(57)【要約】【課題】  新規なナノデバイスを実現できるナノチューブ電子デバイスおよびその製造方法を提供することである。【解決手段】  多層カーボンナノチューブ１の層間すべりを利用したナノチューブ電子デバイスは、内層チューブ２０と、内層チューブ２０の軸方向に沿って相互に変位自在な外層チューブ１１ａ，１２ａ，１３ａおよび外層チューブ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂと、外層チューブ１１ａ，１２ａ，１３ａ、内層チューブ２０および外層チューブ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの順で通電するための電気回路と、外層チューブ１１ａ，１２ａ，１３ａおよび外層チューブ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの少なくとも一方を変位させるための微小変位機構４３などで構成され、外層チューブ間の相対変位に応じた電気抵抗Ｒの変化を利用して、該電気回路に流れる電流Ｉを制御する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層カーボンナノチューブの層間すべりを利用した電子デバイスであって、
内層チューブと、
内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブと、
第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電するための電気回路と、
第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方を変位させるための変位機構とを備え、
外層チューブ間の相対変位に応じた電気抵抗の変化を利用して、該電気回路に流れる通電量を制御することを特徴とするナノチューブ電子デバイス。
【請求項２】
多層カーボンナノチューブの層間すべりを利用した電子デバイスであって、
内層チューブと、
内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブと、
第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電するための電気回路と、
該電気回路に流れる電流を検出するための電流検出器とを備え、
電流検出器によって検出した電流値に基づいて、外層チューブ間の相対変位量を測定することを特徴とするナノチューブ電子デバイス。
【請求項３】
多層カーボンナノチューブの層間すべりを利用した電子デバイスであって、
内層チューブと、
内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブと、
第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電するための電気回路と、
該電気回路に含まれる回路要素の両端電圧を検出するための電圧検出器とを備え、
電圧検出器によって検出した電圧値に基づいて、外層チューブ間の相対変位量を測定することを特徴とするナノチューブ電子デバイス。
【請求項４】
多層カーボンナノチューブの両端を第１電極および第２電極にそれぞれ接合する工程と、
第１電極および第２電極の間を通電することによって外層チューブの一部を昇華させて、内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブを形成する工程と、
第１電極、第１外層チューブ、内層チューブ、第２外層チューブおよび第２電極の順で通電するための電気回路を設ける工程とを含むことを特徴とするナノチューブ電子デバイスの製造方法。
【請求項５】
第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方を変位させるための変位機構を設ける工程をさらに含むことを特徴とする請求講４記載のナノチューブ電子デバイスの製造方法。
【請求項６】
該電気回路に流れる電流を検出するための電流検出器を設ける工程をさらに含むことを特徴とする請求講４記載のナノチューブ電子デバイスの製造方法。
【請求項７】
該電気回路に含まれる回路要素の両端電圧を検出するための電圧検出器を設ける工程をさらに含むことを特徴とする請求講４記載のナノチューブ電子デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層カーボンナノチューブの層間すべりを利用したナノチューブ電子デバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の可変抵抗器は、抵抗体層に接触した移動端子が回転変位または直線変位することで、電気抵抗を任意に制御している。しかしながら、表面実装型の可変抵抗器であっても数ｍｍサイズのものが限界であり、例えばマイクロマシンやマイクロエレクトロニクスなど、ミクロンやサブミクロン以下の寸法を持つナノデバイスを取扱う技術分野には適用できない。
【０００３】
また、ピエゾ効果を利用した微小変位センサが実用化されているが、そのサイズはせいぜい数十ミクロンであり、ナノデバイスにとって桁違いに大きいものである。
【０００４】
なお、関連する先行技術（例えば特許文献１）には、粒子径０．１μｍ以上のカーボンナノチューブおよび熱硬化性樹脂を混練分散した抵抗体ペーストを用いて可変抵抗器を作成することが記載されているが、従来サイズの可変抵抗器に関するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１０４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したようなピエゾ変位センサを製造する場合、スパッタリング等の成膜プロセスやパターン化のためのエッチングプロセスが必要となり、デバイスサイズがミクロンオーダーまで小さくなると、製造が極めて困難になる。また、圧電体のサイズ効果のため、サブミクロンオーダーまで小さくなるとバルク特性とは異なる現象を示すようになり、微細化が困難となる。
【０００７】
本発明の目的は、新規なナノデバイスを実現できるナノチューブ電子デバイスおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るナノチューブ電子デバイスは、多層カーボンナノチューブの層間すべりを利用した電子デバイスであって、
内層チューブと、
内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブと、
第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電するための電気回路と、
第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方を変位させるための変位機構とを備え、
外層チューブ間の相対変位に応じた電気抵抗の変化を利用して、該電気回路に流れる通電量を制御することを特徴とする。
【０００９】
また本発明に係るナノチューブ電子デバイスは、多層カーボンナノチューブの層間すべりを利用した電子デバイスであって、
内層チューブと、
内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブと、
第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電するための電気回路と、
該電気回路に流れる電流を検出するための電流検出器とを備え、
電流検出器によって検出した電流値に基づいて、外層チューブ間の相対変位量を測定することを特徴とする。
【００１０】
また本発明に係るナノチューブ電子デバイスは、多層カーボンナノチューブの層間すべりを利用した電子デバイスであって、
内層チューブと、
内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブと、
第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電するための電気回路と、
該電気回路に含まれる回路要素の両端電圧を検出するための電圧検出器とを備え、
電圧検出器によって検出した電圧値に基づいて、外層チューブ間の相対変位量を測定することを特徴とする。
【００１１】
また本発明に係るナノチューブ電子デバイスの製造方法は、多層カーボンナノチューブの両端を第１電極および第２電極にそれぞれ接合する工程と、
第１電極および第２電極の間を通電することによって外層チューブの一部を昇華させて、内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブを形成する工程と、
第１電極、第１外層チューブ、内層チューブ、第２外層チューブおよび第２電極の順で通電するための電気回路を設ける工程とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の製造方法において、第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方を変位させるための変位機構を設ける工程をさらに含むことが好ましい。
【００１３】
また本発明の製造方法において、該電気回路に流れる電流を検出するための電流検出器を設ける工程をさらに含むことが好ましい。
【００１４】
また本発明の製造方法において、該電気回路に含まれる回路要素の両端電圧を検出するための電圧検出器を設ける工程をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様によれば、第１外層チューブおよび第２外層チューブは、多層カーボンナノチューブの層間すべりによって内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在である。そこで、第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電した状態で、第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方を変位させると、カーボンナノチューブ全体の電気抵抗が変化することから、電気回路に流れる通電量を制御できる。こうして、外層チューブの変位に応じて電気抵抗を変化させることが可能になり、ミクロンオーダまたはそれ以下のサイズを有する可変抵抗デバイスを実現できる。
【００１６】
また本発明の別の態様によれば、第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電した状態で、第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方が変位すると、カーボンナノチューブ全体の電気抵抗が変化する。従って、電気回路に流れる電流を検出することによって、外層チューブの相対変位を測定することが可能になり、ミクロンオーダまたはそれ以下のサイズを有する変位センサデバイスを実現できる。
【００１７】
また本発明の別の態様によれば、第１外層チューブ、内層チューブおよび第２外層チューブの順で通電した状態で、第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方が変位すると、カーボンナノチューブ全体の電気抵抗が変化する。従って、外層チューブ間の印加電圧を検出することによって、外層チューブの相対変位を測定することが可能になり、ミクロンオーダまたはそれ以下のサイズを有する変位センサデバイスを実現できる。
【００１８】
こうしたナノチューブ電子デバイスは種々の分野に適用可能であり、例えばマイクロマシンやマイクロエレクトロニクスなど、ミクロンやサブミクロン以下の寸法を持つナノデバイスに適用できる。また本発明の変位センサデバイスを部材に貼り付けるとストレンゲージとして利用でき、部材の応力を高い空間分解能で測定できる。
【００１９】
本発明の製造方法の一態様によれば、可変抵抗器や変位センサなどの電子デバイスを構成する第１電極および第２電極に、多層カーボンナノチューブの両端を予め接合しておいて、続いて、第１電極および第２電極の間を通電することによって、外層チューブの一部が昇華して、内層チューブの軸方向に沿って相互に変位自在な第１外層チューブおよび第２外層チューブを形成することができる。
【００２０】
これに対して、多層カーボンナノチューブの通電による昇華処理を先に行ってから、電子デバイスを構成する第１電極および第２電極に接合する場合、外層チューブが内層チューブから抜け易くなるため、カーボンナノチューブの取扱いが困難になる。一方、本発明の手法は、外層チューブを分割する前に、多層カーボンナノチューブを先に接合しているため、外層チューブが内層チューブから抜け出ることが無く、カーボンナノチューブの取扱いが容易になる。
【００２１】
また、第１外層チューブおよび第２外層チューブの少なくとも一方を変位させるための変位機構を設けることが好ましく、これによって外層チューブの変位に応じて電気抵抗を変化させることが可能になり、ミクロンオーダまたはそれ以下のサイズを有する可変抵抗デバイスを実現できる。
【００２２】
また、電気回路に流れる電流を検出するための電流検出器を設けることが好ましく、これによって外層チューブの相対変位を測定することが可能になり、ミクロンオーダまたはそれ以下のサイズを有する変位センサデバイスを実現できる。
【００２３】
また、外層チューブ間の印加電圧を検出するための電圧検出器を設けることが好ましく、これによって外層チューブの相対変位を測定することが可能になり、ミクロンオーダまたはそれ以下のサイズを有する変位センサデバイスを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明に係る多層カーボンナノチューブの一例を示す構成図である。ここでは、外層チューブと内層チューブの２層で構成された２層カーボンナノチューブを示しているが、本発明は複数の層で構成される多層カーボンナノチューブに適用できる。
【００２５】
多層カーボンナノチューブ１は、最外層の外層チューブ１０と、外層チューブ１０より内側にある内層チューブ２０とを備える。一般に、多層カーボンナノチューブ１の直径は約１ｎｍ〜約１０ｎｍであり、その長さは約５ｎｍ〜約２０ｎｍであり、製造条件によって層数、直径および長さを制御することができる
【００２６】
外層チューブ１０および内層チューブ２０は、６つの炭素原子からなる六員環が周期的に配列して円筒面を形成し、５つの炭素原子からなる五員環が部分的に配置することによって湾曲した面を形成している。
【００２７】
外層チューブ１０と内層チューブ２０の間は、ファン・デル・ワールス力などの物理的な力が作用している。図１に示すように、外層チューブ１０の開放端から内層チューブ２０が突出している場合、内層チューブ２０には数ナノニュートン（ｎＮ）の微弱な引き込み力が働いているが、層間すべりによる摩擦は極めて小さいことが特徴的である。従って、いずれかのチューブに外力が作用すると、外層チューブ１０または内層チューブ２０は容易に変位できる。
【００２８】
図２は本発明の一実施形態を示す説明図であり、図３はその概略断面図である。まず図２（ａ）に示すように、多層カーボンナノチューブ１の両端にリード線３１，３２の一端をそれぞれ電気接続し、リード線３１，３２の他端の間には電源３３および電流計３４の直列回路が接続される。
【００２９】
ここでは理解容易のために、多層カーボンナノチューブ１とリード線３１，３２とを直結するように図示しているが、実際には、多層カーボンナノチューブ１の両端は一対の電極にそれぞれ接合され、リード線３１，３２は各電極にそれぞれ電気接続されている。また、各電極として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）マニピュレータを利用することも可能である。また、電源３３として直流電源を例示しているが、交流電源やパルス電源も利用可能である。
【００３０】
この状態では、図３（ａ）に示すように、多層カーボンナノチューブ１の最外側にある外層チューブ１０がリード線３１，３２と電気接続され、内層チューブ２０は層間ギャップを介して間接的に電気接続される。
【００３１】
次に、約１０−５Ｐａ以下の真空雰囲気で、多層カーボンナノチューブ１を約５０〜約２００μＡの電流、約３Ｖ〜約４Ｖの印加電圧で通電を開始する。このとき層間ギャップの存在によって、内層チューブ２０よりも外層チューブ１０に電流が流れ易くなる。すると、図２（ｂ）と図３（ｂ）に示すように、外層チューブ１０の電流密度が極めて高くなって発熱し、外層チューブ１１のほぼ中央部だけが昇華して、外層チューブ１１は２つの外層チューブ１１ａ，１１ｂに分割される。なお、図３（ｂ）は、理解容易のために、２層カーボンナノチューブの例を示している。
【００３２】
３層以上のカーボンナノチューブの場合、図２（ｂ）に示すように、通電をさらに続行すると、分割した外層チューブ１１ａ，１１ｂの内側に近接した外層チューブ１２の電流密度が極めて高くなって発熱し、外層チューブ１２のほぼ中央部だけが昇華して、外層チューブ１１は２つの外層チューブ１２ａ，１２ｂに分割される。
【００３３】
さらに通電を続行すると、分割した外層チューブ１２ａ，１２ｂの内側に近接した外層チューブ１３の電流密度が極めて高くなって発熱し、外層チューブ１３のほぼ中央部だけが昇華して、外層チューブ１３は２つの外層チューブ１３ａ，１３ｂに分割される。
【００３４】
外層チューブの分割処理に伴う電流は、一層分割ごとにステップ的に変化するため、電流計３４で昇華電流を監視することによって分割すべき層数を制御できる。図２（ｂ）では、３層の外層チューブが分割した後、通電を停止した例を示している。
【００３５】
この状態で、外層チューブ１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、層間すべりによって未分割の内層チューブ２０の軸方向に沿って相互に変位自在となる。
【００３６】
次に図２（ｃ）に示すように、電源３３の正極→リード線３１→外層チューブ１１ａ，１２ａ，１３ａ→内層チューブ２０→外層チューブ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ→リード線３２→電流計３４→電源３３の負極という電流経路で電気回路を構成する。このとき、図２（ａ）に示した外層チューブの分割処理に使用した電気回路をそのまま流用してもよく、あるいは別個の電気回路を組立ててもよい。
【００３７】
この状態で、図３（ｂ）に示すように、層が重なり合った区間Ｌａ，Ｌｃでは層間ギャップを通過するように電流が流れ、区間Ｌｂでは内層チューブ２０を通過するように電流が流れる。多層カーボンナノチューブ１は極めて小さいサイズを有するため、量子効果が現れると考えられ、区間Ｌａ，Ｌｃでは通常の接触伝導およびトンネル伝導が関与し、区間Ｌｂでは通常のバルク伝導およびバリスティック伝導が関与すると考えられている。
【００３８】
この状態で、微小変位機構（不図示）を用いて外層チューブ１１ａを外向けに相対変位させると、上述した引き込み力によって外層チューブ１２ａ，１３ａも外層チューブ１１ａに追従して変位する。一方、内層チューブ２０は、外層チューブ１１ａ，１２ａ，１３ａの変位に応じて移動するが、反対側の外層チューブ１１ｂ，１２ｂ，１３ｂからの引き込み力も作用することから、左右の引き込み力のバランスを取るように変位する。その結果、区間Ｌａ，Ｌｃの合計長さも小さくなり、区間Ｌｂの長さも小さくなり、カーボンナノチューブ全体の電気抵抗が増加することになる。
【００３９】
図４および図５は、カーボンナノチューブの電気的特性の一例を示すグラフである。横軸は外層チューブの変位量Δｘであり、左の縦軸はカーボンナノチューブに流れる電流Ｉ（白ドット）であり、右の縦軸はカーボンナノチューブの電気抵抗Ｒ（黒ドット）である。また図４はカーボンナノチューブに低いバイアス電圧（０．２Ｖ）を印加した場合を示し、図５はカーボンナノチューブに高いバイアス電圧（２．５８５Ｖ）を印加した場合を示す。なお、測定は室温で行った。
【００４０】
まず図４のグラフを見ると、外層チューブの変位量Δｘが増加するにつれて、電流Ｉが徐々に減少し、さらにバイアス電圧を電流Ｉで除算したカーボンナノチューブの電気抵抗Ｒは徐々に増加することが判る。そして、変位量Δｘが約９００ｎｍ付近で、図２（ｄ）に示すように、外層チューブが内層チューブから外れてしまい、電流Ｉは急激に減少している。
【００４１】
グラフ全体として、変位量Δｘと電気抵抗Ｒとはほぼ比例関係にあり、直線近似での比例係数を計算すると１２１［Ω／ｎｍ］が得られた。なお、ドットのばらつきは変位量Δｘの測定誤差に起因するものと考えられ、両者は理論的にはリニアな関係を示すと考えられている。
【００４２】
次に図５のグラフを見ると、高いバイアス電圧を印加した状態では、Δｘ＜約４００ｎｍの範囲で、変位量Δｘと電気抵抗Ｒとはほぼ比例関係を示し、直線近似での比例係数は４５．８［Ω／ｎｍ］と計算された。一方、変位量Δｘが約４００ｎｍを超えた範囲では、近似直線から僅かに偏差する傾向を示している。
【００４３】
このようにカーボンナノチューブの変位量Δｘと電気抵抗Ｒとは全体としてほぼ比例関係を示すことから、可変抵抗デバイスや変位センサデバイス等の応用が可能である。また、ノンリニアな関係を示す範囲については、線形補正テーブル等を参照することによって直線補償が可能である。
【００４４】
図６（ａ）（ｂ）は、本発明に係るナノチューブ電子デバイスの例を示す構成図である。図６（ａ）において、多層カーボンナノチューブは、内層チューブ２０と、内層チューブ２０の軸方向に沿って相互に変位自在な外層チューブ１１ａ〜１３ａおよび外層チューブ１１ｂ〜１３ｂとを備える。
【００４５】
ナノチューブ電子デバイスは、こうした多層カーボンナノチューブと、外層チューブ１１ａの一端が接合された電極４１と、外層チューブ１１ｂの一端が接合された電極４２と、各電極４１，４２に電気接続されたリード線３１，３２と、多層カーボンナノチューブを通電するための電源３３と、通電電流の変化を検出するための電流計３４などで構成される。
【００４６】
微小変位機構４３は、移動ステージ４３ａと固定ステージ４３ｂなどを備え、電極４１は移動ステージ４３ａの上に取り付けられている。電極４２および固定ステージ４３ｂは基準ベースに固定されている。
【００４７】
上述したように、変位量Δｘと電気抵抗Ｒとはほぼ比例関係にあり、個々のカーボンナノチューブに関する比例係数は、図４や図５のような測定によって予め決定することができる。
【００４８】
そこで、可変抵抗デバイスとして使用する場合、カーボンナノチューブの電気抵抗Ｒが所望の値となるように、微小変位機構４３を駆動し、移動ステージ４３ａを所望の変位量Δｘとなるように制御する。
【００４９】
一方、変位センサデバイスとして使用する場合、被測定物体と移動ステージ４３ａとを何らかのジョイント部材によって予め連結しておく。そして、被測定物体の変位量に対応して移動ステージ４３ａが変位量Δｘだけ移動した場合、電流計３４の電流変化に基づいてカーボンナノチューブの電気抵抗Ｒの変化を測定する。その結果、電気抵抗Ｒの変化量に基づいて、移動ステージ４３ａの変位量Δｘおよびこれに対応した被測定物体の変位量を高精度に測定することができる。
【００５０】
また図６（ｂ）において、ナノチューブ電子デバイスは、こうした多層カーボンナノチューブと、外層チューブ１１ａの一端が接合された電極４１と、外層チューブ１１ｂの一端が接合された電極４２と、各電極４１，４２に電気接続されたリード線３１，３２と、多層カーボンナノチューブを通電するための電源３３と、電源３３に直列配置された負荷抵抗３５と、多層カーボンナノチューブの両端電圧の変化を検出するための電圧計３６などで構成される。
【００５１】
この場合、カーボンナノチューブの電気抵抗Ｒの変化に対応してカーボンナノチューブの両端電圧が変化することから、電源３３の出力電圧、負荷抵抗３５の抵抗値、多層カーボンナノチューブの電気的特性が既知であれば、電圧計３６の電圧変化と変位量Δｘとの関連付けが可能になり、可変抵抗デバイスや変位センサデバイスとして使用することができる。なお、電圧計３６は、負荷抵抗３５の両端電圧を検出するように配置しても同様な測定が可能である。
【００５２】
上述した可変抵抗デバイスや変位センサデバイスは、多層カーボンナノチューブの層間すべりが円滑に機能する環境において使用可能であり、例えば真空中だけでなく通常の大気圧下でも使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、外層チューブの層間すべりが生ずるとカーボンナノチューブ全体の電気抵抗が変化する特性を利用することによって、ミクロンオーダまたはそれ以下のサイズを有する可変抵抗デバイスや変位センサデバイスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る多層カーボンナノチューブの一例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態の概略断面図である。
【図４】カーボンナノチューブの電気的特性の一例を示すグラフである。
【図５】カーボンナノチューブの電気的特性の一例を示すグラフである。
【図６】本発明に係るナノチューブ電子デバイスの例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  多層カーボンナノチューブ
１０，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ  外層チューブ
２０  内層チューブ
３１，３２  リード線
３３  電源
３４  電流計
３６  電圧計
４１，４２  電極
４３  微小変位機構
４３ａ  移動ステージ
４３ｂ  固定ステージ
【図１】
2005093715.tif 000003
【図２】
2005093715.tif 000004
【図３】
2005093715.tif 000005
【図４】
2005093715.tif 000006
【図５】
2005093715.tif 000007
【図６】
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