JP4781662B2 - カーボンナノチューブの作製方法およびカーボンナノチューブの作製装置 - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノチューブの作製方法およびカーボンナノチューブの作製装置に関し、特に、所望の向きに配向しているカーボンナノチューブを低温で作製できるカーボンナノチューブの作製方法およびカーボンナノチューブの作製装置に関する。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ‐Ｔｕｂｅ）は１９９１年に発見された炭素からなる物質である。その構造は、各頂点に炭素が配置された６角形が集まってできた蜂の巣模様のシートを丸めた形態である。つまり、カーボンナノチューブは、チューブ状であり、その直径は数ナノから数十ナノメートル程度である。カーボンナノチューブは、炭素配列や直径により絶縁体特性から導体特性まで選択的に有することができる。カーボンナノチューブは、機械的、電気的、化学的に優れた物質であり、複合材料、水素貯蔵材料、電界電子放出素子、２次電池電極材料、半導体素子として期待され、カーボンナノチューブの使用方法と共に、カーボンナノチューブの作製方法の研究が進められている。

しかしながら、上記の材料や素子にカーボンナノチューブを用いる場合、その目的にあった形状のカーボンナノチューブを必要とするが、所望の形状の触媒金属または非触媒金属上に指向性をもったカーボンナノチューブを作製することは、困難であるという問題がある。詳しくは、所定の場所に所望の形状のカーボンナノチューブを作製する場合、カーボンナノチューブを精製する工程や、所望の位置にカーボンナノチューブを配置する工程等、工数が多大になって、作製効率が悪くなると共に、歩留まりが悪いという問題がある。
特開２０００−９１６６８号公報

そこで、本発明の課題は、所望の方向に配向している形状のカーボンナノチューブを、所望の形状の触媒金属または非触媒金属の基板上に直接作製するカーボンナノチューブの作製方法、および、カーボンナノチューブの作製装置を提供することにある。また、本発明の課題は、カーボンナノチューブの配向方向、直径、長さ、または、半導体特性を、所望の直径、長さ、または、半導体特性に容易に調整できるカーボンナノチューブの作製方法、および、カーボンナノチューブの作製装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のカーボンナノチューブの作製方法は、
第２の電極に対向する第１の電極における上記第２の電極に面する表面に基板を配置する基板配置工程と、
上記第１の電極と第２の電極との間に直流電圧を印加し、上記第１の電極と上記第２の電極との間に生成した０.２ＭＶ／ｍ以上の直流電場の下で、上記基板上に上記直流電場の方向と略同じ方向に延びる指向性のカーボンナノチューブを形成するカーボンナノチューブ形成工程と
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、上記基板配置工程で、第１の電極における第２の電極側の表面に基板を配置した後、上記カーボンナノチューブ形成工程で、上記第１の電極と上記第２の電極との間に、電場を生成して、この電場内で上記基板上にカーボンナノチューブを形成するので、上記基板上に、上記電場の向きと略同じ向きに延びるカーボンナノチューブを形成することができる。したがって、電場の方向を適宜調節することにより、所望の方向に配向したカーボンナノチューブを容易に作製することができる。

また、一実施形態のカーボンナノチューブの作製方法は、上記基板が、鉄族金属、鉄族金属のうちの１種類以上の金属を含有する合金、上記鉄族金属または上記合金を酸化させた金属酸化物で作成された基板、あるいは、上記鉄族金属、上記合金および上記金属酸化物のいずれとも異なる金属または非金属上に形成された上記鉄族金属、上記合金および上記金属酸化物のうちの少なくとも一つからなってパターニングされた触媒金属膜である。

尚、上記鉄族金属とは、鉄、コバルト、ニッケルを指すものとする。また、上記非金属とは、例えば、シリコン、ガラス等の金属以外の物質をさすものとする。

上記実施形態によれば、上記基板として、上記鉄族金属、上記合金および上記金属酸化物のいずれとも異なる金属または非金属上に形成された上記鉄族金属、上記合金および上記金属酸化物のうちの少なくとも一つからなってパターニングされた上記触媒金属膜を選択することができるので、パターニングした触媒金属膜上にのみカーボンナノチューブを作製することができる。したがって、上記パターニングする範囲を適宜調整することにより、所望の範囲のみにカーボンナノチューブを作製することができる。尚、上記触媒金属膜の膜厚を変化させることにより、作製するカーボンナノチューブの直径を変化させることができる。また、上記鉄族金属または上記合金を酸化させる度合を適宜調整することにより、作製するカーボンナノチューブの直径を変化させることができる。

また、この発明のカーボンナノチューブの作製装置は、
チャンバーと、
上記チャンバー内に水素ガスとメタンガスからなる混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、
上記チャンバー内のガスを排気するガス排気手段と、
上記チャンバー内に配置されると共に、基板が配置され、かつ、加熱される陰極と、
上記陰極を上記チャンバーの壁面から絶縁する絶縁部材と、
上記チャンバー内の上記陰極に対向して、表面が上記陰極の上記基板側の表面と略平行になっている状態で設置されると共に、複数の貫通孔を有する陽極と、
上記陰極と上記陽極との間に直流電圧に基づく０.２ＭＶ／ｍ以上の直流電場を生成する電源と
を備え、
上記陽極の上記複数の貫通孔の方向は、上記混合ガス供給手段から上記複数の貫通孔を通過した上記混合ガスを、上記直流電場の方向と略平行な方向に流動させる方向であって、
上記陰極の上記表面上に配置された基板上に、上記直流電場の方向と略同じ方向を有する指向性のカーボンナノチューブを形成することを特徴とする。

本発明によれば、上記陰極における基板を配置する表面と、上記陽極における上記陰極側の表面とが、略平行になっているので、上記陰極と上記陽極との間に電圧を印加することによって、上記陰極と上記陽極との間に略一様な電場を生成させることができて、上記基板上に上記電場の向きに沿って配向している多数のカーボンナノチューブを作製することができる。

また、本発明によれば、上記陽極が、多数の孔を有しているので、チャンバー内に供給されたガスを、上記多数の孔を介して上記陽極に対向している上記基板の全面に略均等に供給することができる。したがって、基板の全面で、カーボンナノチューブの作製を行うことができる。

また、一実施形態のカーボンナノチューブの作製装置は、上記陽極の上記陰極側の表面の面積は、上記陰極の上記表面の面積よりも広くなっている。

上記実施形態によれば、上記陽極の上記陰極側の表面の面積が、上記陰極の上記表面の面積よりも広くなっているので、上記陰極の周囲部における電場異常を防止できて、上記陰極の中央部の電場と、上記陰極の周囲部の電場とを略同一にすることができる。したがって、上記基板上の位置に依存せずに、上記基板上に、一様な電場を生成することができて、上記基板上に同様に配向したカーボンナノチューブを作製することができる。

また、一実施形態のカーボンナノチューブの作製装置は、上記陰極は、その陰極の上記表面以外の全ての表面が上記絶縁部材で覆われている。

上記実施形態によれば、上記陰極の上記表面以外の全ての表面が上記絶縁部材で覆われているので、カーボンナノチューブを作製する際にプラズマを発生する面積を、上記陰極の上記表面のみに限定できて、印加する電圧を低くすることができる。したがって、消費電力あたりの作製効率を良くすることができる。

また、一実施形態のカーボンナノチューブの作製装置は、上記陰極の上記表面における導電部分の面積が、上記表面における基板が配置される部分の面積よりも広くなっている。

上記実施形態によれば、上記陰極の上記表面における導電部分の面積が、上記表面における基板が配置される部分の面積よりも広くなっているので、カーボンナノチューブを作製する際に発生させるプラズマを上記基板表面に容易に生じさせることができて、例えば、絶縁体上にパターニングした基板上に容易にカーボンナノチューブを作製することができる。

また、一実施形態のカーボンナノチューブの作製装置は、上記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整手段、上記混合ガス供給手段から流入する混合ガスの流量を調整するガス流量調整手段、上記陰極と上記陽極との間に印加される印加電圧を調整する印加電圧調整手段、および、基板の温度を調整する基板温度調整手段のうちの少なくとも一つを備えている。

上記実施形態によれば、上記圧力調整装置によって上記チャンバー内の圧力を調整したり、上記ガス流量調整手段によって注入する混合ガスの流量を調整したり、上記印加電圧調整手段によって印加電圧を調整したり、上記基板温度調整手段によってカーボンナノチューブの作製時における基板の温度を調整したりすることによって、作製するカーボンナノチューブの直径、長さ、または、半導体特性を適宜所望の直径、長さ、または、半導体特性に調整することができる。

尚、上記基板の膜厚、上記基板のおける合金の合成比率、上記基板の酸化度の度合いによっても、作製するカーボンナノチューブの直径、長さ、または、半導体特性を、適宜所望の直径、長さ、または、半導体特性に調整することができる。

本発明のカーボンナノチューブの作製方法によれば、カーボンナノチューブを作製する基板近辺に電極を配置した上、電極に電圧を印加してカーボンナノチューブを作製する場所に電場を生じさせた状態でカーボンナノチューブを作製するので、電場の向きに配向したカーボンナノチューブを作製することができる。

また、本発明のカーボンナノチューブの作製装置によれば、チャンバー内の圧力、混合ガスの流量、印加電圧、または、基板温度を容易に調節することができて、作製するカーボンナノチューブの直径、長さ、または、半導体特性を、所望の直径、長さ、または、半導体特性に容易に変化させることができる。

また、本発明のカーボンナノチューブの作製装置によれば、所望の性質や形状を有するカーボンナノチューブを、基板上に一様に作製することができる。

また、電界電子放出素子、半導体材料、複合材料、顕微鏡用の探針などへの利用が期待される曲がりの少ないカーボンナノチューブを容易に作成できる。

また、基板の膜厚、合金の合成比率、触媒金属の酸化の有無や酸化の度合いを適宜調整することによって、カーボンナノチューブの直径、長さ、または、半導体特性を、所望の直径、長さ、または、半導体特性に更に容易に変化させることができる。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の作製装置の断面図である。

このカーボンナノチューブの作製装置は、チャンバー４０１と、第１の電極の一例としての陰極４０２と、第２の電極の一例としての陽極４０３と、陰極４０２からチャンバー４０１外に延びるライン４０５と、陽極４０３からチャンバー４０１外に延びるライン４３０と、ヒーター４０７と、混合ガス供給手段の一例としてのガス供給部４０６と、ガス排気手段の一例としての排気部４１０と、絶縁部材４０６と、温度センサの一例としての図示しない放射温度計を備える。上記ヒーター４０７および放射温度計は、基板温度調整手段を構成している。

上記陰極４０２は、略直方体形状を有し、その鉛直方向上部の表面は、略水平方向に広がっている。上記陰極４０２の側面からチャンバー４０１の外部には、略水平方向にライン４０５が延びている。上記鉛直方向上部の表面の略中央には、カーボンナノチューブを作製する基板４０４が配置されている。

上記基板４０４は、ニッケル、鉄、または、コバルトから成っている。また、上記基板４０４の鉛直方向の下方の表面は、陰極４０２の上記鉛直方向上部の表面よりも面積が小さくなっており、陰極４０２の上記鉛直方向上部の表面の周辺部（基板４０４が配置されていない部分）は、露出している。上記陰極４０２は、基板ホルダーの役割を果たしている。

上記陽極４０３は、略直方体形状を有している。上記陽極４０３は、基板４０４の鉛直方向上方に、基板４０４から鉛直方向に１ｍｍ以上離間されて配置されている。上記陽極４０３の鉛直方向下方の表面は、水平方向に延びている。上記陽極４０３の鉛直方向下方の表面は、陰極４０２の上記鉛直方向上部の表面と略平行になっている。上記陽極４０３の鉛直方向下方の表面の面積は、陰極４０２の上記鉛直方向上部の表面の面積よりも大きくなっている。上記陽極４０３の側面からチャンバー４０１の壁面には、略水平方向にライン４３０が延びており、陽極４０３は、このライン４３０によってチャンバー４０１の内部空間内に支持されている。上記陽極４０３は、鉛直方向に延びると共に径が非常に小さい複数の貫通穴（図示せず）を有している。上記陰極４０２および陽極４０３は、例えば、ステンレス等の導電性物質で形成されている。尚、上記陰極４０２および陽極４０３を、プラチナなどの不活性金属で構成すると、装置のメンテナンスを容易に行うことができる。

上記ガス供給部４０６は、チャンバー４０１内にメタンガスと水素ガスからなる混合ガスを供給するようになっている。上記ガス供給部４０６は、陽極４０３の鉛直方向上方に配置されている。上記ガス供給部４０６は、本体部４３１と、ガス供給管４１２とを有している。上記本体部４３１は、チャンバー４０１の外部に配置されている。上記本体部４３１は、混合ガス供給制御部４１１を有している。上記混合ガス供給制御部４１１は、ガス供給量調整バルブ４１３を有し、このガス供給量調整バルブ４１３を調整することにより、混合ガスの供給量を調整できるようになっている。また、上記ガス供給管４１２は、本体部４３１の鉛直方向下方の表面から陽極４０２の上部表面方向に鉛直方向下方に延びている。

また、上記ヒーター４０７は、陰極４０２の鉛直方向下方に配置され、陰極４０２を加熱するようになっている。

上記絶縁部材４０５は、陰極４０２の鉛直方向上方以外の表面およびヒーター４０７の全面を覆うように、陰極４０２の上記鉛直方向上方以外の表面から陰極４０２の鉛直下方のチャンバー４０１の表面部分まで配置されている略直方体形状の第１の部分と、この第１の部分に連なると共に、ライン４０５を覆うように配置されているスリーブ形状の第２の部分とからなる。上記絶縁部材４０５は、陰極４０２、ヒーター４０７およびライン４０５を、チャンバー４０１から絶縁する役割と、ヒーター４０７をチャンバー４０１の内部かつ陰極４０２の下方に支持する役割とを担っている。

上記排気部４１０は、排気制御部４２１と、排気管４２０とを有する。上記排気制御部４２１は、気圧測定部４２４と、排気バルブ４２５とを有している。上記排気制御部４２１は、チャンバー４０１の外部に配置されている。また、上記排気管４２０は、チャンバー４０１の内部から排気制御部４２１まで鉛直方向下方に延びている。

上記気圧測定部４２４は、チャンバー４０１内の気圧を測定するようになっている。上記混合ガス供給制御部４１１および排気制御部４２１は、気圧測定部４２４が測定した測定値に基づいて、夫々ガス供給量調整バルブ４１３および排気バルブ４２５を調整して、チャンバー４０１内の気圧を１ｋＰａ〜５ｋＰａの間に保つようになっている。

上記放射温度計は、基板４０４から放射される光を、チャンバー４０１に形成された図示しない透明窓を通じてチャンバー４０１の外部で測定して、基板４０４の温度を測定している。また、上記ヒーター４０７は、上記放射温度計が測定した温度に基づいて、単位時間に放出する熱量を変化させて、基板４０４の温度を、約２００℃から約７００℃の間に維持するようになっている。

図１において、４０９は、印加電圧調製手段としての電源を示している。電源４０９は、ライン４０５によって陰極４０２と連結されると共に、ライン４３０によって陽極４０３と連結されている。上記電源４０９は、ライン４０５および４１０を介して陰極４０２と陽極４０３との間に直流電圧を印加することによって、陰極４０２と陽極４０３との間に約０.２ＭＶ／ｍ以上の大きさを有する電場を生成するようになっている。

上記構成のカーボンナノチューブの作製装置において、以下のようにして、カーボンナノチューブを形成する。

先ず、陰極４０２の陽極側の表面に、基板４０４を配置する基板配置工程を行った後、ガス供給部４０６からメタンガスと水素ガスから成る混合ガスを所定量チャンバー４０１内に供給してチャンバー４０１内の気圧を上記圧力の範囲内の圧力にすると共に、ヒーター４０７によって基板４０４の温度を上記温度の範囲内の温度にする混合ガス供給工程および基板温度調節工程を行う。

次に、カーボンナノチューブ形成工程を行う。詳細には、このカーボンナノチューブ形成工程では、電源４０９によって、陰極４０２と陽極４０３との間に上記電場の範囲内の電場を発生させて、絶縁破壊を生じさせることでプラズマを発生させるプラズマ放電を行い、陰極４０２の上に配置された基板４０４上に、カーボンナノチューブを作製する。

上記実施形態によれば、陽極４０３を、カーボンナノチューブを作製する基板４０４の表面から１ｍｍ以上離して配置すると共に、基板４０４を陰極４０２上に配置し、かつ、電源４０９から陰極４０２および陽極４０３の間に、０.２ＭＶ／ｍ以上の電場を発生させた上で、カーボンナノチューブを作製するようにしたので、基板４０４上に、指向性に優れ、かつ、一様に配向したカーボンナノチューブを作製できる。

また、上記実施形態によれば、陽極４０３に、多数の貫通穴を形成したので、ガス供給部４０６から供給された混合ガスを、この貫通穴を通して基板４０４上に略均等に行き渡らせることができる。したがって、チャンバー４０１内に供給された混合ガスを、基板４０４全面に同様に供給することができて、基板４０４全面上に一様にカーボンナノチューブを形成できる。尚、基板を配置しない方の電極が、チャンバー内に供給されたガスを基板表面に供給することを妨げない場合は、基板を配置しない方の電極に孔を形成する必要はない。

また、上記実施形態によれば、チャンバー４０１内に水素ガスとメタンガスから成る混合ガスを供給するガス供給部４０６を有すると共に、チャンバー４０１内のガスを排気する排気部４１０を有しているので、チャンバー内の圧力を、１ｋＰａから５ｋＰａの間に保ことができて、基板４０４上に配向性に優れるカーボンナノチューブを形成することができる。

また、上記実施形態によれば、上記ヒーター４０７および放射温度計を備えているので、カーボンナノチューブ作製時の温度を、容易に適正な温度にすることができて、かつ、この温度を保持できる。したがって、作製時の温度を適宜変化させることにより、作製するカーボンナノチューブの直径や長さを所望の値に容易に変化させることができる。

また、上記実施形態によれば、基板４０４の温度を、約２００℃から約７００℃の間にしているので、指向性を有するカーボンナノチューブを容易に形成することができる。

また、上記実施形態によれば、陰極４０２の上部表面と陽極４０３の下部表面とを平行にしたので、陰極４０２と電極４０３との間に、陰極４０２の上部表面に略垂直な方向に、一様な電場を形成することができる。したがって、この電場の方向と略同じ方向に延びる指向性のカーボンナノチューブを容易に形成することができる。

また、上記実施形態によれば、陽極４０３の陰極４０２側の表面の面積を、基板ホルダーとしての陰極４０２の陽極４０３側の表面の面積よりも大きくしているので、基板４０４上に一様な電場を生じさせることができ、基板４０４上に同様に配向したカーボンナノチューブを作製することができる。尚、基板が配置されない対抗電極における基板ホルダー側の面の面積を、基板が配置される側の電極の対抗電極側の面積よりも小さくすると、基板表面に一様な電場を生じさせることができなくて、カーボンナノチューブを基板表面に一様に生成することができなくなる。

また、上記実施形態によれば、絶縁部材４０６が、基板ホルダーとしての陰極４０２の陽極４０３側の表面以外の全ての表面を覆っているので、カーボンナノチューブを作製する際に生じるプラズマの発生面積を、陰極４０２の陽極４０３側の表面の面積にすることができて、加える電圧を低くすることができ、消費電力あたりの作製効率を向上させることができる。

また、上記実施形態によれば、上記陰極４０２の陽極４０３側の表面積である導通部分の表面積を、陰極４０２における基板４０４と当接している面積よりも広くしているので、カーボンナノチューブを作製する際に生じさせる必要があるプラズマを、基板４０４の表面に容易に発生させることができる。

また、上記実施形態では、印加電圧を変化できる電源４０９、ガス供給量調整バルブ４１３、排気バルブ４２５、ヒーター４０７および放射温度計を有するので、チャンバー４０１内の圧力、混合ガスの流量、印加電圧、または、基板温度を、適切な値に容易に調整できて、カーボンナノチューブの直径、長さ、または、半導体特性を所望の値に容易に変化させることができる。

尚、上記実施形態では、上記陰極４０２の陽極４０３側の表面と、陽極４０３の陰極４０２側の表面とを平行にして、陰極４０２の陽極４０３側の表面と、対抗電極である陽極４０３の陰極４０２側の表面との距離を一様にして、生じさせる電場を一様にして、一様なカーボンナノチューブを作製したが、この発明では、基板ホルダーとしての陰極の陽極側の表面と、陽極の陰極側の表面とを平行にしなくても良く、カーボンナノチューブを、一様でない電場に沿って作製しても良い。

また、上記実施形態では、基板４０４を、ニッケル、鉄、または、コバルトから形成したが、この発明では、基板を、ニッケル、鉄、または、コバルトの１種類以上を含有する合金から形成しても良い。基板に、カーボンナノチューブの成長速度の異なる金属からなる合金を用いる事により、コイル状等のカーボンナノチューブを作製することが出来る。また、基板を、触媒金属を触媒金属以外の金属あるいはシリコン・ガラスなどの非金属上にパターニングした触媒金属膜で構成しても良く、この場合、触媒金属膜の膜厚を、１ｎｍ以上にすると、指向性が高いカーボンナノチューブを、容易に成長させることができる。

尚、触媒金属は膜状である必要はなく、微粒子状であっても良い。触媒金属が、微粒子状である場合、成長するカーボンナノチューブの直径を、触媒金属微粒子の直径により変化させることができ、触媒金属微粒子の直径を小さくすれば、成長するカーボンナノチューブの直径も小さくできる。

また、ニッケル、鉄、コバルト、または、鉄族金属を少なくとも一つ含有する合金を、好ましくは熱による強酸化を行うことによって酸化させた金属酸化物を用いて、基板を形成しても良い。この場合、炭素と結びつく金属表面を減少させることができて、直径の小さいカーボンナノチューブを作製することができる。

また、上記実施形態では、基板として、ニッケル、鉄、または、コバルトを用いたが、この発明では、基板として、鉄、ニッケルおよびコバルトを一つも含まない金属（その金属の酸化物も含む）、または、非金属上に、パターニングした触媒金属膜を採用しても良く、この場合、パターニングした領域にのみカーボンナノチューブを作製することができる。すなわち、基板として、上記パターニングした触媒金属膜を採用した場合、所望の範囲のみに、カーボンナノチューブを作製することができる。尚、上記基板をパターニングする触媒金属以外の物質が絶縁体であるとき、その絶縁体の厚さは、１ｍｍ以下であることが望ましい。

また、上記実施形態では、陰極４０２を基板ホルダーとして、陰極４０２上に基板４０４を配置したが、この発明では、陽極を基板ホルダーとして、陽極上に基板を配置しても良い。

図２は、電場を生成した場合に生成されるカーボンナノチューブと、電場を生成しなかった場合に生成されるカーボンナノチューブとを対比的に表す模式図である。

詳細には、図２（Ａ）は、略同一の平板形状の陽極１０１および陰極１０２間に生成された電場と、陰極１０２上に配置された略平面形状の基板１０３とを示す図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）にしめす状況で、カーボンナノチューブを形成した場合に、基板１０３に形成されるカーボンナノチューブ１０４を示す図である。また、図２（Ｃ）は、上記陽極１０１（または陰極１０２）と略同一形状の基板ホルダー１０５に配置された上記基板１０３と略同じ形状の基板１０６を示す図であり、図２（Ｄ）は、図２に示す基板１０６に形成されるカーボンナノチューブを示す図である。

図２（Ａ）に示したように、陽極１０１と陰極１０２の間に生じさせた電場内に基板１０３を配置した上で、基板１０３上にカーボンナノチューブを作製すると、図２（Ｂ）に示したように、基板１０３上に電場の向きに沿って成長する指向性を有するカーボンナノチューブ１０４を作製することができる。また、図２（Ｃ）に示したように、電場を生じさせていない場でカーボンナノチューブの作製を行った場合、図２（Ｄ）に示すように、基板１０６上に指向性を持たないカーボンナノチューブ１０７が生成される。このように、任意の電場を生じさせることにより、電場の向きに指向性を有するカーボンナノチューブを作製することができる。その指向性は、電場が強くなるほど高まる傾向にある。

図３は、基板または電極の形状を変化させた場合における、電場と、その電場中で基板上に形成されるカーボンナノチューブの成長方向とを示す図である。

基板、陽極および陰極は、平行平板である必要はなく、任意の形状の基板上に任意の指向性を持ったカーボンナノチューブを作製することができる。

例えば、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、基板２０３上に突起２０４を形成することにより、陽極２０１と陰極２０２の間に電場を形成した上でカーボンナノチューブを形成したとき、図３（Ｃ）に示すように、基板２０３上の突起２０４上に、任意に突起した指向性カーボンナノチューブ２０５を作製することができる。この際、突起の先端には、他の部分より強い電場が生じることになり、その結果、他の部分より長く指向性を持ったカーボンナノチューブを作製することができる。尚、図３（Ｂ）は、上記突起２０４の拡大図である。

また、図３（Ｄ）〜（Ｉ）に示すように、平板形状でない電極を使用することによって、任意の方向に指向性をもったカーボンナノチューブを作製することができる。

例えば、図３（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、陽極２０６を球形状あるいは点にすることにより、陽極２０６から陰極２０７に延びる電場を生成することができる。そして、図３（Ｅ）に示すように、陰極２０７上に配置された基板２０８上に、電場に沿って延びる指向性のカーボンナノチューブ２０９を作製することができる。

電場内でカーボンナノチューブを作製する場合、基板の表面形状に係らず、基板面内に一様な指向性を持ったカーボンナノチューブを作製できる。

例えば、図３（Ｆ）、（Ｇ）に示すように、陰極２１１を小球形状にすると共に、陽極２１０の陰極側の表面を、陰極２１１中心を略中心とする球面の半分で構成することにより、陽極２１０から陰極２１１に向かって放射状に延びる電場を生じさせることができる。そして、図３（Ｇ）に示すように、陰極２１１の表面を覆うように形成されている基板２１２上に、電場の向きに沿った指向性のカーボンナノチューブ２１３を作製することができる。

また、図３（Ｈ）、（Ｉ）に示すように、陽極２１５を小球形状にすると共に、陰極２１４の陰極側の表面を、陽極２１５中心を略中心とする球面の半分で構成することにより、陽極２１５から陰極２１６に放射状に延びる電場を生じさせることができ、図３（Ｉ）に示すように、陰極２１４の表面を覆うように形成されている基板２１６上に、電場の向きに沿ったカーボンナノチューブ２１７を作製することができる。

図４は、２種類の基板と、その基板上に形成されるカーボンナノチューブを示す図である。

図４（Ａ）に示すように、カーボンナノチューブを作製する基板が、触媒金属３１からのみからなる場合は、図４（Ｂ）に示すように、触媒金属３１の全面に指向性のカーボンナノチューブ３２を作製することができる。

また、図４（Ｃ）に示すように、カーボンナノチューブを作製する基板が、絶縁体または不活性金属３３上にパターニングされた触媒金属３４からなる場合、図４（Ｄ）に示すように、パターニングした触媒金属３４上にのみ指向性のカーボンナノチューブ３２を作製することができる。このように、絶縁体または不活性金属上に触媒金属を任意にパターニングすると、任意にパターニングしたところにのみカーボンナノチューブを作製することができる。

図５〜図７は、陰極（基板ホルダー）と陽極（対抗電極）の構造について示す図である。

詳細には、図５は、陽極の面積を変化させた場合の電場の変動を示す図であり、図６は、基板ホルダーに配置された絶縁体と、基板ホルダー付近に発生するプラズマとの関係を示す図である。また、図７は、基板ホルダーの基板側の面の面積と、その基板側の面上に配置される基板（基板ホルダーと基板が直接接していない場合も含む）の表面の面積の大小関係と、プラズマの発生の有無との関係を示す図である。

図５（Ａ）に示すように、陽極５１の陰極側の面の面積が、陰極５２の陽極５１側の面の面積より大きい場合、陰極５２の陽極５１側の面において一様な電場が生じさせることができ、その電場内でカーボンナノチューブを作製することにより、一様な指向性を有するカーボンナノチューブを作製することができる。

一方、図５（Ｂ）に示すように、陽極５３の陰極側の面の面積が、陰極５４の陽極側の面の面積より小さい場合、陰極５４の陽極５３側の面において、方向性が異なる一様でない電場が生成することになり、その電場内でカーボンナノチューブを作製すると、その電場の向きに沿って延びるカーボンナノチューブが生成されることになる。

すなわち、基板全面で一様な指向性を有するカーボンナノチューブを作製したい場合は、一様な電場内でカーボンナノチューブを作製することが必要であり、そのため、一様な電場を生じさせることが必要となる。そして、陰極の陽極側の全面で一様な電場を生じさせる為には、図５（Ａ）に示すように、陽極の陰極側の面の面積を、陰極の陽極側の面の面積より大きくする必要がある。

また、図６（Ａ）に示すように、基板ホルダー６１（陰極が望ましい）の対抗電極（図示せず）側の面を除く全ての面を、絶縁体６２で覆った場合、カーボンナノチューブを作製する際に生じるプラズマ６３の発生領域を基板ホルダー６２の対抗電極側の面の表面付近だけにすることができ、その結果、印加する電圧を大幅に低減でき、消費電力あたりの作製効率をよくすることができる。また、この場合、プラズマの発生領域が小さいので、基板ホルダーが、プラズマによるダメージを受けにくくて、基板ホルダーのメンテナンスを頻繁に行う必要がないという作用効果も獲得できる。

一方、図６（Ｂ）に示すように、基板ホルダー６４の一部のみを、絶縁体６５で覆った場合には、カーボンナノチューブを作製する際に生じるプラズマ６６の発生領域が、基板ホルダー６４の上記一部以外の大部分の表面付近になって、印加する電圧が、図６（Ａ）に示す場合と比較して格段に高くなり、消費電力あたりの作製効率が悪くなる。また、この場合においては、基板ホルダーがプラズマによるダメージを受け易くなって、メンテナンスを頻繁に行う必要がある。

図６に基づく説明から明らかなように、プラズマが発生する領域を減らすことにより、消費電力を大幅に削減できると共に、メンテナンスに要する労力を大幅に低減することができる。また、基板を温めるヒーターも絶縁体で覆った場合、プラズマによるヒーターの損傷を防止できて、メンテナンスに要する労力を、更に低減できる。

また、基板７３を、絶縁体７４と、この絶縁体７４上にパターニングされた触媒金属膜７５とで構成した場合、図７（Ａ）に示すように、基板ホルダー７１（好ましくは陰極）の基板７３が配置される面の面積７６が基板７３の表面（載置面）より小さいと、電圧を加えている導電部分がガスと接しない為、カーボンナノチューブ作製に必要なプラズマを生じさせることができない。

更に、ヒーター（図示せず）による熱が基板全面に同様に伝わらず、基板の位置によってカーボンナノチューブの生成条件にばらつきが生じて、基板上に一様なカーボンナノチューブを作製することができない。

一方、基板７３を、絶縁体７４と、この絶縁体７４上にパターニングされた触媒金属膜７５とで構成した場合、図７（Ｂ）に示したように、基板ホルダー７１の基板７３が配置される面の面積７７が、基板７３の表面（載置面）より大きい場合、電圧を加えている導電部分がガスと接することができる為、カーボンナノチューブ作製に必要なプラズマ７８を生じさせることができる。そして、生成したプラズマ７８が、基板表面の導電物質である触媒金属膜７５をかいして基板全面を覆い、絶縁体７４上の触媒金属膜７５に、指向性を有するカーボンナノチューブを作製することができる。

尚、図７において、７２は、絶縁体を示している。また、図７では、基板７３を、絶縁体７４と、この絶縁体７４上にパターニングされた触媒金属膜７５とで構成した場合について議論したが、基板が触媒金属のみからなる場合、または、導電物質上に触媒金属をパターニングした場合には、基板ホルダーに加えた電圧が基板を通じて基板表面に加えられるので、プラズマを基板表面に生じさせることができる。尚、基板が触媒金属のみからなる場合、または、導電物質上に触媒金属をパターニングした場合においても、ヒーターによる熱を基板全面に同様に伝える為に、基板ホルダーを基板より大きくするのが好ましい。

本発明の一実施形態のカーボンナノチューブの作製装置の断面図である。 電場を生成した場合に生成されるカーボンナノチューブと、電場を生成しなかった場合に生成されるカーボンナノチューブを対比的に表す模式図である。 基板または電極の形状を変化させた場合における、電場と、その電場中で基板上に形成されるカーボンナノチューブの成長方向とを示す図である。 ２種類の基板と、その基板上に形成されるカーボンナノチューブを示す図である。 陽極の面積を変化させた場合の電場の変動を示す図である。 基板ホルダーに配置された絶縁体と、基板ホルダー付近に発生するプラズマとの関係を示す図である。 基板ホルダーの基板側の面の面積と、その基板側の面上に配置される基板の表面の面積の大小関係と、プラズマの発生の有無との関係を示す図である。

３１,３４ 触媒金属
３２,１０４,１０７,２０５,２０９,２１３,２１７ カーボンナノチューブ
３３ 絶縁体または不活性金属
５１,５３,１０１,２０１,２０６,２１０,２１５,４０３ 陽極
５２,５４,１０２,２０２,２０７,２１１,２１４,４０２ 陰極
６１,６４,７１,１０５ 基板ホルダー
６２,６５,７２,７４ 絶縁体
６３,７８ プラズマ
７３,１０３,１０６,２０３,２０８,２１２,２１６,４０４ 基板
７５ 触媒金属膜
２０４ 突起
４０１ チャンバー
４０５ ライン
４０６ 絶縁部材
４０７ ヒーター
４０８ ガス供給部
４０９ 電源
４１０ 排気部

Claims (7)

1. 第２の電極に対向する第１の電極における上記第２の電極に面する表面に基板を配置する基板配置工程と、
   上記第１の電極と第２の電極との間に直流電圧を印加し、上記第１の電極と上記第２の電極との間に生成した０.２ＭＶ／ｍ以上の直流電場の下で、上記基板上に上記直流電場の方向と略同じ方向に延びる指向性のカーボンナノチューブを形成するカーボンナノチューブ形成工程と
   を備えることを特徴とするカーボンナノチューブの作製方法。
2. 請求項１に記載のカーボンナノチューブの作製方法において、
   上記基板は、鉄族金属、鉄族金属のうちの１種類以上の金属を含有する合金、上記鉄族金属または上記合金を酸化させた金属酸化物で作成された基板、あるいは、上記鉄族金属、上記合金および上記金属酸化物のいずれとも異なる金属または非金属上に形成された上記鉄族金属、上記合金および上記金属酸化物のうちの少なくとも一つからなってパターニングされた触媒金属膜であることを特徴とするカーボンナノチューブの作製方法。
3. チャンバーと、
   上記チャンバー内に水素ガスとメタンガスからなる混合ガスを供給する混合ガス供給手段と、
   上記チャンバー内のガスを排気するガス排気手段と、
   上記チャンバー内に配置されると共に、基板が配置され、かつ、加熱される陰極と、
   上記陰極を上記チャンバーの壁面から絶縁する絶縁部材と、
   上記チャンバー内の上記陰極に対向して、表面が上記陰極の上記基板側の表面と略平行になっている状態で設置されると共に、複数の貫通孔を有する陽極と、
   上記陰極と上記陽極との間に直流電圧に基づく０.２ＭＶ／ｍ以上の直流電場を生成する電源と
   を備え、
   上記陽極の上記複数の貫通孔の方向は、上記混合ガス供給手段から上記複数の貫通孔を通過した上記混合ガスを、上記直流電場の方向と略平行な方向に流動させる方向であって、
   上記陰極の上記表面上に配置された基板上に、上記直流電場の方向と略同じ方向を有する指向性のカーボンナノチューブを形成することを特徴とするカーボンナノチューブの作製装置。
4. 請求項３に記載のカーボンナノチューブの作製装置において、
   上記陽極の上記陰極側の表面の面積は、上記陰極の上記表面の面積よりも広いことを特徴とするカーボンナノチューブの作製装置。
5. 請求項３に記載のカーボンナノチューブの作製装置において、
   上記陰極は、その陰極の上記表面以外の全ての表面が上記絶縁部材で覆われていることを特徴とするカーボンナノチューブの作製装置。
6. 請求項３に記載のカーボンナノチューブの作製装置において、
   上記陰極の上記表面における導電部分の面積は、上記表面における基板が配置される部分の面積よりも広いことを特徴とするカーボンナノチューブの作製装置。
7. 請求項３に記載のカーボンナノチューブの作製装置において、
   上記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整手段、上記混合ガス供給手段から流入する混合ガスの流量を調整するガス流量調整手段、上記陰極と上記陽極との間に印加される印加電圧を調整する印加電圧調整手段、および、基板の温度を調整する基板温度調整手段のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とするカーボンナノチューブの作製装置。

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