JP2003171107A - カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ付きSiCウィスカー、カーボンナノチューブ膜、カーボンナノチューブ膜付きSiC基板及びカーボンナノチューブ膜体 - Google Patents

カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ付きSiCウィスカー、カーボンナノチューブ膜、カーボンナノチューブ膜付きSiC基板及びカーボンナノチューブ膜体

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JP2003171107A
JP2003171107A JP2002047114A JP2002047114A JP2003171107A JP 2003171107 A JP2003171107 A JP 2003171107A JP 2002047114 A JP2002047114 A JP 2002047114A JP 2002047114 A JP2002047114 A JP 2002047114A JP 2003171107 A JP2003171107 A JP 2003171107A
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carbon nanotube
sic
nanotube film
carbon nanotubes
carbon
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JP2002047114A
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Michiko Kusunoki
美智子 楠
Toshiyuki Suzuki
敏之 鈴木
Tsukasa Hirayama
司 平山
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Original Assignee
Japan Fine Ceramics Center
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特定の構造、即ち主としてジグザグ型構造で
あるカーボンナノチューブ、並びにこのカーボンナノチ
ューブから構成されるカーボンナノチューブ付きSiC
ウィスカー、カーボンナノチューブ膜、カーボンナノチ
ューブ膜付きSiC基板及びカーボンナノチューブ膜体
を提供する。 【解決手段】 本カーボンナノチューブは、真空下でS
iCを加熱することにより、SiCから珪素原子を除去
して形成されるものであり、ジグザグ型構造である。カ
イラル型を含んでもよい。本カーボンナノチューブ膜
は、ジグザグ型構造のカーボンナノチューブが所定方向
に配向し、互いに隣接するカーボンナノチューブ同士が
外表面で接合されたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、カーボンナノチュ
ーブ、カーボンナノチューブ付きSiCウィスカー、カ
ーボンナノチューブ膜、カーボンナノチューブ膜付きS
iC基板及びカーボンナノチューブ膜体に関する。本発
明のカーボンナノチューブは特定の構造を有し、これを
備える本発明のカーボンナノチューブ付きSiCウィス
カー、カーボンナノチューブ膜、カーボンナノチューブ
膜付きSiC基板及びカーボンナノチューブ膜体は、半
導体的な材料、即ち、電子材料、電子源、エネルギー源
等に広く利用される。
【0002】
【従来の技術】近年、電子デバイス等の電子材料分野、
電界放出型電子源及びフラットパネルディスプレイ等の
電子源分野、水素貯蔵及びナノボンベ等のエネルギー分
野等への応用のためにカーボンナノチューブ及びカーボ
ンナノチューブ膜の検討が活発に行われている。
【0003】カーボンナノチューブは、2次元のグラフ
ェンシートを筒状に巻いた構造を有する。この巻き方に
よってカイラリティーが決まり、(a)アームチェア型
構造、(b)ジグザグ型構造、(c)カイラル型構造の
3種類に分類される(図8参照)。(a)アームチェア
型構造は、2次元のグラフェンシートの(0,0)面を
(1,1)面方向に重ねて巻いて筒状にした形状であ
り、金属的な性質を示す。一方、(b)ジグザグ型構造
は、(0,0)面を(1,0)面方向に重ねて巻いて筒
状にした形状である。更に、(c)カイラル型構造は、
(0,0)面を(1,0)面方向と(1,1)面方向と
の間の方向に重ねて巻いて筒状にした形状である。これ
ら幾何学的構造の違いによって、電子状態が異なり、
(a)アームチェア型構造は金属的な性質を、(b)ジ
グザグ型構造及び(c)カイラル型構造は、いずれも半
導体的な性質を示す。
【0004】従来、カーボンナノチューブを製造する方
法としては、例えば、不活性ガス雰囲気下において、原
料であるアモルファスカーボンにアーク放電又はレーザ
照射等を行って、炭素を蒸発させ、蒸発した炭素を炭素
棒上等に凝縮(再結合)させることにより、上記炭素棒
上等にカーボンナノチューブを成長させる方法等が知ら
れている。
【0005】しかしながら、上記のような方法で得られ
るカーボンナノチューブは、構造がアームチェア型構
造、ジグザグ型構造及びカイラル型構造が混在するた
め、金属的性質と半導体的性質の両方を示す。そのた
め、特性を制御することが困難である。そのため、特定
の構造、特に半導体的構造であるカーボンナノチューブ
を選択的に得る方法が望まれている。
【0006】また、従来の方法、例えば、CVDによる
カーボンナノチューブを製造する場合は、通常、明確な
構造を示すものは少なく、触媒の種類や製造方法によっ
て構造も大きく異なる。また、例えば、アームチェア型
構造のカーボンナノチューブが得られる報告(M.Terron
esら,NATURE Vol.388 (1997) p52 等)がある。これら
は、1つ1つ分離したアームチェア型構造のカーボンナ
ノチューブである。しかし、半導体的な特性を示す構造
を有するジグザグ型構造及びカイラル型構造、あるいは
ジグザグ型構造のみのカーボンナノチューブを備えるカ
ーボンナノチューブ膜が選択的に得られれば、新たな用
途が開けると期待されるだけでなく、各応用分野におい
て、一層有用で高性能な製品を提供可能であると予想さ
れる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特定
の構造、即ちジグザグ型構造を主として有するカーボン
ナノチューブ、並びにこのカーボンナノチューブを備え
るカーボンナノチューブ付きSiCウィスカー、カーボ
ンナノチューブ膜、カーボンナノチューブ膜付きSiC
基板及びカーボンナノチューブ膜体を提供することであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のカーボンナノチ
ューブは、真空下でSiCを、上記SiCが分解して上
記SiCの表面から珪素原子が失われる温度に加熱する
ことにより、上記SiCから珪素原子を除去して形成さ
れ、その構造がジグザグ型であることを特徴とする。本
発明のカーボンナノチューブは、ジグザグ型構造である
ものが全体に対して80%以上である。また、単層構造
を有することもできる。また、本発明のカーボンナノチ
ューブ付きSiCウィスカーは、真空下でSiCウィス
カーを、上記SiCウィスカーが分解して上記SiCの
先端から珪素原子が失われる温度に加熱することによ
り、上記SiCから珪素原子を除去して上記SiCウィ
スカーの先端から上記SiCウィスカーの延長線方向に
形成されたジグザグ型構造のカーボンナノチューブと、
SiCウィスカー本体と、を備えることを特徴とする。
【0009】本発明のカーボンナノチューブ膜は、所定
方向に配向するカーボンナノチューブからなり、互いに
隣接する上記カーボンナノチューブ同士が外表面で接合
されたカーボンナノチューブ膜であって、上記カーボン
ナノチューブの構造は、ジグザグ型であることを特徴と
する。また、他の本発明のカーボンナノチューブ膜は、
真空下でSiCを、上記SiCが分解して上記SiCの
表面から珪素原子が失われる温度に加熱することによ
り、上記SiCから珪素原子を除去して得られるカーボ
ンナノチューブが所定方向に配向して形成され、互いに
隣接する上記カーボンナノチューブ同士が外表面で接合
されたカーボンナノチューブ膜であって、上記カーボン
ナノチューブの構造は、ジグザグ型であることを特徴と
する。また、加熱前の上記SiCの表面が平滑であるも
のとすることができる。
【0010】本発明のカーボンナノチューブ膜付きSi
C基板は、所定方向に配向するカーボンナノチューブか
らなり、互いに隣接する上記カーボンナノチューブ同士
が外表面で接合されたカーボンナノチューブ膜と、上記
カーボンナノチューブ膜の下に配設されているSiC基
部と、を備えるカーボンナノチューブ膜付きSiC基板
であって、上記カーボンナノチューブの構造は、ジグザ
グ型であることを特徴とする。また、他の本発明のカー
ボンナノチューブ膜付きSiC基板は、真空下でSiC
を、上記SiCが分解して上記SiCの表面から珪素原
子が失われる温度に加熱することにより、上記SiCか
ら珪素原子を除去して得られるカーボンナノチューブが
所定方向に配向して形成され、互いに隣接する上記カー
ボンナノチューブ同士が外表面で接合されたカーボンナ
ノチューブ膜と、上記カーボンナノチューブ膜の下に配
設されているSiC基部と、を備えるカーボンナノチュ
ーブ膜付きSiC基板であって、上記カーボンナノチュ
ーブの構造は、ジグザグ型であることを特徴とする。
【0011】本発明のカーボンナノチューブ膜体は、真
空下でSiCを、上記SiCが分解して上記SiCの表
面から珪素原子が失われる温度に加熱することにより、
上記SiCから珪素原子を完全に除去して得られるジグ
ザグ型構造のカーボンナノチューブが所定方向に配向し
て形成され、互いに隣接する上記カーボンナノチューブ
同士が外表面で接合されたカーボンナノチューブ膜の集
合体であることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明を更に詳しく説明する。本
発明のカーボンナノチューブ、並びに本発明のカーボン
ナノチューブ付きSiCウィスカー、カーボンナノチュ
ーブ膜、カーボンナノチューブ膜付きSiC基板及びカ
ーボンナノチューブ膜体を構成するカーボンナノチュー
ブのうち、ジグザグ型構造であるカーボンナノチューブ
は、SiCの分解により珪素原子を除去可能な限りにお
いて、真空度、加熱条件(温度、時間、昇温速度等)等
を特に限定することなく得ることができる。
【0013】上記カーボンナノチューブを得るために用
いるSiCとしては特に限定されないが、結晶形はα−
SiCでもβ−SiCでもいずれでもよい。また、単結
晶でも多結晶でもよい。結晶の形状も特に限定されな
い。ウィスカー(ひげ状結晶)であってもよい。更に、
多孔質であってもよい。多孔質の場合、気孔率等も特に
限定されない。また、気孔の形状も球状であっても不規
則なものであってもよく、閉じた気孔でも外部と通じた
気孔であってもよい。更に、焼結体であってもよい。
【0014】上記SiCは、真空下で加熱される。即
ち、真空度は、好ましくは10−1〜10−10Tor
r、より好ましくは10−2〜10−9Torr、更に
好ましくは10−4〜10−7Torrである。また、
加熱温度は、好ましくは800〜2,200℃、より好
ましくは1,000〜2,000℃、更に好ましくは
1,200〜1,900℃である。上記真空度及び加熱
温度のもとで、加熱時間は特に限定されないが、好まし
くは1,500時間以下、より好ましくは1分〜1,2
00時間、更に好ましくは3分〜1,000時間、特に
好ましくは5分〜800時間である。これらの条件をう
まく組み合わせることにより、ジグザグ型構造を主とす
るカーボンナノチューブを選択的に得ることが容易とな
る。加熱温度が高すぎると、SiCから珪素原子が失わ
れる速度が大きくなることがあるため、各カーボンナノ
チューブの向きがゆらぎ、配向性が乱れる傾向がある。
また、加熱時間が長いと、カーボンナノチューブ層の下
にグラファイト層が形成されることがある。尚、上記加
熱は、常温付近から目的の加熱温度まで昇温され、目的
の温度に達してから加熱を停止し降温するか、あるいは
その温度で一定時間保持される。上記加熱時間は目的の
温度に達してから保持される時間を示すものである。常
温付近から目的の加熱温度までの昇温速度等の昇温方法
は特に限定されない。即ち、目的の温度まで、一定の昇
温速度で加熱してもよいし、段階的に昇温速度を変えて
もよい。ジグザグ型構造を得るだけでなく、均一で規則
的に成長したカーボンナノチューブを得るためには、カ
ーボンナノチューブの生成及び成長に関わる温度に合わ
せた昇温方法等の条件を適正に選択すればよい。上記S
iCを加熱する手段としては特に限定されず、電気炉、
レーザービーム照射、直接通電加熱、赤外線照射加熱等
の手段によることができる。
【0015】また、加熱終了後、降温されるが、その方
法は特に限定されない。降温手段の例としては、一定速
度で常温まで冷却する方法、上記目的の加熱温度より低
い温度で一定時間保持した後冷却する方法等が挙げられ
る。冷却する手段は特に限定されない。
【0016】上記のようにして得られるカーボンナノチ
ューブのうち、ジグザグ型構造であるカーボンナノチュ
ーブの割合は、全体に対して、好ましくは80%以上
(100%を含む)、より好ましくは85%以上(10
0%を含む)、更に好ましくは90%以上(100%を
含む)であり、特に好ましくは95%以上(100%を
含む)である。ジグザグ型構造以外のものが含まれる場
合、それはカイラル型構造である。尚、本発明のカーボ
ンナノチューブはアームチェア型構造を有さない。尚、
カーボンナノチューブの構造は、電子線回折像により容
易に同定することができる。
【0017】また、上記のようにして得られるカーボン
ナノチューブの平均径は、通常、1〜10nmであり、
より好ましくは1〜8nm、更に好ましくは1〜6nm
である。更に、上記条件によると、単層構造のカーボン
ナノチューブを得ることもできる。
【0018】〔1〕カーボンナノチューブ 本発明のカーボンナノチューブは、SiC結晶の各面に
垂直な方向に配向される傾向がある。配向性の良いカー
ボンナノチューブを得やすい面は、α−SiCの場合に
は(0001)面のカーボン原子終端面であり、β−S
iCの場合には(111)面のカーボン原子終端面であ
る。これらの面には、それぞれ[0001]方向及び
〔111〕方向に高配向されたカーボンナノチューブを
形成することができる。
【0019】上記SiCが多結晶質焼結体である場合、
その表面は、結晶面がいろいろな方向を向いた状態にな
っている。立方晶のβ−SiCでは8通りの(111)
面を有する。このうち、カーボンナノチューブが形成さ
れやすいカーボン原子終端面は4面存在する。これを真
空下で加熱すると、珪素原子は、(111)面から除去
されやすいため、カーボンナノチューブは〔111〕方
向、即ち(111)面に対して垂直な方向に高配向され
る。上記多結晶質焼結体を真空下で加熱すると、4つの
(111)面のうち、例えば、1つのみの(111)面
が焼結体表面に平行に表出している場合、カーボンナノ
チューブは(111)面に対して垂直に形成される。ま
た、2つの(111)面が異なる方向に同時に表出して
いる場合、それぞれの〔111〕方向に成長するため、
2つの(111)面に沿って細かく折れ曲がったカーボ
ンナノチューブが焼結体表面に形成される。一方、α−
SiCでは(0001)面に対して垂直な方向に配向性
が最も高いが、例えば(112 ̄0)系統の面でも細か
く折れ曲がったカーボンナノチューブは形成される。
【0020】〔2〕カーボンナノチューブ付きSiCウ
ィスカー 本発明のカーボンナノチューブ付きウィスカーは、α−
SiCあるいはβ−SiCのひげ状単結晶を、上記条件
で加熱することにより製造することができる。上記Si
Cを加熱する手段も上記と同様とすることができる。上
記条件であれば、ジグザグ型構造のカーボンナノチュー
ブがSiCウィスカーの延長線方向に形成されやすくな
る。特に、上記SiCウィスカーがα−SiCである場
合、ウィスカーの成長方向が〔0001〕方向であるた
め、ウィスカー先端の端面は(0001)面となりやす
く、また、上記SiCウィスカーがβ−SiCである場
合、ウィスカーの成長方向が〔111〕方向であるた
め、先端の端面が(111)面となりやすいことから、
カーボンナノチューブはSiCウィスカーの延長線方向
に成長しやすい。尚、上記SiCウィスカーの側面には
カーボンナノチューブらしきものが成長することがあ
る。例えばβ−SiCの場合、得られるカーボンナノチ
ューブらしきものは、(111)面から最も離れた面に
相当するため、グラファイト層が表面に沿って平行に形
成されるに留まる面と、(111)面と等価な面におい
てはナノチューブが形成される場合もある。また、上記
方法によれば、SiCウィスカーの先端に形成されるジ
グザグ型構造のカーボンナノチューブは、1本のみなら
ず、2本以上を得ることもできる。本発明のカーボンナ
ノチューブ付きSiCウィスカーの長さは、製造条件を
任意に選択することによって制御することができるが、
通常、0.3〜300μm、好ましくは1〜100μm
である。
【0021】〔3〕カーボンナノチューブ膜 本発明のカーボンナノチューブ膜は、上記方法によりジ
グザグ型構造のカーボンナノチューブの集合体として得
ることができ、得られたジグザグ型構造のカーボンナノ
チューブが、互いに隣接し、グラファイト層間の間隔、
即ち、平均約3.5Åの距離で接合されたものである。
カーボンナノチューブが所定方向に配向し、横方向に繋
がっているため、非常に安定であり、カーボンナノチュ
ーブが部分的に脱離したり損傷したりするおそれがな
い。
【0022】本発明のカーボンナノチューブ膜を形成す
る際に用いるSiCは特に限定されない。形状も板状
(円形、四角形、L形等)、線状(直線、曲線等)、塊
状(立方体、直方体、球形、略球形等)等特に限定され
ない。
【0023】本発明のカーボンナノチューブ膜は、上記
のように原料であるSiCの形状を問わず、得ることが
できるが、隣接するカーボンナノチューブ同士が安定で
あり、且つ膜として均一であるものとするために、原料
であるSiCの表面が平滑であることが好ましい。Si
C表面の平滑化処理の方法としては特に限定されない
が、ダイヤモンド砥粒研磨、化学機械研磨法等の各種研
磨方法を適用することができる。より安定、且つより均
一なカーボンナノチューブを得るためには、SiC表面
の表面粗さは、平均粗さRを指標として、好ましくは
1μm以下であり、より好ましくは0.1〜10nmで
ある。平均粗さが小さい、即ち、SiC表面の平滑性が
高いと、すべてのカーボンナノチューブが所定方向に配
向して形成されたカーボンナノチューブ膜を得ることが
でき、更にはカーボンナノチューブが単層構造である場
合には、極めて有用なものとなる。また、ジグザグ型の
カーボンナノチューブができやすくなるカーボンナノチ
ューブ径は上記のように、2〜10nmであるが、平均
粗さが大きすぎると、隣接するカーボンナノチューブの
間に空隙を生じる等不均一性が増大することがある。
【0024】本発明のカーボンナノチューブ膜の厚さ
は、製造条件を任意に選択することによって制御するこ
とができるが、通常、10〜5,000nm、好ましく
は200〜1,000nmである。また、目的、用途に
応じて各種製造装置を用いることによっていろいろな大
きさのものを得ることができる。
【0025】〔4〕カーボンナノチューブ膜付きSiC
基板 上記のようにSiCを真空中で加熱する場合、SiCの
一部を残して熱処理を中止してもよい。これによって、
残されたSiCを基部とする本発明の「カーボンナノチ
ューブ膜付きSiC基板」とすることができる。
【0026】〔5〕カーボンナノチューブ膜体 また、原料のSiCが完全に分解するまで熱処理するこ
とによって、所定方向に配向するジグザグ型構造のカー
ボンナノチューブの集合体を得ることができ、本発明の
「カーボンナノチューブ膜体」とすることができる。
【0027】
〔実施例1〕
1.カーボンナノチューブ膜の形成 縦1mm、横4mm、高さ0.2mmのα−SiC単結
晶を試料とし、その表面を平滑化処理した。表面粗さを
測定したところ、平均粗さRは0.7nmであった。
このSiC単結晶を、カーボンヒーターを備える高温炉
に入れ、真空度1×10−4Torrに排気しながら、
常温から昇温速度20℃/分で1,200℃まで加熱し
た。次いで、1,200℃から昇温速度7℃/分で1,
700℃まで加熱し、この温度を2時間保持した。その
後、降温速度25℃/分で1,000℃まで冷却し、更
に常温まで放冷した。この熱処理により、カーボンナノ
チューブ膜を形成させた。このカーボンナノチューブ膜
を透過型電子顕微鏡で観察したところ、カーボンナノチ
ューブの集合体が試料に対して垂直方向に配列した連続
膜であることが確認できた。
【0028】2.カーボンナノチューブ膜の解析 生成したカーボンナノチューブ膜を構成するカーボンナ
ノチューブを測定して得られた電子線回折像を図1に示
す。また、その説明のための模式図を図2に示す。尚、
用いたSiCは単結晶であるため、電子顕微鏡で観察さ
れるカーボンナノチューブ膜のいずれの場所を見ても同
様な回折像が得られる。尚、電子線回折像はトプコン社
製002B型電子顕微鏡を用い、加速電圧200kVで
得た。
【0029】図1及び図2において、それぞれ一点の回
折斑点は、それぞれ結晶面に対応し、(000)反射か
らそれぞれの方向に向いたベクトルが面に垂直な方向を
表している。一点は、(000)反射との距離の逆数に
相当するその方向の面の間隔を表す。従って、この距離
が近いほど、その一点が表す面の面間隔は長いことにな
る。このため、(000)反射に対するそれぞれ一点の
回折斑点の方向とその距離によって、結晶における結晶
面の相対的な配置関係が決定される。
【0030】ここで、中心に確認される大きなスポット
11は、電子線が試料を透過してきた(000)反射を
示し、全ての物質に共通の原点である。外側にネット状
に確認される8個のスポット13は、SiC結晶の反射
を示す。中心のスポット11の両側に配置される2個の
スポット15は、(002)面の反射を示し、図2に矢
印にて示すように、このスポット15の間隔は、グラフ
ァイト層間隔Gの逆数1/Gを示す。更に、スポッ
ト15とスポット13の間に確認される2個の楕円形の
スポット17は、(004)面の反射を示す。
【0031】上記各スポットに対して、リング状に確認
されるスポット19は、(100)面の反射を示す。構
造により、(100)面の回折反射の位置が決定され
る。このスポット19には、強度分布が認められ、多数
の回折斑点の集合となっている。ここで、例えば、結晶
面N枚に対し、回折反射の強度はNに比例して大きく
なる。このため、その面の枚数が多いほど、その一点の
強度が大きくなる。その面の不完全度が高いほど、ブロ
ードになり、強度が小さくなる。
【0032】チューブ軸に対して垂直方向に見られる
(002)面の反射から、30°の位置において反射が
一番強い。この位置に見られるスポット19aは、ジグ
ザグ型構造を示す。従って、ジグザグ型構造が高い割合
で含まれていることが分かる。一方、この位置(30
°)から±5°の位置に広がる多数の弱いブロードな反
射の集合スポット19bは、カイラル型構造を示す。従
って、カイラル型構造も少しの割合で含まれていること
が分かる。更に、チューブ軸に対して垂直方向に見られ
る(002)面の反射と水平方向、及びその方向から、
60°の位置には、図2に×印で示したが、回折斑点が
認められない。この位置に見られる反射は、アームチェ
ア型構造を示す。このため、アームチェア型構造は含ま
れないことが分かる。
【0033】これらの結果から、本実施例において得ら
れたカーボンナノチューブ膜を構成するカーボンナノチ
ューブの構造は、主にジグザグ型構造であり、わずかに
カイラル型構造を含み、アームチェア型構造は含まない
ことが分かる。
【0034】〔実施例2〕実施例1と同様のα−SiC
単結晶を高温炉に入れ、真空度1×10−4Torrに
排気しながら、常温から昇温速度20℃/分で1,20
0℃まで加熱した。次いで、1,200℃から昇温速度
17℃/分で1,700℃まで加熱した。この温度を3
0分間保持した。その後、降温速度25℃/分で1,0
00℃まで冷却し、更に常温まで放冷した。この熱処理
により、カーボンナノチューブ膜を形成させた。得られ
たカーボンナノチューブ膜を構成するカーボンナノチュ
ーブの電子構造を実施例1と同様にして調べた。その電
子線回折像を図3に示す。
【0035】〔実施例3〕実施例1と同様のα−SiC
単結晶を高温炉に入れ、真空度1×10−4Torrに
排気しながら、常温から昇温速度20℃/分で1,20
0℃まで加熱した。次いで、1,200℃から昇温速度
7℃/分で1,400℃まで加熱した。この温度を1時
間保持した。その後、降温速度15℃/分で1,000
℃まで冷却し、更に常温まで放冷した。この熱処理によ
り、カーボンナノチューブ膜を形成させた。得られたカ
ーボンナノチューブ膜を構成するカーボンナノチューブ
の電子構造を実施例1と同様にして調べた。その電子線
回折像を図4に示す。
【0036】〔実施例4〕実施例1と同様のα−SiC
単結晶を高温炉に入れ、真空度1×10−4Torrに
排気しながら、常温から昇温速度20℃/分で1,20
0℃まで加熱した。次いで、1,200℃から昇温速度
7℃/分で1,400℃まで加熱した。この温度を3時
間保持した。その後、降温速度15℃/分で1,000
℃まで冷却し、更に常温まで放冷した。この熱処理によ
り、カーボンナノチューブ膜を形成させた。得られたカ
ーボンナノチューブ膜を構成するカーボンナノチューブ
の電子構造を実施例1と同様にして調べた。その電子線
回折像を図5に示す。
【0037】〔実施例5〕実施例1と同様のα−SiC
単結晶を高温炉に入れ、真空度1×10−4Torrに
排気しながら、常温から昇温速度20℃/分で1,20
0℃まで加熱した。次いで、1,200℃から昇温速度
13℃/分で1,600℃まで加熱した。この温度を3
時間保持した。その後、降温速度20℃/分で1,10
0℃まで冷却し、更に常温まで放冷した。この熱処理に
より、カーボンナノチューブ膜を形成させた。得られた
カーボンナノチューブ膜を構成するカーボンナノチュー
ブの電子構造を実施例1と同様にして調べた。その電子
線回折像を図6に示す。
【0038】〔実施例6〕実施例1と同様のα−SiC
単結晶を高温炉に入れ、真空度1×10−4Torrに
排気しながら、常温から昇温速度7℃/分で1200℃
まで加熱した。次いで、1200℃から昇温速度1℃/
分で1500℃まで加熱した。この温度を1時間保持し
た。その後、降温速度2℃/分で800℃まで冷却し、
更に常温まで放冷した。この熱処理により、カーボンナ
ノチューブ膜を形成させた。得られたカーボンナノチュ
ーブ膜を構成するカーボンナノチューブをSiC単結晶
本体側から研削しカーボンナノチューブの断面が得られ
るような薄片を得て、透過電子顕微鏡を用いて観察し
た。その画像を図7に示す。
【0039】〔実施例の効果〕図3(実施例2)の結果
から、1,700℃、30分加熱によって得られたカー
ボンナノチューブは、ジグザグ型構造のみであることが
分かる。即ち、図2で説明されるスポット19aがシャ
ープに出ていた。尚、スポット19a周辺に見られるカ
イラル型構造に相当するスポット19bの群は、この場
合、カーボンナノチューブがカイラル型構造になってい
るのではなく、カーボンナノチューブの配向性の乱れに
起因するものと考えられる。図2におけるスポット19
cも(100)面の反射であるが、図3の紙面水平方向
にストリークが観察された。これらの強度は、1本の多
層カーボンナノチューブの円の個々のカーボンナノチュ
ーブが軸方向及び軸に垂直な面内で回転することによる
乱層構造のために励起されるものである。また、図4
(実施例3)の結果から、1,400℃という低温で且
つ短い加熱時間でも、主にジグザグ型構造が形成されて
いることが分かる。更に、同じ温度で加熱時間がそれよ
り長い実施例4は、(100)面の反射強度がよりシャ
ープに強くなることが分かる(図5参照)。この理由は
明らかではないが、比較的小さな結晶が、加熱時間が
長くなることによりカーボンナノチューブが成長して長
くなり、次第に繋がってきて大きな結晶となったため
か、あるいは、結晶が少しずれたり曲がったりしてい
たのが、統計的に方向が統一され、結晶性がよくなった
ためと考えられる。一方、実施例5における1,600
℃の加熱では、更に(100)面の反射がシャープに強
くなっている(図6参照)。この理由についても上記と
同様な理由が考えられる。また、図7より、矢印に示し
たような単層構造のカーボンナノチューブが形成された
こと、及び、隣接するカーボンナノチューブがグラファ
イト層間で結合、即ち、カーボンナノチューブ同士が外
表面で接合していることが分かる。
【0040】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の範囲内で種々変更した実施例とする
ことができる。例えば、本発明のカーボンナノチューブ
膜体は、各種材料からなる基板と接合することにより、
「カーボンナノチューブ膜付き基板」として、いろいろ
な用途に利用することができる。この基板を構成する材
料としては、熱処理により変形等を起こさないものであ
れば特に限定されないが、カーボン素材、セラミック
ス、金属等が挙げられる。また、基板の形状も特に限定
されない。
【0041】
【発明の効果】本発明によれば、真空下でSiCを加熱
してSiCを分解させ、珪素原子を除去することにより
形成されるカーボンナノチューブは、その構造が主とし
てジグザグ型構造である。他にカイラル型構造のものを
含むこともあり、アームチェア型構造は含まない。尚、
ジグザグ型構造のみの場合は、ナローギャップ半導体的
であるため、特に有用であり、カイラル型構造が混在す
る場合は、電子レベルのギャップが3つおきにナローギ
ャップ半導体的性質であるため、両者の混ざった性質と
なる。また、本発明によれば、触媒を用いないため、不
純物のない単層構造のカーボンナノチューブを得ること
もできる。本発明のカーボンナノチューブ膜は、所定方
向に配向するカーボンナノチューブからなり、互いに隣
接する上記カーボンナノチューブ同士が外表面で接合さ
れているので、1本1本を制御することなく束の状態で
利用することができる。更に、上記のようなカーボンナ
ノチューブの半導体的な特性を生かし、カーボンナノチ
ューブ付きSiCウィスカー、カーボンナノチューブ
膜、カーボンナノチューブ膜付きSiC基板及びカーボ
ンナノチューブ膜体の半導体分野における効率的な利用
が期待される。即ち、従来得られる金属的な特性を示す
アームチェア型構造体では不可能であった半導体的分
野、特に、集積回路、デバイス、大画面、半導体的な素
子等における利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で得られたカーボンナノチューブの電
子線回折像写真を示す説明図である。
【図2】図1の電子線回折像を説明する模式図である。
【図3】実施例2で得られたカーボンナノチューブの電
子線回折像写真を示す説明図である。
【図4】実施例3で得られたカーボンナノチューブの電
子線回折像写真を示す説明図である。
【図5】実施例4で得られたカーボンナノチューブの電
子線回折像写真を示す説明図である。
【図6】実施例5で得られたカーボンナノチューブの電
子線回折像写真を示す説明図である。
【図7】実施例6で得られたカーボンナノチューブの単
層構造(矢印の部分)を示すTEM写真説明図である。
【図8】カーボンナノチューブの構造を示す模式図であ
る。(a)はアームチェア型構造、(b)はジグザグ型
構造、(c)はカイラル型構造である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平山 司 名古屋市熱田区六野二丁目4番1号 財団 法人ファインセラミックスセンター内 Fターム(参考) 4G046 CA00 CB03 CC01 CC02

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空下でSiCを、該SiCが分解して
    該SiCの表面から珪素原子が失われる温度に加熱する
    ことにより、該SiCから珪素原子を除去して形成さ
    れ、その構造がジグザグ型であることを特徴とするカー
    ボンナノチューブ。
  2. 【請求項2】 上記ジグザグ型構造のカーボンナノチュ
    ーブが全体に対して80%以上である請求項2に記載の
    カーボンナノチューブ。
  3. 【請求項3】 単層構造である請求項1又は2に記載の
    カーボンナノチューブ。
  4. 【請求項4】 真空下でSiCウィスカーを、該SiC
    ウィスカーが分解して該SiCの先端から珪素原子が失
    われる温度に加熱することにより、該SiCから珪素原
    子を除去して該SiCウィスカーの先端から該SiCウ
    ィスカーの延長線方向に形成されたジグザグ型構造のカ
    ーボンナノチューブと、SiCウィスカー本体と、を備
    えることを特徴とするカーボンナノチューブ付きSiC
    ウィスカー。
  5. 【請求項5】 所定方向に配向するカーボンナノチュー
    ブからなり、互いに隣接する該カーボンナノチューブ同
    士が外表面で接合されたカーボンナノチューブ膜であっ
    て、 上記カーボンナノチューブの構造は、ジグザグ型である
    ことを特徴とするカーボンナノチューブ膜。
  6. 【請求項6】 真空下でSiCを、該SiCが分解して
    該SiCの表面から珪素原子が失われる温度に加熱する
    ことにより、該SiCから珪素原子を除去して得られる
    カーボンナノチューブが所定方向に配向して形成され、
    互いに隣接する該カーボンナノチューブ同士が外表面で
    接合されたカーボンナノチューブ膜であって、 上記カーボンナノチューブの構造は、ジグザグ型である
    ことを特徴とするカーボンナノチューブ膜。
  7. 【請求項7】 更に、カイラル型構造のカーボンナノチ
    ューブを含む請求項5又は6に記載のカーボンナノチュ
    ーブ膜。
  8. 【請求項8】 アームチェア型構造のカーボンナノチュ
    ーブを含まない請求項5乃至7のいずれかに記載のカー
    ボンナノチューブ膜。
  9. 【請求項9】 上記カーボンナノチューブは、単層構造
    である請求項5乃至8のいずれかに記載のカーボンナノ
    チューブ膜。
  10. 【請求項10】 上記互いに隣接する上記カーボンナノ
    チューブ同士が、グラファイト層間の間隔で接合されて
    いる請求項5乃至9のいずれかに記載のカーボンナノチ
    ューブ膜。
  11. 【請求項11】 加熱前の上記SiCの表面が平滑であ
    る請求項6乃至10のいずれかに記載のカーボンナノチ
    ューブ。
  12. 【請求項12】 所定方向に配向するカーボンナノチュ
    ーブからなり、互いに隣接する該カーボンナノチューブ
    同士が外表面で接合されたカーボンナノチューブ膜と、
    該カーボンナノチューブ膜の下に配設されているSiC
    基部と、を備えるカーボンナノチューブ膜付きSiC基
    板であって、 上記カーボンナノチューブの構造は、ジグザグ型である
    ことを特徴とするカーボンナノチューブ膜付きSiC基
    板。
  13. 【請求項13】 真空下でSiCを、該SiCが分解し
    て該SiCの表面から珪素原子が失われる温度に加熱す
    ることにより、該SiCから珪素原子を除去して得られ
    るカーボンナノチューブが所定方向に配向して形成さ
    れ、互いに隣接する該カーボンナノチューブ同士が外表
    面で接合されたカーボンナノチューブ膜と、該カーボン
    ナノチューブ膜の下に配設されているSiC基部と、を
    備えるカーボンナノチューブ膜付きSiC基板であっ
    て、 上記カーボンナノチューブの構造は、ジグザグ型である
    ことを特徴とするカーボンナノチューブ膜付きSiC基
    板。
  14. 【請求項14】 更に、カイラル型構造のカーボンナノ
    チューブを含む請求項12又は13に記載のカーボンナ
    ノチューブ膜付きSiC基板。
  15. 【請求項15】 上記カーボンナノチューブ膜には、ア
    ームチェア型構造のカーボンナノチューブを含まない請
    求項12乃至14のいずれかに記載のカーボンナノチュ
    ーブ膜付きSiC基板。
  16. 【請求項16】 上記互いに隣接する上記カーボンナノ
    チューブ同士が、グラファイト層間の間隔で接合されて
    いる請求項12乃至15のいずれかに記載のカーボンナ
    ノチューブ膜付きSiC基板。
  17. 【請求項17】 真空下でSiCを、該SiCが分解し
    て該SiCの表面から珪素原子が失われる温度に加熱す
    ることにより、該SiCから珪素原子を完全に除去して
    得られるジグザグ型構造のカーボンナノチューブが所定
    方向に配向して形成され、互いに隣接する該カーボンナ
    ノチューブ同士が外表面で接合されたカーボンナノチュ
    ーブ膜の集合体であることを特徴とするカーボンナノチ
    ューブ膜体。
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