(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノバッド分子を含む素材の堆積物であって、前記カーボンナノバッド分子が、少なくとも１つのフラーレン基（２）を介して互いに結合し、電気伝導経路の基本的に平行な配列を平面基板上に形成することを特徴とする素材の堆積物。
【請求項２】
電磁放射によって電子を励起する手段を提供するために、前記カーボンナノバッド分子が、少なくとも１つのフラーレン基を介して官能基化される、ことを特徴とする請求項１に記載の素材の堆積物。
【請求項３】
前記堆積物が外部刺激によりオン状態となり、前記堆積物の外部刺激のないオフ状態の導電率に対する、前記堆積物のオン状態における導電率の比であるオン／オフ比が１よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の素材の堆積物。
【請求項４】
前記堆積物のオン／オフ比が１×１０２よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の素材の堆積物。
【請求項５】
前記堆積物のオン／オフ比が１×１０４よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の素材の堆積物。
【請求項６】
前記堆積物の半導電性が、前記堆積物の密度、導電経路の方向における前記堆積物の長さ、前記導電経路に対する垂直方向における前記堆積物の幅、前記堆積物の厚さ、フラーレンまたはフラーレン状付加物の濃度、および／または前記堆積物の導電分子および半導電分子の相対量によって制御可能である、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の素材の堆積物。
【請求項７】
電子デバイスであって、前記電子デバイスが、カーボンナノバッド分子を含む、請求項１に定義された堆積物を含むことを特徴とする電子デバイス。
【請求項８】
前記堆積物が、キャリア輸送またはキャリア蓄積の機能を提供する、ことを特徴とする請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項９】
前記デバイスが、トランジスタである、ことを特徴とする請求項７乃至８のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項１０】
前記トランジスタが、電界効果トランジスタ（１８）である、ことを特徴とする請求項９に記載の電子デバイス。
【請求項１１】
前記デバイスが、電極または透明電極（１５、２４、２８、３０）である、ことを特徴とする請求項７乃至８のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項１２】
前記電極または前記透明電極が、ディスプレイ、光源、または太陽電池（３２）における透明電極である、ことを特徴とする請求項１１に記載の電子デバイス。
【請求項１３】
前記デバイスが、電界エミッタ（１７、１９）である、ことを特徴とする請求項７乃至８のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項１４】
前記デバイスが、光源、ディスプレイエレメント、コンデンサ（３１）、太陽電池（３２）またはセンサ（３３）である、ことを特徴とする請求項７乃至８のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子工学、マイクロエレクトロニクスおよび電子材料に関する。特に、本発明は、異なる種類の電子デバイスにおいて用いられる素材の堆積物に関する。
【背景技術】
【０００２】
より高速で、より効率的で、かつより安価な電子部品を製造するために、新素材が絶えず必要とされている。例えば、マイクロエレクトロニクス素子に特有の大きさは、ナノサイズに向かって縮小し続けているので、新素材は、特にこの原子サイズにおいて生じる量子力学的な影響を考慮する必要があり得る。
【０００３】
電子工学産業およびマイクロエレクトロニクス産業における処理技術の２次元的性質のために、階層構造、薄膜または他の堆積物という形の新素材の使用が特に重要である。従来の素材は、電気的、熱的および機械的な安定性が制約されていることが多い。更に、１０ナノメートル未満の厚さを有する電気伝導性のある連続的な金属の層、薄膜または堆積物を確実に製造することは、現在の公知の成膜方法では困難である。これらの非常に薄い堆積物は、堆積物における高電流密度によって生じる熱損傷および電気移動に特に影響されやすい。従来の薄膜および他の堆積物の安定性の欠如によって、薄膜素材がデバイスの隣接領域に拡散し、その結果として、デバイス性能の劣化のみならず、デバイスの不良にさえつながる。マイクロエレクトロニクスデバイスの大きさがナノサイズに向かって縮小するにつれて、素材拡散の問題は更に顕著なものとなる。
【０００４】
電気的、熱的および機械的に優れた安定性、という一般的な有益な特性に加えて、堆積物を用いる特定の用途によって、堆積物にはいくつかの重要な素材要件が存在する。例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）において、チャネルを形成する素材は、最高水準のデータ処理装置に要求される高スイッチング速度に準拠するために、高オン／オフ比および高電子移動度を有しなければならない。例えば、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）の電界エミッタとして用いられる堆積物には、低い仕事関数が要求される。透明電極として用いられる堆積物は、自明の光学的要件に加えて、低いシート抵抗をもたらし得る高導電性という要件を有する。透明な導電性の堆積物または電極は、例えば、ディスプレイ（例えば、ＦＥＤ、ＬＣＤ、プラズマディスプレイおよびＣＲＴ）、ソリッドステート光源、太陽電池、タッチスクリーンおよび電荷散逸表面、ならびに例えば電磁遮蔽において、更に用いられる。スーパーコンデンサにおいて、電極素材用の電気的に安定して多孔質で高度に導電性の堆積物に対するニーズが存在する。太陽電池における電極は、太陽放射に対して優れた透過性を有する伝導性の高い素材を必要とする。更に、各種センサは、例えば環境条件によって異なる導電性を必要とする。上記のすべてのデバイスにおいて、堆積物の機械的柔軟性は、そのようなデバイスの設計に更なる柔軟性をもたらし得る。更に、機械的柔軟性のある堆積物は、例えばフレキシブル太陽電池、フレキシブルディスプレイなどのデバイスの製造を可能にし得る。
【０００５】
特許文献１において、新しい種類の炭素系分子およびその合成方法が開示されている。これらの分子（以下、カーボンナノバッドまたはカーボンナノバッド分子と記載する）は、チューブ状炭素分子の側面に共有結合的に結合したフラーレンまたはフラーレン状分子を有する（図１）。上記の公報には、分子レベルにおいてカーボンナノバッドが興味深い電気特性を有することが開示されている。
【０００６】
分子の配向を充分な精度で一定の位置に制御することは困難であるため、電子デバイスにおいて個々のカーボンナノバッド分子を用いることは困難である。更に、デバイスの一定の位置において単一分子を用いるためには、分子が、所定の長さおよび結晶構造のものであることが要求され、この制御も非常に困難である。例えば太陽電池およびスーパーコンデンサなどの一部のデバイスにおいて、素材の大きさまたは量は、単に充分に大きいものでなければならないため、単一分子の使用は可能ではない。
【０００７】
上述のように、当該技術分野において、例えばキャリア輸送およびキャリア蓄積のための電子部品に用いられるデバイス特有の他の特性を有する、より安定した新しい種類の堆積物に対して大きなニーズが存在する、ということは明らかである。電子部品に特有の大きさが縮小し、その速度および効率が向上するにしたがって、このニーズは増大していくことが予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＰＣＴ公報第ＦＩ２００６／０００２０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、新型の堆積物、および新型の堆積物を利用して改善された電子デバイス構造を提供することによって、従来技術の上述の技術的問題を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、独立請求項１及び７に示す内容によって特徴づけられる。
【００１１】
本発明による素材の堆積物は、カーボンナノバッド分子を含む。カーボンナノバッド分子は、少なくとも１つのフラーレン基を介して互いに結合する。
【００１２】
本発明による電子デバイスは、カーボンナノバッド分子を含む堆積物を含む。
【００１３】
個々のカーボンナノバッド分子は、主に炭素原子を含むが、他の元素を含む基を用いて分子を官能基化してもよい。従って、カーボンナノバッド分子を含む堆積物は、ほとんどの場合において炭素原子を含むが、官能基化の間におよび不純物として他の元素を堆積物に組み込んでもよい。
【００１４】
本発明による堆積物および電子デバイスにおけるカーボンナノバッド分子は、分子がランダムに分散するか、あるいは完全にまたは部分的に整列し得る、ネットワークの形をとる。本発明の一実施形態において、カーボンナノバッド分子は、本発明による素材の堆積物において電気伝導経路のネットワークを形成する。
【００１５】
本発明の別の実施形態において、カーボンナノバッド分子は、本発明による素材の堆積物において電気伝導経路の基本的に平行な配列を形成する。これらの基本的に平行な導電経路は、複数の単一分子電子デバイスを同時に製造する方法を提供し、その使用により、１つのデバイスの操作から、例えば回路の依存を低減することができる。
【００１６】
薄膜または他の堆積物にカーボンナノバッド分子がランダムに分散または平行に配列されることによって、これらの分子の堆積物は、電流フローにとって多くの可能な経路を確実に含むことになる。堆積物はまた、統計学的に多数の分子を提供するので、個々の分子の特性の変動による影響が抑制される。従って、本発明によるカーボンナノバッド分子を含む堆積物は、個々の分子の機能に依存しない。電流フローが個々の伝導分子に依存するデバイスとは対照的に、このことは、カーボンナノバッド分子を含む堆積物を利用するデバイスの信頼性を向上させる。
【００１７】
本発明の一実施形態による電子デバイスにおいて、カーボンナノバッド分子を含む堆積物は、キャリア輸送またはキャリア蓄積の機能を提供する。
【００１８】
本発明によるカーボンナノバッド分子を含む堆積物は、例えば、気相または液体からの濾過、力場における成膜、およびスプレー塗布またはスピン乾燥を用いた溶液からの成膜などの、公知の方法を用いて成膜され得る。カーボンナノバッド分子はまた、溶液中に懸濁されてもよく、例えばシリコンウエハ上に噴霧またはスピンコートされることによって薄膜などを形成してもよい。カーボンナノバッド分子はまた、表面上で成長させることもできる。堆積物は、更にパターン化することにより、特殊な形状を形成することができる。本発明の一実施形態において、本発明による素材の堆積物は、素材の量、薄膜またはワイヤである。
【００１９】
本発明の別の実施形態において、本発明による素材の堆積物は、１ナノメートル乃至１０センチメートルの間の厚さ、好ましくは１ナノメートル乃至１００マイクロメートルの間の厚さを有する。
【００２０】
導電素材または半導電素材の従来の堆積物と比較して、本発明によるカーボンナノバッドを含む堆積物は、電気的、熱的および機械的に優れた安定性を有する。これらの特性は、電子デバイスにおけるキャリア輸送のために用いられる堆積物において、特に重要である。安定性要件は、小さな物理的寸法を有する電子デバイスにおいて、またはフレキシブルデバイスにおいて、または苛酷な厳密な環境において操作する電子デバイスにおいて、より一層顕著なものとなる。
【００２１】
本発明の一実施形態において、カーボンナノバッド分子は、本発明による素材の堆積物における少なくとも１つのフラーレン基を介して、互いに結合する。
【００２２】
本発明による堆積物の安定性の根拠は、フラーレン基が、チューブ状部分の側面に、または他のカーボンナノバッド分子のフラーレン基に、直接的にまたは架橋分子を介して結合する能力にある。フラーレン基によって可能となる安定した分子間結合は、個々の分子同士のすべりを効率的に防止する。本発明による堆積物の安定性は、カーボンナノバッド分子の安定した分子内共有結合によって、更に強化される。結合はまた、ネットワークの全体の抵抗を下げる、分子間の低抵抗接続としての役割を果たし得る。
【００２３】
カーボンナノバッド分子を含む堆積物の安定性に加えて、堆積物は、本発明による堆積物の独特な結合方式から得られる他の多くのデバイス特有の有益な特性を有する。これらの特性は、例えば、低い仕事関数、機械的柔軟性、ナノ多孔質の構造、高導電性、制御可能な導電性および半導電性、および高いキャリア移動度を含み、これらを本発明による電子デバイスに利用することができる。
【００２４】
本発明の一実施形態において、カーボンナノバッド分子は、本発明による素材の堆積物における少なくとも１つのフラーレン基を介して、官能基化される。この官能基化は、例えば染料または光活性官能基によってなされるものであり、それによって電磁放射によって電子を励起する手段を提供したり、またはカーボンナノバッド分子を含む堆積物の導電性またはバンドギャップを変えたりする。
【００２５】
本発明の一実施形態において、本発明による素材の堆積物は、１マイクロメートルあたり１０ボルト未満の閾値電界、好ましくは１マイクロメートルあたり２ボルト未満の閾値電界、最も好ましくは１マイクロメートルあたり１ボルト未満の閾値電界を有する電子放出をもたらす、低い仕事関数を有する。
【００２６】
本発明の別の実施形態において、本発明による素材の堆積物のオン／オフ比は、１よりも大きく、好ましくは１×１０２よりも大きく、最も好ましくは１×１０４よりも大きい。ここで、オン／オフ比は、外部刺激があるとき（オン状態）の半導電素材の導電性と、外部刺激がないとき（オフ状態）の半導電素材の導電性との比率として定義される。
【００２７】
本発明の別の実施形態において、本発明による素材の堆積物は、１×１０−５乃至１×１０８Ｓ／ｍの範囲、好ましくは０．１乃至１×１０７Ｓ／ｍの範囲、最も好ましくは１×１０３乃至１×１０６Ｓ／ｍの範囲の導電性を有する。
【００２８】
本発明の別の実施形態において、本発明による素材の堆積物は、１×１０−６乃至１×１０４オーム／平方の範囲、好ましくは１×１０−５乃至１×１０３オーム／平方の範囲、最も好ましくは１×１０−４乃至１×１０２オーム／平方の範囲のシート抵抗を有する。
【００２９】
本発明の更に別の実施形態において、本発明による素材の堆積物のキャリア移動度は、１０−５ｃｍ２／（Ｖｓ）よりも大きく、好ましくは１０−３ｃｍ２／（Ｖｓ）よりも大きく、最も好ましくは１０−１ｃｍ２／（Ｖｓ）よりも大きい。
【００３０】
本発明の更に別の実施形態において、本発明による素材の堆積物は、０．００１乃至１０電子ボルトの範囲、好ましくは０．０１乃至５電子ボルトの範囲、最も好ましくは０．１乃至１．０電子ボルトの範囲のバンドギャップを有して半導電性である。
【００３１】
多くの電子デバイスにおいて、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の使用は、製造コストをも低減する。例えば、広い面積を有するＦＥＤの製造において、従来のマイクロチップ技術では、高価な半導体処理装置を使用する必要がある。また、従来のＩＴＯによる透明電極の製造は、一つにはインジウムの不足および高価格のために、更にはＩＴＯ電極の製造にたいてい必要とされる高温真空法のために、費用がかかる。マイクロチップ技術ならびに透明ＩＴＯ電極は、後述するように、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の使用に置き換えることができる。
【００３２】
本発明の一実施形態において、本発明による電子デバイスは、トランジスタまたは電界効果トランジスタである。これらのデバイスにおいて、カーボンナノバッド分子を含む堆積物は、堆積物が存在するデバイス構造の部分によって、例えば高オン／オフ比、高導電性および制御可能な半導電性を必要とし得る。
【００３３】
本発明の別の実施形態において、本発明による電子デバイスは、透明電極である。本出願において、カーボンナノバッド分子を含む堆積物は、例えば高い横方向の導電性を必要とし得る。カーボンナノバッド分子を含む透明電極は、例えば、ディスプレイ、光源、または太陽電池において用いられ得る。
【００３４】
本発明の更に別の実施形態において、本発明による電子デバイスは、電界エミッタである。本出願におけるカーボンナノバッド分子を含む堆積物の臨界的性質は、弱い電界によってでさえも堆積物からの電子放出を可能にする、低い仕事関数である。このことは、電界エミッタ構造の効率を向上させる。
【００３５】
本発明の更に別の実施形態において、本発明による電子デバイスは、光源、ディスプレイエレメント、コンデンサ、太陽電池またはセンサである。これらのデバイスは、カーボンナノバッド分子を含む堆積物を、様々な態様で利用し得る。デバイスは、例えば透明電極および電界エミッタを組み込んでもよい。コンデンサまたはスーパーコンデンサは、カーボンナノバッド分子を含む堆積物のナノ多孔質構造を利用し得る。太陽電池およびセンサは、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の導電性および／または制御可能な半導電性を利用し得る。特に、センサのみならず上記の他の電子デバイスは、外部刺激のために、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の多様な伝導率を利用し得る。より正確には、堆積物の導電性は、例えば、堆積物においてフラーレン部分に付着する分子の吸着または他の結合によって影響され得る。また、カーボンナノバッド分子を含む堆積物と相互作用をする温度または放射の変動は、堆積物の導電性に影響を及ぼし得る。
【００３６】
以下に、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】フラーレンまたはフラーレン状分子がチューブ状炭素分子に共有結合的に結合するカーボンナノバッド分子について、５つの異なる分子モデルを示す図である（従来技術）。
【図２ａ】本発明の一実施形態による堆積物におけるカーボンナノバッド分子の配置を概略的に示す図である。
【図２ｂ】本発明の一実施形態によるカーボンナノバッド分子のランダムな配向を概略的に示す図である。
【図２ｃ】本発明の一実施形態によるカーボンナノバッド分子の基本的に平行な配向を概略的に示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による電界効果トランジスタ構造を概略的に示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による横電界エミッタ構造を概略的に示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による垂直電界エミッタ構造を概略的に示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるコンデンサ構造を概略的に示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による太陽電池構造を概略的に示す図である。
【図８】本発明の一実施形態によるセンサ構造を概略的に示す図である。
【図９ａ】本発明の一実施形態による電界放出光源構造の製造工程を概略的に示す図である。
【図９ｂ】本発明の一実施形態による電界放出光源構造の製造工程を概略的に示す図である。
【図９ｃ】本発明の一実施形態による電界放出光源構造の製造工程を概略的に示す図である。
【図１０ａ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造工程を概略的に示す図である。
【図１０ｂ】本発明の一実施形態による太陽電池の製造工程を概略的に示す図である。
【図１１ａ】本発明の一実施形態によるコンデンサの製造工程を概略的に示す図である。
【図１１ｂ】本発明の一実施形態によるコンデンサの製造工程を概略的に示す図である。
【図１２ａ】本発明の一実施形態によるコンデンサの製造工程を概略的に示す図である。
【図１２ｂ】本発明の一実施形態によるコンデンサの製造工程を概略的に示す図である。
【図１２ｃ】本発明の一実施形態によるコンデンサの製造工程を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図２ａに図示するように、カーボンナノバッド分子は、分子のフラーレンまたはフラーレン状部分２を介して、カーボンナノバッドを含む堆積物における隣のカーボンナノバッド分子と結合し得る。カーボンナノバッド分子のフラーレンまたはフラーレン状部分２は、同一の分子のチューブ状部分１の外側に、共有結合的に結合される。図１に図示するように、分子の結合すなわち結合部分３は、いくつかの原子を含み得る。図２ａに結合方式を２次元的に図示するが、個々のカーボンナノバッド分子の配向は、それぞれ図２ｂおよび図２ｃに図示するように、ランダムまたは整列の状態であり得る。
【００３９】
個々のカーボンナノバッド分子の導電性は、当該分子のチューブ状部分１のキラリティと、フラーレンまたはフラーレン状分子の濃度とによって制御される。フラーレン濃度を増加させると、半導体チューブの留分が増加する。このことは、例えば半導電性または導電性の（金属的な）カーボンナノバッド分子を製造する可能性を切り開く。同様に、本発明によると、堆積物の密度、（導電経路の方向における）長さ、幅、および厚さ、ならびに堆積物における導電分子および半導電分子の相対量を制御することによって、導電性または半導電性の堆積物を製造することができる。堆積物の半導電性は、同様に更に制御することができる。
【００４０】
薄膜または他の堆積物における複数のカーボンナノバッド分子のランダム分布（図２ｂ）または整列配向（図２ｃ）によって、これらの分子のネットワークは、堆積物における電流フローの可能な経路を多く含むことが確実となる。従って、本発明によるカーボンナノバッド分子を含む堆積物は、個々の分子の機能に依存しない。このことは、カーボンナノバッド分子を含む堆積物を利用するデバイスの信頼性を向上させるものであり、電流フローが個々の伝導分子に依存するデバイスとは対照的である。本発明の一実施形態によると、ネットワークの部分的な整列を用いて、特定の方向における導電経路の数を増減させることができる。更に、本発明の一実施形態によると、本発明による堆積物におけるカーボンナノバッド分子の基本的に平行な整列は、複数の単一分子電子デバイスを同時に製造する方法を提供する。基本的に平行な導電経路を用いることにより、例えば回路が１つのデバイスの操作に依存することを低減できる。
【００４１】
ナノバッド分子は、以下の技術によって整列させてもよい。ナノバッドを含むエアロゾルは、例えばプレートにおける狭いスリットの中に導入される。ギャップの高さは、好ましくはナノバッドの平均長またはナノチューブ束の長さの１００倍未満であり、より好ましくはナノバッドの平均長またはナノチューブ束の長さの５０倍未満であり、最も好ましくはナノバッドの平均長またはナノチューブ束の長さの２０倍未満である。ギャップの長さは、好ましくはギャップの高さの５倍を超え、より好ましくはギャップの高さの１０倍を超え、最も好ましくはギャップの高さの２０倍を超える。基板をギャップ内に固定することにより、二次基板上に成膜する手段を提供することができる。更に、基板を冷却または荷電することにより、熱泳動または電気泳動によって成膜を強化することができる。
【００４２】
ナノバッド分子を整列させて成膜するナノバッド成膜装置は、直径１センチメートルのチューブの軸に垂直な厚さ５ミリメートルの平坦な金属板を固定することによって構築されるので、キャリアガス内のナノバッドのエアロゾルフローは、プレート内のスリットを通過しなければならない。金属板は、プレート表面に垂直にレーザカットされた５つの平行スリットを有する。スリットは、高さが０．２５ミリメートル、幅が７．０ミリメートル、スリット同士の間隔が１ミリメートルである。直径約１マイクロメートルのナノバッド束を含むエアロゾルは、チューブに導入され、スリットを通して流れることにより、フローにほぼ整列したチューブの一部が、スリットの側面上に成膜する。
【００４３】
図２ａのカーボンナノバッドの堆積物の独特の結合方式は、個々のカーボンナノバッド分子の分子構造（図１参照）と共に、本発明による堆積物のために非常に有用な特性のセットとなる。フラーレン基が別のカーボンナノバッド分子に結合する能力は、これらの分子を含む堆積物の特別な電気的、熱的および機械的な安定性をもたらし、ナノバッド分子のチューブ状部分の分離を増加させるので、ナノ細孔性および比表面積を増加させる。安定した分子間結合は、個々の分子同士のすべりを効率的に防止し、個々の分子間の電荷移動を増加させる。本発明による堆積物の安定性は、カーボンナノバッド分子の安定した分子内共有結合によって、更に強化される。
【００４４】
カーボンナノバッド分子を容易に官能基化する能力は、例えば、染料または光活性官能基が分子に結合することを可能にするので、電磁放射によって電子を励起する手段を提供し、またはカーボンナノバッド分子を含む堆積物における分子の機能を変更する。
【００４５】
本発明による堆積物の特性は、低い仕事関数（例えば電界閾値が約０．６５Ｖ／μｍ）、極めて高い伝導率（例えば電流搬送容量が約１０１０Ａ／ｃｍ２）、および極めて高い電子移動度（例えば１０００００ｃｍ２／（Ｖｓ）にさえ達する）を含み得る。それに加えて、カーボンナノバッド分子を含む炭素系堆積物は、高性能の電子デバイスからの熱除去に関する問題を軽減する高い熱伝導率を有する。これらの特性はいずれも、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の原子構造によるものである。上記のように、電子デバイスにおける単一分子に代わって、カーボンナノバッドの堆積物は、カーボンナノバッド分子の有用な特性と、カーボンナノバッドの堆積物を用いる利点とを組み合わせて強化するものである。
【００４６】
カーボンナノバッドの堆積物において隣接する分子間の結合は、共有結合的でなくてもよく、イオン性質を有するもの、またはファンデルワールス型であってもよい。それにもかかわらず、分子のフラーレンまたはフラーレン状部分２は、活性基としての役割を果たし、活性基は、更に官能基化することができ、個々のカーボンナノバッド分子間の安定した結合を形成することができる。これらの分子特性は、カーボンナノバッド分子によって安定した堆積物を製造することを著しく簡素化する。カーボンナノバッド分子のフラーレン部分２はまた、分子構造に非対称性をもたらし、そのことは本発明による堆積物の成膜中に分子を特定の配向に整列させることに役立ち得る。分子整列は、例えば特定の用途のために堆積物の電気的性質を適合化することに役立ち得る。この種の堆積物の操作はまた、堆積物の伝導率を局所的に制御するために用いてもよい。
【００４７】
本発明によるカーボンナノバッド分子を含む堆積物は、例えば、気相または液体からの濾過、力場における成膜、およびスプレー塗布またはスピン乾燥を用いた溶液からの成膜などの、公知の方法を用いて成膜され得る。カーボンナノバッド分子はまた、溶液中に懸濁させてもよく、例えばシリコンウエハ上に噴霧またはスピンコートすることによって薄膜などを形成してもよい。カーボンナノバッド分子はまた、表面上で成長させることもできる。
【００４８】
本発明の一実施形態による図３のＦＥＴ構造１８は、導電ゲート層４と、導電ゲート層４上の絶縁層５とを含む。デバイスは、ソース電極６と、ドレイン電極８と、それらの間のチャネル層７とを更に備え、ソース電極６およびドレイン電極８は、絶縁層５の上にある。チャネル層７は、ソース電極６およびドレイン電極８と電気的接触をしている。デバイスのチャネル層７は、カーボンナノバッド分子を含む半導電堆積物である。更に、導電ゲート層４、導電ソース電極６および導電ドレイン電極８はまた、カーボンナノバッド分子を含むことにより、これらの層の機械的、電気的および熱的な特性を強化するか、または製造を簡素化し得る。堆積物の内部の導電性ナノバッド分子の量を増加させることによって、導電ゲート層４、導電ソース電極６および導電ドレイン電極８の導電性が増加し得る。
【００４９】
本発明の一実施形態による図３の例示的なデバイスは、従来のＦＥＴと同様に作動するが、従来のＦＥＴ構造と比較すると、ソース電極６およびドレイン電極８の下に導電ゲート層４があるという点において、デバイス構造１８が逆転している。カーボンナノバッド分子を含む半導電堆積物であるチャネル層７は、トランジスタのオン状態における高導電性および高電子移動度のチャネルをデバイスに提供する。高オン／オフ比と共に、このことは、チャネルが例えば単結晶シリコンから製造される従来のＦＥＴデバイスと比較すると、図３の例示的なデバイス１８について、高スイッチング速度と低減した電力消費とを含む優れた性能を可能にする。更に、チャネル層７の高い熱伝導率は、高電力で作動するデバイスからより効率的な熱除去を可能にする。このことは、ＦＥＴ構造の設計に柔軟性をもたらす。更に、堆積物含むカーボンナノバッド分子の安定性は、信頼性を向上させ、デバイスの寿命を延ばす。
【００５０】
図３の実施形態はまた、例えばｐドープしたシリコンから形成される導電ゲート層４を有してもよく、絶縁層５は、例えばより高い誘電率Ｋを有する二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または他の絶縁材などであってもよい。ソース電極６およびドレイン電極８はまた、金属などの導電素材であってもよいが、例えばドープポリシリコンを用いてもよい。導電ゲート層４、ソース電極６およびゲート電極８はまた、カーボンナノバッド分子を含むことによって、これらの層の機械的、電気的および、熱的な特性を強化し得る。最終的に、図３の実施形態の構造１８を実現する素材の選択は、トランジスタ操作がキャリアのエネルギーレベルにもたらす必要条件によって左右される、ということは明らかである。
【００５１】
カーボンナノバッド分子を含む堆積物は、低温電子放射のために要求される低い仕事関数を備えている。この特性は、例えば図４のような横電界エミッタ構造１７に利用し得る。構造１７は、絶縁基板９と、引出電極１０と、陰極電極１３と、電子エミッタ１２とを含む。構造は、陰極電極１３と陽極電極１５との間の真空ギャップ１６と、陽極電極１５上にわたる発光層１４とを更に備える。電子エミッタ１２は、カーボンナノバッド分子を含む堆積物であってもよい。電子エミッタ１２および陰極電極１３は、互いに電気的接触をしている。更に、引出電極１０および陰極電極１３は、カーボンナノバッド分子を含む堆積物であってもよい。
【００５２】
引出電極１０と陰極電極１３との間に電圧Ｖｆが印加されると、電子エミッタ１２は、陰極電極１３と陽極電極１５との間の真空ギャップ１６の中に電子を放出する。電子エミッタ１２の仕事関数によって規定される閾値を電圧Ｖｆが超過すると、引出電極１０に向かって電子放出が生じる。図４の例示的な構造１７には、陰極電極１３と陽極電極１５との間に印加される電圧Ｖａもある。電子エミッタ１２からの引出の後、Ｖａによって生成される電界の結果として、引き出された電子の速度ベクトルは、陽極電極１５の方に向かい始める。真空ギャップ１６の電界は、図４に図示するように、電子が曲線軌道をたどって最終的に発光層１４に突き当たる。電子軌道の曲率は、印加電圧ＶｆおよびＶａの比率に依存する。突き当たる電子は、発光層１４を励起し、発光層は例えば亜リン酸素材であり得る。横電界エミッタ構造１７は、例えば電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）またはソリッドステート照明における発光素子として利用され得る。
【００５３】
図５は、カーボンナノバッド分子を含む堆積物を含む、本発明による他の電界エミッタ構造を示す。デバイスは、陰極電極２０と、電子エミッタ２１と、真空ギャップ２２と、発光層２３と、陽極電極２４とを含む垂直電界エミッタ構造１９である。電子エミッタ２１は、カーボンナノバッド分子を含む堆積物であってもよい。陰極電極２０および電子エミッタ２１は、互いに電気的接触をしている。電子エミッタ２１の仕事関数によって規定される閾値よりも高い電圧Ｖａが、陽極電極２４と陰極電極２０との間に印加されると、電子エミッタ２１は、真空ギャップ２２を通じて発光層２３に電子を放出する。この電界エミッタ構成１９において放出される電子の軌跡は、基本的に一直線である。放出された電子が、例えば亜リン酸素材の発光層２３に突き当たると、発光層２３は光を放出する。垂直電界エミッタ構造１９は、例えば電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）またはソリッドステート照明の発光素子として利用され得る。
【００５４】
カーボンナノバッド分子を含む堆積物である電子エミッタ１２、２１は、電界エミッタ構造１７、１９の効率を大幅に向上させる。金属または従来の半導体から製造されたマイクロチップを利用する最高水準の技術と比較すると、より低い電圧は、電子エミッタ１２、２１から電子を引き出すのに充分である。このことは、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の低い仕事関数によるものである。従って、横電界エミッタ構造１７のより低い電圧Ｖａもまた、必要とされる電子の曲線軌道をもたらすのに充分である。より低い動作電圧ＶａおよびＶｆは、例えばＦＥＤまたはソリッドステート光源における対応する発光素子の電力消費を低減する。堆積物を含むカーボンナノバッド分子の高導電性はまた、電界エミッタ構造１７、１９の抵抗損失を低減し、それらの効率を更に向上させる。更に、堆積物を含むカーボンナノバッド分子の安定性は、信頼性を向上させ、構造１７、１９の寿命を延ばす。また、電界に対して堆積物を整列させる必要がないということは、製造コストを簡素化および低減する。
【００５５】
堆積物を含むカーボンナノバッド分子を応用可能な電子デバイスの他の例は、透明電極である。なお、図４および図５の例示的実施形態は、そのようなデバイスを含む。アノード電極１５、２４は透明であり得るので、発光層１４、２３から放出される光は、例えばＦＥＤまたは光源の観察者に向かう光をほとんど損失することなく、透明電極１５、２４を透過することができる。
【００５６】
堆積物の高導電性によって、非常に薄い堆積物でさえも低いシート抵抗が達成されるため、カーボンナノバッド分子を含む堆積物を透明電極として用いることができる。導電性堆積物が非常に薄くなれば、やはり光の透過性を保持することができる。更に、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の安定性は、信頼性を向上させ、透明電極の寿命を延ばす。
【００５７】
図６の例示的なコンデンサ（例えばスーパーコンデンサ）構造３１は、第１電極２５と、第２電極２７と、第１電極２５と第２電極２７との間の電解液層２６とを含む。この構造３１において、第１電極２５または第２電極２７、あるいは電極２５、２７の両方は、カーボンナノバッド分子の電気伝導ネットワークを含む堆積物であってもよい。図６において、電極２５、２７は、コンデンサ３１を荷電するために用いることのできる電源に接続される。電解液２６は、電解液２６の側面から電極／電解液界面に荷電を提供する固体または圧縮性イオン伝導体であってもよい。個々のナノバッド分子のチューブ構造は、空孔内における荷電蓄積を可能にする電極２５、２７のためのナノ多孔質構造となる。更に、図２ａに示すように、カーボンナノバッド分子のフラーレンまたはフラーレン状部分２は、堆積物における個々のナノバッド分子間のセパレータとしての役割を果たしてもよい。このことは、堆積物において互いに近くの個々の分子が詰まる可能性を低減し、堆積物の表面積を更に増加させる。結果として、カーボンナノバッド分子の電気伝導ネットワークを含む堆積物である電極２５、２７は、電極／電解液界面における荷電蓄積のための莫大な表面積を有する構造を有し、このことはデバイス３１のキャパシタンスを増加させる。この表面積を効率的に利用するために、電解液２６は、好ましくは、電極２５、２７のカーボンナノバッドの堆積物の空孔に侵入可能な素材である。カーボンナノバッド分子のネットワークを含む電極２５、２７の高い導電率および優れた安定特性は、コンデンサまたはスーパーコンデンサの信頼性および効率を更に向上させる。本発明の一実施形態によるカーボンナノバッド分子の堆積物について、６ＭのＫＯＨ溶液における７５０Ｆ／ｇ以下の放電キャパシタンスを測定した。
【００５８】
図７に概略的に示す太陽電池構造３２は、２つの電気伝導電極２８、３０の間に挟まれた半導電層２９を含む。層２８、２９、３０は、いずれもカーボンナノバッド分子のネットワークを含んでもよい。電極２８、３０においてカーボンナノバッド分子の電気伝導ネットワークを用いることにより、電磁放射をほとんど吸収せずに通過させる透明導電層を形成し得る。カーボンナノバッド分子を含む堆積物によって可能となるこれらの電極２８、３０は、効率的な低損失太陽電池の操作に必要とされる高い横方向導電性を有する。
【００５９】
図７における半導電層２９は、ナノバッド分子の半導電ネットワークを含み、その導電性は、上記のようにナノバッド分子のキラリティによって制御し得る。カーボンナノバッド分子のネットワークにおいて、フラーレン基を介する安定した分子間結合は、個々のナノバッド分子間の電荷移動を増加させ、ネットワーク全体にわたり高導電性の経路をキャリアに提供する。半導電層２９において、荷電が透明電極に集まるにしたがって、増加する電荷移動が抵抗損失を低減する。カーボンナノバッド分子のフラーレン部分は、分子の官能基化による電磁放射の吸収増加を更に可能にするので、例えば、半導電層２９において電子を価電子帯から伝導帯へと励起する。電極２８、３０の高い導電性、およびカーボンナノバッド分子のネットワークを含む層２８、２９、３０の全ての優れた安定特性は、太陽電池構造３２の信頼性および効率を更に向上させる。
【００６０】
必要に応じて、図８に概略的に示すセンサ構造３３は、基板３４と、導電性または半導電性の層３５と、保護コーティング３６とを含む。図８の層３５は、ナノバッド分子のネットワークを含み、それがフラーレン部分を介して官能基化されることにより、例えば電磁放射または他の外部刺激に対する層およびセンサの感度が強化される。それに加えて、カーボンナノバッド分子を含む層３５の導電性または半導電性は、上記のように制御可能であるため、センサ構造３３は様々な環境の様々な刺激を感知するように調整し得る。更に、カーボンナノバッド分子のネットワークにおいて、フラーレン基を介する安定した分子間結合は、個々のナノバッド分子間の電荷移動を増加させ、ネットワーク全体にわたり高導電性の経路をキャリアに提供する。半導電層３５における電荷移動が増加することにより、デバイス３３の抵抗損失が低減する。カーボンナノバッド分子を含むナノバッド層３５の優れた安定特性は、センサ構造３３の信頼性および効率性を更に向上させる。
【００６１】
例示的なセンサ構造３３は、電気抵抗的に作動する。堆積物３５にわたって電圧が接続されているときに、例えば電磁放射などの外部刺激が、ナノバッド層３５の導電性を変化させる。図８に図示するように、導電性の変化は、例えば、ナノバッド層３５を通じて横方向に流れる電流（Ｉ）を測定することによって観察することができる。
【００６２】
本発明の一実施形態において、ナノバッド層３５のセンサ構造は、構造の他層を支持する基板３４を必要としないという点において、独立型であってもよい。更に、本発明によるセンサ構造への外部刺激は、例えば、電界などの場、温度、電磁放射などの放射の形であってもよく、吸着または結合した分子であるデバイスは、例えば、電界、放射、温度、気体または液体のセンサとしての役割を果たすことができる。また、カーボンナノバッド分子を含む堆積物の密度は、外力または圧力の適用によって変更可能であるので、ナノバッド分子間の相互接続の数および質を変えることになり、そのような堆積物は、例えば圧力センサまたは加速度計としての役割を果たすことができる。
【００６３】
上記の例におけるカーボンナノバッド分子を含む堆積物の厚さは、例えば１ナノメートル乃至１０センチメートルの範囲であってもよい。この範囲において、カーボンナノバッド分子を含む堆積物は製造可能であり、連続的であるので、堆積物の特性は、堆積物における不連続性という欠点を有しない。
【実施例】
【００６４】
（製造の実施例）
カーボンナノバッド分子を含む電子デバイスの製造について、以下に詳述する。以下の方法は、本発明の一部の実施形態のための実施例として示す。実施例において用いられるナノバッド分子は、カナトゥオイ（Ｃａｎａｔｕ  Ｏｙ）社から市販されていており、特許出願公開公報第ＷＯ／２００７／０５７５０１号明細書に開示される方法を用いて合成することができる。１ナノメートルあたり１つのフラーレンというフラーレン濃度を有するカーボンナノバッド分子を合成するために、公報第ＷＯ／２００７／０５７５０１号明細書に開示される方法において、合成反応装置内のＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度は、それぞれ１３５ｐｐｍおよび４０００ｐｐｍである。１０ナノメートルあたり１つのフラーレンというフラーレン濃度を有するカーボンナノバッド分子を合成するための、対応するＨ２Ｏおよび二酸化炭素ＣＯ２の濃度は、それぞれ１００ｐｐｍおよび５００ｐｐｍである。
【００６５】
（透明電極）
本発明の一実施形態による透明電極は、以下の手順に従って製造される。ナノバッド合成反応装置は、１０００℃の燃焼室調整温度において操作される。ナノバッド生成物は、ニトロセルロースフィルタに集められ、反応装置は、ナノバッド生成物が１０ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンの濃度を有するという条件において操作される。結果として生じる薄膜は、合成反応装置の外部にて透明ＰＥ基板に対して押圧され、堆積物は、室温においてニトロセルロースフィルタからＰＥ基板へと転写される。結果として生じる層は、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬される。硝酸処理は、ナノバッド層の導電性を約１０倍増加させ、エタノール処理は、ナノバッド層の導電性を更に５倍増加させる。これらの処理は、ナノバッド層の透過性に影響を及ぼさない。一例として、結果として生じるナノバッド薄膜のシート抵抗は、５５０ナノメートル波長における９０％、５０％、および４０％の透過率について、それぞれ約５００オーム／平方、１００オーム／平方、および３０オーム／平方であることが測定された。開示される方法によって製造されるカーボンナノバッド分子を含む透明電極は、例えば、ディスプレイ、光源、または太陽電池において用いられ得る。
【００６６】
（電界効果トランジスタ）
本発明の一実施形態によるボトムゲート電界効果トランジスタは、以下の手順に従って製造される。ボトムゲートトランジスタは、ゲート誘電体としての役割を果たす、熱的に成長させたＳｉＯ２（１００ナノメートル）でコーティングされ高度にＢドープされたＳｉ基板上に、１ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンの濃度を有するナノバッドネットワークを成膜することによって製造される。より優れた導電性のために、３００ナノメートルのＰｔ層の裏面がスパッタリングされる。ナノバッド成膜の前に、開いた領域を有するＡＺポリマー成膜のフォトリソグラフィ工程が実行される。アセトン中での剥離の後に、基板上にナノバッドネットワークがパターン形成される。引き続いて、第２フォトリソグラフィ工程は、次の金属電極成膜のために、開いた領域を有するＰＭＭＡを成膜する。ナノバッドトランジスタチャネルと接触するソース電極およびドレイン電極（３０ナノメートルのＴｉおよび２００ナノメートルのＡｕ）は、電子ビーム蒸発装置を用いて成膜される。次に、ＡＺポリマーおよび不必要な金属を除去する剥離プロセスが実行される。
【００６７】
（センサ）
本発明の一実施形態によるセンサは、ＦＥＴの製造手順と同様の手順に従って製造される。センサは、ゲート誘電体としての役割を果たす、熱的に成長させたＳｉＯ２（１００ナノメートル）でコーティングされ高度にＢドープされたＳｉ基板上に、ナノバッドネットワークを成膜することによって製造される。ナノバッド成膜の前に、ナノバッドネットワークチャネルと更に接触するソース電極およびドレイン電極（３０ナノメートルのＴｉおよび２００ナノメートルのＡｕ）は、電子ビーム蒸発装置を用いて成膜される。異なるセンサデバイス間の電気的接触を回避するために、余剰ＣＮＴは、レーザによってエッチングされる。より優れた導電性のために、３００ナノメートルのＰｔ層の裏面をスパッタリングし、Ｐｔ層はゲート電極にバイアスをかけるために用いることができる。センサは、気相または液相において操作することにより、ガスおよび液体の分子を検出することができる。
【００６８】
（電界放出光源）
本発明の一実施形態による電界放出光源は、以下の手順に従って製造される。連続する図９ａ乃至図９ｃによって、手順を概略的に示す。図９ａは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図９ｃは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。デバイスは、「独立型」のデバイスであり得るか、またはディスプレイデバイスのピクセルの全部または一部であり得る。ナノバッド合成反応装置は、１０００℃の燃焼室調整温度において操作される。生成物は、２つのニトロセルロースフィルタに集められ、反応装置は、ナノバッド生成物が１ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンの濃度を有するという条件において操作される。結果として生じる薄膜４１の１つは、１００℃の温度で金基板３９に対して押圧され、堆積物はフィルタから金基板３９へと転写される。ガラス基板３７（例えば１平方センチメートルおよび厚さ０．５ミリメートル）は、ナノバッドでコーティングした金基板３９にエポキシ樹脂で接着され、ガラス基板３７と金層３９との間にエポキシ層４０が残される。第２ナノバッド堆積物４１は、Ｐ２０（（Ｚｎ、Ｃｄ）Ｓ：Ａｇ）蛍光体３８でコーティングされたガラス基板３７に対して押圧され、ナノバッド薄膜４１は、室温においてフィルタから蛍光体コーティングガラス基板３７へと転写される。金電極（図示せず）は、ナノバッドおよび蛍光体コーティングガラス３７の２つの対向する端部においてスパッタリングされる。結果として生じる層状基板は、蛍光体３８およびナノバッド４１のコーティングを有しており、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬される。第１基板および第２基板が、ナノバッドコーティング表面４１が内部に対向した状態で高真空にて接着されることにより、スペーサ要素４２を用いて両者の間に真空ギャップ４３が作り出される。真空ギャップ４３の両側面上の２枚の被覆基板の間に電流が印加されると、デバイスは光源として機能する。
【００６９】
（太陽電池）
本発明の一実施形態による太陽電池は、以下の手順に従って製造される。連続する図１０ａ乃至図１０ｂによって、手順を概略的に示す。図１０ａは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図１０ｂは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。ナノバッド合成反応装置は、１０００℃の燃焼室調整温度において操作され、反応装置は、ナノバッド生成物が１０ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンの濃度を有するという条件において操作される。生成物は、ニトロセルロースフィルタに集められる。結果として生じるナノバッド薄膜４５は、透明ＰＥ基板４４に対して押圧され、堆積物４５は、室温においてフィルタからＰＥ基板４４へと転写される。結果として生じる第１ナノバッド層４５は、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬されることにより、透明電極が作られる。１０００℃の燃焼室調整温度およびナノバッド生成物が１ナノメートルにつきほぼ１つのフラーレンの濃度を有する条件において操作されるナノバッド合成反応装置から集められる第２ナノバッド層４６は、ガラスフィルタ上に準備される。サンプルは、メタノール中のポリエチレンイミン（ＰＥＩ）の２０重量部溶液にオーバーナイトで浸漬され、その後、メタノールを用いて完全に洗浄される。サンプルは、次に感光性ルテニウムポリピリジン染料およびエタノールに浸漬される。薄膜を染料溶液に浸漬し、次に乾燥した後に、染料の薄膜層は、ナノバッドの表面に共有結合的に結合したままにされる。２つのナノバッド層を互いに押圧することによって、ナノバッド色素層４６は、次に透明電極および第１ナノバッド層４５へと転写される。導電性プラチナシート４８にわたって広げられるヨウ化物電解液４７の薄膜層によって、独立したバッキングが行われる。次に、ナノバッド層４５、４６を有する正面部分と、プラチナシート４８上にヨウ化物電解液４７を有する裏面部分とを、共に接合および封止することにより、電解液４７が漏れることを防止する。この構造は、太陽電池として用いられる。
【００７０】
（太陽電池）
本発明の一実施形態による太陽電池は、以下の手順に従って製造される。連続する図１２ａ乃至図１２ｃによって、手順を概略的に示す。図１２ａは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図１２ｃは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。ナノバッド合成反応装置は、１０００℃の燃焼室調整温度において操作され、ナノバッド生成物は、２つの合成過程において２つのニトロセルロースフィルタ上に集められる。反応装置は、ナノバッド生成物が、一方のニトロセルロースフィルタ上では１ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンの濃度を有し、他方のニトロセルロースフィルタ上では１０ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンの濃度を有する、という条件において操作される。１０ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンを有して、結果として生じるナノバッド薄膜５３は、透明ＰＥ基板５２に対して押圧され、１ナノメートルあたりほぼ１つのフラーレンを有する他方のナノバッド薄膜５３は、プラチナ基板５７に対して押圧される。次に、ナノバッド薄膜５３は、室温においてニトロセルロースフィルタからＰＥ基板５２およびプラチナ基板５７へと転写される。両方のナノバッド薄膜５３は、まずエタノールに浸漬され、次に硝酸に浸漬されることにより、ＰＥ基板５２を含む透明電極、およびプラチナ基板５７を含む不透明電極が作られる。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳの薄い緩衝層５４は、透明電極上でスピンコートされ、１００℃の雰囲気中で乾燥される。Ｐ３ＨＴおよびトルエンの溶液は、窒素雰囲気中でＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層５４上でスピンコートされることにより、厚さほぼ０．１マイクロメートルの堆積物５５を作り出す。１０００℃の燃焼室調整温度およびナノバッド生成物が１ナノメートルにつきほぼ１つのフラーレンの濃度を有する条件において操作されるナノバッド合成反応装置から集められる第３ナノバッド層５６は、ガラスフィルタ上に準備される。第３層５６は、１３０℃においてＰ３ＨＴ層５５に対して押圧されることにより、第３ナノバッド層５６は、Ｐ３ＨＴ層５５の中に転写されて埋込まれる。プラチナ基板５７上のナノバッド薄膜５３は、次にＰ３ＨＴ／ナノバッド複合層５８に対して押圧され、この結果として生じる構造が、太陽電池として用いられる。
【００７１】
（コンデンサ（スーパーコンデンサ））
本発明の一実施形態によるスーパーコンデンサは、いくつかのナノバッド層を成膜することによって製造される。連続する図１１ａ乃至図１１ｂによって、手順を概略的に示す。図１１ａは、プロセス開始時におけるデバイスの断面構造を表し、図１１ｂは、プロセス終了時におけるデバイスの断面構造を表す。浮動触媒エアロゾル反応装置からエアロゾル生成物をニトロセルロースフィルタ上に集めることによって、ナノバッド５０の１つの導電層が基板上に成膜される。以下の実施例において、ナノバッドは、非導電性基板（ＰＥ）４９または導電性基板４９（例えばナノチューブ、ナノバッド、金、またはアルミニウム）のいずれかに転写成膜される。非導電性基板４９に転写成膜される場合には、ナノバッド層５０は、コレクタおよび多孔質電極としての役割を果たす。独立した導電性コレクタの場合には、第１および第２の導電性コレクタは、任意の高度に導電性または超電導性の素材であり得る。例としては、導電性金属（例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、またはステンレス鋼）、超電導セラミックスなどが挙げられる。スーパーコンデンサは、積み重ねられた構成および螺旋状に巻き付けた構成を含む他の設計であってもよいが、これらに限定されるものではない。ナノバッドは、陽極電極層および陰極電極層を形成する他の公知の技術によって、導電性または非導電性の基板４９に成膜してもよい。理想的には、効率的な電荷蓄積のために、各電極は、電極において電荷蓄積を担う対応イオンの直径のほぼ３倍に対応する直径を有するナノバッドを含むべきである。ナノバッド分子の直径は、分子のチューブ状部分の直径として理解されるべきである。
【００７２】
本発明によると、電解液層５１を形成するためは、従来技術において公知の多数の方法のいずれも可能である。以下の実施例において、イオン液体は、完全ではなくともほぼ完全にイオンからなる液体である、と一般に理解される。イオン液体は、一般に、塩および溶媒の両者の役割を果たすか、または１００％の塩および１００％の溶媒であると言う。
【００７３】
電解液層５１を形成する１つの方法（方法１）において、高分子ホストは、溶媒（好ましくは高分子ホスト用の溶媒）中で溶解される。本実施例において、溶媒は、１−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ）である。他の溶媒が可能である。様々な高分子ホストが可能である。この場合は、ＰＶｄＦ−ＨＦＰ／［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ２Ｎ］である。ＰＶｄＦ−ＨＦＰが用いられる。０．３４グラムのＰＶｄＦ−ＨＦＰ粉末は、３時間にわたる磁力撹拌の下で１．７ミリリットルのＮＭＰ中で溶解される。高分子ホストが溶媒中に完全に溶解されると、溶液が適切な量のイオン液体と混合されることにより、イオン液体によるポリマーのゲル化が可能となる。様々なイオン液体が可能である（この場合は［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ２Ｎ］が用いられる）。結果として生じる高分子溶液を、次に２時間にわたる磁力撹拌の下で０．８ミリリットルの［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ２Ｎ］と混合することにより、イオン液体によるポリマーのゲル化を完了する。次に、得られた均一なポリマー溶媒イオン液体混合物のうちの０．４ミリリットルを、基板（この場合は表面積が約６．２５平方センチメートルの一片のスライドガラス）上に注ぐ。溶液を含むこのスライドガラスを、１１０℃の真空（２２ＩｎＨｇ）にて１５時間にわたって加熱することにより、溶媒ＮＭＰを完全に蒸発させ、均一かつ透明なＰＶｄＦ−ＨＦＰ／［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ２Ｎ］薄膜を形成する。独立型および自己支持型の電解質膜５１は、後にスーパーコンデンサを組み立てるために、基板から容易に分離される。
【００７４】
ここで、電解液層５１を製造する別の方法（方法２）を説明する。この方法において、方法１にて上述した電解液の中に無機粒状充填剤を導入することにより、機械的強度を強化し、ポリマー結晶性のレベルを低減する。方法１と同様に、高分子溶液は、高分子ホストを溶解することによって準備される。この場合は、溶媒中の０．３４グラムのＰＶｄＦ−ＨＦＰ（ただし他のポリマーおよび量が可能）であり、１．７ミリリットルのＮＭＰ（ただし他のポリマーおよび量が可能）であり、３時間にわたって撹拌する（ただしより長時間またはより短時間が可能である）。結果として生じる溶液は、２時間にわたってイオン液体と混合される。この場合は、０．８ミリリットルの［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ２Ｎ］（ただし他のイオン液体および量が可能）、および適切な量の無機微粒子（この場合は０．０２グラムのゼオライトが無機粒状充填剤だが、他の充填材および量が可能）であり、それによって溶液中の充填材粉末の完全分散、およびイオン液体によるポリマーのゲル化を確実にする。結果として生じる混合物は、非接着基板上に流延された溶液によって処理される。この場合は、６．２５平方センチメートルの表面積を有するスライドガラス（ただし他の基板が可能）である。溶液流延薄膜は、この場合は１１０℃（ただし他の温度が可能）において真空下（ただし大気圧および過剰圧力が可能）で加熱することにより、基本的に溶媒をすべて蒸発させ、無機充填剤を実現した電解質膜を形成する。得られた電解液層５１は、後にスーパーコンデンサを組み立てるために、基板から容易に剥離することができる。
【００７５】
電解液層５１を製造する第３の方法（方法３）において、予め作られた微孔質の浸透性ポリマーセパレータとして、この場合はＷ．Ｌ．ゴア＆アソシエーツ（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）社から入手される（ＰＴＦＥ）膜（厚さ２３マイクロメートル、細孔サイズ０．０５乃至１５マイクロメートル、細孔性５０乃至７０％）（ただし他の透過性膜が可能）を、選択されたイオン液体（この場合は０．５ミリリットル［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ２Ｎ］だが、他のイオン液体および量が可能）で含浸する。イオン液体の溶液中に膜を配置することによって、予め形成した微孔質の浸透性高分子膜をイオン液体に接触させる。この場合には、［ＥＭＩＭ］［Ｔｆ２Ｎ］を含む皿の中に一片のＰＴＦＥ膜（２×２平方センチメートルの寸法）を浸漬することによって行う。高分子膜は、イオン液体またはイオン液体／溶媒混合物と接触させつつ、加熱して高分子ホストを直接的にゲル膨潤させ、この場合は１５時間にわたって１１０℃の真空（２２ＩｎＨｇ）下でそれを行う（ただし他の温度、時間および圧力条件が可能）ことにより、電解液層５１を形成する。結果として生じる電解質膜は、イオン液体から取り出され、膜上の余分なイオン液体が除去され、この場合は膜を数分間にわたり垂下することによってそれを行う（ただし余分な液体を除去する他の方法が可能）。
【００７６】
スーパーコンデンサは、集電板または非導電性基板（例えばＰＥ）であり得る２つの支持基板４９の間に、陽極および陰極のナノバッド電極５０および電解液層５１を挟むことによって組立てられる。コンデンサの端部は、エポキシ（図示せず）によって封止される。コンデンサ製造のためのセパレータとして、１つの電解液層５１（厚さ約１００マイクロメートル）を直接的に用いることができる。
【００７７】
スーパーコンデンサを製造する別の手段としては、プラズマエッチングされたナノバッドを電極において用いることが挙げられる。スーパーコンデンサは、上記の方法１、方法２および方法３と同様に製造されるが、水または酸素プラズマを用いて更なるエッチング工程を適用することにより、グラファイトのナノバッド構造の制御可能な崩壊を生ぜしめて、フラーレン部分の開口部およびナノバッド分子のエンドキャップを形成する。
【００７８】
上記の例示的な方法によって製造されるスーパーコンデンサは、非常に魅力的な特性を有し得る。例えば、スーパーコンデンサの出力密度は、少なくとも約１０Ｗｈ／ｋｇのエネルギー密度を有して、少なくとも約１０ｋＷ／ｋｇであり得る。
【００７９】
当業者にとって明確であるように、本発明は上記の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において実施形態を自由に変更することができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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