(57)【要約】【課題】ナノ構造体を確実に電極ギャップに配置することができるナノ構造体の配列方法と、それを用いたナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板とを提供する。【解決手段】同一線上に間隔を開けて設けられている第１の電極１１と第２の電極１２との間に交番電界を形成しながら、第１の電極１１と第２の電極１２との配列方向に沿って画成されている流路に複数のナノ構造体が混入している分散体を流すことにより、第１の電極１１と第２の電極１２とを跨ぐように分散体中のナノ構造体を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を開けて設けられている第１の電極と第２の電極との間に交番電界を形成しながら、上記第１の電極及び上記第２の電極の配列方向に沿って画成されている流路に対し、複数のナノ構造体が混入している分散体を流すことにより、上記第１の電極と上記第２の電極とを跨ぐように上記ナノ構造体を配列する、ナノ構造体の配列方法。
【請求項２】
前記第１の電極のうち前記第２の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっており、かつ前記第２の電極のうち前記第１の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっている、請求項１に記載のナノ構造体の配列方法。
【請求項３】
基体上に第１の電極と第２の電極とを間隔を開けて形成するステップと、
上記基体上に上記第１の電極と上記第２の電極との配列方向に沿って流路を設けるステップと、
上記第１の電極と上記第２の電極との間に交番電圧を印加しながら複数のナノ構造体が混入した分散体を上記流路に流し、上記ナノ構造体を誘導泳動により上記第１の電極と上記第２の電極との間に捕捉し、上記第１の電極と上記第２の電極とを跨ぐようにナノ構造体を配列するステップと、
を含む、ナノデバイスの作製方法。
【請求項４】
さらに、前記流路を画成する流路形成部を取り外すステップと、
前記ナノ構造体の一方の端部及び前記第１の電極上に第１の導通用電極を形成し、かつ前記ナノ構造体の他方の端部及び前記第２の電極上に第２の導通用電極を形成するステップと、
を含む、請求項３に記載のナノデバイスの作製方法。
【請求項５】
前記第１の電極のうち前記第２の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっており、かつ前記第２の電極のうち前記第１の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっている、請求項３に記載のナノデバイスの作製方法。
【請求項６】
基体と、該基体上に設けられた第１の電極と、該基体上において該第１の電極と間隔を開けて設けられた第２の電極と、上記第１の電極及び上記第２の電極の隙間であってナノ構造体が配列されるべき方向に沿って流路を画成する流路形成部と、を有する、ナノデバイス作製用基板。
【請求項７】
前記第１の電極と前記第２の電極との間には前記ナノ構造体が配列されている、請求項６に記載のナノデバイス作製用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノワイヤやナノロッドその他のナノ構造体を電極ギャップに配列するナノ構造体の配列方法と、その方法を応用したナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッドその他の一次元的なナノ構造体を製造することができるようになり、例えばＺｎＯナノワイヤの製法として、非特許文献１乃至４が知られている。それに伴い、ナノ構造体を用いたナノデバイスが研究開発されている。
【０００３】
一方、誘導泳動（dielectrophoresis：ＤＥＰ）現象、即ち、粒子等の分散質を溶液等の分散媒に分散してなる分散体（「分散系」ともいう。）に電界を加えると、分散媒と分散質との分極率の相違により誘起双極子モーメントが発生し、分散質の両側に形成される電界強度の差は誘起双極子が及ぼす力の差となり、粒子等の分散質に力が作用する現象が知られている。分散質が線状分子である場合には誘導泳動により線状分子が伸長することが知られている。この誘導泳動現象を用いることによって、細胞のマニピュレーションやパターニング（例えば特許文献１）、対向する電極に対しＤＮＡを垂直方向に配向する研究例（例えば非特許文献５）がある。また、ＡＦＭ探針としてナノワイヤの一端を固定する際、正の誘電泳動を利用することが注目されている（例えば非特許文献６乃至７）。例えば、ピークツーピーク電圧１０Ｖ、周波数２ＭＨｚの正の誘導泳動パルス電圧により、ＡＦＭ探針とＣＮＴ（Carbon nanotube）とが良好に結合すると報告されている。このように、ナノ構造体の一端を固定する場合に、正の誘電泳動を用いることは有効と考えられる。
【０００４】
電極ギャップ間にナノワイヤを配置する例として、例えば特許文献９においては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）懸濁液を３０μリットル滴下し、一対の電極間にピークツーピーク電圧２Ｖ、周波数３００ｋＨｚでＤＥＰパルスを６分間印加して、約１μｍの電極ギャップにＣＮＴを配置することに成功し、単一ナノワイヤデバイスを製造している。また、特許文献１０では、マルチチャンネルデバイスの応用例として４００対の電極を有するデバイスにおいて、９０％以上ＣＮＴナノワイヤを接合したことが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００８／００１７４２
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. H. Huang et al, Adv. Mater. 13, 113-116 (2001)
【非特許文献２】S. H. Lee et al J. Nanosci. Nanotech. 6, 3351-3354 (2006)
【非特許文献３】S. H. Lee et al J Phys Chem B 110, 3856-3859 (2006)
【非特許文献４】S. H. Lee et al Nano Lett. 8, 2419-2422 (2008)
【非特許文献５】H. Kabata et al, Science 262, 1561-1563 (1993)
【非特許文献６】J. Zhang et al, Adv. Mater. 16, 1219- (2004)
【非特許文献７】J. Tang et al, Nano Lett., 5, 11-14 (2005)
【非特許文献８】R. Krupke ae al, Nano Lett., 4, 1395-1399 (2004)
【非特許文献９】M. Oron-Carl et al, Nano Lett. 5, 1761-1767 (2005)
【非特許文献１０】A. Vijayaraghavan et al, Nano Lett., 7, 1556-1560 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１や非特許文献５に開示された手法では、一本のナノ構造体を選択的に配向し、かつ電極ギャップに捕捉することはできなかった。しかも、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）型をはじめとするナノデバイスでは、ナノ構造体の各端部を互いに異なる電極と接合する必要がある。そうしないと、ナノ構造体、例えばナノワイヤのキャリア、即ち電子や正孔の伝導特性により種々の論理回路やセンシングデバイスを構築することができないからである。
【０００８】
誘電泳動力に基いて微粒子を捕捉することは今やごく一般的な手法となりつつあるのに対し、ナノワイヤ、ナノロッドなどのナノ構造体の各端部をそれぞれ同時に捕捉することは確率的に非常に困難である。つまり、誘導泳動パルス電圧を電極間に印加することで、この電極間にナノ構造体を確実に配置することは難しく、ナノ構造体を利用した各種ナノデバイスの製造効率が低下するばかりか、一定の品質が維持できないという問題がある。
【０００９】
特許文献９に開示された方法では、誘導泳動力が弱いため電極のギャップが１μｍ未満と比較的短い場合にしか適用することができず、誘導泳動パルス電圧の印加時間も６分間と比較的長い。誘導泳動パルス電圧の印加時間が長いと、誘導泳動パルスがナノワイヤの電気化学反応や化学変化を促進するためナノワイヤが劣化するおそれがある。よって、デバイスの性能品質が悪くなる。しかも、特許文献９においては、単一ナノワイヤを配列する際の成功率は３／１８に留まっていると説明されており、生産性が悪い。
【００１０】
特許文献１０では、単一ナノワイヤが誘電泳動により２つの電極間のギャップに配置されると２つの電極近傍の電界勾配が変化し、２本目以降のナノワイヤに対し斥力が働くようになる、と説明されている。しかしながら、本発明者らが同様な実験をしたところそのような現象は観測されず、電極のギャップに複数のナノワイヤが配置されてしまった。また特許文献１０で説明されている現象は、一般的なものとは言えない。
【００１１】
そこで、本発明では、ナノ構造体を確実に電極ギャップに配置することができる、ナノ構造体の配列方法と、それを用いたナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板と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】
【００１２】
本発明者らは、鋭意研究を重ね、ナノワイヤやナノロッドなどのナノ構造体を２点で同時に捕捉することができるよう、ナノ構造体をその２点を結ぶ線と並行となるよう予め配向させておくことにより、ナノワイヤやナノロッドなどのナノ構造体を２電極間に捕捉する効率が大幅に向上すると考えた。そして、ナノ構造体が層流内を移動する際に、ナノ構造体の長軸方向が移動方向に並行になるよう配向する現象に着目した。すなわち、ナノワイヤやナノロッドなどのナノ構造体を予め配向させておくためにマイクロサイズの幅を有する流路（「マイクロ流路」と呼ぶ。）を用い、マイクロ流路と誘導泳動とを用いることがナノ構造体を電極間に配列するために極めて有効であることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１３】
本発明におけるナノ構造体の配列方法は、間隔を開けて設けられている第１の電極と第２の電極との間に交番電界を形成しながら、第１の電極及び第２の電極の配列方向に沿って画成されている流路に対し、複数のナノ構造体が混入している分散体を流すことにより、第１の電極と第２の電極とを跨ぐようにナノ構造体を配列することを特徴とする。
上記構成において、第１の電極のうち第２の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっており、かつ第２の電極のうち第１の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっていることが好ましい。
【００１４】
本発明におけるナノデバイスの作製方法は、基体上に第１の電極と第２の電極とを間隔を開けて形成するステップと、基体上に第１の電極と第２の電極との配列方向に沿って流路を設けるステップと、第１の電極と第２の電極との間に交番電圧を印加しながら複数のナノ構造体が混入した分散体を流路に流し、ナノ構造体を誘導泳動により第１の電極と第２の電極との間に捕捉し、第１の電極と第２の電極とを跨ぐようにナノ構造体を配置するステップと、を含むことを特徴とする。
上記構成において、さらに、流路を画成する流路形成部を取り外すステップと、ナノ構造体の一方の端部及び第１の電極上に第１の導通用電極を形成し、ナノ構造体の他方の端部及び第２の電極上に第２の導通用電極を形成するステップと、を含むことが好ましい。
上記構成において、第１の電極のうち第２の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっており、かつ第２の電極のうち第１の電極側の端部は先端になるにつれて幅が細くなっていることが好ましい。
【００１５】
本発明におけるナノデバイス作製用基板は、基体と、基体上に設けられた第１の電極と、基体上において第１の電極と間隔を開けて設けられた第２の電極と、第１の電極及び第２の電極の隙間であってナノ構造体が配列されるべき方向に沿って流路を画成する流路形成部と、を有することを特徴とする。
上記構成において、第１の電極と第２の電極との間にはナノ構造体が配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明におけるナノ構造体の配列方法によれば、第１の電極と第２の電極とのギャップに対し平行に設けられている流路に沿ってナノ構造体を分散媒により輸送することにより予めナノ構造体の配向を制御しておき、２つの電極間に交番電圧を印加することで誘導泳動によりナノ構造体を電極間に確実に捕捉することができる。即ち、流路と誘導泳動を用いることによって電極ギャップ間に効率良くかつ確実にナノ構造体を配列することができる。
【００１７】
本発明によるナノデバイスの作製方法によれば、第１の電極と第２の電極とのギャップに対して平行に流路を設け、ナノ構造体を含んだ分散体を流路口から導入し、流路に沿ってナノ構造体を分散媒により輸送し、第１の電極と第２の電極との間に交番電圧を印加することで誘導泳動を生じさせることにより第１の電極と第２の電極との間にナノ構造体を確実に捕捉する。このように流路と誘電泳動とを用いることによって、第１の電極と第２の電極との間に跨るようにナノ構造体を効率良くかつ確実に配列することができる。また、ナノ構造体の両端部において電気的導通を確保することで半導体デバイスや各種センシングデバイスを作製することができる。
【００１８】
本発明によるナノデバイス作製用基板によれば、第１の電極と第２の電極とがギャップを有するようにそれらの配列方向に沿って流路が形成されているため、この流路にナノ構造体を含んだ分散体を導入することで、第１の電極と第２の電極とに跨るように単一のナノ構造体を効率良く配置することができ、単一ナノデバイスの生産性が向上し、単一ナノデバイスの生産コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るナノ構造体の配列方法の際用いられるナノ構造体配列チップを示しており、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図２】ナノ構造体がＺｎＯナノワイヤの場合のＲｅ[Ｋ（ω）]の周波数特性依存性の計算結果を示す図である。
【図３】ナノ構造体がｓ−ＳＷＮＴの場合のＲｅ[Ｋ（ω）]の周波数特性依存性の計算結果を示す図である。
【図４】ナノ構造体がＭＷＮＴの場合のＲｅ[Ｋ（ω）]の周波数特性依存性の計算結果を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るナノデバイスの平面図である。
【図６】図５に示す第１の電極と第２の電極とのギャップ領域近傍を示す部分拡大図である。
【図７】図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る別のナノデバイスの平面図である。
【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図１０】図８のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図１１】図８に示すナノデバイスを作製するプロセスの一工程を示す平面図である。
【図１２】実施例１で作製したＺｎＯナノワイヤを示し、（Ａ）は基板上に作製したもののＳＥＭ像、（Ｂ）は（Ａ）の拡大像である。
【図１３】ＺｎＯナノワイヤを含む分散体を示す光学顕微鏡像である。
【図１４】（Ａ）は第１、第２及び第３の電極等のデバイスマスクデザインを示し、（Ｂ）はマイクロ流路積層時のデバイスマスクパターンを示す図である。
【図１５】（Ａ）は実際に作製した電極用基板のＳＥＭ像で、（Ｂ）は実際に電極用基板と流路用基板とを接着した状態のＳＥＭ像である。
【図１６】図１４（Ａ）に示す第１の電極及び第２の電極に交番電圧を印加したときの電場勾配のシミュレーション結果であり、（Ａ）は第１の電極及び第２の電極から所定の高さの面での電界勾配を濃淡で示す図、（Ｂ）は鉛直断面方向での電界勾配の濃淡を示す図である。
【図１７】電極間とその間に捕捉されたＺｎＯナノワイヤを含むＳＥＭ像を示す図である。
【図１８】（Ａ）は作製したナノデバイスの電流電圧特性を示す図で、（Ｂ）は波長の異なる光をナノ構造体に照射したときの電流電圧特性を示す図である。
【図１９】（Ａ）は本実施例で作製したナノデバイスへのＵＶ光照射ＯＮ／ＯＦＦに対する電流過渡特性の結果を示す図で、（Ｂ）はＺｎＯ薄膜基板の電流過渡特性の結果を示す図である。
【図２０】実施例２として作製したＦＥＴ型ナノデバイスのＳＥＭ像である。
【図２１】実施例２として作製したＦＥＴ型ナノデバイスの電流電圧特性図である。
【図２２】ＥＦＴ型ナノデバイスにおけるＩＳＤ−ＶＳＤ特性を示す図である。
【図２３】ＶＳＤを０．５Ｖに固定した時の、ＶＧに対するＩＳＤ，ＩＧの関係を示す測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について幾つか説明するが、以下に説明するものは本発明の趣旨を変更しない範囲で適宜変更することができ、それも本発明の範囲に含まれる。
【００２１】
〔ナノ構造体の配列方法〕
本発明の一実施形態に係るナノ構造体の配列方法について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るナノ構造体の配列の際に用いられるナノ構造体配列チップ１０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
ここで、ナノ構造体の配列方法とは、例えば、図１に示すように、基体１３上において第１の電極１１と第２の電極１２とが隙間を有するように同軸上に、即ち平面視で同一線上に形成されている場合、第１の電極１１と第２の電極１２とに、ナノロッド、ナノワイヤなどの一次元ナノ構造体を跨ぐように配置するための手法である。第１の電極１１及び第２の電極１２において、互いに対向する先端部１１ａ，１２ａが端になるに伴い線幅が狭く細くなっていることが好ましい。これは、後述するように、第１の電極１１及び第２の電極１２に交番電圧を印加すると電界強度が先端部１１ａ，１２ａの近傍で強くなるからである。図示の場合、第１の電極１１の先端部１１ａ及び第２の電極１２の先端部１２ａは何れも平面視で三角形状に突出しているが、尖端状になっていればそれ以外の形状であってもよい。
ナノ構造体配列チップ１０は、図１（Ａ）及び図1（Ｂ）に示すように、第１の電極１１及び第２の電極１２の隙間、即ちギャップに平行になるように流路１７、好ましくはマイクロサイズの幅を有する流路１７が形成されている。即ち、同軸上に形成されている第１の電極１１及び第２の電極１２を挟み、かつ、第１の電極１１と第２の電極１２とを結ぶ方向に平行になるよう流路１７が形成されている。詳細には、基体１３上に第１の電極１１と第２の電極１２とが所定のギャップを隔てて配置されており、さらに、第１の電極１１と第２の電極１２とのギャップと平行に流路１７が設けられている。この流路１７は、基体１３上であって、かつ第１の電極１１及び第２の電極１２の配列方向に沿って平行に第１の流路形成部１５と第２の流路形成部１６とがそれぞれ対向するよう、第１の電極１１及び第２の電極１２の同軸を挟んで第１の流路形成部１５と第２の流路形成部１６とが配置されている。第１の流路形成部１５と第２の流路形成部１６とにより流路１７が画成されている。なお、第１の流路形成部１５と第２の流路形成部１６とで画成される流路１７には第１の電極１１及び第２の電極１２から離れた位置にインレット及びアウトレット（何れも図示せず）が形成されている。インレット及びアウトレットは、基体１３及び１４の上下面に対して直交し、かつ流路１７の延びる方向で互いに対向するように設けられてもよく、またインレットは鉛直上方に位置する基体１４の上面に設け、アウトレットは鉛直下方に位置する基体１３の下面に設けるようにしてもよい。なお、図１（Ａ）及び図1（Ｂ）に示す形態では、第１の流路形成部１５及び第２の流路形成部１６は基体１３と基体１４とで挟まれて別々に配置されているが、これに限らず、後述するように、流路１７に対して直交する断面がコ字状の一つの流路形成部で構成されていてもよい。
【００２２】
ここで、第１の電極１１は第１の流路形成部１５に平行な線状で成り、先端部１１ａと逆側の端部１１ｂにおいて第１の外部接続電極１８と交差して結合している。第１の外部接続電極１８は基体１３上に流路１７と交差、図示する例では直交して第１の流路形成部１５の外側まで線状に延びている。
第２の電極１２は第２の流路形成部１６に平行な線状で成り、先端部１２ａと逆側の端部１２ｂにおいて第２の外部接続電極１９と交差して結合している。第２の外部接続電極１９は基体１３上に流路１７と交差、図示する例では直交して第２の流路形成部１６の外側まで延びている。
第１の電極１１と第１の外部接続電極１８とは同一の金属層で構成され、第２の電極１２と第２の外部接続電極１９とは同一の金属層で構成されている。ここで、各金属層は、ガラス基板や石英基板でなる基体１３上にチタン等の密着層と電極層との積層構造でなっていることが好ましい。
図１（Ａ）及び図1（Ｂ）に示す形態では、第１の外部接続電極１８と第２の外部接続電極１９とは流路１７に対して交差しかつそれぞれ逆方向に延びているが、流路１７に対し交差しかつ何れも同じ方向に延びていてもよい。
【００２３】
第１の外部接続電極１８の外側端部１８ａと第２の外部接続電極１９の外側端部１９ａとは、図示しない電源に配線接続される。第１の外側端部１８ａと第２の外側端部１９ａとの間に交番電圧を印加しながら、即ち第１の電極１１と第２の電極１２との間に交番電圧を印加しながら、ナノワイヤやナノドットなどのナノ構造体を分散媒に分散した分散体を流路１７に導入する。その際、流路１７に沿って流れが層流となるようにする。ここで、層流となるにはレイノルズ数Ｒｅが２０００以下となっていればよい。このレイノルズ数Ｒｅは、流路幅ｄ［ｍ］×流体の平均流速ｕ[ｍｓ−１]）×流体の密度ρ[ｋｇ・ｍ−３]÷流体の粘度μ[ｋｇｍ−１ｓ−１]で定義される。ナノワイヤなどのナノ構造体は、流路１７と並行に配向し、その配向状態を保持したまま流路１７を移動する。第１の電極１１と第２の電極１２との間の局所領域には交番電界が形成され、特に第１の電極１１及び第２の電極１２の近傍には不均一電場が形成されている。よって、電界強度の２階微分に比例する誘電泳動力がナノ構造体に作用し、ナノ構造体が第１の電極１１と第２の電極１２とのギャップに配列される。
【００２４】
このように、ナノ構造体を、その両端部を捕捉すべき２点、即ち第１の電極１１の先端部１１ａと第２の電極１２の先端部１２ａとを結ぶ線と平行になるよう予め配向させることにより、ナノ構造体が第１の電極１１と第２の電極１２との間に捕捉される確率が飛躍する。
【００２５】
ここで、第１の電極１１と第２の電極１２とに印加する交番電圧は、妥当な周波数のものを選定する。これにより、ナノ構造体に正の誘電泳動を作用させることができ、電界強度の高い方向にナノ構造体を引き寄ることができる。
【００２６】
妥当な周波数は、シミュレーションの結果により予測することができる。そこで、誘導泳動力の理論計算について説明する。
誘電泳動により作用する力、即ち誘導詠動力（「ＤＥＰ力」とも呼ばれる。）は、分散質が半径ａ（ｍ）の球状微粒子の場合、式１で表される。式１からＤＥＰ力＜ＦＤＥＰ（ｔ）＞は電界強度Ｅの２階微分∇│Ｅ│2に比例することが分かる。
＜ＦＤＥＰ（ｔ）＞＝２πａ３εｍＲｅ［Ｋ（ω）］∇｜Ｅ｜２      （式１）
ここで、Ｋ（ω）はClausius-Mossoti因子と呼ばれ、複素数で表される。その実部をＲｅ［Ｋ（ω）］と表記すると、力が作用する微粒子が球状の場合、Ｒｅ［Ｋ（ω）］は式２で表される。
Ｒｅ［Ｋ（ω）］＝Ｒｅ［（εｐ−εｍ）／（εｐ＋２εｍ）］
＝｛４ｆ２π２（−２εｍ２＋εｍεｐ＋εｐ２）−２σｍ２＋σｍσｐ＋σｐ２｝／｛４ｆ２π２（２εｍ＋εｐ）２＋（２σｍ＋σｐ）２｝      （式２）
なお、σｍは分散媒の導電率［Ｓｍ−１］、σｐは分散質の導電率［Ｓｍ−１］、εｍは分散媒の誘電率［Ｆｍ−１］、εｐは分散質の誘電率［Ｆｍ−１］、ｆは周波数［Ｈｚ］、ωは角周波数、即ち２πｆである。
【００２７】
分散質がロッド状又はワイヤ状である場合、誘導泳動力は下記の式３で表される。
<ＦＤＥＰ（ｔ）＞＝ΓεｍＲｅ［Ｋ（ω）］∇｜Ｅ｜２      （式３）
ここで、Γはナノロッド又はナノワイヤの形状因子（geometric factor）［ｍ３］であり、分散質が半径ａ、長さＬのナノロッド、ナノワイヤである場合、形状因子Γはπ（ａ２Ｌ）／６で表される。分散質がロッド状又はワイヤ状であるの場合、Ｋ（ω）は式４で表される。
Ｒｅ［Ｋ（ω）］＝Ｒｅ［（εｐ−εｍ）／εｍ］
＝｛４ｆ２π２εｍ（εｐ−εｍ）−σｍ（σｐ−σｍ）｝／｛４ｆ２π２εｍ２＋σｍ２｝
（式４）
【００２８】
ここで、Ｒｅ[Ｋ(ω)]は誘導泳動力の方向を決定し、電界周波数に依存して値が変化する。Ｒｅ[Ｋ(ω)]が正の場合、ｐ−ＤＥＰと呼ばれ、負の場合、ｎ−ＤＥＰと呼ばれる。Ｒｅ［Ｋ(ω)］の正負が入れ替わる周波数は交差周波数ｆ０と呼ばれる。
【００２９】
図２乃至図４はＲｅ［Ｋ（ω）］の周波数依存性の計算結果を表しており、図２はナノ構造体がＺｎＯナノワイヤの場合のＲｅ[Ｋ（ω）]の周波数特性依存性の計算結果を示す図、図３はナノ構造体がｓ−ＳＷＮＴ(semiconductor-like single-walled nanotube)の場合のＲｅ[Ｋ（ω）]の周波数特性依存性の計算結果を示す図、図４はナノ構造体がＭＷＮＴ（multi-walled nanotube）の場合のＲｅ[Ｋ（ω）]の周波数特性依存性の計算結果を示す図である。各グラフの横軸は周波数で、縦軸はＲｅ［Ｋ（ω）］である。なお、各グラフの中の挿入グラフは、Ｒｅ[Ｋ（ω）]のゼロを挟む正負の近傍部分だけを拡大して示したものである。計算において、εｐ、σｐなど値としては、文献により既に知られている値を参照し、ＺｎＯ、ｓ−ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴの各εｐを９εｏ、２．５εｏ、１．０×１０４ε０とし、各σｐを８、１．０×１０８、１．０×１０５（Ｓｍ−１）とした。ε０は真空中の誘電率で９．８５×１０１２Ｃ２（Ｎｍ２）−1である。分散媒としてイソプロパノールのεｍ、σｐをそれぞれ１８．６εｏ、６×１０５（Ｓｍ−１）とした。
【００３０】
ナノ構造体がＺｎＯのナノワイヤである場合、図２に示すように、交差周波数ｆｏは２ＭＨｚであり、１００ｋＨｚ以下の周波数では微粒子径と比べて極めて大きいＲｅ［Ｋ］の値を示し、期待される正の誘電泳動（ｐ−ＤＥＰ）力が極めて大きいことが示唆される。
ナノ構造体がｓ−ＳＷＮＴである場合、図３に示すように、交差周波数ｆｏは２００ＭＨｚであり、１０ＭＨｚ以下の周波数では微粒子径と比べて極めて大きいＲｅ［Ｋ］の値を示し、期待される正の誘電泳動（ｐ−ＤＥＰ）力が極めて大きいことが示唆される。
ナノ構造体がＭＷＮＴである場合、図４に示すように、負の誘導泳動（ｎ−ＤＥＰ）が作用する周波数領域はなく、すべての周波数領域で正の誘導泳動（ｐ−ＤＥＰ）が作用することが分かる。
【００３１】
ここで、流路が直線状以外の形態をとり得る場合、フレキシブルなナノワイヤ分散液を流路に導入する場合は、インレットやアウトレットに対してそれぞれ別の一対の電極を配置し、流路に並行に電界勾配を形成し、電気泳動や電気透過流を誘起することにより、ナノワイヤの伸長を促し流路１７中に移動させればよい。
【００３２】
本発明の実施形態に係るナノ構造体の配列方法では、ナノ構造体は、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、針状など一次元構造体であれば各種の形状を有していてもよい。ナノ構造体としてのナノロッド、ナノワイヤ、ナノチューブの素材は、カーボンやＺｎＯその他の半導体材料、白金や金その他の金属、バクテリアの膜外に存在するナノチューブ、繊毛、鞭毛、ＤＮＡ及びＲＮＡ(peptide nucleic acid)、ペプチド、タンパク質及びこれら複合材料で作製して、単離されたものであってもよい。それ以外の素材であっても、材料ごとに導電率、誘電率が定義され、さらに溶媒側の導電率、誘電率を考慮することで各々の条件下で得られるＤＥＰ力は前述の式３から容易に予測される。
【００３３】
ここで、第１の電極１１と第２の電極との隙間（ギャップ）は、１００ｎｍ以上、１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。それに対し、ナノワイヤなどのナノ構造体は、１μｍ以上２００μｍ以下の範囲の所定の長さを有するとよい。この場合、ナノワイヤなどのナノ構造体は、第１の電極１１と第２の電極１２との隙間よりも若干長めであることが好ましい。具体的には、第１の電極１１と第２の電極１２との間のギャップ長に対するナノワイヤなどのナノ構造体の長さＬの比が１．０５以上であることが好ましい。これらの範囲を外れると第１の電極１１と第２の電極１２との間にナノワイヤなどのナノ構造体を配置するために十分な誘導泳動力が得られない可能性があり、不都合を生じるからである。
ナノワイヤ等の断面の大きさ、即ち楕円断面の場合の実効半径ｒ１及びｒ２は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。この好ましい範囲であれば、ナノワイヤの長さＬは、楕円断面の実効半径ｒ１、ｒ２に対し、Ｌ≫ｒ１，ｒ２という条件を満たす。
【００３４】
特に、ナノワイヤなどのナノ構造体を分散する分散媒はイソプロパノールなどの溶媒を用いることが好ましいが、ナノワイヤなどのナノ構造体が化学的に安定に存在する溶媒は広く使用が可能である。例えばナノ構造体がＺｎＯでなる場合には酸と塩基に弱いのでアルコールやアセトンなどの有機溶媒又は水などを使うことができる。分散媒は液体であることは必ずしも必須ではなく、希ガスなどの気体媒体を用いてもよい。ナノ構造体が流路１７に沿って並行に配向するからである。
【００３５】
特に、ナノワイヤなどのナノ構造体の分散濃度は１マイクロリットル当たり１００個以下がよい。この濃度範囲であれば、流路１７と誘電泳動とを組み合わせることでナノワイヤなどのナノ構造体を電極ギャップに配置する場合、２本以上のナノワイヤを捕捉する可能性を小さくすることができるからである。
【００３６】
流路１７を画成する第１及び第２の流路形成部１５、１６の素材としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：poly（dimethylsiloxane））が適している。ＰＤＭＳ流路１７を用いた場合、ナノワイヤを配置する第１及び第２の電極１１、１２の集積基板と脱着が可能となるからである。それ以外の素材としては、ＳＵ−８など光感光性レジスト、ＯＨＰシート、ＰＥＴシートなども使用可能である。シート状材料を用いる場合は、それを流路以外の空間、即ち図１に符号１５,１６で示す空間にそれぞれシート材を配置し、これらのシート材をスペーサーとして用い、さらに、これらシート材上に、即ち図１に示す基体１４の位置にガラス基板やＰＤＭＳ基板を配置して蓋をすることにより流路１７を画成してもよい。
【００３７】
ＤＥＰパルスの印加電圧としては、ピークツーピークで１〜２０Ｖであることが好ましい。
【００３８】
本発明の実施形態によるナノ構造体の配列方法によれば、電圧印加時から単一のナノワイヤなどのナノ構造体を電極間に捕捉するまでの時間は１分以内となり、効率性が極めて向上する。
【００３９】
〔ナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板〕
本発明の一実施形態に係るナノデバイスの作製方法及びナノデバイス作製用基板について説明する。ナノデバイス作製用基板はナノ構造体の配列方法の際用いられる前述のナノ構造体配列チップ１０をナノデバイス作製用基板に適用したものであり。ナノデバイスの作製方法は前述したナノ構造体の配列方法のステップに対してさらに別のステップを前後に追加することにより実現される。即ち、本発明の実施形態に係るナノデバイスの作製方法は、前述したようにナノ構造体を第１の電極１１及び第２の電極１２の間に配列し、その後例えば流路１７を画成する第１及び第２の流路形成部１５，１６を取り外し、ナノ構造体と第１の電極１１、第２の電極１２とをそれぞれ電気的に確実に接続することで、各種のナノデバイスを作製することができる。
【００４０】
図５は本発明の実施形態に係るナノデバイス２０の平面図であり、図６は図５に示す第１の電極２１と第２の電極２２とのギャップ領域を拡大した部分図であり、図７は図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
ナノデバイス２０は、図５乃至図７に示すように、ガラス基板、石英基板等の基体２３上に第１の電極２１と第２の電極２２とが同軸上に、即ち同一線上に隙間を開けて形成され、第１の電極２１と第２の電極２２との隙間に第１の電極２１と第２の電極２２とを跨ぐようにナノ構造体２５がその長手方向に沿って並置されている。なお、ナノ構造体２５の長手方向に沿って流路２７が流路形成部２６により画成されているが、この流路形成部２６は、前述したようにナノ構造体２５を電極ギャップに配列する際用いられるものに相当する。また、図１に示す形態と同様、第１の外部接続電極２８は第１の電極２１から流路２７に交差するように延びており、第２の外部接続電極２９は第２の電極２２から流路２７に交差するように延びている。
【００４１】
ここで、基体２３としては、ガラス基板などの絶縁体のほか、金属、半導体基板の上に絶縁膜を形成したものであってもよい。第１の電極２１及び第２の電極２２は、何れも、密着層と電極層とからなり、密着層として例えば１００ｎｍ厚のチタン層を採用し、電極層には白金Ｐｔ層を採用することが好ましい。流路２７には前述の形態と同様、後工程により剥離できる素材、例えばＰＤＭＳが好ましい。流路２７は、例えば１５０μｍの幅、２５μｍの高さを有する。第１の電極２１と第２の電極２２との間の隙間は例えば１０μｍとし、第１の電極２１と第２の電極２２の流路２７に平行な長さを１００μｍとするとよい。
【００４２】
このナノデバイス２０は、後述する実施例で明らかなように、非線形ＩＶ特性を示す。このナノデバイス２０は、前述したナノ構造体の配列方法を用いることにより、即ち、以下の手順を踏んで作製することができる。
第１ステップとして、基体２３上に第１の電極２１と第２の電極２２とを同軸上に、即ち平面視で同一線上となるよう間隔を開けて形成する。その際、第１の電極２１は第１の外部接続電極２８と一体的に形成され、第２の電極２２は第２の外部接続電極２９と一体的に形成される。
第２ステップとして、基体２３上に第１の電極２１と第２の電極２２との配列方向に沿って平行に流路２７を形成する。その際、図示しない基体上に流路形成部２６を設けておき、この基体と第１及び第２の電極２１,２２が形成されている基体２３とを貼り合せることにより、流路２７を形成してもよいし、前述したようにスペーサーと蓋とを用いて流路２７を形成してもよい。
第３ステップとして、第１の電極２１と第２の電極２２との間に所定の周波数の交番電圧を印加しながら、即ち、第１の外部接続電極２８と第２の外部接続電極２９との間に交番電圧を印加しながら、複数のナノ構造体を分散した分散体、例えば懸濁液を流路２７に流す。すると、分散体中のナノ構造体が流れに沿って並行となり、一本のナノ構造体を誘導泳動により第１の電極２１と第２の電極２２との間に捕捉し、第１の電極２１と第２の電極２２との間に跨って一本のナノ構造体２５を配置する。
【００４３】
なお、その後、流路形成部２６を基体２３から剥離してもよいし、さらに、第１の電極２１及びナノ構造体２５の一方の端部上に第１のコンタクト用電極（「第１の導通用電極」ともいう。）を設け、第２の電極２２及びナノ構造体２５の他方の端部上に第２のコンタクト用電極（「第２の導通用電極」ともいう。）を設けることにより、電気的な接続を確実なものにしてもよい。
【００４４】
前述のナノデバイス２０は２端子素子であるが、それ以外に例えば３端子を有するＦＥＴ型のナノデバイスであってもその作製方法を適用することができる。以下、ＥＦＴ型のナノデバイスについて詳説する。図８は本発明の実施形態に係るナノデバイス３０の平面図であり、図９は図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図１０は図８のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。ナノデバイス３０は、基体３３上に第１の電極３１と第２の電極３２とが同軸上に、即ち平面視で同一線上に隙間を開けて形成され、第１の電極３１と第２の電極３２との隙間に第１の電極３１と第２の電極３２とを跨ぐようにナノ構造体３５がその長手方向に沿って並置されている。ここで、第１の電極３１は密着層３１ａと電極層３１ｂの積層構造で構成され、第２の電極３２は密着層３２ａと電極層３２ｂの積層構造で構成される。ナノデバイス３０では、さらに、第１の電極３１、第２の電極３２の何れかの外側に第３の電極４３が形成されている。ここで、第３の電極４３は、第１の電極３１及び第２の電極３２と同様、密着層と電極層の積層構造で形成されている。第３の電極４３は、第１の電極３１と第２の電極３２との隙間に対して交差する方向と平行に延びている。
【００４５】
図８及び図９に示すように、ナノ構造体３５の第１の電極側の端部を部分的に覆うように第１の電極３１上に第１のコンタクト用電極４１が形成されており、ナノ構造体３５の第２の電極側の端部を部分的に覆うように第２の電極３２上に第２のコンタクト用電極４２が形成されている。ここで、第１のコンタクト用電極４１は密着層４１ａと電極層４１ｂとの積層構造で構成され、第２のコンタクト用電極４２は密着層４２ａと電極層４２ｂとの積層構造で構成されている。各コンタクト用電極４１、４２が積層されているので、ナノ構造体３５と第１の電極、第２の電極とがそれぞれオーミックコンタクトを形成している。
【００４６】
さらに、第１の電極３１上にはその両端部を除き絶縁性材料でなる第１の保護層４６が形成され、第２の電極３２上にはその両端部を除き絶縁性材料でなる第２の保護層４７が形成され、第３の電極４３上にはその両端部を除き絶縁性材料でなる第３の保護層４８が形成されている。ここで、絶縁性材料としては、ＳＵ−８などのエポキシ樹脂が用いられる。
【００４７】
このナノデバイス３０は電解質溶液中で用いられ、第１の電極３１、第２の電極３２の何れかをソース電極、他方をドレイン電極とし、第３の電極４３をゲート電極として機能するＥＣ−ＦＥＴ（Electrochemical-Field Effect Transistor）型のナノデバイスを構成する。これは、第３の電極４３にゲート電圧を印加すると、電解質を通じてナノ構造体３５表面に分子レベルの厚さの電気二重層が形成されるため、電気二重層ＦＥＴとも呼ばれている。
【００４８】
ナノデバイス３０の作製方法について説明する。図１１は図８に示すナノデバイス３０を作製するプロセスの一工程を示す平面図である。先ず、前述のナノデバイス２０の作製プロセスと同様、第１の電極３１及び第２の電極３２と共に第３の電極４３を基体３３上に形成し、その後、流路３７を流路形成部３６で形成する。そして、前述したナノ構造体の配列方法を適用することにより、図１１に示すように第１の電極３１と第２の電極３２の両端部に跨るようにナノ構造体３５を並置する。その後、流路３７を画成する流路形成部３６を取り除き、コンタクト用電極４１，４２を形成し、その後、第１の保護層４６、第２の保護層４７、第３の保護層４８を形成すればよい。このナノデバイス３０は電解質溶液中で用いられるため、図８に示す外部接続電極３８，３９，４９の端部と電源（図示せず）と電気配線された後、外部接続電極３８，３９，４９の端部上に絶縁層などを設けることが好ましい。
【実施例１】
【００４９】
実施例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。
先ず、ナノ構造体としてＺｎＯナノワイヤを次の手順により作製した。
Ｓｉ基板（１００）に厚さ５０〜１００ｎｍのＡｕ薄膜をコーティングし、その基板上に気相輸送（ＶＰＴ：vapor-phase transport）法によりＺｎＯを成長した。その際、ＺｎＯパウダー及びカーボンパウダーを質量比が等しくなるよう混合して原料とし、キャリアガスとして１００ｓｃｃｍ（ｃｍ３／分）のアルゴンガスを用い、９００℃で２０分反応させた。なお、Ｓｉ基板にＡｕ薄膜をコーティングしないで、０．００５Ｍの脱水酢酸亜鉛／エタノール溶液をコーティングしても同様にＺｎＯナノワイヤを作製することができる。
【００５０】
図１２は実施例で作製したＺｎＯナノワイヤを示し、（Ａ）は基板上に作製したもののＳＥＭ像であり、（Ｂ）は（Ａ）の拡大像である。図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、シリコン基板上にナノワイヤが析出した。ナノワイヤの長さは４０μｍ〜１２０μｍの範囲であった。ナノワイヤはほぼ円柱状であり、その半径は５０ｎｍ〜３００ｎｍであった。アスペクト比は６０〜４００であった。よって、ワイヤの長さは半径と比べて非常に小さい。
【００５１】
次に、この作製したＺｎＯナノワイヤをイソプロパノールの溶媒に分散させた。図１３はＺｎＯナノワイヤの分散体を示す光学顕微鏡像である。分散濃度は最大１０個／μリットルであった。
【００５２】
一方、図１１に対応したナノデバイス作製用基板４０を次の手順により作製した。
図１４（Ａ）は第１、第２及び第３の電極３１，３２，４３等のデバイスマスクデザインを示し、（Ｂ）はマイクロ流路３７積層時のデバイスマスクパターンを示す図である。図１４（Ａ）に示すように、スパッタリング蒸着法及び光リソグラフィー法により２００ｎｍ厚のＴｉと１００ｎｍ厚のＰｔとで第１の電極３１と第２の電極３２をガラス基板３３上に作製した。このとき、第１の電極３１及び第２の電極３２のギャップは１０μｍとした。第１の電極３１と第２の電極３２の配置に対応させて別のガラス基板３４上にＰＤＭＳ製の流路形成部３６により流路３７を積層した。流路幅は１００μｍとした。その後、第１の電極１１及び第２の電極１２が形成されている基板（「電極用基板」ともいう）３３と流路３７が形成されている基板（「流路用基板」ともいう）３４とを接着した。その際、電極用基板３３及びＰＤＭＳ製の流路形成部３６の各面を酸素プラズマ処理した。
【００５３】
図１５（Ａ）は実際に作製した電極用基板３３のＳＥＭ像であり、図１５（Ｂ）は実際に電極用基板３３と流路用基板３４とを接着した状態のＳＥＭ像である。なお、図１５（Ｂ）には倍率を下げた像を挿入してある。
【００５４】
図１６は、図１４（Ａ）に示す第１の電極３１及び第２の電極３２に交番電圧を印加したときの電場勾配、即ち２階微分のシミュレーション結果であり、（Ａ）は第１の電極３１及び第２の電極３２から所定の高さの面での電界勾配を濃淡で示す図、（Ｂ）は鉛直断面方向での電界勾配の濃淡を示す図である。この計算においては有限要素法に基づく市販のソフトＣＯＭＳＯＬを用いた。なお、何れの図においても、斜めに傾斜した白線は一本のナノ構造体をイメージ的に示している。図１６（Ａ）及び（Ｂ）から、電界勾配は各電極尖端に集中しており、ナノ構造体の捕捉の相互作用が第１の電極及び第２の電極の尖端で最も強く働くことを示唆している。
【００５５】
次に、前述のように作製したナノデバイス作製用基板４０において、第１の電極３１及び第２の電極３２に交流電圧を印加しながら、ＺｎＯが分散されているイソプロパノール溶液（以下、「ＺｎＯ分散体」と呼ぶ。）を、流路３７のインレットから導入した。すると、ＺｎＯナノワイヤは層流と並行に配向しながら移送されることを確認した。ＺｎＯ分散体を導入する際、第１の電極３１及び第２の電極３２に交流電圧を印加し、誘電泳動力を誘起した。ＤＥＰパルスの印加条件は周波数１００ｋＨｚとし、１０Ｖｐｐとした。分散質としてＺｎＯナノワイヤを分散してなる分散体を流したままの状態でＤＥＰパルスを印加すると、１分以内にＺｎＯナノワイヤを第１の電極３１と第２の電極３２とで捕捉することを確認した。その結果として、図１７に示すように、電極間にＺｎＯナノワイヤが捕捉されている様子を示すＳＥＭ像からも明らかなように、第１の電極３１と第２の電極３２との間に一本のＺｎＯナノワイヤを配列することができた。
なお、流路３７と並行に配向しない針状のナノ構造体や流路と並行であっても各電極の尖端を結ぶラインから逸脱するナノワイヤは、第１及び第２の電極３１，３２で捕捉することはなかった。また、前述のシミュレーション結果の通り、ナノワイヤに作用するｐ−ＤＥＰ力は１００ｋＨｚの周波数領域において微粒子の系に比べ極めて大きかった。第１の電極３１と第２の電極３２に印加する電圧の周波数を１００ｋＨｚより低い周波数に設定すると、ＺｎＯナノワイヤが破壊された。
【００５６】
前述したように、ナノワイヤの配列のための処理を１５回行ったところ、第１の電極３１と第２の電極３２との間に１本のＺｎＯナノワイヤを捕捉した回数は１３回であり、残り２回だけは２本以上のナノワイヤが捕捉されていた。よって、一本だけ電極間にナノワイヤを捕捉する成功率は８０％程度であった。
【００５７】
本実施例の前述の結果は、前述のシミュレーションの結果のように電界勾配が高い領域が第１の電極３１及び第２の電極３２の各最尖端に集中しており、流路３７と並行に移動するＺｎＯナノワイヤを一本だけ選択的に捕捉する確率が極めて高くなったためと考えられる。これにより、単一のナノワイヤを電極間に選択的に配列することができる。
【００５８】
（比較例）
比較例として、流路３７を形成しないで単に電極用基板のみを用い、ＺｎＯナノワイヤがイソプロパノール溶液１０ｍリットル中に分散されている分散体を、第１の電極３１と第２の電極３２との間のギャップ近傍に滴下した。この場合であっても、第１の電極３１及び第２の電極３２の近傍にｐ−ＤＥＰ力が作用し、ＺｎＯナノワイヤの一端を確保する現象は比較的生じ易い。しかし両電極に跨がるようナノワイヤが捕捉される確率は極めて低かった。さらに５分〜１０分程度ＤＥＰパルスを印加し続けると確率的にＺｎＯナノワイヤが第１の電極３１及び第２の電極３２に捕捉されるものの、ＺｎＯナノワイヤが密集してしまい、ＺｎＯナノワイヤを1本だけ捕捉することはできなかった。
【００５９】
以上のことから、本実施例と比較例とを対比すると、流路と誘導泳動とを用いて、極めて迅速かつ簡便で、しかも一本だけ選択的に電極ギャップに捕捉することができる。
【００６０】
次に、作製したナノデバイスの特性を評価した。
第１の電極３１及び第２の電極３２に直流電圧を印加して電流電圧特性を測定したところ、再現性よく、捕捉した単一ナノワイヤと２電極間の電気的接続が極めて安定であるといえる。
【００６１】
第１の電極３１と第２の電極３２とをエレクトロメータに接続して電流電圧特性を調べた。図１８（Ａ）は作製したナノデバイスの電流電圧特性を示す図で、（Ｂ）は波長の異なる光をナノ構造体に照射したときの電流電圧特性を示す図である。
図１８（Ａ）に示す電流電圧特性から、ＺｎＯ／Ｐｔ界面でショットキーバリアが形成されていることが分かる。Ｐｔ電極とＺｎＯナノワイヤの接合界面にはショットキーバリアが存在するため、電流電圧特性は非線形となり、−０．５Ｖ以下、１．６Ｖ以上で電流が急激に増大した。この点は、非対称な電流電圧特性は白金の仕事関数が６．１ｅＶであり、ＺｎＯの電気親和力が４．５ｅＶであることから説明できる。
波長の異なる光を照射した際の光電流応答を観測した。図１８（Ｂ）において、矢印Ａは光を照射していない状態での特性曲線であり、矢印Ｂは波長５２０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲の光を照射した状態での特性曲線であり、矢印Ｃは波長４６０ｎｍ〜４９０ｎｍの範囲の光を照射した状態での特性曲線である。これら３本の特性曲線では特に光電流が観測されなかった。一方、矢印Ｄは波長３６０ｎｍ〜３７０ｎｍの範囲の光を照射した状態での特性曲線であり、紫外領域の光に対し光電流が観測された。実施例ではナノ構造体がＺｎＯであるので、Ｚｎ２＋とＯ２−がイオンキャリアの働きを担う。
よって、本実施例で作製したナノデバイスは光センサとして応用することができることが分かった。
【００６２】
ＵＶ光照射のＯＮ／ＯＦＦに対する電流過渡特性を調べた。比較のため、ＺｎＯ薄膜が形成されている基板（以下、「ＺｎＯ薄膜基板」と呼ぶ。）についての光電流応答も測定した。図１９（Ａ）は本実施例で作製したナノデバイスへのＵＶ光照射ＯＮ／ＯＦＦに対する電流過渡特性の結果を示す図であり、図１９（Ｂ）はＺｎＯ薄膜基板の電流過渡特性の結果を示す図である。何れも、横軸は時間（秒）であり、縦軸は電流（Ａ）である。
図１９（Ａ）に示すように、一本のＺｎＯナノワイヤが配置されているナノデバイスでは、ＵＶ照射のＯＮとＯＦＦとで電流値が２０〜１０００倍増加し、応答時間も１０秒であった。一方、図１９（Ｂ）に示すように、ＺｎＯ薄膜基板では、ＵＶ照射のＯＮとＯＦＦとで電流値は約２倍増加し、応答時間も２分であった。
ＺｎＯナノワイヤが配置されているナノデバイスでは、光電流の発生は、ＺｎＯ表層に吸着している酸素がＵＶ光により脱着し、余剰の負電荷がキャリアとなり、光電流が発生していると推察される。図１９（Ｂ）に示す比較例としてのＺｎＯ薄膜基板の光電流応答と比べると、応答時間、応答電流ともに単一ＺｎＯナノワイヤデバイスのほうが優れていることが分かった。
【実施例２】
【００６３】
実施例２として、図８に示すＦＥＴ型ナノデバイスを作製した。図２０は作製したＦＥＴ型ナノデバイスのＳＥＭ像である。実施例１で作製した手順と異なる主要な点は、第１の電極３１及び第２の電極３２と同時に第３の電極４３を形成した点と、第１の電極３１とナノワイヤ３５の端部上に第１のコンタクト用電極４１を形成し、第２の電極３２とナノワイヤ３５の端部上に第２のコンタクト用電極４２を形成した点と、第１の電極３１上に部分的に第１の保護層４６を形成し、かつ第２の電極３２上に部分的に第２の保護層４７を形成すると同時に第３の電極４３上に保護層４８を設けた点である。
【００６４】
具体的には、実施例１と同様誘導泳動と流路とを組み合わせた方法により、単一ＺｎＯナノワイヤを第１の電極３１と第２の電極３２とのギャップ間に配列したのち、密着層４１ａ，４２ａをＴｉ層としかつ電極層４１ｂ，４２ｂをＰｔ層とするコンタクト用電極４１，４２を積層した。これにより、ＺｎＯナノワイヤの各端部をそれぞれ第１の電極３１、第２の電極３２に固定した。第１乃至第３の保護層４６，４７，４８として絶縁層にはＳｕ−８を用いて形成した。その後、ＺｎＯナノワイヤ表面にはドデカンニ酸Dodecanedioic Acid （HOOC(CH2)10COOH）を吸着させ、電解質溶液中、具体的にはリン酸緩衝液中におけるＺｎＯナノワイヤのエッチングを防止した。なお、ゲート電極となる第３の電極４３の電極幅を３０μｍとした。
【００６５】
図２１は作製したＦＥＴ型ナノデバイスの電流電圧特性である。図中、矢印Ａで示す曲線は、単一のＺｎＯナノワイヤを配列した状態での電流電圧特性であり、矢印Ｂで示す線は、コンタクト用電極としてＴｉ層とＰｔ層とを積層したときの電流電圧特性である。
第１の電極３１と第２の電極３２との間に印加する電圧と電流とは、図２１に矢印Ａで示すように、ＺｎＯナノワイヤを第１及び第２の電極３１，３２のギャップに配列した状態では非線形となっているが、さらに、コンタクト用電極としてＴｉ／Ｐｔ電極を積層することにより、ショットキー接合からオーミック接合に変化していることが分かる。
【００６６】
作製したＦＥＴ型ナノデバイスを電解質溶液としてリン酸緩衝液中に漬け、第３の電極４３に印加するバイアス電圧、即ちゲート電圧ＶＧを変化させながら、第１の電極３１であるソースと第２の電極３２であるドレインとの間に流れる電流値を測定した。図２２はＥＦＴ型ナノデバイスにおけるＩＳＤ-ＶＳＤ特性を示す図である。ゲート電圧ＶＧを＋０．５Ｖ〜−０．５Ｖまで０．１Ｖ間隔で変化させた。図２２に示すＦＥＴ特性から、単一ＺｎＯナノワイヤはn型半導体の特性を示すことが分かった。
【００６７】
作製したＦＥＴ型ナノデバイスを電解質溶液としてリン酸緩衝液中に漬け、ソース−ドレイン電圧ＶＳＤを一定にし、ゲート電圧ＶＧを変化させながらソース−ドレイン間に流れる電流ＩＳＤとゲート電流ＩＧとを測定した。図２３は、ＶＳＤを０．５Ｖに固定した時の、ＶＧに対するＩＳＤ，ＩＧの関係を示す測定結果を示す図である。図からゲート電流ＩＧの漏れは小さくＺｎＯの劣化（deterioration）の影響は生じていなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明により、電極間にナノ構造体を１本だけ容易に配置することができる。よって、従来のように例えば１本のナノワイヤをマイクロマニピュレータで操作するなど超絶技巧を有する非効率的な工程が不要となる。即ち、光ピンセットなどを用いた場合は装置が高額となり、かつ作製に時間を要し、さらに同一のデバイスを大量生産することは非現実的であると言わざるを得ないが、本発明では、例えば光ピンセットなどを用いることなく安価に、短時間で電極間に一本のナノ構造体を配列することができることから、産業上の利用性を有し利便性は高い。また、１本のナノ構造体を有するナノデバイスはＩＶ特性がユニークな電気抵抗特性を示し、メモリー素子、論理色素子、酸素センサ、酵素センサ、イムノセンサ、細胞センサなど多くのバイオセンサに適用することができる。さらに、光応答、エレクトロクロミズム、電気化学発光、電界発光、メモリー応答、センシング応答を観測することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０：ナノ構造体配列チップ
１１，２１，３１：第１の電極
１１ａ：第1の電極の先端部
１１ｂ：第1の電極の端部
１２，２２，３２：第２の電極
１２ａ：第２の電極の先端部
１２ｂ：第２の電極の端部
１３,１４，２３，３３，３４：基体（基板）
１５，１６，２６，３６：流路形成部
１７，２７，３７：流路（マイクロ流路）
１８，２８，３８：第１の外部接続電極
１８ａ：第１の外部接続電極の外側端部
１９，２９，３９：第２の外部接続電極
１９ａ：第２の外部電極の外側端部
２０，３０：ナノデバイス
２５，３５：ナノ構造体（ナノワイヤ）
３１ａ，３２ａ，４１ａ，４２ａ：密着層
３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂ：電極層
４０ ナノデバイス作製用基板
４１，４２：コンタクト用電極
４３：第３の電極
４３ａ：第３の電極の外側端部
４６：第１の保護層
４７：第２の保護層
４８：第３の保護層
【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１４】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２３】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２２】
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