JP2006188382A - Method for producing carbon nanotube - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes.
カーボンナノチューブ は、ディスプレイ、ランプ、ナノデバイス、電子銃等数多くの応用が期待される材料である。 Carbon nanotubes are materials that are expected to have many applications such as displays, lamps, nanodevices, and electron guns.
このカーボンナノチューブの製造法として、予め触媒を形成した基板を、装置内に配置して加熱するとともに、原料ガスを供給して原料ガスを熱分解し、基板上の触媒を種としてカーボンを成長させる気相成長法がある(例えば、特許文献1)。
しかしながら、かかる気相成長法では、カーボンナノチューブを成長させるためには、基板等の基材に、予め触媒を形成する工程が必要になるという課題がある。 However, in this vapor phase growth method, in order to grow carbon nanotubes, there is a problem that a step of forming a catalyst in advance on a base material such as a substrate is required.
本発明は、基材に、予め触媒を形成することなく、カーボンナノチューブを製造できるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to make it possible to produce carbon nanotubes without previously forming a catalyst on a substrate.
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。 The present invention is configured as follows in order to achieve the above-described object.
すなわち、本発明は、真空チャンバ内に導入された原料ガスをプラズマ化して基材にカーボンナノチューブを形成する方法であって、前記基材を加熱するとともに、該基材にバイアス電圧を印加するものである。 That is, the present invention is a method for forming a carbon nanotube on a base material by converting the raw material gas introduced into the vacuum chamber into a plasma, and heating the base material and applying a bias voltage to the base material It is.
ここで、基材とは、カーボンナノチューブを形成する対象をいい、その形状は問わないものであり、例えば、基板やワイヤなどを含むものである。この基材は、カーボンナノチューブの形成の触媒となる触媒金属、例えば、Fe、Ni、Co等を含有する材料、例えば、ステンレスなどからなるのが好ましい。さらに、この基材は、通電加熱されるのが好ましい。 Here, the base material refers to an object on which the carbon nanotube is formed, and its shape is not limited, and includes, for example, a substrate, a wire, and the like. This base material is preferably made of a catalyst metal that serves as a catalyst for the formation of carbon nanotubes, for example, a material containing Fe, Ni, Co, etc., such as stainless steel. Furthermore, it is preferable that this base material is heated by energization.
バイアス電圧は、負の直流バイアス電圧であるのが好ましい。この負のバイアス電圧は、その絶対値が、100Vより大きい電圧であるのが好ましい。 The bias voltage is preferably a negative DC bias voltage. The negative bias voltage is preferably a voltage whose absolute value is greater than 100V.
また、真空チャンバ内に、高周波電源が供給されるプラズマ発生用コイルが設けられるとともに、前記基材が、該プラズマ発生用コイル内に配置されるのが好ましい。 In addition, it is preferable that a plasma generating coil to be supplied with a high frequency power source is provided in the vacuum chamber, and the base material is disposed in the plasma generating coil.
本発明によると、従来のように、予め基材に触媒金属を付与する工程を必要とせずに、カーボンナノチューブを形成することができる。これは、次のように考えられる。すなわち、基材にバイアス電圧を印加して、基材の表面をスパッタリングするので、触媒金属を含有する基材を用いることにより、該基材の表面から弾き出された触媒金属の微粒子が、基材に引き付けられてその表面に付着し、この付着した触媒金属の微粒子を種として、カーボンナノチューブが形成されると考えられる。 According to the present invention, carbon nanotubes can be formed without requiring a step of previously applying a catalyst metal to a substrate as in the prior art. This is considered as follows. That is, since a bias voltage is applied to the base material and the surface of the base material is sputtered, the catalyst metal fine particles ejected from the surface of the base material are removed by using the base material containing the catalytic metal. It is considered that carbon nanotubes are formed by using the fine particles of the catalyst metal adhering to the surface of the catalyst metal as a seed.
本発明によれば、予め触媒を付与する工程を必要とすることなく、カーボンナノチューブを製造することができる。 According to the present invention, carbon nanotubes can be produced without requiring a step of applying a catalyst in advance.
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施形態に係る製造方法が適用される製造装置の概略構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a manufacturing apparatus to which a manufacturing method according to an embodiment of the present invention is applied.
この製造装置は、真空チャンバ1を備えており、この真空チャンバ1内には、プラズマ発生用コイル2が設置されている。このプラズマ発生用コイル2は、例えば、Cu、Ni、ステンレス、カーボンなどからなり、高周波電源3に接続される。この高周波電源3は、例えば、13.56MHzの高周波電力を供給する。 The manufacturing apparatus includes a vacuum chamber 1, and a plasma generating coil 2 is installed in the vacuum chamber 1. The plasma generating coil 2 is made of, for example, Cu, Ni, stainless steel, carbon or the like, and is connected to the high frequency power source 3. The high frequency power supply 3 supplies high frequency power of 13.56 MHz, for example.
このプラズマ発生用コイル2内には、カーボンナノチューブを形成する基材、この実施の形態では、例えば、直径1mmのワイヤ4が挿通配置される。このワイヤ4は、カーボンナノチューブの形成の触媒となる金属を含有するのが好ましく、例えば、ステンレス、Fe、Niなどからなる。 In this plasma generating coil 2, a base material for forming carbon nanotubes, in this embodiment, for example, a wire 4 having a diameter of 1 mm is inserted and disposed. The wire 4 preferably contains a metal that serves as a catalyst for the formation of carbon nanotubes, and is made of, for example, stainless steel, Fe, Ni, or the like.
また、このワイヤ4には、加熱用電源5が接続され、例えば、700℃〜800℃程度に通電加熱される。ワイヤ4は、直線状に限らず、コイル状や波状であってもよく、複数のワイヤを撚り合わせたものであってもよい。 In addition, a heating power source 5 is connected to the wire 4 and is heated by energization to, for example, about 700 ° C. to 800 ° C. The wire 4 is not limited to a linear shape, and may be a coil shape or a wave shape, or may be a twisted piece of a plurality of wires.
この真空チャンバ1には、ガス導入部6およびガス排気部7が設けられており、ガス導入部6から炭化水素ガス等の原料ガスおよびキャリアガス、例えば、CH4/H2、CH4/Ar、CH4/O2が導入され、処理後のガスがガス排気部7から排気される。 The vacuum chamber 1 is provided with a gas introduction part 6 and a gas exhaust part 7, and a raw material gas such as a hydrocarbon gas and a carrier gas such as CH 4 / H 2 , CH 4 / Ar from the gas introduction part 6. , CH 4 / O 2 is introduced, and the treated gas is exhausted from the gas exhaust unit 7.
ガス圧力(全圧)は、10Pa〜1000pa程度であるのが好ましい。 The gas pressure (total pressure) is preferably about 10 Pa to 1000 pa.
この実施の形態では、ワイヤ4には、バイアス電源8が接続され、該ワイヤ4には、負の直流バイアス電圧が印加される。 In this embodiment, a bias power supply 8 is connected to the wire 4, and a negative DC bias voltage is applied to the wire 4.
この実施の形態の製造装置では、カーボンナノチューブを形成するワイヤに対して、従来のように、予め触媒金属を形成する工程を経ることなく、真空チャンバ1内のプラズマ発生用コイル2内に、ワイヤ4を挿通支持する。 In the manufacturing apparatus of this embodiment, the wire for forming the carbon nanotubes is provided in the plasma generating coil 2 in the vacuum chamber 1 without passing through a step of previously forming a catalytic metal as in the prior art. 4 is inserted and supported.
次に、このワイヤ4を通電加熱する一方、負のバイアス電圧を印加し、さらに、プラズマ発生用コイル2に、高周波電力を供給するとともに、ガス導入部6から原料ガス等をその流量を制御しながら導入する。 Next, while energizing and heating the wire 4, a negative bias voltage is applied, and further, high-frequency power is supplied to the plasma generating coil 2, and the flow rate of the raw material gas and the like from the gas introduction unit 6 is controlled. While introducing.
プラズマ発生コイル2内には、プラズマ9が発生し、原料ガスが励起され、ワイヤ4上に、カーボンナノチューブが形成される。 In the plasma generating coil 2, plasma 9 is generated, the source gas is excited, and carbon nanotubes are formed on the wire 4.
すなわち、この実施の形態では、予め触媒金属を形成することなく、ワイヤ4上にカーボンナノチューブを形成することができる。 That is, in this embodiment, carbon nanotubes can be formed on the wire 4 without forming a catalyst metal in advance.
これは、ワイヤ4には、負のバイアス電圧が印加されているために、ワイヤ4の表面がスパッタリングされ、スパッタリングされたワイヤ4に含まれている触媒金属の微粒子が、比較的ガス圧力が高いために、ワイヤ4側に引付けられてワイヤ4の表面に付着し、これを触媒としてカーボンナノチューブが成長すると考えられる。 This is because, since a negative bias voltage is applied to the wire 4, the surface of the wire 4 is sputtered, and the catalyst metal fine particles contained in the sputtered wire 4 have a relatively high gas pressure. Therefore, it is considered that carbon nanotubes grow by being attracted to the wire 4 side and attached to the surface of the wire 4 and using this as a catalyst.
次に、成膜条件、特にバイアス電圧を変えた場合に、形成される膜の状態およびその電子放出特性を評価した。 Next, the state of the formed film and its electron emission characteristics were evaluated when the film forming conditions, particularly the bias voltage was changed.
電子放出特性は、図2に示すように、真空中で、アノード10との間に、1mmの間隙を介してカーボンナノチューブを成膜したワイヤ4を配置し、該ワイヤ4をカソードとして直流電圧を印加し、5V/μmでの放出電流を計測することにより行った。 As shown in FIG. 2, the electron emission characteristics are as follows: a wire 4 on which a carbon nanotube is formed is disposed between the anode 10 and the anode 10 in a vacuum, and a DC voltage is applied using the wire 4 as a cathode. The measurement was performed by applying and measuring the emission current at 5 V / μm.
表1に成膜条件、電子放出特性およびSEM像による膜の状態の評価結果を示す。 Table 1 shows the film formation conditions, electron emission characteristics, and evaluation results of the film state by SEM images.
なお、各条件に対応するSEM像を、それぞれ図3〜図10 示す。各図において、(b)は、(a)の一部拡大図である。 SEM images corresponding to the respective conditions are shown in FIGS. In each figure, (b) is a partially enlarged view of (a).
バイアス電圧を印加しない条件No.1では、カーボンナノウォール(CNW)の小さな成長が見られたが、5V/μmにおける電子放出電流は、認められなかった。 Condition No. in which no bias voltage is applied In 1, a small growth of carbon nanowall (CNW) was observed, but no electron emission current at 5 V / μm was observed.
条件No.2〜5に示すように、負のバイアス電圧の絶対値を大きくするのに伴って、カーボンナノウォール(CNW)の成長が大きくなり、さらに、グラファイトが成長し、5V/μmにおける電子放出電流の増加が認められた。 Condition No. 2-5, as the absolute value of the negative bias voltage is increased, the growth of the carbon nanowall (CNW) increases, and further, the graphite grows, and the electron emission current at 5 V / μm increases. An increase was observed.
さらに、条件No.6〜8に示すように、バイアス電圧が、−160Vでは、カーボンナノチューブ(CNT)の成長が認められ、条件NO.7,8では、5V/μmにおける電子放出電流が認められた。 Furthermore, condition no. As shown in FIGS. 6 to 8, when the bias voltage is −160 V, the growth of carbon nanotubes (CNT) is recognized, and the condition NO. 7 and 8, an electron emission current at 5 V / μm was observed.
負のバイアス電圧は、その絶対値が、100を越える値であるのが好ましい。 The absolute value of the negative bias voltage is preferably a value exceeding 100.
このように、ワイヤ4に負のバイアス電圧を印加しながらプラズマCVDを行うことにより、予め触媒を形成していないワイヤや基板に、カーボンナノチューブを成膜することができる。 Thus, by performing plasma CVD while applying a negative bias voltage to the wire 4, carbon nanotubes can be formed on a wire or substrate on which no catalyst has been previously formed.
なお、カーボンナノチューブを成膜するワイヤ4や基板等の基材が長く、プラズマ発生用コイル2のプラズマ発生領域からはみ出すような場合には、ワイヤ4や基板等の基材を、プラズマ発生用コイル2に対して移動させたり、あるいは、逆に、基材に対してプラズマ発生用コイル2を移動させて基材の全長に亘ってカーボンナノチューブを成膜するようにすればよい。 When the base material such as the wire 4 or the substrate for forming the carbon nanotube is long and protrudes from the plasma generation region of the plasma generating coil 2, the base material such as the wire 4 or the substrate is attached to the plasma generating coil. The plasma generating coil 2 may be moved relative to the base material to form the carbon nanotubes over the entire length of the base material.
また、図11に示すように、ワイヤ4や基板等の基材が、プラズマ発生用コイル2よりも長い場合には、複数のプラズマ発生用コイル2を、ワイヤ4等の基材の長手方向に沿って並設し、各プラズマ発生用コイル2で発生するプラズマ同士が重なり合うようにして、基材の全体に成膜するようにしてもよい。 In addition, as shown in FIG. 11, when the base material such as the wire 4 or the substrate is longer than the plasma generating coil 2, the plurality of plasma generating coils 2 are arranged in the longitudinal direction of the base material such as the wire 4. The plasma may be formed on the entire substrate so that the plasma generated in each of the plasma generating coils 2 overlaps with each other.
さらに、図12に示すように、プラズマ発生用コイル2の長手方向の中央部分2aの巻き径を大きくし、両端部分2bの巻き径を小さくしてプラズマを中央部分に効率的に閉じ込めるようにして成膜速度を高めるようにしてもよい。 Further, as shown in FIG. 12, the winding diameter of the central portion 2a in the longitudinal direction of the plasma generating coil 2 is increased and the winding diameter of both end portions 2b is decreased so that the plasma is efficiently confined in the central portion. The film formation rate may be increased.
(その他の実施の形態)
本発明は、図13に示す容量結合型あるいは図14に示す誘導結合型のプラズマCVD装置に適用し、基板やワイヤ等の基材11に負のバイアス電圧を印加するとともに、基材11を、ヒータ12等によって間接的に加熱するようにしてよい。
(Other embodiments)
The present invention is applied to the capacitively coupled plasma CVD apparatus shown in FIG. 13 or the inductively coupled plasma CVD apparatus shown in FIG. 14, and applies a negative bias voltage to the substrate 11 such as a substrate or a wire. Heating may be performed indirectly by the heater 12 or the like.
また、本発明の他の実施の形態として、バイアス電圧の印加は、カーボンナノチューブの成膜の初期の段階のみ行うようにしてもよい。 As another embodiment of the present invention, the bias voltage may be applied only at the initial stage of carbon nanotube film formation.
本発明は、各種の用途に用いられるカーボンナノチューブの製造に有用である。 The present invention is useful for the production of carbon nanotubes used in various applications.
1 真空チャンバ 2 プラズマ発生用コイル
3 高周波電源 4 ワイヤ(基材)
5 加熱用電源 8 バイアス電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Coil for plasma generation 3 High frequency power supply 4 Wire (base material)
5 Power supply for heating 8 Bias power supply
Claims (6)
前記基材を加熱するとともに、該基材にバイアス電圧を印加することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。 A method of forming a carbon nanotube on a base material by converting a raw material gas introduced into a vacuum chamber into plasma,
A method for producing a carbon nanotube, comprising heating the base material and applying a bias voltage to the base material.
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