專(zhuān)利名稱(chēng)：碳納米管結(jié)構(gòu)體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管結(jié)構(gòu)體及其制造方法，更詳細(xì)地，涉及 一種具有由包含沿同一方向取向的多個(gè)碳納米管的碳納米管聚集體構(gòu) 成的立體形狀部的碳納米管結(jié)構(gòu)體及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，具有特別的物理、化學(xué)特性的碳納米管(以下也稱(chēng)為
CNT)正被越來(lái)越多地用于微型機(jī)械(MEMS)用裝置和電子裝置。 例如，已知有一種利用其他工序?qū)⒂蒀NT構(gòu)成的探針的基端附著在 懸臂(cantilever)的錐部，構(gòu)成原子力顯孩i鏡(AFM， atomic force microscope)的探測(cè)器的技術(shù)(專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。但是，該技術(shù)中，懸 臂與探針是分別形成的不同部件，制造工序容易變得繁雜。
此外，已知有一種技術(shù)，即，利用圖案化技術(shù)在基板上形成鑄模， 再在鑄模中填充將CNT分散于溶劑中而獲得的溶液，并使溶劑揮發(fā) 而獲得納米大小的結(jié)構(gòu)體和MEMS結(jié)構(gòu)體(專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。但是，該 技術(shù)制造工序繁雜而且難以控制CNT的取向?？傊m然已知在電 特性(例如導(dǎo)電率)、光學(xué)特性(例如透射率)和機(jī)械特性(例如彎 曲特性)等物理特性方面，包含沿同一方向取向的多個(gè)CNT的CNT 聚集體在取向方向和與其正交的方向上具有不同的特性(各向異性)， 但是，專(zhuān)利文獻(xiàn)2中所記載的技術(shù)在其制法上難以對(duì)所制成的結(jié)構(gòu)體 提供各向異性。如果像這樣多個(gè)CNT的朝向是隨機(jī)的，那么由于不 能做到均勻且沒(méi)有間隙地填充多個(gè)CNT，所以也難以獲得具有所期望 的機(jī)械強(qiáng)度的高密度CNT聚集體。
此外，已知有一種碳納米管，通過(guò)在基板上形成凹部或凸部，并 將從基板的凹部或凸部的形成面垂直取向而形成的多個(gè)CNT放倒在
4凹部或凸部上，而用CNT跨越凹部，或者使CNT沿著凹凸(專(zhuān)利文 獻(xiàn)3 (例如參照?qǐng)D16、圖21))。在該文獻(xiàn)中(例如，該文獻(xiàn)的權(quán)利 要求4)，有暗示可適用于包含沿同一方向取向且取向軸連續(xù)地變化 的多個(gè)CNT的電子裝置、特別是開(kāi)關(guān)的記載。但是，在該文獻(xiàn)所記 載的技術(shù)中，為了從基板上分離CNT，必須在基板上形成凹部或凸部， 而且為了使CNT直接生長(zhǎng)，需要耐熱性高的基板。而且，在該文獻(xiàn) 中，將多個(gè)CNT制成聚集體的技術(shù)思想沒(méi)有得到認(rèn)可，且沒(méi)有暗示 在支撐可動(dòng)端子的懸臂等要求顯著恢復(fù)性(回彈復(fù)原性)的部位上的 使用。
另外，雖然本發(fā)明的申請(qǐng)人已經(jīng)提出了將沿預(yù)定方向取向的CNT 聚集體進(jìn)行高密度化(0.2 ~ 1.5 g/cm3)來(lái)提高剛性的技術(shù)(專(zhuān)利文獻(xiàn) 4)，但是，其中，對(duì)于成形為任意立體形狀的成形性方面沒(méi)有作任何 考慮。
在上述任何一種技術(shù)中，繼電器、存儲(chǔ)器等開(kāi)關(guān)元件和傳感器的 探測(cè)器通常都需要用于支撐可動(dòng)接點(diǎn)或探針的彈性結(jié)構(gòu)體，為了使用 CNT來(lái)形成所述彈性結(jié)構(gòu)體，根據(jù)期望獲得物理特性得到了控制的立 體形狀的結(jié)構(gòu)體是必不可少的。但是，結(jié)構(gòu)體的物理特性取決于其形 狀，而根據(jù)如上所述的現(xiàn)有技術(shù)，僅僅用具有各向異性的CNT不能 整體形成呈任意立體形狀的結(jié)構(gòu)體，特別是在切斷外力或電流時(shí)，難 以獲得回復(fù)到原來(lái)位置的形狀恢復(fù)性。另外，本說(shuō)明書(shū)中，所謂CNT 聚集體，是指多個(gè)CNT(例如根數(shù)密度為5xl0U根/cii^以上)通過(guò)范 德華力牢固地結(jié)合，并成為集合成層狀或束狀的狀態(tài)的CNT聚集體。日本專(zhuān)利特開(kāi)2007-63116號(hào)公報(bào)日本專(zhuān)利特開(kāi)20(T7-l82352號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
(發(fā)明要解決的問(wèn)題)本發(fā)明是為了解決如上所述的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)際問(wèn)題而完成的，其 目的是提供一種僅用具有得到控制且穩(wěn)定的所期望的物理特性以及各
向異性的CNT整體形成的任意立體形狀的結(jié)構(gòu)體及其制造方法。 (解決問(wèn)題所用的方案)
根據(jù)本發(fā)明，為了解決上述問(wèn)題，可提供以下發(fā)明。 [1由包含沿同一方向取向的多個(gè)CNT的CNT聚集體2構(gòu)成的 CNT結(jié)構(gòu)體1，其中，所述CNT的重量密度為0.1 g/cm3以上，并且 具有與基部3抵接的第一部分2A、從所述基部分離的笫二部分2B、 以及連結(jié)所述第一部分與所述第二部分的彎曲形狀的第三部分2C，所 述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分中至少一部分CNT的 取向軸是連續(xù)的。另外，本發(fā)明中，所謂基部，不僅是基板，也可以 是塊狀的基臺(tái)、角柱、或圓柱狀的結(jié)構(gòu)體，也可以是形成有凸部或凹 部(槽或溝、臺(tái)階部等)的基部。
因此，由于利用高密度的CNT聚集體形成結(jié)構(gòu)體，所以可以?xún)H 由CNT整體形成具有各向異性且形狀自己維持性以及恢復(fù)性?xún)?yōu)異的 任意立體性狀的結(jié)構(gòu)體。更詳細(xì)地說(shuō)，可以容易地將沿同一方向取向 的CNT均勻且無(wú)間隙地填充到所期望的容積，此外，多個(gè)CNT彼此 間以范德華力強(qiáng)力結(jié)合。該高密度的CNT聚集體成為具有整體性、 形狀保持性、形狀恢復(fù)性的譬如固體狀物質(zhì)，成為具有MEMS用裝 置等所必需的物理特性的物質(zhì)。根據(jù)該觀點(diǎn)，CNT聚集體所要求的 CNT的取向性只要是可實(shí)施高密度化工序，而且是在將MEMS用裝 置等實(shí)用化時(shí)的CNT聚集體的整體性、形狀保持性、形狀恢復(fù)性以 及形狀加工性能在實(shí)用上被容許的程度即可，不必要求絕對(duì)的取向性。 [2由包含沿同一方向取向的多個(gè)CNT的CNT聚集體構(gòu)成的 CNT結(jié)構(gòu)體的制造方法，其中，包括使多個(gè)CNT從在基板的表面 上形成的金屬催化劑膜沿同一方向化學(xué)氣相生長(zhǎng)而獲得CNT聚集體 的化學(xué)氣相生長(zhǎng)工序Sl;將所述CNT聚集體從所述基板上取下的聚 集體取下工序S2;制作在表面具有立體形狀部的第二基板的第二基板 制作工序S3;將從所述基板上取下的CNT聚集體成形為適合于所述立體形狀部的預(yù)定形狀的立體形狀成形工序S4、 S5;通過(guò)對(duì)在所述第 二基板上形成預(yù)定形狀的CNT聚集體實(shí)施高密度化處理，使所述CNT 的重量密度成為0.1 g/cm3以上來(lái)固定所述預(yù)定的立體形狀的形狀固 定化工序S6;以及將至少在所述固定化的CNT聚集體的不用部分選 擇性地去除的不用部分去除工序S7。
[3特別優(yōu)選所述預(yù)定形狀具有與所述第二基板抵接的第一部 分、從所述第二基板分離的第二部分、以及連結(jié)所述第一部分與所述 第二部分的彎曲形狀的第三部分。
[4還優(yōu)選所述立體形狀成形工序包括將上述CNT聚集體在液體 中漂洗的液體漂洗工序S4、以及將所述CNT聚集體載置在所述第二 基板上的載置工序S5;所述形狀固定化工序包括將浸漬了液體的上述 CNT聚集體在被載置在所述第二基板上的狀態(tài)下進(jìn)行干燥的工序。
[5還優(yōu)選所述第二基板具有的立體形狀部是犧牲層22，且所述 不用部分去除工序包括所述犧牲層的去除。
由于根據(jù)如上所述進(jìn)行操作可以成形則合成結(jié)束后的低密度狀態(tài) 的CNT聚集體，所以可以容易獲得任意的立體形狀，并且可以通過(guò) 在成形后將CNT聚集體進(jìn)行高密度化獲得高保形性。因此，例如由 于可以獲得支撐開(kāi)關(guān)的可動(dòng)接點(diǎn)或探測(cè)器探針的懸臂等所要求的恢復(fù) 力，所以可以?xún)H由CNT整體形成。另外，對(duì)于經(jīng)高密度化的CNT, 可適用眾所周知的圖案化技術(shù)以及蝕刻技術(shù)，可容易地加工成任意形 狀。特別是由于結(jié)構(gòu)體的物理特性取決于形狀，所以可成形為所期望 的形狀，這意味著可形成具有所期望的物理特性的結(jié)構(gòu)體。而且，因 為合成CNT聚集體的基板和安裝CNT結(jié)構(gòu)體的基板是不同的基板， 所以安裝CNT結(jié)構(gòu)體的基板材質(zhì)的設(shè)定自由度也提高。
(發(fā)明效果)
根據(jù)本發(fā)明，由于采用了上述那樣的技術(shù)方案或方法，所以不僅 可以提供僅由具有所期望的物理特性以及各向異性的CNT整體形成 任意立體形狀的結(jié)構(gòu)體以及其制造方法，而且可以發(fā)揮更大的效果。


圖l是示出本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的基本結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。 圖2是示出本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的制造方法的概略工序的流程圖。
圖3是示出本發(fā)明的懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體的制造步驟的模式圖。 圖4是本發(fā)明所使用的膜狀聚集體的顯微鏡照片。 圖5是示出本發(fā)明的懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體的一例的電子顯微鏡照片。 圖6是示出懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體適用于開(kāi)關(guān)的例子的電子顯微鏡照片。
圖7是示出本發(fā)明的繼電器的制造步驟的模式圖 圖8是示出通過(guò)圖7所示出的步驟制造的繼電器的一例的電子顯 微鏡照片。
圖9是圖8所示出的繼電器的動(dòng)作說(shuō)明圖。
圖IO是圖8所示出的繼電器的柵電壓與源電極 漏電極間電流的 關(guān)系線(xiàn)圖。
圖11是示出按照?qǐng)D7所示出的步驟制造的繼電器的其他例子的配 置圖。
圖12是圖11所示的繼電器的電子顯微鏡照片。 圖13是示出本發(fā)明的兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體的一個(gè)例子的電子顯 微鏡照片。
圖14是將圖8所示的繼電器集成化了的基板的電子顯微鏡照片。 圖15是示出長(zhǎng)度彼此不同的梁狀體中的各自的共振頻率與長(zhǎng)度 的關(guān)系的圖表。另外，表中示出由測(cè)定獲得的CNT梁狀結(jié)構(gòu)體的聲 速以及過(guò)去所報(bào)告的單晶硅的(111)方向的聲速。而且，2個(gè)式子是 示出彈性體的懸臂梁以及兩端固定梁的長(zhǎng)度與共振頻率的關(guān)系的理論 式。
圖16是CNT的直徑與最密填充時(shí)的重量密度的關(guān)系線(xiàn)圖。
(符號(hào)說(shuō)明)
1 CNT結(jié)構(gòu)體
82 CNT聚集體 2A 第一部分 2B 第二部分 2C 第三部分 3基部
Sl化學(xué)氣相生長(zhǎng)工序 S2 聚集體取下工序 S4 液體漂洗工序 S5聚集體載置工序
56 形狀固定化工序
57 不用部分去除工序
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的特征在于，包含沿同一方向取向的多個(gè) CNT,由CNT的重量密度為0.1 g/cm3以上的CNT聚集體構(gòu)成，具有 與基部抵接的第一部分、從基部分離的第二部分、以及連結(jié)第一部分 與第二部分的彎曲形狀的第三部分，這些第一部分、第二部分以及第
三部分中至少一部分的取向軸是連續(xù)的。 <基本結(jié)構(gòu)>
圖l(a)、 (b)以剖面圖示出本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的概念。圖 1 (a)中，1是CNT結(jié)構(gòu)體，2是構(gòu)成CNT結(jié)構(gòu)體的CNT聚集體。 CNT結(jié)構(gòu)體1是由與基板3抵接的第一部分2A、設(shè)有空間4而從基 部3分離(該例中是從基部3的上表面分離)的第二部分2B、以及連 結(jié)第一部分2A與第二部分2B的彎曲了的第三部分2C構(gòu)成。
構(gòu)成CNT聚集體2的多個(gè)CNT的軸線(xiàn)朝向一定方向，第一部分 2A、第二部分2B、以及第三部分2C中各取向軸是連續(xù)的?？傊?，該 CNT聚集體2具有高的取向性(各向異性)。另外，CNT所要求的 取向性只要是可實(shí)施高密度化處理，而且是將MEMS用裝置等實(shí)用化時(shí)的CNT結(jié)構(gòu)體1的整體性、形狀保持性、以及形狀加工性能被 容許的程度即可，不必要求絕對(duì)的取向性。
由于相互鄰接的CNT彼此取向，所以CNT聚集體2成為以范德 華力強(qiáng)力結(jié)合的狀態(tài)，其重量密度為如上所述的0.1 g/cn^以上。如上 所述，CNT聚集體2中CNT的重量密度為0.1g/cii^以上，那么可均 勻且沒(méi)有間隙地填充CNT, CNT聚集體2呈現(xiàn)出作為固體的硬質(zhì)相， 不僅適用于MEMS用裝置和電子裝置，還可以獲得CNT結(jié)構(gòu)體1所 要求的機(jī)械特性(剛性或彎曲彈性等)和電特性(導(dǎo)電性等)。相反， 如果CNT的重量密度不足0.1 g/cm3，那么在構(gòu)成CNT聚集體2的 CNT彼此間會(huì)產(chǎn)生明顯的間隙。因此，CNT結(jié)合體2不會(huì)變成硬質(zhì) 固體，更加不能獲得所需要的機(jī)械強(qiáng)度，在使用了眾所周知的圖案化 技術(shù)和蝕刻技術(shù)時(shí)，例如抗蝕劑等藥液會(huì)滲入到CNT彼此間的間隙 中，難以形成具有所期望的形狀的CNT結(jié)構(gòu)體1。此處通常優(yōu)選CNT 聚集體中的CNT的重量密度盡可能大，但是由于制造上的限制，其 上限值為1.5g/cm3左右。
本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體1由于可自己維持任意的立體形狀，所以可 以不在基部3上形成凸部或凹部等支撐部，而維持使其自由端部(游 端部)或中間部從基部3分離的狀態(tài)。此外，在外力作用于其自由端 部或中間部時(shí)，可以根據(jù)外力的作用方向使其自由端部或中間部位移， 并且在外力消失時(shí)，可以恢復(fù)為原來(lái)的狀態(tài)。因此，可以利用其機(jī)械 特性和電特性，作為開(kāi)關(guān)、繼電器、探測(cè)器等MEMS用裝置或電子 裝置的構(gòu)成部件而適合用于形成集成電路等的表面是平面的基板。
構(gòu)成CNT聚集體2的CNT可以是單層CNT,也可以是多層CNT, 也可以是由這些混合存在的CNT。可以根據(jù)CNT結(jié)構(gòu)體1的用途來(lái) 決定使用哪一種CNT，例如，在要求高導(dǎo)電性和可撓性時(shí)，可以使用 單層CNT，在重視剛性和金屬性質(zhì)等情況下，可以使用多層CNT。
圖1 ( a )中，CNT聚集體2的第二部分2B位于與基部3抵接的 第一部分2A的上方，但是，如圖1 (b)所示，兩者的位置關(guān)系也可 以相反。圖1 (b)可以通過(guò)在基部3的適當(dāng)位置形成臺(tái)階部5來(lái)實(shí)現(xiàn)
10如此的位置關(guān)系。 <制造方法>
接著，參照?qǐng)D2說(shuō)明本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的制造方法。
如圖2所示，本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的制造方法包括以下各工序。
A. 化學(xué)氣相生長(zhǎng)工序(步驟S1)
使用在表面形成一定寬的直線(xiàn)狀圖案的金屬催化劑膜而成的生長(zhǎng) 用基板(未圖示)，使多個(gè)CNT從金屬催化劑膜沿著與基板的表面 交差的一定方向進(jìn)行化學(xué)氣相生長(zhǎng)(以下也稱(chēng)為CVD),以獲得CNT 聚集體。此處，多個(gè)CNT的生長(zhǎng)方向通常是相對(duì)于基板的表面垂直 的方向，但是只要是實(shí)質(zhì)上的一定方向，對(duì)其角度沒(méi)有特別的規(guī)定。
B. 聚集體取下工序(步驟S2 )
例如使用如鑷子之類(lèi)的夾具將在生長(zhǎng)用基板上生長(zhǎng)的膜狀的 CNT聚集體從生長(zhǎng)用基板取下。
C. 第二基板制作工序(步驟S3)
用其他工序制作具有用于載置在生長(zhǎng)用基板上生長(zhǎng)的膜狀CNT 聚集體的立體形狀部(凸部或凹部)的第二基板。
D. 立體形狀成形工序
D-l.將從生長(zhǎng)用基板取下的低密度的CNT聚集體在液體中進(jìn)行 漂洗(步驟S4)
D-2.將從生長(zhǎng)用基板取下的低密度的CNT聚集體栽置于第二基 板的預(yù)定位置，并使CNT聚集體沿著第二基板的立體形狀部的表面 輪廓(步驟S5 )
E. 形狀固定化工序(步驟S6)
使在液體中漂洗了的CNT聚集體以粘附在第二基板表面上的狀 態(tài)干燥而高密度化(0.1g/cn^以上)，固定成跟隨第二基板的立體形 狀部的表面輪廓的預(yù)定形狀。
F. 不用部分去除工序(步驟S7)
利用圖案化技術(shù)以及蝕刻技術(shù)從固定于預(yù)定形狀的CNT層上去 除不用部分，同時(shí)，在由犧牲層形成立體形狀部時(shí)還要去除立體形狀部。
〈懸臂梁(singly-clamped beam)狀結(jié)構(gòu)體〉
以下，作為本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的一例，結(jié)合并參照?qǐng)D3對(duì)懸臂 梁狀結(jié)構(gòu)體的制造方法進(jìn)行具體說(shuō)明。
首先，在化學(xué)氣相生長(zhǎng)工序(圖2的步驟S1)中，例如，準(zhǔn)備在 表面形成了厚度為1 nm、寬度為4 pm的直線(xiàn)狀圖案的金屬催化劑膜 的生長(zhǎng)用基板(未圖示)，利用眾所周知的CVD法使包含多個(gè)CNT 的CNT聚集體從該金屬催化劑膜沿與基板的表面交差的一定方向(例 如與基板表面垂直的方向)生長(zhǎng)。
作為此處所使用的基板，可以使用CNT制造技術(shù)中的現(xiàn)有眾所周 知的各種材料，典型地說(shuō)，可以使用由鐵、鎳、鉻等金屬以及金屬的 氧化物，或硅、石英、玻璃等非金屬、或者陶瓷形成的表面是平坦的 片材或板材等。
作為直線(xiàn)狀圖案的金屬催化劑膜，可以使用至今為止在CNT的制 造中使用過(guò)的具有實(shí)效的適宜金屬，并使用眾所周知的成膜技術(shù)而形 成。典型地說(shuō)，可以列舉使用了抗蝕劑掩模的濺鍍法形成的金屬薄膜， 例如鐵薄膜、氯化鐵薄膜、鐵鉬薄膜、鋁鐵薄膜、鋁鈷薄膜、鋁鐵鉬 薄膜等。此外，金屬催化劑膜的膜厚設(shè)定為相應(yīng)于用作催化劑的金屬 的最佳值即可，例如，在使用金屬鐵時(shí)，優(yōu)選0.1 nm以上100 nm以 下。
金屬催化劑膜的寬度可以根據(jù)最終形成的CNT結(jié)構(gòu)體所需要的 厚度來(lái)設(shè)定，可以設(shè)定為高密度化后的CNT聚集體厚度的5~20倍 的值。此處，如果高密度化后的CNT聚集體厚度為10 nm以上，那 么在可以保持膜的整體性的同時(shí)，可以獲得發(fā)揮用于電子裝置和 MEMS用裝置的物品的功能所要求的導(dǎo)電性。雖然對(duì)于高密度化后的 CNT聚集體的厚度的上限值沒(méi)有特別的限制，但是在用于電子裝置和 MEMS用裝置時(shí)，優(yōu)選100nm 50pm左右的范圍。
作為成為CVD法中的CNT的原料的碳化合物，與現(xiàn)有技術(shù)相同， 可以使用經(jīng)，尤其是低級(jí)烴，例如曱烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔等適合的低級(jí)烴。
反應(yīng)的氣氛氣體只要不與CNT反應(yīng)、在生長(zhǎng)溫度下是惰性的即 可，作為這樣的反應(yīng)氣氛氣體，可以列舉氦、氬、氫、氮、氖、氪、 二氧化碳、氯等或它們的混合氣體。
反應(yīng)的氣氛壓力只要是至今為止制造CNT的壓力范圍即可，例如 可以i殳定為例如102 Pa~ 107 Pa的范圍內(nèi)的適當(dāng)值。
CVD法中的生長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)的溫度可以在考慮了反應(yīng)壓力、金屬催化 劑、原料碳源等的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)設(shè)定，但是通常只要是在400 ~ 1200 (更優(yōu)選600 ~ 1000 ) 。C的范圍內(nèi)，就可以使CNT良好地生長(zhǎng)。
通過(guò)該方法，可以獲得沿一定方向取向的多個(gè)CNT以預(yù)定尺寸的 膜狀生長(zhǎng)的CNT聚集體(參照?qǐng)D4)。
當(dāng)制造本發(fā)明所適用的CNT聚集體時(shí)，可以適用本發(fā)明的申請(qǐng)人 在先提出的使水分等存在于反應(yīng)氣氛中而使大量垂直取向的CNT生 長(zhǎng)的方法(參照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,或者PCT/JP2008 /51749號(hào)說(shuō)明書(shū)等)。
通過(guò)該方法獲得的CNT聚集體具有如下優(yōu)異特性純度為98質(zhì) 量o/。以上、重量密度為0.03 g/cm3左右、比表面積為600 ~ 1300 m"未 開(kāi)口 )/1600 ~ 2500 m3 (開(kāi)口 )、各向異性的大小的比例為1: 3以上， 最大為1: 100，在對(duì)其實(shí)施高密度化處理后可以適用于制造本發(fā)明的 CNT結(jié)構(gòu)體。
另外，作為用于獲得可以適用于本發(fā)明的垂直取向的CNT聚集體 的技術(shù)，可以適當(dāng)使用各種眾所周知的方法，例如，也可以使用等離 子體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 )。
接著，在聚集體取下工序(圖2的步驟S2 )中，將形成通過(guò)化學(xué) 氣相生長(zhǎng)工序制造的膜狀的CNT聚集體從生長(zhǎng)用基板取下。
13接著，在第二基板制作工序(圖2的步驟S3)中，制作具有作為 立體形狀部的犧牲層的第二基板。在犧牲層的制作工序中，例如，準(zhǔn) 備具有厚度為200 nm的Si3lNU層的硅基板21，將該表面用異丙醇(以 下也稱(chēng)為IPA)進(jìn)行超聲波清洗，而且以300 W照射1分鐘02等離 子體來(lái)進(jìn)行清洗，在150 。C下烘焙10分鐘而脫水。例如使用旋涂法對(duì) 其涂布HSQ ( Hydrogen Silses畫(huà)Quioxane ) ( FOX16/Dow Corning公 司制造)，并且在25(TC下烘焙2分鐘，使用電子束描繪裝置 (CABL8000/Crestec公司制造)描繪矩形圖案后進(jìn)行顯影，由此形成 如圖3(a)所示出的厚度440 nmx 寬度1 iamx長(zhǎng)度5 pm的犧牲層22。
另外，也可以在化學(xué)氣相生長(zhǎng)工序Sl的前面實(shí)行第二基板制造工 序S3，也可以同時(shí)進(jìn)行S1以及S3這兩個(gè)工序。
接下來(lái)的立體形狀成形工序分為液體漂洗工序S4和聚集體載置 工序S5，在液體漂洗工序S4中，將從生長(zhǎng)用基板取下的CNT聚集體 23在液體中漂洗，在聚集體載置工序S5中，將在聚集體取下工序S2 中從生長(zhǎng)用基板取下的CNT聚集體23載置于第二基板、即設(shè)置了犧 牲層22的硅基板21上。
無(wú)論先進(jìn)行液體漂洗工序S4和聚集體載置工序S5中的哪一個(gè)， 其結(jié)果都相同，也可以在硅基板21上載置CNT聚集體23后通過(guò)噴 霧等使液體滲入到CNT聚集體23中，或者將浸漬在液體中的CNT 聚集體23從液體中取出來(lái)載置于硅基板21上。由于在硅基板21上的 CNT聚集體23的位置調(diào)整操作容易，所以?xún)?yōu)選以浸漬于在表面張力 下保持為水滴狀的形態(tài)地存在于硅基板21上的液體中的方式對(duì)在聚 集體取下工序S2中取下的膜狀的CNT聚集體23進(jìn)行載置、定位。 這樣，如果以硅基板21中的設(shè)置有犧牲層22的部位上滴下適量的液 體的狀態(tài)載置CNT聚集體23，則由于液體浸入CNT聚集體23，所 以可以同時(shí)進(jìn)行液體漂洗工序S4和聚集體栽置工序S5。
作為在液體漂洗工序S4中使用的液體，優(yōu)選使用具有與CNT的 親和性、且在使CNT成為濕潤(rùn)狀態(tài)后進(jìn)行干燥時(shí)沒(méi)有殘留成分的液 體。作為這樣的液體，例如可以使用水、醇類(lèi)(IPA、乙醇、曱醇)、
14酮類(lèi)(丙酮)、己烷、甲苯、環(huán)己烷、二甲基甲酰胺(DMF)等。此 外，作為浸在液體中的時(shí)間，只要是不在CNT聚集體25的內(nèi)部殘留 氣泡且在整體上全部潤(rùn)濕的足夠時(shí)間即可。
由于剛合成后的CNT聚集體23為低密度(重量密度0.03 g/cm3 左右)，柔軟且相鄰的CNT彼此的結(jié)合力也不那么高，所以如圖3 (b)所示，按照基板21以及犧牲層22的輪廓形狀，將CNT聚集體 23沒(méi)有間隙地覆蓋在它們的表面。此處，與基板21的表面和犧牲層 22的表面直接接觸的部分的CNT聚集體23中的CNT的取向方向成 為與基板21的表面平行的方向。
典型地說(shuō)，接下來(lái)的形狀固定化工序(圖2的步驟S6)通過(guò)使浸 漬有液體的CNT聚集體23干燥，即，使附著于CNT聚集體23的液 體蒸發(fā)來(lái)進(jìn)行。作為使CNT聚集體23干燥的方法，例如可以使用在 室溫氮?dú)鈿夥障碌淖匀桓稍铩⒄婵諣恳稍?、在氬等惰性氣體存在下 的加熱等。
如果在液體中漂洗CNT聚集體23，各個(gè)CNT彼此之間密合，總 體積稍微收縮，密合度隨著液體的蒸發(fā)而進(jìn)一步提高，從而體積大量 收縮，結(jié)果就高密度化了。此時(shí)，由于與含有犧牲層22的硅基板21 接觸的接觸電阻導(dǎo)致在與硅基板21以及犧牲層22的表面平行的方向 上幾乎沒(méi)有收縮，僅在厚度方向收縮，從而可以維持生長(zhǎng)時(shí)的取向狀 態(tài)以及立體形狀不變地進(jìn)行高密度化。在本實(shí)施例的情況中，從生長(zhǎng) 用基板取下的剛合成后的CNT聚集體23的厚度為4 pm，在形狀固定 化工序S6結(jié)束后收縮到500 nm(重量密度0.23 g/cm3)。與此同時(shí)， 在高密度化的CNT聚集體23與硅基板21以及犧牲層22之間也有較 強(qiáng)的相互作用，形成CNT聚集體23較強(qiáng)地貼附在硅基板21以及犧 牲層22上的狀態(tài)。
可以推測(cè)，上述形狀固定化工序中CNT聚集體23僅在厚度方向 收縮的理由為，由于液體進(jìn)入CNT間而產(chǎn)生表面張力，并因此而產(chǎn) 生收縮。因此，在形狀固定工序中進(jìn)行高密度化的方法只要是在CNT 之間產(chǎn)生表面張力的方法即可，不限定于上述方法，例如，也可以適用使用高溫蒸汽等的方法。
在接下來(lái)的不用部分去除工序(圖2的步驟S7)中，使用旋涂法 在使用形狀固定工序S6進(jìn)行高密度化而固定為預(yù)定立體形狀的CNT 聚集體23表面上涂布抗蝕劑HSQ( FOX16/Dow Corning公司制造)， 并且在250 。C下烘焙2分鐘。
接著，使用電子束描繪裝置(CABL8000/Crestec公司制造)在抗 蝕劑被膜上描繪預(yù)定圖案，用四甲基氫氧化銨水溶液(2.38%， ZTMA-100/日本ZEON公司制造)對(duì)其進(jìn)行顯影而形成掩模24 (圖3 (c))。使用反應(yīng)性離子蝕刻裝置(RIE-200L/SAMUKO公司制造)， 一邊以10 sccm的流速同時(shí)對(duì)其供給02以及Ar，一邊以80W、10Pa、 12分鐘的條件進(jìn)行蝕刻，去除CNT聚集體23的從掩模露出的部分， 即不用部分(圖3 (d))。在此通過(guò)導(dǎo)入Ar來(lái)將CNT的毛刺整齊地 去除，以獲得鋒利的邊緣。
最后，使用緩沖氫氟酸(4.7%HF、 36.2%NH4F、 59.1%1120/森田 化學(xué)工業(yè)公司制造)去除形成掩模24的表層以及犧牲層22的FOX16， 并且用IPA進(jìn)行清洗，由此獲得使與基板21抵接的基端部(第一部 分)25A和從基板21分離的懸臂梁部(第二部分)25B經(jīng)由彎曲形狀 部(第三部分)25C形成為一體的CNT結(jié)構(gòu)體25 (圖3 ( e ))。
此處可以對(duì)清洗液進(jìn)行超臨界干燥。由于通過(guò)這種方式，在清洗 液蒸發(fā)時(shí)，表面張力不作用在與CNT的界面上，所以懸臂梁部25B 即使微細(xì)也不變形，通?？梢员３謴幕?1分離的形狀。
在圖5的電子顯微鏡照片中示出通過(guò)以上各工序?qū)嶋H獲得的懸臂 梁狀結(jié)構(gòu)體的模型。在該懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體11中，與基板12抵接的基 端部(第一部分)11A和從基板12分離的可動(dòng)片部(第二部分)11B 經(jīng)由彎曲形狀部(第三部分)IIC形成一體，由包含沿懸臂梁狀結(jié)構(gòu) 體11的長(zhǎng)度方向取向的多個(gè)CNT的膜狀的CNT聚集體13構(gòu)成，可 以用作開(kāi)關(guān)的可動(dòng)接點(diǎn)或者探測(cè)器的探針的支撐部件。
該懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體11具有可以自己維持剛硬的立體形狀的剛性 的同時(shí)，具有適度的彎曲彈性，且具有良好的導(dǎo)電性。例如在可動(dòng)片部11B的自由端上施加朝下的作用力，可動(dòng)片部IIB就向下?lián)锨?，?果解除該作用力，就回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這個(gè)例子中，為了使懸臂梁 狀結(jié)構(gòu)體11的可動(dòng)片部11B適用于開(kāi)關(guān)、繼電器、或傳感器等，形 成前端尖的形狀，從基板12分離的可動(dòng)片部11B的尺寸為長(zhǎng)4 jamx 寬200 nmx厚500 nm。上述各部分的尺寸可以才艮據(jù)用途而適當(dāng)設(shè)定。 此外，斷面形狀可以為長(zhǎng)方形，也可以為正方形、圓形、橢圓形、多 邊形等各種形狀，也可以使其斷面形狀和大小在長(zhǎng)度方向上變化。
在將這樣的懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體用作開(kāi)關(guān)時(shí)，如圖6所示，可以在與 基板41中的懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體42的基端部42A相對(duì)應(yīng)的部位上預(yù)先通 過(guò)濺鍍等形成源電極(未圖示)，同時(shí)，在與基板41中的懸臂梁狀結(jié) 構(gòu)體42的可動(dòng)片部42B相對(duì)應(yīng)的部位上預(yù)先通過(guò)濺鍍等形成漏電極 43及柵電極44，同時(shí)形成犧牲層(未圖示)，在它們的上表面粘附膜 狀的CNT聚集體而高密度化后，通過(guò)圖案化以及蝕刻去除該CNT聚 集體的不用部分而獲得開(kāi)關(guān)。根據(jù)上述方法，如果在柵電極44上施加 電壓，那么可動(dòng)片部42B會(huì)因?yàn)榇藭r(shí)所產(chǎn)生的靜電引力而被柵電極44 吸引，其結(jié)果是可動(dòng)片部42B與漏電極43接觸，并且漏電極43與未 圖示的源電極之間經(jīng)由懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體42導(dǎo)通。而且，如果切斷施加 至柵電極上的電壓，那么可動(dòng)片部42B回復(fù)到原來(lái)的位置而從漏電極 43分離。
<繼電器>
接著，參照?qǐng)D7對(duì)將本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體適用于繼電器的例子進(jìn) 行說(shuō)明。
首先，與上述懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體ll的例子一樣，準(zhǔn)備在具有厚度為 200 nm的Si3N4層的硅基板31上濺鍍形成Ti及Au的電極，用旋涂 法對(duì)其涂布HSQ ( FOX16/DOW Corning公司制造)且在250。C下烘 焙2分鐘后，通過(guò)進(jìn)行圖案化形成厚440 nmx寬3 jamx長(zhǎng)6 |am的犧牲 層32 (圖7 ( a ))。
在其上表面載置形成為膜狀的CNT聚集體33 (厚:4 pm、重量 密度0.03 g/cm3)且在液體中漂洗后進(jìn)行干燥，由此使CNT聚集體33固定為覆蓋了犧牲層32的部分隆起的立體形狀且被高密度化(厚 度500 nm、重量密度0.23 g/cm3)(圖7(b))。
如上所述，在粘附在基板31上的CNT聚集體33的表面上，使用 旋涂法涂布抗蝕劑HSQ( FOX16/DOW Corning公司制造)，在250。C 下烘焙2分鐘。然后，使用電子束描繪裝置(CABL8000/Crestec公司 制造)在抗蝕劑被膜上描繪預(yù)定的圖案，用四甲基氫氧化銨水溶液 (2,38%, ZTMA-100/日本ZEON公司制造)對(duì)其進(jìn)行顯影，形成掩 模34 (圖7 (c))。
使用反應(yīng)性離子蝕刻裝置(RIE-200L/SAMUKO公司制造)同時(shí) 以流量10 sccm供給02以及Ar,在80W、 10 Pa、 12分鐘的條件下 對(duì)其進(jìn)行蝕刻，去除CNT聚集體的從掩模34露出的部分，即不用部 分(圖7(d))。在此通過(guò)導(dǎo)入Ar將CNT的毛刺整齊地去除，以獲 得鋒利的邊緣。
最后，使用緩沖氫氟酸(4.7%HF、 36.2%NH4F、 59.1%1120/森田 化學(xué)工業(yè)公司制造)去除FOX16，且使用IPA進(jìn)行清洗，由此獲得繼 電器51的完成品(圖7 (e))。圖8示出該繼電器51的電子顯微鏡 照片。
該繼電器51是將源電極(S) 53、漏電極(D) 54、柵電極(G) 55配置在基板31上而構(gòu)成的。源電極53、漏電極54、柵電極55中 的每一個(gè)都僅包括高密度CNT聚集體，構(gòu)成它們的多個(gè)CNT全部沿 同一方向取向。而且，它的基本結(jié)構(gòu)具有在圖l(a)中所示出的類(lèi)型， 即與基板抵接的第一部分、從基板中分離的第二部分以及連結(jié)第一部 分和第二部分的彎曲形狀的第三部分，特別是在源電極53的部分中， 第一部分、第二部分以及第三部分的CNT的取向軸在其長(zhǎng)度方向上 連續(xù)。此外，源電極53、漏電極54、及柵電極55各自通過(guò)預(yù)先由圖 案化等所形成的金屬電極與基板31連接。再者，源電極53中從基板 31分離的部分的尺寸為長(zhǎng)3.6 jumx寬170 nmx厚500 nm。
在該繼電器51中，如果在向源電極53以及漏電極54施加了電壓 (5V)的狀態(tài)下，增大施加至柵電極55的電壓(0~60V),那么在
18施加至柵電極55的電壓達(dá)到約50 V時(shí)，源電極53中的從基板31分 離的部分通過(guò)靜電引力被吸引到漏電極54，使兩者相互接觸，從而使 源電極53和漏電極54之間成為導(dǎo)通狀態(tài)(圖9 (a))。而且如果減 少施加至柵電極55的電壓，那么在使施加至柵電極55的電壓在20 V 以下時(shí)，源電極53中從基板31分離的部分從漏電極54分離而回復(fù)到 原來(lái)的狀態(tài)(圖9(b))。圖10示出此時(shí)施加至柵電極55的電壓與 源電極53和漏電極54之間的電流的關(guān)系。如上所述，構(gòu)成繼電器51 的高密度CNT聚集體由于具有可以自己維持預(yù)定性狀的剛性，以及 可以根據(jù)負(fù)荷而變形并且恢復(fù)的彈性，而且具有良好的導(dǎo)電性，因此， 可以反復(fù)進(jìn)行如上所述的電流的斷續(xù)動(dòng)作。
在本實(shí)施例中，源電極53與漏電極54之間的接離動(dòng)作有滯后， 這是由源電極53和漏電極54之間的吸附力與源電極53的顯著恢復(fù)力 (回彈復(fù)原力)的關(guān)系導(dǎo)致的，該滯后的大小可根據(jù)源電極53和漏電 極54之間的相互接觸面的面積以及源電才及53的自由端部的斷面面積 適當(dāng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖8舉例示出3端子的繼電器，但是根據(jù)本發(fā)明，也可以同樣地 制造如圖11以及圖12所示的5端子的繼電器。5端子的繼電器61的 基本結(jié)構(gòu)為如圖1 (a)所示的類(lèi)型，由在基板62上配置源電極63、 第一漏電極64a、第二漏電極64b、第一柵電極65a、以及第二柵電極 65b構(gòu)成，與源電極63形成為一體的可動(dòng)片部66從第一漏電極64a 以及第一柵電極65a和第二漏電極64b以及第二柵電極65b之間延伸 出。這些源電極63、第一漏電極64a、第二漏電極64b,第一柵電極 65a、第二柵電極65b、以及可動(dòng)片部66都是僅由與上述3端子繼電 器同樣的高密度的CNT聚集體構(gòu)成，構(gòu)成各聚集體的多個(gè)CNT全部 都沿同一方向取向。
該例的情況也與上述3端子繼電器相同，如果增大施加至第一柵 電極65a與第二柵電極65b中某一個(gè)上的電壓，那么源電極63被選擇 性地吸引靠近第一漏電極64a與第二漏電極64b中的某一個(gè)上，從而 與它們的側(cè)面接觸，如果減小電壓，則回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。
1在本例的結(jié)構(gòu)中，即使將第一漏電極64a、第二漏電極64b這兩 個(gè)漏電極與源電極63之間的吸附力設(shè)置為大于源電極63的顯著恢復(fù) 力，并減小施加至第一柵電極65a、第二柵電極65b各自的電壓，如 果使第一漏電極64a、第二漏電極64b這兩個(gè)漏電極中某一個(gè)維持與 源電極63接觸的狀態(tài)，并且在第一柵電極65a與第二柵電極65b中某 一個(gè)上臨時(shí)施加電壓，就可以用作源電極63選擇性地與第一漏電極 64a、第二漏電極64b這兩個(gè)漏電極中的某一個(gè)接觸而形成的存儲(chǔ)元 件。該情況下，如果向源電極63所接觸的漏電極的相反側(cè)的柵電極施 加電壓，那么可以使源電極63從漏電極上分離。
<兩端固定梁(doubly-clamped beam )狀結(jié)構(gòu)體>
本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體，不限于上述懸臂梁狀結(jié)構(gòu)體，也可以適用 兩端與基板接合、中間部從基板分離的兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體。該情況 下，與上述制造方法相同，用犧牲層形成從基板分離的中間部即可。 在圖13的電子顯微鏡照片中示出如上所述那樣獲得的兩端固定梁狀 結(jié)構(gòu)體的模型。該兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體71是由僅包括CNT的高密度 CNT聚集體構(gòu)成，包括與基板72抵接的一對(duì)固定部(第一部分) 71Aa、71Ab,隔著空間73而從基板72分離的可動(dòng)部(第二部分)71B， 連結(jié)可動(dòng)部71B與一對(duì)的固定部71Aa、 71Ab的一對(duì)彎曲部(第三部 分)71Ca、 71Cb。在該兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體71的模型中， 一對(duì)固定 部71Aa、 71Ab和一對(duì)彎曲部71Ca、 71Cb形成通過(guò)共同的可動(dòng)部71b 連接的狀態(tài)。換言之，構(gòu)成將與基板抵接的第一部分、從基板上分離 的第二部分、以及連結(jié)第一部分與第二部分的彎曲形狀的第三部分兩 組連接的狀態(tài)。而且，可動(dòng)部71B通常從基板72分離，并且如果施 加外力就可以以接近基板72的方式位移。
構(gòu)成該兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體71的多個(gè)CNT沿與兩端固定梁的長(zhǎng) 度方向相同的方向取向，其重量密度為0.23 g/cm3，其尺寸為厚度 500 nm， 寬度5 jjm。
在將如此的兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體71用作開(kāi)關(guān)時(shí)，可以在基板72 中的與兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體71的固定部71Aa、71Ab對(duì)應(yīng)的部位上預(yù)
20先通過(guò)濺鍍等形成源電極(未圖示)，同時(shí)，在基板72中的與兩端固 定梁狀結(jié)構(gòu)體71的可動(dòng)部71B相對(duì)應(yīng)的部位上預(yù)先通過(guò)濺鍍等形成 漏電極75以及柵電極76并且形成犧牲層，在它們的上表面粘附膜狀 的CNT聚集體且實(shí)施高密度化處理，通過(guò)圖案化以及蝕刻去除該CNT 聚集體的不用部分，由此獲得開(kāi)關(guān)。根據(jù)上述情況，如果在柵電極76 上施加電壓，那么可動(dòng)部71B通過(guò)此時(shí)所產(chǎn)生的靜電引力而被柵電極 76吸引，其結(jié)果是可動(dòng)部71B與漏電極75接觸，并且漏電極75與未 圖示的源電極之間通過(guò)兩端固定梁狀結(jié)構(gòu)體71導(dǎo)通。而且如果切斷施 加至沖冊(cè)電極76的電壓，那么可動(dòng)部71B回復(fù)到原來(lái)的位置并從漏電 極75離開(kāi)。
<集成裝置>
根據(jù)本發(fā)明，可以制造適用僅包括CNT的CNT結(jié)構(gòu)體的集成裝 置。圖14示出將上述3端子型繼電器集成化的例子。這是示出在1 個(gè)基沖反上的410 pmx310 |im的范圍內(nèi)同時(shí)形成1276個(gè)6.8 pmx10 |im 的3端子型繼電器的情況的電子顯微鏡照片。
[驗(yàn)證例1
以下，以實(shí)施了高密度化處理的單純梁為例，示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu) 體的物理特性可根據(jù)形狀進(jìn)行控制的情況。 懸臂梁規(guī)格 厚度250
重量密度0.464 g/cm3 長(zhǎng)度10、 20、 30、 70 jum 寬度10 fim 兩端固定梁規(guī)格 厚度310 nm 重量密度0.374 g/cm3 長(zhǎng)度30、 40 |Lan 寬度10 jnm
使用由脈沖激光器進(jìn)行的梁狀體的加熱振動(dòng)以及由激光反射進(jìn)行的振動(dòng)檢測(cè)法(參照B. Ilic， S. Krylov. K. Aubin， R， Reichenbach， and
H. G. Craighead, "Optical excitation of nanoelectro- mechanical oscillators", Appl.Phys. Lett. 86,193114(2005))，測(cè)定這些長(zhǎng)度彼此 不同的多個(gè)梁的共振頻率。由其結(jié)果可知，如圖15所示那樣，示出了 本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的共振頻率隨著長(zhǎng)度尺寸變小而變高的趨勢(shì)。 在該結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度與共振頻率的關(guān)系上，懸臂梁和兩端固定梁都與圖 15中所繪的彈性體的理論值曲線(xiàn)(細(xì)線(xiàn)兩端固定梁，粗線(xiàn)懸臂梁) 很好地一致。此外，理論值曲線(xiàn)可以由圖15的右下方所標(biāo)注的理論式 (f:共振頻率，t:厚度，L:長(zhǎng)度，E:楊氏模量，p:密度)導(dǎo)出E、 p作為擬合系數(shù)。
其結(jié)果顯示，本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體的共振頻率(即，力學(xué)特性)取決 于形狀，換言之，可以根據(jù)形狀來(lái)控制。而且，該結(jié)果示出，本發(fā)明的 CNT結(jié)構(gòu)體可周期性地振動(dòng)，這表明本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu)體可以發(fā)揮 彈性體的功能，即，具有形狀保持性、形狀恢復(fù)性。
另外，附注在圖15的右上方的表示出物質(zhì)的力學(xué)特性的指標(biāo)之一 的聲速。聲速高的物質(zhì)重量輕且結(jié)實(shí)，可以說(shuō)是適合于MEMS裝置 等機(jī)械要素的材料。由測(cè)定結(jié)果可知，由擬合系數(shù)獲得的本發(fā)明的 CNT結(jié)構(gòu)體的聲速具有與所報(bào)告的單晶硅(Si)的最高值的結(jié)晶取向 (111)方向上的特性相比為同等以上的值，表明本發(fā)明的CNT結(jié)構(gòu) 體極其適合于MEMS裝置等。
但是，由于高密度化前的膜狀CNT聚集體重量極小，所以難以測(cè) 定其重量密度。因此，可以基于從不實(shí)施線(xiàn)狀的圖案化而在整面上形 成了金屬催化劑膜的基板生長(zhǎng)的塊狀CNT聚集體的密度來(lái)推測(cè)高密 度化前的膜狀CNT聚集體的重量密度。
此處，塊狀CNT聚集體的密度可以通過(guò)重量除以體積來(lái)計(jì)算，但 是已知在各種條件下的塊狀CNT聚集體的密度一定。例如在非專(zhuān)利 文獻(xiàn)(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
22Chemistry B， 2006， vol.llO， p.8035-8038 )中所報(bào)告，塊狀CNT聚集 體的重量密度在聚集體的高度為200 pm到1 mm的范圍內(nèi)均為固定值
(0.029 g/cm3)。換言之，可推測(cè)使用與塊狀CNT聚集體的生長(zhǎng)大致 同等的生長(zhǎng)條件以及催化劑生長(zhǎng)的膜狀CNT聚集體的密度與塊狀 CNT聚集體的密度大致相同。
如果將高密度化工序中的膜狀CNT聚集體的壓縮率定義為(壓縮 率=原來(lái)的厚度+高密度化后的厚度)，那么高密度化后的膜狀CNT 聚集體的重量密度為(CNT密度-壓縮率x0.029 g/cm3)。據(jù)此導(dǎo)出各 膜厚的膜狀CNT聚集體的高密度化后的重量密度，其結(jié)果為，即使 重量密度為0.11 g/cir^的膜狀CNT聚集體，也能充分保持與基板的密 合性，可以進(jìn)行與上述各實(shí)施例相同的圖案化。相對(duì)于此，在高密度 化處理前的膜狀CNT聚集體(重量密度為0.029 g/cm3)的情況下， 由于與基板的密合性不夠或抗蝕劑的侵蝕等，實(shí)質(zhì)上不可能適用眾所 周知的蝕刻、光刻技術(shù)。鑒于上述情況，將本發(fā)明中可適用的CNT 結(jié)構(gòu)體中的高密度化處理后的重量密度范圍規(guī)定為0.1 g/cm3。
從原理上講，本發(fā)明中可控制的膜狀CNT聚集體的重量密度可 通過(guò)控制CNT的直徑在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。假定全部的CNT具有相 同直徑，而且通過(guò)高密度化工序，全部的CNT被最密填充，那么可 以容易地根據(jù)CNT的直徑尺寸變小來(lái)計(jì)算出高密度化后的CNT密度 增加(參照?qǐng)D16)。上述實(shí)施例中所使用的膜狀CNT聚集體的CNT 的平均直徑為2.8 nm左右，但是如圖16所示，該情況下的CNT最密 填充后的重量密度為0.78 g/ci^左右。關(guān)于這一點(diǎn)，已知可以通過(guò)使 用在非專(zhuān)利文獻(xiàn)(Ya國(guó)Qiong Xu， et al， Vertical Array Growth of Small Diameter Single-Walled Carbon Nanotubes， J， Am. Chem. Soc., 128(20)， 6560-6561， 2006)中所報(bào)導(dǎo)的技術(shù)，制成使CNT的直徑更小
(1.0 nm左右)的CNT聚集體。根據(jù)上述情況可以認(rèn)為，通過(guò)減小 CNT的直徑可以將重量密度最大提高到1.5 g/cm"左右。
權(quán)利要求
1. 一種碳納米管結(jié)構(gòu)體，由包含沿同一方向取向的多個(gè)碳納米管的碳納米管聚集體構(gòu)成，其特征在于，所述碳納米管的重量密度是0.1g/cm3以上，并且具有與基部抵接的第一部分、從所述基部分離的第二部分、及連結(jié)所述第一部分與所述第二部分的彎曲形狀的第三部分，其中，上述第一部分、上述第二部分、及上述第三部分中至少一部分碳納米管的取向軸是連續(xù)的。
2. —種碳納米管結(jié)構(gòu)體的制造方法，該碳納米管結(jié)構(gòu)體由包含 沿同一方向取向的多個(gè)碳納米管的碳納米管聚集體構(gòu)成，其特征在于， 該方法包括使多個(gè)碳納米管從在基板的表面上形成的金屬催化劑膜沿同一方向化學(xué)氣相生長(zhǎng)而獲得碳納米管聚集體的化學(xué)氣相生長(zhǎng)工序； 將所述碳納米管聚集體從所述基板取下的聚集體取下工序； 制作在表面具有立體形狀部的第二基板的第二基板制作工序； 將從所述基板取下的碳納米管聚集體成形為適合于所述立體形狀部的預(yù)定形狀的立體形狀成形工序；通過(guò)對(duì)在所述第二基板上形成預(yù)定形狀的碳納米管聚集體實(shí)施高密度化處理，使所述碳納米管的重量密度成為0.1g/ci^以上來(lái)固定所述預(yù)定形狀的形狀固定化工序；以及至少將所述固定化了的碳納米管聚集體的不用部分選擇性地去除的不用部分去除工序。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，所述預(yù)定形狀具有與所述第二基板抵接的第一部分、從所述第二 基板分離的第二部分、以及連結(jié)所述第一部分與所述第二部分的彎曲 形狀的第三部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，所述立體形狀成形工序包括在液體中漂洗上述碳納米管聚集體 的液體漂洗工序、以及將所述碳納米管聚集體載置在所述第二基板上 的載置工序，并且所述形狀固定化工序包括使浸漬了液體的上述碳納米管聚集體 在被載置在所述第二基板上的狀態(tài)下進(jìn)行干燥的工序。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，所述第二基板具有的立體形狀部是犧牲層，并且 所述不用部分去除工序包括所述犧牲層的去除。
全文摘要
本發(fā)明提供一種僅由具有所期望的機(jī)械特性/電特性以及各向異性的碳納米管(CNT)整體形成的任意立體形狀的結(jié)構(gòu)體及其制造方法。該CNT結(jié)構(gòu)體(1)由包含從在基板表面上以直線(xiàn)狀形成的金屬催化劑膜沿一定方向化學(xué)氣相生長(zhǎng)的多個(gè)CNT的CNT聚集體(2)構(gòu)成，其中，所述CNT的重量密度為0.1g/cm³以上，并且具有與基板(3)抵接的第一部分(2A)、從所述基部分離的第二部分(2B)、以及連結(jié)所述第一部分與所述第二部分的彎曲形狀的第三部分(2C)，所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分中至少一部分CNT的取向軸是連續(xù)的。
文檔編號(hào)B81C99/00GK101519200SQ200910003608
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者山田健郎, 早水裕平, 畠賢治 申請(qǐng)人:獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所