(57)【要約】試料ホルダ（３）を収容するマニピュレーションチャンバ（２）の上方に位置付けられた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（１）を含む装置。マニピュレーションチャンバ（２）の壁部は２本のプローブ（４，４ａ）を支持し、試料ホルダ（３）は、基板（１０）上に担持されたカーボンナノチューブ（１０ａ）等の試料（５）を保持することができる。この装置は、ＳＥＭ（１）の下においてプローブ（４，４ａ）および試料ホルダ（３）を選択的に移動させて、それらに電圧および電流を印加することができる。プローブ（４）とカーボンナノチューブ（１０ａ）との間の接触部の両端に通る電流を制御することにより、調整された溶接部が形成される。同様に、カーボンナノチューブ（１０ａ）を通る電流を制御することにより、ナノチューブ（１０ａ）をアニールすることができる。プローブ（４，４ａ）の両方を用いることにより、カーボンナノチューブを保持して、その長さに沿った任意の位置でカーボンナノチューブを切断することができる。これにより、新規のカーボンナノチューブ構造体を形成することができる。
2006521213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスケールワイヤを構造体に溶接する方法であって、
前記ナノスケールワイヤおよび前記構造体を互いに接触させて位置付けるステップと、
接触部の両端に電圧を印加し、それによって電流が前記接触部を通って流れて前記ワイヤを前記構造体に溶接するステップとを含む、方法。
【請求項２】
溶接中に前記接触部を通って流れる電流を制限するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電流は、前記ナノスケールワイヤが破損するか、または構造上損傷を受けると推定される標準的な電流よりも低い電流しきい値レベルまで制限される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記電流しきい値レベルは、約１０μＡ未満である、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記電圧は約５Ｖ未満である、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
複数の別個の期間中に前記接触部の両端に電圧を印加するステップを含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
電圧の印加中に電流を監視するステップを含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
既知の電圧が印加されたときの電流と、その電圧が再び印加されたときの電流とを比較して、前記接触部の抵抗の変化を監視するステップを含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
比較した電流に実質的な差がなくなるまで前記接触部の両端に電圧を引続き印加するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記構造体はナノスケールプローブである、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記構造体は別のナノスケールワイヤである、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記構造体はプローブであり、前記方法は、前記ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、前記プローブを介して前記ワイヤに通電するステップを含む、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
プローブをワイヤに溶接するステップと、前記ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、前記プローブを介して前記ワイヤに通電するステップとを含む、ナノスケールワイヤをアニールする方法。
【請求項１４】
前記プローブは可動であり、前記方法は、前記プローブを移動させてアニール中に前記ワイヤに歪みを加えるステップを含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ワイヤを曲げることにより前記ワイヤに歪みを加えるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ワイヤを真直化することにより前記ワイヤに歪みを加えるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記ワイヤが保持される２つの位置の間において前記ワイヤの長さに沿った位置に切断プローブを位置付けるステップと、
前記切断プローブと前記ワイヤとの間に電圧を印加して、前記ワイヤの長さに沿った位置で前記ワイヤを切断するステップとを含む、請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
ナノスケールワイヤを切断する方法であって、
ワイヤが保持される２つの位置の間において前記ワイヤの長さに沿った位置に切断プローブを位置付けるステップと、
前記切断プローブと前記ワイヤとの間に電圧を印加して、前記ワイヤの長さに沿った位置で前記ワイヤを切断するステップとを含む、方法。
【請求項１９】
前記切断プローブは、前記ワイヤの長さに沿った位置で前記ワイヤに接触するように位置付けられ、前記電圧は、前記ワイヤが保持される前記２つの位置の一方と前記接続プローブとの間にのみ印加される、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記印加された電圧は、前記ナノワイヤが破損するか、または構造上損傷を受けると推定される電流を上回る電流を通電するように制御される、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記切断プローブは、前記ワイヤの長さに沿った位置において前記ワイヤに最も近接しながらも、前記ワイヤからわずかに間隔をあけて配置されるように位置付けられる、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記印加された電圧が逆転する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ナノスケールワイヤはカーボンナノチューブである、請求項１から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
請求項１から２３のいずれかに記載の方法を用いて生産されるナノスケール構造体。
【請求項２５】
請求項１から１２のいずれかに記載の方法を用いて、互いに溶接される２本以上のナノスケールワイヤを含む、ナノスケール構造体。
【請求項２６】
請求項１３から１７のいずれかに記載の方法を用いてアニールされるナノスケールワイヤを含む、ナノスケール構造体。
【請求項２７】
前記ナノスケールワイヤはカーボンナノチューブである、請求項２４から２６のいずれかに記載のナノスケール構造体。
【請求項２８】
ナノスケールワイヤを構造体に溶接するための装置であって、
前記ナノスケールワイヤおよび前記構造体を互いに接触させて位置付けるためのマニピュレータと、
接触部の両端に電圧を印加し、それによって溶接中に電流が前記接触部を通って流れるようにするためのコントローラとを含む、装置。
【請求項２９】
前記コントローラは溶接中に前記接触部を通って流れる電流を制限する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記コントローラは、前記ナノスケールワイヤが破損するか、または構造上損傷を受けると推定される標準的な電流よりも低いしきい値レベルまで電流を制限する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記電流しきい値レベルは、約１０μＡ未満である、請求項２９または３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記電圧は約５Ｖ未満である、請求項２８から３１のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
前記コントローラは複数の別個の期間中に電圧を印加する、請求項２８から３２のいずれかに記載の装置。
【請求項３４】
前記コントローラは、前記電圧の印加中に電流を監視する、請求項２８から３３のいずれかに記載の装置。
【請求項３５】
前記コントローラは、既知の電圧が印加されたときの電流と、その電圧が再び印加されたときの電流とを比較して、前記接触部の抵抗の変化を監視する、請求項２８から３４のいずれかに記載の装置。
【請求項３６】
前記コントローラは、比較した電流に実質的な差がなくなるまで前記接触部の両端に電圧を引続き印加する、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記構造体は、ナノスケールワイヤを操作するためのプローブである、請求項２８から３６のいずれかに記載の装置。
【請求項３８】
前記構造体は別のナノスケールワイヤである、請求項２８から３６のいずれかに記載の装置。
【請求項３９】
前記構造体はプローブであり、前記コントローラは、前記ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、前記プローブを介して前記ワイヤに通電する、請求項２８から３６のいずれかに記載の装置。
【請求項４０】
ナノスケールワイヤをアニールするための装置であって、プローブをワイヤに溶接するための手段と、前記ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、前記プローブを介して前記ワイヤに通電するためのコントローラとを含む、装置。
【請求項４１】
前記プローブを移動させてアニール中に前記ワイヤに歪みを加えるためのマニピュレータを含む、請求項３９または４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記マニピュレータは、前記プローブを移動させて、前記ワイヤを曲げることにより前記ワイヤに歪みを加える、請求項３９から４１のいずれかに記載の装置。
【請求項４３】
前記マニピュレータは、前記プローブを移動させて、前記ワイヤを真直化することによって前記ワイヤに歪みを加える、請求項３９から４１のいずれかに記載の装置。
【請求項４４】
前記装置は、前記ワイヤが保持される２つの位置の間において、前記ワイヤの長さに沿った位置に切断プローブを位置付けるためのマニピュレータを含み、前記コントローラは
、前記切断プローブと前記ワイヤとの間に電圧を印加して、前記ワイヤの長さに沿った位置で前記ワイヤを切断する、請求項２８から４３のいずれかに記載の装置。
【請求項４５】
ナノスケールワイヤを切断するための装置であって、
前記ワイヤが保持される２つの位置の間において前記ワイヤの長さに沿った位置に切断プローブを位置付けるためのマニピュレータと、
前記切断プローブと前記ワイヤとの間に電圧を印加して、前記ワイヤの長さに沿った位置で前記ワイヤを切断するためのコントローラとを含む、装置。
【請求項４６】
前記切断プローブは、前記ワイヤの長さに沿った位置で前記ワイヤに接触するように位置付けられ、前記コントローラは、前記ワイヤが保持される前記２つの位置の一方と前記切断プローブとの間にのみ電圧を印加する、請求項４４または４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記コントローラは前記電圧を印加して、それにより、前記ナノスケールワイヤが破損するか、または構造上損傷を受けると推定される標準的な電流を上回る電流を通電する、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記マニピュレータは、前記プローブが前記ワイヤの長さに沿った位置において前記ワイヤに最も近接しながらも、前記ワイヤからわずかに間隔をあけて配置されるように前記プローブを位置付ける、請求項４４または４５に記載の装置。
【請求項４９】
前記印加された電圧が逆転する、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記ナノスケールワイヤはカーボンナノチューブである、請求項２８から４９のいずれかに記載の装置。
【請求項５１】
プロセッサにより処理されると請求項１から２３のいずれかに記載の方法を実施するように適合される、コンピュータソフトウェア。
【請求項５２】
データキャリアにより保持される、請求項５１に記載のコンピュータソフトウェア。
【請求項５３】
添付図面の任意のものを参照して実質的に記載された、ナノスケールワイヤを溶接し、アニールし、または切断する方法。
【請求項５４】
添付の図面の任意のものを参照して実質的に説明した、ナノスケールワイヤを溶接し、アニールし、または切断するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は、ナノスケール構造体を製造するための方法および装置に関する。より特定的に、この発明は、ナノスケールワイヤを構造体に溶接する方法、ナノスケールワイヤをアニールする方法、およびナノスケールワイヤを切断する方法に加え、これらの方法を実施するための装置、およびこれらの方法により生産することのできるナノスケール構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
現在、ナノスケールワイヤから製造されるナノスケール構造体の潜在的資質についての研究が、極めて盛んに行なわれている。ナノスケールワイヤ、特にカーボンナノチューブは興味深い特性を有しており、ナノスケールの電子機械デバイスからなる巨大なアレイを形成する潜在的資質を有する。たとえば、カーボンナノチューブのサイズが小さいこと（数ナノメートルの直径にまで至る）、高電流密度に対する耐性能、および半導体性または金属性の電気的特性により、カーボンナノチューブは、次世代の電子デバイスにおける基幹素子の理想的な候補となっている。しかしながら、カーボンナノチューブは、現時点で、基板上に、または絡み合った束として、まとめて成長させているため、カーボンナノチューブから特定のデバイスまたは構造体を製造することに対して厳しい制約が課される。したがって、これらの材料に関する研究の大部分は、その焦点を、これらの生産方法に適した用途、たとえば、材料を補強するため、もしくはポリマー内に埋込まれた導電性ファイバを提供するための使用、またはフラットパネルディスプレイ用の電界放出チップアレイでの使用に絞っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
個々のカーボンナノチューブを選択された位置に配置して、ナノチューブとナノチューブとの電気的に高信頼性の接合部、またはナノチューブと基板との電気的に高信頼性の接合部を選択的に形成する技術は、まだ提示されていない。これまでにカーボンナノチューブから形成された、限られた数の電子デバイスは、適切な基板上に多くのナノチューブを分散させた後に従来の電気的接触を設け、その後、ナノチューブの正しい組合せおよび／または配向を見つけることに主に依存して、初歩的なデバイスを構成する。したがって、制御されかつ選択的な態様でナノチューブデバイスを製造し、操作して、特注の電子デバイスを生産するための方法を開発する必要がある。これにより、ナノチューブデバイスは、将来の電子デバイスの基盤になり得ると考えられる。それと同時に、既存の成長技術を用いて成長させたファイバを使用することにより、このことが可能になることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
この発明の第１の局面に従い、ナノスケールワイヤを構造体に溶接する方法を提供する。この方法は、
ナノスケールワイヤおよび構造体を互いに接触させて位置付けるステップと、
接触部の両端に電圧を印加し、それによって電流が接触部を通って流れて接触部を加熱し、ワイヤを構造体に溶接するステップとを含む。
【０００５】
この発明の第２の局面に従い、ナノスケールワイヤを構造体に溶接するための装置を提
供する。この装置は、
ナノスケールワイヤおよび構造体を互いに接触させて位置付けるためのマニピュレータと、
接触部の両端に電圧を印加し、それによって電流が接触部を通って流れて接触部を加熱し、ワイヤを構造体に溶接するためのコントローラとを含む。
【０００６】
したがって、カーボンナノチューブ等のナノスケールワイヤと、マニピュレータのプローブ等の別の構造体とを互いに接触させることができ、ワイヤと構造体との間に接触部を介して電流を通電することにより、溶接部を形成することができる。通常、接触部の電気抵抗が、ワイヤまたは他の構造体の抵抗よりも当初は高いことが、出願人により認識されている。したがって、ワイヤと構造体との間の接触部の両端に電流を通電すると、接触部は、ワイヤまたは他の構造体よりも電流による加熱を多く受けて、溶接部が形成される。
【０００７】
この発明により、ワイヤまたは他の構造体に損傷を与えずに溶接部を形成することができる。しかしながら、溶接中にワイヤまたは他の構造体が損傷を受ける危険性を低下させるために、溶接中に接触部を通って流れる電流を制限することが好ましい。すなわち、好ましくはコントローラが、溶接中に接触部を通って流れる電流を制限する。電流は実際に、溶接の電流しきい値よりも低く制限され得る。この電流は一般に、溶接される特定の種類のナノスケールワイヤが過熱して破損するか、または構造上損傷を受ける前までに伝えることのできる標準的な電流よりも低く設定される。この電流は、実験により確立することができる。通常、溶接の電流限界は１０μＡのオーダであるが、これはワイヤの種類に大きく依存する。
【０００８】
必要な電流を生じるのに、通常は、約５Ｖ未満の電圧で十分である。一例では、接触部の両端に電圧を１回のみ印加することができる。同様に、電流を予め定められた期間、たとえば約１ｓと約１００ｓとの間にわたり、一定に保持することができる。このことは、実験によって、最適な溶接部を得るのに必要とされる電流および持続期間が確立されると有用であると考えられる。しかしながら、接触部の両端に２回以上電圧を印加することが好ましい。すなわち、複数の別個の期間中に接触部の両端に電圧を印加するとよい。したがって、この装置は、複数の別個の期間中に接触部の両端に電圧を印加するためのコントローラを含み得る。
【０００９】
電圧をこのように繰返し印加することによって溶接部を調整し、溶接部の品質を、形成中に監視できることを出願人は認識している。より具体的には、既知の電圧または電圧波形を接触部の両端に繰返し印加して、連続した印加の際の電流を測定することにより、接触部の抵抗の減少を検出することができる。抵抗の減少は、溶接部の電気的および機械的特性が改善されたことを示し得る。さらに、抵抗の減少が止まると、溶接部が最適品質に到達していることを出願人は認識している。
【００１０】
したがって、この方法が、電圧の印加中に接触部を通る電流を監視するステップを含むことが好ましい。すなわち、コントローラが、電圧の印加中に接触部を通る電流を監視することが好ましい。また、この方法が、既知の電圧が印加されたときの電流と、その電圧が再び印加されたときの、その電圧における電流とを比較するステップを含むことが好ましい。すなわち、既知の電圧が印加されたときの電流と、その電圧が再び印加されたときの、その電圧における電流とをコントローラが比較することが好ましい。このようにして、接触部の抵抗の変化を監視することができる。この比較は、異なる期間中に印加された電圧間、たとえば、電圧の連続した印加と印加との間で行なわれるものである。しかしながら、電圧が、個々の期間中に上昇および下降し、上昇中の電圧における電流と、下降中のその電圧における電流とが比較されることが好ましい。精度を高めるために、電流は、複数のそれぞれの電圧において比較され得、または、電圧と電流との関係が比較され得る
。
【００１１】
上述のように、抵抗が実質的にさらに減少しないことが検出されると、溶接部は最適な状態にあると考えることができる。したがって、この方法が、比較により電流の実質的な差がないことが示されるまで接触部の両端に電圧を引続き印加するステップ（たとえば、別の期間中に電圧を印加するステップ）を含むことが好ましい。すなわち、この装置は、電流の実質的な差がないことをコンパレータが示すまで、接触部の両端に電圧を継続して印加する（たとえば別の期間中に電圧を印加する）コントローラを含み得る。これは、電流の差が予め設定された限界、たとえば１％未満になったときと考えることができる。
【００１２】
上述のように、他の構造体は一般に、ナノスケールワイヤを操作するためのプローブ、たとえばナノスケールプローブであることが考えられる。しかしながら、他の構造体は、他のさまざまなデバイスまたは構成要素であり得る。たとえば、他の構造体は、ナノスケールワイヤ用の基板であり得る。代替的に、他の構造体は、別のナノスケールワイヤであり得る。したがって、ナノスケールワイヤを、他のナノスケールワイヤを含む他のさまざまな構造体に溶接し、溶接部を調整して、最適化された電気的かつ機械的接続を形成するこの発明の能力により、多数の新しいナノスケール構造体を形成することができる。したがって、この発明の第３の局面に従い、上述の方法を用いて生産されるナノスケール構造体を提供する。これらの構造体は、種々の異なる形態をとることができるが、上述の方法を用いて形成される１つ以上の溶接部を含むことにより特徴付けられる。
【００１３】
他の構造体が可動プローブであるとき、ナノスケールワイヤがプローブに一旦溶接されると、プローブを移動させてワイヤを移動させるか、またはワイヤに歪みを加えることができる。溶接部は調整により機械的に強化されているため、溶接部が破壊することなく、プローブにより相対的に大きな力を加えることができる。さらに、溶接部が良好な電気的特性を有しているため、相対的に大きな電流をナノスケールワイヤに通電することができる。これにより、ナノスケールワイヤ自体の電気的および機械的特性をアニールにより改善できることを出願人は認識している。すなわち、この構造体はプローブであることが考えられ、この方法は、ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、プローブを介してワイヤに通電するステップを含み得る。同様に、この構造体はプローブであることが考えられ、コントローラは、ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、プローブを介してワイヤに通電することができる。
【００１４】
出願人は、以下の内容が新規であると考えており、この発明の第４の局面に従い、ナノスケールワイヤをアニールする方法を提供する。この方法は、プローブをワイヤに溶接するステップと、ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、プローブを介してワイヤに通電するステップとを含む。
【００１５】
同様に、この発明の第５の局面に従い、ナノスケールワイヤをアニールするための装置を提供する。この装置は、プローブをワイヤに溶接するための手段と、ワイヤを加熱してアニールを行なうのに十分な電流を、プローブを介してワイヤに通電するためのコントローラとを含む。
【００１６】
したがって、ワイヤを単に加熱することにより、ワイヤをアニールして、ワイヤの電気的および機械的特性を改善することがでる。しかしながら、プローブを移動させることによってワイヤに歪みを加えて、アニール中にワイヤを真直化するか、または曲げることができる。したがって、この方法が、プローブを移動させてワイヤに歪みを加えるステップを含むことが好ましい。プローブは、ワイヤを曲げることによりワイヤに歪みを加えることができる。代替的に、プローブは、ワイヤを真直化することによりワイヤに歪みを加えることができる。
【００１７】
ナノスケールワイヤが一旦溶接および／または調整されると、それを切断することが望ましいと考えられる。たとえば、ナノスケールワイヤを、そこから切離すことが望ましい基板に取付けることができる。したがって、この方法がさらに、
ワイヤが保持される２つの位置の間の、ワイヤの長さに沿った位置に、切断プローブを位置付けるステップと、
切断プローブとワイヤとの間に電圧を印加して、ワイヤの長さに沿った位置でワイヤを切断するステップとを含むことが好ましい。
【００１８】
同様に、この装置がさらに、ワイヤが保持される２つの位置の間においてワイヤの長さに沿った位置に切断プローブを位置付けるためのマニピュレータを含むことと、コントローラが切断プローブとワイヤとの間に電圧を印加して、ワイヤの長さに沿った位置でワイヤを切断することとが好ましい。
【００１９】
出願人は、以下の内容が新規であると考えており、したがって、この発明の第６の局面に従い、ナノスケールワイヤを切断する方法を提供する。この方法は、
ワイヤが保持される２つの位置の間において、ワイヤの長さに沿った位置に切断プローブを位置付けるステップと、
切断プローブとワイヤとの間に電圧を印加して、ワイヤの長さに沿った位置でワイヤを切断するステップとを含む。
【００２０】
同様に、この発明の第７の局面に従い、ナノスケールワイヤを切断するための装置を提供する。この装置は、
ワイヤが保持される２つの位置の間において、ワイヤの長さに沿った位置に切断プローブを位置付けるためのマニピュレータと、
切断プローブとワイヤとの間に電圧を印加して、ワイヤの長さに沿った位置でワイヤを切断するためのコントローラとを含む。
【００２１】
２つの位置の一方が、構造体にワイヤが溶接された位置であることが考えられる。２つの位置の他方は、ワイヤが基板に接触する地点、たとえば、ワイヤを成長させた地点であることが考えられる。一般に、切断プローブは、ワイヤの長さに沿った位置でワイヤに接触するように位置付けられ、ワイヤが保持されている２つの位置の一方と切断プローブとの間にのみ電圧が印加される。その結果、電流は、切断プローブがワイヤに接触する位置と、２つの位置の一方との間のワイヤの一部のみに流れる。したがって、ワイヤのその部分のみが加熱され、残りの部分から切離される。このことを行なうため、一般に、電流は相対的に高い。たとえば、ナノスケールワイヤが破損するか、または構造上損傷を受けると推定される標準的な電流を上回る電流を通電するように、印加する電圧を制御することができる。
【００２２】
代替的に、切断プローブがワイヤの長さに沿った位置においてワイヤに最も近接しながらも、ワイヤからわずかに間隔をあけて配置されるように切断プローブを位置付けることができる。電圧が印加されると、ワイヤとプローブとの間の電界により、ワイヤの長さに沿った位置においてワイヤが気化する。この場合、印加する電圧が逆転することが好ましい。
【００２３】
ナノスケールワイヤを溶接し、アニールし、切断するこの発明の能力により、多数の新しいナノスケール構造体を形成することができる。したがって、この発明の第８の局面に従い、上述の方法の任意のものを用いて生産されるナノスケール構造体を提供する。
【００２４】
この発明の方法は、ソフトウェア、たとえばコンピュータプログラムを少なくとも部分
的に用いて実現することができる。したがって、この発明のさらに別の局面に従い、コンピュータにインストールされたときに上述の方法を実施するように特に適合されたコンピュータソフトウェアを提供する。この発明はまた、このようなソフトウェアを含むコンピュータソフトウェアキャリアにまで及ぶ。コンピュータソフトウェアキャリアは、ＲＯＭチップ、ＣＤ  ＲＯＭもしくはディスク等の物理的な記憶媒体であり得、または、ワイヤを介した電子信号か、たとえば衛星等への光学信号もしくは無線周波信号等の信号であり得る。
【００２５】
ナノスケールは、１ｎｍと１μｍとの間の少なくとも１つの寸法を有することを意味するように意図される。たとえば、ナノスケールワイヤの直径は、１ｎｍと１μｍとの間であることが考えられる。実際に、上述のナノスケールワイヤがカーボンナノチューブであり、これらのチューブが一般に、約１００ｎｍまでの直径を有することが好ましい。しかしながら、この発明はカーボンナノチューブに限定されない。むしろ、ナノスケールワイヤは、ナノファイバ、ナノ粉末、ナノ粒子、ナノロッド、ナノ構造体、炭素球、および単結晶ナノワイヤであってよい。同様に、ワイヤは、より大きなミクロンまたはミリメートルの大きさであってもよい。これらのナノスケールワイヤ等は導電性であるべきであるが、無機性または有機性であってもよい。適切な無機材料の例が炭素またはシリコンであり得る。有機材料は、導電性ポリマーか、またはタンパク質ベースのファイバ、たとえばＤＮＡ、酵素、またはマイクロチャネルを含み得る。
【００２６】
カーボンナノチューブへの言及は、任意の特定の方法により生産されたカーボンナノチューブに限定されない。したがって、文献に記載され、かつ、認識される任意の方法により生産されたナノチューブを、この発明の方法により操作することができる。この明細書で言及されるカーボンナノチューブが単層または多層ナノチューブのいずれかであり得、すなわち、これらのカーボンナノチューブが、カーボングラファイト材料の１つ以上の同軸状の層から構築されるものと考え得ることも理解されるべきである。また、カーボンナノチューブは、シリコンナノワイヤか、または、無機の導電性材料からなる他の任意のナノ／マイクロワイヤであってもよい。
【００２７】
次に、添付の図面を参照して、この発明の好ましい実施例を例示としてのみ説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
好ましい実施例の詳細な説明
図１を参照すると、この装置は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１を備える。ＳＥＭ１は、試料ホルダ３（またはＳＥＭステージ）を収容するマニピュレーションチャンバ２（またはＳＥＭチャンバ）の上方に位置付けられる。マニピュレーションチャンバ２の壁部は２本のプローブ４および４ａを支持し、試料ホルダ３は試料５を保持することができる。試料５は、たとえば、基板１０上に担持されるか、または支持体上に配置されたカーボンナノチューブ１０ａである。
【００２９】
他の実施例では、３本以上のプローブ４および４ａが設けられ、プローブ４および４ａは試料ホルダ３（またはＳＥＭステージ）上で支持される。
【００３０】
この実施例において、プローブ４および４ａの各々は、約５ｎｍから約１００μｍの範囲の先端半径を有する、尖った器具またはマニピュレータを備える。他の実施例において、プローブ４および４ａは鉤の形状を有する。タングステンは、その電気的、物理的、および機械的特性により、プローブ４および４ａに特に適した材料である。しかしながら、プローブ４および４ａは、タングステン以外の金属で形成することができる。実際に、プローブ４および４ａは、任意の導電性材料で形成され得る。代替的に、プローブ４および４ａを酸化物で被覆するか、または半導体性にして、ナノチューブの電気的特性がより広
範囲にわたって評価されるようにすることができる。
【００３１】
プローブ４および４ａは、マニピュレーションチャンバ２および試料ホルダ３から、ならびに、互いに電気的に絶縁されるが、マニピュレーションチャンバ２の壁部を通る外付けのワイヤ６および６ａに接続される。同様に、試料ホルダ３は、試料５をマニピュレーションチャンバ２およびプローブ４および４ａから電気的に絶縁しながらも、マニピュレーションチャンバ２の壁部を通る外付けのワイヤ７に試料ホルダ３を接続するように構成される。電気的に接続する目的は、プローブ４および４ａならびに試料ホルダ３に電界が印加され得るようにするためと、プローブ４および４ａと試料ホルダ３との間にたとえば試料５を介して形成される回路を通って電流が流れ得るようにするためである。
【００３２】
この目的のため、外付けのワイヤ６、６ａおよび７に電力供給装置８が接続される。電力供給装置８は、ワイヤ６、６ａおよび７の任意の組合せ、したがって、プローブ４および４ａおよび／または試料ホルダ３の任意の組合せの間に電圧を選択的に印加することができる。したがって、電力供給装置８は、電源（図示せず）に接続されており、電源と、異なるワイヤ６、６ａおよび７との間に接続を形成するためのスイッチを含む。電力供給装置８はまた、プローブ４および４ａおよび／または試料ホルダにより、たとえば試料５を介して形成される任意の回路に流れる電流を可変にかつ選択的に制限することもできる。すなわち、ワイヤ６、６ａおよび７は、プローブ４および４ａからプローブ４および４ａに、または、プローブ４および４ａから試料ホルダ３のいずれかにおいて、電位差および／または電流を提供することができる。電力供給装置８が提供することのできる電圧は、実質的に約−５０Ｖから約＋５０Ｖの範囲内にある。電力供給装置８が提供することのできる電流は、実質的に約１×１０-12Ａから約１Ａの範囲内にある。
【００３３】
プローブ４および４ａは、３軸（ｘ，ｙ，ｚ）に沿った平行移動による移動が可能である。同様に、試料ホルダ３は、３軸（ｘ，ｙ，ｚ）に沿った平行移動、傾動、および回転による移動が可能である。他の実施例では、プローブ４および４ａと試料ホルダ３との両方に対し、異なる種類の、またはさらに別の種類の移動を提供することができる。プローブ４および４ａならびに試料ホルダ３は、約１０μｍと約１０ｍｍとの間までの全範囲にわたり、ナノメートルの精度で移動させることができる。この実施例において、移動は、圧電アクチュエータを用いて得られるが、他の実施例では、他の種類の機械的および電気的アクチュエータを使用することができる。
【００３４】
電力供給装置８と、アクチュエータの使用によるプローブ４および４ａならびに試料ホルダ３の移動とを制御するように、コントロールユニット９が構成される。この実施例において、コントローラ９は、以下に示す方法を実施するように適合されたソフトウェアを実行し、そして、電力供給装置８およびアクチュエータを制御するためのインターフェイスを有するコンピュータである。コントローラ９は、電力供給装置８を制御することに加え、電力供給装置８が生成する電位差および電流を監視することができる。同様に、コントローラ９は、プローブ４および４ａならびに試料ホルダ３の動きを制御することに加え、ＳＥＭ１を制御することができ、かつ、画像解析ソフトウェアを用いて、ＳＥＭ１が生成する画像を解析し、プローブ４および４ａ、試料ホルダ３、および個々のカーボンナノチューブ１０ａの動きをも監視することができる。これについては、より詳細に以下に説明する。
【００３５】
カーボンナノチューブ１０ａは、さまざまな方法で調製することができ、したがって試料５は、いくつかの異なる形態のうちの１つを有し得る。たとえば、カーボンナノチューブ１０ａは、カーボンナノチューブ１０ａの束に浸した先端に付着させることができ、または、カーボンナノチューブ１０ａを露出するように劈開した導電性ポリマー試料に埋込むことができ、または、試料５を生産する他の任意の方法を用いて調製されて、カーボン
ナノチューブ１０ａが、プローブ４および４ａの間で、もしくは、プローブ４および４ａの一方あるいは両方と試料ホルダ３との間で電気的に接触し得る。実際にこの発明は、カーボンナノチューブ以外のナノスケールワイヤに適用可能であるが、これらのワイヤは導電性であるべきであり、基板１０に取付けられる場合は、基板もまた導電性であると有用である。しかしながら、以下の実施例は、ここからカーボンナノチューブ１０ａを成長させる基板１０を形成する触媒粒子に付着したナノチューブ１０ａを含む試料５に関して説明する。
【００３６】
したがって、この装置は、ＳＥＭ１の下においてプローブ４および４ａ、またはプローブ４および４ａと試料ホルダ３を選択的に移動させて、それらに電圧および電流を印加することができる。これにより、個々のカーボンナノチューブ１０ａを選択することができ、プローブ４および４ａ、基板５、または別のカーボンナノチューブ１０ａ等の他の構造体に個々のカーボンナノチューブ１０ａを溶接することができ、または、個々のカーボンナノチューブ１０ａを、その長さに沿った選択された位置で切断することができる。これらの個々のプロセスを、以下により詳細に説明する。
【００３７】
カーボンナノチューブの選択
図２を参照すると、いくつかのカーボンナノチューブ１０ａを付着させた基板１０を含む試料５が、試料ホルダ３内に保持される。プローブ４を、試料ホルダ３を基準として、したがってカーボンナノチューブ１０ａを基準として移動させることができる。
【００３８】
コントローラ９はまず、基板１０より遠位の、目標とするカーボンナノチューブ１０ａの端部の平面上にＳＥＭ１の焦点を合わせる。次に、プローブ４を、カーボンナノチューブ１０ａの端部と同じ平面に移動させ、その平面（図１のｘ，ｚ平面）上でカーボンナノチューブ１０ａに向けて平行移動させる。この粗いアライメントが実施されると、コントローラが電力供給装置に対し、実質的に約１Ｖから２Ｖの範囲の選択電圧をプローブ４に印加させる。その際に、基板１０およびナノチューブ１０ａは、接地、たとえば０Ｖに保持される。それと同時に、コントローラ９は電力供給装置８に対し、たとえばナノチューブ１０ａまたは基板１０のいずれかを介してプローブ４と試料ホルダ３との間に流れ得る電流を、選択電流制限よりも低く、たとえば、実質的に約１μＡ未満にまで制限させる。選択電圧の目的は、プローブ４と、目標とするナノチューブ１０ａとの間に静電引力を生じることである。電流制限の目的は、万一、プローブ４がナノチューブ１０ａのいずれかに接触した場合に、たとえばナノチューブ１０ａを加熱し過ぎて気化させてしまうことにより、電流がナノチューブ１０ａに著しい損傷を与えるまでに至らないようにすることである。
【００３９】
ＳＥＭ１の被写界深度は、５００ｎｍの深度であり得る。したがって、ＳＥＭ１の被写界深度を用いることは、プローブ４および目標とするカーボンナノチューブ１０ａが、互いに約５００ｎｍ以内に位置したときに限られる。プローブが、目標とするカーボンナノチューブ１０ａと同じ被写界深度に入ると、コントローラ９は、不連続なステップで、プローブ４をナノチューブ１０ａに向けて移動させる。それと同時に、コントローラ９は、ＳＥＭ１が生成する画像を用いてナノチューブ１０ａの位置を監視する。プローブ４と、目標とするナノチューブ１０ａとの間の間隔が十分に小さくなると、静電引力により、ナノチューブ１０ａはプローブ４の方に向かって曲がる。これにより、プローブ４の接近を注意深く監視することができる。
【００４０】
ナノチューブ１０ａがプローブ４の方に向かって曲がるにつれ、コントローラ９は、プローブ４と試料ホルダ３との間に流れる電流を監視する。プローブ４が十分に接近してナノチューブ１０ａが十分に曲がると、ナノチューブ１０ａはプローブ４に接触する。接触が生じる前には、プローブ４と試料ホルダ３との間に、実質的に電流が流れない。しかし
ながら、ナノチューブ１０ａとプローブ４が接触すると、プローブ４と試料ホルダ３との間に電流が流れる。コントローラ９が電流を監視することから、コントローラ９は、プローブ４とナノチューブ１０ａとの間に接触が生じた正確な瞬間を特定することができ、接触が特定されると、コントローラは、基板１０を基準としてプローブ４を移動させることを止める。プローブ４に印加された選択電圧もまた、停止または減少させることができる。このようにして、目標となるナノチューブ１０ａが選択される。
【００４１】
ナノチューブ１０ａが一旦選択されると、プローブ４と試料ホルダ３との間に既知の電圧を印加して、流れる電流を測定することにより、その特定のナノチューブ１０ａの電気的特性（たとえば半導体性または金属性）が求められる。このことは、特定の用途に対してナノチューブ１０ａの品質およびその有用性を求めるのに役立ち得る。ナノチューブ１０ａが適切なものではない場合に、たとえば電流を増大させてナノチューブ１０ａを気化させるか、または単にプローブ４を後退させることによって接触を断つことができ、別のナノチューブ１０ａを選択することができる。
【００４２】
ナノチューブの、プローブへの溶接
ナノチューブ１０ａが選択されて、ナノチューブ１０ａが適切であると認められた場合、電流をナノチューブ１０ａに通電してナノチューブ１０ａを加熱することができ、より重要なこととして、ナノチューブ１０ａの、プローブ４への接続部を加熱することができる。これにより、ナノチューブ１０ａをプローブ４に溶接し、ナノチューブ１０ａとプローブ４との間の電気的および機械的接触を改善する。
【００４３】
より具体的には、ナノチューブ１０ａが溶接のために選択される前に、たとえば過熱および気化によって特定の試料５のナノチューブ１０ａが破損する電流が求められる。この実施例において、このことは、コントローラ９が試料５のナノチューブ１０ａを選択し、接触が一旦確立されると、電力供給装置８に対し、ナノチューブ１０ａが破損するまでナノチューブ１０ａを通って流れる電流を徐々に増大させることによって達成される。ナノチューブ１０ａが破損すると、電流はゼロまで急激に降下する。コントローラ９は、その電流を監視し、ナノチューブ１０ａを通って流れる最大電流を求める。この最大電流は通常、ナノチューブ１０ａが破損するか、または構造上損傷を受ける直前のものである。この電流を破損電流と呼ぶ。このプロセスは通常、２本以上のナノチューブ１０ａに対して繰返され、溶接の電流制限は、標準的な（たとえば最も低いか、または平均の）求められた破損電流よりも低く設定される。当然ながら、特定のタイプまたはバッチの試料５において有意な経験が得られると、信頼性の高い態様で溶接の電流制限を求めることができ、各試料５に対して新規の制限を設定する必要がなくなる。
【００４４】
上述のように、ナノチューブ１０ａが選択されると、接触が生じた瞬間に流れる小さな電流が、接触領域においてナノチューブ１０ａを加熱する。より具体的には、ナノチューブ１０ａとプローブ４との間の接触は、電気的に見て当初は悪く、たとえば、ナノチューブ１０ａの残りの部分、ならびに実際にはプローブ４および基板１０に比べて高い抵抗を有するため、この領域は、ナノチューブ１０ａの残りの部分よりも高い温度まで加熱される。その結果、接触部においてナノチューブ１０ａとプローブ４との間における材料が、少量だけ拡散する。しかしながら、選択中の電流制限が極めて低いため、接触部における加熱および拡散は最小限のものとなり、電気的接触は悪いままである。
【００４５】
したがって、ナノチューブ１０ａが一旦選択されて接触が生じると、接触部が溶接されて接続を改善する。このことは、接触部両端の電圧、たとえばプローブ４と試料ホルダ３との間の電圧を、制御された態様で増大または「一定の割合で変化」させて、その電流を溶接の電流制限まで上昇させることによって達成される。一実施例において、コントローラ９は、電力供給装置８に電流を増大させ、その電流を予め定められた期間にわたって一
定のレベルに保持させる。この予め定められた期間は、実質的に約１ｓと１００ｓとの間であり得る。電流は、ナノチューブ１０ａとプローブ４との間の接触部を加熱して、ナノチューブ１０ａとプローブ４との間における、材料のさらなる拡散（「相互拡散」等）を生じる。したがって、形成された溶接部は、その電気的および機械的特性が改善されている。
【００４６】
別の実施例において、コントローラ９は、電力供給装置８に対し、接触部の両端、たとえばプローブ４と試料ホルダ３との間に電圧を繰返し印加させる。より具体的には、短い期間にわたり、２回以上の別個の機会において、電圧を上昇させ、その後降下させる。電圧を上昇および降下させることに伴って電流を監視することにより、電気的接続の品質が改善されたことを、たとえば、抵抗の減少として認識することができる。すなわち、電流が接触部を改善する加熱を生じる間に、電圧の印加中に接触部の両端の抵抗が変化する。したがって図３を参照すると、電流対電圧のプロットは、各電圧の印加（１１ａ〜ｅ）に関し、電圧を降下させたとき（曲線Ｂ等）と、電圧を上昇させたとき（曲線Ａ等）とで異なる曲線を示す。しかしながら、接触部の電気的接続に何ら改善が見られなくなると、抵抗は著しく変化せず、電圧を上昇させたときの曲線は、電圧を下降させたときの曲線と実質的に同じになる（図３の曲線１１ｅ等を参照）。
【００４７】
したがって、コントローラ９に対する第１の段階は、電力供給装置８に対し、接触部の両端に±１Ｖ等の低電圧を印加させて、約数ｎＡ等の電流が接触部の両端に流れているか否かを検出することにより、接触部が形成されるようにすることである。電流が流れている場合、コントローラ９は、プローブ４とナノチューブ１０ａとの間に接触が生じたと判断する。これは効果的にも、上述のとおり、選択中に目標となるナノチューブ１０ａとの間に接触が生じたことを確認するステップと同じである。電流が流れていない場合、ナノチューブ１０ａを選択するプロセスが繰返される。
【００４８】
次に、コントローラ９は、電力供給装置に対し、プローブ４と試料ホルダ３との間の電圧を上昇させる。この実施例において、コントローラ９は、たとえば約０．１Ｖずつ電圧を段階的に上昇させる。電流は、各段階において約数ｍｓ以上の間にわたり保持される。電圧を上昇させるたびに電流を測定する。
【００４９】
電圧を上昇させながらも、コントローラ９は、電力供給装置８に対し、溶接の電流限界まで電流を制限させる。この制限は一般に、約１μＡ以下である。同様に、コントローラ９は、溶接の電圧限界まで電圧を制限する。この溶接の電圧限界は一般に、約数ボルトである。したがって、溶接の電流限界に到達するか、または溶接の電圧限界に到達すると、コントローラ９は電力供給装置に電流の上昇を止めさせる。電流限界または電圧限界に到達すると、コントローラ９は、電力供給装置８に対し、約０．１Ｖずつ電圧を０Ｖまで段階的に降下させる。ここでもまた、電圧を降下させるたびに電流を測定する。電圧のこの上昇および降下を、調整サイクルと呼ぶことができる。
【００５０】
各調整サイクルの後または調整サイクルの間に、コントローラ９は、接触部の品質を確認する。このことは、コントローラ９が、調整サイクル中に電圧を上昇させる／させたときの電流の測定値と、調整サイクル中に電圧を降下させる／させたときのそれぞれの電流の測定値とを比較することによって達成される。１つの選択された電圧における比較が行なわれると十分である。しかしながら、精度を高めるために、何回かの比較が行なわれるか、または、電圧を上昇させる／させたときの電流−電圧曲線が、電圧を降下させる／させたときの電流電圧曲線と比較される。図３で分かるように、接触が悪い場合は、上昇曲線と下降曲線とに著しい差が見られ、たとえばヒステリシスが存在する。しかしながら、接触が良好な場合、接触部の抵抗は調整サイクルの全体にわたって増大せず、上昇データ曲線と下降データ曲線とに実質的な差はない。
【００５１】
したがって、サイクルの上昇期および下降期の間にそれぞれの（または一致した）電圧における電流間に予め定められた差、たとえば１％を超える差が存在する場合、コントローラ９は、別の調整サイクルを実施する。代替的に、２つの電流間または電流の組の間に差がないか、または予め定められた差よりも小さな差が存在するとコントローラ９が判断した場合、コントローラ９は、接触部の電気的接続が良好であると判断する。そして、コントローラ９は、さらに別の調整サイクルを実施しない。
【００５２】
別の調整サイクルが実施されるべきであるとコントローラ９が判断した場合、コントローラ９はまた、電圧限界に到達したか、または電流限界に到達したか、のいずれにより、以前の調整サイクル中に電力供給装置が電圧の上昇を停止したのかを判断する。電圧限界に到達していた場合、電圧限界を、たとえば約１Ｖだけ上昇させる。電流限界に到達していた場合、電流限界を、たとえば約１μＡだけ増大させる。次に、より高い電圧限界または電流限界を用いて次の調整サイクルを実施し、その結果、より高い電流が接触部に通電される。
【００５３】
コントローラ９は、接触部の品質がこれ以上改善しないと判断するまで、たとえば、サイクルの上昇期および下降期の間にそれぞれの（または一致した）電圧における電流の差が、たとえば１％未満であると判断するまで、この態様で引続き調整サイクルを実施する。これにより、電流を厳密な制御下に置き、かつ、電流による過剰な加熱がナノチューブ１０ａに損傷を与えないようにしながら、ナノチューブ１０ａとプローブ４との間の接触を改善することができる。さらに、電圧を制御された態様で印加することにより、迅速かつ安全に、調整された溶接部を形成することができる。
【００５４】
ナノチューブの調整
溶接部を調整するために使用される態様と同様の態様で、個々のナノチューブ１０ａを調整することができる。たとえば、ナノチューブ１０ａを触媒法により低温で成長させると、ナノチューブ１０ａが捩れおよびよじれを有することが公知である。この発明を用いてこれらの捩れおよびよじれを真直化し、他の種類の調整を行なうことが可能である。
【００５５】
試料ホルダ３内の基板１０に接続されたナノチューブ１０ａは、上述の方法を用いてプローブ４に溶接されると、各端部において確実に保持され、各端部において良好な電気的接続が生じる。したがって、プローブ４／ナノチューブ１０ａまたはナノチューブ１０ａ／基板１０の接触が損傷を受けることなく、相対的に高い電流をナノチューブ１０ａに通電することができる。さらに、試料ホルダ３を基準としてプローブ４を移動させて、ナノチューブ１０ａに機械的歪みをかけることができる。
【００５６】
たとえば、ナノチューブ１０ａが湾曲している場合、ナノチューブ１０ａがプローブ４に溶接されると、コントローラ９は、基板１０から離れる方向にプローブ４を移動させる。これにより、ナノチューブ１０ａは真直化する。次にコントローラ９は、電力供給装置８に対し、ナノチューブ１０ａに電流を通電させ、一定期間にわたってナノチューブ１０ａを加熱する。これにより、ナノチューブ１０ａがアニールされ、したがって、その構造がより真直なものとなる。実際に、コントローラ９は、ナノチューブ１０ａに電流を通電して、試料ホルダ３から離れる方向にプローブ４を徐々に移動させるのと同時に加熱を生じることができる。したがって、かなりの真直化を行なうことができる。
【００５７】
別の実施例において、コントローラ９は、プローブ４を移動させて真直なナノチューブ１０ａに湾曲を生じるようにする。これによりナノチューブ１０ａは、量子ドット等の特定の電気的特性を生じ得る。
【００５８】
別の実施例において、コントローラ９は、上述のように、溶接部に対する調整サイクル中に行なわれる態様と同様の態様で印加する電圧を変化させることにより、ナノチューブを加熱する。すなわち、コントローラ９は、電流を監視しながら電圧を上昇および降下させ、ナノチューブ１０ａの電気的特性がこれ以上改善しないと判断するまでこれを繰返す。したがって、ナノチューブ１０ａ全体の電気的特性の、信頼性の高い改善を得ることができる。当然ながら、電圧の印加前または印加中にプローブ４を移動させて、所望のとおりナノチューブを真直化するか、または曲げることもできる。
【００５９】
したがって、ナノチューブ１０ａを真直化するか、または曲げることなくナノチューブ１０ａの電気的特質または特性を改善すること、または、ナノチューブ１０ａをある程度真直化するか、または曲げた状態で、試料ホルダ３を基準としてプローブ４を移動させ、ナノチューブに歪みを加えて電気的特質を改善することが、いずれも可能である。
【００６０】
ナノチューブの切断
ナノチューブ１０ａがプローブ４に溶接されると、ナノチューブ１０ａの長さに沿った或る部分において、または、ナノチューブ１０ａを基板１０に付着させた端部において、ナノチューブ１０ａを切断することができると有用である。このことを行なうために、第１のプローブ４とは別個に移動することのできる第２のプローブ４ａが用いられる。
【００６１】
図４を参照すると、コントローラ９は、ナノチューブ１０ａを切断することが所望される地点において、第２のプローブ４ａをナノチューブ１０ａの方に移動させる。コントローラ９は次に、第１のプローブ４および基板が０Ｖ等の接地電圧に保持された状態で、電力供給装置に対し、約１Ｖから２Ｖ等の選択電圧を第２のプローブ４ａに印加させる。これにより、ナノチューブ１０ａを切断することが所望される地点が規定される。したがって、第２のプローブ４ａと、第１のプローブ４に既に溶接されたナノチューブ１０ａとを用いて、この選択のプロセスが効果的に繰返される。
【００６２】
第１のプローブ４に溶接されたナノチューブ１０ａの一部を残しておくことが望まれる場合、第２のプローブ４ａとナノチューブ１０ａとの間に接触が確立されると、コントローラ９は、電力供給装置８に対し、第２のプローブ４ａと試料ホルダ３との間に電圧を印加させる。この電圧により、第２のプローブ４ａと基板１０との間のナノチューブ１０ａの一部における電流は、破損電流を上回る（たとえば、通常、約数十μＡから数百μＡの電流を印加する）。第２のプローブ４ａと第１のプローブ４との間のナノチューブ１０ａの一部には電流が通電しない。したがって、第２のプローブ４ａと基板１０との間のナノチューブ１０ａの一部が気化し、第２のプローブ４ａと第１のプローブ４との間のナノチューブ１０ａの一部は無傷の状態で残り、依然として第１のプローブ４ａに溶接された状態を保つ。第２のプローブ４ａがナノチューブ１０ａに接触する地点を適宜選択することにより、ナノチューブ１０ａを、その長さに沿った任意の所望の地点で切断することができる。次に、ナノチューブ１０ａを、たとえば試料５の別の領域または別の基板１０に向けて自由に移動させることができる。
【００６３】
別の実施例において、第２のプローブ４ａとナノチューブ１０ａとの間に小さな間隙をあけることができる。次に、第２のプローブ４ａとナノチューブ１０ａとの間に交流電圧を印加し、これによって第２のプローブ４ａに最も近接するナノチューブ１０ａのわずかな一部を気化させる。その結果、ナノチューブ１０ａの２つの部分、すなわち、図４に示すように、第１のプローブ４に溶接された一方と、基板１０に付着させた他方とが残る。
【００６４】
ナノチューブ１０ａの溶接およびそれらの調整に関し、このプロセスは、コントローラ９により制御することができる。最も単純な場合では、プローブ４ａを手動で位置付けて、コントローラ９を用いて各先端および基板のそれぞれにおける電圧および電流を制御す
ることができる。代替的に、コントローラ９は、ＳＥＭ１からの画像を用いてプローブ４および４ａを位置付けることができ、切断プロセスの全体が自動化され得る。コントローラ９は、切断および短縮化のプロセスの速度および繰返し精度をいずれも著しく改善することができる。
【００６５】
別の構造体へのナノチューブの溶接
上述の溶接プロセスを同様に用いて、ナノチューブ１０ａをプローブ４および４ａ以外の構造体に溶接することができる。たとえば、ナノチューブ１０ａを他のナノチューブ１０ａ（たとえば図５参照）か、または他の構造体もしくは基板（図示せず）に溶接することができる。通常、ナノチューブ１０ａはまず、上述の溶接および切断プロセスを用いて第１のプローブ４に溶接され、基板１０から切離される。それにより、ナノチューブ１０ａは実際に、プローブ４の延長部となる。このことは、プローブに付いたナノチューブを移動させて他のナノチューブ１０ａまたは基板１０に接触させて、上述の溶接プロセスを用いて他のナノチューブ１０ａまたは基板１０に溶接可能であることを意味する。実際に、ナノチューブ１０ａを端部同士で溶接し、異なるナノチューブからより長いナノチューブを形成することができ、また、ナノチューブを他のチューブの側面に溶接して、図５に示すように「Ｔ」形のナノチューブを形成することもできる。したがって、３つ以上の末端を有するナノチューブデバイスを形成することができる。次に、ここでもまた上述の方法を用いて、１本のナノチューブまたは溶接されたナノチューブの組合せを、他の適切な構造体または基板に溶接することができる。他の構造体または基板が導電性であり、電力供給装置８に接続され得ることが、唯一の要件である。
【００６６】
上述の技術を用い、これまでに実証されてきたものよりも極めて複雑なカーボンナノチューブ１０ａに基づいた電子デバイスを構築することができる。同様のまたは異なるナノチューブ１０ａを多種多様な構成で互いに溶接し、他のデバイスに次いで接続され得る適切な基板１０に溶接し、選択的にかつ高い成功率でカーボンナノチューブの電子デバイス（および関連構造）を生産することができる。他の有用な構造体の例には、走査プローブ顕微鏡の先端に対する高アスペクト比の延長部、およびマイクロマシン（ＭＥＭＳ: micro electrical machine system）のデバイスおよびセンサにおける機械的アクチュエータが含まれる。
【００６７】
全体的に見て、上述のナノチューブの選択、溶接、および切断のプロセスは、電圧および電流を注意深く制御することと、試料ホルダ３を基準としてプローブ４および４ａを移動させることとに基づく。コントローラ９は、電力供給装置８を用いて電流および電圧を制御および監視する。コントローラ９はまた、ＳＥＭ画像およびアクチュエータからのフィードバックを用いて、プローブ４および４ａ、ナノチューブ１０ａ、ならびに基板１０の、３次元空間内における位置も確立する。したがって、これらのプロセスを、所望の通り完全にまたは部分的に自動化することができる。
【００６８】
この発明の上述の実施例は、この発明をいかに実現することができるかについての単なる例示である。上述の実施例に対する改良例、変形例、および変更例を、当業者は思いつくであろう。これらの改良例、変形例、および変更例は、請求項およびその均等物で規定された発明の精神および範囲から逸脱することなく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この発明に従った装置の概略図である。
【図２】図１の装置を用いてカーボンナノチューブをプローブに溶接する方法の概略図である。
【図３】溶接中の電流対電圧の片対数グラフである。
【図４】図１の装置を用いてカーボンナノチューブを切断する方法の概略図である。
【図５】図１の装置を用いてカーボンナノチューブを別のカーボンナノチューブに溶接する方法の概略図である。
【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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【国際調査報告】
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