JP2003229564A - カーボンナノチューブデバイスの作製方法、およびカーボンナノチューブデバイス - Google Patents
カーボンナノチューブデバイスの作製方法、およびカーボンナノチューブデバイスInfo
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Abstract
ブと電極とをオーミック接続することが可能なカーボン
ナノチューブデバイスの作製方法、およびオーミック接
続されたカーボンナノチューブデバイスを提供するこ
と。 【解決手段】 カーボンナノチューブ17を内部電極1
6aに接続する接続工程を含み、前記接続工程が、針状
または棒状の外部電極10の端部ないしその周辺に、導
電体を付着させる導電体付着工程と、カーボンナノチュ
ーブ17を内部電極16aの所定の接続部位に接触ない
し近接させて配置する配置工程と、前記接続部位に、外
部電極10の導電体が付着した端部を近接させる近接工
程と、外部電極10に付着した導電体を、前記接続部位
ないしその周辺に移動させて、カーボンナノチューブ1
7と内部電極16aとを接続させる転写工程と、を含む
ことを特徴とするカーボンナノチューブデバイスの作製
方法、およびカーボンナノチューブデバイスである。
Description
ンナノチューブを含むカーボンナノチューブデバイスお
よびその作製方法に関し、詳しくは、当該デバイス内の
内部電極とカーボンナノチューブとを接続する工程を含
むカーボンナノチューブデバイスの作製方法、およびカ
ーボンナノチューブデバイスに関する。
ァイバーと呼んでいるが、直径数μm以上の太さの構造
材料として用いられるカーボンファイバーは、従来から
何種類もの製法が研究されて来ている。その中で現在で
はPAN(ポリアクリロニトリル)系やピッチ系の原料
から作製する製法が主流を占めている。
ノチューブは直径1μm以下の太さのチューブ状材料で
あり、理想的なものとしては炭素6角網目の面がチュー
ブの軸に平行になって管を形成し、さらにこの管が多重
になることもある。このカーボンナノチューブは炭素で
できた6角網目の繋り方や、チューブの太さにより金属
的あるいは半導体的なることが理論的に予想され、将来
の機能材料として期待されている。
放電法を利用するのが一般的になっているが、この他、
レーザー蒸発法や熱分解法、プラズマ利用等が近年研究
されてきている。ここで近年開発されたカーボンナノチ
ューブについて概説する。
ファイバーよりも細い1μm以下の材料は、通称カーボ
ンナノチューブと呼ばれ、カーボンファイバーとは区別
されているが、特に明確な境界はない。狭義には、炭素
の6角網目の面が軸とほぼ平行である材料をカーボンナ
ノチユーブと呼び、カーボンナノチューブの周囲にアモ
ルファス的なカーボンが存在する場合もカーボンナノチ
ューブに含めている(なお、本発明においてカーボンナ
ノチューブとは、この狭義の解釈が適用される。)。
さらに分類され、6角網目のチューブが1枚の構造のも
のはシングルウォールナノチューブ(以下、「SWN
T」と略称する場合がある。)と呼ばれ、一方、多層の
6角網目のチューブから構成されているものはマルチウ
ォールナノチューブ(以下、「MWNT」と略称する場
合がある。)と呼ばれている。どのような構造のカーボ
ンナノチューブが得られるかは、合成方法や条件によっ
てある程度決定されるが、同一構造のカーボンナノチュ
ーブのみを生成することは未だにできていない。
行で円筒状の網目構造が発達しない。触媒を利用した気
相熱分解法では、チューブの中心付近に軸に平行でかつ
チューブ状の網目構造があるが、その周囲に乱れた構造
の炭素が多く付着している場合が多い。
製造方法であるアーク放電法について、以下に簡単に説
明する。アーク放電法は、Iijimaにより最初に見
出され、詳細は、Nature(Vol.354,19
91,p56〜58)に記載されている。アーク放電法
とは、アルゴン約13300Pa(100Torr)の
雰囲気中で炭素棒電極を用いて直流アーク放電を行うと
いう単純な方法である。カーボンナノチューブは負電極
の表面の一部分に5〜20nmの炭素微粒子と共に成長
する。このカーボンナノチューブは直径4〜30nmで
長さ約1〜50μmのチューブ状の炭素の網目が重なっ
た層状構造であり、その炭素の網目構造は、軸に平行に
螺旋状に形成されている。
ーブ内の層ごとに異なっており、多層チューブの場合の
層間距離は0.34nmとグラファイトの層間距離にほ
ぼ一致する。
気伝導性を有するが、これを電子デバイス(以下、単に
「デバイス」という場合がある。)の材料として用いる
ためには、電極に接続する必要がある。
置して、その電気抵抗を測定すると、多くの場合、カー
ボンナノチューブ本体として予測される抵抗値よりも大
きな抵抗値が計測される。これは、カーボンナノチュー
ブと金属電極との間に発生した接触抵抗などに起因する
ものと考えられるが、カーボンナノチューブの工業的応
用には、この接触抵抗を軽減させた、カーボンナノチュ
ーブと電極とのオーミック接触を実現させることが極め
て重要である。
(金パッド)が良く用いられているが、オーミック接続
の取れる場合と取れない場合がさまざまであり、なかな
か再現性が取れない。カーボンナノチューブと金属電極
との間のオーミック接続を実現させる手段としては、例
えば以下のものが挙げられる。
ラファイト化して、これを電極とカーボンナノチューブ
との間に介在させる方法。 (2)金パッド上にカーボンナノチューブを配置して、
その接合部に電子ビームを照射する方法(Applie
d Physics Letters, 1998 V
ol.73 274参照)。
る方法(Applied Physics Lette
rs, 1999 Vol.75 627参照)。 (4)電極材料として、オーミック接続をとりやすいS
c、Ti、V等の遷移金属を用いる方法(Applie
d Physics Letters, 2000 V
ol.76 3890参照)。
ボンナノチューブとの接合部を化合させる方法 a)Siや遷移金属(Tiなど)とカーボンナノチュー
ブとを接合させ加熱すると、そのSiや遷移金属はカー
ボンナノチューブの炭素と反応して、その化合物である
炭化物(炭化シリコン、炭化金属)の生成が確認されて
いる。そのとき、カーボンナノチューブとその炭化物は
原子レベルでなめらかに接合し、両者の電気的接続はよ
り良好になる(Science, 1999 V0l.
285 1719参照)。
ブとを接合して950℃まで加熱すると、接合部は両者
の化合物である炭化ニオブとなることが確認されている
(Applied Physics Letters,
2000 Vol.77 966参照)。
極に接合したデバイスで、その接合部が炭化チタンとな
るように800℃の熱処理を行うことで、両者がオーミ
ック接続となる場合があることが確認されている(Jo
urnal of Physics D, 2000
vol.33 1953参照)。また、Physica
l Review Letters, 2001 vo
l.87 256805においては、X線回折による分
析により、800℃以上において安定なTiCが形成で
きていることが報告されている。
ブと電極とのオーミック接続を実現しようとしている
が、いずれの方法によっても完全なオーミック接続を実
現することは困難であり、オーミック接続の再現性は十
分でなかった。また、加熱により積極的に電極部位とカ
ーボンナノチューブとの接合部を化合させる方法では、
熱によりカーボンナノチューブ自体が破壊してしまう懸
念があるため、あまり高温で加熱することができず、や
はり完全なオーミック接続を実現することは困難であ
り、オーミック接続の再現性は十分でなかった。
は、良好にかつ高い再現性でカーボンナノチューブと電
極とをオーミック接続することが可能なカーボンナノチ
ューブと電極との接続工程を採用したカーボンナノチュ
ーブデバイスの作製方法、およびオーミック接続された
カーボンナノチューブデバイスを提供することにある。
発明により達成される。すなわち本発明は、 <1> カーボンナノチューブを内部電極に接続する接
続工程を含むカーボンナノチューブデバイスの作製方法
であって、前記接続工程が、針状または棒状の外部電極
の端部ないしその周辺に、導電体を付着させる導電体付
着工程と、前記カーボンナノチューブを前記内部電極の
所定の接続部位に接触ないし近接させて配置する配置工
程と、前記接続部位に、前記外部電極の導電体が付着し
た端部を近接させる近接工程と、前記外部電極に付着し
た導電体を、前記接続部位ないしその周辺に移動させ
て、前記カーボンナノチューブと前記内部電極とを接続
させる転写工程と、を含むことを特徴とするカーボンナ
ノチューブデバイスの作製方法である。
内部電極との間に電圧を印加し、その電界で発生する電
気力により、前記外部電極に付着した導電体を、前記接
続部位に移動させる工程であることを特徴とする<1>
に記載のカーボンナノチューブデバイスの作製方法であ
る。 <3> 転写工程において前記外部電極と前記内部電極
との間に印加する電圧が、パルス電圧であることを特徴
とする<2>に記載のカーボンナノチューブデバイスの
作製方法である。
前記内部電極との間に印加する電圧による電界強度が、
前記カーボンナノチューブの電界蒸発閾値よりも小さい
ことを特徴とする<2または3に記載のカーボンナノチ
ューブデバイスの作製方法である。 <5> 前記外部電極の蒸発電界強度が、前記導電体の
蒸発電界強度よりも大きいことを特徴とする<2>〜<
4>のいずれか1に記載のカーボンナノチューブデバイ
スの作製方法である。
を特徴とする<1>〜<5>のいずれか1に記載のカー
ボンナノチューブデバイスの作製方法である。 <7> 前記導電体が、チタンを含む粒子であることを
特徴とする<6>に記載のカーボンナノチューブデバイ
スの作製方法である。 <8> 前記カーボンナノチューブが、マルチウォール
カーボンナノチューブであることを特徴とする<1>〜
<7>のいずれか1に記載のカーボンナノチューブデバ
イスの作製方法である。
ングルウォールカーボンナノチューブであることを特徴
とする<1>〜<7>のいずれか1に記載のカーボンナ
ノチューブデバイスの作製方法である。 <10> 前記外部電極における、導電体を付着させる
端部が、先鋭化されたものであることを特徴とする<1
>〜<9>のいずれか1に記載のカーボンナノチューブ
デバイスの作製方法である。
接続部位における前記導電体を炭化させる加熱工程を含
むことを特徴とする<1>〜<10>のいずれか1に記
載のカーボンナノチューブデバイスの作製方法である。 <12> 前記接続工程に、走査型プローブ顕微鏡を使
用することを特徴とする<1>〜<11>のいずれか1
に記載のカーボンナノチューブデバイスの作製方法であ
る。
に接続されているカーボンナノチューブを含むカーボン
ナノチューブデバイスであって、前記内部電極と前記カ
ーボンナノチューブとを電気接続する導電性粒子を備え
ることを特徴とするカーボンナノチューブデバイスであ
る。 <14> <1>〜<12>のいずれか1に記載のカー
ボンナノチューブデバイスの作製方法により作製された
ことを特徴とする<13>に記載のカーボンナノチュー
ブデバイスである。
カーボンナノチューブデバイスに含まれ、カーボンナノ
チューブと電気的に接続される電極を指し、一方、「外
部電極」とは、本発明の方法において前記導電体を前記
カーボンナノチューブと前記内部電極との前記接続部位
ないしその周辺に配置するための電極であり、カーボン
ナノチューブデバイスを作製する道具の一種と捉えられ
る。したがって、「外部電極」は、最終的に得られるカ
ーボンナノチューブデバイスに含まれる必要はない。
バイスの作製方法において作製対象となるカーボンナノ
チューブデバイスは、カーボンナノチューブデバイスを
デバイスの材料として含むもの一般であり、カーボンナ
ノチューブのみを利用して、その電気特性からトランジ
スタ、ダイオード、リード等として用い得るものから、
カーボンナノチューブ自体はデバイスの一部を成し、全
体として電気的な各種機能を発現するものまで、全てを
包含する。いずれにしてもデバイスとして用いるには、
カーボンナノチューブに導通を図るための電極接続が要
求され、本発明は、当該電極の接続工程に特徴を有する
ものである。
導電体付着工程と、配置工程と、近接工程と、転写工程
と、に分けることができ、さらに必要に応じて加熱工程
が含まれる。以下、本発明における接続工程を、その下
位概念としての上記各工程ごとに説明する。なお、本実
施形態においては、走査型プローブ顕微鏡(STM)を
使用した。走査型プローブ顕微鏡は、ナノオーダーで観
察しながら操作をすることができるのに加え、STMの
深針を本発明の外部電極として用いることもできるた
め、本発明の方法に使用するのに適している。
状または棒状の外部電極の端部ないしその周辺に、導電
体を付着させる工程である。図1は、導電体付着工程を
説明するための模式説明図である。図1において、10
は、STMのタングステン深針であり、適当な基板11
表面に形成されたチタン薄膜12に一方の端部が近接状
態で対向配置されている。タングステン深針10とチタ
ン薄膜12との距離は、後述の電界蒸発が生じる程度に
十分に近接していることが望まれる。具体的には、印加
電圧や使用する各種材料の種類等により、適宜設定す
る。
グステン深針10を用いているが、本発明において外部
電極はこれに限定されず、針状または棒状の導電体から
なるものであれば、問題なく使用することができる。た
だし、前記外部電極における、導電体を付着させる端部
が、先鋭化されたものであることが望ましい。前記外部
電極の端部を先鋭化させる方法としては、特に制限はな
く、電解エッチング等公知の方法を採用することができ
る。図2に、電解エッチングして端部を先鋭化させたタ
ングステン深針10の電子顕微鏡(SEM)写真(倍率
150倍。但し、倍率は写真の引き伸ばし等の条件によ
り誤差が生じている。以下、SEM写真において同
様。)を示す。
ステン深針10の端部ないしその周辺に付着する導電体
である。本実施形態においては、チタンを用いている
が、本発明においてはこれに限定されず、各種金属を用
いることができ、中でもチタン、スカンジウム、バナジ
ウムおよびこれらを含む合金が好ましく、特にチタンを
含むものが好ましい。
針10と基板11との間に、タングステン深針10が陽
極、基板11が陰極となるように電源装置13を接続す
る。そして電源装置13により直流電圧を印加すると、
図1(b)に示すように、チタン薄膜12が電界蒸発し
て粒子化し、タングステン深針10の端部ないしその周
辺に、チタン粒子14として付着する。このとき、チタ
ン薄膜12の表面からタングステン深針10にチタンが
移転するため、チタン薄膜12の表面には、穴が開く。
図3に、電界蒸発により穴が開いたチタン薄膜12の表
面の電子顕微鏡写真(倍率25000倍)を示す。
印加する電圧は、例えば矩形波のパルス電圧が用いられ
る。電圧の大きさとしては、具体的には、タングステン
深針10とチタン薄膜12との距離や深針の太さ、使用
する各種材料の種類等により、適宜設定する。また、こ
れらを適宜選択することで、タングステン深針10に付
着する導電体(チタン粒子14)の量(粒径)を調整す
ることができる。
発しにくい材料を用いることが望ましい。前記導電体よ
りも電界蒸発しにくい外部電極とすることで、電界印加
により前記導電体を有効に外部電極の端部ないしその周
辺に、付着させることができる。電界蒸発のし難さの指
標としては、蒸発電界強度を採用することができる。蒸
発電界強度とは、以下の式(1)で表すことができる。
は下地原子との結合力、Inはn価のイオン化エネルギ
ー、φは仕事関数、r0は原子半径、dは外部電極先端
から試料表面までの距離をそれぞれ表す。したがって、
前記外部電極の蒸発電界強度としては、前記導電体の蒸
発電界強度よりも大きいことが好ましい。
度Fevについて、本実施形態で前記導電体として用いた
チタンと他の金属との関係を下記表1に示す。
電極として用いたタングステンは、前記導電体として用
いたチタンに比べて十分に蒸発電界強度Fevが大きいこ
とがわかる。
は、チタン粒子14が付着するが、本発明において外部
電極に付着させる導電体は粒子状であることが望まし
い。粒子状の導電体とすることで、後述の転写工程で転
写された際に、良好なオーミック接続が高い再現性で実
現する。なお、導電体は1つの粒子である必要はなく、
複数のクラスター状の導電体であってもよい。
ューブをデバイスの内部電極の所定の接続部位(本発明
に言う「接続部位」とは、カーボンナノチューブを接続
しようとする内部電極における部位を指す。)に接触な
いし近接させて配置する工程である。配置の際、完全に
接触させなくても本発明の方法により両者が最終的に接
続される程度に近接していればよい。
は、マルチウォールカーボンナノチューブ(MWNT)
でも、シングルウォールカーボンナノチューブ(SWN
T)でも構わない。デバイスとして用いるに適したカー
ボンナノチューブを選択すればよい。また、カーボンナ
ノチューブの変形として知られている円錐形(ナノホー
ン)、ナノビーズ、ナノコイル、チューブ径が長手方向
で変化しているナノチューブ等も本発明に言うカーボン
ナノチューブの概念に含まれ、これらも適宜使用するこ
とができる。
表面に形成された内部電極としてのチタン電極16a,
16bの表面に、カーボンナノチューブ17を配置した
状態を模式的に表す模式断面図を示す。カーボンナノチ
ューブと内部電極との接触ないし近接は、このように単
に、チタン電極16a,16b表面にカーボンナノチュ
ーブ17を載せることによりなされる。この配置の操作
は、走査型プローブ顕微鏡を用いることにより、容易に
実行できる。
に、前記外部電極の導電体が付着した端部を近接させる
工程である。前記外部電極の端部と前記接続部位との距
離は、後述の電界転写が生じる程度に十分に近接してい
ることが望まれる。具体的には、印加電圧や使用する各
種材料の種類等により、適宜設定する。
付着工程の操作を施すことにより、チタン粒子14が端
部に付着したタングステン深針10を、上記配置工程の
操作を施すことにより、チタン電極16a,16bの表
面にカーボンナノチューブ17を配置した図4の状態に
おける両者の接続部位に、近接させた状態を模式的に表
す模式断面図である。図4において接続部位は、チタン
電極16a,16bの2箇所が想定されるが、本図にお
いては、チタン電極16aとカーボンナノチューブ17
との接続部位にタングステン深針10を近接させた状態
を示している。勿論、チタン電極16bとカーボンナノ
チューブ17との接続部位を接続させる際には、当該接
続部位にタングステン深針10を近接させることとな
る。さらに、図5に示すように、タングステン深針10
とチタン電極16aとの間に、タングステン深針10が
陽極、チタン電極16aが陰極となるように電源装置1
8を接続する。
付着した導電体を、前記接続部位ないしその周辺に移動
させて、前記カーボンナノチューブと前記内部電極とを
接続させる工程である。ここで、「接続部位ないしその
周辺」とは、カーボンナノチューブを接続しようとする
内部電極における部位およびその周辺の他、カーボンナ
ノチューブにおける接続部位と接触する部位およびその
周辺を指す。
た導電体が、前記接続部位ないしその周辺に移動させ得
る操作であれば、いずれの手法を採用しても構わない
が、前記外部電極と前記内部電極との間に電圧を印加
し、その電界で発生する電気力により、前記外部電極に
付着した導電体を、前記接続部位に移動させることが好
ましい。
よりタングステン深針10とチタン電極16aとの間に
直流電圧を印加することで、その電界で発生する電気力
により、タングステン深針10の端部のチタン粒子14
がチタン電極16aとカーボンナノチューブ17との接
続部位に移動する。この転写工程による操作を行うこと
で、チタン粒子を介してチタン電極16aとカーボンナ
ノチューブ17とが、接続部位で良好にオーミック接続
される。この操作をチタン電極16bとカーボンナノチ
ューブ17との接続部位にも施すことで、チタン電極1
6a,16bとカーボンナノチューブ17とがオーミッ
ク接続され、さらに必要に応じてデバイス化のための各
種操作を施して、本発明のカーボンナノチューブデバイ
スが完成する。
ボンナノチューブ17とが、チタン粒子14’,14”
を介して接続された状態を模式的に表す模式断面図を示
す。また、実際にチタン電極とカーボンナノチューブと
が、転写されたチタン粒子を介して接続された状態を各
種手法により撮影した電子顕微鏡像を図7〜図9に示
す。図7はAFMを用いて撮影した表面凹凸像であり、
図8はAFMを用いて撮影した表面凹凸立体像であり、
図9はSEMを用いて撮影(倍率11000倍)したも
のである。これら写真を見てもわかるように、チタン粒
子はチタン電極とカーボンナノチューブとの接続部位に
転写されている。
チューブ17との間に印加する電圧としては、パルス電
圧(例えば矩形波)であることが好ましい。電圧の大き
さとしては、具体的には、タングステン深針10と前記
各接続部位との距離や使用する各種材料の種類等によ
り、適宜設定する。
ナノチューブ自身が消失(蒸発)してしまう場合があ
る。したがって、その電圧値を上限としたパルス電圧を
印加することが望ましい。この消失(蒸発)の現象は、
電界蒸発強度として知られている。すなわち、転写工程
において前記外部電極と前記内部電極との間に印加する
電圧による電界強度としては、前記カーボンナノチュー
ブの電界蒸発閾値よりも小さいことが望ましい。
発明のカーボンナノチューブデバイスが作製される。な
お、本発明のカーボンナノチューブデバイスは、少なく
とも、内部電極と電気的に接続されているカーボンナノ
チューブを含むカーボンナノチューブデバイスであっ
て、前記内部電極と前記カーボンナノチューブとを電気
接続する導電性粒子を備えることを特徴とするものであ
る。
て、金属粒子等の導電体を外部電極に付着させること、
および、その導電体を電圧印加等の操作によりカーボン
ナノチューブと内部電極との接続部位に転写すること、
の組み合わせにある。単にカーボンナノチューブと内部
電極との接続部位にパルス電圧を印加するのみでは、内
部電極とカーボンナノチューブとはほぼ同電位にあり、
電界の効果が小さい。そのため、内部電極とカーボンナ
ノチューブとのオーミック性を改善することは困難であ
る。
させた場合には、カーボンナノチューブ表面と外部電極
との間、および、内部電極と外部電極との間、のそれぞ
れに電界が加えられるため、まず、(オーミック性を妨
げるような)表面異物の一部が除去される。さらに、導
電体が転写された場合には、カーボンナノチューブ表面
と導電体、並びに、内部電極と導電体、がそれぞれ接触
しオーミック接続状態となるため、その結果として、カ
ーボンナノチューブ表面と内部電極との電気的接触(オ
ーミック性)が改善するものと推定することができる。
また、導電体が接着剤の役割を担う状態となり、固着性
能が向上することも期待できる。さらに、電界による加
速の効果もあり、導電体とカーボンナノチューブや基板
電極の電気的接触(オーミック性)は高くなるものと推
定される。
金粒子を用いてもオーミック性の改善は可能である。た
だ、チタン粒子を使用したほうが、より再現性よくオー
ミック接続を確保できる。これは定かではないが、電界
加速されたチタン粒子との接触において、カーボンナノ
チューブ表面と化学的結合(炭化チタン形成による共有
結合)が発生していることが予想される。
粒子形成に関しては、「Physical Revie
w Letter, 1990 vol.65 241
8」、「Physical Review B, 19
91 Vol.44 13703」、「Japan J
ournal of applied physic
s, 1994 vol.33 L1358」、「Ja
pan Journalof applied phy
sics, 1999 vol.38 3863」、に
金属材料を基板側に電界蒸発させ、基板上に粒子を形成
することが記載されてあり、これらの方法を利用して、
外部電極に、導電体である導電性粒子を付着させること
ができる。上記4つの文献のうち、前3者の文献には、
粒子形成材として主に金を使用した例が示されており、
最後の文献にはニッケルを使用した例が示されている。
性粒子)として、炭化する材料を使用する場合には、転
写工程により前記カーボンナノチューブと前記内部電極
とを接続させた後、さらに加熱工程による操作を施すこ
とで、前記カーボンナノチューブと前記内部電極との物
理的な接続をより強固なものとすることもできる。当該
加熱工程は、本発明において必須の工程ではない。ま
た、転写工程だけでも十分強固な接続が得られる場合も
多い。ここで加熱工程とは、前記接続部位における前記
導電体を炭化させる工程である。
電体とカーボンナノチューブとの炭化による化合が進
む。しかし、カーボンナノチューブの種類によっては、
その熱によって破壊されてしまう場合があるので、加熱
温度・加熱時間に留意することが望ましい。
ーボンナノチューブ17と内部電極であるチタン電極1
6a,16bとの接続状態を模式的に表す模式断面図を
示す。チタン粒子14’,14”が酸化して炭化チタン
19’,19”となり、カーボンナノチューブ17とチ
タン電極16a,16bとの物理的な接続が、より強固
なものとなっている。
説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるもので
はない。 <共通の実験条件> ・実験に供した装置:SEM/STM複合装置(SE
M:HITACHI社製S−4500,STM:Top
oMetrix AtomTracer)・・・図11
にその構造の概略を示す。
ド社製 HP8114A ・加工条件:アプローチ時のトンネル電流値・・・0.
5nA,バイアス電圧・・・1V、これにパルス電圧を
重畳、フィードバック回路は切り離さない。 ・使用基板:500nm酸化膜つきのシリコンウエハー ・真空度:−10-6Torr(−1.33×10-4P
a)
て、直径250μmのタングステン製ワイヤーを用意し
た。このタングステン深針を陽極側とし、対向電極に白
金(陰極)を使用し、電位差1.4Vの電圧を印加し
て、KOH濃度0.25N(規定)の酸溶液中で、5分
程度電解エッチングし、一方の端部を先鋭化して、図2
の写真に示す状態とした。
針端部へのチタン粒子付着)図1(a)に示すように、
厚さ500Åのチタン薄膜12が基板11表面に形成さ
れたものを用い、チタン薄膜12の表面にタングステン
探針10を6オングストロームまで接近させて、10V
の電圧(パルス電圧、パルス幅150μ秒、矩形波)を
印加した。その結果、図1(b)に示すように、タング
ステン探針10の下部のチタン薄膜12に穴が開き、タ
ングステン探針10の端部にチタン粒子14が付着し
た。チタン薄膜12に穴が開いた状態は、図3に示すS
EM写真の通りである。
通りにチタン薄膜からなるチタン電極16a,16b表
面にカーボンナノチューブ17を載置した。
4が付着したタングステン探針10を、チタン電極16
a上のカーボンナノチューブ17との接続部位に、チタ
ン電極16aの表面から6Åの位置に近接して配置し
た。この状態で、印加電圧6Vおよび12Vの条件のパ
ルス電圧を印加した。印加電圧6Vではチタン粒子14
の移動は確認されず、オーミック特性の改善は見られな
かった。しかし、印加電圧12Vにおいてチタン粒子
は、基板15側(チタン電極16aとカーボンナノチュ
ーブ17との接続部位およびその周辺)に移動し、オー
ミック特性の大幅な改善が見られた。
ンナノチューブ17との接続部位においても行った。す
ると、図6に示すように、チタン粒子14’,14”が
転写されて、チタン電極16a,16bとカーボンナノ
チューブ17とが接続状態となった。
態(図6の状態・・・加工後)と、カーボンナノチュー
ブと電極とを単に物理的に接続しただけの状態(図4の
状態・・・加工前)との電気特性を比較したグラフを示
す。図12のグラフを見てもわかるように、本実施例に
よれば、カーボンナノチューブ17と電極とが良好なオ
ーミック接続していることがわかる。
800℃で加熱処理することで、加熱工程の操作を施し
た。これにより、チタン粒子とカーボンナノチューブを
化合させ炭化し、炭化チタン19’,19”とした。
は、実施例1同様、良好なオーミック特性が確認され
た。欠陥の多いカーボンナノチューブを使用したり、触
媒の残存したカーボンナノチューブを使用した場合にお
いては、カーボンナノチューブ自身が断裂してしまう結
果が散見された。
薄膜から探針端部へのチタン粒子付着を行わない状態の
タングステン深針を用いて、実施例1と同様に、配置工
程以降の操作を行った。転写工程におけるパルス電圧の
条件としては、印加電圧4V、6V、8V、10V、1
2Vおよび15Vとした。
見られなかった。すなわち、12Vまで、金電極とカー
ボンナノチューブのオーミック性は改善されなかった。
また、印加電圧15Vでは、カーボンナノチューブの破
壊(切断)が散見された。接続状態については、印加電
圧15Vでは、チタン電極16a,16bとカーボンナ
ノチューブ17とのオーミック性が改善される場合とそ
うでない場合とが生じた。これは、カーボンナノチュー
ブ17が破壊されてしまうものが存在するため、物理的
に離間してしまったり、両者の接触面積が減少してしま
ったりすることが原因と考えられる。
良好にかつ高い再現性でカーボンナノチューブと電極と
をオーミック接続することが可能なカーボンナノチュー
ブと電極との接続工程を採用したカーボンナノチューブ
デバイスの作製方法、およびオーミック接続されたカー
ボンナノチューブデバイスを提供することができる。
めの模式説明図である。
グステン深針の電子顕微鏡(SEM)写真(倍率150
倍)である。
の電子顕微鏡写真(倍率25000倍)である。
されたチタン電極の表面に、カーボンナノチューブを配
置した状態を模式的に表す模式断面図である。
にカーボンナノチューブを配置した状態における両者の
接続部位に、チタン粒子が端部に付着したタングステン
深針を近接させた状態を模式的に表す模式断面図であ
る。
ボンナノチューブとが、チタン粒子を介して接続された
状態を模式的に表す模式断面図である。
写されたチタン粒子を介して接続された状態を、AFM
を用いて撮影した表面凹凸像である。
写されたチタン粒子を介して接続された状態を、AFM
を用いて撮影した表面凹凸立体像である。
写されたチタン粒子を介して接続された状態を、SEM
を用いて撮影(倍率11000倍)した電子顕微鏡像で
ある。
チューブと内部電極との接続状態を模式的に表す模式断
面図を示す。
構造の概略を示す概略構成図である。
と、カーボンナノチューブと電極とを単に物理的に接続
しただけの状態(加工前)との電気特性を比較したグラ
フである。
Claims (14)
- 【請求項1】 カーボンナノチューブを内部電極に接続
する接続工程を含むカーボンナノチューブデバイスの作
製方法であって、前記接続工程が、 針状または棒状の外部電極の端部ないしその周辺に、導
電体を付着させる導電体付着工程と、 前記カーボンナノチューブを前記内部電極の所定の接続
部位に接触ないし近接させて配置する配置工程と、 前記接続部位に、前記外部電極の導電体が付着した端部
を近接させる近接工程と、 前記外部電極に付着した導電体を、前記接続部位ないし
その周辺に移動させて、前記カーボンナノチューブと前
記内部電極とを接続させる転写工程と、を含むことを特
徴とするカーボンナノチューブデバイスの作製方法。 - 【請求項2】 転写工程が、前記外部電極と前記内部電
極との間に電圧を印加し、その電界で発生する電気力に
より、前記外部電極に付着した導電体を、前記接続部位
に移動させる工程であ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デバイスの作製方法。 - 【請求項3】 転写工程において前記外部電極と前記内
部電極との間に印加する電圧が、パルス電圧であること
を特徴とする請求項2に記載のカーボンナノチューブデ
バイスの作製方法。 - 【請求項4】 転写工程において前記外部電極と前記内
部電極との間に印加する電圧による電界強度が、前記カ
ーボンナノチューブの電界蒸発閾値よりも小さいことを
特徴とする請求項2または3に記載のカーボンナノチュ
ーブデバイスの作製方法。 - 【請求項5】 前記外部電極の蒸発電界強度が、前記導
電体の蒸発電界強度よりも大きいことを特徴とする請求
項2〜4のいずれか1に記載のカーボンナノチューブデ
バイスの作製方法。 - 【請求項6】 前記導電体が、粒子状であることを特徴
とする請求項1〜5のいずれか1に記載のカーボンナノ
チューブデバイスの作製方法。 - 【請求項7】 前記導電体が、チタンを含む粒子である
ことを特徴とする請求項6に記載のカーボンナノチュー
ブデバイスの作製方法。 - 【請求項8】 前記カーボンナノチューブが、マルチウ
ォールカーボンナノチューブであることを特徴とする請
求項1〜7のいずれか1に記載のカーボンナノチューブ
デバイスの作製方法。 - 【請求項9】 前記カーボンナノチューブが、シングル
ウォールカーボンナノチューブであることを特徴とする
請求項1〜7のいずれか1に記載のカーボンナノチュー
ブデバイスの作製方法。 - 【請求項10】 前記外部電極における、導電体を付着
させる端部が、先鋭化されたものであることを特徴とす
る請求項1〜9のいずれか1に記載のカーボンナノチュ
ーブデバイスの作製方法。 - 【請求項11】 さらに、前記接続工程に、前記接続部
位における前記導電体を炭化させる加熱工程を含むこと
を特徴とする請求項1〜10のいずれか1に記載のカー
ボンナノチューブデバイスの作製方法。 - 【請求項12】 前記接続工程に、走査型プローブ顕微
鏡を使用することを特徴とする請求項1〜11のいずれ
か1に記載のカーボンナノチューブデバイスの作製方
法。 - 【請求項13】 少なくとも、内部電極と電気的に接続
されているカーボンナノチューブを含むカーボンナノチ
ューブデバイスであって、前記内部電極と前記カーボン
ナノチューブとを電気接続する導電性粒子を備えること
を特徴とするカーボンナノチューブデバイス。 - 【請求項14】 請求項1〜12のいずれか1に記載の
カーボンナノチューブデバイスの作製方法により作製さ
れたことを特徴とする請求項13に記載のカーボンナノ
チューブデバイス。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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