(57)【要約】【課題】高密度で、且つ、高配向性のカーボンナノチューブの合成方法及びその合成装置を提供する。【解決手段】有機液体３０中で、遷移金属又は遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板３３を加熱して基板３３上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解法において、基板３３を有機液体３０の液面に対して平行に配置し、合成反応を停止する際に、基板３３の徐冷を行なう工程を具備する。合成したカーボンナノチューブは、そのラマンスペクトルにおいて１５８０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度が最も大きい。合成されたカーボンナノチューブを用いた電子放出素子は、ゲートが不要であるためこれを用いた面発光素子の構造を簡略化でき低コスト化が実現できる。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機液体中で、遷移金属又は遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板を加熱して上記基板上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解法において、
上記基板を上記有機液体の液面に対して平行に配置して合成反応を行ない、上記基板を徐冷して上記合成反応を停止することを特徴とする、カーボンナノチューブの合成方法。
【請求項２】
前記徐冷は、前記基板を加熱するエネルギーを断ち、次いで所定の時間内に上記基板を前記有機液体中から気体雰囲気中に出して気体雰囲気中で保持することにより行なうことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項３】
前記徐冷は、前記基板を前記有機液体中から気体雰囲気中に出し、次いで所定の時間内に上記基板を加熱するエネルギーを断ち、気体雰囲気中で保持することにより行なうことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項４】
前記所定の時間は、前記有機液体がアルコール類である場合に、１０秒以下であることを特徴とする、請求項２又は３に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項５】
前記徐冷は、前記基板を前記有機液体中から気体雰囲気中に出し、次いで上記基板を加熱するエネルギーを徐々に減じて断つことにより行なうことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項６】
前記触媒は酸化コバルト超微粒子であり、該酸化コバルト超微粒子を、コバルトの内殻電子の結合エネルギーが正方向に１ｅＶから３ｅＶの範囲でシフトする酸化度とすることを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブのラマンスペクトルにおいて、１５８０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度は、１３５０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度よりも２倍以上大きいことを特徴とする、請求項１に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項８】
導電性基板上にコバルト薄膜を形成し、該コバルト薄膜を熱酸化処理することにより、上記導電性基板上に酸化コバルト超微粒子を形成してカーボンナノチューブ合成用基板を得る第１工程と、
固液界面接触分解法により、アルコール類からなる有機液体中で、低温の基板温度で合成する第１の合成過程と高温の基板温度で合成する第２の合成過程とを経て、上記第１工程で得たカーボンナノチューブ合成用基板上にカーボンナノチューブを合成する第２工程と、
上記第２工程を停止する際に上記カーボンナノチューブ合成用基板を徐冷する第３工程と、を含み、
上記カーボンナノチューブ合成用基板を上記有機液体の液面に対して平行に配置することを特徴とする、カーボンナノチューブの合成方法。
【請求項９】
前記第１工程において、前記導電性基板上に膜厚１０ｎｍ以下のコバルト薄膜を形成し、上記コバルト薄膜を空気中で、８００℃から１０００℃の温度範囲で５分から２０分の時間範囲で熱酸化処理することを特徴とする、請求項８に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項１０】
前記第２工程において、前記第１の合成過程の基板温度は５００℃以上７００℃以下の範囲であり、前記第２の合成過程の基板温度は７５０℃以上１１００℃以下の範囲であることを特徴とする、請求項８に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項１１】
前記第２工程において、前記第１の合成過程の合成時間は１０秒以上３分以下であることを特徴とする、請求項８に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項１２】
前記第３工程において、前記第２工程を停止する際に、前記カーボンナノチューブ合成用基板を加熱するエネルギーを断ち、次いで所定の時間内に上記基板を前記有機液体中から気体雰囲気中に出して気体雰囲気中で保持することを特徴とする、請求項８に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項１３】
前記第３工程において、前記第２工程を停止する際に、前記カーボンナノチューブ合成用基板を前記有機液体中から気体雰囲気中に出し、次いで所定の時間内に上記基板を加熱するエネルギーを断ち、気体雰囲気中で保持することを特徴とする、請求項８に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項１４】
前記所定の時間は、前記有機液体がアルコール類である場合に、１０秒以下であることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項１５】
前記第３工程において、前記第２工程を停止する際に、前記カーボンナノチューブ合成用基板を前記有機液体中から気体雰囲気中に出し、次いで上記基板を加熱するエネルギーを徐々に減じて断つことを特徴とする、請求項８に記載のカーボンナノチューブの合成方法。
【請求項１６】
有機液体中で、遷移金属又は遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板を加熱して上記基板上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解合成装置において、
上記基板を上記有機液体の液面に対して平行に配置する基板ホルダーと、
所定の時間内に上記基板を上記有機液体中から気体雰囲気中に取り出す基板ホルダー移動部と、を具備したことを特徴とする、カーボンナノチューブの合成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度で且つ高配向性のカーボンナノチューブを合成する方法と合成する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の微細加工電子放出素子では、素子の材料として、金属、シリコン及びそれらの化合物が用いられていた。これらの材料は、特に電子を放出する面となる最表面は空気中で容易に酸化され酸化物となるためこの酸化物の仕事関数が高いので、その結果、上記電子放出素子の仕事関数が高くなっていた。また金属、シリコン等の酸化物は絶縁体であるため、電子の放出が困難であった。
【０００３】
一方、カーボンナノチューブ等のナノメートル（ｎｍ）オーダーの寸法を有するナノカーボン材料を電子放出素子の材料として用いた場合には、表面が酸化されることはなく、仕事関数の上昇を回避することができる。また、ナノカーボン材料では導電性が高く、且つ、熱導電性も高い。従って、電子の放出が容易となり、且つ、ジュール熱による破壊も抑えることができる。
ところで、ナノカーボン材料を電子放出素子の材料として使用する試みは、多くなされている。しかしながら、周知のように従来のプラズマを利用した製法によるナノカーボン材料では非晶質等の不純物成分が多く、且つ、特に均一に電子を放出させるために適した高配向のカーボンナノチューブ等を再現性良く作製する方法がなかった。
【０００４】
カーボンナノチューブは、先端が極めて小さな曲率半径を有し、機械的、化学的に安定な材料であることから電子放出素子として、また、グラファイトエッジを高密度に有することから電気二重層キャパシタの電極として、さらに、高密度にイオンを吸着、放出できることから燃料電池の電極などとして、実用化研究が進められている。
【０００５】
ところで、電子放出素子、電気二重層キャパシタ電極または燃料電池電極にカーボンナノチューブを用いる場合は、カーボンナノチューブを一方向に高密度に整列させた束、すなわち、高密度・高配向カーボンナノチューブを用いるが、密度及び配向性が高いほど性能が高くなることは明かである。すなわち、密度及び配向性が高いほど、電子放出素子の場合には単位面積当たりの電子放出効率が大きくなり、電気二重層キャパシタ電極や燃料電池電極の場合には単位体積当たりの蓄電量や発電量が大きくなる。このため、密度及び配向性がより高い高密度・高配向カーボンナノチューブが求められている。
【０００６】
カーボンナノチューブは径がナノメーターのオーダーのナノ材料であるので、無秩序に配列したカーボンナノチューブを合成し、個々のカーボンナノチューブを機械的に方向を揃えて高密度に整列させることは不可能であり、このため、高密度・高配向カーボンナノチューブの製造には、基板上にカーボンナノチューブが自動的に整列して合成される合成方法が用いられる。このような合成方法の一つとして、有機液体中で触媒金属を担持した基板を加熱することで高密度・高配向カーボンナノチューブを合成する方法が知られている（特許文献１参照）。この方法は、固体基板と有機液体が急激な温度差を有して接触することから生じる特異な界面分解反応に基づくため、有機液体中の固液界面接触分解法と呼ばれている。この方法は、固体基板と有機液体が急激な温度差を有して接触することから生じる特異な界面分解反応に基づくため、有機液体中の固液界面接触分解法と呼ばれている。この方法によれば、アーク放電法や化学気相成長法のように非晶質炭素等の不純物（非特許文献１参照）を含まず、純度の高いカーボンナノチューブを合成することができる。
【０００７】
図１８を用いて特許文献１の方法を説明する。図１８は有機液体中の固液界面接触分解法に用いる合成装置を示しており、この合成装置は、メタノール等の有機液体３０を保持する液体槽３１と、有機液体３０を沸点以下に保持するための液体槽３１の外側を囲んで設けた水冷手段３２と、導電性の基板３３を保持し、かつ、基板３３に電流を流すための電極３４を有する基板ホルダー３５と、液体槽３１から蒸発する有機液体蒸気を冷却凝縮して液体槽３１に戻す水冷パイプ３６からなる凝縮手段３７と、有機液体蒸気と空気との接触を防止するためのＮ2ガスを導入するためのＮ2ガス導入バルブ３８と、液体槽３１を密閉する蓋３９とからなる。
【０００８】
上記合成装置を用いて、有機液体中の固液界面接触分解を行う場合、導電性のシリコン基体やダイヤモンド基体上にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属の触媒金属薄膜を積層し、この基体を水素プラズマに晒すことによって基体上に高密度に分布した触媒金属微粒子を担持させ、この基板３３を基板ホルダー３５に保持し、基板ホルダー３５を介して基板３３に電流を流して加熱することにより、基板３３と有機液体３０が急激な温度差を有して接触することから生じる特異な界面分解反応に基づいて触媒金属微粒子上にカーボンナノチューブを合成する。この方法によれば、基板垂直方向に配向した高密度・高配向カーボンナノチューブが合成でき、触媒金属薄膜の膜厚をより薄くすることによって、より小さな径の触媒金属微粒子をより高密度に分布させることができ、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、径が約２０ｎｍのカーボンナノチューブが約３００本／μｍ2の密度で基板垂直方向に配向した高密度・高配向カーボンナノチューブが合成できる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１２３１２号公報
【特許文献２】特開２００４−３２７０８５号公報
【非特許文献１】独立行政法人産業技術総合研究所  ナノカーボン研究センター編集：産総研シリーズ  ナノカーボン材料−夢ふくらむ新素材−  平成１６年５月２５日丸善株式会社発行、ｐｐ．１５５−１５７、ｐ．１９８  表２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の固液界面接触分解法では、カーボンナノチューブの結晶性が十分でなく配向性に関する再現性が悪く、このため、カーボンナノチューブ特有の優れた特性を生かした電子放出素子が実現されていない。
【００１１】
具体的にはこの方法は、触媒金属薄膜の膜厚、水素プラズマ条件あるいは有機液体中の基板の昇温速度、加熱温度等の製造条件が同一であっても、常に同一の密度と配向性を有する高密度・高配向カーボンナノチューブが合成できるとは限らず、約２０ｎｍを越えて径が太くなったり径が細くなるが、約３００本／μｍ2を下回る密度になったりして、所望の径と密度を有する均一な高密度・高配向カーボンナノチューブが得られるのは１０回に１回程度であり、再現性が悪いという課題がある。
【００１２】
再現性が悪い原因として、基体上にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属の触媒金属薄膜を積層し、この基体を水素プラズマに晒すことによって基体上に高密度に分布した触媒金属微粒子を形成する際、または、有機液体中で加熱するために基板を昇温する際に、触媒金属微粒子が互いに凝集して大きな微粒子になり、或いは、シリコン基体の場合には遷移金属微粒子がシリコンとシリサイドを形成してシリコン基体中に沈み込んでしまうこと、またダイヤモンド基体の場合には、遷移金属微粒子がダイヤモンド格子中に拡散して沈み込んでしまうこと等が原因となって、触媒金属微粒子の径や分布が不均一になることが考えられる。
また、触媒金属微粒子同士の凝集や触媒金属微粒子の沈み込みが生じるか生じないかは、現状の技術では制御不能な、シリコン基体やダイヤモンド基体の微妙な表面状態の違いに依存していると考えられる。
【００１３】
カーボンナノチューブは炭素のｓｐ2 混成軌道で構成されるグラフェンシートからなるので、ダイヤモンドを凌ぐ機械的強度や導電性を有している。しかしながら、グラフェンシートの炭素の配列の乱れや炭素の空孔等の格子欠陥が存在する、すなわち、グラフェンシートの結晶性が十分でない場合には、カーボンナノチューブの優れた機械的強度や導電性を十分に発揮させることができない。
【００１４】
ところで、固液界面接触分解法によれば、基板上に高密度、高配向し、且つ、純度の高いカーボンナノチューブを合成できるが、カーボンナノチューブの結晶性が十分でないと言う課題があった。
【００１５】
また、固液界面接触分解法は、触媒金属薄膜の膜厚、水素プラズマ条件、あるいは、有機液体中の基板の昇温速度、加熱温度等の製造条件が同一であっても、常に同一の配向性を有するカーボンナノチューブが合成できるとは限らず、数回の製造のうち、１回程度は配向性が乱れたカーボンナノチューブが合成され、配向性に関する再現性が悪いという課題があった。
【００１６】
本発明者らは、基体上にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属の触媒金属薄膜を積層し、この基体を水素プラズマに晒して触媒金属微粒子を形成した従来の基板の代わりに、基体上にＣｏ金属薄膜を堆積し、この基体を熱酸化して酸化コバルト超微粒子を形成した基板を用いれば、再現性良く、所望の径と密度を有する均一な高密度・高配向カーボンナノチューブが製造できること、しかも、上記従来方法に較べて約３倍密度が高い、高密度・高配向カーボンナノチューブが得られることを見出し、さらに、配向性に関する再現性が悪い原因について鋭意研究した結果、合成反応を停止する際の熱ストレスが原因であることを突き止め、本発明に至ったものである。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑み、高密度で、且つ、高配向性のカーボンナノチューブの合成方法を提供することを第１の目的としている。本発明の第２の目的は、カーボンナノチューブの製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の第１の目的を達成するために、本発明のカーボンナノチューブの合成方法は、有機液体中で、遷移金属又は遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板を加熱して基板上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解法において、基板を有機液体の液面に対して平行に配置して合成反応を行ない、この基板を徐冷して合成反応を停止することを特徴とする。
前記徐冷を行なう場合、基板を加熱するエネルギーを断ち、次いで所定の時間内に基板を有機液体中から気体雰囲気中に出して気体雰囲気中で保持する方法を採れば好ましい。或いは、基板を有機液体中から気体雰囲気中に出し、次いで所定の時間内に基板を加熱するエネルギーを断ち、気体雰囲気中で保持することにより行なってもよい。これらの場合の時間は、有機液体がアルコール類である場合は、１０秒以下とし得る。
または、上記徐冷方法として、基板を有機液体中から気体雰囲気中に出した後、基板を加熱するエネルギーを徐々に減じて断つことにより行なうようにしてもよい。
好ましくは、触媒は酸化コバルト超微粒子であり、酸化コバルト微粒子の酸化度は、コバルトの内殻電子の結合エネルギーが正方向に１ｅＶから３ｅＶの範囲でシフトする酸化度である。
合成したカーボンナノチューブのラマンスペクトルにおいて、好ましくは、１５８０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度は、１３５０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度よりも２倍以上大きい。
【００１９】
上記方法によれば下記のように作用する。固液界面接触分解法によるカーボンナノチューブの合成時においては、通電加熱等の手段により基板を加熱するエネルギーを供給しているので、基板温度は５００〜１０００℃の高温に保持されており、基板上に成長するカーボンナノチューブも基板温度に近い高温に保持されており、一方、基板を取り巻く有機液体は沸点温度（例えば、有機液体がメタノールの場合、６４．７℃）以下の低温に保持されている。
従来法の固液界面接触分解法において合成反応を停止する際には、基板を有機液体中に保持したまま、基板の通電電流を断つ等の方法により基板を加熱するエネルギーを断ち、十分有機液体中で冷却してから取り出していた。基板及び基板上に成長したカーボンナノチューブは熱伝導率の高い有機液体に接触しているので、基板を加熱するエネルギーを断つと、基板及び基板上に成長したカーボンナノチューブは、５００〜１０００℃の高温から、有機液体の沸点温度まで急冷され、また、基板（例えばＳｉ基板）とカーボンナノチューブとでは有機液体に対する熱伝導率や熱容量が異なるので、冷却中に基板とカーボンナノチューブとの間に大きな温度差が生じ、基板（例えばＳｉ基板）とカーボンナノチューブとの間に熱収縮量に大きな差異が生じて、基板に垂直に配向して成長したカーボンナノチューブの配向方向を変化させてしまうような大きな熱ストレスが基板とカーボンナノチューブとの間に発生する。このために、従来の固液界面接触分解法は、配向性に関する再現性が低かったと考えられる。
【００２０】
これに対し、本発明の方法によれば、基板を加熱するエネルギーを断ち、素早く低温且つ熱伝導率の大きい有機液体中から基板を取り出して、熱伝導率が小さい気体中に保持する。したがって、基板とカーボンナノチューブとは熱平衡状態に近い状態が維持され、冷却中に基板とカーボンナノチューブとの間に大きな温度差が生じず、基板とカーボンナノチューブとの間に大きな熱収縮量の違いが生じることが無く、基板に垂直に配向して成長したカーボンナノチューブの配向方向を変化させてしまうような大きな熱ストレスが基板とカーボンナノチューブとの間に発生しない。特に、基板が有機液体の液面に対して平行に配置されるので、基板が均一に徐冷される。このため、配向性に関する再現性が高くなる。低温且つ熱伝導率の大きい有機液体中から基板を取り出してから、基板を加熱するエネルギーを断ち、徐冷する、あるいは、低温且つ熱伝導率の大きい有機液体中から基板を取り出してから、基板を加熱するエネルギーを徐々に減じて断ち、徐冷しても同様な効果が生じるので、配向性に関する再現性が高くなる。
【００２１】
上記第１の目的を達成するため、本発明のカーボンナノチューブの第２の製造方法は、導電性基板上にコバルト薄膜を形成し、コバルト薄膜を熱酸化処理することにより、導電性基板上に酸化コバルト超微粒子を形成してカーボンナノチューブ合成用基板を得る第１工程と、固液界面接触分解法により、アルコール類からなる有機液体中で、低温の基板温度で合成する第１の合成過程と高温の基板温度で合成する第２の合成過程とを経て、カーボンナノチューブ合成用基板上にカーボンナノチューブを合成する第２工程と、この第２工程を停止する際に、カーボンナノチューブ合成用基板を徐冷する第３工程と、を含み、基板を有機液体の液面に対して平行に配置することを特徴とする。
【００２２】
上記第１工程において、好ましくは、導電性基板上に膜厚１０ｎｍ以下のコバルト薄膜を形成し、このコバルト薄膜を空気中で、８００℃から１０００℃の温度範囲で５分から２０分の時間範囲で熱酸化処理する。第１の合成過程の基板温度は５００℃以上７００℃以下の範囲が好ましく、第２の合成過程の基板温度は７５０℃以上１１００℃以下の範囲が好ましい。第１の合成過程の合成時間は、１０秒以上３分以下が好ましい。
第３工程では、好ましくは、第２工程を停止する際に、カーボンナノチューブ合成用基板を加熱するエネルギーを断ち、所定の時間内にこの基板を有機液体中から気体雰囲気中に出し、気体雰囲気中で保持する。有機液体がアルコール類である場合には、所定の時間とは、好ましくは１０秒以下である。
【００２３】
第３工程において、第２工程を停止する際に、カーボンナノチューブ合成用基板を有機液体中から気体雰囲気中に出し、所定の時間内にこの基板を加熱するエネルギーを断ち、気体雰囲気中で保持するようにしてもよい。所定の時間は、有機液体がアルコール類である場合には１０秒以下とするのが好ましい。
第３工程において、第２工程を停止する際に、カーボンナノチューブ合成用基板を有機液体中から気体雰囲気中に出し、この基板を加熱するエネルギーを徐々に減じて断つようにしてもよい。
【００２４】
上記第２の目的を達成するため、本発明のカーボンナノチューブの合成装置は有機液体中で、遷移金属又は遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板を加熱して基板上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解合成装置において、基板を有機液体の液面に対して平行に配置する基板ホルダーと、所定の時間内に基板を有機液体中から気体雰囲気中に取り出す基板ホルダー移動部と、を具備したことを特徴とする。
この装置によれば、素早く低温且つ熱伝導率の大きい有機液体中から、カーボンナノチューブが成長した基板を取り出せるので、基板に垂直に配向したカーボンナノチューブを再現性良く合成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のカーボンナノチューブの合成方法によれば、カーボンナノチューブの炭素の格子配列の乱れや炭素の空孔等の格子欠陥が少ない、すなわち、結晶性の良いカーボンナノチューブを合成することができる。
【００２６】
本発明のカーボンナノチューブの合成装置によれば、基板に垂直に配向したカーボンナノチューブを再現性良く合成でき、また、電子放出効率が高い電子放出素子を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
初めに、本発明に用いる高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板を説明する。
図１は、本発明に用いる高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板の構成を示しており、（ａ）は基体が単一の材料からなる場合を、（ｂ）は基体が複数の材料からなる場合を示す。
図１（ａ）に示すように、本発明に用いる高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板１は、基体２と、基体２上に略均一に分布させた略同一の粒径を有する酸化コバルト超微粒子３とからなる。基体２はシリコン基板又はダイヤモンド基板である。
酸化コバルト超微粒子３は、酸化度が、コバルトの内殻電子の結合エネルギー（ｂｉｎｄｉｎｇ  ｅｎｅｒｇｙ）が正方向に１ｅＶから３ｅＶの範囲でシフトすることが好ましい。コバルトの内殻電子の結合エネルギーのシフトが１ｅＶ未満では、カーボンナノチューブの径のばらつきや分布のばらつきが生じやすくなり、高密度・高配向カーボンナノチューブを再現性良く合成できない。また、コバルトの内殻電子の結合エネルギーのシフトが３ｅＶを越えると、酸化コバルト超微粒子の触媒能力が失われ、カーボンナノチューブが成長しなくなる。好ましい酸化コバルト超微粒子の粒径は１０ｎｍ以下である。
図１（ｂ）は基体が複数の材料からなる場合の例である。この合成用基板１は、基板４と、基板４上に積層したシリコン膜５又はダイヤモンド膜５とからなる基体６と、基体６上に略均一に分布させた略同一の粒径を有する酸化コバルト超微粒子３とからなる。酸化コバルト超微粒子３の好ましい酸化度及び粒径は、図１（ａ）の説明と同様である。基体４には、ガラス基板、半導体基板、酸化物基板或いは金属基板等の低コストの基板が使用できる。ダイヤモンド膜５は、多結晶ダイヤモンド膜、ナノ結晶ダイヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜又は単結晶ダイヤモンド膜のいずれであっても良い。ダイヤモンド膜を使用した場合には、カーボンナノチューブと基板との接合部分の炭素間に、カーボンナノチューブのｓｐ2 混成軌道とダイヤモンドのｓｐ3 混成軌道とが混成した混成軌道が形成され、カーボンナノチューブが基板に強固に結合する。
【００２８】
次に、本発明に用いる高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板の製造方法を説明する。図２は本発明に用いる高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板の製造方法を示す工程図である。この図は酸化コバルトを空気中で熱酸化する場合を示しているが、空気中でなくても酸化性雰囲気中であればよい。また、図２では、基体がシリコン又はダイヤモンドの場合を示しているが、ガラス基板、半導体基板、金属基板又は酸化物基板上にシリコン膜又はダイヤモンド膜を積層した基体であっても同様である。
図２（ａ）に示すように、シリコン基体２又はダイヤモンド基体２上に、コバルト薄膜７を積層する。積層方法は、真空蒸着、ＣＶＤ（化学気相成長法）、スパッタリング等の周知の成膜方法のいずれでもよい。膜厚は、数十ｎｍであれば可能であるが、高密度にカーボンナノチューブを合成する場合には、１０ｎｍ以下が好ましい。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、空気中で所定の温度、時間で熱酸化すると、略粒径が同一の酸化コバルト超微粒子３が生成され、基体２上に略均一に分布する。温度と時間は、コバルトを、コバルトの内殻電子の結合エネルギーが正方向に１ｅＶから３ｅＶの範囲でシフトする酸化度で熱酸化するための条件であり、雰囲気が空気であり、コバルト薄膜の膜厚が約１０ｎｍ以下の場合、８００℃から１０００℃の温度範囲で、且つ、５分から２０分の時間範囲で酸化すれば、上記の酸化度が得られる。コバルトの内殻電子の結合エネルギーのシフトが１ｅＶ未満の低い酸化度の場合には、カーボンナノチューブの径のばらつきや分布のばらつきが生じやすくなり、高密度・高配向カーボンナノチューブを再現性良く合成できない。コバルトの内殻電子の結合エネルギーのシフトが３ｅＶを越える大きな酸化度の場合には、酸化コバルト超微粒子の触媒能力が失われ、カーボンナノチューブが成長しなくなる。
【００３０】
また、多結晶ダイヤモンド膜、ナノ結晶ダイヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜又は単結晶ダイヤモンド膜は、原料ガスとして水素及び炭化水素ガスを用いた化学気相成長法又はプラズマ化学気相成長法により、ガラス基板、半導体基板、金属基板又は酸化物基板上に合成できる（非特許文献１参照）。
【００３１】
次に、本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板を用いたカーボンナノチューブの合成方法を説明する。
有機液体中の固液界面接触分解法を用いてカーボンナノチューブを合成する場合は、後述する図１１で説明する装置を用い、メタノールやエタノール等の有機液体を原料とし、図の基板ホルダーに本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板を配置し、基板に電流を流して基板を９００℃から４００℃の温度範囲に所定の時間保持すればよい。保持する時間は、必要とするカーボンナノチューブの長さによって選択する。また、カーボンナノチューブの合成中の温度を９００℃以下に保持すれば、熱化学気相成長法又はプラズマ化学気相成長法であっても良い（特許文献２参照）。
【００３２】
次に、本発明の合成方法で得られる高密度・高配向カーボンナノチューブを説明する。
図３は、本発明の合成方法で得られる高密度・高配向カーボンナノチューブの構成を示す図である。本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブ１０は、上記図１で示した本発明に用いる高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板１と、基板１に垂直に且つ高密度に成長した高密度・高配向カーボンナノチューブ１１とから構成される。
この高密度・高配向カーボンナノチューブ１１は、上述した低コストの基板１と低コストの合成方法により合成でき、また、従来にない高密度、即ち、従来の有機液体中の固液界面接触分解法（特許文献１参照）を用いて合成した高密度・高配向カーボンナノチューブに較べて、約２倍から３倍の密度を有しているので、電子放出素子、電気二重層キャパシタの電極あるいは燃料電池の電極といった高密度・高配向カーボンナノチューブを用いるデバイスの性能を低コストで向上させることができる。
【００３３】
カーボンナノチューブの応用は、上記のデバイスに限らず各種の技術分野に応用可能であり、各種の技術分野で応用研究や実用化研究が進められているが、本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブは低コストで製造でき、さらに各技術分野で共通に使用できる形態、すなわち、基板に高密度で垂直に配列した形態を有するので、カーボンナノチューブを必要とする各種の応用研究や実用化研究で利便性良く使用することができ、各種の応用研究や実用化研究を促進できる。
【実施例１】
【００３４】
次に、実施例１を説明する。
基体として、ｎ型Ｓｉ（１００）面基板（比抵抗：０．００２６Ω・ｃｍ、サイズ：７×２２×０．５ｍｍ）を用いた。
初めに、この基板上にコバルト薄膜をマグネトロンスパッタリング法により約６ｎｍ堆積し、この基板を、空気中で９００℃、１０分間、熱酸化した。
次に、この基板を後述する図１１に示した装置を用いて、有機液体中の固液界面接触分解法によりカーボンナノチューブを合成した。
有機液体中の固液界面接触分解法の合成条件は以下の通りである。
原料有機液体：メタノール（純度：９９．９％、沸点：６４．７℃）
合成温度：６００℃
合成時間：５分
【００３５】
図４は、空気中で９００℃、１０分間の熱処理を行なう前のコバルト薄膜と、この熱処理によって形成された酸化コバルト超微粒子のＸ線光電子スペクトルを示す図である。測定装置はＸＰＳ（Ｘ線励起電子分光）装置を用いた。横軸はｅＶで表した結合エネルギーを表し、縦軸は光電子の強度（ｃｐｓ）を示す。図中、ａで示したグラフは熱処理前のコバルト薄膜のＸ線光電子スペクトルを示し、ｂで示したグラフは熱処理によって形成された酸化コバルト超微粒子のＸ線光電子スペクトルを示す。なお、比較しやすいように、ｂのグラフは強度の０レベルをずらして表示している。また、図の下方に示したグラフはシリコン基板のバックグラウンドレベルを示している。
図４から、合成軌道角運動量が２Ｐで合成全角運動量が３／２のコバルト内殻電子のピークＰ１、及び、合成軌道角運動量が２Ｐで合成全角運動量が１／２のコバルト内殻電子のピークＰ２は、それぞれのピーク位置及びピーク強度が熱処理の前後で変化していることが分かる。つまり、熱処理の前後で結合エネルギーの正方向に約２ｅＶずれると共に、ピーク強度が低下していることがわかる。なお、図には示さないが、ピークのずれが１ｅＶ未満であると、合成したカーボンナノチューブの径がばらついたり、密度が減少する現象が生じやすくなった。また、図には示さないがピークのずれが３ｅＶを越えるとカーボンナノチューブが合成されなかった。
【００３６】
これらの結果から、コバルト薄膜を９００℃の高温で熱酸化することにより、極めて粒径の小さい酸化コバルト超微粒子が生成され、基板表面に均一に分布すると共に、酸化することによってコバルトとシリコンとの反応性が弱まり、シリコン表面での酸化コバルト超微粒子同士の凝集が抑制され、或いは酸化コバルト超微粒子のシリコン中への沈み込みが抑制されると考えられる。また、酸化度が大きくなり過ぎると、酸化コバルト超微粒子の触媒活性が失われて、カーボンナノチューブの合成反応が生じなくなると考えられる。カーボンナノチューブを合成する際の基板温度が９００℃を越えると、再現性よく高密度・高配向のカーボンナノチューブを合成できなくなることから、９００℃以上では酸化コバルトとシリコンとの反応性が無視できなくなり、酸化コバルト超微粒子同士の凝集や、基体への沈み込みが生じやすくなるためと考えられる。
【００３７】
図５は、上記条件で合成した高密度・高配向カーボンナノチューブの断面を示すＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。基板を劈開し、基板面に対し斜め上方より測定した像である。図に示すように、シリコン基板１２に垂直に、且つ、極めて高密度にカーボンナノチューブ１１が成長していることがわかる。従来の有機液体中の固液界面接触分解法によって合成した高密度・高配向カーボンナノチューブを示した図１９と較べると、カーボンナノチューブの密度は、約２倍から３倍大きいことがわかる。
図６は、図５と同一の条件で、日を改めて合成した本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブの断面を示すＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。
図６と図５を較べると、カーボンナノチューブの密度及び配向性は全く同等であることがわかる。この結果から、本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板を用いれば、再現性良く、高密度・高配向のカーボンナノチューブを合成できることが理解される。
【００３８】
次に、本発明によるカーボンナノチューブの合成方法を説明する。
図７は、本発明の方法によって合成されるカーボンナノチューブの形状と結晶性を模式的に示す図である。図において、（ａ），（ｂ）はそれぞれ、第１の合成過程において、基板温度を５００〜７００℃の低温にして合成した場合と、基板温度を７００℃を越える高温にして合成した場合のカーボンナノチューブの形状を模式的に示し、（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、第１の合成過程のみで合成した場合と、第１の合成過程と第２の合成過程から合成した場合のカーボンナノチューブの結晶性を、多層カーボンナノチューブの断面を表す線で模式的に示し、この線の不連続部分は炭素の格子配列の乱れや炭素の空孔等の格子欠陥を模式的に示している。なお、本発明の方法は後述する図１１の本発明の合成装置を用いても又は図１８に示す従来の合成装置を用いても合成できる。図１８も参照して説明する。
【００３９】
初めに、導電性のシリコン基板やダイヤモンド基板上にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属からなる触媒金属薄膜を積層し、この基板を水素プラズマに晒すことによって、或いは熱酸化することによって、基板上に高密度に分布した触媒微粒子を担持させる。
【００４０】
次に、アルコール類の有機液体を充填した後述する図１１又は図１８に示したものと同様の合成装置に、上記カーボンナノチューブ合成用の基板３３を基板ホルダー３５に保持し、基板ホルダー３５を介して基板３３に電流を流して第１の合成過程の基板温度に加熱する。この際、基板温度が５００〜７００℃であれば、図７（ａ）に示したように、基板３３に垂直に配向した繊維状のカーボンナノチューブ１３が成長するが、７００℃を越えると、図７（ｂ）に示したように粒子状のカーボンナノチューブ１４が成長するので、７００℃以下にすることが好ましい。また、第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブは、図７（ｃ）に示すような結晶不完全性を有している。
【００４１】
次に、基板３３に流す電流を変えて第２の合成過程の基板温度に加熱し、第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブに連続してカーボンナノチューブを成長させる。この際、基板温度が７５０℃以上１１００℃以下の範囲であれば、図７（ｄ）に示すように、結晶性に優れたカーボンナノチューブが成長する。７５０℃未満では、連続して成長したカーボンナノチューブは図７（ｃ）に示すような結晶不完全性を有している。また、１１００℃を越えると、連続して成長したカーボンナノチューブは基板に垂直に配向しなくなる。
【００４２】
第１の合成過程によるカーボンナノチューブ１は結晶性が十分でないので、できるだけ短いことが好ましいが、第１の合成過程の合成時間が１０秒以上であれば、第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブ１に連続して、第２の合成過程により、カーボンナノチューブを成長させることができる。１０秒未満であると、第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブに連続して、第２の合成過程によりカーボンナノチューブを成長させることができない。
【実施例２】
【００４３】
本発明のカーボンナノチューブの合成方法の実施例２を説明する。
初めに、導電性シリコン基板上に、７Ｐａのアルゴン（Ａｒ）雰囲気中でコバルト・ターゲットを放電電流３５ｍＡで３分、スパッタすることによりコバルト薄膜を５ｎｍ堆積した。
次に、上記基板を熱酸化して、酸化コバルト超微粒子が担持された導電性シリコン基板を作製した。熱酸化条件は、空気中通電加熱、９００℃、１５分である。この熱酸化工程は、上記図２で説明した方法であり、高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板を作製するに際して、シリコン又はダイヤモンドの基体上にコバルト膜を堆積するか、又は、ガラス基板、半導体基板、金属基板又は酸化物基板上に積層したシリコン膜又はダイヤモンド膜からなる基体上にコバルト薄膜を堆積し、堆積したコバルト薄膜をコバルトの内殻電子の結合エネルギーが正方向に１ｅＶから３ｅＶの範囲でシフトする酸化度で熱酸化することを特徴としており、空気中で、８００℃から１０００℃の温度範囲で、且つ、５分から２０分の時間範囲で熱酸化を行っている。
この熱酸化工程によれば、極めて粒径の小さい酸化コバルト超微粒子が生成され、基板表面に均一に分布すると共に、酸化することによってコバルトとシリコンとの反応性が弱まり、シリコン表面での酸化コバルト超微粒子同士の凝集が抑制されたり、或いは、酸化コバルト超微粒子のシリコン中への沈み込みが抑制されたりするので、高密度且つ高配向のカーボンナノチューブが得られる。また、この熱酸化工程によれば、コバルトの酸化度が適切であり、酸化コバルト超微粒子の触媒活性が失われることが無く、カーボンナノチューブの合成反応が生じる。
【００４４】
次に、図１１に示した合成装置を用いて、本発明の方法によりカーボンナノチューブを合成した。以下に合成条件を示す。
原料有機液体：メタノール（純度９９．９％、沸点６４．７℃）
第１の合成過程：基板温度６００℃、合成時間１分
第２の合成過程：基板温度９００℃、合成時間５分
なお、比較試料として、基板温度７００℃、合成時間６分で、従来法によるカーボンナノチューブを合成した。
【００４５】
図８に実施例２で合成したカーボンナノチューブのラマン分光分析結果を示す。図において横軸はラマンシフト量を示し、縦軸はラマン分光強度を示している。図８中、「ａ」で示したグラフは本発明の方法によるカーボンナノチューブのラマンスペクトルであり、「ｂ」で示したグラフは従来法によるカーボンナノチューブのラマンスペクトルである。図８において、「Ｄ」で示した１５８０ｃｍ-1のピークは、Ｄバンドと呼ばれ、ｓｐ2 混成軌道から構成された格子の格子振動に基づくラマン散乱強度であり、この強度が大きいほどｓｐ2 混成軌道に基づく格子の完全性が高い、すなわち、カーボンナノチューブを構成するグラフェンシート中に、炭素格子の周期性の乱れや炭素の空孔が少ないことを示している。「Ｇ」で示した１３５０ｃｍ-1のピークは、Ｇバンドと呼ばれ、ｓｐ3 混成軌道から構成された格子の格子振動に基づくラマン散乱強度である。
図８から、本発明の方法によるカーボンナノチューブのＤバンドのＧバンドに対する比は、従来法によるカーボンナノチューブのＤバンドのＧバンドに対する比よりも、約３倍大きくなっていることがわかる。このことから、本発明の方法によれば、従来法に比し結晶性の高いカーボンナノチューブを合成できることが分かる。
【実施例３】
【００４６】
次に、本発明の合成方法で得られるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の実施例３を説明する。
上記本発明のカーボンナノチューブの合成方法の実施例で作製した、本発明法によるカーボンナノチューブと従来法によるカーボンナノチューブとを用いて、電子放出素子の電子放出効率を比較した。
図９は、電子放出効率の測定に用いた、素子構造及び測定回路を示す図である。カーボンナノチューブ２０が成長した導電性Ｓｉ基板２１を、スペーサ２２を介して、透明電極ＩＴＯ（インジウム・スズ・酸化膜）２３ａを蒸着したガラス基板２３に対向させ、基板２１と透明電極２３ａとの間に電圧を印加し、基板２１と透明電極２３ａとの間に流れる電流を印加電圧の関数として測定した。カーボンナノチューブ２０の先端と透明電極２３ａとの距離ｇは１００μｍ、カーボンナノチューブ２０の存在する基板２１上の領域は一辺ｄが３ｍｍの正方形領域である。
【００４７】
図１０は、本発明の方法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子と、従来法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出特性を示す図である。横軸は基板と透明電極との間に印加した電圧を示し、縦軸は基板と透明電極との間に流れる電流を示しており、図中、「Ａ」は本発明の方法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出特性を、また「Ｂ」は従来法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出特性を示す。
図１０から明らかなように、本発明の方法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出効率は、従来法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出効率と較べて極めて高い。例えば、印加電圧３５０ボルトで比較すれば、本発明の方法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出効率は、従来法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出効率と較べて約２×１０７ 倍高いことがわかる。この効果は、本発明の方法によるカーボンナノチューブが、従来法によるカーボンナノチューブと較べて、結晶性が極めて高いために生じたものである。
【００４８】
本発明のカーボンナノチューブの合成方法に用いる本発明の装置を説明する。
図１１は、本発明のカーボンナノチューブの合成装置の構成を示す概略断面図である。本発明の装置は、図１８に示した従来の固液界面接触分解合成装置に所定の時間内に基板を有機液体中から気体雰囲気中に取り出す装置を付加したものである。従って、図１８と共通の部材には同一の符号を付し、また、その説明は省略する。
本発明のカーボンナノチューブ合成装置４０は、導電性のカーボンナノチューブ合成用の基板３３を保持し、かつ、基板３３に電流を流すための基板ホルダー４２及び４３を有し、基板ホルダー４２及び４３の下部には電極４７，４８が設けられている。基板３３は、電極４７，４８により保持され、基板３３は、有機液体３０の液面に対して平行に配置されるようになっている。基板ホルダー４２の垂直部は蓋３９の上に配置された基板ホルダー移動部４５に接続されており、基板ホルダー移動部４５は所望の速度で基板ホルダー４２を移動、本例の場合は上下動させる機能を有している。基板ホルダー移動部４５は、例えばパルスモーターとパルスモーターの回転を基板ホルダー４２の上下動に変換する歯車装置とを少なくとも有し、パルスモーターに印加するパルス間隔を制御して所望の速度で基板ホルダー４２を上下動させる。基板ホルダー４２，４３は、図１１（ｂ）に示すように、基板ホルダー４２，４３及び基板３３が有機液体３０から出して吊り下げられる長さを有している。また、液体槽３１は、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、基板ホルダー４２，４３に保持された基板３３を、完全に有機液体３０中に沈めることができ、且つ、完全に有機液体３０から出すことができる形状を有している。基板ホルダー移動部４５の制御速度範囲は有機液体３０がアルコール類である場合は、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）の状態にするのに要する時間が１０秒以下となる制御速度範囲が好ましい。
なお、本発明において、基板３３等に形成する触媒となる酸化コバルト微粒子３は、基板３３の片面又は両面の何れに形成してもよい。つまり、カーボンナノチューブ１１の成長面は、触媒が形成される触媒面としては基板３３の片面又は両面の何れでもよい。
【００４９】
次に、本発明の合成装置４０を用いて、本発明のカーボンナノチューブの合成方法を説明する。なお、本発明の方法は、徐冷工程及び基板３３を有機液体３０の液面に対して平行に配置する点を除いて、特許文献１に記述される従来の固液界面接触分解合成法と同一であるので、同一部分の詳細な説明は省略する。
図１２は、合成されたカーボンナノチューブ１１の配向状態の模式図で、（ａ）は基板３３面に垂直に配向している場合、（ｂ）は配向が乱れた状態を示している。
導電性のシリコン基板やダイヤモンド基板上にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属薄膜を積層し、この基板を水素プラズマに晒すことによって、或いは、遷移金属薄膜を熱酸化することによって、基板上に高密度に分布した触媒微粒子を担持させる。この基板３３を基板ホルダー４２と４３の間に保持し、図１１（ａ）に示すように、有機液体３０中に沈め、電極４７，４８間に電流を流して、カーボンナノチューブの合成反応が生じる温度に基板３３を加熱し所定の時間保持する。
合成反応を停止する際には、以下に説明する３つの徐冷工程が可能である。
【００５０】
初めに、第１の徐冷工程を説明する。
電極４７，４８間の電流を遮断し、基板ホルダー移動部４５を駆動して、図１１（ｂ）に示すように、所定の時間内に、電極４７及び電極４８に保持された基板３３を有機液体３０から出し、有機液体の気体雰囲気４６中に保持し、基板温度が１００℃以下の温度になるまでこの状態を保持する。所定の時間は、有機液体がアルコール類の場合には１０秒以下が好ましい。１０秒以下であれば、図１２（ａ）に示すような、基板に垂直に配向したカーボンナノチューブが再現性良く得られる。１０秒を越えると、基板に垂直に配向したカーボンナノチューブが再現性よく得られず、数回に１回は、図１２（ｂ）に示すような配向が乱れたカーボンナノチューブが合成される。
【００５１】
次に、第２の徐冷工程を説明する。
基板ホルダー移動部４５を駆動して、図１１（ｂ）に示すように、基板ホルダー４２，４３及び電極４７，４８に保持された基板３３を有機液体３０から出し、有機液体の気体雰囲気４６中に保持し、所定の時間内に電極４７，４８間の電流を遮断し、基板温度が１００℃以下の温度になるまでこの状態を保持する。所定の時間は、有機液体がアルコール類の場合には１０秒以下が好ましい。１０秒以下であれば、図１２（ａ）に示すような、基板３３に垂直に配向したカーボンナノチューブ１１が再現性良く得られる。１０秒を越えると、基板に垂直に配向したカーボンナノチューブが再現性よく得られず、数回に１回は、図１２（ｂ）に示すような配向が乱れたカーボンナノチューブ１１が合成される。
【００５２】
次に、第３の徐冷工程を説明する。
基板ホルダー移動部４５を駆動して、図１１（ｂ）に示すように、基板ホルダー４２，４３及び電極４７，４８に保持された基板３３を有機液体３０から出し、有機液体の気体雰囲気４６中に保持し、所定の時間内に、基板ホルダー４２，４３及び電極４７，４８に保持された基板３３を有機液体３０から出し、電極４７，４８間の電流を徐々に減少させて遮断する。所定の時間は、有機液体がアルコール類の場合には１０秒以下が好ましい。１０秒以下であれば、図１２（ａ）に示すような、基板３３に垂直に配向したカーボンナノチューブ１１が再現性良く得られる。１０秒を越えると、基板３３に垂直に配向したカーボンナノチューブが再現性よく得られず、数回に１回は、図１２（ｂ）に示すような配向が乱れたカーボンナノチューブ１１が合成される。
【００５３】
上記徐冷工程において、基板３３を有機液体３０の液面と平行に設置することで、基板３３全体を同時に有機液体３０から取り出すことができ、気体雰囲気４６に曝すことができる。したがって、基板３３全体を、経時差や温度分布がない状態で均一に徐冷でき、カーボンナノチューブ１１を基板３３内に合成する際の均一性や配向性をより一層向上させることができる。
【００５４】
次に、電子デバイスとして、本発明で合成したカーボンナノチューブを用いた電子放出素子を説明する。
図１３は、本発明で合成したカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の構成を示す模式図である。カーボンナノチューブを用いた電子放出素子５０は、導電性基板５１上に本発明の方法により合成したカーボンナノチューブ１１と、カーボンナノチューブ１１の上方に設けたアノード電極５３とからなり、導電性基板５１とアノード電極５３との間に電圧を印加して、カーボンナノチューブ１１の先端１１ａから電子を放出する。この構成によれば、カーボンナノチューブ１１が導電性基板５１の表面に垂直に配向しているので電子放出効率が高い。
【実施例４】
【００５５】
以下、本発明の実施例４を説明する。
初めに、導電性シリコン基板上に、７Ｐａのアルゴン（Ａｒ）雰囲気中でコバルト・ターゲットを放電電流３５ｍＡで３分、スパッタすることによりコバルト薄膜を５ｎｍ堆積した。
次に、上記基板を熱酸化することにより、酸化コバルト超微粒子が担持された導電性シリコン基板を作製した。熱酸化条件は、空気中通電加熱、９００℃、１５分である。この熱酸化工程は上記図２で説明した方法である。この発明は、高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板を作製するに際して、シリコン又はダイヤモンドの基体上にコバルト膜を堆積するか、又は、ガラス基板、半導体基板、金属基板又は酸化物基板上に積層したシリコン膜又はダイヤモンド膜からなる基体上にコバルト薄膜を堆積し、堆積したコバルト薄膜をコバルトの内殻電子の結合エネルギーが正方向に１ｅＶから３ｅＶの範囲でシフトする酸化度で熱酸化することを特徴としており、空気中で、８００℃から１０００℃の温度範囲で、且つ、５分から２０分の時間範囲で熱酸化を行っている。
この熱酸化工程によれば、粒径が極めて小さい酸化コバルト超微粒子が生成され、基板表面に均一に分布すると共に、酸化することによってコバルトとシリコンとの反応性が弱まり、シリコン表面での酸化コバルト超微粒子同士の凝集が抑制され、或いは、酸化コバルト超微粒子のシリコン中への沈み込みが抑制されるので、高密度且つ高配向のカーボンナノチューブが得られる。また、この熱酸化工程によれば、コバルトの酸化度が適切であり、酸化コバルト超微粒子の触媒活性が失われることが無く、カーボンナノチューブの合成反応が生じる。
【００５６】
次に、図１１に示した合成装置を用いて、第１の徐冷工程による本発明の方法により、カーボンナノチューブを合成した。以下に合成条件を示す。
原料有機液体：メタノール（純度９９．９％、沸点６４．７℃）
カーボンナノチューブ合成条件：基板温度６００℃、合成時間５分。
徐冷工程条件：電流を断ってから１０秒で有機液体から出し、有機液体の気体雰囲気中に３０分保持。
なお、従来法と比較するため、カーボンナノチューブ合成条件は同一であるが、メタノールの沸点温度に下がるまで有機液体中に保持した比較試料を作製した。また、上記の実験を複数回繰り返した。
【００５７】
図１４は、実施例４で合成したカーボンナノチューブのＳＥＭ像を示し、（ａ）は基板面に垂直に配向したカーボンナノチューブを示すＳＥＭ像、（ｂ）は配向が乱れたカーボンナノチューブを示すＳＥＭ像である。
複数回繰り返して作製した本発明の方法による全ての試料については、全て（ａ）のＳＥＭ像を示したが、従来法による試料については（ｂ）のＳＥＭ像を示すものが含まれていた。このことから、本発明の方法によれば、徐冷工程において、基板３３を有機液体３０の液面と平行に設置することで、基板３３全体を同時に有機液体３０から抜け出し、気体雰囲気４６に曝すことができる。したがって、基板３３全体を、経時差や温度分布がない状態で均一に徐冷でき、カーボンナノチューブを基板３３内に合成する際の均一性や配向性をより一層向上させることができる。このため、再現性よく、基板３３に垂直に配向したカーボンナノチューブが合成できることが分かる。
【００５８】
本発明のカーボンナノチューブを用いた電子放出素子について説明する。
図１５は本発明のカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の構成を示す模式図である。図１５に示すように、本発明の電子放出素子６０は、導電性基板６２と、導電性基板６２上に形成した触媒微粒子６３と、触媒微粒子６３上に形成され導電性基板６２に対して垂直方向に配向したカーボンナノチューブ６４と、カーボンナノチューブ６４の上方に設けたアノード電極６５とから構成されている。導電性基板６２とアノード電極６５との間には、図示しない絶縁材料からなるスペーサが挿入されており、導電性基板６２とアノード電極６５との間隔を一定の厚さに保持している。電子放出素子６０は、導電性基板６２とアノード電極６５との間に電源６６から電圧が印加され、カーボンナノチューブ６４の先端６４ａから電子が放出される。
【００５９】
導電性基板６２が単一の材料からなる場合は、好ましくは、導電性シリコン基板又は導電性ダイヤモンド基板である。より好ましくは導電性シリコン基板である。
【００６０】
図１６は、複数の材料からなる導電性基板を示す概略図である。図１６に示されるように、複数の材料からなる導電性基板６２は、基板６２ａ上に導電性の膜６２ｂを積層して構成される。基板６２ａとして、ガラス基板、半導体基板、酸化物基板又は金属基板等が使用できる。導電性の膜６２ｂとしてシリコン膜又はダイヤモンド膜が使用できる。このダイヤモンド膜は、多結晶ダイヤモンド、ナノ結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン又は単結晶ダイヤモンドの何れかを材料とすることができる。ダイヤモンド膜を使用した場合には、カーボンナノチューブと基板との接合部分の炭素間に、カーボンナノチューブのｓｐ2 混成軌道とダイヤモンドのｓｐ3 混成軌道とが混成した混成軌道が形成され、カーボンナノチューブが基板に強固に結合する。
【００６１】
上記多結晶ダイヤモンド膜、ナノ結晶ダイヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜又は単結晶ダイヤモンド膜は、原料ガスとして水素及び炭化水素ガスを用いた化学気相成長法又はプラズマ化学気相成長法により、ガラス基板、半導体基板、金属基板又は酸化物基板上に合成することができる（非特許文献１参照）。
【００６２】
触媒微粒子６３は、酸化コバルト超微粒子からなるものである。酸化コバルト超微粒子の粒径は、好ましくは、１０ｎｍ以下である。この酸化コバルト超微粒子は、好ましくは、後述する熱酸化工程によって得られるものである。熱酸化工程によれば、極めて粒径の小さい酸化コバルト超微粒子が生成され、導電性基板６２の表面に均一に分布すると共に、酸化することによってコバルトと導電性基板６２との反応性が弱まる。その結果、導電性基板６２の表面に分布する酸化コバルト超微粒子同士の凝集が抑制されたり、或いは、酸化コバルト超微粒子の導電性基板６２中への沈み込みが抑制されるので、高密度且つ高配向のカーボンナノチューブが得られる。
【００６３】
カーボンナノチューブ６４は、後述する本発明の固液界面接触分解法により合成でき、非晶質カーボン等のカーボン生成物を含まないで、かつ、結晶性が非常に高いという特徴を有している。結晶の完全性が高い尺度としては、カーボンナノチューブ６４のラマン散乱スペクトルにおいて、１５８０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度が最も大きいことが挙げられる。この１５８０ｃｍ-1近傍のラマン散乱はカーボンのｓｐ2 混成軌道から構成された格子の格子振動に基づくラマン散乱である。１５８０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度が最も大きければ、カーボンのｓｐ2 混成軌道に基づく格子の完全性が高い、すなわち、カーボンナノチューブ６４を構成するグラフェンシート中に、炭素格子の周期性の乱れや炭素の空孔が少ないことを示す。
【００６４】
本発明のカーボンナノチューブ６４のラマン散乱スペクトルにおいて、好ましくは、１５８０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度が、１３５０ｃｍ-1近傍のラマン散乱強度よりも２倍以上大きい。この関係を満たすカーボンナノチューブ６４は結晶性が従来よりも高く、このカーボンナノチューブ６４を有する電子放出素子６０の電子放出効率は高くなる。
【００６５】
本発明のカーボンナノチューブを用いた電子放出素子６０によれば、電子放出素子の駆動電圧を低減することができ、市販の低速電子線用の蛍光体を発光させる程度の電流値を得ることができる。しかも、本発明の電子放出素子６０はゲートが不要であるため、これを用いた面発光素子の構造を簡略化でき低コスト化が実現できる。カーボン材料は低真空領域でも酸化されないため、従来の電子放出素子を用いた発光素子よりもパネル化が容易でかつ長寿命化が図れる。
【００６６】
次に、本発明のカーボンナノチューブを用いた電子放出素子６０の製造方法について説明する。本発明のカーボンナノチューブの合成方法は、以下の工程を具備する。
第１工程では、導電性基板６２上にコバルト薄膜を形成し、コバルト薄膜を熱酸化処理することにより、カーボンナノチューブ合成用基板を製造する。
第２工程では、固液界面接触分解法により、アルコール類からなる有機液体中で、低温の基板温度で合成する第１の合成過程と、高温の基板温度で合成する第２の合成過程とを経て、カーボンナノチューブ合成用基板６２上にカーボンナノチューブ６４を合成する。
第３工程では、第２工程を停止する際にカーボンナノチューブ合成用基板６２を徐冷する。
【００６７】
第１工程について図２を参照しながら説明する。
図２（ａ）に示すように、導電性基板２上に、コバルト薄膜７を積層する。積層方法は、真空蒸着、ＣＶＤ（化学気相成長法）、スパッタリング等の周知の成膜方法の何れでも良い。膜厚は数十ｎｍであれば可能であるが、高密度にカーボンナノチューブを合成する場合には、１０ｎｍ以下が好ましい。
【００６８】
次に、図２（ｂ）に示すように、コバルト薄膜７が形成された導電性基板２を、空気中で所定の温度、所定の時間で熱酸化処理すると、導電性基板２上に酸化コバルト超微粒子３が、粒径をほぼ等しくして略均一に形成される。熱酸化処理を行う場合、空気中でなくても酸化性雰囲気中で行えば良い。コバルト薄膜７の膜厚が約１０ｎｍ以下の場合、空気雰囲気中で熱酸化処理を行う場合、処理温度は、好ましくは、８００〜１０００℃で、処理時間は、好ましくは、５〜２０分である。このように、処理時間及び処理温度を制御することにより、コバルト薄膜７を酸化コバルト超微粒子３とする酸化処理を施すことができる。この酸化コバルト超微粒子３の酸化度は、Ｘ線励起電子分光法で測定した場合には、コバルトの内殻電子の結合エネルギーが正方向に１ｅＶから３ｅＶの範囲でシフトする酸化度が好ましい。この結合エネルギーのシフトが１ｅＶ未満の低い酸化度の場合には、カーボンナノチューブの径のばらつきや分布のばらつきが生じやすくなり、高密度で高配向なカーボンナノチューブを再現性良く合成できない。逆に、結合エネルギーのシフトが３ｅＶを越える大きな酸化度の場合には、酸化コバルト超微粒子３の触媒能力が失われ、カーボンナノチューブが成長しなくなる。
【００６９】
図２では、単一の材料からなる導電性基板２に酸化コバルト超微粒子３を形成する場合を示しているが、図１６に示した複数の材料からなる導電性基板６２の場合は、導電性の膜６２ｂとしてコバルト膜を形成した後、熱酸化処理を行えばよい。図１（ｂ）と同様にして、導電性の膜６２ｂ上に酸化コバルト超微粒子６３を形成することができる。以上の方法により、カーボンナノチューブ合成用基板１が得られる。
【００７０】
次に、第２工程及び第３工程について、図１１を参照しながら説明する。
カーボンナノチューブ６４の合成時には、図１１（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ合成用基板３３が有機液体３０中に挿入される。合成が終了した場合には、図１１（ｂ）に示すように、上記基板ホルダー移動部４５によりカーボンナノチューブ合成用基板３３が有機液体３０から引き上げられ、気体雰囲気４６へ移動される。基板ホルダー４２，４３は、図１１（ｂ）に示すように、電極４７，４８及びカーボンナノチューブ合成用基板３３が有機液体３０から出して吊り下げられる長さを有している。液体槽３１は、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、電極４７，４８に保持されたカーボンナノチューブ合成用基板３３を、完全に有機液体３０中に沈めることができ、且つ、完全に有機液体３０から出すことができる形状を有している。基板ホルダー移動部４５の制御速度範囲は、有機液体３０がアルコール類である場合は、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）の状態への移行に要する時間が１０秒以下となる制御速度範囲が好ましい。
【００７１】
第２工程では、まず、液体槽３１に、アルコール類の有機液体３０を充填する。有機液体３０を充填する量は、カーボンナノチューブ合成用基板３３を有機液体３０に沈め得る程度の量でよい。カーボンナノチューブ合成用基板３３を電極４７，４８に保持し、図１１（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ合成用基板３３を有機液体３０に完全に沈めておく。
ここで、基板ホルダー電極４２，４３を介してカーボンナノチューブ合成用基板３３に電流を流して第１の合成過程の基板温度に加熱し、所定時間保持してカーボンナノチューブの第１の合成を行う。このとき基板温度を、好ましくは５００〜７００℃に設定する。基板温度が７００℃を越えると、粒子状のカーボンナノチューブが成長するので好ましくない。
【００７２】
第１の合成過程を行う時間は、第１の合成過程で得られるカーボンナノチューブの結晶性が十分でないのでできるだけ短いことが好ましいが、１０秒以上３分以下が好ましい。第１の合成過程を行う時間が１０秒以上であれば、第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブに連続して、第２の合成過程によりカーボンナノチューブを成長させることができる。１０秒未満であると、第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブに連続して、第２の合成過程によりカーボンナノチューブを成長することができなくなる。第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブは結晶性が低いので、第２の合成過程を行い、結晶性を高くする必要がある。
【００７３】
次に、カーボンナノチューブ合成用基板３３に流す電流を変えて第２の合成過程の基板温度に加熱し、第１の合成過程で成長したカーボンナノチューブに連続してカーボンナノチューブ６４を成長させる。このとき基板温度を、好ましくは、７５０〜１１００℃に設定する。基板温度が７５０℃未満であると、合成されるカーボンナノチューブの結晶性が低くなる。逆に、基板温度が１１００℃を越えると、連続して成長したカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ合成用基板３３に対して垂直に配向しなくなる。第２の合成過程を行う時間を長くすると、第２の合成過程を行う時間に比例してカーボンナノチューブ６４の長さ及び径が大きくなる。そのため、所望のカーボンナノチューブ６４の長さや径に応じて、第２の合成過程を行う時間を設定する。
【００７４】
基板温度を２段階に設定してカーボンナノチューブを合成したときの効果を、図７を用いて説明する。図７（ａ）に示すように、基板温度を２段階に分けて設定してカーボンナノチューブを合成すると、カーボンナノチューブ合成用基板３３上に垂直に配向した繊維状のカーボンナノチューブ１３が成長する。このようにして成長させたカーボンナノチューブの結晶性が高くなる（図７（ｄ）参照）。この第２工程においても、カーボンナノチューブ合成用基板３３を有機液体３０の液面と平行に設置することで、カーボンナノチューブ合成用基板３３中の温度分布は皆無となり、カーボンナノチューブ１３の均一性を増すことができる。
一方、図７（ｂ）に示されるように、従来の方法でカーボンナノチューブを合成すると、粒子状のカーボンナノチューブ１４が成長し、カーボンナノチューブの結晶性が低い（図７（ｃ）参照）。
【００７５】
第３工程は、カーボンナノチューブの合成を停止するために、カーボンナノチューブ合成用基板３３を徐冷する工程であるが、以下に示す３つの方法で徐冷することができる。
初めに、第１の方法について説明する。
電極４７，４８間の電流を遮断し、基板ホルダー移動部４５を駆動して、所定の時間内に、基板ホルダー電極４２，４３及び電極４７，４８に保持されたカーボンナノチューブ合成用基板３３を有機液体３０から出し、有機液体の気体雰囲気４６中に保持し、基板温度が１００℃以下の温度になるまでこの状態を保持する。
【００７６】
次に、第２の方法について説明する。
基板ホルダー移動部４５を駆動して、基板ホルダー４２，４３及び電極４７，４８に保持されたカーボンナノチューブ合成用基板３３を有機液体３０から出し、有機液体の気体雰囲気２６中に保持し、所定の時間内に電極４７，４８間の電流を遮断し、基板温度が１００℃以下の温度になるまでこの状態を保持する。
【００７７】
次に、第３の方法について説明する。
基板ホルダー移動部４５を駆動して、基板ホルダー４２，４３及び電極４７，４８に保持されたカーボンナノチューブ合成用基板３３を有機液体３０から出し、有機液体の気体雰囲気４６中に保持し、所定の時間内に基板ホルダー４２，４３及び電極４７，４８に保持された合成用基板３３を有機液体３０から出し、電極４７，４８間の電流を徐々に減少させ遮断する。
【００７８】
上記何れの方法の場合でも、有機液体３０からカーボンナノチューブ合成用基板３３を取り出す時間は、有機液体がアルコール類の場合には１０秒以下が好ましい。１０秒を越えると、カーボンナノチューブ合成用基板３３に垂直に配向したカーボンナノチューブが再現性よく得られない。
【００７９】
第３工程において徐冷工程を行った効果を、図１２を用いて説明する。図１２は、カーボンナノチューブ合成用基板３３に形成されるカーボンナノチューブ１１の配向状態を示す模式図であり、（ａ）は、徐冷工程を行った場合のカーボンナノチューブの配向状態を示し、（ｂ）は、徐冷工程を行わなかった場合のカーボンナノチューブ１１の配向状態を示している。
図１２（ａ）に示すように、徐冷工程を行うと、カーボンナノチューブ合成用基板３３に垂直に配向したカーボンナノチューブ１１が再現性良く得られる。一方、徐冷工程を行わないと図１２（ｂ）に示されるように、数回に１回は、配向が乱れたカーボンナノチューブ１１が合成されるので好ましくない。
【００８０】
第３工程の徐冷工程を行うことによって、カーボンナノチューブ合成用基板３３とカーボンナノチューブ１１は熱平衡状態に近い状態が維持され、冷却中にカーボンナノチューブ合成用基板３３とカーボンナノチューブ１１との間に大きな温度差が生じず、カーボンナノチューブ合成用基板３３とカーボンナノチューブ１１との間に大きな熱収縮量の違いが生じることが無い。
従って、カーボンナノチューブ合成用基板３３に垂直に配向して成長したカーボンナノチューブ１１の配向方向が変化しなくなるので、大きな熱ストレスが、カーボンナノチューブ合成用基板３３とカーボンナノチューブ１１との間に発生しなくなる。このため、カーボンナノチューブ１１が、カーボンナノチューブ合成用基板３３から剥がれてしまうことを防止でき、カーボンナノチューブ合成用基板３３から剥がれ難くすることができる。
【００８１】
本発明の製造方法によれば、固液界面接触分解法を用いることで、高純度のカーボンナノチューブを製造することができる。また、本発明の製造方法のように、基板３３を有機液体３０の液面に平行となるように配置し、コバルト触媒状態の制御、多段プロセスの導入及び徐冷プロセスを行うことにより、徐冷工程において、カーボンナノチューブ合成用基板３３を有機液体３０の液面と平行に設置することで、カーボンナノチューブ合成用基板３３全体を同時に有機液体３０から取り出すことができ、気体雰囲気４６に曝すことができる。したがって、カーボンナノチューブ合成用基板３３全体を、経時差や温度分布がない状態で均一に徐冷でき、カーボンナノチューブ１１を基板３３上に合成する際の均一性や配向性をより一層向上させ、非常に高い収率で、高配向、高密度、高結晶性のカーボンナノチューブを製造することができる。
【実施例５】
【００８２】
本発明のカーボンナノチューブを用いた電子放出素子及びその製造方法を実施例に基づいて図１５を参照してさらに詳細に説明する。
第１工程において、導電性基板６２として、ｎ型Ｓｉ（１００）面基板（比抵抗：０．００２６Ω・ｃｍ、サイズ：７ｍｍ×２２ｍｍ×０．５ｍｍ）を用い、以下の工程によりカーボンナノチューブを合成した。
【００８３】
初めに、導電性基板６２上に、７Ｐａ（パスカル）のアルゴン（Ａｒ）雰囲気中でコバルト・ターゲットを放電電流３５ｍＡで３分、スパッタすることにより、コバルト薄膜を５ｎｍ堆積した。この基板６２を、空気中で９００℃、１０分間、熱酸化処理することによりカーボンナノチューブ合成用基板を作製した。
【００８４】
次に、図１１に示した合成装置４０を用いて、カーボンナノチューブ６４を合成した。カーボンナノチューブ６４の原料である有機液体３０として、メタノール（純度９９．９％、沸点６４．７℃）を用いた。カーボンナノチューブ合成用基板を沈めることができる程度の量のメタノール３０を、液体槽３１に充填した。
第２工程として、図１１に示すように、第１工程で作製したカーボンナノチューブ合成用基板を電極４７及び電極４８に保持し、カーボンナノチューブ合成用基板３３をメタノール３０中へ、その液面に対して平行となるように沈めた。第１の合成過程として、電極４７及び電極４８に電流を流して基板温度が６００℃になるまで加熱し、この温度で１分間保持した。第２の合成過程として、電極４７及び電極４８に電流を流して基板温度が９００℃になるまで加熱してから、この温度で５分間保持した。
【００８５】
第３工程として、電極４７及び電極４８に流れている電流を断ってから基板ホルダー移動部４５を用い、１０秒でカーボンナノチューブ合成用基板３３をメタノール３０から取り出し、メタノールの気体雰囲気４６中に３０分間保持し、カーボンナノチューブ合成用基板３３を徐冷した。
以上の工程によりカーボンナノチューブ６４を合成した。また、実施例１の方法を複数回繰り返し行って、複数組のカーボンナノチューブ６４を合成した。
【００８６】
（比較例１）
実施例５において、基板温度７００℃、合成時間６分で合成し、徐冷工程を行わず、メタノールの沸点温度に下がるまで有機液体中に保持した以外は、実施例５と同様にして、カーボンナノチューブを合成した。
【００８７】
実施例５で作製した導電性基板６２上に形成した酸化コバルト超微粒子６３を、ＸＰＳ（Ｘ線励起電子分光）装置を用いて測定した。
実施例５で作製した導電性基板６２上に形成された酸化コバルト超微粒子６３のＸ線光電子スペクトルは、図４と同様であり、実施例５の酸化コバルト超微粒子６３においては、合成軌道角運動量が２Ｐで合成全角運動量が３／２のコバルト内殻電子のピークＰ１、及び、合成軌道角運動量が２Ｐで合成全角運動量が１／２のコバルト内殻電子のピークＰ２は、熱酸化処理によって結合エネルギーの正方向に約２ｅＶずれると共に、ピーク強度が低下していることが分かる。なお、図には示さないが、ピークのずれが１ｅＶ未満であると、合成したカーボンナノチューブ６４の径がばらついたり、密度が減少したりする現象が生じ易くなった。また、図４には示さないがピークのずれが３ｅＶを越えるとカーボンナノチューブ６４が合成されなかった。
【００８８】
上記のように、実施例５のカーボンナノチューブ６４の製造においては、コバルト薄膜７を９００℃の高温で熱酸化処理することにより、極めて粒径の小さい酸化コバルト超微粒子６３が生成され、基板表面に均一に分布したカーボンナノチューブ６４が得られた。これは、コバルトを適度に酸化することによってシリコンとの反応性が弱まり、シリコン表面での酸化コバルト超微粒子６３同士の凝集が抑制されたり、酸化コバルト超微粒子６３のシリコン中への沈み込みが抑制されたりしたためと推定される。一方、酸化度が大きくなり過ぎると、酸化コバルト超微粒子６３の触媒活性が失われて、カーボンナノチューブ６４の合成反応が生じなかった。カーボンナノチューブ６４を合成する際の基板温度が９００℃を越えると、高密度・高配向カーボンナノチューブ６４を再現性よく合成できなくなった。このように、９００℃以上では酸化コバルトとシリコンとの反応性が無視できなくなり、酸化コバルト超微粒子６３同士の凝集や、基体への沈み込みが生じやすくなることから合成できなくなるためと考えられる。
【００８９】
実施例５及び比較例１で合成したカーボンナノチューブ６４を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、図１４と同様に、実施例５で合成したカーボンナノチューブ６４は、基板表面に垂直に配向したカーボンナノチューブ６４であることが確認できた。複数回繰り返して作製した、徐冷工程を行った全ての試料については、全て（ａ）のＳＥＭ像の様相を示した。一方、図１４（ｂ）から明らかなように、比較例１で合成したカーボンナノチューブ６４は、配向が乱れたカーボンナノチューブであることが分かった。
これにより、実施例５のカーボンナノチューブ６４の製造においては、徐冷工程を挿入したことで、カーボンナノチューブ６４は、基板６２の表面に垂直に配向すると共に、この配向の再現性が非常によいことが判明した。特に、徐冷工程において、基板６２を有機液体３３の液面と平行に設置することで、基板６２全体を同時に有機液体３０から取り出すことができ、気体雰囲気４６に曝すことができる。したがって、基板６２全体を、経時差や温度分布がない状態で均一に徐冷でき、カーボンナノチューブ６４を基板６２内に合成する際に均一性や配向性をより一層向上させることができた。
【００９０】
実施例５及び比較例１で合成したカーボンナノチューブの完全結晶性を、ラマン分光法で評価した。測定はレーザラマン分光光度計（日本分光株式会社製、ＮＲ−１８００）を使用し、励起光源としては、波長が５１４．５ｎｍで出力が５０ｍＷのアルゴン（Ａｒ）レーザを用いた。
図８と同様に、実施例５で合成されたカーボンナノチューブ６４のラマンスペクトルにおいては、１５８０ｃｍ-1のピーク（Ｄバンド）の強度が、１３５０ｃｍ-1のピーク（Ｇバンド）強度よりも大きいことが分かる。さらに、１５８０ｃｍ-1のピーク強度の１３５０ｃｍ-1のピーク強度に対する比は、約３倍大きくなることが確認された。一方、比較例１で合成したカーボンナノチューブにおいては、１５８０ｃｍ-1のピーク強度が弱く、１３５０ｃｍ-1のピーク強度に対する比も、２倍未満であることが確認された。
これにより、実施例５で合成したカーボンナノチューブ６４の結晶性は、比較例１と比べて高いことが判明した。
【実施例６】
【００９１】
実施例５で合成したカーボンナノチューブ６４を用いて、電子放出素子を作製した。実施例６で作製した電子放出素子６０は、カーボンナノチューブ６４が形成されている導電性基板６２を、図９で示したようにスペーサ２２を介して、透明電極（インジウム・スズ・酸化膜）２３ａを蒸着したガラス基板２３に対向させた構成とした。カーボンナノチューブ６４の先端と透明電極２３ａとの距離ｇは１００μｍであり、カーボンナノチューブ６４の存在する基板６２上の領域は一辺ｄが３ｍｍの正方形領域である。
【００９２】
（比較例２）
比較例１で合成したカーボンナノチューブを用いた以外は、実施例６と同様に電子放出素子を作製した。
【００９３】
実施例６及び比較例２の電子放出素子６０のフィールドエミッション特性の評価を行った。導電性基板６２と透明電極２３ａとの間に電圧を印加し、基板６２と透明電極２３ａとの間に流れる電流を印加電圧の関数として電流電圧特性を測定した。
図１７は、実施例６及び比較例２の電子放出素子における電流電圧特性を示すグラフである。図１７において、横軸は印加電圧（Ｖ）を、縦軸は電流（Ａ）を示す。図１７から明らかなように、実施例６の電子放出素子６０においては、印加電圧が８０Ｖを越えると急激に放出電流が上昇し、印加電圧が３５０Ｖのときには約７０μＡの放出電流が得られ、良好な電流電圧特性を示すことが分かった。この電流値は、市販の低速電子線用の蛍光体を発光させることができる電流値である。一方、比較例２の電子放出素子においては、印加電圧を５００Ｖ以上にしないと放出電流の急激な上昇が起こらなかった。また、８００Ｖ程度の印加電圧においても、実施例６の場合の約１／１０の放出電流しか得られなかった。
【００９４】
特に、導電性基板６２を有機液体３０の液面と平行に設置することで、低温の基板温度で合成する第１の合成過程と高温の基板温度で合成する第２の合成過程と第３の徐冷工程とにおいて、導電性基板６２中の温度分布は皆無となり、カーボンナノチューブ６４の均一性が増す。この均一性が増したカーボンナノチューブ６４を用いた電子放出素子６０では、基板６２内の電子放出特性の均一性がより向上した。
【００９５】
図１７に示すように、従来法の電子放出素子では、実施例６のようなゲート（引き出し）電極を持たない２極管構造では、同様の測定系においては、立ち上がり電圧は５ｋＶ以上（実施例６では８０Ｖ）を要するため、比較すると格段に低電圧駆動を実現している。また、電流レベルとしても、５０μＡ以上が得られており、市販の低速電子線用の蛍光体を発光させる電流値が得られている。しかもゲートが不要であるため、これを用いた面発光素子の構造を簡略化でき、低コスト化が実現できる。さらに、カーボン材料は低真空領域でも酸化されないため、従来のフィールドエミッタを用いた発光素子よりも、パネル化が容易で且つ長寿命化が図れる。実施例６の電子放出素子６０によれば、比較例２と比べて格段に低電圧駆動を実現し、しかも大きな電流が得られ、優れた電子放出特性を有していることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
上記説明から理解されるように、本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブ合成方法を用いれば、再現性良く且つ従来にない高密度でカーボンナノチューブが整列した、高密度・高配向のカーボンナノチューブや高密度・高配向のカーボンナノチューブを備えた基板を合成することができる。
【００９７】
本発明の高密度・高配向のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの密度が従来になく高く、且つ、低コストである。このカーボンナノチューブは結晶性が高いために電子放出効率が高く、従って、電子放出素子用材料として使用すれば極めて有用である。カーボンナノチューブの結晶性が高いために炭素のｓｐ2 混成軌道本来の機械的強度が発現されるので、機械的強度補強材料として使用すれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施例による高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板の構成を示す概略断面図で、（ａ）は基体が単一の材料からなる場合を、（ｂ）は基体が複数の材料からなる場合を示す。
【図２】本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブの構成を示す概略断面図である。
【図４】空気中、９００℃、１０分間の熱処理をする前のコバルト薄膜と、この熱処理後の酸化コバルト超微粒子の内殻電子の結合エネルギースペクトルを示す図である。
【図５】本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブの断面を示すＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像である。
【図６】本発明の高密度・高配向カーボンナノチューブの断面を示すＳＥＭ像である。
【図７】本発明の方法によって合成されるカーボンナノチューブの形状と結晶性を模式的に示す図である。
【図８】実施例２で合成したカーボンナノチューブのラマン分光分析結果を示す図である。
【図９】電子放出効率の測定に用いた、素子構造及び測定回路を示す図である。
【図１０】本発明法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子と、従来法によるカーボンナノチューブを用いた電子放出素子の電子放出特性を示す図である。
【図１１】本発明に係るカーボンナノチューブの合成装置の構成を示す概略断面図である。
【図１２】合成されたカーボンナノチューブの配向状態を模式的に示すもので、（ａ）は基板面に垂直に配向している場合、（ｂ）は配向が乱れた状態を示している。
【図１３】本発明の電子放出素子の構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施例４で合成したカーボンナノチューブのＳＥＭ像を示し、（ａ）は基板面に垂直に配向したカーボンナノチューブを示すＳＥＭ像、（ｂ）は配向が乱れたカーボンナノチューブを示すＳＥＭ像である。
【図１５】本発明の電子放出素子を示す概略図である。
【図１６】複数の材料からなる導電性基板を示す概略断面図である。
【図１７】実施例６及び比較例２の電子放出素子における電流電圧特性を示す図である。
【図１８】従来の有機液体中の固液界面接触分解法に用いる合成装置を示す概略断面図である。
【図１９】従来の基体を用いた有機液体中の固液界面接触分解法による高密度・高配向カーボンナノチューブの断面を示すＳＥＭ像である。
【符号の説明】
【００９９】
１，３３：高密度・高配向カーボンナノチューブ合成用基板
２：基体
３：酸化コバルト超微粒子
４：基板
５：シリコン膜又はダイヤモンド膜
６：基体
７：コバルト薄膜
１１：カーボンナノチューブ
１１ａ：カーボンナノチューブ先端
１２：シリコン基板
１３：繊維状のカーボンナノチューブ
１４：粒子状のカーボンナノチューブ
２０：カーボンナノチューブ
２１：導電性Ｓｉ基板
２２：スペーサ
２３：ガラス基板
２３ａ：透明電極
３０：有機液体
３１：液体槽
３２：水冷手段
３４：電極
３５：基板ホルダー
３６：水冷パイプ
３７：凝縮手段
３８：ガス導入バルブ
３９：蓋
４０：カーボンナノチューブ合成装置
４２，４３：基板ホルダー
４５：基板ホルダー移動部
４６：気体雰囲気
４７，４８：電極
５０，６０：電子放出素子
５１：導電性基板
５３，６５：アノード電極
６２：導電性基板
６２ａ：基板
６２ｂ：膜
６３：酸化コバルト超微粒子
６４：カーボンナノチューブ
６４ａ：カーボンナノチューブ先端
６６：電源
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図５】
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【図６】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１９】
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