JP2004292302A - 炭素ナノチューブのマトリックス構造及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ナノ素子の多様化設計に適する炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供することを目的とする
【解決手段】 本発明は炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供し、それは基板、該基板に形成された触媒合金粒子、及び該触媒合金粒子に成長された炭素ナノチューブのマトリックスを含み、該触媒層は複数の寸法が異なった触媒粒子を含み、且つ該触媒粒子の寸法が一定の方向に沿って大きくなり、該炭素ナノチューブのマトリックスは触媒粒子が大きくなった方向へ曲げる。
また、前記構造の製法を提供し、基板に一定の方向に沿って厚くなった触媒層を形成し、保護ガス雰囲気でアニールし、該酸化層を触媒粒子に収縮させ、炭化水素ガスを導入し、該触媒粒子に炭素ナノチューブを成長する。
【選択図】 図３
【解決手段】 本発明は炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供し、それは基板、該基板に形成された触媒合金粒子、及び該触媒合金粒子に成長された炭素ナノチューブのマトリックスを含み、該触媒層は複数の寸法が異なった触媒粒子を含み、且つ該触媒粒子の寸法が一定の方向に沿って大きくなり、該炭素ナノチューブのマトリックスは触媒粒子が大きくなった方向へ曲げる。
また、前記構造の製法を提供し、基板に一定の方向に沿って厚くなった触媒層を形成し、保護ガス雰囲気でアニールし、該酸化層を触媒粒子に収縮させ、炭化水素ガスを導入し、該触媒粒子に炭素ナノチューブを成長する。
【選択図】 図３
Description
本発明は、炭素ナノチューブのマトリックス構造及びその製造方法に関するものである。
炭素ナノチューブは、特徴的な電気的性質を有し、ナノ集積回路、単分子素子など領域において広く使用されている。現在、実験室で炭素ナノチューブを用いた電界放出素子、ロジック素子及びメモリ素子などを少量で製造でき、且つ前記素子の性質を研究していて、Ｓander J Tansなどの研究内容が非特許文献１に開示されている。しかし、大規模的な製造及び工業応用に対して下から上への成長方法（Bottom Up）を使用する必要がある。
下から上への成長方法は炭素ナノチューブの成長位置、方向、大小、長さ、ねじり方などを制御することができる。Shoushan Fanなど非特許文献２に開示され及びZ. F. Renなど非特許文献３に開示されているように、触媒パターン(Patterned Catalyst)により炭素ナノチューブの成長位置を制御し及びそれを基板に対して垂直させる。
また、B. Q. Weiなどは三次元の基板の各表面に対して垂直に成長する炭素ナノチューブの成長方法を提供し、詳しい内容は非特許文献４に開示されている。
Yuegang Zhangなどは電場により炭素ナノチューブの成長方向を制御する方法を提供し、電場を作用する際、炭素ナノチューブを電場方向に沿って成長させる。詳しい内容は非特許文献５に開示されている。
「Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube」，Nature，１９９８，第３９３巻，p. ４９ 「Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties」，Science，１９９９，第２８３巻，p. ５１２−５１４ 「Synthesis of large arrays of well-aligned carbon nanotubes on glass」，Science，１９９８，第２８２巻，p. １１０５〜１１０７ 「Organized assembly of carbon nanotubes」，Nature，２００２，第４１６巻，p. ４９５〜４９６ 「Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes」，Applied Physics Letters，２００１，第７９巻，p. １９
「Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube」，Nature，１９９８，第３９３巻，p. ４９ 「Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties」，Science，１９９９，第２８３巻，p. ５１２−５１４ 「Synthesis of large arrays of well-aligned carbon nanotubes on glass」，Science，１９９８，第２８２巻，p. １１０５〜１１０７ 「Organized assembly of carbon nanotubes」，Nature，２００２，第４１６巻，p. ４９５〜４９６ 「Electric-field-directed growth of aligned single-walled carbon nanotubes」，Applied Physics Letters，２００１，第７９巻，p. １９
しかし、前記それぞれの方法による炭素ナノチューブのマトリックスの成長方向は線形的で、且つ基板に対して垂直で、ナノ素子の多様化設計に制限がある。
従って、ナノ素子の多様化設計に適する炭素ナノチューブのマトリックス構造及びその製造方法を提供する必要がある。
本発明は、ナノ素子の多様化設計に適する炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供することを目的とする。
本発明は、ナノ素子の多様化設計に適する炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法を提供することを他の目的とする。
前記の目的を解決するように、本発明は炭素ナノチューブのマトリックス構造を提供し、それは基板、該基板に形成された触媒合金粒子、及び該触媒合金粒子に成長された炭素ナノチューブのマトリックスを含み、該触媒層は複数の寸法が異なったナノオーダーの触媒粒子を含み、且つ該触媒粒子の寸法が一定の方向に沿って大きくなり、該炭素ナノチューブのマトリックスは触媒粒子が大きくなった方向へ曲げる。
前記の他の目的を解決するように、本発明は下記のステップを含む炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法を提供する。
（１）基板の表面に一定の方向に沿って厚くなった触媒層を形成する。
（２）保護ガス雰囲気でアニールし、該酸化層をナノオーダーの触媒粒子に収縮させる。
（３）炭化水素ガスを導入し、化学的気相堆積法により前記触媒粒子に炭素ナノチューブを成長する。
（１）基板の表面に一定の方向に沿って厚くなった触媒層を形成する。
（２）保護ガス雰囲気でアニールし、該酸化層をナノオーダーの触媒粒子に収縮させる。
（３）炭化水素ガスを導入し、化学的気相堆積法により前記触媒粒子に炭素ナノチューブを成長する。
炭素ナノチューブの成長速度は触媒の寸法に従って異なって、一定の寸法の範囲内における、触媒粒子の寸法が小さければ小さいほど、炭素ナノチューブの成長速度が速く、それため、触媒パターを堆積する際に、触媒層の厚さを一端から他の端へ薄く或は厚くさせ、アニールした後、より薄い（薄い方の）端部に形成された触媒粒子がより小さく、該端部に炭素ナノチューブの成長速度がより速く、従って、全体の触媒パターに形成された炭素ナノチューブのマトリックスはより厚い（厚い方の）端部へ傾斜或は曲がることになる。つまり、触媒の厚さに従って炭素ナノチューブのマトリックスの成長方向を制御することができる。炭素ナノチューブのマトリックスの傾斜角度或は曲げ形状は触媒の厚さ制御により達するものである。
従来技術による炭素ナノチューブのマトリックスはほぼ基板に対して垂直に成長し、本発明による炭素ナノチューブのマトリックスは、一定の方向へ曲がって成長するので、ナノ素子の多様化設計に利き、ナノ素子において更に広い設計空間を提供することができる。
図１を参照されたい。基板１０を提供し、基板１０として多孔シリコン板であり、基板１０に光抵抗層１１を形成する。光の照射により光抵抗層１１を予定のパターンに形成させる。炭素ナノチューブを成長するための位置に厚さ数ｎｍの触媒層１３を堆積し、触媒層１３の厚さが一端から他の端へ薄くなる。触媒層１３はより厚い端部が厚さ６〜８ｎｍの範囲であり、より薄い端部が厚さ２〜３の範囲である
前記触媒層１３の堆積は熱蒸発堆積法が選ばれ、ビーム束蒸発などの方向性の堆積法とフォトエッチパターン組み合せた方法、或はマスクパターン法、或は溶液吹付け塗り、スピンコーティング、更にフォトエッチ法も選ばれる。本発明は鉄の線型蒸発源１２で触媒層１３を堆積し、触媒蒸発源としてコバルト、ニッケル或はその合金も選ばれる。線型鉄蒸発源１２を光抵抗層１１の斜上方向に位置させ、厚さがだんだん変えた触媒層１３が得られるように、線型鉄蒸発源１２の代りに直線に沿って移動する点蒸発源が選ばれる。
図２を参照されたい。光抵抗層１１を除き、触媒層１３を有した基板１０を空気雰囲気で３００℃アニールさせ、触媒層１３を酸化してナノオーダーの触媒粒子１３１に収縮させる。触媒層１３がより薄い端部の触媒粒子１３１がより小さく、より厚い端部の触媒粒子１３１がより大きい。次に、基板１０を反応炉中（図に示ず）に位置させ、アセチレンを導入し、化学的気相堆積法により触媒粒子１３１に炭素ナノチューブのマトリックス１４を成長し、図３に示す。炭化水素ガスとしてエチレンも選ばれる。成長時間と成長温度を制御するによって炭素ナノチューブのマトリックス１４の高さを制御することができる。
図３を参照されたい。本発明の方法による炭素ナノチューブのマトリックス構造４０は基板１０、該基板１０に形成された触媒層１３、及び触媒層１３に成長された炭素ナノチューブのマトリックス１４を含み、該触媒層１３は複数の寸法が異なった触媒粒子１３１を含み、触媒粒子１３１の大小さは一定の方向に沿って大きくなり、該炭素ナノチューブのマトリックス１４は触媒粒子１３１が大きくなる方向へ曲げるものである。
前記は単なる本願におけるより好ましい実施例にすぎず、本発明の請求範囲を限定するものではない。本発明の技術を熟知している者が本考案の思想に基づきなしうる修飾或いは変更は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
本発明方法による炭素ナノチューブのマトリックス構造はディスプレイ、ナノ電子学、強電流電界放出銃など装置の陰極に用いられるものである。
１０ 基板
１１ 光抵抗層
１３ 触媒層
１３１ 触媒粒子
１４ 炭素ナノチューブのマトリックス
４０ 炭素ナノチューブのマトリックス構造
１１ 光抵抗層
１３ 触媒層
１３１ 触媒粒子
１４ 炭素ナノチューブのマトリックス
４０ 炭素ナノチューブのマトリックス構造
Claims (10)
- 基板、該基板に形成された触媒層、及び該触媒層に成長された炭素ナノチューブのマトリックスを含む炭素ナノチューブのマトリックス構造であって、
該触媒層は複数の寸法が異なったナノオーダーの触媒粒子を含み、且つ該触媒粒子の寸法が一定の方向に沿って大きくなり、該炭素ナノチューブのマトリックスは触媒粒子が大きい方向へ曲がっていることを特徴とする炭素ナノチューブのマトリックス構造。 - 前記触媒層は鉄、コバルト、ニッケル或はその合金のうちの一つが選ばれることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造。
- 前記基板材料は、多孔シリコンであることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造。
- （１）基板の表面に一定の方向に沿って厚くなった触媒層を形成するステップと、
（２）保護ガス雰囲気でアニールし、該酸化層をナノオーダーの触媒粒子に収縮させるステップと、
（３）炭化水素ガスを導入し、化学的気相堆積法により前記触媒粒子に炭素ナノチューブを成長させるステップと、
を含むことを特徴とする炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。 - 前記酸化層は、より薄い端部が厚さ２〜３ｎｍの範囲であり、より厚い端部が厚さ６〜８ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記触媒層の堆積法は、熱蒸発法或はビーム蒸発法を含むことを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記触媒層を堆積する際に、該触媒の蒸発源は線型蒸発源であることを特徴とする請求項６に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記触媒層を堆積する際に、該触媒の蒸発源は直線に沿って移動する点蒸発源であることを特徴とする請求項６に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記触媒層は鉄、コバルト、ニッケル或はその合金のうちの一つが選ばれることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
- 前記基板材料は、多孔シリコンであることを特徴とする請求項４に記載の炭素ナノチューブのマトリックス構造の製造方法。
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