JPH11246300A - Titanium nano fine wire, production of titanium nano fine wire, structural body, and electron-emitting element - Google Patents

Titanium nano fine wire, production of titanium nano fine wire, structural body, and electron-emitting element

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JPH11246300A
JPH11246300A JP31393998A JP31393998A JPH11246300A JP H11246300 A JPH11246300 A JP H11246300A JP 31393998 A JP31393998 A JP 31393998A JP 31393998 A JP31393998 A JP 31393998A JP H11246300 A JPH11246300 A JP H11246300A
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JP
Japan
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titanium
fine wire
pores
nanowire
nanostructure
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Tatsuya Iwasaki
達哉 岩崎
Toru Den
透 田
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a titanium nano fine wire having a uniform wire diameter by forming a structural body provided with a layer having fine pores on a base body having a surface containing titanium and in which the pores extend to the surface and then, heat-treating the structural body to form fine wires containing titanium in the pores. SOLUTION: A base body 10 is obtd. by forming a layer 11 which constitutes a surface containing titanium on the surface of a substrate 16 such as quartz glass and Si. Then, a film 12 essentially comprising Al is formed on the layer 11 of the base body 10 and is subjected to anodic oxidation to form a porous body 13 comprising anodically oxidized alumina having pores extending to the surface on the base body 10. The structural body forming the porous body 13 on the base body 10 provided with the surface containing titanium is heat- treated in an atmosphere containing >=1 Pa water vapor at 500 to 1,000 deg.C to allow the titanium in the pore bottoms to react with the atmosphere to form titanium nano fine wires 15 having <=300 nm diametert essentially comprising titanium in the pores of the porous body 13.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、チタンを主材料と
するナノ細線およびその製造方法、ナノ構造体及び電子
放出素子に関し、さらに詳しくは、電子デバイスやマイ
クロデバイス等の機能材料や構造材料等として、広い範
囲で利用可能な、特に機能材料としての光電変換素子、
光触媒素子、電子放出材料、マイクロマシン用細線、量
子効果素子用細線等に利用可能なナノ細線、およびその
製造方法、ナノ細線を具備するナノ構造体及びそれを用
いた電子放出素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nanowire composed mainly of titanium, a method for producing the same, a nanostructure, and an electron-emitting device. As a photoelectric conversion element that can be used in a wide range, especially as a functional material,
The present invention relates to a nanowire usable as a photocatalyst element, an electron-emitting material, a fine wire for a micromachine, a thin wire for a quantum effect element, a method for manufacturing the same, a nanostructure provided with the nanowire, and an electron-emitting device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、チタンおよびその合金は、機械的
には、軽いこと、強いこと、腐食されにくいこと等の特
徴から、航空機、自動車、化学機械等の構造材料として
広く用いられてきた。また、チタンおよびその合金は人
体に無害であることから医療器材にも用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, titanium and its alloys have been widely used as structural materials for aircraft, automobiles, chemical machines, and the like because of their characteristics of being light, strong, and resistant to corrosion. Titanium and its alloys are harmless to the human body and are therefore used in medical equipment.

【0003】最近では、酸化チタンの光半導体特性や、
光触媒作用等の応用として、光太陽電池、有害物質の分
解、抗菌等の研究が盛んに行われている。このほか、チ
タン材料の応用範囲は、真空ゲッタ材料、電子放出材
料、水素貯蔵合金、各種電子デバイスの電極等の多方面
にわたっている。
Recently, the optical semiconductor properties of titanium oxide,
As applications of photocatalysis and the like, researches on photovoltaic cells, decomposition of harmful substances, antibacterial and the like have been actively conducted. In addition, the application range of the titanium material covers various fields such as a vacuum getter material, an electron emission material, a hydrogen storage alloy, and electrodes of various electronic devices.

【0004】一方、金属および半導体の薄膜、細線、ド
ット等では、ある特徴的な長さより小さいサイズにおい
て、電子の動きが閉じ込められることによって、特異な
電気的、光学的、化学的性質を示すことがある。このよ
うな観点から、機能性材料として、100nmより微細
な構造を有する材料(ナノ構造体)の関心が高まってい
る。
On the other hand, thin films, thin wires, dots, and the like of metals and semiconductors exhibit unique electrical, optical, and chemical properties by confining the movement of electrons in a size smaller than a certain characteristic length. There is. From such a viewpoint, a material (nanostructure) having a structure finer than 100 nm is increasing as a functional material.

【0005】ナノ構造体の製造方法の例としては、例え
ば、フォトリソグラフィーをはじめ電子線露光、X線回
折露光等の微細パターン描画技術をはじめとする半導体
加工技術による作成があげられる。
As an example of a method for manufacturing a nanostructure, for example, there is a method using a semiconductor processing technique including a fine pattern drawing technique such as photolithography, electron beam exposure, and X-ray diffraction exposure.

【0006】また、このような作成法のほかに自然に形
成される規則的な構造、すなわち自己組織的に形成され
る構造をベースに、新規なナノ構造体を実現しようとす
る試みがある。これらの手法は、ベースとして用いる微
細構造によっては、従来の方法を上まわる微細で特殊な
構造を作成できる可能性があるため多くの研究が行われ
始めている。
[0006] In addition to such a production method, there is an attempt to realize a novel nanostructure based on a regular structure formed naturally, that is, a structure formed self-organizingly. Many studies have begun on these methods because there is a possibility that finer and special structures than conventional methods can be produced depending on the microstructure used as a base.

【0007】自己組織的に形成される特異な構造の例と
しては、Al陽極酸化皮膜があげられる(例えば、R.
C.Furneaux,W.R.Rigby&A.P.
Davidson“NATURE”Vol.337,P
l47(1989)等参照)。
An example of a unique structure formed in a self-organizing manner is an Al anodized film (for example, R.A.
C. Furneaux, W.C. R. Rigby & A. P.
Davidson "NATURE" Vol. 337, P
147 (1989)).

【0008】これは、Al板を酸性電解質中で陽極酸化
することにより形成される多孔質酸化皮膜であり、その
特徴は、図6に示すように、直径が数nm〜数百nmの
極めて微細な円柱状細孔(ナノホール)14が、数nm
〜数百nmの間隔で平行に配列するという特異的な幾何
学的構造を有することにある。この円柱状の細孔14
は、高いアスペクト比を有し、直線性に優れ、断面の径
の一様性にも優れている。
This is a porous oxide film formed by anodizing an Al plate in an acidic electrolyte. As shown in FIG. 6, the porous oxide film has a very small diameter of several nm to several hundred nm. Cylindrical pores (nano holes) 14
It has a specific geometric structure of being arranged in parallel at an interval of ~ several hundred nm. This cylindrical pore 14
Has a high aspect ratio, is excellent in linearity, and is also excellent in uniformity in cross-sectional diameter.

【0009】このような陽極酸化アルミナの特異的な幾
何学構造をベースとして用い、さまざまな応用が試みら
れている。益田による解説(益田:“固体物理”31,
493,1996)に詳しいが、細孔内に金属や半導体
導を充填する技術やレプリカをとる技術が典型であり、
着色、磁気記録媒体、EL発光素子、エレクトロクロミ
ック素子、光学素子、太陽電池、ガスセンサをはじめと
するさまざまな応用が試みられている。
Various applications have been attempted using such a specific geometric structure of anodized alumina as a base. Comment by Masuda (Masuda: "Solid State Physics" 31,
493, 1996), a technique of filling a metal or a semiconductor in a pore or a technique of taking a replica is typical.
Various applications such as coloring, magnetic recording media, EL light emitting elements, electrochromic elements, optical elements, solar cells, gas sensors and the like have been attempted.

【0010】さらには、量子細線、MTM(金属−絶縁
体−金属トンネル)素子等の量子効果デバイス、ナノホ
ールを化学反応場として用いる分子センサー、等多方面
への応用が期待されている。
[0010] Further, application to various fields such as quantum wire, quantum effect devices such as MTM (metal-insulator-metal tunnel) elements, molecular sensors using nanoholes as a chemical reaction field, etc. are expected.

【0011】このようなナノ構造体を、機能性の高いチ
タン材料により実現することができると、電子デバイス
やマイクロデバイス等の機能材料や構造材料等として、
幅広い応用が期待される。
When such a nanostructure can be realized by a highly functional titanium material, it can be used as a functional material or a structural material of an electronic device or a microdevice.
Wide application is expected.

【0012】一方、チタンを主材料とし、大きさ、形状
を制御してナノ構造体を作成した例としては、先に述べ
たように、フォトリソグラフィーをはじめ、電子線露
光、X線回折露光等の微細パターン描画技術をはじめと
する半導体加工技術によりTi材料薄膜をパターニング
することがあげられる。
On the other hand, as an example of forming a nanostructure by controlling the size and shape using titanium as a main material, as described above, photolithography, electron beam exposure, X-ray diffraction exposure, etc. Patterning of a Ti material thin film by a semiconductor processing technique such as a fine pattern drawing technique.

【0013】しかしながら、これらの手法は、歩留まり
の悪さや装置のコストが高い等の問題があり、簡易な手
法で再現性よく作成できる手法が望まれている。このよ
うな半導体加工技術の手法と比べ、自己組織的な現象を
用いる手法、特に陽極酸化アルミナをベースとして用い
る手法は、ナノ構造体を容易に、制御よく、大面積にわ
たり作成することができるという利点があるため好まし
い。
However, these methods have problems such as a low yield and a high cost of the apparatus. Therefore, a method that can be created with a simple method with high reproducibility is desired. Compared with such semiconductor processing techniques, the method using self-organizing phenomena, particularly the method using anodized alumina as a base, enables nanostructures to be formed easily, with good control, and over a large area. It is preferred because of its advantages.

【0014】このような手法を適用し、チタンを主材料
とするナノ構造体を作成した例としては、益田らによ
り、酸化チタンにより陽極酸化アルミナのレプリカをと
り、ポーラスTiO2 を構成した例があげられる(“J
pn.J.Appl.Phys.”31(1992)L
l775〜Ll777、“J.of Material
s Sci.Lett.”15(1996)1228〜
1230)。
As an example of applying such a method to form a nanostructure mainly composed of titanium, there is an example in which a replica of anodic oxide alumina is formed by titanium oxide to form porous TiO 2 by Masuda et al. ("J
pn. J. Appl. Phys. "31 (1992) L
1775-Ll777, "J. of Material
s Sci. Lett. "15 (1996) 1228-
1230).

【0015】しかしながら、この手法は、レプリカをと
る過程において多くの煩雑な工程を経なければならない
こと、電着によりTiO2 を形成するため、その結晶性
が悪いこと等の解決課題があげられる。
However, this method has problems to be solved, such as the necessity of going through many complicated steps in the process of taking a replica and the poor crystallinity of TiO 2 formed by electrodeposition.

【0016】一方、陽極酸化アルミナの細孔内に金属、
半導体を充填することによりナノ構造体を作成する方法
がよく行われている。例えば、電気化学的な手法による
Ni、Fe、Co、Cd等を充填する方法(D.Al−
Mawlawi et.al.“J.Mater.Re
s.”9,1014(1994)、益田他“表面技術”
Vol.43,798(1992)参照)、In、S
n、Se、Te等を溶融導入する方法(C.A.Hub
er et.al. SCIENCE 263,800
(1994)参照)等があげられる。
On the other hand, metal,
A method of forming a nanostructure by filling a semiconductor is often performed. For example, a method of filling Ni, Fe, Co, Cd or the like by an electrochemical method (D. Al-
Malawi et. al. “J. Mater. Re
s. "9, 1014 (1994), Masuda et al." Surface technology "
Vol. 43, 798 (1992)), In, S
Method for melting and introducing n, Se, Te, etc. (CA Hub
er et. al. SCIENCE 263,800
(1994)).

【0017】しかし、Tiの電着は一般的でないこと
や、Ti材料は一般に高融点であることの理由から、い
ずれの手法においてもTiを主成分とする材料の充填は
報告されていない。
However, since the electrodeposition of Ti is not common and the Ti material generally has a high melting point, filling with a material containing Ti as a main component has not been reported in any of the methods.

【0018】また他方、繊維強化プラスチックや繊維強
化金属、繊維強化セラミックヘの応用として、サブミク
ロンサイズのチタン酸カリウムウィスカー(0.2〜
1.Oμm径、5〜60μm長)が開発されている
(“日本金属学会誌”58(1994)69〜77)。
ただし、これらは粉末状のものであり、基板上に位置制
御し、配列する技術は現在のところ知られていない。ま
た、ナノ構造体として、特異な電気的、光学的、化学的
性質を期待するためには、サイズの点でさらなる微細化
の必要性がある。
On the other hand, as an application to fiber reinforced plastic, fiber reinforced metal, and fiber reinforced ceramic, a submicron-sized potassium titanate whisker (0.2 to
1. Om diameter, 5-60 m length) has been developed ("Journal of the Japan Institute of Metals" 58 (1994) 69-77).
However, these are powders, and the technology of controlling and arranging the positions on the substrate is not known at present. Further, in order to expect unique electrical, optical, and chemical properties as nanostructures, there is a need for further miniaturization in terms of size.

【0019】[0019]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した様な
種々の技術の要求に鑑みなされたものであり、チタンを
主材料として構成されるナノ細線(チタンナノ細線)の
製造方法、特に基体上にチタンナノ細線を作成する製法
の提供をその目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the demands for the various technologies as described above, and has been made in view of the above. A method for producing a nanowire composed mainly of titanium (titanium nanowire), particularly on a substrate. It is an object of the present invention to provide a method for producing titanium nanowires.

【0020】さらには、基体上に、特定の方向を有し、
細線径が均一なチタンナノ細線を等間隔に配したナノ構
造体を実現することにある。又本発明は、電子放出量が
多い、高性能な電子放出素子を提供することを他の目的
とする。
[0020] Further, the substrate has a specific direction on the substrate,
An object of the present invention is to realize a nanostructure in which titanium nanowires having a uniform fine wire diameter are arranged at equal intervals. Another object of the present invention is to provide a high-performance electron-emitting device having a large electron emission amount.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明の一実施態様にか
かるチタンナノ細線の製造方法は、チタンを含む表面を
有する基体上に該表面に対して伸びる細孔を有する層を
備えた構造体を用意する第1の工程、及び該構造体を熱
処理して該細孔内にチタンを含む細線を形成する第2の
工程を有することを特徴とするものである。
According to one embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a titanium nanowire, comprising: forming a structure having a layer having pores extending on the surface on a substrate having a surface containing titanium. The method is characterized by comprising a first step of preparing and a second step of heat-treating the structure to form a fine wire containing titanium in the pores.

【0022】また本発明の一実施態様にかかる構造体
は、チタンを含む表面を有する基体の該表面に、該表面
に対してほぼ垂直に伸びるチタンを主成分とする細線を
有することを特徴とするものである。
Further, the structure according to one embodiment of the present invention is characterized in that the surface of the substrate having a surface containing titanium has a fine line mainly composed of titanium and extending substantially perpendicularly to the surface. Is what you do.

【0023】また本発明の一実施態様にかかるナノ細線
は、例えばチタンを含む表面を有する基体上に該表面に
対して伸びる細孔を有する多孔体を備えた構造体を用意
する第1の工程、及び該構造体を熱処理して該細孔内に
チタンを含む細線を形成する第2の工程を有するナノ細
線の製造方法によって製造されたものであることを特徴
とするものである。
The nanowire according to one embodiment of the present invention is a first step of preparing a structure having a porous body having pores extending on the surface of a substrate having a surface containing, for example, titanium. And a method for producing a nanowire having a second step of heat-treating the structure to form a fine wire containing titanium in the pores.

【0024】また本発明の一実施態様にかかる電子放出
素子は、チタンを含む表面を有する基体上に該表面に対
して伸びる細孔を有する多孔体を備え、且つ該細孔内に
チタンを主成分とする細線を有する構造体、該表面に対
向配置されている対向電極、及び該表面と該対向電極と
の間に電位を印加する手段を有することを特徴とする。
The electron-emitting device according to one embodiment of the present invention includes a porous body having pores extending on the surface of a substrate having a surface containing titanium, wherein titanium is mainly contained in the pores. It is characterized by comprising a structure having a thin wire as a component, a counter electrode disposed to face the surface, and means for applying a potential between the surface and the counter electrode.

【0025】本発明に係わる上記の各実施態様によれ
ば、チタンを主材料とするナノ細線および、チタンを主
材料とし、ナノメートルスケールの構造を有するナノ構
造体を実現することができる。
According to the above embodiments of the present invention, it is possible to realize a nanowire having titanium as a main material and a nanostructure having titanium as a main material and having a nanometer-scale structure.

【0026】本発明に係わる実施態様の1つであるチタ
ンを主材料とするナノ細線を有する構造体は、光電変換
素子、光触媒、量子細線、MIM素子、電子放出素子、
真空ゲッタ材科をはじめ、各種電子デバイスやマイクロ
デバイス等の機能材料や、構造材料等として、広い範囲
において応用可能である。また、本発明に係わる実施態
様の1つであるチタンナノ細線はプラスチック等の強化
材として用いることもできる。
The structure having nanowires mainly composed of titanium, which is one of the embodiments according to the present invention, includes a photoelectric conversion element, a photocatalyst, a quantum wire, an MIM element, an electron emission element,
It can be applied in a wide range as a functional material such as a vacuum getter material, various electronic devices and micro devices, and a structural material. Further, the titanium nanowire, which is one of the embodiments according to the present invention, can be used as a reinforcing material such as plastic.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施態様について
具体的に説明する。まず、チタンナノ細線およびチタン
ナノ細線を適用したナノ構造体の構成について説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments of the present invention will be specifically described below. First, the configuration of a titanium nanowire and a nanostructure to which the titanium nanowire is applied will be described.

【0028】本発明のチタンナノ細線およびナノ細線を
適用したナノ構造体は、表面にチタン元素を有する基体
上に、細孔を有する多孔体を形成し、さらに特定の雰囲
気中において熱処理を行うことにより該細孔内にチタン
ナノ細線を形成して作成される。
The titanium nanowires of the present invention and the nanostructures to which the nanowires are applied can be obtained by forming a porous body having pores on a substrate having a titanium element on the surface, and further performing a heat treatment in a specific atmosphere. It is created by forming titanium nanowires in the pores.

【0029】図1は本発明のチタンナノ細線の形状を示
す概略図である。図1中の(a)は紐状の形状、(b)
は柱状の形状、(c)は柱状で太さが段階的に変わる形
状、(d)は複数の柱状体が合体した形状を示す。
FIG. 1 is a schematic view showing the shape of a titanium nanowire of the present invention. (A) in FIG. 1 is a string-like shape, (b)
Shows a columnar shape, (c) shows a columnar shape with a stepwise change in thickness, and (d) shows a shape in which a plurality of columnar bodies are united.

【0030】図3にチタンナノ細線を具備するナノ構造
体の概略図を示す。図3(a)は、基体10に形成され
たTiを含む表面を構成する層11と、該層11の表面
上に、該表面に対して特定の方向(ほぼ垂直な方向)を
有して配置したチタンナノ細線15から構成されている
ナノ構造体を示す。
FIG. 3 is a schematic view of a nanostructure having a titanium nanowire. FIG. 3A shows a layer 11 constituting a surface containing Ti formed on a substrate 10 and a specific direction (almost perpendicular direction) on the surface of the layer 11 with respect to the surface. 5 shows a nanostructure composed of arranged titanium nanowires 15.

【0031】図3(b)は、基体10に形成されたTi
を含む表面を構成する層11の該表面上に設けた、該表
面に対して垂直な方向に伸びる細孔14を有する多孔体
(陽極酸化アルミナ)13と細孔14内に配したチタン
ナノ細線15から構成されているナノ構造体を示す。
FIG. 3B shows the state of the Ti formed on the base 10.
A porous body (anodic oxidized alumina) 13 having pores 14 extending in a direction perpendicular to the surface, provided on the surface of the layer 11 constituting the surface containing titanium, and a titanium nanowire 15 disposed in the pores 14 1 shows a nanostructure composed of:

【0032】図3(b)に示すナノ構造体においては、
チタンナノ細線15は細孔表面から突出しているが、図
3(c)に示すナノ構造体のように細孔内部で成長を止
めて利用することも可能である。
In the nanostructure shown in FIG.
Although the titanium nanowires 15 protrude from the surface of the pores, it is also possible to stop the growth inside the pores and use the nanostructures as in the nanostructure shown in FIG.

【0033】さらに、図3(b),(c)においてはチ
タンナノ細線は、細孔径よりも細く記載されているが、
図3(d)のように細孔径と同等の太さのチタンナノ細
線から構成することもできる。
Further, in FIGS. 3B and 3C, the titanium nanowires are described as being thinner than the pore diameter.
As shown in FIG. 3 (d), it can be composed of a titanium nanowire having the same thickness as the pore diameter.

【0034】チタンナノ細線15はチタンを主成分とす
る金属、半導体、絶縁体であり、たとえばチタン、チタ
ン−鉄やチタン−アルミをはじめとするチタン合金、酸
化チタン、水素化チタン、窒素化チタン、炭化チタンな
どの任意のチタン化合物である。チタンナノ細線15の
細線径(太さ)は、広くは、1nm〜2μm、長さ10
nm〜百μmの範囲である。また、チタンナノ細線は、
多孔体の細孔の形状がある程度反映されることから、多
孔体の細孔径、間隔等の形状を制御することでチタンナ
ノ細線の細線径等をある程度制御でき、また細線の方向
もたとえば基体と垂直にすることが出来る。
The titanium nanowires 15 are a metal, a semiconductor, and an insulator containing titanium as a main component, for example, titanium, titanium alloys such as titanium-iron and titanium-aluminum, titanium oxide, titanium hydride, titanium nitride, Any titanium compound such as titanium carbide. The fine wire diameter (thickness) of the titanium nano fine wire 15 is 1 nm to 2 μm and the length is 10 nm.
The range is from nm to 100 μm. Also, titanium nanowires are
Since the shape of the pores of the porous body is reflected to some extent, the diameter of the titanium nanowires can be controlled to a certain extent by controlling the shape of the pore diameter, spacing, etc. of the porous body, and the direction of the fine wires is also perpendicular to the base, for example. It can be.

【0035】また、特別な作成条件においては、チタン
ナノ細線をウィスカー結晶とすることができる。この条
件については後述する。
Under special conditions, titanium nanowires can be whisker crystals. This condition will be described later.

【0036】図3(b)に示した構造体に於て、Tiを
含む表面を構成する層11上に形成してなる多孔体13
としては、陽極酸化アルミナ、ゼオライト、ポーラスシ
リコン、フォトリソーグラフィーの手法により形成した
マスク等を用いることができる。特に、陽極酸化アルミ
ナは、直線的な細孔を等間隔に有するため、直線性に優
れるチタンナノ細線を等間隔に作成することが可能とな
り、さらには、チタンナノ細線をある特定の方向(例え
ば基板に対してほぼ垂直)を有して等間隔に配したナノ
構造体とすることができることから望ましい。
In the structure shown in FIG. 3B, the porous body 13 formed on the layer 11 constituting the surface containing Ti
For example, anodized alumina, zeolite, porous silicon, a mask formed by photolithography, or the like can be used. In particular, since anodized alumina has linear pores at equal intervals, it is possible to create titanium nanowires having excellent linearity at equal intervals, and furthermore, it is possible to form titanium nanowires in a specific direction (for example, on a substrate). This is desirable because the nanostructures can be arranged at substantially equal intervals (substantially perpendicular to the surface).

【0037】図6に陽極酸化アルミナの構造を示す。陽
極酸化アルミナ13は、AlとOを主成分とし、多数の
円柱状の直線的な細孔14が、膜(板)面にほば垂直に
配置し、それぞれの細孔は互いに平行且つほぼ等間隔に
配置している。また、各細孔は、図6に示すように三角
格子状に配列する傾向がある。細孔の直径2rは5nm
〜500nm、間隔2Rはl0nm〜500nm程度で
あり、陽極酸化に用いる電解液の濃度と温度、および、
陽極酸化電圧の印加方法、電圧値、時間、さらには、そ
の後のポアワイド処理条件等のプロセス諸条件により、
ある程度制御することができる。すなわち、細孔径、間
隔を制御することにより、チタンナノ細線の細線径(太
さ)および間隔を上記範囲においてある程度、例えば細
線径を300nm以下に制御することができる。
FIG. 6 shows the structure of anodized alumina. The anodized alumina 13 has Al and O as main components, and has a large number of columnar linear pores 14 arranged almost perpendicular to the membrane (plate) surface, and the pores are parallel and substantially equal to each other. They are arranged at intervals. In addition, the pores tend to be arranged in a triangular lattice as shown in FIG. The pore diameter 2r is 5 nm
500500 nm, the interval 2R is about 10 nm500500 nm, and the concentration and temperature of the electrolytic solution used for anodic oxidation, and
Depending on the application method of the anodic oxidation voltage, the voltage value, the time, and the process conditions such as the subsequent pore wide processing conditions,
Can be controlled to some extent. That is, by controlling the pore diameter and the interval, the fine wire diameter (thickness) and interval of the titanium nanowire can be controlled to some extent in the above range, for example, the fine wire diameter to 300 nm or less.

【0038】次に、チタンナノ細線およびチタンナノ細
線を適用したナノ構造体の製造方法について説明する。
ナノ細線およびチタンナノ細線を適用したナノ構造は、
少なくとも表面にチタン元素を有する基体上に細孔を有
する多孔体を有する構造体を用意する工程(工程1)、
該構造体を熱処理を行うことにより細孔内にチタンナノ
細線を形成する工程(工程2)を有する方法を用いて製
造することが好ましい。
Next, a method for manufacturing a titanium nanowire and a nanostructure using the titanium nanowire will be described.
Nanostructures using nanowires and titanium nanowires are:
Preparing a structure having a porous body having pores on a substrate having at least a titanium element on the surface (step 1);
It is preferable to manufacture the structure using a method having a step (step 2) of forming titanium nanowires in pores by performing a heat treatment.

【0039】以下、図2を用いて、チタンナノ細線およ
びチタンナノ細線を適用したナノ構造体の製法を順に追
って説明する。図2において、10は基体、15はチタ
ンナノ細線である。11はTiを含む表面を構成する
層、12はAlを主成分とする膜、13は多孔体(陽極
酸化アルミナ)、14は細孔(ナノホール)、15はチ
タンナノ細線である。
Hereinafter, a method for manufacturing a titanium nanowire and a nanostructure to which the titanium nanowire is applied will be sequentially described with reference to FIG. In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a base, and 15 denotes a titanium nanowire. Reference numeral 11 denotes a layer constituting a surface containing Ti, 12 denotes a film containing Al as a main component, 13 denotes a porous body (anodized alumina), 14 denotes pores (nanoholes), and 15 denotes a titanium nanowire.

【0040】(工程1:基体10上に、細孔を有する多
孔体を備えた構造体の用意)表面にチタン元素を有する
基体10は、チタン元素を含有することを除き、制限を
受けない。例えば、チタンおよびその合金の板や、図2
(a)に示すように石英ガラスやSi等の各種基板16
上にTiを主成分として含む表面を構成する層11を形
成した構成の基体があげられる。
(Step 1: Preparation of Structure Having a Porous Body Having Pores on Base 10) The base 10 having a titanium element on its surface is not limited except that it contains a titanium element. For example, a plate of titanium and its alloy, FIG.
As shown in (a), various substrates 16 made of quartz glass, Si, etc.
There is a base having a structure in which a layer 11 constituting a surface containing Ti as a main component is formed thereon.

【0041】ここで、Tiを含む表面を構成する層11
の作成方法は、抵抗加熱蒸着、EB蒸着、スパッタ、C
VD、メッキをはじめとする任意の製膜方法が適用可能
である。多孔体としては、容易な製法で作成でき、細孔
が直線的でアスベクト比の高い陽極酸化アルミナが好ま
しい。以下に多孔体として陽種酸化アルミナの形成方法
を記す。
Here, the layer 11 constituting the surface containing Ti is used.
Are prepared by resistance heating evaporation, EB evaporation, sputtering, C
Any film forming method including VD and plating can be applied. The porous body is preferably anodized alumina which can be formed by an easy manufacturing method, has linear pores, and has a high aspect ratio. Hereinafter, a method for forming positive alumina oxide as a porous body will be described.

【0042】(工程la:基体上にAlを主成分とする
膜12を形成する。)図2(b)に示すようにAlを主
成分とする膜は、抵抗加熱蒸着、EB蒸着、スパッタ、
CVD、メッキをはじめとする任意の製膜方法が適用可
能である。
(Step la: forming a film 12 containing Al as a main component on the substrate.) As shown in FIG. 2B, the film containing Al as a main component is formed by resistance heating evaporation, EB evaporation, sputtering, or the like.
Any film forming method including CVD and plating can be applied.

【0043】(工程lb:陽極酸化工程)引き続きA1
を主成分とする膜12の陽極酸化を行うことにより、基
体上に陽極酸化アルミナからなる多孔体13を構成する
(図2(c)参照)。本工程に用いることのできる陽極
酸化装置の概要を図5に示す。
(Step lb: anodizing step)
The porous body 13 made of anodized alumina is formed on the substrate by performing anodization of the film 12 mainly composed of (see FIG. 2C). FIG. 5 shows an outline of an anodizing apparatus that can be used in this step.

【0044】図5において、50は恒温槽であり、51
は反応容器、52はTiを含む表面を有する基板10上
にAlを主成分とする膜12が形成された試料、53は
Ptカソード、54は電解液、56は陽極酸化電圧を印
加する電源、55は陽極酸化電流を測定する電流計であ
る。このほか電圧、電流を自動制御、測定するコンピュ
ータ等(不図示)が組み込まれている。試料52および
カソード53は、恒温水槽により温度を一定に保たれた
電解液中に配置され、電源より試料、カソード間に電圧
を印加することで陽極酸化が行われる。
In FIG. 5, reference numeral 50 denotes a constant temperature bath;
Is a reaction vessel, 52 is a sample in which a film 12 containing Al as a main component is formed on a substrate 10 having a surface containing Ti, 53 is a Pt cathode, 54 is an electrolytic solution, 56 is a power supply for applying an anodizing voltage, Reference numeral 55 denotes an ammeter for measuring an anodic oxidation current. In addition, a computer (not shown) for automatically controlling and measuring voltage and current is incorporated. The sample 52 and the cathode 53 are placed in an electrolytic solution whose temperature is kept constant by a constant temperature water bath, and anodization is performed by applying a voltage between the sample and the cathode from a power supply.

【0045】陽極酸化に用いる電解液は、例えば、シュ
ウ酸、りん酸、硫酸、クロム酸溶液等があげられる。陽
極酸化電圧、温度等の諸条件は、作成するナノ構造体に
応じ、適宣設定することができる。
Examples of the electrolytic solution used for the anodic oxidation include oxalic acid, phosphoric acid, sulfuric acid, and chromic acid solution. Various conditions such as anodizing voltage and temperature can be appropriately set according to the nanostructure to be formed.

【0046】陽極酸化工程においては、Alを主成分と
する膜12を全膜厚にわたり酸化する。陽極酸化がAl
表面から進行し、基体表面にまで達した際には、陽極酸
化電流に変化が見られるため、これを検知し陽極酸化終
了を判断することができる。
In the anodic oxidation step, the film 12 mainly composed of Al is oxidized over the entire thickness. Anodizing is Al
When the anodic oxidation current progresses from the surface and reaches the substrate surface, a change is observed in the anodic oxidation current. This can be detected to determine the end of anodic oxidation.

【0047】例えば、任意の基板上にTi膜を配した基
体を用いた場合には陽極酸化電流の減少により、陽極酸
化電圧の印加を終了する判断をすることができる。さら
に、陽極酸化処理後に酸溶液(例えばリン酸溶液)中に
浸すポアワイド処理により、適宜、細孔の径を広げるこ
とができる。濃度、処理時間、温度により細孔径を制御
することができる。
For example, when a substrate having a Ti film disposed on an arbitrary substrate is used, it is possible to judge that the application of the anodic oxidation voltage is to be terminated based on a decrease in the anodic oxidation current. Further, the pore diameter can be appropriately increased by a pore widening process of dipping in an acid solution (for example, a phosphoric acid solution) after the anodizing process. The pore size can be controlled by the concentration, processing time, and temperature.

【0048】(工程2:熱処理により細孔内にチタンナ
ノ細線を形成する)上述の、チタン元素を有する表面を
備えた基体上に多孔体を形成した構造体を、反応容器内
に置いて特定の雰囲気下で熱処理することにより、細孔
底都のチタンと雰囲気を反応せしめ、多孔体の細孔内に
チタンと雰囲気の反応生成物であるチタンを主成分とす
るチタンナノ細線15を形成する(図2(d)参照)こ
とができる。
(Step 2: forming titanium nanowires in pores by heat treatment) The above-described structure in which a porous body is formed on a substrate having a surface having a titanium element is placed in a reaction vessel and specified. By performing heat treatment in the atmosphere, the titanium at the bottom of the pores reacts with the atmosphere, and titanium nanowires 15 mainly containing titanium, which is a reaction product of titanium and the atmosphere, are formed in the pores of the porous body (FIG. 2 (d)).

【0049】ここで上記熱処理を行う反応装置につい
て、図4に基づいて説明する。図4中の41は反応容器
であり、42は試料(基体)、43は赤外線吸収板であ
り試料ホルダーの役割もになっている。44は水素、酸
素等のガスを導入するガス導入管であり、基体付近での
原料ガス濃度が均一になるよう配置されていることが好
ましい。46はガスの排気ラインであり、ターボ分子ポ
ンプやロータリーポンプヘと接続されている。47は基
板加熱用の赤外線ランプであり、48は赤外線を効率良
く赤外線吸収板へ集めるための集光ミラーである。
Here, a reactor for performing the above heat treatment will be described with reference to FIG. In FIG. 4, reference numeral 41 denotes a reaction vessel, reference numeral 42 denotes a sample (substrate), reference numeral 43 denotes an infrared absorbing plate, which also serves as a sample holder. Reference numeral 44 denotes a gas introduction pipe for introducing a gas such as hydrogen or oxygen, and is preferably arranged so that the concentration of the source gas near the substrate is uniform. Reference numeral 46 denotes a gas exhaust line, which is connected to a turbo molecular pump or a rotary pump. Reference numeral 47 denotes an infrared lamp for heating the substrate, and reference numeral 48 denotes a condenser mirror for efficiently collecting infrared rays on the infrared absorbing plate.

【0050】図では省略してあるが、このほか容器内の
圧力をモニターする真空ゲージや基体の温度を測定する
熱電対等が組み込まれている。勿論ここで説明した装置
だけでなく、外部から全体を加熱する電気炉型の装置で
あっても支障はない。
Although not shown in the figure, a vacuum gauge for monitoring the pressure in the container, a thermocouple for measuring the temperature of the substrate, and the like are also incorporated. Of course, not only the device described here, but also an electric furnace type device that heats the whole from the outside does not pose a problem.

【0051】熱処理を施す雰囲気及び温度は、作成する
チタンナノ細線の材料、形状により適宣設定される。た
とえば雰囲気として水素、酸素、窒素、炭化水素などを
含ませることで、それぞれ、水素化チタン、酸化チタ
ン、窒素化チタン、炭素化チタンのナノ細線を作成する
ことができる。
The atmosphere and temperature at which the heat treatment is performed are appropriately set depending on the material and shape of the titanium nanowire to be formed. For example, nano-wires of titanium hydride, titanium oxide, titanium nitride, and carbonized titanium can be formed by including hydrogen, oxygen, nitrogen, hydrocarbon, and the like as the atmosphere, respectively.

【0052】他にも、SiH4 、B26 、PH3 、A
l(C253 、Fe(CO)5などの化学気相成長
法で用いる材料を使用可能であり、それぞれ、けい素化
チタン、ほう素化チタン、りん化チタン、アルミチタン
合金、鉄アルミ合金などのチタン化合物を含むナノ細線
を作成することも可能である。
In addition, SiH 4 , B 2 H 6 , PH 3 , A
Materials used in the chemical vapor deposition method such as l (C 2 H 5 ) 3 and Fe (CO) 5 can be used, and titanium silicide, titanium boride, titanium phosphide, aluminum titanium alloy, It is also possible to create nanowires containing titanium compounds such as iron-aluminum alloys.

【0053】特に、酸化チタンよりなるナノ細線を作成
する場合には、水蒸気を1Pa(パスカル)以上含有す
る雰囲気内で500℃以上900℃以下の温度で熱処理
を施すことでウィスカー細線とすることができる。この
際、雰囲気に水素を混合すると成長が促進されるので好
ましい。
In particular, when nanowires made of titanium oxide are prepared, whisker fine wires can be formed by performing a heat treatment at a temperature of 500 ° C. or more and 900 ° C. or less in an atmosphere containing water vapor of 1 Pa (Pascal) or more. it can. At this time, it is preferable to mix hydrogen in the atmosphere because the growth is promoted.

【0054】一般にウィスカーは、針状に成長した転移
の数の少ない結晶であり、溶液からの析出や化合物の分
解、たとえばハライドを水素還元する手法などが知られ
ているが、上記本発明の酸化チタンウィスカーの製法
は、チタン表面の水蒸気による酸化反応と、水素(もし
くは熱)による還元反応により成長すると推察される。
このような結晶性に優れる酸化チタン細線は、半導体と
しての良好な電気特性や電子放出特性が期待できる。
In general, whiskers are crystals having a small number of needle-like transitions, and are known to precipitate from a solution or decompose a compound, for example, a method of reducing a halide with hydrogen. It is presumed that the production method of titanium whiskers grows by oxidation reaction of titanium surface with water vapor and reduction reaction with hydrogen (or heat).
Such a titanium oxide fine wire having excellent crystallinity can be expected to have good electric characteristics and electron emission characteristics as a semiconductor.

【0055】以上の方法によって図3(b)に示した、
チタンナノ細線が、Tiを含む表面に垂直に伸びる細孔
を有する多孔体の、該細孔内に存在するナノ構造体が形
成される。そしてこの構造体のナノ細線周辺の細孔を有
する層(多孔体)13をエッチングにより除去すること
によって図3(a)に示す様な、Tiを含む表面上に、
該表面に対して垂直に伸びるナノ細線を有するナノ構造
体が得られる。
The method shown in FIG.
A titanium nanowire is a porous body having pores extending perpendicular to the surface containing Ti, and a nanostructure existing in the pores is formed. Then, by removing the layer (porous body) 13 having pores around the nanowires of this structure by etching, a layer containing Ti as shown in FIG.
A nanostructure having nanowires extending perpendicular to the surface is obtained.

【0056】更に、図3(a)や図3(b)のナノ構造
体からナノ細線のみを分離することで太さが極めて細
い、しかも太さの揃った直線性に優れたナノ細線を得る
ことができる。
Further, by separating only the nano-fine wires from the nano-structures shown in FIGS. 3A and 3B, it is possible to obtain nano-fine wires having a very small thickness and a uniform thickness and excellent linearity. be able to.

【0057】更にまた上記した様にして得たナノ構造体
は、図7に示す様にTiを含む表面に対向する様に対向
電極701を配置し、該Tiを含む表面を構成する層1
1と対向電極701との間に電位を印加可能な様に構成
することで、電子放出素子とすることもできる。そして
ここで用いるナノ構造体は、殆どのナノ細線が該表面に
対してほば垂直に伸びている為、効率的且つ安定した電
子の放出が期待される。
Further, in the nanostructure obtained as described above, the counter electrode 701 is arranged so as to face the surface containing Ti as shown in FIG.
An electron-emitting device can be obtained by configuring so that a potential can be applied between the first electrode 701 and the counter electrode 701. In the nanostructure used here, since most of the nanowires extend almost perpendicular to the surface, efficient and stable emission of electrons is expected.

【0058】[0058]

【実施例】以下、本発明の詳細を実施例により図面に基
づいて説明するが、本発明はこれらによってなんら限定
されるものではない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the embodiments and drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.

【0059】実施例1 本実施例は、酸化チタンナノ細線、および酸化チタンナ
ノ細線を具備するナノ構造体を作成した例である。以
下、図2(a)〜(d)を用い、本発明のナノ細線およ
びチタンナノ細線を適用したナノ構造体の製法を順に追
って説明する。
Example 1 This example is an example in which a titanium oxide nanowire and a nanostructure provided with the titanium oxide nanowire are prepared. Hereinafter, with reference to FIGS. 2A to 2D, a method for manufacturing a nanostructure to which the nanowires of the present invention and the titanium nanowires are applied will be sequentially described.

【0060】(工程1)本実施例の基板16には、石英
基板を用い、有機溶剤および純水により十分に洗浄後、
スパッタ法により厚さlμmのTi膜11を製膜し、基
体10を構成した(図2(a)参照)。
(Step 1) A quartz substrate is used as the substrate 16 of the present embodiment, and after sufficiently washed with an organic solvent and pure water,
A base film 10 was formed by forming a 1 μm-thick Ti film 11 by a sputtering method (see FIG. 2A).

【0061】(工程la)さらに、上記基体上にAlを
主成分とする膜12として、スパッタ法により厚さlμ
mのAl膜を製膜した(図2(b)参照)。
(Step la) Further, as the film 12 containing Al as a main component, a film having a thickness of 1 μm was formed on the substrate by sputtering.
An Al film having a thickness of m was formed (see FIG. 2B).

【0062】(工程lb)引き続き、図5に示す陽極酸
化装置を用いてAl膜12に陽極酸化処理(図2(c)
参照)を施した。電解液は0.3Mシュウ酸水溶液と
し、恒温水槽により溶液を17℃に保持した。陽極酸化
電圧はDC40Vとし、陽極酸化処理時間は10min
とした。陽極酸化工程の途中、約8min後に陽極酸化
が、基体(Ti膜)表面まで到達し、陽極酸化電流の減
少が見られた。
(Step lb) Subsequently, the Al film 12 is anodized using the anodizing apparatus shown in FIG. 5 (FIG. 2C).
See). The electrolytic solution was a 0.3 M oxalic acid aqueous solution, and the solution was kept at 17 ° C. in a thermostatic water bath. The anodic oxidation voltage is DC 40 V, and the anodic oxidation time is 10 min.
And During the anodic oxidation step, anodic oxidation reached the surface of the base (Ti film) after about 8 minutes, and a reduction in anodic oxidation current was observed.

【0063】さらに、ポアワイド処理として、リン酸5
wt%溶液に45分間、浸すことにより細孔径を調節し
た。処理後、純水、およびイソプロピルアルコールによ
る洗浄を行った。
Further, as a pore wide treatment, phosphoric acid 5
The pore size was adjusted by immersion in a wt% solution for 45 minutes. After the treatment, cleaning with pure water and isopropyl alcohol was performed.

【0064】(工程2:熱処理工程)引き続さ、以下の
方法によって、基体上に陽極酸化アルミナを形成した構
造体に、水蒸気、水素、ヘリウムの混合雰囲気下で、熱
処理を施すことにより、酸化チタンナノ細線を形成し
た。
(Step 2: Heat treatment step) Subsequently, the structure obtained by forming anodized alumina on the substrate by the following method is subjected to a heat treatment in a mixed atmosphere of steam, hydrogen and helium, thereby oxidizing the structure. A titanium nanowire was formed.

【0065】即ち、構造体を図4に示す反応装置に設置
して、まずヘリウム50倍希釈の水素ガスにより、5℃
に保持した純水をバブリングし、ガス導入管44から流
量50sccmで導入し反応容器内の圧力を1000P
aに維持した。そして赤外線ランプを点灯して構造体温
度を700℃でlhrの熱処理を施した。そして赤外線
ランプを消して、基板温度を室温にしてからガス供給を
遮断し試料を大気中に取り出した。
That is, the structure was placed in the reactor shown in FIG.
The pure water held in the reactor is bubbled and introduced at a flow rate of 50 sccm from the gas introduction pipe 44, and the pressure in the reaction vessel is set to 1000 P
a. Then, the infrared lamp was turned on to perform a heat treatment at a structure temperature of 700 ° C. for 1 hr. Then, the infrared lamp was turned off, the temperature of the substrate was lowered to room temperature, the gas supply was cut off, and the sample was taken out into the atmosphere.

【0066】取り出したサンプルの表面、断面をFE−
SEM(Field Emission−Scanni
ng Electron Microscope:電界
放出走査型電子顕微鏡)にて観察した。
The surface and the cross section of the sample taken out were FE-
SEM (Field Emission-Scanni)
ng Electron Microscope (field emission scanning electron microscope).

【0067】その結果、図3(b)に示すように、直径
は約60nmで、約100nmの間隔で互いに平行且つ
ほぼ等間隔に配列し、Ti含有膜11の表面に対して垂
直に伸びる細孔を有する陽極酸化アルミナと、細孔内お
よび細孔内から外に向けて、多数のナノ細線が成長して
いた。このチタンナノ細線の形状は、細孔の形状を反映
して、細線径は40〜60nm程度、長さは数100n
m〜数μmで、基体表面からほば垂直方向に成長してい
た。
As a result, as shown in FIG. 3 (b), the diameter is about 60 nm, the thin layers are arranged in parallel and at substantially equal intervals at an interval of about 100 nm, and extend perpendicular to the surface of the Ti-containing film 11. A large number of nanowires were grown in the pored anodized alumina and in and out of the pores. The shape of the titanium nanowire reflects the shape of the pore, and the diameter of the wire is about 40 to 60 nm, and the length is several hundred nanometers.
m to several μm, it was grown almost vertically from the substrate surface.

【0068】さらに、EDAX(非分散型X線回折分析
装置)により、上記ナノ細線がチタンを主成分とするこ
とを確認した。また、X線回折によりルチル型酸化チタ
ンの存在が示された。
Further, it was confirmed by EDAX (non-dispersive X-ray diffraction analyzer) that the nanowires mainly consisted of titanium. X-ray diffraction showed the presence of rutile titanium oxide.

【0069】さらに、細孔内に形成されたチタンナノ細
線を基体から分離して顕微鏡を用いて高倍率で観察する
と、図1(a)のように非紐状のもの、図1(b)のよ
うに柱状のもの、図1(c)のように柱状で太さが段階
的に変わるもの、図1(d)に示すように複数の柱状体
が合体した形状のもの等が見られた。また、図1
(b)、(c)および(d)の中には、面方位を示すエ
ッジ形状を有するものがあり、結晶成長、すなわちウィ
スカー成長したものであると思われる。
Further, when the titanium nanowires formed in the pores are separated from the substrate and observed at a high magnification using a microscope, the titanium nanowires shown in FIG. As shown in FIG. 1 (c), a columnar member having a columnar shape, a columnar member having a stepwise changing thickness as shown in FIG. 1 (c), and a columnar member having a plurality of columnar members as shown in FIG. FIG.
Some of (b), (c) and (d) have an edge shape indicating a plane orientation, and are considered to be crystal-grown, that is, whisker-grown.

【0070】実施例2 本実施例は、陽極酸化アルミナの細孔径を制御すること
により、チタンナノ細線の細線径の制御を試みた例であ
る。陽極酸化の電圧は50Vとし、さらに、ポアワイド
処理の時間を0、15min、30min、45min
及び60minとした以外は実施例1と同様に処理し
て、陽極酸化アルミナの細孔径を各々異ならせた構造体
を用意した。
Example 2 This example is an example in which the control of the fine diameter of titanium nanowires was attempted by controlling the pore diameter of anodized alumina. The voltage of the anodic oxidation was set to 50 V, and the time of the pore widening treatment was set to 0, 15 min, 30 min, 45 min.
The same treatment as in Example 1 was conducted except that the heat treatment time was set to 60 minutes, and a structure was prepared in which the pore diameters of the anodized alumina were different from each other.

【0071】各々の構造体の標準的な細孔径は、10n
m、25nm、40nm、60nm及び80nmであっ
た。次いでこれらの構造体に熱処理を施した。熱処理工
程は実施例1に準じた。
The standard pore size of each structure is 10n
m, 25 nm, 40 nm, 60 nm and 80 nm. Next, these structures were subjected to a heat treatment. The heat treatment step was the same as in Example 1.

【0072】その結果各々の構造体の細孔内に形成され
たチタンナノ細線の細線径は、細孔径を反映し、細孔径
の大きい試料において、細線径が太い傾向があった。す
なわち細孔の形状を反映して、チタンナノ細線が成長し
ていた。具体的には、平均的なチタンナノ細線の径は、
各々8nm、20nm、30nm、50nm及び70n
mであった。
As a result, the fine wire diameter of the titanium nanowires formed in the pores of each structure reflected the pore diameter, and the sample having a large pore diameter tended to have a large fine wire diameter. That is, the titanium nanowires grew reflecting the shape of the pores. Specifically, the diameter of the average titanium nanowire is
8nm, 20nm, 30nm, 50nm and 70n respectively
m.

【0073】実施例3 本実施例は、熱処理を制御することにより、チタンナノ
細線の長さの制御を試みた例である。45minのポア
ワイド処理を施した以外は実施例1と同様にして基体上
に陽極酸化アルミナを形成した構造体を5つ用意した。
Example 3 This example is an example in which the length of titanium nanowires was controlled by controlling the heat treatment. Five structures having anodized alumina formed on a substrate were prepared in the same manner as in Example 1 except that the pore widening treatment was performed for 45 minutes.

【0074】これらの構造体を熱処理の温度をおのおの
600℃、650℃、700℃、750℃及び800℃
に変化させた以外は実施例1と同様にして熱処理した。
こうして得たナノ構造体を実施例1と同様にして観察し
た。その結果、FE−SEM観察によると、熱処理温度
600℃の試料では、図3(c)に示すように、ほとん
どのチタンナノ細線の成長は細孔の途中で止まってい
た。
These structures were subjected to heat treatment at 600 ° C., 650 ° C., 700 ° C., 750 ° C. and 800 ° C., respectively.
The heat treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the temperature was changed to.
The nanostructure thus obtained was observed in the same manner as in Example 1. As a result, according to the FE-SEM observation, in the sample at the heat treatment temperature of 600 ° C., as shown in FIG. 3C, the growth of most of the titanium nanowires stopped in the middle of the pores.

【0075】熱処理温度を上げるに連れ、チタンナノ細
線の長さが長くなる傾向を有し、700℃では図3
(b)に示すように細孔上部に突出するチタンナノ細線
が数多く見られるようになった。800℃においては、
図3(d)に示すように、チタンナノ細線の太さは約6
0nmであり、細孔径と同等であった。
As the heat treatment temperature is increased, the length of the titanium nanowire tends to be longer.
As shown in (b), many titanium nanowires protruding above the fine pores were observed. At 800 ° C,
As shown in FIG. 3D, the thickness of the titanium nanowire is about 6
0 nm, which was equivalent to the pore diameter.

【0076】実施例4 本実施例は、図3(a)に示すナノ構造体を形成した例
である。本実施例においては、実施例1と同様に、図3
(b)に示すナノ構造体作成した後、陽極酸化アルミナ
13をリン酸によりエッチングした。
Embodiment 4 This embodiment is an example in which the nanostructure shown in FIG. 3A is formed. In the present embodiment, similar to the first embodiment, FIG.
After the formation of the nanostructure shown in (b), the anodized alumina 13 was etched with phosphoric acid.

【0077】本実施例のナノ構造体は、図3(a)に示
すように、直径約40〜60nmのチタンナノ細線が約
100nmの間隔で基体表面からほぼ垂直方向に成長し
ていた。
As shown in FIG. 3A, in the nanostructure of the present example, titanium nanowires having a diameter of about 40 to 60 nm were grown in a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate at intervals of about 100 nm.

【0078】実施例5 本実施例は、酸化チタンナノ細線および酸化チタンナノ
細線を具備するナノ構造体を作成した例である。本実施
例においては、工程2を除き実施例1に準じた。
Embodiment 5 This embodiment is an example in which a titanium oxide nanowire and a nanostructure provided with the titanium oxide nanowire are prepared. In this example, the procedure was the same as in Example 1 except for Step 2.

【0079】本実施例の工程2においては、反応容器内
に酸素ガスを流量10sccm導入して反応容器内の圧
力を100Paとし、基体温度を500℃とし、lhr
の熱処理を施した。FE−SEMにより図3(b)に示
すようなナノ細線およびナノ構造体を確認した。さらに
X線回折によりアナターゼ型酸化チタンの存在を確認し
た。
In step 2 of this embodiment, oxygen gas was introduced into the reaction vessel at a flow rate of 10 sccm, the pressure in the reaction vessel was set to 100 Pa, the substrate temperature was set to 500 ° C., and lhr was applied.
Heat treatment. A nanowire and a nanostructure as shown in FIG. 3B were confirmed by FE-SEM. Further, the presence of anatase type titanium oxide was confirmed by X-ray diffraction.

【0080】本実施例のナノ構造体をメタノール水溶液
(メタノール:水=1:6)中に入れ、高圧水銀ランプ
で全光照射を行ったところ、水素が確認され、本実施例
のナノ構造体が光触媒活性を有することが確認された。
When the nanostructure of this example was placed in an aqueous methanol solution (methanol: water = 1: 6) and subjected to all-light irradiation with a high-pressure mercury lamp, hydrogen was confirmed. Was confirmed to have photocatalytic activity.

【0081】実施例6 本実施例は、炭化チタンナノ細線および炭化チタンナノ
細線を具備するナノ構造体を作成した例である。本実施
例においては、工程2を除き、実施例1に準じた。
Example 6 This example is an example in which a titanium carbide nanowire and a nanostructure having the titanium carbide nanowire are formed. In this example, the procedure was the same as in Example 1 except for Step 2.

【0082】本実施例の工程2においては、反応容器内
にエチレンガスを流量50sccm導入して反応容器内
の圧力を1000Paとし、基体温度を900℃とし、
lhrの熱処理を施した。FE−SEMにより図3
(b)に示すようなナノ細線およびナノ構造体を確認し
た。さらにX線回折により炭素化チタンの存在を確認し
た。
In step 2 of this embodiment, ethylene gas was introduced into the reaction vessel at a flow rate of 50 sccm, the pressure in the reaction vessel was set to 1000 Pa, the substrate temperature was set to 900 ° C.,
lhr heat treatment. Fig. 3 by FE-SEM
Nanowires and nanostructures as shown in (b) were confirmed. Further, the presence of titanium carbide was confirmed by X-ray diffraction.

【0083】本実施例のナノ構造体を蛍光体を有するア
ノードとlmmの間隔で対向して真空装置内に設置し、
基体とアノードにlKVを印加したところ、蛍光体の蛍
光ともに、電子放出電流を確認した。これにより、本実
施例のナノ構造体は、良好な電子放出体として機能し得
ることを確認することができた。
The nanostructure of the present example was placed in a vacuum device facing the anode having the phosphor at an interval of 1 mm,
When 1 KV was applied to the substrate and the anode, the electron emission current was confirmed with the fluorescence of the phosphor. Thus, it was confirmed that the nanostructure of the present example could function as a good electron emitter.

【0084】[0084]

【発明の効果】上記のように、本発明の各々の実施態様
によれば、例えば以下のような効果が奏される。 (1)数10〜数100nm径のチタンナノ細線が容易
に作成可能である。 (2)直線性に優れるチタンナノ細線が作成可能であ
る。特に結晶性に優れる酸化チタンウィスカーが得られ
る。 (3)チタンを主材料としたナノ構造体が得られる。 (4)基体上に、特定の方向を有し、細線径が均一なチ
タンナノ細線を等間隔に配したナノ構造体が得られる。 (5)電子放出量の多い、高性能な電子放出素子が得ら
れる。
As described above, according to each embodiment of the present invention, for example, the following effects can be obtained. (1) A titanium nanowire having a diameter of several tens to several hundreds of nm can be easily formed. (2) Titanium nanowires having excellent linearity can be produced. In particular, a titanium oxide whisker excellent in crystallinity is obtained. (3) A nanostructure mainly composed of titanium is obtained. (4) A nanostructure in which titanium nanowires having a specific direction and having a uniform fine wire diameter are arranged at equal intervals on a substrate is obtained. (5) A high-performance electron-emitting device with a large amount of electron emission can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のチタンナノ細線の形状を示す概略図で
ある。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the shape of a titanium nanowire of the present invention.

【図2】本発明のナノ構造体の製造方法一実施態様を示
す概念断面図である。((a)は基板上にTiを主成分
とする膜を形成し基体とした図、(b)はAlを主成分
とする膜を形成した図、(C)はAl膜を陽極酸化し、
陽極酸化アルミナを形成した図、(d)は細孔内にチタ
ンナノ細線を形成した図を示す)
FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view showing one embodiment of a method for manufacturing a nanostructure of the present invention. (A) is a diagram in which a film mainly composed of Ti is formed on a substrate to form a base, (b) is a diagram in which a film mainly composed of Al is formed, (C) is an anodized Al film,
(Figure showing anodized alumina formed, (d) shows a figure with titanium nanowires formed in the pores)

【図3】本発明のチタンナノ細線を適用したナノ構造体
の一実施態様を示す概略図である。((a)は基体に対
してほぼ垂直な方向にチタンナノ細線を配するナノ構造
体、(b)乃至(d)は陽極酸化アルミナの細孔内にチ
タンナノ細線を配するナノ構造体を示す)
FIG. 3 is a schematic view showing one embodiment of a nanostructure to which a titanium nanowire according to the present invention is applied. ((A) shows a nanostructure in which titanium nanowires are arranged in a direction substantially perpendicular to the substrate, and (b) to (d) show nanostructures in which titanium nanowires are arranged in pores of anodized alumina.)

【図4】チタンナノ細線の作成時の熱処理反応装置の概
要を示す概略図である。
FIG. 4 is a schematic view showing an outline of a heat treatment reaction apparatus when producing a titanium nanowire.

【図5】陽極酸化装置の概要を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view showing an outline of an anodizing apparatus.

【図6】陽極酸化アルミナを示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing anodized alumina.

【図7】本発明の電子放出素子の一実施態様を示す概略
断面図である。
FIG. 7 is a schematic sectional view showing one embodiment of the electron-emitting device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 基体 11 Tiを含む表面を構成する層 12 Alを主成分とする膜 13 多孔体(陽極酸化アルミナ) 14 細孔 15 チタンナノ細線 16 基板 41 反応容器 42 試料 43 赤外線吸収板 44 ガス導入管 46 排気ライン 47 赤外線ランプ 48 集光ミラー 50 恒温槽 51 反応容器 52 試料 53 Ptカソード 54 電解液 55 電流計 56 電源 701 対向電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11 Layer which comprises the surface containing Ti 12 Film containing Al as a main component 13 Porous body (anodic oxidized alumina) 14 Pores 15 Titanium nanowire 16 Substrate 41 Reaction vessel 42 Sample 43 Infrared absorbing plate 44 Gas introduction pipe 46 Exhaust Line 47 Infrared lamp 48 Light collecting mirror 50 Thermostat 51 Reaction vessel 52 Sample 53 Pt cathode 54 Electrolyte 55 Ammeter 56 Power supply 701 Counter electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI // B22F 9/02 B22F 9/02 Z 9/12 9/12 Z 9/14 9/14 Z ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI // B22F 9/02 B22F 9/02 Z 9/12 9/12 Z 9/14 9/14 Z

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 チタンを含む表面を有する基体上に該表
面に対して伸びる細孔を有する層を備えた構造体を用意
する第1の工程、及び該構造体を熱処理して該細孔内に
チタンを含む細線を形成する第2の工程を有するチタン
ナノ細線の製造方法。
1. A first step of preparing a structure having a layer having pores extending on the surface on a substrate having a surface containing titanium, and heat treating the structure to form a structure in the pores. A method for producing a titanium nanowire, comprising: a second step of forming a titanium-containing fine wire.
【請求項2】 該第1の工程が、該基体上にアルミニウ
ムを主成分とする膜を形成する工程、及び該アルミニウ
ムを主成分とする膜を陽極酸化する工程を有する請求項
1記載の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein said first step includes a step of forming a film containing aluminum as a main component on said substrate and a step of anodizing said film containing aluminum as a main component. Method.
【請求項3】 該第2の工程が、該構造体を1Pa以上
の水蒸気を含有する雰囲気内で500℃以上900℃以
下の温度で熱処理する工程を有する請求項1記載の製造
方法。
3. The method according to claim 1, wherein the second step includes a step of heat-treating the structure at a temperature of 500 ° C. to 900 ° C. in an atmosphere containing steam of 1 Pa or more.
【請求項4】 該第2の工程が、該構造体を1Pa以上
の水蒸気及び水素ガスを含む雰囲気下で500℃以上9
00℃以下の温度で熱処理する工程を有する請求項1記
載の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the second step is performed by heating the structure at 500 ° C. to 9 ° C. in an atmosphere containing steam and hydrogen gas of 1 Pa or more.
The method according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment at a temperature of 00 ° C. or less.
【請求項5】 チタンを含む表面を有する基体の該表面
に、該表面に対してほぼ垂直に伸びるチタンを主成分と
する細線を有することを特徴とするナノ構造体。
5. A nanostructure comprising a substrate having a titanium-containing surface and a fine wire comprising titanium as a main component and extending substantially perpendicular to the surface.
【請求項6】 該細線が、該表面上に設けられた、該表
面に対して垂直な方向に伸びる細孔を有する多孔体の該
細孔内にある請求項5記載のナノ構造体。
6. The nanostructure according to claim 5, wherein the fine wire is in the pores of a porous body provided on the surface and having pores extending in a direction perpendicular to the surface.
【請求項7】 該細線の径が300nm以下である請求
項6記載のナノ構造体。
7. The nanostructure according to claim 6, wherein the diameter of the fine wire is 300 nm or less.
【請求項8】 該細線が水素化チタン、酸化チタン、窒
素化チタン及び炭素化チタンから選ばれる少なくとも1
つを含む請求項6記載のナノ構造体。
8. The method according to claim 1, wherein the fine wire is at least one selected from titanium hydride, titanium oxide, titanium nitride and carbonized titanium.
7. The nanostructure according to claim 6, comprising:
【請求項9】 該細線がけい素化チタン、ホウ素化チタ
ン、りん化チタン、アルミチタン合金及び鉄チタン合金
から選ばれる少なくとも1つを含む請求項6記載のナノ
構造体。
9. The nanostructure according to claim 6, wherein the fine wire contains at least one selected from titanium silicide, titanium boride, titanium phosphide, aluminum titanium alloy, and iron titanium alloy.
【請求項10】 該多孔体が、陽極酸化膜である請求項
6記載のナノ構造体。
10. The nanostructure according to claim 6, wherein said porous body is an anodic oxide film.
【請求項11】 該多孔体がアルミニウムを含む膜の陽
極酸化膜である請求項10記載のナノ構造体。
11. The nanostructure according to claim 10, wherein said porous body is an anodic oxide film of a film containing aluminum.
【請求項12】 該細線が酸化チタンウィスカーである
請求項6記載のナノ構造体。
12. The nanostructure according to claim 6, wherein the fine wire is a titanium oxide whisker.
【請求項13】 請求項1記載の方法によって製造され
たことを特徴とするナノ細線。
13. A nanowire produced by the method according to claim 1.
【請求項14】 該ナノ細線の径が300nm以下であ
る請求項13記載のナノ細線。
14. The nanowire according to claim 13, wherein the diameter of the nanowire is 300 nm or less.
【請求項15】 該ナノ細線が酸化チタンを主成分とし
て含む請求項13記載のナノ細線。
15. The nanowire according to claim 13, wherein the nanowire contains titanium oxide as a main component.
【請求項16】 該ナノ細線がウィスカー結晶である請
求項13記載のナノ細線。
16. The nanowire according to claim 13, wherein the nanowire is a whisker crystal.
【請求項17】 チタンを含む表面を有する基体上に該
表面に対して垂直な方向に伸びる細孔を有する多孔体を
備え、且つ該細孔内にチタンを主成分とする細線を有す
る構造体、該表面に対向して配置されている対向電極、
及び該表面と該対向電極との間に電位を印加する手段を
有することを特徴とする電子放出素子。
17. A structure having, on a substrate having a surface containing titanium, a porous body having pores extending in a direction perpendicular to the surface, and having a fine wire containing titanium as a main component in the pores. A counter electrode arranged opposite to the surface,
And an means for applying a potential between the surface and the counter electrode.
【請求項18】 該チタンを主成分とする細線が、請求
項1記載の方法により製造されたチタンナノ細線である
請求項17記載の電子放出素子。
18. The electron-emitting device according to claim 17, wherein the fine wire containing titanium as a main component is a titanium nano-fine wire manufactured by the method according to claim 1.
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