JP5124770B2 - ナノ材料接合方法およびナノ材料接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、ジュール発熱を利用してナノ材料を接合する方法、および、そのための装置を提供するものに関する。本発明は、特にナノワイヤの接合に好適な技術であり、従来のように特殊な設備を必要とせずナノワイヤの接合を簡便に実施することができる。

従来、ナノ材料を接合する手法として、ヒータを用いる手法がある。

従来の接合手法は、接合対象ナノ材料をヒータと接触させる必要があることから、ヒータの形状寸法が接合箇所に制約を与えるのみならず、ナノ材料同士の所望の位置において高確度に接合を実現することが困難であった（例えば、非特許文献１参照）。

加熱源の接触を必要としない手法として、高密度電子ビームを用いる手法がある。対象ナノ材料同士の接触箇所近傍に高密度電子ビームを照射することで、ナノ材料同士を接合することが可能である。

この接合手法は、所望の接合対象箇所に高密度電子ビームを照射する必要があることから、電子ビームが届かない影部における溶接を実施することが原理的に困難である。また、高密度電子ビームの照射には、大型の特殊設備を必要とする（例えば、非特許文献２参照）。

近づけた導電性微細外径の細線に直流電圧をかけて電界を発生させることにより生じる吸引力で細線同士を接触させ、同時に細線それぞれに通電することにより細線を接合する方法がある（特許文献１参照）。

この方法は、細線の側面同士を接触させるものであり、接触位置の制御が困難であることから細線先端同士を接触させることが困難である。また、この方法は、一定電圧の付与下において接合を行うが、一定電圧下では細線接触部の溶融後も接触部における溶融が進むことから、溶融後の電圧遮断が必須である。しかしながら、瞬時に起こる接触部の溶融現象を察知して電圧を遮断することは困難である。

Y. Wu and P. Yang，"Melting and Welding Semiconductor Nanowires in Nanotubes"，Advanced Materials，2001，13，p.520-523 S. Xu, et al.，"Nanometer-Scale Modification and Welding of Silicon and Metallic Nanowires with a High-Intensity Electron Beam"，Small，2005，1，p.1221-1229 特開２００４−２４３３８２号公報

従来のナノ材料、若しくは微細細線の接合方法では、接合可能なナノ材料の形状および箇所に制約があり、また、その取り扱いも煩雑であった。さらに、接合のためには特殊な大型設備を必要とした。

本発明は、ジュール発熱を利用して、従来のナノ材料接合方法では接合が困難なナノ材料および箇所においても接合を実現できる簡便なナノ材料接合方法と、そのためのナノ材料接合装置を提供することを目的とする。

特許を受けようとする第１発明は、導電性を有するナノ材料から成る第１材料と、導電性を有するナノ材料または他の材料から成る第２材料とを接触させた後、接触部に一定電流を付与してジュール熱を発生させ、前記ジュール熱により前記接触部を局所的に溶融した後、前記接触部を冷却して前記第１材料と前記第２材料とを接合させることを、特徴とするナノ材料接合方法である。

当該第１発明は、ナノ材料同士、若しくはナノ材料と寸法を問わない材料とを、接合したい箇所で接触させた後、接触部に電流を付与することで生じるジュール発熱を利用してナノ材料を接合する手法であり、以下に接合原理の一例を示す。

２本のナノワイヤを対向して接触させた系に、電流Iを付与する場合を考える。同ワイヤ系の微小長さΔｘに発生する単位時間当たりのジュール発熱量は次式で与えられる。
q = I² ΔR （１）
ここで、ΔRは注目区間Δｘにおける電気抵抗であり、次式で与えられる。
ΔR = ρΔｘ / A （２）
ここで、ρはナノワイヤの電気抵抗率、Aは注目区間Δｘにおける断面積である。ワイヤ部のΔRは、ワイヤの断面積Aが一定であることからほぼ一定値をとる。一方、接触部における真実接触面積は、ワイヤ部の断面積Aと比較して極めて小さいことから、接触部におけるΔRはワイヤ部のそれと比べて著しく大きな値をとり、したがって、接触部近傍では大きなジュール熱が発生する。このジュール発熱は、ワイヤ接触部の温度を局所的に上昇させる。なお、接触部の真実接触面積は、ナノ材料同士の接触圧力により変化し、これによって接触部のΔRが変化するので、本発明ではナノ材料同士の接触圧力の調節が肝要である。

また、一般的な材料の電気抵抗率は、温度の関数であり、高温では高くなる。したがって、接触部の局所的な温度上昇は、接触部の更なるジュール熱の発生を助長し、結果として、接触部がワイヤ部と比較して局所的に高温となる。接触部の温度がナノワイヤの融点に達した場合、接触部は局所的に溶融する。したがって、ワイヤの接触部が溶融して両者が連結した状態で接触部の温度を低下させれば、接触部におけるナノワイヤの接合が可能である。ここで、接触部の温度は、自然冷却によって低下させても良いし、また、冷却機構を用いて急激に低下させても良い。ナノ材料は、接合したい箇所で電流が流れる程度の接触を確保できる形状を有していることが好ましい。

ここで本発明では、一定電流下においてナノ材料の接合を行うことが重要な点である。ジュール熱によりナノ材料の接触部が溶融した場合、接触部の断面積が増加することで接触部のΔRが低下する。一定電圧下で接触部を溶融させた場合は、溶融後に接触部に流れる電流が急増し、さらなる接触部の溶融を招くことからナノ材料の接合が困難となる。一方、本発明では一定電流下で接触部を溶融させるため、溶融後においても接触部に流れる電流は変化せず、接触部のジュール発熱は溶融の進行と共に次第に抑制される。したがって、本発明により接触部を溶融した後に接触部の温度を低下させれば、ナノ材料同士を高確度に接合することが可能である。

特許を受けようとする第２発明は、導電性を有するナノワイヤ同士を対向して接触させた後、接触部に直流の一定電流を付与してジュール熱を発生させ、前記ジュール熱により前記接触部を局所的に溶融した後、前記接触部を冷却して前記ナノワイヤ同士を接合させることを、特徴とするナノ材料接合方法である。

本発明に関するナノ材料接合方法は、導電性を有するナノワイヤ同士を対向して接触させた後、接触部に交流電流を付与してジュール熱を発生させ、前記ジュール熱により前記接触部を局所的に溶融した後、前記接触部を冷却して前記ナノワイヤ同士を接合させることを、特徴とする。

本発明に関する第１のナノ材料切断方法は、導電性を有するナノ材料に微細材料を接触させ、前記ナノ材料と前記微細材料との接触部に電流を付与してジュール熱を発生させ、前記ジュール熱により前記接触部を局所的に溶融して前記ナノ材料を切断することを、特徴とする。

本発明に関する第１のナノ材料切断方法において、対象となるナノ材料に別の微細材料を接触させる場合には、ナノ材料と微細材料との接触部に接触による力の付与を伴うことが好ましい。本発明に関する第１のナノ材料切断方法において、同接触部に生じる力の大きさは、当該ナノ材料の切断に適するように加減できる。

また、本発明に関する第１のナノ材料切断方法における微細材料は、ナノ材料との接触箇所が明瞭に識別できる構造を有し、円錐形状、角錐形状等が考えられる。微細材料としては、電流付与時のジュール発熱によってそれ自身が溶融しづらい材料が望ましい。ナノ材料と微細材料との接触部に付与する電流は、直流、交流を問わない。

本発明に関する第２のナノ材料切断方法は、導電性を有するナノワイヤに円錐型プローブの尖端を接触させ、前記ナノワイヤと前記円錐型プローブとの接触部に電流を付与してジュール熱を発生させ、前記ジュール熱により前記接触部を局所的に溶融して前記ナノワイヤを切断することを、特徴とする。

特許を受けようとする第３発明は、それぞれ異なるナノ材料を保持して各ナノ材料同士を接触させるよう移動可能に設けられた１対の操作機構と、各操作機構に保持された各ナノ材料同士の接触部に一定電流を付与可能に設けられた電流回路と、前記電流回路に電流を供給可能な電流源と、前記電流回路による通電時の前記接触部における電気抵抗変化をモニタリングするモニタ機構と、前記接触部近傍を観察する観察手段とを有することを、特徴とするナノ材料接合装置である。

当該第３発明は、本発明によりナノ材料の接合を実施するための装置構成について記述したものである。

本発明に関するナノ材料切断装置は、ナノ材料を保持して前記ナノ材料を移動可能に設けられたナノ材料操作機構と、ナノ材料を切断するための微細材料を保持して前記微細材料を前記ナノ材料に接触させるよう移動可能に設けられた微細材料操作機構と、前記ナノ材料操作機構に保持された前記ナノ材料と、前記微細材料操作機構に保持された前記微細材料との接触部に、電流を付与可能に設けられた電流回路と、前記電流回路に電流を供給可能な電流源と、前記接触部近傍を観察する観察手段とを有することを、特徴とする。

本発明に関するナノ材料切断装置は、本発明に関する第１および第２のナノ材料切断方法によりナノ材料の切断を実施するための装置構成について記述したものである。

本発明によれば、ジュール発熱を利用して、従来のナノ材料接合方法では接合が困難なナノ材料および箇所においても接合を実現できる簡便なナノ材料接合方法と、そのためのナノ材料接合装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。図１は、本発明の実施の形態のナノ材料接合方法およびナノ材料接合装置の構成例を示す図である。対象ナノ材料１同士を、ナノ材料１を操作する操作機構２によって接触させる。電流源３から、ナノ材料１に電流を付与するために必要な電流回路４を介して、ナノ材料１の接触部に電流を供給して接触部にジュール熱を発生せしめる。接触部の溶融状況は、通電時のナノ材料１の接触部における電気抵抗変化をモニタリングするモニタ機構５、およびナノ材料１の接触部近傍を観察する観察手段６によって確認する。接触部を局所的に溶融した後、電流源３からの電流の付与を停止し、当該材料同士を接合する。

図２は、本発明に関し、実施の形態のナノ材料切断方法およびナノ材料切断装置の構成例を示す図である。対象ナノ材料１と、ナノ材料１を切断するための微細材料７とをナノ材料を操作する操作機構２によって接触させる。なお、操作機構２は、ナノ材料操作機構および微細材料操作機構から成る。ここで、接触位置は切断位置となるため、ナノ材料１と切断のための微細材料７との接触部近傍を観察する観察手段８によって確認する。電流源３から、ナノ材料１と切断のための微細材料７に電流を付与するために必要な電流回路９を介して、ナノ材料１とナノ材料１を切断するための微細材料７との接触部に電流を供給して接触部にジュール熱を発生せしめ、これにより接触部を局所的に溶融して当該ナノ材料１を切断する。

図３に示すように、実施例１でのナノ材料１は、直径約650nmのPtナノワイヤである。なお、本手法の適用対象はPtナノ材料に限らず、導電性を有するナノ材料全般である。同Ptナノワイヤは、周囲をAgによって覆われており、先端の一部のPtをHNO₃によって露出させて実験に供試した。実験は、大気中、室温下（293K）において実施し、ナノ材料を操作する操作機構２として手動式のナノマニュピレータを用いた。

対象ナノ材料１同士の先端を、ナノ材料１を操作する操作機構２によって接触させた。電流源３から、ナノ材料に電流を付与するために必要な電流回路４を介して、ナノ材料１同士の接触部に一定電流4.8mAを約2.5秒付与した。

図４に、実施例１のナノ材料１の溶接部の走査型電子顕微鏡写真を示す。図４より２本のPtナノワイヤが直線的に接合できていることがわかる。

実施例２でのナノ材料１は、実施例１と同じ、直径約650nmのPtナノワイヤである。実験は、大気中、室温下（293K）において実施し、ナノ材料を操作する操作機構２として手動式のナノマニュピレータを用いた。

ナノ材料１を操作する操作機構２によって、対象ナノ材料１同士の先端を約1μm程度重ねて接触させ、電流源３から、ナノ材料に電流を付与するために必要な電流回路４を介して、ナノ材料１同士の接触部に一定電流6mAを付与した。

図５に、実施例２のナノ材料１の溶接部の走査型電子顕微鏡写真を示す。図５より、２本のPtナノワイヤの重ね接合が実現できていることがわかる。

実施例３でのナノ材料１は、実施例１および２と同じ、直径約650nmのPtナノワイヤと、直径5μmのAuワイヤである。なお、実施例３での対象材料は、PtナノワイヤとAuワイヤであったが、本手法が対象とする材料の組み合わせはこれに限らず、導電性を有する材料同士全般である。実験は、大気中、室温下（293K）において実施し、ナノ材料１を操作する操作機構２として手動式のナノマニュピレータを用いた。

対象ナノ材料１同士の先端を、ナノ材料１を操作する操作機構２によって接触させた。電流源３から、ナノ材料１に電流を付与するために必要な電流回路４を介して、ナノ材料１同士の接触部に一定電流4.5mAを付与した。

図６に、実施例３のナノ材料１の溶接部の走査型電子顕微鏡写真を示す。図６（ａ）は低倍率像であり、図６（ｂ）は接合部近傍の高倍率像である。図６より、PtナノワイヤとAuワイヤとが接合できており、本手法が異種材料同士の接合においても有効であることがわかる。

実施例４でのナノ材料１は、実施例１で接合した直径約650nmのPtナノワイヤである。実験は、大気中、室温下（293K）において実施し、ナノ材料１を操作する操作機構２として手動式のナノマニュピレータを用いた。また、ナノ材料１を切断するための微細材料７として、円錐形状のAgプローブを用いた。なお、この実施例４は、本発明に係る実施例ではない。

対象ナノ材料１と、ナノ材料１を切断するための微細材料７との接触部近傍を観察する観察手段８によって確認しながら、ナノ材料１を操作する操作機構２によって接触させた。ナノ材料１と切断のための微細材料７に電流を付与するために必要な電流回路９を介して、ナノ材料１とナノ材料１を切断するための微細材料７との接触部に大電流（500mA）を供給した。

図７に、実施例４のナノ材料１の切断過程の顕微鏡像を示す。図７（ａ）は円錐形状のAgプローブをPtナノワイヤ上の所望の位置に接触した状況であり、図７（ｂ）は通電直後の状況である。両図の比較より、Ptナノワイヤが本手法により所望の位置から切断できていることがわかる。

本発明の実施の形態のナノ材料接合方法およびナノ材料接合装置の構成例を示す概略図である。 本発明に関し、実施の形態のナノ材料切断方法およびナノ材料切断装置の構成例を示す概略図である。 実施例１、実施例２、実施例３で用いたPtナノワイヤを示す走査型電子顕微鏡写真である。 実施例１のナノ材料の溶接部を示す走査型電子顕微鏡写真である。 実施例２のナノ材料の溶接部を示す走査型電子顕微鏡写真である。 実施例３のナノ材料の溶接部を示す（ａ）低倍率の走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）高倍率の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例４のナノ材料の切断過程を示す（ａ）円錐形状のAgプローブをPtナノワイヤ上の所望の位置に接触した状態の顕微鏡写真、（ｂ）通電直後の状態の顕微鏡写真である。

符号の説明

１ ナノ材料
２ 操作機構
３ 電流源
４ 電流回路
５ モニタ機構
６ 観察手段
７ 微細材料
８ 観察手段
９ 電流回路

Claims (3)

1. 導電性を有するナノ材料から成る第１材料と、導電性を有するナノ材料または他の材料から成る第２材料とを接触させた後、接触部に一定電流を付与してジュール熱を発生させ、前記ジュール熱により前記接触部を局所的に溶融した後、前記接触部を冷却して前記第１材料と前記第２材料とを接合させることを、特徴とするナノ材料接合方法。
2. 導電性を有するナノワイヤ同士を対向して接触させた後、接触部に直流の一定電流を付与してジュール熱を発生させ、前記ジュール熱により前記接触部を局所的に溶融した後、前記接触部を冷却して前記ナノワイヤ同士を接合させることを、特徴とするナノ材料接合方法。
3. それぞれ異なるナノ材料を保持して各ナノ材料同士を接触させるよう移動可能に設けられた１対の操作機構と、
   各操作機構に保持された各ナノ材料同士の接触部に一定電流を付与可能に設けられた電流回路と、
   前記電流回路に電流を供給可能な電流源と、
   前記電流回路による通電時の前記接触部における電気抵抗変化をモニタリングするモニタ機構と、
   前記接触部近傍を観察する観察手段とを有することを、
   特徴とするナノ材料接合装置。