JP4454546B2 - ナノグリッピング装置及びこれを用いたナノ操作システム - Google Patents

Description

本発明は、ナノスケール物体を把持するための装置及びこれを用いたナノ操作システムに関し、より詳しくは、ナノスケール物体を把持するために静電気駆動する炭素ナノチューブを利用したグリッピング装置及びこれを用いたナノ操作システムに関する。

ナノスケール物体を操作し、調査するための道具を新たに開発することは、ナノ機械工学、ナノ物理学及びナノ技術の発展にとって重要である。原子力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｒｏｓｃｏｐｅ）、走査探針顕微鏡及び走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、原子寸法に相当するような微細な動きが可能であるため、上記の目的から利用されている。しかし、従来のＡＦＭ、走査探針顕微鏡及びＳＴＭは、単一のプローブチップしか利用できないため、ナノスケール物体を扱う能力には限界がある。つまり、プローブチップが単一であるために物体を把持することができず、ナノ物体を所望する場所または位置に正確かつ確実に移動することができない。

そこで、単一プローブチップを備えた顕微鏡が有する上記の限界に鑑み、ナノ物体を把持し、操作するためのナノピンセットが開発されている。このナノピンセットは、ナノ物質を把持し、解放するものであり、ナノ粒子やナノ構造物の操作及び組立てを容易にする。
例えば、図１に示すＰｈｉｌｌｉｐ Ｋｉｍ及びＣｈａｒｌｅｓ Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒが開発したナノピンセット８８（非特許文献１参照）は、絶縁層８２を介在とするテーパ状ガラスチューブ８０の外周面にそれぞれ形成した金属電極フィルム８４ａ、金属電極フィルム８４ｂを備える。この金属電極フィルム８４ａ、金属電極フィルム８４ｂには、炭素ナノチューブ８６ａ、炭素ナノチューブ８６ｂをナノピンセット８８から突出するようにそれぞれ固定している。

図２に示すように、金属電極フィルム８４ａ、金属電極フィルム８４ｂ上の接点９０ａ、接点９０ｂに連結するリードワイヤ９２ａ、リードワイヤ９２ｂを介して、直流電源９４からナノピンセット８８に電圧を印加すると、一方の炭素ナノチューブ８６ａが正極に帯電され、他方の炭素ナノチューブ８６ｂが負極に帯電される。これら正電荷と負電荷の静電気的引力によって、炭素ナノチューブ８６ａ、８６ｂのチップ端部が内側に閉じ、その結果、ナノ物質９６をチップ端部の間で把持する。また、電圧をゼロまで低下させると静電気的引力が解消され、その結果、炭素ナノチューブ８６ａ、８６ｂは、それぞれの弾性復原力によって、図１に示す状態に戻り、ナノ物質９６を解放する。したがって、ナノピンセット８８を開閉する制御は、金属電極フィルム８４ａ、金属電極フィルム８４ｂに印加する電圧の大きさ（例えば、０Ｖないし１０Ｖ）を調節することで実現できる。

しかし、前記ナノピンセット８８には次のような欠点がある。まず、第1の欠点として、ガラスチューブ８０のチップ端部をテーパ状に１００ｎｍまで微細に加工しているため、ナノピンセット８８が比較的脆弱になってしまう。
次に、金属電極フィルム８４ａ、金属電極フィルム８４ｂをガラスチューブ８０の全長にわたって形成し、さらには、接点９０ａ及び接点９０ｂをこのガラスチューブ８０の後方の大径部に配置し、リードワイヤ９２ａ及びリードワイヤ９２ｂを介して電源９４に連結しなければならない点も欠点として挙げることができる。具体的には、リードワイヤ９２ａ及びリードワイヤ９２ｂが比較的厚肉であることから、電気接点９０ａ及び電気接点９０ｂを、ガラスチューブの径が拡張した後方端部上に配置しなければならない。しかし、ガラスチューブの全長にわたって金属電極フィルム８４ａ及び金属電極８４ｂを形成することは困難であり、効率性も低下する。

第３の欠点としては、ナノピンセットが炭素ナノチューブ８６ａと炭素ナノチューブ８６ｂとの間の静電気作用によって作動する点にある。詳しく説明すると、正電荷と負電荷を炭素ナノチューブ８６ａと炭素ナノチューブ８６ｂに集め、炭素ナノチューブ８６ａと炭素ナノチューブ８６ｂを開閉する動作を電荷である静電気の引力を利用して制御している。ここで、ナノ物質９６が電気的な絶縁体または半導体である場合は、このような静電気の引力を効果的に活用することができるものの、前記ナノ物質９６が導電体である場合は、炭素ナノチューブ８６ａと炭素ナノチューブ８６ｂの端部が電気的に短絡して静電気的引力による動作が中断してしまう。さらに、電気的に短絡すれば、ナノ物質９６を電気的に破壊する恐れも生じる。したがって、ナノピンセット８８の使用は、半導体ナノ物質や絶縁体ナノ物質に限定されるとともに、使用時には絶えず注意が必要である。

第４の短所としては、ナノピンセット８８が二つの炭素ナノチューブのみで構成されているため、多様な形態のナノ物質を安定的に把持することができない点である。例えば、平面なナノ物質は、二つの炭素ナノチューブ８６ａ及び８６ｂで安定した把持が確保できるが、ナノ物質が球状や棒状であれば、把持が不安定になり、ナノピンセットから落下する恐れがある。

図３に示すように、ホルダー５１から突出し、ベース端部をホルダー５１に固定している３つのナノチューブ５４を備えたナノピンセット５０について開示している（特許文献１参照）。このナノチューブ５４は、ナノチューブ５４の表面を絶縁し、被覆するコーティングフィルムでコーティングしたものであり、リードワイヤ５２は、電極フィルム５３を通じて前記ナノチューブ５４に連結している。また、ナノチューブ５４のチップ端部は、自由に開放してあって、ナノチューブ５４のうち２つを負極に帯電させ、残りの１つを正極に帯電させるようにして、リードワイヤ５２を介して電圧を印加することで発生した静電気的引力を利用して閉じる仕組みである。

ナノチューブ５４上のコーティングフィルムは、ナノチューブ５４とナノ物質との短絡を防止するために、絶縁物質からなる。例えば、コーティングフィルムは、電子ビームを照射して導電性ナノチューブの表面に形成した炭化水素フィルムであってもよい。しかし、炭素ナノチューブのような微細な物体にコーティングフィルムを形成する方法は、きわめて複雑である。しかも、炭素ナノチューブの表皮層の厚さは、炭素原子１個分と同じ厚さであるため、いかなる新物質を用いて層を形成したとしても、炭素ナノチューブの電気的特性及び機械的特性に変化を生じさせる恐れがあることは十分に予測できる。

また、たとえナノチューブを絶縁コーティング層で被覆できたとしても、より強い静電気的引力を発生させるために偶然または意図的に高い電圧を印加した場合、あるいは、例えば、材料の疲労などでコーティングフィルムが欠陥（亀裂、減厚、破損など）した場合に、依然として短絡が発生する可能性は存在する。さらに、ナノチューブを被覆するコーティングフィルムに大きな変形が繰り返し加わって亀裂やフィルムの損傷をもたらすような大きなストレスが材料に発生するたびに、コーティングフィルムに欠陥が発生する可能性も高まる。

また、絶縁コーティングフィルムであっても、帯電したナノチューブの間には電磁場が存在するため、ある種の物体、例えば、細胞、遺伝子、ＤＮＡのような生体物質にとっては有害であり、予測できない影響を与える恐れもある。
最後に、３つ以上のナノチューブアームを使用すれば、さらに安定したナノ物質の把持が確保できるものの、正極と負極に帯電させたナノチューブどうしの相互作用が複雑になってしまう。
米国特許第６，６６９，２５６号 ジャーナル・オブ・サイエンス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ）「ナノチューブ ナノグリッピング（"Ｎａｎｏｔｕｂｅ ｎａｎｏｔｗｅｅｚｅｒｓ"）」、１９９９年１２月１０日、第２８６巻 ｐ２１４８−ｐ２１５０

本発明の技術的課題は、上記の問題点を解決すべく、微細な物体を把持するために静電気駆動する炭素ナノチューブを利用したグリッピング装置及びこれを用いたナノ操作システムを提供することである。

本発明の一実施形態によれば、本発明に係るナノスケール物体を把持するグリッピング装置は、ベース部と末端部とを含むプローブと、プローブのベース部に固定してプローブのベース部と末端部とを越えて延伸する突出部をそれぞれ含み、互いに対向するように配置した第１ナノチューブ及び第２ナノチューブと、前記プローブのベース部に形成した第１ナノチューブ及び第２ナノチューブにそれぞれ電気的に連結する第１電極及び第２電極と、プローブの末端部上に配置した第３電極と、第１電極、第２電極に電気的に連結した第１ナノチューブ及び第２ナノチューブを第１極性に帯電させ、第３電極を第１極性は逆の第２極性に帯電させることによって、第１ナノチューブ及び第２ナノチューブと第３電極との間に発生する静電気力により、第１ナノチューブ及び第２ナノチューブの突出部が閉じるように、第１電極、第２電極及び第３電極に電圧を印加する制御回路を備えることを特徴とする。

本発明に係るグリッピング装置は、任意の形を有するナノスケール物体を堅固に把持することができ、操作中にナノスケール物体を把持し、サンプルの表面上の所望とする位置にナノスケール物体を解放することができる。また、炭素ナノチューブのチップ端部の間に電場が発生しないため、炭素ナノチューブの間で短絡が発生する恐れもない。
したがって、本発明に係る静電気駆動のグリッピング装置は、半導体及び絶縁性物体への応用のみならず、液体環境内で扱われる細胞、遺伝子及びＤＮＡのような生体物質を含む電気に敏感に反応する物体を安定して操作するときにも利用可能である。
また、同じ電圧を印加する場合、本発明に係るグリッピング装置は、ナノチューブの間で発生する静電気的引力が、従来のナノグリッピング装置の静電気的引力と比較して大きいことを実験により確認している。したがって、従来のナノグリッピング装置と比較して印加する電圧が低くなったとしても把持する力は大きくなるため、安定した操作が確保できる。

以下、図面を参照しつつ本発明について、さらに詳しく説明する。
図４は、本発明の実施形態に係るナノ操作システムを説明した図である。ナノ操作システム１００は、ＳＴＭユニット３と、このＳＴＭユニット３のプローブ８に固定した、静電気駆動の炭素ナノチューブグリッピング装置１と、このナノチューブグリッピング装置１の動作を制御するための制御回路ユニット２と、を備える。なお、ＳＴＭユニット３に代わって、ＡＦＭユニットを利用してもよい。いずれの顕微鏡ユニットも、尖鋭に加工されたシリコンチップを使用しているが、このシリコンチップは、その先端で原子を１個だけ把持するようになっており、サンプルの表面上を正確に走査させるものである。従来の装置と同様に、ＳＴＭユニット３は、移送ユニット１１０、圧電素子１２０、インテグレータ１３０、センサーユニット１４０、差増幅器１５０及びＣＰＵ１６０を備える。ＳＴＭユニット３は、サンプル５の表面上に配置しているナノスケール物体４を感知し、この物体４を載せたままの状態でサンプル５の位置と配向を決める。

ＳＴＭユニット３での動作は、プローブ８のチップとサンプル５との間にバイアス電位を印加して、プローブ８のチップとサンプル５の隙間に発生したトンネリング電流を測定するために、非接触方式にてサンプル５上をラスター走査する。なお、ＡＦＭユニットの動作もＳＴＭユニットの場合と類似する。ただし、プローブのチップがサンプルと接触している点と、チップとサンプルの間には、トンネリング電流に代わって、原子間のファンデルワールス力（Ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ ｆｏｒｃｅ）が作用する点においてＳＴＭユニットの場合とは対照的なメカニズムを提供する。

図５Ａは、本発明の第１実施形態に係るグリッピング装置の構成を示す図である。図５Ａに示すように、グリッピング装置１は、プローブ８の平行な六面体状のベース部１４上に配置した少なくとも二つの炭素ナノチューブ６及び炭素ナノチューブ７を備える。特に、炭素ナノチューブ６のベース端部６ａ及び炭素ナノチューブ７のベース端部７ａは、プローブ８の向かい合う中央側面１４ａ及び中央側面１４ｂに固定しており、プローブ８の側面上に形成した電極フィルム１１及び電極フィルム１２に電気的に連結している。

顕微鏡プローブ８の材料は、ガラスまたはシリコンのような純粋な誘電体であってもよい。ガラス顕微鏡プローブの場合、電極フィルム１１及び電極フィルム１２を形成するために、向かい合ったガラス構造の中央側面１４ａ及び中央側面１４ｂ上にＣｒ−Ａｕ層を蒸着し、ナノチューブ１本のみを備えた従来の走査プローブ顕微鏡チップの場合と類似した方法を用いて、炭素ナノチューブ６を電極フィルム１１に、炭素ナノチューブ７を電極フィルム１２に取り付ける。また、シリコン顕微鏡プローブの場合は、電子ビーム照射や電気加熱を利用して、プローブ８の中央側面１４ａに炭素ナノチューブの６ベース端部６ａを、プローブ8の中央側面１４ｂに炭素ナノチューブ７のベース端部７ａを溶着させて、ベース端部６ａ及びベース端部７ａをそれぞれプローブ８に取り付けることも可能である。また、炭素ナノチューブ６のベース端部６ａ及び炭素ナノチューブ７のベース端部７ａは、顕微鏡プローブと同じく、電極フィルム１１及び電極フィルム１２と電気的に連結する。

プローブ８の末端部１５は、平行六面体形のベース部１４より突出する。炭素ナノチューブ６及び炭素ナノチューブ７は、プローブ８のベース部１４を越えてプローブ８の末端部１５の長手方向に延びる突出部６ｂ及び突出部７ｂと、プローブ８の末端部１５を越えて延伸するチップ端部６ｃ及びチップ端部７ｃとを備える。炭素ナノチューブ６の突出部６ｂ及び炭素ナノチューブ７の突出部７ｂがそれぞれ末端部１５との間で平面角α及び平面角βで定義された自由空間領域１６及び自由空間領域１７内のＸ−Ｙ平面内において弾性変形可能に動作するように、末端部１５の形状がピラミッド形状になっている。本実施形態においては、角度α及び角度βは同じ角度であるが、この角度α及び角度βは異なっていてもよい。また、本実施形態での末端部１５の形状はピラミッド形であるが、末端部１５の形状は、これに限定されず、末端部の断面積が、末端部の先端またはチップに向かって次第に縮小するテーパ状多角形または円錐形のような形状であってもよい。また、末端部のチップは、平坦なチップまたは尖鋭なチップのいずれでもよい。

末端部１５は、プローブ８の側面に形成した電極フィルム１３に連結する電極フィルム１８で全体的にまたは部分的に覆われている。電極フィルム１８は、自由空間領域１６及び自由空間領域１７により隔てられ、炭素ナノチューブ６のベース端部６ａ及び炭素ナノチューブ７のベース端部７ａから分離している。炭素ナノチューブ６と炭素ナノチューブ７が変形する間に、電極フィルム１８と、炭素ナノチューブ６の突出部６ｂ及び炭素ナノチューブ７の突出部７ｂとの間で短絡が発生することを防止するために、電極フィルム１８の表面は、絶縁フィルム１９でコーティングしている。また、末端部１５は、顕微鏡プローブ８の突出プローブチップ３７を形成するために、電極フィルム１８と絶縁フィルム１９で覆われている。図５Ｂ及び図５Ｃは、末端部１５、電極フィルム１８及び絶縁フィルム１９を示す断面図である。

なお、電極フィルム１１、電極フィルム１２、電極フィルム１３、電極フィルム１８及び絶縁フィルム１９を、一般的な方法を用いて形成してもよい。例えば、コーティングフィルムは、電子顕微鏡の内部で電子ビームを照射し、有機ガスを分解して形成してもよい。有機ガスが炭化水素ガスである場合は、コーティングフィルムは炭化水素フィルムとなり、絶縁フィルムに適している。また、金属性の有機ガスをコーティングフィルムの形成に用いるならば、電極フィルムに使われる金属フィルムが形成され、導電性の炭素ナノチューブ６及び炭素ナノチューブ７と、リードワイヤ１０との間で連続した電気接続を確保することができる。

図５Ａに示すように、制御回路２は、電圧制御回路ＶＣを搭載したＤＣ電源２０を備える。ここで、電源２０のマイナス出力をリードワイヤ９を介して電極フィルム１３に接続し、電源２０のプラス出力をスイッチ２１とリードワイヤ１０とを介して電極フィルム１１、電極フィルム１２に接続する。ただし、炭素ナノチューブ６及び炭素ナノチューブ７を、電極フィルム１８の極性とは逆の同じ極性に帯電させる限りにおいては、電源２０のプラス出力を電極フィルム１３に接続し、電源２０のマイナス出力を電極フィルム１１、１２に接続してもよい。

後述するように、炭素ナノチューブグリッピング装置１は、サンプル５上で追加の操作ができるように、確実にナノスケール物体４を堅固に把持する。特に、制御回路ユニット２は、プローブ８の末端部１５を覆う電極フィルム１８、炭素ナノチューブ６、及び炭素ナノチューブ７に印加する電圧を適切に選択することで、グリッピング装置１の炭素ナノチューブ６、炭素ナノチューブ７のグリッピング動作を制御する。
図６Ａは、本発明の第２実施形態に係るピンセット１０１の斜視図である。
また、図６Ｂは、図６Ａの静電気電動グリッピング装置をライン６Ｂ−６Ｂで切断した断面図であり、図６Ｃは、図６Ａの静電気電動グリッピング装置をライン６Ｃ−６Ｃで切断した断面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、プローブ２２は、ピラミッド形状の側面２４ａ、側面２４ｂ、側面２４ｃ及び側面２４ｄを４つ備えた末端部２４とベース部２３とを備える。

４つの電極フィルム２５、電極フィルム２６、電極フィルム２７及び電極フィルム２８を、ベース部２３の側面に形成する。４つの炭素ナノチューブ２９、炭素ナノチューブ３０、炭素ナノチューブ３１及び炭素ナノチューブ３２を、それぞれに対応するベース端部２９ａ、ベース端部３０ａ、ベース端部３１ａ及びベース端部３２ａに、例えば、電子ビーム照射や電気加熱、あるいは他の従来方法を利用して、プローブ２２のベース部２３の側面にそれぞれ固定する。したがって、炭素ナノチューブ２９、炭素ナノチューブ３０、炭素ナノチューブ３１及び炭素ナノチューブ３２は、リードワイヤ１０を介して制御回路２の電源２０のプラス出力に連結する電極フィルム２５、電極フィルム２６、電極フィルム２７及び電極フィルム２８に電気的に連結している。動作時には、炭素ナノチューブ２９、炭素ナノチューブ３０、炭素ナノチューブ３１及び炭素ナノチューブ３２は、電気スイッチ２１をオンすると正極に帯電されるようになっている。

図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、プローブ２２の末端部２４の側面２４ａ、側面２４ｂ、側面２４ｃ及び側面２４ｄは、まず、電極フィルム３３をコーティングした後に、電圧を印加したときに炭素ナノチューブ２９、炭素ナノチューブ３０、炭素ナノチューブ３１及び炭素ナノチューブ３２と電極フィルム３３との間で短絡が発生するのを防止するために、例えば、誘電体物質からなる絶縁フィルム３４でさらにコーティングする。このような層構造によってプローブ２２の突出チップ３５を形成する。
リードワイヤ９は、プローブ２２の平行な六面体のベース部２３の角に沿うように配置しており、電極フィルム３３に連結する電極フィルム３６を電源２０の負極に連結する。したがって、電気スイッチ２１がオンになれば、突出プローブチップ３５、より正確には、電極フィルム３３は負極として機能する。

炭素ナノチューブ２９の突出部２９ｂ、炭素ナノチューブ３０の突出部３０ｂ、炭素ナノチューブ３１の突出部３１ｂ及び炭素ナノチューブ３２の突出部３２ｂは、突出グローブチップ３５を越えて延伸しており、炭素ナノチューブ２９のチップ端部２９ｃ、炭素ナノチューブ３０のチップ端部３０ｃ、炭素ナノチューブ３１のチップ端部３１ｃ及び炭素ナノチューブ３２のチップ端部３２ｃにてナノスケールの粒子を把持し、解放することができる。

図７Ａは、本発明の第３実施形態に係るグリッピング装置の斜視図を、図７Ｂは、その正面図をそれぞれ示したものである。グリッピング装置１０２の突出プローブチップ３９は円錐形状であって、この突出チップ３９の周囲には、実質的に同じ間隔で配置された複数の炭素ナノチューブ３８（本実施形態では８個のナノチューブを例示）を備える。
第２実施形態と同様に、第３実施形態に係るグリッピング装置１０２においても、３つ以上のナノチューブを利用することで、任意形状のナノ物質、特に、球形状のナノ物質に対しても安定的した把持が確保できる。

さらに、図８Ａは、本発明の第４実施形態係るグリッピング装置の斜視図を、図８Ｂは、その正面図をそれぞれ示したものである。突出プローブチップ４１は、ピラミッド形状であって、複数の炭素ナノチューブ４０をグリッピング装置１０３の第１面に備え、さらに、複数の炭素ナノチューブ４２を第１面と向かい合うグリッピング装置１０３の第２面に備えている。

第１実施形態ないし第３実施形態と比較すると、第３実施形態は、グリッピングメカニズム４０及びグリッピングメカニズム４２により、細長い棒形状のナノ構造に対してより確実なグリッピングメカニズムが得られる。
図９は、図５Ａの第１実施形態に係るグリッピング装置の末端部の構造を例示した断面図である。第１実施形態と同様の寸法を第２実施形態の端末チップ３５、第３実施形態の端末チップ３９及び第４実施形態の末端チップ４１にそれぞれ用いることもできる。しかし、グリッピング装置の寸法は、本発明の開示で例示した数値に限定されず、各種要因に応じて多様に選択可能である。

末端部１５は、ピラミッド形状であって、プローブ８の平行六面体のベース部１４から突出する。末端部１５の長さl_trmは、下記の式（１）に示すように、突出部６ｂとチップ端部６ｃを足した長さあるいは突出部７ｂとチップ端部７ｃを足した長さであるl_prtの約半分の長さになる。

ここで、l_prt = l_6b + l_6c = l_7b + l_7cは、炭素ナノチューブ６、炭素ナノチューブ７の突出した部分の長さである。
従来の方法により製造した電極フィルム１８と絶縁フィルム１９の厚さが、通常、２０ｎｍないし５０ｎｍの範囲内にあることを考慮するならば、炭素ナノチューブ６と末端部１５の間の自由空間１６を提供する段差部１６ａの高さd_16a、及び炭素ナノチューブ７と末端部１５の間の自由空間１７を提供する段差部１７ａの高さd_17aは、４０ｎｍないし１００ｎｍの範囲内であってもよい。また、一般的に、炭素ナノチューブの直径は約１０ｎｍないし５０ｎｍである。
平面角αとβは、上記の例示では互いにほぼ同じ値を有しているが、平面角αとβが互いに異なる値を有する場合は、次の式（２）のように計算する。

ここで、l_prt = l_6b + l_6c = l_7b + l_7cであり、さらに、Ｈは電圧を印加していないときの炭素ナノチューブ６のチップ端部６ｃと炭素ナノチューブ７のチップ端部７ｃとの初期間隔である。よって、ピラミッド形状の末端部１５を定義する平面角γは、α＋βと同じ（つまり、α＝βの場合、２αまたは２βと同じ）である。
末端部１５の幅h_trmは、次の式（３）から導かれる。

ここで、tgαは角度αについての、tgβは角度βについてのタンジェントをそれぞれ意味する。
もし、角度αと角度βが互いに同じであり、段差部１６ａの高さd_16aと段差部１７ａの高さd_17aが互いに同じであるならば、数式３を数式４のように単純化することができる。

ここで、式（１）と式（２）を式（４）に代入すると、末端部１５の幅h_trmを式（５）から得ることができる。

図１０は、本発明に係るグリッピング装置の動作原理を例示する図である。図１０は、球形状のナノ粒子を把持した状態を図５Ａの第１実施形態に係るグリッピング装置１で示したものであるが、図１０に示した動作原理は、各実施形態について例示した様々な形状のナノ粒子を把持する場合にも同様に適用することが可能である。

まず、顕微鏡のステージ１８０上に配置したサンプル５の表面上にあるナノ物質４の位置は、ＳＴＭ走査を行い、図１に示す炭素ナノチューブ６のチップ端部６ｃ及び炭素ナノチューブ７のチップ端部７ｃを使いながら感知する。次に、顕微鏡プローブ８を下方に移動させながらサンプル表面に接触させ、球形のナノ物質４をチップ端部６ｃとチップ端部７ｃの間に収める。この状態で、スイッチ２１をオンにして、電極フィルム１１及び電極フィルム１２を介して炭素ナノチューブ６及び炭素ナノチューブ７に電圧を印加する。同時に、これとは反対の極性の同じ電圧をプローブ８の末端部１５を覆う電極フィルム１８に電極フィルム１３を介して印加する。これにより、炭素ナノチューブ６の突出部６ｂ及び炭素ナノチューブ７の突出部７ｂが正極になる一方で、フィルム電極１８で覆われた末端部１５は負極になる。正電荷が正極に蓄積され、負電荷が負極に蓄積されるため、炭素ナノチューブ６の突出部６ｂ及び炭素ナノチューブ７の突出部７ｂは、正電荷に帯電させた突出部６ｂ及び突出部７ｂと、負電荷に帯電させた電極フィルム１８との間にある自由空間１６及び自由空間１７でそれぞれ発生した静電気的引力によって内側に曲がる。したがって、チップ端部６ｃ及びチップ端部７ｃは、前記ナノ物質４を把持するまで互いに向かい合う方向に移動する。

スイッチ２１をオフにすると、炭素ナノチューブ６の突出部６ｂ及び炭素ナノチューブ７の突出部７ｂと電極フィルム１８との間に発生した静電気的引力が解消する。そのため、チップ端部６ｃ及びチップ端部７ｃはナノチューブ自体の弾性復原力により開き、ナノ物質４を解放する。
電極フィルム１８を絶縁フィルム１９で覆っているため、正極に帯電させた炭素ナノチューブ６の突出部６ｂ及び炭素ナノチューブ７の突出部７ｂが変形し、この変形工程の最後で負極に帯電させた電極フィルム１８に接触したとしても、電極フィルム１８と炭素ナノチューブ６の突出部６ｂ及び炭素ナノチューブ７の突出部７ｂとの間で回路の短絡が発生するのを防止できる。

図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃは、突出したプローブチップのこの他の各種変形を例示したものである。図１１Ａに示すように、プローブチップ４３は、炭素ナノチューブの突出部の長さl_prtの半分よりも長い長さl_trm43を有する。また、図１１Ｂに示すように、プローブチップ４４は、炭素ナノチューブの突出部の長さl_prtの半分より短い長さl_trm44を有する。さらに、図１１Ｃに示すように、プローブチップ４５は、炭素ナノチューブの突出部の長さl_prtの半分と同じ長さl_trm45を有する。なお、プローブチップ４５の末端部の幅h_trm45は、数式５によって定義された幅h_trmよりも小さくすることができ、極端な場合では、この幅h_trm45はゼロに等しくてもよい。負極に帯電させたチップと正極に帯電させたナノチューブとの間に発生する静電気的引力F_elは、幅h_trm45が数式５によって定義される場合、F_el43 > F_el45 > F_el44のように、チップの長さに比例する。幅h_trm45を数式５で定義された値よりも小さくするならば、後述の通り、把持力Ｒが増大し、それにより静電気力F_el45も増加する。
したがって、基板層との相互作用が強いナノスケール物体を確実に把持するのに必要な力を得るために、チップの長さを適宜選択することが可能である。また、細胞やＤＮＡなどの軟質の生体物質を把持する場合には、把持力を穏やかにすることもできる。

また、図１１Ｃに示すように、プローブチップ４５を鋭く延伸させることで、ナノチューブとチップの側面との間の自由空間をさらに確保でき、負極に帯電させたチップと正極に帯電させたナノチューブとの間に発生する静電気的引力F_elの値を大幅に増大させることができる。これにより、大きな曲げ歪がナノチューブに付加され、これによって到達把持力Ｒまでに蓄積されたエネルギーが操作しようとするナノ物体に伝達する。

本発明に係る実施形態は、本発明の例示を目的に記述したものであって、本発明の技術分野の当業者であれば、本発明の精神と本発明で開示した請求の範囲において各種の変更、追加及び代替が可能であることは理解できるはずである。

本発明は、例えば、ＡＦＭ、走査探針顕微鏡、ＳＴＭなどに適用可能である。

従来のナノグリッピング装置を示す図である。 図１に示した従来のナノグリッピング装置の動作を示す図である。 他の従来のナノグリッピング装置を示す図である。 本発明の実施形態に係るＳＴＭユニットを利用したナノ操作システムを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る静電気駆動グリッピング装置を示す図である。 図５Ａの静電気駆動グリッピング装置をライン５Ｂ−５Ｂで切断した断面図である。 図５Ａの静電気駆動グリッピング装置をライン５Ｃ−５Ｃで切断した断面図である。 本発明の第２実施形態に係る静電気駆動グリッピング装置を示す図である。 図６Ａの静電気駆動グリッピング装置をライン６Ｂ−６Ｂで切断した断面図である。 図６Ａの静電気駆動グリッピング装置をライン６Ｃ−６Ｃで切断した断面図である。 本発明の第３実施形態に係る静電気駆動ナノグリッピング装置の斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る静電気駆動ナノグリッピング装置の正面図である。 本発明の第４実施形態に係る静電気駆動ナノグリッピング装置の斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る静電気駆動ナノグリッピング装置の正面図である。 図５Ａに示した第１実施形態に係る末端部の形状を示す図である。 本発明の一実施形態に係る動作原理を示す図である。 プローブチップの末端部の他の形状を示す図である。 プローブチップの末端部の他の形状を示す図である。 プローブチップの末端部の他の形状を示す図である。

符号の説明

２ 制御回路ユニット
６ ナノチューブ
７ ナノチューブ
６ａ ベース端部
７ａ ベース端部
６ｂ 突出部
７ｂ 突出部
６ｃ チップ端部
７ｃ チップ端部
８ プローブ
９ リードワイヤ
１０ リードワイヤ
１１ 電極フィルム
１２ 電極フィルム
１３ 電極フィルム
１４ ベース部
１４ａ 中央側面
１４ｂ 中央側面
１５ 末端部
１６ 自由空間領域
１７ 自由空間領域
１６ａ 段差部
１７ａ 段差部
１８ 電極フィルム
１９ 絶縁フィルム
２０ 電源
２１ スイッチ
α 角度
β 角度

Claims (18)

1. ベース部と末端部とを含むプローブと、
   このプローブのベース部に固定した、前記プローブのベース部と末端部とを越えて延伸する突出部をそれぞれ含み、互いに対向するように配置した第１ナノチューブ及び第２ナノチューブと、
   前記プローブのベース部に形成した、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブにそれぞれ電気的に連結した第１電極及び第２電極と、
   前記プローブの末端部上に配置した第３電極と、
   前記第１電極、前記第２電極と電気的に連結した前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブを第１極性に帯電させ、前記第３電極を前記第１極性とは逆の第２極性に帯電させることによって、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブと前記第３電極との間に発生する静電気力により前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブの突出部が閉じるように、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に電圧を印加する制御回路と、
   を備えることを特徴とするナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
2. 前記第３電極の外表面上に形成した絶縁フィルムをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
3. 前記末端部は、ピラミッド形、円錐形またはテーパ状多角形のいずれか１つの形状であることを特徴とする請求項１に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
4. 前記末端部は、平坦なチップまたは尖鋭なチップを備えることを特徴とする請求項３に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
5. 前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブは、それぞれ前記プローブのベース部に固定したベース端部と、
   前記プローブの末端部を越えて延伸するチップ端部と、
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
6. 前記突出部は、前記末端部とは接触せずに、前記末端部の長手方向に前記ベース部を越えて延伸することを特徴とする請求項５に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
7. ベース部とピラミッド形の末端部とを含むプローブと、
   前記プローブのベース部の第１側面及び第２側面に固定した、前記プローブのベース部と末端部とを越えて延伸する突出部をそれぞれ備えた複数のナノチューブと、
   前記プローブのベース部に形成した、前記複数のナノチューブに電気的に連結する複数の第１電極と、
   前記プローブの末端部上に配置した第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極と電気的に連結し、前記複数のナノチューブを第１極性に帯電させ、前記第２電極を前記第１極性とは逆の第２極性に帯電させることによって、前記複数のナノチューブと前記第２電極との間に発生する静電気力によって前記複数のナノチューブの突出部が閉じるように、前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加する制御回路と、を備え、
   前記複数のナノチューブの第１セットを前記ベース部の第１側面に固定し、前記複数のナノチューブの第２セットを前記第１側面と互いに対向する前記ベース部の第２側面に固定していることを特徴とするナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
8. 前記第２電極の外表面上に形成した絶縁フィルムをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
9. 前記末端部は、ピラミッド形及びテーパ状多角形のいずれかの形状を有することを特徴とする請求項７に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
10. 前記末端部は、平坦なチップまたは尖鋭なチップを有することを特徴とする請求項９に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
11. 前記複数のナノチューブは、それぞれ前記プローブのベース部に固定したベース端部と、
    前記プローブの末端部を越えて延伸するチップ端部と、
    を備えたことを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
12. 前記突出部は、前記プローブの末端部と接触せず、前記末端部の長手方向に前記ベース部を越えて延伸することを特徴とする請求項１１に記載のナノスケール物体を把持するグリッピング装置。
13. ベース部及び末端部を含むプローブを備えた顕微鏡ユニットと、制御回路と、前記プローブに配置したナノスケール物体を把持するグリッピング装置と、を備えるナノ操作システムにおいて、
    前記グリッピング装置は、
    前記プローブのベース部に固定した、前記プローブのベース部と末端部とを越えて延伸する突出部をそれぞれ含み、互いに対向するように配置した第１ナノチューブ及び第２ナノチューブと、
    前記プローブのベース部に形成した、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブとそれぞれ電気的に連結する第１電極及び第２電極と、
    前記プローブの末端部上に配置した第３電極と、を含み、
    前記制御回路は、
    前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極と電気的に連結し、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブを第１極性に帯電させ、前記第３電極を第１極性とは逆の第２極性に帯電させることによって、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブと前記第３電極との間に発生する静電気力により前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブの突出部が閉じるように前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に電圧を印加することを特徴とするナノ操作システム。
14. 前記第３電極の外表面上に形成した絶縁フィルムをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のナノ操作システム。
15. 前記末端部は、ピラミッド形、円錐形及びテーパ状多角形のいずれかの形状を有することを特徴とする請求項１３に記載のナノ操作システム。
16. 前記末端部は、平坦なチップまたは尖鋭なチップを有することを特徴とする請求項１５に記載のナノ操作システム。
17. 前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブは、
    それぞれ前記プローブのベース部に固定したベース端部と、
    前記プローブの末端部を越えて延伸するチップ端部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のナノ操作システム。
18. 前記突出部は、前記末端部とは接触せず、前記末端部の長手方向に前記ベース部を越えて延伸することを特徴とする請求項１７に記載のナノ操作システム。

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