WO2001066460A1

WO2001066460A1 - Nanotweezers and nanomanipulator

Info

Publication number: WO2001066460A1
Application number: PCT/JP2001/001803
Authority: WO
Inventors: Yoshikazu Nakayama; Seiji Akita; Akio Harada; Takashi Okawa
Original assignee: Daiken Chemical Co., Ltd.
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2001-09-13
Also published as: US6669256B2; KR20020006708A; US20030189350A1; US6805390B2; EP1193216A4; US6802549B2; CN1364141A; CN1315623C; EP1193216A1; US20020158480A1; US20030189351A1

Description

明細書ナノピンセット及ぴナノマニピュレータ

(技術分野）

本発明はナノオーダ一サイズの物質（以後、ナノ物質という）を把持したり放出したりできるナノピンセットに関し、またナノ物質を移動 ·積み上げてナノサイズ部品、ナノ分子デパイス等を組み立てることができるナノマニピュレータ装啬に闋する。

(背景技術）

近年の技術開発はますます極小領域に指向している。例えば、光，電子情報関連の新素材やナノサイズ部品の創製、細胞やタンパク質の集積による新レぃバイオ関連機能物質の創製のように、ナノ領域における革新的な製造技術の開発が要望されている。このようにナノ物質を移動し積み上げることができるためには、ナノ物質を把持したりそれを放出したりできるナノピンセットの開発が必要になる。このナノピンセットの第 1原型は、 Philip Kimと Charles M. Lieber により 1 9 9 9年 1 2月 1 0日に発行されたサイエンス誌上に発表された。図 1 6〜！ 1 1 8はこのナノピンセットの製造工程図である。

図 1 6はテーパー加工されたガラスチューブ 8 0先端の側面図であり、この先端直径は約 1 0 0ね m、図示レない後端直径は 1 mmである。図 ί 7はナノピンセットの完成図である。前記ガラスチューブ 8 0の周面に絶縁部 8 2を介して二つの金電極腠 8 4 a , 8 4 bを形成する。この金電極膜にそれぞれカーボンナノチューブ 8 6 a、 S 6 bを突設状に固定して、ナノピンセット 8 8が完成される。

図 1 8はナノピンセットに電圧を印加する概要図である。金電極膜 8 4 a、 8 には接点 9 0 a、 9 0 bからリード線 9 2 a、 9 2 bが導出され、直流電源 9 4の両端に結線されている。直流電源 9 4の電圧を印加すると、カーボンナノチューブ 8 6 aは ΊΕ極に帯電し、カーボンナノチュ"プ 8 6 bは負極に帯電する。これらの正負の静電引力により、カーボンナノチューブ 8 6 a、 8' 6 bの先端は内方に閉じ、この間にナノ物貧 9 6を挟んで挟持することができる。電庄を大きくするとカーボンナノチューブは更に閉じる力ら、より小さなナノ物質を挟持できる。電圧をゼロにすると静電 I力は無くなり、カーボンナノチューブ 8 6 a、 8 6 bの弾性復元力により図 1 3の状態に苠つて、ナノ物質 9 6を放出する。このように電圧の大小制御だけでナノピンセット 8 8の開閉制御を行える利点を有し、ナノピンセットとして画期的なものである。

しかし、このナノピンセット 8 8は次のような欠点を有している。第 1の欠点は、ガラスチューブ 8 0をテーパ^ ^状にその先端を 1 0 0 tt tnまで微細加工しているから、強度的に弱くしかも脆いことである。

第 2の欠点は、金電極膜 8 4 a、 8 4 bをガラスチューブ 8 0の全長に苴つて形成し、ガラスチューブの直径が大きくなつた後端部に接点 9 0 a、 9 O bを設けてリード綠 9 2 a、 9 2 bを介して電源 9 4に接続していることである。即ち、リード線がかなり太いので、ガラスチューブの拡径した後端部に電気接点を設けざるを得ない。そのために、金電極膜をガラスチューブの全長に形成するという困難さと効率の悪さがある。

第 3の欠点は、静電ナノピンセットに起因する。つまり、静電ナノピンセットは力一ボンナノチューブに正負の電気を蓄積して、それらの静電引力によりカーボンナノチューブを開閉制御る。ナノ物質 9 6が龠気絶縁体や半導体の場合には静電引力を利用できるが、ナノ物質が導電体の場合には、カーボンナノチューブの両端が電気的にショートしてしまい、静電引力が作用レなくなる。また、ショート時にナノ物質を電気的に破壌してしまう危険性もある。従って、ナノピンセットの便用が半導体ナノ物費や絶縁性ナノ物質に制限され、镡用に際し常に注意深くなければならない弱点があった。 · 第 4の欠点は、 2本のカーボンナノチューブから構成されることである。つまり、分子は種々の形状を有しており、 2本のナノチューブでは確実に把持できないナノ物質が存在する。例えば、扁平なナノ物黉であれば 2本の力一ボンナノチーブ 8 6 a、 8 6 bで把持できるが、球状ナノ物質や棒状ナノ物貧は 2本のナノチューブの把持では不安定で脱落する危険性がある。

従って、本発明の第 1目的は、強度が高く、加工が比較的容易なナノピンセットを提供することである。

- 1 また、本発明の第 2目的は、静電方式を用いないで、導電性 ·半導体 *絶縁 ^feの全てのナノ物質を把持できるナノピンセットを提供することである。

更に、本発明の第 3目的は、球状ナノ物質や棒状ナノ物質などの種々の形状のナノ物質を確実に把持して搬送制御できるナノピンセットを提供することである。

また、これらのナノピンセットを利用して、ナノ構造物を組み立てることができるナノマニピュレ一タ装置を実現する。

(発明の開示）

請求項 1の発明は、ホルダーに基端部を固定して突設された複数のナノチューブと、これらのナノチューブ表面を絶縁被覆するコーティング被膜と、この中の 2本のナノチューブに連結されたリード線からなり、このリード線間に電圧を印加して静電引力により前記 2本のナノチューブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とするナノピンセットである。

請求項 2の発明は、カンチレバーに突設されたピラミッド部と、このビラミツド部に基端部を固定して突設された複数のナノチューブと、この中の 2本のナノチューブに連結されたリード線からなり、このリード線間に電圧を印加して静電引力により前記 2本のナノチュ ^ブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とするナノピンセットである。 ·

請求項 3の発明は、ホルダーに基端部を固定して突設された複数のナノチューブと、この中の少なくとも 1本のナノチューブの表面に形成された庄電膜からなり、この庄電膜に電圧を印加して圧電膜を伸縮させ前記ナノチューブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とするナノピンセットである。

請求項 4の発明は、前記ホルダーはカンチレバーのピラミッド部である請求項 3記載のナノピンセットである。

請求項 5の発明は、カンチレパーのビラミツド部を構成する変形可能な複数のビラミツド片と、このピラミッド片の先端に固定されたナノチューブと、少なくとも 1個のビラミツド片の側面に形成された圧電膜からなり、この庄電膜に電庄を印加して圧電膜を伸縮させ、ビラミツド片を可撓自在にしてナノチューブの先端間を開閉することを特徴とするナノピンセヅトである。請求項 6の発明は、ホルダーに基端部を固定して突設された 3本以上の導電性ナノチューブ、この中の少なくとも 3本以上の導電性ナノチューブにそれぞれ連結されたリード電極からなり、これらのリード電極間に電圧を印加してその静電引力により前記導電性ナノチューブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とする静電ナノピンセットである。

請求項 7の発明は、カンチレバーに突設された突出部と、この突出部に基端部を固定して突設された 3本以上の導電性ナノチューブと、この中の少なくとも 3本以上の導電性ナノチューブにそれぞれ連結されたリード電極からなり、これらのリード電極間に電圧を印加して静電引力により前記導電性ナノチュープの先端間を開閉自在に設けることを特徴とする静電ナノピンセットである。

請求項 8の発明は、請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6又は 7に記載のナノピンセットと、このナノピンセットを試料に対し X Y Z方向に移動制御する 3次元駆動機構とから構成され、ナノピンセットでナノ物質を試料に搬送制御することを特徴とするナノマニピュレーターである。

請求項 9の発明は、ナノピンセットを構成する少なくとも 1本のナノチューブを走査型プロ一プ顕微鏡用の探針として用いる請求項 8に記載のナノマニピュレータ装置である。

本発明者らは耐久性を有するナノピンセットを開発するために鋭意研究した果、前述したナノチューブを利用した静電引力方式のナノピンセットを改良することに成功し、また更に高†生能の圧電膜方式のナノピンセットを開発することも成功するに至った。

まず、従来の静電引力方式ナノピンセットの弱点は、把持するナノ物質が導電性の場合に、ナノチューブ間が電気的にショートしてピンセット機能を喪失し、破断のおそれがあったことである。この欠点を改善するために、ナノチューブ表面に絶縁物質からなるコーティング被膜を形成して、接蝕時のショートを防止できるナノピンセットを提案する。このコーティング被膜をナノチューブに限らず他の配線部分にまで形成すれば、ナノピンセット全体の絶縁性を髙めることができる。この絶縁処理はあらゆる構造の静電方式ナノピンセットに適用できる。

従来の第 2の弱点は、先細のガラス管にナノチューブを固定しているので、強度が弱く脆いことである。この欠点を改善するために、ナノチューブのホルダーとして、 A F M (原子間力顕微鏡）用のカンチレパーのピラミッド部を利用する提案をする。このピラミッド部はシリコンゃ窒化シリコン製であるから電気絶縁性を有し、しかも強度が従来のガラスチューブと比較して大幅に高い。

前記二つの発明をカンチレパーを用いて総合的に説明する。ビラミッド部の頂点近傍に、 2本のナノチューブの基端部を固定し、先端部を突出させる。この固定方法には 2種類ある。第 1は電子顕微鏡内で基端部近傍を電子ビーム照射する。この照射によって、基端部を被覆するようにカーボン膜や C V D膜をコーティング被膜として形成する。このコーティング被膜が基端部を押さえてナノチューブを強固に固定する。第 2は基端部を直接電子ビーム照射すると、基端部がビラミッド部表面に融着する。この融着部がナノチューブを固定する。

次に、ナノチューブの基端部にリード線を配線する。本発明ではリード線としてナノチューブや C V D (化学的気相蒸着法）による金属配線などが利用できる。例えば、ナノチューブは強度が強くて柔軟性が極めて高い素材であり、太さや長さも各種存するからナノサイズのリード線として最適である。また、 C V D法により金属原子を配線状に微小形成することもできる。

ナノチュープリ一ド線の一端を前記基端部に接触させ、この接点を電子ビーム照射してスポット溶接的にピラミッド部に一体固定する。ナノチューブリード線の他端は他のナノチューブリ一ド線に結線しても良いし、力ンチレパーに形成された電極膜に結線しても良い。また C V Dリ^"ド線は基端部やビラミツド部表面に固定しながら形成できる。

これらのリード線を形成してから、ナノチューブ表面、ナノチューブの基端部領域、リード線全体に絶縁材からなるコーティング被膜を形成する。ナノチューブ表面の被膜形成により、静電方式におけるショートを防止できる。同時に、配線全体の被膜形成により、ナノピンセット全体をショート等から保護することができる。また、生体液などの電解質溶液中でナノピンセットを操作しても漏電するこ^はない。コーティング被膜の形成は電子ビーム照射法や C V D法が利用できる。

力ンチレパーの電極膜と外部電源回路との結線は、力ンチレバーが比較的大きいので、光学顕微鏡またが光学的拡大鏡下で行うことができる。外部電源回路は電源と電圧制御回路と電気スィツチから構成される。電圧制御回路により印加電圧を自在に調整すれば、ナノチューブ先端間の開度を任意に調整でき、ナノ物質のサイズに応じてナノピンセットを開閉制御できる。

また、静電引力方式と全く異なる庄電膜方式のナノピンセットを開発した。この圧電膜方式は庄電膜の伸縮によりナノチューブを可撓自在にし、これによりナノチューブ先端間を開閉させるものである。従って、ナノチューブ間に電流が流れないので、ナノ物質の電気物性に拘わらずナノピンセットを機能させることができる。

この圧電膜方式では、ナノチューブのホルダーとして、 A F Mや S T M (トンネル顕微鏡）に限らず、広範囲の S P M (走査型プローブ顕微鏡）に用いられる探針が用いられる。 S P Mの探針はナノチューブと比較するとサイズ的にかなり大きく、 2本のナノチューブを固定するには十分な大きさを有する。最も効なホルダーは前述した A F M用のカンチレバーのピラミッド部である。以下では、このカンチレパーで説明する。

まず、カンチレパーのピラミッド部に 2本のナノチューブの基端部を固定する。このとき、 2本のナノチューブの先端部は相互に接触させるようにしておく。つまり、先端が接触した状態で固定する。固定方法には前述したコーティング被膜法と融着法がある。どちらの固定方法でも良い。

次に、 2本のナノチューブのどちらか 1本の表面に圧電膜を形成する。圧電膜はピェゾ素子とも呼ばれ、電圧を印加すると収縮する性質を有する。電圧を可変にすると、収縮量も変化する。圧電膜が収縮すると、それが固着しているナノチューブが開くように撓む。従って、最初ナノチューブ先端は閉じているが、電圧を印加して先端を開き、この開いた状態でナノ物質を把持する。更に電圧を大きくして開度を増大させると、ナノ物質は放出される。分子間力でナノ物質がナノチュブから離脱しない場合には、試料とナノピンセット間に電圧を印加して電気的に放出することもできる。圧電膜の両端にはナノチューブリード線の一端を結線し、他端は他のナノチューブリード線に結合しても良いし、前述したようにカンチレパーの電極膜に結線しても良い。勿論、 C V Dリード線も利用できる。そして、この電極膜から外部電源回路に接続する。外部電源回路は電源と電圧制御回路と電気スィッチから構成され、その作用は前述の通りである。 2本のナノチューブに庄電膜を形成しても良い。この場合には、 2本のナノチューブを電圧印加で撓ませることができるから、ナノチューブ先端の簡度をより大きく設定でき、ナノピンセットを高性能化できる。

圧電膜をナノチューブ表面に形成する代わりに、ビラミッド部表面に形成する場合を考える。ピラミッド部を例えば収束イオンビーム装置で刻み込み、刻み部を介して 2個のピラミッド片に分割する。各ビラミツド片は可撓性を有するように厚み調整しておく。 1個のピラミッド片に 1本のナノチューブを突設し、合計 ·2本のナノチューブを先端が接触するように突設する。一方又は両方のビラミッド片の側面に圧電膜を形成し、前述と同様に圧電膜の両端に電庄を印加して圧電膜を収縮させる。この収縮によりピラミッド片が撓み、ナノチューブ先端が開く。後は、ナノ物質を把持したり放出することによってナノピンセットとして機能する。

第 3の発明として、静電引力方式でも、圧電膜方式でもナノピンセットに用いられるナノチューブは 2本以上から構成することもできる。例えば、 3本のナノチューブを用いると、これら 3本でナノ物質を把持することになる。

3本ナノチューブ方式では、 3本を開閉するようにしてもよいし、 3本のうち 2本を静電引力方式で開閉制御しても良い。また、 2本に圧電膜を形成して 2本を開閉制御しても良い。 3本のうち 2本を開閉制御する場合には、残りの 1本は補助ナノチュープとして機能する。 3本ナノチューブ方式では、 3本でナノ物質を把持するので、球状 ·棒状などの種々の形状のナノ物質の把持を確実化することができる。特に、 3 本静電方式では、 2本を同極性に、 1本を異極性にすると、 3本が静電引力で引き合うから、異形ナノ物質の把持が確実になる。

圧電膜方式においても、リド線で電庄印加するから、圧電膜の表面とリード線を絶縁物質でコーティングすると、ショートの危険性がなくなる。従って、電解質溶液内でのナノピンセット操作も可能になる。

本発明のナノチューブとしては、導電性のカーボンナノチューブのみならず、絶縁性の B C N系ナノチューブや Β Ν系ナノチューブ等の一般のナノチューブが利用できる。カーボンナノチューブは C N Tとも略称され、カーボン棒のアーク放電を利用して製造される。 B C N系ナノチューブは C N Tの C原子の一部を Β原子と Ν原子に置換したものであり、 Β Ν系ナノチューブは C原子のほとんど全部を Β原子と Ν原子に置換したものである。置換方法として各種の方法が開発されている。導電性ナノチュープには、カーボンナノチューブゃ導電性被膜を周囲に形成した絶縁性ナノチューブが含まれる。

(図面の簡単な説明）

図 1は、本発明のナノピンセットを用いたナノマエピユレータ装置の作動説明図である。

図 2は、本発明に係るナノピンセットの第 1実施形態の概略正面図である。

図 3は、第 1実施形態のナノピンセットを試料に対向配置した概略斜視図である。図 4は、ナノ物質を把持した第 1実施形態のナノピンセットの概略正面図である。図 5は、本発明に係るナノマ-ピュレータ装置の概略構成図である。

図 6は、本発明に係るナノピンセットの第 2実施形態の概略正面図である。

図 7は、第 2実施形態のナノピンセットを試料に対向配置した概略斜視図である。図 8は、ナノ物質を把持した第 2実施形態のナノピンセットの概略正面図である。図 9は、ビラミツド部を有したカンチレバーの要部斜視図である。

図 1 0は、本発明に係るナノピンセットの第 3実施形鶴の概略正面図である。

図 1 1は、ナノ物質を把持した第 3実施形態のナノピンセットの概略正面図である。図 1 2は、本発明に係るナノピンセット（静電ナノピンセット）の第 4実施形態の概略斜視図である。

図 1 3は、球状ナノ物質を把持した第 4実施形態の作用説明図である。

図 1 4は、棒状ナノ物質を把持した第 4実施形態の作用説明図である。

図 1 5は、第 4実施形態の静電ナノピンセットを用いたナノマニピュレタ装置の作動説明図である。

図 1 6は、従来のテーパー加工されたガラスチューブ先端の側面図である。

図 1 7は、従来のナノピンセットの概略説明図である。

図 1 8は、従来のナノピンセットに電圧を印加する概要説明図である。

(発明を実施するための最良の形態）

以下に、本発明に係るナノピンセット及ぴこれを用いたナノマ-ピュレータ装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。

第 1実施形態

[ 2本静電ナノピンセット]

図 1は本発明のナノピンセットを用いたナノマニピュレータ装置の作動説明図である。ナノピンセット 2は A F M用のカンチレパ一 4の先端に突設されたピラミッド部 6に 2本のナノチューブ 8、 9を突設して形成されている。これらのナノチューブ 8、 9の基端部にはリード線 1 0、 1 0が設けられ、カンチレバー 4の左右側面に开$成された電極膜 1 2、 1 2に結線されている。この電極膜 1 2、 1 2は電気スィッチ S W、電源 P及ぴ電圧制御回路 V Cに接続され、ナノチューブ 8、 9に適切な電庄を印加する。

2本のナノチューブ 8、 9は試料 1 4に接近して配置され、この試料 1 4の表面には各種の多数のナノ物質 1 6が配置されている。ナノチューブ 8はナノチューブ 9より長く下方に突設されている。従って、ナノチューブ 8は A F M用の探針としても利用できる。まず、このナノチューブ 8を A F M探針として 3次元駆動機構 1 7により走査し、把持すべきナノ物質 1 6の位置と形状を確認する。

ナノチューブ 8、 9は電圧の印加により開閉制御され、電圧の大きさにより開度が可変される。従って、ナノチューブ 8、 9を開いて A F Mで見当ををつけたナノ物質 1 6を把持し、その状態で 3次元駆動装置 Dにより矢印方向に沿ってナノ回路部 1 8 まで移動し、ナノチューブ 8、 9を吏に開いてナノ物質 1 6を放出する。ファンデァワールス力でナノ物質がナノチューブから離脱しない場合には、ナノピンセットとナノ回路部の間に電圧を印加して、ナノ物質を静電引力で放出することもできる。ナノ回路部 1 8の適所にナノ物質 1 6を放出することによってナノ回路 1 8は望まれる構造に組み立てられる。

図 2〜図 4は本発明に係るナノピンセットの第 1実施形態を示す。図 2はナノピンセット 2の概略正面図である。ビラミツド部 6の先端には細くていナノチューブ 8 と太くて短いナノチューブ 9が基端部 8 b、 9 bを固定して配置されている。ナノチユーブの先端部 8 aは先端部 9 aより下方に長く突設されており、先端部 8 aが A F M用探針として活用できるように設定されている。

前記基端部 8 b、 9 bは周辺への電子ビーム照射によってコ 1 1で被覆固定される。また基端部 8 b、 9 bの上端にはナノチューブをリード線 1 0、 1 0として結線し、このリード線 1 0、 1 0の他端は図 1 2の電極 1 2、 1 2に結線される。最後に、ナノチューブリード錄 1 0、 1 0の表面にもコーティング被膜 1 1 , 1 1を形成して、これらのリード線をピラミッド部 6に固定する。コーティング被膜 1 1はハツチングで表示されている。

図 3はナノピンセット 2を試料 1 4に対向配置した概略斜視図である。試科 1 4の表面にある凹凸は表面原子を表している。ナノチューブ 8の先端部 8 aはナノチューブ 9の先端部 9 aより下方に突出しているから、先端部 8 aを A F M探針として用い、表面原子の凹 t¾構造を検出する。例えば、試料 1 4上に置かれたナノ物貧の位置や形状を検出する。

図 4はナノ物質 1 6を把持したナノピンセット 2の概略正面図である。リード線 1 0、 1 0からナノチューブ 8、 9に直流電圧を印加する。先端部 8 a、 9 aには正負の電荷が蓄電きれ、この正負電荷の静電引力により先端部 8 a、 9 aが印加電圧に応じた開度で閉じ、の間にナノ物質 1 6を把持する。把持するナノ物質 1 6は図 3で A F M探知されたナノ物質である。

5は本発明に係るナノマエピュレータ装置の概略構成図である。前述したように、ナノピンセット 2はカンチレパー 4、サプストレート 5、ピラミッド 6及ぴナノチュ —ブ 8、 9から構成される。試料 1 4は庄電素子からなる 3次元駆動機構 1 7により 3次元方向に駆動される。即ち、試科側を駆動してナノチューブ 8、 9を試料 1 4の表面上を X Y Z方向に駆動する。勿論、ナノピンセット 2側を直接、 3次元駆動してもよい。ナノピンセット 2と試科 1 4を相対的に 3次元駆動できることが重要である。

2 0は半導体レーザー装置、 2 2は反射ミラ一、 2 4は二分割光検出器、 2 6は∑ 軸検出回路、 2 8は表示装置、 3 0は X Y Z走査回路である。

ナノチューブ 8、 9を試料 1 4に対し所定の斥力位置になるまで Z軸方向に接近させ、必要なナノ物貧 1 6を把持する。その後、 X Y Z走査回路 3 0で 3次元駆動機構 1 7を走査して、所定の位置までナノチューブ 8、 9を移動する。この移動の過程では、ナノチューブ 8、 9と試料表面との離間距離を一定に保つ必要性から、ナノチュープが受ける斥力を常に一定になるように Z軸方向にナノチュープを位置制御する必要がある。そのために、レーザービーム L Bをカンチレパー 4により反射させ、反射ミラー 2 2を介して二分割光検出器 2 4に導入し、上下検出器 2 4 a、 2 4 bへの偏向を検出しながら、 Z軸制御を行う。

Z軸検出回路 2 6で Z位置を検出し、 X Y Z走査回路 3 0で X Y位置を検出して、これらの位置情報を表示装置 2 8に表示する。つまり、この表示装置 2 8には試料表面の凹凸像が表示される。そして、ナノチューブ 8、 9が所定位置に移動した後、ナノチューブ 8、 9を開いて把持してきたナノ物質 1 6を試料表面上に放出する。この操作を繰り返して、所定場所に多数のナノ物質を組み立てで、例えばナノ回路 1 8を構成する。ナノチューブ 8を A F M操作すれば、ナノ回路 1 8の全体形状を表示装置 2 8に撮像することもできる。従って、本発明のナノマ-ピュレータ装置はナノヮールドを自在に構成できるナノロボットである。このナノマニピュレータ装置は真空、大気を含め種々の雰囲気中で使用でき、また電子顕微鏡などの装置内でロボットの手のように操作することもできる。

第 2実施形態

[ 2本圧電膜ナノピンセット]

図 6〜図 8は本発明に係るナノピンセットの第 2実施形態を示す。図 6はこのナノピンセット 2の概略正面図である。ナノチューブ 8、 9の先端部 8 a、 9 aがその先端で接触するように、基端部 8 b、 9 bがコーティング被膜 1 1、 1 1によりピラミッド部 6に固定される。ナノチューブ 9の先端部 9 aの表面には圧電膜 3 2が形成され、その上端 3 2 a及び下端 3 2 bにはナノチューブリード線 1 0 a、 1 0 bが結線される。ナノチューブリード線 1 0 a、 1 0 bはそれらの中間点をスポット状コ一テイング膜 1 3、 1 3によりピラミッド部 6に固定される。

図 7はナノピンセット 2を試料 1 4に対向配置した概略斜視図である。ナノチュープリード線 1 0 a、 1 0 1₃の他端1 0 _£;、 1 0 dはカンチレバー 4の電極 1 2、 1 2 に固定される。電極 1 2、 1 2には電気スィッチ S W、電源 P、電圧制御回路 V Cが接続されている。圧電膜 3 2は両端への電圧印加により収縮し、収縮量は印加電圧とともに增大する。

まずナノチューブ先端が閉じた状態で試料 1 4の表面を A F M操作'し、把持すべきナノ物質の位置と形状を検出する。

図 8はナノ物質 1 6を把持したナノピンセット 2の概略正面図である。電気スイツチ S Wをオンにして圧電膜 3 2に電圧を印加すると、圧電膜 3 2の収縮に従ってナノチューブ 9が撓み、ナノチューブ 8、 9の間が開き、対象となるナノ物質 1 6を把持する。ナノ回路:！ 8の組立は図 1と同様であるので、説明を省略する。

ナノピンセットの庄電膜を絶縁被覆する場合には、電圧を印加してもショートすることがなく、更にリード線も絶縁被覆すれば、電解質溶液中でもナノピンセット操作が可能となる。

第 3実施形態

[ 2本ビラミツド片圧電膜ナノピンセット]

図 9 図 1 1は本発明に係るナノピンセットの第 3実施形態を示す。図 9はピラミッド部 6を有したカンチレバー 4の要部斜視図である。このカンチレパー 4は一般に A F M測定に使用されるもので、ピラミッド部 6は一塊りとして形成されている。このピラミッド部 6を、例えば収束イオンビーム装置により刻設して二つのピラミッド片 6 a、 6 bに 2等分し、これらのピラミッド片 6 a、 6 bを可撓自在に形成する。図 1 0はこのナノピンセット 2の概略正面図である。ピラミッド片 6 a、 6 bは間隙 6 cを介して根本部 6 dから可撓自在に対向している。ナノチューブ 8、 9の先端部 8 a、 9 aがその先端で接触するように、基端部 8 b、 9 bがコーティング被膜 1 1、 1 1によりピラミッド片 6 a、 6 bにそれぞれ固定される。ピラミッド片 6 aの側面には圧電膜 3 2が形成され、その上端 3 2 a及ぴ下端 3 2 bにはナノチュープリード線 1 0 a、 1 O bが結線される。これらのナノチューブリード線 1 0 a、 1 0 はカンチレバー 4の電極 1 2、 1 2を介して第 2実施形態と同様の電源回路に接銃される。

まずナノチューブ先端が閉じた状態で試料 1 4の表面を A F M操作し、把持すべきナノ物質の位置と形状を検出する。

図 1 1はナノ物質 1 6を把持したナノピンセット 2の概略正面図である。電気スィツチ S Wをオンにして圧電膜 3 2に電圧を印加すると、庄電膜 3 2の収縮に従ってピラミツド片 6 aが撓み、ナノチューブの先端部 8 a、 9 aの間が開き、検出したナノ物質 1 6を把持する。ナノマニピュレータ装置を用いたナノ回路 1 8の組立は図 1と同様であるので、説明を省略する。

前記実施形態ではナノチューブやビラミツド片は 2本構成であったが、これ以上の複数構成にしてもよい。また圧電膜をナノチューブやビラミツド片の 1本だけに形成するのでなく、対向する 2本に形成することもできる。

第 4実施形態

[3本静電ナノピンセット]

図 1 2は本発明に係るナノピンセット（静電ナノピンセット）の第 4実施形態の概略斜視図である。カンチレパー 102はカンチレバ部 104とその先端に形成された突出部 1 0 Θから構成される。この突出部 1 06の突出端 1 06 eは略水平に形成され、その周面は先端面 1 06 a、側面 106 b、 1 06 c及び後端面 1 06 dの 4 面から構成されている。

カンチレパー部 104の上平面及ぴ側面には、所要幅の 3本の電極膜 1 1 2、 1 1 3、 1 14が形成され、これら電極膜の終端は突出部 106の前記先端面 106 a及ぴ側面 1 06 b、 1 06 cにまで延出して形成されている。これらの先端面 1 06 a 及ぴ側面 1 06 b、 106 cには導電性ナノチューブ 1 08、 109、 1 10の基端部 1 08 b、 109 b、 1 1 0 bがコーティング膜 1 1 6、 1 17、 1 18の被覆によりそれぞれ固着されている。

この固着により、導電性ナノチューブ 108、 109、 1 1 0は電極膜 1 1 2、 1 1 3, 1 14にそれぞれ電気的に導通状態に設定される。導電性ナノチューブ 108、 1 09、 1 10の先端部 1 08 a、 109 a、 1 10 aは突出部 1 06の突出端 10 6 eより下方に突出し、これらの先端部 108 a、 1 09 a、 1 1 0 aがナノチュープ把持部 1 1 1を構成して、材料であるナノ物質を把持したり放出したりできる作業爪となる。このようにして、カンチレパー 102にナノチューブ把持部 1 1 1を形成して、本発明に係る静電ナノピンセット 120が構成される。

この実施形態に係る静電ナノピンセットは、ナノチューブ把持部 1 1 1を 3本以上のナノチューブから構成している点に特徴を有する。この実施形態ではナノチューブは 3本であり、この 3本の爪によってナノ物質を包み込むように把持することができる。つまり、 2本のナノチューブでは不安定な把持しかできないが、 3本にすることにより任意の形状のナノ物質を安定確実に把持することが可能となる。特に、球状ナノ物質や棒状ナノ物質を確実に把持できるようになる。

この静電ナノピンセット 1 20の電極膜 1 1 2、 1 1 3、 1 14の後端部には接点 1 1 2 a, 1 1 3 a、 1 14 aを介して制御回路 12 1が接続される。この制御回路 12 1は、可変直流電源 1 22とアース 124とスィッチ 1 26から構成され、前記接点 1 13 a、 1 1 4 aはアース側に接続され、接点 1 1 2 aは高電位側に接続される。従って、電極膜 1 1 2は正極となり、電極膜 1 1 3、 1 1 4は負極として機能する。

前述したように、ナノチューブには導電性の力一ボンナノチューブゃ絶縁 1"生の B N 系ナノチューブ（蜜化ホウ素）や BCN系ナノチューブ（炭窒化ホウ素）等がある。この実施形態に用いる導電性ナノチュープは電気伝導性を有するナノチューブであればよいから、導電性ナノチューブや導電材料で表面被覆した絶縁性ナノチューブが用いられる。被覆用導電材料には主に金属材料が好適である。

導電性ナノチューブとしてカーボンナノチューブを例にとって説明すると、その直径は約 111 〜数十11111までぁり、長さはナノオーダーからミクロンオーダーまでに分布し、そのアスペクト比（長さ/直径）は 1 000以上にも達する。また、カーボンナノチューブは高度の柔軟性と強靱性を有するから、その先端を開閉してナノ物質を把持 ·放出する材料としては好適である。

上記実施形態において用いたカンチレバー 1 02は、原子間力顕微鏡（AFM) に用いられるカンチレパ一探針を転用したものである。このカンチレパ一探針はシリコンゃシリコンナイトライドを材料とし、半導体ブラナー技術を用いて加工形成されている。従って、従来のガラス製品と比較して高強度で、耐久性に優れている。ただ、この実施形態では突出部 1 06の突出端 106 eを先鋭加工せず、平坦面に形成している。即ち、突出部 1 06を搮針として用いず、導電性ナノチューブの固定用ホルダ一として用いるからである。

コーティング膜 1 1 6、 1 1 7、 1 1 8を形成するには、電子顕微鏡内で電子ビームにより有機ガスを分解し、この分解堆積物をコーティング膜として用いる。有機ガスが炭化水素系ガスの場合にはコーティング膜はカーボン膜となり、有機ガスが金属有機ガスの場合にはコ一ティング膜は金属膜となる。金属膜の方が導電性ナノチュープ 1 08、 109、 1 1 0と電極膜 1 1 2、 1 1 3、 1 14との導通性は確実になる。ナノチューブ基端部を突出部に固定する他の方法として、電子ビーム照射や通電加熱によりナノチューブ基端部を融着して突出部と一体的に固定することもできる。コ —ティング被膜と融着を併用すれば、ナノチューブをより強力に固定することができ、ナノチュ^ "プの脱落を防止して静電ナノピンセットの耐久性を向上できる。

図 1 3は球状ナノ物質を把持した前記実施开さ態の作用説明図である。まず、ナノチユープ 1 08の長さを他のナノチューブ 109、 1 10より少し長く設定しておき、先端部 108 aが他の先端部 1 09 a、 1 10 aより下方に突出するように配置しておく。このナノチューブ 1 08の先端部 108 aを探釙として使用し、試料面上の球状ナノ物質 1 28の場所と位置を A FM走查により検出確認する。

次に、 3本の先端部 108 a、 1 09 a, 1 1 0 aの中心部に球状ナノ物質 1 28 が内包されるようにナノチューブ把持部 1 1 1を下動させて試料面に接触させる。この状態でスィツチ 1 2 &をオンにすると、電極膜 1 1 2、' 1 1 3、 1 14を介して導電性ナノチューブ 1 08、 1.09、 1 1,0の先端部 1 08 a、 1 09 a, 1 1 0 aに電圧が印加される。つまり、先爵部 1 08 aは正極となり、先端部 109 a、 1 1 0 aは陰極となる。正極には正電荷が蓄積し、負極には負電荷が蓄積するから、両電極は静電引力により内方に撓み、ナノチューブ把持部 1 1 1は球状ナノ物質 128を把持して閉じる。スィッチ 1 26をオフにすると、静電引力は消失し、ナノチューブの弾性復元力によりナノチューブ把持部 1 1 1は開き、球状ナノ物質 1 28を放出する。図 14は棒状ナノ物質を把持した前記実施形態の作用説明図である。まず、ナノチユープ 108の先端部 1 08 aを探針として使用し、試科面上の棒状ナノ物質 1 30 の場所と位置を A FM操作により検出確認する。

次に、 3本の先端部 108 a、 109 a, 1 1 0 aの間に棒状ナノ物質 130が配箧されるようにナノチューブ把持部 1 1 1を下動させて試料面に接触させる。この状態でスィッチ 126をオンにして先端部 108 a、 1 09 a、 1 1 0 aを静電引力により閉じると、棒状ナノ物質 1 30が前後から把持される。この状態で、ナノチューブ把持部 1 1 1を上動させると、棒状ナノ物質 1 30は図示の如く確実に吊り上げられる。

この実施形態では、静電ナノピンセット 1 20のナノチューブ把持部 1 1 1を 3本の導電性ナノチューブ 108、 109、 1 10で構成した。ナノ物質の形状によっては、 4本のナノチューブからナノチューブ把持部 1 1 1を構成することもできる。このように、本実施形態は 3本以上のナノチューブの開閉によりナノ物質を把持 ·放出する点に特徴を有した静電ナノピンセットである。

図 1 5は、この静電ナノピンセットを用いたナノマニピュレータ装置の作動説明図である。試科 1 3 2の表面には、材料となる球状ナノ物質 1 2 8や棒状ナノ物質 1 3 0が多数存在している。まず、この原料ナノ物質を静電ナノピンセット 1 2 0の A F M操作により検出し、ナノチューブ把持部 1 1 1により把持する。次に、図示しない 3次元駆動装置により、静電ナノピンセット 1 2 0を矢印 a方向及ぴ矢印 b方向に移動し、ナノ構造物 1 3 4の所望位置で厚料ナノ物質を放出する。これらの操作を繰り返すことにより、様々なナノ物質を原材料として所望のナノ構造物 1 3 4を試料 1 3 2の表面に形成することができる。

前述したように、導電性ナノチューブ 1 0 8、 1 0 9、 1 1 0の閉操作は、電極膜 1 1 2、 1 1 3、 1 1 4を介した電圧の印加による静電引力により行われる。また、その開操作は電圧の解除による導電性ナノチューブの弾性復元力により行われる。静電ナノピンセット 1 2 0の移動制御は A FM (原子間力顕微鏡）の移動制御機構により実現される。

この静電ナノピンセット 1 2 0を原材料位置からナノ構造物位置まで移動制御するには、図 5に示す A F Mの移動制御機構を使用する。この移動制御機構と静電ナノピンセット 1 2 0の組み合せによりナノマニピュレータ装置が構成される。既に、図 5 は詳しく説明されているので、ここではその説明を省略する。

3本の導電性ナノチューブの 1本を A F M用の探針として用い、表面凹凸像を撮像して原材料位置を確認する。原材料を把持した後、ナノチューブ把持部 1 1 1をナノ構造物の位置まで移動させ、ナノチューブ把持部 1 1 1を開いて把持してきたナノ物質を試料表面 1 3 2 a上に放出する。この操作を繰り返して、ナノ構造物を組み立てる。

ナノチューブ把持部 1 1 1の 1本のナノチューブで、又は 3本が閉じた状態のまま全体で A F M操作すれば、ナノ構造物の全体形状を表示装置に撮像することもできる。従って、本実施开さ態のナノマ-ピユレ一タ装置はナノワールドを自在に構成できるナノロポットである。このナノマニピュレータ装置は真空、大気を含め種々の雰囲気中で使用できる。

前記実施形態では、導電性ナノチューブに電圧を印加するリード電極として、カンチレバーに必要本数の電極膜を形成した。他の方法として、電極膜とリード線を組み合わせたり、リード線だけでリード電極を構成することもできる。極微の箇所には、長尺のカーボンナノチユープなどの導電性ナノチューブをリード線として利用することもできる。ナノチューブ同士の結合は、融着方式 · コーティング膜方式などが利用できる。融着方式は、電子ビーム照射、イオンビーム照射、電流通電加熱などの方法により行える。

本実施形態は導電性ナノチユーブ間の静電気力でナノ物質を把持できる静電ナノピンセットである。従って、把持すべきナノ物質が絶縁性である場合には有効であるが、導電性ナノ物質め場合には短絡する可能性がある。しかし、この導電性ナノチューブの表面を絶縁被膜で被覆した場合には、導電性ナノ物質を把持した場合でも、導電性ナノチューブ間は短絡しないから、ナノピンセットとして有効に機能する。絶縁被膜としてはハイドロカーボン膜が好適に利用でき、電子ビーム照射により導電ナノチュ一ブ表面に被膜形成できる。絶縁膜の材料や被覆方法には他の公知材料や公知方法が利用できることは当然である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲內に包含するものであることは云うまでもない。

(産業上の利用可能性）

請求項 1の発明によれば、ナノチューブの表面を絶縁物質でコーティングしたから、静電引力で閉じてもショートしない。従って、あらゆる電気物性を有したナノ物質をピンセヅト操作することができる。この発明は静電引力方式のナノピンセットの全構造に適用できる。

請求項 2の発明によれば、 A F M用のカンチレパーのピラミッド部をナノチューブホルダ一として用いるからナノピンセット全体の強度が高く、しかも配線をナノチュ一プリ一ド線ゃ C V Dリード線等で構成するから超微細なナノスケール配線が可能となり、回路構成をコンパクトにできる。

請求項 3の発明によれば、庄電膜によりナノチューブ先端間を開閉自在に設けるから、ナノ物質の電気的性質、即ち絶縁体、半導体、導電体の違いによらず把持することが可能となり、ナノチューブの絶縁被覆を必要としない点で静電引力方式よりも性能向上を図ることができる。

請求項 4の発明によれば、請求項 3のホルダ—としてカンチレパーのピラミッド部を用いるから、ナノピンセット全体の強度が高く、しかも対象となるナノ物質の電気的性質に関係なく全物質を把持することができ、広範囲の応用性を有するナノピンセットを提供できる。

請求項 5の発明によれば、ナノチューブに庄電膜を形成する代わりに、サイズ的に大きなピラミッド片に庄電膜を形成するから、圧電膜の形成が容易になる。このことによって、圧電膜のサイズも大きくなるから、圧電膜へのナノチューブリード線の結線などの作業性も改善できる。

請求項 6の発明によれば、 3本以上の導電性ナノチューブをナノ物質を把持する部材として使用したから、扁平状のナノ物質だけでなく、球状ナノ物質や棒状ナノ物質など任意の形状のナノ物質を安定かつ確実に把持することができる。しかも導電性ナノチューブの開閉は電圧印加による静電引力及び電圧解除による弹性復元力により行えるから、開閉操作が簡単であり、ナノ物質の把持 *移動 ·放出が容易に行える。請求項 7の発明によれば、 A F M測定に用いられる半導体製のカンチレバーを使用するから、耐久性がある高強度の静電ナノピンセヅトを提供できる。

請求項 8の発明によれば、ナノピンセットを試料に対し X Y Z方向に移動制御する 3次元駆動機構を装備したから、ナノピンセット又は静電ナノピンセットでナノ物質を把持し、所望位置まで移動させ、そして任意形状のナノ構造物を組み立てることができるナノマピュレーター装置を実現できる。

請求項 9の発明によれば、静電ナノピンセットを構成する 3本以上の導電性ナノチユープから選ばれた 1本のナノチューブを走査型プローブ顕微鏡用の探針として用いるから、試科表面の物性情報を検出できるナノマピュレータ装置を実現できる。また、このナノマユピユレータ装置を用いれば、試料表面上のナノ物質の位置を探し出し、そのナノ物質の形状を確認しながら、ナノ物質の把持 '移動 .放出を行うことができるなど、優れた機能を有する。

Claims

請求の範画

1 . ホルダーに基端部を固定して突設された複数のナノチューブと、これらのナノチューブ表面を絶縁被覆するコーティング被膜と、この中の 2本のナノチューブに連結されたリ一ド線からなり、このリード線間に電圧を印加して静電引力により前實己 2 本のナノチューブの先端間を開閉自在に設ける：；とを特徴とするナノピンセット。

2 . カンチレバーに突設されたピラミッド部と、このピラミッド部に基端部を固定して突設された複数のナノチューブと、この中の 2本のナノチューブに連結されたリ一ド線からなり、このリード線間に電圧を印加して静電引力により前記 2本のナノチユープの先端聞を開閉在に設けることを特徴とするナノピンセット。

3 . ホルダーに基端部を固定して突設された複数のナノチューブと、この中の少なくとも 1本のナノチューブの表面に形成された圧電膜からなり、この圧電膜に電圧を印加して庄電膜を伸縮させ前記ナノチューブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とするナノピンセット。

4 . 前記ホルダ一はカンチレバーのピラミッド部である請求項 3記載のナノピンセ V卜。

5 . カンチレパーのビラミツド部を構成する変形可能な複数のピラミッド片と、このビラミツド片の先端に突出状に固定されたナノチューブと、少なくとも 1個のビラミツド片の側面に形成された圧電膜からなり、この圧電膜に電庄を印加して圧電膜を伸縮させ、ビラミツド片を可撓自在にしてナノチューブの先端聞を開閉することを特徴とするナノピンセット。

6 . ホルダーに基端部を固定して突設された 3.本以上のナノチューブと、この中の少なくとも 3本以上のナノチューブにそれぞれ連結されたリード電極から'なり、これらのリード電極間に電庄を印加してその静電引力により前記ナノチューブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とする静電ナノピンセット。

7 . カンチレバーに突設された突出部と、この突出部に基端部を固定して突設きれた 3本以上のナノチューブと、この中の少なくとも 3本以上のナノチューブにそれぞれ連結されたリード電極からなり、これらのリード電極間に電圧を印加して静電引力により前記ナノチューブの先端閬を開閉自在に設けることを特徴とする静電ナノピンセット。

8 . 請求項 1、 2、 3、 4、 5、 6又は 7に記載のナノピンセットと、このナノピンセットを試料に対し X Y Z方向に移動制御する 3次元駆動機構とから構成され、ナノピンセットでナノ物質を試料に搬送制御することを特徴とするナノマニピュレータ

9 . ナノピンセットを構成する少なくとも 1本のナノチューブを走査型プローブ顕微鏡用の採針として用いる請求項 8記載のナノマニピュレータ装置。