|
|
|
| >>> English |
| 筑波大学・大学院数理物質科学研究科・電子物理専攻藤田研究室・ |
|
研究紹介 |
カーボンナノチューブの位置制御技術・固相成長とその場観測
・ナノ立体構造とナノチューブの固相成長その場観察 電子ビームによる気相成長法(EB-CVD)を用いることで、真にナノサイズのアモルファスカーボンピラーを形成することができます。このような極細のアモルファスカーボンピラー中で実現するナノチューブの固相成長技術開発では、デバイス応用のみならずナノチューブ成長メカニズムの理解において重要な知見が得られると期待されます。 フェロセンを原料に用いたEBまたはFIB-CVDプロセスでは、鉄含有のアモルファスカーボン構造体が形成され、約６００℃の真空加熱によって鉄微粒子が析出します。この鉄微粒子はアモルファスカーボン構造体の中を動き回り、構造体全体をグラファイト化します。ここで、フェロセンベースの構造体上にフェナントレンを原料としたEB-CVDによって極細のカーボンピラーを形成しておきます（図１ａ）。すると、たまたま細いピラーの中に入り込んだ鉄微粒子は、ピラーの中をうねるように動きながら移動し同時のその軌跡にナノチューブを形成します（図1ｂ-ｅ）。 本研究ではin-situのTEM画像として、あたかも液体のように形状を変える鉄微粒子の形態を捉える事に成功しました。このとき微粒子内部には時折りモワレも観測できます。つまり鉄微粒子は液状に変形するものの、本質的に結晶性を持ち（図２ａ）、微粒子頭部でアモルファスカーボンを浸食し、尾部からナノチューブをはき出しながら移動を繰り返すような固相ナノチューブ成長が起こっている（図２ｂ、ｃ）と考えられます。このようなCNT固相成長その場観察技術の特徴は、高度な３次元構造体成長制御技術が基本にあって、あらかじめＴＥＭ視野内にナノチューブ固相成長の起こる観測位置を予測・指定しておくことが可能な点にあります。つまり自由な位置に３次元構造体を形成する技術が在るからこそ、ナノチューブ成長メカニズムの本質に迫る研究が可能となります。   図１ 鉄微粒子による固相反応 図２ ナノチューブ固相成長のin-situ観測 ・EB-CVDフェロセンを用いた気相ナノチューブ成長の位置制御 さらに気相ナノチューブ成長において成長位置制御もナノ３次元構造体を用いて行うことが可能です。図３にフェロセンを用いて形成したEB-CVDドットに対してエタノールＣＶＤ法による気相ナノチューブ成長を行った例を示します。ドット中に析出した鉄微粒子を一度大気中酸化処理で表面のアモルファス層を除去し、エタノールCVDによって鉄微粒子から直径1nm程度の単層ナノチューブが成長する事が判りました。鉄微粒子へのCVDプロセス温度は800℃です。基板上に張り付いたナノチューブ観察にはリターディングモードでのSEM観察が有効です。リターディングモードとは平坦な試料に負の電圧(リターディング電圧)を印加して一次電子線を試料直前で減速させる方法であり、500ｅＶ〜1keVの加速電圧が用いられます。図４で、明るく見えている白線は、ナノチューブの周囲の電子線誘起電流(Electron Beam Induced Current：EBIC)によって形成された像コントラストです。電子線照射で誘起される絶縁体表面の導電性(EBIC)と、またナノチューブ周囲の絶縁体表面が高い収率で二次電子を放出するため、ナノチューブを明像として際立たせらまる。しかし見えているサイズ(太さ)はナノチューブの真のサイズではありません。図５では画像右上部にドットから成長したナノチューブが複数確認でき、またそのチューブの太さは0.72nmとなっています。しかしこれまでの研究ではドットからのSWCNTの成長確率は５〜１０％程度と低いのですが、ともかく基板上に１個の鉄微粒子を形成し、そのピンポイントの位置からナノチューブを成長させることが可能であることを示されたわけで、究極のナノチューブ成長位置制御技術への発展が期待されます。  図３ 基板上の鉄微粒子から成長したナノチューブ  図４ ナノチューブのSEM画像（リターディングモード） このページのトップに戻る |