專利名稱：碳納米管制造裝置和碳納米管制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及碳納米管制造裝置和碳納米管制造方法。
背景技術：
近年來，碳納米管作為FED(Field Emission Display場發(fā)射顯示器)電極、電容器電極、電池電極等各種電極材料以及吸藏氫氣功能材料等而受到很大關注。
特別是，在導電性襯底上豎立配置碳納米管時，碳納米管由于其直徑極其之小，所以隨著外加電場而使電場集中于其頂端，電子被拉到碳納米管的頂端部，容易從該頂端部發(fā)射電子。進而，如果導電性襯底的電阻很小，就容易供應隨發(fā)射而造成缺少的電子并增加電子發(fā)射量，電子發(fā)射將容易持續(xù)進行。
現(xiàn)在，就在襯底上邊垂直地取向生長碳納米管的方法來說，大家都知道通過將表面上蒸鍍了鐵系催化劑的硅襯底浸漬到甲醇、乙醇等醇溶液內的狀態(tài)下加熱，析出生長高取向性碳納米管的方法(例如，參照專利文獻特開2003-12312號公報)。
可是，上述專利文獻的情況下，為了在硅襯底浸入醇溶液內的狀態(tài)下，把硅襯底加熱到約900℃下合成生長碳納米管，需要將醇溶液的溫度保持在沸點以下。特別是由于大量使用醇溶液，所以為了防止氣化了的乙醇與空氣混合而引起爆炸、著火，對于碳納米管合成裝置的維護、管理必須予以注意。根據硅襯底表面上的溫度梯度，控制碳納米管生長方向，因而為了使其取向性生長良好，需要適當進行其溫度管理。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供更容易維護管理，制造取向性良好碳納米管的碳納米管制造裝置和碳納米管制造方法。
為了解決上述課題，本發(fā)明的碳納米管制造裝置是備有在生長襯底(50、55)上大體垂直地生長多個碳納米管4的取向生長裝置(例如，取向生長裝置300)的碳納米管制造裝置(1000、2000)中，其特征是要構成上述取向生長裝置具備使規(guī)定含碳化合物的氣化氣體離化的離化裝置(例如，負離子發(fā)生器10)，發(fā)生電場的電場發(fā)生裝置(例如，電場發(fā)生器20)，以及加熱配置在用上述電場發(fā)生裝置發(fā)生的電場內的上述生長襯底的加熱裝置(例如，高頻加熱器30)；通過用上述離化裝置使帶負電荷的上述含碳化合物的氣化氣體通過用上述電場發(fā)生裝置發(fā)生的電場內，使上述含碳化合物的氣化氣體與上述生長襯底接觸。
按照本發(fā)明的碳納米管制造裝置，碳納米管制造裝置采取使得用離化裝置離化后的規(guī)定含碳化合物的氣化氣體通過用電場發(fā)生裝置發(fā)生的電場內的措施，讓該含碳化合物的氣化氣體與生長襯底接觸。這時，因為用加熱裝置加熱了生長襯底，所以與生長襯底接觸的含碳化合物的氣化氣體由于該熱而提高反應性能，熱分解為水、氫和碳，由該碳形成碳納米管。而且，形成的碳納米管由于電場作用而沿著電場方向取向生長，因此能夠制造取向性良好的碳納米管。
所以，比起把硅襯底浸漬在現(xiàn)有醇溶液內形成碳納米管來更容易維護管理，能夠制造取向性良好的碳納米管。
在本發(fā)明的碳納米管制造裝置中，上述生長襯底理想的是在有硅或硅化合物的硅層(例如，硅膜2、硅襯底(5)表面上形成了催化劑膜(3)的襯底。生長襯底只要是在有硅或硅化合物的硅層表面上形成了催化劑膜的襯底，都適合取向生長碳納米管。
這里，硅或硅化合物是適合生長碳納米管的材料，所以也能適合生長碳納米管。另外，就構成硅層的材料來說，有硅(Si)和硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所謂催化劑膜就是取向生長碳納米管時必要的物質，促進其生長的物質。就催化劑膜來說，可以使用鐵、氧化鐵、鈷、鎳等材料。
并且，在本發(fā)明的碳納米管制造裝置中，上述離化裝置具備負離子發(fā)生器(10)，借助于上述離化裝置給上述含碳化合物的氣化氣體提供電子，使得上述含碳化合物的氣化氣體帶負電荷也行。離化裝置是負離子發(fā)生器的話，就可以用負離子發(fā)生器給含碳化合物的氣化氣體提供電子，使含碳化合物的氣化氣體帶負電荷，所以能夠更可靠地使含碳化合物的氣化氣體離化、帶負電荷。
并且，在本發(fā)明的碳納米管制造裝置中，也可以具備在規(guī)定的金屬襯底(1)表面上形成生長膜(例如，硅膜2)，在上述生長膜表面上形成催化劑膜(3)而形成上述生長襯底的生長襯底形成裝置(例如，生長膜形成裝置100和催化劑膜形成裝置200)；用上述取向生長裝置取向生長碳納米管后，除去上述生長膜的生長膜除去裝置(例如，生長膜除去裝置400)；使上述金屬襯底熔解，將在上述金屬襯底表面上配設的上述碳納米管的一端部(4a)埋設在上述金屬襯底內，而后，使上述金屬襯底固化的襯底形成裝置(例如，襯底形成裝置500)。
在碳納米管制造裝置中，用生長襯底形成裝置在規(guī)定金屬襯底表面上形成生長膜，同時在該生長膜表面上形成催化劑膜而形成生長襯底，用取向生長裝置的取向生長碳納米管后，用生長膜除去裝置除去生長膜，用襯底形成裝置熔解金屬襯底，把配設于金屬襯底表面的碳納米管的一端部埋設在該金屬襯底內，而后，通過使該金屬襯底固化，就能制造取向性良好的碳納米管。
即，制成的多個碳納米管由于其一端部埋設在金屬襯底內而與金屬襯底表面大體垂直地嵌入著，因而幾乎全部碳納米管都是沿其長度方向取向性良好地大致平行排列。
在這里，所謂金屬襯底是由例如，銅、鋁、鉻、不銹鋼等金屬構成的襯底。
所謂生長膜是由適合生長碳納米管的材料構成的薄膜。另外，就適合生長碳納米管的材料來說，有硅(Si)和硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
通過這樣取向性良好地排列的多個碳納米管，就能夠對幾乎全部碳納米管長度方向施加電場，由于電場集中在碳納米管的頂端，使電子局部地集中那里，所以能夠高效率地發(fā)射電子。而且，電阻值會降低，電流流動容易了，能提高電子發(fā)射效率。
并且，碳納米管的一端部埋設在金屬襯底內，所以碳納米管就固定在金屬襯底的內部，增加了碳納米管與金屬襯底之間的固定力，減少碳納米管撥出來的可能性，提高了耐久性。
并且，在本發(fā)明的碳納米管制造裝置中，也可以具備在硅襯底(5)的表面上形成催化劑膜(3)后再形成上述生長襯底的生長襯底形成裝置(例如，催化劑膜形成裝置200)；用所述取向生長裝置取向生長碳納米管后，在熔解了的金屬內插入所述碳納米管頂端部(4b)，而后，使所述金屬固化而形成金屬襯底(1A)的金屬襯底形成裝置(例如，碳納米管嵌入裝置550)；以及從上述硅襯底上分離上述碳納米管的分離裝置(例如，襯底分離裝置600)。
碳納米管制造裝置通過用生長襯底形成裝置在硅襯底表面上形成催化劑膜再形成生長襯底，用取向生長裝置的取向生長碳納米管后，用金屬襯底形成裝置將碳納米管頂端部插入到熔解了的金屬內，而后使該金屬固化并形成金屬襯底，用分離裝置從硅襯底上分離碳納米管，就能夠制造取向性良好的碳納米管。
即，制成的多個碳納米管由于其頂端部埋設在金屬襯底內而與金屬襯底表面大體垂直嵌入著，所以幾乎全部碳納米管都是在其長度方向取向性良好地大致平行排列。
這里，所謂硅襯底是由適合生長碳納米管的硅材料構成的襯底。另外，就適合生長碳納米管的硅材料來說，有硅(Si)和硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
構成金屬襯底的金屬是例如，銅、鋁、鉻、不銹鋼等。
碳納米管的頂端部由于埋設在金屬襯底內，因而碳納米管就是被固定在金屬襯底內部，增加了碳納米管與金屬襯底之間的固定力，減少碳納米管撥下來的可能性，提高耐久性。
采用將硅襯底上取向生長的碳納米管移植到金屬襯底上的辦法，就可能再次利用硅襯底，所以成了能夠多次傳遞使用高價的硅襯底，可降低制造成本。
并且，本發(fā)明的第一方案的碳納米管制造方法，其特征在于具備在規(guī)定的金屬襯底表面上形成生長膜的生長膜形成工序(例如，生長膜形成裝置100、步驟S102)；在通過上述生長膜形成工序形成的上述生長膜表面上形成由規(guī)定催化劑構成的催化劑膜的催化劑膜形成工序(例如，催化劑膜形成裝置200、步驟S103)；使構成通過上述催化劑膜形成工序形成的上述催化劑膜的上述催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體催化反應，介以上述生長膜而在上述金屬襯底表面大致垂直地取向生長多個碳納米管的取向生長工序(例如，取向生長裝置300、步驟S104)；除去上述生長膜，在上述金屬襯底表面上配設通過所述取向生長工序取向生長上述碳納米管的生長膜除去工序(例如，生長膜除去裝置400、步驟S105)；以及熔解上述金屬襯底，把在上述金屬襯底表面上配設的上述碳納米管一端部埋設在上述金屬襯底上，而后使上述金屬襯底固化的襯底形成工序(例如，襯底形成裝置500、步驟S106)。
按照本發(fā)明第一方案的碳納米管制造方法，采用通過碳納米管制造方法的生長膜形成工序在規(guī)定金屬襯底表面上形成生長膜，通過催化劑膜形成工序在生長膜表面上形成催化劑膜，使通過取向生長工序構成催化劑膜的催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體進行催化反應，介以生長膜而在金屬襯底表面上大致垂直地取向生長多個碳納米管，通過生長膜除去工序除去生長膜并在金屬襯底表面上配設碳納米管，通過襯底形成工序把碳納米管的一端部埋設在熔解了的金屬襯底內，而后使金屬襯底固化的辦法，就能夠制造取向性良好的碳納米管。
即，使構成催化劑膜的催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體進行催化反應，在金屬襯底表面上大致垂直地取向生長多個碳納米管，就能制造碳納米管，所以比起把襯底浸漬到現(xiàn)有醇溶液內形成碳納米管來更容易維護管理，可制造取向性良好的碳納米管。
制成的多個碳納米管因為其一端部埋設在金屬襯底內而且大致垂直地嵌入在金屬襯底表面，所以幾乎全部碳納米管都是沿著其長度方向取向性良好地大體平行排列。
在這里，所謂生長膜是由適合生長碳納米管的材料構成的薄膜。就適合生長碳納米管的材料來說，有硅(Si)或硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所謂催化劑膜是碳納米管取向生長時必要的物質，促進其生長的物質。就催化劑膜來說，可用鐵、氧化鐵、鈷、鎳等材料。
由于這樣取向性良好地排列了多個碳納米管，就能夠對幾乎全部的碳納米管長度方向施加電場，使電場集中于碳納米管的頂端，電子局部地集中那里，所以能夠高效率地發(fā)射電子。即，電阻值降低，電流變得容易流動了，會提高電子的發(fā)射效率。
碳納米管的一端部埋設在金屬襯底內，所以碳納米管就固定在金屬襯底的內部，增加了碳納米管與金屬襯底之間的固定力，減少碳納米管撥下來的可能性，提高耐久性。
并且，本發(fā)明的第二方案碳納米管制造方法，其特征在于具備在規(guī)定的生長襯底表面上形成由規(guī)定催化劑構成的催化劑膜的催化劑膜形成工序(例如，催化劑膜形成裝置200、步驟S202)；使通過上述催化劑膜形成工序形成了構成上述催化劑膜的上述催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體催化反應，在上述生長襯底表面上大體垂直地取向生長多個碳納米管的取向生長工序(例如，取向生長裝置300、步驟S203)；熔解規(guī)定的金屬襯底，向熔解了的上述金屬襯底內插入通過上述取向生長工序取向生長的上述碳納米管頂端部，而后，使上述金屬襯底固化的碳納米管嵌入工序(例如，襯底生長裝置(碳納米管嵌入裝置550)、步驟S204)；以及從上述生長襯底上分離上述碳納米管的襯底分離工序(例如，襯底隔離裝置600、步驟S205)。
按照本發(fā)明第二方案的碳納米管制造方法，采用通過碳納米管制造方法的催化劑膜形成工序在規(guī)定生長膜表面上形成催化劑膜，使通過取向生長工序構成催化劑膜的催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體進行催化反應，介以生長膜而在金屬襯底表面上大致垂直地取向生長多個碳納米管，通過襯底形成工序在熔解了的金屬襯底上插入碳納米管的頂端部，而后，使金屬襯底固化，通過襯底分離工序從生長襯底上分離碳納米管的辦法，就能夠制造取向性良好的碳納米管。
即，使構成催化劑膜的催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體進行催化反應，在生長襯底表面上大致垂直地取向生長多個碳納米管，就能制造碳納米管，所以比起把襯底浸漬到現(xiàn)有醇溶液內形成碳納米管來更容易維護管理，可制造取向性良好的碳納米管。
制成的多個碳納米管因為其頂端部埋設金屬襯底內而且大致垂直地嵌入在金屬襯底表面，所以幾乎全部碳納米管都是沿著其長度方向取向性良好地大體平行排列。
在這里，所謂生長襯底是由適合生長碳納米管的材料構成的襯底。就適合生長碳納米管的材料來說，有硅(Si)或硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所謂催化劑膜是碳納米管取向生長時必要的物質，促進其生長的物質。就催化劑膜來說，可用鐵、氧化鐵、鈷、鎳等材料。
由于這樣取向性良好地排列了多個碳納米管，就能夠對幾乎全部的碳納米管長度方向施加電場，使電場集中于碳納米管的頂端，電子局部地集中那里，所以能夠高效率地發(fā)射電子。即，電阻值降低，電流變得容易流動了，會提高電子的發(fā)射效率。
碳納米管的頂端部埋設在金屬襯底內，所以碳納米管就固定在金屬襯底的內部，增加了碳納米管與金屬襯底之間的固定力，減少碳納米管撥下來的可能性，提高耐久性。
通過將硅襯底上取向生長的碳納米管移植到金屬襯底上就能再次利用生長襯底，所以成了能夠多次傳遞使用由高價硅構成的生長襯底，會降低制造成本。
并且，本發(fā)明的第三方案碳納米管制造方法，其特征在于具備在規(guī)定的生長襯底表面上形成由規(guī)定催化劑構成催化劑膜的催化劑膜形成工序(例如，催化劑膜形成裝置200、步驟S302)；使通過上述催化劑膜形成工序形成了構成上述催化劑膜的上述催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體催化反應，在上述生長襯底表面上大體垂直地取向生長多個碳納米管的取向生長工序(例如，取向生長裝置300、步驟S303)；在通過上述取向生長工序取向生長成的上述碳納米管頂端部側面蒸鍍規(guī)定金屬膜層的金屬膜蒸鍍工序(例如，金屬膜蒸鍍裝置700、步驟S304)；在通過金屬膜蒸鍍工序形成的金屬膜上形成規(guī)定金屬層的金屬層形成工序(例如，金屬層電鍍裝置800、步驟S305)；以及從上述生長襯底上分離上述碳納米管的襯底分離工序(例如，襯底隔離裝置600、步驟S306)。
按照本發(fā)明第三方案的碳納米管制造方法，采用通過碳納米管制造方法的催化劑膜形成工序在規(guī)定生長襯底表面上形成催化劑膜，使通過取向生長工序構成催化劑膜的催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體催化反應，介以生長膜而在金屬襯底表面大致垂直地取向生長多個碳納米管，通過金屬膜蒸鍍工序在碳納米管的頂端部側面蒸鍍規(guī)定金屬膜層，通過金屬層形成工序在金屬膜上形成規(guī)定金屬層，通過襯底分離工序從生長襯底上分離碳納米管的辦法，就能夠制造取向性良好的碳納米管。
即，使構成催化劑膜的催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體進行催化反應，在生長襯底表面上大致垂直地取向生長多個碳納米管，就能制造碳納米管，所以比起把襯底浸漬到現(xiàn)有醇溶液內形成碳納米管來更容易維護管理，可制造取向性良好的碳納米管。
制成的多個碳納米管因為其頂端部埋設在金屬襯底內而且大致垂直地嵌入在金屬襯底表面，所以幾乎全部碳納米管都是沿著其長度方向取向性良好地大體平行排列。
在這里，所謂生長襯底是由適合生長碳納米管的材料構成的襯底。就適合生長碳納米管的材料來說，有硅(Si)或硅化合物，例如碳化硅(SiC)等。
所謂催化劑膜是碳納米管取向生長時必要的物質，促進其生長的物質。就催化劑膜來說，可用鐵、氧化鐵、鈷、鎳等材料。
通過這樣取向性良好地排列了多個碳納米管，就能夠對幾乎全部的碳納米管長度方向施加電場，使電場集中于碳納米管的頂端，電子局部地集中那里，所以能夠高效率地發(fā)射電子。即，電阻值降低，電流變得容易流動了，會提高電子的發(fā)射效率。
碳納米管的頂端部埋設在金屬襯底的金屬膜內，所以碳納米管就固定在金屬襯底的內部，增加了碳納米管與金屬襯底之間的固定力，減少碳納米管撥下來的可能性，提高耐久性。
通過將硅襯底上取向生長的碳納米管移植到金屬襯底(金屬膜、金屬層)上就能再次利生長襯底，所以成了能夠多次傳遞使用由高價的硅構成的生長襯底，可降低制造成本。
并且，在本發(fā)明的碳納米管制造方法中，也可以具備在上述襯底分離工序中使從上述生長襯底上分離后的上述碳納米管取向生長的第2取向生長工序(例如，用取向生長裝置300取向生長碳納米管的圖18(b)、(d)工序)；在通過上述第2取向生長工序取向生長了的上述碳納米管側面和上述碳納米管后端部埋設的上述金屬膜表面上形成規(guī)定金屬層的第2金屬層形成工序(例如，用金屬層電鍍裝置800形成金屬層的圖18(c)、(e))；在與上述碳納米管取向生長方向交叉的方向切斷通過上述第2金屬層形成工序形成并層疊的上述金屬層，形成規(guī)定厚度切斷片的金屬層切片工序(例如，圖18(g)的工序)；以及在上述碳納米管取向生長方向除去規(guī)定量的通過上述金屬層切片工序形成的上述切斷片金屬層，露出規(guī)定量的上述碳納米管的金屬層除去工序(例如，圖18(h)、(i)的工序)。
采用通過取向生長碳納米管和重復形成金屬層等層疊形成的金屬層，通過金屬層切片工序在與碳納米管取向生長方向交叉的方向進行切斷而取得有規(guī)定厚度的切斷片，通過金屬層除去工序在碳納米管取向生長方向將該切斷片除去規(guī)定量而露出規(guī)定量的碳納米管的辦法，就能夠制造取向性良好的碳納米管。
特別是，采用襯底分離工序中以形成的配置了金屬膜(金屬層)的碳納米管為基礎進行取向生長碳納米管的辦法，不使用由高價硅等構成的生長襯底，就能制造碳納米管，可降低制造成本。
并且，在本發(fā)明的碳納米管制造方法中，上述取向生長工序具備使規(guī)定含碳化合物的氣化氣體離化的離化工序(例如，第1工序)，通過上述離化工序使電場作用于離化了的上述含碳化合物的氣化氣體的電場作用工序(例如，第2工序)，以及加熱上述金屬襯底或上述生長襯底的加熱工序(例如，第3工序)，在上述電場作用工序中，也可以是電場作用于離化了的上述含碳化合物的氣化氣體，使上述含碳化合物的氣化氣體接觸上述金屬襯底或上述生長襯底，在上述金屬襯底或生長襯底的表面上大體垂直地取向生長多個碳納米管。
在碳納米管制造方法的取向生長工序中，通過電場作用工序對通過離化工序離化后的含碳化合物的氣化氣體作用電場，讓規(guī)定含碳化合物的氣化氣體接觸通過加熱工序加熱了的金屬襯底或生長襯底，在金屬襯底或生長襯底的表面上大體垂直地取向生長多個碳納米管。
即，離化了的規(guī)定含碳化合物的氣化氣體通過借助于電場的庫倫力作用而與加熱的金屬襯底或生長襯底接觸，反應使之形成碳納米管。形成的碳納米管由于電場作用而沿著電場方向取向生長，所以能夠制造取向性良好的碳納米管。


圖1是表示有關本發(fā)明第一實施例的碳納米管制造裝置框圖。
圖2是表示有關本發(fā)明碳納米管制造裝置中的取向生長裝置典型圖。
圖3是表示有關本發(fā)明第一實施例的碳納米管制造方法的制造工序流程圖。
圖4是對應圖3的各步驟說明圖。
圖5是表示取向生長裝置中的負離子發(fā)生器典型圖。
圖6是表示取向生長裝置中的電場發(fā)生器典型圖。
圖7是表示取向生長裝置中的高頻加熱器典型圖。
圖8是取向生長碳納米管的說明圖。
圖9是表示有關本發(fā)明第二實施例的碳納米管制造裝置框圖。
圖10是表示有關本發(fā)明第二實施例的碳納米管制造方法的制造工序流程圖。
圖11是對應圖10的各步驟說明圖。
圖12是說明有關本發(fā)明第二實施例的另外實施例的碳納米管制造工序說明圖。
圖13是說明碳納米管貫通金屬襯底兩側面伸出的構件說明圖，圖13(a)伸出前的狀態(tài)，圖13(b)是伸出后的狀態(tài)。
圖14是有關利用圖13(b)的含碳納米管構件的說明圖。
圖15是表示有關本發(fā)明第三實施例的碳納米管制造裝置框圖。
圖16是表示有關本發(fā)明第三實施例的碳納米管制造方法的制造工序流程圖。
圖17是對應圖16的各步驟說明圖。
圖18是表示有關本發(fā)明第四實施例的碳納米管制造裝置框圖。
圖19是表示有關本發(fā)明第四實施例的碳納米管制造方法的制造工序流程圖。
具體實施例方式
下面，按照圖1到圖19說明本發(fā)明實施例。
圖1是表示有關本發(fā)明第1實施的碳納米管制造裝置框圖。
如圖1所示，碳納米管制造裝置1000的構成包括生長膜形成裝置100，用以在金屬襯底1表面上形成硅膜2作為生長膜的硅層；催化劑膜形成裝置200，用以在該硅膜2的表面上形成催化劑膜3；取向生長裝置300，利用催化劑膜3的催化作用，介以硅膜2在金屬襯底1上取向生長多個碳納米管4...；生長膜除去裝置400，用以除去硅膜2，在金屬襯底1的表面上配置碳納米管4...；以及襯底形成裝置500，用以熔解金屬襯底1，把配置于金屬襯底1表面的碳納米管4一端部4a埋設在金屬襯底1內，在金屬襯底1內嵌入碳納米管4...。
生長膜形成裝置100是，例如蒸鍍裝置，在金屬襯底1的表面上形成作為生長膜的硅膜2。
金屬襯底1是，例如由銅、鋁、鉻、不銹鋼等導電性物質構成的板狀構件。
用生長膜形成裝置100在金屬襯底1的表面上形成的硅膜2是，例如由n型硅蒸鍍形成厚數(shù)nm～數(shù)百nm的薄膜。
所謂該生長膜就是為適合生長后述的碳納米管4...而形成的膜。另外，就適合生長碳納米管4...的材料來說，除硅(Si)外還有碳化硅(SiC)等。
催化劑膜裝置200是，例如真空蒸鍍裝置、分子束蒸鍍(MBE)裝置、離子噴鍍裝置、離子束蒸鍍裝置、濺射裝置、電鍍裝置，在金屬襯底1表面所形成的硅膜2的表面上形成催化劑膜3，也是形成生長襯底50的裝置。
用催化劑膜裝置200形成于硅膜2表面的催化劑膜3是蒸鍍例如，鐵、氧化鐵、鈷、鎳等厚數(shù)nm～數(shù)百nm而形成的薄膜。
構成該催化劑膜3的鐵、氧化鐵、鈷、鎳等是形成后述的碳納米管4...使之取向生長時需要的物質，即促進其生長的物質。
取向生長裝置300是在生長襯底50上取向生長多個碳納米管4...的裝置，介以硅膜2在金屬襯底1上取向生長多個碳納米管4...。
取向生長裝置300，如圖2所示，具備通過連接部303連通內部空間的第1室301和第2室302，具有作為第1室301備有離化裝置的負離子發(fā)生器10、作為第2室302備有電場發(fā)生裝置的電場發(fā)生器20以及作為加熱裝置的高頻加熱器30。
負離子發(fā)生器10是由直流電源11、連接直流電源11負極的負高壓電極12、連接直流電源11正極的接地電極13構成。
負高壓電極12和接地電極13要空出規(guī)定間隔相對配置。直流電源11正極與接地電極13之間有地14。
負離子發(fā)生器10通過直流電源11供給的直流電流，由于在負高壓電極12與接地電極13之間加上直流電壓，使電子從負高壓電極12向接地電極13發(fā)射。
電場發(fā)生器20由直流電源21、連接直流電源21負極的陰極電極22和連接直流電源21正極的陽極電極23構成。
陰極電極22和陽極電極23要空出規(guī)定間隔相對配置。
電場發(fā)生器20通過直流電源21供給的直流電流，由于在陰極電極22與陽極電極23之間加上直流電壓，產生自陽極電極23上面向陰極電極22下面的電場。
并且，如后述那樣，陽極電極23兼?zhèn)溆酶哳l加熱器30加熱的加熱部功能，以磁性物質和導電性物質層疊或者混合的材料形成。
如后述那樣，陽極電極23兼?zhèn)渥鳛樵嚵吓_載置生長襯底50的功能，在陽極電極23與陰極電極22相對的面上載置生長襯底50。
高頻加熱器30由高頻電源31和連接高頻電源31的線圈32構成。
高頻加熱器30用由高頻電源31供給的交流電流，由于給線圈32加上交流電壓，使線圈32產生交變磁場，同時在線圈32周圍產生高頻電磁波。
該高頻加熱器30的線圈32在對作為電場發(fā)生器20陽極電極23下側的陰極電極22相反側，在陽極電極23下面垂直方向配置了線圈32的中心軸。配置于該位置的線圈32中發(fā)生的電磁波就照射作為加熱部的陽極電極23。
照射陽極電極23的電磁波因陽極電極23含有磁性物質，用以聚集該電磁波的磁束而使該磁束高速變化。隨著磁束高速變化而在陽極電極23含有的導電性物質中產生渦電流。因為該渦電流在陽極電極23里流動，陽極電極23里便由焦耳熱而引起發(fā)熱，使陽極電極23的溫度上升。
生長膜除去裝置400是例如蝕刻裝置，也是溶解蝕刻裝置內貯存的硅溶解液中溶解浸漬了硅成分的裝置。硅溶解液是有選擇地溶解硅的溶液。
生長膜除去裝置400通過溶解硅膜2，在金屬襯底1表面上配設硅膜2表面的碳納米管4...。
襯底形成裝置500是，例如邊加熱熔解襯底邊使熔解了的襯底冷卻固化的裝置。
襯底形成裝置500熔解金屬襯底1，使金屬襯底1表面上配設碳納米管4...的一端部4a沉入到規(guī)定深度以后，冷卻固化金屬襯底1，在金屬襯底1上嵌入碳納米管4...。
接著，說明關于碳納米管制造裝置1000的碳納米管制造方法。
圖3是表示有關本發(fā)明第1實施例的碳納米管制造方法的制造工序流程圖，圖4是對應圖3的各制造工序(步驟)的說明圖。
如圖3所示，第1實施例的碳納米管制造方法，主要由六工序(六個步驟)預備金屬襯底1的金屬襯底準備工序(步驟S101)、在金屬襯底1表面上形成硅膜2作為生長膜的生長膜形成工序(步驟S102)、在形成了硅膜2的表面上形成催化劑膜3的催化劑膜形成工序(步驟S103)、一邊取得構成形成了催化劑膜3的催化劑粒子作為核，一邊介以硅膜2在金屬襯底1表面上取向生長碳納米管4...的取向生長工序(步驟S104)、除去硅膜2后，在金屬襯底1表面上配設碳納米管4...的生長膜除去工序(步驟S105)、熔解金屬襯底1后，把已配設于金屬襯底1表面的碳納米管4...的一端部4a埋設在該熔解后的金屬襯底1內，而后使該金屬襯底1固化的襯底形成工序(步驟S106)而構成。
在步驟S101的金屬襯底準備工序，如圖4(a)所示，是進行形成碳納米管4...的準備金屬襯底1的工序。
在步驟S102的生長膜形成工序，如圖4(b)所示，是用生長膜形成裝置100在金屬襯底1表面上形成硅膜2作為生長膜的工序。
在步驟S103的催化劑膜形成工序，如圖4(c)所示，是用催化劑膜形成裝置200在硅膜2表面上再形成催化劑膜3的工序。因此形成生長襯底50。
在步驟S104的催化劑膜形成工序，如圖4(d)所示，是用取向生長裝置300在硅膜2表面上取向生長碳納米管4...的工序。
另外，碳納米管4...是一邊取得構成催化劑膜3的物質粒子作為核一邊生長。
在這里，將詳細說明關于取向生長裝置300的取向生長工序(S104)。
取向生長工序主要由使形成碳納米管用原料的規(guī)定含碳化合物的氣化氣體(蒸氣)帶負電荷，將該氣化氣體負離子化的第1工序、將帶負電荷的含碳化合物的氣化氣體供給加上了電場的陽極電極23與陰極電極22之間的第2工序、以及帶負電荷的含碳化合物的氣化氣體作用于陽極電極23上載置的生長襯底50，取向生長碳納米管4...的第3工序而構成。
所謂形成碳納米管用原料的規(guī)定含碳化合物是，例如含碳(C)的有機物，可以使用例如，甲醇、乙醇、1-丁醇、1-辛醇等。本實施例中，就規(guī)定的含碳化合物(有機物)來說，說明有關使用了甲醇的例子。
首先，在作為試料臺的電場發(fā)生器20陽極電極23上面，載置步驟S103的催化劑膜形成工序中形成了催化劑膜3的金屬襯底1(生長襯底50)。
用真空泵抽出圖2所示取向生長裝置300的第1室301、第2室302和連接部303內的空氣，同時向第1室301、第2室302和連接部303內供應惰性氣體(氬等)，以惰性氣體充滿裝置內進行氣體置換。
其次，通過加熱和抽到高真空，將圖未示出的原料罐貯存的甲醇氣化后的氣化氣體即甲醇蒸氣M...送入第1室301。
送入第1室301的甲醇蒸氣M...，如圖5所示，通過負離子發(fā)生器10的負高壓電極12與接地電極13之間。甲醇蒸氣M...通過負高壓電極12與接地電極13之間時，由于負高壓電極12發(fā)射的電子轟擊甲醇蒸氣M...，使甲醇蒸氣M...帶負電荷而變成甲醇離子Mi...在這里，將帶有負電荷的甲醇離子Mi...拉向接地電極13，然后借助于送入的甲醇蒸氣M...以壓出的方式從第1室301送出。這個工序是第1工序。
甲醇離子Mi...經過連接部303被送往第2室302。
接著，如圖6所示，送入了第2室302的甲醇離子Mi...被送往電場發(fā)生器20的陰極電極22與陽極電極23之間。這時，電場發(fā)生器20施加從陽極電極23到陰極電極22的電場(圖6中箭頭A方向的電場)。這個工序是第2工序。
如圖7所示，依靠高頻加熱器30輸出的高頻電磁波，在陽極電極23里產生渦電流，加熱陽極電極23升到高溫(例如，600℃～1200℃)。通過陽極電極23加熱陽極電極23上面載置的生長襯底50也同樣使之升到高溫。
送到電場發(fā)生器20的陰極電極22與陽極電極23之間的甲醇離子Mi...由于帶有負電荷，因而受到從陽極電極23向陰極電極22的電場作用即庫倫力而被拉向陽極電極23一側。而且，一直拉到陽極電極23上載置生長襯底50的甲醇離子Mi...就與生長襯底50的金屬襯底1上所形成的催化劑膜3接觸。生長襯底50的金屬襯底1和催化劑膜3通過陽極電極23用高頻加熱器30加熱到高溫(例如，600℃～1200℃)，因而甲醇離子Mi...在生長襯底50(催化劑膜3)上熱分解。進行該熱分解的反應時間約30分鐘是可取的，更可取的反應時間為30分鐘以上。如圖8所示，甲醇離子Mi...中含有的碳留在生長襯底50的金屬襯底1(催化劑膜3)上，由于熱分解而產生的水(H2O)和氫(H2)則排出裝置外(第2室302)。
另外，按照形成碳納米管4...的反應速度輸送甲醇離子Mi...供生長襯底50表面上進行熱分解，這是反應效率方面適宜的條件。這樣以來就沒有供應多于需要量甲醇離子Mi...的情況，在裝置維護管理的安全方面是可取的。
通過重復該甲醇離子Mi...的熱分解，在生長襯底50的金屬襯底1(催化劑膜3)上累積了碳。累積的碳一邊取得構成催化劑膜3的鐵等粒子作為催化劑一邊形成碳納米管4...。這個工序就是第3工序。
為了使碳與催化劑發(fā)生化學反應，需要提高最外層電子具有的能量，因而需要在這樣的高溫下進行反應(碳納米管形成工序)。
生長襯底50上形成碳納米管4...的硅膜2因為通過陽極電極23用直流電源21帶有正電荷，所以碳納米管4...也就帶有正電荷。由于在陰極電極22與陽極電極23之間施加從陽極電極23到陰極電極22的電場(圖6、圖8中箭頭方向的電場)，因而將碳納米管4...的頂端部4b拉近陰極電極22的一側上方。受該電場的作用，邊形成生長碳納米管4...邊向上方牽引其頂端部4b。因此，碳納米管4...從生長襯底50開始沿大體垂直方向取向生長。這時，碳納米管4...一面取得構成催化劑膜3的催化劑粒子一面生長。
另外，碳納米管4...雖然沿著從陽極電極23到陰極電極22的電場方向取向生長，但是如果與該電場垂直地載置生長襯底50，碳納米管4...就從生長襯底50的金屬襯底1開始沿垂直方向取向生長。
這樣，在步驟S104，碳納米管4...便在生長襯底50的金屬襯底1上取向生長。
在步驟S105的生長膜除去工序是，如圖4(e)所示，用生長膜除去裝置400除去作為生長膜的硅膜2的工序。
隨著硅膜2用生長膜除去裝置400內貯存的硅溶解液溶解而被除去，介以硅膜2在金屬襯底1上形成了的碳納米管4...就配設在金屬襯底1的表面上。
用這種硅溶解液通過充分地溶解硅膜2，讓硅膜2上的碳納米管4...慢慢地降落配設在金屬襯底1上邊，所以一面維持取向生長的形狀一面在金屬襯底1表面上配設碳納米管4...。
在步驟S106的形成工序是，如圖4(f)所示，用襯底形成裝置500把金屬襯底1表面上配設了碳納米管4...的一端部4a埋設在金屬襯底1內，在金屬襯底1上嵌入碳納米管4...的工序。
金屬襯底1由例如銅(Cu)構成時，用襯底形成裝置500把金屬襯底1加熱到熔點(約1084℃)以上予以熔解，要埋設金屬襯底1表面上配設了碳納米管4...的一端部4a使其沉入到規(guī)定的深度。接著，用襯底形成裝置500冷卻金屬襯底1，使金屬襯底1固化來嵌入碳納米管4...以便固定在金屬襯底1上。
這樣，金屬襯底1上嵌入的碳納米管4...是，例如，直徑為數(shù)nm～數(shù)十nm，長度為1μm～數(shù)十μm，形成了100萬～100億根/mm2左右。
這樣，按照使用本發(fā)明的碳納米管制造裝置1000的碳納米管制造方法，通過用負離子發(fā)生器10使甲醇蒸氣M...帶負電荷的甲醇離子Mi...在電場中安置的生長襯底50表面熱分解，就能在生長襯底50的金屬襯底1表面上制造、形成取向生長碳納米管4...。而且，可以在金屬襯底1上取向性良好地配設碳納米管4...。
按照本發(fā)明，由于在電場中形成碳納米管，就很容易生長取向良好的碳納米管。
作為碳納米管4...原料的甲醇貯藏在圖未示出的原料罐內，進行熱分解形成碳納米管4...需要部分的甲醇離子Mi...由于送到加熱到高溫的陽極電極23和生長襯底50上，所以在防止供應多余的甲醇爆炸、著火方面，容易進行裝置的維護管理。特別是，由于將裝置內的氣體置換成惰性氣體，因而甲醇不會與空氣(氧氣)混合，就更安全了。
按照形成碳納米管4...的反應速度輸送生長襯底50表面上熱分解的甲醇離子Mi...，因而能夠生長效率很好地制造碳納米管4...。
這樣制成的碳納米管4...因其一端部4a埋設在金屬襯底1內，大體垂直地嵌入在金屬襯底1表面，所以碳納米管4...成了在其長度方向取向良好大致平行排列。由于這樣取向性良好地排列多個碳納米管4...，就能夠對幾乎全部碳納米管4...的長度方向施加電場，使電場集中于碳納米管4...的頂端，電場局部地集中那里，因而能高效率地發(fā)射電子，電阻值降低，電流變得容易流動了，可提高電子發(fā)射效率。即，碳納米管4...適用于進行電子發(fā)射的電子發(fā)射電極等方面。
接著，說明本發(fā)明的第2實施例。另外，對于與第1實施例同一部分附加同一標號，并且僅說明有關不同的部分。
圖9是表示本發(fā)明第2實施例的碳納米管制造裝置框圖。
如圖9所示，碳納米管制造裝置2000是由在作為硅層的硅襯底5表面上形成催化劑膜3而形成生長襯底55的催化劑膜形成裝置200、利用催化劑膜3的催化作用，在生長襯底55(硅襯底5)上取向生長多個碳納米管4...的取向生長裝置300、把生長襯底55(硅襯底5)表面上取向生長了碳納米管4...的頂端部4b插入熔解后的金屬襯底1A內，在金屬襯底1A上嵌入碳納米管4...的襯底形成裝置550、以及從硅襯底5上分離碳納米管4...的襯底分離裝置600等而構成。
襯底形成裝置550是，邊加熱熔解金屬襯底1A邊冷卻固化熔解了的金屬襯底1A的裝置，同時把硅襯底5表面上生長了碳納米管4...的頂端部4b埋設在熔解了的金屬襯底1A內，在金屬襯底1A上嵌入碳納米管4...的裝置。
襯底分離裝置600是從硅襯底5上分離碳納米管4...的裝置，也是在金屬襯底1A上配設碳納米管4...的裝置。
接著，說明關于碳納米管制造裝置2000的碳納米管制造方法。
圖10是表示本發(fā)明第2實施例的碳納米管制造方法的制造工序流程圖，圖11是對應圖10的各制造工序(步驟)說明圖。
如圖10所示，在第2實施例的碳納米管制造方法主要由五個工序(五個步驟)預備硅襯底5的生長襯底準備工序(步驟S201)、在硅襯底5表面上形成催化劑膜3的催化劑膜形成工序(步驟S202)、一邊取得構成形成了催化劑膜3的催化劑粒子作為核，一邊在硅襯底5表面上取向生長碳納米管4...的取向生長工序(步驟S203)、把硅襯底5表面取向生長了碳納米管4...的頂端部4b插入熔解了的金屬襯底1A內，而后使該金屬襯底1A固化的襯底形成工序(步驟S204)、以及從硅襯底5上分離碳納米管4...的襯底分離工序(步驟S205)而構成。
在步驟S201的生長襯底準備工序，如圖11(a)所示，是進行形成碳納米管4...的準備硅襯底5的工序。
硅襯底5是，例如由n型硅構成的板狀構件。
在步驟S202的催化劑膜形成工序，如圖11(b)所示，是用催化劑膜形成裝置200，在硅襯底5表面上形成催化劑膜3的形成生長襯底55的工序。
在步驟S203的取向生長工序，如圖11(c)所示，是用取向生長裝置300，在生長襯底55的硅襯底5表面上取向生長碳納米管4...的工序。
碳納米管4...是用圖2所示的取向生長裝置300取向生長形成的。
另外，關于取向生長工序的碳納米管4...取向生長的方法與第1實施例的步驟S104大致同樣，因為取向生長裝置300是同樣的裝置，所以省略說明。
在步驟S204的襯底形成工序，如圖11(d)所示，用襯底形成裝置550把硅襯底5表面上取向生長后的碳納米管4...的頂端部4b插入熔解了的金屬襯底1A內，而后，使該金屬襯底1A固化的工序。
金屬襯底1A由例如，銅、鋁、鉻、不銹鋼等的導電性物質構成。
金屬襯底1A由例如銅構成時，用襯底形成裝置550把金屬襯底1A加熱到熔點(約1084℃)以上予以熔解，在取向生長工序(S203)，插入硅襯底5表面上取向生長后的碳納米管4...的頂端部4b直到規(guī)定深度。接著，用襯底形成裝置550冷卻金屬襯底1A，使金屬襯底1A固化，把碳納米管4...嵌入在金屬襯底1A使其固定。該襯底形成工序也可以說是碳納米管嵌入工序，襯底形成裝置550也可以說是碳納米管嵌入裝置。
在步驟S205的襯底分離工序是，如圖11(e)所示，用襯底分離裝置600從硅襯底5上分離碳納米管4...，在金屬襯底1A上配設碳納米管4...的工序。
就從硅襯底5上分離碳納米管4...的方法來說，例如，有用作襯底分離裝置600的加熱裝置加熱硅襯底5，從熔解了的硅襯底5上拔出碳納米管4...的方法。
就從硅襯底5上分離碳納米管4...的方法來說，例如，有用作襯底分離裝置600的激光照射裝置，通過靠近硅襯底5一側的部分對碳納米管4...照射激光來切斷碳納米管4...的方法。
并且，就從硅襯底5上分離碳納米管4...的方法來說，例如，還有用作襯底分離裝置600的磁鐵(電磁鐵或永久磁鐵)，通過把硅襯底5上作為催化劑分布配置的鐵或者分離用配置的鐵拉向磁鐵，對硅襯底5施加拉力將碳納米管4...分離的方法。
這樣，金屬襯底1上嵌入的碳納米管4...是，例如，直徑為數(shù)nm～數(shù)十nm，長度為1μm～數(shù)十μm，形成了100萬～100億根/mm2左右。
這樣，按照使用本實施例的碳納米管制造方法，通過用負離子發(fā)生器10使甲醇蒸氣M...帶負電荷的甲醇離子Mi...在電場中安置的生長襯底55的硅襯底5表面熱分解，并在硅襯底5表面上取向生長了碳納米管4...以后嵌入到金屬襯底1A上，就能制造形成碳納米管4...。而且，按照本發(fā)明，采用在電場中形成碳納米管的辦法，很容易生長取向性良好的碳納米管。
特別是，在硅襯底5表面取向生長了的碳納米管4...移植嵌入到金屬襯底1A上，因而成了可以連續(xù)多次使用高價的硅襯底5，能夠降低制造成本。
并且，按照形成碳納米管4...的反應速度輸送在生長襯底55的硅襯底5表面熱分解的甲醇離子Mi...所以能夠生長效率很好地制造碳納米管4...，同時這樣形成碳納米管4...需要部分的甲醇離子Mi...供應加熱到高溫的陰極電極23或金屬襯底1，在防止供應多余的甲醇爆炸、著火方面，容易進行裝置的維護管理，也是安全的。
接著，說明有關第2實施例的另外實施例。
圖12是有關第2實施例的另外實施例的碳納米管制造工序說明圖。
如圖12所示，第2實施例的另外實施例碳納米管制造方法，主要由七個工序預備硅襯底5的生長襯底準備工序(圖12(a))、在硅襯底5表面上形成催化劑膜3的催化劑膜形成工序(圖12(b))、一邊取得構成形成了催化劑膜3的催化劑粒子作為核一邊在硅襯底5表面上取向生長碳納米管4...的取向生長工序(圖12(c))、蒸鍍金屬膜111a覆蓋取向生長的碳納米管4...的側面周圍的金屬膜蒸鍍工序(圖12(d))、把碳納米管4...的頂端部4b插入熔解了的金屬襯底1A內，而后使該金屬襯底1A固化的襯底形成工序(圖12(e))、從硅襯底5上分離碳納米管4...的襯底分離工序(圖12(f))以及除去金屬膜111a的金屬膜除去工序而構成。
圖12(a)所示的生長襯底準備工序是進行形成碳納米管4...的準備硅襯底5的工序。
硅襯底5是，例如由n型硅構成的板狀構件。
圖12(b)所示的催化劑膜形成工序是用催化劑膜形成裝置200，在硅襯底5表面上形成催化劑膜3的形成生長襯底55的工序。
圖12(c)所示的取向生長工序是用取向生長裝置300，在生長襯底55的硅襯底5表面上取向生長碳納米管4...的工序。
碳納米管4...是用圖2所示的取向生長裝置300取向生長形成的。
另外，在取向生長工序中的使碳納米管4...取向生長的方法與第1實施例的步驟S104大致同樣，取向生長裝置300也是同樣的裝置，所以省略說明。
圖12(d)所示的金屬膜蒸鍍工序是，例如用金屬膜蒸鍍裝置，在碳納米管4...的側面周圍和硅襯底5表面上蒸鍍金屬膜111a的工序。金屬膜蒸鍍裝置是與催化劑膜形成裝置200同樣的裝置，例如，真空蒸鍍裝置、分子束蒸鍍(MBE)裝置、離子噴鍍裝置、離子束蒸鍍裝置、濺射裝置以及電鍍裝置。
金屬膜蒸鍍裝置給硅襯底5的表面一側蒸鍍厚度數(shù)nm～數(shù)百nm的導電性金屬，例如鋁、銅、銀、鎳等的金屬膜111a。
該金屬膜111a沒有完全覆蓋碳納米管4...，而且碳納米管4...的頂端部4b伸出了金屬膜111a表面。
圖12(e)所示的襯底形成工序是，用襯底形成裝置550，把硅襯底5表面上取向生長后的碳納米管4...的頂端部4b插入金屬襯底1A內，而后，使該金屬襯底1A固化，在金屬襯底1A上嵌入碳納米管4...的工序。金屬襯底1A由例如，銅、鋁、鉻、不銹鋼等的導電性物質構成。
另外，通過預先進行以金屬膜111a覆蓋碳納米管4的金屬膜蒸鍍處理，熔解后的金屬襯底1A就容易與碳納米管4接合。這種現(xiàn)象與焊接等所謂濡濕現(xiàn)象同樣，即使一度用蒸鍍法等使金屬附著于碳納米管4上，熔解后的金屬襯底1A也變得容易附著于碳納米管4上，所以通過利用該現(xiàn)象，適合在金屬襯底1A上嵌入碳納米管4...。
圖12(f)所示的襯底分離工序是用襯底分離裝置600，從硅襯底5上分離碳納米管4...，在金屬襯底1A上配設碳納米管4...的工序。該方法因與第2實施例同樣，所以省略說明。
圖12(g)所示的金屬膜除去工序是用金屬膜除去裝置，除去金屬膜111a的工序。
金屬膜除去裝置是溶解例如，金屬膜111a的裝置，用金屬膜除去裝置里貯存的金屬膜溶解液(例如，鹽酸、硝酸、硫酸等)選擇性地溶解金屬膜111a。
金屬膜溶解液根據構成金屬膜111a與共成金屬襯底1A的金屬的組合，使用選擇性地溶解金屬膜111a的溶解液是可取的。而且，根據金屬膜溶解液的種類，考慮形成構成金屬膜111a與構成金屬襯底1A的金屬組合是令人滿意的。
這樣，在金屬襯底1上嵌入的碳納米管4...，例如，直徑為數(shù)nm～數(shù)十nm，長度為1μm～數(shù)十μm，形成了100萬～100億根/mm2左右。
按照這樣的碳納米管制造方法，也很容易生長取向性良好的碳納米管。而且，可在金屬襯底1A上取向性良好地配設碳納米管4...。
另外，對圖12(g)所示的金屬襯底1A而言，雖然配設成為使碳納米管4...露出金屬襯底1A的一個側面外，但是也可以配設成為使碳納米管4...露出金屬襯底1A的兩個側面外。
例如，在作為第2實施例的另外實施例的碳納米管制造工序的襯底分離工序(參照圖12(f))中形成的，如圖13(a)所示那樣地在金屬襯底1A與金屬膜111a的二層之間的樣子，把埋設了碳納米管4...的構件浸漬在規(guī)定溶解液(例如，鹽酸、硝酸、硫酸等)里，通過溶解規(guī)定量的金屬襯底1A和金屬膜111a，如圖13(b)所示，就可以使碳納米管4...露出于金屬襯底1A的兩個側面外。碳納米管4...貫穿金屬襯底1A露出該兩個側面外。
碳納米管4...露出金屬襯底1A等表面外的程度，可通過溶解金屬襯底1A或金屬膜111a的程度進行調整。而且，各碳納米管4...要露出了從金屬襯底1A等表面上伸出適當尺寸。
溶解液也可以是能一起溶解金屬襯底1A和金屬膜111a的溶解液，并且，也可以是分別溶解金屬襯底1A和金屬膜111a的多種溶解液。
說明如圖13(b)所示的這種在金屬襯底1A兩個側面外露出碳納米管的構件利用領域。
碳納米管4作為在電場中發(fā)射電子e的物質而聞名，也有用作電子發(fā)射電極。
這一發(fā)射電子的現(xiàn)象，通常叫做場發(fā)射現(xiàn)象，如果給固體表面施加強電場，固體內封閉電子表面的勢壘就降低變薄，電子因隧道效應而向真空中發(fā)射的現(xiàn)象。尤其是，如果將曲率半徑小的物質置于電場中，電荷集中到曲率半徑小的尖銳區(qū)域，就容易發(fā)射電子。在所謂電荷尖端集中現(xiàn)象的放電工程學上這是眾所周知的現(xiàn)象。尤其，金剛石結構(diamond structure)的物質具有負性電子親和力(NegativeElectron Affinity)，有容易發(fā)射傳導電子的性質。
在這樣的金剛石結構物質方面，可以舉出象碳納米管4之類，主要由碳原子構成的物質。該碳納米管4是直徑細小的物質，由于電荷尖端集中現(xiàn)象使碳納米管4內的電子因庫倫力而集中于最靠近正電位的區(qū)域。在這里，加到碳納米管4上的電場大于電子發(fā)射閾值時，集中于碳納米管4曲率半徑小的尖端部的部分電子向空間發(fā)射。該碳納米管4是直徑數(shù)納米極細的管狀物質，即使弱電場下也能發(fā)生電子發(fā)射。
碳納米管4的電子發(fā)射量與碳納米管4的溫度成正比指數(shù)函數(shù)式增加。所以，對從碳納米管4發(fā)射很多電子而言，如圖14所示需要通過用熱源H使碳納米管4的溫度上升以增加碳納米管4內部電子帶有的能量。由于熱以非常高速地傳導到碳納米管4中，因而直接熱傳導給碳納米管4的場合要比來自熱源H的熱能經過金屬膜111a和金屬襯底1A間接地傳導到碳納米管4的場合能夠提高電子發(fā)射效率。因此，作為電子發(fā)射電極的最佳構造，如圖14所示，是貫穿電極的方式在該電極的兩個側面外露出碳納米管4的構造。
如圖14所示，用熱源H直接地加熱伸出金屬膜111a側面配置的碳納米管4，從露出金屬襯底1A側面配置的碳納米管4發(fā)射電子時，熱能很有效地轉換為電子動能。為了使碳納米管4的頂端持續(xù)地發(fā)射電子，就需要經由金屬襯底1A等向碳納米管4供應電子。所供應的電子就是碳納米管4發(fā)射的電子經由電子收集電極和負載電阻又回到電子發(fā)射電極的電子。如果持續(xù)重復圖14示出的電子發(fā)射和電子供應的話，電子將循環(huán)起來而沒有消耗。該電子通過負載電阻時，電子的動能作為熱能向外部發(fā)散，而與該發(fā)散能量相當?shù)臒崮苡蔁嵩碒供應，因而遵守能量守恒定律。
例如，可以有效地利用由汽車發(fā)動機產生的熱能、在焚燒爐燃燒煤炭等時產生的熱能等的排放熱能作為熱源。有效地利用這種排放熱能的技術也是為持續(xù)地保持地球環(huán)境所需要的技術。
接著，說明本發(fā)明的第3實施例。另外，對于與第1、第2實施例同一部分附加同一標號，而只說明有關不同的部分。
圖15是表示本發(fā)明第3實施例的碳納米管制造裝置框圖。
如圖15所示，碳納米管制造裝置3000是由在作為硅層的硅襯底5表面上形成催化劑膜3而形成生長襯底55的催化劑膜形成裝置200、利用催化劑膜3的催化作用，在生長襯底55(硅襯底5)上取向生長多個碳納米管4...的取向生長裝置300、對取向生長了碳納米管4...的頂端部4b側面蒸鍍金屬膜111a的金屬膜蒸鍍裝置700、在蒸鍍了的金屬膜111a上又電鍍金屬層111b的金屬層電鍍裝置800以及從硅襯底5上分離碳納米管4...的襯底分離裝置600等而構成。
接著，說明在該碳納米管制造裝置3000中的碳納米管制造方法。
圖16是表示本發(fā)明第3實施例的碳納米管制造方法的制造工序流程圖，圖17是對應圖16的各制造工序(步驟)說明圖。
如圖16所示，第3實施例的碳納米管制造方法主要由六個工序(六個步驟)預備硅襯底5的生長襯底準備工序(S301)、在硅襯底5表面上形成催化劑膜3的催化劑膜形成工序(S302)、一邊取得構成形成了催化劑膜3的催化劑粒子作為核，一邊在硅襯底5表面上取向生長碳納米管4...的取向生長工序(S303)、對取向生長了碳納米管4...的頂端部4b側面蒸鍍金屬膜111a的金屬膜蒸鍍形成工序(S304)、作為金屬層形成工序又在蒸鍍后的金屬膜111a上電鍍金屬層111b的金屬層電鍍工序(S305)以及從硅襯底5上分離碳納米管4...的襯底分離工序(S206)而構成。
在步驟S301的生長襯底準備工序，如圖17(a)所示，是進行形成碳納米管4...的準備硅襯底5的工序。
硅襯底5是，例如由n型硅構成的板狀構件。
在步驟S302的催化劑膜形成工序，如圖17(b)所示，是用催化劑膜形成裝置200在硅襯底5表面上形成催化劑膜3而形成生長襯底55的工序。
在步驟S303的取向生長工序，如圖17(c)所示，是用取向生長裝置300在生長襯底55的硅襯底5表面上取向生長碳納米管4...的工序。
碳納米管4...是用圖2所示的取向生長裝置300取向生長形成的。
另外，在取向生長工序中使碳納米管4...取向生長的方法與第1實施例的步驟S104大致同樣，取向生長裝置300是同樣的裝置，所以省略說明。
在步驟S304的金屬膜蒸鍍工序，如圖17(d)所示，是用金屬膜蒸鍍裝置700對碳納米管4...的頂端部4b側面蒸鍍金屬膜111a。金屬膜蒸鍍裝置700是與催化劑膜形成裝置200同樣的裝置，例如，真空蒸鍍裝置、分子束蒸鍍(MBE)裝置、離子噴鍍裝置、離子束蒸鍍裝置、濺射裝置以及電鍍裝置。
而且，金屬膜蒸鍍裝置700對碳納米管4...的頂端部4b側面蒸鍍厚度數(shù)nm～數(shù)百nm例如，鋁、鎳、銅的金屬膜111a。
在步驟S305的金屬層電鍍工序，如圖17(e)所示，是用金屬層電鍍裝置800又在蒸鍍了的金屬膜111a上電鍍金屬層111b的電鍍工序。金屬層電鍍裝置800可應用通常的電鍍裝置。
而且，將硅襯底5(在表面上形成了碳納米管4...的側面蒸鍍了金屬膜111a的硅襯底5)浸漬在例如，金屬層電鍍裝置800的電鍍槽中貯存的鍍銅用溶液(配比為例如，硫酸銅(CuSO4)50克、硫酸(H2SO4)12.5cc、水(H2O)225cc、氯化鈉(NaCl)微量)里，給該金屬膜111a表面鍍上厚度數(shù)nm～數(shù)百nm的金屬層111b(例如，由銅構成的金屬層)。在本實施例，對浸入40～50℃的鍍銅用溶液中硅襯底5的金屬膜111a進行1小時，通過0.05～0.1A電流密度的電鍍處理，形成了金屬層111b。
另外，用金屬層電鍍裝置800進行的電鍍不只限于鍍銅，也可以用金、銦、銀、鎳合金(純Ni、Ni-Fe系、Ni-Cr系、Ni-Cu系)、鈷合金(純Co、Co-Ni系、Co-Cr系、Co-Fe系)、鐵合金(純Fe、Fe-Cr系、Fe-Ta系)、鋁合金(純鋁、Al-Cu系、Al-Ti系、Al-Nd系)等金屬進行的電鍍。
在步驟S306的襯底分離工序，如圖17(f)所示，是用襯底分離裝置600從硅襯底5上分離碳納米管4...，在金屬襯底(金屬膜111a、金屬層111b)上配設碳納米管4...的工序。
就從硅襯底5上分離碳納米管4...的方法來說，除第2實施例中說過的方法外，例如，還有使大電流流過硅襯底5將硅襯底5升到高溫，使碳納米管4...容易剝離的方法、通過超聲波作用于硅襯底5使碳納米管4...容易剝離的方法等。
這樣，在由金屬膜111a和金屬層111b構成的金屬襯底上嵌入的碳納米管4...，例如，直徑為數(shù)nm～數(shù)十nm，長度為1μm～數(shù)十μm，形成了100萬～100億根/mm2左右。
即使這樣的裝置、方法，也都與第1、第2實施例同樣，能夠適合形成碳納米管4。而且，能夠在金屬襯底上取向性良好地配設碳納米管4...。
另外，通過圖17(e)所示的金屬層電鍍工序，對形成了金屬層111b的硅襯底5再次用取向生長裝置300生長碳納米管4也行。
接著，說明本發(fā)明的第4實施例。另外，對于與第1到第3實施例同一部分附加同一標號，而只說明有關不同的部分。
圖18、圖19是本發(fā)明第4實施例的碳納米管制造工序的說明圖。
如圖18、圖19所示，第4實施例的碳納米管制造方法是把在本發(fā)明第3實施例中制成的，由圖17(f)所示的金屬膜111a和金屬層111b構成的金屬襯底上配設了碳納米管4...的碳納米管襯底(CNT襯底)作為基礎制造碳納米管，以便制造更多CNT襯底的方法。
圖18(a)是在第3實施例制成的CNT襯底。
將該CNT襯底裝在取向生長裝置300的規(guī)定位置(電場發(fā)生裝置20的陰極電極23上)，作為第2取向生長工序從CNT襯底上配設了碳納米管4...的頂端部起再取向生長碳納米管4...(參照圖18(b))。
接著，與第2實施例的金屬膜蒸鍍工序(參照圖12(d))同樣，例如，用金屬膜蒸鍍裝置，作為第2金屬層形成工序在碳納米管4...側面周圍和金屬膜111a表面上蒸鍍金屬層111b(參照圖18(c))。
進而，用取向生長裝置300取向生長碳納米管4...(參照圖18(d))，在該碳納米管4...的側面周圍和金屬層111b表面上用金屬膜蒸鍍裝置蒸鍍金屬層111b(參照圖18(e))。
這樣，通過重復取向生長碳納米管4...和蒸鍍金屬層111b，如圖19(f)所示，使碳納米管4...取向生長得更長，同時形成由厚金屬層111b覆蓋的CNT襯底狀物體。
借助于具有金剛石刀具的切斷裝置，把圖19(f)中所示的CNT襯底狀的厚金屬層111b部分與碳納米管4的取向生長方向相垂直地切斷成規(guī)定厚度(參照圖19(g))。
其次，例如，用金屬層除去裝置，除去規(guī)定厚度的圖19(g)中所示切斷片的金屬層111b切斷面一側，金屬層除去裝置是例如溶解金屬層111b的裝置，用金屬層除去裝置內貯存的金屬層溶解液(例如，鹽酸、硝酸、硫酸等)溶解金屬層111b。
通過溶解除去規(guī)定厚度部分金屬層111b，從金屬層111b中露出規(guī)定長度碳納米管4...(參照圖19(h))。
這樣，就能夠形成由碳納米管4...從金屬層111b中伸出規(guī)定長度的金屬層111b和碳納米管4...而構成如圖19(h)所示的CNT襯底。
這樣，在由金屬層111b構成的金屬襯底上嵌入的碳納米管4...，例如，直徑為數(shù)nm～數(shù)十nm，長度為1μm～數(shù)十μm，形成了100萬～100億根/mm2左右。
即使這樣的方法，也都與第1到第2實施例同樣，能適合形成碳納米管4。而且，能夠在金屬襯底上取向性良好地配設碳納米管4...。
特別是，以金屬襯底(金屬膜111a、金屬層111b)上配設了碳納米管4...的CNT襯底為基礎，通過重復取向生長碳納米管4...和蒸鍍(層疊)金屬層111b，能夠形成更多的CNT襯底(由金屬層111b和碳納米管4構成的CNT襯底)。
并且，在制造工序中不需要高價的硅襯底，因而能夠降低制造成本。
而且，也不需要用濺射裝置等催化劑膜形成裝置形成催化劑膜的工序，因而能夠降低制造成本。
特別是，通過應用如圖19(f)所示的CNT襯底狀結構，可以制造混入非常長碳納米管4...的銅線(由銅構成金屬層111b時)。采用在該銅線(導線)的輸電方向取向性良好地配設碳納米管4...的辦法，可制成超低電阻的導線，成為能夠大幅度地降低電力傳輸損耗的導線。
另外，用金屬層除去裝置溶解圖19(g)所示切斷片的金屬層111b切斷面?zhèn)葧r，如圖19(h)所示，不只是限于溶解一個切斷面?zhèn)?，如圖19(i)所示，也可以溶解金屬層111b的兩個側面，貫穿金屬層111b而成為該金屬層111b的兩個側面都露出碳納米管4的CNT襯底構造。
這樣以來，如果采用本發(fā)明碳納米管的制造裝置和制造方法，就能夠高生產率地制造取向性優(yōu)良的碳納米管4...。該碳納米管的制造裝置即使是使用甲醇作為碳納米管4...的原料，在防止甲醇爆炸、著火方面，也容易進行裝置的維護管理。
以上的實施例中，雖以甲醇為例說明了作為原料的有機物，但本發(fā)明不只是限于此，有機物只要是含碳(C)的有機物就行，也可以使用例如，乙醇、1-丁醇、1-辛醇等。
按照使用的有機物種類，可以形成各種各樣的種類、形狀的碳納米管。
當然其它關于具體的構造細節(jié)等也能適當改變。
例如，生長碳納米管時，為了去掉因場所不同而造成的生長不均勻性，也可以轉動生長襯底。
又例如，不是以惰性氣體(氬)置換裝置內的被置換氣體，而是以氮氣進行置換也行。
按照使用本發(fā)明碳納米管制造裝置的碳納米管制造方法，在氣相中通過電場的作用沿電場方向生長碳納米管，能夠制造取向性良好的碳納米管。所以，比起把硅襯底浸漬到現(xiàn)有的乙醇溶液中形成碳納米管來更容易維護管理，能夠制造取向性良好的碳納米管。
借助于取向性良好排列的多個碳納米管，就可能給幾乎全部的碳納米管長度方向加上電場，使電場集中于碳納米管的頂端，電子局部地集中那里。而且，從碳納米管的頂端能夠高效率地發(fā)射電子，能夠提高電子的發(fā)射效率。
因此，可以用作從碳納米管發(fā)射電子的電子發(fā)射電極，使電子發(fā)射電極發(fā)射的電子循環(huán)就可能應用于產生電流的發(fā)電裝置里。
權利要求
1.一種碳納米管制造裝置，具備在生長襯底上大體垂直地取向生長多個碳納米管的取向生長裝置，其特征是所述取向生長裝置具備使規(guī)定含碳化合物的氣化氣體離化的離化裝置；發(fā)生電場的電場發(fā)生裝置；以及加熱配置在用所述電場發(fā)生裝置發(fā)生的電場內的所述生長襯底的加熱裝置，構成是通過使由所述離化裝置離化了的所述含碳化合物的氣化氣體通過用所述電場發(fā)生裝置發(fā)生的電場內，使所述含碳化合物的氣化氣體與所述生長襯底接觸。
2.按照權利要求1所述的碳納米管制造裝置，其特征是所述生長襯底是在有硅或硅化合物的硅層表面上形成了催化劑膜的襯底。
3.按照權利要求1或2所述的碳納米管制造裝置，其特征是所述離化裝置具備負離子發(fā)生器，用所述負離子發(fā)生器向所述含碳化合物的氣化氣體提供電子，使所述含碳化合物的氣化氣體帶負電荷。
4.按照權利要求1～3任何一項所述的碳納米管制造裝置，其特征是具備在規(guī)定的金屬襯底表面上形成生長膜，在所述生長膜表面上形成催化劑膜而形成所述生長襯底的生長襯底形成裝置；用所述取向生長裝置取向生長碳納米管后，除去所述生長膜的生長膜除去裝置；以及使所述金屬襯底熔解，在所述金屬襯底表面上配設的所述碳納米管的一端部埋設在所述金屬襯底內，而后，使所述金屬襯底固化的襯底形成裝置。
5.按照權利要求1～3任何一項所述的碳納米管制造裝置，其特征是具備在硅襯底表面上形成催化劑膜而形成所述生長襯底的生長襯底形成裝置；用所述取向生長裝置取向生長碳納米管后，在熔解了的金屬內插入所述碳納米管頂端部，而后，使所述金屬固化而形成金屬襯底的金屬襯底形成裝置；以及從所述硅襯底上分離所述碳納米管的分離裝置。
6.一種碳納米管制造方法，其特征是具備在規(guī)定的金屬襯底表面上形成生長膜的生長膜形成工序；在通過所述生長膜形成工序形成的所述生長膜表面上形成由規(guī)定催化劑構成催化劑膜的催化劑膜形成工序；使構成通過所述催化劑膜形成工序形成的所述催化劑膜的所述催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體催化反應，介以所述生長膜而在所述金屬襯底表面大致垂直地取向生長多個碳納米管的取向生長工序；除去所述生長膜，在所述金屬襯底表面上配設通過所述取向生長工序取向生長了所述碳納米管的生長膜除去工序；以及熔解所述金屬襯底，在所述金屬襯底表面上配設了的所述碳納米管一端部埋設在所述金屬襯底內，而后，使所述金屬襯底固化的襯底形成工序。
7.一種碳納米管制造方法，其特征是具備在規(guī)定的生長襯底表面上形成由規(guī)定催化劑構成的催化劑膜的催化劑膜形成工序；使通過所述催化劑膜形成工序形成了構成所述催化劑膜的所述催化劑與規(guī)定的含碳化合物的氣化氣體催化反應，在所述生長襯底表面上大體垂直地取向生長多個碳納米管的取向生長工序；熔解規(guī)定的金屬襯底，向熔解了的所述金屬襯底內插入通過所述取向生長工序取向生長了的所述碳納米管頂端部，而后，使所述金屬襯底固化的碳納米管嵌入工序；以及從所述生長襯底上分離所述碳納米管的襯底分離工序。
8.一種碳納米管制造方法，其特征是具備在規(guī)定的生長襯底表面上形成由規(guī)定催化劑構成催化劑膜的催化劑膜形成工序；使通過所述催化劑膜形成工序形成了構成所述催化劑膜的所述催化劑與規(guī)定含碳化合物的氣化氣體催化反應，在所述生長襯底表面上大體垂直地取向生長多個碳納米管的取向生長工序；在通過所述取向生長工序取向生長成的所述碳納米管頂端部側面蒸鍍規(guī)定金屬膜層的金屬膜蒸鍍工序；在通過金屬膜蒸鍍工序形成了的金屬膜上形成規(guī)定金屬層的金屬層形成工序；以及從所述生長襯底上分離所述碳納米管的襯底分離工序。
9.按照權利要求8所述的碳納米管制造方法，其特征是具備在所述襯底分離工序中使從所述生長襯底上分離后的所述碳納米管取向生長的第2取向生長工序；在通過所述第2取向生長工序取向生長了的所述碳納米管側面和埋設了的所述碳納米管后端部所述金屬膜的表面上形成規(guī)定金屬層的第2金屬層形成工序；在與所述碳納米管取向生長方向交叉的方向切斷通過所述第2金屬層形成工序形成并層疊的所述金屬層，形成規(guī)定厚度切斷片的金屬層切片工序；以及在所述碳納米管取向生長方向除去規(guī)定量的通過所述金屬層切片工序形成的所述切斷片金屬層，露出規(guī)定量的所述碳納米管的金屬層除去工序。
10.按照權利要求6～9任何一項所述的碳納米管制造方法，其特征是所述取向生長工序具備使規(guī)定含碳化合物的氣化氣體離化的離化工序，通過所述離化工序使電場作用于離化了的所述含碳化合物氣化氣體的電場作用工序，以及加熱所述金屬襯底或所述生長襯底的加熱工序，在所述電場作用工序中，以電場作用于離化了的所述含碳化合物的氣化氣體，使所述含碳化合物的氣化氣體接觸所述金屬襯底或所述生長襯底，在所述金屬襯底或生長襯底的表面上大體垂直地取向生長多個碳納米管。
全文摘要
在碳納米管制造裝置(1000、2000、3000)中具有使含碳化合物氣化氣體離化的離化裝置(例如，負離子發(fā)生器10)，產生電場的電場發(fā)生裝置(例如，直流電源21、陽極電極22和陰極電極23)以及加熱在用電場發(fā)生裝置產生的電場內配置的生長襯底(50、55)的加熱裝置(例如，高頻加熱器30)，碳納米管制造方法采用了通過使離化后的含碳化合物氣化氣體經過電場內而加熱了的生長襯底接觸，在生長襯底上取向生長碳納米管(4)。
文檔編號C01B31/02GK1819970SQ0382681
公開日2006年8月16日 申請日期2003年7月18日 優(yōu)先權日2003年7月18日
發(fā)明者赤松則男, 西角博, 矢野謙典 申請人:赤松則男, 西角博