(57)【要約】【課題】電子回路への応用を目的として、カーボンナノチューブを利用した小型高速のスイッチング素子を提供する。【解決手段】先端の閉じたカーボンナノチューブを陰極に、該先端部と対向する位置に陽極を配置して対となる電極を構成し、該電極の先端部を真空容器に設置してスイッチング素子を構成し、高真空とした後微量の分子状ガスを導入して陰極表面に電界をかけることによって該ガス分子を吸着および脱離させ、陰極表面からの電子放出を制御することによって高速のスイッチング作動を行なわせる。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも片側の先端部が閉じた単層または多層のカーボンナノチューブを陰極とし、該先端部と対向する位置に陽極を配置して電子回路を構成し、該各電極の対向する先端部を真空容器内に設置して十のマイナス七乗パスカル以下に排気した後、その原子成分が水素、酸素、窒素、炭素、塩素、フッ素、硫黄および希ガスのいずれかで構成される分子状ガスを十のマイナス四乗パスカル以下となるまで導入し、該カーボンナノチューブへのガス分子の吸着および脱離により電流変化を生じさせることを特徴とする電界電子放出型スイッチング素子。
【請求項２】
請求項１において、導入する分子状ガスが水素ガスまたは窒素ガスまたは希ガスであり、高速で繰り返し吸着および脱離を可能とすることを特徴とする電界電子放出型スイッチング素子。
【請求項３】
請求項１および２において、カーボンナノチューブの閉じた先端部に存在する６の五員環の各に対応して６の陽極を配置してなる電界放出型スイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気制御機器や計測機器の電子回路におけるスイッチング素子に関し、カーボンナノチューブへのガス分子の吸着および脱離による電子の電界放出を利用する技術に属する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、ある物理量を伝送、記録または信号処理する場合に使用される従来のスイッチング素子は金属や半導体などの組合せおよびそれらの複合素子で構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
各種電気制御器、計測機器および通信における受発信機器などの電子回路において、回路の小型化および高速処理化は止まることを知らない目標であり、中でもスイッチング素子の小型高速化は重要な課題である。しかし従来のスイッチング素子は作動原理がオーミック接触や半導体のＰＮ接合に基づくものであり、素子サイズおよび作動速度に限界があり、新しい原理によるスイッチング素子の出現が待たれていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明者らは新しい作動原理に基づく小型で高速に作動するスイッチング素子を発明した。すなわち本発明はカーボンナノチューブへの分子状ガスの吸着と脱離とを利用して電子の電界放出量を変化させてスイッチング動作を行わせるものであり、発明者らによる下記の発見を基盤として発明を完成した。
【０００５】
【非特許文献】
コウイチ．ハタ，　ヤハチ．サイトウ，　アキヒロ．タカクラ，「フィールド　エミッション　マイクロスコピー　アンド　デソープション　オブ　レシデュアルガス　モレキュールズ　オン　ア　カーボン　ナノチューブ　ティップ（Ｆｉｅｌｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ｏｆ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｇａｓ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ　ｏｎ　ａ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅ　ｔｉｐ）」，　サーフェス　サイエンス　（Ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｃｉｅｎｃｅ），　オランダ，２００１年，４９０巻，ｐ．２９６−３００
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な一実施の形態を図面を参照して詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施形態によって限定されるものでなく、その要旨を変更することなく様々に改変して実施することができる。また本発明の技術的範囲は均等の範囲にまで及ぶこともある。
【０００７】
請求項１について以下に説明する。本発明に用いる多層カーボンナノチューブは、図１の透過型電子顕微鏡像に示すように少なくとも片側の先端部が閉じており、外径は一般的に２０ナノメートルである。ところでカーボンナノチューブは図２の模式図に示すように、６の炭素原子からなる六員環がネットワークを組んだ筒状をなしているが、閉じた先端部を構成するために、幾何学的必然性から図３の模式図において斜線で示すように５の炭素原子からなる６の五員環が存在する。そしてこの６の五員環は曲率部を形成することから電気的および化学的な活性を有している。なおカーボンナノチューブは必ずしも多層構造である必要はなく、単層でも多層と同様の機能を有している。
【０００８】
次に図４に示すように、上述のカーボンナノチューブの閉じた先端部４ａと対向する位置に陽極４ｂを配置する。ここで電極間距離は、上述のガス分子の吸着および脱離が可能な空間があれば良く、一般的には１０ナノメートル以上が用いられる。また陽極は金属・半導体などの電気伝導性を有する物質が好適に用いられる。次にこれら対向電極で電子回路を構成し、該電極の対向する先端部を真空容器４ｃ中に設置した後、該真空容器を十のマイナス七乗パスカル以下望ましくは十のマイナス八乗パスカル以下の高真空状態として、陰極の表面を清浄化する。ここでカーボンナノチューブを１，０００℃以上の高温に加熱して清浄化することも有効である。
【０００９】
次に該真空容器中に分子状ガスを十のマイナス四乗パスカル以下望ましくは十のマイナス五乗パスカル以下となるまで導入して電界放出型スイッチング素子を構成する。ここで分子状ガスとは、その原子成分が水素、酸素、窒素、炭素、塩素、フッ素、硫黄および希ガスのいずれかで構成されており、例えば単分子ガスの他に一酸化炭素、炭酸ガス、酸化窒素ガス、メタンガスおよび硫化水素ガスなどの化合性ガスなどがあげられる。また導入されるガス濃度は、過剰導入すると放電等の異常現象を生じスイッチング素子として不適となる。従って、真空度が十のマイナス四乗以下望ましくは十のマイナス五乗以下となるよう制御される。
【００１０】
ところで本発明によるスイッチング素子の作動原理は、電界電子放出現象を利用するものであり、カーボンナノチューブ表面に強電界をかけることにより、いわゆるトンネル効果で陰極から陽極に向かって電子が放出される。ここで本発明のスイッチング素子では一般的に１ナノメートルあたり１ないし５ボルトの電界がかけられるが、使用に当たっては必ずしもこれに限定されるものでない。
【００１１】
本発明による電界電子放出型スイッチング素子についてさらに詳細に説明すると、ガス分子の吸着により該ガス分子を通して陰極カーボンナノチューブから陽極に放出される電子量が増加し、ガス分子の脱離によって放出電子量が減少することにより、電気的オンーオフ（ｏｎ−ｏｆｆ）状態を生成することにある。ここで吸着ガス分子はトンネル効果によりカーボンナノチューブ表面からの電子放出を容易にする機能を有している。
【００１２】
ところで上述のスイッチング素子を利用する一例として、電気制御機器、超高真空用計測器およびニオイ成分検出器があるがこれに限定されるものではない。
【００１３】
次に請求項２について以下に説明する。信号処理および電気制御機器ならびに電子計算機の演算回路には高速スイッチングが必要とされるが、このためにはガス分子が電界変化に応じて迅速に且つ繰り返して吸着および脱離することが必要である。ここではピコ秒またはフェムト秒で作動する物理的吸着が望ましく、水素ガスまたは窒素ガスまたは希ガスが選択される。そして酸素ガスや一酸化炭素ガスなどカーボンナノチューブに化学的吸着しやすいガス分子は、上述の用途では回避される。
【００１４】
次に請求項３について以下に説明する。カーボンナノチューブの閉じた先端部には６の五員環が存在することはすでに説明したが、この６の五員環の各に対応させて陽極を配置し、６ビットのスイッチング素子を構成する。ここで陽極の加工は、気相反応蒸着法、走査型プローブ顕微鏡による加工法および光技術法などの超微細加工技術を活用して行われる。これによって集積度の高い小型スイッチング素子が可能となる。
【００１５】
ところで請求項２および請求項３において、スイッチング素子が電子計算機の演算回路や電子機器の制御回路および通信における受発信回路に使用される場合、複数のスイッチング素子の組み合わせで提供される。この目的を達成するため、真空容器中に複数のカーボンナノチューブの先端部とこれに対応する陽極先端部を配置してスイッチング素子を構成する。ここでカーボンナノチューブの閉じた先端部に存在する６の五員環を利用する場合、五員環の各に対応させて陽極を配置し６ビットの情報交換を可能にするものとする。
【００１６】
【実施例１】
実施例１は、本発明に係わる電界放出型スイッチング素子において、ガス分子の吸着および脱離により電流変化が生ずることを検証する検証実験について記す。
【００１７】
検証実験は、水素中でアーク放電法により生成した先端部が閉じた外径が約１５ナノメートルの多層型カーボンナノチューブを使用した。該カーボンナノチューブを、外径が０．１５ミリメートルのタングステンフィラメント上に導電性ペーストを使用して接着した。陽極には、ガス分子の吸着・脱離の状態を電界放射型電子顕微鏡で観察するため、陰極カーボンナノチューブの先端より３５ミリメートルの距離に、蛍光スクリーンを積層したＩＴＯ膜を設置して陽極とした。
【００１８】
次に、該陰極と陽極を真空容器に設置して８×（１０のマイナス８乗）パスカルまで排気するとともに、陰極を１，３００℃で３分間加熱して陰極表面を清浄化した。その後、該真空容器中に水素ガスを１×（１０のマイナス６乗）パスカルとなるまで導入して、陰極にマイナス１キロボルトの電圧を負荷した。
【００１９】
以上の結果として得られた電流変化を図５に示すが、水素ガス分子の脱離状態に対して電流値６０ナノアンペアが対応し、水素ガス分子の吸着状態には電流値１２０ナノアンペアが対応しており、これにより電流値の低または高が出現し、スイッチング機能を示している。
【００２０】
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明ではカーボンナノチューブの特性を活用し、カーボンナノチューブの先端部の界面近傍に生ずる電界変化に応じて、分子状ガスを該カーボンナノチューブの先端部に吸着および脱離させて電流変化を生じさせることにより、小型で高速のスイッチング素子を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いた多層カーボンナノチューブの電子顕微鏡写真。
【図２】カーボンナノチューブの閉じた先端部を示す側面模式図。
【図３】カーボンナノチューブの閉じた先端部に存在する６の五員環を、先端上部より見た模式図。
【図４】電界電子放出型スイッチング素子を使用した電気回路を示す模式図。
【図５】カーボンナノチューブ先端への水素分子の吸着および脱離に対応した電流変化を表す図。
【符号の説明】
４ａ　陰極となるカーボンナノチューブ
４ｂ　陽極
４ｃ　真空容器
【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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【手続補正書】
【提出日】平成14年10月25日(2002.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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