(57)【要約】【目的】低電流のイオン照射で、選択成長性、数密度制御可能かつ、再現性良く製造可能なカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバおよび円錐状、角錐状、針状、柱状等の突起（ナノ構造）を提供することを目的とする。【構成】煤状の炭素皮膜を基板上に形成した後、真空チャンバーでイオンビームを照射することで基板上の突起形状頂上部のみに選択的に一本のカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバを成長させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
煤状の炭素皮膜を基板上に形成した後、真空チャンバーでイオンビームを照射することで基板上の突起形状頂上部のみに選択的に一本のカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバを成長させることを特徴とするカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの製造方法。
【請求項２】
グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、無定形炭素等の炭素膜被覆を施した基板上に、さらに煤状の炭素皮膜を基板上に形成した後、真空チャンバーでイオンビームを照射することで基板上の突起形状頂上部のみに選択的に一本のカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバを成長させることを特徴とするカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの製造方法。
【請求項３】
請求項１、２の煤状炭素皮膜は大気中において火炎先端に基板を近づけることで炭素膜を形成する事を特徴とするカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの製造方法。
【請求項４】
請求項１、２の煤状炭素皮膜は、大気中においてガラス板、シリコン板等の鏡面板を火炎先端に近づけることでガラス板、シリコン板上に炭素膜を形成し、煤堆積したガラス板、シリコン板を水、アルコール等の液体中に浸すことで炭素皮膜とガラス板、シリコン板とを剥離し、剥離した煤膜を基板上にすくい堆積させることを特徴とするカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４の煤状炭素皮膜は煤堆積部分にのみカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの選択性成長を制御する事を特徴とするカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５の煤状炭素皮膜はその膜密度、厚さに応じて、成長するーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの数密度（平面内に形成される本数）を制御する事を特徴とするカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６の煤状炭素皮膜は厚さに応じてカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの太さや長さを制御する事を特徴とするカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの製造方法。  
【請求項８】
請求項１〜７で成長したカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバ付き基板を、水、アルコール等の液体中で、例えば超音波洗浄等により洗浄することで、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバを除去し、選択成長性、数密度を制御して、基板上に円錐（コーン）状、角錐状、針（ニードル）状、柱（ロッド）状等の突起（ナノ構造）を製造する方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールド・エミッション・ディスプレイのカソード電極（電子源）やテレビの電子銃ならびにＸ線発生源のための電子銃やＳＰＭ用のＳＴＭあるいはＡＦＭ等の探針あるいは導入針やマニュピレータ用の微小プローブの先端、太陽電池、光触媒、触媒担体として使用される。
【背景技術】
【０００２】
従来の炭素膜の成膜方法はアークイオンプレイティング法やアーク蒸着法、イオンビームスパッタ法さらにはＥＣＲプラズマＣＶＤ法等で成膜される。上記４つの方法によって得られる膜の特徴は、非常に緻密で堅い膜が形成される。アークイオンプレイティング法やアーク蒸着法は主に工具のコーティングに用いられる。ＥＣＲプラズマＣＶＤは主にハードディスクの保護膜として使用される。
図１のカーボンナノファイバの成長装置を参照しながら従来技術によるカーボンナノファイバを成長させる場合について述べる。図１に示すように真空排気３、高エネルギービーム照射用のビーム径数ｍｍ〜数十ｃｍのイオンガン４、駆動部２を設け、試料加熱が１０００℃程度まで可能なヒーター加熱部５を備えた試料ステージ８からなる真空装置１を用いて、真空装置内にイオンガン４がカーボンナノファイバの成長させる方向と平行になるようにステージ８を可動させて、ステージ上に成長させたい基板６を配置する。
このような装置内で、真空度１０−２〜１０−８Ｐａ程度、好ましくは１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ程度とし、希ガスイオン種のアルゴンイオンを加速電圧０．１〜３００ｋｅＶ、平均イオン電流密度を２μＡ／ｃｍ２〜１０ｍＡ／ｃｍ２程度、イオンビームのスパッタ速度は２ｎｍ〜１μｍ／ｍｉｎ程度として、室温で１〜１００分のイオン照射により、探針先端より１μｍ程度のカーボンナノファイバを成長形成させる。このように、基板上にイオン照射を行うと、突起先端部の原子の化学結合及び移動が起こり、選択的に突起先端に１本の細線が形成されることになる。ここで、カーボンナノファイバの成長にあたっては室温で行ったが、室温から約５００〜６００℃まで加熱しながら行うことも可能であり、また室温から−１５０℃まで冷却しても良い。これらの場合には、カーボンナノファイバのみならずカーボンナノチューブも形成することができる。また、イオンビームのイオン電流密度、加速電圧を変えることにより、スパッタ速度を容易に変える事ができる。さらに、希ガスイオン種のアルゴンイオンを用いたが、ヘリウムイオン、ネオンイオン、キセノンイオンあるいは窒素イオン、酸素イオン又はＣＨ基を含むイオン等の反応性ガスイオン種でも良い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかながら、かかる従来の方法ではカーボンナノファイバを成長させる場合、アークイオンプレイティング法で成膜した炭素皮膜を用いるとイオン電流密度が前記のように220μＡ/ｃｍ2程度必要であり、大型基板にカーボンナノファイバを成長させる場合、大電流を出すイオン源が必要となる。また今回アークイオンプレイティング法を用いたが、アーク蒸着法ならびにＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって形成された炭素膜は同様にカーボンナノファイバを成長させるために200μＡ/ｃｍ2の電流値が必要であることは確認された。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、簡単な方法で、低電流のイオン照射で、選択成長性、数密度制御可能かつ、再現性良く製造可能なカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバおよび円錐状、角錐状、針状、柱状等の突起（ナノ構造）を提供することを目的とする。
請求項毎に目的を述べると、請求項１、２に係わる発明は、イオン照射によるカーボンナノファイバを成長させるためのカーボン供給源を容易に提供することを目的とする。請求項３〜７に係わる発明は、具体的且つ最適なカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバの製造方法を提供することを目的とする。請求項８に係わる発明は、選択成長性、数密度を制御して、金属、半導体、プラスチック、セラミックス等の任意の基板上に円錐状、角錐状、針状、柱状等の突起（ナノ構造）を製造する具体的且つ最適な方法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】
【０００５】
上記課題を解決するため、請求項１に係わる発明は、煤状の炭素皮膜を基板上に形成した後、真空チャンバーでイオンビームを照射することで基板上の突起形状頂上部のみに選択的に一本のカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバを成長させることを特徴とする。
【０００６】
このような製造方法により、容易にカーボン供給源を基板上に形成できると共に、低電流のイオン照射でカーボンナノファイバが製造でき、低コスト化が実現可能となる。
【０００７】
請求項２に係わる発明は、請求項１の煤状炭素皮膜を炭素皮膜処理された基板にも適応することで、低電流のイオン照射で、更に効率よくかつ高密度にカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーが製造でき、低コスト化が実現可能となる。
【０００８】
請求項３に係わる発明は、請求項１、２の煤状炭素皮膜は大気中において火炎先端に基板を近づけることで炭素膜を形成する事を特徴とする。
【０００９】
請求項４に係わる発明は、例えば高分子基板、プラスチック基板の様に耐熱性の無い基板に、請求項１、２の煤状炭素皮膜を形成する事を特徴とする。
【００１０】
請求項５に係わる発明は、請求項１〜４の煤状炭素皮膜の密度に応じてカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの選択性成長を制御する事を特徴とする。
【００１１】
請求項６に係わる発明は、請求項１〜５の煤状炭素皮膜の密度、厚さに応じてカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの成長する本数（数密度）を制御する事を特徴とする。当該数密度は、１本／ｍｍ２〜１０７本／ｍｍ２の制御が可能である。
【００１２】
請求項７に係わる発明は、請求項１〜６の煤状炭素皮膜の膜厚に応じてカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバの太さや長さを制御する事を特徴とする。
【００１３】
請求項８に係わる発明は、請求項１〜７で成長したカーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバ付き基板を、水、アルコール等の液体中で、例えば超音波洗浄等により洗浄することで、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバを除去し、選択成長性、数密度を制御して、基板上に円錐状、角錐状、針状、柱状等の突起（ナノ構造）を形成することを特徴とする。
【００１４】
以上のような製造方法により、容易にカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバを選択的に密度や太さや長さの制御が可能となる。また、任意の基板に、選択的に、密度や太さや長さを制御して、円錐（コーン）状、角錐状、針（ニードル）状、柱（ロッド）状等の突起（ナノ構造）を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る煤状炭素皮膜を用いるカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバの製造方法によれば、煤状炭素皮膜を容易に基板に付着させることができるので大型の形成装置は必要ない。また従来のイオンビーム電流密度を低減しカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバを成長させることができるので低コスト化が実現可能になる。さらにカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバの数密度や太さ、長さを用途に応じて容易に制御できる効果を奏する。また基板上に突起や貫通孔が形成されている場合においても、炭素膜を容易に基板に付着させることができ、下地の形状や材料の影響を受けないで形成が可能になる。さらに、形成されたカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバを除去することで、基板構成元素からなる、円錐（コーン）状、角錐状、針（ニードル）状、柱（ロッド）状等の突起（ナノ構造）を、金属、半導体、プラスチック、セラミックス等の任意の基板上に成長領域を制御し、高密度に形成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら実施例に基づいて本発明を説明するが、もとより本発明は、これに限定されるものではない。
【実施例】
【００１７】
図１は、本発明に係るカーボンナノファイバの成長装置の図であって、構成は、上記背景技術で述べた図１と同様である。４インチφのシリコン基板上６にアークイオンプレイティング法にてグラファイト膜を３μｍ被服しておき、その基板を基板ステージ８上に搭載し、チャンバー１を真空排気させ、1×10-7Ｔｏｒｒ以下に達したところで、イオン源にアルゴンガスを導入し、イオン源を動作させ、約1.2ｋＶで引き出し、220μＡ/ｃｍ2で基板ステージ８上の基板６にイオンを照射する。この照射する前に基板加熱ヒータ５で基板を約200℃まで加熱しておく。
【００１８】
この状態で100分程度照射するとシリコン基板上に円錐状の突起が形成され、その円錐形の頂上にイオン照射方向に直径数nm〜数百nmで長さが0.1μｍ〜10μｍのカーボンナノファイバが形成される。
【００１９】
次に、本発明に係る煤状炭素皮膜の製造方法を図２により説明する。
図２は、基板上への煤状炭素皮膜を形成するところを横から見た図である。大気中において蝋燭１１上に炎１２を形成し、その上部を炭素皮膜を形成する基板１３が移動し、表面上に煤を形成する。この時基板１３の移動速度を変える事で煤の密度を制御することが可能となる。今回は１ｃｍ/秒の速度で移動させ、0.03 g/cm3程度の密度で形成することが可能となった。また炎と形成基板との距離を変える事で煤の厚さを制御することが可能となり、今回は５ｍｍ離し、２秒間で基板上に２μｍ厚の煤を形成することができた。
【００２０】
この基板を従来の装置に導入し、カーボンナノファイバを成長させる。その場合、イオン電流密度は約    １００μA/cm2,３０分間で長さ0.1〜3μｍ程度の、従来と同様なカーボンナノファイバを基板上に約1x105mm-2の数密度で成長させることができる。
勿論１本の蝋燭上をカーボンナノファイバの形成する基板をＸ、Ｙ方向にスキャンさせても良いが、大型基板の場合は、長尺の炎発生器上をＸ方向のみに移動させて基板上に煤を形成しても良い。また、ここでは火炎には蝋燭を用いたが、煤を生じるものであれば何でも良く、松脂、ナフタリン等の炭素化合物を燃焼させてもよいことは言うまでも無い。
【００２１】
こうして成長したカーボンナノファイバをエチルアルコール中での超音波洗浄を２分施すことにより基板から除去することができた。カーボンナノファイバが除去された基板には、基板材料元素から成る、高さ１μｍ程度の円錐状突起が、約1x105mm-2の数密度で形成された。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】カーボンナノファイバの成長装置を示した図である。
【図２】基板上への煤状炭素皮膜を形成する図。
【符号の説明】
【００２３】
１    真空装置
２    駆動部
３    真空排気
４    イオンガン
５    加熱部
６    基板
８    試料ステージ
１１    蝋燭
１２    炎
１３    基板
【図１】
2006131475.tif 000003
【図２】
2006131475.tif 000004