(57)【要約】  同一直径のナノチューブ（２４）の網状組織を作製するための装置（５０）と方法である。装置は基板（１２）の一部（１６）に、同一直径の触媒ナノ粒子（２２）を打ち込んで化学的に機能化し、同一直径のカーボンナノチューブを積み重ね成長させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一部分を化学的に機能化する工程と、
同一直径を有する触媒ナノ粒子を前記基板の一部分に打ち込む工程と、
前記触媒ナノ粒子から、同一直径を有するカーボンナノチューブを重ねて成長させる工程と、
からなるカーボンナノチューブの網状組織を作製する方法。
【請求項２】
前記化学的に機能化する工程は、アミノプロピルトリエトキシシラン（ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）を付着させる工程からなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記化学的に機能化する工程は、基板上に第１の電荷を有する層を形成する工程からなる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記打ち込む工程は、前記第１の電荷と反対の第２の電荷を有する触媒ナノ粒子を打ち込む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板の一部分の対向する両側に導電電極を成膜し、各電極は前記カーボンナノチューブに接続し、それによって、カーボンナノチューブを介して一方の電極から他方の電極に流れる電流経路を形成する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
更に前記カーボンナノチューブの近傍にゲート電極を成膜して、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電極を回路に接続する工程と、
分子が前記カーボンナノチューブに付着した時を決定する工程と、
から更になる請求項５に記載の方法。
【請求項８】
基板を作製する工程と、
同基板上で一層を化学的に機能化する工程と、
同層上に同一直径の複数の触媒ナノ粒子を形成する工程と、
同複数の触媒ナノ粒子のそれぞれからカーボンナノチューブを積み重ねて成長させる工程と、
からなる  カーボンナノチューブの網状組織を形成するための方法。
【請求項９】
前記化学的に機能化する工程は、アミノプロピルトリエトキシシランを付着させることからなる請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記成長させる工程は、触媒ナノ粒子のそれぞれ上に同一直径のカーボンナノチューブを成長させる工程からなる請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記化学的に機能化する工程は、基板上に第１の電荷を有する層を形成することからなる請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の触媒ナノ粒子を形成する工程は、前記第１の電荷とは反対の第２の電荷を有する複数の触媒ナノ粒子を形成する工程からなる請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
更に、カーボンナノチューブの対向する両側に導電電極を成膜し、各導電電極はカーボンナノチューブに電気的に接続し、それによって、カーボンナノチューブを介して一方の電極から他方の電極への電流通路を形成する、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
更に、カーボンナノチューブの近傍にゲート電極を成膜することによって電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成することからなる請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
回路に電極を接続する工程と、
分子がカーボンナノチューブに付着したことを決定する工程と、
から更になる請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
基板と、
同基板上に形成された化学的に機能化された層と、
同化学的に機能化された層の上に配置された同一直径の複数の触媒ナノ粒子と、
同複数の触媒ナノ粒子のそれぞれから成長させた少なくとも１つのカーボンナノチューブであって、同カーボンナノチューブは前記化学的に機能化された層上に位置し、ランダムに積み重なって、同一直径を有する、
カーボンナノチューブの網状組織。
【請求項１７】
前記化学的に機能化された層はアミノプロピルトリエトキシシランからなる請求項１６に記載の網状組織。
【請求項１８】
前記化学的に機能化された層は第１の電荷を有する請求項１６に記載の網状組織。
【請求項１９】
打ち込まれた触媒ナノ粒子は、第１の電荷とは反対の第２の電荷を有する請求項１８に記載の網状組織。
【請求項２０】
更に、カーボンナノチューブの対向する両側に成膜された導電電極であって、各導電電極はカーボンナノチューブに電気的に接続し、それによって、カーボンナノチューブを介して一方の電極から他方の電極への電流通路を形成する、請求項１６に記載の網状組織。
【請求項２１】
更に、カーボンナノチューブの近傍に成膜されたゲート電極であって、前記導電電極とゲート電極とよって電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成することからなる請求項２０に記載の網状組織。
【請求項２２】
回路に接続された電源と、
分子がカーボンナノチューブに付着したことを検知するための、電極に接続された回路と、から更になる請求項２０に記載の網状組織。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカーボンナノチューブに関し、特には、単一壁のカーボンナノチューブ網状組織に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンは最も重要な周知の部品であって、酸素、水素、窒素等と組み合わせることができる。カーボンは、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレンおよびカーボンナノチューブの、４つの公知の結晶構造を有する。特にカーボンナノチューブは、単一壁と複数壁で成長するらせん状のチューブ構造と称されるが、通常それぞれを、単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）、複数壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ）と称する。これらの結晶型は複数の六角形からなるシートを巻いて得られる。シートは、各カーボンを組み合わせて形成され、３つの近隣カーボン原子でらせん状チューブを形成する。カーボンナノチューブは一般的にナノメータ以下から数百ナノメータのオーダーの直径を有する。
【０００３】
カーボンナノチューブは、らせん状チューブの巻き形状や直径に応じて、導電体、金属性状、または半導体になる。金属性状のナノチューブでは、一次元カーボンベース構造は室温で実際上ゼロ抵抗の導電性を示すことが分かっている。更に、金属状ナノチューブでは電子は構造内を自由に移動すると考えられているので、金属状ナノチューブは理想的な電気接続材料として使用され得る。半導体ナノチューブを二つの電極に接続すると、その構造は電界効果トランジスタの機能をして、ゲート電極に電圧を印加することによって、ナノチューブが導電性から絶縁性に切り換る。カーボンナノチューブは、シリコンのトランジスタよりも大きな単位チャネル幅で相互コンダクタンスを生成する。したがってカーボンナノチューブは、その独特の構造や物理、化学的性質の故に、ナノエレクトロニック・デバイスを作製するブロックの可能性もある。
【０００４】
ナノチューブの既存の製造方法は、アーク放電やレーザアブレージョン法である。これらの方法では一般的にはナノチューブの束からなるバルク材料が作製される。最近、Ｊ．Ｋｏｎｇ，Ａ．Ｍ．Ｃａｓｓｅｌｌ、および、Ｈ  ＤａｉはＣｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９２，５６７（１９８８）、および、Ｊ．Ｈａｆｎｅｒ，Ｍ．Ｂｒｏｎｉｋｏｗｓｋｉ，Ｂ．Ａｚａｍｉｎ，Ｐ．Ｎｉｋｏｌｅａｖ，Ｄ．Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｋ．Ｓｍｉｔｈ，および、Ｒ．Ｓｍａｌｌｙ，はＣｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９６，１９５（１９９８）は、Ｆｅ／ＭｏまたはＦｅのナノ粒子を触媒として用いた熱ＣＶＤ法によって、高性能の個別単壁カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を作製したと発表している。このＣＶＤ法は個々のＳＷＮＴの選択成長を可能にし、ＳＷＮＴを基にしたデバイスの製造を容易にした。ＣＶＤ法によるＳＷＮＴの成長を促進するために使用され得る触媒は、代表的には、鉄、コバルト、およびニッケルの中から選択される。
【０００５】
ナノチューブの網状組織は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として示されてきた。網状組織の対向する両側にソースとドレインの電極を配置し、ナノチューブのその間の近傍にゲート電極を配置する。ナノチューブの網状組織は、複数の電流通路が可能になるので、明らかに有利である。ナノチューブの網状組織は、網状組織中のナノチューブの幾つかが金属性状であっても、全チャネルを短絡しない限り、半導体のチャネルのような挙動をする。カーボンナノチューブの網状組織は、触媒活性された基板上やカーボンナノチューブの液中に基板を懸垂することによって容易に成長する。しかしながら、ナノチューブの直径や密度が一定ではないので品質は劣る。カーボンナノチューブの物理、化学特性は直径（電流を流す能力）やらせん構造（金属性状か半導体かを決定する）で変化する。ナノチューブの直径が異なると個々のナノチューブのバンドギャップが変化して、ナノチューブ網状組織の電気特性が不均一になる。
【非特許文献１】Ｊ．Ｋｏｎｇ，Ａ．Ｍ．Ｃａｓｓｅｌｌ、および、Ｈ  Ｄａｉ、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９２，５６７（１９８８）、
【非特許文献２】Ｊ．Ｈａｆｎｅｒ，Ｍ．Ｂｒｏｎｉｋｏｗｓｋｉ，Ｂ．Ａｚａｍｉｎ，Ｐ．Ｎｉｋｏｌｅａｖ，Ｄ．Ｃｏｌｂｅｒｔ，Ｋ．Ｓｍｉｔｈ，および、Ｒ．Ｓｍａｌｌｙ，Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９６，１９５（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、電気特性の均一性を向上させたカーボンナノチューブの網状組織を作製することが望まれる。更に、本発明の他の望ましい特徴や特性が、本発明の詳細説明や請求項に、添付図や発明の背景を組合せて、明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
同一直径のナノチューブの網状組織を成長させる装置と方法を提供する。その装置は、基板の一部を化学的に機能化し、同一直径の触媒のナノ粒子を基板の一部に打ち込んで、触媒のナノ粒子上に同一直径のカーボンナノチューブを重ねて成長させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の下記の詳細説明は例示であって、本発明の限定や適用の限定を意図しない。さらに、発明の背景や詳細説明で記述する理論によっても限定されない。
図１において、デバイス１０の基板１２上にレジスト１４が形成される。基板１２はシリコン上の二酸化珪素が望ましいが、例えば、ガラス、セラミクス、フレキシブル基板等でもよい。レジストは、半導体工業で一般的に使用されるレジストでよい。場合によれば、層１８は、レジスト１４を使用せずに、当業者に周知のスタンプ法で形成してもよい。
【０００９】
図２において、レジストの一部はフォトエッチング等でリフトオフされて、基板１２の一部１６が露出される。図２のデバイス２０で基板１２の一部１６のみが露出されているが、一枚の基板１２上には、多分１０００以上の部分１６が存在することは理解されるであろう。
【００１０】
図３において部分１６は、照射によって、デバイス２０を溶液中に浸漬して、あるいはアミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＳ）の蒸気に曝して、化学的に機能化されて、それによって、基板１２の一部１６上に層１８が形成される。ＡＰＳは好ましい溶液であるが、基板上に荷電表面を形成して、反対に荷電した触媒ナノ粒子と静電的に相互作用する、化学物質やその多層ならばよい。化学的に機能化した表面とナノ粒子との間の静電相互作用は、選択された領域でナノ粒子を固定する。層１８の厚さは、例えば、5から１０００オングストロームの範囲である。
【００１１】
図４において、触媒ナノ粒子２２を含む溶液中にデバイス３０を浸漬することによって、固定直径の触媒ナノ粒子２２が層１８上に打ち込まれる。ＡＰＳは触媒ナノ粒子２２への親和性（静電的引力）を有する。触媒ナノ粒子２２は、ニッケル、鉄、コバルト、およびそれらの組み合わせが望ましいが、Fe／Co，  Ni／Cr、Fe／Ni等の遷移金属やそれらの組み合わせを含む他の物質でもよい。触媒ナノ粒子２２を含む溶液は、触媒ナノ粒子が単分散懸濁し得る溶媒ならばよい。ナノ粒子の直径は０，５から５ナノメータであるが、トランジスタやセンサに適用するには１．０から２，０ナノメータが好ましい。レジスト１４は、溶液中にデバイスを浸漬する前、ウェットエッチかドライエッチで除去される。
【００１２】
図５において、４５０℃と１，０００℃との間で、好ましくは８５０℃で、メタン（CH4）等の水素（H2）とカーボンを含むガスに基板４０を曝すことによってCVDされる。ＣＶＤは、温度、ガス入力、および触媒が制御され得るので好ましい方法である。カーボンナノチューブ２４はナノ粒子２２から成長して、カーボンナノチューブ２４の接続網状組織２６を生成する。少数のカーボンナノチューブ２４のみが示されているが、多数のカーボンナノチューブ２４が成長し得ることは理解されるであろう。通常の直径のナノ粒子２２を使用することによって、通常の同一直径のナノチューブ２４が成長する。カーボンナノチューブの所望の直径は、所望の直径を有する触媒ナノ粒子２２を成膜することによって選択され得る。カーボンナノチューブ２４は金属性状でも半導体としてでも成長する。ナノチューブ２４は当業者に周知の方法で成長し、一般には、１００ｎｍから１ｃｍの長さで直径が１ｎｍから１００ｎｍである。
【００１３】
図６において、導電電極２８がデバイス５０の網状組織２６の両側でカーボンナノチューブ２４に配置される。導電電極２８は導電材料からなるが、クロムと金、チタンと金、の層や、パラジウムまたは金からなるのが望ましい。ナノチューブ２４と導電電極２８との間の接続は、リソグラフィ、電子ビーム、光、ソフトリソグラフィ、あるいはインプリント法等によってなされる。
【００１４】
一実施例において、デバイス６０の導電電極２８は、それぞれソースとドレインとして使用される。ゲート電極３２は基板１２の部分１６の下部等の基板中に埋められるか、カーボンナノチューブ２４の上に配置されて、図７のデバイス７０中に示されるように誘電体層３４によって分離される。
【００１５】
図８は、図６のデバイスがセンサとして使用される実施例を示す。例えば、分子が、カーボンナノチューブ２４のようなナノ構造に付着すると、当業者が周知の方法で測定可能な、ナノチューブ２４中を流れる電流が変化する等の、材料特性の変化をもたらす。この電流変化の測定によって、カーボンナノチューブ２４に付着した分子の数が決定されて、それによって、カーボンナノチューブ２４の周辺環境の分子の濃度と関連される。加えて、ナノ構造は、特定の環境作用物を決定するための物質で被覆される。電流の変化は測定可能な物質特性の好ましい例であるが、他の例としては例えば、磁気、光、周波数、および機械的特性等がある。例としてのシステム８０はデバイス６０を含み、バッテリ等の電源３６に接続された電極２８のうちの１つを備える。回路３８は、電極２８間の電流を決定して、プロセッサ４２にその情報を提供する。その情報はプロセッサ４２から、ディスプレー４４、警報装置４６、ＲＦ送信機４８等に転送される。
【００１６】
本発明の詳細説明で少なくとも１つの実施例について述べたが、多くの変形が存在する。実施例は単に例であって、発明の範囲、応用性、および構成を限定しない。更に、詳細説明は、本発明の実施例を実施するための便利な指標であって、添付の請求項中に示される本発明の範囲から逸脱せずに、本実施例で述べた部品の機能や配置には種々の変形がなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】カーボンナノチューブを成長させるための構造の断面図。
【図２】カーボンナノチューブを成長させるための構造の平面図。
【図３】カーボンナノチューブを成長させるための構造の断面図。
【図４】本発明の第１の実施例による、触媒ナノ粒子を有する図２の構造。
【図５】本発明の第１の実施例によって成長させた、カーボンナノチューブを有する図４の構造の等角図。
【図６】導電電極を成膜した図４の第１の実施例の等角図。
【図７】本発明の第２の実施例による切り取り等角図。
【図８】本発明の第３の実施例によるブロックダイアグラム。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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