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JP2003225895A - ダイオード型ナノピンセット及びこれを用いたナノマニピュレータ装置 - Google Patents

ダイオード型ナノピンセット及びこれを用いたナノマニピュレータ装置

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Publication number
JP2003225895A
JP2003225895A JP2002023969A JP2002023969A JP2003225895A JP 2003225895 A JP2003225895 A JP 2003225895A JP 2002023969 A JP2002023969 A JP 2002023969A JP 2002023969 A JP2002023969 A JP 2002023969A JP 2003225895 A JP2003225895 A JP 2003225895A
Authority
JP
Japan
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diode
nanotube
type
nanomaterial
voltage
Prior art date
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Application number
JP2002023969A
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English (en)
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Yoshikazu Nakayama
喜萬 中山
Akio Harada
昭雄 原田
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Daiken Kagaku Kogyo KK
Original Assignee
Daiken Kagaku Kogyo KK
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Publication date
Application filed by Daiken Kagaku Kogyo KK filed Critical Daiken Kagaku Kogyo KK
Priority to JP2002023969A priority Critical patent/JP4047023B2/ja
Priority to US10/356,279 priority patent/US6981727B2/en
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    • B25B9/02—Hand-held gripping tools other than those covered by group B25B7/00 without sliding or pivotal connections, e.g. tweezers, onepiece tongs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ナノ物質を把持する握力を検出制御できるナ
ノピンセットを開発し、同時にこのナノピンセットを使
用したナノマニピュレータ装置を開発する。 【解決手段】 本発明に係るダイオード型ナノピンセッ
ト１は、少なくとも第１アームと第２アームを静電気的
に開閉自在にしてナノ物質を把持する構造を有し、第１
アームは基端部８ｂをホルダー６に固定して先端部８ａ
を突出させたゲート用ナノチューブ８で形成され、第２
アームは２本のナノチューブ基端部９ｂ・１０ｂをホル
ダー６に固定し先端部にダイオード特性部ＤＰを形成し
たナノチューブダイオードＮＤで構成される。基端部間
に印加されたダイオード電圧ＶDと流れるダイオード電
流ＩDは、バリスタ性や整流性などの非線形ダイオード
特性を示し、ゲート用ナノチューブ８とナノチューブダ
イオードＮＤ間にゲート電圧ＶGを印加したとき、ゲー
ト電圧ＶG又はダイオード電流ＩDの変化でアーム間隔Ｓ
を制御して、アーム間に把持するナノ物質に対する握力
を検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はナノサイズの物質
（以後、ナノ物質という）を把持したり放出したりでき
るナノピンセットに関し、更に詳細には、ナノ物質を把
持するナノチューブからなる少なくとも二つのアーム間
の離間距離を電圧又は電流として検出してナノ物質の把
持・放出の最適制御を可能にし、またこのナノピンセッ
トを利用してナノ物質を搬送制御してナノサイズ部品、
ナノ分子デバイス等のナノ構造物を組み立てることがで
きるダイオード型ナノピンセット及びこれを用いたナノ
マニピュレータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の技術開発はますます極小領域を指
向している。例えば、光・電子情報関連の新素材やナノ
サイズ部品の創製、細胞やタンパク質の集積による新し
いバイオ関連機能物質の創製のように、ナノ領域におけ
る革新的な製造技術の開発が要望されている。
【０００３】このようなナノ構造物を構築するには、ナ
ノ物質を把持したりそれを放出したりできるナノピンセ
ットの開発が必要になり、更にナノ物質を把持・移動・
放出させるためにナノマニピュレータ装置の開発が要請
される。
【０００４】まず、ナノピンセットの第１原型は、Phil
ip KimとCharles M. Lieber により１９９９年１２月１
０日に発行されたサイエンス誌上に発表された。このナ
ノピンセットは、ガラスチューブを先端直径が１００ｎ
ｍになるまで引張って延伸させ、この先端にカーボンナ
ノチューブを固定して構成されている。このナノピンセ
ットは、二つのカーボンナノチューブに直流電圧を印加
してカーボンナノチューブの先端に正負の静電気を発生
させ、この静電引力によってカーボンナノチューブの先
端を開閉させる方式を採用している。
【０００５】しかし、このナノピンセットの基体は延伸
加工して先端を先鋭にしたガラスチューブであるから極
めて脆く、しかもカーボンナノチューブをその先端に強
固に固定する技術が確立されていなかったために、カー
ボンナノチューブがガラスチューブから脱落する危険性
があった。また、ガラスチューブを自在に搬送制御する
技術も確立されていなかったので、ナノピンセットとし
ての利用が制限されていた。
【０００６】これらの欠点を改善するために、本発明者
等は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に用いられるカンチレバ
ーとそのカンチレバーの駆動制御装置に着目した。そし
て、特開２００１−２５２９００により、ＡＦＭ用のカ
ンチレバーの突出部に２本のカーボンナノチューブを強
固に固定する技術を開発し、このカーボンナノチューブ
に静電圧を印加して静電引力によりカーボンナノチュー
ブの先端間を開閉できるナノピンセットを開発した。同
時に、カンチレバーの駆動制御装置を用いてナノピンセ
ットをナノスケールで自在に搬送制御できるナノマニピ
ュレータ装置を開発したのである。
【０００７】更に、本発明者等は、特願２０００−４０
４００６により、前記カンチレバーの突出部に３本以上
のカーボンナノチューブを固定し、３本以上のカーボン
ナノチューブの先端間を静電引力により開閉することに
よって、球状ナノ物質や棒状ナノ物質のような異形のナ
ノ物質でも確実に把持・搬送できるナノピンセットを開
発することに成功した。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ナノピンセットはナノ
物質を自在に操作できるナノロボットとも呼ぶことがで
きる。人間と同程度の大きさを有するマクロのロボット
で考えると、例えばコップを把持する場合において、単
にコップを把持できるだけでなく、コップを割らない程
度に制御された握力でコップを把持することが必要とさ
れる。この握力制御の要請は当然にナノロボットにおい
ても要請される。
【０００９】ナノピンセットでナノ物質を搬送制御する
ためには、まずナノピンセットによりナノ物質を把持し
たかどうかを検出し、次にどの程度の握力でナノ物質を
把持しているかを検出することが必要となる。その理由
は、握力が過剰に大きくなると、ナノ物質が構造的に変
形する可能性があるからである。このような握力の制御
技術は従来の技術では未だに開発されていない。
【００１０】従って、本発明は、ナノ物質を把持する際
に、把持したかどうかを検出でき、またナノ物質を把持
する握力を検出することができるナノピンセットを開発
し、同時にこのナノピンセットを使用してナノ物質を操
作できるナノマニピュレータ装置を開発することを目的
とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、ホルダー
から突出状に形成された少なくとも第１アームと第２ア
ームを静電気により開閉自在にしてナノ物質を把持する
ナノピンセットにおいて、前記第１アームは基端部をホ
ルダーに固定して先端部を突出させたゲート用ナノチュ
ーブで形成され、前記第２アームは２本の基端部をホル
ダーに固定し先端部にダイオード特性部を形成したナノ
チューブダイオードで構成されることを特徴とするダイ
オード型ナノピンセットである。ゲート用ナノチューブ
とナノチューブダイオードの間の静電引力とダイオード
特性との相互作用を利用して、ナノ物質を把持したかど
うかを検出し、またナノ物質を把持する握力の大きさを
検出できる静電ナノピンセットを実現するものである。
【００１２】第２の発明は、ナノチューブダイオード
が、１本のナノチューブを２本に折り畳んで構成され、
その両端が基端部として前記ホルダーに固定され、先端
折畳部はダイオード特性を発現するダイオード特性部と
なるダイオード型ナノピンセットである。１本のナノチ
ューブを折り畳むだけでダイオード特性を発現できる極
めて独創的なナノチューブダイオードの構成を提供した
ものである。
【００１３】第３の発明は、ナノチューブダイオード
が、２本のナノチューブの基端部がホルダーに固定さ
れ、２本のナノチューブの先端部は相互に接触してその
接触部がダイオード特性を発現するダイオード特性部と
なるダイオード型ナノピンセットである。２本のナノチ
ューブの先端を軽く接触させるだけで、その接触部がダ
イオード特性を発現するという新規な知見に基づいてな
された発明であり、ダイオード特性の発現様式の多様性
を示すものである。
【００１４】第４の発明は、ナノチューブダイオード
が、２本のナノチューブの基端部がホルダーに固定さ
れ、２本のナノチューブの先端部間に独立した中間ナノ
チューブを相互に接触させて介装し、この接触部がダイ
オード特性を発現するダイオード特性部となるダイオー
ド型ナノピンセットである。２本のナノチューブの先端
間に中間ナノチューブを接触介在させるだけでダイオー
ド特性の強化を実現したものであり、ナノ物質の把持と
握力の計測を簡単に行えるダイオード型ナノピンセット
を提供できる。
【００１５】第５の発明は、ナノチューブダイオード
が、２本のナノチューブの基端部がホルダーに固定さ
れ、２本のナノチューブの先端部間には独立した中間ナ
ノチューブがカーボン堆積物の充填により相互に電気的
に絶縁状態になるように介装され、この電気絶縁部がダ
イオード特性を発現するダイオード特性部となるダイオ
ード型ナノピンセットである。カーボン堆積物により２
本のナノチューブの先端と中間ナノチューブを相互に絶
縁状態に保持すると、ダイオード特性の更なる強化が実
現でき、ナノ物質の把持と握力の計測を確実にして、ナ
ノピンセットの操作性や制御性の高度化を図ることがで
きる。
【００１６】第６の発明は、ゲート用ナノチューブとナ
ノチューブダイオード間に静電引力用のゲート電圧を印
加し、このゲート電圧を制御してナノ物質を握力状態で
把持するときに、このゲート電圧を通してナノ物質に対
する握力を検出するダイオード型ナノピンセットであ
る。ゲート電圧の測定により握力計測を可能にしたもの
で、ナノ物質を脱落寸前状態で把持する限界ゲート電圧
と比較すれば、そのゲート電圧の超過分により握力を正
確に検出でき、ダイオード電流との組み合わせにより更
に正確な握力制御を実現する事ができる。
【００１７】第７の発明は、ナノチューブダイオードの
基端部間にダイオード電圧を印加しながらゲート用ナノ
チューブとナノチューブダイオード間に静電引力用のゲ
ート電圧を印加してナノチューブダイオードに流れるダ
イオード電流を制御し、このダイオード電流を通して両
アームによるナノ物質を把持する握力を検出するダイオ
ード型ナノピンセットである。ナノ物質を把持した瞬間
にダイオード電流が急上昇する現象や、ナノ物質を把持
する前後でダイオード電流の増加直線が折れ曲る現象を
用いることにより、ダイオード電流の計測を通してナノ
物質の把持や握力の自在制御を実現したものである。
【００１８】第８の発明は、ダイオード型ナノピンセッ
トと、このダイオード型ナノピンセットに印加するゲー
ト電圧とダイオード電圧とダイオード電流を可変制御す
るピンセット制御回路と、ダイオード型ナノピンセット
をＸＹＺ方向に搬送制御する搬送制御回路から構成され
るナノマニピュレータ装置である。ナノ物質に対する握
力制御が可能なダイオード型ナノピンセットを制御回路
と組み合わせてナノロボット機能を有したナノマニピュ
レータ装置を具現したものであり、このナノロボットを
活用することにより自在にナノ構造物の構築を可能にす
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るダイオード
型ナノピンセット及びこれを用いたナノマニピュレータ
装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００２０】図1は本発明に係るダイオード型ナノピン
セットの実施形態の斜視図である。このダイオード型ナ
ノピンセット１はホルダーの先端にナノチューブからな
る二つのアームを取り付けて構成される。この実施形態
では、ホルダーの一例としてＡＦＭ用のカンチレバー２
の突出部６が利用されているが、その他の構造でも構わ
ない。ここでＡＦＭとは原子間力顕微鏡（Atomic Force
Microscope）の略称である。
【００２１】カンチレバー２は、カンチレバー部４とそ
の先端に突設された突出部６から構成されている。この
突出部６の形状には種々あるが、ここでは先端面６ａ、
側面６ｂ・６ｃ、後端面６ｄ及び突出端６ｅからその外
形が形成されている。カンチレバー部４と先端面６ａに
はリード電極１２が形成され、カンチレバー部４の両側
面から側面６ｂ・６ｃにはリード電極１３・１４が形成
されている。
【００２２】突出部６には、ダイオード型ナノピンセッ
ト１の第１アームとなるゲート用ナノチューブ８と、第
２アームとなるナノチューブダイオードＮＤが下方に突
設されている。まず、カーボンナノチューブであるゲー
ト用ナノチューブ８の基端部８ｂは前記リード電極１２
に導通するように先端面６ａに接触して配置され、コー
ティング膜１６で固定されている。
【００２３】この実施形態では、ナノチューブダイオー
ドＮＤは一本のカーボンナノチューブを折り畳んで形成
され、Ａタイプのナノチューブダイオードと呼ぶ。ダイ
オード用ナノチューブ９・１０はこの折畳によって形成
された両足で、その基端部９ｂ・１０ｂはリード電極１
３・１４に導通するように側面６ｂ・６ｃに接触して配
置され、コーティング膜１７・１８により固定されてい
る。
【００２４】前述のように、カーボンナノチューブは真
中で折り畳まれ、その先端折畳部は下方に突出するよう
に配置される。この先端折畳部では通常のカーボンナノ
チューブの性質が変性して電気的な絶縁性が高まる傾向
があり、この先端折畳部がダイオード特性を発現するダ
イオード特性部ＤＰとなる。このダイオード特性部ＤＰ
では、ダイオード電圧ＶDを印加したときにダイオード
電流ＩDが流れ、このＩ D−ＶD特性が電子素子のダイオ
ードと類似した構造を示す。詳細は図５で説明される。
【００２５】第１アームとなるゲート用ナノチューブ８
と第２アームとなるナノチューブダイオードＮＤがナノ
ピンセットの操作部を構成し、先端８ｃとダイオード特
性部ＤＰの間隔がアーム間隔Ｓとなり、このアーム間隔
Ｓを拡大・縮小することによりナノ物質の把持・放出を
行なう。
【００２６】ダイオード型ナノピンセット１の後方には
ナノピンセット制御回路２６が形成されている。このナ
ノピンセット制御回路２６はゲート電源ＥＧ、ダイオー
ド電源ＥＤ、ゲートスイッチＳＧ、ダイオードスイッチ
ＳＤ、ダイオード電流計ＤＡから構成されている。この
回路は接点１２ａ・１３ａ・１４ａを介してリード電極
１２・１３・１４に接続されている。
【００２７】図２は、図１に示されるダイオード型ナノ
ピンセットの回路構成図である。ダイオードスイッチＳ
Ｄを閉鎖するとナノチューブダイオードＮＤにダイオー
ド電圧ＶDが印加され、ダイオード電流ＩDが矢印のよう
に流れる。このとき、ダイオード用ナノチューブ１０が
アースとなり、ダイオード用ナノチューブ９の電位がＶ
Dに設定される。
【００２８】また、ゲートスイッチＳＧを閉鎖すると、
ゲート電源ＥＧにより点ＰＥの電位がアースになり、ゲ
ート用ナノチューブ８の電位がゲート電圧ＶGに設定さ
れる。このゲート電圧ＶGによりゲート用ナノチューブ
８の先端部８ａには正電荷（＋）が、同時にダイオード
特性部ＤＰ近傍には負電荷（−）が静電誘導される。
【００２９】点ＰＥがアースとなっているから、ダイオ
ード用ナノチューブ１０の電位はゼロ、ダイオード用ナ
ノチューブ９の電位はＶD、ゲート用ナノチューブ８の
電位はＶG−ＶDなる。従って、ナノチューブ間の電位差
は、ナノチューブ９・１０間ではＶD、ナノチューブ８
・１０間ではＶG、ナノチューブ８・９間ではＶG−ＶD
となる。
【００３０】ダイオード特性部ＤＰには矢印方向にダイ
オード電流ＩDを流しながら、同時にダイオード特性部
ＤＰに負電荷を静電誘導させる必要があるから、ゲート
電圧ＶGはダイオード電圧ＶDより大きく設定される必要
がある。即ち、ＶG＞ＶDが必要な条件となる。
【００３１】詳しく述べると、ゲート電圧ＶGにより静
電誘導された正電荷と負電荷の静電引力によりアーム間
隔Ｓは開閉調整され、この開閉調整はダイオード電圧Ｖ
Dにより影響されないことが好ましい。この条件を満足
させるためには、ゲート電圧ＶGがダイオード電圧ＶDよ
り十分大きいことが要請され、ＶG≫ＶDが満足される事
が望ましい。
【００３２】前述したように、ダイオード特性部ＤＰで
はその電流電圧関係ＩD−ＶDにダイオード特性が成立し
ている。図５に示されるように、その関係はダイオード
電圧ＶDを増加させてゆくと、ダイオード電流ＩDが急激
に増加する非線形曲線を示す。この関係は電気抵抗が変
化する意味からバリスタ特性といってもよい。また、ダ
イオード電圧ＶDがある臨界値ＶDCに達すると電流がゼ
ロから急に流れ出す場合には、整流特性と呼んでも構わ
ない。本発明ではこれらの非線形特性を纏めてダイオー
ド特性と呼んでいる。
【００３３】ゲート電圧ＶGを印加すると、ゲート用ナ
ノチューブ８の先端８ｃがダイオード特性部ＤＰに接近
するから、ダイオード特性部ＤＰに作用する電界が変化
し、ダイオード電流ＩDも変化する。言い換えると、ゲ
ート電圧ＶGを変化すると、Ｉ D−ＶD特性が変化するこ
とが分かる。つまり、ゲート電圧ＶGが決まれば、ＩD−
ＶD特性も一意的に決まる。
【００３４】このダイオード電流ＩDがゲート電圧ＶGで
変化することは、量子論的にはクーロンブロッケードで
説明できる。ゲート電圧ＶGを増加すると、ダイオード
特性部ＤＰに電子が静電的に誘導され、それはダイオー
ド電流ＩDが増加することを意味する。電子を１個誘導
するにはそれだけのエネルギーが必要であるから、ゲー
ト電圧のステップ的な増加の度に電子が一個ずつ量子的
に誘導されることになる。従って、１ステップに満たな
い電圧増加では電子は誘導されないから、その意味でク
ーロンブロッケードが成立している。
【００３５】図３はダイオード電圧ＶDの非印加時にお
けるゲート電圧ＶGとアーム間隔Ｓの関係曲線図であ
る。この関係曲線はダイオード型ピンセットの具体的構
成ごとに変化するから、一般的傾向を示すものとして説
明する。
【００３６】このダイオード型ナノピンセット１では、
ゲート用ナノチューブ８の断面直径ＤNは１５ｎｍであ
り、ゲート用ナノチューブ８とナノチューブダイオード
ＮＤの突出部６からの長さＬは２．５μｍである。ＶG
＝０Ｖのときにアーム間隔Ｓは最大になり、その最大間
隔ＳM＝０．８２μｍである。
【００３７】ゲート電圧ＶGを増加してゆくと、静電引
力により主としてゲート用ナノチューブ８がナノチュー
ブダイオードＮＤに対し接近するように傾斜してゆく。
１本のカーボンナノチューブから構成されるゲート用ナ
ノチューブ８の方が１本を二つに折り畳んだナノチュー
ブダイオードＮＤより撓み易いことは容易に理解でき
る。
【００３８】ＶG＝０Ｖ、２Ｖ、４Ｖ、５Ｖのように、
ＶGを増加するに従って、アーム間隔Ｓは次第に小さく
なってゆく。例えば、ＶG＝０ＶでＳM＝０．８２μｍで
あったものが、ＶG＝４ＶではＳ＝０．６５μｍと小さ
くなる。しかし、限界ゲート電圧ＶGL＝５．６Ｖに達し
た瞬間に、ゲート用ナノチューブ８の先端８ｃはダイオ
ード特性部ＤＰに接触してしまう。
【００３９】中間領域では静電引力とカーボンナノチュ
ーブの撓み弾性力とは適切にバランスしているが、ＶGL
＝５．６Ｖになると静電引力と撓み弾性力とのバランス
が突然崩れ、静電引力がちょっとでも大きくなる瞬間に
ゲート用ナノチューブ８の先端８ｃがダイオード特性部
ＤＰに吸引されてしまうのである。つまり、限界ゲート
電圧ＶGL＝５．６Ｖのとき限界アーム間隔ＳL＝０．３
８μｍであり、５．６Ｖ以上のゲート電圧ＶGではアー
ム間隔Ｓ＝０となる。
【００４０】図４はゲート電圧を利用してナノ物質に対
する握力を検出しながらダイオード型ナノピンセットを
制御する簡易フロー図である。このフローの考え方は、
ダイオード型ナノピンセットによりナノ物質をＡＦＭ操
作してそのサイズｄを計測し、そのサイズに応じてナノ
ピンセットを制御するものである。
【００４１】図３の数値を用いて説明すると、ナノ物質
のサイズｄが最大間隔ＳM＝０．８２μｍを超える場合
には把持不能と判断し、０．８２μｍ（ＳM）≧ｄ≧
０．３８μｍ（ＳL）の場合にはそのサイズｄに等しい
アーム間隔Ｓを与えるゲート電圧ＶGdを図３の曲線から
算出する。ゲート電圧ＶGを印加しないでナノ物質を把
持した後、ＶGをＶGdまで増加すると、握力がゼロの状
態で把持したことになる。ＶGをＶGdより大きくする
と、アーム間隔は狭まらないが、電圧差ＶG−ＶGdに相
当する握力で把持されたことになる。従って、握力Ｆg
をＶG−ＶGdの関数として検出する。
【００４２】更に、ｄ＜０．３８μｍ（ＳL）の場合に
は、ゲート電圧ＶGを限界電圧ＶGLに設定し、ゲート用
ナノチューブ８が自発的に閉じてナノ物質を把持する。
もしナノ物質が無ければアームは相互に完全に閉じるこ
とになるが、この簡易フローではそのような事態は考慮
しない事にする。握力を増大させるために、ゲート電圧
ＶGを限界ゲート電圧ＶGLより大きくすると、ナノ物質
が存在するためにアーム間隔Ｓはｄより狭まらないが、
握力は増加する。この簡易フローでは、この握力Ｆgを
電圧差ＶG−ＶGLの関数として検出する。
【００４３】次に、上述で数値的に説明した流れを簡易
フローを用いて説明をする。ステップｍ１によりこのダ
イオード型ナノピンセットの最大間隔ＳM、限界間隔
ＳL、限界ゲート電圧ＶGLを初期設定する。次に、この
ナノピンセットのゲート用ナノチューブ８の先端８ｃを
探針としてＡＦＭ操作し、試料上のナノ物質のサイズｄ
を測定（ｍ２）する。
【００４４】図３の曲線データから、このサイズｄに相
当する対応電圧ＶGdを算出（ｍ３）する。例えば、ｄ＝
０．６５μｍ（＝６５０ｎｍ）ではＶGd＝４Ｖとなる。
このサイズｄが最大間隔ＳMより大きい場合（ｍ４）に
は、このダイオード型ナノピンセットでは把持すること
ができないから操作不能と判断（ｍ５）し、ｍ２に戻っ
て次のナノ物質のサイズ測定を行なう。
【００４５】サイズｄが最大間隔ＳM以下であるが限界
間隔ＳL以上の場合（ｍ６）には、Ｖ G＝０Ｖの状態でナ
ノ物質を把持した後、ＶGを対応電圧ＶGd以上に設定
（ｍ７）してナノ物質を握力付加状態で把持する。この
握力Ｆgはゲート電圧の超過量ＶG−ＶGdの関数として計
測（ｍ９）される。ゲート電圧ＶGを可変することによ
って握力を調整できる。
【００４６】サイズｄが限界間隔ＳLより小さい場合に
は、ゲート電圧ＶGを限界電圧ＶGL以上に設定（ｍ８）
しなければナノ物質を把持できない。このときゲート用
ナノチューブ８は自発的且つ瞬間的にナノ物質のサイズ
ｄにまで閉じ、その握力Ｆgは電圧差ＶG−ＶGLによって
検出（ｍ１０）できる。このように、ナノ物質をある大
きさの握力で把持すると、ナノ物質がダイオード型ナノ
ピンセットから脱落することはない。
【００４７】ダイオード型ナノピンセットによってナノ
物質を把持すると、後は通常のナノマニピュレーション
（ｍ１１）に移行する。即ち、ナノ物質を把持したま
ま、ナノピンセットを上昇させ、所定の目的位置まで搬
送する。その後、ナノピンセットを下降し、ゲート電圧
ＶGをゼロにしてアームを完全に開放し、ナノ物質を試
料上に放出する。この操作を繰り返すことによって、原
料位置からナノ物質を選択し、目的位置にナノ物質を配
置して目的とするナノ構造物を設計図に従って構築する
ことができる。
【００４８】次に、ナノピンセットがナノ物質を把持し
た瞬間を自動計測したり、ナノ物質に対する握力を自動
計測するために、ダイオード電流の活用を検討する。こ
のダイオード電流の活用は、前述したゲート電圧の計測
を併用することによって、その操作性と制御性を向上す
ることができる。
【００４９】図５はゲート電圧に対するダイオード電流
とダイオード電圧の関係を示したダイオード特性図であ
る。この特性曲線もダイオード型ピンセットの具体的構
成ごとに変化するから、一般的傾向を示すものとして説
明する。
【００５０】ゲート電圧ＶGがゼロのとき、ナノチュー
ブから構成されるアームには全く静電気は誘導されな
い。このＶG＝０におけるダイオード電流ＩDとダイオー
ド電圧ＶDの関係は実線で描かれている。０≦ＶD≦０．
８の範囲ではＩDはゼロであり、ＶD＝０．８Ｖからダイ
オード電流が流れ出し、つまりＶD≧０．８でＩD≧０と
なっている。ＶDが負の領域においては原点に関して対
称となっている。このような非線形関係は一般に整流特
性と云われるが、本発明ではダイオード特性と呼んでい
る。
【００５１】ゲート電圧ＶGが印加されると、ゲート用
ナノチューブ８の先端部８ａには正電荷が誘導され、ダ
イオード特性部ＤＰには負電荷が誘導される。負電荷の
誘導はダイオード電流ＩDの増加を意味する。例えば、
ＶG＝＋２Ｖを印加するとＩDが増加するため、ＩD−ＶD
特性は鎖線で示すように実線より上方に移動する。ＶG
＝＋４Ｖの場合には長破線の関係となり、更にＶG＝＋
５Ｖの場合には短破線の関係が成立する。
【００５２】この特性において、ダイオード電圧ＶDを
一定に保持した状態で、ゲート電圧ＶGを増加させたと
きのダイオード電流ＩDの変化を見てみよう。ＶD＝１．
１Ｖでは、ＶG＝０Ｖ→２Ｖ→４Ｖの変化で、ダイオー
ド電流ＩDはＰ0→Ｐ2→Ｐ4と増加してゆく。ゲート電圧
ＶGを印加しない点Ｐ0においてさえ、ＩD＝０．０５ｎ
Ａのダイオード電流が流れている。つまり、ＶD＝１．
１ＶではＩDのスイッチング的変化は生じない。
【００５３】他方、ＶD＝０．５Ｖの場合では、ＶG＝０
Ｖ→２Ｖ→４Ｖ→５Ｖの変化で、ダイオード電流ＩDは
Ｐ0（Ｐ2）→Ｐ4→Ｐ5と増加してゆく。点Ｐ0と点Ｐ2に
おけるダイオード電流ＩDはゼロである。つまり、ＶG＝
０Ｖ、２ＶではＩDは流れず、ＶG＝４Ｖ、５Ｖになって
ＩDは流れることが分る。即ち、ＶD＝０．５Ｖでは、Ｖ
G＜２Ｖでは電流が流れず、それ以上で電流が流れると
いうスイッチング特性が利用できる。
【００５４】以上はダイオード電流の第１利用方法を示
し、ダイオード電流ＩDが急に流れ出すスイッチング作
用を利用してナノ物質を把持したことを検出し、後はダ
イオード電流ＩDの大きさからナノ物質に対するピンセ
ットの握力を検出することが可能となる。
【００５５】例えば、ナノピンセットによりナノ物質を
ＡＦＭ操作して、そのサイズｄ＝０．６５μｍ（＝６５
０ｎｍ）であったとする。図３に示されるＳ−ＶG特性
から、対応ゲート電圧ＶGd＝４Ｖであることが算出され
る。つまり、ゲート電圧ＶGとして４Ｖを印加すれば握
力がゼロの状態で把持できることを意味する。
【００５６】次に、図５に示されるＩD−ＶD特性から、
ＶG＝４ＶでＩDがゼロから流れ出すＶDを算出する。つ
まり、ＶG＜４ＶではＩDはほとんどゼロで、ＶG＝４Ｖ
でＩDが急に流れ出す臨界条件を満たすＶDを算出する。
このＶDを臨界ダイオード電圧と名づけると、図５から
ＶD＝０．５Ｖが算出される。
【００５７】従って、ｄ＝０．６５μｍのナノ物質に対
しては、ダイオード電圧ＶD＝０．５Ｖに固定した状態
で、ゲート電圧ＶGを増加させ、後はダイオード電流ＩD
を計測する。ＩDが急に流れ出したときにダイオード型
ナノピンセットがナノ物質を把持したことを示し、更に
ゲート電圧ＶGを増加させるとＩDが増加し、このＩDの
関数として握力の大きさが導出される。に相当してい
る。このＩDの大きさは電圧差ＶG−ＶGdに相当してお
り、この電圧差ＶG−ＶGdから握力を検出してもよい
が、ダイオード電流ＩDから検出することもできるので
ある。
【００５８】同じサイズのナノ物質を操作する場合に
は、そのサイズｄは同一であるから、臨界ダイオード電
圧も同一になり、同一条件のままダイオード電流ＩDだ
けを検出して握力の検出が可能となる。
【００５９】図６及び図７はダイオード電流を用いた他
の握力計測方法を示している。両図において、ナノチュ
ーブダイオードＮＤには所定のダイオード電圧ＶGが印
加されており、その結果ダイオード電流ＩDが流れると
考える。
【００６０】図６は限界間隔ＳLより大きなナノ物質を
把持する場合のダイオード電流とゲート電圧の関係曲線
図である。ゲート電圧ＶGをゼロから次第に増加する
と、ゲート用ナノチューブ８がナノチューブダイオード
ＮＤに接近するから、ダイオード電流ＩDは次第に増加
する。
【００６１】対応ゲート電圧ＶGdに達すると、ゲート用
ナノチューブ８はナノ物質に当接するから、ゲート用ナ
ノチューブ８がそれ以上接近する事はない。しかし、そ
の状態で更にゲート電圧ＶGを増加してゆくと静電誘導
は強くなるため、ダイオード電流ＩDも増加する。但
し、ゲート用ナノチューブ８の接近が無いから、増加勾
配は小さい。従って、対応ゲート電圧ＶGdの左右でダイ
オード電流ＩＤに折れ曲りが生じる。
【００６２】従って、ダイオード電流ＩDの折れ曲りに
よりナノ物質を把持したことを計測できる。更に、対応
ゲート電圧ＶGdよりゲート電圧をΔＶGだけ増加させる
と、ナノ物質に対し握力が生じ、この握力Ｆｇは電流差
ＩD−ＩDd又は超過ゲート電圧ΔＶGdの関数として検出
する事ができる。
【００６３】図７は限界間隔ＳLより小さなナノ物質を
把持する場合のダイオード電流とゲート電圧の関係曲線
図である。勿論、ナノチューブダイオードＮＤには所定
のダイオード電圧ＶGが印加されているから、その結果
ダイオード電流ＩDが流れている。
【００６４】ゲート電圧VGヲ次第に増加させてゆくと、
ダイオード電流ＩDも増加してゆく。この関係は、図５
におけるＶD＝１．１ＶのＰ0→Ｐ2→Ｐ4に対応してい
る。従って、図７においてもダイオード電流ＩDはＰ0→
Ｐ2→Ｐ4の如く増加してゆくと考えられる。
【００６５】今、ナノ物質のサイズｄは限界間隔ＳLよ
り小さいから、ゲート電圧ＶGが限界ゲート電圧ＶGLに
達すると、その瞬間にゲート用ナノチューブ８は閉じて
ナノ物質を把持し、アーム間隔Ｓはサイズｄに等しくな
る。
【００６６】限界ゲート電圧ＶGLを印加した状態で、ゲ
ート用ナノチューブ８は瞬間的に閉じるから、静電誘導
の急上昇によりダイオード電圧ＩDも急上昇し、増加分
ΔＩDの急上昇が検出される。従って、ダイオード電流
ＩDの増加分ΔＩDを計測することによりナノ物質の把持
が検出される事になる。把持力である握力ＦｇはΔＩD
の関数、即ちｆ（ΔＩD）で導出できる。
【００６７】もし、ナノ物質を把持できなかった場合に
は、ゲート用ナノチューブ８はナノチューブダイオード
ＮＤと接触して短絡するから、ダイオード電流ＩDの増
加は更に大きな短絡増加分ΔＩDMにまで達する。従っ
て、電流増加分ΔＩDがΔＩDMに達しない程度の増加量
（）である場合にはナノ物質を把持したと判断でき、ま
たΔＩDがΔＩDMの大きさにまで急上昇した場合にはナ
ノ物質を把持できずに短絡したと判断できる。
【００６８】図８はダイオード電流を利用してナノ物質
に対する握力を検出しながらダイオード型ナノピンセッ
トを制御する簡易フロー図である。このフローの考え方
は、ダイオード型ナノピンセットによりナノ物質をＡＦ
Ｍ操作してそのサイズｄを計測し、そのサイズに応じて
ナノピンセットを制御するものである。
【００６９】ステップｎ１において、ダイオード型ナノ
ピンセットの特性値である最大間隔ＳMを初期設定す
る。次に、ゲート用ナノチューブ８を探針として使用
し、ナノ物質をＡＦＭ操作してそのサイズｄを検出（ｎ
２）する。
【００７０】ナノ物質のサイズｄがアームの最大間隔Ｓ
Mより大きければ（ｎ３）、このナノピンセットではそ
のナノ物質を把持することはできず、操作不能（ｎ４）
となる。この場合には、そのナノ物質の操作を諦め、再
びステップｎ２に戻って新しいナノ物質のサイズ測定に
入る。
【００７１】サイズｄがｄ≦ＳMを満足していれば、サ
イズｄとナノピンセットの限界間隔ＳＬとの比較（ｎ
５）を行なう。サイズｄが限界間隔ＳＬより小さい場合
には、所定のダイオード電圧ＶＤを印加（ｎ６）する。
この状態でゲート電圧ＶＧを印加して増加（ｎ７）させ
てゆき、ダイオード電流ＩＤが急上昇するかどうかをチ
ェック（ｎ８）する。
【００７２】ダイオード電流ＩDが急上昇しなければ、
更にゲート電圧ＶGを増加させてダイオード電流ＩDの急
上昇をチェックし、ＩDの急上昇を検出するまでこの操
作を反復する。ＩDの急上昇を検出すると、ダイオード
電流ＩDの増加分ΔＩDを測定（ｎ９）する。
【００７３】ダイオード電流の増加分ΔＩDが短絡増加
分ΔＩDMより小さい場合（ｎ１０）には、ナノピンセッ
トがナノ物質を把持したことを意味する。従って、ナノ
物質に対する握力ＦｇをＦｇ＝ｆ（ΔＩD）により計算
（ｎ１１）して、そのナノ物質を所定の目的場所まで移
動（ｎ１２）させる。もし、ΔＩDがΔＩDM以上の場合
にはナノピンセットがナノ物質を把持せずに短絡した事
を意味するので、元に戻って別のナノ物質のサイズ測定
（ｎ２）に入る。
【００７４】ナノ物質のサイズが限界間隔ＳL以上の場
合（ｎ５）には、所定のダイオード電圧ＶDを印加（ｎ
１３）する。この状態で、ゲート電圧ＶGを増加（ｎ１
４）させながらダイオード電流ＩDを測定（ｎ１５）す
る。そして、ダイオード電流ＩDに折れ曲りが生じたか
どうかを判断（ｎ１６）し、折れ曲りが無い場合には再
びステップｎ１４に戻って上記のフローを繰り返す。
【００７５】もし、ダイオード電流ＩDに折れ曲りが確
認された場合には、ナノピンセットがナノ物質を把持し
たことを意味する。このときのダイオード電流を対応ダ
イオード電流ＩDdと呼んで内部設定（ｎ１７）を行な
う。対応ダイオード電流ＩDdでは、ナノ物質は脱落寸前
の状態で把持されている。
【００７６】更に、ゲート電圧ＶGを増加すると、ゲー
ト用ナノチューブ８はナノ物質を把持しているから、そ
れ以上には閉じない。しかし、ダイオード電流ＩDは増
加するから、ＩD−ＩDdに依存した握力Ｆｇでナノ物質
を把持する事になる。この握力ＦｇはＦｇ＝ｆ（ＩD−
ＩDd）の形式で関数計算（ｎ１８）される。その後、こ
のナノ物質を目的場所まで移動（ｎ１２）させ、ステッ
プｎ２に戻って新たなナノ物質に対し上記操作を繰り返
す。
【００７７】図９はＢタイプのナノチューブダイオード
を組み込んだダイオード型ナノピンセットの要部斜視図
である。ダイオード型ナノピンセット１の突出部６の一
方側には、第１アームとなるゲート用ナノチューブ８が
突設されている。突出部６の他方側には第２アームとな
るナノチューブダイオードＮＤが突設されている。
【００７８】このナノチューブダイオードＮＤは２本の
ダイオード用ナノチューブ９、１０から構成されてい
る。ダイオード用ナノチューブ９、１０の基端部９ｂ、
１０ｂは突出部６の側面にコーティング膜により固定さ
れ、先端９ｃ、１０ｃは相互に接触させている。この接
触状態は周囲を堆積物ＣＦで囲繞することにより固定さ
れている。この接触部がダイオード特性部ＤＰとなって
いる。
【００７９】このナノチューブダイオードＮＤのダイオ
ード特性部ＤＰに関して、ダイオード電流ＩDとダイオ
ード電圧ＶDの関係を測定すると、図１２の実線で表さ
れる非線形関係を示した。ナノチューブを単に接触させ
るだけでもこのような非線形特性を出現させることがで
きる。非線形関係は原点に関して中心対称性があり、非
線形性からバリスタ特性を有していることが分る。本発
明のダイオード特性はこのようなバリスタ特性も包含し
た概念である。
【００８０】図１０はＣタイプのナノチューブダイオー
ドを組み込んだダイオード型ナノピンセットの要部斜視
図である。Ｂタイプと同様に、ダイオード型ナノピンセ
ット１の突出部６の一方側には、第１アームとなるゲー
ト用ナノチューブ８が突設されている。突出部６の他方
側には第２アームとなるナノチューブダイオードＮＤが
突設されている。
【００８１】ナノチューブダイオードＮＤは２本のダイ
オード用ナノチューブ９、１０から構成され、その基端
部９ｂ、１０ｂは突出部６の側面にコーティング膜によ
り固定されている。その先端９ｃ、１０ｃの間には独立
した短い中間ナノチューブ７が介装され、二つの接点を
有して相互に接触した状態にある。この接触状態は周囲
を堆積物ＣＦで囲繞することにより固定されている。こ
の２接点を有した接触部が本発明のダイオード特性部Ｄ
Ｐを構成する。中間ナノチューブ７の先端７ｃを突出さ
せておくと、この先端７ｃが第２アームの先端になった
り、ＡＦＭ探針として利用できるので都合がよい。
【００８２】このダイオード特性部ＤＰに関して、ダイ
オード電流ＩDとダイオード電圧ＶDの関係を測定する
と、図１２の長破線で表される非線形関係を示すことが
分かった。二つの接点を有することから非線形性が強く
なっていることが分かる。ダイオード電圧ＶDのマイナ
ス側の測定が十分ではないが、原点に関してほぼ中心対
称をなすことが推定される。強い非線形性から電気抵抗
も非線形に変化し、強いバリスタ特性を有していること
も分る。
【００８３】図１１はＤタイプのナノチューブダイオー
ドを組み込んだダイオード型ナノピンセットの要部斜視
図である。このＤタイプは前述したＣタイプとほとんど
同様の構成を有し、異なる点は、二つの接点の代わりに
二つの非接触部ＮＣがあることである。つまり、ダイオ
ード用ナノチューブ９、１０の先端９ｃ、１０ｃと中間
ナノチューブ７とは接近しているものの相互に非接触で
あるように保持されている。
【００８４】つまり、Ｄタイプでは２接点の代わりに２
非接触部ＮＣがある。この非接触部ＮＣは、絶縁性の堆
積物ＣＦを周囲だけでなくその非接触部にも充填するこ
とによって形成されている。堆積物ＣＦとしては、Ｂタ
イプ・Ｃタイプ・Ｄタイプに共通してカーボン堆積物が
簡易に利用される。所要部位に電子ビームを照射する
と、電子顕微鏡内に存在する有機物質が電子ビームによ
り分解されて照射部位に堆積してゆくことを利用する。
【００８５】Ｄタイプでは、この二つの非接触部ＮＣの
領域がダイオード特性部ＤＰを構成する。このダイオー
ド特性部ＤＰに関して、ダイオード電流ＩDとダイオー
ド電圧ＶDの関係を測定すると、図１２の短破線で表さ
れる非線形関係を示すことが分かった。二つの非接触部
ＮＣを有することから更に非線形性が強くなり、±１．
９Ｖの臨界電圧を有していることが分かった。この特性
は一番明瞭なダイオード特性である。
【００８６】臨界特性とは、ダイオード電圧ＶDが臨界
電圧以上になるとダイオード電流ＩDが急激に大きくな
る特性であり、スイッチング特性又は整流特性と言って
もよいう。従って、臨界電圧の左右ではダイオード電流
ＩDがオン・オフに変化し、また出力側に負荷抵抗を接
続すると臨界電圧以下は遮断されるので、整流作用を有
する。Ｄタイプではこのように明瞭な半導体特性が発現
する。
【００８７】図１２は、図９・１０・１１に示される３
種類のナノチューブダイオード（Ｂ、Ｃ、Ｄ）のＩD−
ＶD特性図である。実線がＢタイプのダイオード特性、
長破線がＣタイプのダイオード特性、短破線がＤタイプ
のダイオード特性を示す。
【００８８】本発明では、ナノチューブダイオードの実
施形態としてＡタイプ、Ｂタイプ、Ｃタイプ及びＤタイ
プの４種類が例示されているが、ダイオード特性はこれ
らの形態に限定されるものではない。ダイオード電流Ｉ
Dとダイオード電圧ＶDの関係が非線形なダイオード特性
を発現するナノチューブの組み合わせは全て本発明のナ
ノチューブダイオードに包含される。
【００８９】図１３は本発明に係るダイオード型ナノピ
ンセットを用いたナノマニピュレータの説明図である。
試料３２の表面には、球状ナノ物質２８や棒状ナノ物質
３０等を積載した原料位置ＰＲと、これらの原料物質を
利用してナノ構造物３４を構築する目的位置ＰＳが存在
する。
【００９０】原料位置から目的位置までナノ物質を搬送
するために、ダイオード型ナノピンセット１を制御する
制御回路２０が設けられている。この制御回路２０は、
ナノピンセット１をＸＹＺ方向に搬送する搬送制御回路
２３と、ナノ物質を把持・放出するためのナノピンセッ
ト１の開閉制御を行なうナノピンセット制御回路２６か
ら構成されている。また、搬送制御回路２３はＸ方向と
Ｙ方向の駆動制御を行なうＸＹ制御回路２２と、Ｚ方向
の駆動制御を行うＺ制御回路２４からなる。搬送制御や
ナノピンセット制御の状態はディスプレイ２７に表示さ
れる。
【００９１】次に、このダイオード型ナノピンセット１
を用いたナノマニピュレータの動作を簡単に説明する。
まず、ナノピンセット１をＺ方向に上昇させて原料位置
ＰＲに移動させ、ゲート用ナノチューブ８（第１アー
ム）とナノチューブダイオードＮＤ（第２アーム）を閉
じてＡＦＭ探針とする。Ｚ方向に下降させた後、搬送制
御回路２３により原料位置付近のＡＦＭ走査を行なう。
今、把持すべき物質が棒状ナノ物質３０とすると、その
物質の位置とサイズを測定する。
【００９２】計測されたサイズをナノピンセット制御回
路２６に格納し、アームを開いてターゲットとなる棒状
ナノ物質３０を挟み、アームを閉じて急激に流れるダイ
オード電流を計測して両アームが棒状ナノ物質を把持し
たことを検出し、更にダイオード電流を検出しながらア
ームが閉じる事により所定の握力で棒状ナノ物質を把持
する。
【００９３】その状態でナノピンセット１をＺ方向に上
昇させ、搬送制御回路２３によりナノピンセット１を目
的位置ＰＳまで移動させる。そして、ナノピンセット１
をＺ方向に下降させ、ナノ構造物３４の特定場所に到達
すると、アームを開いて棒状ナノ物質３０を放出する。
その後、アームを閉じてナノ構造物３４をＡＦＭ走査し
て棒状ナノ物質３０が正しく配置されたかどうかを確認
する。
【００９４】確認した後、ナノピンセット１を上昇さ
せ、搬送制御回路２３により原料位置ＰＲに帰還し、再
び次のナノ物質を選択して上記の動作を繰り返す。この
繰返しにより、多数のナノ物質を設計図に従って配設し
てナノ構造物３４を構築してゆく。ナノ構造物３４とし
ては、光・電子情報関連の新素材やナノサイズ部品、細
胞やタンパク質の集積による新しいバイオ関連機能物質
など種々のものがある。
【００９５】本発明は上記実施形態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
することは云うまでもない。
【００９６】
【発明の効果】第１の発明によれば、ゲート用ナノチュ
ーブを第１アームとし、ナノチューブダイオードを第２
アームとして、この両アーム間にナノ物質を把持したと
きに、ナノチューブダイオードに形成されたダイオード
特性部の反応によってナノ物質を把持したことや、ナノ
物質を把持する握力を検出することができ、ナノ物質に
対する握力を可変調整しながらナノピンセット操作を実
現できる。
【００９７】第２の発明によれば、１本のナノチューブ
を２本に折り畳み、その両端を基端部としてホルダーに
固定するだけでナノチューブダイオードを構成でき、し
かも先端折畳部がダイオード特性部となるから、組立が
簡単でダイオード特性部を確実に構成できるダイオード
型ナノピンセットを提供できる。
【００９８】第３の発明によれば、２本のナノチューブ
の基端部をホルダーに固定し、その先端部は相互に接触
させるだけでダイオード特性部を構成できるから、その
接触部を堆積物などで周囲から保護すれば、耐久性があ
るダイオード型ナノピンセットを実現できる。
【００９９】第４の発明によれば、２本のナノチューブ
の基端部をホルダーに固定し、先端部間に独立した中間
ナノチューブを相互に接触させて介装するだけでダイオ
ード特性部を構成でき、しかも周囲を堆積物などで周囲
から保護すれば、ダイオード特性部の反応性を高くしな
がら耐久性を有せしめることができ、しかも中間ナノチ
ューブの先端を突出させることによりナノチューブダイ
オードの先端を先鋭化でき、ピンセット操作以外にＡＦ
Ｍ操作に用いる場合でも分解能を高めることができる。
【０１００】第５の発明によれば、２本のナノチューブ
の基端部をホルダーに固定し、先端部間に独立した中間
ナノチューブを相互に非接触状態で介装するから、ダイ
オード特性を格段に向上でき、しかも周囲を堆積物など
で保護すれば耐久性を向上でき、しかも中間ナノチュー
ブの先端を突出させることによりナノピンセット操作の
みならずＡＦＭ操作において分解能を一層向上させるこ
とができる。
【０１０１】第６の発明によれば、ゲート用ナノチュー
ブとナノチューブダイオード間に静電引力用のゲート電
圧を印加し、このゲート電圧を制御してナノ物質を握力
状態で把持するときに、このゲート電圧を通してナノ物
質に対する握力を検出するダイオード型ナノピンセット
提供できる。ゲート電圧の測定により握力計測を可能に
したもので、ナノ物質を脱落寸前状態で把持する限界ゲ
ート電圧と比較すれば、そのゲート電圧の超過分により
握力を正確に検出でき、ダイオード電流との組み合わせ
により更に正確な握力制御を実現する事ができる。ナノ
物質に対し過剰な握力を加えることを防止でき、ナノ物
質を構造的に変形させないようにナノピンセット操作を
制御することが可能になる。
【０１０２】第７の発明によれば、ナノチューブダイオ
ードの基端部間にダイオード電圧を印加しながらゲート
用ナノチューブとナノチューブダイオード間に静電引力
用のゲート電圧を印加してナノチューブダイオードに流
れるダイオード電流を制御し、このダイオード電流を通
して両アームによるナノ物質を把持する握力を検出する
ダイオード型ナノピンセットを提供できる。ナノ物質を
把持した瞬間にダイオード電流が急上昇する現象や、ナ
ノ物質を把持する前後でダイオード電流の増加関数が折
れ曲る現象を用いることにより、ダイオード電流の計測
を通してナノ物質の把持や握力の自在制御を実現でき
る。
【０１０３】第８の発明によれば、ダイオード型ナノピ
ンセットと、このダイオード型ナノピンセットに印加す
るゲート電圧とダイオード電圧とダイオード電流を可変
制御するピンセット制御回路と、ダイオード型ナノピン
セットをＸＹＺ方向に搬送制御する搬送制御回路から構
成されるナノマニピュレータ装置を提供できる。ナノ物
質に対する握力制御が可能なダイオード型ナノピンセッ
トを制御回路と組み合わせてナノロボット機能を有した
ナノマニピュレータ装置を具現したものであり、このナ
ノロボットを活用することにより自在にナノ構造物の構
築を可能にし、ナノテクノロジーの発展に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るダイオード型ナノピンセットの実
施形態の斜視図である。
【図２】図１に示されるダイオード型ナノピンセットの
回路構成図である。
【図３】ダイオード電圧ＶDの非印加時におけるゲート
電圧ＶGとアーム間隔Ｓの関係曲線図である。
【図４】ゲート電圧を利用してナノ物質に対する握力を
検出しながらダイオード型ナノピンセットを制御する簡
易フロー図である。
【図５】ゲート電圧に対するダイオード電流とダイオー
ド電圧の関係を示したダイオード特性図である。
【図６】限界間隔ＳLより大きなナノ物質を把持する場
合のダイオード電流とゲート電圧の関係曲線図である。
【図７】限界間隔ＳLより小さなナノ物質を把持する場
合のダイオード電流とゲート電圧の関係曲線図である。
【図８】ダイオード電流を利用してナノ物質に対する握
力を検出しながらダイオード型ナノピンセットを制御す
る簡易フロー図である。
【図９】Ｂタイプのナノチューブダイオードを組み込ん
だダイオード型ナノピンセットの要部斜視図である。
【図１０】Ｃタイプのナノチューブダイオードを組み込
んだダイオード型ナノピンセットの要部斜視図である。
【図１１】Ｄタイプのナノチューブダイオードを組み込
んだダイオード型ナノピンセットの要部斜視図である。
【図１２】図９・１０・１１に示される３種類のナノチ
ューブダイオード（Ｂ、Ｃ、Ｄ）のＩD−ＶD特性図であ
る。
【図１３】本発明に係るダイオード型ナノピンセットを
用いたナノマニピュレータの説明図である。
【符号の説明】
１はダイオード型ナノピンセット、２はカンチレバー、
４はカンチレバー部、６は突出部、６ａは先端面、６ｂ
は側面、６ｃは側面、６ｄは後端面、６ｅは突出端、７
は中間ナノチューブ、７ｃは先端、８はゲート用ナノチ
ューブ（第１アーム）、９・１０はダイオード用ナノチ
ューブ、８ａ・９ａ・１０ａは先端部、８ｂ・９ｂ・１
０ｂは基端部、８ｃ・９ｃ・１０ｃは先端、１２・１３
・１４はリード電極、１２ａ・１３ａ・１４ａは接点、
１６・１７・１８はコーティング膜、２０は制御回路、
２２はＸＹ制御回路、２３は搬送制御回路、２４はＺ制
御回路、２６はナノピンセット制御回路、２７はディス
プレイ、２８は球状ナノ物質、３０は棒状ナノ物質、３
２は試料、３４はナノ構造物、ＣＦは堆積物、ＤＡはダ
イオード電流計、ｄはサイズ、ＤNはナノチューブ直
径、ＤＰはダイオード特性部、ＥＤはダイオード電源、
ＥＧはゲート電源、Ｆgは握力、ＮＤはナノチューブダ
イオード（第２アーム）、ＰＥはアース点、Ｓはアーム
間隔、ＳＤはダイオードスイッチ、ＳＧはゲートスイッ
チ、ＳLは限界間隔、ＳMは最大間隔、Ｖ Dはダイオード
電圧、ＶGはゲート電圧、ＶGdは対応ゲート電圧、ＶGL
は限界ゲート電圧。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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） 3C007 AS09 BS30 KS33 LV10 XG01

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホルダーから突出状に形成された少なく
    とも第１アームと第２アームを静電気により開閉自在に
    してナノ物質を把持するナノピンセットにおいて、前記
    第１アームは基端部をホルダーに固定して先端部を突出
    させたゲート用ナノチューブで形成され、前記第２アー
    ムは２本の基端部をホルダーに固定し先端部にダイオー
    ド特性部を形成したナノチューブダイオードで構成され
    ることを特徴とするダイオード型ナノピンセット。
  2. 【請求項２】 前記ナノチューブダイオードは、１本の
    ナノチューブを２本に折り畳んで構成され、その両端が
    基端部として前記ホルダーに固定され、先端折畳部はダ
    イオード特性を発現するダイオード特性部となる請求項
    １に記載のダイオード型ナノピンセット。
  3. 【請求項３】 前記ナノチューブダイオードは、２本の
    ナノチューブの基端部が前記ホルダーに固定され、２本
    のナノチューブの先端部は相互に接触してその接触部が
    ダイオード特性を発現するダイオード特性部となる請求
    項１に記載のダイオード型ナノピンセット。
  4. 【請求項４】 前記ナノチューブダイオードは、２本の
    ナノチューブの基端部が前記ホルダーに固定され、２本
    のナノチューブの先端部間に独立した中間ナノチューブ
    を相互に接触させて介装し、この接触部がダイオード特
    性を発現するダイオード特性部となる請求項１に記載の
    ダイオード型ナノピンセット。
  5. 【請求項５】 前記ナノチューブダイオードは、２本の
    ナノチューブの基端部が前記ホルダーに固定され、２本
    のナノチューブの先端部間には独立した中間ナノチュー
    ブがカーボン堆積物の充填により相互に非接触状態にな
    るように介装され、この非接触部がダイオード特性を発
    現するダイオード特性部となる請求項１に記載のダイオ
    ード型ナノピンセット。
  6. 【請求項６】 前記ゲート用ナノチューブとナノチュー
    ブダイオード間に静電引力用のゲート電圧を印加し、こ
    のゲート電圧を制御してナノ物質を握力状態で把持する
    ときに、このゲート電圧を通してナノ物質に対する握力
    を検出する請求項１のダイオード型ナノピンセット。
  7. 【請求項７】 前記ナノチューブダイオードの基端部間
    にダイオード電圧を印加しながらゲート用ナノチューブ
    とナノチューブダイオード間に静電引力用のゲート電圧
    を印加してナノチューブダイオードに流れるダイオード
    電流を制御し、このダイオード電流を通して両アームに
    よるナノ物質を把持する握力を検出する請求項１に記載
    のダイオード型ナノピンセット。
  8. 【請求項８】 請求項１、６又は７に記載のダイオード
    型ナノピンセットと、このダイオード型ナノピンセット
    に印加するゲート電圧とダイオード電圧とダイオード電
    流を制御するピンセット制御回路と、ダイオード型ナノ
    ピンセットをＸＹＺ方向に搬送制御する搬送制御回路か
    ら構成されることを特徴とするナノマニピュレータ装
    置。
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