JP2004190183A - 長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】マイクロエレクトロニクス部品用材料、高性能セラミックス、オプトエレクトロニクス部品用材料、触媒等として有用な長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維ならびにそれを製造する方法を提供する。
【解決手段】コバルトの微粒子を分散させたチタン製基板を用いて、メタンガスと水素ガスの混合物を、基板温度を５００℃に維持して、プラズマＣＶＤ法により、カーボンナノチューブを基板上に堆積させ、次に、このカーボンナノチューブの堆積した基板と酸化ホウ素を窒素気流中で、１５００℃から２０００℃で置換反応させることにより、１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維を製造する。
【選択図】 図１
【解決手段】コバルトの微粒子を分散させたチタン製基板を用いて、メタンガスと水素ガスの混合物を、基板温度を５００℃に維持して、プラズマＣＶＤ法により、カーボンナノチューブを基板上に堆積させ、次に、このカーボンナノチューブの堆積した基板と酸化ホウ素を窒素気流中で、１５００℃から２０００℃で置換反応させることにより、１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維を製造する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロエレクトロニクス部品、高性能セラミックス、オプトエレクトロニクス部品、触媒等の分野において、耐酸化性コーティング層、絶縁層、反応促進剤等として有用な長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、炭化珪素や窒化アルミニウムのような正四面体構造のｓｐ3結合を有する化合物は結晶成長の際に、長周期構造を示すことが知られている。一方、炭素原子からなるグラファイトやそれと構造的に類似しているグラファイト状窒化ホウ素はｓｐ2結合で形成されており、層状物質として二層周期や三層周期が知られている。
【０００３】
この層状の構造については、二層周期ないし三層周期に限られることなく、さらに長周期の構造が実現されるのであれば、これに由来する特性に基づく機能材料の展開が期待されるところである。
【０００４】
しかしながら、従来、ｓｐ2結合を有する窒化ホウ素では二層周期や三層周期の層状物質だけしか知られていなかった。
【０００５】
このような背景において、グラファイト状窒化ホウ素についてのナノチューブ構造体が開発され（文献１および２）注目されている。それと言うのも、窒化ホウ素は、様々な機能材料としての応用が期待されており、ナノチューブ構造体の開発によって、新しい長周期の層状構造体と、その特有の物理的特性によりさらに高機能性、そして新機能性が実現されるものと予想されるからである。
【０００６】
【文献】
１：Phys. Rev. Lett.,1996, 76, 4737
２：Appl. Phys. Lett.,1996, 69, 2045
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この出願の発明は、高機能性、そして新機能性の材料とその応用の展開を可能とするために、これまでに知られていない長周期構造を有する新規な窒化ホウ素ナノ構造体を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するための手段として、まず、第１には、１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維を提供する。
【０００９】
また、第２には、カーボンナノチューブを酸化ホウ素と窒素ガスもしくは窒素ガスと希ガスとの混合ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維の製造方法を提供し、第３には、この方法について、１５００℃から２０００℃の温度範囲で反応させること、第４には、触媒としてコバルトの微粒子を用いること、を各々特徴とする１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維の製造方法を提供する。
【００１０】
上記のとおりのこの出願の発明によって、マイクロエレクトロニクス部品、高性能セラミックス、オプトエレクトロニクス部品、触媒等の分野において、耐酸化性コーティング層や絶縁層、反応促進剤等として有用な、新しい長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維が提供されることになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１２】
なお、この出願の発明における「ナノ繊維」との規定は、いわゆる「ナノワイヤー」、「ナノロッド」と呼ばれるものを包含するものである。
【００１３】
この出願の発明において、１２層周期および２４層周期の構造をもつ窒化ホウ素ナノ繊維を製造するためには、まず、鋳型として使用する出発原料の一つであるカーボンナノチューブを合成しておく。これは、たとえば、チタン製の基板上にコバルトの微粒子を分散させ、水素ガスとメタンガスからプラズマＣＶＤ法により合成することができる。もちろん、これ以外の方法によってカーボンナノチューブを合成してもよい。
【００１４】
次に、たとえば、カーボンナノチューブが堆積した基板をるつぼの上部に配置し、るつぼの下部には酸化ホウ素を入れて、窒素ガスあるいはこれと希ガスとの混合ガス雰囲気下で高周波誘導加熱炉を用いて加熱して、高温置換反応を行わせて１２層周期ならびに２４層周期構造の窒化ホウ素ナノ繊維を合成する。
【００１５】
この高温置換反応は、１２００℃以上の温度において、好ましくは１５００℃から２０００℃の温度範囲において行うことが考慮される。また、基板の種類については高温反応に耐性のあるものであれば任意のものでよく、チタン等の金属や合金、あるいはセラミックス等の各種のものであってよい。また、雰囲気ガスに不活性な希ガスを混合する場合には、その割合は適宜としてよい。
【００１６】
また、高温置換反応には、触媒としてコバルトの微粒子を用いることが有効でもある。
【００１７】
生成した窒化ホウ素ナノ繊維は透過型電子顕微鏡でその形態やサイズを観察し、電子エネネルギー損失スペクトルを測定することにより、化学組成を確認することができる。またＸ線回折パターンの測定から層構成を、これと高分解能透過型電子顕微鏡像の結果から長周期、すなわち、１２層周期および２４層周期の菱面体晶系構造であることを確認することができる。
【００１８】
そこで次に実施例を示して、さらに詳しくこの出願の発明の１２層周期および２４層周期構造の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維とその製造方法について説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【００１９】
【実施例】
鋳型として使用する出発原料の一つであるカーボンナノチューブを次のようにして合成した。すなわち、エタノールで洗浄した粒径２０ナノメートルのコバルトの微粒子をチタン製の基板上に分散した。この基板をプラズマＣＶＤ装置の負極側に取り付け、メタンガス（流量２０sccm）と水素ガス（流量８０sccm）を流しながら、５００℃で６０分間、真空度１．７０Torrの条件で成膜して、基板上にカーボンナノチューブを堆積させた。
【００２０】
次に、るつぼの下部に酸化ホウ素の粉末を入れ、るつぼの上部には上記で合成したカーボンナノチューブの生成したチタン基板を配置した。このるつぼを高周波誘導加熱炉中で窒素ガス雰囲気下、１７００℃で３０分加熱して、１２層周期および２４層周期構造の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維を得た。
【００２１】
生成物の透過型電子顕微鏡による代表的な観察結果を図１（ａ）に示したが、双晶状のナノ繊維であることがわかった。図１（ｂ）に電子エネルギー損失スペクトルを示したが、ホウ素と窒素原子からなる組成であることが確認された。また、試料を種々の方向から透過型電子顕微鏡で観察することにより、窒化ホウ素ナノ繊維は図１（ｃ）のような形態になっていることを確認した。図２には生成物としての長周期構造をもつグラファイト状窒化ホウ素ナノ繊維の回折パターンを示したが、この図からｃ軸に沿って４倍の超格子構造になっていることがわかった。長周期構造の配列順序は高分解能透過型電子顕微鏡による観察で確認された。図３（ａ）と図３（ｂ）にその結果を示した。図３（ａ）には１２層の菱面体晶系の窒化ホウ素ナノ繊維の長周期構造を示す。その配列順序はＡ’ＡＢＣ／Ｃ’ＣＡＢ／Ｂ’ＢＣＡである。図３（ｂ）には２４層の菱面体晶系の長周期窒化ホウ素ナノ繊維の配列順序を示した。その配列順序はＡ’ＡＢＣ／ＢＢ’Ｃ’Ａ’／Ｃ’ＣＡＢ／ＡＡ’Ｂ’Ｃ’／Ｂ’ＢＣＡ／ＣＣ’Ａ’Ｂ’である。
【００２２】
【発明の効果】
長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維はマイクロエレクトロニクス部品、高性能セラミックス、オプトエレクトロニクス部品、触媒等の分野において、耐酸化性コーティング材料、絶縁性被覆材料、反応促進剤等として利用されることが期待されているが、この出願の発明により、 カーボンナノチューブと酸化ホウ素との窒素ガスもしくはこれと希ガスとの混合ガス雰囲気中での高温置換反応により、長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維を製造することができる。また、この出願の発明の窒化ホウ素ナノ繊維は、従来知られていなかった長周期構造であるので、新たな物理化学的性質の発現が期待され、その応用分野の拡大に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）はグラファイト状構造を有する双晶状の窒化ホウ素ナノ繊維の透過型電子顕微鏡像の写真である。
図１（ｂ）は窒化ホウ素ナノ繊維の電子エネルギー損失スペクトル分析の図である。
図１（ｃ）は窒化ホウ素ナノ繊維の形態を示す模式図である。
【図２】図２はグラファイト状構造を有する長周期構造の窒化ホウ素ナノ繊維の回折パターンの写真である。
【図３】図３（ａ）は１２層周期の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維の高分解能透過型電子顕微鏡像の写真である。
図３（ｂ）は２４層周期の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維の高分解能透過型電子顕微鏡像の写真である。
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロエレクトロニクス部品、高性能セラミックス、オプトエレクトロニクス部品、触媒等の分野において、耐酸化性コーティング層、絶縁層、反応促進剤等として有用な長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、炭化珪素や窒化アルミニウムのような正四面体構造のｓｐ3結合を有する化合物は結晶成長の際に、長周期構造を示すことが知られている。一方、炭素原子からなるグラファイトやそれと構造的に類似しているグラファイト状窒化ホウ素はｓｐ2結合で形成されており、層状物質として二層周期や三層周期が知られている。
【０００３】
この層状の構造については、二層周期ないし三層周期に限られることなく、さらに長周期の構造が実現されるのであれば、これに由来する特性に基づく機能材料の展開が期待されるところである。
【０００４】
しかしながら、従来、ｓｐ2結合を有する窒化ホウ素では二層周期や三層周期の層状物質だけしか知られていなかった。
【０００５】
このような背景において、グラファイト状窒化ホウ素についてのナノチューブ構造体が開発され（文献１および２）注目されている。それと言うのも、窒化ホウ素は、様々な機能材料としての応用が期待されており、ナノチューブ構造体の開発によって、新しい長周期の層状構造体と、その特有の物理的特性によりさらに高機能性、そして新機能性が実現されるものと予想されるからである。
【０００６】
【文献】
１：Phys. Rev. Lett.,1996, 76, 4737
２：Appl. Phys. Lett.,1996, 69, 2045
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この出願の発明は、高機能性、そして新機能性の材料とその応用の展開を可能とするために、これまでに知られていない長周期構造を有する新規な窒化ホウ素ナノ構造体を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するための手段として、まず、第１には、１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維を提供する。
【０００９】
また、第２には、カーボンナノチューブを酸化ホウ素と窒素ガスもしくは窒素ガスと希ガスとの混合ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維の製造方法を提供し、第３には、この方法について、１５００℃から２０００℃の温度範囲で反応させること、第４には、触媒としてコバルトの微粒子を用いること、を各々特徴とする１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維の製造方法を提供する。
【００１０】
上記のとおりのこの出願の発明によって、マイクロエレクトロニクス部品、高性能セラミックス、オプトエレクトロニクス部品、触媒等の分野において、耐酸化性コーティング層や絶縁層、反応促進剤等として有用な、新しい長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維が提供されることになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１２】
なお、この出願の発明における「ナノ繊維」との規定は、いわゆる「ナノワイヤー」、「ナノロッド」と呼ばれるものを包含するものである。
【００１３】
この出願の発明において、１２層周期および２４層周期の構造をもつ窒化ホウ素ナノ繊維を製造するためには、まず、鋳型として使用する出発原料の一つであるカーボンナノチューブを合成しておく。これは、たとえば、チタン製の基板上にコバルトの微粒子を分散させ、水素ガスとメタンガスからプラズマＣＶＤ法により合成することができる。もちろん、これ以外の方法によってカーボンナノチューブを合成してもよい。
【００１４】
次に、たとえば、カーボンナノチューブが堆積した基板をるつぼの上部に配置し、るつぼの下部には酸化ホウ素を入れて、窒素ガスあるいはこれと希ガスとの混合ガス雰囲気下で高周波誘導加熱炉を用いて加熱して、高温置換反応を行わせて１２層周期ならびに２４層周期構造の窒化ホウ素ナノ繊維を合成する。
【００１５】
この高温置換反応は、１２００℃以上の温度において、好ましくは１５００℃から２０００℃の温度範囲において行うことが考慮される。また、基板の種類については高温反応に耐性のあるものであれば任意のものでよく、チタン等の金属や合金、あるいはセラミックス等の各種のものであってよい。また、雰囲気ガスに不活性な希ガスを混合する場合には、その割合は適宜としてよい。
【００１６】
また、高温置換反応には、触媒としてコバルトの微粒子を用いることが有効でもある。
【００１７】
生成した窒化ホウ素ナノ繊維は透過型電子顕微鏡でその形態やサイズを観察し、電子エネネルギー損失スペクトルを測定することにより、化学組成を確認することができる。またＸ線回折パターンの測定から層構成を、これと高分解能透過型電子顕微鏡像の結果から長周期、すなわち、１２層周期および２４層周期の菱面体晶系構造であることを確認することができる。
【００１８】
そこで次に実施例を示して、さらに詳しくこの出願の発明の１２層周期および２４層周期構造の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維とその製造方法について説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【００１９】
【実施例】
鋳型として使用する出発原料の一つであるカーボンナノチューブを次のようにして合成した。すなわち、エタノールで洗浄した粒径２０ナノメートルのコバルトの微粒子をチタン製の基板上に分散した。この基板をプラズマＣＶＤ装置の負極側に取り付け、メタンガス（流量２０sccm）と水素ガス（流量８０sccm）を流しながら、５００℃で６０分間、真空度１．７０Torrの条件で成膜して、基板上にカーボンナノチューブを堆積させた。
【００２０】
次に、るつぼの下部に酸化ホウ素の粉末を入れ、るつぼの上部には上記で合成したカーボンナノチューブの生成したチタン基板を配置した。このるつぼを高周波誘導加熱炉中で窒素ガス雰囲気下、１７００℃で３０分加熱して、１２層周期および２４層周期構造の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維を得た。
【００２１】
生成物の透過型電子顕微鏡による代表的な観察結果を図１（ａ）に示したが、双晶状のナノ繊維であることがわかった。図１（ｂ）に電子エネルギー損失スペクトルを示したが、ホウ素と窒素原子からなる組成であることが確認された。また、試料を種々の方向から透過型電子顕微鏡で観察することにより、窒化ホウ素ナノ繊維は図１（ｃ）のような形態になっていることを確認した。図２には生成物としての長周期構造をもつグラファイト状窒化ホウ素ナノ繊維の回折パターンを示したが、この図からｃ軸に沿って４倍の超格子構造になっていることがわかった。長周期構造の配列順序は高分解能透過型電子顕微鏡による観察で確認された。図３（ａ）と図３（ｂ）にその結果を示した。図３（ａ）には１２層の菱面体晶系の窒化ホウ素ナノ繊維の長周期構造を示す。その配列順序はＡ’ＡＢＣ／Ｃ’ＣＡＢ／Ｂ’ＢＣＡである。図３（ｂ）には２４層の菱面体晶系の長周期窒化ホウ素ナノ繊維の配列順序を示した。その配列順序はＡ’ＡＢＣ／ＢＢ’Ｃ’Ａ’／Ｃ’ＣＡＢ／ＡＡ’Ｂ’Ｃ’／Ｂ’ＢＣＡ／ＣＣ’Ａ’Ｂ’である。
【００２２】
【発明の効果】
長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維はマイクロエレクトロニクス部品、高性能セラミックス、オプトエレクトロニクス部品、触媒等の分野において、耐酸化性コーティング材料、絶縁性被覆材料、反応促進剤等として利用されることが期待されているが、この出願の発明により、 カーボンナノチューブと酸化ホウ素との窒素ガスもしくはこれと希ガスとの混合ガス雰囲気中での高温置換反応により、長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維を製造することができる。また、この出願の発明の窒化ホウ素ナノ繊維は、従来知られていなかった長周期構造であるので、新たな物理化学的性質の発現が期待され、その応用分野の拡大に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）はグラファイト状構造を有する双晶状の窒化ホウ素ナノ繊維の透過型電子顕微鏡像の写真である。
図１（ｂ）は窒化ホウ素ナノ繊維の電子エネルギー損失スペクトル分析の図である。
図１（ｃ）は窒化ホウ素ナノ繊維の形態を示す模式図である。
【図２】図２はグラファイト状構造を有する長周期構造の窒化ホウ素ナノ繊維の回折パターンの写真である。
【図３】図３（ａ）は１２層周期の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維の高分解能透過型電子顕微鏡像の写真である。
図３（ｂ）は２４層周期の菱面体晶系窒化ホウ素ナノ繊維の高分解能透過型電子顕微鏡像の写真である。
Claims (4)
- １２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維。
- カーボンナノチューブを酸化ホウ素と窒素ガスもしくは窒素ガスと希ガスとの混合ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする１２層周期および２４層周期の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維の製造方法。
- １５００℃から２０００℃の温度範囲で反応させることを特徴とする請求項２記載の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維の製造方法。
- 触媒としてコバルトの微粒子を用いることを特徴とする請求項２記載の長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002359937A JP2004190183A (ja) | 2002-12-11 | 2002-12-11 | 長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002359937A JP2004190183A (ja) | 2002-12-11 | 2002-12-11 | 長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004190183A true JP2004190183A (ja) | 2004-07-08 |
Family
ID=32759189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002359937A Withdrawn JP2004190183A (ja) | 2002-12-11 | 2002-12-11 | 長周期構造を有する窒化ホウ素ナノ繊維およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004190183A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007031170A (ja) * | 2005-07-22 | 2007-02-08 | National Institute For Materials Science | 窒化ホウ素系多孔体およびその製造方法 |
| WO2008108484A1 (ja) | 2007-03-05 | 2008-09-12 | Teijin Limited | 窒化ホウ素系繊維紙およびその製造方法 |
| US8709538B1 (en) * | 2009-09-29 | 2014-04-29 | The Boeing Company | Substantially aligned boron nitride nano-element arrays and methods for their use and preparation |
| JP2016216271A (ja) * | 2015-05-14 | 2016-12-22 | 株式会社トクヤマ | 六方晶窒化硼素粒子 |
| CN109734465A (zh) * | 2019-01-10 | 2019-05-10 | 南方科技大学 | 硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具 |
| CN110104611A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-08-09 | 西安电子科技大学 | 一种纳米复合储氢材料及其制备方法 |
-
2002
- 2002-12-11 JP JP2002359937A patent/JP2004190183A/ja not_active Withdrawn
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN109734465B (zh) * | 2019-01-10 | 2021-08-06 | 南方科技大学 | 硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具 |
| CN110104611A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-08-09 | 西安电子科技大学 | 一种纳米复合储氢材料及其制备方法 |
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