JP2002301700A - ナノチューブ探針の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 容易に且つ短時間で、ナノチューブ探針を製
造することのできる方法を提供する。 【解決手段】 尖端１１を有するホルダー１０と対向電
極１２との間に交流電圧を印加すると、両電極１０、１
２を結ぶ電気力線がホルダー１０の尖端１１に集中す
る。この状態でホルダー１０の尖端１１と対向電極１２
との間にナノチューブを含む液（泳動液）１３を介在さ
せることにより、ナノチューブはその長手方向が電気力
線に沿うように配向する。そして、電気力線が集中する
ホルダー１０の尖端１１には多くのナノチューブが集中
し、一部はホルダー１０の尖端１１に付着する。付着し
たナノチューブ１４は、ファン・デル・ワールス(Van d
er Vaals)力によりホルダー１０の尖端１１に固定され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査トンネル顕微
鏡（Scanning Tunneling Microscope;ＳＴＭ）、原子間
力顕微鏡（Atomic Force Microscope;ＡＦＭ）等の走査
プローブ型顕微鏡、或いは、物質の表面を原子単位で操
作するナノ操作装置（Atomic/Molecular Manipulator）
等に用いられる探針（プローブ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分解能の実空間像を得る装置としてＳ
ＴＭやＡＦＭが広く用いられるようになってきたが、そ
れらの最も重要な部品の一つが探針（プローブ）であ
る。これらの顕微鏡は、探針の先端と対象物の表面との
トンネル電流や原子間力により表面の性状を検出するも
のであるため、その先端の品質が像の分解能を左右す
る。

【０００３】この探針として、導電性が要求されるＳＴ
Ｍでは先端を鋭く化学エッチした金属線、或いは単には
さみで切り落としただけの金属線が使われている。ま
た、導電性が要求されないＡＦＭでは、微細加工により
作製されたシリコン又は窒化シリコンのピラミッドがよ
く用いられている。どちらの場合も探針の先端は数十nm
程度の広がりを持っているが、このような鈍な先端でも
サブナノメートルオーダーの分解能が得られるのは、広
がりを持った先端の中に原子スケールの突起がたまたま
都合の良い場所にできていて、それが試料表面との主要
な接触点となるからである。しかし、そのような突起が
存在する場合でも、そのサイズ、形、組成は全くわから
ないし、走査中もよく変化するといわれている。

【０００４】そこで、カーボンナノチューブを探針とし
て使用するという提案がなされた（Nature, 384(1996),
p.147）。カーボンナノチューブはネットワーク状のグ
ラファイト型炭素により形成されるチューブであり、単
層壁であるシングルウォールタイプと多層壁を持つマル
チプルウォールタイプがある。長さはいずれも数十nmか
ら数μm程度であるが、直径はシングルウォールタイプ
のものが0.4〜5nmであるのに対し、マルチプルウォール
タイプのものは2〜50nmと大きく異なる。しかし、いず
れにせよこのように高いアスペクト比を有するナノチュ
ーブを探針として用いれば、上記従来の探針よりも遙か
に鋭い先端を得ることができる。その結果、例えば図５
(a)のように従来のピラミッド型の探針では十分トレー
スすることができないような急峻な表面凹凸も、同図
(b)に示すように精度良く検出することができるように
なる。また、マルチプルウォールタイプのような導電性
のカーボンナノチューブを用いた場合には、ＳＴＭとＡ
ＦＭの双方に探針として使用することができる。

【０００５】カーボンナノチューブはこのように小さな
ものであるため、これを実際に探針の先端に固定するに
は困難が伴う。特開2000-227435及び特開2000-249712に
はカーボンナノチューブをホルダに固定するための方法
が開示されているが、いずれも、複数本のナノチューブ
を束ね、その中の１本のナノチューブを突出させたもの
（ＮＴ束）をコーティング膜でホルダーに固定するとい
うものである。コーティング膜としては、浮遊炭素物質
を電子ビームで堆積させるカーボン膜やＣＶＤ（化学気
相析出法）・ＰＶＤ（物理蒸着法）等により形成するこ
とが考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開2000-227435
には、ナノチューブをホルダーに固定する具体的方法が
次のように記載されている（同公報の請求項１０）。カ
ーボンナノチューブを分散させた電気泳動液４１内の電
極４２、４３間に電圧を印加して（図４(a)）、電極４
２にナノチューブ４４を突出状に付着させる（第１工
程。同図(b)）。このようにしてナノチューブ４４を突
出状に付着させた電極４２とホルダー４５とを極微接近
させ（同図(c)）、ナノチューブ４４の先端部が突出し
た状態で、その基端部がホルダー面に付着するようにナ
ノチューブ４４をホルダー４５に転移させる（第２工
程）。ホルダー面に付着したナノチューブ４４の基端部
を少なくとも含む所要領域をコーティング処理する。こ
のコーティング膜により、ナノチューブがホルダーに固
着される（第３工程）。

【０００７】なお、特開2000-249712では上記第３工程
が「ナノチューブとホルダーの間に電流を流して基端部
をホルダーに融着させる」（請求項９）又は「電子ビー
ム照射によりナノチューブの基端部をホルダーに融着さ
せる」（請求項１０）とされている。

【０００８】しかし、いずれにおいても、ナノチューブ
４４をホルダー４５に移転させる第２工程では、「電子
顕微鏡内で実観察しながら操作する」こととされている
（両公報とも請求項１１及び[００４２]〜[００４
４]）。前記の通り、ナノチューブは太さが1nm以下から
数十nmという極微のものであるため、このように電子顕
微鏡内で実際にナノチューブの先端とホルダーの先端と
を３次元的に突き合わせる（図４(c)）ことは非常に困
難であり、職人的な技術が必要とされる。すなわち、従
来の方法では誰でもが容易に探針を製造するということ
ができず、また、１本の探針を作製するために非常に長
い時間がかかるという欠点があった。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、容易に
且つ短時間で、ナノチューブを尖端に有する探針を製造
することのできる方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係るナノチューブ探針の製造方法
は、尖端を有するホルダーと対向電極との間にナノチュ
ーブを含む泳動液を介在させ、所定の交流電圧を印加す
ることによりホルダーの該尖端にナノチューブを固定す
るというものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】ホルダーと対向電極との間に電圧
を印加すると、両電極を結ぶ電気力線がホルダーの尖端
に集中する。この状態で図１に示すようにホルダー１０
の尖端１１と対向電極１２との間にナノチューブを含む
液（泳動液）１３を介在させることにより、ナノチュー
ブはその長手方向が電気力線に沿うように配向する。そ
して、電気力線が集中するホルダー１０の尖端１１には
多くのナノチューブが集中する。これらのナノチューブ
１４の一部は、図２(a)に示すようにホルダー１０の尖
端１１に付着する。同図(b)に示すように複数のナノチ
ューブ１４が付着する場合もあるが、多くの場合、いず
れか１本のナノチューブが最も突出して付着するので、
それを探針の尖端として使用することができる。仮に、
複数のナノチューブがほぼ同一の長さに突出するように
付着したものがあれば、それは検査により排除するよう
にすればよい。

【００１２】付着したナノチューブ１４は、ファン・デ
ル・ワールス(Van der Vaals)力によりホルダー１０の
尖端１１に固定される。ナノチューブ１４は上記のよう
に径が小さいものであるため、この固定力は非常に強
く、何らの接着手段を必要としない。このナノチューブ
１４の固定は、泳動液１３を介在させた後数分程度で行
われる。従って、両電極間１０、１２に泳動液１３を介
在させてから数分後にホルダー１０を泳動液１３から引
き揚げることにより、ホルダー１０の尖端１１にナノチ
ューブ１４が固定された探針が得られる。

【００１３】ホルダー１０としては、従来よりＳＴＭや
ＡＦＭ等の探針として用いられていた金属線やシリコン
又は窒化シリコンのピラミッドを使用することができ
る。金属線の場合はそのまま使用することができるが、
シリコンや窒化シリコンのように非導電体又は半導体の
場合は、予めＣＶＤ、ＰＶＤ等により表面を導体膜（金
属膜、炭素膜等）で覆っておく。なお、従来のＳＴＭや
ＡＦＭ等で用いられているカンチレバーそのものをホル
ダーとしてもよい。

【００１４】本発明者の実験によると、ホルダー１０の
尖端１１と対向電極１２との間に印加する電圧は、交流
とする必要がある。また、その周波数は1〜20MHzである
ことが望ましい。電圧の大きさはホルダー１０の尖端１
１と対向電極１２との間の距離に応じて適宜設定する必
要があるが、例えば、通常それ自身で探針として使用さ
れているシリコンピラミッド（に金属膜を被覆したも
の）をホルダー１０として使用した場合、その尖端１１
と対向電極１２との間の距離を30μmとしたときに電圧
は1V程度としておく。

【００１５】ナノチューブを含む液（泳動液）１３につ
いては特に限定されることはなく、メタノール、エタノ
ール等の一般に用いられている液を用いることができ
る。

【００１６】ホルダー１０と対向電極１２との間の距離
を定めるには種々の方法をとることができるが、一例と
してはＡＦＭ装置を用いることができる。すなわち、一
旦ホルダー１０の尖端１１と対向電極１２とを原子間力
が働く距離まで近づけた後、所定の距離だけ離すという
方法で、両者間の正確な距離を定めることができる。

【００１７】泳動液は、ホルダー１０の尖端１１と対向
電極１２の間の距離を定める前に導入しておいても構わ
ないし、距離を定めた後、電圧を印加する前でもよい。
更には、泳動液の液のみの導入と、その液へのナノチュ
ーブの投入とを時間的に分離してもよい。

【００１８】具体的には、例えば、まずホルダー１０の
尖端１１と対向電極１２との間の距離を定めて両者を配
置し、電圧を印加した後にナノチューブが入った泳動液
を流し込む。或いは、距離を定めた後、液のみを流し込
み、電圧を印加した後に液にナノチューブを投入する。
更には、液の中にホルダー１０の尖端と対向電極１２と
を漬けた状態で両者間の距離を定め、電圧を印加した後
にナノチューブを投入してもよい。

【００１９】

【発明の効果】本発明に係る方法では、ホルダーともう
一方の電極とを対向させ、印加電圧に応じた距離だけ離
しておけばよいため、何らの熟練や時間を要することな
く、非常に容易且つ短時間に必要な設定を行うことがで
きる。

【００２０】本発明が優れている点は、上記のような方
法であるため、多数のホルダーに対して上記操作を一挙
に行うことができるということである。すなわち図３に
示すように、対向電極を平板電極２２とし、複数のホル
ダー２０の尖端２１を平板電極２２に対して略同一距離
に対向して配置した状態で両者間にナノチューブを分散
させた泳動液を介在させることにより（或いは、泳動液
を介在させた状態で電圧を印加することにより）、複数
のホルダー２０に対して一度に、それらの尖端２１にナ
ノチューブを固定することができる。これにより、探針
の大量生産が可能となる。

【００２１】なお、本発明に係る方法は、現時点で最も
一般的に用いられているカーボンナノチューブの他、そ
の炭素原子の一部又は全部がホウ素（Ｂ）やチッ素
（Ｎ）に置き換わったＢＣＮナノチューブやＢＮナノチ
ューブ等に対しても適用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施態様の一例を示す側面図。

【図２】 本発明に係る方法により製造された探針の先
端の状態を示す側面図。

【図３】 本発明に係る方法を用いて行われるナノチュ
ーブ探針の大量生産方法の概念を示す斜視図。

【図４】 従来のナノチューブ探針の製造方法を示す工
程図。

【図５】 ピラミッド型探針とナノチューブ探針との検
出動作における差異を示す説明図。

【符号の説明】

１０、２０…ホルダー １１、２１…ホルダーの尖端 １２…対向電極 ２２…平板対向電極 １３…ナノチューブ泳動液 １４…ナノチューブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 啓文 京都市左京区吉田本町 京都大学ベンチャ ービジネスラボラトリー内 (72)発明者 松重 和美 京都市左京区吉田本町 京都大学ベンチャ ービジネスラボラトリー内 Ｆターム(参考） 4G046 CA00 CB01 CB08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 尖端を有するホルダーと対向電極との間
   にナノチューブを含む液を介在させ、所定の交流電圧を
   印加することによりホルダーの該尖端にナノチューブを
   固定することを特徴とするナノチューブ探針の製造方
   法。
2. 【請求項２】 対向電極を平板電極とし、複数のホルダ
   ーの尖端を平板電極に対して略同一距離に対向して配置
   することを特徴とする請求項１記載のナノチューブ探針
   の製造方法。
3. 【請求項３】 ナノチューブがカーボンナノチューブで
   あることを特徴とする請求項１又は２に記載のナノチュ
   ーブ探針の製造方法。
4. 【請求項４】 尖端を有するホルダーが、表面を導体膜
   で覆った非導体又は半導体から成ることを特徴とする請
   求項１〜３のいずれかに記載のナノチューブ探針の製造
   方法。
5. 【請求項５】 上記ホルダーとして導電性カンチレバー
   を利用する請求項１〜３のいずれかに記載のナノチュー
   ブ探針の製造方法。