JP4757937B2 - 延在する導電体間のトンネル電流を用いた測定 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、回転または角度の分離または変位、振動、直線的な分離または移動、位置合わせおよび位置合わせ不良等、細密な相対的位置または変位の正確な測定およびモニタリングに関する。限定的ではないが、当然、重要なのは角度の測定である。

角度の超精密測定のために設計された公知の装置としては、オートコリメータ、回折に基づくシステムおよびギアに基づくシステムが含まれる。オートコリメータは、例えば、直線性、平面度、直角度および平行度を順番に決定するために、角偏差の測定を用いる。最近の形態のものは、レーザダイオード光源およびビームスプリッタを用い、角変位の正確な測定のために、接眼視認システムにおいてマイクロメータを取り込んでいる。典型的な最良の精度は、１６０秒（arcsecond）の測定範囲について、０．２秒である。

公知のゴニオメータ式機器においては、一対の放射状格子が同時に同速度にて回転し、一対の読み取りヘッドによってスキャンされる。これらのうち一方は固定され、他方は測定されるべき角度を通じて移動する。結果として生じた二つの信号の間の相対的な位相変化は、移動可能な読み取りヘッドの、固定ヘッドに対する回転を指示するものである。達成される精度は、０．１秒であるといわれる。

このような従来の装置は比較的高価であり、典型的に割と大きな機器である。これらは、しばしば、例えば回折計等の他の科学的な機械の主要な部分を形成し、ここでは、角度の精密な測定が機器の解像度および品質を決定する。

角測定の精度は、Zhang et al. “Improving the Accuracy of Angle Measurement System with Optical Grating”, Annals of the CIRP Vol 43, No.1 (1994)の主題である。この論文は、正弦関数透過率および他の拡張機能を備えたインデクス格子の使用を提唱し、プロトタイプの機器にて０．２秒の精度を報告する。

本発明の目的は、公知の機器および技術により達成されるものよりも好ましくは優れた満足のいく精度におよぶような、角度、直線またはその他の相対的な位置または変位の細密な測定およびモニタリングを提供することにある。

本発明は、従来用いられてきたものとはかなり異なるアプローチを提唱するものであり、好ましくはナノ単位の寸法の二つの近接した導電体の間の量子的なトンネル電流のモニタリングを必要とする。好適な実施形態においては、直線状に配された導電体の二つのアレイを用いることができ、これらは、好都合には、カーボンナノチューブであってもよい。

したがって、本発明は、第一の態様においては、二つの要素の相対的な位置または変位を測定および／またはモニタリングする方法を提供するものであり、
延在する導電体のそれぞれに対して要素を関連づけ；
導電体を、好ましくは、相互に分離して、おおよそ直線状とし、検出可能な量子的トンネル電流がそれらの間に存在するように、電位差を印加し；そして
前記量子的トンネル電流を検出および／または測定することを含む。

好ましくは、最大の量子的トンネル電流が検出されるような位置を決定するために、導電体の相対的な位置が調整される。

第二の態様においては、本発明は、二つの要素の相対的な位置または変位を測定および／またはモニタリングするのに用いるための装置を提供する。装置は、それぞれの要素と関連づけられるのに適した一対の延在する導電体と、導電体間に電位差を印加した際に、検出可能な量子的トンネル電流（quantum tunneling current）がそれらの間に生成されうるように、導電体を、好ましくは相互に平行な関係にてほぼ直線状に、相互に分離された状態に配置するための手段とを含む。

装置は、さらに、前記電位差を印加するための手段と、導電体間の量子的トンネル電流を検出および／または測定するための手段とを含みうる。

好ましくは、装置は、さらに、最大の量子的トンネル電流が検出されるような位置を決定するために、導電体の相対的な位置を調整するための手段を含む。

位置または変位は、回転または角度の分離または変位、振動、直線的な分離または移動、位置合わせおよび位置合わせ不良の一つまたはそれ以上であってもよい。

好ましくは、導電体は、幅１ミクロンまたはそれ以下であり、例えば、一またはそれ以上の実施形態において、ナノオーダーないしサブミクロンの範囲の幅である。後者の場合、導電体は、任意のヘリシティもしくは半径のカーボンナノチューブ、カーボンモノフィラメントの単層または多層のいずれか、またはナノワイヤであってもよい。代わりに、導電体は、例えば、ミクロンないしサブミクロン単位の疑似一次元の導電体であってもよい。いくつかの実施形態においては、導電体は、長さが１ｍｍまたはそれ以下であってもよい。

導電体は、絶縁性または半導体性のサブストレート中にまたはその上に、好ましくはサブストレートの表面と同一平面となるように取り付けられることによって、前述の要素と関連づけられうる。サブストレートは、例えば固体または結晶面であってもよい。導電体は、近接表面上のそれぞれの原子的段差（atomic step）に沿って配置してもよい。

好都合には、導電体は、それぞれ、好ましくは例えば単一供給のリード線（single supply lead）を通じて並列に結線されて並べられたグリッド（ordered grid）または導電体のセグメントのアレイに配置される。これらのグリッドまたはアレイは、相補的であり、検出可能な量子的トンネル電流を得るべく導電体セグメントを十分な近接に置くために重ねられる。

図１は、本発明にかかるナノ寸法の装置の第一実施形態の一部断面図であり、それぞれの導電体はおおむね直線状であり、電気接続は模式的に描かれている。 図２は、図１の実施形態の変更例であり、導電体は実質的に直角にある。 図３は、複数のナノチューブ導電体を利用した実施形態の、図１に類似した図である。 図４は、図３の実施形態の変更例の、図２に類似した図である。 図５は、特定の方法にて形成された、図３の実施形態の変形を描いたものである。 図６は、エッチングされた導電性のオーバーレイと、ラングミュア‐ブロジェット技術が適用されたフィルムとを利用した本発明のさらなる実施形態の、図１および３に類似した図である。

ここで、本発明について、添付の図面に関して、例示のみによりさらに説明する。
図１の実施形態において、ナノないしサブミクロン寸法の範囲の幅の、ナノ寸法の延在する電気伝導性のワイヤ１０、１１はそれぞれ、それぞれの絶縁性メジウムのサブストレート１２、１３に、同一平面となるように埋め込まれる。この場合、導電体間を渡って電位差が電位源２６によって印加されたときに、これらの間に、適切な検出回路２７において検出可能な量子的トンネル電流１００が存在するように、ワイヤは、２〜５０オングストロームの範囲内の分離またはギャップ１８にて実質的に直線状且つ平行な関係に重ね合わされる。

具体的に実施するための好適な技術は、電子ビームナノリソグラフィーであり、整列された導電性のワイヤを半導体サブストレート上に描画することができる。これは、例えば、「微小構造及び微小デバイスの物理と製作（The Physics and Fabrication of Microstructures and Microdevices）」（Kelly & Weisbuch編、Spring-Verlag、１９８６）なるテキストの論文、ウイルキンソンら「電子ビームナノリソグラフィー」（Wilkinson et al, "Electron Beam Nanolithography"）に記載されており、半導体サブストレート上にある１組の平行なＧａＡｓ導線を記載及び図示している。デバイスの実用的な応用にあっては、サブストレート又はプレート１２、１３は、それぞれのエレメントと組み合わされあるいは結合されており、エレメントの変位又は位置は測定されあるいはモニタされることとなる。

一般に、トンネル電流１００は、一対の相隣り合う電極（すなわち導電体）上の状態の局所密度の積に比例する。あるいは言い換えると、両方の電極上の状態間におけるトンネル行列要素の自乗の和に比例する。それはまた、トンネルポテンシャルと電極曲線の鋭敏な関数でもある。さらに、量子的トンネル電流は、量子波動関数が導電体表面の外側では指数関数的に減衰するために、導電体の間の間隔に極めて大きく依存する。そして、検出電流は一対の交差するナノチューブの間の相対角度の関数となるであろう。本発明は前記指数関数的及び角度の関係を利用しており、トンネル電流１００の検出値は、前記導電体の長手方向に対向する表面部分が離れて移動して、回転方向の及び／又は並進的な不整合が増大すると（あるいは減少しても）急激に変化する。

より詳細には、ギャップ１８に好適なシュレーディンガー波動関数は、Kiejna & Wojciechowski「金属表面の電子物理（Metal Surface Electron Physics）」（Pergamon、（１９９６））に見られる。波動関数の分析から、量子的トンネル電流は、量子波動関数が導電体表面の外側では指数関数的に減衰するために、導電体の間の間隔に極めて大きく依存し、検出電流は一対の交差するナノ導電体の間の相対角度の関数となるであろうことが証明されている。

整列され対向している導電体表面セグメントの間のギャップ１８は、２〜５０オングストロームの範囲にあることが適当と考えられ、より好ましくは２〜２０オングストロームである。導電体セグメントは、サブストレート上に揃えて配置することが実用的に可能であればいかなる長さであってもよい点で便宜であり、例えば１μｍないし１０^−２ｍの範囲の導線が取り付けられている。

ギャップ１８は部分的に真空であってもよく、あるいは適当な媒体で満たしてもよい。ギャップ１８を正確に維持するのに好適な構成には、バッキーボール（Ｃ_６０）ナノベアリング２０、２２を用いたり、有機媒体の分離フィルム、好ましくは例えばシクロヘキサン（以下に詳述する）等の有機潤滑体を介設させたりする。後者は、平行な微小分離を厳密に維持するのに特に効果的な手法であると考えられている。

調整手段としては、既知のタイプの圧電素子保持器があり、ナノレベルの寸法で調整するのに好適である。

前記の効果は、導電体がカーボンナノチューブのように円筒形である場合、さらに拡張される。グリッドあるいはアレイの場合、前記導電体セグメントが平行に結合されていれば、増幅効果が生じ、電流測定が可能となるであろう。しかし、ラインが独立した接続を有していれば、サンドイッチを形成するグリッドは、点「キャパシタ」の二次元アレイとして機能することが可能となるであろう。その点キャパシタは、それぞれ独立してオンオフ切換が可能であり、トンネル井戸の「ピクセル化された」アレイを形成する。

トンネル電流１００は、アスペクト比（導電体セグメントの間隔に対する長さ）に応じて１以上の位置で最小値を示し、２つのグリッド／アレイの導電体セグメントが完全に整列したときに最大値を示す。

図３は代替実施例を示し、導電体は、絶縁性媒質のサブストレート１２’、１３’上に堆積された複数の平行なナノチューブ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃを含む。

サブストレート上に１組の整列されたナノチューブを形成する手順は、例えば、Chauvet et al, Physical Review B52, 52 (1995)、de Heer et al, Science 268, 845 (1995)、及びKiang et al, Carbon 33, 903-914 (1995)に記載されている。

単一壁ナノチューブの性質は、例えば、Iijima, Nature 354, 56-58 (1991)、及びIijima et al, Nature 363, 603-605 (1993)に記載されている。種々のタイプのカーボンナノチューブは、Ostling et al, Physical Review B, 55, 55 (1997)に記載されている。

本発明に好適な平行導電体セグメントを有するグリッドの製造手法としては特に、ナノチューブ又は他のナノオーダーの寸法の導電体を、主面（primary plane）に対してある角度で結晶をスライスすることにより作成して形成された近接表面の原子的な段差上に、エピタキシャル堆積させるものがある。導電体セグメントの分離は規則的であったり不規則であったりしてもよいが、もっとも好ましいのは平行であることである。図５は、図３の実施例の変形例を示しており、ナノチューブは段差のついた近接表面上に連続する原子的段差１４、１５で図示のように堆積されている。

図２及び４は、ナノチューブでない場合、ミクロン、サブミクロン、又はナノオーダーの寸法を有する導電体の配列がそれぞれサブストレート２１２の内部あるいはその上にある１つの配列の導電体２１０とともに配置されており、サブストレート２１３の内部あるいはその上にある他の配列の導電体２１１に向けほぼ直角に延在している。直角ではなく、角度の関係としては、他の角度、例えば菱形又は偏菱形の二次元格子を形成するような角度であってもよい。好ましくは多数の導電体ラインを利用するこのような構成の一応用例にあっては、交点（cross-over point）２５０の組が人工的散乱格子を形成し、サンドイッチ構造に平行に入射した原子のビームを導電体配列間のスペース２１８の内部へ効果的に散乱させるであろう。各ラインが独立して電気的に接続されれば、すなわち、それらが電気的に並列でなければ、原子に対する二次元的な「ピンボールゲーム」の相似形であるピクセル化された配列が存在することとなり、あらかじめ定義された散乱中心を持つことであろう。

散乱格子の一変形にあっては、格子を形成し前記交点に又は交点の間に一次元の領域を生成する磁気要素の配列をさらに含んでもよい。

図６は他の実施例であって、各サブストレート３１２、３１３は、原子的に平滑で劈開したばかりのマイカであり、導電体３１０、３１１は金のオーバーレイ３３０、３３１をエッチングし、次いでラングミュア−ブロジェット・プロセスによって単分子層を適用して隙間の溝を充填することにより形成される。２つのアレイは、以前と同様に、外側の熱収縮ラップ３４０により保持されるシクロヘキサン等の好適な有機潤滑膜３１８によって分離することができる。

例示されているデバイスは、有効な電気機械的ナノデバイスである。一方では、これらを応用して、微視的及び巨視的レベルでの角度、回転角度、回転速度、及び整列又は整列不良を測定することができる。例えば、回転速度は、単位時間あたりの電流最大値の数を測定して得ることができる。２０度近辺の動作角度域にわたって、角度にして０．０１秒オーダーの精度は可能であると考えられる。

あるいは、例示されているデバイスは、相対的な直線位置、あるいは平行移動を測定したり監視したりするのに利用することもできる。図３、５、及び６の実施例における一方のサブストレートが他方に対して平行移動すれば、トンネル電流１００には一連の非常にシャープなピークが観察されるであろう。横切った距離は、観察されたピークの数と、導電体間の間隔との積で与えられることとなる。分解能は導電体の幅のオーダーであり、現在利用可能なナノリソグラフィーの技術では約２００オングストロームであるが、ナノチューブを用いると約１０〜３０オングストロームである。

回転方向の及び並進的な効果は、例えば地震記録計のように、振動の監視と測定とのいずれにも寄与することとなろう。

Claims (16)

1. 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び／又は監視するための装置であって、
   前記それぞれの要素と関連付けられるようになっている一対の延在する導電体と、
   前記延在する導電体をその間に可変とされた相対角度を与えつつ相互に離隔させて配置し、前記延在する導電体の間に電気的ポテンシャルの差を与えることで、その間に前記相対角度の関数である検出可能な量子的トンネル電流が発生するようにする手段とを有し、
   前記延在する導電体を前記相互に離間させた配置にする前記手段は介挿フィルムおよび前記フィルムを包囲する手段またはナノチューブもしくはバッキーボール（Ｃ６０）ベアリングを含む装置。
2. 前記延在する導電体の相対位置を調整して最大の量子的トンネル電流が検出される位置を決定する手段をさらに備える請求項１に記載の装置。
3. 前記延在する導電体は、実質的に互いに平行となる関係で整列されており、それにより前記相対角度はそれら導電体の間の整列不良を示す尺度となる請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記延在する導電体は、導電体セグメントの並べられたグリッド又はアレイにそれぞれ配置されており、そのグリッド又はアレイは相補的かつ重ね合わされて前記導電体セグメントが検出可能な量子的トンネル電流を得るために十分な近さに配置される、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記各グリッド又はアレイの導電体セグメントは、電気的に並列に結線されている請求項４に記載の装置。
6. 前記延在する導電体は、ミクロンからナノメータオーダーの寸法である、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 前記延在する導電体の対向する表面セグメント相互の分離は２〜５０オングストロームの範囲にある、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 前記延在する導電体は、長さが１０−６〜１０−２ｍの範囲にある１以上の導電体セグメントの状態になっている、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記介挿フィルムは、有機媒質のフィルム、例えば有機溶剤である請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 前記延在する導電体は、導電体セグメントの並べられたグリッド又はアレイにそれぞれ配置され、それにより各アレイの交点が静電的な散乱井戸の格子を画成している、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
11. 前記の格子は、その格子を形成するとともに、前記交点においてあるいはその間に１次元の領域を生成する磁気要素のアレイをさらに含んでいる請求項１０に記載の装置。
12. 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び／又は監視する方法であって、
    前記要素を延在する導電体にそれぞれ関連付け、
    介挿フィルムおよび前記フィルムを包囲する手段またはナノチューブもしくはバッキーボール（Ｃ６０）ベアリングを用いて、前記延在する導電体をその間に可変とされた相対角度を与えつつ相互に離隔させて配置し、
    その間に前記相対角度の関数である検出可能な量子的トンネル電流が発生するように、それら延在する導電体の間に電気的ポテンシャルの差を与え、
    前記量子的トンネル電流を検出及び／又は測定する方法。
13. 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び／又は監視するための装置であって、
    前記それぞれの要素と関連付けられるようになっている延在する導電体セグメントのそれぞれ並べられたグリッド又はアレイと、
    前記グリッド又はアレイを相補的にかつ重ね合わせつつ相互に離隔させて配置し、前記グリッド又はアレイの間に電気的ポテンシャルの差を与えることで、その間に検出可能な量子的トンネル電流が発生するのに十分な近傍に前記延在する導電体セグメントを配置する手段とを有し、
    前記延在する導電体を前記相補的にかつ重ね合わせつつ相互に離間させた配置にする前記手段は介挿フィルムおよび前記フィルムを包囲する手段またはナノチューブもしくはバッキーボール（Ｃ６０）ベアリングを含む装置。
14. 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び／又は監視するための装置であって、
    前記それぞれの要素と関連付けられるようになっている平行な延在する導電体のそれぞれが並べられたアレイと、
    前記アレイを互いに離隔させて配置する手段であって、前記アレイの前記延在する導電体は実質的に互いに平行な関係で整列されており、それによって前記要素が前記導電体の相対位置を横方向に変化させると、前記延在する導電体間に電気的ポテンシャルの差を印加することで、それら前記延在する導電体間に生成される検出可能な量子的トンネル電流は、前記相対位置又は変位の尺度となる一連のピークを示す手段とを有し、
    前記アレイを前記相互に離間させた配置にする前記手段は介挿フィルムおよび前記フィルムを包囲する手段またはナノチューブもしくはバッキーボール（Ｃ６０）ベアリングを含む装置。
15. 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び／又は監視する方法であって、
    前記要素を延在する導電体セグメントの並べられたグリッド又はアレイにそれぞれ関連付け、
    介挿フィルムおよび前記フィルムを包囲する手段またはナノチューブもしくはバッキーボール（Ｃ６０）ベアリングを用いて、前記延在する導電体セグメントに電気的ポテンシャルの差を与えた際に、前記グリッド又はアレイ間に検出可能な量子的トンネル電流が発生するように前記延在する導電体セグメントを十分な近接に置くために、前記グリッド又はアレイを相補的で且つ重ねられた相互に離隔させて配置し、
    前記量子的トンネル電流を検出及び／又は測定する方法。
16. 二つの要素の相対的な位置又は変位を測定及び／又は監視する方法であって、
    前記要素を、平行な延在する導電体の並べられたアレイにそれぞれ関連付け、
    介挿フィルムおよび前記フィルムを包囲する手段またはナノチューブあるいはバッキーボール（Ｃ６０）ベアリングを用いて、前記アレイの前記延在する導電体が実質的に互いに平行な関係で整列されるように前記アレイを相互に離隔させて配置し、前記導電体間において、前記相対的な位置又は変位の尺度となる一連のピークを呈するような検出可能な量子的トンネル電流が発生するように、前記導電体に電気的ポテンシャルの差を与え、
    前記量子的トンネル電流を検出及び／又は測定する方法。

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