(57)【要約】本発明は、単一陽子および単一電子スピンを検出することができる微小寸法プローブを備えるＭＦＭまたはＭＲＦＭ分析装置を提供する。本発明はさらに、およそ１ナノメートルの大きさの磁気構造を検出することができる微小寸法プローブを備えるＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置を提供する。本発明は特に、ＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置用の微小寸法プローブを提供し、微小寸法プローブは、ナノスケールの強磁性体材料を含むＣＮＴカンチレバーを備える。ＣＮＴカンチレバーは、顕微鏡プローブの構成要素として電極に取り付けられることができ、顕微鏡プローブは、ナノスケールＭＦＭまたはＭＲＦＭ微小寸法プローブ装置の構成要素として電気回路と結合される。プローブと電気回路とを備えるこの装置は、電気的読み出しに対応した既存の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）装置に組み込むことができる。
2006501484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）基板材料に取り付けられた電極アレイと、
ｂ）前記電極アレイに取り付けられた複数のミクロ微粒子強磁性材料を有するカンチレバー配置に構成されたナノチューブアレイと、
ｃ）前記電極アレイとプローブ部とを結合する電気回路とを含む、微小寸法プローブ。
【請求項２】
前記ナノチューブはピエゾ抵抗を示す、請求項１に記載の微小寸法プローブ。
【請求項３】
前記ナノチューブはカーボンナノチューブである、請求項１に記載の微小寸法プローブ。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブは、少なくとも１つのＹ字またはＶ字形態のチューブルを有する、請求項３に記載の微小寸法プローブ。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブは多層形態である、請求項３に記載の微小寸法プローブ。
【請求項６】
前記チューブルは、１ナノメートル〜１００ナノメートルの範囲の直径を有する、請求項４に記載の微小寸法プローブ。
【請求項７】
前記チューブルは、１ナノメートル〜５０ナノメートルの範囲の直径を有する、請求項４に記載の微小寸法プローブ。
【請求項８】
前記Ｙ字またはＶ字形態は、０．１マイクロメートル〜１００マイクロメートルの範囲の長さのチューブルである、請求項４に記載の微小寸法プローブ。
【請求項９】
前記Ｙ字またはＶ字形態は、１マイクロメートル〜１０マイクロメートルの範囲の長さのチューブルである、請求項４に記載の微小寸法プローブ。
【請求項１０】
前記強磁性材料は少なくとも１つの遷移金属を含む、請求項１に記載の微小寸法プローブ。
【請求項１１】
前記遷移金属は、鉄、コバルト、ニッケル、それらの混合物、およびそれらの合金から成る群から選択される、請求項１０に記載の微小寸法プローブ。
【請求項１２】
ミクロ画像装置の一部である、請求項１に記載の微小寸法プローブ。
【請求項１３】
ナノスケール寸法を有する、請求項１２に記載の微小寸法プローブ。
【請求項１４】
前記ミクロ画像装置は、ＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置である、請求項１３に記載の微小寸法プローブ。
【請求項１５】
ナノスケール分解能で検出を行う、請求項１４に記載の微小寸法プローブ。
【請求項１６】
基板材料の上に載置されたナノチューブを少なくとも１つ有する電気接触プローブであって、前記ナノチューブには導電性有機材料および複数のミクロ微粒子強磁性材料が塗布されている、電気接触プローブ。
【請求項１７】
前記ナノチューブは、低電気抵抗および高機械的強度を有する、請求項１６に記載の電気接触プローブ。
【請求項１８】
前記ナノチューブはピエゾ抵抗を示す、請求項１６に記載の電気接触プローブ。
【請求項１９】
前記ナノチューブはカーボンナノチューブである、請求項１６に記載の電気接触プローブ。
【請求項２０】
前記カーボンナノチューブは、少なくとも１つのＹ字またはＶ字形態のチューブルを有する、請求項１９に記載の電気接触プローブ。
【請求項２１】
前記カーボンナノチューブは多層形態である、請求項１９に記載の電気接触プローブ。
【請求項２２】
前記チューブルは、１ナノメートル〜１００ナノメートルの範囲の直径を有する、請求項２０に記載の電気接触プローブ。
【請求項２３】
前記チューブルは、１ナノメートル〜５０ナノメートルの範囲の直径を有する、請求項２０に記載の電気接触プローブ。
【請求項２４】
前記Ｙ字またはＶ字形態は、０．１マイクロメートル〜１００マイクロメートルの範囲の長さのチューブルである、請求項２０に記載の電気接触プローブ。
【請求項２５】
前記Ｙ字またはＶ字形態は、１マイクロメートル〜１０マイクロメートルの範囲の長さのチューブルである、請求項２０に記載の電気接触プローブ。
【請求項２６】
前記強磁性材料は少なくとも１つの遷移金属を含む、請求項１６に記載の電気接触プローブ。
【請求項２７】
前記遷移金属は、鉄、コバルト、ニッケル、それらの混合物、およびそれらの合金から成る群から選択される、請求項２６に記載の電気接触プローブ。
【請求項２８】
ミクロ画像装置の一部である、請求項１に記載の電気接触プローブ。
【請求項２９】
ナノスケール寸法を有する、請求項２８に記載の電気接触プローブ。
【請求項３０】
前記ミクロ画像装置は、ＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置である、請求項２８に記載の電気接触プローブ。
【請求項３１】
ナノスケール分解能で検出を行う、請求項３０に記載の電気接触プローブ。
【請求項３２】
ミクロ環境または構造を感知または操作するためのプローブの作製方法であって、
ａ）複数の表面金属電極を有する基板材料を作製する工程と、
ｂ）Ｙ字ナノチューブの２つの分岐を前記基板材料上の一対の電極に取り付け、前記Ｙ字ナノチューブの３つ目の分岐を前記基板材料の表面から外側に張り出させる工程とを含む、プローブの作製方法。
【請求項３３】
前記ナノチューブはピエゾ抵抗を示す、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項３４】
前記ナノチューブはカーボンナノチューブである、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項３５】
前記基板材料は半導体材料である、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項３６】
前記基板材料はシリコンである、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項３７】
前記基板材料はシリコンウェハー、シリコン板、およびシリコンチップから成る群から選択される、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項３８】
前記基板材料は、パシベーション処理が施された半導体材料である、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項３９】
前記基板材料は、二酸化珪素または窒化珪素がその上に積層されたシリコンである、請求項３８に記載のプローブの作製方法。
【請求項４０】
Ｙ字ナノチューブの前記２つの分岐は、前記基板材料上の一対の電極に電着、無電解メッキ、または電子ビーム溶接により固定されている、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項４１】
さらに、複数の強磁性材料を前記Ｙ字ナノチューブの１つの分岐の端に取り付ける工程を含む、請求項３２に記載のプローブの作製方法。
【請求項４２】
前記複数の強磁性材料は、前記Ｙ字ナノチューブの１つの分岐の端に粘着塗布される、請求項４１に記載のプローブの作製方法。
【請求項４３】
前記複数の強磁性材料は、前記Ｙ字ナノチューブの１つの分岐の端に粘着取り付けされる、請求項４１に記載のプローブの作製方法。
【請求項４４】
請求項１に記載の微小寸法プローブを用いてミクロ環境または構造を感知または操作する方法であって、
ａ）電流を前記微小寸法プローブに流す工程と、
ｂ）試料表面からの撓みにおけるピエゾ抵抗の変化を測定することにより前記微小寸法プローブ内に流れる前記電流により発生するカンチレバー先端の運動を検出する工程とを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、磁気力顕微鏡および磁気共鳴力顕微鏡用の微小次元解析用プローブに関する。本発明は特に、磁気力顕微鏡または磁気共鳴力顕微鏡における電磁気解析用プローブとして機能する、所定の形態を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）等、圧電特性を有するナノスケール材料に関する。
【０００２】
［政府支援］
本発明は、国立科学財団認可番号０２１０５３３の部分援助によりなされたものである。米国政府は本発明の一定の権利を有する。
【０００３】
［発明の背景］
磁気力顕微鏡（本明細書中の以下ではＭＦＭと称する）および磁気共鳴力顕微鏡（本明細書中の以下ではＭＲＦＭと称する）は、磁気構造および表面のミクロンスケールの画像を提供する。ＭＦＭでは、強磁性先端を有するカンチレバーは試料表面に近接し、先端と試料との間の力が検出される。先端は表面を走査して試料の磁区構造を明らかにする。ＭＦＭの典型的な応用例としては磁気ディスクドライブ等のデータ保存技術が挙げられる。ＭＲＦＭは、潜在的にＭＦＭよりかなり高感度であり、半導体量子ドット（例えば、量子計算のため）および細胞、タンパク質、ＤＮＡ等の生物試料等の小さい構造のナノスケールの三次元（３Ｄ）画像を提供できる。
【０００４】
ＭＲＦＭは核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を複合したものである。核磁気共鳴力顕微鏡（ＭＲＦＭ）は顕微鏡画像装置であり、永久磁石とスピン磁化との間の力を測定し、機械的に磁気共鳴シグナルを検出する。従来のＭＲＩは、例えば筋肉組織の画像を、組織中の原子の磁気スピンが無線周波数（ＲＦ）磁界により励起されたときコイルインダクター内で誘導される電圧の変化を測定することで形成することができる。ＲＦ磁界はスピンの固有周波数または「共鳴」周波数で駆動され、スピンを強い静磁界内で回転または歳差運動させる。人体ＭＲＩ研究の場合、スピンは体内の脂肪および水中の水素（人体の約２／３は水素である）原子核（プロトン）スピンである。画像は、傾斜または空間的に変化する静磁界を用いるとき形成され、その時々で試料の極薄片部のみがＲＦ磁界と共鳴状態になる。この薄片部の位置は、しばしば制御下に変化され、共鳴スピン磁区（ＭＲＩ像）の位置検知型測定を可能にする。したがってＭＲＩは、電磁スペクトルの無線周波数範囲のエネルギーの吸収および放出に基づいている。ＭＲＩの空間分解能は約０．１ミリメートル（ｍｍ）またはそれよりわずかに小さい（実験室内の非市販品ＮＭＲ顕微鏡にて１０μｍの分解能が達成されている）。
【０００５】
ＡＦＭは、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の後に創られたものである。ＡＦＭは、材料表面上の個々の原子と追従カンチレバー先端（通常はシリコンまた窒化珪素からできている）との間の原子スケールの反発力を測定することにより、その原子自体を画像化する能力を有する。研究対象の表面に極めて接近させると（約１ナノメートル）、表面と先端との間の相互作用力がカンチレバーを撓ませるか曲げる。次にこの撓みを、通常はカンチレバーの背面からフォトダイオード検出器に向けてレーザビームを反射させることにより、測定する。ＡＦＭは、オングストロームスケール（１０−１０ｍ）まで正確に構造を画像化することができ、これはＭＲＩの約１００万分の１の精度である。
【０００６】
ＭＦＭおよびＭＲＦＭ装置はいずれも、通常は、ＡＦＭカンチレバーの末端に取り付けられる小さい強磁性体を備える。この強磁性体は不均一な磁界（勾配磁界）を発生し、それにより強磁性体の磁界がカンチレバーから離れるにつれて急激に小さくなる。磁気モーメントＭは、勾配磁界（δＢ／δｒ）に曝されると、モーメントと勾配の積に等しい力Ｆ（Ｆ＝ＭδＢ／δｒ）を受ける。関連の磁性先端を有するＡＦＭカンチレバーが、複数の磁気モーメント（スピン）を含む標本材料の表面付近に配置されると、これらのスピンが磁気勾配δＢ／δｒを受け、したがって力Ｆを受ける可能性がある。これにより、カンチレバーは等しいが逆向きの力を受けて撓む。したがってカンチレバーは、標本表面において、またＭＲＦＭの場合は標本表面の下でも、磁気スピンの存在を感知する。
【０００７】
ＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置において、カンチレバーと標本との相対位置は変化され、すなわち走査されて、カンチレバーが受ける力Ｆの空間マップを生成することができ、これは標本に内在する磁気スピン構造の空間マップとなる。標本表面の地形図を提供するＡＦＭ装置に特有の横方向および垂直方向の走査に加えて、ＭＲＦＭ装置は、さらに垂直方向の走査情報を提供し、これにより、ＭＲＩと同等な表面下能力（sub-surface capability）を有するがＡＦＭスケールの分解能を有する標本の三次元イメージングが行われる。
【０００８】
ＭＦＭ装置およびＭＲＦＭ装置両方の最終的な空間分解能および磁気モーメント分解能は、磁界勾配δＢ／δｒの大きさ、カンチレバーの機械的限界、およびカンチレバー移動検出器の感度によって決まる。カンチレバーの物理的寸法が小さいほど、細胞、タンパク質、およびＤＮＡ等のより小さい粒子の画像化を可能にするのに極めて望ましい。しかしながら、現在の技術水準の検出方式は、カンチレバーに向けられてカンチレバーの背面から光検出器または干渉計に向けて反射するレーザ光を用いる。カンチレバーのサイズが小さくなると、特にカンチレバーの寸法が検出器ビームの光の波長に近づくかまたはそれよりも小さくなる場合、光検出がますます困難になる。ミクロスケールのカンチレバーの使用は、目下１０，０００〜１００，０００スピンレベルである現在の装置のＭＦＭ分解能、特にＭＲＦＭ分解能を制限する主要因子である。したがって、単一のプロトンおよび単一の電子スピンを検出することが可能な微小寸法プローブは、現在のカンチレバーを用いる限り不可能である。
【０００９】
［発明の概要］
本発明は、単一のプロトンおよび単一の電子スピンを検出することが可能な微小寸法プローブを備える、ＭＦＭまたはＭＲＦＭ解析装置を提供する。さらに、本発明は、約１ナノメートルのサイズの磁気構造を検出することが可能な微小寸法プローブを備える、ＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置を提供する。さらに、本発明は、ＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置用の微小寸法カンチレバー圧電プローブを提供する。特に、本発明は、ナノスケールの強磁性材料、すなわち「ナノ磁性体」を含むカーボンナノチューブ（本明細書の以下ではＣＮＴカンチレバーと称する）から成るカンチレバーを備える、ＭＦＭまたはＭＲＦＭ装置用の微小寸法プローブを提供する。ＣＮＴカンチレバーは、微小プローブの構成要素として電極に取り付けることができ、電極は、ナノスケールＭＦＭまたはＭＲＦＭ微小寸法プローブのデバイスの構成要素として電気回路と結合される。プローブおよび電気回路を備えるこのデバイスは、電気的に読み出しを行うようになっている既存の走査型プローブ顕微鏡（本明細書中の以下ではＳＰＭと称する）装置に組み込んでもよい。
【００１０】
カーボンナノチューブ（本明細書中の以下ではＣＮＴｓと称する）は、圧電特性を有するという点で重要な利点を提供する。圧電特性により、ＣＮＴから成るカンチレバーの移動を内部で検出する手段が得られる。内部検出方法により、カンチレバーからフォトダイオード検出器に向けた反射等、外部検出方法が必要なくなる。ＣＮＴｓは、シリコン等の他の材料よりも実質的に高い強度対重量比および優れた機械的特性も有する。ＣＮＴｓは、線形または非線形形態を採ることができる。線形ＣＮＴｓは、本明細書で定義する場合、個々のＣＮＴチューブルの表面からその線形軸に沿っていかなる分岐も発生していないＣＮＴｓを指す。分岐ＣＮＴｓは、本明細書で定義する場合、線形チューブル軸に沿った少なくとも１つの場所、またはチューブル端から、発生元のチューブルと同一ではない線形チューブル軸を有する１つまたは複数のチューブルが発生している非線形ＣＮＴｓを指す。付加的なチューブルのこのような発生点（分岐点）は、本明細書では「接合部」とも称する。分岐ＣＮＴは、例えば、「Ｙ字」ＣＮＴｓおよび「Ｖ字」ＣＮＴｓを含んでもよい。一実施形態では、カンチレバーはＹ字ＣＮＴである。別の実施形態では、カンチレバーはＶ字ＣＮＴである。その機械的および電気的特性を決定するＣＮＴｓの重要な構造的属性は、特定のプローブ要件にあわせて制御および「調整（tailored）」することができる。
【００１１】
ＭＦＭおよびＭＲＦＭベースの検出等のように、測定装置が磁気表面付近で従来の手段（例えば、通常の走査型プローブ顕微鏡により用いられるもの）によって走査される従来の光検出系システムとは異なり、本発明のカンチレバーデバイスは、カンチレバーを出入りする（すなわち通る）電流を伴い、カンチレバー先端の移動は、ピエゾ抵抗効果による撓み時の電気抵抗の変化によって検出される。抵抗値およびカンチレバーの移動によるその変化の測定には、従来の抵抗ブリッジ回路が用いられる。これは、従来の定電流振幅源または定電圧振幅源を用い、ＤＣ（直流）モードまたはＡＣ（交流）モードで動作させることができる。ＡＣモードでの動作時には、特に測定（電流／電圧）周波数がカンチレバーデバイスの機械的共振周波数と一致する場合、若干の信号対雑音比の利点が得られる。
【００１２】
検出回路としては、ＡＣまたはＤＣモードで動作するホイートストンブリッジ、比率変圧器（ratio transformer）またはロックイン検出器を用いるＡＣ位相高感度検出、または定電流源および高感度電圧計を用いるＤＣ検出が挙げられる。一方のみが調査対象の試料表面に近接している、名目上同一の２つのピエゾ抵抗センサを通して電流を送ることにより、感度を高めるために示差測定を用いてもよい。
【００１３】
本発明はまた、解析装置を作製する方法と、ＣＮＴカンチレバープローブを備える解析装置を用いて、ナノスケールＭＦＭおよびナノスケールＭＲＦＭによって標本試験試料を解析する方法とを提供する。本発明のＣＮＴプローブは、ＭＲＦＭに使用される場合、ＤＮＡ等の生物学的分子、生体細胞、および固体中の単一の（single）不純物等の微視的欠陥を、分子／原子レベルで検出するための、試料の三次元磁気共鳴イメージングを可能にする。
【００１４】
一観点では、本発明は、ＣＮＴカンチレバー構成要素を含むＭＲＦＭプローブを含む。好ましくは、プローブは、強磁性材料を備える分岐ＣＮＴカンチレバーを含み、これは電極に取り付けられる。一実施形態では、分岐ＣＮＴカンチレバーは、ＣＮＴカンチレバーチューブルの少なくとも１つによって電極に取り付けられる。好ましい一実施形態では、分岐ＣＮＴカンチレバーは、分岐ＣＮＴカンチレバーの上の２つのアームの端部によって電極に取り付けられ、カンチレバーの下の３つ目のアームは、基板から延出している。基板から延出している分岐は張り出し（cantilevered）端部と称する。一実施形態では、強磁性材料は、ＣＮＴカンチレバーの張り出し分岐の端に取り付けられる。別の実施形態では、強磁性材料は、ＣＮＴカンチレバーの接合部に取り付けられる。別の実施形態では、カンチレバーは、端を覆われた（terminally capped）強磁性層を備える。好ましくは、強磁性材料は強磁性ナノ粒子である。強磁性ナノ粒子は、標本表面付近でＭＲＦＭスピンプローブとしての役割を果たすことができる。
【００１５】
別の観点では、本発明は、電極に結合された強磁性材料が取り付けられたカーボンナノチューブカンチレバーを備えるプローブを備える、解析装置を意図している。
【００１６】
本発明の別の観点は、カーボンナノチューブカンチレバーを用いるナノスケールＭＲＦＭの検出方法を含む。カンチレバーの読み取りは電気的に行うことができるため、カンチレバーの寸法が光波長よりも小さくなると問題となる、干渉分光法または他の光検出方法は必要ない。本方法は、カーボンナノチューブに固有の圧電特性またはピエゾ抵抗特性を用いて、ナノスケールのＭＲＦＭ装置において読み出しを行う。
【００１７】
本発明の別の観点は、カーボンナノチューブカンチレバープローブの作製および単離を含む。一実施形態では、多層ＣＮＴｓが好ましい。別の実施形態では、基板は電子ビームでパターニングされた基板である。ＣＮＴカンチレバーは、化学気相蒸着を含む複数の既知の方法により、ＣＮＴｓを触媒含有基板表面上に成長させることにより得ることができる。ＣＮＴｓはアレイ状に成長させることができる。ＣＮＴ成長のための触媒含有表面を、従来のリソグラフィによって材料表面上にパターニングすることにより、ＣＮＴ「ナノ回路」を形成することができる。強磁性材料は、当該技術分野で既知の積層技術を用いてカンチレバーの分岐の１つの端に取り付けることができる。一実施形態では、コバルトナノロッドが、高分子接着剤を用いてカンチレバーに取り付けられる。
【００１８】
別の実施形態では、強磁性材料は、ナノチューブ形成の結果としてナノチューブに取り付けられる。すなわち、ＣＮＴ群の核となる（強磁性）触媒の一部が、ＣＮＴの端部に固定されたままとなる。
【００１９】
本発明の別の観点は、本発明のＣＮＴカンチレバープローブを備える電極の作製を含む。一実施形態では、ＣＮＴｓは、当該技術分野で既知の標準的な方法によるＳＰＭ操作を用いて、リソグラフィーにより作製された基板上の電極に取り付けることができる。別の実施形態では、プローブに含まれるＣＮＴは、基板上に直接形成されてもよい。
【００２０】
ＣＮＴプローブを含む本発明の別の観点は、ナノスケールＭＲＦＭで用いられる解析装置を組み立てる方法である。
【００２１】
ＣＮＴプローブを含む本発明の別の観点は、ナノスケールＭＲＦＭで試料を解析する方法である。
【００２２】
［発明の詳細な説明］
定義
用語「ＣＶＤ」は、化学気相蒸着を指す。ＣＶＤでは、化学物質の気体混合物が高温で分離する（例えば、ＣＯ２がＣおよびＯ２に）。これは、ＣＶＤの「ＣＶ」部分である。続いて、遊離分子の一部は近くの基板上に蒸着することができるが（ＣＶＤの「Ｄ」）、残りの遊離分子は排出される。
【００２３】
用語「ピエゾ抵抗」は、当該技術分野では、応力を加えることにより生じる材料の抵抗の変化として定義される。ＣＮＴｓのピエゾ抵抗または圧電特性は、少なくとも一端部の撓みまたは曲がりにより生じる応力による、ＣＮＴの電気抵抗の変化である。
【００２４】
用語「強磁性」は、当該技術分野で一般的に与えられる用語として与えられる。「強磁性材料」は、磁界の非存在下で磁化を維持する能力を有する材料である。通常の強磁性材料は、周期表の遷移金属およびそれらの合金から選択される元素を含む。好ましい強磁性元素は、コバルト、鉄、ニッケル、およびそれらの合金である。
【００２５】
「ナノ磁性体」は、当該技術分野では、約１ナノメートル（ｎｍ）〜約１０マイクロメートルの寸法を有する強磁性材料として定義される。
【００２６】
［ＣＮＴ強磁性プローブを備えるＭＲＦＭ装置］
本発明は、単一のプロトンおよび単一の電子スピンを検出することが可能な微小寸法プローブを備える、ＭＲＦＭ解析装置を提供する。特に、本発明は、強磁性粒子を含むＣＮＴカンチレバーを備えるＭＲＦＭ装置用の微小寸法プローブを提供する。ＣＮＴカンチレバーは、プローブの構成要素として電極に取り付けることができる。プローブは、ナノスケールＭＲＦＭ微小寸法プローブ用デバイスの構成要素として電気回路と結合させることができる。
【００２７】
図１は、本発明の装置を示す。分岐ＣＮＴカンチレバー１の２つのアームは、基板４の表面上にある電極３に接続される。強磁性材料２は、ＣＮＴカンチレバー１の張り出し端部に取り付けられる。矢印５は、装置を流れる交流電流の方向を示す。標本スピンが受ける勾配磁界は、線６によって表される。
【００２８】
ＣＮＴは、約０．４ｎｍ（１ｎｍ＝１０−９ｍ）もの小ささの円筒直径を有し得るネットワーク化した炭素原子の円筒である。ＣＮＴｓは、通常は約１０ｎｍ〜約１００，０００ｎｍ（０．１ｍｍ）の長さおよび約１ｎｍ〜約１００ｎｍの直径で作製され得る。最小直径のＣＮＴ（通常は約０．４ｎｍ〜約１０ｎｍ）は、ネットワーク状炭素原子の単一チューブルから成り、単層カーボンナノチューブと称する（本明細書中の以下ではＳＷＮＴと称する）。ＣＮＴは、多層カーボンナノチューブと称する（本明細書中以下ではＭＷＮＴと称する）入れ子式（Nested）の同心円筒の形態である場合もある。本発明の場合、好ましい寸法は、直径約１ｎｍ〜約５０ｎｍ、長さ約サブミクロン〜約１００マイクロメートルである。現在好ましい実施形態では、ＣＮＴチューブルは、約１マイクロメートル〜約１０マイクロメートルの範囲の長さを有する。ＣＮＴは、キラリティ（円筒軸に沿った炭素ネットワークの回転対称）に応じた導電特性を有する。ＣＮＴｓは、金属性、半導電性、または絶縁性であってもよい。単層ナノチューブは、キラリティに応じて金属性または半導電性であるが、ＭＷＮＴは、おそらく炭素層間のキラリティが混ざり合う結果、金属性だけが観察される。いずれのＣＮＴ種も、機械的に頑強であり、ヤング率は約１ＴＰａ（１０１２Ｐａ）である。
【００２９】
直径がサブミクロンである場合、ＣＮＴｓは、試料中のナノスケールの特徴をＭＲＦＭイメージングするのに必要な小サイズの「ナノスケール」カンチレバーの理想的な候補となる。さらに、寸法が小さいことにより質量がより小さくなるため、機械的共振周波数が高くなり（共振周波数は質量の平方根に反比例して変化するｆ０〜１／ｍ１／２）、これはイメージングに有益な性質である。ＣＮＴｓは、圧電特性を有するという点で重要な利点を提供する。圧電特性により、ＣＮＴから成るカンチレバーの移動を内部で検出する手段が得られる。移動を内部で検出する手段により、カンチレバーからフォトダイオード検出器に向けた反射等の外部検出が必要なくなる。ＣＮＴｓは、シリコン等の他の材料よりも実質的に高い強度対重量比および優れた機械的特性も有する。
【００３０】
ＣＮＴｓは、線形または非線形であってもよい。「線形ＣＮＴ」は、本明細書で定義する場合、個々のＣＮＴチューブルの表面からその線形軸に沿っていかなる分岐も発生していないＣＮＴｓを指す。「分岐ＣＮＴｓ」は、本明細書で定義する場合、線形チューブル軸に沿った、またはチューブル端における少なくとも１つの場所から、発生元のチューブルと同一ではない線形チューブル軸を有する１つまたは複数のチューブルが発生している非線形ＣＮＴｓを指す。付加的なチューブルのこのような発生点（分岐点）は、本明細書では「接合部」とも称する。分岐ＣＮＴｓは、例えば、「Ｙ字」ＣＮＴｓおよび「Ｖ字」ＣＮＴｓを含んでもよい。分岐チューブルを構成する個々のアームは、アームの長さおよび隣接アーム間の角度の両方に関して、対称または非対称である。一実施形態では、個々のアームは、約１ｎｍ〜約１００マイクロメートルの長さである。図３は、Ｙ字ＣＮＴｓの画像の例を示す。本発明の一実施形態では、プローブはＹ字のＣＮＴｓを含む。Ｙ字ＣＮＴｓは、（１）基板に取り付けられて基板外面から外側に延びる複数の自立形分岐ＣＮＴｓ、および（２）ＣＮＴチューブル構造が、名目上直線状の管状アームを有するとともに当該アーム間の角度が名目上固定されているＹ接合部を有する、分岐形態の１つまたは複数のＣＮＴｓ、として存在する。本発明の別の実施形態では、プローブはＶ字のＣＮＴカンチレバーを含む。図４ａは、Ｖ字ＣＮＴｓの画像を示す。その機械的および電気的特性を決定するＣＮＴｓの重要な構造的属性は、特定の要件にあわせて制御および「調整」することができる。
【００３１】
本発明の強磁性粒子は強磁性材料をからなる。通常の強磁性材料は、周期表の遷移金属およびそれらの合金から選択される元素をからなる好ましい強磁性元素は、コバルト、鉄、ニッケル、およびそれらの合金である。一実施形態では、強磁性粒子はナノロッドの形態であり、好ましい長さは約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ、好ましい長さ対直径比は約２〜約１００である。
【００３２】
本発明は、ＣＮＴカンチレバープローブを備える解析装置を作製する方法を提供する。図１および図２は、ＭＲＦＭ解析装置に含まれる構成要素の組立体を示す。ＭＲＦＭ用途の場合、ナノチューブは以下のように配置される。図１および図２に示すように、Ｙの２つのアームを基板上の２つの電極に固定し、３つ目のアームを基板縁部から外側に張り出させる。図２は、本装置の完全なＭＲＦＭレイアウトを示し、この場合、ＣＮＴカンチレバー１が基板３から外側に張り出し、強磁性材料２がＣＮＴカンチレバー１の自由アームに取り付けられる。試料スピン５が勾配磁界６を受ける。基板３に組み込まれるマイクロコイル４としてＲＦコイルが図示されており、これはＲＦ磁界７を発生する。
【００３３】
分岐ＣＮＴカンチレバーは、表面金属電極を含むリソグラフィにより作製された基板上に取り付けられるか、または当該基板上で成長させられる。好ましい一実施形態では、基板は、オンチップシグナル処理能力を備える。
【００３４】
Ｙ字ＣＮＴは、Ｙの上の２つのアームの端部を基板に取り付けて、下の３つ目のアームを基板の縁部の上から張り出させることにより、ＭＲＦＭカンチレバーとして用いられる。Ｙ字カーボンナノチューブの例を図３に示す。
【００３５】
Ｖ字ＣＮＴは、Ｖのアームを基板に取り付けて、接合部を基板の縁部の上から張り出させることにより、ＭＲＦＭカンチレバーとして用いられる。Ｖ字カーボンナノチューブの例を図４に示す。
【００３６】
Ｙ字およびＶ字ＣＮＴは、当該技術分野で既知の走査型プローブ顕微鏡法（ＳＰＭ）操作技法を用いて基板上に配置される。Ｙ字およびＶ字ＣＮＴは、装置のカンチレバーが縁部から張り出すように、基板から垂直に突出するか、または基板縁部において基板と平行に延びるように位置付けられる。
【００３７】
ＣＮＴカンチレバーを例えばシリコン等の基板に接続することは、以下の方法、すなわち、電極上デバイスおよびデバイス上電極で行うことができる。前者の電極上デバイス構成では、金属リード電極が、おそらく電子ビームリソグラフィを含む従来のリソグラフィ技法によって、不動態化された半導体基板（例えばシリコン上の二酸化珪素または窒化珪素）に積層される。これらの電極は、適切な厚さ、幅、および長さであり、ＣＮＴカンチレバーを後で取り付けられるだけの近さにある。一観点では、好ましい電極寸法は、厚さが約１００ｎｍ、幅が約１００ｎｍ、長さが最大数ミリメートル（一実施形態では長さが約１ｍｍ）であり、（２つの平面電極間の距離が）約１００ｎｍまで近接している。基板は、垂直方向に空隙領域、すなわち縁部を有するように作成され、上記の電極はこの縁部に積層される。次に、ＣＮＴカンチレバーを、ＣＮＴｓ溶液の分散等により基板上に配置して、続いてこれを蒸着させ、作製された電極上の所定位置に物理的に操作する。「Ｙ」の一端部または「Ｖ」の接合部は、基板縁部から、すなわち空隙領域から張り出されて、カンチレバーを形成する。「Ｖ」または「Ｙ」ＣＮＴの固定端部を表面金属電極にさらに電気的に接触させることは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）での電着、無電解メッキ、または電子ビーム「溶接」により行うことができる。
【００３８】
後者のデバイス上電極構成の場合、ＣＮＴカンチレバーは金属電極の積層前に基板に位置付けられる。前者の電極上デバイスの構成と同様に、ＣＮＴはＳＰＭによって所定位置に操作され、カンチレバーが形成される。ＣＮＴの最終的な場所の平面座標は、ＳＥＭまたはＳＰＭで確定することができる。これらの座標を後で用いて、フォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィシステムをプログラムし、ＣＮＴの固定位置の端部に重ねて表面上に金属電極を正確に配置し、電気接点を設ける。デバイス上電極構造の作製の別の観点は、基板上に平坦に位置付けられるＹ字またはＶ字ＣＮＴを含む。次に、当該技術分野で既知のフォトリソグラフィ技法を用いて、Ｙ字またはＶ字ＣＮＴの端部に重ねて金属電極を正確に配置するとともに、基板をエッチングして、ＣＮＴの一部の下の基板材料を除去し、張り出し配置を促進する。
【００３９】
Ｖ字ＣＮＴｓを用いる利点は、基板上に直接ＣＮＴカンチレバーを成長させることができ、予め成形したＣＮＴカンチレバーを基板に取り付けるという付加的なステップを伴わないことである。Ｖ字カーボンナノチューブデバイスは、ナノスケール電子ビームリソグラフィを用いて２つのナノチューブを正確に近接させて（通常は約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ）成長させ、強磁性粒子をその接合部に付着させることによって形成することができる。
【００４０】
図７は、シリコンウェハー表面上の窒化珪素上のタングステン線のＡＦＭ画像を示す。各線の端部に見える隆起は、後でＣＮＴｓを成長させる触媒部位としての役割を果たすように位置付けられるニッケルナノドットである。図４ａおよび図４ｂを参照すると、密接に離間したナノチューブを静電的に接触させて、続いて、例えば無電解メッキにより強磁性ナノ粒子を接合部に付着させることができる。次に、ＭＲＦＭ検出の場合、得られたＶ字デバイスを電磁的に励起させ（ローレンツ力）機械的に共振させることができる。
【００４１】
［ナノ磁性組み込みＣＮＴプローブ］
例えば、Ｙ字ＣＮＴｓ等の所定の形態を有するＣＮＴｓは、当該技術分野で既知の種々の方法を用いて合成することができる。Ｙ字ＣＮＴｓを含む様々な形態を有する多量のＣＮＴｓを製造するのに好ましいプロセスは、W.Z. Li, et al. Applied Physics Letters, Volume 79 (12), 2001, Pages 1879-1881およびLi, et al. Applied Physics Letters, Volume 75 (3), 1999, Pages 367-369に記載されており、これらはその全文が参照により本明細書に援用される。
【００４２】
図３に示すように、分岐ＣＮＴｓは通常、複数のＹ接合部を含み、ほぼ直線状のアームが当該接合部から直線状に延びている。大半の分岐ＣＮＴｓは、数ミクロンの長さ（約２〜約１０μｍ）の２つの長いアームと、それよりも短い（約０．０１〜約２μｍ）３つ目のアームとを有するＹ接合部を有する。３つの長いアーム（最長約１０μｍ）からなるＹ接合部、およびほぼ線形の直線状アームを有する複数の分岐を形成する複数のＹ接合部を有するＣＮＴｓも、本発明の方法により得ることができる。高倍率ＳＥＭ顕微鏡写真（図３ｂ）は、分岐ＣＮＴｓが、通常は平滑な表面と約２００ｎｍの直径の均一なチューブル直径とを有することを示す。隣接アーム間の角度は約１２０°に近いため、ほぼ対称な構造を有する分岐ＣＮＴｓができる。全てのＹ接合部は、チューブル直径の相違に関係なく、ほぼ同様の構造形状を有する。
【００４３】
本発明のプローブに含まれるＣＮＴは、アドレス可能なアレイに合成することができる。アドレス可能なＣＮＴアレイの作製には、マイクロリソグラフィおよびナノリソグラフィによるＣＮＴ触媒部位の形成と、単結晶シリコンウェハー上の金属アドレス線との両方を利用する。その後、ＣＶＤによって触媒表面上に整列したＣＮＴｓの成長が行われる。基本的に、一連の金細線がシリコンウェハーの表面上にリソグラフィにより画定され、各ワイヤの対の内側端部は、例えば約１００ｎｍの距離で互いに近接している。ＣＮＴ成長触媒（例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ））のナノドット部位は、ｅビームリソグラフィを用いてこれらの近位端部に画定され、これに続いて触媒材料が積層される。次に、ウェハーを化学気相蒸着（ＣＶＤ）室内に配置して、ＣＮＴ成長を開始させる。ＣＮＴ成長は、触媒核形成部位でのみ行われる。
【００４４】
本発明のＭＲＦＭプローブの作製方法は、強磁性材料等のナノ磁性体をフィールドセンサとして用いることに依存する。一実施形態では、強磁性材料は、合成後に、当該技術分野で既知の典型的な積層技術（例えば、ＣＶＤおよび無電解メッキ）を用いて本発明の分岐ＣＮＴカンチレバーに取り付けることができる。別の実施形態では、強磁性材料は、ｉｎ  ｓｉｔｕでのナノチューブ形成の結果としてＣＮＴカンチレバーに組み込まれる。
【００４５】
一観点では、本発明のＣＮＴカンチレバープローブのチューブル端部のナノ磁性体材料は、ＣＮＴ合成中にｉｎ  ｓｉｔｕで生成される。一実施形態では、チューブル合成に用いられる触媒材料は、合成時に分岐ＣＮＴｓのチューブル端部に保持される強磁性材料を含み、それにより、本発明のＣＮＴプローブにおいて「ｉｎ  ｓｉｔｕ積層」ナノ磁性体としての役割を果たす。好ましい金属触媒としては、強磁性を有する金属材料（それらの混合物および合金を含む）が挙げられる。好ましい遷移金属としては、鉄、コバルト、およびニッケル（それらの混合物および合金を含む）が挙げられる。現在好ましい一実施形態では、遷移金属はコバルトである。本発明のＣＮＴプローブへのナノ強磁性体材料のｉｎ  ｓｉｔｕ組み込みの場合、触媒材料は、少なくとも１つの遷移金属または遷移金属合金からなり、これは、金属材料または例えば非金属酸化物等の非金属材料からなる支持構造上にミクロ粒子として積層されるか、または当該支持構造内に含浸される。触媒ミクロ粒子は、ＣＮＴ成長プロセスにおいてチューブル成長の核となり、それにより、分岐ＣＮＴチューブルの成長中の端部に向かって移動し、凝集してナノ磁性体を形成する。触媒基板を構成する非金属酸化物は、遷移または非遷移金属酸化物であってもよく、または非金属無機酸化物であってもよい。触媒材料に有用な金属酸化物としては、例えば、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムの酸化物が挙げられる。好ましい金属酸化物としては、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムが挙げられる。現在好ましい一実施形態では、金属酸化物は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。ＣＮＴ成長プロセスは、アレイ内でほぼ均一な寸法のチューブルを得るように制御することができる。成長条件（触媒材料の影響を受ける）に応じて、アレイ内の個々のチューブルは、任意所与の１回の成長につき約１０％〜約５０％の高さの変動があり得る。本発明のＣＮＴプローブ構成要素の成長プロセスにおける重要なパラメータは、基板上の触媒部位間（したがって、チューブル対間およびチューブル分岐間）の距離間隔と、チューブル成長の核となる触媒ミクロ粒子の寸法（直径および高さ）および触媒積層方法とを含むように変化させることができ、それによりｉｎ  ｓｉｔｕでのナノ磁性体成長のサイズが制御される。ＣＮＴ成長プロセスの制御を利用して、ｉｎ  ｓｉｔｕ生成ナノ磁性体と、約１００ｎｍまで制御可能なチューブル直径を有する多層ＣＮＴｓからなる、本発明のＣＮＴプローブを得ることができる。単層ナノチューブの整列したＣＮＴアレイを用いることにより、チューブルサイズがより小さいＣＮＴプローブを得ることができる。
【００４６】
ナノチューブ構造は、ローレンツ力によって機械的に共振させることができ、ローレンツ力は、図２に示すように、構造の２つの固定アーム間に交流電流が流れることにより生じる「Ｙ」または「Ｖ」の平面に向けられる分極静磁界（static polarizing field）を用いて得られる。ＣＮＴカンチレバーに固定される強磁性材料は、解析されるスピン系が受ける強い磁界勾配の発生源（例えば、図２を参照）として、およびこのスピン系に加えられる反力を感知する能動磁気センサとしての、両方の役割を果たす。通常のＳＰＭの方法では、このＭＲＦＭ検出器は、試料の３Ｄイメージングを容易にするようにｘ−ｙ−ｚ走査され得る。
【００４７】
分岐ＣＮＴカンチレバーの２つの固定アームは金属電極に取り付けることができ、図１に示すように、一方のアームに電流が送られて他方のアームから出ることができる。分岐組立体の張り出し端部が磁気力の影響下で移動すると、組立体の電気抵抗の歪み誘導変化が測定される。
【００４８】
分岐ＣＮＴ構造の特有の形状により、直接的な電気抵抗測定が容易になり、ナノチューブカンチレバーの撓みがピエゾ抵抗効果による抵抗の変化を引き起こし、これが分岐ＣＮＴカンチレバーの２つの取り付け端部を介して測定される。
【００４９】
このような多層ＣＮＴｓの導電およびピエゾ導電（piezoconducting）特性は欠陥に敏感であり、このような欠陥は成長段階においてある程度制御される。この欠陥感受性は有益であり得る。ピエゾ抵抗に加えて、分岐ＣＮＴは、例えばダイオードにおけるような非線形整流特性を示すことができ、ナノチューブの歪み依存導電性を、例えばＦＥＴ等のナノスケールの増幅回路に組み込んで、移動に対する感度を劇的に高めることができる。室温でのダイオード様挙動は、ＳＴＭによる研究および大きいアレイにわたる直接輸送の両方によって観察される。したがって、分岐ＣＮＴカンチレバーの移動を検出するためにピエゾ抵抗を用いることに加えて、関連する検出方法は、構造体をナノ電子トランジスタ回路に組み込むことによって、感度が著しく高まる可能性がある。
【００５０】
本発明はいくつかの利点を有する。本発明は、カンチレバーを用いた分子レベルの観察に関する主な欠点の１つ、出力シグナルに関する欠点を直接克服する。本発明の方法は、ＣＮＴカンチレバーによる圧電検出を用いることにより、シリコン系カンチレバーが必要とするようなレーザ干渉法による鏡面反射光検出の必要がなくなる。ＣＮＴは、高強度で機械的に頑強な軟質導電性材料として当該技術分野において既知である。ＭＲＦＭにおいてシリコン系カンチレバーの代わりにＣＮＴをカンチレバーとして用いることにより、現在の技術水準の技術が、マイクロメートルスケールの分解能からナノメートルスケールの分解能へと著しく向上する。ナノチューブは、シリコン系カンチレバーで可能であるよりも約１，０００倍まで感度および空間分解能を向上させる。ＣＮＴカンチレバーは、シリコンへの溝のエッチングまたは太いナノワイヤ接点の表面積層等、従来の導電性ナノ回路の作製技術に適合する。ナノチューブカンチレバーは、生物学的媒体等の都合のよい環境で用いることができる。開示されたデバイスは、アレイ形態で形成することが可能であり、リアルタイムの相関分光法およびイメージングが可能となる。機能的ＭＲＩに関しては、空間的または時間的に相関した検出が可能である。本発明は、高速イメージングに用いることができる超高感度ＭＲＦＭ装置のアレイを作製する革新的な能力を有する、独特な実現技術である。本発明は、測定具のサイズをナノスケールに縮小することにより、磁気検出の測定能力を向上させる。シリコンを適当なサイズに縮小するよう微細加工する代わりに、本発明はＣＮＴを用いる。
【００５１】
本発明は、感度および分解能に関して現世代のＭＲＦＭ機器よりも桁違いに優れた性能を有するＭＲＦＭ機器を製造する新たな技術を提供する。ＣＮＴｓは、固体中の単一の不純物、生体細胞、およびＤＮＡ等の生物学的分子等の試料の、分子レベルでの三次元磁気共鳴イメージングを可能にする。
【００５２】
本発明の装置は、それを作製するための機械的および化学的プロセスならびにその作製方法を含め、上記の実施形態および以下の非制限的な実施例に基づいて当業者には明らかとなるであろう。
【実施例】
【００５３】
［実施例１］
線形ＣＮＴｓの合成のための触媒基板の調製
Li et al.（Science, (1996), Vol. 274, 1701-3）により記載されている方法に従って、但し以下の変更を加えて、水溶液中の硝酸鉄の存在下でのテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）の加水分解によるゾルゲルプロセスによって、鉄ナノ粒子を含有するメソポーラスシリカを調製した。触媒ゲルを乾燥させて過剰な水および溶媒を除去し、４５０℃にて１０−２トールで１０時間焼成して、酸化鉄ナノ粒子が内部に分布したほぼ均一な孔を有するシリカネットワークを得た。次に、ボールミルを用いて機械的に、または乳棒と乳鉢を用いて手作業で、触媒ゲルを微細なミクロ微粒子粉末に粉砕する。粉砕した触媒粒子は、粉砕条件下で０．１〜１００μＭの範囲の粒径となる。
【００５４】
［実施例２］
分岐ＣＮＴｓの合成のための触媒基板の調製
Li et al.（Applied Physics Letters (2001) Vol. 79 (12), 1879-1881）により記載されている方法に従って、触媒基板を調製した。エチルアルコール４０ｍｌ中に硝酸コバルト六水和物（Ｃｏ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、９８％）０．２４６ｇを溶解することにより、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）担持コバルト（Ｃｏ）触媒を調製し、浸漬後、粒子ＭｇＯ粉末２ｇ（−３２５メッシュ）を溶液に添加して、５０分間音波処理した。固体残渣を濾過し、乾燥させて１３０℃にて１４時間焼成した。
【００５５】
［実施例３］
分岐ＣＮＴｓの一般的な合成手順
実施例２のＭｇＯ担持コバルト触媒を、まず、２００トールの圧力で水素（４０ｓｃｃｍ）および窒素（１００ｓｃｃｍ）の混合物を流した熱分解室内で１，０００℃にて１時間還元させた。その後、窒素ガスをメタン（１０ｓｃｃｍ）で置き換えて、ＣＮＴ成長を開始させた。分岐ＣＮＴｓを生成するのに最適な反応時間は１時間であった。
【００５６】
［実施例４］
走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）によるＣＮＴの形態および純度と、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）によるチューブルの構造および直径との特定
ＣＮＴの形態および純度の特定および検証のために、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＳ）補助装置（accessory）を備えたＪＥＯＬ  ＪＳＭ−６３４０Ｆ分光光度計で走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）を行った。ＪＥＯＬ  ＪＳＭ−６３４０Ｆ顕微鏡を用いたＳＥＭによる特定には、標準的な試料調製および解析方法を用いた。チューブルの形態、分布、および純度を検証するために、適当な倍率のＳＥＭ顕微鏡写真を得た。
【００５７】
ＣＮＴの個々のチューブルの構造および直径を特定するために、ＪＥＯＬ  ２０１０ ＴＥＭ顕微鏡で透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）を行った。ＴＥＭ解析用の試料標本は、無水エタノール中でＣＮＴを粗粉砕することにより調製した。多孔炭素薄膜で覆われたマイクログリッド上に、数滴の粉砕懸濁液を滴下した。解析はＪＥＯＬ  ２０１０顕微鏡で実行した。チューブルの構造および直径の判定のために、適当な倍率のＴＥＭ顕微鏡写真を得た。
【００５８】
［実施例５］
アドレス可能多層カーボンナノチューブのアレイの制御可能な作製
ｅビームでパターニングした基板上を含むプラズマ励起熱フィラメント化学気相蒸着法により、ＣＮＴｓを成長させた。電気リード線を提供する非触媒金属上にｅビームリソグラフィによって積層させた金属ニッケルを、ＣＮＴ成長の触媒として用いる。
【００５９】
［実施例６］
電気的にアドレス可能な微小寸法プローブの作製
基板上の触媒積層
プローブ作製の予備工程は、単結晶シリコンウェハー上へのＣＮＴ触媒部位および金属アドレス線のマイクロリソグラフィおよびナノリソグラフィによる作製を含む。基板上でｅビームリソグラフィ工程を行って、ｅビームレジストに触媒部位を画定した後、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の従来のｅビーム蒸着を用いる。続いて、金リード線の上部のみにＮｉまたはＣｏナノドットを残して、（不要な触媒材料の）剥離工程を行う。あるいは、触媒含有溶液からの触媒ナノ粒子の自己集合を用いると、剥離ステップが必要なくなる。いずれの場合も、この段階の終わりに、高さおよび横方向の間隔が明確に画定された電気的にアドレス可能なＣＮＴｓ対が作製される。ナノチューブ間の間隔を１０ｎｍまで縮めることは、これらの方法によって再現可能に行うことができる。
【００６０】
電気的にアドレス可能なカーボンナノチューブアレイの作製
整列したＣＮＴｓのアレイを、熱フィラメントプラズマ励起化学気相蒸着法（ＰＥＣＶＤ）によって触媒部位を含む基板上で成長させる。シリコン上に一連の金細線をリソグラフィによって画定し、各ワイヤの対の内側端部は互いに非常に近接している（約１００ｎｍ）。これらの近位端部において、ｅビームリソグラフィを用いてＣＮＴ成長触媒（例えばＮｉまたはＣｏ）ナノドット部位を画定し、触媒材料を積層させる。次に、このウェハーをＣＶＤ室に配置し、続いて触媒核形成部位でのみＣＮＴ成長を行わせる。この時点で、電解重合を用いて金線を不動態化することができる。必要と思われる場合、アレイのＣＮＴを厳密に均一な高さにするようにさらなる工程を導入してもよい。用いられる成長条件に応じて、所与の１回の成長でのアレイのＣＮＴの高さは、１０％〜５０％の変動があり得る。高さの均一性は、さらなる機械研磨工程を行うことにより得られる。
【００６１】
本明細書で引用される特許、特許出願、および刊行されている参照文献は全て、その全文が参照により本明細書に援用される。本発明は、本発明の好ましい実施形態を参照して特に図示および説明されているが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱しない限り、形態および詳細に種々の変更を加えることができることは、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のＣＮＴカンチレバープローブを含むナノスケールＭＲＦＭで用いられる解析装置の概略図である。
【図２】ＣＮＴカンチレバープローブを有する解析装置のＭＲＦＭレイアウトの概略図である。
【図３】（ａ）低倍率（スケールバー１μｍ）および（ｂ）高倍率（スケールバー＝２００ｎｍ）での、対称分岐（Ｙ字）ＣＮＴの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の顕微鏡写真である。
【図４ａ】ナノリソグラフィにより作成されたシリコン基板上のＣＶＤプロセスによって成長した、直径約１００ｎｍの多層ＣＮＴのＳＥＭ画像である。
【図４ｂ】シリコンウェハー表面上の窒化珪素上のタングステン線のＡＦＭ顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【国際調査報告】
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