国立产业技术综合研究所【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心【研究中心主任：饭岛纯男】超生长CNT团队研究组组长畠健健二、AIST特别研究员早见悠平等人为单层碳纳米管 (CNT)实现了集成的三维碳纳米管器件。
通过开发高密度排列的CNT集合体“碳纳米管晶片（CNT晶片）”，我们成功实现了设计的CNT器件的量产。举个例子，我们通过自由控制其位置和形状，在基板上集成了 1,000 多个具有复杂三维形状的 CNT 器件结构（图 1）。此外，我们成功地对所制造的CNT器件结构进行了电驱动，这使我们离CNT器件的实际应用更近了。
该研究成果于2008年5月4日18:00（英国时间）发表在《英国科学杂志》上自然纳米技术
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| 图1：集成三维碳纳米管器件结构的激光显微镜和电子显微镜图像（插图） |
碳纳米管（CNT）是碳材料，具有传统材料所不具备的新功能，如韧性、高导电性、柔性、各向异性、低维和低摩擦等，使其成为微型器件的理想选择。因此，它作为下一代纳米器件材料而受到关注，世界各地的研究机构都在竞相研究和开发。到目前为止，已经有关于使用单碳纳米管的非易失性存储器、开关、传感器、纳米镊子、可调谐谐振器等的报道。
然而，利用这些技术，已经不可能任意控制CNT的位置和形状并集成具有多种功能的CNT器件。因此，这些研究报告仅限于单个器件的实现，根本没有产业化的前景。为了将其商业化，需要使用微加工技术一次性制造大量器件，就像硅半导体一样。
产业技术研究院Super Growth CNT团队于2004年度开发出高效、高纯度的单壁CNT合成方法“水添加”CVD法（超级成长法) 被开发出来。这使得制造碳纳米管宏观结构成为可能，其中超长、高纯度的单壁碳纳米管垂直排列和聚集。 2006 财政年度，CNT致密化方法并成功制造了一种CNT固体，其中上述单壁碳纳米管被制成高度致密的，就像稻穗束一样。该小组正在开发超生长方法、CNT致密化方法和半导体光刻技术为目标，我们对CNT器件的集成进行了研究和开发。
这项研究开发是作为新能源产业技术综合开发机构（新能源产业技术综合开发机构）的“高集成化复合MEMS制造技术开发项目：纳米材料（CNT等）的选择性形成技术”（2006-2006年度）的一部分委托项目进行的。
(1)碳纳米管晶片的制备
我们对高纯度、超长CNT垂直排列组装而成的薄膜状宏观结构“垂直取向CNT薄膜”，采用特殊处理（CNT致密化法），利用产业技术研究所的超级生长法，制作出高密度CNT在一个平面取向的板状“CNT晶片”。在硅单晶晶片中，晶体沿一个方向排列，但在CNT晶片中，大量高密度取向的CNT牢固地结合在一起并沿一个方向取向。它具有承受光刻的强度，并且可以像硅晶片一样使用抗蚀剂进行微加工。因此，可以应用现有的半导体加工技术，将CNT晶片加工成任何形状，就像加工硅晶片一样。
图 2 显示了 CNT 晶圆的制造方法。 (1)硅基板上催化剂的线性图案化。 (2)采用超生长法在硅衬底上制备垂直取向的CNT薄膜。 (3)通过将基材浸入液体中并将其拉起，将CNT膜铺在基材上。 (4)随着液体干燥，塌陷的CNT薄膜变得更致密并粘附到基底上，形成CNT晶片。
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| 图2：碳纳米管晶圆制造流程示意图 |
倒伏前的取向碳纳米管薄膜由垂直排列的碳纳米管组成，平均直径为28纳米，高度超过毫米，纯度超过999%，比表面积为1000(m2)2/g)，密度003(g/cc)。另一方面，由于液体干燥过程中液体的表面张力和碳纳米管之间的范德华力，塌陷后的碳纳米管薄膜变得高度致密，同时保持其纯度、取向和高比表面积，形成密度为05（g/cc）的板状碳纳米管晶片。这种CNT晶片重量轻，具有很强的机械性能，并且有望表现出超过硅的共振频率。另一方面，它非常柔韧，即使弯曲超过90度也不会断裂。电性能具有显着的各向异性，平行于CNT取向方向的电阻率为0008Ω·cm，垂直于CNT取向的方向的电阻率为020Ω·cm。
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| 图 3：垂直排列的碳纳米管薄膜的电子显微照片（左）和碳纳米管晶片的光学显微照片（右）（右插图显示 2x2cm 基板上的 CNT 晶片） |
(2)利用光刻技术微加工CNT晶片
具有高密度 CNT 的 CNT 晶圆即使在施加掩模抗蚀剂时也不会破裂，并且可以使用光刻技术加工成任何形状（图 4）。具体而言，可以通过在CNT晶片上涂敷抗蚀剂、使用电子束光刻系统对抗蚀剂进行曝光、显影来制作掩模。通过使用氧等离子体蚀刻CNT晶片（去除不需要的部分），然后去除抗蚀剂掩模，可以将CNT加工成任何期望的形状。
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| 图4：岛状碳纳米管结构的电子显微照片 |
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图5：各种碳纳米管结构的电子显微照片
（左上：硅柱上的CNT梁和CNT片，右上：CNT悬臂，左下：CNT 3D悬臂，右下：CNT 3D布线） |
使用碳纳米管晶片的形状加工不限于平面结构。还可以在硅基板上预先准备的柱或凹槽上制造梁形或悬臂形CNT结构（图5的上排）。此外，CNT晶圆本身可以保持三维形状，基于此我们制作了集成CNT三维悬臂梁和三维布线（图5，底部）。
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| 图6：碳纳米管继电器示意图（左上）、电气特性（左下）、电子显微照片（右上、右下） |
利用这些碳纳米管结构的导电性可以实现电驱动。作为 CNT 结构在微机电器件中的应用示例，我们制造并驱动了一个 CNT 继电器，其中所有电极均由 CNT 制成（图 6）。我们通过向栅电极施加电压（图 6 左下角）成功地机械切换了 CNT 悬臂。此时，电子显微镜图像清楚地显示，多个碳纳米管以高密度取向的碳纳米管悬臂梁作为单个弹性体弯曲，并充当装置的机械元件（图6右下）。
我们将评估 CNT 晶片的物理特性，并开发利用其特性的 CNT 器件的应用。特别是，我们计划重视与企业和大学的合作，通过AIST Innovations提供对CNT器件开发非常重要的垂直排列CNT薄膜。此外，我们计划寻求与广泛的公司等的合作，推进CNT器件的应用和开发的实践研究。