(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両性である非磁性金属からなる母材を基板上に形成するステップと、
炭素含有ガスに反応するものでアルカリに非可溶の磁性金属を上記母材上に形成するステップと、
熱処理により上記母材中に上記磁性金属を凝集させて少なくとも基板と母材との界面に磁性金属触媒微粒子を析出するステップと、
アルカリにより上記母材を除去して上記基板上に磁性金属触媒微粒子を露出させるステップと、
を含む磁性金属触媒微粒子形成基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素含有ガスに接触反応してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等を成長させる際の成長起点となる磁性金属触媒微粒子を形成した基板を製造する方法および磁性金属触媒微粒子形成基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＮＴは、その性状、サイズ、等により、各種用途が期待されている物質である。ＣＮＴの製造方法の一つに、炭素含有ガスに接触反応する触媒膜が成膜された触媒構造を有する基板を用いる方法がある。
【０００３】
この触媒構造には、図６で示すように、基板５０上にＣＮＴの成長に対する触媒作用を持たないアルミニウム等の非磁性金属からなる非磁性金属触媒膜５１と、この非磁性金属触媒膜５１上の鉄等の磁性金属からなる磁性金属触媒膜５２との２層構造としたものがある。また、先行技術文献として下記の特許文献１、２を挙げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３０３２５０号公報
【特許文献２】特開平０８−６７９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような２層構造において、チャンバ内において、熱アニール処理を施すと、上層の磁性金属触媒膜５２が微粒子化してくるが、この場合、熱アニール処理中でのチャンバ内の残留ガス等により、図７で示すように、そうした磁性金属触媒膜５２の凝集状態に差が生じて不均一に凝集し、微粒子化してくる結果、非磁性金属触媒膜５１上に粒径および分布共に不均一な形態で磁性金属触媒微粒子５３が生成される。このようなこれら磁性金属触媒微粒子５３をＣＮＴの成長起点としこれらに炭素含有ガスを接触反応させると、図８で示すように、直径不均一でかつ成長密度不均一にＣＮＴ５４が成長する結果となる。
【０００６】
本発明では、粒子直径均一、粒子分布一様にして、それら磁性金属触媒微粒子を基板上に形成できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による磁性金属触媒微粒子形成基板の製造方法は、両性の非磁性金属からなる母材を基板上に形成するステップと、炭素含有ガスに反応するものでアルカリに非可溶の磁性金属を上記母材上に形成するステップと、熱処理により上記母材中に上記磁性金属を凝集させて少なくとも基板と母材との界面に磁性金属触媒微粒子を析出するステップと、アルカリにより上記母材を除去して上記基板上に磁性金属触媒微粒子を露出させるステップと、を含むことを特徴とする。
【０００８】
上記アルカリには、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、アンモニアなどの水溶液等があり、これらから適宜選択することができるが、特に水酸化カリウムのアルコール溶液は、基板に対して均一なエッチング作用が期待できるため好ましい。
【０００９】
上記熱処理は、上記凝集が生じ析出が起きる温度での加熱と加熱時間での熱処理であればよく、特に限定しない。
【００１０】
上記母材はすべて除去する意味に限定されず、一部除去する場合も含む。
【００１１】
本発明においては、熱処理により母材中に磁性金属を微粒子状に凝集させるので、基板と母材との界面には磁性金属触媒微粒子を粒径均一でかつ当該界面上における析出間隔均一、したがって、磁性金属触媒微粒子の形成密度均一にして析出することができる。このように基板上に粒径均一かつ形成密度均一に形成されている磁性金属触媒微粒子に炭素含有ガスを一定の温度において接触反応させると、この磁性金属触媒微粒子上にはＣＮＴを直径均一でかつ成長密度均一に成長することができる。
【００１２】
上記両性の非磁性金属としては、アルミニウム、亜鉛、鉛、錫がある。
【００１３】
上記炭素含有ガスに接触反応するものでアルカリに非可溶の磁性金属としては、鉄、ニッケル、コバルト等がある。
【００１４】
基板の素材は、特に限定されないが、シリコンを例示することができる。
【００１５】
基板上の磁性金属触媒微粒子により成長するカーボンファイバは、その種類は特に限定されないが、ＣＮＴ、グラファイトナノファイバ、カーボンナノホーン、カーボンナノコーン、カーボンナノバンブ等を例示することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板表面に磁性金属触媒微粒子をほぼ粒径均一、密度均一に形成することができ、したがって、この基板を用いた場合、基板上には直径均一かつ高い直線性のＣＮＴを成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる磁性金属触媒微粒子形成基板の製造方法において熱アニール処理前の基板の構成を示す図である。
【図２】図２は非磁性金属母材中に磁性金属触媒微粒子を析出した場合の基板の構成を示す図である。
【図３】図３（ａ）は非磁性金属母材中に磁性金属触媒微粒子を析出した場合の基板のＴＥＭ写真を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）に対応するモデル図である。
【図４】図４（ａ）は図２の基板から母材を溶解除去した場合の基板の構成を示す図、図４（ｂ）は図２の基板から母材を溶解除去した場合において当該母材の一部が残留する場合の基板の構成を示す図である。
【図５】図５は図４（ａ）の基板上にＣＮＴを成長させた場合の基板の構成を示す図である。
【図６】図６は従来例にかかる磁性金属触媒微粒子形成基板の製造方法において熱アニール処理前の基板の構成を示す図である。
【図７】図７は図６の基板に対して熱アニール処理を実施した場合の基板の構成を示す図である。
【図８】図８は図７の基板に対してＣＮＴを成長させた場合の基板の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁性金属触媒微粒子形成基板の製造方法を説明する。なお、同方法の実施においては図示略のＥＢ−ＰＶＤ（電子ビーム物理蒸着）装置におけるチャンバを用いる。ＥＢ−ＰＶＤ装置は、周知されるように、高真空中で高エネルギーの電子ビーム（ＥＢ)を蒸着原料に照射し、この蒸着原料を加熱蒸気化させて基板表面に蒸着させることにより同原料による成膜を行う装置である。この成膜を行うための上記チャンバ内部は真空下あるいは不活性ガス雰囲気下におかれる。
【００１９】
この方法に用いる基板は、図１（ａ）で示すように、その基板１の表面にバリア膜１ａが形成されている。基板１は例えばガラス、シリコン、ＭｇＯ、ＧａＡｓ、フェライト、等を用いることができる。
【００２０】
図１（ｂ）で示すように、基板１表面には、バリア膜１ａを介して、両性の非磁性金属である例えばアルミニウムからなる母材２を形成する。この場合、ＥＢ−ＰＶＤ装置のチャンバ内において電子ビームを母材の蒸着原料に照射し、この蒸着原料を加熱蒸気化し、基板１上に蒸着する。もちろん、この母材２の形成は、この蒸着法に限らず、スパッタリング法、分子線エピタキシャル法、その他で形成してもよい。
【００２１】
そして、図１（ｃ）で示すように、炭素含有ガスに接触反応するものでアルカリに非可溶の磁性金属例えば鉄からなる膜（磁性金属触媒膜）３を母材２上に形成する。この場合も、ＥＢ−ＰＶＤ装置のチャンバ内において電子ビームを磁性金属からなる蒸着原料に照射し、この蒸着原料を加熱蒸気化し、母材２上に磁性金属を膜状に蒸着する。もちろん、この磁性金属触媒膜３の形成は、この蒸着法に限らず、スパッタリング法、分子線エピタキシャル法、その他で形成してもよい。
【００２２】
以上第１、第２ステップを経た基板を図１に示す。１は基板、１ａはバリア膜、２は非磁性金属母材、３は磁性金属触媒膜である。
【００２３】
次に、図２で示すように、熱アニール処理により母材２中に磁性金属触媒膜３からの磁性金属を微粒子状に凝集させて、磁性金属触媒微粒子３ａ，３ｂ，３ｃを析出させる。
【００２４】
図３（ａ）に図２に対応して実際に磁性金属触媒微粒子を析出させた場合のＴＥＭ写真を示し、図３（ｂ）に図３（ａ）の理解のため同ＴＥＭ写真のモデルを示す。
【００２５】
磁性金属触媒微粒子３ａは、母材２の表面２ａに析出し、磁性金属触媒微粒子３ｂは母材２中に析出し、磁性金属触媒微粒子３ｃは、基板１のバリア膜１ａと母材２との界面に析出する。磁性金属触媒微粒子３ａは、粒径不均一、分布不一様である。また、磁性金属触媒微粒子３ｂは母材２中であるため、粒径均一である。磁性金属触媒微粒子３ｃも、微粒子粒径均一、微粒子分布一様である。母材２の表面２ａに析出した磁性金属触媒微粒子３ａは、表面に露出しているために残留ガス等の影響を受けやすい結果、粒径不均一、分布一様に形成される。母材２中の磁性金属触媒微粒子３ｂは、残留ガス等の影響を受けにくいため、粒径均一である。母材２中の磁性金属触媒微粒子３ｃは、残留ガス等の影響を受けにくい結果、粒径均一かつ分布一様である。
【００２６】
ついで、母材２は両性の非磁性金属であるので、酸にもアルカリにも溶解する。そのため、図２の状態で例えばアルカリ溶液である水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液中に基板１を浸漬すると、磁性金属触媒微粒子３ａ−３ｃは溶解しないが、両性非磁性金属で構成される母材２は溶解する。この溶解と共に、母材２表面と中の磁性金属触媒微粒子３ａ，３ｂは除去されて図４（ａ）のように磁性金属触媒微粒子３ｃがバリア膜１ａ上に露出させられる。この場合、図４（ｂ）で示すように、バリア膜１ａ上に母材２の一部が２ｂとして残留し、この残留した母材２の一部２ｂにより、磁性金属触媒微粒子３ｃをバリア膜１ａ上に補助的に固定するようになる。
【００２７】
以上から、本実施の形態では、熱処理により母材２中に磁性金属触媒膜３を凝集し、これにより磁性金属触媒微粒子３ａ−３ｃを析出させ、基板１と母材２との界面に磁性金属触媒微粒子３ｃを粒径均一でかつ当該界面上における析出間隔均一、したがって、形成密度均一にして析出することができる。その結果、図４（ａ）のバリア膜１ａ上に粒径均一かつ形成密度均一に形成されている磁性金属触媒微粒子３ｃに炭素含有ガスを詳細は略するが、チャンバ内にて所定の温度および圧力条件下で接触反応させると、この磁性金属触媒微粒子３ｃ上には図５で示すようにＣＮＴ４が直径均一でかつ成長密度均一に成長することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１    基板
１ａ  バリア膜
２    非触媒金属母材
２ａ  母材表面
２ｂ  母材一部
３    磁性金属膜
３ａ，３ｂ，３ｃ  磁性金属触媒微粒子
４    ＣＮＴ
【図１】
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【図２】
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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３】
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