JP2004189595A - Fullerene polymer and fullerene polymer membrane - Google Patents

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誠文 阿多
Noboru Takahashi
昇 高橋
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    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fullerene polymer high in electrical conductivity (electrical conductance), excellent in transparency and high in mechanical strength, while excellent properties that fullerene has originally are held, and to provide a fullerene polymer membrane composed of the same fullerene polymer. <P>SOLUTION: The fullerene polymer composed of a structure d and the like is obtained by polymerizing plural molecules of fullerene expressed by C<SB>n</SB>(wherein, n is 60 or 70 where a spherical compound is geometrically formed). The fullerene polymer membrane is composed of this fullerene polymer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、フラーレン重合体及びフラーレン重合体膜に関するものである。   The present invention relates to a fullerene polymer and a fullerene polymer film.

ダイヤモンド、グラファィトに次ぐ第3の結晶炭素として、球状炭素化合物であるフラーレンの存在が明らかにされ、マクロ量の合成法が確立されたのは1990年になってからである。   The existence of fullerene, a globular carbon compound, was clarified as the third crystalline carbon next to diamond and graphite, and it was only in 1990 that a macromolecular synthesis method was established.

フラーレンは、炭素のみからなる一連の球状炭素化合物であり、炭素60個からなるC60及びそれ以上の偶数個の炭素からなるいわゆるHigher Fullerenes の総称であり、12個の5員環と20個又はそれ以上の6員環を含んでいる。即ち、60個、70個、74個、76個、78個、80個、82個又は84個等(炭素原子数は幾何学的に球状構造を形成し得る数から選択される。)の炭素原子が球状に結合してクラスター(分子集合体)を構成してなる球状炭素Cnであって、それぞれ、C60、C70、C74、C76、C78、C80、C82、C84等のように表される。 Fullerene is a series of spherical carbon compounds composed of only carbon, and is a generic name of so-called Higher Fullerenes composed of C60 composed of 60 carbons and an even number of carbons, and includes 12 5-membered rings and 20 or It contains more 6-membered rings. That is, 60, 70, 74, 76, 78, 80, 82, or 84 carbon atoms (the number of carbon atoms is selected from numbers capable of geometrically forming a spherical structure). atoms is a spherical carbon C n that binds to the globular made to constitute a cluster (molecular assembly), respectively, C 60, C 70, C 74, C 76, C 78, C 80, C 82, C It is represented as 84 mag.

例えばC60は、図32に概略図示するように、正二十面体の頂点をすべて切り落として正五角形を出した“切頭二十面体”と呼ばれる多面体構造を有し、更に図33に明示するように、この多面体の60個の頂点をすべて炭素原子Cで置換したクラスターであり、公式サッカーボール型の分子構造を有する。同様に、C70、C76、C84等も、いわばラグビーボール型の分子構造を有する。 For example, C 60 has a polyhedral structure called “truncated icosahedron” in which all vertices of the icosahedron are cut off to form a regular pentagon, as schematically illustrated in FIG. 32, and further illustrated in FIG. As described above, this polyhedron is a cluster in which all 60 vertices are substituted with carbon atoms C, and has a molecular structure of an official soccer ball type. Similarly, C 70 , C 76 , C 84 and the like also have a so-called rugby ball type molecular structure.

こうしたフラーレンは、その用途等について種々研究が進められており、例えばC60フラーレンにアルカリ金属をドープした物質が超電導性を示すことが確認されたことから、電子材料としての応用が盛んに研究されている。 These fullerenes, their use various studies have been conducted on such, for example, since the material doped with an alkali metal has been confirmed to exhibit superconductivity to C 60 fullerene, applications as an electronic material is actively studied ing.

但し、C60フラーレン膜は真空蒸着法で成膜可能であるが、こうした膜は、導電性がそれ程高くはなく、また、可視領域に吸収を持つために不透明感があり、また機械的強度にも優れないという欠点がある。 However, although C 60 fullerene film can be formed by a vacuum deposition method, such film is not conductive so high, also, there is uncertainty in order to have an absorption in the visible region, and the mechanical strength Also has the disadvantage of not being excellent.

フラーレンは炭素のみからなる化合物であり、しかも真空下の加熱により容易に気化させることが可能である。従って、この化合物の蒸着過程で、或いは蒸着膜の状態で、フラーレン分子間が重合するのに十分のエネルギーを与えることにより、フラーレンの重合体(又は多量体)を得ることができる。   Fullerene is a compound consisting only of carbon, and can be easily vaporized by heating under vacuum. Therefore, a fullerene polymer (or multimer) can be obtained by giving sufficient energy to polymerize between fullerene molecules in the course of vapor deposition of this compound or in the state of a vapor deposited film.

こうした炭素のみからなるフラーレン多量体は、上記したC60フラーレン膜の用途に加えて、更に異なる用途にも使用可能であり、例えば炭素保護膜、炭素セパレータ膜、センサ、電池電極材料等への応用、或いはダイヤモンド膜等を得ることが可能である。 Fullerene multimer consisting of such carbon only, in addition to the use of C 60 fullerene film described above, it can also be used more different applications, for example, carbon protective film, a carbon separator film, sensor, Application to battery electrode material or the like Alternatively, a diamond film or the like can be obtained.

このような炭素薄膜を得るには、従来、炭化水素化合物のピロリシスによる方法が一般的であり、こうした方法から得られる炭素膜は一般に不定形の炭素膜であった。従って、炭素源である出発物質の物性を保持するような炭素膜の製造法は存在しなかった。   Conventionally, to obtain such a carbon thin film, a method by pyrolysis of a hydrocarbon compound is generally used, and a carbon film obtained by such a method is generally an amorphous carbon film. Therefore, there has been no method for producing a carbon film that retains the properties of the starting material as a carbon source.

また、炭素源を用いた炭素膜の製造法として、炭素スパッタ法も知られているが、この方法で得られる炭素膜の形状も不定形であり、しかもスパッタに際しては、炭素を蒸発させるための高エネルギーが必要であった。   Further, as a method of manufacturing a carbon film using a carbon source, a carbon sputtering method is also known, but the shape of the carbon film obtained by this method is also irregular, and at the time of sputtering, a method for evaporating carbon is used. High energy was needed.

本発明の目的は、炭素源であるフラーレンのもつ優れた物性を保持し、種々の用途にとって有用であるフラーレン重合体(又は多量体)、及びこのフラーレン重合体からなる膜を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fullerene polymer (or multimer) which retains the excellent physical properties of fullerene as a carbon source and is useful for various uses, and a film comprising the fullerene polymer. .

即ち、本発明は、Cn(但し、nは幾何学的に球状化合物を形成し得る60又は70である:以下、同様)で表されるフラーレンの複数分子を重合させることによって得られ、特に少なくとも1つのフラーレン分子の構成炭素原子が部分的に欠落していてこの欠落部位に隣接する炭素原子を介して前記複数分子が互いに直接的に結合した後述の構造d、e、f、g、h、i又はjからなるフラーレン重合体、及びこのフラーレン重合体からなるフラーレン重合体膜に係るものである。 That is, the present invention is obtained by polymerizing a plurality of molecules of fullerene represented by C n (where n is 60 or 70 capable of forming a spherical compound geometrically; hereinafter the same), Structures d, e, f, g, and h, in which at least one constituent carbon atom of the fullerene molecule is partially missing and the plurality of molecules are directly bonded to each other via a carbon atom adjacent to the missing site. , I or j, and a fullerene polymer film comprising the fullerene polymer.

本発明によるフラーレン重合体(又は多量体)は、少なくとも1つのフラーレン分子の構成炭素原子の欠落部位に隣接する炭素原子を介して複数のフラーレン分子が直接的に結合した構造からなっているので、炭素源であるフラーレンの構造をある程度若しくは十分に保持した重合体となっている。従って、このフラーレン重合体は、フラーレンが本来有する優れた物性を保持しながら、導電率(電気伝導度)が高く、透明性に優れ、しかも機械的強度も高いという特性を示すものとなる。   The fullerene polymer (or multimer) according to the present invention has a structure in which a plurality of fullerene molecules are directly bonded via a carbon atom adjacent to a site where a constituent carbon atom of at least one fullerene molecule is missing. It is a polymer that retains the structure of fullerene as a carbon source to some extent or sufficiently. Therefore, the fullerene polymer exhibits characteristics such as high electrical conductivity (electrical conductivity), excellent transparency, and high mechanical strength, while maintaining excellent physical properties inherent to fullerene.

本発明によるフラーレン重合体は、フラーレンの構造を保持し、比較的安定な重合体構造を示すには、フラーレンの複数分子間が高い対称性を以て結合していること、例えば2分子間の重合体では、D2hの対称性をもつことが望ましい。 The fullerene polymer according to the present invention must have a structure in which a plurality of fullerene molecules are bonded with high symmetry, such as a polymer between two molecules, in order to maintain the structure of the fullerene and exhibit a relatively stable polymer structure. Then, it is desirable to have a symmetry of D 2h .

また、上記の物性又は特性を再現性良く確実に発揮するためには、重合体を形成する複数のフラーレン分子がすべて同一炭素原子数の同一種類のもの(例えば、C60のみ又はC70のみからなるもの)が望ましい。 Further, in order to reproducibly and reliably exhibit the above properties or characteristics, as a plurality of fullerene molecules of the same type in all the same number of carbon atoms to form a polymer (e.g., from only C 60, or only C 70 Is desirable.

本発明によるフラーレン重合体(又は多量体)は、このフラーレン重合体を主成分とするフラーレン重合体膜として保護膜等に有用であり、また、このフラーレン重合体を含有するフラーレン重合体含有材料として触媒等に有用である。   The fullerene polymer (or multimer) according to the present invention is useful for a protective film or the like as a fullerene polymer film containing the fullerene polymer as a main component, and as a fullerene polymer-containing material containing the fullerene polymer. Useful for catalysts and the like.

また、本発明は、上記したように炭素源であるフラーレンの構造を保持しながら重合し、比較的低いエネルギーで炭素のみからなる本発明によるフラーレン重合体及びフラーレン重合体膜を得るために、上記のCnで表されるフラーレンの複数分子に対し、気相及び/又は固相状態で重合エネルギー(例えば、プラズマ、光、電子線、X線又は熱)を付与して重合させる工程を有する製造方法によって製造するのが望ましい。 Further, the present invention is to polymerize while retaining the structure of fullerene as a carbon source as described above, to obtain a fullerene polymer and a fullerene polymer film according to the present invention consisting of only carbon at relatively low energy, Having a process of applying polymerization energy (for example, plasma, light, electron beam, X-ray, or heat) to a plurality of molecules of fullerene represented by C n in a gas phase and / or a solid state to polymerize the molecules. It is desirable to manufacture by a method.

この製造方法においても、上記と同様の理由から、上記フラーレンの複数分子として、互いに同一炭素原子数の同一種類となるように精製したものを使用することが望ましい。   Also in this production method, for the same reason as described above, it is desirable to use a plurality of molecules of the fullerene purified so as to be of the same type having the same number of carbon atoms.

以下、本発明の実施例を説明する。   Hereinafter, examples of the present invention will be described.

<フラーレン重合体の製造>
まず、本発明に基づいてフラーレン重合体(又は多量体)を得る方法としてのアルゴンプラズマ法について説明する。
<Production of fullerene polymer>
First, an argon plasma method as a method for obtaining a fullerene polymer (or a multimer) based on the present invention will be described.

図23は、本実施例で用いる外部電極式容量結合型のプラズマ重合装置を示すものである。このプラズマ重合装置は、容量約20リットルの反応器1を有し、この反応器1にはガス供給管2、3が設けられている。また、反応器1の底部には、油拡散ポンプ40やロータリーポンプ41、42、液体窒素トラップ43、44等からなり、真空排気系に連結された排気口4が設けられている。   FIG. 23 shows an external electrode type capacitively coupled plasma polymerization apparatus used in this example. This plasma polymerization apparatus has a reactor 1 having a capacity of about 20 liters, and the reactor 1 is provided with gas supply pipes 2 and 3. At the bottom of the reactor 1, an exhaust port 4 including an oil diffusion pump 40, rotary pumps 41 and 42, liquid nitrogen traps 43 and 44, and connected to a vacuum exhaust system is provided.

また、反応器1の上部には、プラズマ発生用電極5、5’が3.5cmの間隔を隔てて反応器1の外部に設置され、プラズマ電源6にインピーダンス整合器7を介して接続されている。また、反応器1内には、フラーレン昇華用のモリブデンボート8および試料基板9が7cmの間隔を隔てて対向して設置されており、モリブデンボート8には直流電源10が接続されている。   On the upper part of the reactor 1, plasma generating electrodes 5 and 5 ′ are installed outside the reactor 1 at an interval of 3.5 cm, and are connected to a plasma power source 6 via an impedance matching device 7. I have. In the reactor 1, a molybdenum boat 8 for fullerene sublimation and a sample substrate 9 are installed facing each other with a space of 7 cm, and a DC power supply 10 is connected to the molybdenum boat 8.

プラズマ電源6の出力は、交流13.56MHzのラジオ波で最高出力150Wである。ここでは、25W、50W、100Wで13.5パスカルに設定したアルゴンガスの一定流量系にてアルゴンプラズマを発生させ、このプラズマ中に、モリブデンボート8に入れたフラーレンを数100℃で昇華させてプラズマ重合を行い、基板9上にフラーレンプラズマ重合体を堆積させる。なお、重合中の膜厚は、センサー11により連続的にモニターする。キャリアガスとしてはアルゴンガス、窒素ガスを使用する。   The output of the plasma power supply 6 is a radio wave of 13.56 MHz AC and has a maximum output of 150 W. Here, argon plasma is generated in a constant flow rate system of argon gas set at 13.5 Pascal at 25 W, 50 W, and 100 W, and fullerene put in a molybdenum boat 8 is sublimated at several 100 ° C. in this plasma. Plasma polymerization is performed to deposit a fullerene plasma polymer on the substrate 9. The film thickness during the polymerization is continuously monitored by the sensor 11. Argon gas and nitrogen gas are used as carrier gas.

原料物質であるフラーレンは、次のようにして調製する。即ち、まず、公知の方法によりグラファイト電極間のアーク放電により生成した炭素粉末をトルエン、二硫化炭素等の溶媒で抽出し、或いは直接昇華法により、C60/C70(C60とC70との混合物であって、C60:C70は約9:1)を得る。次いで、このC60/C70をカラム法により、例えば、活性アルミナカラムにおいてトルエン+ヘキサン(トルエン1+ヘキサン9)で展開し、C60とC70とを分離し、精製する。 Fullerene as a raw material is prepared as follows. That is, first, carbon powder generated by arc discharge between graphite electrodes by a known method is extracted with a solvent such as toluene or carbon disulfide, or C 60 / C 70 (C 60 and C 70 is extracted by direct sublimation method). Of C 60 : C 70 gives about 9: 1). Next, the C 60 / C 70 is developed by a column method using, for example, toluene + hexane (toluene 1 + hexane 9) in an activated alumina column to separate and purify C 60 and C 70 .

本例では、C60/C70ではなく、同一炭素原子数、同一種類のC60のみ又はC70のみを昇華源として使用することが特徴的である。 In this example, it is characteristic that not C 60 / C 70 but only C 60 of the same type and the same type or only C 70 is used as the sublimation source.

図24は、平行平板電極式容量結合型のプラズマ重合装置を示すものである。このプラズマ重合装置も、図23の外部電極式容量結合型のプラズマ重合装置と同様に、容量約20リットルの反応器11を有し、この反応器11にはガス供給管12、13が設けられている。また、反応器11の底部には、油拡散ポンプ50やロータリーポンプ51、52、液体窒素トラップ53、54等からなり、真空排気系に連結された排気口14が設けられている。   FIG. 24 shows a parallel plate electrode type capacitively coupled plasma polymerization apparatus. This plasma polymerization apparatus also has a reactor 11 having a capacity of about 20 liters similarly to the external electrode type capacitively coupled plasma polymerization apparatus of FIG. 23, and the reactor 11 is provided with gas supply pipes 12 and 13. ing. Further, at the bottom of the reactor 11, an exhaust port 14, which includes an oil diffusion pump 50, rotary pumps 51 and 52, liquid nitrogen traps 53 and 54, and is connected to a vacuum exhaust system, is provided.

上記反応器11内には、プラズマ発生用電極15、15’が10cmの間隔を隔てて平行に設置され、一方の電極15は、インピーダンス整合器17を介してプラズマ電源16に接続されている。また、上部の電極15からはアルゴンガスがシャワー状に電極15−15’間に導入されるようになっている。   In the reactor 11, plasma generating electrodes 15 and 15 ′ are installed in parallel at a distance of 10 cm, and one of the electrodes 15 is connected to a plasma power supply 16 via an impedance matching device 17. Further, argon gas is introduced from the upper electrode 15 between the electrodes 15-15 'in a shower shape.

更に、上記電極15、15’間には、C60又はC70フラーレン昇華用のモリブデンボート18および試料基板19が7cmの間隔を隔てて対向して設置されており、モリブデンボート18には直流電源20が接続されている。 Further, a molybdenum boat 18 for C 60 or C 70 fullerene sublimation and a sample substrate 19 are installed facing each other at a distance of 7 cm between the electrodes 15 and 15 ′. 20 are connected.

なお、この装置においても、重合中の膜厚はセンサー21にて連続的にモニタされ、また、直流電源20は図23に示す重合装置の直流電源10と同一のものである。   Also in this apparatus, the film thickness during polymerization is continuously monitored by the sensor 21, and the DC power supply 20 is the same as the DC power supply 10 of the polymerization apparatus shown in FIG.

<フラーレン重合体の構造の解析>
上記したようにして基板上に成長させたフラーレン重合体(多量体)の構造を明らかにするために、半経験的分子軌道法による計算を行ったが、これにはJ. J. P.Stewart によるMNDO/AM−1法(QCPE Program 455, 1983, Ver.5.01)を用いた。
<Structural analysis of fullerene polymer>
In order to clarify the structure of the fullerene polymer (multimer) grown on the substrate as described above, a calculation based on the semi-empirical molecular orbital method was performed. This includes MNDO / AM-1 by JJPStewart. The method (QCPE Program 455, 1983, Ver. 5.01) was used.

60 多量体について
上記した例えば図23の装置を用いて、精製したC60フラーレンのみからなる炭素源をプラズマ重合させ、C60プラズマ重合体を合成した。図1には、TOFMAS(Time-of-flight mass spectroscopy)と称されるレーザデソープションイオン化によるTime-of-Flight法により測定したC60プラズマ重合体(C60多量体)の質量分布を示す。
For the C 60 multimer, a carbon source consisting of only purified C 60 fullerene was subjected to plasma polymerization using the apparatus shown in FIG. 23, for example, to synthesize a C 60 plasma polymer. FIG. 1 shows a mass distribution of a C 60 plasma polymer (C 60 multimer) measured by a time-of-flight method by laser desorption ionization called TOFMAS (Time-of-flight mass spectroscopy). .

この図1においては、m/z(mは質量、zは電荷)値の広範囲のシーケンスにおいて示し、図中のスペクトルの数字は多量体を構成するフラーレン分子の個数を表すが、C60の2量体〜14量体程度までの多量体が生成していることが明らかである。 In this figure 1, m / z (m is the mass, z is the charge) shows a wide range of sequence values, although the numbers of the spectrum in the figure represents the number of the fullerene molecules constituting the multimer, 2 C 60 It is evident that multimers ranging from about 10 to about 14 mer are formed.

60で表されるフラーレンは、図32及び図33で示したように炭素原子60個からなる球状化合物であり、30個の等価な共役2重結合性の結合を有する。そして、プラズマ重合の初期過程として、プラズマ励起されたC60化合物は、2重結合性の結合部位において、励起3重項状態から2量化を開始すると考えられるが、この付加反応性に関して理論的に検討した。 Fullerene represented by C 60 is a spherical compound having 60 carbon atoms as shown in FIGS. 32 and 33, and has 30 equivalent conjugated double bond bonds. As an initial process of plasma polymerization, it is considered that the C 60 compound excited by plasma starts dimerization from an excited triplet state at a double bond site. investigated.

即ち、図2、図3、図4、図5には、可能と考えられる2量体構造A、B、C、Dをそれぞれ示す。これらの各構造は、各図中にC60の付加反応性の6員環間で付加に関与する炭素原子を黒丸で記し、炭素−炭素間付加結合を破線で示す。なお、これらについては、本発明者らによるJournal of Applied Physics, Vol.74, No.9 (1993), 5790-5798, Journal of Physical Chemistry, Vol. 98(1994), 2555に記載されている。 That is, FIGS. 2, 3, 4, and 5 show dimer structures A, B, C, and D, respectively, which are considered to be possible. Each of these structures shows information about the carbon atom involved in the addition between 6 membered ring of the addition reaction of C 60 in the figures by solid circles, carbon - shows the carbon-carbon addition bond by a broken line. These are described in the Journal of Applied Physics, Vol. 74, No. 9 (1993), 5790-5798, Journal of Physical Chemistry, Vol. 98 (1994), 2555 by the present inventors.

また、構造A〜DのC602量体について、下記の表1に、MNDO/AM−1法によるC60からの生成反応熱(heat of reaction)の計算値を示す。 As for C 60 2 dimer structures to D, in Table 1 below shows the calculated value of the generated reaction heat from C 60 by MNDO / AM-1 method (heat of reaction).

Figure 2004189595
Figure 2004189595

このことから、構造AのC602量体のみが発熱反応(自らは吸熱)で生成されるために特異的に安定であり、[2+2] Cycloaddition反応が起きていること、即ち、シクロヘキサトリエニル部位に付加してなる1,2−サイクル結合によりC60分子間が結合していることが示唆される。なお、構造Bは2量体が線対称、構造Cは2量体が回転対称となっている。 This indicates that only the C 60 dimer of structure A is specifically stable because it is generated by an exothermic reaction (it is an endothermic reaction), and that the [2 + 2] Cycloaddition reaction is occurring, that is, cyclohexatrienyl It is suggested that C60 molecules are linked by a 1,2-cycle bond added to the site. In structure B, the dimer is axisymmetric, and in structure C, the dimer is rotationally symmetric.

しかるに、上記したC60多量体の製造方法では、アルゴンプラズマが断続的に照射されているために、さらに反応が進む。これによって、図1に示したC602量体及びその近傍領域でのスペクトルを示す図6のデータから、ピーク強度が最も大きいのは、C60から炭素原子が2個欠落したC58の2量体に相当するC116であり、次いでC114、C118、C112・・・とピーク強度が減少していくことが分かる。また、C60に炭素原子が1個付加したC612量体に相当するC122も存在している。 However, in the above-described method for producing a C 60 multimer, the reaction further proceeds because the argon plasma is intermittently irradiated. Thus, from the data of FIG. 6 showing the spectra of the C 60 dimer and the region in the vicinity thereof shown in FIG. 1, the peak intensity is the highest at C 58 2 where two carbon atoms are missing from C 60. It can be seen that the peak intensity is C 116 corresponding to the monomer and then decreases to C 114 , C 118 , C 112 . In addition, C 122 corresponding to a C 61 dimer obtained by adding one carbon atom to C 60 also exists.

このように、C602量体の実際の主要な構造はC116、C118等であり、C2のフラグメンテーションが起きていることが示唆される。このC116、C118等の生成には、以下の3つのプロセス(1)、(2)、(3)が可能であると考えられる。 Thus, the actual primary structure of C 60 2 dimer are C 116, C 118, etc., it is suggested that fragmentation C 2 is occurring. It is considered that the following three processes (1), (2), and (3) are possible to generate C116 , C118, and the like.

(1)図2の構造Aのような化合物の4員環(シクロブタン環)構造は構造歪が大きく、この化合物の励起状態からこの部分の炭素の脱離が起き、再結合によりC116、C118等が生じるプロセス。 (1) The four-membered ring (cyclobutane ring) structure of the compound such as structure A in FIG. 2 has a large structural distortion, carbon is eliminated from this part from the excited state of this compound, and C 116 and C 116 are recombined. Process where 118 mag occurs.

(2)Murreyらが指摘しているようなStone-Wales転移により、C60の励起状態から炭素原子2個の脱離が起き、再結合によりC116、C118等が生じるプロセス(R. L. Murrey, et,al., Nature 356 (1993) 426) 。 (2) Stone-Wales transition as Murrey et al points out, occurs desorbed from the excited state of the two carbon atoms of C 60 is, process C 116, C 118, etc. by recombination occurs (RL Murrey, et, al., Nature 356 (1993) 426).

(3)M.Fieber-Erdmanらが指摘したようにC60の励起状態からポリカチオンが生成し、この状態から炭素のフラグメンテーションと再結合によりC116、C118等が生じるプロセス(M. Fieber-Erdman et, al., Z. Phys. D 26 (1993)308)。 (3) M.P. Polycation generated from the excited state of C 60 as Fieber-Erdman et al pointed out, the process (M. Fieber-Erdman et to C 116, C 118 and the like occur by recombination and fragmentation carbon from this state, al. , Z. Phys. D 26 (1993) 308).

これらのプロセスのうち、どれが主要な過程なのかを明確に判断することは困難であるが、図2の構造Aのような化合物が初期過程として生じているならば、(1)のプロセスが主要であると考えられる。この構造Aの2量体は上記の表1で示したように安定であるから、初期過程では他の構造B、C、Dよりも優位に生じているものと思われ、これが次の如きメカニズムでC116、C118等に変化するものと考えられる。 Although it is difficult to clearly determine which of these processes is the main process, if a compound such as the structure A in FIG. 2 occurs as an initial process, the process (1) may be performed. Considered to be major. Since the dimer of the structure A is stable as shown in Table 1 above, it is considered that the dimer is predominantly generated in the initial stage as compared with the other structures B, C, and D. This is due to the following mechanism. It is considered that C changes to C 116 , C 118 and so on.

即ち、図2に示す構造AのC602量体のシクロブタン環において1−位と2−位、3−位と4−位の炭素−炭素結合が切断されて1−位及び2−位の炭素原子が脱離し、同図中に白丸及び×で表す両フラーレン分子の炭素原子同士が再結合し、例えば図7に示される構造aのC118が生じるものと考えられる。 That is, in the cyclobutane ring of the C 60 dimer of structure A shown in FIG. separated carbon atoms removed, the carbon atoms of both the fullerene molecules represented by white circles and × in the figure are recombined, C 118 structure a shown in FIG. 7 is thought to occur, for example.

図8に示す構造bのC118は、図2のシクロブタン環において2−位と4−位の炭素原子が脱離し、一方のフラーレン分子が他方に対して反転し、再結合したものである。その他、上記のシクロブタン環における炭素原子の脱離位置と再結合位置によって、図9に示す構造cが生じ、また、C116として図10に示す構造d、図11に示す構造e、図12に示す構造fがそれぞれ生じる。 C 118 of the structure b shown in FIG. 8, the cyclobutane ring of FIG. 2 2-position and 4-position carbon atoms are eliminated, in which one of the fullerene molecules is inverted relative to the other, and recombine. Other, by desorption position and recombination sites of the carbon atoms in the cyclobutane ring, occur structure c shown in FIG. 9, also, the structure d shown in FIG. 10 as C 116, structure e shown in FIG. 11, FIG. 12 The structures f shown respectively result.

なお、これらの構造a〜fはフラーレンの2量体として示したが、フラーレン分子中の他の2重結合性炭素−炭素間結合位置においても、同様の炭素原子の脱離及び再結合が生じ、3量体以上の重合体も生成される。即ち、本発明に基づくフラーレン多量体は、Cn重合構造のみによって形成されていてもよいが、この場合にはCn重合構造が共有結合により網目状に全体に広がっているものと考えられる。また、Cn重合構造を部分的に有する場合には、重合していない部分では、ファン・デル・ワールス力によって結合し合っているものと推測される。なお、このフラーレン多量体の膜又は材料においては、上記したCn重合構造と共に、原料であるC60等のCn単体分子が混在していてもよい。 Although these structures a to f are shown as fullerene dimers, similar elimination and recombination of carbon atoms occur at other double bond carbon-carbon bond positions in the fullerene molecule. Also, polymers of trimers or more are produced. That is, the fullerene multimer according to the present invention may be formed only by the C n polymerized structure. In this case, however, it is considered that the C n polymerized structure is spread in a network by covalent bonds. When the polymer has a partially polymerized C n structure, it is presumed that unpolymerized portions are bonded to each other by van der Waals force. In the film or material of the fullerene multimers, with the above-mentioned C n polymerized structure, C n single molecules of C 60 or the like as a raw material may be mixed.

下記の表2には、上記の各構造a〜fのフラーレン多量体の生成熱( heat of
formation)の値を示す。ここで生成反応熱で示さない理由は、例えば2個のC60からC118
やC116が生成する際に同時に生じるC2による反応への影響が不明であるからである。
Table 2 below shows the heat of formation of the fullerene multimers of each of the above structures a to f.
formation). Here, the reason for not being indicated by the heat of formation reaction is, for example, that two C 60 to C 118
Effect on the reaction by C 2 occur simultaneously when or C 116 is generated is because it is unknown.

Figure 2004189595
Figure 2004189595

表2に示したフラーレン多量体の生成熱の単位炭素原子当たりの値:ΔH /Cは、C118とC116ではC116の方が生成熱が小さいため構造的に安定であり、実験結果を支持する。 Value per unit of carbon atoms of the generated heat of fullerene multimers shown in Table 2: ΔH f o / C are structurally stable for towards C 118 and C 116 in C 116 is small heat of formation, experimental I support the results.

更に、最も安定なC116は構造f(図12参照)のC116であることが示唆されるが、この構造はD2hの高い対称性(即ち、長軸と直交方向の軸を中心に回転対称性)を有すると共に、4本のクロスリンク結合CLが2重結合性を示し、しかも本来C60の有していたケクレ構造も保存する。従って、図6の2量体ピークのなかで最も主要な2量体であったC116はfの構造であると考えられる。また、このような結合様式が主要な多量体形成のプロセスと考えられる。 Furthermore, most stable C 116 is to be a C 116 of structure f (see FIG. 12) is suggested, rotating high symmetry of this structure is D 2h (i.e., about the axis of the direction perpendicular to the long axis which has symmetry), four cross-link bonds CL represents a double bond properties, moreover Kekule structure had originally C 60 is also stored. Therefore, it is considered that C116, which was the most significant dimer among the dimer peaks in FIG. 6, has the structure of f. In addition, such a binding mode is considered to be the main process of multimer formation.

70 多量体について
上記した例えば図23の装置を用いて、精製したC70フラーレンのみからなる炭素源をプラズマ重合させ、C70プラズマ重合体を合成した。図13には、得られたC70の多量体の質量分布を示す。
For the C 70 multimer, a carbon source consisting of only purified C 70 fullerene was subjected to plasma polymerization using the above-described apparatus shown in FIG. 23 to synthesize a C 70 plasma polymer. Figure 13 shows the mass distribution of the polymer of C 70 obtained.

図13から明らかなように、C70の2量体〜10量体程度までの多量体が生成していることが明らかである。 As is clear from FIG. 13, it is clear that multimers ranging from dimers to 10-mers of C 70 are produced.

図14には、C70の分子構造を示す。C70には、太い線で示した4種類の共役2重結合性の結合が存在する。この化合物の2量体を検討するに当たって、上記したC60についての結果に基づいて、[2+2] Cycloadditionのみが安定であると考えられることから、これを検討した。 Figure 14 shows the molecular structure of C 70. C 70 has four types of conjugated double bond shown by thick lines. In considering a dimer of the compound, based on the results of the C 60 as described above, it is considered that only [2 + 2] Cycloaddition is stable, was investigated this.

図15〜図18には、[2+2] CycloadditionによるC70の2量体を示す(これらの各図においては、2量体の上面と正面とを上、下に示している)。即ち、図15は構造E、図16は構造F、図17は構造G、図18は構造HのC702量体をそれぞれ示し、これらは炭素の結合位置(図14中の位置(1)〜(7)で示す。)によって異なる構造となっている。 The Figures 15-18 show a dimer of C 70 by [2 + 2] Cycloaddition (in each figure thereof, on the upper surface and the front of the dimer is shown below). That is, FIG. 15 shows the structure E, FIG. 16 shows the structure F, FIG. 17 shows the structure G, and FIG. 18 shows the C 70 dimer of the structure H. These are the bonding positions of carbon (position (1) in FIG. 14). To (7)).

これらのうち、構造F〜HにはAntisymmetric(反対称)の構造異性体が存在するが、これらはF’、G’、H’で表す。構造E、F、G、H及びF’、G’、H’についてC70からの生成反応熱を求めた。下記の表3にその結果を示す。 Among these, structures F to H have antisymmetric (antisymmetric) structural isomers, which are represented by F ′, G ′, and H ′. Structure E, F, G, H and F ', G', were determined generation reaction heat from C 70 for H '. Table 3 below shows the results.

Figure 2004189595
Figure 2004189595

この結果から、構造H及びH’のC702量体が安定であることが示唆され、C70の2量体構造は1−2及び3−4の結合(これは、図14の表示では(2)−(2)、(1)−(1)間の結合)の[2+2] CycloadditionによるC70の2量体であることが示唆される。なお、この表の値は、C70の1−2及び3−4の結合がC60の共役2重結合とほぼ等しい化学反応性を有していることを示しており、物性的にもC70の分子軸の両端側はC60に近いことがわかる。 This result, C 70 2 dimer structures H and H 'are suggested to be stable, dimer structure bonds 1-2 and 3-4 of the C 70 (which, in the display of FIG. 14 (2) - (2), (1) - (1) it is a dimer of C 70 by [2 + 2] Cycloaddition of coupling) between is indicated. The values in this table indicate that the 1-2 and 3-4 bonds of C 70 have almost the same chemical reactivity as the conjugated double bond of C 60 , and the physical properties of C both ends of the molecular axis 70 is seen to be close to C 60.

なお、この化合物の2量体も、4個の炭素の脱離を伴うプロセスが最も主要であることが示唆された(図6参照)が、図15〜図18のC70の2量体の構造から、4員環を形成する炭素4個を脱離させ、更に再結合させた構造を図19、図20、図21、図22にそれぞれ示す。これらの2量体は、炭素の脱離位置と再結合位置によって異なる構造となっている。これらの2量体の単位炭素原子当たりの生成熱を下記の表4に示す。 Incidentally, a dimer of the compounds are also suggested a process involving elimination of 4 carbons is most important (see FIG. 6), the dimer of C 70 in FIGS. 15 to 18 FIGS. 19, 20, 21, and 22 show structures in which four carbons forming a four-membered ring are eliminated and recombined, respectively. These dimers have different structures depending on the positions of carbon desorption and recombination. The heats of formation of these dimers per unit carbon atom are shown in Table 4 below.

Figure 2004189595
Figure 2004189595

図19、図20、図21、図22に示した構造g、h、i、jの各C136分子は、図15、図16、図17、図18に示した構造E、F、G、Hの各C140分子の4員環炭素原子を脱離させたものにそれぞれ対応している。表4の結果は、最も安定な2量体である図22の構造j(構造HのC140分子から導かれるC136分子)が最も構造的に安定であることを示している。 Each of the C 136 molecules of the structures g, h, i, and j shown in FIGS. 19, 20, 21, and 22 corresponds to the structures E, F, G, and G shown in FIGS. 15, 16, 17, and 18, respectively. It corresponds to the one obtained by removing the four-membered ring carbon atom of each C140 molecule of H. The results in Table 4 show that the most stable dimer, structure j in FIG. 22 (C 136 molecule derived from C 140 molecule in structure H), is the most structurally stable.

以上の説明から明らかなように、本発明に基づいて、炭素源であるフラーレンの構造をある程度若しくは十分に保持しながら重合させ、比較的低いエネルギーにより、炭素のみからなる安定したフラーレン多量体を得ることが可能である。   As is clear from the above description, based on the present invention, polymerization is performed while maintaining the structure of fullerene as a carbon source to some extent or sufficiently, and a relatively low energy is used to obtain a stable fullerene multimer composed of only carbon. It is possible.

<炭素源による物性への影響>
但し、本発明に基づけば、炭素源であるフラーレンは、数100℃の温度で気化又は昇華するものであってこうした材料は炭素源として他には存在しない。また、同一炭素原子数で同一種類のC60のみ又はC70のみからなっているため、得られるフラーレン多量体はフラーレンのもつ特長を確実に保持した安定な構造(特に、図12の構造f、図22の構造j)を再現性よく生成させることができる。
<Effect of carbon source on physical properties>
However, according to the present invention, fullerene as a carbon source vaporizes or sublimes at a temperature of several hundred degrees Celsius, and there is no other such material as a carbon source. Further, since the consist only of the same type of C 60 alone or C 70 at the same number of carbon atoms, is obtained fullerene multimeric stable structure that securely holds the characteristics possessed by the fullerene (especially, the structure of FIG. 12 f, Structure j) of FIG. 22 can be generated with good reproducibility.

これに対し、C60とC70の例えば約9:1混合物を炭素源として使用した場合、C60多量体とC70多量体、更に場合によってはC60−C70間の多量体が混在することになり、C60のみ、C70のみの重合体の中間的な特性を有する多量体が得られることになる。 In contrast, C 60 and C 70, for example from about 9: 1 when the mixture was used as a carbon source, C 60 multimers and C 70 multimers, the multimers of between C60-C 70 are mixed further optionally to be, only C 60, so that the multimers having intermediate properties of the polymer of only C 70 is obtained.

フラーレン多量体の諸物性のうち、例えば保護膜としての耐水性において本発明に基づくフラーレン多量体の耐水性は良好である。   Among various physical properties of the fullerene multimer, for example, the water resistance of the fullerene multimer according to the present invention is good in terms of water resistance as a protective film.

<フラーレン重合体薄膜の作製及び特性の評価>
上記した図23又は図24に示すプラズマ重合装置を用い、図25に示した基板39上にC60又はC70フラーレンのプラズマ重合体膜31を厚さ1000Åに成膜した試料32を作製する。即ち、ガラス基板39の表面に金製の櫛形電極30、30’を櫛歯の部分が噛合する如く対向して形成し、これらの櫛歯の部分を覆ってフラーレンプラズマ重合体膜31を成膜した。なお、このプラズマ重合体膜は実際には、図25中に一点鎖線で示すように櫛形電極30、30’の櫛歯の部分上を覆うが、図面では櫛歯部分の間にのみ図示している。
<Preparation of fullerene polymer thin film and evaluation of properties>
Using the plasma polymerization apparatus shown in FIG. 23 or FIG. 24 described above, to prepare a sample 32 was deposited to a thickness of 1000Å a plasma polymer film 31 of C 60 or C 70 fullerene on the substrate 39 shown in FIG. 25. That is, gold comb electrodes 30 and 30 'are formed on the surface of the glass substrate 39 so as to face each other so that the comb teeth mesh with each other, and a fullerene plasma polymer film 31 is formed to cover these comb teeth. did. In addition, this plasma polymer film actually covers the comb-tooth portions of the comb-shaped electrodes 30, 30 'as shown by a dashed line in FIG. 25, but is shown only between the comb-tooth portions in the drawing. I have.

従って、図25に示すように、プラズマ重合体膜31は、櫛形電極30、30’の櫛歯の部分の間で抵抗体として動作し、櫛形電極30−30’間に定電圧で電流を流し、電流値(抵抗値)を測定することにより、下記の数式からその導電率を測定することができる。なお、櫛形電極30、30’の櫛歯の部分の間隔dは1mm、電極長Lは110mmである。   Therefore, as shown in FIG. 25, the plasma polymer film 31 operates as a resistor between the comb-teeth portions of the comb-shaped electrodes 30 and 30 ', and flows a current at a constant voltage between the comb-shaped electrodes 30-30'. By measuring the current value (resistance value), the conductivity can be measured from the following equation. The interval d between the comb teeth of the comb electrodes 30 and 30 'is 1 mm, and the electrode length L is 110 mm.

Figure 2004189595
σ:導電率
R:測定抵抗値
L:電極長
e:試料厚み
Figure 2004189595
σ: conductivity R: measured resistance L: electrode length e: sample thickness

そこで、前述のようにして作製した試料の導電率を、図26に示す電圧電流特性測定装置を用いて測定した。この電圧電流特性測定装置は、コンピュータ制御されており、銅製のファラデーケージ型セル60内に発熱体61を備え、この発熱体61上に試料ホルダ62を有しており、セル60の上部は、真空バルブ63、64を備えた蓋体65により閉蓋されている。   Therefore, the conductivity of the sample manufactured as described above was measured using a voltage-current characteristic measuring device shown in FIG. This voltage-current characteristic measuring device is computer-controlled, has a heating element 61 in a copper Faraday cage type cell 60, and has a sample holder 62 on the heating element 61. The lid is closed by a lid 65 having vacuum valves 63 and 64.

また、セル60の所定の位置には、セル60を貫通する同軸ケーブルプラグ66、67が設けられ、これらの同軸ケーブルプラグを介してガラス基板39の表面に形成された櫛歯電極30−30’間の電圧電流特性が測定される。なお、セル60内の温度は、熱電対68によってモニタされる。   At predetermined positions of the cell 60, coaxial cable plugs 66 and 67 penetrating the cell 60 are provided, and the comb-teeth electrodes 30-30 'formed on the surface of the glass substrate 39 via these coaxial cable plugs. The voltage-current characteristics between them are measured. The temperature inside the cell 60 is monitored by a thermocouple 68.

この結果、25〜100Wのプラズマ出力範囲では成膜した試料(例えばC60のみを原料としたC60プラズマ重合体膜)の導電性に変化は見られなかった。代表値として、100Wでプラズマ重合したときの上記プラズマ重合体膜の大気中及び真空中での導電率を下記の表5に示す。この表5には、C60蒸着膜の導電率も併せて示したが、本発明に基づくプラズマ重合体膜の導電性が向上していることが分かる。 As a result, changes in the conductivity of the sample was deposited at a plasma output range of 25~100W (e.g. C 60 plasma polymer film only C 60 as the raw material) was not observed. Table 5 below shows, as typical values, the conductivity of the above-mentioned plasma polymer film in the atmosphere and in a vacuum when subjected to plasma polymerization at 100 W. The table 5, but also shows the conductivity of the C 60 vapor-deposited film, it can be seen that the conductivity of the plasma polymer film according to the present invention is improved.

Figure 2004189595
* J. Mort et al., Chem. Phys. Lett., 186(2,3), 284-286(1991)
Figure 2004189595
* J. Mort et al., Chem. Phys. Lett., 186 (2,3), 284-286 (1991)

また、上記の方法で作製した厚さ1000ÅのC60プラズマ重合体膜のUV〜可視吸収スペクトルと、蒸着膜のUV〜可視吸収スペクトルとを図27にそれぞれ示す。このスペクトルデータから換算すると、C60プラズマ重合体膜では、450nmにおいて1000Å当たり蒸着膜より吸収が27%減少しており、光透過率が20%から52%に増加している。 Also, it is shown respectively UV~ visible absorption spectra of C 60 plasma polymer film having a thickness of 1000Å produced by the above method, and a UV~ visible absorption spectrum of the deposited film in FIG. When converted from the spectral data, the C 60 plasma polymer film, absorption than 1000Å per deposited film has decreased by 27% in 450 nm, the light transmittance is increased to 52% from 20%.

また、作製したC60プラズマ重合体膜の接着強度や引っかき強度を調べたところ、蒸着膜に比べてガラス基板への接着強度、引っかき強度が明らかに優れていることが確認されている。 We also examined the adhesive strength and scratch resistance of the C 60 plasma polymer film produced, the adhesion strength to the glass substrate than the deposited film, scratch strength it is confirmed that clearly superior.

図28には、本実施例において作製したC60プラズマ重合体膜の赤外線吸収スペクトルを示す。1000〜1300cm-1の吸収ピーク群はC−C結合の架橋を示唆し、1028cm-1の吸収ピークは上述したシクロブタン構造(図2参照)に特有のものであることから、C60プラズマ重合体膜は、主にフラーレン上のシクロヘキサトリエニル部位同士の1,2−サイクル付加結合によりCn分子間が重合した状態を一旦経て生成されるものと考えられる。 Figure 28 shows the infrared absorption spectrum of the C 60 plasma polymer film produced in this example. Absorption peaks of 1,000 to -1 is suggested crosslinked C-C bonds, since the absorption peak of 1028cm -1 is characteristic of the above-mentioned cyclobutane structure (see FIG. 2), C 60 plasma polymer film is mainly considered that C n between molecules by 1,2 cycles addition binding cyclohexanol satori enyl sites each other on the fullerene is generated through once the state polymerized.

図29には、本実施例において作製したC60プラズマ重合体膜のX線回折スペクトルを示した。これによれば、例えば高田らにより日本物理学会秋の年会、(1991)29pBPS23に報告されているようなC60フラーレンの特徴的なエピタキシャル結晶による構造規則性を示す回折ピークがなく、ブロードな回折ピーク(基板のガラスに由来する回折ピークと推定される。)しか観測されないことから、この膜の構造はアモルファスであることがわかる。 Figure 29 shows an X-ray diffraction spectrum of the C 60 plasma polymer film produced in this example. According to this, for example, annual of JPS fall by Takada et al., (1991) 29pBPS23 no diffraction peak showing the structure regularity by distinctive epitaxial crystal of C 60 fullerene, as reported in, broad Only a diffraction peak (estimated as a diffraction peak derived from the glass of the substrate) is observed, which indicates that the structure of this film is amorphous.

<フラーレン重合体の用途>
本発明に基づくフラーレン多量体及びこれを主成分とする膜や材料は、上記したCn重合構造の存在と、これがアモルファス状に分布していることにより、導電率が高くて静電気を帯電させず、透明性に優れ、しかも機械的強度の高い薄膜となり、応用範囲の広い材料として有用なものとなる。特に、この有機半導性薄膜は、導電率が蒸着膜の108倍に相当する10-6S/cm以上であり、また、波長450nmの可視光での透過率が蒸着膜の約2.7倍に相当する1000Å当たり52%以上となる。
<Use of fullerene polymer>
Film or material fullerene multimers according to the present invention and which mainly includes the presence of C n polymerized structure described above, this is by distributed in amorphous, conductivity higher without electrostatically charged It is a thin film having excellent transparency and high mechanical strength, and is useful as a material having a wide range of applications. In particular, the organic semiconductor thin film has a conductivity of 10 −6 S / cm or more, which is equivalent to 10 8 times that of the vapor-deposited film, and has a transmittance of visible light having a wavelength of 450 nm of about 2. It is 52% or more per 1000 ° corresponding to 7 times.

従って、このフラーレン多量体膜は、半導体素子の表面保護膜等の電子材料をはじめ、磁気テープや磁気ディスク等の磁気記録媒体の表面保護膜、光磁気ディスク装置の光学ピックアップ側の表面保護膜等として、広範囲に使用可能である。次に、その適用例を説明する。   Therefore, this fullerene polymer film is used for a surface protection film of a magnetic recording medium such as a magnetic tape or a magnetic disk, a surface protection film of an optical pickup side of a magneto-optical disk device, etc. It can be used widely. Next, an application example will be described.

炭素膜
上記したようにして得られたフラーレン多量体は、共役構造を保存することから構造的に安定である。従って、フラーレン多量体の膜は水、酸素、酸、金属等の侵入をほぼ完全に防ぐことができ、物理的、化学的安定性を有するため、炭素膜として、磁気テープ、ディスク等の記録媒体の保護膜、潤滑膜、光学材料、センサ等に有用である。
Carbon film The fullerene multimer obtained as described above is structurally stable because it preserves a conjugated structure. Therefore, the film of the fullerene multimer can almost completely prevent invasion of water, oxygen, acid, metal and the like, and has physical and chemical stability. Therefore, as a carbon film, a recording medium such as a magnetic tape or a disk is used. It is useful for protective films, lubricating films, optical materials, sensors, etc.

図30は、こうした炭素保護膜を形成するための方法を例示するものであって、図23で述べたプラズマ重合装置と基本的に同じ構成のプラズマ重合装置において基板9をフィルム状として一方の供給ロール70から連続的若しくは間欠的に送りながら、アルゴンプラズマによってフラーレン(C60又はC70)を昇華させ、フィルム基板9上に堆積させ、更に巻き取りロール71に巻き取る。なお、各ロール70及び71は反応器1の外部に配置することができる。 FIG. 30 illustrates a method for forming such a carbon protective film. In a plasma polymerization apparatus having basically the same configuration as the plasma polymerization apparatus described with reference to FIG. While being continuously or intermittently fed from the roll 70, fullerene (C 60 or C 70 ) is sublimated by argon plasma, deposited on the film substrate 9, and further taken up by the take-up roll 71. The rolls 70 and 71 can be arranged outside the reactor 1.

こうして成膜されるフラーレン多量体膜は、図31に示すように、例えば磁気テープ等の磁気記録媒体の表面保護膜81として、磁性層80の表面に形成することができる。この場合、図30に示した方法において、基板9としてはベースフィルム82上に既に磁性層80を公知の方法で形成したものを使用する。そして、磁性層80上に成膜したフラーレン多量体膜81の表面には更に、脂肪酸エステル系等の潤滑剤層83を塗布し、磁気ヘッドに対する摺擦性を良くしておく。   The fullerene polymer film thus formed can be formed on the surface of the magnetic layer 80 as a surface protective film 81 of a magnetic recording medium such as a magnetic tape, as shown in FIG. In this case, in the method shown in FIG. 30, a substrate 9 in which a magnetic layer 80 is already formed on a base film 82 by a known method is used. Then, a lubricant layer 83 such as a fatty acid ester is further applied to the surface of the fullerene multimer film 81 formed on the magnetic layer 80 to improve the rubbing property on the magnetic head.

その他の用途
一般にフラーレンは高い電気陰性度と高い付加反応性を有することから、上記した重合方法の過程で他の分子や金属等を共存させ、これらを含むフラーレン多量体膜を形成することにより、導電性等の物性をコントロールすることが可能である。これは、電極材料等への応用が可能である。
Other applications In general, fullerene has a high electronegativity and a high addition reactivity, so that other molecules or metals coexist in the process of the above polymerization method, and by forming a fullerene multimer film containing these, It is possible to control physical properties such as conductivity. This can be applied to electrode materials and the like.

また、小さい分子量のフラーレン多量体に関しては、触媒、染料、顔料等への適用が考えられる。   Further, with respect to fullerene multimers having a small molecular weight, application to catalysts, dyes, pigments and the like can be considered.

以上、本発明の実施例を説明したが、上述した実施例は本発明の技術的思想に基づいて種々な変形が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments can be variously modified based on the technical idea of the present invention.

例えば、上述のプラズマ重合条件(プラズマ発生条件、昇華条件、使用ガス種、圧力、更には真空装置の構造等)は種々変更してよい。   For example, the above-described plasma polymerization conditions (plasma generation conditions, sublimation conditions, types of gas used, pressure, and the structure of the vacuum apparatus, etc.) may be variously changed.

炭素源については、球状炭素類Cnの炭素数nは60及び/又は70であることが好適であるが、例えば炭素数nが76、84等の球状炭素類でも、同等の特性を有するプラズマ重合膜を得ることが可能である。原料の入手の容易さを考慮すれば、C60/C70(C60とC70の混合物)が好適である。 As for the carbon source, the carbon number n of the spherical carbons C n is preferably 60 and / or 70, but for example, a spherical carbon having a carbon number n of 76, 84, etc. has the same characteristics as a plasma having the same characteristics. It is possible to obtain a polymer film. C 60 / C 70 (a mixture of C 60 and C 70 ) is preferred in view of the availability of raw materials.

プラズマ重合条件については、プラズマ発生の放電方式は、公知の直流放電、低周波放電、高周波放電、マイクロ波放電等の各種方式が採用可能であり、また電極の種類及び放電発生方式としては、内部電極方式、外部電極方式、導波管方式、容量結合型、誘導結合型、無電極発振型等から選択可能である。   With respect to the plasma polymerization conditions, various types of known discharge methods such as direct current discharge, low frequency discharge, high frequency discharge, and microwave discharge can be adopted as the discharge method of plasma generation. Electrode method, external electrode method, waveguide method, capacitive coupling type, inductive coupling type, electrodeless oscillation type and the like can be selected.

プラズマ重合は、C60、C70からなる球状炭素類の単独雰囲気中で行ってもよいが、プラズマの均一性、安定性等を向上させるという見地から、キャリアガスを併用してもよい。キャリアガスとしては、プラズマ重合の際に一般に使用されているものがいずれも使用でき、アルゴン、窒素、ヘリウム等が例示される。 The plasma polymerization may be performed in a single atmosphere of spherical carbons composed of C 60 and C 70 , but may be used in combination with a carrier gas from the viewpoint of improving the uniformity and stability of the plasma. As the carrier gas, any of those generally used in plasma polymerization can be used, and examples thereof include argon, nitrogen, and helium.

放電条件は、直流放電ではガス圧力、電極間距離、電圧の関係を示すパッシェンの法則が成立する範囲、交流放電では放電可能範囲であれば重合に問題はない。ガス圧は、好ましくは20パスカル以下である。   There is no problem in polymerization as long as the discharge condition is a range in which Paschen's law indicating the relationship between the gas pressure, the distance between the electrodes, and the voltage is satisfied in DC discharge, and a dischargeable range in AC discharge. The gas pressure is preferably below 20 Pascal.

本発明に基づくフラーレン多量体膜は、プラズマ重合により直接成膜するようにしてよいが、予めプラズマ重合により成膜した膜を適当な溶媒(例えばベンゼン)に溶かし、これを塗布する等によって所望の厚み、形状等に仕上げることもできる。   The fullerene polymer film according to the present invention may be formed directly by plasma polymerization. However, the film formed by plasma polymerization may be dissolved in an appropriate solvent (for example, benzene), and the desired film may be formed by coating the film. It can be finished in thickness, shape, etc.

また、本発明に基づくフラーレン多量体は、上述のプラズマ重合による以外にも、フラーレン分子の気相又は固相の状態、或いはこれら双方において所定のエネルギーを付与することによって合成できるので、そうしたエネルギーは上述のプラズマ以外にも、例えば光(紫外線等)、電子線、X線、熱等を適用することができる。固相状態では、例えばフラーレン蒸着膜を成膜した後、これに紫外線のエネルギーを与えて重合させることができる。   In addition, the fullerene multimer according to the present invention can be synthesized by applying a predetermined energy in the gaseous phase or solid phase state of fullerene molecules, or both, in addition to the above-described plasma polymerization. In addition to the above-described plasma, for example, light (ultraviolet light or the like), electron beam, X-ray, heat, or the like can be applied. In the solid state, for example, after a fullerene vapor-deposited film is formed, it can be polymerized by applying ultraviolet energy thereto.

本発明によるフラーレン重合体(又は多量体)及びフラーレン重合体膜は、フラーレンが本来有する優れた物性を保持しながら、導電率(電気伝導度)が高く、透明性に優れ、しかも機械的強度も高いという特性を示すものとなる。   The fullerene polymer (or multimer) and the fullerene polymer film according to the present invention have high electrical conductivity (electrical conductivity), excellent transparency, and high mechanical strength while maintaining the excellent physical properties inherent to fullerene. It shows the characteristic of high.

本発明に基づいてフラーレンC60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体のTime-of-Flight質量分析スペクトル図である。A Time-of-Flight mass spectrometry spectrum of fullerene multimers obtained by plasma polymerization of fullerene C 60 molecules on the basis of the present invention. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の2量体構造を示す概略図である。Is a schematic view showing the dimer structure of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の他の2量体構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another dimeric structure of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の他の2量体構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another dimeric structure of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC60分子の他の2量体構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another dimeric structure of C 60 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体のTime-of-Flight質量分析スペクトルのうち、2量体部分の質量分布を拡大したスペクトル図である。FIG. 4 is an enlarged spectrum diagram of a mass distribution of a dimer portion in a time-of-flight mass spectrometry spectrum of a fullerene multimer obtained by plasma polymerization of C 60 molecules. 60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC118分子と予測されるものの分子構造を示す概略図である。Is a schematic diagram showing the molecular structure of what is expected confirmed C 118 molecular mass distribution of the dimeric portion of the C 60 molecules fullerene multimers obtained by plasma polymerization of. 60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC118分子と予測されるものの他の分子構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another molecular structure of the expected as the C 118 molecules identified in mass distribution of the dimeric portion of the C 60 molecules fullerene multimers obtained by plasma polymerization of. 60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC118分子と予測されるものの他の分子構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another molecular structure of the expected as the C 118 molecules identified in mass distribution of the dimeric portion of the C 60 molecules fullerene multimers obtained by plasma polymerization of. 60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC116分子と予測されるものの分子構造を示す概略図である。Is a schematic diagram showing the molecular structure of what is expected confirmed C 116 molecular mass distribution of the dimeric portion of the C 60 molecules fullerene multimers obtained by plasma polymerization of. 60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC116分子と予測されるものの他の分子構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another molecular structure of the expected as the C 116 molecules identified in mass distribution of the dimeric portion of the C 60 molecules fullerene multimers obtained by plasma polymerization of. 60分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC116分子と予測されるものの他の分子構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another molecular structure of the expected as the C 116 molecules identified in mass distribution of the dimeric portion of the C 60 molecules fullerene multimers obtained by plasma polymerization of. 70分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の Time - of -Flight質量分析スペクトル図である。FIG. 4 is a Time-of-Flight mass spectrometry spectrum of a fullerene multimer obtained by plasma polymerization of C 70 molecules. 70分子の分子構造と4種類の共役2重結合を示す概略図である。It is the schematic which shows the molecular structure of C70 molecule, and four types of conjugated double bonds. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の2量体構造を示す概略図である。Is a schematic view showing the dimer structure of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another dimeric structure of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another dimeric structure of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 同フラーレン多量体の生成過程で生じるものと考えられるC70分子の他の2量体構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another dimeric structure of C 70 molecules is thought to occur in the process of generating the fullerene multimers. 70分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC136分子と予測されるものの分子構造を示す概略図である。It is a schematic diagram showing the molecular structure of what is predicted to C 136 molecules identified in mass distribution of the dimeric portions of the fullerene multimers obtained by plasma polymerization of C 70 molecules. 70分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC136分子と予測されるものの他の分子構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another molecular structure of the expected as the C 136 molecules identified in mass distribution of the dimeric portion of the C 70 molecules of the plasma polymerization resulting fullerene multimers. 70分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC136分子と予測されるものの他の分子構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another molecular structure of the expected as the C 136 molecules identified in mass distribution of the dimeric portion of the C 70 molecules of the plasma polymerization resulting fullerene multimers. 70分子のプラズマ重合により得られたフラーレン多量体の2量体部分の質量分布で確認されたC136分子と予測されるものの他の分子構造を示す概略図である。It is a schematic view showing another molecular structure of the expected as the C 136 molecules identified in mass distribution of the dimeric portion of the C 70 molecules of the plasma polymerization resulting fullerene multimers. 本発明に使用可能なプラズマ重合装置の一構成例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one configuration example of a plasma polymerization apparatus that can be used in the present invention. 本発明に使用可能なプラズマ重合装置の他の構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of a structure of the plasma polymerization apparatus which can be used for this invention. 本発明に基づくプラズマ重合体膜(多量体膜)を成膜した測定試料の概略平面図及びその一部の拡大断面図である。1 is a schematic plan view of a measurement sample on which a plasma polymer film (multimer film) according to the present invention is formed and an enlarged cross-sectional view of a part thereof. 同測定試料の導電率測定用セルの概略横断面図及びその縦断面図である。It is the schematic cross section of the cell for electric conductivity measurement of the same measurement sample, and its longitudinal section. 成膜された薄膜について比較して示す紫外−可視吸収スペクトル図である。FIG. 3 is an ultraviolet-visible absorption spectrum diagram showing a comparative example of a formed thin film. 本発明に基づくプラズマ重合体膜の赤外線吸収スペクトル図である。FIG. 3 is an infrared absorption spectrum of the plasma polymer film according to the present invention. 本発明に基づくプラズマ重合体膜のX線回折スペクトル図である。1 is an X-ray diffraction spectrum of a plasma polymer film according to the present invention. 本発明に基づくプラズマ重合体膜を有する製品の製造方法の一例を示すプラズマ重合装置の概略断面図である。1 is a schematic sectional view of a plasma polymerization apparatus showing an example of a method for producing a product having a plasma polymer film according to the present invention. 同製品の一例である磁気記録媒体の概略拡大断面図である。FIG. 2 is a schematic enlarged sectional view of a magnetic recording medium which is an example of the product. 60フラーレンの切頭二十面体構造を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a truncated icosahedron structure of C 60 fullerene. 60フラーレンにおける炭素間の結合状態を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a bonding state between carbons in C 60 fullerene.

符号の説明Explanation of reference numerals

1、11…反応器、5、5’、15、15’…プラズマ発生用電極、
6、16…プラズマ電源、
8、18…モリブデンボート(C60又はC70フラーレンを収容)、
9、19、39…基板、10、20…昇華用電圧源、30、30’…電極、
31、81…フラーレン多量体膜(重合体膜)、
60、C70、Cn…球状炭素類(フラーレン)、
118、C116、C136…フラーレン多量体(重合体)
1, 11: reactor, 5, 5 ', 15, 15': electrode for plasma generation,
6, 16 ... plasma power supply,
8,18 ... molybdenum boat (C 60 or housing the C 70 fullerene),
9, 19, 39 ... substrate, 10, 20 ... sublimation voltage source, 30, 30 '... electrode,
31, 81: fullerene polymer film (polymer film),
C 60 , C 70 , C n ... spherical carbons (fullerene),
C 118 , C 116 , C 136 ... fullerene polymer (polymer)

Claims (3)

n(但し、nは幾何学的に球状化合物を形成し得る60又は70である。)で表されるフラーレンの複数分子を重合させることによって得られ、下記構造d、e、f、g、h、i又はjからなるフラーレン重合体。

Figure 2004189595

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Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595
It is obtained by polymerizing a plurality of fullerene molecules represented by C n (where n is 60 or 70 capable of forming a geometrically spherical compound), and has the following structure d, e, f, g, Fullerene polymer consisting of h, i or j.

Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595

Figure 2004189595
前記フラーレン重合体は、プラズマ重合によって得られたものである、請求項1に記載したフラーレン重合体。   The fullerene polymer according to claim 1, wherein the fullerene polymer is obtained by plasma polymerization. 請求項1又は2に記載したフラーレン重合体からなるフラーレン重合体膜。   A fullerene polymer film comprising the fullerene polymer according to claim 1.
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