JPWO2009031344A1

JPWO2009031344A1 - カーボンナノチューブ分散膜

Info

Publication number: JPWO2009031344A1
Application number: JP2009531151A
Authority: JP
Inventors: 薫成田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2009031344A1

Abstract

カーボンナノチューブ溶液の特性や基板の種類によらず、つねに、均一なカーボンナノチューブ分散膜が形成でき、この分散膜を構成要素とする素子の電気的性能が良好で、特性のばらつきを少なくする技術を提供する。凹凸が形成された基板上にカーボンナノチューブの分散膜を形成することにより、溶媒が蒸発し液滴径が小さくなる際、液滴の内部での対流で基板の凹部にカーボンナノチューブが入り込みつつ分散膜を形成するため、一部の箇所に多くのカーボンナノチューブが偏析することを防ぐことができる。このため、カーボンナノチューブ溶液の特性や基板の種類によらず、つねに、均一なカーボンナノチューブ分散膜が形成できる。

Description

本発明は複数のカーボンナノチューブによるマット状の分散膜に関する。

カーボンナノチューブは炭素原子の六員環で構成される２次元グラフェンシートを筒状に巻いた構造をとり、直径が細いもので約１ｎｍ、長さは長いもので数μｍという細長いチューブ状の材料である。原子配列の仕方から半導体にも金属にも成り得るため、カーボンナノチューブをトランジスタ等の電子デバイスに応用する期待が高まっている。特に、最近では、通常のＭＯＳトランジスタの製造工程に比べはるかに低コストである塗布工程によってカーボンナノチューブの分散膜を形成し、これをチャネルにした電界効果トランジスタや素子を作成するという試みがある。塗布工程の利点は、低コストというだけでなく、素子を形成する基板を選ばないという優れた特徴を持つ。つまりシリコン基板のような硬い基板上だけでなく、薄いプラスチック上にも形成可能となる。この場合、折れ曲げることができる電子回路、透明な電子回路といった従来の電子機器に無い特徴を持つことになり、将来のＩＴ端末機器技術のブレイクスルーとなる可能性を秘めている。
特開２００６−８８６１号公報特開２００５−１５０４１０号公報特開２００６−７３７７４号公報 E.S. Show, J. P. Novak, P.M. Campbell, and D.Park, "Random networks of carbon nanotubes as an electronic material", Applied Physics Letters, Vol. 82, No.13, pp.2145-2147, 2003. E. Artukovic, M.Kaempgen, D.S. Hecht, S.Roth, and G. Gruner, "Transparent and Flexible Carbon Nanotube Transistors", Nano Letters, Vol.5, No.4, pp.757-760, 2005. S.-H. Hur, O Ok Park, J. A. Rogers, "Extreme bendability of single-walled carbon nanotube networks transferred from high-temperature growth substrates to plastic and their use in thin-film transistors", Applied Physics Letters, Vol86, pp 243502, 2005. T. Takenobu, T. Takahashi, T. Kanbara, K. Tshkagoshi, Y. Aoyagi, Y. Iwasa, "High-performance transparent flexible transistors using carbon nanotube films", Applied Physics Letters, Vol. 88, pp.033511, 2006.

塗布工程によりカーボンナノチューブの分散膜を基板上に形成するためには、カーボンナノチューブを溶媒中に分散させ、その溶液をディスペンサー装置やインクジェット装置等により、基板の所定の位置に塗る方法がとられる。この際、溶媒や基板の種類、カーボンナノチューブの濃度、溶液中の添加剤の有無等によって、状況は変わるが、図４は、その様子の一例を示したものである。つまり、図４（ａ）はカーボンナノチューブ（４０１−１）を分散させた溶媒（４０２）を基板（４１０）上に滴下した状態を示している。図４（ｂ）は図４（ａ）の状態から所定の時間が経過したものを示している。溶媒（４０２）が蒸発し、液滴の径が小さくなっているが、大部分のカーボンナノチューブ（４０１−２）は液滴中に残り、液滴中のカーボンナノチューブの濃度が上昇する。基板上に取り残され塗布されているのはごく一部のカーボンナノチューブ（４０１−３）のみである。さらに時間が経過すると溶媒の蒸発が進み、液滴径がさらに小さくなり、カーボンナノチューブの濃度がさらに上昇する。最終的には、図４（ｃ）に示すように、全ての溶媒が蒸発し、液滴が最後に存在する場所、この場合は中心付近にカーボンナノチューブが集中して偏析、凝集し、不均一な分散膜（４０１−４）が形成される。このような不均一な分散膜を構成要素とした素子、例えば不均一な分散膜をチャネルに持つトランジスタは電気的特性が不安定で、ばらつきが大きいという問題点がある。さらに、分散膜が偏析すると、所望の位置に素子を形成することが困難であるという問題もある。図４に示した様な状況は、溶媒中のカーボンナノチューブの濃度が薄く、溶媒と基板の濡れ性が良くない場合により顕著に起こる。しかし、カーボンナノチューブの濃度を濃くすると、トランジスタの性能の一つであるオン・オフ比が悪くなるため、一定の濃度以上には濃くできない。また、溶媒と基板の濡れ性を高めるため、添加剤を加えることも考えられるが、その場合、カーボンナノチューブ間、あるいはカーボンナノチューブと電極間に添加剤が入り込み、抵抗が上昇し、最悪の場合、カーボンナノチューブ同士、あるいはカーボンナノチューブと電極の間の電気的な導通がとれなくなってしまう。以上述べたように、従来は、均一なカーボンナノチューブ分散膜を形成することと、良好な特性の素子を形成することの両立が困難であるという問題点があった。

本発明の目的は、カーボンナノチューブ溶液の特性や基板の種類によらず、つねに、均一なカーボンナノチューブ分散膜が形成でき、この分散膜を構成要素とする素子の電気的性能が良好で、特性のばらつきを少なくする技術を提供することである。

本発明は、複数のカーボンナノチューブからなるマット状の分散膜において、前記分散膜は深さ及び幅が１ｎｍ以上の凹凸が形成された基板上に形成されていることを特徴とするカーボンナノチューブ分散膜である。

本発明のカーボンナノチューブ分散膜を構成要素とすれば、素子の電気的性能が良好で、特性のばらつきを少なくすることができるため、歩留まりを改善することができる。また、偏析のない、均一な分散膜ができ、不均一性を考慮する必要が無いことから、素子の設計も容易になる。

本発明のカーボンナノチューブ分散膜を形成させた基板の断面図である。実施例１のカーボンナノチューブ分散膜を形成させたトランジスタのチャネルの平面図（ｂ）と断面図（ａ）である。実施例２のカーボンナノチューブ分散膜を形成させたトランジスタのチャネルの平面図（ｂ）と断面図（ａ）である。従来例のカーボンナノチューブ分散膜を形成させた基板の断面図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１、４０１：カーボンナノチューブ
１０３：基板上に形成された凹凸
１０２、４０２：溶媒
２０２：ピラー
２０２−１：溝
３０２：ナノ粒子
２０３、３０３：ゲート絶縁膜
２０４、３０４：ゲート電極
２０５、３０５：ドレイン電極
２０６、３０６：ソース電極
１１０、２１０、３１０：プラスチック基板

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）には、凹凸（１０３）が形成されているプラスチック基板（１１０）上にカーボンナノチューブ（１０１−１）が分散された溶液の液滴（１０２）を塗布した状態を示している。基板のプラスチックは例えばＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）やＰＥＮ（Polyehylene Naphthalate）等が使用可能である。基板上の凹凸は基板をサンドブラスト処理やプラズマ処理することにより形成できる。あるいは実施例に示すように、フォトレジスト法によるレジスト形成やエッチング処理を行なうリソグラフィー工程により形成させる方法や、ナノ粒子を基板表面に配置することにより形成する方法がある。

基板に形成される凹凸は、基板表面が平らでないように凹部や凸部を有する形状であれば特に限定されず、例えば、凹部となる平面もしくは略平面に複数の凸部を有するように形成してもよいし、凸部となる平面もしくは略平面に複数の凹部を有するように形成してもよい。また、波状あるいは山谷となるように凹部と凸部がくり返す形状であってもよい。さらには凹凸が形成された粗面であってもよい。

凹凸の深さは、凹部の最も深い部位と凸部の最も高い部位との差により求めることができる。凹凸の幅は、凹部となる平面に複数の凸部を有するような凹部が途切れずつながっている場合や、前記凹部と凸部とがくり返す形状の場合では、隣り合う凸部間の距離で求めることができる。さらに、凸部となる平面に複数の凹部を有するような凸部が途切れずつながっている場合は、凹部の幅により求めることができる。凹凸の深さと幅は、カーボンナノチューブが入り込むように、少なくとも１ｎｍ以上であるように作成し、好ましくは、数十ｎｍ以上で作成する。

カーボンナノチューブ溶液の溶媒としては、ジクロロエタン等の有機溶媒が使用できる。この溶媒にカーボンナノチューブを加え超音波処理することで分散溶液を作ることが出来る。溶液を塗布した状態で少し時間が経過すると、液滴の溶媒が蒸発し、液滴の径の縮小が起こると共に、液滴の内部で対流がおこり、カーボンナノチューブに動きが起こる。カーボンナノチューブと基板との接触があると、基板の凹凸があるため図１（ｂ）に示すようにカーボンナノチューブが基板にトラップされる（１０１−３）。従って、液滴径が縮小しても液的中のカーボンナノチューブの濃度の上昇は、適用されるデバイスにおいて要求される精度での均一なカーボンナノチューブの層を形成する上では問題とならない程度である。最終的に図１（ｃ）のように完全に溶媒が蒸発した後は、均一なカーボンナノチューブ分散膜（１０１−４）が形成される。

凹凸の形成されている基板上にカーボンナノチューブ溶液の液滴を塗布すると、溶媒が蒸発し液滴径が小さくなる際、液滴の内部での対流で基板の凹部にカーボンナノチューブが入り込みつつ分散膜を形成するため、一部の箇所に多くのカーボンナノチューブが偏析することを防ぐことができる。このため、カーボンナノチューブ溶液の特性や基板の種類によらず、つねに、均一なカーボンナノチューブ分散膜が形成できる。

本発明のカーボンナノチューブ分散膜を備える基板は、深さ及び幅が１ｎｍ以上の凹凸が表面に形成された基板において、複数のカーボンナノチューブからなるマット状の分散膜が基板表面に形成されていることを特徴とするカーボンナノチューブ分散膜を備える基板である。

（実施例１）
図２は、本発明のカーボンナノチューブ分散膜をトランジスタのチャネルに応用した例である。図２（ｂ）は平面図、図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ’断面図である。図２（ａ）において、プラスチック基板（２１０）上には、ピラー（２０２）を周期的に形成してある。これは、フォトレジスト法によりピラー部分にレジストを形成し、基板を異方性エッチングし、溝（２０２−１）を掘ることにより形成した。ピラーは数百ｎｍ角で数百ｎｍ間隔で並んでいることが望ましく、溝の深さは数十ｎｍ程度から１００ｎｍ程度とすることが望ましい。ピラーを形成した凹凸面に、カーボンナノチューブ溶液を塗布することにより、分散膜（２０１）を形成する。溶液の溶媒としてはジクロロエタン等の有機溶媒を使用し、濃度は１ｐｐｍから１０ｐｐｍの薄いものを用いることにより、トランジスタのオン・オフ比率を高めることが可能である。液滴を滴下すると、基板の凹凸により、前述したように、均一な分散膜が形成できる。分散膜は溝（２０２−１）内に入り込んでいるが、多数のカーボンナノチューブでネットワークが形成され、チャネルを形成する。その後、例えばパリレン膜によるゲート絶縁膜（２０３）を形成し、金属のゲート電極（２０４）、ドレイン電極（２０５）、ソース電極（２０６）を形成することで、特性のばらつきが少ない電界効果トランジスタが形成できる。

（実施例２）
図３は、本発明のカーボンナノチューブ分散膜をトランジスタのチャネルに応用した例である。図３（ｂ）は平面図、図３（ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ’断面図である。図３（ａ）において、プラスチック基板（３１０）上には、ナノ銀粒子（３０２）が形成してある。ナノ銀粒子の径は数十ｎｍ、粒子間の間隔は１００ｎｍ程度となるように配置することができる。このナノ銀粒子により凹凸面を形成するには、有機銀を塗布し、１００から２００℃の熱処理により焼成することで形成できる。そこに、カーボンナノチューブ溶液を塗布することにより、分散膜（３０１）を形成する。溶液の溶媒としてはジクロロエタン等の有機溶媒を使用し、濃度は１ｐｐｍから１０ｐｐｍの薄いものを用いることにより、トランジスタのオン・オフ比率を高めることが可能である。液滴を滴下すると、ナノ銀粒子による凹凸により、前述したように、均一な分散膜が形成できる。分散膜は金属粒子の間に入り込んでいるが、多数のカーボンナノチューブでネットワークが形成され、チャネルを形成する。その後、例えばパリレン膜によるゲート絶縁膜（３０３）を形成し、金属のゲート電極（３０４）、ドレイン電極（３０５）、ソース電極（３０６）を形成することで、特性のばらつきが少ない電界効果トランジスタが形成できる。

この出願は、２００７年９月６日に出願された日本出願特願２００７−２３１３７５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明の活用例として、透明プラスチック上のフレキシブル電子回路、電子ペーパー、フレキシブルディスプレイ等の応用が考えられる。

Claims

複数のカーボンナノチューブからなるマット状の分散膜において、前記分散膜は深さ及び幅が１ｎｍ以上の凹凸が形成された基板上に形成されていることを特徴とするカーボンナノチューブ分散膜。
前記凹凸は、基板上のナノ粒子によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ分散膜。
前記凹凸は、基板をサンドブラスト処理することにより形成することを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ分散膜。
前記凹凸は、基板をプラズマ処理することにより形成することを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ分散膜。
前記凹凸は、リソグラフィー工程により形成することを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ分散膜。