の表面を原子単位で操
作するナノ操作装置(Atomic/Molecular Manipulator)
等に用いられる探針(プローブ)に関する。
TMやAFMが広く用いられるようになってきたが、そ
れらの最も重要な部品の一つが探針(プローブ)であ
る。これらの顕微鏡は、探針の先端と対象物の表面との
トンネル電流や原子間力により表面の性状を検出するも
のであるため、その先端の品質が像の分解能を左右す
る。
Mでは先端を鋭く化学エッチした金属線、或いは単には
さみで切り落としただけの金属線が使われている。ま
た、導電性が要求されないAFMでは、微細加工により
作製されたシリコン又は窒化シリコンのピラミッドがよ
く用いられている。どちらの場合も探針の先端は数十nm
程度の広がりを持っているが、このような鈍な先端でも
サブナノメートルオーダーの分解能が得られるのは、広
がりを持った先端の中に原子スケールの突起がたまたま
都合の良い場所にできていて、それが試料表面との主要
な接触点となるからである。しかし、そのような突起が
存在する場合でも、そのサイズ、形、組成は全くわから
ないし、走査中もよく変化するといわれている。
て使用するという提案がなされた(Nature, 384(1996),
p.147)。カーボンナノチューブはネットワーク状のグ
ラファイト型炭素により形成されるチューブであり、単
層壁であるシングルウォールタイプと多層壁を持つマル
チプルウォールタイプがある。長さはいずれも数十nmか
ら数μm程度であるが、直径はシングルウォールタイプ
のものが0.4〜5nmであるのに対し、マルチプルウォール
タイプのものは2〜50nmと大きく異なる。しかし、いず
れにせよこのように高いアスペクト比を有するナノチュ
ーブを探針として用いれば、上記従来の探針よりも遙か
に鋭い先端を得ることができる。その結果、例えば図5
(a)のように従来のピラミッド型の探針では十分トレー
スすることができないような急峻な表面凹凸も、同図
(b)に示すように精度良く検出することができるように
なる。また、マルチプルウォールタイプのような導電性
のカーボンナノチューブを用いた場合には、STMとA
FMの双方に探針として使用することができる。
ものであるため、これを実際に探針の先端に固定するに
は困難が伴う。特開2000-227435及び特開2000-249712に
はカーボンナノチューブをホルダに固定するための方法
が開示されているが、いずれも、複数本のナノチューブ
を束ね、その中の1本のナノチューブを突出させたもの
(NT束)をコーティング膜でホルダーに固定するとい
うものである。コーティング膜としては、浮遊炭素物質
を電子ビームで堆積させるカーボン膜やCVD(化学気
相析出法)・PVD(物理蒸着法)等により形成するこ
とが考えられている。
には、ナノチューブをホルダーに固定する具体的方法が
次のように記載されている(同公報の請求項10)。カ
ーボンナノチューブを分散させた電気泳動液41内の電
極42、43間に電圧を印加して(図4(a))、電極4
2にナノチューブ44を突出状に付着させる(第1工
程。同図(b))。このようにしてナノチューブ44を突
出状に付着させた電極42とホルダー45とを極微接近
させ(同図(c))、ナノチューブ44の先端部が突出し
た状態で、その基端部がホルダー面に付着するようにナ
ノチューブ44をホルダー45に転移させる(第2工
程)。ホルダー面に付着したナノチューブ44の基端部
を少なくとも含む所要領域をコーティング処理する。こ
のコーティング膜により、ナノチューブがホルダーに固
着される(第3工程)。
が「ナノチューブとホルダーの間に電流を流して基端部
をホルダーに融着させる」(請求項9)又は「電子ビー
ム照射によりナノチューブの基端部をホルダーに融着さ
せる」(請求項10)とされている。
44をホルダー45に移転させる第2工程では、「電子
顕微鏡内で実観察しながら操作する」こととされている
(両公報とも請求項11及び[0042]〜[004
4])。前記の通り、ナノチューブは太さが1nm以下から
数十nmという極微のものであるため、このように電子顕
微鏡内で実際にナノチューブの先端とホルダーの先端と
を3次元的に突き合わせる(図4(c))ことは非常に困
難であり、職人的な技術が必要とされる。すなわち、従
来の方法では誰でもが容易に探針を製造するということ
ができず、また、1本の探針を作製するために非常に長
い時間がかかるという欠点があった。
成されたものであり、その目的とするところは、容易に
且つ短時間で、ナノチューブを尖端に有する探針を製造
することのできる方法を提供することにある。
に成された本発明に係るナノチューブ探針の製造方法
は、尖端を有するホルダーと対向電極との間にナノチュ
ーブを含む泳動液を介在させ、所定の交流電圧を印加す
ることによりホルダーの該尖端にナノチューブを固定す
るというものである。
を印加すると、両電極を結ぶ電気力線がホルダーの尖端
に集中する。この状態で図1に示すようにホルダー10
の尖端11と対向電極12との間にナノチューブを含む
液(泳動液)13を介在させることにより、ナノチュー
ブはその長手方向が電気力線に沿うように配向する。そ
して、電気力線が集中するホルダー10の尖端11には
多くのナノチューブが集中する。これらのナノチューブ
14の一部は、図2(a)に示すようにホルダー10の尖
端11に付着する。同図(b)に示すように複数のナノチ
ューブ14が付着する場合もあるが、多くの場合、いず
れか1本のナノチューブが最も突出して付着するので、
それを探針の尖端として使用することができる。仮に、
複数のナノチューブがほぼ同一の長さに突出するように
付着したものがあれば、それは検査により排除するよう
にすればよい。
ル・ワールス(Van der Vaals)力によりホルダー10の
尖端11に固定される。ナノチューブ14は上記のよう
に径が小さいものであるため、この固定力は非常に強
く、何らの接着手段を必要としない。このナノチューブ
14の固定は、泳動液13を介在させた後数分程度で行
われる。従って、両電極間10、12に泳動液13を介
在させてから数分後にホルダー10を泳動液13から引
き揚げることにより、ホルダー10の尖端11にナノチ
ューブ14が固定された探針が得られる。
AFM等の探針として用いられていた金属線やシリコン
又は窒化シリコンのピラミッドを使用することができ
る。金属線の場合はそのまま使用することができるが、
シリコンや窒化シリコンのように非導電体又は半導体の
場合は、予めCVD、PVD等により表面を導体膜(金
属膜、炭素膜等)で覆っておく。なお、従来のSTMや
AFM等で用いられているカンチレバーそのものをホル
ダーとしてもよい。
尖端11と対向電極12との間に印加する電圧は、交流
とする必要がある。また、その周波数は1〜20MHzである
ことが望ましい。電圧の大きさはホルダー10の尖端1
1と対向電極12との間の距離に応じて適宜設定する必
要があるが、例えば、通常それ自身で探針として使用さ
れているシリコンピラミッド(に金属膜を被覆したも
の)をホルダー10として使用した場合、その尖端11
と対向電極12との間の距離を30μmとしたときに電圧
は1V程度としておく。
いては特に限定されることはなく、メタノール、エタノ
ール等の一般に用いられている液を用いることができ
る。
を定めるには種々の方法をとることができるが、一例と
してはAFM装置を用いることができる。すなわち、一
旦ホルダー10の尖端11と対向電極12とを原子間力
が働く距離まで近づけた後、所定の距離だけ離すという
方法で、両者間の正確な距離を定めることができる。
電極12の間の距離を定める前に導入しておいても構わ
ないし、距離を定めた後、電圧を印加する前でもよい。
更には、泳動液の液のみの導入と、その液へのナノチュ
ーブの投入とを時間的に分離してもよい。
尖端11と対向電極12との間の距離を定めて両者を配
置し、電圧を印加した後にナノチューブが入った泳動液
を流し込む。或いは、距離を定めた後、液のみを流し込
み、電圧を印加した後に液にナノチューブを投入する。
更には、液の中にホルダー10の尖端と対向電極12と
を漬けた状態で両者間の距離を定め、電圧を印加した後
にナノチューブを投入してもよい。
一方の電極とを対向させ、印加電圧に応じた距離だけ離
しておけばよいため、何らの熟練や時間を要することな
く、非常に容易且つ短時間に必要な設定を行うことがで
きる。
法であるため、多数のホルダーに対して上記操作を一挙
に行うことができるということである。すなわち図3に
示すように、対向電極を平板電極22とし、複数のホル
ダー20の尖端21を平板電極22に対して略同一距離
に対向して配置した状態で両者間にナノチューブを分散
させた泳動液を介在させることにより(或いは、泳動液
を介在させた状態で電圧を印加することにより)、複数
のホルダー20に対して一度に、それらの尖端21にナ
ノチューブを固定することができる。これにより、探針
の大量生産が可能となる。
一般的に用いられているカーボンナノチューブの他、そ
の炭素原子の一部又は全部がホウ素(B)やチッ素
(N)に置き換わったBCNナノチューブやBNナノチ
ューブ等に対しても適用することが可能である。
端の状態を示す側面図。
ーブ探針の大量生産方法の概念を示す斜視図。
程図。
出動作における差異を示す説明図。
Claims (7)
- 【請求項1】 尖端を有するホルダーと対向電極との間
にナノチューブを含む液を介在させ、所定の交流電圧を
印加することによりホルダーの該尖端にナノチューブを
固定することを特徴とするナノチューブ探針の製造方
法。 - 【請求項2】 対向電極を平板電極とし、複数のホルダ
ーの尖端を平板電極に対して略同一距離に対向して配置
することを特徴とする請求項1記載のナノチューブ探針
の製造方法。 - 【請求項3】 ナノチューブがカーボンナノチューブで
あることを特徴とする請求項1又は2に記載のナノチュ
ーブ探針の製造方法。 - 【請求項4】 尖端を有するホルダーが、表面を導体膜
で覆った非導体又は半導体から成ることを特徴とする請
求項1〜3のいずれかに記載のナノチューブ探針の製造
方法。 - 【請求項5】 上記ホルダーとして導電性カンチレバー
を利用する請求項1〜3のいずれかに記載のナノチュー
ブ探針の製造方法。 - 【請求項6】 a)ナノチューブを含む液を入れる水槽
と、 b)前記水槽の底部に設けた対向電極と、 c)ホルダーの尖端が前記ナノチューブを含む液に浸るよ
うに、ホルダーを固定する装置と、 d)前記ホルダーの尖端と前記対向電極との間に交流電圧
を印加する交流電源と、 を備えることを特徴とするナノチューブ探針の製造装
置。 - 【請求項7】 a)ナノチューブを含む液を入れる水槽
と、 b)前記水槽の底部に設けた板状電極と、 c)各ホルダーの尖端が前記ナノチューブを含む液に浸
り、且つ前記板状電極に対して略同一距離に対向するよ
うに、複数のホルダーを固定する装置と、 d)前記複数のホルダーの尖端と前記板状電極との間に並
列に交流電圧を印加する交流電源と、 を備えることを特徴とするナノチューブ探針の製造装
置。
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