(57)【要約】【課題】ナノチューブを容易に、ある程度位置を特定して切断する方法を提供する。【解決手段】ナノチューブ１を酸素を含むガス雰囲気中又は水素を含むガス雰囲気中に配置する。この状態でナノチューブ１に電流を流すとともに電極２、３側から冷却することで、ナノチューブ１中の温度を不均一にする。ナノチューブ１中の最も温度が異なる部分の最小構成要素体は、酸素又は水素と反応して除去される。これによりナノチューブ１が切断される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブを、このナノチューブを構成する最小構成要素体と反応可能な所定の元素を含むガス雰囲気中に配置する段階と、
前記ナノチューブに電流を流すとともに部分的に前記ナノチューブを冷却することで、このナノチューブ内の温度を不均一にする段階と、
前記ナノチューブ内で、他の部分と最も異なる温度となる部分の最小構成要素体を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む、
ナノチューブの切断方法。
【請求項２】
前記ナノチューブの両端から冷却する、
請求項１記載のナノチューブの切断方法。
【請求項３】
前記ナノチューブを所定の部分を除いてマスクしておき、この所定の部分のみが前記所定のガス雰囲気中に配置されるようにする、
請求項１記載のナノチューブの切断方法。
【請求項４】
前記最小構成要素体となる元素を含む所定の温度のガス雰囲気中に前記ナノチューブを配置して、このナノチューブの過剰に除去された部分に最小構成要素体を再構成する段階をさらに含む、
請求項１記載のナノチューブの切断方法。
【請求項５】
カーボンナノチューブを、酸素を含んだガス雰囲気又は水素を含んだガス雰囲気中に配置する段階と、
前記カーボンナノチューブに電流を流すとともに両端から冷却することで、このカーボンナノチューブ内の温度を不均一にする段階と、
前記カーボンナノチューブ内で最も高温となる部分の炭素を前記酸素又は前記水素と反応させて除去する段階と、を含む、
ナノチューブの切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブのようなナノチューブの切断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノチューブを用いたエレクトロニクス技術が注目を集めている。特に、炭素を最小構成要素体として構成されたナノチューブであるカーボンナノチューブを用いたエレクトロニクス技術についての研究が進んでいる。
カーボンナノチューブは、炭素原子が六員環を形成して構成されるグラファイトシートを、円筒状に巻いた構造を有している。カーボンナノチューブには、一層のグラファイトシートからなる単層カーボンナノチューブと複数のグラファイトシートからなる多層カーボンナノチューブとがある。単層カーボンナノチューブは、一般に断面の直径が１〜２ｎｍであり、多層ナノチューブは、断面の直径が数ｎｍから数十ｎｍである。いずれのカーボンナノチューブも長さは様々であり、数μｍの長さを有するものもある。
【０００３】
カーボンナノチューブの電気的特性は、直径や螺旋度（chirality：カイラリティ）によって変化する。つまり、直径や、グラファイトシートを巻く際に、円筒の軸に対して六員環をまっすぐ巻くか傾けて巻くかにより、カーボンナノチューブの導電性が大きく変化する。このような直径及びカイラリティの組み合わせにより、カーボンナノチューブは、導体、Ｎ型半導体、或いはＰ型半導体と同じ電気的特性を有することができる。また、カーボンナノチューブは熱伝導性に優れている。そのために、電子装置にカーボンナノチューブを用いた場合、熱特性の優れた動作を示すことを期待されている。
【０００４】
導体の特性を有する２本のカーボンナノチューブを、互いの軸が直線状になるように所定の間隔で近接して配置することで、スイッチ素子、コンデンサ等の電子素子を形成することができる。
【０００５】
所定の間隔で近接して配置された２本のカーボンナノチューブは、電気的に絶縁状態にある。各カーボンナノチューブに異なる電圧を印加することで２本のカーボンナノチューブ間にトンネル電流を流すことができる。トンネル電流を流すか否かによって、導通状態と非導通状態を作り出すことができ、スイッチ素子として用いることができる。トンネル電流を流すには、２本のカーボンナノチューブに印加する電圧の差を所定値（この値を「閾値電圧」という）以上にしなければならない。
閾値電圧は、２本のカーボンナノチューブの間の距離に応じて変化し、通常、距離が大きければ大きくなり、距離が小さければ小さくなる。消費電力の低減のためには、２本のカーボンナノチューブの間の距離をできるだけ小さくする必要がある。
【０００６】
２本のカーボンナノチューブによりコンデンサを形成する場合、この２本のカーボンナノチューブがそれぞれ電極として機能する。各カーボンナノチューブに閾値電圧を超えない範囲で異なる電圧を印加すると、２本のカーボンナノチューブの対向する面に電荷が蓄電される。このようにして形成されるコンデンサは、複数並列に接続することで蓄電量を増やすことも可能である。
２本のカーボンナノチューブにより形成するコンデンサの容量は、２本のカーボンナノチューブの間の距離に応じて変化し、距離が大きければ小さくなり、距離が小さければ大きくなる。２本のカーボンナノチューブの対向する面は非常に小さいので、１組のカーボンナノチューブで形成されるコンデンサの容量は非常に小さい。そのために、２本のカーボンナノチューブの間の距離をできるだけ小さくする必要がある。
【０００７】
以上のように、２本のナノチューブを、軸を直線状に且つ近接して配置することでスイッチング素子、コンデンサ等の電子素子を形成できる。２本のナノチューブ間の距離が小さいほど、スイッチング素子の場合、閾値電圧が下がって低消費電力化が図れ、コンデンサの場合、容量が大きくなる。
【０００８】
２本のナノチューブを、軸を直線状に且つできるだけ近接して配置するために、１本のナノチューブを切断して形成することを想起した。１本のナノチューブを切断して２本にするために、軸が直線状であることが担保される。また切断部分が２本のナノチューブ間の距離となり、非常に小さくすることができる。ナノチューブは、物理的には硬く且つしなやかであり、化学的には他の物質と反応しにくい性質であるので、切断するのが困難な素材である。しかし、熱により他の物質と反応する。例えば、特許文献１には、ナノチューブに電流を流して、その電流による発熱によりナノチューブを蒸発させて切断することが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２６６３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、電流が最も多く流れる部分が切断部分になる。電流が最も多く流れる部分とは、例えば結晶欠陥が生じた部分であるが、結晶欠陥などをナノチューブの所望の位置に作り込むことは高度な技術が必要である。そのために、特許文献１の切断方法では、ナノチューブの切断位置を指定することは困難である。
【００１０】
本願発明は、上記のような問題に鑑みて想起されたものであり、ナノチューブを容易に、ある程度位置を特定して切断する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明のナノチューブの切断方法は、ナノチューブを、このナノチューブの最小構成要素体と反応可能な所定の元素を含むガス雰囲気中に配置する段階と、前記ナノチューブに電流を流すとともに部分的に前記ナノチューブを冷却することで、このナノチューブ内の温度を不均一にする段階と、前記ナノチューブ内で、他の部分と最も異なる温度となる部分の最小構成要素体を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む。前記ナノチューブは、例えば両端から冷却される。
【００１２】
例えば、カーボンナノチューブを切断する場合には、カーボンナノチューブを、酸素を含んだガス雰囲気又は水素を含んだガス雰囲気中に配置する段階と、前記カーボンナノチューブに電流を流すとともに両端から冷却することで、このカーボンナノチューブ内の温度を不均一にする段階と、前記カーボンナノチューブ内で最も高温となる部分の炭素を前記酸素又は前記水素と反応させて除去する段階と、を含む。
【００１３】
炭素のようなナノチューブの最小構成要素体は、温度によって他の元素との反応のし易さが変わる。例えば炭素の場合には、温度が高いほど酸素もしくは水素と反応し易くなる。本発明は最小構成要素体のこのような性質を用いて、ナノチューブの切断を行う。そのために、ナノチューブを部分的に冷却しつつ電流を流すことでナノチューブ内の温度を不均一にする。温度が不均一になるために、ナノチューブの部分毎に他の元素との反応のし易さが変わる。最も反応し易い部分の最小構成要素から他の元素と反応して、除去される。例えば、最も高い温度となる部分の炭素が酸素もしくは水素と反応して除去される。
【００１４】
最初の１個の最小構成要素が除去されると、ナノチューブ内を流れる電流が不均一になり他の（通常、隣接する）最小構成要素を流れる電流が増加する。電流が増加した当該最小構成要素は、発熱量が他の最小構成要素体よりも大きいために、温度がナノチューブの他の部分よりも高くなり、この最小構成要素体が除去される。このような動作が連続して起こり、ナノチューブが切断される。
【００１５】
ナノチューブの切断を、冷却及び電流を流すことで容易に行うことができる。最小構成要素体単位で除去を行うことでナノチューブを削除するので、切断部分の距離を極小にすることができる。また、元は１本のナノチューブを切断して２本のナノチューブとなるので、切断後の２本のナノチューブの軸は直線状である。
【００１６】
このような切断方法では、例えば前記ナノチューブを所定の部分を除いてマスクしておき、この所定の部分のみが前記所定のガス雰囲気中に配置されるようにしてもよい。ナノチューブのマスクされた部分は所定のガス雰囲気に曝されないために、所定の元素と最小構成要素体が反応することはない。そのために、切断位置をある程度特定することができる。
【００１７】
また、最小構成要素体が過剰に除去された場合などは、前記最小構成要素体となる元素を含む所定の温度のガス雰囲気中に前記ナノチューブを配置して、このナノチューブの過剰に除去された部分に最小構成要素体を再構成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上のような本発明の電子装置によれば、容易にナノチューブを切断できる。また切断されたナノチューブの間の距離を極小にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、電極２、３が両端に形成されたナノチューブ１の例示図である。このナノチューブ１は、導体の特性を有するものである。この実施形態のナノチューブ１は、炭素を最小構成要素体としたカーボンナノチューブである。ナノチューブ１は、アーク放電、レーザ蒸発、化学的気相成長等の既知の技術により形成することができる。電極２、３は、通常の半導体装置に用いられる導体であり、例えば、金、銅、アルミニウム、或いはそれらの合金等を用いることができる。また、ナノチューブ１の先端をそのまま電極２、３として用いるようにしてもよい。このようなナノチューブ１を切断する方法を、図２〜図８を用いて説明する。
【００２１】
図２は、ナノチューブ１を切断するための構成を説明する図である。ナノチューブ１は、両端が絶縁体５、６を貫通するように設けられている。貫通したナノチューブ１の両端には、電極２、３が設けられる。電極２、３には、電源４が接続されており、ナノチューブ１に電圧を印加できるようになっている。絶縁体５、６によりナノチューブ１の空間、電極２の空間、及び電極３の空間が形成される。
【００２２】
絶縁体５、６間、つまりナノチューブ１の空間には酸素を含むガス又は水素を含むガスが充満されており、ナノチューブ１が酸素を含むガス雰囲気又は水素を含むガス雰囲気に置かれるようにする。また、絶縁体５、６の電極２、３が形成される側、つまり電極２の空間、電極３の空間に低温度のガスを充満させる。低温度のガスにより、ナノチューブ１は両端部分から冷やされる。そのためナノチューブ１は、絶縁体５、６に近い両端部分の温度が中程の部分の温度よりも低くなる。
【００２３】
電極２、３には、電源４を接続して電圧が印加されるようにする。図２では、電源４の陽極が電極２に接続され、陰極が電極３に接続される。これによりナノチューブ１には、電極２から電極３の向きに電流を流すことができる。電流が流れることで、ナノチューブ１の抵抗成分によりジュール熱が発生する。ナノチューブ１はほぼ均質なので、発生するジュール熱もナノチューブ１の全体でほぼ均一になる。このようなジュール熱が発生しつつ低温度ガスでその両端から冷やすために、ナノチューブ１内の温度分布は、図３に示すように、中程の温度が両端部分に比べて高くなる。
【００２４】
ナノチューブ１は、ジュール熱により所定の温度になると、ナノチューブ１を構成する最小構成要素体が酸素又は水素と反応して除去され、局所的に切断される。例えば図３に示すような温度分布では、ナノチューブ１を、温度が最も高くなるほぼ中間で切断することができる。このように、ナノチューブ１を他の部分と最も異なる温度となった部分で切断する。
【００２５】
ナノチューブ１が炭素を最小構成要素体とする場合には、ナノチューブ１が酸素又は水素と結合することで、ＣＯ等或いはＣＨ等が生成される。これにより炭素が除去される。炭素の除去により、ナノチューブ１が切断される。図４〜図７は、炭素の除去を説明するための図である。
【００２６】
図４は、導体の特性を有するカーボンナノチューブの模式図である。このナノチューブ１は、最小構成要素体である炭素が六員環を形成して構成されている。ナノチューブ１の両端に電圧を印加すると、電流がナノチューブ１内をほぼ均一に流れる。そのために、ナノチューブ１内に発生するジュール熱による熱量は、ナノチューブ１内のどの場所でもほぼ均一になる。しかし上述したように、低温度のガスによりナノチューブ１内で温度差を持たせているので、ナノチューブ１の温度は場所によって異なるものになる。そのために、電流が所定の量を超えると、例えば最も高い温度になった部分の最小構成要素体である炭素が酸素又は水素と反応して除去される。
【００２７】
最小構成要素体が除去されると、除去された最小構成要素体を流れていた電流が他の最小構成要素体を流れるようになり、電流の流れが不均一になる。そのために電流量が増加した部分で発生するジュール熱が他の部分よりも大きくなって温度が上がり、その部分の最小構成要素体が除去される。通常、最小構成要素体が除去されると、例えば図５に示すように、電流が流れる方向に対して直角の位置に隣接する最小構成要素体への電流量が増加して当該部分の温度が上昇する。そのために、除去された最小構成要素体に隣接する最小構成要素体が、次に除去されることになる。このような電流の集中が連続して起こる。図６は最後の六員環のブリッジを残して最小構成要素体が除去された様子を表している。この最後のブリッジも、電流の集中により溶断される。
【００２８】
最終的に図７の模式図のように、電流の流れる方向に対して直角の方向に、帯状に最小構成要素体が除去されてナノチューブ１が切断される。切断部分は最小構成要素体１個分の大きさのギャップを形成することになる。カーボンナノチューブの場合は、ギャップが０．１４２ｎｍになる。最小構成要素体が除去されることにより切断されるので、切断後の２本のナノチューブの間隔を最小にできる。
【００２９】
図８は、このようにして切断されたナノチューブの例示図である。２本のナノチューブ１ａ、１ｂが、切断によりできた端部で対向し、それぞれの他端に電極２、３が形成された構成になっている。これらのナノチューブ１ａ、１ｂの軸は、直線状になっている。
【００３０】
この他に、図９に示すように、絶縁体５’、６’を厚く形成して、ナノチューブ１を切断したい部分を残してマスクすることで、切断部分をある程度特定するようにしてもよい。マスクされていない部分を酸素を含むガス雰囲気又は水素を含むガス雰囲気で加熱しつつナノチューブ１に電流を流すことで、ナノチューブ１を絶縁体５’、６’でマスクされていない所定の位置で切断することができる。この方法では、マスクされない部分を決めることで、ナノチューブ１の切断部分をある程度特定することができる。
【００３１】
次に、過剰に切断が行われた場合の修復処理について説明する。図１０は、過剰に切断が行われたナノチューブ１の切断部分の模式図であり、破線で囲まれた部分が過剰に溶断除去された部分である。過剰に溶断除去された部分は、他の切断部分よりもナノチューブ１ａ、１ｂの間隔が大きくなる。図１０では、過剰に溶断された部分のギャップが、他の切断部分のギャップの２倍になっている。
ナノチューブ１ａ、１ｂは溶断部分でコンデンサを形成しており、この静電容量を測定することで過剰に切断されているか否かを検出可能である。例えば、ナノチューブ１ａ、１ｂによるコンデンサを用いたＬＣ共振回路を形成しておき、この共振周波数を測定することで可能である。
【００３２】
この場合、ナノチューブ１ａ、１ｂを、その最小構成要素体となる元素を含んだガス雰囲気で所定の温度に加熱することで、図７のような切断部分に修復することができる。例えば、ナノチューブ１ａ、１ｂがカーボンナノチューブである場合には、エチレンやメタン等の炭素を含むガス雰囲気中で６００℃〜７００℃で加熱すると、ナノチューブ１ａ、１ｂの過剰に溶断された部分に炭素が取り込まれて六員環が修復され、図７に示すように、ナノチューブ１ａ、１ｂの間隔が一定したものになる。
【００３３】
次に、過剰にブリッジが発生する場合について説明する。図１１は、２本のブリッジが発生した状態を表している。この場合電流を流すことでブリッジを溶断する。図１１では、図の上から下に向けて電流を流すことで２本のブリッジを溶断している。これにより、図７に示すように、ナノチューブ１ａ、１ｂの間隔が一定したものになる。
【００３４】
以上のような方法により、ナノチューブを容易に切断できる。また、ナノチューブを構成する最小構成要素体１つ分の大きさで切断するので、切断により生成される２つのナノチューブの間隔は極小になる。
【００３５】
このように１本のナノチューブを切断して製造される２本のナノチューブは、それぞれに異なる電圧を印加してトンネル電流を流そうとする場合に、閾値電圧が従来よりも小さい値で済む。そのために、トンネル電流が流れるか否かを制御するスイッチ素子として用いることができる。カーボンナノチューブの場合、トンネル電流は、印加する電圧が１ボルト以下でも流れる。トンネル電流は空間を移動するので、この空間に放出された電子を利用して増幅作用を行うことも可能である。増幅作用は、例えばナノチューブの切断部分の近傍に電極を配置してトンネル電流の電流量を制御することで得られる。また２本のナノチューブの間隔を狭くするので、２本のナノチューブでコンデンサを形成する場合に、その容量を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ナノチューブの例示図。
【図２】ナノチューブの切断方法を説明するための図。
【図３】ナノチューブの切断方法を説明するための図。
【図４】ナノチューブの切断方法を説明するための図。
【図５】ナノチューブの切断方法を説明するための図。
【図６】ナノチューブの切断方法を説明するための図。
【図７】ナノチューブの切断方法を説明するための図。
【図８】切断されたナノチューブの例示図。
【図９】ナノチューブの別の切断方法を説明するための図。
【図１０】過剰に切断が行われたナノチューブの切断部分の模式図。
【図１１】過剰にブリッジが発生したナノチューブの切断部分の模式図。
【符号の説明】
【００３７】
１、１ａ、１ｂ  ナノチューブ
２、３  電極
４  電源
５、５’、６、６’  絶縁体
【図１】
2007253270.tif 000003
【図２】
2007253270.tif 000004
【図３】
2007253270.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007253270.tif 000009
【図８】
2007253270.tif 000010
【図９】
2007253270.tif 000011
【図１０】
2007253270.tif 000012
【図１１】
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