DE69935422T2

DE69935422T2 - Oberflächen-signal-kommando-sonde eines elektronischen gerätes und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE69935422T2
Application number: DE69935422T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Hirakata-shi NAKAYAMA; Seiji Izumu-shi AKITA; Akio Osaka-shi Harada
Original assignee: Nakayama Yoshikazu Hirakata; Daiken Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Nakayama Yoshikazu Hirakata; Daiken Kagaku Kogyo KK
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2019-11-13
Also published as: KR100398276B1; EP1054249A8; US7138627B1; EP1054249B1; US20030122073A1; US7064341B2; EP1054249A4; TW468041B; DE69935422D1; WO2000033052A1; US6528785B1; KR20010032339A; HK1034769A1; EP1054249A1; US6800865B2; US20040168527A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Oberflächen-Signalsteuersensor für ein elektronisches Gerät, welches ein Nanoröhrchen, wie beispielsweise ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BCN-Nanoröhrchen, BN-Nanoröhrchen usw. als Sensornadel benutzt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Oberflächen-Signalsteuersensor für ein elektronisches Gerät, welcher ein anschauliches Verfahren zum Befestigen eines Nanoröhrchens an einen Halter umsetzt, und welcher als Sensornadel eines Rastersondenmikroskops, das Abbildungen von Oberflächen von Proben durch Erkennen von physikalischen oder chemischen Erscheinungen auf der Probenoberfläche aufnimmt oder als die Eingabe-Ausgabe-Sensornadel eines Magnetplattenlaufwerks benutzt werden kann; und sie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensors.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektronenmikroskope standen in der Vergangenheit zur Verfügung, um Probenoberflächen bei hoher Vergrößerung zu betrachten. Allerdings, da ein Elektronenstrahl nur durch ein Vakuum durchgeht, haben solche Mikroskope in Bezug auf experimentelle Techniken unter verschiedenen Problemen gelitten. In den letzten Jahren wurde allerdings eine Mikroskopietechnik entwickelt, die als ein „Rastersondenmikroskop" bekannt ist, die es möglich macht, Oberflächen auf einer atomaren Ebene sogar in der Atmosphäre zu betrachten. Mit diesem Mikroskop können, wenn die Sensornadel an der Abschlussspitze des Sensors sehr nahe an die Probenoberfläche von atomarer Größe angenähert wird, physikalische und chemische Einwirkungen der einzelnen Atome der Probe erkannt werden und es kann ein Abbild der Probenoberfläche von den Erkennungssignalen entwickelt werden, während die Sensornadel über die Oberfläche geführt wird.
Das erste Mikroskop dieser Art ist ein Rastertunnelmikroskop (auch als „STM" abgekürzt). Hierbei fließt, wenn eine scharfe Sensornadel, die sich an der Abschlussspitze befindet, auf einen Abstand angenähert wird, bei dem die Anzie hungskraft der Probenoberfläche wahrgenommen werden kann, z.B. ungefähr 1 nm (Bereich der Anziehungskraft), ein Tunnelstrom zwischen den Atomen der Probe und der Sensornadel. Da es auf der Probenoberfläche auf einer atomaren Ebene Vertiefungen und Erhebungen gibt, tastet die Sensornadel über die Probenoberfläche, indem sie angenähert und zurückgezogen wird von der Probenoberfläche, derart, dass der Tunnelstrom konstant bleibt. Da die Signale vom Annähern und Zurückziehen der Sensornadel den Vertiefungen und Erhebungen in der Probenoberfläche entsprechen, kann dieses Gerät eine Abbildung der Probenoberfläche auf einer atomaren Ebene aufnehmen. Ein Schwachpunkt dieses Geräts ist, dass die Abschlussspitze der Sensornadel, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, geschärft werden muss, um die Auflösung zu erhöhen.
Die Sensornadel eines STM wird gebildet, indem ein Drahtmaterial aus Platin, Platin-Iridium oder Wolfram usw. einer Schärfungsbehandlung ausgesetzt wird. Mechanische Polierverfahren und elektrolytische Polierverfahren werden für diese Schärfungsbehandlung benutzt. Zum Beispiel kann im Falle von Platin-Iridium eine scharfe Schnittfläche nur durch Trennen des Drahtmaterials mit der Zange eines Werkzeugs erreicht werden. Allerdings ist nicht nur die Wiederholbarkeit ungenau, sondern der Krümmungsradius der Abschlussspitze ist groß, z.B. ungefähr 100 nm, und ein solcher Krümmungsradius ist ungeeignet, um scharfe atomare Abbildungen einer Probenoberfläche mit Vertiefungen und Erhöhungen zu erreichen.
Elektrolytisches Polieren wird für Wolfram-Sensornadeln verwendet. 25 ist ein schematisches Schaubild einer elektrolytischen Poliervorrichtung. Eine Platinelektrode 80 und eine Wolframelektrode 81, die die Sensornadel bilden, sind mit einem AC-Netzanschluss 82 verbunden und sind in einer wässrigen Lösung von Natriumnitrit 83 eingetaucht. Während Strom fließt, wird die Wolframelektrode 81 allmählich in der Lösung derart elektrolysiert, dass die Abschlussspitze in die Form einer Nadel fertigbearbeitet wird. Wenn das Polieren abgeschlossen ist, wird die Abschlussspitze von der Flüssigkeitsoberfläche entfernt; als Ergebnis ist eine Wolfram-Sensornadel 84 der Art, wie in 26 gezeigt, fertiggestellt. Allerdings ist sogar in dem Falle dieser Wolfram-Sensornadel der Krümmungsradius der Abschlussspitze ungefähr 100 nm, und Vertiefungen und Erhebungen, die durch ein paar Atome oder mehr gebildet werden, können nicht scharf abgebildet werden.
Die als nächstes entwickelte Ausführung eines Rastermikroskops ist das Rasterkraftmikroskop (abgekürzt „AFM"). Im Falle eines STM müssen die Sensornadel und die Probe in der Regel Leiter sein, um den Fluss des Tunnelstroms zu verursachen. Dementsprechend soll das AFM die Oberflächen von nichtleitenden Substanzen betrachten. Im Falle dieses Geräts wird eine Blattfeder 85 der in 27 gezeigten Ausführung benutzt. Das hintere Ende der Blattfeder 85 ist an einem Träger 86 befestigt und eine pyramidenförmige Sensornadel 87 ist am vorderen Ende der Blattfeder 85 ausgebildet. Ein Spitzenteil 88 ist an der Abschlussspitze der Sensornadel durch eine Schärfungsbehandlung ausgebildet. Der Träger 86 ist an einem Abtastantriebsteil befestigt. Wenn das Spitzenteil veranlasst wird, sich der Probenoberfläche auf einen Abstand von ungefähr 0,3 nm zu nähern, erhält das Spitzenteil eine Abstoßkraft von den Atomen der Probe. Wenn die Sensornadel in diesem Zustand über der Probenoberfläche entlang geführt wird, wird die Sensornadel 87 durch die oben beschriebene Abstoßkraft veranlasst, sich nach oben und nach unten zu bewegen, gemäß der Vertiefungen und Erhöhungen der Oberfläche. Die Blattfeder 85 biegt sich dann als Erwiderung darauf in der Art einer „Hebels". Das Biegen wird durch die Abweichung des Ausfallwinkels eines Laserstrahls erkannt, der derart auf die Rückseite der Blattfeder gerichtet ist, dass ein Bild der Oberfläche entwickelt wird.
28 ist ein Schaubild des Verfahrens, das benutzt wird, um die oben beschriebene Sensornadel mittels einer Halbleiter-Planartechnik herzustellen. Ein Oxidfilm 90 wird auf beiden Oberflächen eines Siliziumwafers 89 gebildet und eine Vertiefung 91 wird in einem Teilbereich dieser Anordnung durch Lithografie und Ätzen gebildet. Dieser Teilbereich wird ebenfalls durch einen Oxidfilm 92 abgedeckt. Die Oxidfilme 90 und 92 werden durch eine Stickstoffbehandlung in Si₃N₄-Filme 93 umgewandelt; dann werden die gesamte untere Oberfläche und ein Teilbereich der oberen Oberfläche derart geätzt, dass ein Schneidteil 94 gebildet wird. Währenddessen wird eine große Vertiefung 96 in ein Glas 95 gebildet und dieses wird durch Eloxieren mit Oberfläche des Si₃N₄-Films verbunden. Danach wird das Glasteil 97 geschnitten und das Siliziumteil 98 wird durch Ätzen entfernt. Dann wird die gewünschte Sensornadel fertiggestellt durch das Bilden eines Metallfilms 99, der zur Laserreflexion benutzt wird. Insbesondere werden die Blattfeder 85, der Träger 86, die Sensornadel 87 und das Spitzenteil 88 fertiggestellt.
Diese Planartechnik ist für Massenproduktion geeignet; allerdings ist der Grad, bis zu welchem das Spitzenteil 88 geschärft werden kann, ein Problem. In der abschließenden Untersuchung ist es notwendig, die Abschlussspitze der Vertiefung 91 entweder scharf zu Ätzen oder die Abschlussspitze der Sensornadel 87 durch Ätzen zu schärfen. Allerdings ist es selbst im Falle solcher Ätzbehandlungen schwierig, den Krümmungsradius der Abschlussspitze des Spitzenteils 88 auf einen Wert kleiner als 10 nm zu reduzieren. Die Vertiefungen und Erhebungen auf der Probenoberfläche sind auf der atomischen Ebene und es ist notwendig, den Krümmungssradius der Abschlussspitze des Spitzenteils 88 auf einen Wert von 10 nm oder weniger zu reduzieren, um ein scharfes Bild dieser Vertiefungen und Erhöhungen zu erhalten. Es ist allerdings unmöglich, eine solche Reduzierung des Krümmungsradiuses durch Benutzung dieser Technik zu erreichen.
Wenn künstliches Polieren und Planartechniken unbrauchbar sind, wird die Frage, was für die Sensornadel, die das entscheidende Bauteil des Sensors ist, benutzt werden soll, ein bedeutendes Problem. Eine Vorgehensweise ist die Benutzung von Haarkristallen (Faserkristallen). Zinkoxid-Haarkristalle wurden tatsächlich als Sensornadeln benutzt. Haarkristallsensornadeln haben einen kleineren Spitzenwinkel und Spitzenradius als Pyramidennadeln, die durch Planartechniken hergestellt werden und erzeugen daher schärfere Bilder. Allerdings sind Herstellungsverfahren für Haarkristallnadeln noch nicht eingeführt und die Herstellung von leitfähigen Haarkristallen zur Benutzung in einem STM wurde noch nicht versucht. Ferner konnten Haarkristalle mit dem gewünschten Querschnittsdurchmesser von 10 nm oder weniger noch nicht erzielt werden.
Ferner leiden solche Sensornadeln unter vielen anderen Problemen: z.B. werden solche Sensornadeln leicht zerstört durch starke Berührung mit der Probenoberfläche und solche Nadeln verschleißen derart schnell unter normalen Benutzungsbedingungen, dass die Benutzung unmöglich wird.
In den letzten Jahren ist deshalb der Gedanke aufgetreten, Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Sensornadeln zu benutzen. Da Kohlenstoff-Nanoröhrchen leitfähig sind, können sie sowohl in AFM als auch in STM benutzt werden. Eine Kohlenstoff-Nanotube-Sensornadel wurde als hochauflösender Sensor zur Abbildung von biologischen Systemen in J. Am. Chem. Soc., Vol. 120 (1998), Seite 603 vorgeschlagen. Allerdings bleiben die bedeutendsten Punkte, d.h. die Frage, wie nur Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus einem Kohlenstoffgemisch erfasst werden können und die Frage, wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen an einem Halter befestigt werden, vollkommen ungelöst. Ebenfalls in diesem Zusammenhang wird die Benutzung einer Baugruppe, in welcher ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen an einem Halter mittels Molekularkraft befestigt wird, nur am Rande erwähnt.
Um eine Kathode zu erhalten, die ein hervorragendes Auflösungsvermögen als Sensor eines Elektronenmikroskops aufweist und die eine hohe Elektronenleitfähigkeit aufweist, wird eine Kohlenstoff-Nanotube-Kathode beschrieben (JP 63-31309).
Nanoröhrchen als Nanosensoren in der Rastersondenmikroskopie werden ebenfalls beschrieben. (H. Dai, J. H. Hafner, A. G. Rinzler, D. T. Colbert, R. E. Smalley, Nature, Vol. 384, 1996, Seiten 147 bis 150). Dieser Artikel beschreibt ferner einzelne Nanoröhrchen, die an der pyramidenförmigen Spitze einer Siliziumblattfeder in der Rasterkraftmikroskopie befestigt sind.
Ein Gegenstand zur Herstellung, der ein makroskopisches Befestigungselement umfasst, das geeignet ist, in einer Umgebung im Makrobereich gehandhabt und betrachtet zu werden und wobei eine Nanotube-Baugruppe im Nanobereich an diesem Befestigungselement befestigt ist, ist ebenfalls bekannt (WO 98/05920).
Ferner wurden, neben Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BCN-Nanoröhrchen und BN-Nanoröhrchen entwickelt. Allerdings sind Verfahren zur Nutzung solcher Nanoröhrchen völlig im Bereich des Unbekannten geblieben.
Auf einem anderen Gebiet haben sich Speichergeräte von Diskettenlaufwerken zu Festplattenlaufwerken und weiter zu High-Density-Laufwerken entwickelt, während sich die Speicherkapazität von Computern in den letzten Jahren erhöht hat. Während Information auf kleineren Speicherplätzen bei höheren Dichten komprimiert wird, verringert sich die Größe pro Bit an Information; dementsprechend ist ebenfalls eine feinere Sensornadel für Eingang-Ausgang erforderlich. In herkömmlichen Magnetkopfgeräten ist es unmöglich, die Größe der Sensornadel unter einen bestimmten festen Wert zu reduzieren, sodass es Grenzen für das Streben nach höherer Dichte gibt.
Wie oben beschrieben sind systematische herkömmliche Techniken zum Schärfen von Sensornadeln das elektrolytische Polieren von Metalldrahtmaterialien und Lithografie- und Ätzbehandlungen von Halbleitern. Im Falle dieser Behandlungen kann der Krümmungsradius der Abschlussspitze der Sensornadel allerdings nur auf ungefähr 100 nm geschärft werden; dementsprechend ist es sehr schwierig, scharfe Bilder von Vertiefungen und Erhöhungen zu erhalten, die von ein paar Atomen oder mehr auf der Probenoberfläche gebildet werden. Ferner ist der Grad an Schärfe, der durch mechanisches Schneiden von Metalldrahtmaterialien mit einem Werkzeug, wie etwa einer Zange usw., erreicht wird, ebenfalls ungenügend, um scharfe Bilder von Vertiefungen und Erhöhungen festzuhalten. Die Benutzung von Haarkristallen ist noch eine unsichere Technik und die Benutzung von Nanotube-Sensornadeln, wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen usw., ist eine Aufgabe für die Zukunft. Ferner haben sich herkömmliche Magnetkopfgeräte ebenso ihren Grenzen bezüglich Größe angenähert.
Dementsprechend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nutzung von Nanoröhrchen mit einem kleinen Krümmungsradius der Abschlussspitze als Sensornadel zur Oberflächensignalsteuerung bereitzustellen und ferner eine konkrete Struktur für Sensoren festzulegen, die Nanotube-Sensornadeln benutzen, sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben. Die vorliegende Erfindung zeigt, dass solche Nanotube-Sensornadeln nicht leicht zerstört werden, selbst wenn sie Erhebungen von atomischer Ebene während des Abtastens der Sensornadel berühren, dass solche Sensornadeln mit dem Halter derart fest verbunden werden können, dass sich die Sensornadel nicht vom Halter löst während des Abtastens, und dass solche Sensornadeln billig massenproduziert werden können. Ferner zeigt die vorliegende Erfindung, dass Proben, die in der Vergangenheit nicht mit hoher Auflösung betrachtet werden konnten, deutlich betrachtet werden können, indem die Nanotube-Sensornadeln benutzt werden, die auf diese Weise hergestellt werden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst, die oben beschriebene Aufgabe mit einem Nanotube-Sensor nach den Ansprüchen 1 oder 3 und sein Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 4 oder 6 zu erfüllen. Der Sensor zur Oberflächensignalsteuerung für elektronische Geräte der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Nanoröhrchen, einen Halter, der das Nanoröhrchen hält, und ein Befestigungsmittel, welches das Abschlussstück des Nanoröhrchens an die Oberfläche des Halters derart befestigt, dass die Abschlussspitze des Nanoröhrchens hervorsteht, umfasst; und dass Oberflächensignale durch die Abschlussspitze des Nanoröhrchens gesteuert werden, das als Sensornadel benutzt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Sensor zur Oberflächensignalsteuerung bereit, wobei das Befestigungsmittel ein Beschichtungsfilm ist, und das Nanoröhrchen an dem Halter befestigt wird, indem ein festgelegter Bereich des Nanoröhrchens, der das Abschlussstück umfasst, durch den Beschichtungsfilm überdeckt wird.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung einen Sensor zur Oberflächensignalsteuerung bereit, wobei das Befestigungsmittel ein geschmolzenes Teil ist und das Abschlussstück des Nanoröhrchens an den Halter durch dieses geschmolzene Teil schmelzgeschweißt ist.
Es wird ein Sensor zur Oberflächensignalsteuerung bereitgestellt, wobei das oben beschriebene elektronische Gerät ein Rastersondenmikroskop ist und physikalische und chemische Einwirkungen auf der Probenoberfläche durch das Nanoröhrchen, das als Sensornadel benutzt wird, erkannt wird. Ein solches Rastersondenmikroskop umfasst Rastertunnelmikroskope, Rasterkraftmikroskope, etc.
Ferner wird ein Sensor zur Oberflächensignalsteuerung bereitgestellt, wobei das oben beschriebene elektronische Gerät ein magnetisches Informationsverarbeitungsgerät ist und magnetische Information wird eingegeben in ein und ausgegeben von einem Magnetaufzeichnungsmedium durch das Nanoröhrchen.
Als ein Verfahren zum Herstellen dieses Sensors wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zur Oberflächensignalsteuerung eines elektronischen Geräts bereitgestellt, und dieses Verfahren umfasst einen ersten Arbeitsgang, wobei eine Spannung über Elektroden in einer elektrophoretischen Lösung angelegt wird, in die ein Nanoröhrchen, das die Sensornadel bildet, derart verteilt wird, dass dieses Nanoröhrchen veranlasst wird, an den Elektroden in einer hervorstehenden Art und Weise zu haften, einen zweiten Arbeitsgang, wobei die Elektrode, an der das Nanoröhrchen in einer hervorstehenden Art und Weise haftet und ein Halter veranlasst werden, sich gegenseitig sehr eng anzunähern, und das Nanoröhrchen wird derart an den Halter übertragen, dass das Abschlussstück des Nanoröhrchen an der Oberfläche des Halters in einer Stellung haftet, in welcher die Abschlussspitze des Nanoröhrchens veranlasst wird, hervorzustehen, und einen dritten Arbeitsgang, wobei ein bestimmter Bereich, der mindestens das Abschlussstück des Nanoröhrchens, das an der Halteroberfläche haftet, umfasst, einer Beschichtungsbehandlung derart ausgesetzt wird, dass das Nanoröhrchen an dem Halter durch den erzeugten Beschichtungsfilm befestigt wird.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zur Oberflächensignalsteuerung eines elektronischen Geräts bereitgestellt, und dieses Verfahren umfasst einen ersten Arbeitsgang, wobei eine Spannung über Elektroden in einer elektrophoretischen Lösung angelegt wird, in die ein Nanoröhrchen, das die Sensornadel bildet, derart verteilt wird, dass dieses Nanoröhrchen veranlasst wird, an den Elektroden in einer hervorstehenden Art und Weise zu haften, einen zweiten Arbeitsgang, wobei die Elektrode, an der das Nanoröhrchen in einer hervorstehenden Art und Weise haftet und ein Halter veranlasst werden, sich derart gegenseitig sehr eng anzunähern, dass das Abschlussstück des Nanoröhrchen an der Oberfläche des Halters in einer Stellung haftet, in welcher die Abschlussspitze des Nanoröhrchens veranlasst wird, hervorzustehen, und einen dritten Arbeitsgang, wobei ein elektrischer Strom veranlasst wird, zwischen dem Nanoröhrchen und dem Halter derart zu fließen, dass das Abschlussstück des Nanoröhrchens mit dem Halter schmelzverschweißt wird.
Zusätzlich wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zur Oberflächensignalsteuerung eines elektronischen Geräts bereitgestellt, und dieses Verfahren umfasst einen ersten Arbeitsgang, wobei eine Spannung über Elektroden in einer elektrophoretischen Lösung angelegt wird, in die ein Nanoröhrchen, das die Sensornadel bildet, derart verteilt wird, dass dieses Nanoröhrchen veranlasst wird, an den Elektroden in einer hervorstehenden Art und Weise zu haften, einen zweiten Arbeitsgang, wobei die Elektrode, an der das Nanoröhrchen in einer hervorstehenden Art und Weise haftet, und ein Halter veranlasst werden, sich derart gegenseitig sehr eng anzunähern, dass das Abschlussstück des Nanoröhrchen an der Oberfläche des Halters in einer Stellung haftet, in welcher die Abschlussspitze des Nanoröhrchens veranlasst wird, hervorzustehen, und einen dritten Arbeitsgang, wobei das Abschlussstück des Nanoröhrchens an den Halter durch Bestrahlen mit einem Elektronenstrahl schmelzgeschweißt wird.
Es werden ein Sensor zur Oberflächensignalsteuerung eines elektronischen Geräts und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereitgestellt, wobei das Nanoröhrchen ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BCN-Nanoröhrchen oder BN-Nanoröhrchen ist.
Der Begriff „elektronisches Gerät", der in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, betrifft ein elektronisches Gerät, das einen Sensor zur Steuerung der Oberflächensignale benutzt. Zum Beispiel umfassen solche elektronischen Geräte Rastersondenmikroskope; dies sind Geräte, die die Anordnung von Oberflächenatomen einer Probe durch Benutzen eines Sensors abbilden. Ferner umfassen solche elektronischen Geräte ebenfalls magnetische Informationsverarbeitungsgeräte; zum Beispiel Magnetplattenlaufwerke, wie etwa Festplatten, usw., die magnetische Information durch Benutzen eines Magnetkopfs als Sensor ein- und ausgeben. Dementsprechend umfasst der Sensor zur Oberflächensignalsteuerung der vorliegenden Erfindung nicht nur Fälle, in welchen Zustände oder Signale der gegenüberliegenden Oberfläche erkannt werden, sondern ebenfalls Fälle, in welchen Signale mit der gegenüberliegenden Oberfläche ausgetauscht werden.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben, wobei hauptsächlich ein Rastersondenmikroskop als das elektronische Gerät der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
Der Begriff „Rastersondenmikroskop" betrifft ein Mikroskop, das physikalische und chemische Einwirkungen von den Atomen der Probenoberfläche mittels einer Sensornadel eines Sensors erkennt und ein Bild der Probenoberfläche von solchen Erkennungssignalen entwickelt, während die Sensornadel über die Oberfläche der Probe geführt wird. Die Sensornadel ist eine Sonde, welche physikalische und chemische Einwirkungen erkennt; der Sensor betrifft ein Gerät, an dem die Sensornadel befestigt ist. Der Aufbau des Sensors ändert sich gemäß der Arten von physikalischen und chemischen Einwirkungen, die ermittelt werden, d.h. gemäß der Art von Mikroskop. Allerdings, was allen solchen Sensoren gemeinsam ist, ist eine feine Sensornadel und ein Sensornadelhalter, an dem diese Sensornadel fest angebracht ist. In der vorliegenden Erfindung wird ein Nanoröhrchen als Sensornadel benutzt.
Rastersondenmikroskope umfassen Rastertunnelmikroskope (STM), die einen Tunnelstrom erkennen, Rasterkraftmikroskope (AFM), die Vertiefungen und Erhöhungen der Oberfläche erkennen, indem die Van-der-Waals-Kraft benutzt wird, Lateralkraftmikroskope (LFM), die Oberflächenunterschiede mittels Reibkraft erkennen, Magnetkraftmikroskope (MFM), die magnetische Kräfte zwischen einer magnetischen Sensornadel und Magnetfeldbereichen auf der Probenoberfläche erkennen, Elektrostatische Kraftmikroskope (EFM), die eine Spannung über die Probe und die Sensornadel anlegen und den elektrischen Feldstärkegradienten erkennen, und Chemische Kraftmikroskope (CFM), die die Oberflächenverteilung von chemischen funktionellen Gruppen etc. abbilden. Was diese Mikroskope alle gemeinsam haben ist, dass sie charakteristische physikalische oder chemische Einwirkungen mittels einer Sensornadel erkennen und dadurch versuchen, Oberflächeninformation mit hoher Auflösung in atomarer Größenordnung zu erkennen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Strukturschaubild eines Rastertunnelmikroskops (STM).
2 ist ein Strukturschaubild eines Rasterkraftmikroskops (AFM).
3 zeigt perspektivische Ansichten von unterschiedlichen Abschlussspitzen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT).
4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung von fünfteiligen Ringen und sechsteiligen Ringen in einem CNT darstellt.
5 ist ein Strukturschaubild, das ein Beispiel eines DC-Elektrophorese-Verfahrens darstellt.
6 ist ein Strukturschaubild, das ein Beispiel eines AC-Elektrophorese-Verfahrens darstellt.
7 ist ein schematisches Schaubild, das Zustände der Haftung von Nanoröhrchen an einer Messerschneide zeigt.
8 ist ein Computerbild eines Bildes von einem Rasterelektronenmikroskop von einer Messerschneide mit anhaftenden CNT.
9 ist ein Computerbild eines Bildes von einem Rasterelektronenmikroskop, das ein CNT vor dem Andrücken dieses CNT's mittels eines Teils mit einer scharfen Spitze zeigt.
10 ist ein Computerbild eines Bildes von einem Rasterelektronenmikroskop, das ein CNT zeigt, unmittelbar nachdem dieses CNT mittels eines Teils mit einer scharfen Spitze angedrückt wurde, wobei das CNT verbogen ist.
11 ist ein Strukturschaubild eines Geräts, das benutzt wird, um ein Nanoröhrchen an die Blattfeder eines AFM zu übertragen.
12 ist eine Aufbauskizze, die den Zustand unmittelbar vor der Übertragung des Nanoröhrchens in Ausführungsform 1 zeigt.
13 ist eine Aufbauskizze, die den Zustand unmittelbar nach der Übertragung des Nanoröhrchens zeigt.
14 ist eine Aufbauskizze, die die Bildung eines Beschichtungsfilms, der das Nanoröhrchen abdeckt, zeigt.
15 ist ein Computerbild eines Bildes von einem Rasterelektronenmikroskop eines fertiggestellten AFM-Sensors.
16 ist ein Computerbild eines DNA-Bildes, aufgenommen durch den fertiggestellten AFM-Sensor.
17 ist eine Aufbauskizze, die einen Fall zeigt, in dem ein Beschichtungsfilm ebenfalls auf einem zwischenliegenden Teil gebildet ist, das einen Bereich der Abschlussseite der Abschlussspitze des Nanoröhrchens bildet (wie Ausführungsform 2).
18 ist eine perspektivische Ansicht, die die wesentlichen Teile eines STM-Sensors wie Ausführungsform 3 zeigt.
19 ist eine Aufbauskizze, die den Zustand unmittelbar vor dem Schmelzverschweißen des Nanoröhrchens in Ausführungsform 4 zeigt.
20 ist eine Aufbauskizze, die den Zustand unmittelbar nach dem Schmelzverschweißen des Nanoröhrchens zeigt.
21 ist ein schematisches Schaubild eines fertiggestellten AFM-Sensors.
22 ist ein schematisches Schaubild, das die Bildung eines Beschichtungsfilms zeigt, der das Nanoröhrchen in Ausführungsform 7 abdeckt.
23 ist eine perspektivische Ansicht, die wesentliche Teile eines STM-Sensors wie Ausführungsform 8 zeigt.
24 ist eine perspektivische Ansicht, die wesentliche Teile eines STM-Sensors zeigt, in einem Fall, wo ein Beschichtungsfilm auf einem zwischenliegenden Teil gebildet ist, das einen Bereich auf der Abschlussseite der Abschlussspitze des Nanoröhrchens bildet, wie Ausführungsform 9.
25 ist ein schematisches Schaubild einer herkömmlichen elektrolytischen Poliervorrichtung.
26 ist ein Schaubild, das den Abschluss des elektrolytischen Polierens zeigt.
27 ist ein schematisches Schaubild einer herkömmlichen AFM-Sensornadel.
28 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Halbleiter-Planartechnik für eine herkömmliche Sensornadel zeigt.
BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Um die vorliegende Erfindung ausführlicher zu beschreiben, wird die Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Strukturschaubild eines Rastertunnelmikroskops (STM), an dem die vorliegende Erfindung angewendet wird. Die Nanotube-Sensornadel 1 ist an einem Halter 2a befestigt, um einen Erkennungssensor 2 zu bilden. Das Verfahren zum Befestigen wird später beschrieben. Dieser Halter 2a ist in der Ausnehmung 3a eines Haltereinspannteils 3 eingefügt und ist dort mittels Federdruck derart befestigt, dass der Halter 2a abgenommen werden kann. Ein Abtastantriebsteil 4 umfasst ein X-piezoelektrisches Bauteil 4x, ein Y-piezoelektrisches Bauteil 4y und ein Z-piezoelektrisches Bauteil 4z führt das Haltereinspannteil 3 durch Ausdehnen und Zusammenziehen in die X-, Y- und Z-Richtungen und bewirkt dadurch das Führen der Nanotube-Sensornadel 1 relativ zu der Probe 5. Die Bezugsziffer 6 ist eine Vorspannungsversorgung, 7 ist ein Tunnelstromerkennungsschaltkreis, 8 ist ein Z-Achsensteuerschaltkreis, 9 ist ein STM-Anzeigegerät und 10 ist ein XY-Abtastschaltkreis.
Der Z-Achsensteuerschaltkreis steuert die Nanotube-Sensornadel 1 durch Ausdehnen und Zusammenziehen in der Z-Richtung derart, dass der Tunnelstrom an jeder XY-Position konstant bleibt. Dieser Umfang an Bewegung entspricht dem Umfang von Vertiefung oder Erhöhung in der Z-Achsenrichtung. Während die Nanotube-Sensornadel 1 in X- und Y-Richtung geführt wird, wird ein atomisches Oberflächenbild der Probe 5 durch das STM-Anzeigegerät angezeigt. Wenn die Nanotube-Sensornadel 1 in der vorliegenden Erfindung ersetzt wird, wird der Halter 2a von dem Haltereinspannteil 3 entnommen und der Sensor 2 wird als eine Einheit ersetzt.
2 ist ein Strukturschaubild eines Rasterkraftmikroskops (AFM), an dem die vorliegende Erfindung angewendet wird. Die Nanotube-Sensornadel ist an einem Halter 2a befestigt. Der Halter 2a ist ein pyramidenförmiges Teil, das an der Abschlussspitze einer Blattfeder 2b gebildet ist. Der Querschnitt dieser Pyramide ist ein rechtwinkliges Dreieck und die Sensornadel 1 ist an der rechtwinkligen Oberfläche befestigt; demzufolge berührt die Sensornadel die Probenoberfläche mehr oder weniger rechtwinklig, derart, dass die Probenoberfläche genau gelesen werden kann. Die Blattfeder 2b ist an einem Träger 2c befestigt und auf eine lösbare Weise an einem Haltereinspannteil (nicht gezeigt) befestigt. In dieser Anordnung bilden die Nanotube-Sensornadel 1, Halter 2a, Blattfeder 2b und Träger 2c zusammen den Sensor 2; wenn die Sensornadel ersetzt wird, wird der gesamte Sensor 2 ersetzt. Zum Beispiel, wenn die herkömmliche pyramidenförmige Sensornadel 87, gezeigt in 27, wie der Halter 2a benutzt wird, kann die Nanotube-Sensornadel daran durch ein Verfahren befestigt werden, das später beschrieben wird. Die Probe 5 wird in die X-, Y- und Z-Richtung durch ein Abtastantriebsteil angetrieben, welches ein piezoelektrisches Bauelement ist. 11 zeigt ein Halbleiter-Lasergerät an, 12 zeigt einen rückstrahlenden Spiegel an, 13 zeigt ei nen zweiteiligen Detektor für gespaltenes Licht an, 14 zeigt einen XYZ-Abtastschaltkreis an, 15 zeigt ein AFM-Anzeigegerät an und 16 zeigt einen Z-Achsenerkennungsschaltkreis an.
Die Probe 5 wird veranlasst sich der Nanotube-Sensornadel 1 in Richtung der Z-Achse anzunähern, bis die Probe 5 in einer Position ist, wo eine bestimmte abstoßende Kraft ausgeübt wird; und danach wird das Abtastantriebsteil 4 durch den Abtastschaltkreis 14 in die X- und Y-Richtungen geführt, wobei die Z-Position in einer ortsfesten Stellung bleibt. In diesem Falle wird die Blattfeder 2b veranlasst, sich durch die Vertiefungen und Erhöhungen der Oberflächenatome derart zu biegen, dass der reflektierte Laserstrahl LB nach dem Erfahren einer Positionsverschiebung in den zweiteiligen Detektor 13 für zerstreutes Licht eintritt. Der Umfang der Verschiebung in der Richtung der Z-Achse wird durch den Z-Achsenerkennungsschaltkreis von der Differenz der Lichtmengen errechnet, die durch den oberen und unteren Detektor 13a und 13b ermittelt werden, und ein Bild der Oberflächenatome wird durch das AFM-Anzeigegerät 15 mit diesem Umfang der Verschiebung als dem Umfang von Vertiefung und Erhöhung der Atome angezeigt. Dieses Gerät ist derart gebaut, dass die Probe 5 in die X-, Y- und Z-Richtung geführt wird. Es ist allerdings ebenfalls möglich, die Sensornadelseite, d.h. den Sensor 2, in die X-, Y- und Z-Richtung zu führen. Die Nanotube-Sensornadel 1 kann veranlasst werden derart zu vibrieren, dass sie leicht die Oberfläche der Probe 5 trifft.
Die Nanotube-Sensornadel 1, gezeigt in den 1 und 2, ist selbst ein Nanoröhrchen, wie etwa ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BCN-Nanoröhrchen oder BN-Nanoröhrchen, usw. Von diesen unterschiedlichen Arten von Nanoröhrchen wurde das Kohlenstoff-Nanoröhrchen (nachfolgend auch als „CNT" bezeichnet) zuerst entdeckt. In der Vergangenheit waren Diamant, Graphit und amorpher Kohlenstoff als feste Allotrope des Kohlenstoffs bekannt. Die Strukturen dieser Allotrope waren ebenfalls in Zuständen, die mehr oder weniger durch Röntgenanalysen usw. bestimmt wurden. 1985 allerdings wurde Fulleren, in dem Kohlenstoffatome in der Gestalt eines Fußballs angeordnet sind, in einem gasgekühlten Produkt entdeckt, das durch Bestrahlen von Graphit mit einem leistungsstarken Laser erzeugt wurde, und diese Verbindung wurde als C₆₀ ausgewiesen. Ferner wurden 1991 Kohlenstoff-Nanoröhrchen, in welchen Kohlenstoffatome in einer röhrenförmigen Gestalt angeordnet sind, in einer kathodischen Ablagerung entdeckt, die mittels einer DC-Lichtbogenentladung erzeugt wurde.
BCN-Nanoröhrchen wurden synthetisiert auf der Basis solcher Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Zum Beispiel wird ein gemischtes Pulver von amorphem Bor und Graphit in eine Graphitstange eingepackt und wird in Stickstoffgas verdampft. Alternativ wird eine gesinterteBN-Stange in eine Graphitstange eingepackt und wird in Heliumgas verdampft. Ferner kann eine Lichtbogenentladung in Heliumgas durchgeführt werden, wobei BC₄N als die Anode und Graphit als Kathode benutzt wird. BCN-Nanoröhrchen, in welchen einige der C-Atome in einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch B-Atome und N-Atome ersetzt sind, wurden durch diese Verfahren synthetisiert, und mehrschichtige Nanoröhrchen, in welchen BN-Schichten und C-Schichten in einer konzentrischen Anordnung laminiert sind, wurden synthetisiert.
Ferner wurden vor Kurzem BN-Nanoröhrchen synthetisiert. Dies sind Nanoröhrchen, die nahezu keine C-Atome enthalten. Zum Beispiel werden ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen und pulverförmiges B₂O₃ in einen Schmelztiegel gegeben und in Stickstoffgas erhitzt. Als Ergebnis kann das Kohlenstoff-Nanoröhrchen in ein BN-Nanoröhrchen umgewandelt werden, in welchem nahezu alle C-Atome des Kohlenstoff-Nanoröhrchens durch B-Atome und N-Atome ersetzt sind.
Demzufolge können nicht nur Kohlenstoff-Nanoröhrchen, sondern auch Nanoröhrchen im Allgemeinen, wie etwa BCN-Nanoröhrchen oder BN-Nanoröhrchen als Nanoröhrchen der vorliegenden Erfindung benutzt werden.
Da diese Nanoröhrchen mehr oder weniger dieselbe Stoffstruktur wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweisen, werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Beispiel für die nachfolgende strukturelle Beschreibung benutzt.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) sind eine zylindrische Kohlenstoffsubstanz mit einer quasi-eindimensionalen Struktur, die einen Durchmesser von ungefähr 1 nm bis zu Zehnfachen von Nanometern und eine Länge von mehreren Mikrometern aufweist. Kohlenstoff-Nanoröhrchen von unterschiedlicher Gestalt, wie in 3 gezeigt, wurden durch transmissionselektronenmikroskopische Gefügeaufnahmen bestätigt. Im Falle von 3(a) ist die Abschlussspitze durch ein Polyeder abgeschlossen, während im Falle von 3(b) die Abschlussspitze offen ist. Im Falle von 3(c) ist die Abschlussspitze durch eine kegelige Form abgeschlossen, während im Falle von 3(d) die Abschlussspitze durch eine schnabelförmige Form abgeschlossen ist. Außerdem ist bekannt, dass halbringförmige Arten von Nanoröhrchen existieren.
Es ist bekannt, dass die Atomanordnung eines Nanoröhrchens ein Zylinder ist, der eine spiralförmige Struktur hat, die durch Verschieben und Aufrollen eines Graphitfilms gebildet wird. Es ist bekannt, dass die Abschlussfläche des Zylinders eines CNT geschlossen werden kann durch das Einfügen von sechs fünfteiligen Ringen. Die Tatsache, dass es verschiedene Abschlussspitzenformen gibt, wie in 3 gezeigt, ist der Tatsache zuzuschreiben, dass fünfteilige Ringe auf unterschiedliche Weise angeordnet werden können. 4 zeigt ein Beispiel der Struktur einer Abschlussspitze eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens; es ist ersichtlich, dass diese Struktur von einer flachen Ebene bis zu einer gekrümmten Oberfläche reicht, als Folge davon, dass ein sechsteiliger Ring um einen fünfteiligen Ring angeordnet ist, und dass die Abschlussspitze eine geschlossenen Struktur hat. Kreise zeigen Kohlenstoffatome an, durchgezogene Linien zeigen die Vorderseite an und gestrichelte Linien zeigen die Rückseite an. Da es unterschiedliche Anordnungen von fünfteiligen Ringen gibt, weisen die Strukturen der Abschlussspitzen eine Vielfalt auf.
Nicht nur Kohlenstoff-Nanoröhrchen, sondern auch allgemeine Nanoröhrchen weisen eine röhrenförmige Struktur auf. Demzufolge weisen Nanoröhrchen eine außerordentlich starke Steifigkeit in der mittigen Achsrichtung und in der Biegerichtung auf; und zur selben Zeit weisen, wie andere Kohlenstoffallotrope usw., Nanoröhrchen außerordentliche chemische und thermische Beständigkeit auf. Demzufolge, wenn Nanoröhrchen als Sensornadeln benutzt werden, neigen diese Nanoröhrchen dazu, nicht beschädigt zu werden, selbst wenn sie mit Atomerhöhungen auf der Probenoberfläche während des Abtastens zusammenstoßen. Ferner, da die Querschnittsdurchmesser von Nanoröhrchen über einen Bereich von ungefähr 1 nm bis zu Zehnfachen von Nanometern (wie oben beschrieben) verteilt sind, sind solche Nanoröhrchen am geeignetsten als Material für Sensornadeln, die scharfe Bilder von feinen Strukturen auf Atomebene erzeugen können (wenn ein Nanoröhrchen mit einem kleinen Krümmungsradius gewählt wird). Ferner, da es viele Nanoröhrchen gibt, die Leitfähigkeit aufweisen, können Nanoröhrchen nicht nur als AFM-Sensornadeln benutzt werden, sondern auch als STM-Sensornadeln. Ferner, da Nanoröhrchen schwierig zu brechen sind, können sie auch als Sensornadeln in anderen Rastersondenmikroskopen, wie etwa Lateralkraftmikroskopen usw. benutzt werden.
Unter den Nanoröhrchen sind insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhrchen leicht herzustellen und sie sind für kostengünstige Massenproduktion geeignet. Es ist bekannt, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der kathodischen Ablagerung einer Lichtbogenentladung erzeugt wird. Ferner sind solche Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Allgemeinen mehrschichtige Röhrchen. Ferner wurde festgestellt, dass einschichtige Kohlenstoff-Nanoröhrchen gewonnen werden, wenn das Lichtbogenentladungsverfahren abgeändert wird und ein katalytisches Metall mit der Anode vermischt wird. Neben dem Lichtbogenentladungsverfahren können Kohlenstoff-Nanoröhrchen auch durch CVD synthetisiert werden, wobei feine Teilchen eines katalytischen Materials, wie etwa Nickel oder Kobalt usw., als Trägermaterial benutzt werden. Ferner ist ebenfalls bekannt, dass einschichtige Kohlenstoff-Nanoröhrchen synthetisiert werden können durch Bestrahlen von Graphit, das ein katalytisches Metall enthält, mit einem leistungsstarken Laserlicht bei hoher Temperatur. Ferner wurde ebenfalls festgestellt, dass solche Kohlenstoff-Nanoröhrchen Nanoröhrchen umfassen, die ein Metall einhüllen.
Außerdem, wie oben beschrieben, wurde festgestellt, dass BCN-Nanoröhrchen und BN-Nanoröhrchen usw. ebenfalls kostengünstig hergestellt werden können, indem ein Lichtbogenentladungsverfahren oder ein Erhitzungsprozess in einem Tiegel usw. benutzt wird und auch Techniken zum Einhüllen von Metall in Nanoröhrchen sind entwickelt worden.
Allerdings ist zum Beispiel in dem Herstellungsprozess der Kohlenstoff-Nanoröhrchen bekannt, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen sich nicht einfach selbst erzeugen; stattdessen werden solche Nanoröhrchen in einer Mischung mit großen Mengen von Kohlenstoff-Nanoteilchen (nachstehend als „CP" abgekürzt) erzeugt. Dementsprechend ist die Gewinnung von CNT aus dieser Mischung in einer hohen Dichte eine Voraussetzung für die vorliegende Erfindung.
Mit Bezug auf diesen Punkt haben die betreffenden Erfinder bereits ein CNT-Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung, basierend auf einem elektrophoretischen Verfahren in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 10-280431, bereitgestellt. Mit diesem Verfahren können CNTs durch Auflösen der Kohlenstoffmischung in einer elektrophoretischen Lösung und Anlegen einer DC-Spannung oder AC-Spannung gereinigt werden. Wenn zum Beispiel eine DC-Spannung angelegt wird, sind die CNTs in geraden Reihen auf der Kathode angeordnet. Wenn eine AC-Spannung angelegt wird, sind die CNTs in geraden Reihen auf der Kathode und der Anode angeordnet, als Folge der Bildung eines inhomogenen elektrischen Felds. Da das Ausmaß der Elektrophorese von CPs kleiner ist als das von CNTs, können CNTs mittels eines elektrophoretischen Verfahrens gereinigt werden, das diesen Unterschied ausnützt.
Es hat sich bestätigt, dass dieses elektrophoretische Verfahren benutzt werden kann, um nicht nur Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu reinigen, sondern auch BCN-Nanoröhrchen und BN-Nanoröhrchen.
Dieses elektrophoretische Verfahren wird ebenfalls im Arbeitablauf der vorliegenden Erfindung benutzt. Insbesondere werden Nanoröhrchen, die durch das oben beschriebene Verfahren gereinigt und gewonnen werden, in einer separaten, sauberen elektrophoretischen Lösung dispergiert. Wenn Metallplatten, wie etwa Messerschneiden usw. sich gegenüberliegend als Elektroden in dieser Lösung angeordnet werden, und eine DC-Spannung an diese Elektroden angelegt wird, haften Nanoröhrchen an der Kathode (zum Beispiel) in einer rechtwinkligen Anordnung. Wenn die Elektroden derart angeordnet werden, dass ein inhomogenes elektrisches Feld gebildet wird, in Fällen, wo eine AC-Spannung angelegt wird, werden Nanoröhrchen an beiden Elektroden in einer rechtwinkligen Anordnung haften. Diese Elektroden mit haftenden Nanoröhrchen werden in dem Herstellprozess der vorliegenden Erfindung benutzt. Selbstverständlich können andere Verfahren, die Nanoröhrchen veranlassen, an einer messerschneidenförmigen Metallplatte zu haften, ebenfalls benutzt werden.
Die oben beschriebene elektrophoretische Lösung kann jede Lösung sein, die geeignet ist, die Nanoröhrchen derart zu verteilen, dass die Nanoröhrchen eine Elektrophorese durchlaufen. Insbesondere ist die Lösung, die benutzt wird, eine Dispergierflüssigkeit und gleichzeitig eine elektrophoretische Flüssigkeit. Lösungen, die in diesem Falle benutzt werden können, umfassen wasserhaltige Lösungen, organische Lösungen und gemischte Lösungen, die beide Arten von Lösungen enthalten. Zum Beispiel können weithin bekannte Lösungen wie etwa Wasser, säurehaltige Lösungen, alkalische Lösungen, Alkohol, Ether, Waschbenzin, Benzol, Ethylacetat und Chloroform usw. benutzt werden. Noch konkreter können organische Allzwecklösungen, wie etwa Isopropylalkohol (IPA), Ethylalkohol, Aceton und Toluen usw. benutzt werden. Zum Beispiel im Falle von IPA sind Carboxylgruppen als elektrophoretische Ionenarten vorhanden. Daher ist es ratsam, die Lösung, die benutzt wird, auf der Basis einer umfangreichen Bewertung der elektrophoretischen Leistungsfähigkeit und Dispergierfähigkeit der Nanoröhrchen, der Stabilität der Dispergierung und Sicherheit usw. auszuwählen.
5 zeigt einen Fall, der CNTs als ein Beispiel eines elektrophoretischen Verfahrens mit DC einbindet. Die elektrophoretische Lösung 20, in welcher die CNTs dispergiert sind, ist in einem Loch enthalten, das in einem Glasträger 21 gebildet ist. Die Messerschneiden 22 und 23 sind sich gegenüberliegend angeordnet und eine DC-Spannungsversorgung 18 ist angelegt. Obwohl für das bloße Auge nicht sichtbar, sind zahllose, extrem kleine Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) in der elektrophoretischen Lösung vorhanden. Diese CNTs haften in einer rechtwinkligen Anordnung an der Schneidenspitze 22a der kathodischen Messerschneide 22. Dies kann unter einem Elektronenmikroskop bestätigt werden. In dieser Vorrichtung wird ein inhomogenes elektrisches Feld, in dem die Linien der elektrischen Kraft in der Richtung rechtwinklig zu der Ebene der Messerschneiden gebogen sind, zwischen den zwei Elektroden gebildet. Dies kann allerdings als eine elektrophoretische Vorrichtung für DC verwendet werden, selbst wenn ein homogenes elektrisches Feld gebildet wird. Der Grund dafür ist der Folgende: speziell im Falle eines inhomogenen elektrischen Feldes ist lediglich die Rate der Elektrophorese inhomogen; Elektrophorese ist immer noch möglich.
6 zeigt einen Fall, der CNTs als ein Beispiel eines elektrophoretischen Verfahrens mit AC einbindet. Die elektrophoretische Lösung 20, in welcher die CNTs dispergiert sind, ist in einem Loch enthalten, das in einem Glasträger 21 gebildet ist. Die Messerschneiden 22 und 23 sind sich gegenüberliegend angeordnet und eine AC-Spannungsversorgung 19 ist durch einen Wechselstromverstärker 26 angelegt. Ein inhomogenes elektrisches Feld, ähnlich dem von 5, wirkt zwischen den Elektroden. Selbst wenn ein inhomogenes elektrisches Feld nicht absichtlich aufgebaut wird, werden örtliche, inhomogene, elektrische Felder tatsächlich derart gebildet, dass eine Elektrophorese durchgeführt werden kann. In dieser Figur ist ein 5 MHz, 90 V Wechselstrom angelegt. CNTs haften in einer rechtwinkligen Anordnung an den Schneidenspitzen 22a und 23a der Messerschneiden von beiden Elektroden.
7 ist ein schematisches Schaubild, das Zustände der Haftung der Nanoröhrchen 24 an der Schneidenspitze 23a der Messerschneide 23 zeigt. Die Nanoröhrchen 24 haften an der Schneidenspitze 23a in mehr oder weniger rechtwinkliger Anordnung, aber einige der Nanoröhrchen sind geneigt. Ferner gibt es auch Fälle, in welchen mehrere der Nanoröhrchen beieinander derart versammelt sind, dass sie in Form von Bündeln haften; diese werden als NT-Bündel 25 bezeichnet (auch Nanoröhrchenbündel genannt). Die Krümmungsradien der Nanoröhrchen reichen von einem Bereich von ungefähr 1 nm bis zu Zehnfachen von Nanometern. In Fällen wo außerordentlich schlanke Nanoröhrchen als Sensornadeln ausgewählt sind, bieten solche Sensornadeln den Vorteil, dass feine Betrachtungen von Vertiefungen und Erhöhungen in der atomischen Oberfläche ermöglicht werden; umgekehrt jedoch können die Nanoröhrchen beginnen, in einer charakteristischen Weise zu vibrieren, und in solchen Fällen fällt die Auflösung ab. Hierbei, wenn ein NT-Bündel 25 als Sensornadel benutzt wird, erfüllt das Nanoröhrchen, das am weitesten aus diesem Bündel hervorsteht, die Funktion einer direkten Sensornadel, während die anderen Nanoröhrchen wirken, um die Vibration zu unterdrücken. Demgemäß können solche NT-Bündel 25 ebenfalls als Sensornadeln benutzt werden.
8 ist ein Computerbild einer Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops von einer Messerschneide mit einem haftenden CNT. Es ist ersichtlich, dass CNTs leicht veranlasst werden können an einer Messerschneide zu haften, lediglich durch das Ausführen eines elektrophoretischen Arbeitsgangs. Allerdings haften CNTs üblicherweise mehr an der Abschlusskante einer Neigung als an rechten Winkeln.
Die Messerschneide, gezeigt in 8, ist einer besonderen Behandlung zum Zwecke eines Festigkeitstests ausgesetzt. Diese elektronenmikroskopische Vorrichtung enthält beträchtliche Mengen von organischen Substanzen als Verunreinigungen. Demgemäß wurde festgestellt, dass wenn die Messerschneide mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, ein Kohlenstofffilm, der von den Verunreinigungen herrührt, auf der Oberfläche der Messerschneide gebildet wird. Die Einzelheiten dieser Erscheinung werden später beschrieben; allerdings wird der Kohlenstofffilm auf der Oberfläche der Messerschneide derart gebildet, dass er nur einige der CNTs abdeckt. Mit anderen Worten, der Kohlenstofffilm hat die Funktion, die CNTs an der Messerschneide zu befestigen, die lediglich an der Messerschneide haften. Andere Nanoröhrchen neben den CNTs können ähnlich behandelt werden.
Die mechanische Festigkeit von CNTs auf der oben beschriebenen Messerschneide wurde getestet. Die CNTs wurden durch ein Teil mit einer scharfen Spitze angedrückt. Die 9 und 10 zeigen Computerbilder von Aufnahmen eines Rasterelektronenmikroskops, aufgenommen vor und nach dem Andrücken. Wie deutlich in 10 sichtbar ist, hat das CNT eine derartige Biegeelastizität, das kein Brechen des CNT's auftritt, selbst wenn das CNT in eine halbrunde Form gebogen wird. Wenn das Andrücken beendet wurde, ging das CNT zurück in den Zustand wie in 9 gezeigt. Eine solche hohe Festigkeit und hohe Elastizität sind der Grund, warum CNTs nicht beschädigt werden, selbst wenn sie die atomische Oberfläche berühren oder über die atomische Oberfläche gezogen werden. Dies bestätigt ebenfalls, dass der Kohlenstofffilm die CNTs hier fest anbindet. demnach ist die Befestigungskraft derart ausreichend, dass die CNTs nicht von der Messerschneide abgetrennt werden, selbst wenn sie gebogen werden. Allge meine Nanoröhrchen haben ebenfalls eine solch hohe Festigkeit und hohe Elastizität; dies ist ein bedeutender Vorteil beim Benutzen von Nanoröhrchen als Sensornadeln.
11 ist ein Schaubild eines Geräts, das benutzt wird, um ein Nanoröhrchen an die Blattfeder eines AFM-Halters zu übertragen. Ein Halter 2a wird veranlasst, in der Gestalt einer Pyramide von der Abschlussspitze einer Blattfeder 2b hervorzustehen. Diese ist ein Teil aus Silizium, das hergestellt wird, indem eine Halbleiter-Planartechnik benutzt wird. Für gewöhnlich wird ein solch pyramidenförmig hervorstehendes Teil als ein AFM benutzt. Allerdings wird dieses pyramidenförmig hervorstehende Teil in der vorliegenden Erfindung umgeändert, um als ein Halter 2a benutzt zu werden. Ein Nanoröhrchen 24 auf der Messerschneide 23 wird an diesen Halter 2a weitergegeben und dieses Nanoröhrchen wird als Sensornadel benutzt. Da die Nanoröhrchen lediglich auf der Messerschneide haften, sind sie natürlich nicht durch einen Film befestigt. Diese Arbeitsgänge werden unter einer Echtzeitbeobachtung in einer Kammer 27 eines Rasterelektronenmikroskops durchgeführt. Die Blattfeder 2b kann dreidimensional in die X-, Y- und Z-Richtung bewegt werden und die Messerschneide kann zweidimensional in die X- und Y-Richtung bewegt werden. Demgemäß sind extrem genaue Arbeitsgänge möglich.
Der Sensor zur Oberflächensignalsteuerung der vorliegenden Erfindung wird fertiggestellt, indem ein Nanoröhrchen, das an der Messerschneide haftet, an einen Halter übertragen wird und dieses Nanoröhrchen an dem Halter durch ein Befestigungsmittel befestigt wird. In Bezug auf dieses Befestigungsmittel werden zwei Verfahren in der vorliegenden Erfindung benutzt. Eines ist ein Beschichtungsfilm; in diesem Falle wird das Nanoröhrchen an dem Halter mittels eines Beschichtungsfilms befestigt. Das zweite Verfahren benutzt ein schmelzgeschweißtes Teil; in diesem Falle wird das Nanoröhrchen veranlasst an dem Halter zu haften, und der Berührungsteil ist derart geschmolzen, dass die zwei Teile fest mit einander verbunden werden. Da Nanoröhrchen außerordentlich schlank sind, neigt das gesamte Abschlussstück des Nanoröhrchens, das in Berührung mit dem Halter ist, dazu, das schmelzgeschweißte Teil zu bilden. Schmelz schweißverfahren umfassen Schmelzschweißen mittels eines elektrischen Stroms und Schmelzschweißen durch Elektronenstrahlbestrahlung.
Nachfolgend werden konkrete Beispiele von Befestigungsmittel für Nanoröhrchen als Ausführungsformen beschrieben.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
[AFM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH EINEN BESCHICHTUNGSFILM]
12 ist eine Aufbauskizze, die den Zustand unmittelbar vor der Übergabe des Nanoröhrchens zeigt. Während sie unter einem Elektronenmikroskop beobachtet wird, wird die Abschlussspitze des Halters 2a veranlasst, sich dem Nanoröhrchen 24 sehr eng anzunähern. Der Halter 2a ist derart angeordnet, dass das Nanoröhrchen 24 durch die Abschlussspitze des Halters 2a in eine Abschlussspitzenlänge L und eine Abschlussstücklänge B aufgeteilt wird. Ferner wird eine DC-Übertragungsstromversorgung 28 bereitgestellt, um diese Übertragung zu fördern und die Blattfeder 2b wird auf der Kathodenseite angeordnet. Allerdings hängt die Polarität der DC-Spannungsversorgung auch von dem Material des Nanoröhrchens ab; die Polarität ist auf die Richtung eingestellt, die die Übertragung fördert. Die Übertragung des Nanoröhrchens wird gefördert, wenn diese Spannung angelegt wird. Eine Spannung von mehreren Volt bis zu Zehnfachen von Volt ist ausreichend. Diese Spannung kann geändert werden entsprechend der Übertragungsbedingungen. Ferner kann diese Spannungsversorgung 28 auch weggelassen werden. Wenn der Annäherungsabstand D enger als ein bestimmter Abstand wird, wirkt eine Anziehungskraft derart auf beide Teile, dass das Nanoröhrchen 24 spontan auf den Halter 2a springt. Während der Annäherungsabstand D enger wird, nähern sich die tatsächlichen Werte der Längen L und B der vorbestimmten Bemessungsauslegung. Diese Übertragung kann Fälle umfassen, in denen das Nanoröhrchen 24 sowohl die Messerschneide 23 als auch den Halter 2a berührt; diese können nach der Bildung des Beschichtungsfilms abgetrennt werden.
13 ist eine Aufbauskizze, die den Zustand zeigt, in dem sich das Nanoröhrchen 24 an den Halter 2a heftet. Die Abschlussspitze 24a steht um die Abschlussspitzenlänge L hervor und das Abschlussstück 24b haftet an dem Halter 2a in der Abschlussstücklänge B. Die Abschlussspitze 24a bildet die Sensornadel. Es wäre ebenfalls möglich, ein NT-Bündel 25 zu veranlassen, an dem Halter zu haften, anstatt eines einzelnen Nanoröhrchens 24. Ferner kann, wenn einzelne Nanoröhrchen 24 mehrere Male übertragen und veranlasst werden, an dem Halter zu haften, ein Effekt, der der gleiche ist, wie ein NT-Bündel 25 zu veranlassen, an dem Halter zu haften, erzielt werden. In Fällen, wo Nanoröhrchen veranlasst werden, mehrere Male zu haften, können die einzelnen Nanoröhrchen veranlasst werden zu haften, nachdem sie beliebig angepasst wurden. Dementsprechend kann ein stabiler, hoch auflösender Sensor hergestellt werden, in welchem das Nanoröhrchen, das am weitesten nach vorne hervorsteht, als Sensornadel fungieren, während die umliegenden Nanoröhrchen die Resonanz der Sensornadel als Ganzes unterdrückt.
Als Nächstes wird ein Beschichtungsfilm über einen bestimmten Bereich, der das Abschlussstück 24b des Nanoröhrchens umfasst, derart gebildet, dass das Nanoröhrchen 24 fest an dem Halter 2a befestigt wird. Wie in der 14 gesehen, wird der Beschichtungsfilm 29 derart gebildet, dass er das Abschlussstück 24a von oben abdeckt. Als Folge des Beschichtungsfilms 29 wird sich, selbst wenn sich die Abschlussspitze 24a, die die Sensornadel bildet, an einer atomischen Erhöhung verfangen sollte, die Sensornadel lediglich in einen gebogenen Zustand, wie oben beschrieben, beugen. Daher kann Beschädigung, wie etwa Bruch der Sensornadel oder Entfernen der Sensornadel von dem Halter 2a, verhindert werden. Wenn der Beschichtungsfilm nicht vorhanden ist, wird sich das Nanoröhrchen 24 von dem Halter 2a abtrennen, wenn sich die Abschlussspitze 24a an einer Erhöhung verfängt.
Als Nächstes werden Verfahren beschrieben, die benutzt werden können, um den Beschichtungsfilm 29 zu bilden. Wie oben beschrieben sieht ein Verfahren, welches benutzt werden kann, folgendermaßen aus: insbesondere wenn das Abschlussstück 24b mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, werden Kohlenstoffsubstanzen, die innerhalb der Kammer 27 des Elektronenmikroskops schwe ben, in der Nähe des Abschlussstücks derart abgelagert, dass ein Kohlenstofffilm gebildet wird. Dieser Kohlenstofffilm wird als ein Beschichtungsfilm benutzt. Ein zweites Verfahren ist ein Verfahren, in welchem eine sehr kleine Menge eines reaktionsfähigen Beschichtungsgases in die Kammer 27 des Elektronenmikroskops eingeführt wird, und dieses Gas wird mittels eines Elektronenstrahls derart abgebaut, dass ein Beschichtungsfilm der gewünschten Substanz gebildet wird. Außerdem können allgemeine Beschichtungsverfahren eingesetzt werden. Zum Beispiel kann CVD (auch als Chemische Gasphasenabscheidung bezeichnet) und PVD (auch als Physikalische Gasphasenabscheidung bezeichnet) benutzt werden. Im Falle eines CVD-Prozesses wird das Material vorab erhitzt und ein reaktionsfähiges Gas wird veranlasst, an diese Stelle derart zu strömen, dass ein Beschichtungsfilm reaktiv auf der Oberfläche des Materials aufgebaut wird. Ferner ist das Niedertemperaturplasmaverfahren, in welchem das Reaktionsgas in ein Plasma umgewandelt wird und ein Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Materials gebildet wird, ebenfalls eine Art des CVD-Verfahrens. Mittlerweile umfassen PVD-Verfahren mehrere Arten von Verfahren, die von einfachen Aufdampfverfahren bis hin zu Ionenplattierungsverfahren und Sputterverfahren usw. reichen. Diese Verfahren können wahlweise benutzt werden, und können weitgehend bei Beschichtungsfilmmaterialien benutzt werden, die gemäß der betreffenden Anwendung von Isoliermaterial bis hin zu leitfähigen Materialien reichen.
15 ist eine Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops von einem fertiggestellten Sensor. Es ist ersichtlich, dass ein CNT an dem Halter dem Entwurf entsprechend befestigt ist. Die betreffenden Erfinder nahmen Bilder einer Desoxyribosenukleinsäure (DNA) auf, um die Auflösung und Stabilität dieses Sensors zu messen. 16 zeigt eine AFM-Bild dieser DNA; das Verkreuzen und Umschlingen der DNA wurde deutlich abgebildet. Nach bestem Wissen der Erfinder ist dies das erste Mal, dass solch klare DNA-Bilder erzielt wurden. Nach Beurteilung von 16 scheint es, dass der Krümmungsradius der Abschlussspitze dieses Sensors, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut wurde, 1,2 nm oder weniger beträgt; es versteht sich, dass dies außerordentlich effektiv in der wissenschaftlichen Forschung ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
[VERSTÄRKTER AFM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH BESCHICHTUNGSFILM]
17 zeigt ein weiteres Verfahren zur Bildung eines Beschichtungsfilms. Um hoch auflösende Bilder zu erhalten, ist es wünschenswert, dass der Krümmungsradius der Abschlussspitze des Nanoröhrchens 24 klein ist. Allerdings gibt es Fälle, wie oben beschrieben, in welchen die Abschlussspitze, wenn das Nanoröhrchen zu schlank ist, mikroskopischen Vibrationen derart ausgesetzt ist, dass die Bilder unscharf werden. Dementsprechend wird, in Fällen wo ein schlankes Nanoröhrchen 24 benutzt wird, ebenfalls ein Beschichtungsfilm 30 auf einem Bereich der Abschlussspitze 24a, der nahe am Abschlussstück 24b liegt, gebildet, d.h. auf einem zwischenliegenden Teilbereich 24c. Als Folge dieses Beschichtungsfilms 30 wird der zwischenliegende Teilbereich 24c derart dicker und größer im Durchmesser gemacht, dass ein Effekt, der mikroskopische Vibrationen unterdrückt, erzielt wird. Dieser Beschichtungsfilm 30 kann aus demselben Material wie der Beschichtungsfilm 29 und zur gleichen Zeit mit dem Beschichtungsfilm 29 gebildet werden, oder kann aus einem unterschiedlichen Material gebildet werden. Auf diese Art kann eine Sensornadel, die ein einzelnes Nanoröhrchen umfasst, wobei die Abschlussspitze des Nanoröhrchens 24 schlank ist und der Fuß des Nanoröhrchens dick ist, aufgebaut werden. Mit anderen Worten, eine hoch auflösende, hoch zuverlässige Sensornadel kann mit einem schlanken Nanoröhrchen aufgebaut werden, ohne dass ein NT-Bündel benutzt wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
[STM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH BESCHICHTUNGSFILM]
18 ist eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile eines Sensors 2 eines Rastertunnelmikroskops. Die Abschlussspitze 24a des Nanoröhrchens 24 wurde veranlasst hervorzustehen, und dieser Teilbereich bildet die Sensornadel. Das Abschlussstück 24b ist an einem Halter 2a mittels eines Beschichtungsfilms 29 befestigt. Dieser Sensor kann leicht durch einen Vergleich mit dem Sensor 2 in 1 verstanden werden. Die Tätigkeiten und Wirkungen dieses Sensors sind ähnlich denen von Ausführungsform 1; dementsprechend wird auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet.
BEISPIEL
MAGNETSENSOR, BEFESTIGT DURCH BESCHICHTUNGSFILM
Ein Sensor, ähnlich dem, der in 18 gezeigt wird, kann als Eingabe-Ausgabe-Sensor in einem Magnetplattenlaufwerk verwendet benutzt werden. In diesem Falle werden Eisenatome in die Abschlussspitze des Nanoröhrchens derart eingeschlossen, dass das Nanoröhrchen mit einer magnetischen Wirkung ausgestattet ist. Da ein Nanoröhrchen eine röhrenförmige Struktur aufweist, können verschiedene Arten von Atomen im Innern der Röhre enthalten sein. Unter diesen Atomen können magnetische Atome derart in der Röhre enthalten sein, dass das Nanoröhrchen mit einer magnetischen Empfindlichkeit ausgestattet ist. Selbstverständlich können ferromagnetische Atome, neben den Eisenatomen, ebenfalls benutzt werden. Da der Krümmungsradius der Abschlussspitze eines Nanoröhrchens außerordentlich klein ist, d.h. in einem Bereich, der von 1 nm bis zu Zehnfachen von Nanometern reicht, kann die Eingabe und Ausgabe von aufgezeichneten Daten bei einer hohen Dichte auf außerordentlich kleinem Raum mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
[AFM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH ELEKTROSCHMELZSCHWEISSEN]
Die 19 bis 24 stellen eine Ausführungsform einer Befestigung eines Nanoröhrchens durch Schmelzschweißen dar. Zunächst ist 19 eine Aufbauskizze des Zustands unmittelbar vor dem Schmelzverschweißen des Nanoröhrchens. Die Abschlussspitze des Halters 2a wird veranlasst, sich sehr eng an das Nanoröhrchen 24 anzunähern, während sie unter einem Elektronenmikroskop beobachtet wird. Der Halter 2a ist derart angeordnet, dass das Nanoröhrchen 24 durch die Abschlussspitze des Halters 2a in eine Abschlussspitzenlänge L und eine Abschlussstücklänge B aufgeteilt wird. Ferner sind ein hoher Widerstand R, eine DC-Spannungsversorgung 28 und ein Schalter SW zwischen der Messerschneide 23 und der Blattfeder 2b angeschlossen. Zum Beispiel beträgt der Widerstandswert des hohen Widerstands R 200 MΩ, und die Spannung der DC-Spannungsversorgung beträgt 1 bis 100 V. In 19, in der sich die Teile in nächster Nähe befinden, befindet sich der Schalter SW in einem geöffneten Zustand und es wurde noch kein Stromfluss verursacht.
Wenn die zwei Teile veranlasst werden, sich gegenseitig sogar noch enger derart anzunähern, dass das Nanoröhrchen 24 den Halter 2a berührt, ist der Zustand in 20 die Folge. Hier steht die Abschlussspitze 24a um einen Betrag hervor, der gleich der Abschlussspitzenlänge L ist, und das Abschlussstück 24b haftet an dem Halter 2a auf einer Länge, die gleich der Abschlussstücklänge B ist. Wenn der Schalter SW derart geschlossen ist, dass in dieser Phase Strom fließt, fließt Strom zwischen dem Nanoröhrchen 24 und dem Halter 2a derart, dass das Abschlussstück 24b, das in Berührung mit dem Halter 2a ist, an den Halter 2a durch elektrische Erhitzung schmelzgeschweißt wird. Mit anderen Worten, das Abschlussstück 24b wird geschmolzen, um das schmelzgeschweißte Teil 24d zu bilden, angezeigt durch eine schwarze Farbe in der Figur, und das Nanoröhrchen 24 wird fest an dem Halter 2a befestigt.
Es ist ebenfalls möglich, einen Prozess zu benutzen, wobei der Schalter SW vor der Berührung zwischen dem Nanoröhrchen 24 und dem Halter 2a geschlossen wird, worauf das Abschlussstück 24b in das schmelzgeschweißte Teil 24d durch den Stromfluss, verursacht durch Berührung, umgewandelt wird und dann der Halter 2a von der Messerschneide 23 entfernt wird.
In dieser Behandlung des Elektroschmelzschweißens ist nicht nur die Befestigung solide, sondern Schmelzschweißen kann zuverlässig mit dem Empfinden von Impulsschweißen ausgeführt werden, während das Objekt im Elektronenmikroskop bestätigt wird, sodass die Produktausbringung erhöht wird. Die DC-Spannungsversorgung 28 kann durch eine AC-Spannungsversorgung oder gepulste Spannungsversorgung ersetzt werden. Im Falle einer DC-Spannungsversorgung kann Schmelzschweißen ausgeführt werden, indem ein Strom von 10^–10 bis 10^–6 (Ampere-Sekunden (A·s)) benutzt wird. Zum Beispiel, in einem Fall, wo der Durchmesser des Kohlenstoff-Nanoröhrchens (CNT) 10 nm beträgt und die Länge B des Abschlussstücks 200 nm beträgt, kann eine stabile Schmelzschweißung bei 10^–9 bis 10^–7 (A·s) ausgeführt werden. Allerdings liegt der Hauptinhalt der vorliegenden Erfindung in der Befestigung des CNT durch Schmelzschweißen und die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Zahlenwerte beschränkt.
AUSFÜHRUNGSFORM 5
[AFM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH ELEKTRONENSTRAHLSCHMELZSCHWEISSEN]
Das zweite Schmelzschweißverfahren ist das Verfahren der Elektronenstrahlbestrahlung. Wenn der Schalter SW in dem berührungslosen Zustand, gezeigt in 19, geschlossen ist, wird ein elektrisches Feld zwischen dem Halter 2a und dem Nanoröhrchen 24 gebildet. Wenn die entsprechenden Teile veranlasst werden, sich gegenseitig noch enger anzunähern, wird das Nanoröhrchen 24 veranlasst, durch die Kraft dieses elektrischen Feldes auf den Halter 2a zu fliegen. Danach, wenn das gesamte oder ein Teil des Abschlussstücks 24b des Nanoröhrchens 24 mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, schmilzt das Abschlussstück 24b und wird an den Halter 2a als das schmelzgeschweißte Teil 24d schmelzgeschweißt.
In diesem Falle hängt die Polarität der DC-Spannungsversorgung 28 von dem Material der Nanoröhrchen usw. ab. Daher ist diese Polarität nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Anordnung beschränkt; und die Polarität wird an die Richtung angepasst, die Übertragung fördert.
Ein Übertragungsverfahren durch ein elektrisches Feld wird in dem oben beschriebenen Verfahren benutzt; es ist allerdings ebenfalls möglich, eine Übertragung durch ein nicht-elektrisches Feld bei geöffnetem Schalter SW auszuführen. Insbesondere, wenn der Halter 2a veranlasst wird, sich dem Nanoröhrchen 24 innerhalb einer bestimmten Entfernung anzunähern, wirkt eine anziehende Van-der-Waals-Kraft zwischen den zwei Teilen und das Nanoröhrchen 24 wird veran lasst, durch diese Kraft auf den Halter 2a zu fliegen. Die Oberfläche des Halters 2a kann mit einem Haftmittel, wie etwa ein acrylartiges Haftmittel usw. beschichtet werden, um diese Übertragung zu fördern. Dieser Übertragung folgend wird das Abschlussstück 24b, das an dem Halter 2a heftet, durch Bestrahlung derart geschmolzen, dass das Nanoröhrchen 24 an dem Halter 2a über ein schmelzgeschweißtes Teil 24d befestigt wird. Daher kann ein Sensor, ähnlich dem, der durch Elektroschmelzschweißen erzeugt wird, auch durch Elektronenstrahlschmelzschweißen erzeugt werden.
21 ist ein schematisches Schaubild des durch Schmelzschweißen fertiggestellten Sensors. Die Abschlussspitze 24a bildet die Sensornadel und kann als ein hoch auflösender Sensor mit einem Krümmungsradius der Abschlussspitze von 10 nm oder weniger benutzt werden. Das Nanoröhrchen 24 ist fest an dem Halter 2a durch das schmelzgeschweißte Teil 24d derart befestigt, dass das Nanoröhrchen 24 nicht bricht, verbiegt oder sich ablöst, selbst wenn es einem beträchtlichen Stoß ausgesetzt wird. Im Falle eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens scheint es, dass die Struktur des Nanoröhrchens im schmelzgeschweißten Teil 24d zerstört wird und sich in amorphen Kohlenstoff umwandelt. Wenn Silizium als Material für den Halter 2a benutzt wird, scheint es, dass sich die Kohlenstoffatome, die in eine amorphe Substanz umgewandelt wurden, und die Siliziumatome des Halters verbinden, um Siliziumcarbid zu bilden, derart, dass das schmelzgeschweißte Teil 24d eine Siliziumcarbidstruktur annimmt. Allerdings wurde eine ausführliche Strukturanalyse dieses Teils noch nicht fertiggestellt, und dies ist momentan lediglich eine Vermutung.
Im Falle von BCN-Nanoröhrchen oder BN-Nanoröhrchen sind Strukturanalysen des schmelzgeschweißten Teils noch nicht durchgeführt worden. Es wurde allerdings experimentell bestätigt, dass die Teile durch dieses schmelzgeschweißte Teil fest verbunden sind.
Wie oben beschrieben hat der Halter in Fällen, wo der Halter 2a aus Silizium hergestellt ist, ein bestimmtes Maß an Leitfähigkeit, da er ein Halbleiter ist. Dementsprechend ist, da eine Spannung direkt angelegt werden kann, Elektroschmelzschweißen möglich. Selbstverständlich können das Übertragungsverfah ren nach Van-der-Waals oder das Verfahren des Elektronenstrahlschmelzschweißens ebenfalls benutzt werden. Allerdings hat in Fällen, wo der Halter 2a aus einem Isolierstoff wie Siliziumnitrid gebaut wird, der Halter 2a keine Leitfähigkeit. In solchen Fällen sind daher das Übertragungsverfahren, das die Van-der-Waals-Anziehungskraft benutzt, oder das Verfahren des Elektronenstrahlschweißens das optimale Verfahren. In Fällen wo das Verfahren des Elektroschmelzschweißens nicht an einem Isolierstoff angewendet werden kann, kann der folgende Ablauf benutzt werden: eine Elektrode wird von einer leitfähigen Substanz auf der Oberfläche des CNT-Halters 2a oder der Blattfeder 2b gebildet. Ein Elektrodenfilm wird mittels, zum Beispiel, Metallaufdampfung usw. gebildet. Eine Spannung wird an diesen Film angelegt, was dazu führt, dass ein elektrischer Strom fließt, die Schmelzschweißerscheinung tritt auf und ein Sensor wird dadurch erzeugt.
AUSFÜHRUNGSFORM 6
[AFM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH BESCHICHTUNGSFILM UND SCHMELZSCHWEISSEN]
In Fällen wo ein einzelnes Nanoröhrchen 24 als Sensornadel benutzt wird und die Abschlussspitze 24a des Nanoröhrchens lang und schlank ist, kann es vorkommen, dass Resonanz derart auftritt, dass die Abschlussspitze vibriert und dadurch einen Abfall in der Auflösung verursacht. Um eine solche Resonanz zu unterdrücken, gibt es ein Verfahren, bei dem auf bestimmten Bereichen ein Beschichtungsfilm gebildet wird. Wie aus 22 deutlich wird, wird, wenn ein Beschichtungsfilm 30 auf der Fußseite der Abschlussspitze 24a gebildet wird, dieser Teilbereich derart dicker, dass Resonanz dazu neigt, nicht aufzutreten. Dieser Beschichtungsbereich kann frei festgelegt werden; dementsprechend kann ein Beschichtungsfilm 29, der bis zum Abschlussstück 24b reicht, gebildet werden. Dieser Beschichtungsfilm hat den Effekt, das obengenannte Nanoröhrchen anzudrücken. Daher verstärkt der Beschichtungsfilm, zusammen mit dem schmelzgeschweißten Teil 24d, die Befestigung des Nanoröhrchen 24 an dem Halter 2a. Die Dicke der Beschichtungsfilme 29 und 30 kann abhängig von dem Fall verändert werden.
Als nächstes werden Verfahren zum Bilden der Beschichtungsfilme 29 und 30 beschrieben. Bei einem Verfahren, wie oben beschrieben, wenn das Abschlussstück 24b und das Zwischenstück 24c mit einem Elektronenstrahl bestrahlt werden, schmelzen nicht nur diese Teilbereiche, sondern es werden Kohlenstoffsubstanzen, die im Innern der Kammer 27 des Elektronenmikroskops schweben, in der Nähe des Abschlussstücks derart abgelagert, dass ein Kohlenstofffilm gebildet wird. Dieser Kohlenstofffilm kann als Beschichtungsfilm benutzt werden. In einem weiteren Verfahren wird eine Spurenmenge eines reaktionsfähigen Beschichtungsgases in die Kammer 27 des Elektronenmikroskops 27 eingeführt und dieses Gas wird durch einen Elektronenstrahl derart abgebaut, dass ein Beschichtungsfilm der gewünschten Substanz gebildet wird. Außerdem können allgemeine Beschichtungsverfahren ebenfalls eingesetzt werden. Zum Beispiel können die CVD (auch chemische Gasphasenabscheidung genannt) oder die PVD (auch physikalische Gasphasenabscheidung genannt) ähnlich genutzt werden. Auf Einzelheiten dieser Verfahren wurde hier verzichtet.
Es ist ebenfalls möglich ein NT-Bündel 25 schmelzzuverschweißen anstatt ein einzelnes Nanoröhrchen 24 schmelzzuverschweißen. Wenn mehrere Nanoröhrchen 24, eines nach dem anderen, schmelzverschweißt werden, kann derselbe Effekt wie beim Schmelzschweißen eines NT-Bündels erreicht werden. In Fällen wo ein solches Schmelzschweißen aufeinanderfolgend ausgeführt wird, kann das einzelne Nanoröhrchen beliebig angepasst und schmelzverschweißt werden. Dementsprechend kann ein stabiler, hoch auflösender Sensor erreicht werden, wobei ein Nanoröhrchen, das am weitesten hervorsteht, als die Sensornadel wirkt, während die umliegenden Nanoröhrchen Resonanz der Sensornadel als Ganzes unterdrücken.
AUSFOHRUNGSFORM 7
[STM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH SCHMELZSCHWEISSEN]
23 ist eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teilbereichs eines Rastertunnelmikroskops. Die Abschlussspitze 24a eines Nanoröhrchens 24 wurde veranlasst hervorzustehen und dieser Teilbereich wirkt als Sensornadel.
Das Abschlussstück 24b bildet ein schmelzgeschweißtes Teil 24d und ist an den Halter 2a schmelzgeschweißt. Dieser Sensor wird leicht verstanden werden, wenn er mit dem in 1 gezeigten Sensor verglichen wird. Ein Metall wie etwa Wolfram oder eine Platin-Iridium-Legierung usw. kann als Material für den Halter 2a benutzt werden. Die Tätigkeiten und Wirkungen dieses Sensors sind denen der Ausführungsform 5 ähnlich. Dementsprechend wurde auf Einzelheiten davon verzichtet.
AUSFÜHRUNGSFORM 8
[STM-SENSOR, BEFESTIGT DURCH BESCHICHTUNGSFILM UND, SCHMELZSCHWEISSEN]
24 zeigt einen Sensor 2, wobei ein Beschichtungsfilm 30 auf dem Zwischenstück 24c des Nanoröhrchens gebildet ist. Dieser Beschichtungsfilm 30 wird aufgebracht, um Vibrationen der Sensornadel zu verhindern. Wie in 22 kann ein Beschichtungsfilm 29, der das schmelzverschweißte Teil 24d abdeckt, gebildet werden. Da die Tätigkeiten und Wirkungen dieses Sensors denen der Ausführungsform 7 ähnlich sind, wird auf Einzelheiten verzichtet.
BEISPIEL
[MAGNETSENSOR, BEFESTIGT DURCH SCHMELZSCHWEISSEN]
Ein Sensor, ähnlich dem in 23 gezeigten, kann als Eingabe-Ausgabe-Sensor für ein Magnetplattenlaufwerk benutzt werden. In diesem Falle werden Eisenatome in die Abschlussspitze des Nanoröhrchens derart eingeschlossen, dass das Nanoröhrchen mit einer magnetischen Wirkung ausgestattet ist. Da ein Nanoröhrchen eine röhrenförmige Struktur aufweist, können verschiedene Arten von Atomen im Innern der Röhre enthalten sein. Als ein Beispiel können ferromagnetische Elemente in dem Röhrchen derart enthalten sein, dass das Nanoröhrchen mit einer magnetischen Empfindlichkeit ausgestattet ist. Selbstverständlich können ferromagnetische Atome, neben den Eisenatomen, ebenfalls benutzt werden. Da der Krümmungsradius der Abschlussspitze eines Nanoröhrchens außerordentlich klein ist, d.h. in einem Bereich, der von 1 nm bis zu Zehnfachen von Nanometern reicht, kann die Eingabe und Ausgabe von aufgezeichneten Daten bei einer hohen Dichte auf außerordentlich kleinem Raum mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie obenstehend ausführlich beschrieben, betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor zur Oberflächensignalsteuerung eines elektronischen Gerätes, das ein Nanoröhrchen, einen Halter, der dieses Nanoröhrchen festhält und ein Befestigungsmittel umfasst, welches das Abschlussstück des Nanoröhrchens an der Oberfläche des Halters derart befestigt, dass die Abschlussspitze des Nanoröhrchens derart hervorsteht, dass die Abschlussspitze des Nanoröhrchens als Sensornadel benutzt wird; und sie betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung desselben. Da ein Nanoröhrchen daher als Sensornadel benutzt wird, ist der Krümmungsradius der Abschlussspitze klein. Dementsprechend können durch Benutzen dieser Sensornadel in einem Rastersondenmikroskop hoch auflösende Bilder von Oberflächenatomen aufgenommen werden. Wenn diese Sensornadel als Sensornadel eines informationsverarbeitenden Geräts benutzt wird, kann die Eingabe und Ausgabe mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
Da Nanoröhrchen eine außerordentlich hohe Steifigkeit und Biegeelastizität aufweisen, tritt keine Beschädigung an Nanoröhrchen auf, selbst wenn sie mit benachbarten Objekten in Berührung kommen sollten. Ferner sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen in großen Mengen in den kathodischen Ablagerungen von Lichtbogenentladungen vorhanden, und andere BNC-Nanoröhrchen und BN-Nanoröhrchen können leicht durch ähnliche Verfahren hergestellt werden. Dementsprechend sind die Kosten der Rohmaterialien außerordentlich niedrig. Mit dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung können Sensoren kostengünstig massenproduziert werden, und regen dadurch Forschungs- und Wirtschaftsaktivitäten an. Insbesondere können STM- und AFM-Sensoren mit langer Nutzungsdauer, die notwendig zur Erzeugung von neuen Substanzen ist, kostengünstig und in großen Mengen bereitgestellt werden. Dadurch kann die vorliegende Erfindung zur Förderung von technischer Entwicklung beitragen.

Claims

Nanotube-Sensor, wobei der Sensor umfasst ein Nanoröhrchen (24) mit einem Durchmesser im Nanometerbereich, einen Halter (2a), der das Nanoröhrchen (24) hält, und einen Kohlenstofffilm (29), der ein unteres Abschlussstück (24b) des Nanoröhrchens (24) an einer Fläche des Halters befestigt, indem er einen bestimmten Bereich des Abschlussstücks (24b) bedeckt, wobei eine Abschlussspitze (24a) des Nanoröhrchens (24) gezwungenermaßen hervorsteht, und wobei die Abschlussspitze (24a) eine Sensornadel ist.
Nanotube-Sensor nach Anspruch 1, wobei eine Verstärkungsbeschichtung (30) auf einem Zwischenstück (24c) der Abschlussspitze (24a) nahe des Abschlussstücks (24b) des Nanoröhrchens (24) aufgebracht ist.
Nanotube-Sensor, wobei der Sensor umfasst ein Nanoröhrchen (24) mit einem Durchmesser im Nanometerbereich, einen Halter (2a), der das Nanoröhrchen (24) hält, und ein schmelzgeschweißtes Teil (24d), das ein Abschlussstück (24b) des Nanoröhrchens (24) an einer Fläche des Halters befestigt mittels Schmelzschweißen des Abschlussstücks (24b) des Nanoröhrchens (24) an den Halter (2a), wobei eine Abschlussspitze (24a) des Nanoröhrchens (24) gezwungenermaßen hervorsteht, und wobei die Abschlussspitze (24a) eine Sensornadel ist.
Verfahren zur Herstellung eines Nanotube-Sensors, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Nanoröhrchens (24) und eines Halters (2a) für das Nanoröhrchen (24) b) Anbringen eines Abschlussstücks (24b) des Nanoröhrchens (24) an den Halter (2a) c) Bestrahlen des Abschlussstücks (24b) mit einem Elektronenstrahl, sodass ein Kohlenstofffilm (29) auf dem Abschlussstück (24b) und dem Halter (2a) gebildet wird, wobei die genannten Schritte unter Echtzeitbeobachtung in einem Elektronenmikroskop durchgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Nanotube-Sensors nach Anspruch 4, wobei ein organisches Gas in dem Elektronenmikroskop bereitgestellt wird und das Gas von dem Elektronenstrahl gespalten wird, um den Kohlenstofffilm (29) zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Nanotube-Sensors, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Nanoröhrchens (24) und eines Halters (2a) für das Nano röhrchen (24) b) Anbringen eines Abschlussstücks (24b) des Nanoröhrchens (24) an den Halter (2a) c) Verbinden des Abschlussstücks (24b) mit dem Halter (2a) mittels Schmelzschweißen, wobei die genannten Schritte unter Echtzeitbeobachtung in einem Elektronenmikroskop durchgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Nanotube-Sensors nach Anspruch 6, wobei das Schmelzschweißen mittels Elektronenstrahl-Schmelzschweißen durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Nanotube-Sensors nach Anspruch 6, wobei das Schmelzschweißen mittels Elektro-Schmelzschweißen durchgeführt wird.