(57)【要約】【課題】  微細な量子構造を形成するためには、微細加工技術が必要であった。【解決手段】  ２重障壁量子井戸構造を形成するピーポッドヘテロ接合構造８１は、第１のバンドギャップを有する第１の構造８３ａと、第１の構造８３ａよりも広い第２のバンドギャップを有する第２の構造８５ａと、第２の構造８５ａよりも狭い第３のバンドギャップを有する第３の構造８７と、第２のバンドギャップを有する第４の構造８５ｂと、第１のバンドギャップを有する第５の構造８３ｂと、が直径数ｎｍ程度のＳＷＮＴ（単層カーボンナノチューブ）内の延在方向に順番に形成されている。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブと、
該カーボンナノチューブに内包されたフラーレン又は金属内包フラーレンと、を有するピーポッド構造であって、
異なる種類の前記フラーレン又は金属内包フラーレンが、前記カーボンナノチューブの延在する方向にある順番で配置されていることを特徴とするピーポッド構造。
【請求項２】
前記異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブとの間にそれぞれ異なる混成軌道を形成することを特徴とする請求項１に記載のピーポッド構造。
【請求項３】
前記異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブを変形させる程度の径を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のピーポッド構造。
【請求項４】
前記異なる種類の金属内包フラーレンは、電荷移動数の異なる金属内包フラーレンであることを特徴とする請求項１又は２に記載のピーポッド構造。
【請求項５】
前記異なる種類の金属内包フラーレンは、内包金属イオンによる前記カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を変調させることを特徴とする請求項１又は２に記載のピーポッド構造。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブは、ＳＷＮＴであることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のピーポッド構造。
【請求項７】
管状の第１化合物と、
該第１化合物内に配置され該第１化合物との間で伝導キャリアの混成軌道を形成する第２化合物と、を有するピーポッド構造であって、
前記第１化合物の延在方向に関して前記第１化合物に異なるエネルギーバンド構造を形成するように異なる種類の第２化合物が、ある順番で配置されていることを特徴とするピーポッド構造。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のピーポッド構造に、さらに、前記カーボンナノチューブ又は前記第１化合物の延在方向に対して離れた位置又は、それと交差する方向のいずれかに少なくとも一対の電極を形成したことを特徴とするピーポッド素子。
【請求項９】
カーボンナノチューブを準備する工程と、
該カーボンナノチューブの少なくとも一端を開口する工程と、
異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンを前記開口から前記カーボンナノチューブに順番に内包させる工程と
を有することを特徴とするピーポッド構造の製造方法。
【請求項１０】
基板を準備する工程と、
該基板に触媒を配置し、該触媒を基点としてカーボンナノチューブを成長する工程と、
前記基板を酸化雰囲気下に曝すことにより、前記カーボンナノチューブの前記基点と反対側の一端を開口する工程と、
前記基板を第１フラーレンの雰囲気下に曝すことにより、前記開口から前記第１フラーレンを前記カーボンナノチューブに内包させる工程と、
前記基板を前記第１フラーレンとは異なる第２フラーレンの雰囲気下に曝すことにより、前記開口から前記第２フラーレンを前記カーボンナノチューブに内包させる工程と
を有することを特徴とするピーポッド構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピーポッド構造に関し、より詳細には、フラーレンを内包したナノチューブ（以下、「ピーポッド」と称する。）を用いたピーポッド構造およびそれを用いた量子効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子効果デバイスは、電子の波長程度の微細構造を形成することにより電子の波動性を顕在化させ、従来にないような電気的又は光学的特性を発揮するデバイスとして注目されている。
【０００３】
一方、ナノチューブは、内部に空隙構造を持つことから、そこに各種分子を内包することが可能である。フラーレンを内包したＳＷＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｗａｌｌｅｄ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ：単層カーボンナノチューブ）が１９９８年に発見され、ピーポッドと命名された（非特許文献１参照）。また、金属内包フラーレンＭ＠Ｃｘｘを開口したＳＷＮＴ内に挿入した構造により人工的に金属内包フラーレンを内包したピーポッドを合成し、これを電界効果型トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」と称する）のチャネルとして用いた技術が開発されている（非特許文献２参照）。
【０００４】
【非特許文献１】B.W.Smith et al, Nature 396, 323 (1998)
【非特許文献２】T.Shimada et al, Applied Physics Letters Vol.81, No.21 p4067 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のヘテロ接合素子において量子効果を発現させるためには、フォトリソグラフィーなどによる微細加工技術が必要となる。本発明は、フラーレン又は金属内包フラーレンＭ＠Ｃｘｘをカーボンナノチューブに内包させた新しいデバイス製造技術及びそれを用いた量子効果素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によれば、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブに内包されたフラーレン又は金属内包フラーレンと、を有するピーポッド構造であって、異なる種類の前記フラーレン又は金属内包フラーレンが、前記カーボンナノチューブの延在する方向にある順番で配置されていることを特徴とするピーポッド構造が提供される。
【０００７】
前記異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブとの間にそれぞれ異なる混成軌道を形成することを特徴とする。前記異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブを変形させる程度の径を有していることを特徴とする。前記カーボンナノチューブのデフォーメーションによりＣＮＴのエネルギーバンド構造を変調させることができる。
【０００８】
前記異なる種類の金属内包フラーレンは、電荷移動数の異なる金属内包フラーレンであることを特徴とする。電荷移動によりＣＮＴのエネルギーバンド構造が変調する。前記異なる種類の金属内包フラーレンは、内包金属イオンによる前記カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を変調させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の観点によれば、カーボンナノチューブを準備する工程と、該カーボンナノチューブの少なくとも一端を開口する工程と、異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンを前記開口から前記カーボンナノチューブに順番に内包させる工程とを有することを特徴とするピーポッド構造の製造方法が提供される。
【００１０】
また、基板を準備する工程と、該基板に触媒を配置し、該触媒を基点としてカーボンナノチューブを成長する工程と、前記基板を酸化雰囲気下に曝すことにより、前記カーボンナノチューブの前記基点と反対側の一端を開口する工程と、前記基板を第１フラーレンの雰囲気下に曝すことにより、前記開口から前記第１フラーレンを前記カーボンナノチューブに内包させる工程と、前記基板を前記第１フラーレンとは異なる第２フラーレンの雰囲気下に曝すことにより、前記開口から前記第２フラーレンを前記カーボンナノチューブに内包させる工程とを有することを特徴とするピーポッド構造の製造方法が提供される。 
尚、「異なる」との記載は、フラーレンでは分子数、金属内包フラーレンでは分子数又は電荷移動数などが異なることを意味する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、延在方向に関してカーボンナノチューブのエネルギー構造を変調することができ、いわゆるバンドエンジニアリングが可能になる。この技術を用いると、微細な素子、特に量子効果素子を、格別な微細加工技術を用いずに実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本明細書において、異種フラーレンとは、例えばＳＷＮＴなどのカーボンナノチューブ内に配置された場合に、カーボンナノチューブとの間に形成する軌道が異なるフラーレンを称する。イオン価数に従ってカーボンナノチューブに電子を供与することにより混成軌道を形成し、カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造に変調を施すことができる。
【００１３】
図１は、フラーレンピーポッドと、各種の金属内包フラーレンピーポッドと、電荷移動数の関係を示す表である。図１に示すように、フラーレンピーポッドの内包フラーレンとしては、Ｃ６０、Ｃ７８、Ｃ９０を、金属内包フラーレンピーポッドの内包フラーレンとしては、Ｇｄ＠Ｃ８２、Ｄｙ＠Ｃ８２、Ｔｉ２＠Ｃ８０、Ｃｅ２＠Ｃ８０、Ｇｄ２＠Ｃ９２を用いた。
【００１４】
図２は、これらのフラーレンピーポッドを用いて作成したＦＥＴのオフ領域の電圧幅（バンドギャップと対応する値）と、内包金属の電荷移動数（内包金属のイオン価数）との関係を求めたグラフである。図２に示すように、フラーレンの大きさ及び電荷移動数とはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のバンドギャップと高い関連性を示しており、大きさと電荷移動数との異なる内包フラーレンによりカーボンナノチューブのバンド変調を行うことができる可能性を示唆している。
【００１５】
発明者は、図１および図２の結果を踏まえて、異なる内包フラーレンを直径数ｎｍ程度のカーボンナノチューブの延在方向に配置した異種ピーポッド接合によりカーボンナノチューブの延在方向に関するバンドエンジニアリングが可能であると考えた。以下、ピーポッドヘテロ接合構造及びそれを用いたピーポッドヘテロ接合素子について図面を参照しつつ説明を行う。図３は、本発明の第１の実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造の構成例を示す図である。図４は、図３に示すピーポッドヘテロ接合構造に関するエネルギーバンド図である。図５は、図３及び図４に示すピーポッドヘテロ接合構造において得られる電流−電圧特性の例を示す図である。図３に示すピーポッドヘテロ接合構造Ａは、ＳＷＮＴ１内に、界面７を境に４つのＧｄ２＠Ｃ９２３−１、３−２、３−３、３−４と、４つのＣ６０５−１、５−２、５−３、５−４とをＳＷＮＴの延在する方向に関して、順番に内包した構造を有している。尚、内包フラーレンの数は単に例示であり、目的とする構造に応じて内包フラーレンの数を変えることができる。図４は、図３のピーポッドヘテロ接合構造に対応するＳＷＮＴの延在する方向に関するエネルギーバンド構造を示しており、図４に示すように、Ｇｄ２＠Ｃ９２３−１〜４までを内包している領域１１では、図２にも示すようにＳＷＮＴが、ほぼ金属的なバンド構造をもち、一方、Ｃ６０５−１〜４までを内包している領域１５では、図２にも示すようにＳＷＮＴが、バンドギャップＥｇを有する半導体的なバンド構造をもつ。従って、図３のピーポッドヘテロ接合構造Ａの両端に電圧を印加した場合の電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性は、図５に示すように一般的な金属−半導体接合と同様の整流特性を示す。
【００１６】
次に、上記のピーポッドヘテロ接合構造の形成方法の例について図面を参照しつつ説明を行う。図６は基板上へのピーポッド直接合成方法を実施するための製造装置の構成例を示す模式的な図である。図７は、ピーポッドヘテロ接合構造の製造工程を示す図である。図６に示すように、本実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造の製造装置Ｂは、加熱炉２１と、窒素ガスと酸素ガスとを含むガスボンベ３１と、ロータリーポンプＲＰ３３とターボ分子ポンプＴＭＰ３５とを含む真空排気系と、真空計３７と、各部に設けられたバルブＶ１〜Ｖ７と、を有している。６００℃程度まで加熱することができる加熱炉２１内には、例えば、Ｃ６０と、ＣＮＴと、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、がそれぞれ独立して供給できるように密閉容器２３、２５、２７内に収容されており、それぞれにバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３が設けられている。  図７（Ａ）から図７（Ｃ）までに示すように、図６に示す装置を用いて基板上にピーポッドヘテロ接合構造を形成する。まず、図７（Ａ）に示すように、ｐ＋−Ｓｉ基板４１上に、ＳｉＯ２絶縁膜４３を形成し、その上に、例えばＣｏなどの触媒４５を配置し、触媒４５の位置を基準にしてＳＷＮＴ４７の成長を行と、触媒４５を始点としてＳＷＮＴ４７が１次元的に成長する。この基板を密閉容器２５に収容して容器内を真空にした後、バルブＶ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ８を開いて加熱炉２１内を酸化雰囲気にすることにより、図７（Ｂ）に示すようにＳＷＮＴ４７に開口４７ａが形成される。次に、バルブＶ８、Ｖ５を閉じてＶ６を開き、容器２５を真空にした後、図７（Ｃ）に示すように、バルブＶ４を閉じてバルブＶ３を開き、Ｇｄ２＠Ｃ９２５１ａを開口４７ａからＳＷＮＴ４７内に入れて内包させる。次いで、バルブＶ３を閉じバルブ４を明けて容器２５を真空にした後、バルブ４を閉じバルブＶ１を開くことにより、Ｃ６０５１を開口４７ａからＳＷＮＴ４７内に入れて内包させる。これにより、図３に示すようなピーポッドヘテロ接合構造を形成することができる。
【００１７】
以上、本実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造及びその製造方法によれば、ＳＷＮＴに異種のフラーレンを内包させることにより、ＳＷＮＴの延在方向におけるＳＷＮＴのエネルギーバンド構造を制御し、ピーポッドヘテロ接合構造を形成することができる。
【００１８】
次に、本発明の第２の実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造について、図面を参照しつつ説明を行う。図８は、ＳＷＮＴ内に配置された内包フラーレンの化学式と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、Ｃ６０と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、の異種内包フラーレンが配置されたピーポッドにおけるＳＷＮＴのエネルギーバンド図とを示す図である。図８に示すように、本実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造５１は、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、Ｃ６０と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、の異種内包フラーレンが配置されたピーポッドにおけるＳＷＮＴのエネルギーバンド図である。エネルギーバンド図にも示されるように、金属的バンド構造と、半導体的バンド構造と、金属的バンド構造と、がＳＷＮＴの延在方向に順番に形成され、いわゆるキャリア（この場合は電子）に対するトンネル障壁構造を形成している。本実施の形態によるヘテロ接合構造形成技術を用いると、ＳＷＮＴにおいてトンネル障壁という量子構造を形成することができる。尚、内包するフラーレンの種類を選ぶことによりトンネル障壁の高さを調整することでトンネル障壁の設計を行うことができる。
【００１９】
次に、本実施の形態の第１変形例によるピーポッドヘテロ接合構造について、図面を参照しつつ説明を行う。図９は、ＳＷＮＴ内に配置された内包フラーレンの化学式と、Ｃ６０と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、Ｃ６０と、の異種内包フラーレンが配置されたピーポッドにおけるＳＷＮＴのエネルギーバンド図とを示す図である。図９に示すように、本実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造６１は、Ｃ６０と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、Ｃ６０と、の異種内包フラーレンが配置されたピーポッドにおけるＳＷＮＴのエネルギーバンド図である。エネルギーバンド図に示されるように、半導体的バンド構造と、金属的バンド構造と、半導体的バンド構造と、がＳＷＮＴの延在方向に順番に形成され、いわゆるキャリア（この場合は電子）に対する量子井戸構造を形成している。本実施の形態によるヘテロ接合構造形成技術を用いると、ＳＷＮＴにおいて量子井戸という量子構造を形成することができる。尚、内包するフラーレンの種類を選ぶことにより量子井戸の深さを設計することができる。
【００２０】
次に、本実施の形態の第３の実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造について、図面を参照しつつ説明を行う。図１０は、単一電子素子や共鳴トンネル素子などに応用可能な二重障壁量子井戸構造の構成例を示す図である。図１０に示すように、本実施の形態による二重障壁量子井戸構造７１は、２つのエネルギー障壁内に形成された量子井戸内に離散化されたエネルギー準位Ｅ１、Ｅ２，Ｅ３が形成されている構造である。より詳細には、２つのエネルギー障壁層７５ａ、７５ｂと、その間に形成される量子井戸層７７と、２つのエネルギー障壁層７５ａ、７５ｂのそれぞれの外側に形成されるキャリア蓄積層７３ａ、７３ｂとを有しており、量子井戸層７７内に離散化されたエネルギー準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３が形成されている。キャリア（この場合は電子）は、上記エネルギー準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３のいずれかとほぼ一致するエネルギーを持つ場合に、二重障壁を透過する確率が高くなる。
【００２１】
図１１は、二重障壁量子井戸構造をＳＷＮＴ内に内包フラーレンを配置することにより形成した構造を示す図であり、配置された内包フラーレンの化学式と、Ｃ６０と、Ｇｄ＠Ｃ８２と、Ｃｅ２＠Ｃ８０と、をそれぞれ符号Ｘ、Ｙ，Ｚとした場合に、ＳＷＮＴ内にＹＹＸＺＺＸＹＹという順番で異種の内包フラーレンを配置した構造と、対応するＳＷＮＴのエネルギーバンド図とを示した図である。図１１に示すように、本実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造８１は、第１のバンドギャップを有する第１の構造８３ａと、第１の構造８３ａよりも広い第２のバンドギャップを有する第２の構造８５ａと、第２の構造８５ａよりも狭い第３のバンドギャップを有する第３の構造８７と、第２のバンドギャップを有する第４の構造８５ｂと、第１のバンドギャップを有する第５の構造８３ｂと、がＳＷＮＴの延在方向に順番に形成され、いわゆるキャリア（この場合は電子）に対する２重障壁量子井戸構造を形成している。
【００２２】
このように、ＳＷＮＴの延在方向に異種の内包フラーレンを順番に配置することにより、所望のバンド構造を形成するいわゆるバンドエンジニアリングが可能になる。従って、従来から半導体を用いて形成することができる種々の素子構造を実現することができる。この技術を用いると、微細な素子、特に量子効果素子を、格別な微細加工技術を用いずに実現することができる。
【００２３】
尚、上記各実施の形態においては、ＳＷＮＴを用いて、その中に内包フラーレンを配置する例について説明したが、その他のカーボンナノチューブを用いることも可能である。また、フラーレンに内包される元素としては、金属以外に、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅなどの希ガスを内包させることもできる。また、フラーレンの中に金属等を内包させる他に、外側に化学修飾を施したフラーレン誘導体を用いることも可能である。このようなフラーレンを用いてピーポッド構造を形成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、異種フラーレンを内包したカーボンナノチューブのバンドエンジニアリングを可能にするものであり、現在、実現されている種々の半導体電子デバイス、半導体光デバイスの構造をカーボンナノチューブにおいて実現することができ、極めて微細な量子効果素子の形成技術として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】フラーレンピーポッドと、各種の金属内包フラーレンピーポッドと、電荷移動数の関係を示す図である。
【図２】フラーレンピーポッドを用いて作成したＦＥＴのオフ領域の電圧幅であって、バンドギャップと対応する値と、内包金属の電荷移動数（内包金属のイオン価数）との関係を求めたグラフである。
【図３】本発明の第１の実施の形態によるピーポッドヘテロ接合構造の構成例を示す図である。
【図４】図３に示すピーポッドヘテロ接合構造に関するエネルギーバンド図である。
【図５】図３及び図４に示すピーポッドヘテロ接合構造において得られる電流−電圧特性の例を示す図である。
【図６】基板上へのピーポッド直接合成方法を実施するための製造装置の構成例を示す模式的な図である。
【図７】ピーポッドヘテロ接合構造の製造工程を示す図である。
【図８】ＳＷＮＴ内に配置された内包フラーレンの化学式と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、Ｃ６０と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、の異種内包フラーレンが配置されたピーポッドにおけるＳＷＮＴのエネルギーバンド図とを示す図である。
【図９】ＳＷＮＴ内に配置された内包フラーレンの化学式と、Ｃ６０と、Ｇｄ２＠Ｃ９２と、Ｃ６０と、の異種内包フラーレンが配置されたピーポッドにおけるＳＷＮＴのエネルギーバンド図とを示す図である。
【図１０】単一電子素子や共鳴トンネル素子などに応用可能な二重障壁量子井戸構造の構成例を示す図である。
【図１１】二重障壁量子井戸構造をＳＷＮＴ内に内包フラーレンを配置することにより形成した構造を示す図であり、配置された内包フラーレンの化学式と、Ｃ６０と、Ｇｄ＠Ｃ８２と、Ｃｅ２＠Ｃ８０と、をそれぞれ符号Ｘ、Ｙ，Ｚとした場合に、ＳＷＮＴ内にＹＹＸＺＺＸＹＹという順番で異種の内包フラーレンを配置した構造と、対応するＳＷＮＴのエネルギーバンド図とを示した図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…ＳＷＮＴ、３…金属内包フラーレン、５…フラーレン、７…接合界面、７１…二重障壁量子井戸構造、７５ａ、７５ｂ…エネルギー障壁層、７７…量子井戸層、７３ａ、７３ｂ…キャリア蓄積層、８１…ピーポッドヘテロ接合構造、８３ａ…第１の構造、８５ａ…第２の構造、８７…第３の構造、８５ｂ…第４の構造、８３ｂ…第５の構造。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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