JP2000203816A - Intercalation compound and its production - Google Patents

Intercalation compound and its production

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JP2000203816A
JP2000203816A JP10372859A JP37285998A JP2000203816A JP 2000203816 A JP2000203816 A JP 2000203816A JP 10372859 A JP10372859 A JP 10372859A JP 37285998 A JP37285998 A JP 37285998A JP 2000203816 A JP2000203816 A JP 2000203816A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an intercalation compound into which various kinds of metal atoms are inserted and which permits the control in the kinds and selectivity of the elements inserted into the laminar space. SOLUTION: This intercalation compound 8 is prepared by disposing ultrafine metal particles 2 as the first raw material substance on an amorphous carbon support film 1, disposing the second raw material substance 7 containing the second metal element different from the ultrafine metal particles 2 at their near places, irradiating electron beams 4 on the first raw material substance and the amorphous carbon support film 1 under a high vacuum atmosphere to induce a graphite-like substance such as an onion-like fullerene 5, and then further irradiating the first and second raw material substances 2, 7 and electron beams on the induced onion-like fullerence 5 to insert the first metal atoms 2' and the second metal atoms 7 into the laminar spaces of the onion-like fullerene 5.

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、グラファイト状物
質の層状空間に異種の 2種以上の金属原子を挿入した層
間化合物およびその製造方法に関する。
The present invention relates to an interlayer compound in which two or more different kinds of metal atoms are inserted into a layered space of a graphite-like substance, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】層間化合物は、層状構造を有するグラフ
ァイトなどの層状空間に、異種の物質を導入して作製し
たものであり、電気伝導性の向上や挿入物質の性質を利
用した触媒などの機能材料への応用が可能であることか
ら、各種の層間化合物の合成や物性、応用などについて
の研究が行われている。
2. Description of the Related Art Intercalation compounds are prepared by introducing different kinds of substances into a layered space such as graphite having a layered structure, and have functions such as a catalyst utilizing the property of improving electric conductivity and properties of an intercalating substance. Research on synthesis, physical properties, applications, and the like of various intercalation compounds has been conducted since they can be applied to materials.

【0003】グラファイトの層状空間に挿入した異種物
質の例としては、Li、Na、Kなどのアルカリ金属元
素、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類金属元素、S
m、Eu、Ybなどの希土類元素、Mn、Fe、Ni、
Co、Zn、Moなどの遷移金属、Br2 、ICl、I
Brなどのハロゲン元素やその化合物、HNO3 、H2
SO4 、HF、HBF4 などの酸、MgCl2 、FeC
2 、FeCl3 、NiCl2 、AlCl3 、SbCl
5 などの化合物が報告されている。
[0003] Examples of the foreign substance inserted into the layered space of graphite include alkali metal elements such as Li, Na and K, alkaline earth metal elements such as Ca, Sr, and Ba;
rare earth elements such as m, Eu, Yb, Mn, Fe, Ni,
Transition metals such as Co, Zn and Mo, Br 2 , ICl, I
Halogen elements such as Br and its compounds, HNO 3 , H 2
Acids such as SO 4 , HF, HBF 4 , MgCl 2 , FeC
l 2 , FeCl 3 , NiCl 2 , AlCl 3 , SbCl
Compounds such as 5 have been reported.

【0004】上述したような異種物質を層状空間に挿入
したグラファイト層間化合物は、従来、 (a)グラファイ
トと気相または液相の挿入物質とを接触させる方法、
(b)挿入物質を含む電解溶液をグラファイト電極を用い
て電気分解する方法、などを適用して作製されている。
[0004] The graphite intercalation compound in which a different substance is inserted into a layered space as described above can be prepared by the following methods: (a) contacting graphite with a gaseous or liquid intercalation substance;
(b) It is manufactured by applying a method of electrolyzing an electrolytic solution containing an insertion material using a graphite electrode.

【0005】例えば、アルカリ金属を用いたグラファイ
ト層間化合物は、アルカリ金属とグラファイトを真空下
で共存させ、加熱することによって得られる。また、ハ
ロゲンを用いたグラファイト層間化合物は、Br2 、I
Cl、IBrなどの液相または蒸気とグラファイトとを
接触させることで作製することができる。Ca、Sr、
Baなどのアルカリ土類金属やSm、Eu、Ybなどの
希土類元素を用いたグラファイト層間化合物は、これら
の金属粉末とグラファイト微粉末とを混合し、1〜2MPa
程度で加圧した後、常圧下で焼成する方法で合成されて
いる。
For example, a graphite intercalation compound using an alkali metal can be obtained by coexisting an alkali metal and graphite under vacuum and heating. Graphite intercalation compounds using halogen include Br 2 , I
It can be produced by bringing a liquid phase or vapor such as Cl or IBr into contact with graphite. Ca, Sr,
A graphite intercalation compound using an alkaline earth metal such as Ba or a rare earth element such as Sm, Eu, or Yb is prepared by mixing these metal powders with a graphite fine powder, and forming a mixture of 1-2 MPa.
It is synthesized by a method of baking under normal pressure after pressurizing at about the same level.

【0006】一方、Fe、Co、Moなどの遷移金属を
用いたグラファイト層間化合物については、これら金属
の塩化物の層間化合物をまず合成した後、それらをNa
BH4 、LiAlH4 、Naなどを用いて、室温以下で
ゆっくりと還元することにより合成した例が報告されて
いる。しかし、このような還元法はその再現性が低く、
安定して遷移金属のグラファイト層間化合物が得難いと
いう欠点があった。
On the other hand, with respect to graphite intercalation compounds using transition metals such as Fe, Co, Mo, etc., intercalation compounds of chlorides of these metals are first synthesized, and then they are converted to Na.
There has been reported an example of synthesis by slow reduction at room temperature or lower using BH 4 , LiAlH 4 , Na, or the like. However, such a reduction method has low reproducibility,
There is a disadvantage that it is difficult to obtain a transition metal graphite intercalation compound stably.

【0007】また、上述したような従来のグラファイト
層間化合物の製造方法は、いずれも粉末焼成、粉末−気
相/液相反応、電解生成などの通常の合成法を利用した
ものであるため、集合体としてグラファイト層間化合物
を合成するには適するものの、例えばグラファイトの極
微小領域に層間化合物を形成するというように、制御さ
れた形状、分布、状態などを満足させた上でグラファイ
ト層間化合物を作製することは不可能であり、これらを
実現可能とすることが求められている。さらに、グラフ
ァイト層間化合物の応用範囲の拡大を図るために、グラ
ファイトなどの層状空間に挿入する元素の種類やその選
択性などについても制御可能とすることが求められてい
る。
[0007] In addition, the above-mentioned conventional methods for producing a graphite intercalation compound all employ ordinary synthesis methods such as powder sintering, powder-gas / liquid phase reaction, and electrolytic generation. Although it is suitable for synthesizing a graphite intercalation compound as a body, a graphite intercalation compound is produced after satisfying a controlled shape, distribution, state, etc., for example, forming an intercalation compound in a very small area of graphite. It is impossible, and there is a need to make these feasible. Further, in order to expand the range of application of the graphite intercalation compound, it is required that the type of element inserted into the layered space such as graphite and its selectivity can be controlled.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のグラファイト層間化合物においては、遷移金属をグラ
ファイトの層状空間に挿入する際の再現性に乏しく、ま
た使用可能な遷移金属も限られているという難点があっ
た。
As described above, in the conventional graphite intercalation compound, the reproducibility of inserting the transition metal into the layered space of graphite is poor, and the usable transition metal is limited. There was a drawback.

【0009】また、従来のグラファイト層間化合物の製
造方法は、集合体としてグラファイト層間化合物を合成
するには適するものの、制御された形状、分布、状態な
どを満足させてグラファイト層間化合物を作製すること
は不可能であった。そして、グラファイト層間化合物の
応用範囲の拡大を図るために、例えばグラファイトの極
微小領域に選択的に形成された層間化合物など、形成状
態の制御が可能な層間化合物の作製を可能にすると共
に、層状空間に挿入する元素の種類やその選択性などを
制御可能とすることが求められている。
Although the conventional method for producing a graphite intercalation compound is suitable for synthesizing a graphite intercalation compound as an aggregate, it is not possible to produce a graphite intercalation compound satisfying a controlled shape, distribution, state and the like. It was impossible. In order to expand the range of application of the graphite intercalation compound, for example, it is possible to produce an intercalation compound whose formation state can be controlled, such as an intercalation compound selectively formed in a very small region of graphite. It is required to be able to control the type of element inserted into the space and its selectivity.

【0010】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、層状空間に挿入する元素の種類やその
選択性などを制御可能とし、各種金属原子を挿入した層
間化合物およびその製造方法を提供することを目的とし
ている。
The present invention has been made in order to address such problems, and it is possible to control the type of element inserted into a layered space, its selectivity, and the like, and to provide an interlayer compound into which various metal atoms are inserted, and a method for producing the same. It is intended to provide.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明のグラファイト層
間化合物は、請求項1に記載したように、グラファイト
の (001)面と (002)面に相当する結晶面を有する層状構
造のグラファイト系物質と、前記グラファイト系物質の
前記結晶面間の層状空間に挿入された異種の 2種以上の
金属原子とを具備することを特徴としている。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a graphite intercalation compound having a layered structure having crystal planes corresponding to (001) and (002) planes of graphite. And two or more different kinds of metal atoms inserted in a layered space between the crystal planes of the graphite-based material.

【0012】本発明の層間化合物において、グラファイ
ト系物質としては請求項2に記載したように、例えば多
層同心円構造を有するグラファイト系物質、より具体的
には請求項3に記載したように、たまねぎ状フラーレン
が用いられる。また、グラファイト系物質の結晶面間の
層状空間に挿入する金属原子としては、例えば請求項4
に記載したようにAl原子とCu原子とが挙げられる。
In the intercalation compound of the present invention, the graphite-based material is, for example, a graphite-based material having a multilayer concentric structure, more specifically, an onion-like material as described in claim 3. Fullerene is used. The metal atom inserted into the layered space between the crystal planes of the graphite-based material may be, for example,
And Al atoms and Cu atoms.

【0013】本発明の層間化合物の製造方法は、請求項
5に記載したように、アモルファスカーボン支持膜上に
第1の原料物質として第1の金属元素からなる金属超微
粒子を配置すると共に、前記アモルファスカーボン支持
膜の近傍に前記第1の金属元素とは異なる第2の金属元
素を含む第2の原料物質を配置する工程と、前記第1の
原料物質と共に前記アモルファスカーボン支持膜に対し
て高真空雰囲気下で電子線を照射して、前記アモルファ
スカーボン支持膜にグラファイトの (001)面と(002)面
に相当する結晶面を有する層状構造のグラファイト状物
質を前記金属超微粒子を核生成点として誘起する工程
と、誘起した前記グラファイト状物質に対して、さらに
前記第1および第2の原料物質と共に電子線を照射し
て、前記グラファイト状物質の前記結晶面間の層状空間
に、前記第1の原料物質を構成する第1の金属原子と前
記第2の原料物質に含まれる第2の金属原子とを挿入す
る工程とを有することを特徴としている。
In the method for producing an intercalation compound according to the present invention, as described in claim 5, ultrafine metal particles composed of a first metal element are disposed as a first raw material on an amorphous carbon support film. Disposing a second source material containing a second metal element different from the first metal element in the vicinity of the amorphous carbon support film; By irradiating the amorphous carbon support film with an electron beam in a vacuum atmosphere, the graphite-like substance having a layered structure having crystal planes corresponding to the (001) plane and the (002) plane of graphite is formed at the nucleation point of the metal ultrafine particles. And irradiating the induced graphite-like substance with an electron beam together with the first and second raw materials to obtain the graphite-like substance. Inserting a first metal atom constituting the first raw material and a second metal atom contained in the second raw material into the layered space between the crystal planes. And

【0014】本発明の層間化合物の製造方法において、
請求項6に記載したように、アモルファスカーボン支持
膜は例えば第2の原料物質からなるメッシュ状の支持部
材上に配置され、このような第2の原料物質から蒸発し
た第2の金属原子が第1の金属原子と共にグラファイト
状物質の層状空間に挿入される。
In the method for producing an intercalation compound according to the present invention,
As described in claim 6, the amorphous carbon support film is disposed on a mesh-like support member made of, for example, a second raw material, and the second metal atoms evaporated from such a second raw material are removed by the second raw material. It is inserted into the layered space of the graphite-like substance together with one metal atom.

【0015】本発明の層間化合物は、グラファイトの
(001)面と (002)面に相当する結晶面間の層状空間に、
電子線照射により異種の 2種以上の金属原子を挿入した
ものである。ここで用いられるグラファイト状物質とし
ては、上記したようにたまねぎ状フラーレンのような層
間距離がグラファイトと一致する巨大フラーレン類が挙
げられる。このようなたまねぎ状フラーレン上に第1の
金属元素からなる金属超微粒子を存在させ、かつその近
傍に第2の金属元素を含む物質を配置した状態で電子線
を照射することによって、たまねぎ状フラーレンの (00
1)面と (002)面との間の層状空間に第1および第2の金
属原子をそれぞれ侵入させることができ、これにより本
発明の層間化合物が形成される。
[0015] The intercalation compound of the present invention is formed of graphite.
In the layered space between the (001) plane and the crystal plane corresponding to the (002) plane,
Two or more heterogeneous metal atoms are inserted by electron beam irradiation. Examples of the graphite-like substance used here include giant fullerenes whose interlayer distance is equal to that of graphite, such as onion-like fullerene as described above. Onion-like fullerenes are obtained by irradiating an electron beam in a state where metal ultrafine particles made of a first metal element are present on such an onion-like fullerene and a substance containing a second metal element is arranged in the vicinity thereof. Of (00
The first and second metal atoms can penetrate into the layered space between the (1) plane and the (002) plane, respectively, whereby the intercalation compound of the present invention is formed.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0017】図1は本発明の層間化合物の製造工程を模
式的に示す断面図である。まず、図1(a)に示すよう
に、アモルファスカーボン支持膜1上に第1の原料物質
として第1の金属元素からなる金属超微粒子2を配置す
る。第1の原料物質としての金属超微粒子2としては、
その下部およぶ周囲のアモルファスカーボン支持膜1に
グラファイト状物質を誘起することが可能なものであれ
ばよく、例えば表面酸化膜を有しない純Alの超微粒子
などが用いられる。なお、金属超微粒子2の構成元素は
Alに限らず、PtやAuなどの他の金属であってもよ
い。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a process for producing the interlayer compound of the present invention. First, as shown in FIG. 1A, metal ultrafine particles 2 made of a first metal element are arranged on an amorphous carbon support film 1 as a first raw material. As the metal ultrafine particles 2 as the first raw material,
Any material capable of inducing a graphite-like substance in the amorphous carbon support film 1 below and around the lower portion may be used. For example, ultrafine particles of pure Al having no surface oxide film are used. The constituent element of the metal ultrafine particles 2 is not limited to Al, but may be another metal such as Pt or Au.

【0018】金属超微粒子2の直径は 5〜 100nmの範囲
であることが好ましい。金属超微粒子2の直径が 100nm
を超えると、下層のアモルファスカーボン支持膜1を十
分に活性化できず、グラファイト状物質を誘起すること
ができないおそれがある。一方、金属超微粒子2の直径
が 5nm未満であると、アモルファスカーボン支持膜1の
活性化される領域が不足し、十分な大きさを有するグラ
ファイト状物質を誘起することができないおそれがあ
る。金属超微粒子2のより好ましい直径は 5〜20nmの範
囲である。
The diameter of the ultrafine metal particles 2 is preferably in the range of 5 to 100 nm. 100nm diameter of ultrafine metal particles 2
If it exceeds 3, the lower amorphous carbon support film 1 may not be sufficiently activated, and the graphite-like substance may not be induced. On the other hand, if the diameter of the ultrafine metal particles 2 is less than 5 nm, the activated region of the amorphous carbon support film 1 becomes insufficient, and there is a possibility that a graphite-like substance having a sufficient size cannot be induced. The more preferred diameter of the ultrafine metal particles 2 is in the range of 5 to 20 nm.

【0019】アモルファスカーボン支持膜1の近傍に
は、さらに金属超微粒子2を構成する第1の金属元素と
は異なる第2の金属元素を含む第2の原料物質を配置す
る。この実施形態では、第2の原料物質としてメッシュ
状の支持部材3を用い、このメッシュ状の支持部材3上
にアモルファスカーボン支持膜1を配置している。第2
の原料物質は薄膜などとしてアモルファスカーボン支持
膜1の裏面側に形成してもよい。
In the vicinity of the amorphous carbon support film 1, a second raw material containing a second metal element different from the first metal element constituting the metal ultrafine particles 2 is further disposed. In this embodiment, a mesh-shaped support member 3 is used as the second raw material, and the amorphous carbon support film 1 is disposed on the mesh-shaped support member 3. Second
May be formed on the back surface of the amorphous carbon support film 1 as a thin film or the like.

【0020】第2の原料物質の配置位置は、後述する層
間化合物の形成工程で金属超微粒子2やアモルファスカ
ーボン支持膜1と共に電子線が照射される領域内であれ
ばよい。従って、アモルファスカーボン支持膜1の裏面
側に限らず、アモルファスカーボン支持膜1の金属超微
粒子2が配置された側に、金属超微粒子2と同様に第2
の原料物質からなる微粒子などを配置してもよい。
The second raw material may be located in a region where the electron beam is irradiated together with the ultrafine metal particles 2 and the amorphous carbon support film 1 in the later-described interlayer compound formation step. Therefore, not only on the rear surface side of the amorphous carbon support film 1 but also on the side of the amorphous carbon support film 1 where the metal ultrafine particles 2 are disposed, the second
Fine particles or the like made of the above raw material may be arranged.

【0021】第2の原料物質の構成材料は特に限定され
るものではないが、後述する層間化合物の形成工程で真
空雰囲気中で電子線を照射した際に、例えば蒸発するも
のであればよい。このような第2の原料物質としては、
各種金属や合金、あるいはそれらを含む化合物などを用
いることができる。なお、電子線照射時の蒸発性やその
後の層状空間への挿入性などを考慮すると、第2の原料
物質としてはCuを用いることが好ましい。上記したメ
ッシュ状の支持部材3は、例えばCuからなるものであ
る。
The constituent material of the second raw material is not particularly limited, but may be any material that evaporates, for example, when irradiated with an electron beam in a vacuum atmosphere in a later-described interlayer compound forming step. Examples of such a second raw material include:
Various metals and alloys or compounds containing them can be used. It is preferable to use Cu as the second raw material in consideration of evaporability at the time of electron beam irradiation and subsequent insertability into a layered space. The mesh-like support member 3 is made of, for example, Cu.

【0022】このようにして、第1の原料物質としての
金属超微粒子2を配置すると共に、第2の原料物質とし
てのメッシュ状支持部材3を近傍に配置したアモルファ
スカーボン支持膜1に対して、図1(b)に示すよう
に、高真空雰囲気下で金属超微粒子2と共に電子線4を
照射する。
In this manner, the metal ultrafine particles 2 as the first raw material are arranged, and the amorphous carbon support film 1 in which the mesh-like support member 3 as the second raw material is disposed in the vicinity. As shown in FIG. 1B, an electron beam 4 is irradiated together with the ultrafine metal particles 2 in a high vacuum atmosphere.

【0023】活性な金属超微粒子2と共にアモルファス
カーボン支持膜1に対して電子線4を照射すると、活性
な金属超微粒子2の下層に存在するアモルファスカーボ
ンの原子配列が変化して、例えば図2(a)に示すよう
に、金属超微粒子2の下部およびその周囲に金属超微粒
子を核生成点としてグラファイト状物質が誘起する。こ
のようなグラファイト状物質としては、例えば多層同心
円構造を有するたまねぎ状フラーレン5のような巨大フ
ラーレン類が挙げられる。電子線4照射により誘起する
たまねき状フラーレン5は、個々に独立した状態で得る
ことができ、さらに続けて電子線を容易に照射すること
が可能であるため、本発明の層間化合物の作製に用いる
グラファイト状物質として好適である。
When the electron beam 4 is irradiated to the amorphous carbon support film 1 together with the active metal ultrafine particles 2, the atomic arrangement of the amorphous carbon existing in the lower layer of the active metal ultrafine particles 2 changes, for example, as shown in FIG. As shown in a), a graphite-like substance is induced below and around the metal ultrafine particles 2 with the metal ultrafine particles as nucleation points. Examples of such a graphite-like substance include giant fullerenes such as an onion-like fullerene 5 having a multilayer concentric structure. The bead-like fullerenes 5 induced by the irradiation with the electron beam 4 can be obtained in an independent state, and can be easily irradiated with the electron beam continuously. It is suitable as a graphite-like substance to be used.

【0024】たまねぎ状フラーレン5は多層同心円構造
を有し、その中心部に存在するC60などの核フラーレン
の周囲に多層構造の炭素層が形成された構造を有するも
のである。たまねぎ状フラーレン5は一般的なグラファ
イトのような平面構造を有していないが、外殻側の炭素
層の層間間隔は約0.35nmであり、グラファイトの層間距
離に一致する。たまねぎ状フラーレン5の外殻側の炭素
層(結晶面)は層間距離が約0.35nmであることから、グ
ラファイトの (001)面および (002)面に相当し、これら
結晶面間に層状空間(ファンデルワールス空間)が形成
されている。
The onion-like fullerenes 5 has a multi-layer concentric structure, those having a carbon layer formed structure of a multilayer structure around the nucleus fullerene such as C 60 existing in the center. Although the onion-like fullerene 5 does not have a planar structure like general graphite, the interlayer distance between the carbon layers on the outer shell side is about 0.35 nm, which corresponds to the interlayer distance of graphite. Since the carbon layer (crystal plane) on the outer shell side of the onion fullerene 5 has an interlayer distance of about 0.35 nm, it corresponds to the (001) plane and the (002) plane of graphite. Van der Waals space) is formed.

【0025】たまねぎ状フラーレン5などのグラファイ
ト状物質を作製する際に照射する電子線4の強度は1019
e/cm2 ・sec 以上であることが好ましい。照射する電子
線4の強度が1019e/cm2 ・sec 未満であると、たまねぎ
状フラーレン5を生成し得るほどにアモルファスカーボ
ン支持膜1を活性化できないおそれがある。言い換える
と、1019e/cm2 ・sec 以上の強度を有する電子線4は、
金属超微粒子2およびアモルファスカーボンの局所加熱
効果と原子変位誘起(knock-on)効果などをもたらし、こ
れらによってたまねぎ状フラーレン5が誘起する。
When producing a graphite-like substance such as an onion-like fullerene 5, the intensity of the electron beam 4 applied is 10 19
It is preferably at least e / cm 2 · sec. If the intensity of the electron beam 4 to be irradiated is less than 10 19 e / cm 2 · sec, the amorphous carbon support film 1 may not be activated to the extent that the onion fullerene 5 can be generated. In other words, the electron beam 4 having an intensity of 10 19 e / cm 2 · sec or more
A local heating effect and an atomic displacement induction (knock-on) effect of the metal ultrafine particles 2 and the amorphous carbon are provided, and the onion fullerene 5 is induced by these effects.

【0026】また、電子線4の照射は10-5Pa以下の真空
雰囲気中で行うことが好ましい。電子線4を照射する際
の真空雰囲気が10-5Paを超えると、残留ガス原子の吸着
などが起り、たまねぎ状フラーレン5の生成が阻害され
るおそれがある。
The irradiation of the electron beam 4 is preferably performed in a vacuum atmosphere of 10 -5 Pa or less. If the vacuum atmosphere at the time of irradiation with the electron beam 4 exceeds 10 −5 Pa, adsorption of residual gas atoms and the like may occur, and the generation of the onion fullerene 5 may be hindered.

【0027】次に、アモルファスカーボン支持膜1に誘
起したたまねぎ状フラーレン5などのグラファイト状物
質に対して、図1(c)に示すように、第1の原料物質
としての金属超微粒子2および第2の原料物質としての
メッシュ状支持部材3と共に、さらに電子線6を照射す
る。電子線6の照射領域は、金属超微粒子2やたまねぎ
状フラーレン5と共に、メッシュ状支持部材3にも電子
線6が照射されるように調整する。また、この際の電子
線6の強度は1021e/cm2 ・sec 以上であることが好まし
い。
Next, as shown in FIG. 1 (c), the ultrafine metal particles 2 as the first raw material and the graphite-like material 2 such as onion-like fullerene 5 induced in the amorphous carbon support film 1 are used. The electron beam 6 is further irradiated together with the mesh-like support member 3 as the raw material material of No. 2. The irradiation area of the electron beam 6 is adjusted so that the mesh-shaped support member 3 is irradiated with the electron beam 6 together with the ultrafine metal particles 2 and the onion-like fullerene 5. The intensity of the electron beam 6 at this time is preferably 10 21 e / cm 2 · sec or more.

【0028】このように、上部に活性な金属超微粒子2
を存在させたたまねぎ状フラーレン5に対して、1021e/
cm2 ・sec 以上というような高強度の電子線6を照射す
ると、たまねぎ状フラーレン5の収縮および金属超微粒
子2の小径化などが起こり、図1(c)および図2
(b)に示すように、金属超微粒子2を構成している第
1の金属原子(例えばAl原子)が原子集団(Al原子
集団)2′および金属原子(例えばAl原子)2″とし
て、収縮したたまねぎ状フラーレン5′の層状空間に侵
入する。
As described above, the active ultrafine metal particles 2
10 21 e / for onion-like fullerenes 5 in the presence of
When the electron beam 6 having a high intensity of not less than cm 2 · sec is irradiated, the onion-like fullerene 5 shrinks and the diameter of the ultrafine metal particles 2 is reduced, and as shown in FIGS.
As shown in (b), the first metal atoms (for example, Al atoms) constituting the metal ultrafine particles 2 shrink as an atom group (for example, Al atom group) 2 ′ and a metal atom (for example, Al atom) 2 ″. It enters the layered space of the onion-like fullerene 5 '.

【0029】この際、たまねぎ状フラーレン5の下側に
存在するメッシュ状支持部材3にも電子線6が照射され
ているため、このメッシュ状支持部材3を構成していた
金属原子(例えばCu原子)が蒸発する。たまねぎ状フ
ラーレン5は電子線6の照射により活性化されているた
め、その層状空間にはAl原子などの第1の金属原子
2′、2″と共に、例えばCu原子のような第2の金属
原子7が侵入する。
At this time, since the electron beam 6 is also applied to the mesh-like support member 3 existing below the onion-like fullerene 5, the metal atoms (for example, Cu atoms) constituting the mesh-like support member 3 are formed. ) Evaporates. Since the onion-like fullerene 5 is activated by the irradiation of the electron beam 6, the layered space has the second metal atom such as Cu atom together with the first metal atom 2 ', 2 "such as Al atom. 7 invades.

【0030】このようにして、たまねぎ状フラーレン5
などのグラファイト状物質の層状空間(ファンデルワー
ルス空間)、すなわちグラファイトの (001)面および
(002)面に相当する結晶面間の層状空間に、Al原子な
どの第1の金属原子2′2″とCu原子などの第2の金
属原子7とが挿入された層間化合物8が得られる。な
お、たまねぎ状フラーレン5の層状空間にAl原子やC
u原子などが挿入されたことは、例えばたまねぎ状フラ
ーレン5の層間隔が拡大することにより確認することが
できる。
In this way, the onion-like fullerene 5
Layered space (van der Waals space) of graphite-like materials such as (001) plane of graphite and
An interlayer compound 8 is obtained in which a first metal atom 2′2 ″ such as an Al atom and a second metal atom 7 such as a Cu atom are inserted into a layered space between crystal planes corresponding to the (002) plane. The layered space of the onion fullerene 5 contains Al atoms and C atoms.
The insertion of u atoms or the like can be confirmed by, for example, increasing the layer interval of the onion fullerene 5.

【0031】層間化合物8の生成工程で照射する電子線
6の強度は1021e/cm2 ・sec 以上であることが好まし
い。照射する電子線6の強度が1021e/cm2 ・sec 未満で
あると、たまねぎ状フラーレン5を収縮させ得るほどに
炭素原子を活性化できないと共に、その近傍に位置する
第2の原料物質としてのメッシュ状支持部材3を蒸発さ
せることができないおそれがある。
The intensity of the electron beam 6 irradiated in the step of forming the interlayer compound 8 is preferably 10 21 e / cm 2 · sec or more. If the intensity of the electron beam 6 to be irradiated is less than 10 21 e / cm 2 · sec, the carbon atoms cannot be activated to the extent that the onion-like fullerene 5 can be shrunk, and the second raw material located in the vicinity thereof cannot be activated. There is a possibility that the mesh-shaped support member 3 cannot be evaporated.

【0032】言い換えると、上記強度を有する電子線6
は、たまねぎ状フラーレン5の局所加熱効果や原子変位
誘起(knock-on)効果、さらには第2の原料物質としての
メッシュ状支持部材3の局所加熱効果などをもたらし、
これらによってたまねぎ状フラーレン5の収縮およびそ
の層状空間への第1の金属原子2′、2″および第2の
金属原子7の挿入が可能となる。また、電子線6の照射
は10-5Pa以下の真空雰囲気中で行うことが好ましい。電
子線6の照射時の真空雰囲気が10-5Paを超えると残留ガ
ス原子の吸着などによって、たまねぎ状フラーレン5の
層状空間への金属原子2′、2″、7の侵入が阻害され
るおそれがある。
In other words, the electron beam 6 having the above intensity
Brings about a local heating effect of the onion-like fullerene 5, an atomic displacement induction (knock-on) effect, a local heating effect of the mesh-like support member 3 as a second raw material, and the like.
These make it possible to shrink the onion-like fullerene 5 and insert the first metal atoms 2 ', 2 "and the second metal atoms 7 into the layered space. The irradiation of the electron beam 6 is 10 -5 Pa. It is preferable to perform the treatment in the following vacuum atmosphere: If the vacuum atmosphere at the time of irradiation with the electron beam 6 exceeds 10 −5 Pa, the metal atoms 2 ′, There is a possibility that intrusion of 2 ″ and 7 may be inhibited.

【0033】本発明の層間化合物8は、上述したように
グラファイトの (001)面と (002)面に相当する結晶面間
の層状空間に、異種の 2種以上の金属原子2′、2″、
7を挿入したものである。このように、たまねぎ状フラ
ーレン5などのグラファイト状物質の層状空間に 2種以
上の金属原子2′、2″、7を挿入することによって、
単一の金属原子のみを挿入した層間化合物では得られな
いような特性の出現が期待できる。層状空間に挿入され
た各金属原子2′、2″、7は、それぞれ活性な金属A
lや金属Cuなどとしての性質を有しているため、特性
に優れた層間化合物8が得られる。
As described above, the intercalation compound 8 of the present invention comprises two or more different kinds of metal atoms 2 ′, 2 ″ in a layered space between crystal planes corresponding to the (001) plane and the (002) plane of graphite. ,
7 is inserted. Thus, by inserting two or more kinds of metal atoms 2 ′, 2 ″, 7 into a layered space of a graphite-like substance such as an onion-like fullerene 5,
It is expected that characteristics that cannot be obtained with an intercalation compound in which only a single metal atom is inserted can be obtained. Each metal atom 2 ', 2 ", 7 inserted into the layered space is an active metal A
Since it has properties as l and metal Cu, an interlayer compound 8 having excellent properties can be obtained.

【0034】さらに、本発明の層間化合物8は上部に金
属超微粒子2が存在するたまねぎ状フラーレン5などの
個々に制御可能な巨大フラーレン類に電子線6を照射す
ることで得られるため、例えばグラファイト状物質の極
微小領域に形成することが可能であるなど、その状態、
形状、分布などの制御性を大幅に向上させた上で、再現
性よく得ることができる。加えて、制御された条件下で
層間化合物8を独立した状態で作製することができるた
め、層間化合物8の各種操作や制御、その物性の掌握な
ども容易に実現可能となる。
Further, since the intercalation compound 8 of the present invention is obtained by irradiating individually controllable giant fullerenes such as onion-like fullerenes 5 having the metal ultrafine particles 2 on the top with the electron beam 6, for example, graphite State, such as being able to be formed in an extremely small area of
The controllability such as the shape and the distribution can be greatly improved, and the reproducibility can be obtained. In addition, since the intercalation compound 8 can be prepared independently under controlled conditions, various operations and control of the intercalation compound 8 and grasp of physical properties thereof can be easily realized.

【0035】[0035]

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について述べる。
Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.

【0036】実施例1 まず、直径 100nm程度の球状θ−Al2 3 粒子(純度
=99.8%)を用意し、これをアルコールに分散させた後、
i-カーボンからなるアモルファスカーボン支持膜上に塗
布、乾燥させた。このθ−Al2 3 粒子を配置したア
モルファスカーボン支持膜をCuメッシュ製の支持部材
上に配置し、この状態でFE−TEM装置の真空室内に
配置された室温ステージ上に設置した。
Example 1 First, spherical θ-Al 2 O 3 particles having a diameter of about 100 nm (purity
= 99.8%), disperse this in alcohol,
It was applied on an amorphous carbon support film made of i-carbon and dried. The amorphous carbon support film on which the θ-Al 2 O 3 particles were placed was placed on a support member made of Cu mesh, and in this state, it was placed on a room temperature stage placed in a vacuum chamber of an FE-TEM device.

【0037】上記真空室内を 1×10-5Paの真空度まで排
気した後、アモルファスカーボン支持膜上に配置された
θ−Al2 3 粒子に 1.3×1020e/cm2 ・sec の電子線
を照射した。このθ−Al2 3 粒子への電子線照射に
よって、直径 5〜15nm程度のAl超微粒子をアモルファ
スカーボン支持膜上に生成した。
After the vacuum chamber was evacuated to a degree of vacuum of 1 × 10 −5 Pa, the θ-Al 2 O 3 particles disposed on the amorphous carbon support film were exposed to 1.3 × 10 20 e / cm 2 · sec electrons. The line was irradiated. By irradiating the θ-Al 2 O 3 particles with an electron beam, Al ultrafine particles having a diameter of about 5 to 15 nm were formed on the amorphous carbon support film.

【0038】次に、生成したAl超微粒子を有するアモ
ルファスカーボン支持膜(Cuメッシュを含む)が配置
されたFE−TEM装置の真空室内の状態(真空度を含
む)を維持した上で、アモルファスカーボン支持膜上の
Al超微粒子に対して下層のアモルファスカーボンと共
に 1×1022e/cm2 ・sec の電子線を照射した。この際、
電子線の照射領域内にCuメッシュの一部が存在するよ
うに、電子線の照射領域を設定した。
Next, while maintaining the state (including the degree of vacuum) in the vacuum chamber of the FE-TEM apparatus on which the amorphous carbon support film (including the Cu mesh) having the generated ultrafine Al particles is placed, the amorphous carbon The Al ultrafine particles on the support film were irradiated with an electron beam of 1 × 10 22 e / cm 2 · sec together with the underlying amorphous carbon. On this occasion,
The irradiation region of the electron beam was set so that a part of the Cu mesh was present in the irradiation region of the electron beam.

【0039】電子線の照射を行いながらAl超微粒子お
よびアモルファスカーボンの状態をTEMでその場(in-
situ) 観察した。この観察結果について、図2の模式図
を参照しながら説明する。電子線の照射開始から 300秒
程度経過したところで、図2(a)に示すように、Al
超微粒子2の下部に楕円状同心円を持つカーボン組織が
誘起した。この楕円状同心円を持つカーボン組織は層間
隔が約0.35nmであることから、たまねぎ状フラーレン5
であることが確認された。なお、たまねぎ状フラーレン
5の周囲はアモルファスカーボンの状態を維持してい
た。
The state of the ultrafine particles of Al and the amorphous carbon were measured in-situ (in-
situ) Observed. This observation result will be described with reference to the schematic diagram of FIG. About 300 seconds after the start of electron beam irradiation, as shown in FIG.
A carbon structure having an elliptical concentric circle was induced below the ultrafine particles 2. Since the carbon structure having the elliptical concentric circles has a layer interval of about 0.35 nm, the onion fullerene 5
Was confirmed. In addition, the periphery of the onion fullerene 5 maintained the state of amorphous carbon.

【0040】さらに、電子線を照射し続けると、たまね
ぎ状フラーレン5は徐々に収縮しつつ同心円状になって
いき、またAl超微粒子2も同様に小径化していった。
電子線の照射開始から 800〜1000秒程度経過したところ
で、図2(b)に示すように、たまねぎ状フラーレン
5′は同心円状に収縮すると共に、Al超微粒子2′は
直径 2nm程度まで小さくなった。
Further, when the electron beam was continuously irradiated, the onion-like fullerene 5 gradually became concentric while shrinking, and the diameter of the Al ultra-fine particles 2 was similarly reduced.
About 800 to 1000 seconds after the start of the electron beam irradiation, as shown in FIG. 2B, the onion-like fullerene 5 'shrinks concentrically, and the Al ultrafine particles 2' decrease to a diameter of about 2 nm. Was.

【0041】上述した電子線照射を3000秒継続した後、
たまねぎ状フラーレン5′が存在している部分(具体的
には図2(b)の領域A)について、エネルギー分散型
X線分析器(EDS)による測定を行った。その結果を
図3に示す。なお、図4は電子線照射前のEDSの測定
結果である。図3から明らかなように、たまねぎ状フラ
ーレン内にはAlと共にCuが存在していることが分か
る。これらAlとCuはたまねぎ状フラーレンの (001)
面と (002)面との間の層状空間(ファンデルワールス結
合層間)に侵入して、層間化合物を形成している。
After the above-mentioned electron beam irradiation is continued for 3000 seconds,
The portion where the onion-like fullerenes 5 'are present (specifically, the region A in FIG. 2B) was measured by an energy dispersive X-ray analyzer (EDS). The result is shown in FIG. FIG. 4 shows EDS measurement results before electron beam irradiation. As is clear from FIG. 3, it can be seen that Cu exists together with Al in the onion-like fullerene. These Al and Cu are the onion-like fullerene (001)
It penetrates into the layered space between the (002) plane and the (002) plane to form an intercalation compound.

【0042】すなわち、上述したたまねぎ状フラーレン
およびAl超微粒子の小径化に伴って、Al超微粒子を
構成していたAl原子がAl原子集団や原子状態でたま
ねぎ状フラーレンの (001)面と (002)面との間の層状空
間に侵入すると同時に、その下側に存在するCuメッシ
ュも電子線により活性化され、このCuメッシュを構成
していたCu原子がたまねぎ状フラーレンの層状空間に
侵入したものと考えられる。これらAl原子およびCu
原子は、たまねぎ状フラーレン5′の各部位に分散して
いることが確認された。
That is, as the diameters of the onion-like fullerene and the Al ultrafine particles described above are reduced, the Al atoms constituting the Al-like ultrafine particles are changed to the (001) plane of the onion-like fullerene and the (002) plane in an atomic state or in an atomic state. The Cu mesh existing underneath is also activated by an electron beam at the same time as it enters the layered space between the) surface and the Cu atoms constituting this Cu mesh have entered the layered space of the onion fullerene. it is conceivable that. These Al atoms and Cu
It was confirmed that the atoms were dispersed in each part of the onion fullerene 5 '.

【0043】上述した層間化合物においては、Al超微
粒子2の {002}面とたまねぎ状フラーレン5の (002)面
とが平行となるように、Al超微粒子を構成していたA
l原子集団2′が配列しており、Al原子集団2′とた
まねぎ状フラーレン5′とはエピタキシー関係を有して
いた。また、Al原子集団2′の存在が明確な部位にお
けるたまねぎ状フラーレン5′の (001)面と (002)面と
の面間隔dは0.40nmであり、d(200) Al=0.20nm の 2
倍となるようにたまねぎ状フラーレン5′の格子が膨ら
んでいた。この面間隔の増大からもAl原子とCu原子
がたまねぎ状フラーレン5′の層状空間に侵入している
ことが確認された。
In the above-mentioned intercalation compound, Al ultrafine particles were formed such that the {002} plane of Al ultrafine particles 2 and the (002) plane of onion-like fullerene 5 were parallel to each other.
1 atomic group 2 'was arranged, and Al atomic group 2' and onion-like fullerene 5 'had an epitaxy relationship. The spacing d between the (001) plane and the (002) plane of the onion fullerene 5 'at the site where the existence of the Al atomic group 2' is clear is 0.40 nm, and the d (200) Al = 0.20 nm
The lattice of the onion fullerenes 5 'was swelled so as to be doubled. It was confirmed from the increase in the interplanar spacing that Al atoms and Cu atoms penetrated into the layered space of the onion-like fullerene 5 '.

【0044】さらに、層状空間にAl原子およびCu原
子を挿入したたまねぎ状フラーレン5′の電子エネルギ
ー損失分光装置(EELS)による測定を実施したとこ
ろ、たまねぎ状フラーレン5′の内部電子の状態が変化
していた。このことからも、たまねぎ状フラーレン5′
の層状空間にAl原子およびCu原子が侵入しているこ
とが確認された。
Further, when the onion-like fullerene 5 'in which Al and Cu atoms were inserted into the layered space was measured by an electron energy loss spectrometer (EELS), the state of the electrons inside the onion-like fullerene 5' changed. I was From this, the onion fullerene 5 '
It has been confirmed that Al atoms and Cu atoms have penetrated into the layered space of.

【0045】このように、Al超微粒子が上部に存在
し、かつ下側にCuメッシュが配置されたたまねぎ状フ
ラーレンに、例えば1022e/cm2 ・sec というような高強
度の電子線を照射することによって、たまねぎ状フラー
レンの (001)面と (002)面との間の層状空間にAl原子
とCu原子を挿入した層間化合物が得られる。
As described above, the onion-like fullerene having the Al ultrafine particles present on the upper side and the Cu mesh disposed on the lower side is irradiated with a high intensity electron beam such as 10 22 e / cm 2 · sec. By doing so, an intercalation compound in which Al atoms and Cu atoms are inserted into the layered space between the (001) plane and the (002) plane of the onion fullerene is obtained.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば異
種の 2種以上の金属原子をグラファイト状物質の層状空
間に再現性よく挿入することができる。このような本発
明の層間化合物は、その応用範囲の拡大などに大きく貢
献するものである。
As described above, according to the present invention, two or more different kinds of metal atoms can be inserted into a layered space of a graphite-like substance with good reproducibility. Such an interlayer compound of the present invention greatly contributes to expansion of its application range and the like.

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

【図1】 本発明の一実施形態による層間化合物の作製
工程を模式的す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a step of producing an interlayer compound according to an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施例1による層間化合物の作製過
程におけるAl超微粒子およびたまねぎ状フラーレンの
状態変化を模式的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a change in the state of ultrafine Al particles and onion-like fullerenes in the process of producing an interlayer compound according to Example 1 of the present invention.

【図3】 本発明の実施例1による電子線照射後のたま
ねぎ状フラーレンのEDS測定結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an EDS measurement result of an onion fullerene after electron beam irradiation according to Example 1 of the present invention.

【図4】 本発明の実施例1による電子線照射前のアモ
ルファスカーボンのEDS測定結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an EDS measurement result of amorphous carbon before electron beam irradiation according to Example 1 of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……アモルファスカーボン支持膜 2……金属超微粒子 2′、2″……第1の金属原子 3……メッシュ状支持部材 4、6……電子線 5……たまねぎ状フラーレン 7……第2の金属原子 8……層間化合物 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Amorphous carbon support film 2 ... Metal ultrafine particles 2 ', 2 "... First metal atom 3 ... Mesh-like support member 4, 6 ... Electron beam 5 ... Onion-like fullerene 7 ... 2nd Metal atom 8 …… Interlayer compound

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 グラファイトの (001)面と (002)面に相
当する結晶面を有する層状構造のグラファイト系物質
と、 前記グラファイト系物質の前記結晶面間の層状空間に挿
入された異種の 2種以上の金属原子とを具備することを
特徴とする層間化合物。
1. A graphite-based material having a layered structure having crystal planes corresponding to the (001) plane and the (002) plane of graphite, and a heterogeneous compound 2 inserted into a layered space between the crystal planes of the graphite-based substance. An intercalation compound comprising at least one kind of metal atom.
【請求項2】 請求項1記載の層間化合物において、 前記グラファイト系物質は、多層同心円構造を有するこ
とを特徴とする層間化合物。
2. The intercalation compound according to claim 1, wherein the graphite-based material has a multilayer concentric structure.
【請求項3】 請求項1記載の層間化合物において、 前記グラファイト系物質は、たまねぎ状フラーレンであ
ることを特徴とする層間化合物。
3. The intercalation compound according to claim 1, wherein the graphite-based material is an onion-like fullerene.
【請求項4】 請求項1記載の層間化合物において、 前記グラファイト系物質の前記結晶面間の層状空間に、
Al原子とCu原子とが挿入されていることを特徴とす
る層間化合物。
4. The intercalation compound according to claim 1, wherein a laminar space between the crystal planes of the graphite-based material is
An intercalation compound comprising an Al atom and a Cu atom inserted therein.
【請求項5】 アモルファスカーボン支持膜上に第1の
原料物質として第1の金属元素からなる金属超微粒子を
配置すると共に、前記アモルファスカーボン支持膜の近
傍に前記第1の金属元素とは異なる第2の金属元素を含
む第2の原料物質を配置する工程と、 前記第1の原料物質と共に前記アモルファスカーボン支
持膜に対して高真空雰囲気下で電子線を照射して、前記
アモルファスカーボン支持膜にグラファイトの(001)面
と (002)面に相当する結晶面を有する層状構造のグラフ
ァイト状物質を前記金属超微粒子を核生成点として誘起
する工程と、 誘起した前記グラファイト状物質に対して、さらに前記
第1および第2の原料物質と共に電子線を照射して、前
記グラファイト状物質の前記結晶面間の層状空間に、前
記第1の原料物質を構成する第1の金属原子と前記第2
の原料物質に含まれる第2の金属原子とを挿入する工程
とを有することを特徴とする層間化合物の製造方法。
5. An ultrafine metal particle comprising a first metal element as a first raw material on an amorphous carbon support film, and a first metal element different from the first metal element in the vicinity of the amorphous carbon support film. Arranging a second raw material containing the second metal element, and irradiating the amorphous carbon support film with an electron beam in a high vacuum atmosphere together with the first raw material to form the amorphous carbon support film on the amorphous carbon support film. A step of inducing a graphite-like substance having a layered structure having crystal planes corresponding to the (001) plane and the (002) plane of graphite as the nucleation points of the metal ultrafine particles, further comprising: An electron beam is irradiated together with the first and second raw materials to form the first raw material in a layered space between the crystal planes of the graphite-like material. Wherein the first metal atom second
And inserting a second metal atom contained in the raw material of (1).
【請求項6】 請求項5記載の層間化合物の製造方法に
おいて、 前記アモルファスカーボン支持膜を前記第2の原料物質
からなるメッシュ状の支持部材上に配置することを特徴
とする層間化合物の製造方法。
6. The method for producing an intercalation compound according to claim 5, wherein the amorphous carbon support film is disposed on a mesh-like support member made of the second raw material. .
【請求項7】 請求項5記載の層間化合物の製造方法に
おいて、 前記グラファイト系物質はたまねぎ状フラーレンである
ことを特徴とする層間化合物の製造方法。
7. The method for producing an intercalation compound according to claim 5, wherein the graphite-based material is an onion-like fullerene.
【請求項8】 請求項5記載の層間化合物の製造方法に
おいて、 前記グラファイト系物質の前記結晶面間の層状空間に、
Al原子とCu原子とを挿入することを特徴とする層間
化合物の製造方法。
8. The method for producing an intercalation compound according to claim 5, wherein a laminar space between the crystal planes of the graphite-based material is
A method for producing an intercalation compound, comprising inserting an Al atom and a Cu atom.
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