(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ナノトランジスタであって、前記磁気ナノトランジスタは、
第１磁化可能電極と、
第２磁化可能電極と、
前記第１磁化可能電極と前記第２磁化可能電極との間に配置した少なくとも１個のナノチューブを有し、
前記ナノチューブには、少なくとも１個の磁性粒子が取り付けられ、
前記粒子が有する磁気モーメントを、外部磁場をかけることで反転できることを特徴とする磁気ナノトランジスタ。
【請求項２】
前記ナノチューブは、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、又はこれらナノチューブ類の組み合わせであることを特徴とする請求項２に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項４】
前記第１磁化可能電極及び前記第２磁化可能電極を、互いに距離を１ｎｍ−３００ｎｍ離して設置することを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブが、単層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項２に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項６】
前記第１磁化可能電極及び前記第２磁化可能電極は、前記ナノチューブを通過する伝導電子がそのスピン状態を十分保持できる距離をおいて設置することを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項７】
前記第１磁化可能電極及び前記第２磁化可能電極を、それぞれ永久磁化することを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項８】
前記第１磁化可能電極及び前記第２磁化可能電極を、それぞれ断続的に磁化することを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項９】
前記ナノチューブを、前記第１磁化可能電極と前記第２磁化可能電極との間に、長手方向に設置することを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項１０】
前記第１磁化可能電極と前記第２磁化可能電極は、同じ磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項１１】
前記第１磁化可能電極と前記第２磁化可能電極は、互いに異なる磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項１２】
前記第１磁化可能電極の磁性材料及び前記第２磁化可能電極の磁性材料を、コバルト、鉄、ニッケル、及びこれら金属の組み合わせからなる群から、それぞれ独立して選択することを特徴とする請求項１０に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項１３】
前記第１磁化可能電極の磁性材料及び前記第２磁化可能電極の磁性材料を、コバルト、鉄、ニッケル、及びこれら金属の組み合わせからなる群から、それぞれ独立して選択することを特徴とする請求項１１に記載する磁気ナノトランジスタ。
【請求項１４】
磁気ナノトランジスタの使用方法であって、前記使用方法は、
前記磁気ナノトランジスタが、第１磁化可能電極と、第２磁化可能電極と、前記第１磁化可能電極及び前記第２磁化可能電極とに挟まれて設置した少なくとも１個のナノチューブとからなり、及び、前記ナノチューブはこのナノチューブに取り付けた少なくとも１個の磁性粒子を有し、さらに、前記磁性粒子の磁気モーメントは外部磁場を加えることで反転できることを特徴とする、磁気ナノトランジスタ供給工程と、
前記磁性粒子の磁気モーメントを十分に変えるために、前記磁性粒子から距離をおいて外部磁場を前記磁気粒子に選択的にかけることにより前記ナノチューブを通って流れる電流を制御する工程と、
を有することを特徴とする磁気ナノトランジスタの使用方法。
【請求項１５】
前記磁性粒子から１ｎｍ−１ｃｍの距離をおいて前記外部磁場をかけることを特徴とする請求項１４に記載する磁気ナノトランジスタ使用方法。
【請求項１６】
前記外部磁場によって、前記ナノチューブを通過する伝導電子のスピンを逆転させることを特徴とする請求項１４に記載する磁気ナノトランジスタ使用方法。
【請求項１７】
前記外部磁場によって、前記ナノチューブを通過する伝導電子にスピン反転を起こすことを特徴とする請求項１４に記載する磁気ナノトランジスタ使用方法。
【請求項１８】
前記第１磁化可能電極及び第２磁化可能電極を、それぞれ永久磁化することを特徴とする請求項１４に記載する磁気ナノトランジスタ使用方法。
【請求項１９】
前記第１磁化可能電極及び第２磁化可能電極を、それぞれ断続的に磁化することを特徴とする請求項１４に記載する磁気ナノトランジスタ使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一般に、本発明は半導体素子分野に係わるものである。より具体的には、カーボンナノチューブを有する磁気ナノトランジスタ及びその製造方法に係わる。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブとは、半フラーレン分子で両端が蓋をされ、継ぎ目のないチューブを形成した、炭素原子からなる六角網目状構造体である。(非特許文献１及び２、特許文献１を参照)。現在、単層及び多層カーボンナンノチューブを合成するには、主に３種類の方法がある。つまり、黒鉛棒を用いるアーク放電法（非特許文献３参照））、炭素を用いるレーザーアブレーション法（非特許文献４参照）、及び炭化水素を用いる化学蒸着法（非特許文献５及び６参照）が挙げられる。なお、多層カーボンナノチューブは、炭化水素の触媒的分解により、商業的規模で製造できるが、その一方で、単層カーボンナノチューブは、今なおグラム規模で製造されている。      
【０００３】
通常、単層カーボンナノチューブは独特な機械的及び電子的特性を有するために、多層カーボンナノチューブよりも好んで使用されている。何故ならば、多層カーボンナノチューブは、不飽和炭素原子化価どうしの間で架橋形成することにより、ところどころにある欠陥部分であっても存続できる。一方、単層カーボンナノチューブでは、こうした欠陥部分を補償する隣接層がないために、このような欠陥が起きにくいからである。従って、欠陥部分をもたない単層カーボンナノチューブは、その直径、同心円状郭の個数、及びカーボンナノチューブのキラリティーを変化させることで調節可能な、優れた機械的、電子的及び磁気的特性をもつことが期待される。
【０００４】
また、電荷キャリアのスピン特性を利用するマグネトエレクトロニクスに適用するのに興味深い特性を、前記カーボンナノチューブは有する。非特許文献７には、カーボンナノチューブ内に伝導電子を注入したとき、スピン反転過程なしに、カーボンナノチューブによって伝導電子スピンが運ばれることを開示している。例えば、仮に偏極スピンをもつ伝導電子をカーボンナノチューブ内に注入する場合、強磁性伝導体から伝導電子を発生させると、その後、伝導電子のスピン配向性が、カーボンナノチューブ内で約２５０ｎｍの長さを超えて維持されるのである。
【０００５】
特許文献２では、磁性ナノ粒子をナノチューブに取り付け、前記磁性ナノチューブをその直径及び長さに基づいて選択することにより、このナノチューブをトランジスタなどの半導体素子に組み込むことを開示している。また、前記特許文献２は、磁気的組み立て過程によって、磁性ナノ粒子に取り付けた前記ナノチューブを、ウエハ上の所望の場所に配置する方法を開示している。
【０００６】
また、特許文献３は、２個の磁化可能電極とこれらの電極に挟まれたナノチューブを有する磁性メモリを開示している。つまり、外部磁場をかけることで、前記磁化可能電極のうち１個の電極を所定の方向に磁化して、前記記憶部に情報を記録する。この磁性メモリは、第１の磁化可能電極の電子をスピン偏極化し、前記ナノチューブを通してスピン状態を何ら変化させないまま、前記電子を第２の磁化可能電極まで移動させる機能を有する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｉｉｊｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ  ３６３：６０３（１９９３）
【非特許文献２】Ｂｅｔｈｕｎｅ  ａｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ  ３６３：  ６０５  （１９９３）
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ  ３８８：  ７５６（１９９７）
【非特許文献４】Ｔｈｅｓｓ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２７３：  ４８３（１９９６）
【非特許文献５】Ｉｖａｎｏｖ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  ２２３：  ３２９（１９９４）
【非特許文献６】Ｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｓｉｅｎｃｅ  ２７４：１７０１（１９９６）
【非特許文献７】Ｔｓｕｋａｇｏｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｉｎ  ｉｎ  ａ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｔａｃｔｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ”，Ｎａｔｕｒｅ  ４０１：  ５７２−５７４（１９９９）
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．５，４２４，０５４
【特許文献２】Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．６，９８７，３０２  （Ｙｉｎｇｊｉａｎ  Ｃｈｅｎ及びＸｉａｏｚｈｏｎｇ  Ｄａｎｇ
【特許文献３】Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．６，８０９，３６１  （Ｗｏｌｆｇａｎｇ  Ｈｏｎｌｅｉｎ及びＦｒａｎｚ  Ｋｒｅｕｐｌ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、磁性ナノトランジスタを製造及び使用する、方法及び工程を提供する。本発明の１形態では、２個の固定磁性電極を橋渡しするナノチューブに、少なくとも１個の磁性粒子を取り付けることができて、かつ外部磁場を前記磁性粒子にかけることができる。前記ナノチューブを通る電流は、前記外部磁場によって誘導される、又は磁性接触部の磁気モーメントによって誘導される、前記磁性粒子がもつ磁気モーメントの相対的配向性に応じて変化する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はその１態様において、第１磁化可能電極、第２磁化可能電極、及び第１磁化可能電極と第２磁化可能電極との間に挟まれた少なくとも１個のナノチューブを有する磁気ナノトランジスタである。前記ナノチューブは、少なくとも１個の磁性粒子に取り付ける。本発明は、この磁性粒子がもつ磁気モーメントを、外部磁場をかけることによって反転させ、その結果、前記磁気モーメントによって、前記ナノチューブを通って流れるスピン偏極電流に影響を与えることを特徴とする磁気ナノトランジスタを提供する。
【００１１】
本発明のこうした形態及びその他の形態については、次に述べる詳細な説明を参照することで明確になるであろう。  
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を実施するための装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ｉ．定義
特に言及しない限り、明細書及び請求の範囲を含む本願で用いる次の用語は、以下に示すように定義する。なお、明細書及び発明の範囲で用いる様に、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」のついた用語は、その文脈で明確に他に規定しない限り、複数形を含むものと留意しなければならない。また、標準的化学用語の定義は、Ｃａｒｅｙ  ａｎｄ  Ｓｕｎｄｂｅｒｇ  （１９９２），  「Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」  第３版，  Ａ及びＢ巻，  Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ，  ニューヨーク、米国；  及び、Ｃｏｔｔｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，（１９９９）、  「Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」  第６版，  Ｗｉｌｅｙ，  ニューヨーク，  米国、等の著作を参照されたい。
【００１４】
「単層カーボンナノチューブ」または「１次元カーボンナノチューブ」の用語は、お互いに交換可能な用語であり、炭素原子の単層からなる壁を本質的に有する、炭素原子が構成する円筒形状の薄いシートを意味し、黒鉛タイプの結合をもつ六方晶系結晶構造を有する。
【００１５】
また、本明細書中用いられる「多層カーボンナノチューブ」の用語は、２個以上の同心円状チューブから構成されるカーボンナノチューブを意味する。
【００１６】
また、「金属有機」または「有機金属」の用語はお互いに交換可能に用いられ、有機化合物と、金属、遷移金属またはハロゲン化金属との配位化合物を意味する。
【００１７】
ＩＩ．概要
本発明は、カーボンナノチューブ、特に、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）を有する磁気ナノトランジスタを製造する方法及び工程を開示する。カーボンナノチューブ及びＳＷＮＴｓは、どのような公知の製法でも製造でき、続いて、基板上に溶着する。前記ナノチューブは少なくとも１個の磁性粒子に取り付けるのが好適である。図１に示すように、カーボンナノチューブ（２０）を有する磁性ナノ粒子（３０）は、２個の固定磁性電極（５０）及び（６０）に挟まれて取り付けられ、外部磁場（４０）がかけられる。前記ナノチューブ（２０）を通る電流は、この外部磁場を用いて制御できる。
【００１８】
ＩＩＩ．カーボンナノチューブの合成
カーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）は、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴｓ），単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ），２層カーボンナノチューブ、バッキーチューブ、カーボン微小繊維、およびそれらの組み合わせ物である。ＣＮＴｓは当業者に公知のどのような技術によってでも製造可能であり、任意に精製でき、金属、半導体、半金属、及びそれらの組み合わせ物からなる。例えば、ナノチューブは、米国特許第６，２８０，６９７号のレーザーアブレーション法、非特許文献３のアーク放電法、Ｈａｒｕｔｙｕｎｙａｎ  ｅｔ  ａｌ．，ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ  ２，５２５  （２００２）等に記載の方法によって、所定の反応温度で炭素源と担持金属ナノ粒子を接触させる化学蒸着法により加工できる。なお、ＳＷＮＴｓは、化学蒸着法で製造するのが好ましい。
【００１９】
カーボンナノチューブを合成する化学蒸着法（ＣＶＤ）では、炭素含有気体などの炭素前駆体を使用する。一般に、８００−１０００℃まで昇温した温度でも熱分解しない炭素含有気体なら、どのような気体でも使用できる。好適な炭素含有気体の例としては、一酸化炭素；メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、エチレン、アセチレン及びプロピレンなどの飽和及び不飽和脂肪族炭化水素；アセトン、及びメタノールなどの酸化炭化水素；ベンゼン、トルエン、及びナフタレンなどの芳香族炭化水素；及び上記物質の混合気体、例えば、一酸化炭素とメタンとの混合気体などが挙げられる。通常、アセチレンを使用すると多層カーボンナノチューブの生成を促進するが、その一方で、ＣＯ及びメタンは単層カーボンナノチューブの生成に好適な原料気体である。また、炭素含有気体は、水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、及びキセノン又はこれらの混合気体などの希釈用気体と、任意に混合してもよい。
【００２０】
また、ＣＶＤに用いる触媒組成物は、当業者に公知な任意の触媒組成物を用いることができる。好都合なことに、前記粒子は磁性金属又は磁性合金から製造し、例えば、鉄、酸化鉄から、あるいは、コバルト、ニッケル、クロム、イットリウム、ハフニウム、マンガン、またはこれらの組み合わせからなる、フェライトから製造する。本発明に係る有用な前記粒子は、一般に、個々の粒子の粒径が約４００ｎｍ−約１μｍであるが、好ましくは、５０ｎｍ−約１μｍまでの全平均粒径を有するものがよい。
【００２１】
カーボンナノチューブの成長過程に触媒を用いる場合、その触媒は、炭素前駆体を分解し、炭素原子を規則正しく並べて配置する機能をもつ。本発明の製造方法及び製造工程では、金属ナノ粒子を金属触媒として利用するのが好適である。触媒として選択した金属または複数の金属の組み合わせを加工することで、所望の粒径及び直径分布を得ることができ、カーボンナノチューブ合成時に、担体として用いるのに適した材料上に担持することで、金属または複数の金属の組み合わせ物を、互いに引き離すことができる。本技術分野で公知なように、担体は、触媒粒子同士を互いに引き離すために使用できるので、その結果、触媒組成物中に相対的に広い表面積をもつ触媒材料を提供できる。このような担体材料としては、結晶ケイ素、ポリシリコン、窒化ケイ素、タングステン、マグネシウム、アルミニウム、及びこれら材料の酸化物が挙げられる。好適には、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、又は酸化チタン、あるいはこれら酸化物の組み合わせの粉末が挙げられる。また、他の元素を追加することで任意に担体材料を変更できる。こうして、以上述べた化合物を担体粉末として利用できる。また、本技術分野で公知な、シリカ、アルミナ、及び他の材料を担体として用いてもよく、アルミナを用いることが好ましい。
【００２２】
金属触媒は、以下の元素及びその混合物から選択できる。すなわち、Ｖ又はＮｂなどのＶ族金属やその混合物、Ｃｒ、Ｗ、又はＭｏを含むＶＩ族金属やその混合物、Ｍｎ又はＲｅなどのＶＩＩ族金属、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔを含むＶＩＩＩ族金属やその混合物、あるいは、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｅｒ、又はＹｂ及びその混合物を含むランタニド系、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｃ、Ｙ、又はＬａ及び前記元素の混合物を含む遷移金属類などである。触媒混合物の具体例としては、バイメタル触媒などがあり、本発明で使用できるＣｏ−Ｃｒ，Ｃｏ−Ｗ，Ｃｏ−Ｍｏ，Ｎｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｗ，Ｎｉ−Ｍｏ，Ｒｕ−Ｃｒ，Ｒｕ−Ｗ，Ｒｕ−Ｍｏ，Ｒｈ−Ｃｒ，Ｒｈ−Ｗ，Ｒｈ−Ｍｏ，Ｐｄ−Ｃｒ，Ｐｄ−Ｗ，Ｐｄ−Ｍｏ，Ｉｒ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｗ，及びＰｔ−Ｍｏが挙げられる。また、前記金属触媒は、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、又はＦｅ−Ｍｏ，Ｃｏ−Ｍｏ，及び Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｏなど、これら金属の混合物が好適である。
【００２３】
また、金属、バイメタル、又は金属類の組み合わせを使用して、決められた粒径及び直径分布をもつ金属ナノ粒子を調製する。前記触媒ナノ粒子は、米国特許出願第１０／３０４，３１６号公報に記載されるように、前記触媒ナノ粒子に対応する金属塩を不動態化溶媒に添加し、前記金属ナノ粒子を生成するように前記溶媒の温度を調節し、その金属塩を熱分解することで調製できる。又は、当業者に公知である他の任意の方法によっても調製できる。前記金属ナノ粒子の粒径及び直径は、不動態化溶媒中、金属を適当に濃縮することで制御できる。あるいは、反応時間を制御することにより、熱分解温度にてこの分解反応を促進できる。金属塩は金属の如何なる塩であってよいが、塩が溶媒に溶けるように、及び／または金属塩の融点が不動態化溶媒の沸点よりも低温であるように選択できる。例えば、金属塩は、金属イオン及び対イオンからなり、前記対イオンは、硝酸イオン、亜硝酸イオン、過塩素素酸イオン、硫酸イオン、硫化物イオン、酢酸イオン、ハロゲンイオン、メトキシドやエトキシドなどの酸化物イオン、アセチルアセチトネート等であってよい。例えば、金属塩は、酢酸鉄（ＦｅＡｃ2）、酢酸ニッケル（ＮｉＡｃ2）、酢酸パラジウム（ＰｄＡｃ2）、酢酸モリブデン（ＭｏＡｃ2）等、及びこれら塩の組み合わせであってよい。金属塩の融点は、不動態化溶媒の沸点よりも約５℃−約５０℃低温が好ましく、不動態化溶媒の沸点よりも約５℃−約２０℃低温がより好ましい。こうした溶媒には、グリコールエーテル、２−（２−ブトキシエトキシ）エタノール、慣用名であるジエチレングリコール  モノ−ｎ−ブチル  エーテルとして以下で記載するＨ(ＯＣＨ2ＣＨ2) 2Ｏ(ＣＨ2) 3ＣＨ3などのエーテル類を使用できる。
【００２４】
また、前記担持材料を、金属塩を含む反応混合物に加えることが好ましい。この担持材料は、固体として加えることもできるが、又は、担持材料を不動態化溶媒に加え、続いて、前記金属塩を含む溶液に加えることもできる。固体状の担体としては、シリカ、アルミナ、ＭＣＭ−４１、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、アルミニウム−安定化酸化マグネシウム、ゼオライト、又は、先行技術分野で公知なその他担体、及び前記化合物の組み合わせ物などが挙げられる。例えば、Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2ハイブリッド担体を用いることもできよう。また、前記担体材料は不動態化溶媒に溶けることが好ましい。本発明の１形態では、金属塩の対イオンと担体材料の対イオンとは同一であることが好ましい。従って、例えば、亜硝酸イオンが、金属イオン（亜硝酸鉄）及び担体材料（亜硝酸アルミニウム）の対イオンであってよい。又は、担体は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）またはシリカ（ＳｉＯ2）であってよい。また、担体材料は、粉末化することが可能で、その結果、微小な粒径と大きな表面積をもつことができる。また、粉末化した担体材料は、約０．０１μｍ−約１００μｍの粒径をもつものが好ましいが、約０．１μｍ−約１０μｍがより好ましく、約０．５μｍ−約５μｍがさらに好ましく、約１μｍ−約２μｍが最も好ましい。粉末化した担体材料は、約５０−約１０００ｍ2／ｇの表面積をもつことができるが、約２００−約８００ｍ2／ｇの表面積をもつことが、より好ましい。また、粉末化した酸化物は、使用直前に新しく調製するか、又は市販品を使うこともできる。例えば、１−２μｍの粒径及び３００−５００ｍ2／ｇの表面積をもつ好適なＡｌ2Ｏ3粉末は、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ、  Ｗａｒｄ  Ｈｉｌｌ、マサチューセッツ州、米国、又は、Ｄｅｇｓａ、ニュージャージー州、米国から市販品を入手できる。また、粉末酸化物の重量と、金属ナノ粒子を形成するために用いる金属の最初の重量とが、所望の重量比となるように、粉末酸化物を加えることができる。典型的には、前記重量比は、約１０：１から約１５：１の範囲に含まれる。例えば、仮に１００ｍｇの酢酸鉄を出発原料として用い、続いて、約３２０ｍｇ−４８０ｍｇの粉末酸化物を前記溶液中に加える。粉末酸化物に対する金属ナノ粒子の重量比は、例えば、１：１、２：３、１：４、３：４及び１：５など、約１：１−１：１０の範囲に含まれてよい。
【００２５】
こうして、均一な混合物を調製した後、熱分解反応中に金属ナノ粒子が生成する。この熱分解反応は、反応容器中の混合物を加熱して、反応容器中にある少なくとも１種類の金属塩の融点を超える温度にまで加温することで反応を開始する。前記金属ナノ粒子の平均粒径は、熱分解反応の反応時間を調節することで制御することができる。一般的な反応時間は、所望のナノ粒子の粒径に依存し、約２０分−約２４００分の範囲である。こうして、約０．０１ｎｍ−約２０ｎｍの平均粒径、より好適には約０．１ｎｍ−約３ｎｍの平均粒径、さらに最も好適には、約０．３ｎｍ−約２ｎｍの平均粒径を有する、金属ナノ粒子が調製できる。金属ナノ粒子は、こうして、０．１、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０ｎｍの粒径を有し、最大で約２０ｎｍの粒径をもつことができる。また、別の形態では、金属ナノ粒子は、約０．１ｎｍ−約５ｎｍ、約３ｎｍ−約７ｎｍ、又は約５ｎｍ−約１１ｎｍの範囲にある粒径、又は直径分布をもつことができる。
【００２６】
本発明のある形態では、合成したＳＷＮＴｓの直径分布は、概ね均一である。従って、約９０％のＳＷＮＴｓは、平均直径から約２５％以内の直径を有し、より好適には、平均直径から約２０％以内、さらに好適には、平均直径から約１５％以内の直径を有する。よって、合成ＳＷＮＴｓの直径分布は、平均直径から約１０％−約２５％以内であり、より好適には、平均直径から約１０％−約２０％以内であり、さらに好適には、平均直径から約１０％−約１５％以内である。
【００２７】
また、本発明のある形態では、調製したナノチューブ試料を、金属タイプのカーボンＳＷＮＴｓと半導体タイプのカーボンＳＷＮＴｓとの混合物として構成できる。なお、ナノチューブ試料は、マイクロ波空洞中で処理するのに便利であれば、どのような大きさでもよい。ある実施形態では、調製したナノチューブ試料は、約１００ｍｇの重量を有する。また、別の実施形態では、調製したナノチューブ試料は、約１０ｍｇ−１０ｇの範囲にある重量を有する。
【００２８】
また、別の実施形態では、調製したナノチューブ試料は、カーボンナノチューブの合成中に生成する副産物を含むことがある。これら副産物は、ＣＶＤやレーザー気化法でカーボンナノチューブ合成中に反応副生物として生成することがある。また、前記ＳＷＮＴｓはカーボンナノチューブ合成を促進するために添加する材料を含んでいてもよい。例えば、成長触媒として用いる金属ナノ粒子などである。また、さらに別の実施形態では、調製したカーボンナノチューブ試料は、微量レベルの物質やその他の不純物などの副産物を低レベルで含んでいてもよい。
【００２９】
また、別の実施形態では、前記ＳＷＮＴｓは、触媒ナノ粒子を除去する処理を、さらに任意に行うこともできる。例えば、金属ナノ粒子からなる成長触媒上にＣＶＤ成長法によって合成したＳＷＮＴｓを、前記金属ナノ粒子を除去するために酸と任意に処理することもできる。
【００３０】
こうして製造したカーボンナノチューブは、本技術分野で公知な任意の方法を用いて、磁性ナノ粒子に取り付けることができる。例えば、その表面を活性化するために、カーボンナノチューブを、Ｈ２ＳＯ４−ＨＮＯ３溶液などの酸を使って処理することができる。この酸処理は、カーボンナノチューブの表面上に、カルボキシル基、カルボニル基、水酸基、又は硫酸基を生成するのに使用する。続いて、これら反応性官能基を陽イオン性高分子電解質に曝す。すると、前記反応性官能基と陽イオン性高分子電解質は、互いに相互作用し、その結果、荷電高分子電解質の吸着が生じる。前記ナノチューブは、次に、負電荷のコロイド性磁性ナノ粒子に曝される。これらコロイド状磁性ナノ粒子は、静電的相互作用によりナノチューブの表面に固定される。また、別法として、アセトン活性化ナノチューブを用いる方法がある。つまり、アセトンの末端メチル基ＣＨ３と磁性ナノ粒子と結合したオクタンチオールのアルキル鎖との間に働く疎水性相互作用によって、疎水的にナノチューブに磁性粒子を固定できる。
【００３１】
ＩＶ．磁気ナノトランジスタとしてのカーボンナノチューブ
上記のように合成した磁性粒子に取り付けたカーボンナノチューブは、図１を参照して以下説明するように磁気ナノトランジスタ中で使用することができる。基板７０は、ガラス、マイカ、ケイ素、ファイバーガラス、テフロン（登録商標）、セラミック、プラスチック（アクリル、ポリスチレン、及びスチレンと他の材料との共重合体、ポリプリピレン、ポリエチレン、ポリブチレン、ポリカ−ボネート、ポリウレタンなどを含む）、及び石英などの固体状の基板である。前記基板は、長方形、円形、ランバゾイド、正方形など如何なる形状でもよい。
【００３２】
磁気ナノトランジスタ１０は、第１磁化可能電極５０、第２磁化可能電極６０、及び、ナノチューブ２０を有する。前記ナノチューブ２０は、前記磁化可能電極５０と６０とを結び、結んだ方向となる長手方向に挟まれて設置する。前記ナノチューブ２０には、カーボンナノチューブが好適である。また、電子がナノチューブを通過する間、２個の電極５０及び６０の間を流れる電子のスピン状態を、少なくとも部分的に保持するように、ナノチューブ２０を設置する。
【００３３】
前記第１電極５０は、第１磁性材料を有し、前記第２電極６０は、第２磁性材料を有する。これら第１及び第２磁性材料は同じ物質でもよいが、又は、異なっていてもよく、公知の任意な材料からつくられる。例えば、コバルト、鉄、ニッケル、鉄−ニッケル合金などが挙げられる。従って、これら２個の電極は、磁化されるか、又は永久磁化状態となることができる。前記２個の電極５０及び６０は、お互いに距離「ｄ」だけ離して設置する。この距離「ｄ」は、電子のスピン−偏極伝導が、スピン反転過程を起こさないでナノチューブの全長を移動できるように選択されるので、ナノチューブ２０を電子が通過するとき、伝導電子のスピン情報が保存されることになる。よって、前記距離「ｄ」は、ナノチューブ２０の全長に応じて決まり、「ｄ」の距離としては、０．５μｍ−５μｍの範囲にあればよく、好適には、１μｍ−４μｍであり、さらに好適には１μｍ−２μｍなどがよい。
【００３４】
図１に示す複数の矢印は、前記磁性粒子がもつ磁気モーメントを表している。ナノチューブ内に導入した偏極電子は電子のスピン情報を保持しつつ、カーボンナノチューブ全体を移動できる。また、外部磁場源を、カーボンナノチューブに取り付けた磁性粒子の、かなり近傍にまで近づけることができる。この外部磁場源と、カーボンナノチューブに取り付けた磁性粒子間の距離は、前記磁性粒子の磁気モーメントに影響を及ぼせるような距離に選択できる。よって、この距離は、約１ｎｍ−約１ｃｍであってよいが、あるいは、その間の距離は任意でもよい。また、磁性ナノ粒子を取り付けたカーボンナノチューブに、前記外部磁場をかけることによって、ナノチューブ内を通ってそのまま移動している電子のスピンを逆転したり、又は、反転させることができる。以上述べてきたように、本発明の装置は、複数の外部磁場を用いることで、ナノチューブ内を通過する電流を、外部から制御することが可能となる。
【００３５】
なお、本発明は、好適な実施形態及び様々な別の実施形態を参照しながら、具体的に例示して説明してきた。その一方で、当業者ならば、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、その範囲内で形態について及び細部について多様な変更を行うことができることを理解するであろう。
【要約】【課題】カーボンナノチューブを有する磁気ナノトランジスタの製造方法及び製造工程を開示する。即ち、前記ナノチューブを、少なくとも１個の磁性粒子に取り付け、続いて２個の固定磁化電極の間に挟んで設置し、外部磁場をかける。前記外部磁場を用いて、前記ナノチューブを流れる電流を制御することができる。
【選択図】図１【図１】
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