(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長軸方向の長さが１０μｍ以下であり、３０％より大きい空間充填率で集合した複数の
カーボンナノチューブを有し、光を吸収して動作するデバイスに利用することを特徴とす
るカーボンナノチューブ集合体。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブ内にフラーレン、各種金属微粒子または半導体微粒子のいず
れかが設けられたことを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体。
【請求項３】
光照射されたときの反射光は、反射角が大きい程強度が大きくなるピークを有すること
を特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体。
【請求項４】
半導体層と、
前記半導体層上に設けられ、３００−１０００nmの波長域において、反射光は反射角が
大きい程強度が大きくなるピークを有する請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体
と、
を備えたことを特徴とする太陽電池。
【請求項５】
１３００−１６００nmの波長域において、反射光は反射角が大きい程強度が大きくな
るピークを有する請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体と、
前記カーボンナノチューブ集合体の一端側に設けられ、前記一端に光を入射する発光素
子と、
前記カーボンナノチューブの他端側に設けられ、前記他端側から放出される光を検出す
る受光素子と、
を備えたことを特徴とする光導波路。
【請求項６】
基板と、
前記基板の一主面上に設けられた請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体と、
を備えたことを特徴とするカーボンナノチューブ集合体付き基板。
【請求項７】
前記基板には凹部が設けられており、
前記カーボンナノチューブ集合体は前記凹部に設けられたことを特徴とする請求項６に
記載のカーボンナノチューブを備えたカーボンナノチューブ集合体付き基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
カーボンナノチューブ集合体、太陽電池、及び導波路及びカーボンナノチューブ集合体付き基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の材料合成、微細加工等の技術の進展によりナノメートルオーダーの構造を有する各種の微細材料の開発が非常に活発に行われている。特に、量子ドット、量子細線等は１〜１０ｎｍ程度の大きさであり、このサイズでは量子効果により特異な性質が発現することが広く知られている。たとえば、量子ドットでは数ｎｍ程度の直径の変化でバンドギャップを大きく変えることができ、様々な発光色を呈する量子ドットを作製することができる。また、金、銀を微細化した場合には、可視光領域の波長の光を吸収して容易にプラズモンを励起することができる。プラズモンとは、主に金属で見られ、特定の波長の光を吸収して材料中の自由電子が集団的に振動する現象である。このような微細材料の持つ特異な光学的性質の各種応用が提案されている。
【０００３】
これらの効果を高めるには、微細材料を高密度に作製する必要がある。作製方法としては、自己組織化、微細加工、テンプレートを利用するものなどが挙げられる。しかし、自己組織化では微細材料の凝集、融合現象により高密度化が難しく、微細加工、テンプレートを利用した場合は位置制御に優れるものの、密度は加工精度に制限されるため高くできない。また、上記効果は電子がナノメートルオーダーの領域に閉じ込められることにより発現することから、微細材料同士が接触すると上記効果は発現しない。そのため、微細材料間に絶縁材料を充填する技術もあるが、これは高密度化に限界がある。
【０００４】
以上のように、ナノメートルオーダーの大きさを有する微細材料を、有する量子的効果を維持したまま高密度化させた集合体を作製することは非常に困難である。
【０００５】
炭素シート（グラフェン）が筒状になったカーボンナノチューブ(ＣＮＴ)は、ナノメートルオーダーの直径を有する代表的なナノ材料であり、その物性はＣＮＴ軸（長軸）に平行方向に特異的である。また、ＣＮＴ同士は接触してもグラファイトの層間と同程度の弱い相互作用しか働かないため、微細材料特有の効果が失われることはない。
【０００６】
ＣＮＴを3０％以上の空間充填率で集合させることは容易ではないが、例えば、ＣＮＴ上に液体を滴下し、液体が蒸発するときに働く表面張力によってＣＮＴを凝集させて空間充填率を高める方法が知られている（非特許文献１参照）。しかし、この方法は、一端が基板上に保持された、空間充填率が低いＣＮＴの他端側を凝集させることによって高い空間充填率を得るので、ＣＮＴが長軸方向に十分長くないと空間充填率を高めることができない。本発明者らは、１０μｍよりも長いＣＮＴ集合体に光を照射しても、光吸収度に波長依存性がないことを確認している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｄ. Ｎ. Ｆｕｔａｂａ ｅｔ ａｌ. Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ５ (２００６) ９８７−９９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
可視〜赤外光を吸収して効率よくプラズモンを励起するＣＮＴ集合体を得て、このようなＣＮＴ集合体を光吸収を主たる動作原理とするデバイスに用いることにより、デバイスの光吸収効率が増加することが期待される。
【０００９】
そこで、本発明は、光の吸収を主たる動作原理とするデバイスの動作効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のカーボンナノチューブ集合体は、長軸方向の長さが１０μｍ以下であり、３０
％より大きい空間充填率で集合した複数のカーボンナノチューブを有し、光を吸収して動
作するデバイスに利用することを特徴とする。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る太陽電池は、半導体層と、前記半導体層上に設けられ、３００−１０００nmの波長域において、反射光は反射角が大きい程強度が大きくなるピークを有する請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る光導波路は、１３００−１６００nmの波長域において、反射光は反射角が大きい程強度が大きくなるピークを有する請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体と、前記カーボンナノチューブ集合体の一端側に設けられ、前記一端に光を入射する発光素子と、前記カーボンナノチューブの他端側に設けられ、前記他端側から放出される光を検出する受光素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ集合体付き基板は、基板と、前記基板の一主面上に設けられた請求項１に記載のカーボンナノチューブ集合体と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
光の吸収を主たる動作とするデバイスの動作効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１（ａ）】実施例１に係るCNT集合体付き基板を示す斜視図。
【図１（ｂ）】図１（a）のＣＮＴ集合体１１のＳＥＭ像。
【図１（ｃ）】実施例１のＣＮＴ集合体に光照射したときの入射光スペクトルと反射光スペクトルを示す図。
【図１（ｄ）】比較例のＣＮＴ集合体に光照射したときの入射光スペクトルと反射光スペクトルを示す図。
【図２】実施例２のＣＮＴ内部に異種材料が設けられたＣＮＴ集合体を示す斜視図。
【図３（ａ）】実施例３の太陽電池を示す断面図。
【図３（ｂ）】変形例１の太陽電池を示す断面図。
【図３（ｃ）】変形例２の太陽電池を示す断面図。
【図４（ａ）】実施例４の光導波路を示す斜視図。
【図４（ｂ）】変形例３の光導波路を示す断面図。
【図５】実施例５の光物性評価系を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面をもとに実施例について説明する。
【００１７】
〔実施例１〕
本発明によるＣＮＴ集合体は、長軸方向の長さ１０μｍ以下、空間充填率3０％以上で集合した複数のＣＮＴを有する。
【００１８】
図１（ａ）は本発明の代表的な一実施例で、基板１上に複数のＣＮＴ２を直接成長させて得た、ＣＮＴ集合体１１付き基板を示す斜視図である。基板１の一主面上に、空間充填率が３０％以上でＣＮＴ２が集合したＣＮＴ集合体が設けられている。このＣＮＴ集合体の長軸方向（図１においては基板に垂直な方向）の長さは１０μｍ以下である。
【００１９】
空間充填率とは、ＣＮＴ２の長さ方向と垂直な断面について、ＣＮＴ集合体１１が占有する面積に対する各ＣＮＴ２断面積の総和の百分率である。ＣＮＴ２は略円柱状であるため、この面積比を空間充填率とすることができる。なお、各ＣＮＴ２内部の中空部分はＣＮＴ２面積に属することとする。ＣＮＴ集合体１１が占有する面積とは、ＣＮＴ２の長軸方向と垂直な断面においてＣＮＴ集合体１１の外縁を形成するＣＮＴ２群で規定される領域の面積である。ＣＮＴ集合体１１の占有面積、ＣＮＴ２の総数およびＣＮＴ２の平均直径をそれぞれS[cm2], D[本], R[cm]とすると、空間充填率は以下の式で表される。
【数１】
0005571994.tif 000002
【００２０】
ＣＮＴ集合体１１の占有面積、ＣＮＴ２の総数およびＣＮＴ２の平均直径は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）、TEM（Transmission Electron Microscope）像などから求めることができる。
【００２１】
ＣＮＴは、１層の筒状の炭素シートから形成される単層構造と、複数層の筒状の炭素シートから形成される多層構造を採りうるが、いずれの形状のＣＮＴも本実施例を実施可能である。
【００２２】
基板１の材料は特に問わないが、ＣＮＴ２の成長を促進するために、Ｔa、Ｔｉ、Ｔa窒化物、Ｔｉ窒化物のうちの少なくとも１つを含む材料を用いることが好ましい。または、基板１は、前記群より選ばれる２種類以上を適宜組み合わせて堆積させて得たものを用いることも可能である。またＣＮＴ集合体１１を用いてデバイスを作製する場合には、そのデバイスに適した材料を用いることが可能である。
【００２３】
図１(ｂ)は、図１（a）のＣＮＴ集合体１１の基板１に垂直な方向の断面を表すＳＥＭ像である。ＣＮＴ２同士は略平行であり、基板１に対して略垂直であった。各ＣＮＴ２の長軸方向の長さは、平均４００ｎｍであった。ＣＮＴ２の直径は、平均５〜６ｎｍであった。TEMによる分析から、図１（b）に示すＣＮＴ２は平均６層構造であった。ＣＮＴ集合体１１の空間充填率は、数１より５０〜6０％程度であった。
【００２４】
このような、長軸方向の長さ１０μｍ以下のＣＮＴ集合体１１は、３００〜２０００ｎｍの波長領域において、ＣＮＴ２自身のバンド間遷移に起因する光吸収ピークとは異なる大きな光吸収ピークを有することを本発明者らは見出した。すなわち、このようなＣＮＴ集合体１１に光を照射したときの、反射光スペクトルは照射光スペクトルと大きく異なる形状になる。この大きな違いは、ＣＮＴ集合体１１がバンド間遷移に加えて、これと異なる原因に由来する光吸収を示すためである。この光吸収について、以下に説明する。
【００２５】
材料に光を照射すると、照射された光の一部は材料に吸収され、吸収されなかった光は透過あるいは反射する。照射光スペクトルと反射光スペクトルを比較すると、その差分が吸収された光に相当する。吸収された光の一部は、材料を構成する原子、分子の励起エネルギーとして用いられ、電子のバンド間遷移に寄与する。
【００２６】
図１(ｃ)は、図１（ｂ）のＣＮＴ集合体に光を照射したときの、波長３００nm〜１１００nmの範囲における入射光スペクトルと反射光スペクトルを示す図である。入射光の入射角を２０度、４０度、６０度と変えて、それぞれの入射光から得られた反射光を測定した。すなわち、得られた反射光は反射角２０度、４０度、６０度の３種類である。また、入射光として、光の電界成分が入射面（基板１の主面）に平行であるｐ偏光を用いた。
【００２７】
入射光スペクトルのは２５０分の１、反射角４０度の反射光スペクトルは５分の１、反射角６０度の反射光スペクトルは２５分の１の強度でそれぞれ表している。入射スペクトルはｐ偏光であるため、得られた反射スペクトルもｐ偏光である。また、各スペクトルの形状をわかりやすくするために、各スペクトルの強度（縦軸）ゼロの位置を縦方向にずらして示しているが、波長９００〜１１００nmのときの強度は、いずれのスペクトルにおいてもゼロであった。
【００２８】
入射光スペクトルと反射光スペクトルの差分がＣＮＴ集合体１１に吸収されたスペクトルを意味する。反射角６０度の反射光スペクトルと入射光スペクトルを比較すると、大きさは違うが形状が似ていた。このことから、反射角６０度の反射光は、いずれの波長においてもほぼ同じ割合でＣＮＴ集合体１１に吸収されたことが分かる。一方、反射角２０度の反射光スペクトルと入射光スペクトルの形状を比較すると、入射光スペクトルの中で波長６００nm付近の強度は高いのに対して、反射光スペクトルの中で波長６００nm付近の強度は低かった。このことから、反射角２０度の反射光においては、波長６００nm付近はＣＮＴ集合体１１に吸収されやすいことが分かる。
【００２９】
各反射光スペクトルは、いずれも５００nm付近と６７０nm付近にピークを有するが、この２つのピークの大きさの関係が異なった。すなわち、反射角２０度の反射光スペクトルにおいては両ピークの強度はほぼ同じであるが、反射角４０度、反射角６０度の反射光スペクトルにおいては、波長６７０nm付近のピークの方が波長５００nm付近のピークよりも大きかった。
【００３０】
また、５００nm付近のピークは、反射角が大きくなるほど強度が小さくなるのに対して、６５０nm付近のピークは、反射角が大きくなるほど強度が大きくなった。
【００３１】
このように、反射角が大きくなるにつれて反射光強度が増加または減少する傾向を示す複数のピークを３００−２０００nmの波長領域に有するのがCNT集合体１１に特有の光学的性質である。
【００３２】
CNTが吸収した光エネルギーの主な用途の一つはバンド間遷移である。吸収した光エネルギーの大部分がバンド間遷移に用いられる場合には、反射光スペクトルは、反射角が大きくなるにつれて強度が小さくなるピークを有することが知られている。このことから、ＣＮＴ２に吸収された光エネルギーはバンド間遷移以外にも用いられていることが分かる。
【００３３】
このバンド間遷移のため以外の光エネルギーの吸収には、プラズモンが関与していると推測される。すなわち、図１（ｂ）のＣＮＴ集合体１１は光エネルギーを吸収し、バンド間遷移を生じるとともに、プラズモン励起が生じたと考えられる。細長い材料に光照射することによってプラズモンを生じさせることができるのは、材料の長軸方向が、定在波が立ちうる長さである場合に限られる。すなわち、材料の長軸方向の長さが照射光の波長の数倍以下であれば、定在波が立つのでプラズモンを生じさせることができる。しかし、高次のプラズモンモードほど生じにくくなる傾向にあるので、CNT集合体１１が長すぎると可視〜赤外領域の光ではプラズモンは励起されにくい。
【００３４】
太陽電池や光導波路を含む、光を吸収して動作するデバイスは、主に３００〜２０００nmの光を入射光とするので、ＣＮＴ集合体１１の長さが１０μｍ以下であれば、この波長領域の入射光によってプラズモンを生じる。特に、入射光が可視光である場合には、長軸方向の長さは１００〜５００ｎｍ前後であると光吸収確率（プラズモンを生じる確率）が高い。従って、図１（b）のＣＮＴ集合体については４００nmで、入射光の波長と同等であったために、定在波が立って、プラズモンが生じたと考えられる。このように、ＣＮＴ集合体１１は、長さが１０μｍ以下であると入射光の一部を吸収してプラズモンを生じることができる。
【００３５】
ＣＮＴ集合体１１は、反射角に依存して色を呈することを確認した。
【００３６】
図１(ｄ)は図１（c）の比較例であり、空間充填率１０％程度、長さ２ｕｍ程度のＣＮＴ集合体に光を照射したときの、波長３００nm〜１１００nmの範囲における入射光スペクトルと反射光スペクトルを示す図である。入射光にはp偏光を用い、反射光スペクトルは、反射角２０度、４０度、６０度のp偏光を表している。なお、図１（ｄ）のＣＮＴ集合体を形成するＣＮＴは、平均８層構造であった。図１（ｄ）のＣＮＴ集合体の体積（ＣＮＴの中空部分を除く）は、図１（c）のＣＮＴ集合体１１の体積より約１０％小さかった。
【００３７】
反射光スペクトルは入射光スペクトルと形が殆ど変わらなかった。反射角に依存して相対的に強度が大きくなるピークも見られなかった。また、反射角２０度の反射光スペクトルにおいて小さな光吸収ピークがあるものの、その強度は図１(ｃ)のＣＮＴ２と比較して小さかった。これは、ＣＮＴ集合体１１の空間充填率が低く、長さも長かったことが原因と考えられる。
【００３８】
図１（d）に用いたＣＮＴは、外観ではいずれの角度から見ても黒色に近い色を呈したことを確認した。
【００３９】
以上のように、長軸方向の長さが１０μｍ以下のＣＮＴ集合体は、３００nm〜２０００nmの波長の光を照射されることによってプラズモンを生じると考えられる。
【００４０】
また、ＣＮＴ集合体１１の空間充填率が高ければ、ＣＮＴ２同士の距離が短くなるので、それぞれのＣＮＴ２で生じるプラズモンが相互作用して電場を増強させることができる。
【００４１】
プラズモンによる光吸収により、CNT２の空間の周囲には近接場光が生じる。一般に、近接場光の電界強度は材料表面からの距離に対して指数関数的に減少し、おおよそ１０〜１００nm程度までしか広がっていない。ＣＮＴ集合体１１の空間充填率が高いとCNT間の距離は10nm以下にまで小さくなるため、それぞれのＣＮＴ２の周りに広がる電界を介して発現するCNT２間の相互作用を高めることができる。
【００４２】
図1（ｃ）、（ｄ）の反射角２０度の反射光スペクトル同士を比較する。図１（c）の反射角２０度の反射光スペクトルのピーク強度は、図１（c）の入射光スペクトルの約１/２５０であり、ピーク波長においては入射光の約２４９/２５０がＣＮＴ集合体に吸収された。一方、図１（d）の反射角２０度の反射光スペクトルのピーク強度は、図１（d）の入射光スペクトルの１/２であり、ピーク波長においては入射光の１/２がＣＮＴ集合体に吸収された。すなわち、図１（c）で用いたＣＮＴ集合体１１は図１（ｄ）で用いたＣＮＴ集合体に対して光吸収量が約２倍であった。
【００４３】
バンド間遷移に用いられる光エネルギーは、光吸収した材料の体積（原子数）増加に伴って単調増加する。上述したように、図１（c）で用いたＣＮＴ集合体１１は、図１（d）で用いたＣＮＴ集合体に対して、体積は約１０％しか大きくないにもかかわらず、光吸収量は約２倍大きい。この大きな光吸収量から、図１（c）で用いたＣＮＴ集合体１１は高いプラズモン励起効率を有していることが分かる。
【００４４】
このように、長軸方向の長さ１０μｍ以下で空間充填率が高いＣＮＴ集合体を、光を吸収して動作するデバイスに適用することにより、電場を増強させる効果や近接場光の強度を高める効果が働いて動作効率が高まることが期待できる。
【００４５】
ＣＮＴ集合体１１の空間充填率は、３０％以上であればそれぞれのＣＮＴ２で生じたプラズモンの相互作用効果が期待され、上述したような効果を得ることができる。長軸方向の長さ１０μｍ以下で空間充填率３０％以上のＣＮＴ集合体１１をデバイスに用いた具体的な例は、実施例３乃至５に示す。
【００４６】
なお、通常、物質同士を接触させることなくナノメートルオーダーで近接させることは非常に困難である。物質同士が接触し、融合するなどして形状が変わってしまう場合には、プラズモンが生じにくくなったり、プラズモンの励起条件も変わってしまったりする。しかしながら、ＣＮＴ２は、通常の状態でグラファイトの層間距離以下に近接させることは不可能であるため、接触する虞がない。また、CNT2は通常１/3の確率で金属的な性質を持ち、直径が3nm程度以上ではほぼ100%金属的になることが知られており、CNT２にはプラズモン生成に必要な自由電子が存在する。したがって、CNTは上述したような効果を得るには最も適した物質であると言える。
【００４７】
基板１上にＣＮＴ２を成長させる方法の一例は、以下のようである。すなわち、ＣＮＴ２の成長には、Co、Ni、Feなどを有する触媒材料を使って、プラズマＣＶＤ装置を用いた多段階成長法により行う。まず、基板上にCo、Ni、Feなどを有する薄膜（触媒）を形成し、この薄膜にプラズマ化したガスを照射して、該薄膜を微粒子化する。このガスは、炭素を含まないガスとし、例えば水素ガスや希ガスを用いる。微粒子化した後にもプラズマ化したガスを一定時間照射することで、微粒子の凝集を抑制する。次に、成長温度よりも低い温度領域で炭化水素を含んだガスをプラズマ化して薄膜に短時間照射し、触媒微粒子にグラファイト層を形成する。続いて、該グラファイト層を種結晶として、これに炭化水素を含んだプラズマ化したガスを照射し、ＣＮＴを成長させる。
【００４８】
以上のように、３００〜２０００ｎｍの波長領域で大きな光吸収を示すには、ＣＮＴ集合体１１は、３０％以上の空間充填率で、長軸方向の長さが１０μｍ以下である必要がある。
【００４９】
〔実施例２〕
図2実施例2は、ＣＮＴ集合体１１を構成している１つのＣＮＴ２内に異種材料３が設けられた構造である。
【００５０】
ＣＮＴ２内に異種材料３が設けられることで、異種材料３が設けられていない場合に比べてプラズモンを生じるために吸収する波長が多少ずれることが予想される。異種材料３としては、ＣＮＴ２の直径よりも径が小さいものを用いる。例えば、フラーレン、各種金属微粒子、半導体微粒子などが挙げられる。また、ＣＮＴ２内に設ける異種材料３の種類や数によって、光を吸収する波長は変化することが予想される。これは異種材料との相互作用によりＣＮＴ２のバンド構造が変調を受けるためである。
【００５１】
従って、異種材料３の種類や数を変化させることで、ＣＮＴ集合体１１の光吸収ピークを調整することができる。
【００５２】
ＣＮＴ２内に異種材料３を入れるには以下のようにして行う。すなわち、ＣＮＴ２を酸素存在下での熱処理または酸溶液処理を行い先端（基板１に固定されていない方の端部）を開端し、ＣＮＴ２内部に異種材料を入れる。
【００５３】
〔実施例３〕
実施例３は、ＣＮＴ集合体１１の太陽電池への応用例である。図３（a）は、実施例１のＣＮＴ集合体１１を用いた太陽電池を示す断面図である。この太陽電池は、基板１上に設けられたＣＮＴ集合体１１の上に、電子-正孔対生成層４を積層した構造である。
【００５４】
図３（a）に示す太陽電池は、ＣＮＴ集合体１１上に複数のスペーサ５が間隔を置いて設けられ、スペーサ５上を覆うように電子-正孔対生成層４が設けられている。電子-正孔対生成層４上には電極６２が設けられている。また、本実施例においてはＣＮＴ集合体１１が設けられた基板１は導電性であり、電極として働く。
【００５５】
電子-正孔対生成層４の材料としては、例えばｐｎ接合の半導体層や有機薄膜で形成された半導体層を用いることができる。電極６２と基板１の材料としては、導電性が高く、光透過性の材料を用いる。例えば、インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ）などが挙げられる。スペーサ５の材料としてはＣＮＴ集合体１１よりも屈折率の低い誘電体材料を用いる。例えばＳｉＯ2, Ａｌ2Ｏ3などを用いることができる。
【００５６】
電極６２側から光が照射されると、電子-正孔対生成層４で光電変換を生じ、基板１（電極）と電極６２との間に電流が流れる。照射される光の一部は、電子-正孔対生成層４で吸収されずに透過する。この透過した光がＣＮＴ集合体１１に吸収されると、プラズモンが励起され、このプラズモンにより電場エネルギーが局所的に増強される。この増強された電場は、電子-正孔対生成層４まで広がると、電子-正孔対生成層４で電子が励起される。したがって、ＣＮＴ集合体１１を設けることにより、太陽電池の電子-正孔対生成効率を向上させることができる。
【００５７】
さらに、スペーサ５が設けられていることにより、ＣＮＴ集合体１１で生成されたプラズモンによる電場がさらに増強される。これは、電場強度が、屈折率の高い材料よりも屈折率の低い材料の方が高くなるという性質を持つためである。ＣＮＴ集合体１１で増強された電場はスペーサ５においてさらに増強される。従って、スペーサ５によってさらに増強された電場が電子-正孔対生成層４に広がることにより、電子-正孔対生成効率をより向上させることができる。
【００５８】
なお、スペーサ５の光透過性によっては、スペーサ５を設けることによって光がＣＮＴ集合体１１に届きにくくなる場合がある。一方、上述したようにスペーサ5により電場強度をさらに増加させることができる。そのようなトレードオフの関係にある場合には、スペーサ５の間隔を適宜調整することで、スペーサ５同士の隙間からＣＮＴ集合体へ到達する光量とスペーサ５による電場増強効果をそれぞれ最適化する。
【００５９】
また、基板1の材料として金属を用いることで、ＣＮＴ集合体１１も吸収されなかった入射光を反射させることができる。この反射した光は、ＣＮＴ集合体１１に吸収させることができるので、光の利用効率をさらに高めることができる。
【００６０】
このように、ＣＮＴ集合体１１に電場が増強されることにより、電子-正孔対生成層４で光電効果が多く生じるので、電力生成効率が大きい太陽電池を得ることができる。すなわち、光利用効率が高い太陽電池を得ることができる。
【００６１】
この太陽電池は、以下のようにして作製する。まず、基板１上にＣＮＴ集合体１１を成長させ、その上に、スペーサ５の材料を膜状に堆積させ、パターニングを行ってスペーサ５を形成する。次に、スペーサ５上に半導体層を設け、電子-正孔対生成層４を形成する。そして、電子-正孔対生成層４上に電極６２を形成する。ＣＮＴ２を成長させるときの温度は、ＣＮＴ２の結晶品質を考慮すると５００〜８００℃程度が望ましい。ＣＮＴ２を成長させた後に電子-正孔対生成層４を設けるので、電子-正孔対生成層４を耐熱性の低い材料、例えば有機薄膜によって形成する場合でもＣＮＴ２を成長させる温度によって電子−正孔対生成層４が影響を受ける虞がない。
【００６２】
〔変形例１〕
変形例１の太陽電池には、長さが異なる２種類のＣＮＴ集合体１１が設けられている。図３（b）は変形例１の太陽電池を示す断面図である。その他の構成は図３（a）と同じであるので、同一の符号を付して同じ部分の説明は省略する。
【００６３】
上述したように、ＣＮＴ集合体１１によって吸収されプラズモンを励起することができる波長はＣＮＴ２の長さに依存する。従って、２種類のＣＮＴ集合体１１は、それぞれの長さに対応した光吸収ピークを有する。例えば、長さが長い方のＣＮＴ集合体１１は主に赤色の光を吸収し、短い方のＣＮＴ集合体は主に青色の光を吸収するように設計することができる。このように、２種類の長さが異なるＣＮＴ集合体１１が形成されていると、ある波長領域において一方のＣＮＴ集合体１１の光吸収強度が小さくても他方のＣＮＴ集合体１１の光吸収強度が大きいので、ＣＮＴ集合体１１同士で光吸収強度を補い合うことができる。従って、幅広い波長領域の光を吸収することができ、電場エネルギーを増強させることができるので、電子-正孔対生成層４における光電効果が生じる量を更に増やすことができる。すなわち、光利用効率がさらに高く、電力生成量がさらに多い太陽電池を得ることができる。
【００６４】
また、ＣＮＴ集合体１１の長さを３種類以上とすることも可能である。複数種類のＣＮＴ集合体１１の光吸収スペクトルの和が、電子-正孔対生成層４の透過光スペクトルと同じあるいは類似するようにＣＮＴ集合体１１の長さや面積比を設計することにより、太陽電池の光利用効率をさらに高めることが出来る。
【００６５】
２種類のＣＮＴ集合体１１の形成方法としては、以下のような方法が挙げられる。すなわち、基板１上に、ＣＮＴ集合体１１を一様な長さに形成した後に、ＣＮＴ集合体１１の一部にマスキングを施す。そして、マスキングが施されていない部分を酸素プラズマ等でエッチングすることによって、マスキングが施されていない部分のＣＮＴ集合体１１の長さを短くする。すなわち、長さが短いＣＮＴ集合体１１を設ける領域にエッチングを施す必要がある。また、触媒薄膜膜厚を調整することで生成される微粒子径がある程度変えられる。一般に微粒子径が大きいほど、そこから成長するCNTの成長速度も大きくなるため、長さの異なるCNT集合体11を作製することも可能である。
【００６６】
〔変形例２〕
図３（ｃ）は、電子-正孔対生成層４の上（光が照射される電極６２側）にＣＮＴ集合体１１を積層した構造である。変形例２の太陽電池においては、電極６２上に形成された電子-正孔対生成層４上には複数のスペーサ５が間隔を置いて設けられている。電子-正孔対生成層４とスペーサ５の上には基板１が設けられている。基板１上にはＣＮＴ集合体１１が設けられている。そして、ＣＮＴ集合体１１の上に電極６１が設けられている。
【００６７】
実施例２及び変形例１と同じ部分には同じ符号を付して、説明は省略する。
【００６８】
この太陽電池の製造方法は、電子-正孔対生成層４上にスペーサ５を形成し、その上に基板１を形成する。基板１上に実施例１の方法によりＣＮＴ集合体１１を形成する。そして、電子-正孔対生成層４のスペーサ５が設けられた主面と対向する主面に電極６１を設け、ＣＮＴ集合体１１上に電極６２を設ける。
【００６９】
ＣＮＴ集合体１１で増強された電場を電子-正孔対生成層４に十分に作用させるために、基板1の厚さをできるだけ薄くする必要がある。基板１の厚さは、例えば１０ｎｍ程度である。
【００７０】
〔実施例４〕
実施例４は、ＣＮＴ集合体１１の光導波路への応用例である。図４（a）は実施例１のＣＮＴ集合体１１を用いた光導波路の斜視図である。
【００７１】
この光導波路は、平板１２と平行な方向に成長したＣＮＴ２を備える。ＣＮＴ集合体１１の一端側には発光素子７が設けられており、他端側には受光素子８が設けられている。発光素子７と受光素子８の間に、ＣＮＴ集合体１１が設けられている。
【００７２】
本実施例においては、発光素子７を基板としてＣＮＴを成長させてＣＮＴ集合体１１を得ている。そのため、ＣＮＴ集合体１１の一端は発光素子７と接している。
【００７３】
発光素子７としては近接場光を直接放出するデバイス、例えば近接場プローブ、や偏光制御素子付きLEDなどを用いることができる。
【００７４】
受光素子８としては、例えば近接場プローブなどを用いることができる。
【００７５】
このような光導波路においては、発光素子７がＣＮＴ集合体１１の発光素子７側の一端に向けて光を照射する。光を照射されたＣＮＴ集合体１１の一端は励起されてプラズモンを生じる。このプラズモンにより、ＣＮＴ２の近傍に近接場光が生じ、ＣＮＴ集合体１１の他端側で受光素子がこの近接場光を検出する。
【００７６】
このようにして実施例１のＣＮＴ集合体１１を用いた光導波路によって、信号を伝達することができる。
【００７７】
プラズモンによって生成される近接場光の電場強度は大きいので、導波路としてＣＮＴ集合体１１を用いることによって受光素子８の光検出感度が向上する。また、ＣＮＴ集合体１１以外の材料をプラズモン生成源として用いた光導波路は、材料自身や材料に接触している他の材料にプラズモンが吸収され、受光素子８に伝播するまでにプラズモン強度が低下してしまう場合がある。しかしながら、ＣＮＴ２は中空構造であるため通常の材料と比較して占有体積（ＣＮＴ２の外縁に囲まれた内側の、中空部分を含む体積）に対するプラズモンの吸収量は低いと考えられる。すなわち、伝播する過程でプラズモン強度が低下する量が小さいので、発光素子７から受光素子８へ効率よく伝播させることができる。
【００７８】
実施例４においては、プラズモンの伝播を信号として用いているが、ＣＮＴ２は、光だけでなく電流も同時に伝導させることが可能である。そのため、光と電流それぞれに異なる情報を持たせることにより、２つの信号を伝達させることも可能であり、光のみを信号としていた従来の光導波路に対して２倍の情報を伝達することができる。
【００７９】
ＣＮＴ集合体１１の近接場光の検出方法としては、上記以外に、受光素子８の代わりに高速光応答を示す材料を置いておき、これをＣＮＴ集合体１１の近接場光で励起することで該材料から放出される光を光検出器で検出する方法や該材料による近接場光の散乱光を検出する方法なども考えられる。
【００８０】
ＣＮＴは知られている材料中で最高レベルの熱伝導率を有している。このことを利用して、実施例４の導波路を廃熱路として利用することも可能である。
【００８１】
以上のように、実施例４によると、信号となるプラズモンの伝播強度が減衰しにくい光導波路を得ることができる。
【００８２】
なお、本実施例においては、発光素子７を基板としてＣＮＴ集合体１１を形成したが、例えば、平板１2を基板としてＣＮＴ集合体１１の一端が平板１２上の発光素子７に近い位置に接触させ、他端側が受光素子８側に近づくように湾曲させるようにしてＣＮＴ集合体１１を設けることも可能である。
【００８３】
〔変形例３〕
図４（b）は、実施例４の光導波路の変形例を示す断面図である。図４(ｂ)はＣＮＴ２を平板１２と垂直な方向に成長させたものである。
【００８４】
この光導波路は、平板1２（基板）設けられた凹部の底に発光素子７が設けられている。発光素子７上にはＣＮＴ集合体１１が設けられており、ＣＮＴ集合体１１の上には平板１2の凹部を覆うように受光素子８が設けられている。平板１の凹部内に高い空間充填率で隙間なくＣＮＴ１１が設けられているため、発光素子７の光をＣＮＴ２を介して受光素子８に到達させることができる。
【００８５】
また、ＣＮＴ集合体１１は、受光素子７を基板としてＣＮＴ２を成長させて得ている。図４（b）においては、平板１２の凹部にＣＮＴ集合体１１を設けることとしたが、ＣＮＴ集合体１１を広い面積に設ける場合には基板にトレンチ（溝部）を形成し、そのトレンチにＣＮＴ集合体１１を設けて光導波路を形成することとしても良い。
【００８６】
〔実施例５〕
実施例５は、ＣＮＴ集合体１１の光物性評価技術への応用例である。図５は、実施例１のＣＮＴ集合体１１を用いた光物性評価系の断面図を示している。
【００８７】
この光物性評価系は、基板１上にＣＮＴ集合体１１が形成されており、ＣＮＴ集合体上にＣＮＴ１１上に光を照射することができる発光素子と、各種光学測定をすることができるセンサーを備えた光学系１０が設けられている。ＣＮＴ集合体１１上には、生体材料（細胞やＤＮＡなど）など、光照射により励起して発光する被測定物９を設置することができる。
【００８８】
光学系１０から光が照射されると被測定物９は発光するが、生体材料など、微量で発光効率が弱い被測定物９を用いる場合には、発光を検知するのが困難な場合がある。
【００８９】
しかしながら、ＣＮＴ集合体１１を用いると、被測定物９の周辺のＣＮＴ集合体１１にも光学系１０の光が照射される。この光によって、ＣＮＴ集合体１１はプラズモンによって増強された近接場光を放出し、この放出された近接場光も被測定物９に照射される。この近接場光は非常に高い光強度を有しているので、発光効率が弱い被測定物を用いる場合でも、発光量を多くすることができる。
【００９０】
照射光により励起されるＣＮＴ集合体１１の近接場光は非常に高い光強度を有しているため、測定対象が微量でも解析可能である。またＣＮＴ集合体１１は、高空間充填率のためＣＮＴ２同士の間隙が極めて小さいので、被測定物９のサイズが小さくても保持可能である。また、ＣＮＴ２は主に炭素から形成される材料のため、生体親和性に優れており細胞やDNA等を損傷させる虞が少ない。
【００９１】
以上のように、実施例５によれば、被測定物９の発光強度を高めた光物性評価系を得ることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１  基板
２  カーボンナノチューブ集合体
３  異種材料
４  電子-正孔対生成領域
５  スペーサ
６  電極
７  発光素子
８  受光素子
９  被測定物
１０  光学系
１１  ＣＮＴ集合体
６１、６２  電極
【図１（ａ）】
0005571994.tif 000003
【図１（ｂ）】
0005571994.tif 000004
【図１（ｃ）】
0005571994.tif 000005
【図１（ｄ）】
0005571994.tif 000006
【図２】
0005571994.tif 000007
【図３（ａ）】
0005571994.tif 000008
【図３（ｂ）】
0005571994.tif 000009
【図３（ｃ）】
0005571994.tif 000010
【図４（ａ）】
0005571994.tif 000011
【図４（ｂ）】
0005571994.tif 000012
【図５】
0005571994.tif 000013