説明

先端上で整列したナノ構造

【課題】 先端に整列したナノ構造を提供する。
【解決手段】 先端に整列したカーボンナノチューブを製造する技術が提供される。一実施形態において、先端に整列したカーボンナノチューブを製造する方法は、ナノ構造を先端に形成し、先端を流れる流体を用いて、ナノ構造を先端に整列することを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
技術分野
本開示は概してナノ構造に関する。
【背景技術】
【0002】
背景
近年、カーボンナノチューブ(CNT)、ナノワイヤ、ナノロッド等を含むナノ構造がかなり研究されている。かかる研究の1つの成果は、CNTを、原子力顕微鏡(AFM)の先端として用いることができるという知見である。AFMの先端は、操作中、試料表面との衝撃に耐える十分に高い強度と、高アスペクト比を有する接触構造を高い信頼性で測定するための高解像度を必要とする。高解像度を達成するために、先端は、高アスペクト比の幾何構造を有し得る。
【0003】
CNTは、良好な耐化学性および良好な機械的強度を有する。さらに、CNTは、高アスペクト比の幾何構造を有する。このように、CNTは、AFMの先端の有望な候補である。例えば、先端の頂点に形成された針状のCNTが、AFMの先端のプローブとして用いるのに好適である。CNTを、接着剤でコートされたシリコン先端に取り付ける1つの方法は、S.S. WongらによりAppl. Phys. Lett. 73(23) 3465-3467, 1998またはH. Dai らによりNature 384(14), 147-150, 1996に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
CNTをAFMの先端のプローブとして用いるには、先端に良好に接着し、高アスペクト比を有するCNTを高い信頼性で形成する技術の開発が必要である。さらに、先端の長手方向に実質的に平行な幾何形状を有するように、CNTを先端に付着させる技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
概要
一実施形態において、先端上で整列したナノ構造を製造する方法は、ナノ構造を先端上に形成する工程と、先端を流れる流体を用いて、ナノ構造を先端上で整列させる工程を含む。
【0006】
他の実施形態において、先端上に集中したナノ構造を製造する方法は、ナノ構造を先端に形成する工程と、先端と、先端を流れる流体との間の毛細管作用により、ナノ構造を集中させる工程を含む。
【0007】
さらに他の実施形態において、装置は、頂点および傾斜部分を有する先端と、先端の頂点で先端の長手方向に整列した第1のナノ構造と、先端の傾斜部分を囲むように整列した第2のナノ構造とを含む。
【0008】
さらに他の実施形態において、装置は、頂点を有する先端と、先端の長手方向に集中したナノ構造と、ナノ構造を形成するのに用いる触媒とを含む。
【0009】
上記の概要は、概念のセレクションを単純化した形態で示すためのものであり、これについて、発明を実施するための最良の形態に、さらに後述する。上記の概要は、クレームされる主題の主要な特徴または必須の特徴を特定するためのものではなく、クレームされる主題の範囲を判断する補助として用いることを意図するものでもない。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】先端上で整列したナノ構造を製造する方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図2】ナノ構造を先端上に形成する方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図3】先端上に触媒粒子を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図4】先端上に触媒粒子を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図5】先端上に触媒粒子を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図6】先端上に触媒粒子を形成する方法の他の例示的な実施形態の概略図である。
【図7】先端上に触媒粒子を形成する方法の他の例示的な実施形態の概略図である。
【図8】先端上に触媒粒子を形成する方法の他の例示的な実施形態の概略図である。
【図9】先端上に触媒粒子を形成する方法のさらに他の例示的な実施形態の概略図である。
【図10】先端上に触媒粒子を形成する方法のさらに他の例示的な実施形態の概略図である。
【図11】触媒粒子からナノ構造を形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図12】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図13】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図14】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態の概略図である。
【図15】先端上にナノ構造を整列させる方法の例示的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
詳細な説明
以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付の図面を参照する。図面において、特に断りのない限り、同様の符号は、典型的に、同様の構成要素を示す。詳細な説明に記載された例示の実施形態、図面、請求項は、限定されるものではない。ここに示した主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を用い、その他変更を行うことができる。概して、ここに記載され、図面に例示された本開示の構成要素は、様々な異なる構成でアレンジ、置換、結合および設計することができ、それらはすべて明確に意図されており、この開示の一部をなすことが容易に理解できる。
【0012】
要素または層が、他の要素または層「上に(で)」と言及されるとき、その要素または層は、他の要素または層の直接上にあってもよいし、または介在する要素または層が存在していてもよい。本明細書で用いる、「および/または」という用語には、関連して挙げられた項目の1つ以上のいずれかおよび全ての組み合わせを含み得る。
【0013】
図1は、先端上で整列したナノ構造を製造する方法の例示の実施形態のフローチャートである。図1を参照すると、ブロック110で始まり、ナノ構造が先端上に形成される。例えば、先端は、タングステン、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タンタルもしくはニオブ等の金属、またはこれらの合金で形成され得る。ナノ構造は、カーボンナノチューブ(CNT)またはナノワイヤを含む。ブロック120で、流体が先端上に供給されて、先端に沿って流れる流体が、先端上にナノ構造を整列させる。例えば、流体は、水または有機溶媒を含む液体であってもよい。有機溶媒としては、アルコール、ケトン、エステル等が例示される。先端上で整列したナノ構造を形成する方法を、ナノ構造を先端上に形成する方法およびナノ構造を先端上で整列させる方法に関して説明する。
【0014】
ナノ構造を先端に形成する方法
図2は、図1のブロック110に関連して、ナノ構造を先端に製造する方法の例示の実施形態のフローチャートである。ブロック210で始まり、触媒粒子が先端上に形成される。触媒粒子は、金属触媒粒子であってよい。例えば、金属触媒粒子は、ニッケル、コバルト、モリブデンまたは鉄等の金属を含み得る。次に、ブロック220において、ナノ構造を、触媒粒子から形成する。いくつかの実施形態におけるナノ構造を先端に形成する方法の各プロセスを、ここで図3〜9を参照してさらに説明する。
【0015】
図3〜5は、触媒粒子を先端上に形成する方法の例示的な実施形態の概略図である。図3を参照すると、先端310が、触媒粒子350を含む溶液330に浸漬される。先端310は、頂点310aおよび傾斜部分310bを含んでいてもよい。ある実施形態においては、先端310の少なくとも一部、例えば、頂点310aおよび傾斜部分310bを、溶液330に浸漬する。別の実施形態においては、実質的に、先端310全体を、溶液330に浸漬する。
【0016】
先端310は、例えば、タングステン、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タンタルもしくはニオブ等の金属、またはこれらの合金を含む。一実施形態においては、金属ワイヤは、頂点310aおよび傾斜部分310bを含む先端310を形成するために、水酸化物溶液を用いて電気化学的にエッチングされる。例えば、タングステンワイヤは、頂点および傾斜部分を含むタングステン先端を形成するために、水酸化カリウム溶液または水酸化ナトリウム溶液内で電気化学的にエッチングされてもよい。他の例では、アルミニウムワイヤは、頂点および傾斜部分を備えたアルミニウム先端を形成するために、硫化水素酸と混合した塩化水素溶液内で電気化学的にエッチングされてもよい。他の実施形態において、頂点310aおよび傾斜部分310bを含む先端310は、金属ワイヤを機械的に研削して、上述した形状とすることにより形成される。
【0017】
溶液330は、触媒粒子350を含むコロイド溶液である。溶液330は、例えば、有機溶媒または脱イオン水である。有機溶媒としては、アルコール、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、sec−ブチルアルコール、t−ブチルアルコールおよびイソブチルアルコール;ケトン、例えば、アセトン、メチルアセトンおよびジアセトンアルコール;エステル、例えば、酢酸エチルおよび乳酸エチル;多価アルコール、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,2,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,2,6−ヘキサントリオール、ヘキシレングリコール、グリセロール、グリセロールエトキシレートおよびトリメチロールプロパンエトキシレート;低級アルキルエーテル、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテルおよびトリエチレングリコールモノエチルエーテル、窒素化合物、例えば、2−ピロリドン、N−メチル−2−ピロリドンおよびカプロラクタム;ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、チオグリコール等が挙げられ、これらは、単体で用いても、組み合わせて用いてもよい。
【0018】
触媒粒子350は、溶液330中に分散され得る。触媒粒子350は、金属触媒粒子であってもよい。金属触媒粒子は、例えば、ニッケル、コバルト、モリブデン、白金もしくは鉄等の金属、またはこれらの合金を含んでいてもよい。溶液330中に浸漬された先端310のいくつかの部分は、溶液330中の触媒粒子350と接触する。
【0019】
図4および5を参照すると、溶液330に浸漬された先端310は、溶液330から引っ張られまたは持ち上げられる。先端310を溶液330から引っ張り出すとき、溶液330の一部が先端310に移動し得る。すなわち、溶液330の一部が先端310に残る。一実施形態において、溶液330の分子と先端310の分子との間の接着力が、溶液330の分子間の凝集力より強いと、溶液330は、毛細管現象の結果、先端310に移動し得る。先端310の溶液330は、雰囲気周囲中で、先端310から容易に蒸発し得、溶液330中の触媒粒子350が、先端310に残り得る。その結果、触媒粒子350が、先端310上に形成され得る。一実施形態において、先端310の傾斜部分310bが、溶液330に浸漬され、先端310上および傾斜部分310b上に移動した溶液が蒸発すると、先端310の傾斜部分310b上に触媒粒子350が形成される。
【0020】
図6〜8は、触媒粒子を先端上に形成する方法の他の例示の実施形態の概略図である。図6を参照すると、先端610は、電解質溶液630から間隔をあけて配置されている。例えば、先端610は、電解質溶液630の上方に配置され得る。先端610は、頂点610aおよび傾斜部分610bを含む。頂点610aおよび傾斜部分610bを有する先端610は、図3〜5を参照して説明した頂点310aおよび傾斜部分310bを有する先端310と実質的に同じである。従って、頂点610aおよび傾斜部分610bを有する先端610の詳細な説明は、簡単にするために省く。
【0021】
電解質溶液630は、金属触媒イオン650を含み得、電解質溶液630は、電極容器670内に提供されてもよい。金属触媒イオン650は、電解質溶液630中の金属触媒から形成され得る。一実施形態において、金属触媒イオン650は、金属触媒が、電解質溶液630に電子を放出する場合、正電荷を有する金属カチオンであり得る。他の実施形態において、金属触媒イオン650は、金属触媒が、電解質溶液630から電子を得る場合、負電荷を有する金属アニオンであり得る。金属触媒イオン650としては、例えば、ニッケルイオン、コバルトイオン、モリブデンイオン、鉄イオン等、またはこれらの組み合わせが挙げられ得る。
【0022】
図7を参照すると、外部電源790が、電解質溶液630に電圧を印加して、金属触媒イオン650を、電解質溶液630から放出する。図示するとおり、外部電源790は、先端610と電解質溶液630との間に配置されて、電解質溶液630に電圧を印加する。一実施形態において、金属触媒イオン650が正電荷を有する場合、電圧が印加されると、先端610は、負の電位を有し、電解質溶液630は、正の電位を有し得る。他の実施形態において、金属触媒イオン650が負電荷を有する場合、電圧を印加すると、先端610は、正の電位を有し、電解質溶液630は、負の電位を有し得る。
【0023】
電解質溶液630に印加された電圧は、静電力を生成する。生成された静電力によって、金属触媒イオン650が、電解質溶液630の表面に集まり得る。電解質溶液630の表面に集まった金属触媒イオン650は、互いに静電反発力を示し得る。このとき閾値電圧を超える電圧が印加されると、金属触媒イオン650は、電解質溶液630の表面張力に打ち勝ち、金属触媒イオン650が、電解質溶液630の表面から放出される。閾値電圧とは、電解質溶液630に印加される臨界電圧を意味し、金属触媒イオン650が、互いの静電反発力および電解質溶液630との静電反発力にも関わらず、電解質溶液630中に存在できる上限の電圧である。例えば、ニッケル触媒イオンを含む電解質溶液630と、タングステンで形成された先端610との間の距離が、約50μmのとき、閾値電圧は、約数十ボルトであり得る。
【0024】
図7に示すように、放出された金属触媒イオン650は、先端610に付着し得る。電圧により、先端610の周囲に形成された電界は、電解質溶液630から放出された金属触媒イオン650を先端610に向けて誘導し得る。一実施形態において、電界は、先端610の頂点610a上で集中し、放出された金属触媒イオン650は、先端610の頂点610aに付着し得る。付着した金属触媒イオン650は、先端610から電子を受け取るか、先端610に電子を放出でき、金属触媒イオン650が、還元または酸化されて、先端610で金属触媒原子となる。
【0025】
図8を参照すると、触媒粒子850が、先端610上に形成される。先端610上で還元または酸化された金属触媒原子は、互いに結合して、先端610上に触媒粒子850を形成する。
【0026】
図9および10は、触媒粒子を先端に形成する方法のさらに他の例示の実施形態の概略図である。図9を参照すると、頂点910aおよび傾斜部分910bを有する先端910は、金属触媒イオン950を含む電解質溶液930に浸漬され得る。外部電源990から、電解質溶液930に電圧を印加して、電解質溶液930から金属触媒イオン950を放出させ得る。金属触媒イオン950を含む電解質溶液930は、電極容器970内に提供されていてもよい。先端910、電解質溶液930、金属触媒イオン950、電極容器970および外部電源990は、図6〜8を参照して説明した先端610、電解質溶液630、金属触媒イオン650、電極容器670および外部電源790と実質的に同じである。
【0027】
外部電源990は、先端910を電解質溶液930に浸漬している間、先端910と電解質溶液930との間に電圧を印加する。電圧を印加し、電界が、先端910と電解質溶液930との間に形成されると、電解質溶液930中の金属触媒イオン950が、先端910に付着し、還元または酸化されて、先端910上で金属触媒原子になる。
【0028】
図10を参照すると、先端910上で還元または酸化された金属触媒原子は、互いに結合して、先端910上に触媒粒子1050を形成する。
【0029】
図11は、触媒粒子からナノ構造を形成する方法の例示の実施形態の概略図である。図示するとおり、ナノ構造は、図5、8および10を参照して説明した触媒粒子350、850および1050から形成され得る。以降、ナノ構造の一例として、CNTを形成する方法をここで説明する。
【0030】
一実施形態において、炭化水素を含む反応ガス1110が、触媒粒子350、850および1050上に導入されて、触媒粒子350、850および1050からCNT1130が形成される。炭化水素としては、一酸化物、アセチレン、エチレン、エタン、メタン、プロパンまたはこれらの組み合わせが挙げられ得る。CNT1130を形成する方法は、例えば、エネルギー源として、熱、プラズマまたはマイクロ波を用いた化学蒸着(CVD)プロセスにより実施され得る。
【0031】
炭化水素を含む反応ガス1110は、例えば、熱、プラズマまたはマイクロ波により、触媒粒子350、850および1050上で溶解する。溶解した反応ガス1110中の炭化水素から分離された炭素原子は、触媒粒子350、850および1050に拡散して、炭素原子は、触媒粒子350、850および1050に運ばれる。炭素原子が、触媒粒子350、850および1050中の炭素の溶解度を超えて充填されると、炭素原子の析出が生じる。析出のために、炭素原子は、触媒粒子350、850および1050から抽出される。次に、抽出された炭素原子は、触媒粒子350、850および1050との界面に再配列する。再配列した炭素原子は、界面から成長して、先端310、610および910上にCNT1130を形成する。
【0032】
図11に示すとおり、一実施形態において、触媒粒子350、850および1050は、それぞれ、先端310、610および910に付着し、CNT1130は、触媒粒子350、850および1050上に形成される。他の実施形態において、溶解した反応ガス1110の炭素原子は、触媒粒子350、850および1050の上面から下面へ拡散し得、次に触媒粒子350、850および1050の下面から析出し得る。その結果、CNT1130は、触媒粒子350、850および1050下に形成され得る。触媒粒子350、850および1050は、CNT1130が触媒粒子350、850および1050から形成された後、CNT1130上に残り得る。
【0033】
一実施形態において、電極(図示せず)は、先端310、610または910から離れて配置され得る。例えば、電極は、先端310、610および910の下に配置され得る。CNT1130が先端310、610および910上に形成している間、外部電圧等の電圧を、先端310、610および910と電極との間に印加してもよい。電圧により生成された電界は、CNT1130が、先端310、610および910で不規則に成長するのを防ぎ得る。電界は、先端310、610および910上で成長するCNT1130と相互作用し得る。電解は、CNT1130の内部双極子極性を変え、トルクおよび力を生成して、CNT1130を整列させ得る。従って、電界は、先端310、610および910上でのCNT1130の成長方向を変え、これによって、CNT1130が電界に沿って整列し得る。
【0034】
CNT1130以外のナノ構造を、図11を参照して説明したCNT1130を形成する方法と同様の方法により形成してもよい。すなわち、ナノ構造に対応する所定のソースガスを提供し、金属触媒粒子上で溶解し、溶解したソースガスと金属触媒粒子との間の反応により、ナノ構造を形成してもよい。一実施形態において、炭化ケイ素ナノロッドは、蒸発したC18Siガスをソースガスとし、鉄粒子を金属触媒粒子として用いて、CVD法により形成し得る。他の実施形態において、酸化ケイ素ナノワイヤを、蒸発したSiOガスをソースガスとして、鉄粒子を金属触媒粒子として用いて、蒸着法により形成し得る。
【0035】
図3〜11を参照して説明した、ナノ構造を先端に形成する方法のいくつかの例示の実施形態には、触媒粒子を先端上に形成する工程と、ナノ構造を触媒粒子から形成する工程が含まれる。他の実施形態において、既に製造されたナノ構造を用意し、そのナノ構造を先端上に付着させることにより、ナノ構造を先端上に形成してもよい。
【0036】
ナノ構造を先端上で整列させる方法
図12は、ナノ構造を先端上で整列させる方法の例示の実施形態のフローチャートである。ブロック1210で始まり、流体をナノ構造を含む先端上に導入する。ブロック1220において、先端に沿って流れる流体が、ナノ構造に力を加えて、ナノ構造を先端上で整列させる。力は、先端と流体との間の毛細管力であり得る。その結果、整列したナノ構造が、先端上に形成される。ナノ構造を先端上で整列する方法の各プロセスを、ここで図13〜15を参照して説明する。
【0037】
図13を参照すると、流体1370が、ナノ構造1350を含む先端1310上に導入される。ナノ構造1350は、例えば、CNT、ナノワイヤまたはナノコードである。ナノ構造1350は、図11を参照して説明したCNT1130であってもよい。あるいは、ナノ構造1350は、上述した様々な他の方法により先端上に形成されたナノ構造であってもよい。先端1310は、頂点1310aおよび傾斜部分1310bを含み得る。先端1310は、図1〜11を参照して説明した先端310、610および910と実質的に同じである。流体1370は、先端1310に対してぬれ性がある。流体1370は、例えば、水または有機溶媒を含み得る。有機溶媒としては、例えば、アルコール、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、sec−ブチルアルコール、t−ブチルアルコールおよびイソブチルアルコール;ケトン、例えば、アセトン、メチルアセトンおよびジアセトンアルコール;エステル、例えば、酢酸エチルおよび乳酸エチル;多価アルコール、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,2,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,2,6−ヘキサントリオール、ヘキシレングリコール、グリセロール、グリセロールエトキシレートおよびトリメチロールプロパンエトキシレート;低級アルキルエーテル、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテルおよびトリエチレングリコールモノエチルエーテル;窒素化合物、例えば、2−ピロリドン、N−メチル−2−ピロリドンおよびカプロラクタム;ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、チオグリコール等が挙げられ、これらは、単体で用いても、組み合わせて用いてもよい。
【0038】
流体1370は、先端1310のナノ構造1350が形成されていない領域に導入してよい。一実施形態において、流体1370は、液滴の形態で流体を、先端1310の部分へスプレーすることにより、先端1310に導入され得る。その先端1310の部分は、ナノ構造1350が形成されていない領域である。他の実施形態において、流体1370は、先端1310の部分を、流体1370を含む溶液に浸漬することにより、先端1310上に導入され得る。
【0039】
先端1310上に導入された流体1370は、先端1310の長手方向に沿って、ナノ構造1350に向かって流れ得る。一実施形態において、先端1310が、地面に対して実質的に垂直に配置されてもよく、それにより重力の結果として、流体1370が先端1310から下方に流れる。他の実施形態において、不活性ガスフローが先端1310上に提供されて、これにより流体1370がナノ構造に向かって流れる。例えば、不活性ガスは、窒素、ヘリウム、水素等またはこれらの組み合わせであり得る。不活性ガスフローは、不活性ガスを、制御されたガスインジェクタから、先端1310の長手方向に吹き込むことにより生成され得る。先端1310の長手方向に沿って流れる不活性ガスは、流体1370に対して物理的な力として作用することができ、これにより流体1370が先端1310に沿って流れる。
【0040】
流体1370が先端1310上を流れると、毛細管力が流体1370と先端1310との間の界面で生じ得る。図13に示すとおり、流体1370の分子と先端1310の分子との間の毛細管力が、流体1370の分子間引力より大きいと、先端1310が、流体1370と先端1310との間の界面で、流体1370の流れる方向と反対の方向に、流体1370を引っ張り得る。
【0041】
図14を参照すると、先端1310上を流れる流体1370は、ナノ構造1350と接触する。一実施形態において、流体1370が、傾斜部分1310bに沿って、頂点1310aに向かって流れ得るようにナノ構造1350は傾斜部分1310b上に形成されてもよい。ナノ構造1350は、流体1370に対してぬれ性を有する。
【0042】
先端1310上を流れる流体1370は、流体1370がナノ構造1350を通過するとき、ナノ構造1350に物理的力を加え得る。流体1370の流れと、流体1370が先端1310に沿って流れるときの流体1370と先端1310との間の界面で生じる毛細管作用によって、物理的な力が生じ得る。流体1370と接触した後、ナノ構造1350は、流体1370からの物理的な力によって、実質的に流体1370の流れる方向に、先端1310上で整列し得る。
【0043】
図15を参照すると、図14のナノ構造1350は、流体1370がナノ構造1350を通過した後、先端1310上で整列する。一実施形態において、図14に示すナノ構造1350は、先端1310の頂点1310aで、先端1310の長手方向に実質的に整列した第1のナノ構造と、先端1310の傾斜部分1310bを囲むように整列した第2のナノ構造1350bとに分けられる。第1のナノ構造1350aは、直径が約100nm未満の少なくとも1つの単層のCNTを含み得る。頂点1310aに配置された単層CNTの直径は、約1〜10nmであり得る。このように、第1のナノ構造1350aは、直径に比べて非常に長い長さを有し得る。従って、第1のナノ構造1350aは、高アスペクト比の幾何構造を有している。その結果、先端1310の長手方向に実質的に平行に整列し、約100nm未満の小さな直径を有する第1のナノ構造1350aは、AFMのプローブ先端として用いられ得る。
【0044】
上述したとおり、ナノ構造は、先端に沿って流れる流体を用いて、先端の頂点周囲に整列できる。さらに、先端の頂点周囲に整列したナノ構造は、先端の長手方向に実質的に平行な高アスペクト比の幾何構造を有することができる。従って、ナノ構造は、原子力顕微鏡(AFM)や走査型プローブ顕微鏡(SPM)等の高アスペクト比の先端を必要とする装置に適用することができる。さらに、このナノ構造は、高電界集中を必要とするフィールドエミッション素子の電子エミッタに適用することができる。
【0045】
上記は、本開示の例示であり、限定するものとは解釈されない。本開示の数多くの実施形態を説明してきたが、当業者であれば、本開示の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、実施形態の多くの修正が可能であることが容易に理解されるであろう。従って、かかる修正はすべて、特許請求の範囲に定義された本開示の範囲内に含まれるものとする。そのため、上記は、開示された特定の実施形態に限定されるものとは解釈されない本開示の例示であり、開示された実施形態およびその他実施形態の修正は、添付の特許請求の範囲に含まれるものと考えられる。本開示は、特許請求の範囲により定義され、特許請求の範囲の均等物も含まれるものとする。
【符号の説明】
【0046】
310 先端
310a 頂点
310b 傾斜部分
330 溶液
350 触媒粒子
610 先端
610a 頂点
610b 傾斜部分
630 電解質溶液
650 金属触媒イオン
670 電極容器
790 外部電源
850 触媒粒子
910 先端
910a 頂点
910b 傾斜部分
930 電解質溶液
950 金属触媒イオン
970 電極容器
990 外部電源
1050 触媒粒子
1110 反応ガス
1130 CNT
1310 先端
1310a 頂点
1310b 傾斜部分
1350 ナノ構造
1370 流体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ナノ構造を先端上に形成する工程と、
前記先端上を流れる流体を用いて前記ナノ構造を前記先端上で整列させる工程を含む整列したナノ構造を先端上に製造する方法。
【請求項2】
前記ナノ構造が、カーボンナノチューブまたはナノワイヤを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記ナノ構造を前記先端上に形成する工程が、
触媒粒子を前記先端上に形成する工程と、
前記触媒粒子から前記ナノ構造を形成する工程を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記触媒粒子を前記先端上に形成する工程が、
前記先端を前記触媒粒子を含む溶液に浸漬する工程と、
前記触媒粒子と接触している前記先端を、前記溶液から引き抜く工程を含む、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記触媒粒子を前記先端上に形成する工程が、
前記先端を金属触媒イオンを含む電解質溶液から間隔をあけて配置する工程と、
前記金属触媒イオンを前記電解質溶液から放出させるために前記電解質溶液に電界を印加する工程と、
前記触媒粒子を形成するために前記放出された金属触媒イオンを前記先端に付着させる工程を含む、請求項3に記載の方法。
【請求項6】
前記触媒粒子を先端上に形成する工程が、
前記先端を金属触媒イオンを含む電解質溶液に浸漬する工程と、
前記電解質溶液と前記先端との間に電界を生成する工程と、
前記金属触媒イオンを前記先端に付着させる工程を含む、請求項3に記載の方法。
【請求項7】
前記触媒粒子が、ニッケル、コバルト、モリブデンおよび鉄からなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項3に記載の方法。
【請求項8】
前記触媒粒子から前記ナノ構造を形成する工程が、前記ナノ構造に対応する反応ガスを前記触媒粒子に提供する工程を含む、請求項3に記載の方法。
【請求項9】
前記ナノ構造を前記先端上で整列させる工程が、
前記流体を前記先端上に導入する工程と、
前記流体を前記ナノ構造に向かって流すことにより前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
前記流体が、前記先端に対してぬれ性を有する、請求項9に記載の方法。
【請求項11】
前記流体が、前記ナノ構造に対してぬれ性を有する、請求項9に記載の方法。
【請求項12】
前記流体が、水または有機溶媒を含む、請求項9に記載の方法。
【請求項13】
前記流体を前記先端上に導入する工程が、液滴の形態の前記流体を、前記ナノ構造が形成されている領域以外の領域にスプレーする工程を含む、請求項9に記載の方法。
【請求項14】
前記流体を前記先端上に導入する工程が、前記先端の前記ナノ構造が形成されていない領域を、前記流体を含む溶液に浸漬する工程を含む、請求項9に記載の方法。
【請求項15】
前記流体が、重力により前記ナノ構造に向かって流れる、請求項9に記載の方法。
【請求項16】
前記流体が、前記先端に供給された不活性ガスフローにより、前記ナノ構造に向かって流れる、請求項9に記載の方法。
【請求項17】
前記不活性ガスが、窒素、ヘリウム及び水素からなる群から選択される少なくとも1つを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項18】
前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程が、前記ナノ構造を前記流体の流れる方向に整列させるために、前記流体に前記ナノ構造に対して物理的力を加えさせる工程を含む、請求項9に記載の方法。
【請求項19】
前記物理的力が、前記流体と前記先端との間の毛細管力により生成される、請求項18に記載の方法。
【請求項20】
前記ナノ構造を前記先端上に形成する工程と、
前記先端と前記先端を流れる流体との間の毛細管作用により、前記ナノ構造を集中させる工程を含む、先端に集中したナノ構造を製造する方法。
【請求項21】
前記ナノ構造を前記先端上に形成する工程が、
触媒粒子を前記先端上に形成する工程と、
前記触媒粒子から前記ナノ構造を形成する工程を含む、請求項20に記載の方法。
【請求項22】
前記ナノ構造を集中させる工程が、
前記流体を前記先端上に供給する工程と、
前記流体を前記ナノ構造に向かって流すことにより、前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程を含む、請求項20に記載の方法。
【請求項23】
前記流体を前記ナノ構造と接触させる工程が、前記ナノ構造を前記流体の流れる方向に集中させるために、前記流体に前記ナノ構造に対して毛細管力による物理的力を加えさせる工程を含む、請求項22に記載の方法。
【請求項24】
前記流体と前記先端との間の分子間接着力が、前記流体中の分子間引力より大きい、請求項20に記載の方法。
【請求項25】
頂点および傾斜部分を有する先端と、
前記先端の前記頂点において前記先端の長手方向に整列した第1のナノ構造と、
前記先端の前記傾斜部分を囲むように整列した第2のナノ構造と
を含む装置。
【請求項26】
前記第1および第2のナノ構造が、前記傾斜部分上を流れる流体の物理的力により整列する、請求項25に記載の装置。
【請求項27】
前記第1および第2のナノ構造が、前記先端に沿って流れる流体の流れる方向に並んでいる、請求項25に記載の装置。
【請求項28】
頂点を有する先端と、
前記頂点から前記先端の長手方向に集中したナノ構造と、
前記ナノ構造を形成するのに用いる触媒と
を含む装置。
【請求項29】
前記ナノ構造が、前記先端と前記先端を流れる流体との間の毛細管作用により集中させられている、請求項28に記載の装置。

【図1】
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【図2】
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【図12】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【公開番号】特開2010−47461(P2010−47461A)
【公開日】平成22年3月4日(2010.3.4)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2008−310618(P2008−310618)
【出願日】平成20年12月5日(2008.12.5)
【出願人】(508298075)ソウル大学校産学協力団 (27)
【Fターム(参考)】