JP2005053720A - カーボンナノチューブの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板上においてカーボンナノチューブの生成とパターン形成を１段系で行う。
【解決手段】真空中に配置したＳｉＣ基板又は有機溶媒中に配置したＳｉ基板上に集光したレーザー光を照射し、照射部位を、真空中のＳｉＣ基板の場合は１６００〜１９００℃に、有機溶媒中のＳｉ基板の場合は５００〜１０００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させる。
【選択図】 図１
【解決手段】真空中に配置したＳｉＣ基板又は有機溶媒中に配置したＳｉ基板上に集光したレーザー光を照射し、照射部位を、真空中のＳｉＣ基板の場合は１６００〜１９００℃に、有機溶媒中のＳｉ基板の場合は５００〜１０００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させる。
【選択図】 図１
Description
【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の製造方法に関し、詳細には、簡便かつパターン化可能なカーボンナノチューブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、単層もしくは多層のグラファイトを巻いてチューブ状となった構造を有しており、熱伝導性、電気伝導性、機械的強度等の特性が従来の材料にない優れた特性を示すことから、各種の用途、例えば電解電子放出用の電極（プラズマディスプレイ等への応用）、構造材料、ガス吸蔵材料等への応用が研究されている。
【０００３】
このような用途でカーボンナノチューブを用いる場合、基板上に直接配向を制御したカーボンナノチューブを成長させ、パターン形成することが望ましい。電子材料として使用する場合、半導体上にカーボンナノチューブを形成することが望ましい。
【０００４】
従来、カーボンナノチューブを製造するため、触媒金属を含有させた基板上で、有機炭素材料の基板を熱分解させ、この基板上にカーボンナノチューブを直接生成させる方法、すなわちＣＶＤ法が知られている。ところが、このような従来のＣＶＤ法では、基板上にカーボンナノチューブを均一方向に配向させて生成させることが困難であった。そこで、基板に対して均一方向にカーボンナノチューブを配向させて成長させる方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１８０２５２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９３５２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カーボンナノチューブを電子材料に用いようとする場合、基板上にパターンを形成させて生成させることが望ましい。しかしながら、上記の従来の方法では、基板上に配向性の高いカーボンナノチューブを成長させることはできるものの、パターン形成をすることができず、パターンを形成するためには、カーボンナノチューブ生成後にフォトリソグラフィー等の技術を用いてパターン形成する必要があった。
【０００７】
本発明はこのカーボンナノチューブの生成とパターン形成を１段階の工程で可能にする方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明によれば、真空中に配置したＳｉＣ基板上に集光したレーザー光を照射し、照射部位を１６００℃〜１９００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させている。
【０００９】
また、上記問題点を解決するために本発明によれば、有機溶媒中に配置した、鉄を数ｍｍの厚さでコートしたＳｉ基板上に集光したレーザー光を照射し、Ｓｉ基板と有機溶媒の界面における照射部位を５００℃〜１０００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のカーボンナノチューブの製造方法の工程を示す模式図である。本発明の第１の態様において、まずチャンバー１内にＳｉＣ基板２を配置する。チャンバー１内を真空にした後、ＳｉＣ基板２上に集光したレーザー光３を照射する。このレーザー光３は、レーザー発生装置４から、集光レンズ５にて集光され、ミラー６によってＳｉＣ基板２の所望の部位に誘導されている。
【００１１】
こうしてレーザー光３をＳｉＣ基板２に照射することにより、照射部位を１６００℃〜１９００℃に昇温させる。これによってＳｉＣ基板２の特定部分のみを炭素化し、カーボンナノチューブを生成させることができる。次いで、ミラー６の角度を変え、レーザー光３を走査することによって照射部を走査させ、特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブ７を成長させることができる。
【００１２】
従来のカーボンナノチューブの製造方法では、基板を加熱することによってこの基板上にカーボンナノチューブを生成させているが、この加熱をヒーターを用いて行っているために基板全体を加熱するため、基板上の全面にカーボンナノチューブが生成し、成長してしまう。その結果、所定のパターンにカーボンナノチューブを生成、成長させることが困難であった。これに対して、本発明の方法では、レーザー照射部分にのみカーボンナノチューブを生成させ、成長させることができるため、レーザー照射部を走査をすることにより、その走査に沿ってカーボンナノチューブを成長させることができ、１段階で所定のパターンでカーボンナノチューブを生成、成長させることができる。
【００１３】
本発明の方法では、ＳｉＣ基板を１０００℃以上の高温に加熱するため、レーザー光は大出力であることが好ましい。本発明に用いることのできるレーザーの種類とその特性を以下の表に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
本発明の上記第１の態様では、基板が３ｅＶ程度のバンドギャップを有する半導体のＳｉＣであり、このＳｉＣの吸収端（〜０．４μｍ）より波長が短いため、短波長のエキシマレーザーを用いることが特に好ましい。
【００１６】
本発明の第２の態様においては、チャンバー１内に配置する基板２として、鉄を数ｍｍ（具体的には１〜５ｍｍ）の厚さでコートしたＳｉ基板を用いる。そしてチャンバー内に有機溶媒８を入れ、この有機溶媒８中の基板２に、第１の態様と同様にしてレーザー光３を照射する。こうしてレーザー光３をＳｉ基板２に照射することにより、照射部位を５００℃〜１０００℃に昇温させる。これによってＳｉ基板２の特定部分のみを炭素化し、カーボンナノチューブを生成させることができる。次いで、ミラー６の角度を変え、レーザー光３を走査することによって照射部を走査させ、特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブ７を成長させることができる。
【００１７】
有機溶媒としては、メタノール、エタノール、アセトン、プロパノール、ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテル、２−メトキシエタノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、エチルメチルケトン、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、マロン酸及びこれらの混合物等を用いることができる。
【００１８】
この第２の態様においては、レーザー光による基板の加熱は以下の２つの態様をとることができる。
（１）可視光レーザーを溶媒側から照射する。
溶媒として、エタノール、アセトン等の可視光を吸収しない溶媒を用いる場合、Ｓｉのバンドギャップ（１．１ｅＶ、吸収端〜１．１μｍ）より高いエネルギーを有する可視光レーザーを溶媒側からＳｉ基板に照射すると、レーザー光はＳｉに吸収され、被照射部位が昇温し、カーボンナノチューブが生成される。このように溶媒側から照射する場合には、ＹＡＧレーザー、ルビーレーザー、及びＡｒガスレーザーを用いることが好ましい。
【００１９】
（２）赤外光レーザーをＳｉ側から照射する。
Ｓｉ基板の、カーボンナノチューブを成長させる面、すなわちＦｅをコートした面を溶媒に接触させ、これと反対面を空気もしくは真空に接した状態にして保持する。空気もしくは真空に接したＳｉ基板面から、Ｓｉのバンドギャップより低いエネルギーを有する赤外線レーザーを照射する。このとき、赤外線の波長を溶媒の吸収波長にあわせておく。Ｓｉは赤外線の透過係数が高いためＳｉ基板は直接加熱されないが、Ｓｉを透過したレーザー光は溶媒に吸収され、Ｓｉ／溶媒界面が加熱され、Ｓｉ基板の溶媒側面にカーボンナノチューブが生成する。この方法の場合、溶媒の沸騰・温度分布によるレーザー光の散乱の影響を受けない。この場合のレーザーとしては、ＣＯ２レーザーを用いることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
実施例１
β−ＳｉＣ単結晶を、可視光透過窓を有する真空チャンバー内に配置し、１０−５Ｐａまで排気した。ＳｉＣ単結晶の（１１１）面にＮｄ−ＹＡＧレーザーの１０６４ｎｍ波長のレーザー光を照射した。ピークパワー３５ｋＷ、パルス幅３００ｎｓ、発振周波数５ｋＨｚのレーザーパルスを試料表面の約０．５ｍｍに集光させて数十秒照射したところ、照射部が黒変した。これをＳＥＭ及びＴＥＭ観察したところ、直径約６ｎｍのカーボンナノチューブが照射部分に成長していることが確認された。
【００２１】
実施例２
Ｓｉ（１１１）単結晶をアセトン・純水で超音波洗浄し、マグネトロンスパッタ装置でＦｅを約２ｎｍスパッタ後、高純度メタノールを満たしたセル中に固定した。
波長１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザー光を倍波に変換し、５３２ｎｍのレーザー光をＳｉ（１１１）面に照射した。メタノールの沸騰の影響を避けるため、試料付近のメタノールはポンプによって循環させた。ピークパワー３５ｋＷ、パルス幅３００ｎｓ、発振周波数５ｋＨｚのレーザーパルスを試料表面の約１ｍｍに集光させて数百秒間照射したところ、照射部が黒変した。これをＳＥＭ及びＴＥＭ観察したところ、直径１０〜２０ｎｍのカーボンナノチューブが照射部分に成長していることが確認された。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、基板上に集光したレーザー光を照射することにより、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させることができ、１段階の操作でカーボンナノチューブの生成とパターン形成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…チャンバー
２…基板
３…レーザー光
４…レーザー発生装置
５…集光レンズ
６…ミラー
７…カーボンナノチューブ
８…有機溶媒
【発明の属する技術分野】
本発明はカーボンナノチューブの製造方法に関し、詳細には、簡便かつパターン化可能なカーボンナノチューブの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、単層もしくは多層のグラファイトを巻いてチューブ状となった構造を有しており、熱伝導性、電気伝導性、機械的強度等の特性が従来の材料にない優れた特性を示すことから、各種の用途、例えば電解電子放出用の電極（プラズマディスプレイ等への応用）、構造材料、ガス吸蔵材料等への応用が研究されている。
【０００３】
このような用途でカーボンナノチューブを用いる場合、基板上に直接配向を制御したカーボンナノチューブを成長させ、パターン形成することが望ましい。電子材料として使用する場合、半導体上にカーボンナノチューブを形成することが望ましい。
【０００４】
従来、カーボンナノチューブを製造するため、触媒金属を含有させた基板上で、有機炭素材料の基板を熱分解させ、この基板上にカーボンナノチューブを直接生成させる方法、すなわちＣＶＤ法が知られている。ところが、このような従来のＣＶＤ法では、基板上にカーボンナノチューブを均一方向に配向させて生成させることが困難であった。そこで、基板に対して均一方向にカーボンナノチューブを配向させて成長させる方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１８０２５２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９３５２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カーボンナノチューブを電子材料に用いようとする場合、基板上にパターンを形成させて生成させることが望ましい。しかしながら、上記の従来の方法では、基板上に配向性の高いカーボンナノチューブを成長させることはできるものの、パターン形成をすることができず、パターンを形成するためには、カーボンナノチューブ生成後にフォトリソグラフィー等の技術を用いてパターン形成する必要があった。
【０００７】
本発明はこのカーボンナノチューブの生成とパターン形成を１段階の工程で可能にする方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明によれば、真空中に配置したＳｉＣ基板上に集光したレーザー光を照射し、照射部位を１６００℃〜１９００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させている。
【０００９】
また、上記問題点を解決するために本発明によれば、有機溶媒中に配置した、鉄を数ｍｍの厚さでコートしたＳｉ基板上に集光したレーザー光を照射し、Ｓｉ基板と有機溶媒の界面における照射部位を５００℃〜１０００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のカーボンナノチューブの製造方法の工程を示す模式図である。本発明の第１の態様において、まずチャンバー１内にＳｉＣ基板２を配置する。チャンバー１内を真空にした後、ＳｉＣ基板２上に集光したレーザー光３を照射する。このレーザー光３は、レーザー発生装置４から、集光レンズ５にて集光され、ミラー６によってＳｉＣ基板２の所望の部位に誘導されている。
【００１１】
こうしてレーザー光３をＳｉＣ基板２に照射することにより、照射部位を１６００℃〜１９００℃に昇温させる。これによってＳｉＣ基板２の特定部分のみを炭素化し、カーボンナノチューブを生成させることができる。次いで、ミラー６の角度を変え、レーザー光３を走査することによって照射部を走査させ、特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブ７を成長させることができる。
【００１２】
従来のカーボンナノチューブの製造方法では、基板を加熱することによってこの基板上にカーボンナノチューブを生成させているが、この加熱をヒーターを用いて行っているために基板全体を加熱するため、基板上の全面にカーボンナノチューブが生成し、成長してしまう。その結果、所定のパターンにカーボンナノチューブを生成、成長させることが困難であった。これに対して、本発明の方法では、レーザー照射部分にのみカーボンナノチューブを生成させ、成長させることができるため、レーザー照射部を走査をすることにより、その走査に沿ってカーボンナノチューブを成長させることができ、１段階で所定のパターンでカーボンナノチューブを生成、成長させることができる。
【００１３】
本発明の方法では、ＳｉＣ基板を１０００℃以上の高温に加熱するため、レーザー光は大出力であることが好ましい。本発明に用いることのできるレーザーの種類とその特性を以下の表に示す。
【００１４】
【表１】
本発明の上記第１の態様では、基板が３ｅＶ程度のバンドギャップを有する半導体のＳｉＣであり、このＳｉＣの吸収端（〜０．４μｍ）より波長が短いため、短波長のエキシマレーザーを用いることが特に好ましい。
【００１６】
本発明の第２の態様においては、チャンバー１内に配置する基板２として、鉄を数ｍｍ（具体的には１〜５ｍｍ）の厚さでコートしたＳｉ基板を用いる。そしてチャンバー内に有機溶媒８を入れ、この有機溶媒８中の基板２に、第１の態様と同様にしてレーザー光３を照射する。こうしてレーザー光３をＳｉ基板２に照射することにより、照射部位を５００℃〜１０００℃に昇温させる。これによってＳｉ基板２の特定部分のみを炭素化し、カーボンナノチューブを生成させることができる。次いで、ミラー６の角度を変え、レーザー光３を走査することによって照射部を走査させ、特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブ７を成長させることができる。
【００１７】
有機溶媒としては、メタノール、エタノール、アセトン、プロパノール、ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテル、２−メトキシエタノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、エチルメチルケトン、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、マロン酸及びこれらの混合物等を用いることができる。
【００１８】
この第２の態様においては、レーザー光による基板の加熱は以下の２つの態様をとることができる。
（１）可視光レーザーを溶媒側から照射する。
溶媒として、エタノール、アセトン等の可視光を吸収しない溶媒を用いる場合、Ｓｉのバンドギャップ（１．１ｅＶ、吸収端〜１．１μｍ）より高いエネルギーを有する可視光レーザーを溶媒側からＳｉ基板に照射すると、レーザー光はＳｉに吸収され、被照射部位が昇温し、カーボンナノチューブが生成される。このように溶媒側から照射する場合には、ＹＡＧレーザー、ルビーレーザー、及びＡｒガスレーザーを用いることが好ましい。
【００１９】
（２）赤外光レーザーをＳｉ側から照射する。
Ｓｉ基板の、カーボンナノチューブを成長させる面、すなわちＦｅをコートした面を溶媒に接触させ、これと反対面を空気もしくは真空に接した状態にして保持する。空気もしくは真空に接したＳｉ基板面から、Ｓｉのバンドギャップより低いエネルギーを有する赤外線レーザーを照射する。このとき、赤外線の波長を溶媒の吸収波長にあわせておく。Ｓｉは赤外線の透過係数が高いためＳｉ基板は直接加熱されないが、Ｓｉを透過したレーザー光は溶媒に吸収され、Ｓｉ／溶媒界面が加熱され、Ｓｉ基板の溶媒側面にカーボンナノチューブが生成する。この方法の場合、溶媒の沸騰・温度分布によるレーザー光の散乱の影響を受けない。この場合のレーザーとしては、ＣＯ２レーザーを用いることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
実施例１
β−ＳｉＣ単結晶を、可視光透過窓を有する真空チャンバー内に配置し、１０−５Ｐａまで排気した。ＳｉＣ単結晶の（１１１）面にＮｄ−ＹＡＧレーザーの１０６４ｎｍ波長のレーザー光を照射した。ピークパワー３５ｋＷ、パルス幅３００ｎｓ、発振周波数５ｋＨｚのレーザーパルスを試料表面の約０．５ｍｍに集光させて数十秒照射したところ、照射部が黒変した。これをＳＥＭ及びＴＥＭ観察したところ、直径約６ｎｍのカーボンナノチューブが照射部分に成長していることが確認された。
【００２１】
実施例２
Ｓｉ（１１１）単結晶をアセトン・純水で超音波洗浄し、マグネトロンスパッタ装置でＦｅを約２ｎｍスパッタ後、高純度メタノールを満たしたセル中に固定した。
波長１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザー光を倍波に変換し、５３２ｎｍのレーザー光をＳｉ（１１１）面に照射した。メタノールの沸騰の影響を避けるため、試料付近のメタノールはポンプによって循環させた。ピークパワー３５ｋＷ、パルス幅３００ｎｓ、発振周波数５ｋＨｚのレーザーパルスを試料表面の約１ｍｍに集光させて数百秒間照射したところ、照射部が黒変した。これをＳＥＭ及びＴＥＭ観察したところ、直径１０〜２０ｎｍのカーボンナノチューブが照射部分に成長していることが確認された。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、基板上に集光したレーザー光を照射することにより、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させることができ、１段階の操作でカーボンナノチューブの生成とパターン形成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…チャンバー
２…基板
３…レーザー光
４…レーザー発生装置
５…集光レンズ
６…ミラー
７…カーボンナノチューブ
８…有機溶媒
Claims (2)
- 真空中に配置したＳｉＣ基板上に集光したレーザー光を照射し、照射部位を１６００℃〜１９００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させることを特徴とする、カーボンナノチューブの製造方法。
- 有機溶媒中に配置した、鉄を数ｍｍの厚さでコートしたＳｉ基板上に集光したレーザー光を照射し、Ｓｉ基板と有機溶媒の界面における照射部位を５００℃〜１０００℃に昇温させて、その照射部位においてカーボンナノチューブを生成させ、次いで基板上でレーザー光を走査することによって特定のパターンに沿ってカーボンナノチューブを成長させることを特徴とする、カーボンナノチューブの製造方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003206764A JP2005053720A (ja) | 2003-08-08 | 2003-08-08 | カーボンナノチューブの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003206764A JP2005053720A (ja) | 2003-08-08 | 2003-08-08 | カーボンナノチューブの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005053720A true JP2005053720A (ja) | 2005-03-03 |
Family
ID=34363507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003206764A Pending JP2005053720A (ja) | 2003-08-08 | 2003-08-08 | カーボンナノチューブの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005053720A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006248816A (ja) * | 2005-03-09 | 2006-09-21 | Institute Of Physical & Chemical Research | 可溶化剤、可溶化方法、カーボンナノチューブ組成物およびこれを用いた製造方法 |
| KR101015309B1 (ko) * | 2008-06-27 | 2011-02-15 | 광주과학기술원 | 탄소 나노 튜브의 제조 방법 |
| JP2013227193A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-11-07 | Honda Motor Co Ltd | カーボンナノチューブ合成装置 |
| JP2015040156A (ja) * | 2013-08-23 | 2015-03-02 | 日本電信電話株式会社 | グラフェン形成方法および形成装置 |
-
2003
- 2003-08-08 JP JP2003206764A patent/JP2005053720A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006248816A (ja) * | 2005-03-09 | 2006-09-21 | Institute Of Physical & Chemical Research | 可溶化剤、可溶化方法、カーボンナノチューブ組成物およびこれを用いた製造方法 |
| KR101015309B1 (ko) * | 2008-06-27 | 2011-02-15 | 광주과학기술원 | 탄소 나노 튜브의 제조 방법 |
| JP2013227193A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-11-07 | Honda Motor Co Ltd | カーボンナノチューブ合成装置 |
| JP2015040156A (ja) * | 2013-08-23 | 2015-03-02 | 日本電信電話株式会社 | グラフェン形成方法および形成装置 |
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