(57)【要約】  高度の構造秩序及び狭い細孔直径分布（±０．１５ナノメートル半値幅（ＦＷＨＭ））を備えた、遷移金属で置換された、非結晶性メソポーラスシリカ枠構造物が合成され、例えば、単層のナノチューブ、ナノパイプ及びナノワイヤーのようなＧａＮナノ構造体の鋳型成長に使用された。ＧａＮナノ構造体の物理学的特性（直径、直径の分布、電気的な特性）が、鋳型の細孔直径及び細孔壁の化学的性質により制御されうる。ＧａＮナノ構造体は、例えばフィールドエミッタのようなナノスケールの電子デバイスや化学センサで使用されうる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細孔中に配置された触媒金属を含み、且つ所定の細孔の直径を備えた細孔を有するメソポーラスシリカの枠構造物を供給する工程、そして
枠構造物を、所定の温度で、ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に曝す工程、それによって、前記の所定の細孔直径と相関する直径又は断面積を有するＧａＮナノ構造体を製造することを含むＧａＮナノ構造体の製造方法。
【請求項２】
触媒金属が、周期律表の第ＶＩＩＩ族から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
細孔に配置された触媒金属が、０．１から１０重量％の間の濃度であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
細孔に配置された触媒金属が、０．５から５重量％の間の濃度であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
触媒金属が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれる少なくとも一元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
触媒金属が、Ｎｉを含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
メソポーラスシリカ構造物が、ＭＣＭ−４１を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項８】
所定の細孔の直径が、１から１０ナノメートルの間であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
反応剤が、ガリウム金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
反応剤が、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム及びガリウムアセチルアセトナートからなる群から選ばれる一種の金属有機化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１１】
反応剤が、ガリウムハライドを含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】
反応剤が、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
窒素含有反応剤が、アンモニア（ＮＨ３）を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】
枠構造物を供給する工程が、シリカＭＣＭ−４１とベーマイト（γ−ＡｌＯＯＨ）との混合物を調製し、前記混合物を支持物に置き、前記の担持された混合物を仮焼（原語：calcining）する処理を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１５】
支持物が、シリコンウエハーを含むことを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
所定の温度が、およそ７５０℃から９５０℃の間の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１７】
ナノ構造体が、ナノチューブ、ナノワイヤー及びナノパイプの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１８】
ナノ構造体が、ナノチューブを含み、金属イオンが、メソポーラスシリカ構造物中に分散され、そして触媒金属が、細孔中に、メソポーラスシリカ構造物中の触媒金属イオンの量により決定される触媒サイトのサイズを備えた触媒サイトを形成することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項１９】
ナノ構造体が、ナノワイヤーであり、そしてそのナノワイヤーの直径又は断面積が、所定の細孔の直径と実質的に同じであることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項２０】
所定の温度よりも低い温度で、製造されたＧａＮナノ構造体を、金属有機インジウム含有反応剤、金属有機ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に曝し、製造されたＧａＮナノ構造体の自由部分に沿ったサイトから生じる、一つ又はそれ以上のナノ構造体を含むＧａＮ樹枝状構造体を製造することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項２１】
枠構造物をガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に曝す前に、枠構造物を水素に曝す処理をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項２２】
ＧａＮ樹枝状構造体を製造するために、製造されたＧａＮナノ構造体を金属有機ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に再度曝す前に、製造されたＧａＮナノ構造体を、インジウム蒸気及びガリウム蒸気のうちの少なくとも一つに曝す処理をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項２３】
枠構造物を、７５０℃から１０００℃の間の温度で、インジウム蒸気又はガリウム蒸気に曝すことを特徴とする請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２４】
金属有機インジウム含有反応剤を、金属有機ガリウム含有反応剤に添加することをさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、広い光学的バンドギャップの幅を有する、耐熱性の半導性材料であり、添加剤として添加してあるｎ−型及びｐ−型である場合がある。より詳細には、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やダイオードレーザーのような、発光デバイスは、ＬＥＤが、今、非効率な白熱光を発するランプや蛍光を放つ照明器具にさえ置き換えられつつある、圧倒的な商業的な成功に遭遇している。
【０００２】
さらに、ＧａＮは、高い化学的安定性、及び高い機械的安定性だけでなく、低い電子親和力
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を有し、それゆえ、電界放出デバイスのための材料として注目を集めた。ＧａＮにより製作された電界放出カソードは、高いスパッタリング耐久性及び残存ガス、特に酸素に対する低い感受性のため、より長い寿命を持つはずである。
【０００３】
電界放出陰極からの放出電流は、電界放出陰極のチップにおける電場に依存する。ナノチップを電子源として使用するとそのチップの大きさを小さくできるので、ディスプレー装置の電力の消費量を、著しく削減することができる。ナノチップ電子源を使用することはまた、ディスプレーの形状係数を減らすことができる。
【０００４】
これらの理由、及びこれから明らかにされるであろう、その他の理由から、制御された化学的特性及び物理的特性を備えた、例えばナノチューブ及びナノワイヤーのようなＧａＮナノ構造体を製造するプロセスを提供することは望ましいであろう。
【０００５】
電子的な用途及び感知装置としての用途のための、そのようなＧａＮナノ構造体を組み込んだナノスケールデバイスを製造することもまた、望ましいであろう。
【０００６】
発明の概要
一つの局面において、本発明は、触媒作用を有する鋳型又は触媒作用を有する枠構造物の中や上での、たとえば所定の直径及び狭い直径分布のような、制御できる物理的特性を備えたＧａＮナノ構造体の成長に向けられている。その調製されたＧａＮナノ構造体は、明確に定められた電子的及び／又は光学的な特性、及び／又は異種分子の存在下における選択的な反応を有することができる。
【０００７】
本発明の一つの局面、すなわちＧａＮナノ構造体の製造法は、所定の直径を有する細孔を有し、その細孔中に配置されている触媒作用を有する金属を含むメソポーラスシリカ構造を有する枠構造物を提供する行為、及び所定の温度で、ガリウムを含む反応剤及び窒素を含む反応剤に、その枠構造物を曝す行為を含む。製造されたＧａＮナノ構造体は、その所定の細孔の直径と相関する直径又は断面積を有する。
【０００８】
本発明の実施態様は、以下の特徴の一つ又はそれ以上を含むかもしれない。所定の温度が、およそ７００℃から１０００℃の間の温度、好ましくは７５０℃から９５０℃の間の温度である場合もある。触媒作用を有する金属は、周期律表の第ＶＩＩＩ族の元素、例えばＦｅ、Ｃｏ及び／又はＮｉであってよく、０．１から１０重量パーセントの間の濃度、好ましくは０．５から５重量パーセントの間の濃度である場合もある。
【０００９】
メソポーラスシリカ構造は、ＭＣＭ−４１から形成することができ、１ナノメートルから１０ナノメートルの間の直径の細孔を有することができる。ＧａＮナノ構造体の成長のための、前記の枠構造物は、シリカを含むＭＣＭ−４１をベーマイト（γ−ＡｌＯＯＨ）と混合し、その混合物を、例えばシリコンウエハーのような支持物上に置き、そしてその担持された混合物を焙焼することにより、調製することができる。その反応物は、例えばガリウム金属のような金属、例えばＧａＣｌ３のような金属ハライド、例えばトリメチルガリウム、トリエチルガリウム及び／又はガリウムアセチルアセトネートのような金属有機化合物を包含することができるのに対して、窒素含有反応剤は、アンモニアである場合もある。
【００１０】
製造されるナノ構造体は、ナノチューブ、ナノワイヤー、ナノパイプ及び／またはナノツリーを包含することができる。そのナノチューブの直径又は横方向のサイズは、メソポーラスシリカ構造物の中に分散している、触媒作用を有する金属により、その細孔中に形成される触媒サイトにより決定されるようである。ここにおいて、細孔中の触媒サイトのサイズは、メソポーラスシリカ構造物中の触媒作用を有する金属イオンの量により決定される。ナノチューブの直径は、幾何学的な細孔の直径よりも小さい傾向がある。逆に、ナノワイヤーの直径は、その所定の細孔の直径と実質的に同じである。
【００１１】
いわゆる「基幹」及び「分岐」を有する、樹木状のＧａＮ  ツリーナノ構造体は、その製造されたＧａＮナノ構造体をガリウム又はインジウムの蒸気に曝し、ついでそれを、金属有機ガリウム含有反応剤及び窒素含有反応剤に再度曝し、任意に金属有機インジウムを添加された反応剤が添加することにより成長させることができる。任意に、その構造物を、その分岐を成長させる前に、水素及び／又はガリウム若しくはインジウムの蒸気に曝さらすことができる。
本発明のさらなる特徴及び利点が、次の好ましい実施態様の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１２】
とりわけ、本発明は、触媒成分を枠構造物の壁に取り込ませた状態のメソポーラスモレキュラーシーブ（ＭＰＭＳ）触媒性鋳型を成長させ、ナノチューブ及びナノワイヤーの直径、構造及び直径分布の均一性の高い制御を提供する方法を向けられている。これは、材料の光学的及び電子的特性の制御を可能にし、そしてその材料から調製されるデバイスの光学的及び電子的特性をもまた制御せしめる。
【００１３】
現在まで、１０ナノメートルから３０ナノメートルの間の壁の厚さを有する、厚い壁のＧａＮナノパイプが製造されたにすぎない。これらの大きな直径の構造は、三次元性の電子的特性を示す。逆に、薄い壁のＧａＮナノチューブ、特に３ナノメートル未満の直径を有する、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）及びナノワイヤーは、化学的によるよりもむしろサイズにより制御される、低い次元性（一元性及び二次元性）の電子的特性を示す。例えば、ＧａＮ  ＳＷＮＴは、添加剤の添加だけでなく、直径による波長調節性を持ちつつも可視光領域において光学的に活性であり、例えばミクロレーザー（ＳＷＮＴ直径により制御される波長）、光通信、熱電気材料又は光分解による水素の生産用の触媒のような潜在的用途があると予測されてきた。
【００１４】
本発明者らは、触媒サイトのための源として、適切に枠構造物に取り込まれた金属イオンを有するモービル（Ｍｏｂｉｌ）  Ｍ４１Ｓクラス（ＭＣＭ−４１及びＭＣＭ−４８）という、金属により置換されたメソポーラス枠構造物を用いると、化学気相成長法（ＣＶＤ）を使用して、２ナノメートルから１０ナノメートルの間の制御された直径及び狭い直径分布を備えた、秩序あるＧａＮナノワイヤー及びＳＷＮＴを製造することができるということは、発明者の成し遂げたことである。
【００１５】
ＩＵＰＡＣの定義によれば、メソポーラス材料は、約２．０ナノメートルから２０ナノメートルの間の範囲の細孔の直径を有する材料として定義されている。今日では、その範囲は、１．５ナノメートルから２０ナノメートルに拡大されている。万が一細孔が十分に円形ではない場合には、細孔の直径という用語は、以下において、細孔の横方向の平均の寸法又は幅と定義すべきである。結晶性材料であるがゆえに、組成に関係なくその直径が変わらないゼオライトとは異なり、モービル・オイル・コーポレーション（Ｍｏｂｉｌ  Ｏｉｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）により開発されたＭ４１Ｓクラスメソポーラス材料（ＭＣＭ−４１及びＭＣＭ−４８）は、細孔壁が非結晶であり、１．５から４ナノメートルの範囲の細孔直径を備えた、組み立てられた細孔配列を有している。細孔の構造及び細孔の直径は、枠構造物中における遷移金属イオンの置換とは独立に作製することができる（希釈された置換のため）。均一な細孔分布及び細孔直径（細孔の直径において、〜０．１ナノメートル半値幅（ＦＷＨＭ）の均一性）を、以下に述べるであろう成長プロセスの注意深い管理を通して、成し遂げることができる。化学的な組成及び細孔の直径の両者が、その細孔に形成されるＧａＮナノチューブの構造を決定するのに役割を果たしていることが見出された。
【００１６】
実施例：触媒作用を有する枠構造物の合成
ＧａＮナノチューブの制御された成長のために触媒作用を有する枠構造物として、明確で、均一な、およそ１．５−４ナノメートルの範囲の細孔の直径を備えた、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉ枠構造物置換のあるＭＣＭ−４１が合成された。
【００１７】
シリカ源は、ピッツバーグ・プレート・グラス（Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ  Ｐｌａｔｅ  Ｇｌａｓｓ（ＰＰＧ））製のＨｉＳｉｌ−９１５及びテトラメチルアンモニウム  シリケート（１０重量％シリカ、エスエーケム  インク．（ＳＡＣＨＥＭ  Ｉｎｃ．））であった。金属源は、ＣｏＳＯ４・ｘＨ２Ｏ（アルドリッチ・ケミカル・カンパニー（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．））、Ｆｅ（ＳＯ４）・７Ｈ２Ｏ（フィッシャ・サイエンテフィック・カンパニー（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｃｏ．））、Ｆｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ（シグマ・カンパニー（Ｓｉｇｍａ  Ｃｏ．））及びＮｉ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ（アルドリッチ・ケミカル・カンパニー（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．））であった。４級アンモニウム界面活性剤ＣｎＨ２ｎ＋１（ＣＨ３）３ＮＢｒ（ｎ＝１２、１４、１６）は、シグマ・カンパニー（Ｓｉｇｍａ  Ｃｏ．）から入手し、ＣｎＨ２ｎ＋１（ＣＨ３）３ＮＢｒ（ｎ＝１０）は、アメリカン・トーキョウ・カセイ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｔｏｋｙｏ  Ｋａｓｅｉ）から入手した。界面活性剤溶液は、２９重量％ＣｎＨ２ｎ＋１（ＣＨ３）３ＮＢｒの水溶液を、等モルの交換容量のアムバージェット（Ａｍｂｅｒｊｅｔ）−４００（ＯＨ）イオン交換樹脂（シグマ・カンパニー（Ｓｉｇｍａ  Ｃｏ．））と回分式で一夜混合することによりイオン交換することにより調製された。消泡剤は、シグマ・カンパニー（Ｓｉｇｍａ  Ｃｏ．）から供給された、末端がメトキシ基で置換されているシラン・ポリマー・アルキルであるアンチフォーム・エー（Ａｎｔｉｆｏａｍ  Ａ）であった。酢酸（フィッシャー・サイエンティフィック）により、合成溶液のｐＨを調整した。そのｐＨは、１１±０．１に維持された。
【００１８】
テトラメチルアンモニウムシリケートであるＨｉＳｉｌ−９１５の水溶液とその金属前駆体（Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ及び／又はＮｉである。）の水溶液を、５０ｍｌの脱イオン水と３０分間にわたり混合した。その水対シリコンの比は、その界面活性剤の鎖長に基づいているＨ２Ｏ／Ｓｉのモル比＝７４．４乃至８６の範囲で様々であった。その界面活性剤の溶液を、その調製されたケイ素及び金属の混合物に加え、そして少量の消泡剤（界面活性剤の０．２重量％）を、その界面活性剤により生じる、過剰の泡を除去するために添加した。酢酸を加え、ｐＨを１１±０．１に維持した。この合成溶液中の各成分のモル比を、ＳｉＯ２：界面活性剤：Ｍ：Ｈ２Ｏ＝１：０．２７：０．０１７：Ｘ（Ｘ＝７４．４〜８６）に制御した。さらに約３０分間混合した後、この合成溶液をポリプロピレン瓶に移し、ついで６日間１００℃でオートクレーブした。室温に冷却後、生じた固形物を濾取し、脱イオン水で洗浄し、そして周囲条件下で乾燥した。
【００１９】
その置換されたＦｅ、Ｃｏ及びＮｉは、最初は多かれ少なかれ原子的にシリカ枠構造物の中に、１ナノメートル未満の粒子（広域Ｘ線吸収微細構造（ＥＸＡＦＳ）にて測定）として分散している。合成工程の間にその枠構造物の細孔中に形成される、その触媒粒子の最終的なサイズは、その鋳型の細孔の直径及び合成条件により実質的に決定される。言い換えれば、より大きな細孔の場合、より大きな触媒粒子が形成される傾向がある。
【００２０】
ＧａＮナノチューブの成長の前に、その粉末触媒をベーマイト（γ−ＡｌＯＯＨ）ゾルと細かく混合し、シリコンウエハー・チップに塗りつけた。得られた触媒を室温で乾燥し、流れる空気中５５０℃で６時間焼いた。このＧａＮ合成法が、反応容器中で、その置換されたＭＣＭ−４１の保持状態に対して感受性があると考えられない。
【００２１】
ＧａＮナノチューブ及びナノワイヤーの合成
そのＭＣＭ−４１触媒鋳型の制御された細孔の直径及び細孔壁の化学的性質は、例えばナノチューブの直径及び光学的／電子的特性のような、製造後のＧａＮナノ構造体の物理的な特性の制御にとって重要である。すべての触媒は、科学技術的に興味ある構造を作り出した。Ｎｉ−ＭＣＭ−４１触媒が、単層ナノチューブ構造に対して非常に高い選択性を生じさせることが見出された。例えば単層ナノチューブ、ナノパイプ（厚い細孔壁）及びナノワイヤー（中実のコア）のような、数種のＧａＮ構造体が観察された。しかしながら、ここに開示されたプロセスにより製造されるナノワイヤー及びナノチューブは、先行技術のプロセスで製造されたＧａＮナノ構造体に比べて、より小さい直径を有し、そしてより均一な直径分布を有する傾向がある。
【００２２】
ＧａＮナノ構造体（ナノワイヤー及びナノチューブ）を、以下の二つの異なる方法により合成した。
（１）１〜１０気圧の間の圧力下における伝統のフローリアクターにおける合成
（２）１０〜２００トル（Ｔｏｒｒ）の間の圧力下における低圧の金属有機気相成長（ＬＰ−ＭＯＣＶＤ）法
これは、例えば、温度、圧力、反応試薬の接触方法、異なる鋳型組成及び前駆体のような合成条件の広範囲の変動を表す。ＧａＮナノワイヤー及びナノチューブの合成について多くの仕事が報告されているが、特定のタイプのナノ構造体、すなわちナノチューブ及びナノワイヤーを獲得するために、反応形態／反応条件を最適化することは、ほんの少しの注意しか払われなかった。たとえば、ある手法では、例えばＮｉ−ＭＣＭ−４１のような金属により置換されたＭＣＭ−４１は、ガス状態で、Ｇａ前駆体（例えばトリメチルガリウム）と窒素前駆体（例えば、アンモニア）に曝された。もう一つの方法では、インジウム及び／又はガリウムを、パターン状の基質（例えば、ＭＣＭ−４１）に沈積させ、ついで窒素前駆体としてガス状態のアンモニアに曝す。
【００２３】
例えば、金属で置換されたＭＣＭ−４１のようなナノ構造を有する枠構造物を使用するＧａＮナノワイヤーの製造のための最適な温度は、７５０℃から９５０℃の間であるようである。これは、９５０℃よりも高い温度で起こるようである枠構造物の消失を防ぐためには、十分低い温度範囲である。
【実施例１】
【００２４】
低圧化学気相成長（ＣＶＤ）反応器における代表的な合成例では、反応剤に曝す前に、金属で置換されたＭＣＭ−４１枠構造物を５００℃で３０分間にわたり水素で還元した。その模範的な枠構造物は、およそ３ナノメートルの細孔直径を有していた。Ｘ線吸収分光法による分析によれば、この水素による処理では、わずかにその構造物が還元されることが示された。ついで、その枠構造物を、１０％水素、２−５μｍｏｌ／分トリメチルガリウム及び１０−１５ｓｃｃｍアンモニアからなる混合物に曝す。その構造物を、８００℃から１０００℃の間の固定された温度、好ましくは９５０℃に保持し、反応剤に５分間から９０分間、好ましくは１時間曝した。その化学気相成長（ＣＶＤ）反応器中の圧力は、５０ミリバールから１気圧の間で範囲であった。
【００２５】
ＭＣＭ−４１枠構造物に取り込まれたすべての触媒（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）は、興味ある構造を形成したが、Ｎｉ−ＭＣＭ−４１は、小さい直径のＧａＮナノチューブについて、最も高い選択性を生じた。製造されたＧａＮナノチューブは、枠構造物の物理的な細孔の直径である３ナノメートルよりも小さい、１ナノメートル・オーダーの直径を有していた。このことは、そのＧａＮナノチューブの直径が、その細孔直径自体よりもむしろ、細孔壁の中又は上に配置されたその触媒原子から細孔内に形成された、触媒作用を有する核形成サイトのサイズ（触媒粒子サイズ）により制御されることが示唆された。制御され且つ均一な直径を有するＧａＮナノチューブの成長のプロセスは、例えば、共通に譲渡された、２００２年１２月１８日に出願された米国特許出願番号１０／３２８８５７及び２００３年１２月２日に出願された米国特許出願番号１０／７２６３９４の米国特許出願に開示されている、均一な直径を有する、整列した単層カーボンナノチューブの成長と似ているので、この米国出願の開示内容は、完全な形で参照によりここに援用した。
【特許文献１】米国特許出願第１０／３２８８５７号公報
【特許文献２】米国特許出願第１０／７２６３９４号公報
【実施例２】
【００２６】
３ナノメートル・オーダーの直径を有するナノワイヤーもまた、実施例１の成長条件と同じ成長条件下で製造した。しかしながら、そのナノワイヤーの直径は、その細孔の直径に一致する傾向がある。このことは、ＧａＮナノチューブの成長とは異なった成長の動力学であることを示唆している。しかしながら、９００℃で製造されたナノチューブの量は、９５０℃よりも高い温度で製造されたナノワイヤーの量をはるかに超えていることに注目されたい。
【実施例３】
【００２７】
およそ７５０℃から１２００℃の間の温度で、金属で置換されたＭＣＭ−４１に、Ｉｎ及び／又はＧａを「予め添加」すると、ナノワイヤーの成長のための核生成のサイトを生じた。そのワイヤーの直径は、そのＭＣＭ−４１鋳型の均一な細孔の形態により制御される。
【実施例４】
【００２８】
小さなＧａＮナノワイヤーを、最初に実施例２の条件下で製造されたナノワイヤー上におけるＧａＮナノ構造体の再成長によりナノツリーに変換することができる。そのとき、そのワイヤーをその枠構造物上に保持し、そしておよそ７５０℃から１０００℃の間の温度に保持した。Ｇａ及び／又はＩｎ金属の舟形容器をその枠構造物の上流に置き、そしておよそ７５０℃から１１００℃の間の温度で保持し、そして成長したばかりのナノワイヤーに接触させるために、金属蒸気を、窒素又はアルゴンの気流により下流に運ぶ。任意にインジウムを添加することができるＧａＮナノワイヤーを、実施例１に開示された条件と同じ条件、すなわち８５０℃から１０００℃の間の温度で、窒素及び１０％水素、トリメチルガリウム２−５μｍｏｌｅ／分及びアンモニア１０−１５ｓｃｃｍの気流下、５分間〜９０分間、好ましくは１時間の成育時間として、接触させたナノワイヤー上で成長させる。その化学気相成長（ＣＶＤ）反応器の圧力は、５０ミリバールから１気圧の間であった。そのナノツリーは、ＧａＮナノワイヤー結晶の形をした基幹を有し、ナノチューブ又はナノワイヤーの何れかの形をしている分岐を有している。そのＧａＮの分岐の成長は、およそ９００℃の温度では優先的にナノチューブが成長し、及び少し高い、およそ９５０℃の温度ではナノワイヤーが優先的に成長するとように、選択的である。ナノチューブは、可視領域にバンドギャップを有するので、これは、おそらく非常に興味ある構造である。ＩＩＩ−窒化物材料システムは、すべての可視及び太陽光のスペクトルをカバーする直接的なバンドギャップを有する。そのようなナノツリー・システムにおける潜在的な電気化学的プロフィールを、非常に大きな表面積を有する分岐から、電気的に接続された基幹への太陽エネルギーの効果的な移動及び変換を行えるように設計することができる。前記のナノツリーのようなＧａＮナノ構造体もまた、水素の光触媒生産用の触媒支持物／助触媒として重要になるであろう。
【００２９】
図１Ａは、成長したばかりのＧａＮナノ構造体の細部を示す図１Ａとともに、予め還元された、およそ３ナノメートルの細孔サイズのＮｉ−ＭＣＭ−４１枠構造物上で成長したＧａＮナノ構造体の透過電子顕微鏡の画像を示す。
【００３０】
図２は、ＧａＮナノチューブの二つの束の透過電子顕微鏡の画像を示す。ここにおいて、各ナノチューブは、およそ０．９ナノメートルの直径を有する。その画像の左上の束は、透過電子顕微鏡による分析の間に損傷を受けたようである。
【００３１】
図３は、これらの試料について得られた電子エネルギー損失分光スペクトルである。この電子エネルギー損失分光スペクトルの特徴は、これらの構造が、確かに単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）であることを強く示唆している。図３のスペクトルは、バルクＧａＮと考えられるＧａＮエピタキシャル層（曲線ａ）、ＧａＮナノチューブ（曲線ｂ）及び密度汎関数理論（ＤＦＴ）に基づいて算出されたスペクトル（曲線ｃ）を表す。その密度汎関数理論の計算により予想されるピークの分裂が存在することは、明確にＧａＮナノチューブ試料（曲線ｂ）で観察された。このことは、ＧａＮナノチューブが存在することの決定的な証拠を提供する。
【００３２】
図４は、実施例４で記載したように、成長温度９００℃でナノワイヤーの基幹上に成長したナノチューブ分岐を有する、典型的なＧａＮナノツリーの透過電子顕微鏡の画像を示す。
【００３３】
図５は、成長温度９５０℃でナノワイヤー基幹上に成長したナノチューブ分岐を有する、典型的なＧａＮナノツリーの透過電子顕微鏡の画像を示す。前記のように、そのＧａＮナノチューブは、ＧａＮナノワイヤー「基幹」よりも小さい光学的な直接的バンドギャップを有し、こうしてＧａＮナノチューブは、添加剤の添加又は、例えばＧａＩｎＮのような合金を形成することなく、ナノチューブ又はナノワイヤーの何れか一方のみよりも、光学的なスペクトルの広い範囲にわたり吸収すると予測される。
【００３４】
本発明は、詳細に示された及び記載された好ましい実施態様に関連して開示された。同時に、それに対する様々な修正及び改良は、当業者には容易に明らかになるであろう。したがって、本発明の精神及び範囲は、次の請求の範囲によってのみにより限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
次の図は、本発明の例証となる実施態様を示す。この実施態様における同様な参照番号は、同様な要素を示す。これらの開示された実施態様は、本発明の実例として理解され、そして、決して限定的なものと理解されてはならない。
【図１】図１Ａは、予め還元された触媒により製造されたＧａＮナノ構造体の        透過電子顕微鏡の画像を示し、図１Ｂは、図１Ａの中の四角で囲んだ部分を        拡大した図である。
【図２】図２は、ＧａＮナノチューブの二つの配列を示す。右下の構造は、透過電子顕        微鏡の電子ビームにより損傷を受けている。
【図３】図３は、ＧａＮエピタキシャル層（上段）及びＧａＮナノチューブ試料（中段）        の電子エネルギー損失分光スペクトルを示す。下段の折れ線グラフは、密度        汎関数理論（ＤＦＴ）に基づいて単層ＧａＮナノチューブについて算出され        たスペクトルである。
【図４】図４は、分枝したナノチューブを有するＧａＮナノツリーの透過電子顕微鏡の        画像を示す。
【図５】図５は、分枝したナノワイヤーを有するＧａＮナノツリーの透過電子顕微鏡の        画像を示す。
【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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【国際調査報告】
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