(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブの基端部を電極に接続してナノチューブの先端部を電極から突出させ、突出したナノチューブの先端部を他の電極に接続し、両電極に電圧を印加して両電極の間に位置するナノチューブの中間部に電流を流し、この電流発熱により前記中間部に存在する蒸発開始領域からナノチューブ構成原子を層状に蒸発させて蒸発開始領域を縮径し、この蒸発開始領域を縮径状に切断してナノチューブ先端を先鋭化することを特徴とするナノチューブ先鋭化方法。
【請求項２】
ナノチューブの基端部をホルダーに固定してナノチューブの先端部をホルダーから突出させたナノチューブ製品において、ナノチューブの先端部を電極に接続し、ナノチューブの両端間に電圧を印加して前記ホルダーと前記電極の間に位置するナノチューブの中間部に電流を流し、この電流発熱により前記中間部に存在する蒸発開始領域からナノチューブ構成原子を層状に蒸発させて蒸発開始領域を縮径し、この蒸発開始領域を縮径状に切断してホルダーから突出するナノチューブ先端を先鋭化することを特徴とするナノチューブ製品のナノチューブ先鋭化方法。
【請求項３】
前記ナノチューブの両端を熱の吸込み口としてナノチューブ中央部の温度をナノチューブの両端の温度より高く設定し、この中央部をナノチューブの前記中間部に位置させ、この中央部をナノチューブの蒸発開始領域とする請求項１又は２に記載のナノチューブ先鋭化方法。
【請求項４】
前記ナノチューブが製造された時に存在する欠陥を検出し、この欠陥をナノチューブの前記中間部に位置するようにナノチューブを配置し、この欠陥位置をナノチューブの蒸発開始領域とする請求項１又は２に記載のナノチューブ先鋭化方法。
【請求項５】
前記ナノチューブの中間部の所望位置に蒸発開始領域を人工的に形成し、この人工的蒸発開始領域を用いて先鋭化する請求項１又は２に記載のナノチューブ先鋭化方法。
【請求項６】
前記ナノチューブの中間部の所望位置に人工的に欠陥を形成し、この欠陥を人工的蒸発開始領域とする請求項５に記載のナノチューブ先鋭化方法。
【請求項７】
前記ナノチューブの中間部を外力により湾曲させ、この最大湾曲部を人工的蒸発開始領域とする請求項５に記載のナノチューブ先鋭化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ＡＦＭ用ナノチューブ探針やナノチューブ受発光プローブやナノチューブ発熱プローブ等のようにナノチューブをホルダーから突出させたナノチューブ製品に関し、更に詳細には、試料表面を操作するナノチューブの先端を人工的に先鋭化して操作精度の更なる向上を実現できるナノチューブ製品のナノチューブ先鋭化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、物質の表面構造を観察するために、カンチレバー部に突出部を形成して半導体カンチレバーを構成し、突出部の先端を探針として物質表面を走査し、物質表面の凹凸形状を撮像できる原子間力顕微鏡（Atomic Force  Microscope, ＡＦＭと略称する）が使用されている。
【０００３】
この半導体カンチレバーを更に高性能化するため、本発明者等は半導体カンチレバーの突出部にカーボンナノチューブ等のナノチューブをコーティング膜や通電融着によって固定したナノチューブカンチレバーを発明するに到った。下方に突出したナノチューブの先端を探針点として使用するため、ナノチューブの断面直径の精度で物質表面を撮像できる高精度ＡＦＭを実現したものであり、特開２０００−２２７４３５及び特開２０００−２４９７１２として公開している。
【０００４】
また、本発明者等は、半導体カンチレバーの突出部にナノチューブをコーティング膜や通電融着によって固定し、ナノチューブの先端部に発熱材料を保持させて、有機材料の表面をピンポイント的に加熱して溶融孔をオンオフ状に形成し、この溶融孔のオンオフ形成によって情報を記録する発熱プローブを完成し、特願２００１−８１６７１として提案している。
【０００５】
更に、本発明者等は、半導体カンチレバーの突出部にナノチューブを同様の手段で固定し、ナノチューブの先端部に受発光材料を保持させて、試料表面にピンポイント的に光を照射したり、試料からの発光をピンポイント的に受光できる受発光プローブを発明し、特願２００１−８１６７２号として提案している。
【０００６】
このように、ナノチューブカンチレバー、ナノチューブ発熱プローブ、ナノチューブ受発光プローブ等のような種々のナノチューブ製品が開発されている。このようにナノチューブを使用した種々のナノチューブ製品が今後も増加すると考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これらのナノチューブ製品は、ナノチューブの断面直径が極めて小さいと云う特徴を積極的に利用したものである。ナノチューブの断面直径が数ｎｍ〜数十ｎｍに分布し、ナノチューブの最小理論直径が約１ｎｍと考えられていることからもその極細性が理解できる。他方、従来の半導体カンチレバーの突出部先端径が数十ｎｍ〜約１００ｎｍであるのと比較すると、ナノチューブ製品の先端精度が格段に優れていることが分る。
【０００８】
しかし、アーク放電法や化学的気相成長法（ＣＶＤ法）は大量のカーボン微粉を製造し、このカーボン微粉はカーボンナノチューブ以外のカーボン物質を大量に含有している。従って、ナノチューブ製品を製造する場合には、このカーボン微粉の中からナノチューブを選別する作業が必要になる。特に、先端精度を向上させるために極細のナノチューブが必要な場合には、ナノチューブの中から極細ナノチューブを選別する付加的作業が更に必要になってくる。
【０００９】
ところが、極細のナノチューブは電子顕微鏡では見え難く、また見えても多数の極細ナノチューブが束になってバンドル化している事が多く、その中から一本を取り出すことが困難である。また、極細ナノチューブは柔軟性が高すぎるため、糸屑のようになってナノチューブプローブとしてとして実際上使えない事が多い。
【００１０】
このような理由により、ナノチューブ製品に使用されるナノチューブは多少の剛性を有する断面直径が十数ｎｍを超える比較的太いナノチューブが使用されることが多い。しかし、このような大直径のナノチューブを使用すると、ナノチューブ製品にも操作精度にサイズ上の限界が現れる。
【００１１】
図８は従来の大直径ナノチューブを用いたナノチューブカンチレバーにより試料表面を撮像するＡＦＭ測定図である。ナノチューブカンチレバー６は、半導体から形成されたカンチレバー８の先端に突出部１０が形成され、この突出部１０にナノチューブ１２をコーティング膜１４により固定して構成されている。
【００１２】
このナノチューブ１２は大直径ナノチューブで、その断面直径は十数ｎｍを超えるものとする。試料２０の試料表面２２を撮像するには、ナノチューブ先端１２ｇを試料表面２２に近接又は接触させ、試料表面２２の凹凸によりナノチューブ１２に作用する力をレーザービーム等で検出してディスプレイに映像化する。
【００１３】
試料表面２２には緩傾斜の凹部から急傾斜の凹部まで凹凸が広く存在している。一方、ナノチューブ１２の断面直径は十数ｎｍを超えるから、凹部の直径が十数ｎｍより小さい場合には、凹部の映像がぼやけるといった事態が出現する。即ち、図に示すように、ナノチューブ１２の断面直径が大きいと、その先端１２ｇが凹部２２ａの内面に追従できなくなり、その結果、試料表面の撮像精度に限界が現れる。つまり、従来のナノチューブカンチレバーにもナノチューブ直径に依存する精度的な限界が存在するのである。このような欠点は他のナノチューブ製品にも共通して存在する。
【００１４】
次に、ナノチューブの大直径性の原因を説明する。ナノチューブには単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ：single wall nanotube）と多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ：multi wall nanotube）が存在する。中空部を同心筒状に取り巻くグラファイト層が単層であるものが単層ナノチューブであり、多層のグラファイト層に取り巻かれたものが多層ナノチューブである。
【００１５】
前述した最小理論直径が１ｎｍのナノチューブは単層ナノチューブで、しかもグラファイト網面を最小直径で強く巻回したナノチューブである。しかし、実際にアーク放電法や化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって製造されるナノチューブは多層ナノチューブが殆んどであり、大量のカーボン微粉の中から極細ナノチューブを探し出す作業が必要となる。しかも単層ナノチューブのような極細ナノチューブは糸屑のようで使い物にならない事が多い。
【００１６】
そこで少し剛性のある多層ナノチューブを使用することになる。その中でも、先端が閉じた多層ナノチューブにおいて、先端が鋭角に閉じている場合には、先端の鋭角性によってナノチューブの先端精度が向上する場合がある。しかし鋭角の先端を有するナノチューブを探し出す作業が必要になり、鋭角ナノチューブであってもナノチューブ毎に鋭角性が異なれば同一品質のナノチューブ製品を提供できない。勿論、鋭角でない場合には高分解能が得られない。
【００１７】
つまり、製造される大量のカーボン微粉の中から選別されて実際に利用されるナノチューブは多層ナノチューブということができ、グラファイト層の積層数も数層から数十層、更に多層になるのが通常である。積層数の大きな多層ナノチューブの断面直径は必然的に大きくなり、十数ｎｍ〜数百ｎｍに亘って分布することになる。
【００１８】
つまり、作業者の根気と熱意によって選別された単層ナノチューブのような極細ナノチューブは糸屑のような性質によって使い物にならず、断面直径が十数ｎｍを超える多層ナノチューブでは先端精度に限界があり、その中から選別された先端鋭角ナノチューブであっても鋭角度のバラツキによりナノチューブ製品の品質安定性に欠けるという弱点がある。
【００１９】
従って、本発明に係るナノチューブ先鋭化方法は、断面直径の大きな多層ナノチューブの先端部を人工的に先鋭化する方法であり、また断面直径が比較的大きなナノチューブを用いてナノチューブ製品を構成しても、そのナノチューブの先端を事後的に先鋭化することにより、ナノチューブ製品の操作精度を従来より格段に向上することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、その第１の発明は、ナノチューブの基端部を電極に接続してナノチューブの先端部を電極から突出させ、突出したナノチューブの先端部を他の電極に接続し、両電極に電圧を印加して両電極の間に位置するナノチューブの中間部に電流を流し、この電流発熱により前記中間部に存在する蒸発開始領域からナノチューブ構成原子を層状に蒸発させて蒸発開始領域を縮径し、この蒸発開始領域を縮径状に切断してナノチューブ先端を先鋭化するものである。この発明では、ナノチューブ製品を組立てる前に、単体のナノチューブの先端を先鋭化し、この先鋭化処理されたナノチューブを組み込んでナノチューブ製品を完成すれば、操作精度を格段に向上させたナノチューブ製品を提供できる。しかも、先鋭化されたナノチューブ先端直径はナノチューブの最内層の直径であり、多層ナノチューブの剛性を有しながら同時に単層ナノチューブと同一の先端精度を有するナノチューブを実現できる。また近年発見された最内層直径が約０．４ｎｍの多層ナノチューブを先鋭化すれば、先端精度を０．４ｎｍにまで向上するナノチューブを提供できる。
【００２１】
第２の発明は、ナノチューブの基端部をホルダーに固定してナノチューブの先端部をホルダーから突出させたナノチューブ製品を先に組み立て、ホルダーから突出するナノチューブの先端部を電極に接続し、ナノチューブの両端間に電圧を印加してホルダーと電極の間に位置するナノチューブの中間部に電流を流し、この電流発熱により前記中間部に存在する蒸発開始領域からナノチューブ構成原子を層状に蒸発させ、この蒸発過程において多層ナノチューブの外側層から内側層に向かって順次構成原子を蒸発させて蒸発開始領域を縮径し、この蒸発開始領域を縮径して切断することにより、ナノチューブ先端を先鋭化したナノチューブ製品を提供することができる。本発明では、未処理のナノチューブを用いてナノチューブ製品を先に組み立てておき、このナノチューブ製品のナノチューブを事後的に先鋭化してナノチューブの操作精度を向上させたり、未処理のナノチューブを先鋭化しながらナノチューブ製品を同時に組み立てたりできる利点がある。しかもナノチューブの剛性と先端の高分解能性の両者を満足させ、この先端に化学修飾して化学力顕微鏡に展開する場合でも、単層ナノチューブよりも安定して使う事ができる。
【００２２】
第３の発明によれば、ナノチューブの両端を熱の吸込み口としてナノチューブ中央部の温度をナノチューブの両端の温度より高く設定し、この中央部をナノチューブの前記中間部に位置させることにより、この中央部をナノチューブの蒸発開始領域とすることができる。従って、蒸発開始領域を何ら考慮することなく、ナノチューブの中央部を先鋭化することができる。
【００２３】
第４の発明は、ナノチューブが製造された時にナノチューブの表面又は内部に存在する欠陥を電子顕微鏡などにより検出し、この欠陥をナノチューブの前記中間部に位置するようにナノチューブを配置し、この欠陥部位の電気抵抗が高い性質を利用して、この欠陥をナノチューブの蒸発開始領域としてナノチューブを先鋭化するものである。
【００２４】
第５の発明は、ナノチューブの中間部の所望位置に蒸発開始領域を人工的に形成し、この人工的蒸発開始領域の電気抵抗が高いことを利用してこの領域から蒸発させてナノチューブを先鋭化するものである。
【００２５】
第６の発明は、ナノチューブの中間部の所望位置に機械的操作や粒子線照射により欠陥を人工的に形成し、この欠陥部位の電気抵抗が高いことを利用して、この欠陥を人工的蒸発開始領域としてナノチューブを先鋭化するものである。電子ビームやイオンビーム等の粒子線照射は既存の電子顕微鏡装置やイオンビーム装置などを利用すれば欠陥形成を簡単に行なえる利点を有する。
【００２６】
第７の発明は、ナノチューブの中間部を外力により湾曲させ、この最大湾曲部の電気抵抗が大きいことを利用して、この最大湾曲部を人工的蒸発開始領域としてナノチューブを先鋭化するものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明者等はナノチューブを先鋭化するために鋭意研究した結果、多層ナノチューブの各層を電流発熱により剥離する手法を利用することにした。この電流発熱により各層が剥離される現象は、２００１年にフィリップ等（Philip G. Collins, Michael S. Arnold, Phaedon Avouris, Science, Vol.292(2001)706-709）によって発見された。
【００２８】
フィリップ等は、カーボンナノチューブを用いて電子素子を構成する実験を行なう中で、線状電極の間に架橋されたカーボンナノチューブに電圧を印加すると、時間経過と共に電流がステップ状に小さくなってゆくことを発見し、２本の電極の間にあるカーボンナノチューブの断面直径が電極上の断面直径より細くなっている事実を発見したのである。
【００２９】
フィリップ等は、カーボンナノチューブを流れる電流は主に最外層を流れ、この電流発熱によりカーボンナノチューブの最外層のグラファイト層が酸化蒸発し、次に露出した２枚目のグラファイト層が酸化されて蒸発し、これを繰り返すことによりカーボンナノチューブの断面直径が次第に小さくなってゆくと考えたのである。
【００３０】
フィリップ等が発見した実験事実を基にして、本発明者等はナノチューブの先端を先鋭化する方法を想到するに到った。電流発熱によりナノチューブの断面直径を細くするだけでなく、更にナノチューブを切断するまで電流を流すと、切断部を先端としてナノチューブ先端部がテーパ状に先鋭化するに違いないとの発想を本発明者等は抱いたのである。
【００３１】
最外層の蒸発がナノチューブの前後に走る過程で、蒸発開始領域の電気抵抗が大きくなることにより第２層の蒸発がこの領域で同時に生じ、これを繰り返すことにより、次々と蒸発開始領域の各層が蒸発を始めることになる。その結果、蒸発開始領域が最も細い状態でナノチューブの外形は左右にタケノコ状（テーパ状）になり、更に蒸発開始領域が切断するまで通電すると、切断部を先端として先鋭化されたナノチューブが形成される。
【００３２】
本発明者等はこの発想を更に進展させ、蒸発開始領域を自在に設定できる方法にまで技術思想を発展させた。本発明には２種類の蒸発開始領域がある。第１の蒸発開始領域は最高温度領域である。ナノチューブの両端は電極又はホルダーに接続されるから、通電により発熱するナノチューブの両端は熱の吸込み口となって温度が低くなり、ナノチューブの中央部が最高温度に達する。従って、蒸発を開始するのは中央部であるこの最高温度領域である。第２の蒸発開始領域は最大の電流発熱領域であり、換言すればナノチューブの中にある電気抵抗増大領域を意味する。この最大の発熱領域でナノチューブの蒸発が開始するのである。
【００３３】
ナノチューブ両端の吸熱特性が同一であり、しかもナノチューブに結晶欠陥などがない場合には、前者の最高温度領域はナノチューブの中央部となるから、この中央部がナノチューブの中間部に存在するようにナノチューブを配置することによって、中央部を切断点として先鋭化領域を決めることができる。この場合には、ナノチューブの中央部を蒸発開始領域とするから、比較的に先鋭化作業が簡単になる。
【００３４】
後者の電気抵抗増大領域とはナノチューブの表面又は内部にある結晶欠陥領域であり、本発明者等の発見されたものである。従って、電子顕微鏡などでナノチューブを観察してその欠陥部（傷とも言える）を見出し、その欠陥部を蒸発開始領域になるようにナノチューブを適正位置に配置すればよい。
【００３５】
ナノチューブに欠陥がない場合には、外力によりナノチューブ表面に欠陥を人工的に形成すればよい。この外力としては、他のナノチューブ先端から高電界を印加して構成原子を電界放出させる方法も考えられる。しかし、簡単には、強力な電子ビーム等の粒子線、特にイオンビームをナノチューブの表面に照射すれば、その部分の構成原子を叩き出して欠陥を人工的に作る事ができ、この欠陥領域が人工的蒸発開始領域として機能する。
【００３６】
更に、ナノチューブを機械的に湾曲させると、曲げ力により最大湾曲部の断面直径が他より少し小さくなり、その結果、最大湾曲部の電気抵抗が大きくなり、その結果、最大湾曲部を人工的蒸発開始領域として利用することができる。このことは蒸発開始領域は結晶欠陥に限定されないことを意味している。
【００３７】
本発明の要点は、電流発熱によりナノチューブが切断するまで電流を流すことによりナノチューブの先鋭化を実現できること、更に、この切断部はナノチューブにある蒸発開始領域であり、最高温度に達するナノチューブ中央部、結晶欠陥領域、最大湾曲部などが含まれる。しかも、結晶欠陥においては、自然に存在する欠陥のみならず、人工的欠陥により蒸発開始領域をナノチューブの所望位置に形成できることを発見し、これによってナノチューブの任意の位置を先端とする先鋭化技術を完成したのである。
【００３８】
本発明の技術的思想を更に深く開示するために、以下に、本発明に係るナノチューブ先鋭化方法の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００３９】
図１は本発明に係るナノチューブ先鋭化方法の概略説明図である。電子顕微鏡２は真空に設定される電子顕微鏡室４を有し、この電子顕微鏡室４の中に全ての部材が配置されて先鋭化処理が行なわれる。
【００４０】
ナノチューブ製品の一つとしてＡＦＭ用のナノチューブカンチレバー６の先鋭化処理を説明する。ナノチューブカンチレバー６は、先端に突出部１０を形成した導電性のカンチレバー８と、その突出部１０に基端部１２ａを基端コーティング膜１４により固定されたナノチューブ１２から構成されている。
【００４１】
本発明では、ナノチューブ１２が固定される部材を広くホルダーと称し、カンチレバー８や突出部１０はその一例に過ぎず、ナノチューブ発熱プローブ、ナノチューブ受発光プローブ、ナノチューブピンセット、ナノチューブ磁気ヘッド等のナノチューブ製品に応じてホルダーの形状や材質は変化する。
【００４２】
このナノチューブ１２は導電性の多層ナノチューブで、具体例として多層カーボンナノチューブがある。このナノチューブ１２の先端部１２ｂはナイフエッジ等からなる電極１６に接続され、先端コーティング膜１８により不動状態に固定されている。基端コーティング膜１４と先端コーティング膜１８により、ナノチューブ１２とカンチレバー８及び電極１６との電気的接触は確実になる。
【００４３】
突出部１０と電極１６の間に配置されるナノチューブ１２の領域は中間部１２ｃと称され、この中間部１２ｃの中に蒸発開始領域１２ｄが存在する。この蒸発開始領域１２ｄは最高温度領域（ナノチューブ中央部）や結晶欠陥領域、ナノチューブ１２に対する機械的曲げ力により形成された最大湾曲部が存在する領域である。本実施形態では、蒸発開始領域１２ｄとして欠陥領域を使用している。これらの詳細は後述される。カンチレバー８と電極１６の間には、スイッチＳＷ、電源ＰＳ及び電流計ＡＭが結線されている。
【００４４】
スイッチＳＷをオンすると、電源ＰＳの陽極から電流が流出し、この電流はカンチレバー８→突出部１０→ナノチューブ１２→電極１６→電流計ＡＭの順に回路を流れる。ナノチューブ１２では、基端部１２ａ→中間部１２ｃ→先端部１２ｂの方向に電流は流れてゆく。
【００４５】
前述したように、このナノチューブ１２は多層ナノチューブであり、中間部１２ｃの中に蒸発開始領域１２ｄを包含している。この実施形態では、蒸発開始領域１２ｄは欠陥や最大湾曲部などのようにナノチューブ１２の中でも特に電気抵抗の高い領域を考えている。
【００４６】
電流が流れると、電気抵抗が高い蒸発開始領域１２ｄではジュール熱による電流発熱が顕著になり、特に電流は最外層に流れるから、最外層のナノチューブ構成原子から蒸発してゆく。蒸発開始領域１２ｄが局所的に蒸発すると、ナノチューブ断面積が小さくなるため、電気抵抗は更に高くなり、局部的な蒸発が加速される。
【００４７】
この結果、蒸発開始領域１２ｄの左右へと蒸発は進行し、次第に蒸発開始領域１２ｄは細くなり、図に示すように蒸発開始領域１２ｄを最小直径部としてナノチューブ中間部１２ｃの左右に縮径状のテーパ面１２ｆが形成される。
【００４８】
図２はナノチューブに印加される電圧と電流の関係図である。印加する電圧Ｖを次第に大きくすると、ある電圧Ｖ0の段階で電流Ｉが急激に増加する現象が見られる。この電流の急激な増加は電流計ＡＭにより測定される。電流Ｉが急増する電圧Ｖ0に以後の電圧が固定される。
【００４９】
図３はナノチューブに流れる電流の時間経過図である。電流計ＡＭを観測していると、電圧Ｖ0が一定に設定されているにもかかわらず、電流Ｉは時間ｔの経過に従って階段状に小さくなってゆくことが分かる。ナノチューブ１２の電気抵抗Ｒは、Ｒ＝Ｖ0／Ｉにより計算されるから、電気抵抗Ｒが階段状に増加することを意味している。
【００５０】
図４はナノチューブ先鋭化において測定されたナノチューブ電気抵抗の時間経過図である。この測定は圧力が２×１０-4Ｐａに設定された室温の走査型電子顕微鏡の中で行なわれた。また、電子顕微鏡像からナノチューブの中に欠陥を見出し、その欠陥領域を蒸発開始領域として配置して実験を行なった。
【００５１】
電圧を次第に増加してゆき、電圧Ｖ0＝３．２Ｖで電流が急増したので、以後は３．２Ｖに電圧値は固定された。この状態で、時間経過と共に電流は減少してゆき、電気抵抗Ｒに変換すると、矢印の様に電気抵抗Ｒは階段状（ステップ状）に増加することが分った。
【００５２】
ナノチューブを切断するまで通電し、前記の欠陥領域でナノチューブが切断されることを確認した。切断後に得られたナノチューブの電子顕微鏡像を図４に示している。ナノチューブが右方向に行くほど先細のテーパ状に形成されていることが明瞭に分る。断面直径が最小の先端は欠陥が存在した切断部である。
【００５３】
図４から分るように、切断部を中心として、最外層の層から順に蒸発が開始し、各層の蒸発点は切断部を中心に左右に走ってゆく。最外層に近いほど蒸発が進行し、下の層になるほど蒸発の進行が遅れ、その結果ナノチューブの外形がテーパ状が形成されることが現象的に理解される。
【００５４】
図５はナノチューブ先鋭化方法の第１方法（欠陥領域を蒸発開始領域にする）によるナノチューブの形態変化図である。この図は図４のテーパが形成される過程を模式的に示したものである。（５Ａ）ではナノチューブ１２が突出部１０と電極１６に架橋されている。
【００５５】
このナノチューブ１２の適所表面にイオンビームＩを照射して欠陥１２ｅを形成する。図４ではこの欠陥１２ｅが自然に存在し、この欠陥１２ｅをナノチューブ中間部１２ｃの適所に位置するようにナノチューブ１２を配置している。自然存在か強制形成に拘わらず、欠陥１２ｅが中間部１２ｃに位置するとして以下の工程を考察する。
【００５６】
ナノチューブ１２に電流を通電すると、ナノチューブ全体で電流発熱するが、欠陥１２ｅ近傍の電気抵抗は他より大きく、この欠陥１２ｅの位置において発熱による最外層の蒸発が始まる。この蒸発点は左右に進行し、（５Ｃ）に示されるように最外層が蒸発剥離される。
【００５７】
（５Ｃ）の形態が完成される前に第２層の蒸発が始まり、第２層の蒸発点も左右に進行するから、（５Ｄ）の形態が形成される。更に、第３層、第４層の蒸発が左右に進行し、これらの蒸発過程を繰り返しながら（５Ｅ）に示すように、欠陥１２ｅを中心にして左右に多数のステップがナノチューブ１２の外周面に形成される。図１は（５Ｅ）の形態であると考えられる。
【００５８】
本発明では、この蒸発を更に継続し、ナノチューブ１２が切断部１３で左右に切断されるまで通電する。切断されると切断部１３により通電は遮断され、（５Ｆ）の形態が完成される。この切断部１３の位置は欠陥１２ｅの位置に極めて近い。つまり、欠陥１２ｅの位置でナノチューブを左右に分割してナノチューブ１２の先鋭化を実現できるのである。
【００５９】
突出部１０にはナノチューブ１２の左半分が残存し、このナノチューブ１２の先端部の外周面はテーパ面１２ｆとなり、先端１２ｇは極めて極細に形成される。従って、極めて先鋭化されたナノチューブカンチレバー６が完成される。この先端１２ｇの断面直径はナノチューブ１２の最内層の直径に等しく、１ｎｍ程度或いはそれ以下の値の精度を有している。
【００６０】
前述したように、単層ナノチューブの最小理論直径は約１ｎｍであるが、多層ナノチューブでは中空部断面直径が約０．４ｎｍのものが発見されており、このような多層ナノチューブを先鋭化すると、先端１２ｇの断面直径は０．４ｎｍに近いものを形成できることになる。従って、本発明の先鋭化を施すことにより、原子サイズから分子サイズの大きさにまでナノチューブを先鋭化することが可能になり、従来のナノチューブカンチレバーでは到達不可能な領域まで超高分解能化することができる。
【００６１】
図６はナノチューブ先鋭化方法の第２方法（最大湾曲部を蒸発開始領域とする）によるナノチューブの形態変化図である。この第２方法はナノチューブに欠陥を形成する変わりに、曲げ力を作用させてナノチューブを湾曲させ、この湾曲変形により形成された最大湾曲部を蒸発開始領域として利用するものである。
【００６２】
（６Ａ）に示すように、突出部１０と電極１６の間にナノチューブ１２を架橋配置する。図１においてカンチレバー８を移動させるとナノチューブ１２に曲げ力が作用し、（６Ｂ）に示すようにナノチューブ１２が湾曲する。このとき、最大湾曲部１２ｈにおけるナノチューブ断面直径がやや小さくなり、電気抵抗が少しだけ他より大きくなる。
【００６３】
つまり、最大湾曲部１２ｈが蒸発開始領域１２ｄとなるから、ナノチューブ１２に電流を流すと、（６Ｃ）に示すように、最大湾曲部１２ｈを中心にして左右に各層の蒸発が生じ、ステップ状のテーパ面１２ｆが形成される。
【００６４】
更に通電すると、ナノチューブ１２は切断部１３で左右に切断され、先端１２ｇとテーパ面１２ｆを有したナノチューブカンチレバー６が完成される。切断部１３は最大湾曲部１２ｈの近傍にある。
【００６５】
図７は先鋭化されたナノチューブカンチレバーを使用した試料表面のＡＦＭ測定図である。ナノチューブ１２のテーパ面１２ｆは極細であり、しかも先鋭化された先端１２ｇは１ｎｍ以下にまで先鋭化されているから、試料表面２２の小さくて深い任意の凹部２２ａをも高精度にＡＦＭ走査することが可能になる。このようにして得られた試料表面像は極めてクリアで高精細なものであることが理解できる。
【００６６】
前述したように、蒸発開始領域を最高温度領域として設計することもできる。通電により発熱するナノチューブの両端は熱の吸込み口となって温度が低くなり、ナノチューブの中央部が最高温度に達する。この実施形態では、蒸発を開始するのは中央部であるこの最高温度領域であり、ナノチューブの中央部で先鋭化が生じ、中央位置で切断が生じる。その他の内容は前記実施例と同様であるから、他の詳細は省略する。
【００６７】
以上では、ナノチューブカンチレバーを例にしてナノチューブの先鋭化方法を述べたから、カンチレバー８を一つの電極として構成された。カンチレバー８が絶縁性物質で形成されている場合には、図１のナノチューブ基端部１２ａに直接通電できるように構成すればよい。
【００６８】
また、ナノチューブ製品には、ナノチューブカンチレバー６だけでなく、本発明者等が従来開発しているナノチューブ発熱プローブ、ナノチューブ受発光プローブ、ナノチューブ磁気ヘッド、ナノチューブピンセット、その他多くの製品があり、本発明ではナノチューブ先端部を突出させてナノチューブ基端部をホルダーに固定する全てのナノチューブ製品が包含される。
【００６９】
また、ナノチューブ製品だけでなく、所望のナノチューブの先端部を先鋭化したい場合にも本発明を適用できる。即ち、ナノチューブの両端を夫々ナイフエッジなどの電極に固定し、ナノチューブの中間部に蒸発開始領域を設定配置すれば、その後通電によりナノチューブの先鋭化処理を実施できる。
【００７０】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例や設計変更をその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【００７１】
【発明の効果】
第１の発明によれば、先鋭化したいナノチューブを選択し、その基端部を電極に接続してその先端部を電極から突出させ、突出したナノチューブの先端部を他の電極に接続し、両電極間に電圧を印加してナノチューブの中間部に電流を流し、この電流発熱により前記中間部に存在する蒸発開始領域からナノチューブ構成原子を層状に蒸発させて蒸発開始領域を縮径し、この蒸発開始領域を縮径状に切断してナノチューブ先端を先鋭化するものである。先鋭化された先端径は最内層の断面直径であり、１ｎｍ以下の精度にまで先鋭加工することができる。しかも、先端は先鋭化されても他の領域は多層であるから多層ナノチューブとしての剛性を兼有している。この発明では、ナノチューブ製品を組立てる前に、個別に選択されたナノチューブの先端を先鋭化し、先鋭化されたナノチューブを市場に提供できる。また、この先鋭化されたナノチューブをホルダーに固定してナノチューブ製品を完成すれば、先鋭端の操作精度が格段に向上するから、ナノロボットとして機能する超高分解能を有したナノチューブ製品を市場に提供できる。
【００７２】
第２の発明によれば、ナノチューブの基端部をホルダーに固定してナノチューブの先端部をホルダーから突出させたナノチューブ製品を先に組み立て、ホルダーから突出するナノチューブを第１発明と同様の手段で先鋭化することができる。従って、先鋭化加工と同時にナノチューブ製品を組み立てたり、先にナノチューブ製品を組み立てた後にナノチューブの先鋭化処理が行なえるから、ナノチューブの電極への接続や固定化がナノチューブ単体よりも簡単になる。その先端は１ｎｍ以下にまで先鋭化され、しかも他は多層ナノチューブと同様の剛性を有するから、高強度且つ超高分解能のナノチューブ製品を提供できる。
【００７３】
第３の発明によれば、ナノチューブの両端を熱の吸込み口としてナノチューブ中央部の温度をナノチューブの両端の温度より高く設定し、この中央部をナノチューブの前記中間部に位置させることにより、この中央部をナノチューブの蒸発開始領域とすることができる。従って、蒸発開始領域を何ら考慮することなく、ナノチューブの中央部を先鋭化することができる。
【００７４】
第４の発明によれば、ナノチューブが製造された時にナノチューブの表面又は内部に存在する欠陥を電子顕微鏡などにより検出し、この欠陥をナノチューブの前記中間部に位置するようにナノチューブを配置し、この欠陥部位の電気抵抗が高い性質を利用して、この欠陥をナノチューブの蒸発開始領域としてナノチューブを先鋭化するものである。従って、ナノチューブがもともと有している欠陥などを蒸発開始領域として利用するから、先鋭化処理が極めて簡単に行なえる。
【００７５】
第５の発明によれば、ナノチューブの中間部の所望位置に蒸発開始領域を人工的に形成し、この人工的蒸発開始領域の電気抵抗が高いことを利用してこの領域から蒸発させてナノチューブを先鋭化するものである。この場合には、蒸発領域を人工的に形成するから、その工程だけ先鋭化処理工程が増加するが、ナノチューブに全く欠陥などが発見できない場合に先鋭化を行なえる利点がある。
【００７６】
第６の発明によれば、ナノチューブの中間部の所望位置に機械的操作や粒子線照射により欠陥を人工的に形成し、この欠陥部位の電気抵抗が高いことを利用して、この欠陥を人工的蒸発開始領域としてナノチューブを先鋭化するものである。電子ビームやイオンビーム等の粒子線照射は既存の電子顕微鏡装置やイオンビーム装置などを利用すれば欠陥形成を簡単に行なえる利点を有する。
【００７７】
第７の発明によれば、ナノチューブの中間部を外力により湾曲させ、この最大湾曲部の電気抵抗が大きいことを利用して、この最大湾曲部を人工的蒸発開始領域としてナノチューブを先鋭化するものである。この場合には、ビームを全く使用しないから、先鋭化装置の保全や管理が簡単で、しかも極めて簡単に最大湾曲部を形成できるから、先鋭化処理を迅速簡単に行える利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るナノチューブ先鋭化方法の概略説明図である。
【図２】ナノチューブに印加される電圧と電流の関係図である。
【図３】ナノチューブに流れる電流の時間経過図である。
【図４】ナノチューブ先鋭化において測定されたナノチューブ電気抵抗の時間経過図である。
【図５】ナノチューブ先鋭化方法の第１方法（欠陥領域を蒸発開始領域にする）によるナノチューブの形態変化図である。
【図６】ナノチューブ先鋭化方法の第２方法（最大湾曲部を蒸発開始領域とする）によるナノチューブの形態変化図である。
【図７】先鋭化されたナノチューブカンチレバーを使用した試料表面のＡＦＭ測定図である。
【図８】従来の大直径ナノチューブを用いたナノチューブカンチレバーにより試料表面を撮像するＡＦＭ測定図である。
【符号の説明】
２は電子顕微鏡、４は電子顕微鏡室、６はナノチューブカンチレバー（ナノチューブ製品）、８はカンチレバー、１０は突出部、１２はナノチューブ（多層ナノチューブ）、１２ａは基端部、１２ｂは先端部、１２ｃは中間部、１２ｄは蒸発開始領域、１２ｅは欠陥、１２ｆはテーパ面、１２ｇは先端、１３は切断部、１４は基端コーティング膜、１６は電極、１８は先端コーティング膜、２０は試料、２２は試料表面、２２ａは凹部、ＡＭは電流計、Ｉはイオンビーム、ＰＳは電源、ＳＷはスイッチ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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