(57)【要約】      （修正有）【課題】異なる種類のフラーレンが混在するクラスターを用いたものでありながら、一つの装置にて、効率良く単離すると共に、単離された金属内包フラーレン又はフラーレンのみが挿入されたピーポッドを用いた半導体素子の提供。【解決手段】金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターを充填したオーブン１１と、オーブン１１内で加熱昇華されたクラスターが噴出される再昇華円筒１２と、再昇華円筒１２を加熱してオーブン１１から噴出されたクラスターを再昇華する加熱装置１３と、再昇華円筒１２内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとする電子ビーム照射装置と、カーボンナノチューブが塗布された一対の堆積基板１５，１６と、一対の堆積基板１５，１６の各々に正負別々のバイアスを印加する電源装置１７，１８と、を備えた装置を使用する。【選択図】図１
2010202424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターを充填したオーブンと、該オーブンを加熱してクラスターを昇華する加熱装置と、前記オーブンで加熱昇華しつつ充填されたクラスターが噴出される再昇華円筒と、該再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する加熱装置と、を備えていることを特徴とするクラスター単離装置。
【請求項２】
金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターをオーブンに充填する充填工程と、前記オーブンを加熱昇華しつつ充填されたクラスターを再昇華円筒内に噴出する昇華工程と、前記再昇華円筒内を加熱してクラスターを加熱再昇華させる再昇華工程と、を備えていることを特徴とするクラスター単離方法。
【請求項３】
請求項１に記載の装置を用い請求項２に記載の方法により単離されたことを特徴とする金属内包フラーレン又はフラーレン。
【請求項４】
前記金属内包フラーレンがアルカリ金属内包フラーレンであることを特徴とする請求項３に記載の金属内包フラーレン。
【請求項５】
前記金属内包フラーレンがリチウム内包フラーレンであることを特徴とする請求項４に記載の金属内包フラーレン。
【請求項６】
カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブの内部に一つ以上挿入された空のフラーレン又は金属内包フラーレンと、を有するピーポッド構造であって、
前記空のフラーレンは負に帯電され且つ前記金属内包フラーレンは正に帯電されると共に、前記カーボンナノチューブの内部には負又は正に帯電された何れか一方のみが選択的に挿入されていることを特徴とするピーポッド構造。
【請求項７】
金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターを充填したオーブンと、該オーブン内で加熱昇華されたクラスターが噴出される再昇華円筒と、該再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する加熱装置と、前記再昇華円筒内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとする電子ビーム照射装置と、カーボンナノチューブが塗布された一対の堆積基板と、該一対の堆積基板の各々に正負別々のバイアスを印加する電源装置と、を備えていることを特徴とするピーポッド製造装置。
【請求項８】
前記電源装置は、一方の前記堆積基板に２０Ｖ付近の正バイアスを印加し、他方の前記堆積基板には−２０Ｖ付近の負バイアスを印加することを特徴とする請求項７に記載のピーポッド製造装置。
【請求項９】
カーボンナノチューブを一対の堆積基板に塗布する塗布工程と、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターをオーブン内に充填する充填工程と、前記オーブンを加熱してクラスターを昇華する昇華工程と、前記オーブンで加熱昇華しつつ充填されたクラスターを再昇華円筒内に噴出する噴出工程と、加熱装置によって前記再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する再昇華工程と、電子ビーム照射装置によって前記再昇華円筒内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとするイオン化工程と、前記一対の堆積基板の各々に正負別々のバイアスを印加して正に帯電された前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に負イオン化された空のフラーレンを挿入させ且つ負に帯電された前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に正イオン化された金属内包フラーレンを挿入させて正又は負に帯電した何れか一方のみのフラーレンを内包したピーポッドを製造するピーポッド製造工程と、を備えていることを特徴とするピーポッド製造方法。
【請求項１０】
カーボンナノチューブを一対の堆積基板に塗布する塗布工程と、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターをオーブン内に充填する充填工程と、前記オーブンを加熱してクラスターを昇華する昇華工程と、前記オーブンで加熱昇華しつつ充填されたクラスターを再昇華円筒内に噴出する噴出工程と、加熱装置によって前記再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する再昇華工程と、電子ビーム照射装置によって前記再昇華円筒内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとするイオン化工程と、前記一対の堆積基板の各々に正負別々のバイアスを交互に印加して正に帯電されている際の前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に負イオン化された空のフラーレンを挿入させ且つ負に帯電されている際の前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に正イオン化された金属内包フラーレンを挿入させて正又は負に帯電した何れか一方のみのフラーレンを内包したピーポッドを製造するピーポッド製造工程と、を備えていることを特徴とするピーポッド製造方法。
【請求項１１】
前記堆積基板には、２０Ｖ付近の正バイアスと−２０Ｖ付近の負バイアスとが印加されることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のピーポッド製造方法。
【請求項１２】
請求項７又は請求項８に記載のピーポッド製造装置を用い、請求項９又は請求項１１に記載のピーポッド製造方法によって製造された正イオン化された金属内包フラーレンのみが挿入されたピーポッドをソース−ドレイン間のチャネルとして用いていることを特徴とするＮ型半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一つの装置内で金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターを効率良く単離させると共に、その単離された金属内包フラーレンのみ又は空のフラーレンのみをカーボンナノチューブ内に選択的に挿入することができるクラスター単離装置、クラスター単離方法、金属内包フラーレン又はフラーレン、ピーポッド構造、ピーポッド製造装置、ピーポッド製造方法及びＮ型半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カーボンナノチューブ（以下、単に「ＣＮＴ」と称する）は、内部に空隙構造を持つことから、その内部に各種分子を内包することが可能であることが知られている。
【０００３】
また、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の内部にフラーレン（Ｃ６０等）を内包した単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）が１９９８年に発見され、ピーポッドとも称されている。
【０００４】
さらに、金属内包フラーレンＭ＠ＣｘｘをＣＮＴ内に挿入した構造により人工的にピーポッドを合成し、これを電界効果型トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」と称する）のチャネルとして用いた技術が開発されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
そもそも、半導体素子にはＰ型・Ｎ型が存在するが、上述したＣＮＴを利用した半導体素子にあっては、Ｎ型の半導体素子を製造することが困難であるという問題が生じていた。
【０００６】
即ち、ＣＮＴに空のフラーレン（以下、単に「Ｃ６０」と称する）を挿入することによってホールリッチとすることができ、Ｐ型の特性を示すことができる。
【０００７】
一方、ＣＮＴに電子を供給することで電子リッチとなって、チャネルができ、Ｎ型を示すことができることは自明である。
【０００８】
しかしながら、現状ではＣＮＴを用いたＮ型の半導体を製造すること、即ち、ＣＮＴの内部に電子を供給する正オンになり易いフラーレンを挿入させることが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明者等は、ＣＮＴに挿入するフラーレンに窒素ヘテロフラーレン（以下、単に「Ｃ５９Ｎ」と称する）又は金属内包フラーレン（以下、単に「Ｘ＠Ｃ６０」と称する）を用いることによって、Ｎ型の半導体素子を供給することができないかと思索したところ、Ｃ５９Ｎは空のＣ６０に対して電子を出し易い、即ち、電子ドナー性を示していることが理論的に示され、ＣＮＴに電子を与えてＮ型とすることができるのではないかとの考えに至った。
【００１０】
また、Ｘ＠Ｃ６０のなかでも、アルカリ金属（特に、リチウム（Ｌｉ））を与えると、電子が余剰の状態となり、電子を出し易くすることができるため、電子ドナー性になるのではないかとの考えに至った。
【００１１】
ここで、ＣＮＴにフラーレンを挿入してピーポッドを形成する技術は色々あるが、その基本的な原理としては、単純にＣＮＴとフラーレンとを一つの試験管内に入れ、この試験管を熱することによってフラーレンの昇華並びに毛管現象とによってＣＮＴ内にフラーレンを挿入することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】T.Shimada et al, Applied Physics Letters Vol.81, No.21 p4067 (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このような技術では、フラーレンとして、例えば、Ｃ６０、Ｃ５９Ｎ、リチウム内包フラーレン（以下、単に「Ｌｉ＠Ｃ６０」と称する）、等が同じような条件でＣＮＴに混在して挿入されてしまい、結果的には、Ｐ型やＮ型の特性を示さないピーポッドができてしまうという問題が生じていた。
【００１４】
そこで、例えば、Ｃ６０とＬｉ＠Ｃ６０とが混在するクラスターを用い、一つの装置内でクラスターを加熱昇華させた際に、何れか一方のみを選択的にＣＮＴに挿入することができれば、同時に、Ｐ型半導体特性のピーポッド（Ｃ６０−）とＮ型半導体特性のピーポッド（Ｌｉ＠Ｃ６０＋）とを製造することができるとの考えに至り、本発明者等は、一つの装置内そのようなＰ型半導体特性のピーポッド（Ｃ６０−）とＮ型半導体特性のピーポッド（Ｌｉ＠Ｃ６０＋）とを選択的にＣＮＴの内部に挿入することができる装置並びに方法を見出した。
【００１５】
この際、本発明者等は、単に熱でＣ６０を昇華させて毛管現象を利用しただけは、上述した正または負イオンになりやすい特性を備えたフラーレンを選択的にＣＮＴの内部に挿入することは困難であることから、プラズマを用いてＣ６０とＬｉ＠Ｃ６０とを正負別々のイオンとすることによってＣ６０−並びにＬｉ＠Ｃ６０＋をＣＮＴの内部に挿入するプラズマ照射法を用い、各種実験の結果、良好なＰ型及びＮ型の半導体素子に適用しうるＣＮＴを製造することができた。
【００１６】
そこで、本発明は、上記事情を考慮し、異なる種類のフラーレンが混在するクラスターを用いたものでありながら、一つの装置にて、効率良く単離することができるクラスター単離装置、その装置を用いたクラスター単離方法、その装置によって単離された金属内包フラーレン又はフラーレン、その単離されたフラーレンから金属内包フラーレン又はフラーレンのみが挿入されたピーポッド構造、そのピーポッドを製造する一つの製造装置、その製造装置を用いたピーポッド製造方法及び金属内包フラーレンのみを挿入したピーポッドを用いたＮ型半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のクラスター単離装置は、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターを充填したオーブンと、該オーブンを加熱してクラスターを昇華する加熱装置と、前記オーブンで加熱昇華しつつ充填されたクラスターが噴出される再昇華円筒と、該再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する加熱装置と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
これにより、異なる種類のフラーレンが混在するクラスターを用いたものでありながら、一つの装置にて、効率良く単離する装置を構成することができる。
【００１９】
本発明のクラスター単離方法は、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターをオーブンに充填する充填工程と、前記オーブンを加熱昇華しつつ充填されたクラスターを再昇華円筒内に噴出する昇華工程と、前記再昇華円筒内を加熱してクラスターを加熱再昇華させる再昇華工程と、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
これにより、異なる種類のフラーレンが混在するクラスターを用いたものでありながら、一つの装置にて、効率良く単離することができる。
【００２１】
本発明の金属内包フラーレン又はフラーレンは、請求項１に記載の装置を用い請求項２に記載の方法により単離されたことを特徴とする。
【００２２】
これにより、異なるフラーレンが混在したクラスターを金属内包フラーレンとフラーレンとに効率良く単離される。
【００２３】
この際、金属内包フラーレンは、前記金属内包フラーレンがアルカリ金属内包フラーレンであることを特徴とする。
【００２４】
また、金属内包フラーレンがリチウム内包フラーレンであることを特徴とする。
【００２５】
本発明のピーポッド構造は、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブの内部に一つ以上挿入された空のフラーレン又は金属内包フラーレンと、を有するピーポッド構造であって、前記空のフラーレンは負に帯電され且つ前記金属内包フラーレンは正に帯電されると共に、前記カーボンナノチューブの内部には負又は正に帯電された何れか一方のみが選択的に挿入されていることを特徴とするピーポッド構造。
【００２６】
本発明のピーポッド製造装置は、カーボンナノチューブの内部に空のフラーレン又は金属内包フラーレンの何れか一方のみが挿入されたピーポッドを提供することができる。
【００２７】
本発明のピーポッド製造装置は、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターを充填したオーブンと、該オーブン内で加熱昇華されたクラスターが噴出される再昇華円筒と、該再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する加熱装置と、前記再昇華円筒内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとする電子ビーム照射装置と、カーボンナノチューブが塗布された一対の堆積基板と、該一対の堆積基板の各々に正負別々のバイアスを印加する電源装置と、を備えていることを特徴とする。
【００２８】
これにより、異なる種類のフラーレンが混在するクラスターを用いたものでありながら、一つの装置にて単離された金属内包フラーレン又はフラーレンの一方のみが選択的に挿入されたピーポッドを製造することができる。
【００２９】
この際、前記電源装置は、一方の前記堆積基板に２０Ｖ付近の正バイアスを印加し、他方の前記堆積基板には−２０Ｖ付近の負バイアスを印加することにより、効率良く金属内包フラーレン又はフラーレンの一方のみを選択的に挿入することができる。
【００３０】
本発明のピーポッド製造方法は、カーボンナノチューブを一対の堆積基板に塗布する塗布工程と、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターをオーブン内に充填する充填工程と、前記オーブンを加熱してクラスターを昇華する昇華工程と、前記オーブンで加熱昇華しつつ充填されたクラスターを再昇華円筒内に噴出する噴出工程と、加熱装置によって前記再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する再昇華工程と、電子ビーム照射装置によって前記再昇華円筒内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとするイオン化工程と、前記一対の堆積基板の各々に正負別々のバイアスを印加して正に帯電された前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に負イオン化された空のフラーレンを挿入させ且つ負に帯電された前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に正イオン化された金属内包フラーレンを挿入させて正又は負に帯電した何れか一方のみのフラーレンを内包したピーポッドを製造するピーポッド製造工程と、を備えていることを特徴とする。
【００３１】
これにより、一度の製造工程にて選択的に正又は負に帯電した何れか一方のみのフラーレンを挿入（内包）したピーポッドを製造することができる。
【００３２】
また、カーボンナノチューブを一対の堆積基板に塗布する塗布工程と、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターをオーブン内に充填する充填工程と、前記オーブンを加熱してクラスターを昇華する昇華工程と、前記オーブンで加熱昇華しつつ充填されたクラスターを再昇華円筒内に噴出する噴出工程と、加熱装置によって前記再昇華円筒を加熱して前記オーブンから噴出されたクラスターを再昇華する再昇華工程と、電子ビーム照射装置によって前記再昇華円筒内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとするイオン化工程と、前記一対の堆積基板の各々に正負別々のバイアスを交互に印加して正に帯電されている際の前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に負イオン化された空のフラーレンを挿入させ且つ負に帯電されている際の前記堆積基板に塗布されたカーボンナノチューブ内に正イオン化された金属内包フラーレンを挿入させて正又は負に帯電した何れか一方のみのフラーレンを内包したピーポッドを製造するピーポッド製造工程と、を備えていることを特徴とする。
【００３３】
これにより、一度の製造工程にて選択的に正又は負に帯電した何れか一方のみのフラーレンを挿入（内包）したピーポッドを製造することができる。
【００３４】
この際、前記堆積基板には、２０Ｖ付近の正バイアスと−２０Ｖ付近の負バイアスとが印加されることを特徴とする。
【００３５】
これにより、効率良く堆積基板に正イオンのフラーレンと負イオンのフラーレンとを選択的に堆積させることができる。
【００３６】
本発明のＮ型半導体素子は、請求項７又は請求項８に記載のピーポッド製造装置を用い、請求項９又は請求項１１に記載のピーポッド製造方法によって製造された正イオン化された金属内包フラーレンのみが挿入されたピーポッドをソース−ドレイン間のチャネルとして用いていることを特徴とする。
【００３７】
これにより、金属内包フラーレンのみを挿入したピーポッド用いたＮ型半導体素子を構成することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明は、異なる種類のフラーレンが混在するクラスターを用いたものでありながら、一つの装置にて、効率良く単離することができるクラスター単離装置、その装置を用いたクラスター単離方法、その装置によって単離された金属内包フラーレン又はフラーレン、その単離された金属内包フラーレン又はフラーレンのみが挿入されたピーポッド構造、そのピーポッドを製造する一つの製造装置、その製造装置を用いたピーポッド製造方法及び金属内包フラーレンのみを挿入したピーポッドを用いたＮ型半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係るクラスター単離装置を兼用したピーポッド製造装置の概念図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るクラスター単離装置及びピーポッド製造装置のオーブン内に充填されるクラスターの説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るピーポッド製造装置の説明図である。
【図４】Ｌｉ＠Ｃ６０＋とＣ６０−からなるプラズマにおいてラングミュアプローブを用いて電流電圧特性を測定したグラフ図である。
【図５】Ｌｉ＠Ｃ６０＋とＣ６０−からなるプラズマにおける電子ビームを発生させるカソード電極に印加する電圧（Ｖｋ）とプローブに流入する電流（Ｉｐ）特性のグラフ図である。
【図６】Ｃ５９Ｎ＋とＣ６０−からなるプラズマにおいてラングミュアプローブを用いて電流電圧特性を測定したグラフ図である。
【図７】Ｃ５９Ｎ＋とＣ６０−からなるプラズマにおける電子ビームを発生させるカソード電極に印加する電圧（Ｖｋ）とプローブに流入する電流（Ｉｐ）特性のグラフ図である。
【図８】オーブンに充填したクラスター状態でのＬｉ＠Ｃ６０及びＣ６０の質量分析結果のグラフ図である。
【図９】クラスターを単離させてイオン化した後に正バイアスを印加した堆積基板に堆積したＬｉ＠Ｃ６０及びＣ６０の質量分析結果のグラフ図である。
【図１０】クラスターを単離させてイオン化した後に負バイアスを印加した堆積基板に堆積したＬｉ＠Ｃ６０及びＣ６０の質量分析結果グラフ図である。
【図１１】電子ビームのエネルギーに対する堆積基板でのＬｉ＠Ｃ６０の質量ピークをＣ６０の質量ピークで規格化した強度を示すグラフ図である。
【図１２】ソース−ドレイン間のチャネルとして本発明のピーポッドを用いた半導体素子の説明図である。
【図１３】Ｃ６０−内包のピーポッドをチャネルとして用いた場合のＰ型半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【図１４】Ｌｉ＠Ｃ６０＋内包のピーポッドをチャネルとして用いた場合のＮ型半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【図１５】Ｃ６０−内包のピーポッドをチャネルとして用いた場合のＰ型半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【図１６】Ｃ５９Ｎ＋内包のピーポッドをチャネルとして用いた場合のＮ型半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に、本発明のクラスター単離装置、クラスター単離方法、金属内包フラーレン又はフラーレン、ピーポッド構造、ピーポッド製造装置、ピーポッド製造方法及びＮ型半導体素子に係る一実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施形態は本発明のクラスター単離装置、クラスター単離方法、金属内包フラーレン又はフラーレン、ピーポッド構造、ピーポッド製造装置、ピーポッド製造方法及びＮ型半導体素子における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。
【００４１】
図１は本発明の一実施形態に係るクラスター単離装置を兼用したピーポッド製造装置の概念図、図２は本発明の一実施形態に係るクラスター単離装置及びピーポッド製造装置のオーブン内に充填されるクラスターの説明図、図３は本発明の一実施形態に係るピーポッド製造装置の説明図である。
【００４２】
図１において、ピーポッド製造装置１０は、金属内包フラーレンと空のフラーレンとが混在するクラスターを充填したオーブン１１と、オーブン１１内で加熱昇華されたクラスターが噴出される再昇華円筒１２と、再昇華円筒１２を加熱してオーブンから噴出されたクラスターを再昇華する加熱装置としての加熱源１３と、再昇華円筒１２内に存在する単離状態の空のフラーレン及び金属内包フラーレンを正負別々のイオンとする電子ビーム照射装置１４と、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が塗布された一対の堆積基板１５，１６と、一対の堆積基板１５，１６の各々に正負別々のバイアスを印加する電源装置１７，１８と、を備えている。
【００４３】
オーブン１１に充填されたクラスターは、図２に例示するように、アルカリ金属内包フラーレン３１と、このアルカリ金属内包フラーレン（例えば、リチウム内包フラーレン（Ｌｉ＠Ｃ６０）３１の周囲に付着した空のフラーレン（Ｃ６０）３２とが混在しており、直流電源１９による電力印加によって５５０℃〜６００℃に加熱される。
【００４４】
これにより、オーブン１１に充填されたクラスターの一部が加熱昇華によって単離された状態で再昇華円筒１２内に噴出される。
【００４５】
再昇華円筒１２は、中空の筒状体で、プラズマの軸対称性が保たれるように円筒形をしている。また、再昇華円筒１２の一端はマイカなどの絶縁性材料でできた終端板２０が取り付けられ、他端は銅等の導電性材料でできた終端板２１が取り付けられている。尚、再昇華円筒１２の内壁は熱伝導性が良好な銅などの導電性材料でできている。また、再昇華円筒１２は、例えば、交流電源等の加熱源１３によって６００℃付近にまで加熱される。
【００４６】
これにより、オーブン１１から噴出されて完全に昇華していないクラスターが再昇華円筒１２の内部での加熱昇華によって単離される。また、終端板２１の中心には、直径５ｍｍ前後のビームスポット２１ａが形成されている。
【００４７】
電子ビーム照射装置１４は、カソード電極（タングステンフィラメント）２２と、接地されたグリッド電極２３とを備えていると共に、再昇華円筒１２の軸線方向に沿うＺ方向に直線一様磁場（図１の太矢印Ｂ参照）が印加されている。
【００４８】
カソード電極２２により放出された熱電子がカソード電極２２の前面の電界により加速され、電子ビーム２４が形成される。尚、この電子ビーム２４のビームエネルギー（０〜３００ｅＶ）はカソード電極２２への印加電圧Ｖｋによって制御することができる。
【００４９】
従って、オーブン１１によって加熱昇華された状態で噴出された又は再昇華円筒１２によって加熱再昇華された単離状態のリチウム内包フラーレン（Ｌｉ＠Ｃ６０）３１と空のフラーレン（Ｃ６０）３２は、図３に示すように、電子ビーム２４の衝突電離によりリチウム内包フラーレン（Ｌｉ＠Ｃ６０）３１は正イオンになり、リチウム内包フラーレン（Ｌｉ＠Ｃ６０）３１の電離によって発生した低温度の電子の付着によって空のフラーレン（Ｃ６０）３２は負イオンになり、それぞれＬｉ＠Ｃ６０＋及びＣ６０−が生成される。
【００５０】
フラーレンイオンは、ラーマ半径が大きく、有限ラーマ効果によってビームスポット２１ａの外側に向けた拡散が発生し電子ビーム２４の周囲に広がる。
【００５１】
これにより、一対の堆積基板１５，１６には、それぞれカーボンナノチューブが塗布された状態で正負別々のバイアスを印加することにより、正バイアスに印加された堆積基板１５に塗布されたカーボンナノチューブ３３にはＣ６０−が挿入され、負バイアスに印加された堆積基板１５に塗布されたカーボンナノチューブ３３にはＬｉ＠Ｃ６０＋が挿入される。
【００５２】
以下、本発明の原理並びに実験結果を詳細に説明する。
【００５３】
尚、以下の説明においては、アルカリ金属内包フラーレン３１としてリチウム内包フラーレン（以下、単に「Ｌｉ＠Ｃ６０」と称する）とし、このＬｉ＠Ｃ６０を空のフラーレン（以下、単に「Ｃ６０」と称する）とで別々にカーボンナノチューブ（以下、単に「ＣＮＴ」と称する）に挿入してピーポッドを製造する場合として説明する。
【００５４】
上記の構成において、図２に示したように、Ｌｉ＠Ｃ６０の周囲に複数のＣ６０が存在する混合物のクラスターがオーブン１１内に充填され、このオーブン１１を加熱源１３によって５５０℃〜６００℃に加熱することでクラスターを加熱昇華しつつ、再昇華円筒１２内にクラスターを噴出する。
【００５５】
再昇華円筒１２の内部に噴出されたクラスターは、その一部は加熱昇華によってＬｉ＠Ｃ６０とＣ６０とに単離されるが、他の一部はクラスターのまま若しくは一部が単離した状態で再昇華円筒１２の内壁に付着する。
【００５６】
そこで、再昇華円筒１２を６００℃以上に再加熱することでクラスターを加熱再昇華して単離させる。
【００５７】
このように、オーブン１１の加熱による一度の昇華では単離し難いクラスターを、再昇華円筒１２の内壁に付着させ、オーブン１１の加熱温度よりも高い加熱温度で再昇華することにより、再昇華円筒１２内にフラーレン（Ｌｉ＠Ｃ６０及びＣ６０）を充満させた状態で電子ビーム２４を衝突させることで、効率良くイオン化させることができ、堆積基板１５，１６に向けてフラーレンを送り出すことができる。
【００５８】
一方、再昇華円筒１２の一端側に設けられたカソード電極２２を加熱し、グリッド電極２３とカソード電極２２との間に数十Ｖ〜数百Ｖの電圧を印加することによって電子を加速して形成された電子ビーム２４を再昇華円筒１２の他端側に向けて照射し、この電子ビーム２４を単離されたＬｉ＠Ｃ６０及びＣ６０に衝突させることによってＬｉ＠Ｃ６０＋及びＣ６０−にイオン化する。
負イオン化されたＬｉ＠Ｃ６０＋及びＣ６０−は、再昇華円筒１２の他端に形成されたビームスポット２１ａを通過し、堆積基板１５，１６へと向う。
【００５９】
ところで、上述したイオン化は、例えば、Ｌｉ＠Ｃ６０に電子ビーム２４が衝突すると、中性のＬｉ＠Ｃ６０から電子が一つ電離して、一つの電子とＬｉ＠Ｃ６０＋とすることができる。
【００６０】
この際、電離のためには、例えば、数十〜数百エレクトロンボルト（ｅＶ）の大きな電子エネルギーが必要となる。
【００６１】
また、Ｃ６０は電子を付着させる力が強く、数ｅＶ以下の低いエネルギーの電子、特に、１ｅＶ以下の低いエネルギーの電子がＣ６０に付着することにより、Ｃ６０−とすることができる。
【００６２】
そこで、これら電子ビーム２４を照射してイオン化されたＬｉ＠Ｃ６０＋、Ｃ６０−、及び電子は、再昇華円筒１２にビーム照射方向と平行方向の磁場を印加することにより、その磁力線の周りに巻き付く。尚、質量の小さい電子の方が良く巻き付き、質量の大きいフラーレンイオンの方は回転半径が大きくなるという性質を持っている。
【００６３】
そこで、電子ビーム２４はビームスポット径のまま磁力線に沿って進行するが負イオン化されたＬｉ＠Ｃ６０＋及びＣ６０−は回転半径が大きくなって、電子ビーム２４の外側に拡散しやすくなる。
【００６４】
従って、一対の堆積基板１５，１６をこの電子ビーム直径よりも外側に配置すると共に、各堆積基板１５，１６に正負別々のバイアスを印加することにより、正バイアスが印加された堆積基板１５にはＣ６０−が加速してＣＮＴの内部に挿入されると共にＬｉ＠Ｃ６０＋が反発（退避）し、負バイアスが印加された堆積基板１６にはＬｉＣ６０＋が加速してＣＮＴの内部に挿入されると共にＣ６０−が反発（退避）することとなり、各堆積基板１５，１６には、Ｃ６０−のみが挿入されたピーポッドと、Ｌｉ＠Ｃ６０＋のみが挿入されたピーポッドと、ができる。
【００６５】
図４は、Ｌｉ＠Ｃ６０とＣ６０とが存在する混合物のクラスターをオーブン１１の中に充填し、再昇華円筒１２内に噴出させた際に、再昇華円筒１２の外側の堆積基板１５，１６の付近のプローブ２５で測定した電流電圧特性のグラフ図である。
【００６６】
図に示すように、プローブ２５に正又は負のバイアスＶｐを印加すると、正バイアスを印加した場合にはＣ６０−が、負バイアスに印加した場合にはＬｉ＠Ｃ６０＋がプローブ２５に流入することが判明した。
【００６７】
尚、Ｃ６０−の質量は７２０、Ｌｉ＠Ｃ６０＋の質量は７２７で略同じであるため、このグラフで示した電流量は単位時間にプローブ２５に入る電荷の量であることから負イオンの質量の平方根に比例する熱速度に比例し、質量が同じであればプローブ２５に流入する電流量も同じであることから、ここでできているプラズマはＬｉ＠Ｃ６０＋及びＣ６０−であることが判る。
【００６８】
図５は、電子ビーム２４を発生させるカソード電極（タングステンフィラメント）２２にかける電圧（Ｖｋ）で、この電圧が−に深ければ深いほど電子ビームのエネルギー、即ち、フラーレンに衝突する電子ビームのエネルギーが大きくなり、電子ビームの値が大きくなる程、正又は負のイオンの電流が大きくなることを示し、フラーレンが電離して正イオンが又は電離により発生した低エネルギー電子が付着して負イオンが多くできていることを示す。
【００６９】
尚、Ｌｉ＠Ｃ６０に替えて、窒素へテロフラーレン（Ｃ５９Ｎ）の場合の図４乃至図５に相当する実験結果を図６乃至図７に示す。
【００７０】
図８は、オーブン１１に充填したクラスター状態でのＬｉ＠Ｃ６０及びＣ６０の質量分析結果のグラフ図である。
【００７１】
図９及び図１０は、そのクラスターを単離させてイオン化した後に堆積基板１５，１６に堆積したＬｉ＠Ｃ６０及びＣ６０の質量分析結果のグラフ図である。
【００７２】
図９に示すように、正バイアスを印加した堆積基板１５には質量７２０付近のＣ６０が多く堆積され、図１０に示すように、負バイアスを印加した堆積基板１６には質量７２７付近のＬｉ＠Ｃ６０が多く堆積されていることが実証された。
【００７３】
尚、図９及び図１０には、少なからず逆極性のＣ６０又はＬｉ＠Ｃ６０が堆積しているが、これは、例えば、電子ビーム２４をフラーレンに衝突させた際に、理想的にＬｉ＠Ｃ６０だけが正イオンになるというわけではなく、実際にはＣ６０も正イオンになっているものが僅かに存在しているものと想定される。
【００７４】
同様に、Ｌｉ＠Ｃ６０においても、低温の電子であれば付着してしまう可能性があることを示す。若しくは、再昇華円筒１２によってＣ６０又はＬｉ＠Ｃ６０のイオン化していないガスがそのまま拡散し、堆積基板１５，１６に付着してしまったもので、中性であることから正又は負のバイアスに依存せずに堆積してしまうものと想定される。
【００７５】
図１１は電子ビーム２４のエネルギーに対する堆積基板１５，１６でのＬｉ＠Ｃ６０の質量ピークをＣ６０の質量ピークで規格化した強度を示し、正バイアスに印加した堆積基板１５（Ｃ６０−）の場合には（図の上段）ピーク値が１５０Ｖ付近にあり、負バイアスに印加した堆積基板１６（Ｌｉ＠Ｃ６０＋）の場合には（図の下段）ピーク値が２００Ｖ付近にあることから、電子ビームのエネルギーが１５０ｅＶの場合にはＣ６０−が、２００ｅＶの場合にはＬｉ＠Ｃ６０＋が効率よくできることを示している。
【００７６】
そして、このように製造されたＬｉ＠Ｃ６０＋のみを内包したカーボンナノチューブ３３又はＣ６０−のみを内包したカーボンナノチューブ３３は、図１２に示すように、ソース−ドレイン間のチャネルとしてカーボンナノチューブ３３を用いた半導体素子としてのＦＥＴ４０等に適用することができる。
【００７７】
この際、図１３に示すように、Ｃ６０−内包のカーボンナノチューブ３３の場合には、ゲート電圧（ＶＧ）を負にするとソース・ドレイン間の電流（ＩＤｓ）が増加するＰ型ＦＥＴ４０とすることができる。また、図１４に示すように、Ｌｉ＠Ｃ６０＋内包のカーボンナノチューブ３３の場合には、ゲート電圧（ＶＧ）を正にするとソース・ドレイン間の電流（ＩＤｓ）は増加するＮ型ＦＥＴ４０とすることができる。
【００７８】
図１５及び図１６に、Ｌｉ＠Ｃ６０＋内包のカーボンナノチューブ３３に替えて、窒素へテロフラーレンＣ５９Ｎ＋を内包した場合の電気輸送特性を示す。
【００７９】
このように、本発明にあっては、異なる種類のフラーレンが混在するクラスターを用いたものでありながら、一つの装置にて、効率良く単離することができるクラスター単離装置、その装置を用いたクラスター単離方法、その装置によって単離された金属内包フラーレン又はフラーレン、その単離されたフラーレンから金属内包フラーレン又はフラーレンのみが挿入されたピーポッド構造、そのピーポッドを製造する一つの製造装置、その製造装置を用いたピーポッド製造方法及び金属内包フラーレンのみを挿入したピーポッドを用いたＮ型半導体素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０…ピーポッド製造装置
１１…オーブン
１２…再昇華円筒
１３…加熱源（加熱装置）
１４…電子ビーム照射装置
１５…堆積基板
１６…堆積基板
１７…電源装置
１８…電源装置
１９…直流電源
２０…終端板
２１…終端板
２１ａ…ビームスポット
２２…カソード電極
２３…グリッド電極
２４…電子ビーム
２５…プローブ
３１…アルカリ金属内包フラーレン（リチウム内包フラーレン）
３２…フラーレン
３３…カーボンナノチューブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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