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METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING CARBON NANOTUBE

Patent code P08A013466
File No. ShIP-5063
Posted date Jun 13, 2008
Application number P2006-003909
Publication number P2007-186363A
Patent number P5028606
Date of filing Jan 11, 2006
Date of publication of application Jul 26, 2007
Date of registration Jul 6, 2012
Inventor
  • (In Japanese)永津 雅章
  • (In Japanese)荻野 明久
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人静岡大学
Title METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING CARBON NANOTUBE
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and apparatus for producing carbon nanotubes, by which the synthesis of carbon nanotubes can be attained at normal temperature by energy control of plasma ions without performing heating of a substrate.
SOLUTION: In the method for producing the carbon nanotubes, the carbon nanotubes are synthesized by a first step comprising producing metal-carbon composite clusters by DC arc discharge in a gas atmosphere using a graphite electrode in which a catalyst metal is mixed, then recovering the obtained composite clusters, vapor depositing the composite clusters on a silicon substrate, and applying a negative potential to the silicon substrate to irradiate the deposited composite clusters with an argon plasma, and a second step for supplying a negative potential to the silicon substrate in succession to the first step to irradiate the resulting clusters with a mixed gas plasma.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


近年、カーボンナノチューブ(CNT)は優れた電界電子放出特性を有することから、電子ビーム源、ナノ配線材料、量子細線デバイス、電子デバイス材料、フラットパネルデイスプレイなどへの応用が注目されている。



触媒金属を基板上に蒸着あるいはスパッタリング成膜する方法が提案されているが、これらの方法では、金属触媒の粒径は、直径数10nmから100nmとなり、一方、プラズマCVD法を用いた合成方法においては、多くの場合、直径数10nm以上の多層CNTとなるため、単層CNT合成が困難である。
またゼオライトのようなナノサイズの多孔性材料を基板として用いる方法が提案されているが、単層CNTの合成の割合は全体のナノチューブに比べて小さい。
また直流アーク放電法によるCNTの製造技術が提案されているが、作製したCNTの電子デバイスへの利用方法など取り扱いに問題が多い。



従来、代表的なカーボンナノチューブの合成法としては、直流アーク放電法があるが、炭素電極に大電流を流し、その抵抗加熱により炭素を昇華することによって、ナノチューブを作製する。また電気加熱炉内の石英管内に置かれたグラファイトターゲットにレーザーを照射し、レーザーエネルギーにより炭素を昇華し、ナノチューブを作製する方法がある。また電気炉内の石英管にアセチレンガスやメタンガスなどを流し、700~800度程度に加熱した触媒を塗布した基板上にカーボンナノチューブを作製する方法が用いられている。しかしカーボンナノチューブの作製には一般に上記のように基板温度を高温に上げて行う必要があり、このため基板材料の問題や、作製の問題など実用化に向けていろいろな課題が残されている。最近ではカーボンナノチューブの低温成長について提案されているが、従来の方法で基板温度を下げたのみで、成長速度が極めて低く、実用化に向け大きな問題となっている。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、カーボンナノチューブを低温で作製する方法および作製装置に関するもので、触媒金属と炭素を複合したナノサイズクラスターを基板に蒸着し、プラズマを用いてイオン衝撃によるクラスターの前処理を行った後、炭化水素系ガス中においてイオン加速エネルギーを制御したプラズマCVDによりナノチューブの低温成長を行なおうとする技術である。このような技術はこれまでには行われておらず、極めて利用価値の高い技術である。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
触媒金属を混入したグラファイト電極を用いて、ガス雰囲気中で、直流アーク放電により金属炭素複合クラスターを製造し、得られた複合クラスターを回収し、該複合クラスターをシリコン基板上に蒸着堆積させ、前記シリコン基板に負の電位を印加して、マイクロ波プラズマを照射する第1ステップと、該第1ステップに続いて、前記シリコン基板に負の電位を印加して、炭化水素系混合ガスプラズマを照射する第2ステップとによりカーボンナノチューブを合成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項2】
 
触媒金属を混入したグラファイト電極を用いて、ヘリウムガス雰囲気中で、直流アーク放電により金属炭素複合クラスターを製造し、得られた複合クラスターを回収し、該複合クラスターをシリコン基板上に蒸着堆積させ、前記シリコン基板に負の電位を印加して、マイクロ波プラズマを照射する第1ステップと、該第1ステップに続いて、前記シリコン基板に負の電位を印加して、炭化水素系混合ガスプラズマを照射する第2ステップとによりカーボンナノチューブを合成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項3】
 
触媒金属を混入したグラファイト電極を用いて、ガス雰囲気中で、直流アーク放電により金属炭素複合クラスターを製造し、得られた複合クラスターを回収し、該複合クラスターをシリコン基板上に蒸着堆積させ、前記シリコン基板に負の電位を印加して、アルゴンプラズマを照射する第1ステップと、該第1ステップに続いて、前記シリコン基板に負の電位を印加して、炭化水素系混合ガスプラズマを照射する第2ステップとによりカーボンナノチューブを合成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項4】
 
触媒金属を混入したグラファイト電極を用いて、ヘリウムガス雰囲気中で、直流アーク放電により金属炭素複合クラスターを製造し、得られた複合クラスターを回収し、該複合クラスターをシリコン基板上に蒸着堆積させ、前記シリコン基板に負の電位を印加して、アルゴンプラズマを照射する第1ステップと、該第1ステップに続いて、前記シリコン基板に負の電位を印加して、炭化水素系混合ガスプラズマを照射する第2ステップとによりカーボンナノチューブを合成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項5】
 
前記第2ステップでは、前記炭化水素系混合ガスプラズマとして水素/メタン混合ガスプラズマを照射する、
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項6】
 
前記炭化水素系混合ガスプラズマを水素/アルゴン/メタン混合ガスプラズマ或いは窒素/メタン混合ガスプラズマ又はアンモニア/アセチレン混合ガスプラズマとすることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項7】
 
前記金属炭素複合クラスターの製造時に使用する前記ガスをへリウム/メタン混合ガスとすることを特徴とする請求項1又は請求項3に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項8】
 
前記アルゴンプラズマを照射する第1ステップにおけるバイアス電源の負電位を-30V~-500Vとすることを特徴とする請求項3又は4に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項9】
 
前記炭化水素系混合ガスプラズマを照射する第2ステップにおけるバイアス電源の負電位を-100V~-200Vとすることを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項10】
 
前記第1ステップにおける前記プラズマガスのガス圧を7~25paとすることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項11】
 
前記第1ステップにおける前記プラズマガスのガス流量を100~200sccmとすることを特徴とする1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項12】
 
前記シリコン基板の温度を70°Cから120°Cに保持することを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項13】
 
前記金属炭素複合クラスターが、ニッケル、鉄或いはコバルトと炭素からなることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項14】
 
触媒金属を混入したグラファイト電極を用いてガス雰囲気中で直流アーク放電により製造された金属炭素複合クラスターが蒸着堆積されたシリコン基板を対象にして、前記シリコン基板に負の電位を印加して、マイクロ波プラズマを照射する第1ステップと、該第1ステップに続いて、前記シリコン基板に負の電位を印加して、炭化水素系混合ガスプラズマを照射する第2ステップとによりカーボンナノチューブを合成することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。

【請求項15】
 
触媒金属を混入したグラファイト電極を用いて、ガス雰囲気中で、直流アーク放電により金属炭素複合クラスターを製造し、得られた複合クラスターを回収し、該複合クラスターをシリコン基板に蒸着堆積させるとともにマイクロ波プラズマ中で、カーボンナノチューブを製造するに当たり、該複合クラスターを載置するシリコン基板を負電位に保持するバイアス電源を具えたことを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2006003909thum.jpg
State of application right Registered
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