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カーボンナノチューブセンサ及びその製造方法

国内特許コード P08A013593
整理番号 QP050011
掲載日 2008年8月22日
出願番号 特願2005-153365
公開番号 特開2006-329802
登録番号 特許第4825968号
出願日 平成17年5月26日(2005.5.26)
公開日 平成18年12月7日(2006.12.7)
登録日 平成23年9月22日(2011.9.22)
発明者
  • 末廣 純也
出願人
  • 学校法人九州大学
発明の名称 カーボンナノチューブセンサ及びその製造方法
発明の概要

【課題】測定ガスに対して、高感度で高速に応答し、安価で、製造が容易なカーボンナノチューブセンサとその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のカーボンナノチューブセンサは、半導体カーボンナノチューブ材料2と金属電極1a,1b間にショットキー接合部6が形成されていることを主要な特徴とする。また、その製造方法は、半導体カーボンナノチューブ材料2と金属の仕事関数を測定ガス雰囲気下でそれぞれ測定し、p型又はn型に応じて金属の仕事関数と比較して仕事関数の大きな又は小さな半導体カーボンナノチューブ材料2を選び、この金属電極間に架橋することを特徴とする。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


近年、カーボンナノチューブ(以下、CNT)を使ってガスを検出するガスセンサ、CNTセンサが将来性を秘めている点で注目されている。このCNTセンサは、ガス分子が半導体CNTに吸着すると両者間で電荷移動を起こし、半導体CNTの電気的特性(コンダクタンス、キャパシタンス)が変化するため、この現象を利用してガス検知するものである。しかし、いまのところ実際にセンサの対象として実用性があるガスは限られており、応答の速さについても十分ではない。



このようなCNTセンサの構造については、磁場をかけた雰囲気下で一対の電極間にCVD法によってセンサ電極上で多数の半導体CNTを成長させたCNTセンサや、予め生成した多数の半導体CNTを溶媒に分散して電極間に塗布、乾燥させてランダムに集積したCNTセンサ等が提案されている(特許文献1参照)。しかし、両センサとも、ナノサイズの半導体CNTを自在に操れないために、直接電極で成長させ、または塗布を行うものである。



本発明者は、従来から不平等電界を印加してバクテリア等のマイクロサイズの微小物体を分極させ、この分極した微小物体を誘電泳動力で操作してマイクロ電極に捕集するDEPIM(Dielectrophoretic Impedance Measurement Method)法を研究してきたが(特許文献2)、このDEPIM法を使えば、CNTのマイクロ電極間への集積が、インピーダンスをモニタリング装置で計測しながら簡単且つ高精度で実施できる上に、このモニタリングで用いた同一の装置を使用して、作製したCNTセンサを使ってそのままガス検出が可能になることが分った。



そこで、本発明者は、このDEPIM法によって作製したCNTセンサを、今まで比較的信頼性が乏しく、十分な解明もなされていない高電圧電気機器、例えばガス絶縁開閉装置(Gas Insulated Switchgear、以下GIS)における絶縁ガス、六フッ化硫黄(SF)ガスの分解ガス検知のためのガスセンサとして使うことを提案し、従来のガスチェッカーでは計測できないppbレベルで分解ガスを測定することに成功した(特願2004-21531)。



しかし、CNTセンサの研究はいわば緒に付いたばかりである。例えば、金属と半導体の接合部にはポテンシャル障壁が形成されることは従来から知られているが、最近になって、半導体CNTのポテンシャル障壁に周囲の酸素が吸着して影響することが報告された(非特許文献1参照)。しかしながら、現在のところこれ以上の詳細な報告はなされていない。いわば、CNTセンサはマクロ的な研究は開始されたが、CNTセンサの実用化のための課題は未解決のままである。



ところで、上記のポテンシャル障壁の高低には金属の仕事関数(Work function)が関係する。金属の仕事関数は金属中のフェルミ準位にある電子を表面から真空中に取り出すのに要するエネルギーの最小値であるが、表面に原子、分子が吸着して電荷をもつと電気双極子が誘起され、表面から電子を真空中に取り出すときのポテンシャル障壁の高さが変化し、仕事関数が変化するためだと考えられている(非特許文献2参照)。これが非特許文献1の報告の背景にあると考えられる。



そして例えば、金属表面に電気陰性度の大きい上述の酸素、ハロゲン原子等が吸着すると、これらの吸着子はマイナスに帯電し、放出される電子は表面で反発力を受けるため、仕事関数は増大する。また逆に、イオン化ポテンシャルが小さいアルカリ金属、アルカリ土類金属原子が吸着すると吸着原子はプラスに帯電し、ポテンシャル障壁は低くなり、仕事関数は減少する、と考えられる。



なお、仕事関数の測定が必要になる場合、従来から電子線や紫外線、イオンビームを使って測定されてきた(例えば、特許文献3参照)。



しかし、CNTの仕事関数がどれくらいの値になるかについては、CNTは材質のコントロールが難しく不確定要素が多いため、おおむね4eV~5eVといわれている。ただし、他の異種物質を挿入などしてコントロールのレベルを上げることは可能である。例えば、Csがインターカレートされたときの単一壁カーボンナノチューブ管束の仕事関数は4.6eV~4.9eVとなる(例えば特許文献4参照)。




【特許文献1】特開2003-227808号公報

【特許文献2】特開2003-224号公報

【特許文献3】特開2001-50916号公報

【特許文献4】特開2004-534662号公報

【非特許文献1】V.Derycke,R.Martel,J.Appenzeller,Ph.Avouris、“Controlling doping and carrier injection in carbon nanotube tarnsister”,Appl.Phys.Lett.、80巻、2002年、p.2773-p.2775

【非特許文献2】村田好正、八木克道、服部建雄共著、アドバンスト エレクトロニクス シリーズI-19「固体表面と界面の物性」、培風館、1999年3月20日、p.80

産業上の利用分野


本発明は、安価で高速に応答し、検出精度が高く、製造が容易な測定ガスを検出するカーボンナノチューブセンサ(以下、CNTセンサ)と、その製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体カーボンナノチューブ材料が一対のアルミニウム電極と架橋端で電気的に接合され、周囲のNOまたはSF分解ガス何れかの測定ガスの吸着に基づく前記アルミニウム電極間の抵抗変化を測定してガス濃度を検出するカーボンナノチューブセンサであって、前記半導体カーボンナノチューブ材料と前記アルミニウム電極間には、ショットキー接合部が形成されていることを特徴とするカーボンナノチューブセンサ。

【請求項2】
前記測定ガスが、前記ショットキー接合部への吸着により前記アルミニウム電極との間で該アルミニウムの性質に基づく電荷移動を誘起し、これによってショットキー障壁の高さを変化させ、所定の逆バイアスの抵抗を生じさせることを特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブセンサ。

【請求項3】
前記ショットキー障壁の高さが前記測定ガス濃度に依存して変化することを特徴とする請求項2記載のカーボンナノチューブセンサ。

【請求項4】
前記半導体カーボンナノチューブ材料がp型半導体であって、前記測定ガスを含んだガス雰囲気下においてアルミニウムの仕事関数より大きな仕事関数を有することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のカーボンナノチューブセンサ。

【請求項5】
前記半導体カーボンナノチューブ材料がn型半導体であって、前記測定ガスを含んだガス雰囲気下においてアルミニウムの仕事関数より小さな仕事関数を有することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のカーボンナノチューブセンサ。

【請求項6】
前記半導体カーボンナノチューブ材料が前記アルミニウム電極の間に架橋された集積体から構成されることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載されたカーボンナノチューブセンサ。

【請求項7】
前記アルミニウム電極が交流電圧印加時に不平等電界を発生するための電界集中用縁部を備え、前記集積体が誘電泳動によって形成されたことを特徴とする請求項記載のカーボンナノチューブセンサ。

【請求項8】
前記アルミニウム電極が絶縁基板上に設けられた薄膜電極であって、前記電界集中用縁部が該電極のそれぞれに形成された突出部のエッジであることを特徴とする請求項7記載のカーボンナノチューブセンサ。

【請求項9】
p型半導体カーボンナノチューブ材料とアルミニウムの仕事関数をNOまたはSF分解ガス何れかの測定ガス雰囲気下で測定し、前記p型半導体カーボンナノチューブ材料の仕事関数がアルミニウムの仕事関数より大きいものを選び、アルミニウムを一対の電極として前記p型半導体カーボンナノチューブ材料を架橋することを特徴とするカーボンナノチューブセンサの製造方法。

【請求項10】
n型半導体カーボンナノチューブ材料とアルミニウムの仕事関数をNOまたはSF分解ガス何れかの測定ガス雰囲気下で測定し、前記n型半導体カーボンナノチューブ材料の仕事関数がアルミニウムの仕事関数より小さいものを選び、アルミニウムを一対の電極として前記n型半導体カーボンナノチューブ材料を架橋することを特徴とするカーボンナノチューブセンサの製造方法。
産業区分
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2005153365thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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