ST, AT 及び R-cut 水晶基板の配向メカニズム

SWNTの水平配向合成で注目されているST-cut基板は，水晶の自然面にほぼ平行して切削 されている．この節では水晶の(011)結晶面(R面)に平行にカットされたR-cut基板，また(011) 結晶面(r面)にほぼ平行にカットされているST, AT-cut基板について調べた．

5.4.1 ST, AT 及び R-cut 基板を用いた SWNT 合成 5.4.1.1 実験と結果

ST, AT及びR-cut基板(京セラキンセキ)を用いてSWNT合成実験を行った．それぞれの基 板は同行程のもと製作されており，切削後ポリッシュ加工を行い，精密洗浄として水晶の 溶解度が非常に低いトモリムーブに常温で 5 分間浸すことで微量エッチングがされ，その 後RBS5%希釈液，純水で洗浄されている．

それぞれの基板についてアニーリング処理を行っていないものと，大気中 900°C でアニ ーリング処理を13時間行ったものに，Fe/Co触媒を担持したzeoliteを散布しアルコールCVD 合成を行った．合成されたSWNTを観察したSEM像をFig. 5.5に，CVD実験前のそれぞれ の基板表面を観察したAFM像をFig. 5.6に示す．散布されたzeoliteの密度が多少配向性に 影響してしまうが，はっきりと基板ごとの配向特性が確認された．

Figure 5.5のSEM像より，ST, AT, R-cut基板についてアニーリングをすると，SWNTの配 向性は大きく変化し X 方向にきれいに配向することが分かる．またアニーリングしない場 合，R-cut基板を用いるとST, AT-cutにくらべ配向性がよいことが観察された．またFig. 5.6 のAFM像より各基板について特徴的な形状を持つことが見てわかる．高低差約10-20nmの なだらかな窪み形状があり，ST, AT-cut基板はアニーリングすることにより形状の境界線が はっきりとしてくる．どの基板にもステップ構造は確認できなかった．

サファイアではアニーリングすることにより結晶のクラスターが大きく動き，ステップ 構造が変化する様子が観察されるが[47]，水晶基基板ではAFMで観察できる範囲ではアニ ーリングによるステップの変化は観察されなかった．

(a)

20μm 20μm

X Z X

Z

20μm 20μm

X Z X

Z (b)

20μm 20μm

X Z X

Z (c)

20μm 20μm

X Z X

Z (d)

(e)

20μm 20μm

X Z X

Z 2020μμmm

X Z X

Z (f)

Fig. 5.5 SEM images of SWNTs grown on (a, b) ST, (c, d) AT, (e, f) R-cut crystal quartz substrates.

Annealing time; (a, c, e) 0h, (b, d, f) 13h.

第五章 水晶基板のSWNT配向メカニズム 46

(a)

X Z (a)

(a)

X Z X

Z

(b)

X Z (b)

(b) (b)

X Z X

Z

(g)

–500 0

0 10 20

Position(nm)

Height(nm)

(g)

–500 0

0 10 20

Position(nm)

Height(nm)

(c)

X Z (c)

(c)

X Z X

Z

(d)

X Z (d)

(d) (d)

X Z X

Z

(h)

–8000 –600 –400 –200 0

10 20

Height(nm)

Position(nm)

(h)

–8000 –600 –400 –200 0

10 20

Height(nm)

Position(nm)

(e)

X Z (e)

(e)

X Z X

Z

(f)

X Z (f)

(f) (f)

X Z X

Z

(i)

0 200 400 600

15 20 25

Positionh(nm)

Height(nm)

(i)

0 200 400 600

15 20 25

Positionh(nm)

Height(nm)

Fig. 5.6 (a-f)AFM images of (a, b)ST, (c, d)AT, (e, f)R-cut Crystal Quartz substrates.

Annealing time; (a, c, e)0h, (b, d, f)13h.

(g-i)Section diagrams of each blue line.

13時間900°CでアニーリングしたST-cut基板上で配向合成したSWNTの，偏光レーザー によるラマンスペクトルを測定した．Fig. 5.7(a)の模式図に示すように，入射光の偏光角Φ と検出する散乱光の偏光角Θをそれぞれ 90°とし，SWNT の配向方向の角度Ψを-110°から

90°まで 10°ずつ回転させ，ラマンスペクトルを測定した．ラマンスペクトルのグラフと，

G-bandの強度と基板の回転角Ψをr, θ系でプロットしたグラフをFig. 5.7(b, c)に示す．

入射光の偏光角度がSWNTとほぼ平行になる図のAで示す90，-90°付近のG-band方が，

垂直になる図のCで示す0°付近のときよりスペクトル強度が大きいことが測定され，SWNT の偏光依存性が確認された．しかしSWNTが基板上にまばらに存在すること，用いている レーザー光のスポット範囲が狭く強度も十分強いものではないために基板を回転させると 正確に同じ範囲のSWNTのスペクトルを観察できないことから，測定には大きな誤差があ る．そのためSWNTのラマンスペクトルの偏光依存性によって実験結果の配向性を定量的 に評価することはできなかった．

x y

Ψ