JP2000321292A - Nano-tube, nano-tube probe, and their manufacture - Google Patents
Nano-tube, nano-tube probe, and their manufactureInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はカーボンナノチュー
ブ、BCN系ナノチューブ、BN系ナノチューブ等のナ
ノチューブを探針として物質の表面信号を操作するナノ
チューブプローブに関し、更に詳細には、ナノチューブ
の先端に超微粒子やフラーレン等をセンサー部として設
け、この所定構造のセンサー部により物質の表面信号を
再現性よく高分解能に操作できるナノチューブプローブ
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nanotube probe for manipulating a surface signal of a substance by using a nanotube such as a carbon nanotube, a BCN-based nanotube, or a BN-based nanotube as a probe. The present invention relates to a nanotube probe in which fullerene or the like is provided as a sensor unit, and a surface signal of a substance can be manipulated with high reproducibility with high reproducibility by a sensor unit having a predetermined structure.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、試料表面を高倍率に観察する顕微
鏡として電子顕微鏡があったが、真空中でなければ電子
ビームが飛ばないために実験技術上で種々の問題があっ
た。ところが、近年、大気中でも表面を原子レベルで観
察できる走査型プローブ顕微鏡技術が開発されるに到っ
た。プローブの最先端にある探針を試料表面に原子サイ
ズまで極微接近させると、個々の試料原子からの物理的
・化学的作用を探針で検出し、探針を表面上に走査させ
ながら検出信号から試料表面像を現出させる顕微鏡であ
る。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been an electron microscope as a microscope for observing a sample surface at a high magnification. However, since an electron beam does not fly unless it is in a vacuum, there are various problems in experimental techniques. However, in recent years, a scanning probe microscope technique capable of observing the surface at the atomic level even in the atmosphere has been developed. When the probe at the forefront of the probe is brought very close to the sample surface to the atomic size, the physical and chemical action from each sample atom is detected by the probe, and the detection signal is scanned while the probe is scanned over the surface. This is a microscope that makes a sample surface image appear from the microscope.
【0003】これらの顕微鏡の中でも特によく利用され
るものは、走査型トンネル顕微鏡(STMとも略称す
る)と原子間力顕微鏡(AFMとも略称する)である。
STMでは研磨金属針などの導電性探針が用いられ、A
FMではシリコン製ピラミッドを探針としたカンチレバ
ーを用いて表面信号を検出している。これらに共通した
問題は、探針の先端を超微細に先鋭加工できないために
物質表面の原子レベルでの微細構造を高分解能に検出で
きないと云うことであった。[0003] Of these microscopes, those which are particularly frequently used are a scanning tunneling microscope (also abbreviated as STM) and an atomic force microscope (also abbreviated as AFM).
In STM, a conductive probe such as a polished metal needle is used.
FM detects surface signals using a cantilever using a silicon pyramid as a probe. A problem common to all of them is that it is not possible to detect the fine structure at the atomic level on the material surface with high resolution because the tip of the probe cannot be sharpened extremely finely.
【0004】例えば、図15は従来のシリコン製のAF
M用カンチレバーである。このカンチレバー50の後方
はサブストレート52に固定され、前方にはピラミッド
状探針54が形成されている。このピラミッド状探針5
4の先端には極細の先鋭部56が形成され、この先鋭部
56が物質表面に近接して表面情報を検出する。このA
FM用カンチレバーは半導体プレーナ技術により製造さ
れるが、如何に先鋭部をシャープに形成したとしても、
原子サイズと比較すればかなり大きなものになる。従っ
て、表面情報が原子サイズで変化する場合には、上記探
針を用いても表面情報を原子レベルにまで高精度に検出
することには限界があった。For example, FIG. 15 shows a conventional AF made of silicon.
It is a cantilever for M. The back of the cantilever 50 is fixed to a substrate 52, and a pyramid-shaped probe 54 is formed in the front. This pyramid probe 5
An extremely fine sharp portion 56 is formed at the front end of 4, and this sharp portion 56 approaches the material surface to detect surface information. This A
FM cantilevers are manufactured by semiconductor planar technology, but no matter how sharp the sharp part is formed,
It is much larger than the atomic size. Therefore, when the surface information changes with the atom size, there is a limit in detecting the surface information with high accuracy down to the atomic level even by using the above-mentioned probe.
【0005】そこで、近年になってカーボンナノチュー
ブを探針に利用しようとするアイデアが出現した。カー
ボンナノチューブは導電性であるため、トンネル電流を
検出するSTMにはもちろん、原子間力を検出するAF
Mにも利用できる。J.Am.Chem.Soc.12
0巻(1998年)603頁に、生物システムを映像化
する高分解能プローブとしてカーボンナノチューブ探針
が提案されている。しかし、カーボン混合物中からカー
ボンナノチューブだけをどのように収集するか、またど
のようにしてホルダーにカーボンナノチューブを固定す
るのかについては全く未解決であった。Therefore, in recent years, an idea for using carbon nanotubes for a probe has appeared. Since carbon nanotubes are conductive, they can be used not only for STM for detecting tunnel current but also for AF for detecting atomic force.
Also available for M. J. Am. Chem. Soc. 12
Vol. 0 (1998), p. 603, proposes a carbon nanotube probe as a high-resolution probe for imaging biological systems. However, how to collect only the carbon nanotubes from the carbon mixture and how to fix the carbon nanotubes to the holder have not been solved yet.
【0006】また、プローブ顕微鏡分野とは異なるが、
近年、コンピュータのメモリ容量が増大するにつれ、メ
モリ装置がフロッピーディスク装置からハードディスク
装置へ、更に高密度ディスク装置へと進化しつつある。
小さな空間に更に高密度に情報を詰め込むと、1情報当
たりのサイズが小さくなるため、その入出力用の探針も
より微細なものが必要になってくる。従来の磁気ヘッド
装置では一定以上に小さくすることは不可能であった。
CD装置などの電子装置でもその入出力用プローブの超
微小化が要望されていた。Although different from the field of probe microscopes,
In recent years, as the memory capacity of computers has increased, memory devices have been evolving from floppy disk devices to hard disk devices and further to high-density disk devices.
If information is packed more densely in a small space, the size per information becomes smaller, so that a finer input / output probe is required. In the conventional magnetic head device, it was impossible to make the size smaller than a certain value.
There has been a demand for ultra-miniaturized input / output probes for electronic devices such as CD devices.
【0007】この磁気ヘッドに替わるものとして、図1
6に示す磁気プローブが考えられていた。この磁気プロ
ーブは、前記ピラミッド状探針54の先鋭部56に蒸着
法により強磁性金属膜58を形成して構成される。しか
し、この強磁性金属膜58は多結晶膜であるから、多数
の磁気的ドメイン60が複合的に配置した膜構造となっ
ている。As an alternative to this magnetic head, FIG.
The magnetic probe shown in FIG. 6 has been considered. This magnetic probe is formed by forming a ferromagnetic metal film 58 on a sharp portion 56 of the pyramid-shaped probe 54 by a vapor deposition method. However, since the ferromagnetic metal film 58 is a polycrystalline film, the ferromagnetic metal film 58 has a film structure in which many magnetic domains 60 are arranged in a complex manner.
【0008】図17はこの磁気プローブで対象物質の磁
気情報を検出する場合の説明図である。この磁気プロー
ブを対象物質62の表面に近接させると、磁気力は逆二
乗則で作用する長距離力であるから、各々の磁気的ドメ
インが1/z2に比例した強度で磁気情報を検出する。
結果的にそれらの合成信号が磁気的表面情報となるた
め、磁気情報を高分解能に検出することは極めて困難で
ある。問題点は、先鋭部自体が原子レベルではかなり巨
大であること、また多数の磁気的ドメインから構成され
ることである。FIG. 17 is an explanatory diagram of a case where magnetic information of a target substance is detected by the magnetic probe. When this magnetic probe is brought close to the surface of the target substance 62, the magnetic force is a long-distance force acting according to the inverse square law, so that each magnetic domain detects magnetic information with an intensity proportional to 1 / z 2. .
As a result, the combined signal becomes magnetic surface information, and it is extremely difficult to detect the magnetic information with high resolution. The problem is that the sharps themselves are quite large at the atomic level and are composed of many magnetic domains.
【0009】従って、この磁気プローブとして前述した
カーボンナノチューブを利用することが当然考えられ
る。しかし、カーボンナノチューブにどうやって強磁性
体を担持させるかという技術はまだできていない。更
に、カーボンナノチューブの精製技術やホルダーへの固
定化技術については全く未解決であることは前述と同様
であった。Therefore, it is naturally conceivable to use the above-described carbon nanotube as the magnetic probe. However, a technique for supporting a ferromagnetic material on carbon nanotubes has not yet been developed. Furthermore, it is the same as described above that the technology for purifying the carbon nanotubes and the technology for immobilizing the carbon nanotubes on the holder are still unsolved.
【0010】本発明者等は、これらの問題点のうち微小
化技術に解決策を与える3件の特許出願をなした。即
ち、特願平10−280431号では電気泳動法により
ナノチューブの精製方法を与え、特願平10−3766
42号ではコーティング膜によるナノチューブの固定化
技術を提案し、特願平10−378548号では熱融着
によるナノチューブの固定化技術を完成した。The present inventors have filed three patent applications that provide a solution to the miniaturization technology among these problems. That is, Japanese Patent Application No. 10-280431 discloses a method for purifying nanotubes by an electrophoresis method.
No. 42 proposed a technique for immobilizing nanotubes using a coating film, and Japanese Patent Application No. 10-378548 completed a technique for immobilizing nanotubes by heat fusion.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は更にナノ
チューブプローブの研究を進める中で、ナノチューブを
探針としてSTM,AFMや磁気プローブ等に応用した
場合に、同一物質表面に対して得られる信号が使用する
ナノチューブによって変動するという欠点があることに
気づいた。これは、表面信号を感知するナノチューブの
先端部の物理構造あるいは電子構造がナノチューブ毎に
バラバラであることを意味している。言い換えると、使
用されるナノチューブのサイズがバラバラであることで
ある。電子顕微鏡内でナノチューブを選別してホルダー
に固定しているが、電子顕微鏡像ではサイズや電子構造
を含めて同一構造のナノチューブであるかどうかを判別
することは困難である。While the present inventors are further researching nanotube probes, when they are applied to STM, AFM, magnetic probes, etc. using nanotubes as probes, they can be obtained on the same material surface. We have noticed the disadvantage that the signal varies with the nanotube used. This means that the physical or electronic structure at the tip of the nanotube that senses the surface signal is different for each nanotube. In other words, the size of the nanotubes used varies. Although the nanotubes are selected and fixed to the holder in the electron microscope, it is difficult to determine whether or not the nanotubes have the same structure including the size and the electronic structure in the electron microscope image.
【0012】従って、本発明の第1目的は、先端部の物
理構造や電子構造を同一にしたナノチューブおよびその
製造方法を提供することである。本発明の第2目的は、
先端部を同一化した前記ナノチューブをホルダーに固定
することにより、対象物質の表面情報を高精度に再現で
きるナノチューブプローブを提供することである。Accordingly, a first object of the present invention is to provide a nanotube having the same physical structure and electronic structure at the tip and a method for producing the same. A second object of the present invention is to
An object of the present invention is to provide a nanotube probe capable of reproducing surface information of a target substance with high accuracy by fixing the nanotube having the same tip portion to a holder.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題及び目
的を達成するためになされたものである。請求項1の発
明は、ナノチューブの先端にセンサー部を設けたことを
特徴とするナノチューブである。請求項2の発明は、前
記センサー部が超微粒子のナノチューブである。請求項
3の発明は、前記超微粒子が強磁性金属超微粒子のナノ
チューブである。請求項4の発明は、前記センサー部が
フラーレンのナノチューブである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to achieve the above objects and objects. The invention according to claim 1 is a nanotube characterized in that a sensor portion is provided at the tip of the nanotube. According to a second aspect of the present invention, the sensor section is an ultrafine nanotube. In the invention according to claim 3, the ultrafine particles are nanotubes of ferromagnetic metal ultrafine particles. In the invention according to claim 4, the sensor unit is a fullerene nanotube.
【0014】請求項5の発明は、基板上に金属の薄膜を
形成し、この金属薄膜を加熱して金属超微粒子化し、こ
の金属超微粒子上に炭素化合物ガスを流通させながら加
熱して炭素化合物を分解させ、超微粒子を押し上げなが
ら炭素成分がその根本にカーボンナノチューブを形成す
ることを特徴とするナノチューブの製造方法である。請
求項6の発明は、ナノチューブの所要部を切断し、その
切断面にフラーレンを結合させることを特徴とするナノ
チューブの製造方法である。請求項7の発明は、ナノチ
ューブの閉口または開口した先端面にフラーレンを結合
させるナノチューブの製造方法である。According to a fifth aspect of the present invention, a metal thin film is formed on a substrate, the metal thin film is heated to be converted into ultrafine metal particles, and heated while flowing a carbon compound gas over the ultrafine metal particles. A carbon component forming carbon nanotubes at the root thereof while decomposing the particles and pushing up the ultrafine particles. A sixth aspect of the present invention is a method for producing a nanotube, comprising cutting a required portion of the nanotube and bonding fullerene to the cut surface. The invention of claim 7 is a method for producing a nanotube, in which fullerene is bonded to a closed or opened tip surface of the nanotube.
【0015】請求項8の発明は、先端にセンサー部を設
けたナノチューブの基端部をホルダーに固定したことを
特徴とするナノチューブプローブである。請求項9の発
明は、前記センサー部が超微粒子のナノチューブプロー
ブである。請求項10の発明は、前記超微粒子が強磁性
金属超微粒子のナノチューブプローブである。請求項1
1の発明は、前記センサー部がフラーレンのナノチュー
ブプローブである。請求項12の発明は、請求項5によ
り形成されたナノチューブの基端部をホルダーに固定す
ることを特徴とするナノチューブプローブの製造方法で
ある。請求項13の発明は、請求項6又は7により形成
されたナノチューブの基端部をホルダーに固定すること
を特徴とするナノチューブプローブの製造方法である。An eighth aspect of the present invention is a nanotube probe characterized in that a base end portion of a nanotube provided with a sensor portion at a front end is fixed to a holder. In a ninth aspect of the present invention, the sensor unit is a nanoparticle nanotube probe. The invention according to claim 10 is the nanotube probe in which the ultrafine particles are ferromagnetic metal ultrafine particles. Claim 1
In one aspect of the invention, the sensor unit is a fullerene nanotube probe. According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a nanotube probe, wherein the base end of the nanotube formed according to the fifth aspect is fixed to a holder. The invention of claim 13 is a method for manufacturing a nanotube probe, wherein the base end of the nanotube formed according to claim 6 or 7 is fixed to a holder.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】本発明者等はナノチューブ探針の
先端部の物理構造や電子構造を同一化するために鋭意研
究した結果、ナノチューブの先端にサイズや構造の決ま
ったセンサー部を別個形成することにより、ナノチュー
ブの構造が多少変動してもセンサー部の同一性を保証で
きる技術を完成するに到った。センサー部が同一である
限りその物質構造や電子構造は同一であり、対象物質の
表面情報を高精度に再現することが可能となる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have conducted intensive studies to equalize the physical structure and electronic structure of the tip of a nanotube probe, and as a result, separately formed a sensor part having a fixed size and structure at the tip of the nanotube. As a result, the inventors have completed a technique capable of guaranteeing the identity of the sensor unit even if the structure of the nanotube slightly changes. As long as the sensor unit is the same, the material structure and the electronic structure are the same, and the surface information of the target material can be reproduced with high accuracy.
【0017】本発明者等は、既定のサイズや物質構造を
有したセンサー部として、超微粒子やサッカーボール状
物質であるフラーレンが適当であるとの認識に到達し
た。The present inventors have come to the recognition that ultrafine particles or fullerene, which is a soccer ball-like substance, is suitable as a sensor having a predetermined size and substance structure.
【0018】超微粒子は粒径が数十nm以下のクラスタ
ー状の原子集団を云い、金属超微粒子、金属酸化物超微
粒子、シリコン超微粒子、SiC超微粒子など多種類の
超微粒子が製造されている。その製造方法および製造条
件によって、単結晶状または単結晶性の強い多結晶状
で、各種の粒径の超微粒子が製造できることが分かって
いる。従って、製法と条件を特定すれば、電子構造が同
一で単一ドメインを有した特定粒径の超微粒子を製造す
ることができる。この特定構造の超微粒子をナノチュー
ブの先端に固定することによって、高再現性能を有して
超微粒子により対象物質の表面情報を読み取ったり、対
象物質表面に情報を書きこんだりすることが可能にな
る。Ultrafine particles refer to cluster-like atomic groups having a particle size of several tens of nanometers or less, and various types of ultrafine particles such as metal ultrafine particles, metal oxide ultrafine particles, silicon ultrafine particles, and SiC ultrafine particles are manufactured. . It has been found that ultrafine particles of various particle sizes can be produced in a single crystal state or in a polycrystalline state having strong single crystallinity depending on the production method and production conditions. Therefore, if the production method and the conditions are specified, it is possible to produce ultrafine particles having the same electronic structure and a specific particle size having a single domain. By fixing the ultrafine particles of this specific structure to the tip of the nanotube, it is possible to read the surface information of the target substance with the ultrafine particles and write information on the target substance surface with high reproducibility. .
【0019】この超微粒子ナノチューブプローブは、従
来から存するプローブ顕微鏡、例えば走査型トンネル顕
微鏡、原子間力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、磁気力顕微鏡、
化学力顕微鏡などの探針プローブとして利用できる。そ
れぞれの用途に応じて、特有の物理的・化学的作用を検
知する超微粒子をナノチューブの先端に固定すれば、対
象物質の物理的・化学的な表面情報を得ることができ
る。The ultrafine nanotube probe can be obtained by using a conventional probe microscope such as a scanning tunneling microscope, an atomic force microscope, a friction force microscope, a magnetic force microscope,
It can be used as a probe for chemical force microscope. If ultrafine particles for detecting a specific physical or chemical action are fixed to the tip of the nanotube in accordance with each application, physical and chemical surface information of the target substance can be obtained.
【0020】例えば、超微粒子としてFe、Co、Ni
等の強磁性金属超微粒子を利用すれば、対象物質表面の
磁気を感知するから、その磁性表面構造を読み取ること
ができる。逆に、この強磁性金属超微粒子を磁気ヘッド
として利用すれば、対象物質表面に磁気情報を書きこむ
ことが可能となり、入出力用プローブとすることができ
る。入出力できる磁気情報の単位サイズは超微粒子のサ
イズに依存し、数nm以下、更には1nm以下にまで小
さくすることができ、超高密度化を図ることが可能とな
る。このように超微粒子は極めて小さいので、微小物体
の磁性測定に有効である。例えば、生物細胞内の磁性測
定にはFe2O3やFe2O4等の酸化鉄超微粒子を用
いることができ、ナノチューブプローブとすることによ
り、細胞内の測定位置を自在に極微調整することができ
る。For example, Fe, Co, Ni as ultrafine particles
If the ferromagnetic metal ultrafine particles are used, the magnetism on the surface of the target substance is sensed, so that the magnetic surface structure can be read. Conversely, if these ferromagnetic metal ultrafine particles are used as a magnetic head, it becomes possible to write magnetic information on the surface of the target substance, and it can be used as an input / output probe. The unit size of the magnetic information that can be input and output depends on the size of the ultrafine particles, and can be reduced to several nm or less, and even to 1 nm or less, so that ultra-high density can be achieved. Since the ultrafine particles are extremely small in this way, they are effective for measuring the magnetism of a minute object. For example, iron oxide ultrafine particles such as Fe 2 O 3 and Fe 2 O 4 can be used for magnetic measurement in biological cells, and the measurement position in cells can be freely and minutely adjusted by using a nanotube probe. Can be.
【0021】また、触媒作用を有する超微粒子をセンサ
ー部として用いれば、ナノチューブプローブを触媒用プ
ローブとして活用することができる。例えば、Ni超微
粒子は1,3−シクロオクタジエンの水素化触媒として
利用できるし、Cu−ZnO超微粒子はメタノール合成
触媒として利用できる。これらの超微粒子を粉体として
単に分散配置させるのではなく、ナノチューブに固定す
ることにより、触媒配置を正確に調整でき、触媒効率の
高度化を図ることができる。また、触媒反応測定用のプ
ローブとすることもできる。Further, if ultrafine particles having a catalytic action are used as the sensor section, the nanotube probe can be used as a catalyst probe. For example, Ni ultrafine particles can be used as a hydrogenation catalyst for 1,3-cyclooctadiene, and Cu-ZnO ultrafine particles can be used as a methanol synthesis catalyst. By fixing these ultrafine particles to the nanotubes instead of simply dispersing and dispersing them as a powder, the catalyst arrangement can be accurately adjusted, and the catalyst efficiency can be improved. Further, it can be used as a probe for measuring a catalytic reaction.
【0022】超微粒子をナノチューブの先端に固定する
方法として、現在のところ二つの方法がある。一つ目
は、ナノチューブと超微粒子を別個に製造しておき、ナ
ノチューブの先端面或いは先端を切断した切断面に超微
粒子を極微接近させて原子間力により結合させる方法で
ある。またはナノチューブの先端面や切断面の2重結合
を光照射・化学反応などで開いて、その結合の手に超微
粒子を化学結合させる方法もある。その結合部に電子ビ
ーム照射やレーザービーム照射して融着により結合を強
化することもできる。これらの一連の操作は電子顕微鏡
内で直接観察しながら行なうことができる。二つ目は、
ナノチューブと超微粒子を同時又は前後に結晶成長させ
る方法である。この方法には半導体技術に用いられてい
る化学的気相成長法(CVD法)などの各種の方法が利
用できる。例えば、基板上に超微粒子を成長させ、次に
その表面付近に炭素化合物ガスを流通させると、熱分解
により炭素分子が超微粒子の根本部分に成長してカーボ
ンナノチューブとして成長し、その先端に超微粒子を担
持することになる。At present, there are two methods for fixing ultrafine particles to the tip of a nanotube. The first is a method in which the nanotubes and the ultrafine particles are separately manufactured, and the ultrafine particles are brought extremely close to the tip surface of the nanotube or a cut surface obtained by cutting the tip, and are bonded by an atomic force. Alternatively, there is a method in which a double bond at the tip end surface or cut surface of the nanotube is opened by light irradiation, a chemical reaction, or the like, and the ultrafine particles are chemically bonded to the bonding hand. The joint can be reinforced by irradiating the joint with an electron beam or a laser beam. These series of operations can be performed while directly observing in an electron microscope. The second is,
This is a method in which nanotubes and ultrafine particles are grown simultaneously or before and after. Various methods such as chemical vapor deposition (CVD) used in semiconductor technology can be used for this method. For example, when ultrafine particles are grown on a substrate and then a carbon compound gas is flowed near the surface, carbon molecules grow by thermal decomposition at the root of the ultrafine particles and grow as carbon nanotubes, and at the tip thereof, It will carry fine particles.
【0023】センサー部としてフラーレンを用いること
ができる。フラーレンはサッカーボール状物質、即ち球
殻分子の総称で、1985年にグラファイトを高エネル
ギーレーザーで照射して得られた蒸気冷却物の中に第1
号のC60が発見された。現在では原子数70〜100
の高級フラーレン、それ以上の巨大フラーレンも発見さ
れ、これらの合成法も確立している。これらのフラーレ
ンは、炭素のsp2軌道が作る五員環と六員環で構成さ
れており、中には七員環を含むものも発見されている。Fullerene can be used as the sensor. Fullerene is a generic term for soccer ball-like substances, that is, spherical shell molecules, and is the first in a steam cooled product obtained by irradiating graphite with a high energy laser in 1985.
Issue C60 was discovered. At present 70-100 atoms
High-quality fullerenes and larger giant fullerenes have been discovered, and their synthesis has been established. These fullerenes are composed of a five-membered ring and a six-membered ring formed by carbon sp 2 orbitals, and some of them include a seven-membered ring.
【0024】フラーレンを図形として理論的に考えた場
合に、オイラーの多面体定理から、五員環は12個含ま
れ、六員環は全原子の数によって変化することが分かっ
ている。また、12個の五員環は隣接しないという孤立
五員環則が数学的に満たされると考えられている。これ
らの数学的規則から考察すると、高級フラーレンにはC
70、C76、C78等があり、巨大フラーレンにはC
240、C540、C960等が存在することが分か
る。また、実験的にもそれらの存在が確認されている。When fullerenes are theoretically considered as figures, Euler's polyhedron theorem shows that 12 five-membered rings are included and that six-membered rings vary with the number of all atoms. It is also considered that the isolated five-membered ring rule that twelve five-membered rings are not adjacent is mathematically satisfied. Considering these mathematical rules, higher fullerenes have C
70 , C 76 , C 78, etc.
It can be seen that 240 , C 540 , C 960 and the like exist. In addition, their existence has been confirmed experimentally.
【0025】フラーレンは炭素ススの中に大量に含まれ
ていることが確認されている。従って、特定構造のフラ
ーレンの製造方法は、ススの製造法とススからの特定フ
ラーレンの分離法からなる。フラーレンのススの製造法
には抵抗加熱法やアーク放電法等があるが、直流アーク
放電法が多く利用される。即ち、グラファイト電極間に
直流電圧を印加してアーク放電を起こさせると、生成さ
れるススの中に各種炭素数のフラーレンが混在するので
ある。次に、このススをクロマトグラフィの技術で分離
する。特に液体クロマトグラフィやカラムクロマトグラ
フィを用いれば特定炭素原子数のフラーレンを容易に分
離することができる。It has been confirmed that fullerene is contained in large amounts in carbon soot. Therefore, the method for producing fullerene having a specific structure includes a method for producing soot and a method for separating specific fullerene from soot. The method of producing fullerene soot includes a resistance heating method and an arc discharge method, and a direct current arc discharge method is often used. That is, when a DC voltage is applied between the graphite electrodes to cause an arc discharge, fullerenes of various carbon numbers are mixed in the generated soot. Next, the soot is separated by a technique of chromatography. In particular, fullerene having a specific number of carbon atoms can be easily separated by using liquid chromatography or column chromatography.
【0026】例えば、ポリスチレン系のカラムを用い、
展開溶液をベンゼンや二硫化炭素として、高速液体クロ
マトグラフを行うことにより、C76、C78、
C82、C84、C90、C96等のフラーレンを分離
することができる。原子数が決まったフラーレンは異性
体の区別を除けば同一の電子構造をとると考えてよい。
また、最近では、同一サイズのフラーレンを構造異性体
毎に分離することも可能になってきた。この段階まで行
けば、電子状態が同一である特定構造のフラーレンを大
量に製造することができる。このサイズや構造の決まっ
たフラーレンをナノチューブ先端に固定することによ
り、ナノチューブの異同に関係なく対象物質の表面構造
を高精度に再現可能に読み取ることができ、また情報を
対象表面に書き込むことも可能になる。For example, using a polystyrene column,
By performing high performance liquid chromatography using the developing solution as benzene or carbon disulfide, C 76 , C 78 ,
Fullerenes such as C 82 , C 84 , C 90 and C 96 can be separated. Fullerenes having a fixed number of atoms may be considered to have the same electronic structure except for isomers.
Recently, it has become possible to separate fullerenes of the same size for each structural isomer. By going to this stage, a large number of fullerenes having a specific structure having the same electronic state can be produced. By fixing this fullerene of fixed size and structure to the tip of the nanotube, it is possible to read the surface structure of the target substance with high accuracy and reproducibility regardless of the difference of nanotubes, and it is also possible to write information on the target surface become.
【0027】金属を内包したフラーレンを製造すること
もできる。例えば、グラファイト粉末と金属酸化物を適
当な割合で混合し、この混合物にグラファイトセメント
を加えて棒状電極の形に成形する。この棒状電極をアル
ゴン雰囲気中でゆっくり加熱して、最終的に1200℃
で10時間くらい加熱すると電極として完成する。この
電極を用いてアーク放電させ、得られたススを溶媒抽出
して特定構造のフラーレンを分離する。このフラーレン
の中には金属原子が閉じこめられている。金属原子とし
てはLa、Y、Sc等があるが、金属酸化物を変更する
ことによって、所望の金属原子をフラーレン中に包含さ
せることができる。A fullerene containing a metal can also be manufactured. For example, graphite powder and a metal oxide are mixed at an appropriate ratio, and graphite cement is added to the mixture to form a rod-shaped electrode. This rod-shaped electrode was slowly heated in an argon atmosphere, and finally 1200 ° C.
After heating for about 10 hours, the electrode is completed. Arc discharge is performed using this electrode, and the obtained soot is extracted with a solvent to separate fullerene having a specific structure. Metal atoms are confined in this fullerene. There are La, Y, Sc and the like as the metal atom. By changing the metal oxide, a desired metal atom can be included in the fullerene.
【0028】この特定構造のフラーレンをナノチューブ
に固定するには次のような方法がある。まず、ナノチュ
ーブとフラーレンを別個に製造しておく。次に、ナノチ
ューブの先端を切断して、その切断面にフラーレンを極
微接近させて原子間力により結合させる。この結合部に
電子ビーム照射やレーザービーム照射して結合を強化す
ることもできる。これらの一連の操作は電子顕微鏡内で
実観察しながら行われる。There are the following methods for fixing the fullerene having the specific structure to the nanotube. First, nanotubes and fullerenes are manufactured separately. Next, the tip of the nanotube is cut, and fullerene is brought extremely close to the cut surface to be bonded by an atomic force. The joint can be reinforced by irradiating the joint with an electron beam or a laser beam. These series of operations are performed while actually observing in an electron microscope.
【0029】こうして完成したナノチューブは、ナノチ
ューブに多少のサイズのバラツキがあっても、物質表面
を観測するセンサー部は特定構造のフラーレンであるか
ら、同一対象表面からは同一の信号を高精度に再現する
ことができる。従って、ナノチューブの構造のバラツキ
に影響されずに、高精度に物質表面を測定・操作できる
ナノチューブプローブを提供できる。In the thus completed nanotube, even if the nanotube has some size variation, since the sensor section for observing the material surface is a fullerene having a specific structure, the same signal is accurately reproduced from the same target surface. can do. Therefore, it is possible to provide a nanotube probe capable of measuring and manipulating a material surface with high accuracy without being affected by variations in the structure of the nanotube.
【0030】このフラーレンナノチューブプローブは、
従来から存するプローブ顕微鏡、例えば走査型トンネル
顕微鏡、原子間力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、磁気力顕微
鏡、化学力顕微鏡などの探針プローブとして利用でき
る。それぞれの用途に応じて、特有の物理的・化学的作
用を検知するフラーレンをナノチューブの先端に固定す
れば、対象物質の物理的・化学的な表面情報を得ること
ができる。This fullerene nanotube probe is
It can be used as a probe for existing probe microscopes such as a scanning tunneling microscope, an atomic force microscope, a friction force microscope, a magnetic force microscope, and a chemical force microscope. If fullerenes for detecting specific physical and chemical actions are fixed to the tips of the nanotubes according to each application, physical and chemical surface information of the target substance can be obtained.
【0031】また、特定の物理的・化学的情報を検知す
る原子をフラーレンに内包し、この原子内包フラーレン
をナノチューブに固定すれば、対象表面の特定情報を検
出することができる。例えば、Fe、Co、Niのよう
な強磁性金属原子を内包させると、前述した超微粒子と
同様に、対象表面の磁気構造を検出できる。又逆に、対
象物質表面が磁気記録媒体であれば、このフラーレンナ
ノチューブプローブを用いて特定情報を書き込むことも
できる。Further, by enclosing atoms for detecting specific physical and chemical information in fullerene and fixing the atom-encapsulated fullerene to the nanotube, specific information on the surface of the object can be detected. For example, when a ferromagnetic metal atom such as Fe, Co, or Ni is included, the magnetic structure on the target surface can be detected as in the case of the ultrafine particles described above. Conversely, if the surface of the target substance is a magnetic recording medium, specific information can be written using this fullerene nanotube probe.
【0032】本発明で用いられるナノチューブは、カー
ボンナノチューブ、BCN系ナノチューブ、BN系ナノ
チューブ等のナノチューブである。その中でもカーボン
ナノチューブ(以下、CNTとも称する)が最初に発見
された。従来、カーボンの安定な同素体としてダイヤモ
ンド、グラファイトおよび非晶質カーボンが知られてい
た。ところが、1991年に直流アーク放電によって生
成される陰極堆積物の中に、筒状構造のカーボンナノチ
ューブの存在が認められた。The nanotube used in the present invention is a nanotube such as a carbon nanotube, a BCN-based nanotube, and a BN-based nanotube. Among them, carbon nanotubes (hereinafter, also referred to as CNT) were first discovered. Conventionally, diamond, graphite, and amorphous carbon have been known as stable allotropes of carbon. However, in 1991, the presence of carbon nanotubes having a tubular structure was recognized in the cathode deposits generated by the DC arc discharge.
【0033】このカーボンナノチューブの発見に基づい
てBCN系ナノチューブが合成された。例えば、非晶質
ホウ素とグラファイトの混合粉末をグラファイト棒に詰
め込み、窒素ガス中で蒸発させる。また、焼結BN棒を
グラファイト棒に詰め込み、ヘリウムガス中で蒸発させ
る。更に、BC4Nを陽極、グラファイトを陰極にして
ヘリウムガス中でアーク放電させる。これらの方法でカ
ーボンナノチューブ中のC原子が一部B原子とN原子に
置換したBCN系ナノチューブが合成されたり、BN層
とC層が同心状に積層した多層ナノチューブが合成され
る。Based on the discovery of this carbon nanotube, a BCN-based nanotube was synthesized. For example, a mixed powder of amorphous boron and graphite is packed in a graphite rod and evaporated in nitrogen gas. Further, the sintered BN rod is packed in a graphite rod and evaporated in helium gas. Further, arc discharge is performed in helium gas using BC 4 N as an anode and graphite as a cathode. By these methods, BCN-based nanotubes in which C atoms in carbon nanotubes are partially replaced by B atoms and N atoms are synthesized, or multi-walled nanotubes in which BN layers and C layers are concentrically stacked are synthesized.
【0034】またごく最近では、BN系ナノチューブが
合成された。これはC原子をほとんど含有しないナノチ
ューブである。例えば、カーボンナノチューブとB2O
3粉末をるつぼの中に入れて窒素ガス中で加熱する。こ
の結果、カーボンナノチューブ中のC原子のほとんどが
B原子とN原子に置換されたBN系ナノチューブに変換
できる。勿論、これら以外の種々のナノチューブも利用
できる。More recently, BN-based nanotubes have been synthesized. This is a nanotube containing almost no C atoms. For example, carbon nanotubes and B 2 O
3 Put the powder in a crucible and heat in nitrogen gas. As a result, it can be converted to a BN-based nanotube in which most of the C atoms in the carbon nanotube are replaced with B atoms and N atoms. Of course, various other nanotubes can also be used.
【0035】本発明のナノチューブプローブを製造する
には二つの方法がある。一つ目は、ナノチューブにセン
サー部を固定し、その後このセンサー部付きナノチュー
ブの基端部をホルダーに固定する方法である。二つ目
は、ナノチューブの基端部を先にホルダーに固定して、
その後センサー部をナノチューブの先端部に固定する方
法である。There are two methods for producing the nanotube probe of the present invention. The first method is to fix the sensor section to the nanotube, and then fix the base end of the nanotube with the sensor section to the holder. Second, fix the base end of the nanotube to the holder first,
Thereafter, the sensor is fixed to the tip of the nanotube.
【0036】ナノチューブをセンサー部に固定するに
は、配置されたナノチューブの先端にセンサー部を固定
する(又は結晶成長させる)場合、配置されたセンサー
部にナノチューブを固定する(又は結晶成長させる)場
合がある。特に後者では、超微粒子を形成して超微粒子
を押し上げながらナノチューブを形成する場合も含まれ
る。In order to fix the nanotube to the sensor part, the sensor part is fixed to the tip of the arranged nanotube (or the crystal is grown), or the nanotube is fixed to the arranged sensor part (or the crystal is grown). There is. In particular, the latter includes the case where nanotubes are formed while forming ultrafine particles and pushing up the ultrafine particles.
【0037】ナノチューブの基端部をホルダーに固定す
るには二つの方法がある。一つ目は、電界印加またはフ
ァンデルワールス力によりナノチューブをホルダー面上
に転移させ、ナノチューブの先端部を突出させた状態
で、ホルダー面に接触した基端部をコーティング膜によ
り被覆固定する方法である。二つ目は、電界印加または
ファンデルワールス力によりナノチューブをホルダー面
に転移させ、ホルダー面に接触したナノチューブの基端
部をホルダー面に熱融着させる方法である。There are two methods for fixing the base end of the nanotube to the holder. The first method is to transfer the nanotubes onto the holder surface by applying an electric field or Van der Waals force, and fix the base end in contact with the holder surface with a coating film with the tip of the nanotube protruding. is there. The second is a method in which the nanotube is transferred to the holder surface by applying an electric field or Van der Waals force, and the base end portion of the nanotube in contact with the holder surface is thermally fused to the holder surface.
【0038】センサー付きナノチューブの形成とそのホ
ルダーへの取り付けを同時に行うこともできる。具体的
には、カンチレバーのシリコンピラミッドの表面に金属
膜を形成し、更に加熱して金属膜を金属超微粒子にし、
続いて炭素化合物ガスを流通させて金属超微粒子を押し
上げるようにカーボンナノチューブを形成する。こうす
ればカンチレバーのピラミッドにセンサー付きナノチュ
ーブを一気に形成することになり、製造工程の簡易化を
図ることができる。炭素化合物の中でも炭化水素が好ま
しい。The formation of the sensor-equipped nanotube and its attachment to the holder can be performed simultaneously. Specifically, a metal film is formed on the surface of the silicon pyramid of the cantilever, and further heated to turn the metal film into ultrafine metal particles,
Subsequently, carbon nanotubes are formed so as to push up ultrafine metal particles by flowing a carbon compound gas. In this case, the nanotubes with the sensor are formed at once in the pyramid of the cantilever, and the manufacturing process can be simplified. Among the carbon compounds, hydrocarbons are preferred.
【0039】[0039]
【実施例】[実施例1:超微粒子付きナノチューブの形
成]図1(A)〜(D)は超微粒子付きナノチューブの
中で、特に超微粒子付きカーボンナノチューブの形成方
法の工程図である。図1(A)の酸化鉄を表面に持つシ
リコン基板2の表面に厚さ10nmのNiの金属膜4を
蒸着法で形成する(図1(B))。これを直径28mm
で長さが50cmの円筒容器に入れ、Heガスを50s
ccmの流量で流しながら真空度を60mTorrに保
持する。毎分120℃の温度上昇率で800℃まで加熱
して1時間熱処理すると、図1(C)に示すように、シ
リコン基板2上でNiの金属膜4が多数のNiの超微粒
子6に変化し、その直径は約20nmである。次に、真
空を壊すことなく、60mTorrの真空度を保持しな
がら、C6H6ガスを10sccmの流量で1時間流す
と、Ni超微粒子6の脱水素触媒反応により、Ni超微
粒子6の下端に炭素原子が蓄積してカーボンナノチュー
ブ8が形成される。このカーボンナノチューブ8はNi
超微粒子6を押し上げながら成長し、超微粒子付きカー
ボンナノチューブ10が形成される。EXAMPLES Example 1 Formation of Nanotubes with Ultrafine Particles FIGS. 1A to 1D are process diagrams of a method of forming carbon nanotubes with ultrafine particles, among the nanotubes with ultrafine particles. A 10 nm-thick Ni metal film 4 is formed on the surface of the silicon substrate 2 having the iron oxide surface shown in FIG. 1A by a vapor deposition method (FIG. 1B). This is 28mm in diameter
And put it in a cylindrical container with a length of 50 cm and supply He gas for 50 s.
The degree of vacuum is maintained at 60 mTorr while flowing at a flow rate of ccm. Heating to 800 ° C. at a rate of temperature increase of 120 ° C. per minute and heat-treating for 1 hour, the Ni metal film 4 changes into a large number of Ni ultrafine particles 6 on the silicon substrate 2 as shown in FIG. And its diameter is about 20 nm. Next, the C 6 H 6 gas is flowed at a flow rate of 10 sccm for 1 hour without breaking the vacuum and maintaining a vacuum degree of 60 mTorr, and the lower end of the Ni ultra-fine particles 6 is caused by the dehydrogenation catalytic reaction of the Ni ultra-fine particles 6. The carbon atoms accumulate in the carbon nanotubes 8 to form carbon nanotubes 8. This carbon nanotube 8 is made of Ni
The ultrafine particles 6 grow while being pushed up, and the carbon nanotubes 10 with ultrafine particles are formed.
【0040】図2は超微粒子付きカーボンナノチューブ
10の断面図である。カーボンナノチューブ8の直径d
は15〜150nmに分布し、平均は45nmであっ
た。Niの超微粒子6の直径Dは前記直径dよりやや大
きいが、直径Dを小さくするには、Ni金属膜4の厚さ
を薄くしたり、超微粒子化するための加熱処理時間を短
くする等の方法がある。FIG. 2 is a sectional view of the carbon nanotube 10 with ultrafine particles. Diameter d of carbon nanotube 8
Distributed between 15 and 150 nm, with an average of 45 nm. Although the diameter D of the Ni ultrafine particles 6 is slightly larger than the diameter d, the diameter D can be reduced by reducing the thickness of the Ni metal film 4 or shortening the heat treatment time for forming ultrafine particles. There is a method.
【0041】図3は超微粒子付きカーボンナノチューブ
10をAFM用カンチレバー12のピラミッド14に転
移させる工程図である。この場合、ピラミッド14が超
微粒子付きカーボンナノチューブ10の取り付け用のホ
ルダーになる。超微粒子付きカーボンナノチューブ10
を形成したシリコン基板2とカンチレバー12間に直流
電源16により直流電界を形成し、この静電界力により
超微粒子付きカーボンナノチューブ10をピラミッド1
4に飛跳転移させる。この場合、超微粒子6が先端に突
出し、カーボンナノチューブ8の軸がカンチレバー12
にほぼ垂直になり、その基端部8aがピラミッド14に
接合するように調整される。これらの操作は電子顕微鏡
の中で直接観察しながら行われる。直流電源16の電極
の向きはナノチューブの帯電性に応じて調整される。FIG. 3 is a process diagram for transferring the carbon nanotubes 10 with ultrafine particles to the pyramid 14 of the cantilever 12 for AFM. In this case, the pyramid 14 becomes a holder for mounting the carbon nanotubes 10 with ultrafine particles. Carbon nanotubes with ultrafine particles 10
A DC electric field is formed by a DC power supply 16 between the silicon substrate 2 on which is formed and the cantilever 12, and the carbon nanotubes 10 with ultrafine particles are pyramid 1
4. Jump to 4. In this case, the ultrafine particles 6 protrude to the tip, and the axis of the carbon nanotube 8 is aligned with the cantilever 12.
And the base end 8 a is adjusted so as to join the pyramid 14. These operations are performed while directly observing in an electron microscope. The direction of the electrodes of the DC power supply 16 is adjusted according to the chargeability of the nanotube.
【0042】図4は超微粒子付きカーボンナノチューブ
10をピラミッド14に固定する工程図である。カーボ
ンナノチューブ8の基端部8aを電子ビーム16で照射
すると、基端部8aが変成して融着部8bとなり、ピラ
ミッド14に熱融着で固定される。FIG. 4 is a process diagram for fixing the carbon nanotubes 10 with ultrafine particles to the pyramid 14. When the base end portion 8a of the carbon nanotube 8 is irradiated with the electron beam 16, the base end portion 8a is denatured to become a fusion portion 8b, and is fixed to the pyramid 14 by heat fusion.
【0043】図5はNi超微粒子6の磁化工程図であ
る。この試料では、ナノチューブ直径dは25nm、N
i超微粒子直径Dは35nm、先端長Lは400nmで
ある。このNi超微粒子6に対し、10msの間だけ1
2.5テスラのパルス磁場Bを加えて磁化する。Ni超
微粒子6は単一ドメインの強磁性体であり、このパルス
磁化によって単一磁化ドメインを持った高分解能磁気検
出用のナノチューブプローブ16として活用できるよう
になる。FIG. 5 is a diagram showing a magnetizing process of the Ni ultrafine particles 6. In this sample, the nanotube diameter d is 25 nm, N
i The ultrafine particle diameter D is 35 nm, and the tip length L is 400 nm. For this Ni ultrafine particle 6, 1 for only 10 ms.
It magnetizes by applying a pulse magnetic field B of 2.5 Tesla. The Ni ultrafine particles 6 are a single-domain ferromagnetic material, and this pulse magnetization makes it possible to use them as a nanotube probe 16 having a single magnetization domain for high-resolution magnetic detection.
【0044】図6は高分解能磁気検出用のナノチューブ
プローブの使用状態図であり、このナノチューブプロー
ブ16を用いて磁気記録媒体18の表面磁気情報20を
測定する。超微粒子6の表面への接近距離ADは50〜
100nmが好ましいが、ファンデルワールス力の影響
を避けるために80nmに設定された。FIG. 6 is a use state diagram of a nanotube probe for high-resolution magnetic detection, and the surface magnetic information 20 of the magnetic recording medium 18 is measured using the nanotube probe 16. The approach distance AD to the surface of the ultrafine particles 6 is 50 to
100 nm is preferred, but set to 80 nm to avoid the effects of Van der Waals forces.
【0045】図7はコンピュータに表示された磁気記録
媒体18の磁気像である。走査対象は20μm×20μ
mの領域で、磁気トラックの間隔は1.5μmである。
このように、本発明のナノチューブプローブ16によっ
て、表面磁気構造が詳細に現出できることが分かった。
逆に、このナノチューブプローブ16を用いて磁気記録
媒体に対し磁気情報を書き込むこともできる。図示しな
い電子装置によりNi超微粒子6に磁気信号を与えなが
ら磁気記録媒体表面を走査すると、次々と磁気信号が書
き込まれて行くことになる。FIG. 7 is a magnetic image of the magnetic recording medium 18 displayed on a computer. Scanning object is 20μm × 20μ
In the area of m, the interval between the magnetic tracks is 1.5 μm.
As described above, it was found that the surface magnetic structure can be revealed in detail by the nanotube probe 16 of the present invention.
Conversely, magnetic information can be written to a magnetic recording medium using the nanotube probe 16. When the surface of the magnetic recording medium is scanned while a magnetic signal is applied to the Ni ultrafine particles 6 by an electronic device (not shown), the magnetic signals are written one after another.
【0046】図8はナノチューブ8をホルダーに固定す
る他の方法を示す工程図である。この場合、ホルダーは
ピラミッド14であり、ナノチューブ8とカンチレバー
12間に電源22を介して電流を流し、基端部8aを融
着部8bに変成させてピラミッドに固定する。FIG. 8 is a process chart showing another method for fixing the nanotube 8 to the holder. In this case, the holder is a pyramid 14, and a current flows between the nanotube 8 and the cantilever 12 via a power supply 22, and the base end 8a is transformed into a fused portion 8b and fixed to the pyramid.
【0047】図9は更に他の固定方法を示す工程図であ
る。電子顕微鏡内には不純物として炭素化合物が含まれ
ている。従って、ナノチューブ近傍を電子ビーム16に
より照射すると炭素化合物が分解し、ナノチューブ8の
基端部8a上に炭素皮膜であるコーティング膜24が堆
積形成される。このコーティング膜24によりカーボン
ナノチューブ8はピラミッド14に強固に固定される。
コーティング膜24の形成方法には、上記方法以外に物
理蒸着法や化学蒸着法(CVD法)などの公知の各種方
法が利用できる。このコーティング膜法では、カーボン
ナノチューブ8の先端部上にもコーティング膜を形成で
きるから、カーボンナノチューブ8を太くすることによ
って共振を抑制でき、精度向上の効果を有する。FIG. 9 is a process chart showing still another fixing method. The electron microscope contains a carbon compound as an impurity. Therefore, when the vicinity of the nanotube is irradiated with the electron beam 16, the carbon compound is decomposed, and a coating film 24 which is a carbon film is deposited and formed on the base end 8 a of the nanotube 8. The carbon nanotubes 8 are firmly fixed to the pyramid 14 by the coating film 24.
As the method for forming the coating film 24, various known methods such as a physical vapor deposition method and a chemical vapor deposition method (CVD method) can be used in addition to the above methods. In this coating film method, since a coating film can be formed on the tip of the carbon nanotubes 8, resonance can be suppressed by increasing the thickness of the carbon nanotubes 8, and the effect of improving accuracy can be obtained.
【0048】図10は本発明に係る前記ナノチューブプ
ローブ16を原子間力顕微鏡(AFM)に適用した構成
図である。ナノチューブプローブ16の先端にある超微
粒子が試料面に当接し、試料表面情報を正確に読み取る
ことができる。このナノチューブプローブ16は図示し
ないホルダーセット部に着脱自在に固定される。探針の
交換時にはプローブ16の全体が交換される。この場合
に、探針はセンサー部付きナノチューブである。試料2
6はピエゾ素子からなる走査駆動部28によりXYZ方
向に駆動される。30は半導体レーザー装置、32は反
射ミラー、33は二分割光検出器、34はXYZ走査回
路、35はAFM表示装置、36はZ軸検出回路であ
る。FIG. 10 is a configuration diagram in which the nanotube probe 16 according to the present invention is applied to an atomic force microscope (AFM). The ultrafine particles at the tip of the nanotube probe 16 abut on the sample surface, and the sample surface information can be accurately read. The nanotube probe 16 is detachably fixed to a holder set (not shown). When the probe is replaced, the entire probe 16 is replaced. In this case, the probe is a nanotube with a sensor. Sample 2
Reference numeral 6 is driven in the XYZ directions by a scan driver 28 composed of piezo elements. Reference numeral 30 denotes a semiconductor laser device, 32 denotes a reflection mirror, 33 denotes a two-segment photodetector, 34 denotes an XYZ scanning circuit, 35 denotes an AFM display device, and 36 denotes a Z-axis detection circuit.
【0049】試料26をナノチューブプローブ16に対
し所定の斥力位置になるまでZ軸方向に接近させ、その
後、Z位置を固定した状態で走査回路34で走査駆動部
28をXY方向に走査する。このとき、表面原子の凹凸
でカンチレバー12が撓み、反射したレーザービームL
Bが二分割光検出器33に位置変位して入射する。上下
の検出器33a、33bの光検出量の差からZ軸方向の
変位量をZ軸検出回路36で算出し、この変位量を原子
の凹凸量としてAFM表示装置35に表面原子像を表示
する。この装置では、試料26をXYZ走査する構成に
しているが、プローブ16をXYZ走査しても構わな
い。The sample 26 is made to approach the nanotube probe 16 in the Z-axis direction until it reaches a predetermined repulsive position, and then the scanning circuit 34 scans the XY direction by the scanning circuit 34 with the Z position fixed. At this time, the cantilever 12 bends due to the unevenness of the surface atoms, and the reflected laser beam L
B enters the split photodetector 33 with its position displaced. The Z-axis direction displacement is calculated by the Z-axis detection circuit 36 from the difference between the light detection amounts of the upper and lower detectors 33a and 33b, and the displacement amount is displayed on the AFM display device 35 as the amount of atomic irregularities on the AFM display device 35. . In this apparatus, the sample 26 is configured to perform XYZ scanning, but the probe 16 may be configured to perform XYZ scanning.
【0050】図11は本発明に係るナノチューブプロー
ブを適用した走査型トンネル顕微鏡(STM)の構成図
である。超微粒子付きナノチューブ10を探針として平
板状のホルダー15に固着してナノチューブプローブ1
6を構成する。固定法は融着法、コーティング膜法また
その他方法でもよい。このホルダー15をホルダーセッ
ト部17の切り溝17aに嵌合してバネ圧で着脱自在に
固定する。Xピエゾ28x、Yピエゾ28y、Zピエゾ
28zからなる走査駆動部28はホルダーセット部17
をXYZの3次元方向に伸縮走査してナノチューブプロ
ーブ16の試料26に対する走査を実現する。37はバ
イアス電源、38はトンネル電流検出回路、39はZ軸
制御回路、40はSTM表示装置、41はXY走査回路
である。FIG. 11 is a configuration diagram of a scanning tunneling microscope (STM) to which the nanotube probe according to the present invention is applied. The nanotube 10 with the ultrafine particles is fixed to a flat holder 15 as a probe and attached to the nanotube probe 1.
6 is constituted. The fixing method may be a fusion method, a coating film method or another method. The holder 15 is fitted in the cut groove 17a of the holder setting section 17 and is detachably fixed by spring pressure. The scanning drive unit 28 including the X piezo 28x, the Y piezo 28y, and the Z piezo 28z
Is scanned in the XYZ three-dimensional direction to realize scanning of the nanotube probe 16 on the sample 26. 37 is a bias power supply, 38 is a tunnel current detection circuit, 39 is a Z-axis control circuit, 40 is an STM display device, and 41 is an XY scanning circuit.
【0051】各XY位置においてトンネル電流が一定に
なるようにZ軸制御回路でナノチューブプローブ16を
Z方向に伸縮制御し、この移動量がZ軸方向の凹凸量に
なる。ナノチューブプローブ16をXY走査するに従い
STM表示装置40に試料26の表面原子像が表示され
る。本発明ではナノチューブプローブを交換する場合に
は、ホルダー15をホルダーセット部17から取り外し
てプローブ16として一体で交換する。The nanotube probe 16 is controlled to expand and contract in the Z direction by the Z-axis control circuit so that the tunnel current is constant at each XY position, and the amount of movement becomes the amount of unevenness in the Z-axis direction. As the nanotube probe 16 is scanned in the X and Y directions, a surface atom image of the sample 26 is displayed on the STM display device 40. In the present invention, when exchanging the nanotube probe, the holder 15 is removed from the holder set portion 17 and exchanged as the probe 16 integrally.
【0052】図12はC60というフラーレンの拡大図
である。このフラーレンは12個の五角形と20個の六
角形から構成され、五角形は相互に隣接しないと云う孤
立五員環則が成立している。更に大きなフラーレンでは
六角形の数が増大することが分かっている。このフラー
レンをセンサー部としてナノチューブの先端に固定すれ
ば、高分解能を有したナノチューブプローブを形成でき
る。[0052] FIG. 12 is an enlarged view of the fullerene of C 60. This fullerene is composed of 12 pentagons and 20 hexagons, and the isolated five-membered ring rule that the pentagons are not adjacent to each other is established. Larger fullerenes have been found to increase the number of hexagons. If this fullerene is fixed to the tip of the nanotube as a sensor part, a nanotube probe having high resolution can be formed.
【0053】図13(A)〜(B)はフラーレンをセン
サー部としたナノチューブプローブの製造工程図であ
る。工程(A)のナノチューブ8は、CNT系ナノチュ
ーブ、BCN系ナノチューブ、BN系ナノチューブ等の
いずれのナノチューブであってもよい。工程(B)でナ
ノチューブ8の所要部、主には先端部を切断する。工程
(C)で、切断面8cにフラーレン7をファンデルワー
ルス力で接着させて、フラーレン付きナノチューブ11
を形成する。この接着を強力にするために、電子ビーム
照射や電流加熱により両者を結合部で融着させることも
できる。FIGS. 13 (A) and 13 (B) are manufacturing process diagrams of a nanotube probe using fullerene as a sensor. The nanotube 8 in the step (A) may be any nanotube such as a CNT-based nanotube, a BCN-based nanotube, and a BN-based nanotube. In the step (B), a required portion of the nanotube 8, mainly a tip portion, is cut. In the step (C), the fullerene 7 is adhered to the cut surface 8c by van der Waals force, and the fullerene-attached nanotube 11 is attached.
To form In order to strengthen this bonding, both can be fused at the joint by electron beam irradiation or current heating.
【0054】図14はフラーレン付きナノチューブの他
の形成方法を示している。ナノチューブ8の先端は通常
は閉じており、この閉口した先端面において、光励起や
触媒などを利用してその二重結合を開く。同様にフラー
レンの二重結合も開き、両者の結合の手を結ぱせること
によって、フラーレン付きナノチューブ11を形成でき
る。この方法は先端が開口したナノチューブに対しても
適用できる。ここで開口したとは、切断して開口させた
場合と、自然状態で開口している場合の両者を含む。FIG. 14 shows another method for forming fullerene-attached nanotubes. Normally, the tip of the nanotube 8 is closed, and the double bond is opened at the closed tip using light excitation or a catalyst. Similarly, the fullerene double bond is also opened, and a fullerene-attached nanotube 11 can be formed by connecting both hands. This method can be applied to nanotubes with open ends. Here, the term “opened” includes both the case where it is cut and opened and the case where it is opened in a natural state.
【0055】このフラーレン付きナノチューブ11の基
端部を図示しないホルダーに固定して、ナノチューブプ
ローブを構成できる。固定方法には前述したコーティン
グ膜法や融着法などが利用できる。このようにすれば、
ナノチューブ8の太さや構造が多少変わっても、フラー
レン7さえ同一の構造であれば、同一の対象表面からは
常に同一の信号を高精度に再現することができる。By fixing the base end of the fullerene-attached nanotube 11 to a holder (not shown), a nanotube probe can be formed. As the fixing method, the above-mentioned coating film method, fusion method and the like can be used. If you do this,
Even if the thickness and structure of the nanotube 8 slightly change, the same signal can always be reproduced with high accuracy from the same target surface as long as the fullerene 7 has the same structure.
【0056】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種
々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含す
るものである。The present invention is not limited to the above embodiments, but includes various modifications and design changes within the technical scope of the present invention without departing from the technical concept of the present invention.
【0057】[0057]
【発明の効果】請求項1の発明によれば、新規な構造の
ナノチューブを提供でき、各種の物質表面に感応するナ
ノチューブを提供できる。請求項2の発明によれば、特
定構造の超微粒子をセンサー部として利用でき、ナノチ
ューブの異同に関係なく、高精度に物質表面に感応する
ナノチューブを提供できる。請求項3の発明によれば、
対象物質の磁気構造に感応するナノチューブを提供で
き、また対象物質に磁気書き込みできるナノチューブ提
供できる。請求項4の発明によれば、特定構造のフラー
レンをセンサー部として利用でき、ナノチューブの異同
に関係なく、高精度に物質表面に感応するナノチューブ
を提供できる。請求項5の発明によれば、金属超微粒子
を先端に形成したカーボンナノチューブを安価に量産す
ることができる。請求項6及び7の発明によれば、フラ
ーレンを先端に形成したナノチューブを安価に量産する
ことができる。According to the first aspect of the present invention, a nanotube having a novel structure can be provided, and a nanotube sensitive to various material surfaces can be provided. According to the second aspect of the present invention, the ultrafine particles having a specific structure can be used as the sensor section, and a nanotube that can highly accurately respond to the material surface regardless of the difference in the nanotube can be provided. According to the invention of claim 3,
A nanotube that responds to the magnetic structure of the target substance can be provided, and a nanotube that can be magnetically written on the target substance can be provided. According to the invention of claim 4, a fullerene having a specific structure can be used as a sensor portion, and a nanotube which is highly sensitive to the material surface can be provided irrespective of the difference of the nanotube. According to the fifth aspect of the invention, carbon nanotubes formed with metal ultrafine particles at their tips can be mass-produced at low cost. According to the sixth and seventh aspects of the present invention, nanotubes having a fullerene at the tip can be mass-produced at low cost.
【0058】請求項8の発明によれば、センサー部をナ
ノチューブ先端に固定するから、ナノチューブの異同に
関係なく、高精度に物質の表面情報を入出力したり、操
作できるナノチューブプローブを提供できる。請求項9
の発明によれば、センサー部が超微粒子であるから、同
一構造の超微粒子を用いて対象物質の表面情報を読みと
り、また書き込んだりできるナノチューブプローブを提
供できる。請求項10の発明によれば、強磁性金属超微
粒子を用いることにより、対象物質の表面磁気情報を読
み取ったり、また磁気情報を書き込んだりできるナノチ
ューブプローブを提供できる。According to the invention of claim 8, since the sensor section is fixed to the tip of the nanotube, it is possible to provide a nanotube probe capable of inputting / outputting and operating surface information of a substance with high accuracy irrespective of the difference between nanotubes. Claim 9
According to the invention, since the sensor section is made of ultrafine particles, it is possible to provide a nanotube probe that can read and write surface information of a target substance using ultrafine particles having the same structure. According to the tenth aspect of the present invention, it is possible to provide a nanotube probe capable of reading surface magnetic information of a target substance and writing magnetic information by using ferromagnetic metal ultrafine particles.
【0059】請求項11の発明によれば、大量に存する
フラーレンを活用して、安価にしかも大量に高分解能の
ナノチューブプローブを提供できる。請求項12の発明
によれば、超微粒子をセンサー部とするナノチューブプ
ローブを安価にしかも大量に量産できる製造方法を提供
できる。請求項13の発明によれば、フラーレンをセン
サー部とするナノチューブプローブを安価にしかも大量
に量産できる製造方法を提供できる。According to the eleventh aspect of the present invention, a high-resolution nanotube probe can be provided at a low cost and in a large amount by utilizing a large amount of fullerenes. According to the twelfth aspect of the present invention, it is possible to provide a manufacturing method capable of mass-producing a nanotube probe using ultrafine particles as a sensor part at low cost and in large quantities. According to the thirteenth aspect, it is possible to provide a manufacturing method capable of mass-producing nanotube probes using fullerene as a sensor part at low cost and in large quantities.
【図1】図1(A)〜(D)は超微粒子付きカーボンナ
ノチューブの形成方法の工程図である。FIGS. 1A to 1D are process diagrams of a method for forming a carbon nanotube with ultrafine particles.
【図2】図2は超微粒子付きカーボンナノチューブの断
面図である。FIG. 2 is a sectional view of a carbon nanotube with ultrafine particles.
【図3】図3は超微粒子付きカーボンナノチューブをホ
ルダーの一種であるAFM用カンチレバーのピラミッド
に転移させる工程図である。FIG. 3 is a process diagram of transferring carbon nanotubes with ultrafine particles to a pyramid of an AFM cantilever which is a kind of a holder.
【図4】図4は超微粒子付きカーボンナノチューブをピ
ラミッドに強固に固定する工程図である。FIG. 4 is a process diagram for firmly fixing the carbon nanotubes with ultrafine particles to a pyramid.
【図5】図5はNi超微粒子の磁化工程図である。FIG. 5 is a diagram showing a process of magnetizing Ni ultrafine particles.
【図6】図6は高分解能磁気検出用のナノチューブプロ
ーブの使用状態図である。FIG. 6 is a use state diagram of a nanotube probe for high-resolution magnetic detection.
【図7】図7はコンピュータに表示された磁気記録媒体
の磁気像である。FIG. 7 is a magnetic image of a magnetic recording medium displayed on a computer.
【図8】図8はナノチューブをホルダーに電流により熱
融着固定する工程図である。FIG. 8 is a process diagram of heat-sealing and fixing the nanotube to the holder by electric current.
【図9】図9はコーティング膜による固定方法を示す工
程図である。FIG. 9 is a process chart showing a fixing method using a coating film.
【図10】図10は本発明に係るナノチューブプローブ
を原子間力顕微鏡(AFM)に適用した構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram in which the nanotube probe according to the present invention is applied to an atomic force microscope (AFM).
【図11】図11は本発明に係るナノチューブプローブ
を走査型トンネル顕微鏡(STM)に適用した構成図で
ある。FIG. 11 is a configuration diagram in which the nanotube probe according to the present invention is applied to a scanning tunneling microscope (STM).
【図12】図12はC60というフラーレンの拡大図で
ある。FIG. 12 is an enlarged view of a fullerene C60.
【図13】図13(A)〜(B)はフラーレンをセンサ
ー部としたナノチューブプローブの製造工程図である。FIGS. 13A and 13B are manufacturing process diagrams of a nanotube probe using fullerene as a sensor unit.
【図14】図14は他の製造方法によるフラーレン付き
ナノチューブの構成図である。FIG. 14 is a configuration diagram of a fullerene-attached nanotube according to another manufacturing method.
【図15】図15は従来のシリコン製のAFM用カンチ
レバーの概念図である。FIG. 15 is a conceptual view of a conventional silicon AFM cantilever.
【図16】図16は従来考えられた磁気プローブの説明
図である。FIG. 16 is an explanatory view of a magnetic probe considered conventionally.
【図17】図17はこの従来磁気プローブで対象物質の
磁気情報を検出する場合の説明図である。FIG. 17 is an explanatory diagram in a case where magnetic information of a target substance is detected by the conventional magnetic probe.
2は酸化膜を表面に持つシリコン基板、4は金属膜、6
は超微粒子、7はフラーレン、8はナノチューブ又はカ
ーボンナノチューブ、8aは基端部、8bは融着部、8
cは切断面、10は超微粒子付きカーボンナノチュー
ブ、11はフラーレン付きナノチューブ、12はAFM
用カンチレバー、14はピラミッド、15はホルダー、
16はナノチューブプローブ、17はホルダーセット
部、17aは切り溝、18は磁気記録媒体、20は磁気
情報、22は電源、24はコーティング膜、28は走査
駆動部、28xはXピエゾ、28yはYピエゾ、28z
はZピエゾ、30は半導体レーザー装置、32は反射ミ
ラー、33は2分割光検出器、34はXYZ走査回路、
35はAFM表示装置、36はZ軸検出回路、37はバ
イアス電源、38はトンネル電流検出回路、39はZ軸
制御回路、40はSTM表示装置、41はXY走査回
路、50はカンチレバー、52はサブストレート、54
はピラミッド状探針、56は先鋭部、58は金属膜、6
0は磁気的ドメイン、62は対象物質、LBはレーザー
ビームである。2 is a silicon substrate having an oxide film on the surface, 4 is a metal film, 6
Is ultrafine particles, 7 is fullerene, 8 is a nanotube or a carbon nanotube, 8a is a base end, 8b is a fused portion, 8
c is a cut surface, 10 is a carbon nanotube with ultrafine particles, 11 is a nanotube with fullerene, 12 is AFM
For cantilever, 14 for pyramid, 15 for holder,
16 is a nanotube probe, 17 is a holder set portion, 17a is a kerf, 18 is a magnetic recording medium, 20 is magnetic information, 22 is a power supply, 24 is a coating film, 28 is a scan driver, 28x is X piezo, and 28y is Y Piezo, 28z
Is a Z piezo, 30 is a semiconductor laser device, 32 is a reflection mirror, 33 is a split photodetector, 34 is an XYZ scanning circuit,
35 is an AFM display device, 36 is a Z-axis detection circuit, 37 is a bias power supply, 38 is a tunnel current detection circuit, 39 is a Z-axis control circuit, 40 is an STM display device, 41 is an XY scanning circuit, 50 is a cantilever, and 52 is a cantilever. Substrate, 54
Is a pyramid-shaped probe, 56 is a sharp point, 58 is a metal film, 6
0 is a magnetic domain, 62 is a target substance, and LB is a laser beam.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G12B 1/00 601 G12B 1/00 601A (72)発明者 秋田 成司 大阪府和泉市池田下町1248番地の4 (72)発明者 原田 昭雄 大阪府大阪市城東区放出西2丁目7番19号 大研化 学工業株式会社内 Fターム(参考) 2F069 AA60 AA66 CC05 CC06 DD26 GG62 JJ08 LL02 LL04 5D093 AA10 AC20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) G12B 1/00 601 G12B 1/00 601A (72) Inventor Seiji Akita 1248 Ikeda-cho, Izumi-shi, Izumi-shi, Osaka 4 (72) Inventor Akio Harada 2-7-19-1 Nishi Nishi, Joto-ku, Osaka City, Osaka Prefecture F-term in Daiken Kagaku Kogyo Co., Ltd. 2F069 AA60 AA66 CC05 CC06 DD26 GG62 JJ08 LL02 LL04 5D093 AA10 AC20
Claims (13)
たことを特徴とするナノチューブ。1. A nanotube comprising a sensor portion provided at the tip of the nanotube.
1記載のナノチューブ。2. The nanotube according to claim 1, wherein the sensor unit is an ultrafine particle.
る請求項2記載のナノチューブ。3. The nanotube according to claim 2, wherein the ultrafine particles are ferromagnetic metal ultrafine particles.
項1記載のナノチューブ。4. The nanotube according to claim 1, wherein the sensor unit is fullerene.
薄膜を加熱して金属超微粒子化し、この金属超微粒子上
に炭素化合物ガスを流通させながら加熱して炭素化合物
を分解させ、超微粒子を押し上げながら炭素成分がその
根本にカーボンナノチューブを形成することを特徴とす
るナノチューブの製造方法。5. A metal thin film is formed on a substrate, the metal thin film is heated to be converted into ultrafine metal particles, and the carbon compound is decomposed by heating while flowing a carbon compound gas over the ultrafine metal particles. A method for producing a nanotube, wherein a carbon component forms a carbon nanotube at its root while pushing up fine particles.
断面にフラーレンを結合させることを特徴とするナノチ
ューブの製造方法。6. A method for producing a nanotube, comprising cutting a required portion of the nanotube and bonding fullerene to the cut surface.
面にフラーレンを結合させることを特徴とするナノチュ
ーブの製造法法。7. A method for producing a nanotube, wherein fullerene is bonded to a closed or open end surface of the nanotube.
の基端部をホルダーに固定したことを特徴とするナノチ
ューブプローブ。8. A nanotube probe, wherein a base end of a nanotube provided with a sensor section at a tip is fixed to a holder.
8記載のナノチューブプローブ。9. The nanotube probe according to claim 8, wherein the sensor section is an ultrafine particle.
ある請求項9記載のナノチューブプローブ。10. The nanotube probe according to claim 9, wherein the ultrafine particles are ferromagnetic metal ultrafine particles.
求項8記載のナノチューブプローブ。11. The nanotube probe according to claim 8, wherein the sensor unit is a fullerene.
ブの基端部をホルダーに固定することを特徴とするナノ
チューブプローブの製造方法。12. A method of manufacturing a nanotube probe, comprising fixing a base end of the nanotube formed according to claim 5 to a holder.
チューブの基端部をホルダーに固定することを特徴とす
るナノチューブプローブの製造方法。13. A method for producing a nanotube probe, comprising fixing a base end of the nanotube formed according to claim 6 to a holder.
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