(57)【要約】【課題】  先端に整列したナノ構造を提供する。【解決手段】  先端に整列したカーボンナノチューブを製造する技術が提供される。一実施形態において、先端に整列したカーボンナノチューブを製造する方法は、ナノ構造を先端に形成し、先端を流れる流体を用いて、ナノ構造を先端に整列することを含む。【選択図】  図１
2010047461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ構造を先端上に形成する工程と、
前記先端上を流れる流体を用いて前記ナノ構造を前記先端上で整列させる工程を含む整列したナノ構造を先端上に製造する方法。
【請求項２】
前記ナノ構造が、カーボンナノチューブまたはナノワイヤを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ナノ構造を前記先端上に形成する工程が、
触媒粒子を前記先端上に形成する工程と、
前記触媒粒子から前記ナノ構造を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記触媒粒子を前記先端上に形成する工程が、
前記先端を前記触媒粒子を含む溶液に浸漬する工程と、
前記触媒粒子と接触している前記先端を、前記溶液から引き抜く工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記触媒粒子を前記先端上に形成する工程が、
前記先端を金属触媒イオンを含む電解質溶液から間隔をあけて配置する工程と、
前記金属触媒イオンを前記電解質溶液から放出させるために前記電解質溶液に電界を印加する工程と、
前記触媒粒子を形成するために前記放出された金属触媒イオンを前記先端に付着させる工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記触媒粒子を先端上に形成する工程が、
前記先端を金属触媒イオンを含む電解質溶液に浸漬する工程と、
前記電解質溶液と前記先端との間に電界を生成する工程と、
前記金属触媒イオンを前記先端に付着させる工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記触媒粒子が、ニッケル、コバルト、モリブデンおよび鉄からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記触媒粒子から前記ナノ構造を形成する工程が、前記ナノ構造に対応する反応ガスを前記触媒粒子に提供する工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記ナノ構造を前記先端上で整列させる工程が、
前記流体を前記先端上に導入する工程と、
前記流体を前記ナノ構造に向かって流すことにより前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記流体が、前記先端に対してぬれ性を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記流体が、前記ナノ構造に対してぬれ性を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記流体が、水または有機溶媒を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記流体を前記先端上に導入する工程が、液滴の形態の前記流体を、前記ナノ構造が形成されている領域以外の領域にスプレーする工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記流体を前記先端上に導入する工程が、前記先端の前記ナノ構造が形成されていない領域を、前記流体を含む溶液に浸漬する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記流体が、重力により前記ナノ構造に向かって流れる、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記流体が、前記先端に供給された不活性ガスフローにより、前記ナノ構造に向かって流れる、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記不活性ガスが、窒素、ヘリウム及び水素からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程が、前記ナノ構造を前記流体の流れる方向に整列させるために、前記流体に前記ナノ構造に対して物理的力を加えさせる工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記物理的力が、前記流体と前記先端との間の毛細管力により生成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ナノ構造を前記先端上に形成する工程と、
前記先端と前記先端を流れる流体との間の毛細管作用により、前記ナノ構造を集中させる工程を含む、先端に集中したナノ構造を製造する方法。
【請求項２１】
前記ナノ構造を前記先端上に形成する工程が、
触媒粒子を前記先端上に形成する工程と、
前記触媒粒子から前記ナノ構造を形成する工程を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ナノ構造を集中させる工程が、
前記流体を前記先端上に供給する工程と、
前記流体を前記ナノ構造に向かって流すことにより、前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程が、前記ナノ構造を前記流体の流れる方向に集中させるために、前記流体に前記ナノ構造に対して毛細管力による物理的力を加えさせる工程を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記流体と前記先端との間の分子間接着力が、前記流体中の分子間引力より大きい、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
頂点および傾斜部分を有する先端と、
前記先端の前記頂点において前記先端の長手方向に整列した第１のナノ構造と、
前記先端の前記傾斜部分を囲むように整列した第２のナノ構造と
を含む装置。
【請求項２６】
前記第１および第２のナノ構造が、前記傾斜部分上を流れる流体の物理的力により整列する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１および第２のナノ構造が、前記先端に沿って流れる流体の流れる方向に並んでいる、請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
頂点を有する先端と、
前記頂点から前記先端の長手方向に集中したナノ構造と、
前記ナノ構造を形成するのに用いる触媒と
を含む装置。
【請求項２９】
前記ナノ構造が、前記先端と前記先端を流れる流体との間の毛細管作用により集中させられている、請求項２８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本開示は概してナノ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
近年、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノワイヤ、ナノロッド等を含むナノ構造がかなり研究されている。かかる研究の１つの成果は、ＣＮＴを、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）の先端として用いることができるという知見である。ＡＦＭの先端は、操作中、試料表面との衝撃に耐える十分に高い強度と、高アスペクト比を有する接触構造を高い信頼性で測定するための高解像度を必要とする。高解像度を達成するために、先端は、高アスペクト比の幾何構造を有し得る。
【０００３】
ＣＮＴは、良好な耐化学性および良好な機械的強度を有する。さらに、ＣＮＴは、高アスペクト比の幾何構造を有する。このように、ＣＮＴは、ＡＦＭの先端の有望な候補である。例えば、先端の頂点に形成された針状のＣＮＴが、ＡＦＭの先端のプローブとして用いるのに好適である。ＣＮＴを、接着剤でコートされたシリコン先端に取り付ける１つの方法は、S.S. WongらによりAppl. Phys. Lett. 73(23) 3465-3467, 1998またはH. Dai らによりNature 384(14), 147-150, 1996に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＮＴをＡＦＭの先端のプローブとして用いるには、先端に良好に接着し、高アスペクト比を有するＣＮＴを高い信頼性で形成する技術の開発が必要である。さらに、先端の長手方向に実質的に平行な幾何形状を有するように、ＣＮＴを先端に付着させる技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
一実施形態において、先端上で整列したナノ構造を製造する方法は、ナノ構造を先端上に形成する工程と、先端を流れる流体を用いて、ナノ構造を先端上で整列させる工程を含む。
【０００６】
他の実施形態において、先端上に集中したナノ構造を製造する方法は、ナノ構造を先端に形成する工程と、先端と、先端を流れる流体との間の毛細管作用により、ナノ構造を集中させる工程を含む。
【０００７】
さらに他の実施形態において、装置は、頂点および傾斜部分を有する先端と、先端の頂点で先端の長手方向に整列した第１のナノ構造と、先端の傾斜部分を囲むように整列した第２のナノ構造とを含む。
【０００８】
さらに他の実施形態において、装置は、頂点を有する先端と、先端の長手方向に集中したナノ構造と、ナノ構造を形成するのに用いる触媒とを含む。
【０００９】
上記の概要は、概念のセレクションを単純化した形態で示すためのものであり、これについて、発明を実施するための最良の形態に、さらに後述する。上記の概要は、クレームされる主題の主要な特徴または必須の特徴を特定するためのものではなく、クレームされる主題の範囲を判断する補助として用いることを意図するものでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】先端上で整列したナノ構造を製造する方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図２】ナノ構造を先端上に形成する方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図３】先端上に触媒粒子を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図４】先端上に触媒粒子を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図５】先端上に触媒粒子を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図６】先端上に触媒粒子を形成する方法の他の例示的な実施形態の概略図である。
【図７】先端上に触媒粒子を形成する方法の他の例示的な実施形態の概略図である。
【図８】先端上に触媒粒子を形成する方法の他の例示的な実施形態の概略図である。
【図９】先端上に触媒粒子を形成する方法のさらに他の例示的な実施形態の概略図である。
【図１０】先端上に触媒粒子を形成する方法のさらに他の例示的な実施形態の概略図である。
【図１１】触媒粒子からナノ構造を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図１２】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図１３】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図１４】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図１５】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付の図面を参照する。図面において、特に断りのない限り、同様の符号は、典型的に、同様の構成要素を示す。詳細な説明に記載された例示の実施形態、図面、請求項は、限定されるものではない。ここに示した主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を用い、その他変更を行うことができる。概して、ここに記載され、図面に例示された本開示の構成要素は、様々な異なる構成でアレンジ、置換、結合および設計することができ、それらはすべて明確に意図されており、この開示の一部をなすことが容易に理解できる。
【００１２】
要素または層が、他の要素または層「上に（で）」と言及されるとき、その要素または層は、他の要素または層の直接上にあってもよいし、または介在する要素または層が存在していてもよい。本明細書で用いる、「および／または」という用語には、関連して挙げられた項目の１つ以上のいずれかおよび全ての組み合わせを含み得る。
【００１３】
図１は、先端上で整列したナノ構造を製造する方法の例示の実施形態のフローチャートである。図１を参照すると、ブロック１１０で始まり、ナノ構造が先端上に形成される。例えば、先端は、タングステン、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タンタルもしくはニオブ等の金属、またはこれらの合金で形成され得る。ナノ構造は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）またはナノワイヤを含む。ブロック１２０で、流体が先端上に供給されて、先端に沿って流れる流体が、先端上にナノ構造を整列させる。例えば、流体は、水または有機溶媒を含む液体であってもよい。有機溶媒としては、アルコール、ケトン、エステル等が例示される。先端上で整列したナノ構造を形成する方法を、ナノ構造を先端上に形成する方法およびナノ構造を先端上で整列させる方法に関して説明する。
【００１４】
ナノ構造を先端に形成する方法
図２は、図１のブロック１１０に関連して、ナノ構造を先端に製造する方法の例示の実施形態のフローチャートである。ブロック２１０で始まり、触媒粒子が先端上に形成される。触媒粒子は、金属触媒粒子であってよい。例えば、金属触媒粒子は、ニッケル、コバルト、モリブデンまたは鉄等の金属を含み得る。次に、ブロック２２０において、ナノ構造を、触媒粒子から形成する。いくつかの実施形態におけるナノ構造を先端に形成する方法の各プロセスを、ここで図３〜９を参照してさらに説明する。
【００１５】
図３〜５は、触媒粒子を先端上に形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。図３を参照すると、先端３１０が、触媒粒子３５０を含む溶液３３０に浸漬される。先端３１０は、頂点３１０ａおよび傾斜部分３１０ｂを含んでいてもよい。ある実施形態においては、先端３１０の少なくとも一部、例えば、頂点３１０ａおよび傾斜部分３１０ｂを、溶液３３０に浸漬する。別の実施形態においては、実質的に、先端３１０全体を、溶液３３０に浸漬する。
【００１６】
先端３１０は、例えば、タングステン、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タンタルもしくはニオブ等の金属、またはこれらの合金を含む。一実施形態においては、金属ワイヤは、頂点３１０ａおよび傾斜部分３１０ｂを含む先端３１０を形成するために、水酸化物溶液を用いて電気化学的にエッチングされる。例えば、タングステンワイヤは、頂点および傾斜部分を含むタングステン先端を形成するために、水酸化カリウム溶液または水酸化ナトリウム溶液内で電気化学的にエッチングされてもよい。他の例では、アルミニウムワイヤは、頂点および傾斜部分を備えたアルミニウム先端を形成するために、硫化水素酸と混合した塩化水素溶液内で電気化学的にエッチングされてもよい。他の実施形態において、頂点３１０ａおよび傾斜部分３１０ｂを含む先端３１０は、金属ワイヤを機械的に研削して、上述した形状とすることにより形成される。
【００１７】
溶液３３０は、触媒粒子３５０を含むコロイド溶液である。溶液３３０は、例えば、有機溶媒または脱イオン水である。有機溶媒としては、アルコール、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコールおよびイソブチルアルコール；ケトン、例えば、アセトン、メチルアセトンおよびジアセトンアルコール；エステル、例えば、酢酸エチルおよび乳酸エチル；多価アルコール、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，２，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，２−ヘキサンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、ヘキシレングリコール、グリセロール、グリセロールエトキシレートおよびトリメチロールプロパンエトキシレート；低級アルキルエーテル、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテルおよびトリエチレングリコールモノエチルエーテル、窒素化合物、例えば、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドンおよびカプロラクタム；ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、チオグリコール等が挙げられ、これらは、単体で用いても、組み合わせて用いてもよい。
【００１８】
触媒粒子３５０は、溶液３３０中に分散され得る。触媒粒子３５０は、金属触媒粒子であってもよい。金属触媒粒子は、例えば、ニッケル、コバルト、モリブデン、白金もしくは鉄等の金属、またはこれらの合金を含んでいてもよい。溶液３３０中に浸漬された先端３１０のいくつかの部分は、溶液３３０中の触媒粒子３５０と接触する。
【００１９】
図４および５を参照すると、溶液３３０に浸漬された先端３１０は、溶液３３０から引っ張られまたは持ち上げられる。先端３１０を溶液３３０から引っ張り出すとき、溶液３３０の一部が先端３１０に移動し得る。すなわち、溶液３３０の一部が先端３１０に残る。一実施形態において、溶液３３０の分子と先端３１０の分子との間の接着力が、溶液３３０の分子間の凝集力より強いと、溶液３３０は、毛細管現象の結果、先端３１０に移動し得る。先端３１０の溶液３３０は、雰囲気周囲中で、先端３１０から容易に蒸発し得、溶液３３０中の触媒粒子３５０が、先端３１０に残り得る。その結果、触媒粒子３５０が、先端３１０上に形成され得る。一実施形態において、先端３１０の傾斜部分３１０ｂが、溶液３３０に浸漬され、先端３１０上および傾斜部分３１０ｂ上に移動した溶液が蒸発すると、先端３１０の傾斜部分３１０ｂ上に触媒粒子３５０が形成される。
【００２０】
図６〜８は、触媒粒子を先端上に形成する方法の他の例示の実施形態の概略図である。図６を参照すると、先端６１０は、電解質溶液６３０から間隔をあけて配置されている。例えば、先端６１０は、電解質溶液６３０の上方に配置され得る。先端６１０は、頂点６１０ａおよび傾斜部分６１０ｂを含む。頂点６１０ａおよび傾斜部分６１０ｂを有する先端６１０は、図３〜５を参照して説明した頂点３１０ａおよび傾斜部分３１０ｂを有する先端３１０と実質的に同じである。従って、頂点６１０ａおよび傾斜部分６１０ｂを有する先端６１０の詳細な説明は、簡単にするために省く。
【００２１】
電解質溶液６３０は、金属触媒イオン６５０を含み得、電解質溶液６３０は、電極容器６７０内に提供されてもよい。金属触媒イオン６５０は、電解質溶液６３０中の金属触媒から形成され得る。一実施形態において、金属触媒イオン６５０は、金属触媒が、電解質溶液６３０に電子を放出する場合、正電荷を有する金属カチオンであり得る。他の実施形態において、金属触媒イオン６５０は、金属触媒が、電解質溶液６３０から電子を得る場合、負電荷を有する金属アニオンであり得る。金属触媒イオン６５０としては、例えば、ニッケルイオン、コバルトイオン、モリブデンイオン、鉄イオン等、またはこれらの組み合わせが挙げられ得る。
【００２２】
図７を参照すると、外部電源７９０が、電解質溶液６３０に電圧を印加して、金属触媒イオン６５０を、電解質溶液６３０から放出する。図示するとおり、外部電源７９０は、先端６１０と電解質溶液６３０との間に配置されて、電解質溶液６３０に電圧を印加する。一実施形態において、金属触媒イオン６５０が正電荷を有する場合、電圧が印加されると、先端６１０は、負の電位を有し、電解質溶液６３０は、正の電位を有し得る。他の実施形態において、金属触媒イオン６５０が負電荷を有する場合、電圧を印加すると、先端６１０は、正の電位を有し、電解質溶液６３０は、負の電位を有し得る。
【００２３】
電解質溶液６３０に印加された電圧は、静電力を生成する。生成された静電力によって、金属触媒イオン６５０が、電解質溶液６３０の表面に集まり得る。電解質溶液６３０の表面に集まった金属触媒イオン６５０は、互いに静電反発力を示し得る。このとき閾値電圧を超える電圧が印加されると、金属触媒イオン６５０は、電解質溶液６３０の表面張力に打ち勝ち、金属触媒イオン６５０が、電解質溶液６３０の表面から放出される。閾値電圧とは、電解質溶液６３０に印加される臨界電圧を意味し、金属触媒イオン６５０が、互いの静電反発力および電解質溶液６３０との静電反発力にも関わらず、電解質溶液６３０中に存在できる上限の電圧である。例えば、ニッケル触媒イオンを含む電解質溶液６３０と、タングステンで形成された先端６１０との間の距離が、約５０μｍのとき、閾値電圧は、約数十ボルトであり得る。
【００２４】
図７に示すように、放出された金属触媒イオン６５０は、先端６１０に付着し得る。電圧により、先端６１０の周囲に形成された電界は、電解質溶液６３０から放出された金属触媒イオン６５０を先端６１０に向けて誘導し得る。一実施形態において、電界は、先端６１０の頂点６１０ａ上で集中し、放出された金属触媒イオン６５０は、先端６１０の頂点６１０ａに付着し得る。付着した金属触媒イオン６５０は、先端６１０から電子を受け取るか、先端６１０に電子を放出でき、金属触媒イオン６５０が、還元または酸化されて、先端６１０で金属触媒原子となる。
【００２５】
図８を参照すると、触媒粒子８５０が、先端６１０上に形成される。先端６１０上で還元または酸化された金属触媒原子は、互いに結合して、先端６１０上に触媒粒子８５０を形成する。
【００２６】
図９および１０は、触媒粒子を先端に形成する方法のさらに他の例示の実施形態の概略図である。図９を参照すると、頂点９１０ａおよび傾斜部分９１０ｂを有する先端９１０は、金属触媒イオン９５０を含む電解質溶液９３０に浸漬され得る。外部電源９９０から、電解質溶液９３０に電圧を印加して、電解質溶液９３０から金属触媒イオン９５０を放出させ得る。金属触媒イオン９５０を含む電解質溶液９３０は、電極容器９７０内に提供されていてもよい。先端９１０、電解質溶液９３０、金属触媒イオン９５０、電極容器９７０および外部電源９９０は、図６〜８を参照して説明した先端６１０、電解質溶液６３０、金属触媒イオン６５０、電極容器６７０および外部電源７９０と実質的に同じである。
【００２７】
外部電源９９０は、先端９１０を電解質溶液９３０に浸漬している間、先端９１０と電解質溶液９３０との間に電圧を印加する。電圧を印加し、電界が、先端９１０と電解質溶液９３０との間に形成されると、電解質溶液９３０中の金属触媒イオン９５０が、先端９１０に付着し、還元または酸化されて、先端９１０上で金属触媒原子になる。
【００２８】
図１０を参照すると、先端９１０上で還元または酸化された金属触媒原子は、互いに結合して、先端９１０上に触媒粒子１０５０を形成する。
【００２９】
図１１は、触媒粒子からナノ構造を形成する方法の例示の実施形態の概略図である。図示するとおり、ナノ構造は、図５、８および１０を参照して説明した触媒粒子３５０、８５０および１０５０から形成され得る。以降、ナノ構造の一例として、ＣＮＴを形成する方法をここで説明する。
【００３０】
一実施形態において、炭化水素を含む反応ガス１１１０が、触媒粒子３５０、８５０および１０５０上に導入されて、触媒粒子３５０、８５０および１０５０からＣＮＴ１１３０が形成される。炭化水素としては、一酸化物、アセチレン、エチレン、エタン、メタン、プロパンまたはこれらの組み合わせが挙げられ得る。ＣＮＴ１１３０を形成する方法は、例えば、エネルギー源として、熱、プラズマまたはマイクロ波を用いた化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスにより実施され得る。
【００３１】
炭化水素を含む反応ガス１１１０は、例えば、熱、プラズマまたはマイクロ波により、触媒粒子３５０、８５０および１０５０上で溶解する。溶解した反応ガス１１１０中の炭化水素から分離された炭素原子は、触媒粒子３５０、８５０および１０５０に拡散して、炭素原子は、触媒粒子３５０、８５０および１０５０に運ばれる。炭素原子が、触媒粒子３５０、８５０および１０５０中の炭素の溶解度を超えて充填されると、炭素原子の析出が生じる。析出のために、炭素原子は、触媒粒子３５０、８５０および１０５０から抽出される。次に、抽出された炭素原子は、触媒粒子３５０、８５０および１０５０との界面に再配列する。再配列した炭素原子は、界面から成長して、先端３１０、６１０および９１０上にＣＮＴ１１３０を形成する。
【００３２】
図１１に示すとおり、一実施形態において、触媒粒子３５０、８５０および１０５０は、それぞれ、先端３１０、６１０および９１０に付着し、ＣＮＴ１１３０は、触媒粒子３５０、８５０および１０５０上に形成される。他の実施形態において、溶解した反応ガス１１１０の炭素原子は、触媒粒子３５０、８５０および１０５０の上面から下面へ拡散し得、次に触媒粒子３５０、８５０および１０５０の下面から析出し得る。その結果、ＣＮＴ１１３０は、触媒粒子３５０、８５０および１０５０下に形成され得る。触媒粒子３５０、８５０および１０５０は、ＣＮＴ１１３０が触媒粒子３５０、８５０および１０５０から形成された後、ＣＮＴ１１３０上に残り得る。
【００３３】
一実施形態において、電極（図示せず）は、先端３１０、６１０または９１０から離れて配置され得る。例えば、電極は、先端３１０、６１０および９１０の下に配置され得る。ＣＮＴ１１３０が先端３１０、６１０および９１０上に形成している間、外部電圧等の電圧を、先端３１０、６１０および９１０と電極との間に印加してもよい。電圧により生成された電界は、ＣＮＴ１１３０が、先端３１０、６１０および９１０で不規則に成長するのを防ぎ得る。電界は、先端３１０、６１０および９１０上で成長するＣＮＴ１１３０と相互作用し得る。電解は、ＣＮＴ１１３０の内部双極子極性を変え、トルクおよび力を生成して、ＣＮＴ１１３０を整列させ得る。従って、電界は、先端３１０、６１０および９１０上でのＣＮＴ１１３０の成長方向を変え、これによって、ＣＮＴ１１３０が電界に沿って整列し得る。
【００３４】
ＣＮＴ１１３０以外のナノ構造を、図１１を参照して説明したＣＮＴ１１３０を形成する方法と同様の方法により形成してもよい。すなわち、ナノ構造に対応する所定のソースガスを提供し、金属触媒粒子上で溶解し、溶解したソースガスと金属触媒粒子との間の反応により、ナノ構造を形成してもよい。一実施形態において、炭化ケイ素ナノロッドは、蒸発したＣ６Ｈ１８Ｓｉ２ガスをソースガスとし、鉄粒子を金属触媒粒子として用いて、ＣＶＤ法により形成し得る。他の実施形態において、酸化ケイ素ナノワイヤを、蒸発したＳｉＯガスをソースガスとして、鉄粒子を金属触媒粒子として用いて、蒸着法により形成し得る。
【００３５】
図３〜１１を参照して説明した、ナノ構造を先端に形成する方法のいくつかの例示の実施形態には、触媒粒子を先端上に形成する工程と、ナノ構造を触媒粒子から形成する工程が含まれる。他の実施形態において、既に製造されたナノ構造を用意し、そのナノ構造を先端上に付着させることにより、ナノ構造を先端上に形成してもよい。
【００３６】
ナノ構造を先端上で整列させる方法
図１２は、ナノ構造を先端上で整列させる方法の例示の実施形態のフローチャートである。ブロック１２１０で始まり、流体をナノ構造を含む先端上に導入する。ブロック１２２０において、先端に沿って流れる流体が、ナノ構造に力を加えて、ナノ構造を先端上で整列させる。力は、先端と流体との間の毛細管力であり得る。その結果、整列したナノ構造が、先端上に形成される。ナノ構造を先端上で整列する方法の各プロセスを、ここで図１３〜１５を参照して説明する。
【００３７】
図１３を参照すると、流体１３７０が、ナノ構造１３５０を含む先端１３１０上に導入される。ナノ構造１３５０は、例えば、ＣＮＴ、ナノワイヤまたはナノコードである。ナノ構造１３５０は、図１１を参照して説明したＣＮＴ１１３０であってもよい。あるいは、ナノ構造１３５０は、上述した様々な他の方法により先端上に形成されたナノ構造であってもよい。先端１３１０は、頂点１３１０ａおよび傾斜部分１３１０ｂを含み得る。先端１３１０は、図１〜１１を参照して説明した先端３１０、６１０および９１０と実質的に同じである。流体１３７０は、先端１３１０に対してぬれ性がある。流体１３７０は、例えば、水または有機溶媒を含み得る。有機溶媒としては、例えば、アルコール、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔ−ブチルアルコールおよびイソブチルアルコール；ケトン、例えば、アセトン、メチルアセトンおよびジアセトンアルコール；エステル、例えば、酢酸エチルおよび乳酸エチル；多価アルコール、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，２，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，２−ヘキサンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、ヘキシレングリコール、グリセロール、グリセロールエトキシレートおよびトリメチロールプロパンエトキシレート；低級アルキルエーテル、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテルおよびトリエチレングリコールモノエチルエーテル；窒素化合物、例えば、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドンおよびカプロラクタム；ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、チオグリコール等が挙げられ、これらは、単体で用いても、組み合わせて用いてもよい。
【００３８】
流体１３７０は、先端１３１０のナノ構造１３５０が形成されていない領域に導入してよい。一実施形態において、流体１３７０は、液滴の形態で流体を、先端１３１０の部分へスプレーすることにより、先端１３１０に導入され得る。その先端１３１０の部分は、ナノ構造１３５０が形成されていない領域である。他の実施形態において、流体１３７０は、先端１３１０の部分を、流体１３７０を含む溶液に浸漬することにより、先端１３１０上に導入され得る。
【００３９】
先端１３１０上に導入された流体１３７０は、先端１３１０の長手方向に沿って、ナノ構造１３５０に向かって流れ得る。一実施形態において、先端１３１０が、地面に対して実質的に垂直に配置されてもよく、それにより重力の結果として、流体１３７０が先端１３１０から下方に流れる。他の実施形態において、不活性ガスフローが先端１３１０上に提供されて、これにより流体１３７０がナノ構造に向かって流れる。例えば、不活性ガスは、窒素、ヘリウム、水素等またはこれらの組み合わせであり得る。不活性ガスフローは、不活性ガスを、制御されたガスインジェクタから、先端１３１０の長手方向に吹き込むことにより生成され得る。先端１３１０の長手方向に沿って流れる不活性ガスは、流体１３７０に対して物理的な力として作用することができ、これにより流体１３７０が先端１３１０に沿って流れる。
【００４０】
流体１３７０が先端１３１０上を流れると、毛細管力が流体１３７０と先端１３１０との間の界面で生じ得る。図１３に示すとおり、流体１３７０の分子と先端１３１０の分子との間の毛細管力が、流体１３７０の分子間引力より大きいと、先端１３１０が、流体１３７０と先端１３１０との間の界面で、流体１３７０の流れる方向と反対の方向に、流体１３７０を引っ張り得る。
【００４１】
図１４を参照すると、先端１３１０上を流れる流体１３７０は、ナノ構造１３５０と接触する。一実施形態において、流体１３７０が、傾斜部分１３１０ｂに沿って、頂点１３１０ａに向かって流れ得るようにナノ構造１３５０は傾斜部分１３１０ｂ上に形成されてもよい。ナノ構造１３５０は、流体１３７０に対してぬれ性を有する。
【００４２】
先端１３１０上を流れる流体１３７０は、流体１３７０がナノ構造１３５０を通過するとき、ナノ構造１３５０に物理的力を加え得る。流体１３７０の流れと、流体１３７０が先端１３１０に沿って流れるときの流体１３７０と先端１３１０との間の界面で生じる毛細管作用によって、物理的な力が生じ得る。流体１３７０と接触した後、ナノ構造１３５０は、流体１３７０からの物理的な力によって、実質的に流体１３７０の流れる方向に、先端１３１０上で整列し得る。
【００４３】
図１５を参照すると、図１４のナノ構造１３５０は、流体１３７０がナノ構造１３５０を通過した後、先端１３１０上で整列する。一実施形態において、図１４に示すナノ構造１３５０は、先端１３１０の頂点１３１０ａで、先端１３１０の長手方向に実質的に整列した第１のナノ構造と、先端１３１０の傾斜部分１３１０ｂを囲むように整列した第２のナノ構造１３５０ｂとに分けられる。第１のナノ構造１３５０ａは、直径が約１００ｎｍ未満の少なくとも１つの単層のＣＮＴを含み得る。頂点１３１０ａに配置された単層ＣＮＴの直径は、約１〜１０ｎｍであり得る。このように、第１のナノ構造１３５０ａは、直径に比べて非常に長い長さを有し得る。従って、第１のナノ構造１３５０ａは、高アスペクト比の幾何構造を有している。その結果、先端１３１０の長手方向に実質的に平行に整列し、約１００ｎｍ未満の小さな直径を有する第１のナノ構造１３５０ａは、ＡＦＭのプローブ先端として用いられ得る。
【００４４】
上述したとおり、ナノ構造は、先端に沿って流れる流体を用いて、先端の頂点周囲に整列できる。さらに、先端の頂点周囲に整列したナノ構造は、先端の長手方向に実質的に平行な高アスペクト比の幾何構造を有することができる。従って、ナノ構造は、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）等の高アスペクト比の先端を必要とする装置に適用することができる。さらに、このナノ構造は、高電界集中を必要とするフィールドエミッション素子の電子エミッタに適用することができる。
【００４５】
上記は、本開示の例示であり、限定するものとは解釈されない。本開示の数多くの実施形態を説明してきたが、当業者であれば、本開示の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、実施形態の多くの修正が可能であることが容易に理解されるであろう。従って、かかる修正はすべて、特許請求の範囲に定義された本開示の範囲内に含まれるものとする。そのため、上記は、開示された特定の実施形態に限定されるものとは解釈されない本開示の例示であり、開示された実施形態およびその他実施形態の修正は、添付の特許請求の範囲に含まれるものと考えられる。本開示は、特許請求の範囲により定義され、特許請求の範囲の均等物も含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４６】
３１０  先端
３１０ａ  頂点
３１０ｂ  傾斜部分
３３０  溶液
３５０  触媒粒子
６１０  先端
６１０ａ  頂点
６１０ｂ  傾斜部分
６３０  電解質溶液
６５０  金属触媒イオン
６７０  電極容器
７９０  外部電源
８５０  触媒粒子
９１０  先端
９１０ａ  頂点
９１０ｂ  傾斜部分
９３０  電解質溶液
９５０  金属触媒イオン
９７０  電極容器
９９０  外部電源
１０５０  触媒粒子
１１１０  反応ガス
１１３０  ＣＮＴ
１３１０  先端
１３１０ａ  頂点
１３１０ｂ  傾斜部分
１３５０  ナノ構造
１３７０  流体
【図１】
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【図２】
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【図１２】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
2010047461000001.pdf