(57)【要約】【課題】本発明は、電界放出の性能を高めるため、一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法を提供され、選定した方向に沿って一次元ナノ材料にレーザビームを発射し、該一次元ナノ材料のマトリックスを針のような尖端部が形成させ、プロセスが簡単で、明らかに尖端部が形成しやすい、電界カーテンエフェクトを弱くし、且つ一次元ナノ材料のマトリックスの表面を浄化し、電界放出の電場閾値を降下し、電界放出の効果を高める。【選択図】　　　　図３
2004106168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平滑面を有する基板を用意するステップと、
一次元ナノ材料のマトリックスを、基板の平滑面に平行な上表面を有するように、該基板の平滑面に直接に成長させあるいは該基板の平滑面の上に移植するステップと、
レーザ発射源を用意するステップと、
レーザ発射源を開け、前記一次元ナノ材料のマトリックスの上表面にレーザビームを照射するステップと、
を含むことを特徴とする一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項２】
前記一次元ナノ材料のマトリックスは、基板に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項３】
前記レーザビームは、パルスレーザであることを特徴とする請求項１に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項４】
前記一次元ナノ材料は、炭素ナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項５】
前記一次元ナノ材料はナノ線、ナノ棒あるいはナノファイバーであることを特徴とする請求項１に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項６】
前記一次元ナノ材料のマトリックスの上表面に前記レーザビームを垂直に照射することを特徴とする請求項１に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項７】
前記一次元ナノ材料のマトリックスの上表面に前記レーザビームを傾斜に照らすことを特徴とする請求項１に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項８】
前記レーザビームと一次元ナノ材料のマトリックスとが成す角度は、該一次元ナノ材料の長軸方向に対して０〜３５°の斜角とすることを特徴とする請求項７に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項９】
前記方法は、空気、窒素、水素及び酸素を有するガス中から選ばれる少なくとも１種のガスを含有する雰囲気で行うことを特徴とする請求項７に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項１０】
前記ガスの気圧は、０．２大気圧より大きいことを特徴とする請求項９に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【請求項１１】
前記ガスの気圧は、０．５〜１．５大気圧であることを特徴とする請求項１０に記載の一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノ材料の修整方法に関し、特に一次元ナノ材料の形状の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ナノ材料は特殊な電気、磁気、光学、熱学、力学及び化学の性質を有する新機能材料であり、メゾスコピック領域及びナノ素子の研究において非常に重要な応用を有している。一次元ナノ材料は、二次元でナノメートルレベルで、他の次元で前記二次元と比べてより長いナノ材料である。現在、炭素ナノチューブ、炭素ナノファイバーなどが広く用いられている。炭素ナノチューブは、一般に直径数ｎｍ〜数１０ｎｍで、長さμｍオーダーとする。
【０００３】
炭素ナノチューブは優れた導電性を有し、且つその端部が理論的に極限に近づいた表面積を有するので（端部の表面積が小さければ小さいほど、局部電場が強い）、炭素ナノチューブは目前で最良の電界放出材料であると知られている。つまり、炭素ナノチューブは極小の電界放出電圧（１００Ｖより低い）を有し、極大の電流密度を安定に伝えることができ、電界放出ディスプレイの電子放出素子に非常に適している。
【０００４】
しかし、従来のアーク放電法、レーザー蒸発法及び気相成長法などの製法による炭素ナノチューブを直接に電界放出材料として使用するには一定の欠点を有している。例えば、粉体触媒法による炭素ナノチューブは長短が不均一で、方向が不規則で、且つ絡まりやすく、直接に電界放出材料として使用するには均一性がよくなく、放出点が少ないので放出電流密度を高め難く、そのため炭素ナノチューブの電界放出率に限界があり、化学気相成長法による炭素ナノチューブのマトリックスは垂直、整列且つ高さが同じだが、密度が大き過ぎるにより炭素ナノチューブ間の強い電界カーテンエフェクトが存在し、端部に触媒としての金属粒子が残って電子放出を妨げるものがある。
【０００５】
従来の技術の炭素ナノチューブに対して端部の開け及び浄化方法は、２００１年４月２５日発行の特許文献１に開示されているが、図１０を参照して発明する。
【０００６】
【特許文献１】
中国特許第１２９２３５４号公報
【０００７】
該加工方法は、炭素ナノチューブ１１２を基板１１０に垂直させ、レーザ発射源１４２が予定の高度に位置させ且つ基板１１０の表面に平行する方向にレーザビーム１４０を発射させるように、アーム１４６及びレーザ１４４の位置を調整し、炭素ナノチューブ１１２を切る。該方法はレーザビームの発射点１４０の位置を精確に調整する必要があり、高さの異なる炭素ナノチューブに対して、別々に調整することが困難で、且つ切った炭素ナノチューブ間の距離がかなり狭くて、密度が大きいため、炭素ナノチューブ間に強い電界カーテンエフェクトが存在していて、全体の電界放出の電場閾値が高まってしまうことがある。
【０００８】
他の一次元ナノ材料、例えばナノ線、ナノ棒を電界放出材料とするのは同様な問題を有し、従って、炭素ナノチューブ、ナノ線、ナノ棒など一次元ナノ材料の電界放出の性能を高まるためのプロセスが簡単で、実現を容易にする方法を提供する必要がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電界放出の性能を高めるため、一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的に達成するため、本発明は一次元ナノ材料の方向及び形状の制御方法を提供され、下記のステップを含み、基板を用意し、該基板に対して、垂直し且つ一次元ナノ材料のマトリックスを含み、一定の気圧の下で、選定した方向に沿って一次元ナノ材料にレーザビームを発射し、基板の一次元ナノ材料のマトリックスは針のような尖端部を有し、且つ該端部をレーザビームの発射してくる方向に向わせる。
【００１１】
従来の技術に対して、本発明は、プロセスが簡単で、明らかな尖端部が形成しやすい、電界カーテンエフェクトが弱く、且つ一次元ナノ材料のマトリックスの表面を浄化し、電界放出の電場閾値を低下させる目的に達する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の炭素ナノチューブの方向及び形状の調整するの流れ図であり、以下のようなステップを含む。
ステップ１：炭素ナノチューブを支持する基板を提供し、該基板としてガラス、シリコンあるいは金属が選択でき；
ステップ２：炭素ナノチューブを前記基板の上に置き、該炭素ナノチューブは、前記ガラス、シリコンあるいは金属基板の上に化学気相成長法によって直接に成長され、あるいは備えた炭素ナノチューブのマトリックスを該基板の上に移植され；
ステップ３：前記炭素ナノチューブに照射するためのレーザ発射源を提供し；
ステップ４：前記レーザ発射源の発射角度を調整し、つまりレーザ発射源と炭素ナノチューブのマトリックスを有する基板との夾角を調整し；
ステップ５：前記炭素ナノチューブの上表面にレーザビームを照射するようにレーザ発射源を開け、該炭素ナノチューブのマトリックスを望ましい形状にするように照射し返り、強過ぎるレーザビームが炭素ナノチューブと基板との結合を損じるのを防ぐように、レーザビームの強さとレーザパルスを制御し；
ステップ６：レーザ発射源を閉じる。
【００１３】
次に、実施例を合せて本発明に対して説明する。
【００１４】
図２、図３及び図４を合せて参照されたい、本発明の第１実施例の詳しい調整過程である。
【００１５】
本実施例は例えばとして炭素ナノチューブのマトリックスをする。
【００１６】
まず、基板１０を提供し、該基板１０の上に炭素ナノチューブのマトリックス１２が直接に成長させ、あるいは備えた炭素ナノチューブのマトリックス１２を該基板１０の上に移植し、該基板としてガラス、シリコンあるいは金属を選択する。始めの炭素ナノチューブのマトリックス１２は図２で示すように、該炭素ナノチューブのマトリックス１２は、前記基板１０に対して垂直する複数の炭素ナノチューブ（図に示ず）を有し、一般に備えた炭素ナノチューブのマトリックスの上表面に方向が不規則で、直径が不均一且つ形状がよくない炭素ナノチューブ膜が有し、該膜が厚さ２μｍあるいは更に薄い、炭素ナノチューブのマトリックス１２の頂端部に金属触媒粒子が残る。
【００１７】
つぎに、前記炭素ナノチューブのマトリックス１２に対して垂直してレーザビームを発射し、つまり前記基板に対して垂直してレーザビームを照射する。該レーザビームとしてパルスレーザを用いる。酸素の雰囲気で室温でも炭素ナノチューブを熔け落ち易いため、酸素の含有量が高く過ぎる雰囲気で照射することができない、だから、室温で空気、窒素、水素あるいは酸素を含む気体及びその混合気体の一つの雰囲気で行う。また、環境圧力が０．２大気圧により小さくて明らかな端部を形成するのが困難で、圧力が０．２大気圧により小さい、０．５〜１．５大気圧が好ましい。
【００１８】
本実施例は、空気雰囲気、１大気圧、室温、波長３０８ｎｍのレーザ発射源によって炭素ナノチューブのマトリックス１２にパルスレーザを発射する。該パルスレーザは、単パルスパワー１５０ｍＪ、発射面積０．５ｃｍ２、発射パルス２０回とする。パルスレーザによる前記炭素ナノチューブのマトリックスの表面での膜を熔け落ちることによって、残られた金属触媒粒子を除き、炭素ナノチューブの端部を開け、且つ表面から下方向へ数１０ｎｍ高さの範囲における炭素ナノチューブ間の気体が加熱されて直ちに膨張して隣接した炭素ナノチューブを押し、大小が不均一な針のような構造が形成される。図４に示すように、パルスレーザでの照射を繰り返した後、炭素ナノチューブのマトリックス１２は、叙々に複数の大小不均一な針のような尖端部１５が形成され、且つ尖端部１５が上方向へ垂直し、且つレーザビーム１４が照射してくる方向に向く。望ましい尖端部が形成された後、照射し止める。
【００１９】
炭素ナノチューブ間の気体が膨張し過ぎ、炭素ナノチューブのマトリックス１２と基板１０との結合が損じるのを防ぐように、レーザビームの強さとパルス回数を制御する。弱いレーザビームでかつより多いパルス回数は、強いレーザビームでかつより少ないパルス回数のような効果に達することができるが、炭素ナノチューブのマトリックス１２と基板１０との接続の強さが保証でき、脱離の恐れがない。
【００２０】
もう一度図４を参照されたい。本発明による炭素ナノチューブのマトリックスを処理した後の複数の炭素ナノチューブの尖端部１５は、数１０から数１０００個の長さが不均一な炭素ナノチューブ束からなり、高さが処理前の炭素ナノチューブのマトリックスに比べて変化が小さく、端部に開口を有してより低い電場による有効に発射でき、隣接した尖端部１５の間に一定の距離を有するによる電界カーテン効果を回避でき、これによって、電界放出の効果が改善できる。
【００２１】
図７、図８は各々に本発明の実施例における処理前、後の炭素ナノチューブのマトリックスのＳＥＭの写真であり、両図を比べて、処理後の炭素ナノチューブのマトリックスは、明らかに針のような先端を有し、該尖端の下部が円柱状で、頂部が錐状で、通常、尖端の深さ３０μｍ、下部の円柱径１０μｍ、頂部の錐状径数１０ｎｍにし、隣接した尖端の間は、明らかな距離を有するのを見つけることができる。
【００２２】
図５及び図６を参照されたい、本発明の第２実施例におけるレーザビームで炭素ナノチューブのマトリックスに照射する模式図である。該第２実施例においても、第１実施例の用意するステップ、環境雰囲気、及び、レーザパラメータのように、炭素ナノチューブのマトリックス１２を用意し、相異するのは、パルスレーザの発射角度を調整し、パルスレーザ束１４を炭素ナノチューブのマトリックス１２に対して一定の角度を傾斜させ、基板１０の右上方向から炭素ナノチューブのマトリックス１２にパルスレーザを傾斜に照射する点である。最大傾角は、炭素ナノチューブのマトリックス１２の密度及び気体圧力に応じて異なり、炭素ナノチューブのマトリックス１２の密度及び気体圧力が増加すると最大傾角は大きくなり、入射角が最大傾角より大きいと、尖端が形成されない。一般に、傾角として０度から３５度の範囲内とすると有効な尖端が形成し易く、３５度より大きいと波のような構造が形成し易く、本発明では３０度とする。２０回のパルスを照射した後、パルスレーザ発射源を閉じ、傾斜された針のような先端部１５からなる新しい炭素ナノチューブのマトリックスが得られ、該尖端部１５は傾斜な円錐状にし、且つパルスレーザ束が発射してくる方向に向い、つまり前記炭素ナノチューブのマトリックス１２に対して３０度傾斜している。前記尖端部１５の縦切面から、一辺が傾斜で、傾斜方向がレーザの入射する方向と同じで、他の辺は垂直のままであることがわかる。
【００２３】
図９は本発明の実施例における処理後の炭素ナノチューブのマトリックスのＳＥＭの写真であり、図９から、処理後の炭素ナノチューブのマトリックスは、明らかに針のような先端を有し、且つ該尖端が、一定の傾斜度を有し、その傾角とレーザの入射する角度とが同じで、下部が円柱状で、頂部が錐状で、通常、尖端の深さ３０μｍ、下部の円柱径１０μｍ、頂部の錐状径数１０ｎｍであるのが分かる。
【００２４】
本発明による炭素ナノチューブを始めてナノ線、ナノ棒などの一次元ナノ材料が処理できる。材料の種類に応じて、パルスレーザの強さ、パルス回数、環境雰囲気を調整し、同様な効果を達成できる。
【００２５】
前記を総じて、本発明は特許の要件として十分に備えているので、法により登録すべきである。また、前記は単なる本願におけるより好ましい実施例にすぎず、本発明の請求範囲を限定するものではない。本発明の技術を熟知している者が本考案の思想に基づきなしうる修飾或いは変更は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一次元ナノ材料の方向及び形状を調整する流れ図である。
【図２】本発明の第１実施例の一次元ナノ材料の方向及び形状を調整する前に、炭素ナノチューブのマトリックスの模式図である。
【図３】本発明の第１実施例の一次元ナノ材料の方向及び形状を調整する際に、炭素ナノチューブのマトリックスにレーザビームを照射する模式図である。
【図４】本発明の第１実施例の一次元ナノ材料の方向及び形状を調整した後に、炭素ナノチューブのマトリックスの模式図である。
【図５】本発明の第２実施例の一次元ナノ材料の方向及び形状を調整する際に、炭素ナノチューブのマトリックスにレーザビームを照射する模式図である。
【図６】本発明の第２実施例の一次元ナノ材料の方向及び形状を調整した後に、炭素ナノチューブのマトリックスの模式図である。
【図７】本発明の第１実施例のレーザビームの照射する前の炭素ナノチューブのマトリックスのＳＥＭの写真である。
【図８】本発明の第１実施例のレーザビームの照射した後の炭素ナノチューブのマトリックスのＳＥＭの写真である。
【図９】本発明の第２実施例のレーザビームの照射した後の炭素ナノチューブのマトリックスのＳＥＭの写真である。
【図１０】従来の技術の炭素ナノチューブのマトリックスの切断方法の模式図である。
【図１】
2004106168.tif 000003
【図２】
2004106168.tif 000004
【図３】
2004106168.tif 000005
【図４】
2004106168.tif 000006
【図５】
2004106168.tif 000007
【図６】
2004106168.tif 000008
【図７】
2004106168.tif 000009
【図８】
2004106168.tif 000010
【図９】
2004106168.tif 000011
【図１０】
2004106168.tif 000012