(57)【要約】【課題】本発明は、ｎタイプのカーボンナノチューブを用いた電子素子を提供することを目的とする。【解決手段】炭素骨格の一部を他の原子で置換したヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブをｎ型半導体として用いた電子素子。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素骨格の一部を他の原子で置換したヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブをｎ型半導体として用いた電子素子。
【請求項２】
前記へテロフラーレンは、窒素又はホウ素置換へテロフラーレンである請求項１記載の電子素子。
【請求項３】
前記ヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブをｎチャネルとした電界効果トランジスタである請求項１または記載の電子素子。
【請求項４】
前記ヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブをｎチャネルとしたＣＭＯＳトランジスタである請求項１または２記載の電子素子。
【請求項５】
ｐ型ナノチューブと、へテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブとを接合したダイオードである請求項１または２記載の電子素子。
【請求項６】
前記ヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブの両端に電極を設けたスイッチング素子である請求項１または２記載の電子素子。
【請求項７】
前記へテロフラーレンはＣ５９Ｎである請求項１ないし６のいずれか１項記載の電子素子。
【請求項８】
前記へテロフラーレンはダイマーである請求項１ないし７のいずれか１項記載の電子素子。
【請求項９】
フラーレンを併せて内包する請求項１ないし７のいずれか１項記載の電子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロフラーレン内包カーボンナノチューブを用いた電子デバイスに係る。
【背景技術】
【０００２】
【非特許文献１】Available online at www.sciencedirect.com Carbon 44(2006) Encapsulating C59N azafullerene derivatives inside single-wall carbon nanotubes www.elsevier.com/locate/carbon
【特許文献１】特開２００７−７０１５５号公開公報
【０００３】
ヘテロフラーレンは、フラーレンの炭素骨格の一部をホウ素、窒素により置換させたものである。
【０００４】
このヘテロフラーレンをカーボンナノチューブに内包させた技術は非特許文献１に記載されている。
【０００５】
一方、カーボンナノチューブ内にフラーレンや他の制御分子を内包させて光特性、電子物性を変化させ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に利用する技術が特許文献１に記載されている。
【０００６】
しかし、ヘテロフラーレンを内包させたカーボンナノチューブが具体的にどのような特性を示すかについて示唆する記載は現在のところ報告されていない。また、従来ｐタイプのカーボンナノチューブの報告はあるがｎタイプのカーボンナノチューブの報告はない。
【０００７】
本発明者は、ヘテロフラーレンを内包させたカーボンナノチューブは、他の物質を内包させたカーボンナノチューブとは異なる特性を示すことを知見した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ｎタイプのカーボンナノチューブを用いた電子素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、炭素骨格の一部を他の原子で置換したヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブをｎ型半導体として用いた電子素子である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記へテロフラーレンは、窒素又はホウ素置換へテロフラーレンである請求項１記載の電子素子である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記ヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブをｎチャネルとした電界効果トランジスタである請求項１または２記載の電子素子である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記ヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブをｎチャネルとしたＣＭＯＳトランジスタである請求項１または２記載の電子素子である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、ｐ型ナノチューブと、へテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブとを接合したダイオードである請求項１または２記載の電子素子である。
【００１４】
請求項６に係る発明は、前記ヘテロフラーレンを内包したカーボンナノチューブの両端に電極を設けたスイッチング素子である請求項１または２記載の電子素子である。
【００１５】
請求項７に係る発明は、前記へテロフラーレンはＣ５９Ｎである請求項１ないし６のいずれか１項記載の電子素子である。
【００１６】
請求項８に係る発明は、前記へテロフラーレンはダイマーである請求項１ないし７のいずれか１項記載の電子素子である。
【００１７】
請求項９に係る発明は、フラーレンを併せて内包する請求項１ないし８のいずれか１項記載の電子素子である。
【発明の効果】
【００１８】
ｎタイプのカーボンナノチューブを提供することが可能であり、電子素子として用途をさらに広げることが可能となる。
【実施例１】
【００１９】
図１にヘテロフラーレン製造装置例を示す。
【００２０】
本装置１０は、筒状体からなる成膜室１の一端にガス導入口２を有している。成膜室２の外周には、ＲＦプラズマを発生させるためのコイル３が巻回され、本例では、１３．５６ＭＨｚの高周波電源に接続されている。
【００２１】
成膜室１の内部の内周には基板としてステンレス基板５が設けられている。基板５には、可変のバイアス電圧を印加するために電源７に接続されている。なお、その周囲には、基板５を冷却するためのウォータジャケット６が設けられている。
【００２２】
プラズマ発生部３と基板６との間には、可変電圧を印加することができるグリッド４が設けられている。
【００２３】
本装置１０は内部にフラーレンが充填されているオーブン８を有している。オーブン８内のフラーレンを加熱することによりフラーレンを昇華させ、真空室１内に昇華したフラーレンを導入する。
【００２４】
図１に示す装置を用いてヘテロフラーレンを作成した。
【００２５】
ドライポンプ９により成膜室１を減圧状態とした後、ガス導入口２から成膜室１内に窒素ガスを導入し、ＲＦ放電を行うことにより窒素プラズマを発生させた。一方、内部にフラーレンが充填されているオーブン３を過熱することによりフラーレンを昇華させ、昇華したフラーレンを成膜室１内に導入した。
【００２６】
これにより基板５上にヘテロフラーレンを堆積させた。その際基板へのバイアス電圧Ｖｓｕｖを変動させて収率が最適な値を求めて堆積を行った。
【００２７】
基板５上の堆積物をトルエンに溶解した。なお、Ｃ６０はトルエンに溶解し、Ｃ５９Ｎはトルエンに不溶である。溶解後、トルエンを除去し、不溶物をまた、トルエンに溶解した。この操作を繰り返し行い、不溶物を試料とした。
【００２８】
この試料につき、ＴＯＦ−ＭＳを用いて分析を行った。その結果を図２に示す。図２に示す例では、Ｃ６０は少し残存している。トルエンによる抽出を繰り返すことによりＣ６０の含有量は減少させることができる。ＴＯＦ−ＭＳのスペクトル図において、Ｃ６０／Ｃ５９Ｎの強度比は１／５（＝０．２）であった。
【００２９】
次に、図３に示す操作によりＳＷＮＴｓ内にＣ５９Ｎを内包化させた。
基板上にＳＷＮＴｓを設けた基板と、固体Ｃ５９Ｎとを真空室内に配置した。
次に、真空室内を１０−５〜１０−６Ｔｏｒｒにするとともに４２０℃に加熱した。
４２０℃に２４〜４８時間放置することによりをＳＷＮＴｓに内包化させた。
内包化後の試料をＴＥＭ観察したところ図４に示す結果が得られた。
【００３０】
図４（ａ）は、フラーレンを内包化したカーボンナノチューブ（Ｃ６０＠ＳＷＮＴｓ）の場合であり、図４（ｂ）がヘテロフラーレンを内包化したカーボンナノチューブ（Ｃ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓ）の場合である。
【００３１】
カーボンナノチューブ内において、粒子同士のつながりが観察され、Ｃ５９ＮのダイマーあるいはＣ５９ＮとＣ６０との対を形成しているものを含んでいる。
【００３２】
また、ラマンスペクトルの測定を行った。その結果を図５に示す。
【００３３】
次に図６に示すように、Ｃ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓをチャネルとするＦＥＴを構築しその特性評価を行った。その際、ＳＷＮＴｓ、Ｃ６０＠ＳＷＮＴｓについても同様の方法で評価を行った。
【００３４】
その結果を図７に示す。
図７に示す通り、Ｃ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓの場合には、ゲート電圧ＶＧを正にするとソース・ドレイン間の電流は増加するｎチャネルＦＥＴとなっている。
【００３５】
なお、ＳＷＮＴｓ、Ｃ６０＠ＳＷＮＴｓの場合には、ゲート電圧ＶＧを負にすると電流が増加するｐチャネルＦＥＴとなっている。
【００３６】
また、図８のＣＭＯＳＦＥＴにおけるｎチャネル部分にＣ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓを用いることによりカーボンナノチューブを用いたＣＭＯＳＦＥＴを実現することができる。
【００３７】
ｐチャネルを構成することができるＳＷＮＴｓやＣ６０＠ＳＷＮＴｓと、Ｃ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓとを接合すればカーボンナノチューブからなるｐｎ接合ダイオードを構築することも可能となる。
【実施例２】
【００３８】
本例では、光スイッチング素子として利用可能な素子例を示す。
【００３９】
図９に示す構成を示す。
図９に示す構成において、Ｃ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓに光を照射した。その際、ドレイン・ソース間に流れる電流ＩＤＳが急激に減少した。図１０（ｂ）にその結果を示す。なお、図１０において下向きの矢印が光を照射したタイミングを示す。図１０（ｂ）に示すように、光を照射するとＩＤＳは急激に減少し、光照射を停止するとＩＤＳは復活する。
【００４０】
なお、図１０（ａ）はＣ６０＠ＳＷＮＴｓの場合における結果であり、Ｃ６０＠ＳＷＮＴｓの場合には図１０（ｂ）のような挙動は示さない。
【００４１】
なお、図１０において照射した光の波長は３９０ｎｍであるが他の紫外線領域の光を照射した場合においても同様の傾向が観察された。
【実施例３】
【００４２】
上記例においては、ＴＯＦ−ＭＳのスペクトル図において、Ｃ６０／Ｃ５９Ｎの強度比は１／５（＝０．２）であったが、溶媒での抽出を繰り返し行うことによりＣ６０の含有量を減少させてＣ６０／Ｃ５９Ｎの強度比が小さなヘテロフラーレンを図２における始発材料とした。
【００４３】
ＴＯＦ−ＭＳのスペクトル図において、Ｃ６０／Ｃ５９Ｎの強度比が０．１以下、０．０１以下の場合においても同様の評価が得られた。
【００４４】
なお、上記も例にては、ヘテロフラーレンとしてＣ５９Ｎをあげたが、Ｃ５８Ｎ２、Ｃ５９Ｂについても同様の結果が得られると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】ヘテロフラーレンの製造装置の概念図である。
【図２】実施例におけるＣ５９Ｎのマススペクトル図である。
【図３】Ｃ５９ＮをＳＷＮＴｓに内包化するプロセスを示す工程概念図である。
【図４】実施例におけるＴＥＭ写真図であり、（ａ）はＣ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓ、（ｂ）はＣ５９Ｎ／Ｃ６０＠ＳＷＮＴｓの場合を示す。
【図５】実施例におけるＲａｍａｎ  ｓｈｉｆｔを示すグラフである。
【図６】実施例において作成したＣ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓのＦＥＴ構成図である。
【図７】図６に示す装置を用いて測定したソース・ドレイン電流を示すグラフである。
【図８】Ｃ５９Ｎ＠ＳＷＮＴｓを用いて構成するＣＭＯＳの回路図である。
【図９】実施例２において作成した装置の構成概念図である。
【図１０】実施例２において光照射のオン・オフに対応するＩＤＳの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１  成膜室
２  ガス導入口
３  コイル
４  グリッド
５  基板
６  冷却手段
７  バイアス電源
８  オーブン
９  真空排気手段（ドライポンプ）
１０  装置
【図１】
2009021304.tif 000003
【図２】
2009021304.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009021304.tif 000006
【図５】
2009021304.tif 000007
【図６】
2009021304.tif 000008
【図７】
2009021304.tif 000009
【図８】
2009021304.tif 000010
【図９】
2009021304.tif 000011
【図１０】
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