カーボンナノチューブ構造体及びその製造方法
【課題】所望の機械的特性／電気的特性および異方性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）だけで一体成形された任意の立体形状の構造体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板の表面に直線状に成膜された金属触媒から一定方向に化学気相成長させた複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体２で構成されたＣＮＴ構造体１を、前記ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であり、基部３に当接する第１の部分２Ａ、前記基部から離間する第２の部分２Ｂ、前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分２Ｃを有し、前記第１の部分、前記第２の部分および前記第３の部分における少なくとも一部のＣＮＴの配向軸が連続しているものとする。
【解決手段】基板の表面に直線状に成膜された金属触媒から一定方向に化学気相成長させた複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体２で構成されたＣＮＴ構造体１を、前記ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であり、基部３に当接する第１の部分２Ａ、前記基部から離間する第２の部分２Ｂ、前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分２Ｃを有し、前記第１の部分、前記第２の部分および前記第３の部分における少なくとも一部のＣＮＴの配向軸が連続しているものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ構造体及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、一方向に配向した複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ集合体で構成された立体形状部を有するカーボンナノチューブ構造体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、特異な物理的、化学的特性を有するカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとも称する）をマイクロマシン（ＭＥＭＳ）用デバイスや電子デバイスに適用しようとする機運が高まっている。例えば、ＣＮＴからなる探針の基端をカンチレバーのピラミッド部に別工程で付着させて原子間力顕微鏡のプローブを構成する技術（特許文献１）が知られている。しかしこの技術は、カンチレバーと探針とが個別に形成された別部材であり、製造工程が繁雑になりがちである。
【０００３】
また、パターニング技術でモールド型を基板に形成し、ＣＮＴを溶媒に分散させた溶液をモールド型に充填し、溶媒を揮発させてナノメートルサイズの構造体やＭＥＭＳ構造体を得る技術（特許文献２）が知られている。しかしこの技術は、製造工程が繁雑である上にＣＮＴの配向を制御し難い。つまり同一方向に配向した複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体は、電気的特性（たとえば導電率）や光学的特性（たとえば透過率）や機械的特性（たとえば曲げ特性）などの物理特性について、配向方向とそれに直交する方向とで異なる特性（異方性）を備えることが知られているが、特許文献２に記載のものは、その製法上、完成した構造体に異方性を与えることは困難である。このように複数のＣＮＴの向きがランダムであると、均一に且つ隙間なく複数のＣＮＴを充填することができないため、所望の機械的強度を備えた高密度なＣＮＴ集合体を得ることも困難である。
【０００４】
また、基板上に凹部または凸部を形成し、基板の凹部または凸部の形成面から垂直配向させて形成した複数のＣＮＴを凹部または凸部上に倒すことにより、ＣＮＴで凹部を跨ぐ、あるいはＣＮＴを凹凸に沿わせるものが知られている（特許文献３（例えば図１６、図２１参照））。本文献には、一方向に配向し且つ配向軸が連続的に変化している複数のＣＮＴからなる電子デバイス、なかんずくスイッチへの適用を示唆する記載がある（例えば本文献の請求項４）。しかし本文献に記載のものは、基板からＣＮＴを離間させるには、凹部または凸部を基板に形成しなければならない上、ＣＮＴを直接成長させるために耐熱性の高い基板が必要である。しかも本文献には、複数のＣＮＴを集合体とする技術思想は認められず、可動端子を支持するカンチレバーなど、弾発的復元性を要する部位への適用は示唆されていない。
【０００５】
さらに、所定方向へ配向したＣＮＴ集合体を高密度化（０．２〜１．５ｇ／ｃｍ３）して剛性を高める技術を本発明と同一出願人は既に提案しているが（特許文献４）、これにおいては、任意の立体形状への成形性は何等考慮されていない。
【０００６】
いずれにしても、リレー、メモリー等のスイッチング素子やセンサのプローブは、可動接点や探針を支持するための弾性構造体を要することが一般的であり、これをＣＮＴで形成するためには、所望に応じて物理特性が制御された立体形状の構造体を得ることが不可欠である。しかるに、構造体の物理特性はその形状に依存するが、上述の通り従来の技術によると、異方性を有するＣＮＴだけで任意の立体形状の構造体を一体形成することはできず、特に外力や電流を断った時に元の位置に復帰する形状復元性を得ることは困難であった。なお、本明細書においてＣＮＴ集合体とは、複数のＣＮＴ（例えば本数密度が５×１０１１本／ｃｍ２以上）がファン・デア・ワールス力により強固に結合し、層状または束状に集合した状態となっているものを意味する。
【特許文献１】特開２００５−３１９５８１号公報
【特許文献２】特開２００７−６３１１６号公報
【特許文献３】特開２００６−２２８８１８号公報
【特許文献４】特開２００７−１８２３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来技術の実状に鑑みてなされたものであり、制御され且つ安定した所望の物理特性および異方性を有するＣＮＴだけで一体成形された任意の立体形状の構造体及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、上記課題を解決するため、以下の発明が提供される。
【０００９】
〔１〕同一方向に配向した複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体２で構成されたＣＮＴ構造体１を、前記ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であり、基部３に当接する第１の部分２Ａ、前記基部から離間した第２の部分２Ｂ、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分２Ｃを有し、前記第１の部分、前記第２の部分、及び前記第３の部分における少なくとも一部のＣＮＴの配向軸が連続しているものとする。なお、本発明において、「基部」とは、基板のみならず、ブロック状の基台や、角柱や円柱上の構造物であってもよく、凸部や凹部（溝やトレンチ、段部等）が形成されたものであってもよい。
【００１０】
このようにすれば、高密度なＣＮＴ集合体で構造体が形成されるので、異方性を有し且つ形状の自己保持性および復元性にすぐれた任意の立体形状の構造体をＣＮＴのみで一体形成することができる。より詳しく言うと、同一方向に配向したＣＮＴは、均一に且つ隙間なく所望の容積に充填することが容易であり、また、ファン・デア・ワールス力で複数のＣＮＴ同士が強く結合している。かかる高密度なＣＮＴ集合体は、一体性、形状保持性、形状復元性を有する云わば固体状の物質となり、ＭＥＭＳ用デバイス等に必要な物理特性を備えたものとなる。このような観点からＣＮＴ集合体に求められるＣＮＴの配向性は、高密度化工程が可能となり、ＭＥＭＳ用デバイス等を実用化する上でのＣＮＴ集合体の一体性、形状保持性、形状復元性、並びに形状加工性が実用上許容される程度であればよく、必ずしも完全である必要はない。
【００１１】
〔２〕同一方向に配向した複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体で構成されたＣＮＴ構造体の製造方法を、基板の表面に形成された金属触媒膜から複数のＣＮＴを同一方向に化学気相成長させてＣＮＴ集合体を得る化学気相成長工程Ｓ１と、前記ＣＮＴの集合体を前記基板から取り外す集合体取り外し工程Ｓ２と、表面に立体形状部を備えた第２の基板を製作する第２基板製作工程Ｓ３と、前記基板から取り外したＣＮＴ集合体を前記立体形状部に適合した所定形状に成形する立体形状成形工程Ｓ４、Ｓ５と、前記第２の基板上で所定形状をなすＣＮＴ集合体に高密度化処理を施すことによって前記ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上となるようにして前記所定の立体形状を固定する形状固定化工程Ｓ６と、少なくとも前記固定化されたＣＮＴ集合体の不用部分を選択的に除去する不用部分除去工程Ｓ７とを含むこととする。
【００１２】
〔３〕特に、前記所定形状は、前記第２の基板に当接する第１の部分、前記第２の基板から離間した第２の部分、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有することとするとよい。
【００１３】
〔４〕また前記立体形状成形工程は、前記ＣＮＴ集合体を液体に晒す液体晒し工程Ｓ４と前記ＣＮＴ集合体を前記第２の基板上に載置する載置工程Ｓ５とを含み、前記形状固定化工程は、液体を含浸した前記ＣＮＴ集合体を前記第２の基板上に載置された状態で乾燥させる工程を含むこととするとよい。
【００１４】
〔５〕さらに前記第２の基板が備える立体形状部は犠牲層２２であり、前記不用部分除去工程は前記犠牲層の除去を含む工程とするとよい。
【００１５】
このようにすれば、合成直後の低密度な状態のＣＮＴ集合体を成形することができるので、任意の立体形状を容易に得ることができ、ＣＮＴ集合体を成形後に高密度化することにより、高い保形性を得ることができる。従って、例えばスイッチの可動接点やプローブの探針を支持するカンチレバー等に要求される復元力が得られるので、これらをＣＮＴだけで一体成形することができる。また高密度化されたものは、周知のパターニング技術及びエッチング技術を適用可能であり、任意の形状への加工が容易である。特に構造体の物理特性は形状に依存するため、所望の形状に成形可能なことは、所望の物理特性を持つ構造体の形成が可能なことを意味する。しかもＣＮＴ集合体を合成する基板とＣＮＴ構造体を実装する基板とが別々の基板となるので、ＣＮＴ構造体を実装する基板材質の設定自由度も高まる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のような技術的手段ないし手法を採用したので、所望の物理特性および異方性を有するＣＮＴだけで一体成形された任意の立体的形状の構造体及びその製造方法を提供する上に多大な効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
本発明のＣＮＴ構造体は、一方向に配向した複数のＣＮＴからなり、ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上のＣＮＴ集合体で構成されたものであり、基部に当接する第１の部分、基部から離間した第２の部分、及び第１の部分と第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有し、これら第１の部分、第２の部分、及び第３の部分における少なくとも一部の配向軸が連続していることにその特徴がある。
【００１９】
＜基本構造＞
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明のＣＮＴ構造体の概念を断面図で示す。図１（ａ）において、１はＣＮＴ構造体であり、２はＣＮＴ構造体を構成するＣＮＴ集合体である。ＣＮＴ構造体１は、基部３に当接する第１の部分２Ａと、基部３から空間４をおいて離間する（この例では基部３の上面から離間している）第２の部分２Ｂと、第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとを連結する屈曲した第３の部分２Ｃとから構成される。
【００２０】
ＣＮＴ集合体２を構成する複数のＣＮＴは、その軸線を一定方向に向けており、第１の部分２Ａ、第２の部分２Ｂ、及び第３の部分２Ｃにおける各配向軸が連続している。つまりこのＣＮＴ集合体２には高い配向性（異方性）がある。なお、ＣＮＴに要求される配向性は、高密度化処理の実施が可能となり、ＭＥＭＳ用デバイス等を実用化する上でのＣＮＴ構造体１の一体性、形状保持性、並びに形状加工性が許容される程度であればよく、必ずしも完全である必要はない。
【００２１】
ＣＮＴ集合体２は、互いに隣接するＣＮＴ同士が配向しているため、ファン・デア・ワールス力によって強く結合した状態となっており、その重量密度は、上記の通り０．１ｇ／ｃｍ３以上となっている。このようにＣＮＴ集合体２におけるＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であると、均一に且つ隙間なくＣＮＴが充填され、ＣＮＴ集合体２が固体としてのリジッドな様相を呈し、ＭＥＭＳ用デバイスや電子デバイスに適用する上でＣＮＴ構造体１に要求される機械的特性（剛性あるいは曲げ弾性など）や電気的特性（導電性など）が得られるようになる。この逆に、ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３に満たないと、ＣＮＴ集合体２を構成するＣＮＴ同士間に有意な隙間が発生する。そのため、ＣＮＴ集合体２がリジッドな固体ではなくなり、所要の機械的強度が得られなくなることはもとより、周知のパターニング技術やエッチング技術を適用した際に、例えばレジスト等の薬液がＣＮＴ同士間の隙間に沁み込んでしまい、所望の形状を持つＣＮＴ構造体１の形成が困難となる。ここでＣＮＴ集合体におけるＣＮＴの重量密度は、一般的には大きければ大きいほど好ましいが、製造上の制限からその上限値は１．５ｇ／ｃｍ３程度である。
【００２２】
本発明のＣＮＴ構造体１は、任意の立体形状を自己保持できるので、凸部や凹部などの支持部を基部３に形成せずに、その遊端部あるいは中間部を基部３から離間させた状態を維持することができる。またその遊端部あるいは中間部に外力が作用した際には、その遊端部あるいは中間部を、外力の作用方向に応じて変位させることができ、且つ外力が消失した際には、元の状態に復元可能である。従って、その機械的特性や電気的特性と相俟って、スイッチ、リレー、プローブ等のＭＥＭＳ用デバイスや電子デバイスの構成部材として、集積回路などを形成する表面がフラットな基板に好適に使用することができる。
【００２３】
ＣＮＴ集合体２を構成するＣＮＴは、単層ＣＮＴであってもよいし、多層ＣＮＴであってもよいし、これらが混在しているものであってもよい。いずれの種類のＣＮＴを用いるかは、ＣＮＴ構造体１の用途に応じて決めることができ、例えば、高い導電性や可撓性などが要求される場合には単層ＣＮＴを用いることができ、剛性や金属的性質などが重視される場合には多層ＣＮＴを用いることができる。
【００２４】
図１（ａ）では、ＣＮＴ集合体２における基部３に当接する第１の部分２Ａより上方に第２の部分２Ｂが位置しているが、図１（ｂ）に示すように、両者の位置関係は逆となっていてもよい。図１（ｂ）のものは、基部３の適所に段部５を形成することにより、このような位置関係が実現されている。
【００２５】
＜製造方法＞
次に、本発明によるＣＮＴ構造体の製造方法について図２を参照して説明する。
【００２６】
本発明に係るＣＮＴ構造体の製造方法は、図２に示す通り、次の各工程よりなる。
Ａ．化学気相成長工程（ステップＳ１）
一定幅の直線状パターンの金属触媒膜を表面に形成してなる成長用基板（図示せず）を用い、金属触媒膜から基板の表面と交差する一定方向に複数のＣＮＴを化学気相成長（以下ＣＶＤとも称す）させてＣＮＴ集合体を得る。ここで複数のＣＮＴの成長する方向は、一般的には基板の表面に対して垂直方向であるが、実質的に一定方向でありさえすれば、その角度に格別な規定はない。
Ｂ．集合体取り外し工程（ステップＳ２）
成長用基板上で成長したフィルム状のＣＮＴ集合体を、例えばピンセットのような治具を用いて成長用基板から取り外す。
Ｃ．第２基板製作工程（ステップＳ３）
成長用基板上で成長したフィルム状のＣＮＴ集合体を載置する立体形状部（凸部または凹部）を備えた第２の基板を別工程で製作する。
Ｄ．立体形状成形工程
Ｄ−１．成長用基板から取り外した低密度なＣＮＴ集合体を液体に晒す（ステップＳ４）。
Ｄ−２．成長用基板から取り外した低密度なＣＮＴ集合体を第２の基板の所定位置に載置して第２の基板の立体形状部の表面輪郭にＣＮＴ集合体を沿わせる（ステップＳ５）。
Ｅ．形状固定化工程（ステップＳ６）
液体に晒したＣＮＴ集合体を第２の基板の表面に被着した状態で乾燥させて高密度化（０．１ｇ／ｃｍ３以上）し、第２の基板の立体形状部の表面輪郭に倣った所定形状に固定する。
Ｆ．不用部分除去工程（ステップＳ７）
所定形状に固定されたＣＮＴ層からパターニング技術およびエッチング技術によって不用部分を除去すると共に、立体形状部が犠牲層で形成されている場合はそれも除去する。
【００２７】
＜片持ち梁状構造体＞
以下、本発明によるＣＮＴ構造体の一例として、片持ち梁状構造体の製造方法について図３を併せて参照して更に具体的に説明する。
【００２８】
先ず、化学気相成長工程（図２のステップＳ１）においては、例えば、厚さ１ｎｍ、幅４μｍの直線状パターンの金属触媒膜を表面に成膜した成長用基板（図示せず）を用意し、この金属触媒膜から基板の表面と交差する一定方向（例えば基板の表面に対して垂直な方向）に、複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体を、周知のＣＶＤ法によって成長させる。
【００２９】
ここで用いる基板としては、ＣＮＴの製造技術において従来周知の各種の材料を用いることができ、典型的には、鉄、ニッケル、クロムなどの金属および金属の酸化物や、シリコン、石英、ガラスなどの非金属、あるいはセラミックスよりなる表面が平坦なシート材あるいは板材などを使用することができる。
【００３０】
直線状パターンの金属触媒膜としては、これまでＣＮＴの製造に使用された実績のある適宜な金属を用い、周知の成膜技術を用いて形成することができる。典型的には、レジストマスクを用いたスパッタリング蒸着法で成膜した金属薄膜、たとえば鉄薄膜、塩化鉄薄膜、鉄−モリブデン薄膜、アルミナ−鉄薄膜、アルミナ−コバルト薄膜、アルミナ−鉄−モリブデン薄膜等を例示することができる。また金属触媒膜の膜厚は、触媒として用いる金属に応じた最適値に設定すればよく、例えば、鉄金属を用いた場合には、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
【００３１】
金属触媒膜の幅は、最終的に形成するＣＮＴ構造体の所要厚さに応じて設定することができ、高密度化後におけるＣＮＴ集合体の厚さの５〜２０倍の値に設定される。ここで高密度化後のＣＮＴ集合体の厚さは、これが１０ｎｍ以上であると、膜としての一体性を保持できるようになると共に、電子デバイスやＭＥＭＳ用デバイスに用いる物品としての機能を発揮する上に要する導電性が得られるようになる。高密度化後のＣＮＴ集合体の厚さの上限値に格別な制限はないが、電子デバイスやＭＥＭＳ用デバイスに利用する場合は、１００ｎｍ〜５０μｍ程度の範囲が好ましい。
【００３２】
ＣＶＤ法におけるＣＮＴの原料となる炭素化合物としては、従来と同様に、炭化水素、なかでも低級炭化水素、例えばメタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、アセチレン等が好適なものとして使用可能である。
【００３３】
反応の雰囲気ガスは、ＣＮＴと反応せず、成長温度で不活性であればよく、そのようなものとしては、ヘリウム、アルゴン、水素、窒素、ネオン、クリプトン、二酸化炭素、塩素等や、これらの混合気体が例示できる。
【００３４】
反応の雰囲気圧力は、これまでＣＮＴが製造された圧力範囲であれば適用可能であり、例えば１０2Ｐａ〜１０7Ｐａの範囲の適切な値に設定することができる。
【００３５】
ＣＶＤ法における成長反応時の温度は、反応圧力、金属触媒、原料炭素源等を考慮した上で適宜定められるが、通常、４００〜１２００（より好ましくは６００〜１０００）℃の範囲であるとＣＮＴを良好に成長させることができる。
【００３６】
この方法により、一定方向へ配向した複数のＣＮＴが所定サイズのフィルム状に成長したＣＮＴ集合体が得られる（図４参照）。
【００３７】
本発明に適用するＣＮＴ集合体を製造するに当たっては、本発明と同一出願人が先に提案した、反応雰囲気中に水分などを存在させて多量の垂直配向ＣＮＴを成長させる方法（Kenji Hata et al, Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes, SCIENCE, 2004.11.19, vol. 306, p. 1362-1364、あるいはＰＣＴ／ＪＰ２００８／５１７４９号明細書などを参照されたい）を適用可能である。
【００３８】
この方法によって得られたＣＮＴ集合体は、純度９８質量％以上、重量密度０．０３ｇ／ｃｍ３程度、比表面積６００〜１３００ｍ３（未開口）／１６００〜２５００ｍ３（開口）、異方性の大小の大きさ比が１：３以上、最大１：１００という優れた特性を有しており、これに高密度化処理を施したものは、本発明のＣＮＴ構造体の製作に好適に適用可能である。
【００３９】
なお、本発明に適用可能な垂直配向のＣＮＴ集合体を得るための技術としては、種々の公知の方法を適宜用いることができ、例えば、プラズマＣＶＤ法（Guofang Zhong et al, Growth Kinetics of 0.5 cm Vertically Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes, Journal of Physical Chemistry B, 2007, vol. 111, p. 1907-1910)を用いてもよい 。
【００４０】
次に、集合体取り外し工程（図２のステップＳ２）において、化学気相成長工程Ｓ１で製造したフィルム状をなすＣＮＴ集合体を成長用基板から取り外す。
【００４１】
次に、第２基板製作工程（図２のステップＳ３）において、立体形状部としての犠牲層を備えた第２の基板を製作する。犠牲層の製作工程においては、例えば、厚さ２００ｎｍのＳｉ３Ｎ４層を有するシリコン基板２１を用意し、これの表面をイソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡとも称する）で超音波洗浄し、且つＯ２プラズマを３００Ｗで１分間照射して清浄化した上で、１５０℃で１０分間ベークして脱水する。これに例えばＨＳＱ[hydrogensilsesquioxane]（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し且つ２５０℃で２分間ベークしたものに、電子線描画装置（ＣＡＢＬ８０００／クレステック社製）で矩形パターンを描画した後に現像することにより、図３（ａ）に示すように、厚さ４４０ｎｍ×幅１μｍ×長さ５μｍの犠牲層２２を形成した。
【００４２】
なお、第２基板製作工程Ｓ３は、化学気相成長工程Ｓ１の以前に行ってもよいし、両工程Ｓ１、Ｓ３を並行して行ってもよい。
【００４３】
次の立体形状成形工程は、液体晒し工程Ｓ４と集合体載置工程Ｓ５とに分けられ、液体晒し工程Ｓ４においては、成長用基板から取り外したＣＮＴ集合体２３を液体に晒し、集合体載置工程Ｓ５においては、集合体取り外し工程Ｓ２で成長用基板から取り外したＣＮＴ集合体２３を、第２の基板である犠牲層２２が設けられたシリコン基板２１上に載置する。
【００４４】
これら液体晒し工程Ｓ４と集合体載置工程Ｓ５とは、どちらを先に行っても結果は同じとなり、シリコン基板２１上にＣＮＴ集合体２３を載置した後にスプレー等でＣＮＴ集合体２３に液体を染み込ませたり、液体に浸漬したＣＮＴ集合体２３を液中から取り上げてシリコン基板２１上に載置したりすることも可能である。好ましくは、シリコン基板２１上でのＣＮＴ集合体２３の位置合わせ作業が容易な点に鑑み、集合体取り外し工程Ｓ２で取り外したフィルム状のＣＮＴ集合体２３を、表面張力下で水滴状の形態を保ってシリコン基板２１上に存在している液体中に浸すようにして載置、位置決めするとよい。このように、シリコン基板２１における犠牲層２２が設けられた部位に適量の液体を滴下した状態でＣＮＴ集合体２３を載置すると、ＣＮＴ集合体２３に液体が浸み込むので、液体晒し工程Ｓ４と集合体載置工程Ｓ５とを同時に行うことができる。
【００４５】
液体晒し工程Ｓ４で用いる液体としては、ＣＮＴと親和性があり、ＣＮＴを湿潤状態とした後、乾燥させたときに残留する成分がないものを使用することが好ましい。このような液体としては、たとえば水、アルコール類（ＩＰＡ、エタノール、メタノール）、アセトン類（アセトン）、ヘキサン、トルエン、シクロヘキサン、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等を用いることができる。また液体に浸す時間としては、ＣＮＴ集合体２５の内部に気泡が残らずに全体が満遍なく濡れるのに十分な時間であればよい。
【００４６】
合成直後のＣＮＴ集合体２３は低密度（重量密度：０．０３ｇ／ｃｍ３程度）であり、やわらかく且つ互いに隣り合うＣＮＴ同士の結合力もさほど高くないので、図３（ｂ）に示すように、基板２１および犠牲層２２の輪郭形状に倣ってこれらの表面をＣＮＴ集合体２３が隙間なく覆う。ここで、基板２１の表面と犠牲層２２の表面に直接接している部分のＣＮＴ集合体２３におけるＣＮＴの配向方向は、基板２１の表面と平行な方向となっている。
【００４７】
次の形状固定化工程（図２のステップＳ６）においては、典型的には、液体を含浸したＣＮＴ集合体２３を乾燥させる、つまりＣＮＴ集合体２３に付着した液体を蒸発させることで行う。ＣＮＴ集合体２３を乾燥させる手法としては、たとえば室温窒素雰囲気下での自然乾燥、真空引き乾燥、アルゴン等の不活性ガス存在下での加熱などを用いることができる。
【００４８】
ＣＮＴ集合体２３は、液体に晒されると、各ＣＮＴ同士が密着して全体の体積が少し収縮し、液体の蒸発と共に密着度がより一層高まって体積がかなり収縮し、結果として高密度化する。このとき、犠牲層２２を含むシリコン基板２１との接触抵抗により、シリコン基板２１および犠牲層２２の表面と平行な方向についての収縮は殆ど無く、厚さ方向のみの収縮となり、成長時の配向状態および立体形状を維持したまま高密度化する。本例の場合、成長用基板から取り外した合成直後のＣＮＴ集合体２３の厚さが４μｍであったものが、形状固定化工程Ｓ６終了後に５００ｎｍに収縮していた（重量密度：０．２３ｇ／ｃｍ３）。これと同時に、高密度化したＣＮＴ集合体２３とシリコン基板２１および犠牲層２２の間にも強い相互作用が働き、シリコン基板２１および犠牲層２２にＣＮＴ集合体２３が強く貼り付いた状態となる。
【００４９】
上記形状固定化工程においてＣＮＴ集合体２３が厚さ方向のみに収縮する理由は、ＣＮＴ間に液体が入り込むことによって表面張力が生じ、それによって収縮が起きると推定される。したがって、形状固定化工程における高密度化する手法は、ＣＮＴ間に表面張力を生じさせる手法であれば上述の手法に限定されず、たとえば高温蒸気などを用いる手法を適用することも可能である。
【００５０】
次の不用部分除去工程（図２のステップＳ７）では、形状固定化工程Ｓ６で高密度化されて所定の立体形状に固定されたＣＮＴ集合体２３の表面にレジストＨＳＱ（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し、２５０℃で２分間ベークした。
【００５１】
次に、電子線描画装置（ＣＡＢＬ８０００／クレステック社製）にてレジスト被膜に所定のパターンを描画し、それを水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（２．３８％、ＺＴＭＡ-１００／日本ゼオン社製）で現像してマスク２４を形成した（図３（ｃ））。これを反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ-２００Ｌ／サムコ社製）にてＯ２及びＡｒを流速１０ｓｃｃｍで同時に供給しながら８０Ｗ、１０Ｐａ、１２ｍｉｎの条件でエッチングを施し、ＣＮＴ集合体２３のマスクから露出した部分、すなわち不用部分を除去した（図３（ｄ））。ここでＡｒを導入することにより、ＣＮＴのケバがきれいに除去され、シャープなエッジが得られた。
【００５２】
最後に、マスク２４の表層並びに犠牲層２２を形成しているＦＯＸ１６を緩衝弗酸（４．７％ＨＦ、３６．２％ＮＨ４Ｆ、５９．１％Ｈ２Ｏ／森田化学工業社製）で除去し、且つＩＰＡで洗浄することにより、基板２１に当接した基端部（第１の部分）２５Ａと、基板２１から離間した片持ち梁部（第２の部分）２５Ｂとが、屈曲形状部（第３の部分）２５Ｃを介して一体をなすＣＮＴ構造体２５を得た（図３（ｅ））。
【００５３】
ここで洗浄液の乾燥には、超臨界乾燥を行うとよい。これにより、洗浄液が蒸発する際にＣＮＴとの界面に表面張力が作用しないので、片持ち梁部２５Ｂが微細であっても変形せずに済み、通常は基板２１から離間した形状を保持することができる。
【００５４】
以上の各工程を経て実際に得られた片持ち梁状構造体のモデルを図５の電子顕微鏡写真像に示す。この片持ち梁状構造体１１は、基板１２に当接した基端部（第１の部分）１１Ａと、基板１２から離間した可動片部（第２の部分）１１Ｂとが、屈曲形状部（第３の部分）１１Ｃを介して一体をなしており、片持ち梁状構造体１１の長手方向に配向した複数のＣＮＴからなるフィルム状のＣＮＴ集合体１３で構成されており、スイッチの可動接点あるいはプローブの探針の支持部材として用いることができるものである。
【００５５】
この片持ち梁状構造体１１は、リジッドな立体形状を自己保持できる剛性を有すると共に適度な曲げ弾性を有し、かつ良好な導電性を有している。そして可動片部１１Ｂの遊端に例えば下向きの力を作用させると可動片部１１Ｂが下向きに撓み、力を解除すると元の状態に復帰する。この例では、片持ち梁状構造体１１の可動片部１１Ｂはスイッチやリレー、センサ等への適用のために、先端が尖った形状に形成されており、基板１２から離間した可動片部１１Ｂの寸法は、長さ４μｍ×幅２００ｎｍ×厚さ５００ｎｍである。これら各部の寸法は用途に応じて適宜設定できる。また、断面形状は長方形のほか、正方形、円形、楕円形、多角形等、各種形状とすることができ、その断面形状や大きさを長さ方向にわたって変化させることもできる。
【００５６】
このような片持ち梁状構造体をスイッチとして用いる場合は、図６に示すように、基板４１における片持ち梁状構造体４２の基端部４２Ａに対応する部位に予めスパッタリングなどでソース電極（図示せず）を形成しておくと同時に、基板４１における片持ち梁状構造体４２の可動片部４２Ｂに対応する部位に予めスパッタリングなどでドレイン電極４３及びゲート電極４４を形成すると共に犠牲層（図示せず）を形成しておき、これらの上面にフィルム状のＣＮＴ集合体を被着して高密度化した後に、そのＣＮＴ集合体の不用部分をパターニング及びエッチングで除去することにより、スイッチを得ることができる。これによると、ゲート電極４４に電圧を印加すると、その時に発生する静電引力で可動片部４２Ｂがゲート電極４４に吸引され、その結果、可動片部４２Ｂがドレイン電極４３に接触し、ドレイン電極４３と図示していないソース電極との間が片持ち梁状構造体４２を介して導通することとなる。そしてゲート電極４４への印加電圧を断つと、可動片部４２Ｂが元の位置に復帰してドレイン電極４３から離間する。
【００５７】
＜リレー＞
次に、本発明のＣＮＴ構造体をリレーに適用した例について図７を参照して説明する。
【００５８】
先ず、上述した片持ち梁状構造体１１の例と同様に、厚さ２００ｎｍのＳｉ３Ｎ４層を有するシリコン基板３１上にＴｉ及びＡｕの電極をスパッタリング形成したものを用意し、これにＨＳＱ（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し且つ２５０℃で２分間ベークした後にパターニングすることにより、厚さ４４０ｎｍ×幅３μｍ×長さ６μｍの犠牲層３２を形成した（図７（ａ））。
【００５９】
その上面にフィルム状をなすＣＮＴ集合体３３（厚さ：４μｍ、重量密度：０．０３ｇ／ｃｍ３）を載置し且つ液体に晒した後に乾燥することにより、犠牲層３２を覆った部分が盛り上がった立体形状にＣＮＴ集合体３３が固定され且つ高密度化（厚さ：５００ｎｍ、重量密度：０．２３ｇ／ｃｍ３）された（図７（ｂ））。
【００６０】
このようにして基板３１に被着したＣＮＴ集合体３３の表面に、レジストＨＳＱ（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し、２５０℃で２分間ベークした。この後、電子線描画装置（ＣＡＢＬ８０００／クレステック社製）にてレジスト被膜に所定のパターンを描画し、それを水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（２．３８％、ＺＴＭＡ-１００／日本ゼオン社製）で現像してマスク３４を形成した（図７（ｃ））。
【００６１】
これを反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ-２００Ｌ／サムコ社製）にてＯ２及びＡｒを流量１０ｓｃｃｍで同時に供給して８０Ｗ、１０Ｐａ、１２ｍｉｎの条件でエッチングを施し、ＣＮＴ集合体のマスク３４から露出した部分、すなわち不用部分を除去した（図７（ｄ））。ここでＡｒを導入することにより、ＣＮＴのケバがきれいに除去され、シャープなエッジが得られた。
【００６２】
最後に緩衝弗酸（４．７％ＨＦ，３６．２％ＮＨ４Ｆ，５９．１％Ｈ２Ｏ／森田化学工業社製）でＦＯＸ１６を除去し、且つＩＰＡで洗浄することにより、リレー５１の完成品を得た（図７（ｅ））。このリレー５１の電子顕微鏡写真像を図８に示す。
【００６３】
このリレー５１は、ソース（Ｓ）５３、ドレイン（Ｄ）５４、ゲート（Ｇ）５５を基板３１上に配置して構成される。ソース５３、ドレイン５４、ゲート５５のいずれも高密度なＣＮＴ集合体のみからなり、これらを構成する複数のＣＮＴは、全て同一方向に配向している。そしてその基本的構造は、図１（ａ）に示したタイプ、すなわち基板に当接する第１の部分、基板から離間した第２の部分、及び第１の部分と第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有しており、特にソース５３の部分においては、第１の部分、第２の部分、及び第３の部分のＣＮＴの配向軸がその長手方向について連続している。またソース５３、ドレイン５４、及びゲート５５のそれぞれは、予めスパッタリングなどで形成された金属電極を介して基板３１に接続している。なお、ソース５３における基板３１から離間した部分の寸法は、長さ３．６μｍ×幅１７０ｎｍ×厚さ５００ｎｍである。
【００６４】
このリレー５１においては、ソース５３並びにドレイン５４に電圧（５Ｖ）を印加した状態でゲート５５に印加する電圧を増大させる（０〜６０Ｖ）と、ゲート５５への印加電圧が約５０Ｖに達したところでソース５３における基板３１から離間した部分が静電引力によってドレイン５４に引寄せられ、両者が互いに接触してソース５３とドレイン５４との間が導通状態となった（図９（ａ））。そしてゲート５５への印加電圧を減少させると、ゲート５５への印加電圧が約２０Ｖを下回ったところでソース５３における基板３１から離間した部分がドレイン５４から離れて元の状態へと復帰した（図９（ｂ））。図１０にその時のゲート５５への印加電圧とソース５３とドレイン５４との間の電流との関係を示す。このように、リレー５１を構成する高密度なＣＮＴ集合体は、所定形状を自己保持し得る剛性と、負荷に応じて変形し且つ復元し得る弾性とを有すると共に、良好な導電性を有しているため、このような電流の断続動作を繰返し行わせることができる。
【００６５】
本実施例においては、ソース５３とドレイン５４との間の接離動作にヒステリシスが認められるが、これはソース５３とドレイン５４との間の吸着力とソース５３の弾発的復元力との関係によるものであり、このヒステリシスの大きさは、ソース５３とドレイン５４との互いの接触面の面積及びソース５３の遊端部の断面積によって適宜に調節可能である。
【００６６】
図８において３端子のリレーを例示したが、本発明によれば、図１１並びに図１２に示すような５端子のリレーも同様にして製造することができる。５端子のリレー６１は、基本的な構造は図１（ａ）に示したタイプとなっており、基板６２上にソース６３、第１ドレイン６４ａ、第２ドレイン６４ｂ、第１ゲート６５ａ、及び第２ゲート６５ｂを配置して構成され、第１ドレイン６４ａ並びに第１ゲート６５ａと、第２ドレイン６４ｂ並びに第２ゲート６５ｂとの間に、ソース６３と一体をなす可動片部６６が延出されている。これらソース６３、第１、第２ドレイン６４ａ、６４ｂ、第１、第２ゲート６５ａ、６５ｂ、および可動片部６６のいずれも、上述の３端子リレーと同様の高密度なＣＮＴ集合体のみからなり、各集合体を構成する複数のＣＮＴは、全て同一方向に配向している。
【００６７】
この例の場合も、第１ゲート６５ａと第２ゲート６５ｂとのいずれか一方に印加する電圧を増大させると、第１ドレイン６４ａと第２ドレイン６４ｂとのいずれか一方にソース６３が選択的に引寄せられてそれらの側面と接触し、電圧を減少させると元の状態に復帰することは、上述の３端子リレーと同様である。
【００６８】
本例の構造においては、第１、第２両ドレイン６４ａ、６４ｂとソース６３との間の吸着力を、ソース６３の弾発的復元力より大きくしておき、第１、第２各ゲート６５ａ、６５ｂへの印加電圧を減少させても、第１、第２両ドレイン６４ａ、６４ｂのいずれか一方とソース６３との接触状態が維持されるようにしておけば、第１ゲート６５ａと第２ゲート６５ｂとのいずれか一方に一時的に電圧を印加すれば、第１、第２両ドレイン６４ａ、６４ｂのいずれか一方に選択的にソース６３が接触したままになるメモリー素子として用いることができる。この場合、ソース６３が接触したドレインと反対側のゲートに電圧を印加すれば、ソース６３をドレインから離間させることができる。
【００６９】
＜両持ち梁状構造体＞
本発明によるＣＮＴ構造体は、上述した片持ち梁状構造体に限らず、両端が基板に接合し、中間部が基板から離間した両持ち梁状構造体にも適用できる。この場合は、上述した製造方法と同様に、基板から離間した中間部を犠牲層で形成すれば良い。このようにして得られた両持ち梁状構造体のモデルを図１３の電子顕微鏡写真像に示す。この両持ち梁状構造体７１は、ＣＮＴのみからなる高密度なＣＮＴ集合体で構成され、基板７２に当接する一対の固定部（第１の部分）７１Ａａ、７１Ａｂと、基板７２から空間７３をおいて離間する可動部（第２の部分）７１Ｂと、可動部７１Ｂと一対の固定部７１Ａａ、７１Ａｂとを連結する一対の屈曲部（第３の部分）７１Ｃａ、７１Ｃｂから構成されている。この両持ち梁状構造体７１のモデルは、一対の固定部７１Ａａ、７１Ａｂと一対の屈曲部７１Ｃａ、７１Ｃｂとが、共通の可動部７１Ｂを介して連続した形態となっている。つまり基板に当接する第１の部分、基板から離間した第２の部分、及び第１の部分と第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分とが、２組連続したものとして構成されている。そして可動部７１Ｂが、通常は基板７２から離間し、外力が加わると基板７２に接近するように変位可能になっている。
【００７０】
この両持ち梁状構造体７１を構成する複数のＣＮＴは、両持ち梁の長手方向について同一方向に配向しており、その重量密度は０．２３ｇ／ｃｍ３であり、その寸法は、厚さが５００ｎｍで幅が５μｍである。
【００７１】
このような両持ち梁状構造体７１をスイッチとして用いる場合は、基板７２における両持ち梁状構造体７１の固定部７１Ａａ、７１Ａｂに対応する部位に予めスパッタリングなどでソース電極（図示せず）を形成しておくと同時に、基板７２における両持ち梁状構造体７１の可動部７１Ｂに対応する部位に予めスパッタリングなどでドレイン電極７５及びゲート電極７６を形成すると共に犠牲層を形成しておき、これらの上面にフィルム状のＣＮＴ集合体を被着し且つ高密度化処理を施し、そのＣＮＴ集合体の不用部分をパターニング及びエッチングで除去することにより、スイッチを得ることができる。これによると、ゲート電極７６に電圧を印加すると、その時に発生する静電引力で可動部７１Ｂがゲート電極７６に吸引され、その結果、可動部７１Ｂがドレイン電極７５に接触し、ドレイン電極７５と図示していないソース電極との間が両持ち梁状構造体７１を介して導通することとなる。そしてゲート電極７６への印加電圧を断つと、可動部７１Ｂが元の位置に復帰してドレイン電極７５から離間する。
【００７２】
＜集積デバイス＞
本発明によれば、ＣＮＴのみからなるＣＮＴ構造体を適用した集積デバイスの製造が可能である。前述の３端子型リレーを集積化した例を図１４に示す。これは１つの基板上の４１０μｍ×３１０μｍ内に、６．８μｍ×１０μｍの３端子型リレーを同時に１２７６個形成した様子を示す電子顕微鏡写真像である。
【００７３】
〔検証例１〕
本発明による構造体の物理特性が、形状によって制御可能であることを、高密度化処理を施した単純梁を例にとって以下に示す。
【００７４】
片持ち梁仕様
厚さ：２５０ｎｍ
重量密度：０．４６４ｇ／ｃｍ３
長さ：１０、２０、３０、７０μｍ
幅：１０μｍ
両持ち梁仕様
厚さ：３１０ｎｍ
重量密度：０．３７４ｇ／ｃｍ３
長さ：３０、４０μｍ
幅：１０μｍ
これらの長さが互いに異なる複数の梁について、パルスレーザーによる梁状体の加熱振動およびレーザー反射による振動検出法（B. Ilic, S. Krylov, K. Aubin, R. Reichenbach, and H. G. Craighead, ”Optical excitation of nanoelectromechanical oscillators”, Appl. Phys. Lett. 86, 193114 (2005)を参照されたい ）により、共振周波数を測定した。その結果、図１５に示す通り、本発明によるＣＮＴ構造体は、長さ寸法が小さくなるに従って共振周波数が高くなる傾向を示すことが分かった。この構造体の長さと共振周波数との関係は、片持ち梁、両持ち梁ともに、図１５中に引いた弾性体の理論値曲線（細線：両持ち梁、太線：片持ち梁）とよく一致する。なお、理論値曲線は、図１５の右下に付記した理論式（ｆ：共振周波数、ｔ：厚さ、Ｌ：長さ、Ｅ：ヤング係数、ρ：密度）より、Ｅ、ρをフィッティング係数として導出されたものである。
【００７５】
この結果は、本発明によるＣＮＴ構造体の共振周波数すなわち力学特性が、形状に依存する、換言すると形状によって制御可能であることを示している。さらに、この結果は、本発明によるＣＮＴ構造体が周期的に振動可能なことを示しており、これは、本発明によるＣＮＴ構造体が、弾性体として機能し、すなわち、形状保持性、形状復元性を有していることを示している。
【００７６】
また図１５の右上に付記した表は、物質の力学特性を表す指標のひとつである音速である。音速が高い物質は軽量で強靭であり、ＭＥＭＳデバイス等の機械的要素に好適な材料と言える。測定結果からフィッティング係数によって得られた本発明によるＣＮＴ構造体の音速は、報告されている単結晶シリコン（Ｓｉ）の最高値である結晶方位（１１１）方向での特性と比して同等以上の値を示しており、本発明によるＣＮＴ構造体が、ＭＥＭＳデバイス等に極めて好適であることを示している。
【００７７】
ところで、高密度化前のフィルム状ＣＮＴ集合体は、重量が極めて小さいため、その重量密度の計測は困難である。そこで、高密度化前のフィルム状ＣＮＴ集合体の重量密度を、線状のパターニングを施さずに全面に金属触媒膜を成膜した基板から成長させたバルク状ＣＮＴ集合体の密度をもって推定するものとした。
【００７８】
ここでバルク状ＣＮＴ集合体の密度は、重さ／体積で計算されるが、様々な条件の下で、バルク状ＣＮＴ集合体の密度は一定となることが知られている。例えば非特許文献（Don N. Futaba, et al, 84% Catalyst Activity of Water-Assisted Growth of Single Walled Carbon Nanotube Forest Characterization by a Statistical and Macroscopic Approach, Journal of Physical Chemistry B, 2006, vol. 110, p. 8035-8038)には、バルク状ＣＮＴ集合体の重量密度は、集合体の高さが２００μｍから１ｍｍまで一定の値（０．０２９ｇ／ｃｍ３）であることが報告されている。つまりバルク状ＣＮＴ集合体の成長と略同等の成長条件および触媒を用いて成長させたフィルム状ＣＮＴ集合体の密度は、バルク状ＣＮＴ集合体の密度と大きく相違しないものと推察できる。
【００７９】
高密度化工程でのフィルム状ＣＮＴ集合体の圧縮率を〈圧縮率＝元の厚さ÷高密度化後の厚さ〉と定義すると、高密度化後のフィルム状ＣＮＴ集合体の重量密度は〈ＣＮＴ密度＝圧縮率×０．０２９ｇ／ｃｍ３〉となる。これによって各厚さのフィルム状ＣＮＴ集合体の高密度化後の重量密度を導出したところ、重量密度が０．１１ｇ／ｃｍ３のフィルム状ＣＮＴ集合体においても、基板との密着性が十分に保たれており、上述の各実施例と同様のパターニングが可能であった。これに対し、高密度化処理前のフィルム状ＣＮＴ集合体（重量密度０．０２９ｇ／ｃｍ３）の場合は、基板との密着性不足やレジストの侵食などにより、公知のエッチング、リソグラフィー技術の適応が実質的に不可能であった。以上に鑑み、本発明に適応可能なＣＮＴ構造体における高密度化処理後の重量密度の範囲を０．１ｇ／ｃｍ３と規定した。
【００８０】
本発明において制御可能なフィルム状ＣＮＴ集合体の重量密度は、原理的には、ＣＮＴの直径を制御することによって幅広い範囲で実現することができる。すべてのＣＮＴが等しい直径を有し、且つ高密度化工程によってすべてのＣＮＴが最密充填されるものと仮定すると、ＣＮＴの直径寸法が小さくなるに従って高密度化後のＣＮＴ密度は増加することが容易に計算できる（図１６を参照されたい）。上述した実施例で用いたフィルム状ＣＮＴ集合体のＣＮＴの平均直径は２．８ｎｍ程度であるが、この場合のＣＮＴが最密充填したとして重量密度は、図１６に示す通り、０．７８ｇ／ｃｍ３程度である。この点に関しては、すでに非特許文献（Ya-Qiong Xu, et al, Vertical Array Growth of Small Diameter Single-Walled Carbon Nanotubes, J. Am. Chem. Soc., 128 (20), 6560 -6561, 2006）に報告されている技術を用いることにより、ＣＮＴの直径をより小さいもの（１．０ｎｍ程度）にすることは可能であることが分かっている。このことから、ＣＮＴの直径を小さくすることにより、最大１．５ｇ／ｃｍ３程度までは重量密度を高めることが可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明によるＣＮＴ構造体の基本的構造を示す概念的断面図である。
【図２】本発明によるＣＮＴ構造体の製造方法の概略工程を示すフロー図である。
【図３】本発明による片持ち梁状構造体の製造手順を示す模式図である。
【図４】本発明に用いるフィルム状集合体の顕微鏡写真像である。
【図５】本発明による片持ち梁状構造体の一例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図６】片持ち梁状構造体のスイッチへの適用例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図７】本発明によるリレーの製造手順を示す模式図である。
【図８】図７に示した手順で製造されたリレーの一例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図９】図８に示したリレーの作動説明図である。
【図１０】図８に示したリレーのゲート電圧とソース〜ドレイン間電流との関係線図である。
【図１１】図７に示した手順で製造されるリレーの別例を示す配置図である。
【図１２】図１１に示したリレーの電子顕微鏡写真像である。
【図１３】本発明による両持ち梁状構造体の一例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図１４】図８に示したリレーを集積化した基板の電子顕微鏡写真像である。
【図１５】長さが互いに異なる梁状体におけるそれぞれの共振周波数と長さとの関係を示すグラフである。また、表は測定から得られたＣＮＴ梁状構造体の音速及び過去に報告されている単結晶シリコンの（１１１）方向の音速を示す。さらに、２つの式は、弾性体の片持ち梁および両持ち梁の長さと共振周波数との関係を示す理論式である。
【図１６】ＣＮＴの直径と最密充填した時の重量密度との関係線図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ ＣＮＴ構造体
２ ＣＮＴ集合体
２Ａ 第１の部分
２Ｂ ２の部分
２Ｃ 第３の部分
３ 基部
Ｓ１ 化学気相成長工程
Ｓ２ 集合体取り外し工程
Ｓ４ 液体晒し工程
Ｓ５ 集合体載置工程
Ｓ６ 形状固定化工程
Ｓ７ 不用部分除去工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ構造体及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、一方向に配向した複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ集合体で構成された立体形状部を有するカーボンナノチューブ構造体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、特異な物理的、化学的特性を有するカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとも称する）をマイクロマシン（ＭＥＭＳ）用デバイスや電子デバイスに適用しようとする機運が高まっている。例えば、ＣＮＴからなる探針の基端をカンチレバーのピラミッド部に別工程で付着させて原子間力顕微鏡のプローブを構成する技術（特許文献１）が知られている。しかしこの技術は、カンチレバーと探針とが個別に形成された別部材であり、製造工程が繁雑になりがちである。
【０００３】
また、パターニング技術でモールド型を基板に形成し、ＣＮＴを溶媒に分散させた溶液をモールド型に充填し、溶媒を揮発させてナノメートルサイズの構造体やＭＥＭＳ構造体を得る技術（特許文献２）が知られている。しかしこの技術は、製造工程が繁雑である上にＣＮＴの配向を制御し難い。つまり同一方向に配向した複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体は、電気的特性（たとえば導電率）や光学的特性（たとえば透過率）や機械的特性（たとえば曲げ特性）などの物理特性について、配向方向とそれに直交する方向とで異なる特性（異方性）を備えることが知られているが、特許文献２に記載のものは、その製法上、完成した構造体に異方性を与えることは困難である。このように複数のＣＮＴの向きがランダムであると、均一に且つ隙間なく複数のＣＮＴを充填することができないため、所望の機械的強度を備えた高密度なＣＮＴ集合体を得ることも困難である。
【０００４】
また、基板上に凹部または凸部を形成し、基板の凹部または凸部の形成面から垂直配向させて形成した複数のＣＮＴを凹部または凸部上に倒すことにより、ＣＮＴで凹部を跨ぐ、あるいはＣＮＴを凹凸に沿わせるものが知られている（特許文献３（例えば図１６、図２１参照））。本文献には、一方向に配向し且つ配向軸が連続的に変化している複数のＣＮＴからなる電子デバイス、なかんずくスイッチへの適用を示唆する記載がある（例えば本文献の請求項４）。しかし本文献に記載のものは、基板からＣＮＴを離間させるには、凹部または凸部を基板に形成しなければならない上、ＣＮＴを直接成長させるために耐熱性の高い基板が必要である。しかも本文献には、複数のＣＮＴを集合体とする技術思想は認められず、可動端子を支持するカンチレバーなど、弾発的復元性を要する部位への適用は示唆されていない。
【０００５】
さらに、所定方向へ配向したＣＮＴ集合体を高密度化（０．２〜１．５ｇ／ｃｍ３）して剛性を高める技術を本発明と同一出願人は既に提案しているが（特許文献４）、これにおいては、任意の立体形状への成形性は何等考慮されていない。
【０００６】
いずれにしても、リレー、メモリー等のスイッチング素子やセンサのプローブは、可動接点や探針を支持するための弾性構造体を要することが一般的であり、これをＣＮＴで形成するためには、所望に応じて物理特性が制御された立体形状の構造体を得ることが不可欠である。しかるに、構造体の物理特性はその形状に依存するが、上述の通り従来の技術によると、異方性を有するＣＮＴだけで任意の立体形状の構造体を一体形成することはできず、特に外力や電流を断った時に元の位置に復帰する形状復元性を得ることは困難であった。なお、本明細書においてＣＮＴ集合体とは、複数のＣＮＴ（例えば本数密度が５×１０１１本／ｃｍ２以上）がファン・デア・ワールス力により強固に結合し、層状または束状に集合した状態となっているものを意味する。
【特許文献１】特開２００５−３１９５８１号公報
【特許文献２】特開２００７−６３１１６号公報
【特許文献３】特開２００６−２２８８１８号公報
【特許文献４】特開２００７−１８２３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来技術の実状に鑑みてなされたものであり、制御され且つ安定した所望の物理特性および異方性を有するＣＮＴだけで一体成形された任意の立体形状の構造体及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、上記課題を解決するため、以下の発明が提供される。
【０００９】
〔１〕同一方向に配向した複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体２で構成されたＣＮＴ構造体１を、前記ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であり、基部３に当接する第１の部分２Ａ、前記基部から離間した第２の部分２Ｂ、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分２Ｃを有し、前記第１の部分、前記第２の部分、及び前記第３の部分における少なくとも一部のＣＮＴの配向軸が連続しているものとする。なお、本発明において、「基部」とは、基板のみならず、ブロック状の基台や、角柱や円柱上の構造物であってもよく、凸部や凹部（溝やトレンチ、段部等）が形成されたものであってもよい。
【００１０】
このようにすれば、高密度なＣＮＴ集合体で構造体が形成されるので、異方性を有し且つ形状の自己保持性および復元性にすぐれた任意の立体形状の構造体をＣＮＴのみで一体形成することができる。より詳しく言うと、同一方向に配向したＣＮＴは、均一に且つ隙間なく所望の容積に充填することが容易であり、また、ファン・デア・ワールス力で複数のＣＮＴ同士が強く結合している。かかる高密度なＣＮＴ集合体は、一体性、形状保持性、形状復元性を有する云わば固体状の物質となり、ＭＥＭＳ用デバイス等に必要な物理特性を備えたものとなる。このような観点からＣＮＴ集合体に求められるＣＮＴの配向性は、高密度化工程が可能となり、ＭＥＭＳ用デバイス等を実用化する上でのＣＮＴ集合体の一体性、形状保持性、形状復元性、並びに形状加工性が実用上許容される程度であればよく、必ずしも完全である必要はない。
【００１１】
〔２〕同一方向に配向した複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体で構成されたＣＮＴ構造体の製造方法を、基板の表面に形成された金属触媒膜から複数のＣＮＴを同一方向に化学気相成長させてＣＮＴ集合体を得る化学気相成長工程Ｓ１と、前記ＣＮＴの集合体を前記基板から取り外す集合体取り外し工程Ｓ２と、表面に立体形状部を備えた第２の基板を製作する第２基板製作工程Ｓ３と、前記基板から取り外したＣＮＴ集合体を前記立体形状部に適合した所定形状に成形する立体形状成形工程Ｓ４、Ｓ５と、前記第２の基板上で所定形状をなすＣＮＴ集合体に高密度化処理を施すことによって前記ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上となるようにして前記所定の立体形状を固定する形状固定化工程Ｓ６と、少なくとも前記固定化されたＣＮＴ集合体の不用部分を選択的に除去する不用部分除去工程Ｓ７とを含むこととする。
【００１２】
〔３〕特に、前記所定形状は、前記第２の基板に当接する第１の部分、前記第２の基板から離間した第２の部分、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有することとするとよい。
【００１３】
〔４〕また前記立体形状成形工程は、前記ＣＮＴ集合体を液体に晒す液体晒し工程Ｓ４と前記ＣＮＴ集合体を前記第２の基板上に載置する載置工程Ｓ５とを含み、前記形状固定化工程は、液体を含浸した前記ＣＮＴ集合体を前記第２の基板上に載置された状態で乾燥させる工程を含むこととするとよい。
【００１４】
〔５〕さらに前記第２の基板が備える立体形状部は犠牲層２２であり、前記不用部分除去工程は前記犠牲層の除去を含む工程とするとよい。
【００１５】
このようにすれば、合成直後の低密度な状態のＣＮＴ集合体を成形することができるので、任意の立体形状を容易に得ることができ、ＣＮＴ集合体を成形後に高密度化することにより、高い保形性を得ることができる。従って、例えばスイッチの可動接点やプローブの探針を支持するカンチレバー等に要求される復元力が得られるので、これらをＣＮＴだけで一体成形することができる。また高密度化されたものは、周知のパターニング技術及びエッチング技術を適用可能であり、任意の形状への加工が容易である。特に構造体の物理特性は形状に依存するため、所望の形状に成形可能なことは、所望の物理特性を持つ構造体の形成が可能なことを意味する。しかもＣＮＴ集合体を合成する基板とＣＮＴ構造体を実装する基板とが別々の基板となるので、ＣＮＴ構造体を実装する基板材質の設定自由度も高まる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、上記のような技術的手段ないし手法を採用したので、所望の物理特性および異方性を有するＣＮＴだけで一体成形された任意の立体的形状の構造体及びその製造方法を提供する上に多大な効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
本発明のＣＮＴ構造体は、一方向に配向した複数のＣＮＴからなり、ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上のＣＮＴ集合体で構成されたものであり、基部に当接する第１の部分、基部から離間した第２の部分、及び第１の部分と第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有し、これら第１の部分、第２の部分、及び第３の部分における少なくとも一部の配向軸が連続していることにその特徴がある。
【００１９】
＜基本構造＞
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明のＣＮＴ構造体の概念を断面図で示す。図１（ａ）において、１はＣＮＴ構造体であり、２はＣＮＴ構造体を構成するＣＮＴ集合体である。ＣＮＴ構造体１は、基部３に当接する第１の部分２Ａと、基部３から空間４をおいて離間する（この例では基部３の上面から離間している）第２の部分２Ｂと、第１の部分２Ａと第２の部分２Ｂとを連結する屈曲した第３の部分２Ｃとから構成される。
【００２０】
ＣＮＴ集合体２を構成する複数のＣＮＴは、その軸線を一定方向に向けており、第１の部分２Ａ、第２の部分２Ｂ、及び第３の部分２Ｃにおける各配向軸が連続している。つまりこのＣＮＴ集合体２には高い配向性（異方性）がある。なお、ＣＮＴに要求される配向性は、高密度化処理の実施が可能となり、ＭＥＭＳ用デバイス等を実用化する上でのＣＮＴ構造体１の一体性、形状保持性、並びに形状加工性が許容される程度であればよく、必ずしも完全である必要はない。
【００２１】
ＣＮＴ集合体２は、互いに隣接するＣＮＴ同士が配向しているため、ファン・デア・ワールス力によって強く結合した状態となっており、その重量密度は、上記の通り０．１ｇ／ｃｍ３以上となっている。このようにＣＮＴ集合体２におけるＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であると、均一に且つ隙間なくＣＮＴが充填され、ＣＮＴ集合体２が固体としてのリジッドな様相を呈し、ＭＥＭＳ用デバイスや電子デバイスに適用する上でＣＮＴ構造体１に要求される機械的特性（剛性あるいは曲げ弾性など）や電気的特性（導電性など）が得られるようになる。この逆に、ＣＮＴの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３に満たないと、ＣＮＴ集合体２を構成するＣＮＴ同士間に有意な隙間が発生する。そのため、ＣＮＴ集合体２がリジッドな固体ではなくなり、所要の機械的強度が得られなくなることはもとより、周知のパターニング技術やエッチング技術を適用した際に、例えばレジスト等の薬液がＣＮＴ同士間の隙間に沁み込んでしまい、所望の形状を持つＣＮＴ構造体１の形成が困難となる。ここでＣＮＴ集合体におけるＣＮＴの重量密度は、一般的には大きければ大きいほど好ましいが、製造上の制限からその上限値は１．５ｇ／ｃｍ３程度である。
【００２２】
本発明のＣＮＴ構造体１は、任意の立体形状を自己保持できるので、凸部や凹部などの支持部を基部３に形成せずに、その遊端部あるいは中間部を基部３から離間させた状態を維持することができる。またその遊端部あるいは中間部に外力が作用した際には、その遊端部あるいは中間部を、外力の作用方向に応じて変位させることができ、且つ外力が消失した際には、元の状態に復元可能である。従って、その機械的特性や電気的特性と相俟って、スイッチ、リレー、プローブ等のＭＥＭＳ用デバイスや電子デバイスの構成部材として、集積回路などを形成する表面がフラットな基板に好適に使用することができる。
【００２３】
ＣＮＴ集合体２を構成するＣＮＴは、単層ＣＮＴであってもよいし、多層ＣＮＴであってもよいし、これらが混在しているものであってもよい。いずれの種類のＣＮＴを用いるかは、ＣＮＴ構造体１の用途に応じて決めることができ、例えば、高い導電性や可撓性などが要求される場合には単層ＣＮＴを用いることができ、剛性や金属的性質などが重視される場合には多層ＣＮＴを用いることができる。
【００２４】
図１（ａ）では、ＣＮＴ集合体２における基部３に当接する第１の部分２Ａより上方に第２の部分２Ｂが位置しているが、図１（ｂ）に示すように、両者の位置関係は逆となっていてもよい。図１（ｂ）のものは、基部３の適所に段部５を形成することにより、このような位置関係が実現されている。
【００２５】
＜製造方法＞
次に、本発明によるＣＮＴ構造体の製造方法について図２を参照して説明する。
【００２６】
本発明に係るＣＮＴ構造体の製造方法は、図２に示す通り、次の各工程よりなる。
Ａ．化学気相成長工程（ステップＳ１）
一定幅の直線状パターンの金属触媒膜を表面に形成してなる成長用基板（図示せず）を用い、金属触媒膜から基板の表面と交差する一定方向に複数のＣＮＴを化学気相成長（以下ＣＶＤとも称す）させてＣＮＴ集合体を得る。ここで複数のＣＮＴの成長する方向は、一般的には基板の表面に対して垂直方向であるが、実質的に一定方向でありさえすれば、その角度に格別な規定はない。
Ｂ．集合体取り外し工程（ステップＳ２）
成長用基板上で成長したフィルム状のＣＮＴ集合体を、例えばピンセットのような治具を用いて成長用基板から取り外す。
Ｃ．第２基板製作工程（ステップＳ３）
成長用基板上で成長したフィルム状のＣＮＴ集合体を載置する立体形状部（凸部または凹部）を備えた第２の基板を別工程で製作する。
Ｄ．立体形状成形工程
Ｄ−１．成長用基板から取り外した低密度なＣＮＴ集合体を液体に晒す（ステップＳ４）。
Ｄ−２．成長用基板から取り外した低密度なＣＮＴ集合体を第２の基板の所定位置に載置して第２の基板の立体形状部の表面輪郭にＣＮＴ集合体を沿わせる（ステップＳ５）。
Ｅ．形状固定化工程（ステップＳ６）
液体に晒したＣＮＴ集合体を第２の基板の表面に被着した状態で乾燥させて高密度化（０．１ｇ／ｃｍ３以上）し、第２の基板の立体形状部の表面輪郭に倣った所定形状に固定する。
Ｆ．不用部分除去工程（ステップＳ７）
所定形状に固定されたＣＮＴ層からパターニング技術およびエッチング技術によって不用部分を除去すると共に、立体形状部が犠牲層で形成されている場合はそれも除去する。
【００２７】
＜片持ち梁状構造体＞
以下、本発明によるＣＮＴ構造体の一例として、片持ち梁状構造体の製造方法について図３を併せて参照して更に具体的に説明する。
【００２８】
先ず、化学気相成長工程（図２のステップＳ１）においては、例えば、厚さ１ｎｍ、幅４μｍの直線状パターンの金属触媒膜を表面に成膜した成長用基板（図示せず）を用意し、この金属触媒膜から基板の表面と交差する一定方向（例えば基板の表面に対して垂直な方向）に、複数のＣＮＴからなるＣＮＴ集合体を、周知のＣＶＤ法によって成長させる。
【００２９】
ここで用いる基板としては、ＣＮＴの製造技術において従来周知の各種の材料を用いることができ、典型的には、鉄、ニッケル、クロムなどの金属および金属の酸化物や、シリコン、石英、ガラスなどの非金属、あるいはセラミックスよりなる表面が平坦なシート材あるいは板材などを使用することができる。
【００３０】
直線状パターンの金属触媒膜としては、これまでＣＮＴの製造に使用された実績のある適宜な金属を用い、周知の成膜技術を用いて形成することができる。典型的には、レジストマスクを用いたスパッタリング蒸着法で成膜した金属薄膜、たとえば鉄薄膜、塩化鉄薄膜、鉄−モリブデン薄膜、アルミナ−鉄薄膜、アルミナ−コバルト薄膜、アルミナ−鉄−モリブデン薄膜等を例示することができる。また金属触媒膜の膜厚は、触媒として用いる金属に応じた最適値に設定すればよく、例えば、鉄金属を用いた場合には、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
【００３１】
金属触媒膜の幅は、最終的に形成するＣＮＴ構造体の所要厚さに応じて設定することができ、高密度化後におけるＣＮＴ集合体の厚さの５〜２０倍の値に設定される。ここで高密度化後のＣＮＴ集合体の厚さは、これが１０ｎｍ以上であると、膜としての一体性を保持できるようになると共に、電子デバイスやＭＥＭＳ用デバイスに用いる物品としての機能を発揮する上に要する導電性が得られるようになる。高密度化後のＣＮＴ集合体の厚さの上限値に格別な制限はないが、電子デバイスやＭＥＭＳ用デバイスに利用する場合は、１００ｎｍ〜５０μｍ程度の範囲が好ましい。
【００３２】
ＣＶＤ法におけるＣＮＴの原料となる炭素化合物としては、従来と同様に、炭化水素、なかでも低級炭化水素、例えばメタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、アセチレン等が好適なものとして使用可能である。
【００３３】
反応の雰囲気ガスは、ＣＮＴと反応せず、成長温度で不活性であればよく、そのようなものとしては、ヘリウム、アルゴン、水素、窒素、ネオン、クリプトン、二酸化炭素、塩素等や、これらの混合気体が例示できる。
【００３４】
反応の雰囲気圧力は、これまでＣＮＴが製造された圧力範囲であれば適用可能であり、例えば１０2Ｐａ〜１０7Ｐａの範囲の適切な値に設定することができる。
【００３５】
ＣＶＤ法における成長反応時の温度は、反応圧力、金属触媒、原料炭素源等を考慮した上で適宜定められるが、通常、４００〜１２００（より好ましくは６００〜１０００）℃の範囲であるとＣＮＴを良好に成長させることができる。
【００３６】
この方法により、一定方向へ配向した複数のＣＮＴが所定サイズのフィルム状に成長したＣＮＴ集合体が得られる（図４参照）。
【００３７】
本発明に適用するＣＮＴ集合体を製造するに当たっては、本発明と同一出願人が先に提案した、反応雰囲気中に水分などを存在させて多量の垂直配向ＣＮＴを成長させる方法（Kenji Hata et al, Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes, SCIENCE, 2004.11.19, vol. 306, p. 1362-1364、あるいはＰＣＴ／ＪＰ２００８／５１７４９号明細書などを参照されたい）を適用可能である。
【００３８】
この方法によって得られたＣＮＴ集合体は、純度９８質量％以上、重量密度０．０３ｇ／ｃｍ３程度、比表面積６００〜１３００ｍ３（未開口）／１６００〜２５００ｍ３（開口）、異方性の大小の大きさ比が１：３以上、最大１：１００という優れた特性を有しており、これに高密度化処理を施したものは、本発明のＣＮＴ構造体の製作に好適に適用可能である。
【００３９】
なお、本発明に適用可能な垂直配向のＣＮＴ集合体を得るための技術としては、種々の公知の方法を適宜用いることができ、例えば、プラズマＣＶＤ法（Guofang Zhong et al, Growth Kinetics of 0.5 cm Vertically Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes, Journal of Physical Chemistry B, 2007, vol. 111, p. 1907-1910)を用いてもよい 。
【００４０】
次に、集合体取り外し工程（図２のステップＳ２）において、化学気相成長工程Ｓ１で製造したフィルム状をなすＣＮＴ集合体を成長用基板から取り外す。
【００４１】
次に、第２基板製作工程（図２のステップＳ３）において、立体形状部としての犠牲層を備えた第２の基板を製作する。犠牲層の製作工程においては、例えば、厚さ２００ｎｍのＳｉ３Ｎ４層を有するシリコン基板２１を用意し、これの表面をイソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡとも称する）で超音波洗浄し、且つＯ２プラズマを３００Ｗで１分間照射して清浄化した上で、１５０℃で１０分間ベークして脱水する。これに例えばＨＳＱ[hydrogensilsesquioxane]（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し且つ２５０℃で２分間ベークしたものに、電子線描画装置（ＣＡＢＬ８０００／クレステック社製）で矩形パターンを描画した後に現像することにより、図３（ａ）に示すように、厚さ４４０ｎｍ×幅１μｍ×長さ５μｍの犠牲層２２を形成した。
【００４２】
なお、第２基板製作工程Ｓ３は、化学気相成長工程Ｓ１の以前に行ってもよいし、両工程Ｓ１、Ｓ３を並行して行ってもよい。
【００４３】
次の立体形状成形工程は、液体晒し工程Ｓ４と集合体載置工程Ｓ５とに分けられ、液体晒し工程Ｓ４においては、成長用基板から取り外したＣＮＴ集合体２３を液体に晒し、集合体載置工程Ｓ５においては、集合体取り外し工程Ｓ２で成長用基板から取り外したＣＮＴ集合体２３を、第２の基板である犠牲層２２が設けられたシリコン基板２１上に載置する。
【００４４】
これら液体晒し工程Ｓ４と集合体載置工程Ｓ５とは、どちらを先に行っても結果は同じとなり、シリコン基板２１上にＣＮＴ集合体２３を載置した後にスプレー等でＣＮＴ集合体２３に液体を染み込ませたり、液体に浸漬したＣＮＴ集合体２３を液中から取り上げてシリコン基板２１上に載置したりすることも可能である。好ましくは、シリコン基板２１上でのＣＮＴ集合体２３の位置合わせ作業が容易な点に鑑み、集合体取り外し工程Ｓ２で取り外したフィルム状のＣＮＴ集合体２３を、表面張力下で水滴状の形態を保ってシリコン基板２１上に存在している液体中に浸すようにして載置、位置決めするとよい。このように、シリコン基板２１における犠牲層２２が設けられた部位に適量の液体を滴下した状態でＣＮＴ集合体２３を載置すると、ＣＮＴ集合体２３に液体が浸み込むので、液体晒し工程Ｓ４と集合体載置工程Ｓ５とを同時に行うことができる。
【００４５】
液体晒し工程Ｓ４で用いる液体としては、ＣＮＴと親和性があり、ＣＮＴを湿潤状態とした後、乾燥させたときに残留する成分がないものを使用することが好ましい。このような液体としては、たとえば水、アルコール類（ＩＰＡ、エタノール、メタノール）、アセトン類（アセトン）、ヘキサン、トルエン、シクロヘキサン、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等を用いることができる。また液体に浸す時間としては、ＣＮＴ集合体２５の内部に気泡が残らずに全体が満遍なく濡れるのに十分な時間であればよい。
【００４６】
合成直後のＣＮＴ集合体２３は低密度（重量密度：０．０３ｇ／ｃｍ３程度）であり、やわらかく且つ互いに隣り合うＣＮＴ同士の結合力もさほど高くないので、図３（ｂ）に示すように、基板２１および犠牲層２２の輪郭形状に倣ってこれらの表面をＣＮＴ集合体２３が隙間なく覆う。ここで、基板２１の表面と犠牲層２２の表面に直接接している部分のＣＮＴ集合体２３におけるＣＮＴの配向方向は、基板２１の表面と平行な方向となっている。
【００４７】
次の形状固定化工程（図２のステップＳ６）においては、典型的には、液体を含浸したＣＮＴ集合体２３を乾燥させる、つまりＣＮＴ集合体２３に付着した液体を蒸発させることで行う。ＣＮＴ集合体２３を乾燥させる手法としては、たとえば室温窒素雰囲気下での自然乾燥、真空引き乾燥、アルゴン等の不活性ガス存在下での加熱などを用いることができる。
【００４８】
ＣＮＴ集合体２３は、液体に晒されると、各ＣＮＴ同士が密着して全体の体積が少し収縮し、液体の蒸発と共に密着度がより一層高まって体積がかなり収縮し、結果として高密度化する。このとき、犠牲層２２を含むシリコン基板２１との接触抵抗により、シリコン基板２１および犠牲層２２の表面と平行な方向についての収縮は殆ど無く、厚さ方向のみの収縮となり、成長時の配向状態および立体形状を維持したまま高密度化する。本例の場合、成長用基板から取り外した合成直後のＣＮＴ集合体２３の厚さが４μｍであったものが、形状固定化工程Ｓ６終了後に５００ｎｍに収縮していた（重量密度：０．２３ｇ／ｃｍ３）。これと同時に、高密度化したＣＮＴ集合体２３とシリコン基板２１および犠牲層２２の間にも強い相互作用が働き、シリコン基板２１および犠牲層２２にＣＮＴ集合体２３が強く貼り付いた状態となる。
【００４９】
上記形状固定化工程においてＣＮＴ集合体２３が厚さ方向のみに収縮する理由は、ＣＮＴ間に液体が入り込むことによって表面張力が生じ、それによって収縮が起きると推定される。したがって、形状固定化工程における高密度化する手法は、ＣＮＴ間に表面張力を生じさせる手法であれば上述の手法に限定されず、たとえば高温蒸気などを用いる手法を適用することも可能である。
【００５０】
次の不用部分除去工程（図２のステップＳ７）では、形状固定化工程Ｓ６で高密度化されて所定の立体形状に固定されたＣＮＴ集合体２３の表面にレジストＨＳＱ（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し、２５０℃で２分間ベークした。
【００５１】
次に、電子線描画装置（ＣＡＢＬ８０００／クレステック社製）にてレジスト被膜に所定のパターンを描画し、それを水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（２．３８％、ＺＴＭＡ-１００／日本ゼオン社製）で現像してマスク２４を形成した（図３（ｃ））。これを反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ-２００Ｌ／サムコ社製）にてＯ２及びＡｒを流速１０ｓｃｃｍで同時に供給しながら８０Ｗ、１０Ｐａ、１２ｍｉｎの条件でエッチングを施し、ＣＮＴ集合体２３のマスクから露出した部分、すなわち不用部分を除去した（図３（ｄ））。ここでＡｒを導入することにより、ＣＮＴのケバがきれいに除去され、シャープなエッジが得られた。
【００５２】
最後に、マスク２４の表層並びに犠牲層２２を形成しているＦＯＸ１６を緩衝弗酸（４．７％ＨＦ、３６．２％ＮＨ４Ｆ、５９．１％Ｈ２Ｏ／森田化学工業社製）で除去し、且つＩＰＡで洗浄することにより、基板２１に当接した基端部（第１の部分）２５Ａと、基板２１から離間した片持ち梁部（第２の部分）２５Ｂとが、屈曲形状部（第３の部分）２５Ｃを介して一体をなすＣＮＴ構造体２５を得た（図３（ｅ））。
【００５３】
ここで洗浄液の乾燥には、超臨界乾燥を行うとよい。これにより、洗浄液が蒸発する際にＣＮＴとの界面に表面張力が作用しないので、片持ち梁部２５Ｂが微細であっても変形せずに済み、通常は基板２１から離間した形状を保持することができる。
【００５４】
以上の各工程を経て実際に得られた片持ち梁状構造体のモデルを図５の電子顕微鏡写真像に示す。この片持ち梁状構造体１１は、基板１２に当接した基端部（第１の部分）１１Ａと、基板１２から離間した可動片部（第２の部分）１１Ｂとが、屈曲形状部（第３の部分）１１Ｃを介して一体をなしており、片持ち梁状構造体１１の長手方向に配向した複数のＣＮＴからなるフィルム状のＣＮＴ集合体１３で構成されており、スイッチの可動接点あるいはプローブの探針の支持部材として用いることができるものである。
【００５５】
この片持ち梁状構造体１１は、リジッドな立体形状を自己保持できる剛性を有すると共に適度な曲げ弾性を有し、かつ良好な導電性を有している。そして可動片部１１Ｂの遊端に例えば下向きの力を作用させると可動片部１１Ｂが下向きに撓み、力を解除すると元の状態に復帰する。この例では、片持ち梁状構造体１１の可動片部１１Ｂはスイッチやリレー、センサ等への適用のために、先端が尖った形状に形成されており、基板１２から離間した可動片部１１Ｂの寸法は、長さ４μｍ×幅２００ｎｍ×厚さ５００ｎｍである。これら各部の寸法は用途に応じて適宜設定できる。また、断面形状は長方形のほか、正方形、円形、楕円形、多角形等、各種形状とすることができ、その断面形状や大きさを長さ方向にわたって変化させることもできる。
【００５６】
このような片持ち梁状構造体をスイッチとして用いる場合は、図６に示すように、基板４１における片持ち梁状構造体４２の基端部４２Ａに対応する部位に予めスパッタリングなどでソース電極（図示せず）を形成しておくと同時に、基板４１における片持ち梁状構造体４２の可動片部４２Ｂに対応する部位に予めスパッタリングなどでドレイン電極４３及びゲート電極４４を形成すると共に犠牲層（図示せず）を形成しておき、これらの上面にフィルム状のＣＮＴ集合体を被着して高密度化した後に、そのＣＮＴ集合体の不用部分をパターニング及びエッチングで除去することにより、スイッチを得ることができる。これによると、ゲート電極４４に電圧を印加すると、その時に発生する静電引力で可動片部４２Ｂがゲート電極４４に吸引され、その結果、可動片部４２Ｂがドレイン電極４３に接触し、ドレイン電極４３と図示していないソース電極との間が片持ち梁状構造体４２を介して導通することとなる。そしてゲート電極４４への印加電圧を断つと、可動片部４２Ｂが元の位置に復帰してドレイン電極４３から離間する。
【００５７】
＜リレー＞
次に、本発明のＣＮＴ構造体をリレーに適用した例について図７を参照して説明する。
【００５８】
先ず、上述した片持ち梁状構造体１１の例と同様に、厚さ２００ｎｍのＳｉ３Ｎ４層を有するシリコン基板３１上にＴｉ及びＡｕの電極をスパッタリング形成したものを用意し、これにＨＳＱ（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し且つ２５０℃で２分間ベークした後にパターニングすることにより、厚さ４４０ｎｍ×幅３μｍ×長さ６μｍの犠牲層３２を形成した（図７（ａ））。
【００５９】
その上面にフィルム状をなすＣＮＴ集合体３３（厚さ：４μｍ、重量密度：０．０３ｇ／ｃｍ３）を載置し且つ液体に晒した後に乾燥することにより、犠牲層３２を覆った部分が盛り上がった立体形状にＣＮＴ集合体３３が固定され且つ高密度化（厚さ：５００ｎｍ、重量密度：０．２３ｇ／ｃｍ３）された（図７（ｂ））。
【００６０】
このようにして基板３１に被着したＣＮＴ集合体３３の表面に、レジストＨＳＱ（ＦＯＸ１６／ダウコーニング社製）をスピンコート法で塗布し、２５０℃で２分間ベークした。この後、電子線描画装置（ＣＡＢＬ８０００／クレステック社製）にてレジスト被膜に所定のパターンを描画し、それを水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（２．３８％、ＺＴＭＡ-１００／日本ゼオン社製）で現像してマスク３４を形成した（図７（ｃ））。
【００６１】
これを反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ-２００Ｌ／サムコ社製）にてＯ２及びＡｒを流量１０ｓｃｃｍで同時に供給して８０Ｗ、１０Ｐａ、１２ｍｉｎの条件でエッチングを施し、ＣＮＴ集合体のマスク３４から露出した部分、すなわち不用部分を除去した（図７（ｄ））。ここでＡｒを導入することにより、ＣＮＴのケバがきれいに除去され、シャープなエッジが得られた。
【００６２】
最後に緩衝弗酸（４．７％ＨＦ，３６．２％ＮＨ４Ｆ，５９．１％Ｈ２Ｏ／森田化学工業社製）でＦＯＸ１６を除去し、且つＩＰＡで洗浄することにより、リレー５１の完成品を得た（図７（ｅ））。このリレー５１の電子顕微鏡写真像を図８に示す。
【００６３】
このリレー５１は、ソース（Ｓ）５３、ドレイン（Ｄ）５４、ゲート（Ｇ）５５を基板３１上に配置して構成される。ソース５３、ドレイン５４、ゲート５５のいずれも高密度なＣＮＴ集合体のみからなり、これらを構成する複数のＣＮＴは、全て同一方向に配向している。そしてその基本的構造は、図１（ａ）に示したタイプ、すなわち基板に当接する第１の部分、基板から離間した第２の部分、及び第１の部分と第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有しており、特にソース５３の部分においては、第１の部分、第２の部分、及び第３の部分のＣＮＴの配向軸がその長手方向について連続している。またソース５３、ドレイン５４、及びゲート５５のそれぞれは、予めスパッタリングなどで形成された金属電極を介して基板３１に接続している。なお、ソース５３における基板３１から離間した部分の寸法は、長さ３．６μｍ×幅１７０ｎｍ×厚さ５００ｎｍである。
【００６４】
このリレー５１においては、ソース５３並びにドレイン５４に電圧（５Ｖ）を印加した状態でゲート５５に印加する電圧を増大させる（０〜６０Ｖ）と、ゲート５５への印加電圧が約５０Ｖに達したところでソース５３における基板３１から離間した部分が静電引力によってドレイン５４に引寄せられ、両者が互いに接触してソース５３とドレイン５４との間が導通状態となった（図９（ａ））。そしてゲート５５への印加電圧を減少させると、ゲート５５への印加電圧が約２０Ｖを下回ったところでソース５３における基板３１から離間した部分がドレイン５４から離れて元の状態へと復帰した（図９（ｂ））。図１０にその時のゲート５５への印加電圧とソース５３とドレイン５４との間の電流との関係を示す。このように、リレー５１を構成する高密度なＣＮＴ集合体は、所定形状を自己保持し得る剛性と、負荷に応じて変形し且つ復元し得る弾性とを有すると共に、良好な導電性を有しているため、このような電流の断続動作を繰返し行わせることができる。
【００６５】
本実施例においては、ソース５３とドレイン５４との間の接離動作にヒステリシスが認められるが、これはソース５３とドレイン５４との間の吸着力とソース５３の弾発的復元力との関係によるものであり、このヒステリシスの大きさは、ソース５３とドレイン５４との互いの接触面の面積及びソース５３の遊端部の断面積によって適宜に調節可能である。
【００６６】
図８において３端子のリレーを例示したが、本発明によれば、図１１並びに図１２に示すような５端子のリレーも同様にして製造することができる。５端子のリレー６１は、基本的な構造は図１（ａ）に示したタイプとなっており、基板６２上にソース６３、第１ドレイン６４ａ、第２ドレイン６４ｂ、第１ゲート６５ａ、及び第２ゲート６５ｂを配置して構成され、第１ドレイン６４ａ並びに第１ゲート６５ａと、第２ドレイン６４ｂ並びに第２ゲート６５ｂとの間に、ソース６３と一体をなす可動片部６６が延出されている。これらソース６３、第１、第２ドレイン６４ａ、６４ｂ、第１、第２ゲート６５ａ、６５ｂ、および可動片部６６のいずれも、上述の３端子リレーと同様の高密度なＣＮＴ集合体のみからなり、各集合体を構成する複数のＣＮＴは、全て同一方向に配向している。
【００６７】
この例の場合も、第１ゲート６５ａと第２ゲート６５ｂとのいずれか一方に印加する電圧を増大させると、第１ドレイン６４ａと第２ドレイン６４ｂとのいずれか一方にソース６３が選択的に引寄せられてそれらの側面と接触し、電圧を減少させると元の状態に復帰することは、上述の３端子リレーと同様である。
【００６８】
本例の構造においては、第１、第２両ドレイン６４ａ、６４ｂとソース６３との間の吸着力を、ソース６３の弾発的復元力より大きくしておき、第１、第２各ゲート６５ａ、６５ｂへの印加電圧を減少させても、第１、第２両ドレイン６４ａ、６４ｂのいずれか一方とソース６３との接触状態が維持されるようにしておけば、第１ゲート６５ａと第２ゲート６５ｂとのいずれか一方に一時的に電圧を印加すれば、第１、第２両ドレイン６４ａ、６４ｂのいずれか一方に選択的にソース６３が接触したままになるメモリー素子として用いることができる。この場合、ソース６３が接触したドレインと反対側のゲートに電圧を印加すれば、ソース６３をドレインから離間させることができる。
【００６９】
＜両持ち梁状構造体＞
本発明によるＣＮＴ構造体は、上述した片持ち梁状構造体に限らず、両端が基板に接合し、中間部が基板から離間した両持ち梁状構造体にも適用できる。この場合は、上述した製造方法と同様に、基板から離間した中間部を犠牲層で形成すれば良い。このようにして得られた両持ち梁状構造体のモデルを図１３の電子顕微鏡写真像に示す。この両持ち梁状構造体７１は、ＣＮＴのみからなる高密度なＣＮＴ集合体で構成され、基板７２に当接する一対の固定部（第１の部分）７１Ａａ、７１Ａｂと、基板７２から空間７３をおいて離間する可動部（第２の部分）７１Ｂと、可動部７１Ｂと一対の固定部７１Ａａ、７１Ａｂとを連結する一対の屈曲部（第３の部分）７１Ｃａ、７１Ｃｂから構成されている。この両持ち梁状構造体７１のモデルは、一対の固定部７１Ａａ、７１Ａｂと一対の屈曲部７１Ｃａ、７１Ｃｂとが、共通の可動部７１Ｂを介して連続した形態となっている。つまり基板に当接する第１の部分、基板から離間した第２の部分、及び第１の部分と第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分とが、２組連続したものとして構成されている。そして可動部７１Ｂが、通常は基板７２から離間し、外力が加わると基板７２に接近するように変位可能になっている。
【００７０】
この両持ち梁状構造体７１を構成する複数のＣＮＴは、両持ち梁の長手方向について同一方向に配向しており、その重量密度は０．２３ｇ／ｃｍ３であり、その寸法は、厚さが５００ｎｍで幅が５μｍである。
【００７１】
このような両持ち梁状構造体７１をスイッチとして用いる場合は、基板７２における両持ち梁状構造体７１の固定部７１Ａａ、７１Ａｂに対応する部位に予めスパッタリングなどでソース電極（図示せず）を形成しておくと同時に、基板７２における両持ち梁状構造体７１の可動部７１Ｂに対応する部位に予めスパッタリングなどでドレイン電極７５及びゲート電極７６を形成すると共に犠牲層を形成しておき、これらの上面にフィルム状のＣＮＴ集合体を被着し且つ高密度化処理を施し、そのＣＮＴ集合体の不用部分をパターニング及びエッチングで除去することにより、スイッチを得ることができる。これによると、ゲート電極７６に電圧を印加すると、その時に発生する静電引力で可動部７１Ｂがゲート電極７６に吸引され、その結果、可動部７１Ｂがドレイン電極７５に接触し、ドレイン電極７５と図示していないソース電極との間が両持ち梁状構造体７１を介して導通することとなる。そしてゲート電極７６への印加電圧を断つと、可動部７１Ｂが元の位置に復帰してドレイン電極７５から離間する。
【００７２】
＜集積デバイス＞
本発明によれば、ＣＮＴのみからなるＣＮＴ構造体を適用した集積デバイスの製造が可能である。前述の３端子型リレーを集積化した例を図１４に示す。これは１つの基板上の４１０μｍ×３１０μｍ内に、６．８μｍ×１０μｍの３端子型リレーを同時に１２７６個形成した様子を示す電子顕微鏡写真像である。
【００７３】
〔検証例１〕
本発明による構造体の物理特性が、形状によって制御可能であることを、高密度化処理を施した単純梁を例にとって以下に示す。
【００７４】
片持ち梁仕様
厚さ：２５０ｎｍ
重量密度：０．４６４ｇ／ｃｍ３
長さ：１０、２０、３０、７０μｍ
幅：１０μｍ
両持ち梁仕様
厚さ：３１０ｎｍ
重量密度：０．３７４ｇ／ｃｍ３
長さ：３０、４０μｍ
幅：１０μｍ
これらの長さが互いに異なる複数の梁について、パルスレーザーによる梁状体の加熱振動およびレーザー反射による振動検出法（B. Ilic, S. Krylov, K. Aubin, R. Reichenbach, and H. G. Craighead, ”Optical excitation of nanoelectromechanical oscillators”, Appl. Phys. Lett. 86, 193114 (2005)を参照されたい ）により、共振周波数を測定した。その結果、図１５に示す通り、本発明によるＣＮＴ構造体は、長さ寸法が小さくなるに従って共振周波数が高くなる傾向を示すことが分かった。この構造体の長さと共振周波数との関係は、片持ち梁、両持ち梁ともに、図１５中に引いた弾性体の理論値曲線（細線：両持ち梁、太線：片持ち梁）とよく一致する。なお、理論値曲線は、図１５の右下に付記した理論式（ｆ：共振周波数、ｔ：厚さ、Ｌ：長さ、Ｅ：ヤング係数、ρ：密度）より、Ｅ、ρをフィッティング係数として導出されたものである。
【００７５】
この結果は、本発明によるＣＮＴ構造体の共振周波数すなわち力学特性が、形状に依存する、換言すると形状によって制御可能であることを示している。さらに、この結果は、本発明によるＣＮＴ構造体が周期的に振動可能なことを示しており、これは、本発明によるＣＮＴ構造体が、弾性体として機能し、すなわち、形状保持性、形状復元性を有していることを示している。
【００７６】
また図１５の右上に付記した表は、物質の力学特性を表す指標のひとつである音速である。音速が高い物質は軽量で強靭であり、ＭＥＭＳデバイス等の機械的要素に好適な材料と言える。測定結果からフィッティング係数によって得られた本発明によるＣＮＴ構造体の音速は、報告されている単結晶シリコン（Ｓｉ）の最高値である結晶方位（１１１）方向での特性と比して同等以上の値を示しており、本発明によるＣＮＴ構造体が、ＭＥＭＳデバイス等に極めて好適であることを示している。
【００７７】
ところで、高密度化前のフィルム状ＣＮＴ集合体は、重量が極めて小さいため、その重量密度の計測は困難である。そこで、高密度化前のフィルム状ＣＮＴ集合体の重量密度を、線状のパターニングを施さずに全面に金属触媒膜を成膜した基板から成長させたバルク状ＣＮＴ集合体の密度をもって推定するものとした。
【００７８】
ここでバルク状ＣＮＴ集合体の密度は、重さ／体積で計算されるが、様々な条件の下で、バルク状ＣＮＴ集合体の密度は一定となることが知られている。例えば非特許文献（Don N. Futaba, et al, 84% Catalyst Activity of Water-Assisted Growth of Single Walled Carbon Nanotube Forest Characterization by a Statistical and Macroscopic Approach, Journal of Physical Chemistry B, 2006, vol. 110, p. 8035-8038)には、バルク状ＣＮＴ集合体の重量密度は、集合体の高さが２００μｍから１ｍｍまで一定の値（０．０２９ｇ／ｃｍ３）であることが報告されている。つまりバルク状ＣＮＴ集合体の成長と略同等の成長条件および触媒を用いて成長させたフィルム状ＣＮＴ集合体の密度は、バルク状ＣＮＴ集合体の密度と大きく相違しないものと推察できる。
【００７９】
高密度化工程でのフィルム状ＣＮＴ集合体の圧縮率を〈圧縮率＝元の厚さ÷高密度化後の厚さ〉と定義すると、高密度化後のフィルム状ＣＮＴ集合体の重量密度は〈ＣＮＴ密度＝圧縮率×０．０２９ｇ／ｃｍ３〉となる。これによって各厚さのフィルム状ＣＮＴ集合体の高密度化後の重量密度を導出したところ、重量密度が０．１１ｇ／ｃｍ３のフィルム状ＣＮＴ集合体においても、基板との密着性が十分に保たれており、上述の各実施例と同様のパターニングが可能であった。これに対し、高密度化処理前のフィルム状ＣＮＴ集合体（重量密度０．０２９ｇ／ｃｍ３）の場合は、基板との密着性不足やレジストの侵食などにより、公知のエッチング、リソグラフィー技術の適応が実質的に不可能であった。以上に鑑み、本発明に適応可能なＣＮＴ構造体における高密度化処理後の重量密度の範囲を０．１ｇ／ｃｍ３と規定した。
【００８０】
本発明において制御可能なフィルム状ＣＮＴ集合体の重量密度は、原理的には、ＣＮＴの直径を制御することによって幅広い範囲で実現することができる。すべてのＣＮＴが等しい直径を有し、且つ高密度化工程によってすべてのＣＮＴが最密充填されるものと仮定すると、ＣＮＴの直径寸法が小さくなるに従って高密度化後のＣＮＴ密度は増加することが容易に計算できる（図１６を参照されたい）。上述した実施例で用いたフィルム状ＣＮＴ集合体のＣＮＴの平均直径は２．８ｎｍ程度であるが、この場合のＣＮＴが最密充填したとして重量密度は、図１６に示す通り、０．７８ｇ／ｃｍ３程度である。この点に関しては、すでに非特許文献（Ya-Qiong Xu, et al, Vertical Array Growth of Small Diameter Single-Walled Carbon Nanotubes, J. Am. Chem. Soc., 128 (20), 6560 -6561, 2006）に報告されている技術を用いることにより、ＣＮＴの直径をより小さいもの（１．０ｎｍ程度）にすることは可能であることが分かっている。このことから、ＣＮＴの直径を小さくすることにより、最大１．５ｇ／ｃｍ３程度までは重量密度を高めることが可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明によるＣＮＴ構造体の基本的構造を示す概念的断面図である。
【図２】本発明によるＣＮＴ構造体の製造方法の概略工程を示すフロー図である。
【図３】本発明による片持ち梁状構造体の製造手順を示す模式図である。
【図４】本発明に用いるフィルム状集合体の顕微鏡写真像である。
【図５】本発明による片持ち梁状構造体の一例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図６】片持ち梁状構造体のスイッチへの適用例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図７】本発明によるリレーの製造手順を示す模式図である。
【図８】図７に示した手順で製造されたリレーの一例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図９】図８に示したリレーの作動説明図である。
【図１０】図８に示したリレーのゲート電圧とソース〜ドレイン間電流との関係線図である。
【図１１】図７に示した手順で製造されるリレーの別例を示す配置図である。
【図１２】図１１に示したリレーの電子顕微鏡写真像である。
【図１３】本発明による両持ち梁状構造体の一例を示す電子顕微鏡写真像である。
【図１４】図８に示したリレーを集積化した基板の電子顕微鏡写真像である。
【図１５】長さが互いに異なる梁状体におけるそれぞれの共振周波数と長さとの関係を示すグラフである。また、表は測定から得られたＣＮＴ梁状構造体の音速及び過去に報告されている単結晶シリコンの（１１１）方向の音速を示す。さらに、２つの式は、弾性体の片持ち梁および両持ち梁の長さと共振周波数との関係を示す理論式である。
【図１６】ＣＮＴの直径と最密充填した時の重量密度との関係線図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ ＣＮＴ構造体
２ ＣＮＴ集合体
２Ａ 第１の部分
２Ｂ ２の部分
２Ｃ 第３の部分
３ 基部
Ｓ１ 化学気相成長工程
Ｓ２ 集合体取り外し工程
Ｓ４ 液体晒し工程
Ｓ５ 集合体載置工程
Ｓ６ 形状固定化工程
Ｓ７ 不用部分除去工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一方向に配向した複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ集合体で構成されたカーボンナノチューブ構造体であって、
前記カーボンナノチューブの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であり、
基部に当接する第１の部分、前記基部から離間した第２の部分、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有し、
前記第１の部分、前記第２の部分、及び前記第３の部分における少なくとも一部のカーボンナノチューブの配向軸が連続していることを特徴とするカーボンナノチューブ構造体。
【請求項２】
同一方向に配向した複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ集合体で構成されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法であって、
基板の表面に形成された金属触媒膜から複数のカーボンナノチューブを同一方向に化学気相成長させてカーボンナノチューブ集合体を得る化学気相成長工程と、
前記カーボンナノチューブ集合体を前記基板から取り外す集合体取り外し工程と、
表面に立体形状部を備えた第２の基板を製作する第２基板製作工程と、
前記基板から取り外したカーボンナノチューブ集合体を前記立体形状部に適合した所定形状に成形する立体形状成形工程と、
前記第２の基板上で所定形状をなすカーボンナノチューブ集合体に高密度化処理を施すことによって前記カーボンナノチューブの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上となるようにして前記所定形状を固定する形状固定化工程と、
少なくとも前記固定化されたカーボンナノチューブ集合体の不用部分を選択的に除去する不用部分除去工程と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【請求項３】
前記所定形状は、前記第２の基板に当接する第１の部分、前記第２の基板から離間した第２の部分、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有することを特徴とする請求項２に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【請求項４】
前記立体形状成形工程は、前記カーボンナノチューブ集合体を液体に晒す液体晒し工程と前記カーボンナノチューブ集合体を前記第２の基板上に載置する載置工程とを含み、
前記形状固定化工程は、液体を含浸した前記カーボンナノチューブ集合体を前記第２の基板上に載置された状態で乾燥させる工程を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第２の基板が備える立体形状部は犠牲層であり、前記不用部分除去工程は前記犠牲層の除去を含むことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【請求項１】
同一方向に配向した複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ集合体で構成されたカーボンナノチューブ構造体であって、
前記カーボンナノチューブの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上であり、
基部に当接する第１の部分、前記基部から離間した第２の部分、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有し、
前記第１の部分、前記第２の部分、及び前記第３の部分における少なくとも一部のカーボンナノチューブの配向軸が連続していることを特徴とするカーボンナノチューブ構造体。
【請求項２】
同一方向に配向した複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ集合体で構成されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法であって、
基板の表面に形成された金属触媒膜から複数のカーボンナノチューブを同一方向に化学気相成長させてカーボンナノチューブ集合体を得る化学気相成長工程と、
前記カーボンナノチューブ集合体を前記基板から取り外す集合体取り外し工程と、
表面に立体形状部を備えた第２の基板を製作する第２基板製作工程と、
前記基板から取り外したカーボンナノチューブ集合体を前記立体形状部に適合した所定形状に成形する立体形状成形工程と、
前記第２の基板上で所定形状をなすカーボンナノチューブ集合体に高密度化処理を施すことによって前記カーボンナノチューブの重量密度が０．１ｇ／ｃｍ３以上となるようにして前記所定形状を固定する形状固定化工程と、
少なくとも前記固定化されたカーボンナノチューブ集合体の不用部分を選択的に除去する不用部分除去工程と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【請求項３】
前記所定形状は、前記第２の基板に当接する第１の部分、前記第２の基板から離間した第２の部分、及び前記第１の部分と前記第２の部分とを連結する屈曲形状の第３の部分を有することを特徴とする請求項２に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【請求項４】
前記立体形状成形工程は、前記カーボンナノチューブ集合体を液体に晒す液体晒し工程と前記カーボンナノチューブ集合体を前記第２の基板上に載置する載置工程とを含み、
前記形状固定化工程は、液体を含浸した前記カーボンナノチューブ集合体を前記第２の基板上に載置された状態で乾燥させる工程を含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第２の基板が備える立体形状部は犠牲層であり、前記不用部分除去工程は前記犠牲層の除去を含むことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載のカーボンナノチューブ構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１５】
【図１６】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２０８９７５（Ｐ２００９−２０８９７５Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１３２０（Ｐ２００８−５１３２０）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発事業 ＭＥＭＳ／ナノ機能の複合技術の開発（ナノ材料（ＣＮＴなど）の選択的形成技術）」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発事業 ＭＥＭＳ／ナノ機能の複合技術の開発（ナノ材料（ＣＮＴなど）の選択的形成技術）」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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