专利名称：纳米镊子和纳米机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可把持和放出纳米级尺寸的物质(以后称纳米物质)的纳米镊子，并涉及可移动和堆积纳米物质以组装纳米尺寸部件、纳米分子器件等的纳米机械手。
为了可这样地移动和堆积纳米物质，需要开发可把持纳米物质并将其放出的纳米镊子。该纳米镊子的第1原型由Philip Kim和Charles M.Lieber发表在1999年12月10日发行的科学杂志上。
图16-图18示出该纳米镊子的制造工序图。
图16为进行了锥形加工后的玻璃管80前端的侧视图，该前端直径约为100nm，图中未示出的后端直径为1mm。图17为纳米镊子的完成图。在上述玻璃管80的周面通过绝缘部82形成2个金电极膜84a、84b。在该金电极膜上分别以凸设状固定碳纳米管86a、86b，完成纳米镊子88。
图18为在纳米镊子外加电压的示意图。在金电极膜84a、84b上从触点90a、90b引出导线92a、92b，连接到直流电源94的两端。当外加直流电源94时，碳纳米管86a带正极性电，碳纳米管86b带负极性电。由这些正负静电引力使碳纳米管86a、86b的前端朝内方关闭，在其间夹持纳米物质96。
当增大电压时，碳纳米管进一步关闭，所以，可夹持更小的纳米物质。当电压为零时，静电引力消失，由碳纳米管86a、86b的弹性恢复力恢复到图13的状态，放出纳米物质96。通过这样控制电压的大小即可进行纳米镊子88的开闭控制，作为纳米镊子是划时代的。
然而，该纳米镊子88具有以下那样的缺点。第1缺点在于，由于将玻璃管80形成为锥状，将其前端微细加工到100nm，所以，强度弱而且脆。
第2缺点在于，沿玻璃管80的全长形成金电极膜84a、84b，在玻璃管直径变大的后端部设置触点90a、90b，通过导线92a、92b连接到直流电源94。即，由于导线太粗，所以，不得不在玻璃管的扩径后的后端部设置电触点。为此，难以将金电极膜形成于玻璃管全长并且效率差。
第3缺点由静电镊子引起。即，静电镊子在碳纳米管积蓄正负电，由这些静电引力对碳纳米管进行开闭控制。在纳米物质96为电绝缘体和半导体的场合可利用静电引力，但在纳米物质为导电体的场合，碳纳米管的两端电短路，不作用静电引力。另外，短路时，还存在电破坏纳米物质的危险性。因此，存在纳米镊子的使用限制于半导体纳米物质和绝缘性纳米物质、并且使用时必须时常极其注意的弱点。
第4缺点在于由2根碳纳米管构成。即，分子具有各种形状，存在不能由2根纳米管确实地把持的纳米物质。例如，如为扁平的纳米物质，则可由2根碳纳米管86a、86b把持，但球状纳米物质和杆状纳米物质在由2根纳米管把持的情况下存在不稳定而脱落的危险性。
发明目的因此，本发明的第1目的在于提供一种强度高、加工较易进行的纳米镊子。
另外，本发明的第2目的在于提供一种不使用静电方式、可把持导电性、半导体、绝缘性的所有纳米物质的纳米镊子。
另外，本发明的第3目的在于提供一种可确实地把持着球状纳米物质和杆状纳米物质等各种形状的纳米物质进行输送控制的纳米镊子。
另外，实现可利用这些纳米镊子组装纳米构造物的纳米机械手。
权利要求2的发明的纳米镊子的特征在于由凸设于悬臂的棱锥部、在该棱锥部上固定地凸设基端部的多个纳米管、及连接于其中2根纳米管的导线构成，通过在该导线间外加电压，可由静电引力使上述2根纳米管的前端间自由开闭。
权利要求3的发明的纳米镊子的特征在于由在支架上固定地凸设基端部的多个纳米管和形成于其中至少1根纳米管表面的压电膜构成，通过在该压电膜外加电压，使压电膜伸缩，可使上述纳米管的前端间自由开闭。
权利要求4的发明的纳米镊子的特征在于上述支架为悬臂的棱锥部。
权利要求5的发明的纳米镊子的特征在于由构成悬臂的棱锥部的可变形的多个棱锥片、固定于该棱锥片前端的纳米管、及形成于至少1个棱锥片的侧面上的压电膜构成，通过对该压电膜外加电压，使压电膜伸缩，可使棱锥片自由挠曲地开闭纳米管的前端间。
权利要求6的发明的静电纳米镊子的特征在于由在支架上固定地凸设基端部的3个以上的导电性纳米管和分别连接于其中至少3根以上导电性纳米管的导线电极构成，通过对这些导线电极间外加电压，可由静电力使上述导电性纳米管的前端间自由开闭。
权利要求7的发明的静电纳米镊子的特征在于由在支架上凸设的凸出部、在该凸出部上固定地凸设基端部的3个以上的导电性纳米管、及分别连接于其中至少3根以上导电性纳米管的导线电极构成，通过在这些导线电极间外加电压，可由静电力使上述导电性纳米管的前端间自由开闭。
权利要求8的发明的纳米机械手的特征在于由权利要求1、2、3、4、5、6、或7所述的纳米镊子和相对试样朝XYZ方向对该纳米镊子进行移动控制的3维驱动机构构成，进行由纳米镊子将纳米物质输送到试样的控制。
权利要求9的发明的纳米机械手装置使用构成纳米镊子的至少1根纳米管作为扫描型探针显微镜的探针。
本发明人为了开发具有耐久性的纳米镊子进行了认真的研究，结果成功地改良了利用上述纳米管的静电引力方式的纳米镊子，并成功地开发出了更高性能的压电膜方式的纳米镊子。
首先，现有静电引力方式的纳米镊子的弱点在于，在把持的纳米物质为导电性的场合，可能在纳米管间产生电短路而丧失镊子功能，有出现破断的危险。为了改善该缺点，提出了这样一种纳米镊子，该镊子在纳米管表面形成由绝缘物质构成的涂覆被膜，可防止接触时的短路。若将该涂覆被膜不仅形成于纳米管上，而且形成到其它配线部分，则可提高纳米镊子全体的绝缘性。该绝缘处理可适用于所有构造的静电方式的纳米镊子。
现有的第2弱点在于，由于在前端变细的玻璃管固定纳米管，所以，强度弱而且脆。为了改善该缺点，提出了这样的方案，即，利用AFM(原子间力显微镜)用悬臂的棱锥部作为纳米管的支架。该棱锥部由于通过硅或氮化硅制成，所以，具有电绝缘性，而且强度与现有玻璃管相比大幅度提高。
下面利用悬臂综合说明上述2个发明。在棱锥部的顶点近旁固定2个纳米管的基端部，使前端部凸出。该固定方法具有2种。第1种方法是在电子显微镜内由电子束照射基端部近旁。由该照射，覆盖基端部地将碳膜和CVD膜形成为涂覆被膜。该涂覆被膜推压基端部牢固地固定纳米管。第2个方法是直接用电子束照射基端部，将基端部熔化接合到棱锥部表面。由该熔化接合部固定纳米管。
然后，在纳米管的基端部布设导线。在本发明中，导线使用纳米管或由CVD(化学气相沉积法)形成的金属配线等。例如，纳米管为强度大而且柔软性极高的材料，具有各种粗细和长度，所以，最适合作为纳米尺寸的导线。另外，也可由CVD法将金属原子微小地形成配线状。
将纳米管导线的一端接触在上述基端部，对该触点照射电子束，以点焊的形式一体固定于棱锥部。纳米管导线的另一端也可连接到另一纳米管导线，也可连接到形成于悬臂的电极膜。另外，CVD导线也可在固定于基端部和棱锥部表面的状态下形成。
形成这些导线后，可在纳米管表面、纳米管的基端部区域、导线全体形成由绝缘材料构成的涂覆被膜。通过在纳米管表面形成被膜，可防止静电方式的短路。同时，通过配线全体的被膜形成，可保护纳米镊子全体不受短路等影响。另外，在生物体液等电解质溶液中操作纳米镊子也不会漏电。涂覆被膜的形成可利用电子束照射法和CVD法。
由于悬臂较大，所以，悬臂的电极膜与外部电源电路的连线可在光学显微镜或光学放大镜下进行。外部电源电路由电源、电压控制电路、及电开关构成。如由电压控制回路自由调整外加电压，则可任意调整纳米镊子前端间的开度，相应于纳米物质的尺寸对纳米镊子进行开闭控制。
另外，开发出了与静电引力方式完全不同的压电膜方式的纳米镊子。该压电膜方式由压电膜的伸缩使纳米管可自由挠曲，由此使纳米管前端间开闭。这样，由于在纳米管间没有电流流过，所以，不论纳米物质的电物性如何，也可使纳米镊子起作用。
在该压电膜方式中，作为纳米管的支架，不限于AFM或STM(隧道显微镜)，可使用在宽范围的SPM(扫描型测试显微镜)中使用的探针。SPM的探针与纳米管相比尺寸大得多，对于固定2个纳米管具有足够的大小。最为有效的支架为上述AFM用悬臂的棱锥部。下面以该悬臂进行说明。
首先，将2根纳米管的基端部固定于悬臂的棱锥部。此时，2根纳米管的前端部相互接触。即，在前端接触的状态下进行固定。在固定方法中，具有上述涂覆被膜法与熔化接合法。使用哪一种固定方法都可以。
然后，在2根纳米管中的任1根的表面形成压电膜。压电膜也称为压电元件。具有在加电压时收缩的性质。当改变电压时，收缩量也变化。当压电膜收缩时，使它所固定的纳米管打开地挠曲。因此，最初纳米管前端关闭，但加电压后前端打开，在该打开状态下把持纳米物质。另外，当增大电压使开度变大时，放出纳米物质。在纳米物质由分子间力的作用而不从纳米管脱离时，也可在试样与纳米镊子加电压，进行电放出。
可在压电膜的两端连接纳米管导线的一端，将另一端连接到另外的纳米管导线，也可如上述那样连接到悬臂的电极膜。当然，也可利用CVD导线。然后，从该电极膜连接到外部电源电路。外部电源电路由电源、电压控制电路、及电开关构成，其作用如上所述。
也可在2根纳米管形成压电膜。在该场合，由于可通过外加电压使2根纳米管挠曲，所以，可将纳米管前端开度设置得更大，使纳米镊子高性能化。
可考虑不在纳米管表面形成压电膜，而是形成在棱锥部表面的场合。例如由聚焦离子束装置刻入棱锥部，隔着刻入部分割成2个棱锥片。各棱锥片具有挠性地调整厚度。在1个棱锥片凸设1根纳米管，使前端接触地凸设共2个纳米管。在一方或两方的棱锥片的侧面形成压电膜，与上述同样地在压电膜的两端加电压，使压电膜收缩。由该收缩使棱锥片挠曲，打开纳米管前端。然后，通过把持、放出纳米物质作为纳米镊子使用。
作为第3发明，不论为静电引力方式还是为压电膜方式，用于纳米镊子的纳米管都可由2根以上构成。例如，当使用3根纳米管时，由该3根把持纳米物质。
在3根纳米管方式中，可开闭3根，也可由静电引力方式对3根中的2根进行开闭控制。另外，也可在2根形成压电膜，对2根进行开闭控制。在对3根中的2根进行开闭控制的场合，余下的1根作为辅助纳米管使用。在3根纳米管方式中，由于用3根把持纳米物质，所以，可使球状、杆状等多种形状的纳米物质的把持可靠化。特别是在3根静电方式中，2根为相同极性，1根为不同极性，这样，3根由静电引力拉在一起，所以，可确实地把持异形纳米物质。
在压电膜方式中，由于用导线外加电压，所以，当由绝缘物质对压电膜的表面和导线进行涂覆时，短路的危险性消失。因此，在电解质溶液内也可进行纳米镊子操作。
作为本发明的纳米管，不仅可利用导电性的碳纳米管，而且也可利用绝缘性的BCN系纳米管和BN系纳米管等一般的纳米管。碳纳米管也简称为CNT，利用碳棒的电弧放电制造。BCN系纳米管通过将CNT的C原子的一部分置换成B原子和N原子而获得。BN系纳米管是将几乎的C原子置换为B原子和N原子。作为置换方法开发了各种方法。在导电性纳米管中，包含碳纳米管和在周围形成导电性被膜的绝缘性纳米管。
图2为本发明纳米镊子的第1实施形式的示意正视图。
图3为将第一实施例的纳米镊子与试样相向配置的示意透视图。
图4为把持纳米物质的第1实施形式的纳米镊子的示意正视图。
图5为本发明的纳米机械手装置的示意构成图。
图6为本发明纳米镊子的第2实施形式的示意正视图。
图7为与试样相向地配置第2实施形式的纳米镊子的示意透视图。
图8为把持着纳米物质的第2实施形式的纳米镊子的示意正视图。
图9为具有棱锥部的悬臂4要部透视图。
图10为本发明纳米镊子的第3实施形式的示意正视图。
图11为把持着纳米物质的第3实施形式的纳米镊子的示意正视图。
图12为本发明的纳米镊子(静电纳米镊子)的第4实施形式的示意透视图。
图13为把持着球状纳米物质的第4实施形式的作用说明图。
图14为把持着杆状纳米物质的第4实施形式的作用说明图。
图15为使用第4实施形式的静电镊子的机械手装置的作动说明图。
图16为现有的进行了锥形加工后的玻璃管前端的侧面图。
图17为现有纳米镊子的示意说明图。
图18为在现有纳米镊子加电压的示意图。
2根纳米管8、9接近试样14地进行配置，在该试样14的表面配置各种多个纳米物质16。纳米管8从纳米管9朝下方长长地凸起设置。因此，纳米管8也可用作AFM用的探针。首先，由3维驱动机构17使该纳米管8作为AFM探针进行扫描，确认应把持的纳米物质16的位置和形状。
纳米管8、9通过加上电压进行开闭控制，根据电压的大小使开度可变。因此，打开纳米管8、9把持由AFM作出了判断的纳米物质16，在该状态下由3维驱动装置D沿箭头方向移动到纳米回路部18，进一步打开纳米管8、9，放出纳米物质16。在纳米物质因范德瓦斯力的作用而不从纳米管脱离的场合，也可在纳米镊子与纳米电路间加上电压，由静电引力放出纳米物质。通过将纳米物质16放出到纳米回路部18的适当位置，可将纳米电路18组装成所希望的构造。
图2-图4示出本发明的纳米镊子的第1实施形式。图2为纳米镊子2的示意正视图。在棱锥部6的前端固定基端部8b、9b地配置细长的纳米管8和短粗的纳米管9。纳米管的前端部8a从前端部9a朝下方长长地凸起设置，前端部8a可用作AFM用探针地进行设定。
上述基端部8b、9b通过电子束对周边的照射由涂覆被膜11、11覆盖固定。另外，在基端部8b、9b的上端将纳米管作为导线10、10连线，该导线10、10的另一端连接到图12的电极12、12。最后，在纳米导线10、10的表面也形成涂覆被膜11、11，将这些导线固定到棱锥部6。涂覆被膜11由剖面线表示。
图3为将纳米镊子2与试样14相向配置的示意透视图。试样14表面上的凹凸表示表面原子。纳米管8的前端部8a由于从纳米管9的前端部9a朝下方凸出，所以，可将前端部8a作为AFM探针检测表面原子的凹凸构造。例如，可检测出置于试样14上的纳米物质的位置和形状。
图4为把持纳米物质16的纳米镊子2的示意正面图。从导线10、10在纳米管8、9加直流电压。在前端部8a、9a积蓄正负电荷，由该正负电荷的静电引力使前端部8a、9a以与所加电压相应的开度关闭，在其间把持纳米物质16。纳米物质16为在图3中由AFM探测的纳米物质。
图5为本发明的纳米机械手装置的示意构成图。如上述那样，纳米镊子2由悬臂4、基底5、棱锥部6、及纳米管8、9构成。试样14由3维驱动机构17沿3维方向驱动，该3维驱动机构17由压电元件构成。即，驱动试样侧，在试样14的表面上沿XYZ方向驱动纳米管8、9。当然，也可直接对纳米镊子2进行3维驱动。可相对地对纳米镊子2和试样14进行3维驱动很重要。
符号20为半导体激光装置，符号22为反射镜，符号24为双瓣光检测器，符号26为Z轴检测电路，符号28为显示装置，符号30为XYZ扫描回路。
使纳米管8、9沿Z轴方向接近试样14直到到达规定的斥力位置，把持所需纳米物质16。之后，由XYZ扫描电路30使3维驱动机构17扫描，将纳米管8、9移动到规定位置。在该移动过程中，需要将纳米管8、9与试样表面离开的位置保持一定，所以，需要使纳米管受到的斥力时常为一定地沿Z轴方向对纳米管进行位置控制。为此，由悬臂4使激光束LB反射，通过反射镜22导入至双瓣光检测器24，一边检测朝向上下检测器24a、24b的偏向，一边进行Z轴控制。
由Z轴检测回路26检测出Z位置，由XYZ扫描回路30检测XY位置，将这些位置信息显示到显示装置28。即，在该显示装置28显示试样表面的凹凸图象。将纳米管8、9移动到规定位置，然后，打开纳米管8、9，将把持的纳米物质16放出到试样表面。反复进行该操作，在规定场所组装多个纳米物质，例如构成纳米回路18。如对纳米管8进行AFM操作，也可将纳米回路18的全体形状摄到显示装置28。因此，本发明的纳米机械手装置为可自由构成纳米世界的纳米机器人。该纳米机械手装置可在包括真空、大气的多种气氛中使用，另外，可在电子显微镜等装置内如机器人的手那样进行操作。第2实施形式(2根式压电膜纳米镊子)图6-图8示出本发明的纳米镊子的第2实施形式。图6为该纳米镊子2的示意正视图。纳米管8、9的前端部8a、9a在其前端接触地由涂覆被膜11、11将基端部8b、9b固定于棱锥部6。在纳米管9的前端部9a的表面上形成压电膜32，在其上端32a和下端32b连接纳米管导线10a、10b。纳米管导线10a、10b由点状的涂覆膜13、13将其中间点固定到棱锥部6。
图7为与试样14相向地配置纳米镊子2的示意透视图。纳米管导线10a、10b的另一端10c、10d固定在悬臂4的电极12、12上。在电极12、12连接电开关SW、电源P、电压控制回路VC。压电膜32通过在两端加电压而收缩，收缩量随所加电压而增加。
首先，在关闭纳米管前端的状态下对试样14的表面进行AFM操作，检测应把持的纳米物质的位置和形状。
图8为把持纳米物质16的纳米镊子2的示意正视图。当接通电开关SW从而在压电膜32加电压时，随着压电膜32的收缩，纳米管9挠曲，纳米管8、9之间打开，把持成为对象的纳米物质16。纳米电路18的组装与图1同样，省略说明。
在绝缘覆盖纳米镊子的压电膜的场合，即使加电压，也不短路，如对导线也进行绝缘被覆，则在电解质溶液中也可进行纳米镊子操作。第3实施形式(2根式棱锥片压电膜纳米镊子)图9-图11示出本发明的纳米镊子的第3实施形式。图9为具有棱锥部6的悬臂4的要部透视图。该悬臂4一般用于AFM测定，棱锥部6形成为一块。该棱锥部6例如由聚焦离子束装置刻设2等分成2个棱锥片6a、6b，可挠曲地形成这些棱锥片6a、6b。
图10为该纳米镊子2的示意正视图。棱锥片6a、6b隔开间隙6c从根部6d可挠曲地相对。纳米管8、9的前端部8a、9a以其前端接触地由涂覆被膜11、11将基端部8b、9b分别固定于棱锥片6a、6b。在棱锥片6a的侧面形成压电膜32，在其上端32a和下端32b连接纳米管导线10a、10b。这些纳米管导线10a、10b通过悬臂4的电极12、12连接到与第2实施形式同样的电源回路。
首先，在关闭纳米管前端的状态下对试样14的表面进行AFM操作，检测应把持的纳米物质的位置和形状。
图11为把持纳米物质16的纳米镊子2的示意正视图。当接通电开关SW从而在压电膜32加电压时，随着压电膜32的收缩，棱锥片6a挠曲，纳米管的前端部8a、9a间打开，把持检测到的纳米物质16。使用纳米机械手装置的纳米回路18的组装与图1同样，省略说明。
在上述实施形式中，纳米管和棱锥片为2根构成，但也可为这以上的多根构成。另外，也可不将压电膜仅形成1个纳米管或棱锥片，而是形成相对的2个。
在悬臂部104的上平面和侧面形成所需宽度的3个电极膜112、113、114，这些电极膜的终端延伸形成到凸出部106的上述前端面106a和侧面106b、106c。在这些前端面106a和侧面106b、106c分别由涂覆膜116、117、118的覆盖固定导电性纳米管108、109、110的基端部108b、109b、110b。
通过该固定，导电性纳米管108、109、110分别以电导通状态设定于电极膜112、113、114。导电性纳米管108、109、110的前端部108a、109a、110a突出到凸出部106的凸出端106e的下方，这些前端部108a、109a、110a构成纳米管把持部111，成为可把持和放出作为材料的纳米物质的作业爪。这样，在悬臂102上形成纳米管把持部111，构成本发明的静电纳米镊子120。
该实施形式的电表纳米镊子的特征在于由3个以上的纳米管构成纳米管把持部111。在该实施形式中，纳米管为3根，由该3根爪可包入地把持纳米物质进行把持。即，由2根纳米管只能进行不稳定的把持，而通过形成为3根，则可稳定确实地把持任意形状的纳米物质。特别是可可靠地把持球状纳米物质和杆状纳米物质。
在该静电纳米镊子120的电极膜112、113、114的后端部通过触点112a、113a、114a连接控制回路121。该控制回路121由可变直流电源122、地线124、及开关126构成，上述触点113a、114a连接到地线侧，触点112a连接到高电位侧。因此，电极膜112为正极，电极膜113、114作为负极起作用。
如上述那样，纳米管具有导电性碳纳米管、绝缘性的BN系纳米管(氮化硼)、或BCN系纳米管(碳化硼)等。用于该实施形式的导电性纳米管只要为具有导电性的纳米管则可，所以，可使用由导电性纳米管或导电材料覆盖表面的绝缘性纳米管。覆盖用导电材料主要使用金属材料较合适。
下面以碳纳米管为例说明导电性纳米管。碳纳米管的直径为1nm-数十nm，长度在纳米级到微米级分布，其纵横尺寸比(长度/直径)达到1000以上。另外，碳纳米管具有高度的柔软性和强韧性，所以，适合作为开闭其前端以把持和放出纳米物质的材料。
在上述实施形式中使用的悬臂102借用在原子间力显微镜(AFM)中使用的悬臂探针。该悬臂探针以硅和氮化硅作为其材料，使用半导体平整机(プラナ一)技术加工形成。因此，与现有玻璃制品相比，强度高，耐久性优良。但是，在该实施形式中，不对凸出部106的凸出端106e进行尖锐加工，形成为平时面。即，不将凸出部106用作探针，而是用作导电性纳米管的固定用支架。
为了形成涂覆膜116、117、118，在电子显微镜内由电子束分解有机气体，将其分解堆积物用作涂覆膜。在有机气体为烃类气体的场合，涂覆膜为碳膜，在有机气体为金属有机气体的场合，涂覆膜为金属膜。金属膜的场合下，导电性纳米管108、109、110与电极膜112、113、114的导通性更可靠。
作为将纳米管基端部固定于凸出部的另一方法，也可一体地由电子束照射或通电加热熔接纳米管基端部，与凸出部一体地固定。如并用涂覆被膜和熔接，则可强有力地固定纳米管，防止纳米管的脱落，提高静电纳米镊子的耐久性。
图13为把持球状纳米物质的上述实施形式的作用说明图。首先，将导电性纳米管108的长度设定得比其它导电性纳米管109、110稍长，使前端部108a比其它前端部109a、110a更朝下方凸出地配置。将该导电性纳米管108的前端部108a用作探针，由AFM扫描检测确认试样面上的球状纳米物质128的场所和位置。
然后，将球状纳米物质128内包于3根前端部108a、109a、110a的中心部地使纳米管把持部111朝下移动，接触试样面。在该状态下接通开关126时，通过电极膜112、113、114对导电性纳米管108、109、110的前端部108a、109a、110a加上电压。即，前端部108a为正极，前端部109a、110a为阴极。在正极积蓄正电荷，在负极积蓄负电荷，所以，两电极在静电引力的作用下朝内方挠曲，纳米管把持部111把持球状纳米物质128并关闭。当断开开关126时，静电引力消失，由纳米管的弹性恢复力将纳米管把持部111打开，放出球状纳米物质128。
图14为把持着杆状纳米物质的上述实施形式的作用说明图。首先，将导电性纳米管108的前端部108a用作探针，由AFM操作对试样面上的杆状纳米物质130的场所和位置进行检测确认。
然后，将杆状纳米物质130配置到3根的前端部108a、109a、110a间地使纳米管把持部111朝下移动，接触于试样面。在该状态下，接通开关126，由静电引力关闭前端部108a、109a、110a，则从前后把持杆状纳米物质130。在该状态下使纳米管把持部111朝上移动时，杆状纳米物质130如图所示那样确实地被吊起。
在该实施形式中，由3根导电性纳米管108、109、110构成静电纳米镊子120的纳米管把持部111。也可根据纳米物质的形状，由4根纳米管构成纳米管把持部111。这样，本实施形式的静电纳米镊子的特征在于，由3根以上的纳米管的开闭把持和放出纳米物质。
图15为使用该静电镊子的机械手装置的作动说明图。在试样132的表面存在多个成为材料的球状纳米物质128和杆状纳米物质130。首先，由静电纳米镊子120的AFM操作检测该原料纳米物质，由纳米管把持部111把持。然后，由图中未示出的3维驱动装置使静电纳米镊子120朝箭头a和箭头b方向移动，在纳米构造物134的所期望位置放出原料纳米物质。通过反复进行这些操作，可将各种纳米物质作为原材料在试样132表面形成所期望的纳米构造物134。
如上述那样，导电性纳米管108、109、110的闭操作由通过电极膜112、113、114加上电压产生的静电引力进行。其开动由于解除电压带来的导电性纳米管的弹性回复力进行。静电纳米镊子120的移动控制由AFM(原子间力显微镜)的移动控制机构实现。
为了从原材料位置到纳米构造物位置对该静电纳米镊子120进行移动控制，使用图5所示AFM的移动控制机构。通过该移动控制机构和静电纳米镊子120的组合构成纳米机械手装置。由于图5已经进行了详细说明，所以，在这里省略其说明。
将3根导电性纳米管中的1根用作AFM用探针，对表面凹凸图象进行摄像，确认原材料位置。在把持原材料后，将纳米管把持部111移动到纳米构造物的位置。打开纳米管把持部111，将夹持来的纳米物质放出到试样表面132a。反复进行该操作，组装纳米构造物。
如由纳米管把持部111的1根纳米管或由3根关闭状态下的全体进行AFM操作，也可将纳米构造物的全体形状摄到显示装置。因此，本实施形式的纳米机械手装置为可自由构成纳米世界的纳米机器人。该纳米机械手装置可在包括真空、大气的多种环境中使用。
在上述实施形式中，作为对导电性纳米管加电压的导线电极，在悬臂杆形成所需根数的电极膜。作为其它方法，也可组合电极膜和导线，或仅由导线构成导线电极。在也可在极微小的部位将长尺寸的碳纳米管等导电性纳米管用作导线。纳米管相互间的接合可利用熔接方式和涂覆膜方式等。熔接方式可通过电子束照射、离子束照射、电流通电加热等方法进行。
本实施形式为可由导电性纳米管间的静电力把持纳米物质的静电纳米镊子。因此，在要把持的纳米物质为绝缘性的场合有效，但在导电性纳米物质的场合可能短路。然而，在由绝缘被膜覆盖该导电性纳米管的表面的场合，即使是把持导电性纳米物质，也由于导电性纳米管间不短路，所以，可有效地作为纳米镊子使用。绝缘被膜可很好地利用碳氢化合物膜，可由电子束照射在导电性纳米管表面形成被膜。绝缘膜的材料和被覆方法当然可利用其它公知的材料和公知的方法。
本发明不限于上述实施形式，不脱离本发明技术思想的范围内的各种变形例、设计变更等都包含于其技术范围内。
产业上利用的可能性按照权利要求1的发明，由于用绝缘物质涂覆纳米管的表面，所以，即使由静电引力关闭也不短路。因此，可对所有具有电物性的物质进行夹持操作。本发明适合用于静电引力方式的纳米镊子的整个构造。
按照权利要求2的发明，由于将AFM用的悬臂杆的棱锥部用作纳米管支架，所以，纳米镊子整体的强度高，而且由于配线由纳米管导线和CVD导线等构成，所以，可进行超微细的纳米程度的配线，可使回路构成紧凑。
按照权利要求3的发明，由于可由压电膜自由开闭纳米管前端间地设置，所以，不论纳米物质的电性质即绝缘体、半导体、导体的差别如何，都可进行把持，在不需要纳米管的绝缘被覆这一点上也可比静电引力方式进一步地提高性能。
按照权利要求4的发明，由于将悬臂杆的棱锥部用作权利要求3的支架，所以，纳米镊子全体的强度高，而且可与成为对象的纳米物质的电性质无关地把持所有物质，从而可提供具有广泛应用性的纳米镊子。
按照权利要求5的发明，作为在纳米管形成压电膜的替代方式，在尺寸较大的棱锥片形成压电膜，所以，压电膜的形成容易。这样，压电膜的尺寸也变大，所以，纳米管导线在压电膜的连线等的作业性也可改善。
按照权利要求6的发明，由于将3根以上的导电性纳米管用作把持纳米物质的构件，所以，可稳定而且确实地把持扁平的纳米物质及球状纳米物质或杆状纳米物质等任意形状的纳米物质。而且，导电性纳米管的开闭可由加电压产生的静电引力和解除电压产生的弹性恢复力进行，所以，开闭操作简单，可容易地把持、移动、和放出纳米物质。
按照权利要求7的发明，由于使用在AFM测定中使用的半导体制的悬臂杆，所以，可提供具有耐久性的高强度的静电纳米镊子。
按照权利要求8的发明，由于设置有朝XYZ方向相对试样对纳米镊子进行移动控制的3维驱动机构，所以，可提供能够由纳米镊子或静电纳米镊子把持纳米物质将其移动到所期望位置从而组装成任意形状的纳米构造物的纳米机械手装置。
按照权利要求9的发明，由于将从构成静电纳米镊子的3个以上的导电性纳米管中选择的1根纳米管用作扫描型检测显微镜的探针，所以，可实现能够检测试样表面的物性信息的纳米机械手装置。另外，如使用该纳米机械手装置，则具有可一边确认其纳米物质的形状一边进行纳米物质的把持、移动和放出等优良的功能。
权利要求
1.一种纳米镊子，其特征在于由在支架上固定地凸设基端部的多个纳米管、对这些纳米管表面进行绝缘覆盖的涂覆被膜、及连接于其中2根纳米管的导线构成，通过在该导线间外加电压，可由静电引力使上述2根纳米管的前端间自由开闭。
2.一种纳米镊子，其特征在于由凸设于悬臂上的棱锥部、在该棱锥部上固定地凸设基端部的多个纳米管、及连接于其中2根纳米管的导线构成，通过在该导线间外加电压，可由静电引力使上述2根纳米管的前端间自由开闭。
3.一种纳米镊子，其特征在于由在支架上固定地凸设基端部的多个纳米管和形成于其中至少1根纳米管表面的压电膜构成，通过在该压电膜外加电压，使压电膜伸缩，可使上述纳米管的前端间自由开闭。
4.根据权利要求3所述的纳米镊子，其特征在于上述支架为悬臂的棱锥部。
5.一种纳米镊子，其特征在于由构成悬臂的棱锥部的可变形的多个棱锥片、固定于该棱锥片前端的纳米管、及形成于至少1个棱锥片的侧面的压电膜构成，通过在该压电膜上外加电压，使压电膜伸缩，可使棱锥片自由挠曲地开闭纳米管的前端间。
6.一种静电纳米镊子，其特征在于由在支架上固定地凸设基端部的3个以上的纳米管和分别连接于其中至少3根以上纳米管上的导线电极构成，通过在这些导线电极间外加电压，可由其静电力使上述纳米管的前端间自由开闭。
7.一种静电纳米镊子，其特征在于由在支架上凸设的凸出部、在该凸出部上固定地凸设基端部的3个以上的纳米管、及分别连接于其中至少3根以上纳米管的导线电极构成，通过在这些导线电极间外加电压，可由静电力使上述纳米管的前端间自由开闭。
8.一种纳米机械手装置，特征在于由权利要求1、2、3、4、5、6、或7所述的纳米镊子和相对试样朝XYZ方向相对该纳米镊子进行移动控制的3维驱动机构构成，进行由纳米镊子将纳米物质输送到试样的控制。
9.根据权利要求8所述的纳米机械手装置，其特征在于使用构成纳米镊子的至少1根纳米管作为扫描型探针显微镜的探针。
全文摘要
静电方式的纳米镊子2的特征在于:由在棱锥部6固定地凸设基端部的多个纳米管、对这些纳米管表面进行绝缘覆盖的涂覆被膜、及连接于其中2根纳米管8、9的导线10、10构成,通过在该导线间加电压,可由静电引力使上述2根纳米管的前端间自由开闭,在其间把持纳米物质。另外,如在纳米管9的表面形成压电膜32,使压电膜伸缩,可自由开闭上述纳米管的前端间,则不论是绝缘体、半导体、导电体,都可对任意的纳米物质进行处理。另外,如以静电方式自由开闭3根纳米管,则可处理球状、杆状等任意形状的纳米物质。另外,与3维驱动机构进行组合构成纳米机械手,可容易地进行纳米物质的把持、移动、放出。
文档编号B81B7/00GK1364141SQ01800473
公开日2002年8月14日 申请日期2001年3月8日 优先权日2000年3月8日
发明者中山喜万, 秋田成司, 原田昭雄, 大川隆 申请人:大研化学工业株式会社, 中山喜万