JP4432478B2 - 筒状分子の製造方法および筒状分子構造、並びに表示装置および電子素子 - Google Patents
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N.R.フランクリン(Franklin)、外1名,方向性を有する広範なナノチューブ網への増速CVDによるアプローチ(An enhanced CVD Approach to Extensive Nanotube Network with Directionality),「アドバンストマテリアルズ(Advanced Materials)」, (独国),2000年,第12巻,p.890 K.B.K.テオ(Teo )、外14名,プラズマ増速CVDカーボンナノチューブ/ナノファイバーはいかに均一に成長するか?(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition Carbon Nanotube/Nanofiber How Uniform do They Grow?),「ナノテクノロジー(Nanotechnology)」, 2003年,第14巻,p.204 E.ジョセレヴィチ(Joselevich)、外1名,金属および半導体単層カーボンナノチューブのべクトル成長(Vectorial Growth of Metallic and Semiconducting Single-Wall Carbon Nanotubes),「ナノレターズ(Nano Letters)」,2002年,第2巻,p.1137 K.チェン(Chen)、外4名,超短波UVレーザパルスによるLiNbO3 のサブミクロン表面格子の生成(Generation of submicron surface gratings on LiNbO3 y ultrashort UV laser pulses),「アプライドフィジクスA(Applied Physics A )」,(独国),1997年,第65巻,p.517−518
まず、図1(A)に示したように、例えばシリコン(Si)よりなる基板11の表面には、例えば熱酸化により、積層方向の厚み(以下、単に「厚み」という)が例えば100nmの二酸化シリコン(SiO2 )よりなる酸化膜12を形成したものを用意する。このようにシリコンよりなる基板11の表面に酸化膜12を形成したものは、基板11のみを用いる場合よりもカーボンナノチューブを数多く成長させることができ、カーボンナノチューブの密度を高めることができるので好ましい。また、カーボンナノチューブは後述するように基板11と酸化膜12との境界線を起点として成長するため、酸化膜12の厚みおよび後述する突条部の高さなどを制御することにより、カーボンナノチューブの起点の高さも制御することができるので好ましい。
続いて、突条部13の頂部近傍に触媒物質を配置する。この触媒物質の配置は、例えば電子ビーム蒸着などにより突条部13の頂部近傍に直接触媒物質を付着させるようにしてもよいが、本実施の形態では、例えば、転写用の原盤に触媒物質を付着させる第1工程と、原盤を基板11の突条部13に接触させることにより触媒物質を突条部13に転写する第2工程とを行う。このようにすることにより、カーボンナノチューブの成長に必要な最小限の触媒物質を突条部13に配置することができ、突条部13に余分な触媒物質が転写されてカーボンナノチューブの成長に寄与しにくくなってしまうおそれがなくなる。
触媒物質30を突条部13の頂部近傍に配置したのち、例えば、まず、基板11を図示しないCVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)装置に投入し、図示しない成膜室内を例えば102 Paで例えば30分間減圧したのち、例えばアルゴン(Ar)ガスを例えば30分間充満させることにより残留ガスを除去する。次いで、成膜室の温度を、例えば15℃/minの速度で例えば900℃まで加熱する。このとき、触媒物質30は加熱により溶融し、図7(A)に示したように、酸化膜12との密着性が低いため、表面張力によりナノメートルサイズの微細な球状になる。
図11は、第1の実施の形態のカーボンナノチューブ構造40の一適用例として、FEDの一例を表したものである。このFEDは、電界電子放出素子としてのカーボンナノチューブ構造40と、カーボンナノチューブ41に所定の電圧を印加し、カーボンナノチューブ41から電子e- を放出させるためのゲート電極50および図示しないカソード電極と、カーボンナノチューブ41から放出された電子e- を受けて発光する蛍光部60とを備えている。カーボンナノチューブ構造40は、基板11にマトリクス状に設けられ、基板11に設けられたカソード電極に電気的に接続されている。ゲート電極50は、基板11上に絶縁膜51を介して設けられている。蛍光部60は、ガラスなどよりなる対向基板61に設けられている。対向基板61には、また、アノード電極62が設けられている。
図12および図13は、第1の実施の形態のカーボンナノチューブ構造40の他の適用例として、GAAトランジスタの一例を表すものである。このGAAトランジスタは、上記実施の形態のカーボンナノチューブ構造40と、カーボンナノチューブ41の導電性を制御するためのゲート電極70とを備えている。カーボンナノチューブ41の両端部には、ソース電極81およびドレイン電極82が配置されている。なお、カーボンナノチューブ41の導電性が生成時にp型であった場合には、例えばカリウム(K)を添加することによりn型に変化させることもできる。よって、カーボンナノチューブ41の導電性を変化させることにより相補型回路構成とすることも可能である。
図14および図15は、前述の突条部13の形成方法の他の例を表したものである。本変形例は、基板11における突条部13を、変調された熱分布を用いて極めて微細なパターンで形成するようにしている。すなわち、本変形例は、シリコンよりなる基板11の表面に対して所望のパターンに応じて変調された熱分布を与え、基板11の表面を溶融させる「溶融工程」と、基板11の表面を放熱させることにより、熱分布に応じた位置に突条部13のパターンを形成する「放熱工程」とを含んでいる。
まず、図14を参照して溶融工程を説明する。熱分布111は、基板11の表面温度がエネルギービーム112の照射により空間的に変調されて、高温領域111Hと低温領域111Lとが周期的に形成されたものである。エネルギービーム112は、波長および位相の揃った平行光であり、本実施の形態では、高出力を得るため、例えばXeClエキシマレーザを用いる。
次に、図15を参照して放熱工程を説明する。すなわち、溶融工程において基板11の表面を溶融させたのち、エネルギービーム112の照射を止めると、基板11の表面の温度は徐々に低下して凝固するが、このとき、溶融工程において照射されたエネルギービーム112のエネルギー量が一定値を超えている場合には、高温領域111Hに対応する位置に、基板11の表面から隆起した突条部13が形成される。
図16ないし図21は、前述の突起22の形成方法の他の例を表したものである。本変形例は、原盤21における突起22を、変形例1の変調された熱分布を用いて極めて微細なパターンで形成するようにしている。すなわち、本変形例は、変形例1の溶融工程において、エネルギービームのエネルギー量を二次元方向すなわちX方向およびY方向に変調させ、原盤21の表面に対してX方向熱分布121XおよびY方向熱分布121Yを与えるようにしている。
まず、図16を参照して溶融工程を説明する。X方向熱分布121Xは、原盤21の表面温度がX方向に変調されて、X方向高温領域121XHとX方向低温領域121XLとが周期的に形成されたものである。また、Y方向温度分布121Yは、原盤21の表面温度がY方向に変調されて、Y方向高温領域121YHとY方向低温領域121YLとが周期的に形成されたものである。
溶融工程において原盤21の表面を溶融させたのち、エネルギービーム122の照射を止めると、溶融工程において照射されたエネルギービーム122のエネルギー量が一定値を超えている場合には、図19および図20に示したように、高温領域124Hに対応する原盤21の表面が隆起して、複数の突起22が形成される。
上記実施の形態と同様にして、カーボンナノチューブ構造40を作製した。まず、シリコンよりなる基板11の表面に、厚みが100nmの二酸化シリコンよりなる酸化膜12が形成されたものを用い、高さ1μm、幅0.5μmの直線状の突条部13を形成した(図1および図2参照。)。
酸化膜12を形成していないシリコンよりなる基板11を用いたことを除いては、実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ構造40を作製した。得られたカーボンナノチューブ構造40を、実施例1と同様にSEMで観察した。
原盤21を用いず、電子ビーム蒸着法により突条部13に直接触媒物質30を付着させたことを除いては、実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ構造40を作製した。得られたカーボンナノチューブ構造40を、実施例1と同様にSEMで観察した。その結果を図25に示す。
酸化膜12を形成していないシリコンよりなる基板11を用いたことを除いては、実施例3と同様にしてカーボンナノチューブ構造40を作製した。得られたカーボンナノチューブ構造40を、実施例1と同様にSEMで観察した。その結果を図26に示す。
基板の表面に、突条部の代わりに略円形の突起を形成したことを除いては、実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ構造を作製した。得られたカーボンナノチューブ構造を、実施例1と同様にSEMで観察した。その結果を図27に示す。
基板の表面に、突条部の代わりに不規則な形状の突起を形成したことを除いては、実施例1と同様にしてカーボンナノチューブ構造を作製した。得られたカーボンナノチューブ構造を、実施例1と同様にSEMで観察した。その結果を図28および図29に示す。なお、図28および図29は同一のカーボンナノチューブ構造を異なる倍率で撮影したものである。
Claims (9)
- 基板の表面に形成された1または2以上の突条部の頂部近傍に、触媒機能を有する物質を配置する工程と、
加熱すると共に、成長ガスを供給することにより前記触媒機能を有する物質を用いて筒状分子を、前記突条部の稜線に対して垂直かつ前記基板の表面に略平行な方向に成長させる工程と
を含む筒状分子の製造方法。 - 前記基板として、シリコン基板の表面に酸化膜を形成したものを用い、前記筒状分子を、前記シリコン基板と前記酸化膜との境界線に対して垂直な方向に成長させる
請求項1記載の筒状分子の製造方法。 - 前記基板の表面に前記突条部を形成する工程を更に含む
請求項1記載の筒状分子の製造方法。 - 前記触媒機能を有する物質を配置する工程は、
転写用の原盤に前記触媒機能を有する物質を付着させる工程と、
前記原盤を前記基板の突条部に接触させることにより前記触媒機能を有する物質を前記突条部に転写する工程と
を含む請求項1記載の筒状分子の製造方法。 - 前記原盤として、表面に突起を有するものを用い、前記突起に前記触媒機能を有する物質を付着させる
請求項4記載の筒状分子の製造方法。 - 基板と、
この基板の表面に形成された1または2以上の突条部と、
この突条部の稜線に対して垂直かつ前記基板の表面に略平行な筒状分子と
を備えた筒状分子構造。 - 前記基板はシリコン基板の表面に酸化膜が形成された構成を有し、前記筒状分子は前記シリコン基板と前記酸化膜との境界線に対して垂直である
請求項7記載の筒状分子構造。 - 基板と、この基板の表面に形成された1または2以上の突条部と、この突条部の稜線に対して垂直かつ前記基板の表面に略平行な筒状分子とを有する筒状分子構造と、
前記筒状分子に所定の電圧を印加し、前記筒状分子から電子を放出させるための電極と、
前記筒状分子から放出された電子を受けて発光する発光部と
を備えた表示装置。 - 基板と、この基板の表面に形成された1または2以上の突条部と、この突条部の稜線に対して垂直な筒状分子とを有する筒状分子構造と、
前記筒状分子の導電性を制御する制御電極と
を備えた電子素子。
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