(57)【要約】【課題】    マイクロエレクトロニクスデバイス用材料として有用な炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルとその簡便な製造方法ならびに炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンとその簡便な製造方法を提供する。【解決手段】    一酸化ケイ素粉末と鉄粉の混合物を窒化ホウ素るつぼに入れ、このるつぼを加熱炉中に設置し、この加熱炉内を減圧にした後、メタンガスを流しながら１４５０℃以上１６５０℃以下で加熱して炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルを得、さらに、その炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルを減圧にした加熱炉中、１５００℃以上１８００℃以下で加熱して炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンを得る。【選択図】図１
2005262346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯が炭化ケイ素、中間層が二酸化ケイ素、外層が炭素であり、外層の炭素の直径が２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であって、芯、中間層および外層が共軸であることを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブル。
【請求項２】
炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが交互に接合していることを特徴とする炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーン。
【請求項３】
一酸化ケイ素粉末と鉄粉の混合物を窒化ホウ素るつぼに入れ、このるつぼを加熱炉中に設置し、この加熱炉内を減圧にした後、メタンガスを流しながらるつぼ内の混合物を１４５０℃以上１６５０℃以下で加熱することを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法。
【請求項４】
３０分以上６０分以下加熱することを特徴とする請求項３記載の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法。
【請求項５】
混合物中の一酸化ケイ素と鉄粉の重量比を５：１〜８：１の範囲とすることを特徴とする請求項３または４記載の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法。
【請求項６】
メタンガスの流量を２０ｍｌ／ｍｉｎ以上２００ｍｌ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする請求項３ないし５いずれかに記載の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法。
【請求項７】
加熱炉が縦型高周波誘導加熱炉であることを特徴とする請求項３ないし６いずれかに記載の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法。
【請求項８】
請求項３ないし７いずれかに記載の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法により製造した炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルを、減圧にした加熱炉内で、１５００℃以上１８００℃以下で加熱することを特徴とする炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法。
【請求項９】
１０分以上３０分以下加熱することを特徴とする請求項８記載の炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法。
【請求項１０】
加熱炉内を２．０×１０-3Ｐａ以下に減圧することを特徴とする請求項８または９に記載の炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法。
【請求項１１】
加熱炉が縦型高周波誘導加熱炉であることを特徴とする請求項８ないし１０いずれかに記載の炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルとその製造方法ならびに炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンとその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、新規なマイクロエレクトロニクス用材料として有用な炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルとその製造方法ならびに炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近のナノテクノロジーの急速な発展に伴い、これまでナノメートルサイズの機能性電子デバイスを製造するための努力が熱心に払われている。これらの機能性を有するナノメートルサイズの材料としては、芯が炭化ケイ素であり、中間層が二酸化ケイ素であり、外層が窒化ホウ素と炭素の混合層である炭化ケイ素−二酸化ケイ素−窒化ホウ素／炭素ナノケーブルや、芯が非晶質のホウ素であり、中間層が二酸化ケイ素であり、外層が炭素である非晶質のホウ素−二酸化ケイ素−炭素ナノケーブルがレーザー加熱法によって製造されており（たとえば非特許文献１および２参照）、また結晶性のケイ素（芯）−非晶質の二酸化ケイ素（中間層）−非晶質の炭素（外層）からなる三層のナノケーブルがレーザー加熱法と加熱蒸発法の組み合わせにより製造されている（たとえば非特許文献３参照）。しかしながら、レーザー加熱法はレーザーやその他の装置が必要となることから、上記のナノケーブルを製造するのに大掛かりな装置が必要となり、製造コストがかかるといった問題を有していた。
【０００３】
一方多結晶の白金ナノワイヤーを鋳型として用いることにより、白金ケイ素−ケイ素のナノ接合体や亜鉛ナノロッドの先端にニッケルを堆積することによる酸化亜鉛−ニッケルのナノ接合体が製造されている（たとえば非特許文献４および５参照）。なおこれらの材料は金属層の厚さによって磁気特性が変化する特徴を持っている。
【０００４】
このようにこれまで、マイクロエレクトロニクス用材料として有望な様々な物質が製造されているが、マイクロエレクトロニクス用材料として有望な新たな物質、さらにその物質の簡便な製造方法が求められていた。
【非特許文献１】Y. Zhang他, "Coaxial Nanocable Silicon Carbide and Silicon Oxide Sheathed with Boron Nitride and Carbon", Science, Vol. 281, p.973-975, 1998年
【非特許文献２】K. Suenaga他, "Coiled structure of eccentric coaxial nanocable made of amorphous boron and silicon oxide", Applied Physics Letters, Vol. 76, p.1564-1566, 2000年
【非特許文献３】W. S. Shi他, "Coaxial Three-Layer Nanocables Synthesized by Combining Laser Ablation and Thermal Evaporation" Advanced Materials, Vol. 12、p.1927-1930, 2000年
【非特許文献４】L.Jun他、"Novel Synthesis of Pt6Si5 Nanowires and Pt6Si5-Si Nanowire Heterojunctions by Using Polycrystalline Pt Nanowires as Templates" Advanced Materials, Vol. 15, p.579-581, 2003年
【非特許文献５】S.W.Jung他、"Fabrication and Controlled Magnetic Properties of Ni/ZnO Nanorod Heterostructures", Advanced Materials, Vol. 15、p.1358-1361, 2003年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、マイクロエレクトロニクス用材料として有用な炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルとその簡便な製造方法ならびに炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンとその簡便な製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、芯が炭化ケイ素、中間層が二酸化ケイ素、外層が炭素であり、外層の炭素の直径が２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であって、芯、中間層および外層が共軸であることを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルを提供する。
【０００７】
第２には、炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが交互に接合していることを特徴とする炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンを提供する。
【０００８】
第３には、一酸化ケイ素粉末と鉄粉の混合物を窒化ホウ素るつぼに入れ、このるつぼを加熱炉中に設置し、この加熱炉内を減圧にした後、メタンガスを流しながらるつぼ内の混合物を１４５０℃以上１６５０℃以下で加熱することを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法を提供する。
【０００９】
第４には、この出願の発明は第３の発明において、３０分以上６０分以下加熱することを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法を提供する。
【００１０】
第５には、第３または４の発明において、混合物中の一酸化ケイ素と鉄粉の重量比を５：１〜８：１の範囲とすることを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法を提供する。
【００１１】
さらに、第６には、第３ないし５いずれかの発明において、メタンガスの流量を２０ｍｌ／ｍｉｎ以上２００ｍｌ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法を提供する。
【００１２】
また、第７には、第３ないし６いずれかの発明において、加熱炉が縦型高周波誘導加熱炉であることを特徴とする炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法を提供する。
【００１３】
第８には、第３ないし７いずれかの発明の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法により製造した炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルを、減圧にした加熱炉内で、１５００℃以上１８００℃以下で加熱することを特徴とする炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法を提供する。
【００１４】
第９には、第８の発明において、１０分以上３０分以下加熱することを特徴とする炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法を提供する。
【００１５】
第１０には、第８または９の発明において、炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルを２．０×１０-3Ｐａ以下に減圧することを特徴とする炭化ケイ素ナノロッドと
カーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法を提供する。
【００１６】
第１１には、第８ないし１０いずれかの発明において、加熱炉が縦型高周波誘導加熱炉であることを特徴とするの炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
この出願の発明により、ナノメートルサイズの電子デバイスにその利用が期待される炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルとその製造方法ならびに炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブの接合したナノチェーンとその製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１９】
この出願の発明の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルは、芯が炭化ケイ素、中間層が二酸化ケイ素、外層が炭素であり、外層の炭素の直径が２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であって、芯、中間層および外層が共軸であることを大きな特徴としている。
【００２０】
また、この出願の発明の炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンは、炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが交互に接合していることを大きな特徴としている。
【００２１】
さらに、この出願の発明の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法は、一酸化ケイ素粉末と鉄粉の混合物を窒化ホウ素るつぼに入れ、このるつぼを加熱炉に設置し、この加熱炉内を減圧にした後、メタンガスを流しながらるつぼ内の混合物を１４５０℃以上１６５０℃以下で加熱することを大きな特徴としている。
【００２２】
なおこの出願の発明において加熱温度を１４５０℃以上１６５０℃以下とするのは、１６５０℃よりも高いと反応速度が速すぎて制御することができず、逆に１４５０℃よりも低いと触媒として作用する鉄粉が十分に蒸発することができないためである。このとき、加熱時間を３０分以上６０分以下とするのが好ましく、その理由としては、６０分で十分にナノケーブルが成長することからそれより長時間の加熱は不要であり、また逆に３０分よりも短いとナノケーブルの収量が低下するからである。また、加熱炉を減圧にする際にはできるだけ高真空にするのが望ましい。
【００２３】
上記の加熱終了後、加熱炉を室温に自然冷却で冷却することで、グラファイト誘導加熱円筒管の上部に黒色の粉末状の生成物が得られるが、この生成物が炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルであり、この構造は分析により確認することができる。
【００２４】
なおこのとき、混合物中の一酸化ケイ素と鉄粉の重量比は５：１〜８：１の範囲とするのが好ましい。それというのも、一酸化ケイ素粉末の重量が８：１の割合よりも大きい場合、生成物中に不純物が混入してしまい、逆に一酸化ケイ素粉末の重量が５：１の割合よりも小さいと生成するナノケーブルの平均直径が太くなってしまうからである。またメタンガスの流量は２０ｍｌ／ｍｉｎ以上２００ｍｌ／ｍｉｎ以下とするのが好ましい。メタンの流量が２００ｍｌ／ｍｉｎよりも大きい場合、メタンの分解反応が急激に起こるため、生成するカーボン層が非晶質になってしまい、また逆に２０ｍｌ／ｍｉｎよりも少ないとナノケーブルの収量が低下してしまうからである。
【００２５】
またこのとき、加熱炉としては種々のものを用いることができるが、汎用的な装置であって対象物を高温に加熱するのに適した縦型高周波誘導加熱炉を好適に用いることができ、その場合、るつぼを縦型高周波誘導加熱炉の中央部に設置するのが望ましい。
【００２６】
また、この出願の発明の炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの製造方法は、上記の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの製造方法により製造した炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルを、減圧にした加熱炉内で、１５００℃以上１８００℃以下で加熱することを大きな特徴としている。
【００２７】
なお、加熱温度を１５００℃以上１８００℃以下とするのは、加熱温度が１８００℃よりも高いと、加熱処理後の生成物はカーボンナノチューブのみとなってしまい、逆に１５００℃よりも低いとナノケーブルがナノチェーンに変換されることがないからである。このとき、加熱時間を１０分以上３０分以下とするのが好ましく、その理由としては、３０分よりも長時間加熱すると炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブとが接合される量が減少してしまい、また逆に加熱時間が１０分よりも短いとナノケーブルからナノチェーンへの変換率が減少するからである。そして加熱終了後、加熱炉を室温に自然冷却で冷却することで、炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンが得られ、この構造についても分析により確認することができる。
【００２８】
なお、このとき加熱炉内を減圧にした際に、加熱炉内が２．０×１０-3Ｐａよりも圧力が高いとナノケーブルが酸化されてしまうため、２．０×１０-3Ｐａ以下に減圧するのが好ましい。また加熱炉としては種々のものを用いることができるが、汎用的な装置であって対象物を高温に加熱するのに適した縦型高周波誘導加熱炉を好適に用いることができる。
【００２９】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【実施例】
【００３０】
＜実施例１＞
アルドリッチ社製の一酸化ケイ素粉末（純度９９．９９％）１．０ｇとアルドリッチ社製の鉄粉（純度９９．９９％）０．１６ｇを窒化ホウ素るつぼに入れ、このるつぼをグラファイト誘導加熱円筒管を有する縦型高周波誘導加熱炉の中の中央部に取り付けた。この加熱炉内を１．５×１０-3Ｐａに減圧した後、メタンガスを１５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、るつぼ内の混合物を１５５０℃に５０分間加熱し、加熱終了後、加熱炉を室温まで自然冷却で冷却した。その際、加熱中７００〜８００℃の温度であったグラファイト誘導加熱円筒管の上部に黒色の粉末が０．２ｇ生成した。
【００３１】
図１（ａ）および（ｂ）にこの生成物の代表的な透過型電子顕微鏡像（ＴＥＭ）の写真を示す。図１（ａ）より、長さが数μｍで、直径が数十ｎｍのナノワイヤー構造を有する物質が生成していることが分かる。また、図１（ｂ）の挿入図に示すように、この生成物は、挿入図にＡ（芯）、Ｂ（中間層）、Ｃ（外層）で示したように３層からなっており、暗く写っている芯（Ａ）と中間層（Ｂ）、そしてさらに明るく写っている外層（Ｃ）からなるナノケーブル構造であり、芯（Ａ）の部分の直径は１０〜３０ｎｍであり、ナノケーブルの直径は、２０〜５０ｎｍである。
【００３２】
図２に図１の生成物の芯（Ａ）と中間層（Ｂ）と外層（Ｃ）のＸ線エネルギー拡散スペクトルをそれぞれについて示すが、その化学組成は炭化ケイ素（芯）、二酸化ケイ素（中間層）、炭素（外層）からなることが分かり、炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノ
ケーブルが得られたことが分かる。また高分解能透過型電子顕微鏡像の解析結果から、それら炭化ケイ素（芯）、二酸化ケイ素（中間層）、炭素（外層）は、単結晶のβ型炭化ケイ素、非晶質の二酸化ケイ素、グラファイト構造の炭素であった。
＜実施例２＞
次に上記実施例１で生成した炭化ケイ素（芯）−二酸化ケイ素（中間層）−炭素（外層）共軸ナノケーブル０．０５ｇを、実施例１と同じ縦型高周波誘導加熱炉を用い１．５×１０-3Ｐａの減圧中で１６００℃に１５分加熱した。縦型高周波誘導加熱炉を室温に自然冷却で冷却すると０．０３ｇの生成物が得られた。
【００３３】
図３にこの生成物の透過型電子顕微鏡像の写真を示す。同図より暗く写っている部分と明るく写っている部分とが交互に連なったチェーン状構造物であることが確認できる。この構造物のＸ線エネルギー拡散スペクトルを調べたところ、暗く写っている部分のナノロッドは炭化ケイ素であり、明るく写っている部分のナノチューブは炭素からなる組成物であることが分かった。したがって、炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンが得られたことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、新規なマイクロエレクトロニクスデバイスへの応用が期待できる、炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルとその簡便な製造方法ならびに炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンとその簡便な製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この出願の発明の一実施形態により生成された炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルの透過型電子顕微鏡像を例示した写真である。
【図２】図１の炭化ケイ素−二酸化ケイ素−炭素共軸ナノケーブルのＸ線エネルギー拡散スペクトルのグラフである。
【図３】この出願の発明の一実施形態により生成された炭化ケイ素ナノロッドとカーボンナノチューブが接合したナノチェーンの透過型電子顕微鏡像を例示した写真である。
【図１】
2005262346.tif 000003
【図２】
2005262346.tif 000004
【図３】
2005262346.tif 000005