ナノチューブ、及び該ナノチューブを有する電気装置
【課題】ナノチューブ装置のような複合物質構造体を制御された方法により合成する効果的な形態を提供する。
【解決手段】ナノチューブ断片は少なくとも２つの位置エネルギー結合面を有し、それらは、ナノチューブ断片を結合させるために使用される。該結合面は、水素結合による結合位置エネルギー及び共有結合による第２のより低い結合位置エネルギーからなる２つの異なるレベルを有する。前記方法は次のステップにより構成される。(a)ナノチューブ断片の溶液を集める。(b)水素結合は分離するが、共有結合の特性を変化させるに十分ではない温度に該溶液を加熱する。(c)前記溶液を攪拌し、水素結合が安定する温度までゆっくりと温度を下げて（アニール化して）、好ましい形態を生成する。(d)前記溶液に試薬を加え、環閉鎖を生じさせる。(e)形成されたナノチューブ・マトリクス物質の精製及び脱水素のための触媒要素を導入する。
【解決手段】ナノチューブ断片は少なくとも２つの位置エネルギー結合面を有し、それらは、ナノチューブ断片を結合させるために使用される。該結合面は、水素結合による結合位置エネルギー及び共有結合による第２のより低い結合位置エネルギーからなる２つの異なるレベルを有する。前記方法は次のステップにより構成される。(a)ナノチューブ断片の溶液を集める。(b)水素結合は分離するが、共有結合の特性を変化させるに十分ではない温度に該溶液を加熱する。(c)前記溶液を攪拌し、水素結合が安定する温度までゆっくりと温度を下げて（アニール化して）、好ましい形態を生成する。(d)前記溶液に試薬を加え、環閉鎖を生じさせる。(e)形成されたナノチューブ・マトリクス物質の精製及び脱水素のための触媒要素を導入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合物質及び／又は電子構造の形成に関するものであり、特にナノチューブ・マトリクス物質の形成を開示するものである。
【背景技術】
【０００２】
力学的及び電子的に物質を使用することが一般的には基本である。重量特性に対する力学的強度の点で、スチール・ファイバやカーボン・ファイバといった異なる物質の需要が高い。更に、新たに向上した性質をもつ新たな物質が常に要望されている。また、独特な電気的性質をもつ物質も、これらが高度な有効性をもつ分野で強く望まれている。
【０００３】
更に、近年、シリコン・ウェーハ等へのＩＣ型装置の製造において巨大な産業が形成されてきている。電子回路の更なる小型化や、半導体ウェーハ上に積層させて複合三次元構造を構築することに莫大な研究投資が続けられている。
【０００４】
１９９１年には、スミオ・イイジマが、カーボン・ナノチューブ型装置の発見を報告した。カーボン・ナノチューブの発見は、ナノメータの寸法を有し、カーボン化学及び物理学における興味深い新たな領域を約束してくれる新たな魅力的な物質であると見なされている。
【０００５】
カーボン・ナノチューブ型装置の適用における一連の背景技術については、エンドウ、イイジマ、ドレッセル・ハウスにより編集され、エルセヴィア・サイエンス・リミテッドにより１９９６年に出版された文献「カーボン・ナノチューブ」を参照する。この刊行物は当該分野をカバーする多くの調査記事を含んでいる。
【０００６】
残念ながら、ナノチューブ型装置の構築は、やや行き当たりばったりで、統制のない方法により進められている。ナノチューブは、ＤＣアーク放電又は、多様に維持された遷移金属触媒が存在する中でのアセチレンの触媒構造において形成されることが知られている。
【０００７】
残念ながら、このような構成では無秩序な形態のカーボン・ナノチューブになりやすく、このカーボン・ナノチューブでは、複雑な機構をナノチューブより構成する能力が制限されているため、その有用性が制限されたものとなっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、ナノチューブ装置のような複合物質構造体を、制御された方法により合成する効果的な形態を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の形態において、中間部から構造体を構築する方法が提供されている。この方法は、前記各中間物は、少なくとも２つの位置エネルギー結合表面を含んでおり、各表面は、別の対応する中間物と結合するための少なくとも２つのレベルの結合位置エネルギーを有しており、前記結合エネルギーは、第１の中間結合位置エネルギーと第２のより低い結合位置エネルギーとを含んでおり、(a)中間物を突き合わせる際に、１連の中間物を集め、(b)前記突き合わされた中間物を、前記中間結合エネルギーを超える平均エネルギーまで攪拌し、(c)前記平均エネルギーを、実質的に前記第１の中間結合位置エネルギーのレベルまでゆっくりと低下させ、(d)触媒要素を前記突き合わされた中間物に導入することにより、実質的に前記第２の低位置エネルギーにおいて前記中間物の結合を生じさせて、前記構造体を構成する、以上ステップにより構成した方法である。
【００１０】
更に前記方法は、他の構造体を形成する形で、ステップ(a)乃至(d)を反復繰り返すステップにより構成することができる。
【００１１】
前記中間物は分子により構成可能であり、前記第１の中間結合位置エネルギーは実質的に前記中間物の水素結合により構成可能であり、前記第２のより低い位置エネルギーは前記中間物の共有結合により構成することができる。
【００１２】
前記攪拌のステップは、前記突き合わされた中間物の加熱又は超音波攪拌により構成可能である。
【００１３】
前記中間物はナノチューブ断片を含んでもよく、該ナノチューブ断片は、抵抗、ダイオード又はトランジスタのうち１つの部分を有する。
【００１４】
前記構造体はナノチューブ断片の三次元結合構造を有してもよく、またナノチューブ・ハブ要素と結合した１連のナノチューブ・ロッドを含んでもよい。前記ナノチューブ断片はその外部の非反応面に形成された１連の突起を含んでもよく、これによりファンデルワールス作用を低減させる。
【００１５】
本発明の更なる形態において、結合された四面体又は立方体のナノチューブ結合のマトリクスにより構成されるナノチューブ構造体が提供される。前記結合はナノチューブの筋交い部により構成され得る。
【００１６】
本発明の更なる形態において、フラレーン（fullerene）又はその他のハブ要素に結合されたナノチューブ要素を構築する方法が提供される。
【００１７】
本発明の更なる形態において、多数のナノチューブ要素を結合させるためのハブ要素を構築する方法が提供される。
【００１８】
本発明の更なる形態において、低密度ナノチューブ結晶を構築する方法が提供される。
【００１９】
本発明の更なる形態において、アームチェア型の２つのナノチューブ間に結合された、所定長さのジグザグ型の中央ナノチューブにより構成された、制御された抵抗特性を有する電気装置が提供される。
【００２０】
本発明の更なる形態において、アームチェア型の２つのナノチューブ間に結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、前記中央ナノチューブに電場を作用させ、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更するための電場作用手段と、により構成された、信号増幅特性を有する電気装置が提供される。
【００２１】
本発明の更なる形態において、アームチェア型の２つのナノチューブ間に結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、前記中央ナノチューブに結合されたジグザグ型の制御ナノチューブを有し、前記ナノチューブは前記中央ナノチューブに電場を作用させるための電場作用手段に結合され、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更するように構成した、信号増幅特性を有する電気装置が提供される。
【００２２】
本発明の更なる形態において、共有結合部で結合された１連のナノチューブを備え、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、電気装置の操作特性を提供するためにアームチェア型ナノチューブに対する周辺の結合部を有する所定数のナノチューブを設けて構成した電気装置が提供される。
【００２３】
好ましくは、少なくとも１つの前記アームチェア型ナノチューブが、更にアームチェア型ナノチューブの共有結合部に結合されている。
【００２４】
本発明の更なる形態において、共有結合部で結合された１連のナノチューブを備え、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、電気装置の操作特性を提供するためにアームチェア型ナノチューブに対する周辺の結合部を有する所定数の前記ナノチューブを設けて構成した電気装置が提供される。
【００２５】
本発明の更なる形態において、共有結合部で結合された１連のアームチェア型ナノチューブを備えて構成した電気装置が提供される。
【００２６】
本発明の更なる形態において、共有結合を経由してナノチューブ装置のラビリンスの結合を備え、前記装置は、異なる大きさのナノチューブの結合により形成された１連のダイオード要素を有して構成した電気装置が提供される。
【００２７】
本発明の更なる形態において、半導体ナノチューブに取付けられた１連の金属型ナノチューブ構造体の結合部を有し、電子が実質的に前記結合部に捕捉される量子井戸状構造体を備えて構成した電気装置が提供される。
【００２８】
本発明の更なる形態において、ナノチューブ結合部を有する衝撃電子ナノチューブ装置を備え、該衝撃電子ナノチューブ装置は前記結合部に隣接した少なくとも１つの量子井戸状構造体を有する電気装置が提供される。
【００２９】
本発明の更なる形態において、ナノチューブ断片を形成するための前駆合成要素を構築する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
本発明の範囲には他の形態も入るが、以下では、本発明の好ましい実施形態を説明する。この説明は、単なる例示として添付された以下の図面を参照する。
【００３１】
図１は、アームチェアとジグザグ・ナノチューブの線状結合により形成されたカーボン・ナノチューブ・ダイオードを示している。
図２及び図３は、ナノチューブ抵抗要素を示している。
図４は、ナノチューブ二極型要素を示している。
図５乃至図７は、立方体ナノチューブ構造体を構築するための核構築ブロックの様々な図である。
図８は、四面体構造体を構築するための核構築ブロックを示している。
図９は、四面体構造体の一部を示している。
図１１及び図１２は、４結合ナノチューブ構造体を示している。
図１３乃至図１５は、図１１及び図１２に示す要素から構築された様々なナノチューブ配列を示している。
図１６は、異なる長さの筋交いベンジン・ユニットに対するナノチューブ・メッシュの密度を示している。
図１７は、衝撃電子流トランジスタ構造体を示している。
図１８は、ジグザグ前駆合成のプロセスを示している。
図１９は、アームチェア（８，８）前駆合成のプロセスを示している。
図２０は、両端ジグザグ前駆合成のプロセスを示している。
図２１は、両端ジグザグ・ナノチューブ合成のプロセスを示している。
図２２は、ジグザグ・ナノチューブ合成のプロセスを示している。
図２３は、ナノチューブ断片の一端に対する機能化及び保護のプロセスを示している。
図２４は、ナノチューブ線状ダイオード合成のプロセスを示している。
図２５は、アームチェア・ナノチューブの長さを増加させるプロセスを示している。
図２６は、アームチェア・ナノチューブの長さを更に増加させるプロセスを示している。
図２７は、ナノチューブ・ロッドの合成プロセスを示している。
図２８は、端部結合部を有するナノチューブ・ロッドの合成プロセスを示している。
図２９は、「ボール」をナノチューブ・ロッドに結合させる第１の方法を示している。
図３０は、低密度ナノチューブ結晶の合成プロセスを示している。
図３１は、低密度ナノチューブ結晶を示している。
図３２は、ナノチューブ結晶配列ハブ要素開始物質の形成における別の形態を示している。
図３３は、ハブ要素を形成するプロセスを示している。
図３４は、「ダンベル」合成プロセスを示している。
図３５は、ナノチューブ結晶を形成するための別のプロセスを示している。
図３６は、ナノチューブ−ナノチューブの引力における問題を示している。
図３７は、ナノチューブの変形例を示している。
［好ましい実施形態及びその他の実施形態］
【００３２】
好ましい実施形態では、中間要素から複合ナノチューブ・マトリクス配列を製造する方法を開示している。詳細な説明を行うが、該好ましい実施形態の示唆が、任意の要素配置により構成された任意のナノチューブ型装置の構築にまで及び得ることは当業者にとって明白である。
【００３３】
電気装置には、三次元形態の、ダイオード、トランジスタ、抵抗等を含むことができる。以下、いくつかのこれら装置を、図１乃至図１７を参照して説明する。
【００３４】
図１においてナノチューブ断片１が図示されており、該ナノチューブ断片１は、ジグザグ型のナノチューブと結合した「アームチェア」ナノチューブ２を含んでおり、その結合部４にはダイオード構造が形成されている。このように、結合部４の周りの不均一な配置による結果、該装置はダイオードとして作用し得るようになっている。
【００３５】
図２及び３にはトンネル抵抗（tunnelling resistor）型装置が図示されており、該装置は、２つのアームチェア型のナノチューブ６，８から形成され得る。このナノチューブ６，８は、様々な長さの中央のジグザグ型のナノチューブ７，９を包囲している。カーボン・ナノチューブが利用される場合、図２及び３の構成の降服電圧は約２ボルトである。窒化ホウ素ナノチューブが利用される場合は約６ボルトである。
【００３６】
図４では、二極型トランジスタ１１が図示されており、これは第３アーム１０を有すること以外は図３の構成に類似している。該第３アーム１０は、他のアーム１２，１３に沿った電流を制御するために電気的に駆動自在となっている。
【００３７】
図４の二極型トランジスタ１１は、バンドギャップ（band gap）の不整合により、通常では衝撃トランジスタ（ballistic transistor）の非導電となる。結合部１０を介した電位付与により、衝撃移送（ballistic
transport）を生じさせるバンドギャップ整合を起こすバンドシフト（band shifting）が生じる。アーム１０を介した電位付与によると、漏れ電流も発生する。
【００３８】
図４のトランジスタ複合体はネットワーク複合体にまで拡大することができる。図５乃至図７では、ネットワーク複合体の基本要素が示されており、該ネットワーク複合体は、互いに背向した６つのダイオードからなる組合せを有している。勿論、直接結合、ダイオード、量子ドット（quantum dot）等を提供する形で、アームのその他の形態も形成可能である。図５乃至図７において異なる図示がなされている該ネットワーク要素は、立方体ネットワーク・マトリクス（cubic
network matrix）において利用可能である。勿論、他のネットワーク・マトリクスも可能である。例えば図８において、四面体型要素２０〜２２が示されており、これらは図９に示すように、対応マトリクス２３（corresponding
matrix）を形成する形で利用可能である。該マトリクス構成は、導電経路２４，２５及びトランジスタ要素２６を含む。図９の構成２３は更に回路要求に応じた四面体メッシュに形成されている。
【００３９】
他の構成も可能である。次に図１０では、ジグザグ型ナノチューブ・アーム３１等により包囲されている「金属」核ナノチューブ部３０をもつ四面体格子における量子ドット配列が示されている。集束核３０に押し入れられた電子はそこで順次格納される。
【００４０】
次に図１１及び１２では、別の四面体結合部３５が示されており、該四面体結合部３５は、各結合部においてｓｐ３炭素を有するように形成されている。該構成は、別のものであり、ｓｐ３構成から形成されているので、固有の電荷を有していない。図１３乃至図１５に示すように、要素３３は、様々な構成配列をもつ構成要素として利用可能である。該構成配列は、多くの重要な有利な特徴を有している。例えば図１６には、基本要素が異なる支柱（strut）長さを有する場合に、その密度が変化する状態を示すグラフが示されている。（支柱長さはグラフに示された長さの２倍である。）図１６のグラフは（１８，０）型のナノチューブについてのものである。よって、図１３乃至図１５で図示されたものと同様の構造における機械的性質は、極めて強度が高く、弾性が高く、伸縮性が高く、圧縮性が高く、ねじれ性が高いことが含まれる。しかしながら、該構成は低いせん断抵抗をもつようである。これから説明する構成はより高いせん断抵抗をもつようにすることも出来る。
【００４１】
次に図１７では、変更されたトランジスタ型の結合要素５０が図示されている。この場合、アーム５２，５３が変更されて、窒化ホウ素バンド（Boron Nitride bands）５４，５５及び５８，５９等を含んでいる。これらはアーム５６，５７等の各側で量子ドット・トラップ（quantum
dot trap）として作用し、該量子ドット・トラップは衝撃電子流を許容することができる。この衝撃電子流は、各側の量子ドット・トラップによって影響され、そのため量子ドット・トラップは、衝撃電子流チャンネル５６，５７に沿った電子流の反射を制御する。図１７の構成は、量子ドット構造の利用により、図４の構成と比べて、ゲート電流を劇的に削減したようである。図１７の構成５０はマルチレベルメモリとして利用可能であり、アーム５２，５３，５６，５７等は、多くの異なる性能を発揮する異なる機能を介して、異なる多様な組合せで構成可能である。
【００４２】
所定の構成における上記装置を含む複合三次元マトリクスの形成方法について説明する。まず図１８では、ジグザグ・ナノチューブ前駆体要素を形成するステップを説明する。第１ステップは２つの分子６０，６１を準備する。これら分子は、標準的な有機化学技術を用いて合成可能である。両分子は４つの側部をもつものと見なされる。これら側部のうち３つは水素結合部を有し、これら結合部は合成の後の段階で使用される。これらは３つの直交した保護基、即ち記号Ａ，Ｂ，Ｃが付された基により保護されている。４番目の側部は水素結合パターンを有しており、これは２分子間で相補的である。このパターンは、逆結合を防止するために非対称でなければならない。
【００４３】
２つの要素６０，６１は混合されアニール化されて結合体６３が生成され、これは後で閉鎖体６４となり、最終生成物６５を形成する。これは、脱水素及び精製により可能である。脱水素は、例えばパラジウム触媒を使用することにより起こすことができる。なお、脱水素は全ての主な段階で示される。大部分の場合、全合成の最終段階まで脱水素は必要ない。
【００４４】
生成物を精製することにより、残留した未結合片及び環閉鎖試薬から分離する。試薬と生成物との間での分子の質量には基本的な差異があり、様々な形態の精製が採用可能である。
【００４５】
次に図１９では、アームチェア（８，８）の前駆合成のプロセスが図示されている。この第１ステップは２つの分子７０，７１を準備することであり、標準的な有機化学技術によりこれらは合成可能である。両分子は４つの側部をもつものと見なされる。この側部のうち３つは水素結合部を有しており、該水素結合部は後の合成段階において使用される。これらは３つの直交する保護基、即ち記号Ａ，Ｂ，Ｃが付された基により保護されている。４番目の側部は水素結合パターンを有し、この水素結合パターンは、２分子間で相補的である。逆付着を防止するため、このパターンは非対称でなければならない。
【００４６】
その結果、混合７２され、アニール化７３され、試薬が加えられ、環が閉じられて前駆片７４が形成される。
【００４７】
図２０には両端（１６，０）が形成されたナノチューブ前駆合成のプロセスが示されている。この第１ステップは２つの分子８０，８１を準備することであり、標準的な有機化学技術によりこれらは合成可能である。両分子は４つの側部をもつものと見なされる。この側部のうち３つは水素結合部を有しており、該水素結合部は後の合成段階において使用される。これらは３つの直交する保護基、即ち記号Ａ，Ｂ，Ｃが付された基により保護されている。４番目の側部は水素結合パターンを有し、この水素結合パターンは、２分子間で相補的である。逆付着を防止するため、このパターンは非対称でなければならない。
【００４８】
その結果、混合８３され、アニール化８４され、試薬が加えられ、環が閉じられる８５。
【００４９】
そして、以下更に詳細に説明するように、様々なナノチューブ・セグメントを形成する際に上記断片は利用可能である。
【００５０】
図２１では、両端のジグザグ（１６，０ナノチューブ断片）の形成プロセスが図示されている。機能化された端部９２，９３を有するベンゼン［Ｇ，Ｈ，Ｉ］ペリレン（peryelen）のような機能化されたＰＡＨ９０，９１から開始し、そのような要素９３の溶液が、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度まで加熱される。そして該溶液は、攪拌され、水素結合が高度に安定する温度までゆっくり温度を下げられる（即ち、アニール化される）。このプロセスにより、ループ要素を構成する最善の形状に断片をアニール化する。そして試薬が混合物に加えられ、リングの閉鎖９５が生じる。次いで、例えば、パラジウム触媒を使用することにより脱水素が生じ得る。そして精製により、残留した未結合の断片及び試薬から生成物９６を分離できる。
【００５１】
次いで図２２では、ここでジグザグ（１６，０）ナノチューブ要素の形成プロセスを説明する。機能化された端部１０２−１０５を有するジグザグ前駆分子１０１から開始し、端部１０４，１０５が保護解除される１０６，１０７。要素の溶液１０８が、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度まで加熱される。そしてアニール化温度が、水素結合が高度に安定する点までゆっくり下げられる。該プロセスにより、最善の形状１０９−１１２に断片をアニール化する。そして試薬が加えられ、リングの閉鎖１１３が生じる。最後に、例えば、パラジウム触媒を使用することにより要素１１３は脱水素される。そして精製ステップにより、残留した未結合の断片及び環閉鎖試薬から生成物を分離できる。
【００５２】
上述した合成プロセスは、異なる対掌性をもつ他のナノチューブ断片にも適用され得ることは明らかである。
【００５３】
図２３では、ナノチューブ断片１２０の例がより詳細に図示されている。該断片は、よく反応する酸素層１２２が続いたグラファイト層１２１を構成し得るものであり、該酸素層はイソプロピル・ターミネーション層１２３によりマスクされている。上述したナノチューブ要素の構築技術は、ダイオード等のような他のナノチューブ構造に適用する形で拡張可能である。次に、多くの構造について説明する。
【００５４】
ナノチューブ線状ダイオードの合成プロセスを示す図２４から始める。開始物質は、別個に合成されたナノチューブ要素１３０，１３１を含んでもよい。このナノチューブ要素は、アームチェア・ナノチューブ断片である要素１３０及び、ジグザグ型ナノチューブ要素である要素１３１を有する。各要素１３０，１３１は保護された端部を有している。第１ステップは、アームチェア・ナノチューブ１３０の端部Ｂ及び、ジグザグナノチューブ１３１の端部Ａを保護解除して、ナノチューブ要素１３２及び１３３を形成することである。そして、保護解除された端部を有するナノチューブは、溶液１３４内で混合される。該溶液は、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度から始まって、水素結合が高度に安定する状態１３５の温度に至るまで、ゆっくりアニール化され得る。次に、試薬が加えられることにより、閉鎖１３６を確実にし、その結果、例えばパラジウム触媒を使って脱水素が行われる。そして該溶液は精製され、ダイオード生成物を、残留した未結合の断片及び環閉鎖試薬から分離することが可能である。
【００５５】
次に図２５では、ナノチューブ要素の長さを増加させる方法が図示されている。まず、ナノチューブ断片１４０の量から始めて、半分の断片によって、Ｂ端部が保護解除１４１され、他の半分の断片によって、Ａ端部が保護解除される１４２。２つの半分は混合され１４３、水素結合を崩壊するのに十分な室温で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度から始まって、水素結合が高度に安定１４５する温度に至るまで、ゆっくりアニール化される。次に、試薬が加えられることにより、リング閉鎖が生じ、その後、脱水素が行われる。
【００５６】
次に図２６では、ナノチューブ断片の長さを延長するプロセスが図示されている。まず、空いた水素結合端部を備え、両端部が保護されたナノチューブ断片１５０の量からの開始であった。半分の断片について、端部Ｂが保護解除１５１され、他の半分の断片について、端部Ａが保護解除される１５２。２つの半分は混合され１５３、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度から始まって、水素結合が高度に安定１５５する温度に至るまで、ゆっくりアニール化１５４される。次に、試薬が加えられることにより、リング閉鎖１５６が生じる。
【００５７】
図２７では、ナノチューブ断片の長さを延長するプロセスが図示されている。このプロセスでは、２つのナノチューブ断片１６１及び１６２が保護解除されて１６４，１６５、互いに混合される１６６。この混合物はゆっくりアニール化され１６７、試薬が加えられ１６８、リング閉鎖が起こされ、その結果１６９、最善の脱水素及び精製となる。上述したプロセスは、ナノチューブ型要素による任意の三次元メッシュを構築するのに利用可能である。次いで図２８では、キャップされた端部をもつナノチューブ・ロッドの合成プロセスが図示されている。
【００５８】
はじめに、ナノチューブ断片１７０の量が、相補的な水素結合端部及び両側部が保護された形で利用される。断片１７０の半分は保護解除された第１の端部１７１を有しており、断片の他の半分は保護解除された第２の端部を有している。キャッピングユニット１７３，１７４は、始めのナノチューブ・セグメント合成、対応する混合１７３，１７４、アニール化された混合と類似の方法を使用して合成可能である。次の閉鎖１７５，１７６では通常の方法で処理される。そして、図２８で説明されたプロセスにより形成されたロッドは、対応する「ボール」に合わせられ、全体的なマトリクスが形成される。「ボール」及びロッドの一形成形態を図２９に基づいて説明する。続けて、他端が保護解除等１７７，１７８行われ、２つの混合物が互いに加えられアニール化１７９されて、緩く結合した構造１７９を形成する。そしてこの構造は閉鎖され、脱水素１８０される。
【００５９】
次に図２９では、マトリクス形成時の要素構築の一方法における処理ステップを示している。第１のステップは、水素結合部を、バキボールの１２個の５部分リングそれぞれに引き寄せることにより、バキボール（buckyball）１８２を機能化１８１させることである。そして、ナノチューブ要素（図２８の１８０）は機能化されたバキボール１８１と混合される。バキボールの濃度は、ナノチューブの倍の濃度よりもさらに大きくなければならず、これにより１つ以上のロッドが単一のバキボールに付着することを最小限におえる。水素結合は完了１８３され、試薬が加えられて水素結合を共有結合１８４に変更する。最後に、ロッドが精製１８５され、１つ以上のロッドを含む分子を排除する。これと共に、個々の残留バキボール及び結合試薬を排除する。
【００６０】
次に図３０に示すように、ナノチューブ１８０の混合及び、端部１８５において共有結合され機能化されたバキボールを有するナノチューブが設けられている。好ましくは、混合比率において正確に８．３３％のナノチューブ１２０が設けられる。ナノチューブ・ロッドの希釈溶液が、バキボール終端をもたない１１／１２のロッドと、両端部にバキボール終端を有する残りのロッドの形で用意される。溶液の量は、好ましくは、所望する拡大されたナノチューブ・メッシュの量よりも多い。そしてナノチューブ・メッシュは非常にゆっくりとアニール化され、図３１に示すようにメッシュ１８７を形成する。バキボールとの間の水素結合相互作用は、マトリクス１８７が自己形成できるほどに強力でなければならない。ゆっくりとしたアニール化により水素結合エネルギーがより小さくて済む。アニール化の後、試薬が加えられ、水素結合を共有結合に転換する。最後に前記溶液が排水され、構造１８７が不活性ガスで満たされる。
【００６１】
図２９で示した、バキボールハブ１８１要素に代るハブ要素を利用して異なるメッシュが形成されてもよい。代りの構成は、図３２に示すようにハブ断片の合成から開始される。ハブ断片１９０は、有機合成技術を利用して合成され得る。断片は、ＰＡＨの２つの側部の水素結合部の相補的なパターンにより機能化され得る。
【００６２】
第３側部上には水素結合部のパターンがあり、これは相溶性のナノチューブ断片の１つの端部上で使用されるものと相補的である。これはＢで保護されているのが示されている。４番目の側部は、水素結合部の循環の自己相補的パターンを有している。これらは直交した保護基Ａにより保護されている。そして要素１９１の溶液は、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度に加熱される。該温度は水素結合が高度に安定する温度にゆっくりと下げられる。この結果、断片１９２が形成される。そして試薬が加えられることにより、最終的なハブ断片１９３が形成される。
【００６３】
そして、図３３に示すように、ハブ断片がハブユニットに形成される。ハブユニット２０４は１２個のハブ断片１９３から構築される。第１ステップ２００は、多くのハブ断片の反応しやすい要素を保護解除し、これらを溶液２０１に加えることである。この溶液は、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度に加熱される。断片はアニール化され、表面に均一に分散された断片により１２のハブ断片がクラスタを形成する。類型的結合２０３が、同じく設けられている単一ハブの「立体図」２０４と共に図示されている。試薬が加えられることにより、リングの閉鎖が生じ、精製により任意の脱水素が実行される。
【００６４】
別の合成方法では、機能化されたＣ６０バキボールを、球状に群がった形のハブ形成体の内部に残して、ハブ形成に対する「ガイド」として使用してもよい。
【００６５】
次いで、図３４に示されたプロセスにより「ダンベル」ユニットが形成可能である。該ダンベルユニットは合成されたハブ２０４及び両端ロッド２１０の混合物を提供することにより、上記合成体を利用することにより形成される。ハブ及びロッドそれぞれの端部は保護解除される２１０，２１２。ハブ及びロッドの混合体が設けられ、このハブのモル濃度は、ロッドのモル濃度の２倍よりもかなり大きい。これにより、２つのロッドが同一のハブに結合する可能性を最小限にする。続いて、試薬が加えられることにより、リングを閉鎖させ、精製により任意の脱水素が実行される。これにより、精製されたダンベルユニット２１３の集合が提供される。
【００６６】
次に図３５では、ここには低密度高強度ナノチューブ結晶の合成において必要なステップが示されている。このナノチューブ結晶は、ダンベル要素２１３（図３４）と保護解除２２１されてダブルユニット２１３と共に溶液に加えられた一連の両端ロッド２２０から合成可能である。ダンベル及びロッドの混合では、１１個のロッドの各ダンベルに対するモル比率が正確に制御される。チョクラルスキの結晶成長（Czochralski crystal growing）に類似したプロセスにより、ナノチューブ格子の表面中央向けの立方体結晶が形成されてもよい。この場合、ナノチューブダンベル及びロッドは、チョクラルスキの結晶成長における原子に類似している。ナノチューブ溶液は、水素結合分離温度よりやや高い温度まで加熱される。種結晶がこの溶液中に落とされ、ゆっくりと取り出される。結晶を引き出すプロセスにおいて温度が融点に下降すると、ナノチューブは該種上で結晶化される。好ましくは前記種は回転されるので、互いに直交した方向のナノチューブが「溶解液」中において真っ先に消耗してしまうことはない。結晶が引き出されるにつれ、格子が溶媒から抽出される。別の例において、初期の種は、平らな表面を、スポットを結晶格子と同一ピッチに引き寄せるダンベルでパターニングすることにより生成できる。
【００６７】
結晶が引き抜かれた後、これは、環閉鎖試薬と脱水素触媒を含むクリーンな溶媒中に落とされる。全ての水素結合は共有結合に置換されており、脱水素されているので、該構造は完全に芳香族で、完全な強度を達成する。最終構造は２２５に図示されている。
【００６８】
本発明の思想及び範囲の中において、大型メッシュ構造の構築における上述した説明が、多様にかつ簡単に変更され得ることが明白である。
【００６９】
例えば、所望の電気装置を有したマトリクス構造が、電気的要素を形成し、混合及びアニール化プロセスの所定のポイントで該要素を代替することにより、構築可能である。更に、アニール化プロセスも、他の複合結合構造の生成において利用可能であることが明白である。
【００７０】
更に、構造形成において利用されたナノチューブ・ロッド要素は、多くの精製を包含可能である。特に、溶液におけるファンデルワールス引力の相互作用により、ナノチューブ要素それ自体は、要素間で高度の引力を呈するかもしれない。このような状態は図３６に示されており、ナノチューブ断片２３０及び２３１が高い引力を呈することで、ナノチューブ要素がからみ合った部分が形成される。
【００７１】
ファンデルワールス引力の効果の低減の一形態が図３７に示されている。ここではナノチューブの外壁においてメタンのグループ２３５，２３６等が形成される。これによりチューブ２３７，２３８間におけるファンデルワールス引力が生じる機会の低減がなされる。
【００７２】
広く説明される本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、多くのバリエーション及び／又は変更が、実施形態で示されたような本発明に対してなされ得ることは、当業者により想到することができる。それゆえ本実施形態は、全ての点において例示的であって、限定的なものではない。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合物質及び／又は電子構造の形成に関するものであり、特にナノチューブ・マトリクス物質の形成を開示するものである。
【背景技術】
【０００２】
力学的及び電子的に物質を使用することが一般的には基本である。重量特性に対する力学的強度の点で、スチール・ファイバやカーボン・ファイバといった異なる物質の需要が高い。更に、新たに向上した性質をもつ新たな物質が常に要望されている。また、独特な電気的性質をもつ物質も、これらが高度な有効性をもつ分野で強く望まれている。
【０００３】
更に、近年、シリコン・ウェーハ等へのＩＣ型装置の製造において巨大な産業が形成されてきている。電子回路の更なる小型化や、半導体ウェーハ上に積層させて複合三次元構造を構築することに莫大な研究投資が続けられている。
【０００４】
１９９１年には、スミオ・イイジマが、カーボン・ナノチューブ型装置の発見を報告した。カーボン・ナノチューブの発見は、ナノメータの寸法を有し、カーボン化学及び物理学における興味深い新たな領域を約束してくれる新たな魅力的な物質であると見なされている。
【０００５】
カーボン・ナノチューブ型装置の適用における一連の背景技術については、エンドウ、イイジマ、ドレッセル・ハウスにより編集され、エルセヴィア・サイエンス・リミテッドにより１９９６年に出版された文献「カーボン・ナノチューブ」を参照する。この刊行物は当該分野をカバーする多くの調査記事を含んでいる。
【０００６】
残念ながら、ナノチューブ型装置の構築は、やや行き当たりばったりで、統制のない方法により進められている。ナノチューブは、ＤＣアーク放電又は、多様に維持された遷移金属触媒が存在する中でのアセチレンの触媒構造において形成されることが知られている。
【０００７】
残念ながら、このような構成では無秩序な形態のカーボン・ナノチューブになりやすく、このカーボン・ナノチューブでは、複雑な機構をナノチューブより構成する能力が制限されているため、その有用性が制限されたものとなっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、ナノチューブ装置のような複合物質構造体を、制御された方法により合成する効果的な形態を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の形態において、中間部から構造体を構築する方法が提供されている。この方法は、前記各中間物は、少なくとも２つの位置エネルギー結合表面を含んでおり、各表面は、別の対応する中間物と結合するための少なくとも２つのレベルの結合位置エネルギーを有しており、前記結合エネルギーは、第１の中間結合位置エネルギーと第２のより低い結合位置エネルギーとを含んでおり、(a)中間物を突き合わせる際に、１連の中間物を集め、(b)前記突き合わされた中間物を、前記中間結合エネルギーを超える平均エネルギーまで攪拌し、(c)前記平均エネルギーを、実質的に前記第１の中間結合位置エネルギーのレベルまでゆっくりと低下させ、(d)触媒要素を前記突き合わされた中間物に導入することにより、実質的に前記第２の低位置エネルギーにおいて前記中間物の結合を生じさせて、前記構造体を構成する、以上ステップにより構成した方法である。
【００１０】
更に前記方法は、他の構造体を形成する形で、ステップ(a)乃至(d)を反復繰り返すステップにより構成することができる。
【００１１】
前記中間物は分子により構成可能であり、前記第１の中間結合位置エネルギーは実質的に前記中間物の水素結合により構成可能であり、前記第２のより低い位置エネルギーは前記中間物の共有結合により構成することができる。
【００１２】
前記攪拌のステップは、前記突き合わされた中間物の加熱又は超音波攪拌により構成可能である。
【００１３】
前記中間物はナノチューブ断片を含んでもよく、該ナノチューブ断片は、抵抗、ダイオード又はトランジスタのうち１つの部分を有する。
【００１４】
前記構造体はナノチューブ断片の三次元結合構造を有してもよく、またナノチューブ・ハブ要素と結合した１連のナノチューブ・ロッドを含んでもよい。前記ナノチューブ断片はその外部の非反応面に形成された１連の突起を含んでもよく、これによりファンデルワールス作用を低減させる。
【００１５】
本発明の更なる形態において、結合された四面体又は立方体のナノチューブ結合のマトリクスにより構成されるナノチューブ構造体が提供される。前記結合はナノチューブの筋交い部により構成され得る。
【００１６】
本発明の更なる形態において、フラレーン（fullerene）又はその他のハブ要素に結合されたナノチューブ要素を構築する方法が提供される。
【００１７】
本発明の更なる形態において、多数のナノチューブ要素を結合させるためのハブ要素を構築する方法が提供される。
【００１８】
本発明の更なる形態において、低密度ナノチューブ結晶を構築する方法が提供される。
【００１９】
本発明の更なる形態において、アームチェア型の２つのナノチューブ間に結合された、所定長さのジグザグ型の中央ナノチューブにより構成された、制御された抵抗特性を有する電気装置が提供される。
【００２０】
本発明の更なる形態において、アームチェア型の２つのナノチューブ間に結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、前記中央ナノチューブに電場を作用させ、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更するための電場作用手段と、により構成された、信号増幅特性を有する電気装置が提供される。
【００２１】
本発明の更なる形態において、アームチェア型の２つのナノチューブ間に結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、前記中央ナノチューブに結合されたジグザグ型の制御ナノチューブを有し、前記ナノチューブは前記中央ナノチューブに電場を作用させるための電場作用手段に結合され、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更するように構成した、信号増幅特性を有する電気装置が提供される。
【００２２】
本発明の更なる形態において、共有結合部で結合された１連のナノチューブを備え、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、電気装置の操作特性を提供するためにアームチェア型ナノチューブに対する周辺の結合部を有する所定数のナノチューブを設けて構成した電気装置が提供される。
【００２３】
好ましくは、少なくとも１つの前記アームチェア型ナノチューブが、更にアームチェア型ナノチューブの共有結合部に結合されている。
【００２４】
本発明の更なる形態において、共有結合部で結合された１連のナノチューブを備え、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、電気装置の操作特性を提供するためにアームチェア型ナノチューブに対する周辺の結合部を有する所定数の前記ナノチューブを設けて構成した電気装置が提供される。
【００２５】
本発明の更なる形態において、共有結合部で結合された１連のアームチェア型ナノチューブを備えて構成した電気装置が提供される。
【００２６】
本発明の更なる形態において、共有結合を経由してナノチューブ装置のラビリンスの結合を備え、前記装置は、異なる大きさのナノチューブの結合により形成された１連のダイオード要素を有して構成した電気装置が提供される。
【００２７】
本発明の更なる形態において、半導体ナノチューブに取付けられた１連の金属型ナノチューブ構造体の結合部を有し、電子が実質的に前記結合部に捕捉される量子井戸状構造体を備えて構成した電気装置が提供される。
【００２８】
本発明の更なる形態において、ナノチューブ結合部を有する衝撃電子ナノチューブ装置を備え、該衝撃電子ナノチューブ装置は前記結合部に隣接した少なくとも１つの量子井戸状構造体を有する電気装置が提供される。
【００２９】
本発明の更なる形態において、ナノチューブ断片を形成するための前駆合成要素を構築する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
本発明の範囲には他の形態も入るが、以下では、本発明の好ましい実施形態を説明する。この説明は、単なる例示として添付された以下の図面を参照する。
【００３１】
図１は、アームチェアとジグザグ・ナノチューブの線状結合により形成されたカーボン・ナノチューブ・ダイオードを示している。
図２及び図３は、ナノチューブ抵抗要素を示している。
図４は、ナノチューブ二極型要素を示している。
図５乃至図７は、立方体ナノチューブ構造体を構築するための核構築ブロックの様々な図である。
図８は、四面体構造体を構築するための核構築ブロックを示している。
図９は、四面体構造体の一部を示している。
図１１及び図１２は、４結合ナノチューブ構造体を示している。
図１３乃至図１５は、図１１及び図１２に示す要素から構築された様々なナノチューブ配列を示している。
図１６は、異なる長さの筋交いベンジン・ユニットに対するナノチューブ・メッシュの密度を示している。
図１７は、衝撃電子流トランジスタ構造体を示している。
図１８は、ジグザグ前駆合成のプロセスを示している。
図１９は、アームチェア（８，８）前駆合成のプロセスを示している。
図２０は、両端ジグザグ前駆合成のプロセスを示している。
図２１は、両端ジグザグ・ナノチューブ合成のプロセスを示している。
図２２は、ジグザグ・ナノチューブ合成のプロセスを示している。
図２３は、ナノチューブ断片の一端に対する機能化及び保護のプロセスを示している。
図２４は、ナノチューブ線状ダイオード合成のプロセスを示している。
図２５は、アームチェア・ナノチューブの長さを増加させるプロセスを示している。
図２６は、アームチェア・ナノチューブの長さを更に増加させるプロセスを示している。
図２７は、ナノチューブ・ロッドの合成プロセスを示している。
図２８は、端部結合部を有するナノチューブ・ロッドの合成プロセスを示している。
図２９は、「ボール」をナノチューブ・ロッドに結合させる第１の方法を示している。
図３０は、低密度ナノチューブ結晶の合成プロセスを示している。
図３１は、低密度ナノチューブ結晶を示している。
図３２は、ナノチューブ結晶配列ハブ要素開始物質の形成における別の形態を示している。
図３３は、ハブ要素を形成するプロセスを示している。
図３４は、「ダンベル」合成プロセスを示している。
図３５は、ナノチューブ結晶を形成するための別のプロセスを示している。
図３６は、ナノチューブ−ナノチューブの引力における問題を示している。
図３７は、ナノチューブの変形例を示している。
［好ましい実施形態及びその他の実施形態］
【００３２】
好ましい実施形態では、中間要素から複合ナノチューブ・マトリクス配列を製造する方法を開示している。詳細な説明を行うが、該好ましい実施形態の示唆が、任意の要素配置により構成された任意のナノチューブ型装置の構築にまで及び得ることは当業者にとって明白である。
【００３３】
電気装置には、三次元形態の、ダイオード、トランジスタ、抵抗等を含むことができる。以下、いくつかのこれら装置を、図１乃至図１７を参照して説明する。
【００３４】
図１においてナノチューブ断片１が図示されており、該ナノチューブ断片１は、ジグザグ型のナノチューブと結合した「アームチェア」ナノチューブ２を含んでおり、その結合部４にはダイオード構造が形成されている。このように、結合部４の周りの不均一な配置による結果、該装置はダイオードとして作用し得るようになっている。
【００３５】
図２及び３にはトンネル抵抗（tunnelling resistor）型装置が図示されており、該装置は、２つのアームチェア型のナノチューブ６，８から形成され得る。このナノチューブ６，８は、様々な長さの中央のジグザグ型のナノチューブ７，９を包囲している。カーボン・ナノチューブが利用される場合、図２及び３の構成の降服電圧は約２ボルトである。窒化ホウ素ナノチューブが利用される場合は約６ボルトである。
【００３６】
図４では、二極型トランジスタ１１が図示されており、これは第３アーム１０を有すること以外は図３の構成に類似している。該第３アーム１０は、他のアーム１２，１３に沿った電流を制御するために電気的に駆動自在となっている。
【００３７】
図４の二極型トランジスタ１１は、バンドギャップ（band gap）の不整合により、通常では衝撃トランジスタ（ballistic transistor）の非導電となる。結合部１０を介した電位付与により、衝撃移送（ballistic
transport）を生じさせるバンドギャップ整合を起こすバンドシフト（band shifting）が生じる。アーム１０を介した電位付与によると、漏れ電流も発生する。
【００３８】
図４のトランジスタ複合体はネットワーク複合体にまで拡大することができる。図５乃至図７では、ネットワーク複合体の基本要素が示されており、該ネットワーク複合体は、互いに背向した６つのダイオードからなる組合せを有している。勿論、直接結合、ダイオード、量子ドット（quantum dot）等を提供する形で、アームのその他の形態も形成可能である。図５乃至図７において異なる図示がなされている該ネットワーク要素は、立方体ネットワーク・マトリクス（cubic
network matrix）において利用可能である。勿論、他のネットワーク・マトリクスも可能である。例えば図８において、四面体型要素２０〜２２が示されており、これらは図９に示すように、対応マトリクス２３（corresponding
matrix）を形成する形で利用可能である。該マトリクス構成は、導電経路２４，２５及びトランジスタ要素２６を含む。図９の構成２３は更に回路要求に応じた四面体メッシュに形成されている。
【００３９】
他の構成も可能である。次に図１０では、ジグザグ型ナノチューブ・アーム３１等により包囲されている「金属」核ナノチューブ部３０をもつ四面体格子における量子ドット配列が示されている。集束核３０に押し入れられた電子はそこで順次格納される。
【００４０】
次に図１１及び１２では、別の四面体結合部３５が示されており、該四面体結合部３５は、各結合部においてｓｐ３炭素を有するように形成されている。該構成は、別のものであり、ｓｐ３構成から形成されているので、固有の電荷を有していない。図１３乃至図１５に示すように、要素３３は、様々な構成配列をもつ構成要素として利用可能である。該構成配列は、多くの重要な有利な特徴を有している。例えば図１６には、基本要素が異なる支柱（strut）長さを有する場合に、その密度が変化する状態を示すグラフが示されている。（支柱長さはグラフに示された長さの２倍である。）図１６のグラフは（１８，０）型のナノチューブについてのものである。よって、図１３乃至図１５で図示されたものと同様の構造における機械的性質は、極めて強度が高く、弾性が高く、伸縮性が高く、圧縮性が高く、ねじれ性が高いことが含まれる。しかしながら、該構成は低いせん断抵抗をもつようである。これから説明する構成はより高いせん断抵抗をもつようにすることも出来る。
【００４１】
次に図１７では、変更されたトランジスタ型の結合要素５０が図示されている。この場合、アーム５２，５３が変更されて、窒化ホウ素バンド（Boron Nitride bands）５４，５５及び５８，５９等を含んでいる。これらはアーム５６，５７等の各側で量子ドット・トラップ（quantum
dot trap）として作用し、該量子ドット・トラップは衝撃電子流を許容することができる。この衝撃電子流は、各側の量子ドット・トラップによって影響され、そのため量子ドット・トラップは、衝撃電子流チャンネル５６，５７に沿った電子流の反射を制御する。図１７の構成は、量子ドット構造の利用により、図４の構成と比べて、ゲート電流を劇的に削減したようである。図１７の構成５０はマルチレベルメモリとして利用可能であり、アーム５２，５３，５６，５７等は、多くの異なる性能を発揮する異なる機能を介して、異なる多様な組合せで構成可能である。
【００４２】
所定の構成における上記装置を含む複合三次元マトリクスの形成方法について説明する。まず図１８では、ジグザグ・ナノチューブ前駆体要素を形成するステップを説明する。第１ステップは２つの分子６０，６１を準備する。これら分子は、標準的な有機化学技術を用いて合成可能である。両分子は４つの側部をもつものと見なされる。これら側部のうち３つは水素結合部を有し、これら結合部は合成の後の段階で使用される。これらは３つの直交した保護基、即ち記号Ａ，Ｂ，Ｃが付された基により保護されている。４番目の側部は水素結合パターンを有しており、これは２分子間で相補的である。このパターンは、逆結合を防止するために非対称でなければならない。
【００４３】
２つの要素６０，６１は混合されアニール化されて結合体６３が生成され、これは後で閉鎖体６４となり、最終生成物６５を形成する。これは、脱水素及び精製により可能である。脱水素は、例えばパラジウム触媒を使用することにより起こすことができる。なお、脱水素は全ての主な段階で示される。大部分の場合、全合成の最終段階まで脱水素は必要ない。
【００４４】
生成物を精製することにより、残留した未結合片及び環閉鎖試薬から分離する。試薬と生成物との間での分子の質量には基本的な差異があり、様々な形態の精製が採用可能である。
【００４５】
次に図１９では、アームチェア（８，８）の前駆合成のプロセスが図示されている。この第１ステップは２つの分子７０，７１を準備することであり、標準的な有機化学技術によりこれらは合成可能である。両分子は４つの側部をもつものと見なされる。この側部のうち３つは水素結合部を有しており、該水素結合部は後の合成段階において使用される。これらは３つの直交する保護基、即ち記号Ａ，Ｂ，Ｃが付された基により保護されている。４番目の側部は水素結合パターンを有し、この水素結合パターンは、２分子間で相補的である。逆付着を防止するため、このパターンは非対称でなければならない。
【００４６】
その結果、混合７２され、アニール化７３され、試薬が加えられ、環が閉じられて前駆片７４が形成される。
【００４７】
図２０には両端（１６，０）が形成されたナノチューブ前駆合成のプロセスが示されている。この第１ステップは２つの分子８０，８１を準備することであり、標準的な有機化学技術によりこれらは合成可能である。両分子は４つの側部をもつものと見なされる。この側部のうち３つは水素結合部を有しており、該水素結合部は後の合成段階において使用される。これらは３つの直交する保護基、即ち記号Ａ，Ｂ，Ｃが付された基により保護されている。４番目の側部は水素結合パターンを有し、この水素結合パターンは、２分子間で相補的である。逆付着を防止するため、このパターンは非対称でなければならない。
【００４８】
その結果、混合８３され、アニール化８４され、試薬が加えられ、環が閉じられる８５。
【００４９】
そして、以下更に詳細に説明するように、様々なナノチューブ・セグメントを形成する際に上記断片は利用可能である。
【００５０】
図２１では、両端のジグザグ（１６，０ナノチューブ断片）の形成プロセスが図示されている。機能化された端部９２，９３を有するベンゼン［Ｇ，Ｈ，Ｉ］ペリレン（peryelen）のような機能化されたＰＡＨ９０，９１から開始し、そのような要素９３の溶液が、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度まで加熱される。そして該溶液は、攪拌され、水素結合が高度に安定する温度までゆっくり温度を下げられる（即ち、アニール化される）。このプロセスにより、ループ要素を構成する最善の形状に断片をアニール化する。そして試薬が混合物に加えられ、リングの閉鎖９５が生じる。次いで、例えば、パラジウム触媒を使用することにより脱水素が生じ得る。そして精製により、残留した未結合の断片及び試薬から生成物９６を分離できる。
【００５１】
次いで図２２では、ここでジグザグ（１６，０）ナノチューブ要素の形成プロセスを説明する。機能化された端部１０２−１０５を有するジグザグ前駆分子１０１から開始し、端部１０４，１０５が保護解除される１０６，１０７。要素の溶液１０８が、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度まで加熱される。そしてアニール化温度が、水素結合が高度に安定する点までゆっくり下げられる。該プロセスにより、最善の形状１０９−１１２に断片をアニール化する。そして試薬が加えられ、リングの閉鎖１１３が生じる。最後に、例えば、パラジウム触媒を使用することにより要素１１３は脱水素される。そして精製ステップにより、残留した未結合の断片及び環閉鎖試薬から生成物を分離できる。
【００５２】
上述した合成プロセスは、異なる対掌性をもつ他のナノチューブ断片にも適用され得ることは明らかである。
【００５３】
図２３では、ナノチューブ断片１２０の例がより詳細に図示されている。該断片は、よく反応する酸素層１２２が続いたグラファイト層１２１を構成し得るものであり、該酸素層はイソプロピル・ターミネーション層１２３によりマスクされている。上述したナノチューブ要素の構築技術は、ダイオード等のような他のナノチューブ構造に適用する形で拡張可能である。次に、多くの構造について説明する。
【００５４】
ナノチューブ線状ダイオードの合成プロセスを示す図２４から始める。開始物質は、別個に合成されたナノチューブ要素１３０，１３１を含んでもよい。このナノチューブ要素は、アームチェア・ナノチューブ断片である要素１３０及び、ジグザグ型ナノチューブ要素である要素１３１を有する。各要素１３０，１３１は保護された端部を有している。第１ステップは、アームチェア・ナノチューブ１３０の端部Ｂ及び、ジグザグナノチューブ１３１の端部Ａを保護解除して、ナノチューブ要素１３２及び１３３を形成することである。そして、保護解除された端部を有するナノチューブは、溶液１３４内で混合される。該溶液は、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度から始まって、水素結合が高度に安定する状態１３５の温度に至るまで、ゆっくりアニール化され得る。次に、試薬が加えられることにより、閉鎖１３６を確実にし、その結果、例えばパラジウム触媒を使って脱水素が行われる。そして該溶液は精製され、ダイオード生成物を、残留した未結合の断片及び環閉鎖試薬から分離することが可能である。
【００５５】
次に図２５では、ナノチューブ要素の長さを増加させる方法が図示されている。まず、ナノチューブ断片１４０の量から始めて、半分の断片によって、Ｂ端部が保護解除１４１され、他の半分の断片によって、Ａ端部が保護解除される１４２。２つの半分は混合され１４３、水素結合を崩壊するのに十分な室温で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度から始まって、水素結合が高度に安定１４５する温度に至るまで、ゆっくりアニール化される。次に、試薬が加えられることにより、リング閉鎖が生じ、その後、脱水素が行われる。
【００５６】
次に図２６では、ナノチューブ断片の長さを延長するプロセスが図示されている。まず、空いた水素結合端部を備え、両端部が保護されたナノチューブ断片１５０の量からの開始であった。半分の断片について、端部Ｂが保護解除１５１され、他の半分の断片について、端部Ａが保護解除される１５２。２つの半分は混合され１５３、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度から始まって、水素結合が高度に安定１５５する温度に至るまで、ゆっくりアニール化１５４される。次に、試薬が加えられることにより、リング閉鎖１５６が生じる。
【００５７】
図２７では、ナノチューブ断片の長さを延長するプロセスが図示されている。このプロセスでは、２つのナノチューブ断片１６１及び１６２が保護解除されて１６４，１６５、互いに混合される１６６。この混合物はゆっくりアニール化され１６７、試薬が加えられ１６８、リング閉鎖が起こされ、その結果１６９、最善の脱水素及び精製となる。上述したプロセスは、ナノチューブ型要素による任意の三次元メッシュを構築するのに利用可能である。次いで図２８では、キャップされた端部をもつナノチューブ・ロッドの合成プロセスが図示されている。
【００５８】
はじめに、ナノチューブ断片１７０の量が、相補的な水素結合端部及び両側部が保護された形で利用される。断片１７０の半分は保護解除された第１の端部１７１を有しており、断片の他の半分は保護解除された第２の端部を有している。キャッピングユニット１７３，１７４は、始めのナノチューブ・セグメント合成、対応する混合１７３，１７４、アニール化された混合と類似の方法を使用して合成可能である。次の閉鎖１７５，１７６では通常の方法で処理される。そして、図２８で説明されたプロセスにより形成されたロッドは、対応する「ボール」に合わせられ、全体的なマトリクスが形成される。「ボール」及びロッドの一形成形態を図２９に基づいて説明する。続けて、他端が保護解除等１７７，１７８行われ、２つの混合物が互いに加えられアニール化１７９されて、緩く結合した構造１７９を形成する。そしてこの構造は閉鎖され、脱水素１８０される。
【００５９】
次に図２９では、マトリクス形成時の要素構築の一方法における処理ステップを示している。第１のステップは、水素結合部を、バキボールの１２個の５部分リングそれぞれに引き寄せることにより、バキボール（buckyball）１８２を機能化１８１させることである。そして、ナノチューブ要素（図２８の１８０）は機能化されたバキボール１８１と混合される。バキボールの濃度は、ナノチューブの倍の濃度よりもさらに大きくなければならず、これにより１つ以上のロッドが単一のバキボールに付着することを最小限におえる。水素結合は完了１８３され、試薬が加えられて水素結合を共有結合１８４に変更する。最後に、ロッドが精製１８５され、１つ以上のロッドを含む分子を排除する。これと共に、個々の残留バキボール及び結合試薬を排除する。
【００６０】
次に図３０に示すように、ナノチューブ１８０の混合及び、端部１８５において共有結合され機能化されたバキボールを有するナノチューブが設けられている。好ましくは、混合比率において正確に８．３３％のナノチューブ１２０が設けられる。ナノチューブ・ロッドの希釈溶液が、バキボール終端をもたない１１／１２のロッドと、両端部にバキボール終端を有する残りのロッドの形で用意される。溶液の量は、好ましくは、所望する拡大されたナノチューブ・メッシュの量よりも多い。そしてナノチューブ・メッシュは非常にゆっくりとアニール化され、図３１に示すようにメッシュ１８７を形成する。バキボールとの間の水素結合相互作用は、マトリクス１８７が自己形成できるほどに強力でなければならない。ゆっくりとしたアニール化により水素結合エネルギーがより小さくて済む。アニール化の後、試薬が加えられ、水素結合を共有結合に転換する。最後に前記溶液が排水され、構造１８７が不活性ガスで満たされる。
【００６１】
図２９で示した、バキボールハブ１８１要素に代るハブ要素を利用して異なるメッシュが形成されてもよい。代りの構成は、図３２に示すようにハブ断片の合成から開始される。ハブ断片１９０は、有機合成技術を利用して合成され得る。断片は、ＰＡＨの２つの側部の水素結合部の相補的なパターンにより機能化され得る。
【００６２】
第３側部上には水素結合部のパターンがあり、これは相溶性のナノチューブ断片の１つの端部上で使用されるものと相補的である。これはＢで保護されているのが示されている。４番目の側部は、水素結合部の循環の自己相補的パターンを有している。これらは直交した保護基Ａにより保護されている。そして要素１９１の溶液は、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度に加熱される。該温度は水素結合が高度に安定する温度にゆっくりと下げられる。この結果、断片１９２が形成される。そして試薬が加えられることにより、最終的なハブ断片１９３が形成される。
【００６３】
そして、図３３に示すように、ハブ断片がハブユニットに形成される。ハブユニット２０４は１２個のハブ断片１９３から構築される。第１ステップ２００は、多くのハブ断片の反応しやすい要素を保護解除し、これらを溶液２０１に加えることである。この溶液は、水素結合を崩壊するのに十分な温度で、しかしながら如何なる共有結合も変性させるほどではない温度に加熱される。断片はアニール化され、表面に均一に分散された断片により１２のハブ断片がクラスタを形成する。類型的結合２０３が、同じく設けられている単一ハブの「立体図」２０４と共に図示されている。試薬が加えられることにより、リングの閉鎖が生じ、精製により任意の脱水素が実行される。
【００６４】
別の合成方法では、機能化されたＣ６０バキボールを、球状に群がった形のハブ形成体の内部に残して、ハブ形成に対する「ガイド」として使用してもよい。
【００６５】
次いで、図３４に示されたプロセスにより「ダンベル」ユニットが形成可能である。該ダンベルユニットは合成されたハブ２０４及び両端ロッド２１０の混合物を提供することにより、上記合成体を利用することにより形成される。ハブ及びロッドそれぞれの端部は保護解除される２１０，２１２。ハブ及びロッドの混合体が設けられ、このハブのモル濃度は、ロッドのモル濃度の２倍よりもかなり大きい。これにより、２つのロッドが同一のハブに結合する可能性を最小限にする。続いて、試薬が加えられることにより、リングを閉鎖させ、精製により任意の脱水素が実行される。これにより、精製されたダンベルユニット２１３の集合が提供される。
【００６６】
次に図３５では、ここには低密度高強度ナノチューブ結晶の合成において必要なステップが示されている。このナノチューブ結晶は、ダンベル要素２１３（図３４）と保護解除２２１されてダブルユニット２１３と共に溶液に加えられた一連の両端ロッド２２０から合成可能である。ダンベル及びロッドの混合では、１１個のロッドの各ダンベルに対するモル比率が正確に制御される。チョクラルスキの結晶成長（Czochralski crystal growing）に類似したプロセスにより、ナノチューブ格子の表面中央向けの立方体結晶が形成されてもよい。この場合、ナノチューブダンベル及びロッドは、チョクラルスキの結晶成長における原子に類似している。ナノチューブ溶液は、水素結合分離温度よりやや高い温度まで加熱される。種結晶がこの溶液中に落とされ、ゆっくりと取り出される。結晶を引き出すプロセスにおいて温度が融点に下降すると、ナノチューブは該種上で結晶化される。好ましくは前記種は回転されるので、互いに直交した方向のナノチューブが「溶解液」中において真っ先に消耗してしまうことはない。結晶が引き出されるにつれ、格子が溶媒から抽出される。別の例において、初期の種は、平らな表面を、スポットを結晶格子と同一ピッチに引き寄せるダンベルでパターニングすることにより生成できる。
【００６７】
結晶が引き抜かれた後、これは、環閉鎖試薬と脱水素触媒を含むクリーンな溶媒中に落とされる。全ての水素結合は共有結合に置換されており、脱水素されているので、該構造は完全に芳香族で、完全な強度を達成する。最終構造は２２５に図示されている。
【００６８】
本発明の思想及び範囲の中において、大型メッシュ構造の構築における上述した説明が、多様にかつ簡単に変更され得ることが明白である。
【００６９】
例えば、所望の電気装置を有したマトリクス構造が、電気的要素を形成し、混合及びアニール化プロセスの所定のポイントで該要素を代替することにより、構築可能である。更に、アニール化プロセスも、他の複合結合構造の生成において利用可能であることが明白である。
【００７０】
更に、構造形成において利用されたナノチューブ・ロッド要素は、多くの精製を包含可能である。特に、溶液におけるファンデルワールス引力の相互作用により、ナノチューブ要素それ自体は、要素間で高度の引力を呈するかもしれない。このような状態は図３６に示されており、ナノチューブ断片２３０及び２３１が高い引力を呈することで、ナノチューブ要素がからみ合った部分が形成される。
【００７１】
ファンデルワールス引力の効果の低減の一形態が図３７に示されている。ここではナノチューブの外壁においてメタンのグループ２３５，２３６等が形成される。これによりチューブ２３７，２３８間におけるファンデルワールス引力が生じる機会の低減がなされる。
【００７２】
広く説明される本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、多くのバリエーション及び／又は変更が、実施形態で示されたような本発明に対してなされ得ることは、当業者により想到することができる。それゆえ本実施形態は、全ての点において例示的であって、限定的なものではない。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四面体又は立方体のナノチューブ結合が相互結合されたマトリクスにより構成されるナノチューブ構造体。
【請求項２】
前記相互結合はナノチューブの筋交い部により構成される請求項１記載のナノチューブ構造体。
【請求項３】
フラレーン相互結合要素と相互結合された１連のナノチューブにより構成されるナノチューブ構造体。
【請求項４】
バキボール(buckyball）又はその他のハブ要素に相互結合されたナノチューブ要素を構築する方法。
【請求項５】
多重のナノチューブ要素を相互結合させるためのハブ要素を構築する方法。
【請求項６】
低密度ナノチューブ結晶を構築する方法。
【請求項７】
アームチェア型の２つのナノチューブ間に相互結合された、所定長さのジグザグ型の中央ナノチューブにより構成された、
制御された抵抗特性を有する電気装置。
【請求項８】
アームチェア型の２つのナノチューブ間に相互結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、
前記中央ナノチューブに電場を作用させ、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更するための電場作用手段と、により構成された、信号増幅特性を有する電気装置。
【請求項９】
アームチェア型の２つのナノチューブ間に相互結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、
前記中央ナノチューブに相互結合されたジグザグ型の制御ナノチューブとを有し、該制御ナノチューブには、前記中央ナノチューブに電圧を作用させるための電場作用手段が相互結合され、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更することを特徴とする、信号増幅特性を有する電気装置。
【請求項１０】
共有結合部で相互結合された１連のナノチューブを有し、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、所定数の前記ナノチューブは、アームチェア型ナノチューブに対する周囲結合部を有し、これにより電気装置の操作特性を提供する電気装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記アームチェア型ナノチューブが、更にアームチェア型ナノチューブの共有結合部に相互結合されている、請求項１０記載の電気装置。
【請求項１２】
共有結合部で相互結合された１連のナノチューブを備え、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、所定数の前記ナノチューブは、アームチェア型ナノチューブに対する周囲結合部を有し、これにより電気装置の操作特性を提供して構成した電気装置。
【請求項１３】
共有結合部で結合された１連のアームチェア型ナノチューブを備えて構成した電気装置。
【請求項１４】
共有結合によるナノチューブ装置のラビリンスの相互結合を備え、前記装置は、異なる大きさのナノチューブの相互結合により形成された１連のダイオード要素を有して構成した電気装置。
【請求項１５】
半導体ナノチューブに取付けられた１連の金属型ナノチューブ構造体の結合部を有し、電子が実質的に前記結合部に捕捉される量子井戸状構造体を備えて構成した電気装置。
【請求項１６】
ナノチューブ結合部を有する衝撃電子ナノチューブ装置を備え、該衝撃電子ナノチューブ装置は前記結合部に隣接した少なくとも１つの量子井戸状構造体を有する電気装置。
【請求項１７】
実質的に上述したようなナノチューブ断片を形成するための前駆合成要素を構築する方法。
【請求項１】
四面体又は立方体のナノチューブ結合が相互結合されたマトリクスにより構成されるナノチューブ構造体。
【請求項２】
前記相互結合はナノチューブの筋交い部により構成される請求項１記載のナノチューブ構造体。
【請求項３】
フラレーン相互結合要素と相互結合された１連のナノチューブにより構成されるナノチューブ構造体。
【請求項４】
バキボール(buckyball）又はその他のハブ要素に相互結合されたナノチューブ要素を構築する方法。
【請求項５】
多重のナノチューブ要素を相互結合させるためのハブ要素を構築する方法。
【請求項６】
低密度ナノチューブ結晶を構築する方法。
【請求項７】
アームチェア型の２つのナノチューブ間に相互結合された、所定長さのジグザグ型の中央ナノチューブにより構成された、
制御された抵抗特性を有する電気装置。
【請求項８】
アームチェア型の２つのナノチューブ間に相互結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、
前記中央ナノチューブに電場を作用させ、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更するための電場作用手段と、により構成された、信号増幅特性を有する電気装置。
【請求項９】
アームチェア型の２つのナノチューブ間に相互結合されたジグザグ型の中央ナノチューブと、
前記中央ナノチューブに相互結合されたジグザグ型の制御ナノチューブとを有し、該制御ナノチューブには、前記中央ナノチューブに電圧を作用させるための電場作用手段が相互結合され、これにより前記アームチェア型ナノチューブ間の導電経路を変更することを特徴とする、信号増幅特性を有する電気装置。
【請求項１０】
共有結合部で相互結合された１連のナノチューブを有し、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、所定数の前記ナノチューブは、アームチェア型ナノチューブに対する周囲結合部を有し、これにより電気装置の操作特性を提供する電気装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記アームチェア型ナノチューブが、更にアームチェア型ナノチューブの共有結合部に相互結合されている、請求項１０記載の電気装置。
【請求項１２】
共有結合部で相互結合された１連のナノチューブを備え、前記結合部において、前記ナノチューブは、ジグザグのナノチューブを有し、所定数の前記ナノチューブは、アームチェア型ナノチューブに対する周囲結合部を有し、これにより電気装置の操作特性を提供して構成した電気装置。
【請求項１３】
共有結合部で結合された１連のアームチェア型ナノチューブを備えて構成した電気装置。
【請求項１４】
共有結合によるナノチューブ装置のラビリンスの相互結合を備え、前記装置は、異なる大きさのナノチューブの相互結合により形成された１連のダイオード要素を有して構成した電気装置。
【請求項１５】
半導体ナノチューブに取付けられた１連の金属型ナノチューブ構造体の結合部を有し、電子が実質的に前記結合部に捕捉される量子井戸状構造体を備えて構成した電気装置。
【請求項１６】
ナノチューブ結合部を有する衝撃電子ナノチューブ装置を備え、該衝撃電子ナノチューブ装置は前記結合部に隣接した少なくとも１つの量子井戸状構造体を有する電気装置。
【請求項１７】
実質的に上述したようなナノチューブ断片を形成するための前駆合成要素を構築する方法。
【公開番号】特開２０１０−１００５２０（Ｐ２０１０−１００５２０Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−２７５４５８（Ｐ２００９−２７５４５８）
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【分割の表示】特願２０００−５３７８００（Ｐ２０００−５３７８００）の分割
【原出願日】平成１１年３月２４日（１９９９．３．２４）
【出願人】（５００１４２２１３）シルバーブルック リサーチ プロプライエタリイ、リミテッド (27)
【氏名又は名称原語表記】ＳＩＬＶＥＲＢＲＯＯＫ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＰＴＹ．ＬＩＭＩＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７５４５８（Ｐ２００９−２７５４５８）
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【分割の表示】特願２０００−５３７８００（Ｐ２０００−５３７８００）の分割
【原出願日】平成１１年３月２４日（１９９９．３．２４）
【出願人】（５００１４２２１３）シルバーブルック リサーチ プロプライエタリイ、リミテッド (27)
【氏名又は名称原語表記】ＳＩＬＶＥＲＢＲＯＯＫ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＰＴＹ．ＬＩＭＩＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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