(57)【要約】【課題】２次元構造を基とした構造を有する多層シリコンナノチューブの形成方法と、それによって形成された多層シリコンナノチューブを提供する。【解決手段】チャンバー１内にシリコンターゲット４を戴置し、シリコンターゲット４の表面にレーザー光１１を収束照射して、シリコン元素を主成分とする擬２次元シートからなり、径の異なる円筒状の形状を有する複数層のシリコン層が同心円状に重ねられて構成され、シリコン層の層間距離が０．３６±０．０２ｎｍである多層シリコンナノチューブを形成する。【選択図】図２
2008189496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内にシリコンターゲットを戴置する工程と、
前記シリコンターゲットの表面にレーザー光を収束照射する工程と
を有し、シリコン元素を主成分とする擬２次元シートからなり、径の異なる円筒状の形状を有する複数層のシリコン層が同心円状に重ねられて構成され、前記シリコン層の層間距離が０．３６±０．０２ｎｍである多層シリコンナノチューブを形成する
多層シリコンナノチューブの形成方法。
【請求項２】
前記レーザー光を収束照射する工程において、前記レーザー光として１ｍＪ／パルス以上のエネルギーのレーザー光を１０００パルス以上照射する
請求項１に記載の多層シリコンナノチューブの形成方法。
【請求項３】
シリコン元素を主成分とする擬２次元シートからなり、径の異なる円筒状の形状を有する複数層のシリコン層が同心円状に重ねられて構成され、
前記シリコン層の層間距離が０．３６±０．０２ｎｍである
多層シリコンナノチューブ。
【請求項４】
前記シリコン層の数が２〜４０層である
請求項３に記載の多層シリコンナノチューブ。
【請求項５】
チャンバー内にシリコンターゲットを戴置し、前記シリコンターゲットの表面にレーザー光を収束照射して形成されたものである
請求項３に記載の多層シリコンナノチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多層シリコンナノチューブ及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは非特許文献１に発表されて以来、数多く開発されている周知のものである。
一方で、シリコンナノチューブについては、２次元構造を基としたカーボンナノチューブと同様の形態、構造を持つものについての技術研究開発は小数の研究機関で行われているのみであり、殆ど開発されていない状態である。
【０００３】
非特許文献２において、一酸化シリコンを原料とする水熱合成法によるシリコンナノチューブの合成が報告されているが、層間隔が０．３１ｎｍであり、バルク結晶と同じダイヤモンド構造を持つとされている。ただし確証されてはいないが多層シリコンナノチューブが形成されている可能性はある。
【０００４】
非特許文献３において、シリコン粉末を原料とするアルゴンガス中におけるＤＣアークプラズマ法による合成が報告されているが、２次元構造を基としたチューブである証明が不十分であり、単結晶ナノ細線である可能性が強い。
【０００５】
上記非特許文献２、３の他に、シリコンナノチューブ形成方法として、シリコン及び／またはシリコン化合物を原料として触媒を用いた化学気相成長（chemical vapor deposition；ＣＶＤ）法で形成する方法、あるいは無触媒でアルミナ担体上に成長させる方法が提案されているが、得られたものが２次元構造を基とした形態、構造を持つとの確証はない。
【非特許文献１】Nature, 第３５４巻５６（１９９１）
【非特許文献２】Phy. Rev. Lett., 第９５巻１１６１０２（２００５）
【非特許文献３】Appl. Phy. Lett., 第９５巻２３１９０１（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする課題は、２次元構造を基とした構造を有するシリコンナノチューブが得られていないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の多層シリコンナノチューブの製造方法は、チャンバー内にシリコンターゲットを戴置する工程と、前記シリコンターゲットの表面にレーザー光を収束照射する工程とを有し、シリコン元素を主成分とする擬２次元シートからなり、径の異なる円筒状の形状を有する複数層のシリコン層が同心円状に重ねられて構成され、前記シリコン層の層間距離が０．３６±０．０２ｎｍである多層シリコンナノチューブを形成する。
【０００８】
上記の本発明の多層シリコンナノチューブの製造方法は、好適には、前記レーザー光を収束照射する工程において、前記レーザー光として１ｍＪ／パルス以上のエネルギーのレーザー光を１０００パルス以上照射する。
【０００９】
また、本発明の多層シリコンナノチューブは、シリコン元素を主成分とする擬２次元シートからなり、径の異なる円筒状の形状を有する複数層のシリコン層が同心円状に重ねられて構成され、前記シリコン層の層間距離が０．３６±０．０２ｎｍである。
【００１０】
上記の本発明の多層シリコンナノチューブは、好適には、前記シリコン層の数が２〜４０層である。
【００１１】
上記の本発明の多層シリコンナノチューブは、好適には、チャンバー内にシリコンターゲットを戴置し、前記シリコンターゲットの表面にレーザー光を収束照射して形成されたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の多層シリコンナノチューブの製造方法によれば、２次元構造を基とした構造を有するシリコンナノチューブを形成することができる。
【００１３】
本発明の多層シリコンナノチューブは、従来得られたと確証が持てなかった２次元構造を基とした構造を有するシリコンナノチューブを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の多層シリコンナノチューブ及びその形成方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施形態に係る多層シリコンナノチューブの構造を示す模式図である。
【００１６】
本実施形態の多層シリコンナノチューブは、例えば、シリコン元素を主成分とする、２次元六方晶、格子定数０．２４ｎｍ±０．０１ｎｍのシリコン擬２次元シートからなり、径の異なる円筒状の形状を有する複数層のシリコン層（シリコンナノチューブ）が、層間距離が０．３６±０．０２ｎｍで同心円状に重ねられて構成された構造の多層シリコンナノチューブである。
【００１７】
ここで、図１（ａ）は多層シリコンナノチューブの延伸方向に垂直な断面の模式図であり、径の異なる複数層のナノチューブが同心円状に重なっている状態を示している。
また、図１（ｂ）は複数のシリコン層の一部の模式構成図であり、図面上は、３層のシリコン層（シリコンナノチューブ）ａ，ｂ，ｃが重なって構成された状態を示す。各シリコン層は、格子定数０．２４ｎｍ±０．０１ｎｍの六方晶擬２次元シートであり、これらが層間距離０．３６±０．０２ｎｍで重なって、構成されている。
【００１８】
本実施形態の多層シリコンナノチューブは、好適には、シリコン層（シリコンナノチューブ）の数が２〜４０層である。また、好適には、チャンバー内にシリコンターゲットを戴置し、シリコンターゲットの表面にレーザー光を収束照射して、レーザーアブレーションによって形成されたものである。
【００１９】
図２は、本実施形態に係るレーザーアブレーションによるシリコンナノチューブ形成装置（以下形成装置とも称する）の模式構成図である。
例えば、形成装置は、真空チャンバー１に光透過性ガラスなどからなる光入射窓２が設けられ、ターボ分子ポンプなどの排気系３が接続されて真空引き可能に構成されており、真空チャンバー１の内部にシリコンターゲット（ウェファー）４が戴置されている。排気系３の作動により、真空チャンバー１内は例えば１０−５Ｔｏｒｒ程度に真空引きされる。
さらに、例えば、ＡｒＦエキシマレーザーなどのレーザー装置１０から出射された１９３ｎｍの波長のパルスレーザー光などのレーザー光１１が、集光レンズ１２などを含む光学系によって集束して導かれ、光入射窓２から真空チャンバー１内に入射してシリコンターゲット４上で集光される構成となっている。
【００２０】
本実施形態に係る多層シリコンナノチューブの形成方法は、上記の形成装置において、真空引きされた真空チャンバー１内にシリコンターゲット４を戴置し、シリコンターゲット４の表面にレーザー光１１を収束照射することにより、シリコン元素を主成分とする擬２次元シートからなり、径の異なる円筒状の形状を有する複数層のシリコン層が同心円状に重ねられて構成され、前記シリコン層の層間距離が０．３６±０．０２ｎｍである多層シリコンナノチューブが形成される。
【００２１】
上記の本実施形態の多層シリコンナノチューブの製造方法は、好適には、レーザー光を収束照射する工程において、レーザー光として１ｍＪ／パルス以上、例えば４ｍＪ／パルスのエネルギーのレーザー光を、１０００パルス以上、例えば１００００パルス照射する。
【００２２】
上記の形成装置において、真空チャンバー１内に戴置されたシリコンターゲット４の表面に、総計で１Ｊ以上のエネルギーのレーザー光１１を照射すると、いわゆるレーザーアブレーションによって、シリコンターゲット４に目視可能な程の穴があき、その穴の周辺にシリコンナノチューブが得られる。
シリコンターゲット４の表面の方位、あるいは不純物の濃度と導電型（ｐ型またはｎ型）によらず、同様のシリコンナノチューブが得られる。
さらに、シリコンターゲット４から１ｃｍ以内の範囲に発生するプルン（発光柱）１３及びその周辺に適当な基板を置いても、その基板上にシリコンナノチューブが得られる。
さらに、シリコンターゲットを真空中ではなく、空気中あるいは不活性ガス雰囲気中に置いた場合でも、シリコンターゲット上にシリコンナノチューブが得られる。
【００２３】
（実施例）
真空チャンバー内に市販の純度９９．９９９％（Ｐ型）のシリコンターゲット（ウェファー）を戴置し、１０−５Ｔｏｒｒの真空にひいた。
次に、波長１９３ｎｍ、エネルギー４ｍＪ／パルスのＡｒＦエキシマレーザーを１００００パルス、真空チャンバーに導き、シリコンターゲットに照射した。
ここで、触媒や特別な雰囲気は使用していない。
【００２４】
シリコンターゲット上にできた生成物を取り出し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による形態観察、エネルギー分散型エックス線マイクロアナライザー（ＥＤＡＸ）による元素分析、制限視野電子回折（ＳＡＥＤ）による構造解析を行った。
【００２５】
図３（ａ）及び（ｂ）は本実施例の多層シリコンナノチューブのＴＥＭ写真である。
図３（ａ）は低い倍率での写真で、輪郭をはっきりさせるために若干焦点をずらして（アンダーフォーカス）ある。１０〜３０ｎｍ径で、中空の先端の閉じたチューブの集まりが見える。
図３（ｂ）は高分解像で、像での距離の比較校正の為に、ナノスケールの穴の空いた金の薄膜上に試料を振りかけたものの写真である。チューブが多層で、層の間隔が０．３６±０．０２ｎｍであることがわかる。
【００２６】
図４は本実施例の多層シリコンナノチューブのＳＡＥＤ写真である。
中心を通って比較的明瞭な点列はチューブが０．３６±０．０２ｎｍ間隔で重なった多層のものであることの反映であり、その他の筋状のコントラストはそれぞれの層が２次元六方晶の格子定数０．２４±０．０１ｎｍの構造を持ち、複数の異なった方位のものの集まりであることの反映である。
【００２７】
上記のＳＡＥＤによる構造解析の結果と、ＥＤＡＸによる元素分析の結果から、図１（ｂ）に示すような、２次元六方晶、格子定数０．２４ｎｍ±０．０１ｎｍのシリコン擬２次元シートが円筒状に巻き上がった、径の異なる複数のシリコンナノチューブが０．３６±０．０２ｎｍの間隔で同心円状に重なった多層シリコンナノチューブが得られたことがわかった。
【００２８】
次に、上記の本実施形態に係る多層シリコンナノチューブと従来例に係るシリコンナノチューブとの相違について説明する。
非特許文献２の多層シリコンナノチューブは、層間隔が０．３１ｎｍであり、バルク結晶と同じダイヤモンド構造を持つとされていて、もしそうならば、本実施形態に係るナノ物質特有の構造を持つ多層シリコンナノチューブとは全く異なる物である。
【００２９】
また、非特許文献３の単層ナノチューブの走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で調べられた表面構造は、２次元斜交晶で、それがナノ細線でなく「シリコンナノチューブ」であったとしても本実施形態の多層シリコンナノチューブとは全く異なる物である。
【００３０】
本実施形態の多層シリコンナノチューブは、きわめて微細なチューブであるから、ドラッグデリバリーなどの医療分野、スーパーインクジェットノズル、磁気センサー、メモリー液晶、電子放出フィラメントなどナノテクノロジー応用分野に広範な応用が期待される。また他の元素による微粒子やナノ物質をチューブ内に包摂させて価電子数をコントロールすることにより新しい電子材料など機能性物質創生が期待できる。
【００３１】
本発明のシリコンナノチューブは、上記の説明に限定されない。
例えば、本発明により存在が確定された２次元構造を基とした形態、構造を持つシリコンナノチューブは、他の、例えばＤＣアークプラズマ法やＣＶＤ法によっても作成可能であることはカーボンナノチューブでの経緯を見れば明らかである。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のシリコンナノチューブは、電子放出フィラメント、ナノトランジスター、発光素子、磁気センサー、メモリー液晶、スーパーインクジェットなど電子材料、ドラッグデリバリーなど、医療分野やマイクロ化学ナノテクノロジー分野などにおいて利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施形態に係る多層シリコンナノチューブの構造を示す模式図である。
【図２】図２は本発明の実施形態に係るレーザーアブレーションによる形成装置の模式構成図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施例に係る多層シリコンナノチューブのＴＥＭ写真である。
【図４】図４は本発明の実施例に係る多層シリコンナノチューブのＳＡＥＤ写真である。
【符号の説明】
【００３４】
１…真空チャンバー
２…光入射窓
３…排気系
４…シリコンターゲット
１０…レーザー装置
１１…レーザー光
１２…集光レンズ
１３…プルン（発光柱）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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