JP2015157718A - カーボンナノチューブ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＷＮＴ及びＭＷＮＴの複合構造とされたＣＮＴであり、機械的強度に優れ、比較的簡素な構成で様々な技術的利用に供することが可能となるＣＮＴを実現する。
【解決手段】１本の連続したＭＷ−ＳＷＮＴ１であって、一方の先端部分１ａはＭＷＮＴ３であり、他方の先端部分は外方へ突出するＳＷＮＴ２とされており、一方の先端部分１ａから他方の先端部分１ｂに向かうにつれて、先端部分１ａから所定長さだけＭＷＮＴ３の状態が続き、ＭＷＮＴ３を構成するグラフェン４の層数が漸減してゆき、先端部分１ｂに至ってＳＷＮＴ２となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブ及びその製造方法に関するものである。

近年、次世代における配線材料や放熱材料として、炭素原子からなる材料であるカーボンナノチューブ（Carbon NanoTube：以下、ＣＮＴと称する。）の利用が期待されている。ＣＮＴは、炭素の層状の結晶であって炭素（Ｃ）原子が六角形に結合した理想的な２次元結晶であるグラフェンが管状とされた炭素物質である。

ＣＮＴには、単層のグラフェンからなるシングルウォールナノチューブ（Single Wall NanoTube：以下、ＳＷＮＴと称する。）と、多層のグラフェンが同軸管状とされたマルチウォールナノチューブ（Multi Wall NanoTube：以下、ＭＷＮＴと称する。）とがある。ＳＷＮＴを図４（ａ）に、ＭＷＮＴを図４（ｂ）にそれぞれ例示する。ＳＷＮＴは、極めて柔軟であり、金属的性質及び半導体的性質のいずれか一方を示すことが知られている。ＭＷＮＴは、機械的強度に優れ、金属的性質を示すことが知られている。

(1991) Sumio Iijima, Nature 354, 56-58.

従来のＣＮＴは、上記のようにＳＷＮＴ及びＭＷＮＴのいずれか一方であり、その技術的利用の対象が限られていた。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされるものであり、ＳＷＮＴ及びＭＷＮＴの複合構造とされたＣＮＴであり、機械的強度に優れ、比較的簡素な構成で様々な技術的利用に供することが可能となるＣＮＴ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のＣＮＴは、１本の連続したＣＮＴであって、一方の先端部分はＭＷＮＴであり、他方の先端部分は外方へ突出するＳＷＮＴとされている。

本発明のＣＮＴの製造方法は、ＭＷＮＴの形成から成長を開始し、ＳＷＮＴの形成で成長を終了して、一方の先端部分は前記ＭＷＮＴであり、他方の先端部分は外方へ突出する前記ＳＷＮＴである１本の連続したＣＮＴを形成する。

本発明によれば、ＳＷＮＴ及びＭＷＮＴの複合構造とされたＣＮＴであり、機械的強度に優れ、比較的簡素な構成で様々な技術的利用に供することが可能となるＣＮＴが実現する。

本実施形態によるＭＷ−ＳＷＮＴの概略構成を示す斜視図である。 本実施形態によるＭＷ−ＳＷＮＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 本実施形態において、ＭＷ−ＳＷＮＴの成長時間と成長温度との関係を示す特性図である。 従来のＳＷＮＴ及びＭＷＮＴの概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、ＭＷ−ＳＷＮＴ（Multi Wall- Single Wall NanoTube）及びその製造方法を開示する。
図１は、本実施形態によるＭＷ−ＳＷＮＴの概略構成を示す斜視図である。

このＭＷ−ＳＷＮＴ１は、ＳＷＮＴ２及びＭＷＮＴ３の複合構造とされている。即ちＭＷ−ＳＷＮＴ１は、一方の先端部分１ａでは多層のグラフェン４が同軸管状とされたＭＷＮＴ３とされており、他方の先端部分１ｂでは外方へ突出するＳＷＮＴ２とされた１本の連続した構造とされている。ＭＷ−ＳＷＮＴ１では、一方の先端部分１ａから他方の先端部分１ｂに向かうにつれて、先端部分１ａから所定長さだけＭＷＮＴ３の状態が続き、ＭＷＮＴ３を構成するグラフェン４の層数が漸減してゆき、先端部分１ｂに至ってＳＷＮＴ２となる。

ＭＷ−ＳＷＮＴ１は、先端部分１ｂがＳＷＮＴ２とされ、先端部分１ｂ以外の部位はＭＷＮＴ３とされた１本の連続した構造とされている。ＳＷＮＴ２は金属的性質及び半導体的性質のいずれか一方を示し、ＭＷＮＴ３は金属的性質を示す。ＭＷ−ＳＷＮＴ１は、その大部分をＭＷＮＴ３が占めるため、機械的強度に優れている。

図２は、本実施形態によるＭＷ−ＳＷＮＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
ＭＷ−ＳＷＮＴを製造するには、先ず図２（ａ）に示すように、基板、例えばシリコン基板１１上に触媒となる金属膜１２を形成する。
詳細には、シリコン基板１１上に、スパッタ法等によりＡｌ１２ａ及びＦｅ１２ｂを順次積層する。Ａｌ１２ａは１ｎｍ程度の厚みに、Ｆｅ１２ｂは２ｎｍ程度の厚みにそれぞれ堆積する。以上により、Ａｌ１２ａ及びＦｅ１２ｂの積層膜である金属膜１２が形成される。
なお、金属膜１２を形成する代わりに、例えばＣｏ及びＭｏの積層膜を形成するようにしても良い。

続いて、図１のＭＷ−ＳＷＮＴ１を形成する。ＭＷ−ＳＷＮＴ１の成長時間と成長温度との関係を図３に示す。
先ず、図２（ｂ）に示すように、触媒微粒子１３を形成する。
詳細には、表面に金属膜１２が形成されたシリコン基板１１を、ＣＶＤ装置の所定の真空状態とされたチャンバ内に設置する。チャンバ内を比較的低温である４００℃程度〜６００℃程度、ここでは４５０℃程度に設定する。これにより、金属膜１２がＦｅ−Ａｌの合金状態となり、例えば直径１０ｎｍ程度の複数の触媒微粒子１３が形成される。

次に、図２（ｃ）に示すように、触媒微粒子１３を用いてＭＷ−ＳＷＮＴ１を形成する。
詳細には、ＭＷ−ＳＷＮＴ１の原料ガス、例えばＣ₂Ｈ₂及びＡｒの混合ガスをチャンバ内に所定の流量で供給する。混合ガスは、Ｃ₂Ｈ₂の割合が比較的低い０．１％程度〜１．０％程度のものを使用する。このとき、成長時間を３０分間程度〜９０分間程度の範囲内に設定し、チャンバ内の温度を、４００℃程度〜６００℃程度の範囲内の成長開始温度から８００℃程度〜８５０℃程度の範囲内の成長終了温度まで漸増させる。例えば図３のように、成長時間を６０分間程度に設定し、４５０℃程度の成長開始温度から８００℃程度の成長終了温度まで、線形に漸増させる。

ＭＷ−ＳＷＮＴの成長開始時では、成長温度が低温の４５０℃程度であるため、触媒微粒子１３からＭＷＮＴ３が成長してゆく。暫くの間、ＭＷＮＴ３が成長し続け、成長温度が増加して成長終了温度に近い例えば７５０℃程度に達するところ（成長時間が残り５〜６分間程度のところ）から、触媒微粒子１３がシリコン基板１１側に拡散して小さくなり、それに伴ってＭＷＮＴ３を構成するグラフェン４の層数が漸減してゆく。そして、成長終了温度に達するまでの短い間に、更に小さくなった触媒微粒子１３から若干のＳＷＮＴ２が成長し、終了する。

以上により、シリコン基板１上に複数本のＭＷ−ＳＷＮＴ１が形成される。
なお、図２（ｃ）では、触媒微粒子１３が残存した様子を示しているが、触媒微粒子１３はＳＷＮＴ２の成長過程でシリコン基板１１側に拡散して消失することもある。

上記のＭＷ−ＳＷＮＴ１は、例えば以下のように技術的に利用される。

（１）ＳＴＭ等のプローブ
ＳＷＮＴ２が金属的性質を有するＭＷ−ＳＷＮＴ１である場合に、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の針状のプローブにＭＷ−ＳＷＮＴ１を適用することができる。この場合、ＭＷ−ＳＷＮＴ１は優れた導電性及び機械的強度を有しており、突出するＳＷＮＴ２をプローブの先端として利用することにより、極細で機械的強度に優れた信頼性の高いプローブが実現する。

（２）フラット表示パネルの電界電子放出源
ＳＷＮＴ２が金属的性質を有するＭＷ−ＳＷＮＴ１である場合に、フラット表示パネルの電界電子放出源にＭＷ−ＳＷＮＴ１を適用することができる。この場合、ＭＷ−ＳＷＮＴ１のＳＷＮＴ２を電子放出部とすることにより、極めて微細なＳＷＮＴ２において低電圧で十分な電界集中を得ることができ、極細で機械的強度に優れた電界電子放出源を有する信頼性の高いフラット表示パネルが実現する。

（３）電子デバイスの配線
ＳＷＮＴ２が金属的性質を有するＭＷ−ＳＷＮＴ１である場合に、電子デバイス（例えばトランジスタ）の配線にＭＷ−ＳＷＮＴ１を適用することができる。この場合、ＭＷ−ＳＷＮＴ１の微細なＳＷＮＴ２により、電子デバイスの下層部分に形成される機能素子と電気的に接続し、上層部分でＭＷ−ＳＷＮＴ１のＭＷＮＴ３を電極引き出し部分とする。この構成では、多層配線を用いることなく、１本のＭＷ−ＳＷＮＴ１により下層の機能素子との電気的接続から上層の外部接続までを行うことが可能となる。極細で機械的強度に優れた配線を有する信頼性の高い電子デバイスが実現する。

（４）トランジスタのチャネル
ＳＷＮＴ２が半導体的性質を有するＭＷ−ＳＷＮＴ１である場合に、トランジスタ等のチャネルにＭＷ−ＳＷＮＴ１を適用することができる。この場合、ＭＷ−ＳＷＮＴ１の微細なＳＷＮＴ２をトランジスタのチャネル部分とし、ＭＷ−ＳＷＮＴ１のＭＷＮＴ３は電極部分として適宜利用することが可能であり、極細で機械的強度に優れたチャネルを有する信頼性の高いトランジスタ等が実現する。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＳＷＮＴ２及びＭＷＮＴ３の複合構造とされたＣＮＴであり、機械的強度に優れ、比較的簡素な構成で様々な技術的利用に供することが可能となるＭＷ−ＳＷＮＴ１が実現する。

以下、カーボンナノチューブ及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）１本の連続したカーボンナノチューブであって、
一方の先端部分はマルチウォールナノチューブであり、他方の先端部分は外方へ突出するシングルナノチューブであることを特徴とするカーボンナノチューブ。

（付記２）前記一方の先端部分から前記他方の先端部分に向かうにつれて、前記マルチウォールナノチューブを構成するグラフェンの層数が漸減していることを特徴とする付記１に記載のカーボンナノチューブ。

（付記３）前記マルチウォールナノチューブは金属的性質を有しており、前記シングルナノチューブは金属的性質及び半導体的性質のいずれか一方を有していることを特徴とする付記１又は２に記載のカーボンナノチューブ。

（付記４）マルチウォールナノチューブの形成から成長を開始し、シングルナノチューブの形成で成長を終了して、一方の先端部分は前記マルチウォールナノチューブであり、他方の先端部分は外方へ突出する前記シングルナノチューブである１本の連続したカーボンナノチューブを形成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。

（付記５）前記一方の先端部分から前記他方の先端部分に向かうにつれて、前記マルチウォールナノチューブを構成するグラフェンの層数が漸減するように前記カーボンナノチューブを形成することを特徴とする付記４に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

（付記６）Ｆｅ及びＡｌの合金微粒子又はＣｏ及びＭｏの合金微粒子を触媒として、前記カーボンナノチューブを形成することを特徴とする付記４又は５に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

（付記７）前記カーボンナノチューブの成長温度を、４００℃〜６００℃の範囲内の成長開始温度から８００℃〜８５０℃の範囲内の成長終了温度まで漸増させることを特徴とする付記４〜６のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

（付記８）前記カーボンナノチューブの成長時間を、３０分間〜９０分間の範囲内の時間とすることを特徴とする付記４〜７のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

１ ＭＷ−ＳＷＮＴ
１ａ，１ｂ 先端部分
２ ＳＷＮＴ
３ ＭＷＮＴ
４ グラフェン
１１ シリコン基板
１２ 金属膜
１２ａ Ａｌ
１２ｂ Ｆｅ
１３ 触媒微粒子

Claims (8)

1. １本の連続したカーボンナノチューブであって、
   一方の先端部分はマルチウォールナノチューブであり、他方の先端部分は外方へ突出するシングルナノチューブであることを特徴とするカーボンナノチューブ。
2. 前記一方の先端部分から前記他方の先端部分に向かうにつれて、前記マルチウォールナノチューブを構成するグラフェンの層数が漸減していることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ。
3. 前記マルチウォールナノチューブは金属的性質を有しており、前記シングルナノチューブは金属的性質及び半導体的性質のいずれか一方を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンナノチューブ。
4. マルチウォールナノチューブの形成から成長を開始し、シングルナノチューブの形成で成長を終了して、一方の先端部分は前記マルチウォールナノチューブであり、他方の先端部分は外方へ突出する前記シングルナノチューブである１本の連続したカーボンナノチューブを形成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
5. 前記一方の先端部分から前記他方の先端部分に向かうにつれて、前記マルチウォールナノチューブを構成するグラフェンの層数が漸減するように前記カーボンナノチューブを形成することを特徴とする請求項４に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
6. Ｆｅ及びＡｌの合金微粒子又はＣｏ及びＭｏの合金微粒子を触媒として、前記カーボンナノチューブを形成することを特徴とする請求項４又は５に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
7. 前記カーボンナノチューブの成長温度を、４００℃〜６００℃の範囲内の成長開始温度から８００℃〜８５０℃の範囲内の成長終了温度まで漸増させることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
8. 前記カーボンナノチューブの成長時間を、３０分間〜９０分間の範囲内の時間とすることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

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