JP3973359B2 - 静電ナノピンセット及びこれを用いたナノマニピュレータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はナノサイズの物質（以後、ナノ物質という）を把持したり放出したりできるナノピンセットに関し、またナノ物質を搬送制御してナノサイズ部品、ナノ分子デバイス等のナノ構造物を組み立てることができるナノマニピュレーター装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の技術開発はますます極小領域に指向している。例えば、光・電子情報関連の新素材やナノサイズ部品の創製、細胞やタンパク質の集積による新しいバイオ関連機能物質の創製のように、ナノ領域における革新的な製造技術の開発が要望されている。
【０００３】
このようにナノ物質を移動・積上げ等の搬送制御ができるためには、ナノ物質を把持したりそれを放出したりできるナノピンセットの開発が必要になる。このナノピンセットの第１原型は、Ｐｈｉｌｉｐ ＫｉｍとＣｈａｒｌｅｓ Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒにより１９９９年１２月１０日に発行されたサイエンス誌上に発表された。図６〜図８はこのナノピンセットの製造工程図である。
【０００４】
図６はテーパー加工されたガラスチューブ８０の先端の側面図であり、この先端直径は約１００ｎｍ、図示しない後端直径は１ｍｍである。図７はナノピンセットの完成図である。前記ガラスチューブ８０の周面に絶縁部８２を介して二つの金電極膜８４ａ、８４ｂを形成する。この金電極膜にそれぞれカーボンナノチューブ８６ａ、８６ｂを突設状に固定して、ナノピンセット８８が完成される。
【０００５】
図８はナノピンセットに電圧を印加する概要図である。金電極膜８４ａ、８４ｂには接点９０ａ、９０ｂからリード線９２ａ、９２ｂが導出され、可変直流電源９４の両端に結線されている。可変直流電源９４の電圧を印加すると、カーボンナノチューブ８６ａは正に帯電し、カーボンナノチューブ８６ｂは負に帯電する。これら正負の電荷の静電引力により、カーボンナノチューブ８６ａ、８６ｂの先端は内側に閉じ、この間にナノ物質９６を挟んで挟持することができる。
【０００６】
電圧を大きくするとカーボンナノチューブは更に閉じるから、より小さなナノ物質を挟持できる。電圧をゼロにすると静電引力は無くなり、カーボンナノチューブ８６ａ、８６ｂの弾性復元力により図７の状態に戻って、ナノ物質９６を放出する。このように電圧の大小制御だけでナノピンセット８８の開閉制御を行える利点を有し、ナノ物質の把持・放出が自在なナノピンセットとして画期的なものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このナノピンセット８８は次のような弱点を有している。第１に、分子は種々の形状を有しており、２本のナノチューブでは確実に把持できないナノ物質が存在する。例えば、扁平なナノ物質であれば２本のカーボンナノチューブ８６ａ、８６ｂで把持できるが、球状ナノ物質や棒状ナノ物質は２本のナノチューブの把持では不安定で脱落する危険性がある。
【０００８】
第２に、ガラスチューブ８０をテーパー状にその先端を１００ｈｍまで微細加工しているから、特に先端部が強度的に弱くしかも脆い。第３に、金電極膜８４ａ、８４ｂをガラスチューブ８０の全長に亘って形成し、ガラスチューブの直径が大きくなった後端部に 接点９０ａ、９０ｂを設けてリード線９２ａ、９２ｂを介して電源９４に接続している。即ち、リード線がかなり太いので、ガラスチューブの拡径した後端部に電気接点を設けざるを得ない。そのために、金電極膜をガラスチューブの全長に形成するという困難さと効率の悪さがある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、球状ナノ物質や棒状ナノ物質を確実に把持して搬送制御できるナノピンセットを提供し、またその製造作業が簡単で耐久性のあるナノピンセットを提供でき、更にこのナノピンセットを利用したナノマニピュレータ装置を実現することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ホルダーに基端部を固定して突設された３本以上の導電性ナノチューブと、この中の少なくとも３本以上の導電性ナノチューブにそれぞれ連結されたリード電極からなり、これらのリード電極間に電圧を印加してその静電引力により前記導電性ナノチューブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とする静電ナノピンセットである。
【００１１】
請求項２の発明は、カンチレバーに突設された突出部と、この突出部に基端部を固定して突設された３本以上の導電性ナノチューブと、この中の少なくとも３本以上の導電性ナノチューブにそれぞれ連結されたリード電極からなり、これらのリード電極間に電圧を印加して静電引力により前記導電性ナノチューブの先端間を開閉自在に設けることを特徴とする静電ナノピンセットである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の静電ナノピンセットと、この静電ナノピンセットを試料に対しＸＹＺ方向に移動制御する３次元駆動機構とから構成され、静電ナノピンセットでナノ物質を試料表面に搬送制御することを特徴とするナノマニピュレーター装置である。
【００１３】
請求項４の発明は、静電ナノピンセットを構成する少なくとも１本の導電性ナノチューブを走査型プローブ顕微鏡用の探針として用いる請求項３に記載のナノマニピュレータ装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る静電ナノピンセット及びこれを用いたナノマニピュレータ装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る静電ナノピンセットの実施形態の概略斜視図である。カンチレバー２はカンチレバー部４とその先端に形成された突出部６から構成される。この突出部６の突出端６ｅは略水平に形成され、その周面は先端面６ａ、側面６ｂ、６ｃ及び後端面６ｄの４面から構成されている。
【００１６】
カンチレバー部４の上平面及び側面には、所要幅の３本の電極膜１２、１３、１４が形成され、これら電極膜の終端は突出部６の前記先端面６ａ及び側面６ｂ、６ｃにまで延出して形成されている。これらの先端面６ａ及び側面６ｂ、６ｃには導電性ナノチューブ８、９、１０の基端部８ｂ、９ｂ、１０ｂがコーティング膜１６、１７、１８の被覆によりそれぞれ固着されている。
【００１７】
この固着により、導電性ナノチューブ８、９、１０は電極膜１２、１３、１４にそれぞれ電気的に導通状態に設定される。導電性ナノチューブ８、９、１０の先端部８ａ、９ａ、１０ａは突出部６の突出端６ｅより下方に突出し、これらの先端部８ａ、９ａ、１０ａがナノチューブ把持部１１を構成して、材料であるナノ物質を把持したり放出したりできる作業爪となる。このようにして、カンチレバー２にナノチューブ把持部１１を形成して、本発明に係る静電ナノピンセット２０が構成される。
【００１８】
本発明に係る静電ナノピンセットは、ナノチューブ把持部１１を３本以上のナノチューブから構成している点に特徴を有する。この実施形態ではナノチューブは３本であり、この３本の爪によってナノ物質を包み込むように把持することができる。つまり、２本のナノチューブでは不安定な把持しかできないが、３本にすることにより任意の形状のナノ物質を安定確実に把持することが可能となる。特に、球状ナノ物質や棒状ナノ物質を確実に把持できるようになる。
【００１９】
この静電ナノピンセット２０の電極膜１２、１３、１４の後端部には接点１２ａ、１３ａ、１４ａを介して制御回路２１が接続される。この制御回路２１は、可変直流電源２２とアース２４とスイッチ２６から構成され、前記接点１３ａ、１４ａはアース側に接続され、接点１２ａは高電位側に接続される。従って、電極膜１２は正極となり、電極膜１３、１４は負極として機能する。
【００２０】
一般に、ナノチューブには導電性のカーボンナノチューブや絶縁性のＢＮ系ナノチューブ（窒化ホウ素）やＢＣＮ系ナノチューブ（炭窒化ホウ素）等がある。本発明に用いる導電性ナノチューブは電気伝導性を有するナノチューブであればよいから、導電性ナノチューブや導電材料で表面被覆した絶縁性ナノチューブが用いられる。被覆用導電材料には主に金属材料が好適である。
【００２１】
導電性ナノチューブをカーボンナノチューブを例にとって説明すると、その直径は約１ｎｍ〜数十ｎｍまであり、長さはナノオーダーからミクロンオーダーまでに分布し、そのアスペクト比（長さ／直径）は１０００以上にも達する。また、カーボンナノチューブは高度の柔軟性と強靱性を有するから、その先端を開閉してナノ物質を把持・放出する材料としては好適である。
【００２２】
上記実施形態において用いたカンチレバー２は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に用いられるカンチレバー探針を転用したものである。このカンチレバー探針はシリコンやシリコンナイトライドを材料とし、半導体プラナー技術を用いて加工形成されている。従って、従来のガラス製品と比較して高強度で、耐久性に優れている。ただ、本発明では突出部６の突出端６ｅを先鋭加工せず、平坦面に形成している。即ち、本発明では突出部６を探針として用いず、導電性ナノチューブの固定用ホルダーとして用いるからである。
【００２３】
コーティング膜１６、１７、１８を形成するには、電子顕微鏡内で電子ビームにより有機ガスを分解し、この分解堆積物をコーティング膜として用いる。有機ガスが炭化水素系ガスの場合にはコーティング膜はカーボン膜となり、有機ガスが金属有機ガスの場合にはコーティング膜は金属膜となる。金属膜の方が導電性ナノチューブ８、９、１０と電極膜１２、１３、１４との導通性は確実になる。
【００２４】
ナノチューブ基端部を突出部に固定する他の方法として、電子ビーム照射や通電加熱によりナノチューブ基端部を融着して突出部と一体的に固定することもできる。コーティング被膜と融着を併用すれば、ナノチューブをより強力に固定することができ、ナノチューブの脱落を防止して静電ナノピンセットの耐久性を向上できる。
【００２５】
図２は球状ナノ物質を把持した前記実施形態の作用説明図である。まず、ナノチューブ８の長さを他のナノチューブ９、１０より少し長く設定しておき、先端部８ａが他の先端部９ａ、１０ａより下方に突出するように配置しておく。このナノチューブ８の先端部８ａを探針として使用し、試料面上の球状ナノ物質２８の場所と位置をＡＦＭ操作により検出確認する。
【００２６】
次に、３本の先端部８ａ、９ａ、１０ａの中心部に球状ナノ物質２８が内包されるようにナノチューブ把持部１１を下動させて試料面に接触させる。この状態でスイッチ２６をオンにすると、電極膜１２、１３、１４を介して導電性ナノチューブ８、９、１０の先端部８ａ、９ａ、１０ａに電圧が印加される。つまり、先端部８ａは正極となり、先端部９ａ、１０ａは陰極となる。正極には正電荷が蓄積し、負極には負電荷が蓄積するから、両電極は静電引力により内方に撓み、ナノチューブ把持部１１は球状ナノ物質２８を把持して閉じる。スイッチ２６をオフにすると、静電引力は消失し、ナノチューブの弾性復元力によりナノチューブ把持部１１は開き、球状ナノ物質２８を放出する。
【００２７】
図３は棒状ナノ物質を把持した前記実施形態の作用説明図である。まず、ナノチューブ８の先端部８ａを探針として使用し、試料面上の棒状ナノ物質３０の場所と位置をＡＦＭ操作により検出確認する。
【００２８】
次に、３本の先端部８ａ、９ａ、１０ａの間に棒状ナノ物質３０が配置されるようにナノチューブ把持部１１を下動させて試料面に接触させる。この状態でスイッチ２６をオンにして先端部８ａ、９ａ、１０ａを静電引力により閉じると、棒状ナノ物質３０が前後から把持される。この状態で、ナノチューブ把持部１１を上動させると、棒状ナノ物質３０は図示の如く確実に吊り上げられる。
【００２９】
前記実施形態では、静電ナノピンセット２０のナノチューブ把持部１１を３本の導電性ナノチューブ８、９、１０で構成した。ナノ物質の形状によっては、４本のナノチューブからナノチューブ把持部１１を構成することもできる。このように、本発明は３本以上のナノチューブの開閉によりナノ物質を把持・放出する点に特徴を有した静電ナノピンセットである。
【００３０】
図４は、本発明の静電ナノピンセットを用いたナノマニピュレータ装置の作動説明図である。試料３２の表面には、材料となる球状ナノ物質２８や棒状ナノ物質３０が多数存在している。まず、この原料ナノ物質を静電ナノピンセット２０のＡＦＭ操作により検出し、ナノチューブ把持部１１により把持する。次に、図示しない３次元駆動装置により、静電ナノピンセット２０を矢印ａ方向及び矢印ｂ方向に移動し、ナノ構造物３４の所望位置で原料ナノ物質を放出する。これらの操作を繰り返すことにより、様々なナノ物質を原材料として所望のナノ構造物３４を試料３２の表面に形成することができる。
【００３１】
前述したように、導電性ナノチューブ８、９、１０の閉操作は、電極膜１２、１３、１４を介した電圧の印加による静電引力により行われる。また、その開操作は電圧の解除による導電性ナノチューブの弾性復元力により行われる。静電ナノピンセット２０の移動制御はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の移動制御機構により実現される。
【００３２】
図５は静電ナノピンセットの移動制御機構の構成図である。図中、３２は試料、３２ａは試料表面、３６は３次元駆動装置、３８は半導体レーザ装置、４０は反射ミラー、４２は二分割光検出器、４２ａは上検出器、４２ｂは下検出器、４６はＺ軸検出回路、４８は表示装置、５０はＸＹＺ走査回路である。
【００３３】
静電ナノピンセット２０を試料３２に対し配置し、そのナノチューブ把持部１１をＺ軸方向に移動させて試料表面３２ａ上のナノ物質を把持する。その後、ＸＹＺ走査回路５０で３次元駆動機構３６を走査して、ナノ構造物の位置まで静電ナノピンセット２０を移動する。
【００３４】
この移動の過程では、ナノチューブ把持部１１と試料表面３２ａとの対向距離を一定に保つように、ナノチューブ把持部１１をＺ軸方向に位置制御する必要がある。そのために、レーザビームＬＢをカンチレバー２により反射させ、反射ミラー４０を介して二分割光検出器４２に導入し、上下検出器４２ａ、４２ｂへの偏向を検出しながら、Ｚ軸制御を行う。
【００３５】
Ｚ軸検出回路４６でＺ位置を検出し、ＸＹＺ走査回路５０でＸＹ位置を検出して、これらの位置情報を表示装置４８に表示する。つまり、この表示装置４８には試料表面の凹凸像が表示される。そして、ナノチューブ把持部１１がナノ構造物の位置に移動した後、ナノチューブ把持部１１を開いて把持してきたナノ物質を試料表面３２ａ上に放出する。この操作を繰り返して、ナノ構造物を組み立てる。
【００３６】
ナノチューブ把持部１１の１本のナノチューブで、又は３本が閉じた状態のまま全体でＡＦＭ操作すれば、ナノ構造物の全体形状を表示装置４８に撮像することもできる。従って、本発明のナノマニピュレータ装置はナノワールドを自在に構成できるナノロボットである。このナノマニピュレータ装置は真空、大気を含め種々の雰囲気中で使用できる。
【００３７】
前記実施形態では、導電性ナノチューブに電圧を印加するリード電極として、カンチレバーに必要本数の電極膜を形成した。他の方法として、電極膜とリード線を組み合わせたり、リード線だけでリード電極を構成することもできる。極微の箇所には、長尺のカーボンナノチューブなどの導電性ナノチューブをリード線として利用することもできる。ナノチューブ同士の結合は、融着方式が最適である。これらの融着は、電子ビーム照射、イオンビーム照射、電流通電加熱などの方法により行える。
【００３８】
本発明は導電性ナノチューブ間の静電気力でナノ物質を把持できる静電ナノピンセットである。従って、把持すべきナノ物質が絶縁性である場合には有効であるが、導電性ナノ物質の場合には短絡する可能性がある。しかし、この導電性ナノチューブの表面を絶縁被膜で被覆した場合には、導電性ナノ物質を把持した場合でも、導電性ナノチューブ間は短絡しないから、ナノピンセットとして有効に機能する。絶縁被膜としてはハイドロカーボン膜が好適に利用でき、電子ビーム照射により導電性ナノチューブ表面に被膜形成できる。絶縁膜の材料や被覆方法には他の公知材料や公知方法が利用できることは当然である。
【００３９】
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、設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、３本以上の導電性ナノチューブをナノ物質を把持する部材として使用したから、扁平状のナノ物質だけでなく、球状ナノ物質や棒状ナノ物質など任意の形状のナノ物質を安定かつ確実に把持することができる。しかも導電性ナノチューブの開閉は電圧印加による静電引力及び電圧解除による弾性復元力により行えるから、開閉操作が簡単であり、ナノ物質の把持・移動・放出が容易に行える。
【００４１】
請求項２の発明によれば、ＡＦＭ測定に用いられる半導体製のカンチレバーを強度の静電ナノピンセットを提供できる。
【００４２】
請求項３の発明によれば、静電ナノピンセットを試料に対しＸＹＺ方向に移動制御する３次元駆動機構をこの静電ナノピンセットに装備したから、静電ナノピンセットでナノ物質を把持し、所望位置まで移動させ、そして任意形状のナノ構造物を組み立てることができるナノマニピュレーター装置を実現できる。
【００４３】
請求項４の発明によれば、静電ナノピンセットを構成する３本以上の導電性ナノチューブから選ばれた１本のナノチューブを走査型プローブ顕微鏡用の探針として用いるから、試料表面の物性情報を検出できるナノマニピュレータ装置を実現できる。また、このナノマニピュレータ装置を用いれば、試料表面上のナノ物質の位置を探し出し、そのナノ物質の形状を確認しながら、ナノ物質の把持・移動・放出を行うことができるなど、優れた機能を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電ナノピンセットの実施形態の概略斜視図である。
【図２】球状ナノ物質を把持した前記実施形態の作用説明図である。
【図３】棒状ナノ物質を把持した前記実施形態の作用説明図である。
【図４】本発明の静電ナノピンセットを用いたナノマニピュレータ装置の作動説明図である。
【図５】静電ナノピンセットの移動制御機構の構成図である。
【図６】テーパー加工されたガラスチューブの先端の側面図である。
【図７】ナノピンセットの完成図である。
【図８】ナノピンセットに電圧を印加する概要図である。
【符号の説明】
２はカンチレバー、４はカンチレバー部、６は突出部、６ａは先端面、６ｂは側面、６ｃは側面、６ｄは後端面、６ｅは突出端、８・９・１０は導電性ナノチューブ、８ａ・９ａ・１０ａは先端部、８ｂ・９ｂ・１０ｂは基端部、１２・１３・１４は電極膜、１２ａ・１３ａ・１４ａは接点、１６・１７・１８はコーティング膜、２０は静電ナノピンセット、２１は制御回路、２２は可変直流電源、２４はアース、２６はスイッチ、２８は球状ナノ物質、３０は棒状ナノ物質、３２は試料、３２ａは試料表面、３４はナノ構造物、３６は３次元駆動機構、３８は半導体レーザ装置、４０は反射ミラー、４２は二分割光検出器、４２ａは上検出器、４２ｂは下検出器、４６はＺ軸検出回路、４８は表示装置、５０はＸＹＺ走査回路、８０はガラスチューブ、８２は絶縁部、８４ａ・８４ｂは金電極膜、８６ａ・８６ｂはカーボンナノチューブ、８８はナノピンセット、９０ａ・９０ｂは接点、９２ａ・９２ｂはリード線、９４は電源、９６はナノ物質、ＬＢはレーザービーム。

Claims (5)

1. ３本以上の導電性ナノチューブの基端部をホルダーに固定して突設させ、この中の同一平面上にない少なくとも３本の導電性ナノチューブに絶縁被覆を設け、この絶縁被覆された導電性ナノチューブを電極に接続し、前記電極に電圧を印加してその静電力により前記導電性ナノチューブの先端部を開閉させることを特徴とする静電ナノピンセット。
2. 前記開閉される３本以上の導電性ナノチューブのうち１本が他より突出した導電性ナノチューブであり、前記他より突出した１本をＡＦＭの探針として使用する請求項１に記載の静電ナノピンセット。
3. 前記開閉される３本以上の導電性ナノチューブを閉状態にして、導電性ナノチューブをＡＦＭの探針として使用する請求項１又は２に記載の静電ナノピンセット。
4. 導電性ナノチューブをリード線として利用する請求項１〜３のいずれかに記載の静電ナノピンセット。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の静電ナノピンセットと、この静電ナノピンセットを試料に対しＸＹＺ方向に移動制御する３次元駆動機構とから構成され、静電ナノピンセットでナノ物質を試料表面に搬送制御することを特徴とするナノマニピュレーター装置。

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