JP2007031231A - Method for producing carbon cluster - Google Patents

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剛 杉本
Shinichiro Kawabata
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a good quality carbon cluster at low cost and with low energy. <P>SOLUTION: This method for producing a carbon cluster comprises a step of irradiating a laser on a compound containing a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom, and not having a carbon to carbon bond, e.g. a melamine derivative. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、カーボンナノチューブ、フラーレン等の炭素材料の製造等に用いることができる炭素クラスタの新規な製造方法に関する。   The present invention relates to a novel method for producing carbon clusters that can be used for producing carbon materials such as carbon nanotubes and fullerenes.

カーボンナノチューブ、フラーレン等の各種炭素ナノ材料が近年注目を集めている。カーボンナノチューブ、フラーレンについては、極めて特異的な電気化学的特性、ガス吸蔵特性、機械的特性、光学的特性、化学的安定性等を有することから様々な基礎研究、応用研究がされている。   Various carbon nanomaterials such as carbon nanotubes and fullerenes have attracted attention in recent years. Since carbon nanotubes and fullerenes have extremely specific electrochemical characteristics, gas storage characteristics, mechanical characteristics, optical characteristics, chemical stability, etc., various basic researches and applied researches have been conducted.

カーボンナノチューブ、フラーレン等は、通常、アーク放電法、レーザ照射法、化学的気層成長(CVD)法等により生成することができる。このうち、アーク放電法、レーザ照射法では、原料として高純度のグラファイトを用い、これをアーク放電やレーザ照射により原子状炭素または低分子炭素クラスタに分解し、Fe,Ni等の触媒の存在のもとで、減圧不活性ガス雰囲気で冷却して原子状または低分子炭素クラスタを再結合させることによりカーボンナノチューブ、フラーレン等を得ることができる。   Carbon nanotubes, fullerenes and the like can be usually produced by an arc discharge method, a laser irradiation method, a chemical vapor deposition (CVD) method or the like. Among these, in the arc discharge method and the laser irradiation method, high-purity graphite is used as a raw material, which is decomposed into atomic carbon or low molecular carbon clusters by arc discharge or laser irradiation, and the presence of a catalyst such as Fe and Ni. Originally, carbon nanotubes, fullerenes, and the like can be obtained by cooling in a reduced-pressure inert gas atmosphere to recombine atomic or low-molecular carbon clusters.

例えば、特許文献1には、アーク放電を行う際、電極であるグラファイト表面にレーザ光照射を行い、炭素原子のアブレーションを発生させ、その炭素原子のクラスタをプラズマ中に取り込むことにより、高速度で擬一次元構造炭素化合物の膜を作製する炭素化合物の製造方法および装置が記載されている。   For example, in Patent Document 1, when performing arc discharge, laser light irradiation is performed on the surface of graphite as an electrode, ablation of carbon atoms is generated, and clusters of the carbon atoms are taken into the plasma at a high speed. A method and apparatus for producing a carbon compound for producing a film of a quasi-one-dimensional structure carbon compound is described.

また、特許文献2には、グラファイトまたはカーボンにレーザ照射することにより炭素クラスタを生成することが記載されている。   Patent Document 2 describes that carbon clusters are generated by laser irradiation of graphite or carbon.

特開平11−229124号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-229124 特開平5−179059号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-179059

しかし、従来のような、原料のグラファイトにアーク放電やレーザ照射を行う方法では、原料のグラファイトとして高純度のものを用いる必要があり、それに伴う高コスト化が問題となっている。また、原料のグラファイトに低純度のものを用いると得られる炭素クラスタの純度が低下する。   However, in the conventional method of performing arc discharge or laser irradiation on the raw material graphite, it is necessary to use high-purity graphite as the raw material graphite, and the associated high cost is a problem. In addition, if the raw material graphite is low purity, the purity of the obtained carbon cluster is lowered.

さらに、グラファイト自体、熱的に極めて安定な物質であり、グラファイトを原子状炭素や低分子炭素クラスタに分解するためには、グラファイトに大きなエネルギを供給しなければならず、これも高コスト化の要因となっている。   In addition, graphite itself is a very thermally stable substance. In order to decompose graphite into atomic carbon and low molecular carbon clusters, it is necessary to supply a large amount of energy to the graphite, which also increases the cost. It is a factor.

本発明は、低コスト及び低エネルギで良質の炭素クラスタを製造することができる炭素クラスタの製造方法である。   The present invention is a carbon cluster manufacturing method capable of manufacturing high-quality carbon clusters at low cost and low energy.

本発明は、炭素クラスタの製造方法であって、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物にレーザを照射する工程を含む。   The present invention is a method for producing a carbon cluster, and includes a step of irradiating a compound containing a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in a molecule and having no carbon-carbon bond with a laser.

また、前記炭素クラスタの製造方法において、前記化合物は、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子以外の原子を含まないことが好ましい。   In the method for producing a carbon cluster, it is preferable that the compound does not contain an atom other than a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in the molecule.

また、前記炭素クラスタの製造方法において、前記化合物は、メラミン誘導体であることが好ましい。   In the carbon cluster production method, the compound is preferably a melamine derivative.

また、前記炭素クラスタの製造方法において、前記レーザの波長は、250nm〜1500nmの範囲であることが好ましい。   In the carbon cluster manufacturing method, the wavelength of the laser is preferably in the range of 250 nm to 1500 nm.

また、前記炭素クラスタの製造方法において、結晶状態の前記化合物にレーザを照射することが好ましい。   In the carbon cluster production method, it is preferable to irradiate the crystalline compound with a laser.

本発明において、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物にレーザを照射することにより、低コスト及び低エネルギで良質の炭素クラスタを製造することが可能な炭素クラスタの製造方法を提供することができる。   In the present invention, a high-quality carbon cluster is produced at low cost and low energy by irradiating a compound having a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in the molecule and having no carbon-carbon bond. It is possible to provide a method for producing a carbon cluster capable of satisfying the requirements.

本発明の実施の形態について以下説明する。なお、本明細書で「炭素クラスタ」とは、複数の炭素原子が結合して形成された集合体のことをいう。具体的には、炭素数2〜30程度の低分子炭素クラスタのことを指し、原子状炭素をも含む。   Embodiments of the present invention will be described below. In the present specification, the “carbon cluster” refers to an aggregate formed by combining a plurality of carbon atoms. Specifically, it refers to a low molecular carbon cluster having about 2 to 30 carbon atoms, and includes atomic carbon.

本発明の実施形態に係る炭素クラスタの製造装置の一例の概略を図1に示し、その構成について説明する。炭素クラスタ製造装置1は、レーザ発信器10と、基板設置台12と、チャンバ14と、配管16と、真空ポンプ18と、加熱手段20とを備える。   An outline of an example of a carbon cluster production apparatus according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. The carbon cluster manufacturing apparatus 1 includes a laser transmitter 10, a substrate mounting table 12, a chamber 14, a pipe 16, a vacuum pump 18, and a heating unit 20.

図1の炭素クラスタ製造装置1において、チャンバ14内の上方にレーザ発信器10、下方に基板設置台12が設置されている。チャンバ14には配管16を介して真空ポンプ18が接続されている。また、チャンバ14には加熱手段20が設置されている。   In the carbon cluster manufacturing apparatus 1 of FIG. 1, a laser transmitter 10 is installed above a chamber 14 and a substrate mounting table 12 is installed below. A vacuum pump 18 is connected to the chamber 14 via a pipe 16. The chamber 14 is provided with a heating means 20.

レーザ発信器10は、250nm〜1500nmの範囲の波長のレーザを発振させることができるものであればよく特に制限はないが、例えば、YAGレーザ,ルビーレーザ,ガラスレーザ等の固体レーザ、GaAsレーザ,InGaAsPレーザ等の半導体レーザ、COレーザ,Nレーザ,Arレーザ,He−Neレーザ等の気体レーザ、KrFレーザ,ArFレーザ,XeClレーザ,XeFレーザ等のエキシマレーザ、色素レーザ等のレーザを用いることができる。 The laser transmitter 10 is not particularly limited as long as it can oscillate a laser having a wavelength in the range of 250 nm to 1500 nm. For example, a solid laser such as a YAG laser, a ruby laser, and a glass laser, a GaAs laser, Lasers such as semiconductor lasers such as InGaAsP lasers, gas lasers such as CO 2 lasers, N 2 lasers, Ar lasers, and He—Ne lasers, excimer lasers such as KrF lasers, ArF lasers, XeCl lasers, XeF lasers, and dye lasers are used. be able to.

基板設置台12は、炭素クラスタ製造用原料22を載せたステンレス等の金属製のプレート24を設置するための台である。また、基板設置台12上に直接炭素クラスタ製造用原料22を載せてもよい。   The substrate mounting table 12 is a table for installing a metal plate 24 such as stainless steel on which the carbon cluster manufacturing raw material 22 is placed. Further, the carbon cluster production raw material 22 may be placed directly on the substrate mounting table 12.

真空ポンプ18は、チャンバ14の内部を真空状態、減圧状態にするためのものであり、公知の真空ポンプを用いることができる。   The vacuum pump 18 is for bringing the inside of the chamber 14 into a vacuum state or a reduced pressure state, and a known vacuum pump can be used.

加熱手段20は、チャンバ14の内部を加熱して温度制御するためのものであり、公知のヒータ等を用いることができる。   The heating means 20 is for controlling the temperature by heating the inside of the chamber 14, and a known heater or the like can be used.

本実施形態に係る炭素クラスタの製造方法及び炭素クラスタ製造装置1の動作について説明する。本発明の実施形態に係る炭素クラスタの製造方法において、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合(C−C結合、C=C結合、C≡C結合)を有さない化合物にレーザを照射する工程を含む。   An operation of the carbon cluster manufacturing method and the carbon cluster manufacturing apparatus 1 according to the present embodiment will be described. In the method for producing a carbon cluster according to the embodiment of the present invention, a carbon atom, a nitrogen atom, and a hydrogen atom are included in the molecule, and a carbon-carbon bond (C—C bond, C═C bond, C≡C bond) is formed. A step of irradiating a compound which does not exist with laser irradiation.

まず図1に示すチャンバ14内の基板設置台12上に、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物である炭素クラスタ製造用原料22を載せたステンレス製等のプレート24を設置する。その後、真空ポンプ18を作動させ、チャンバ14内を真空状態にする。また必要に応じて、加熱手段20を作動させ、チャンバ14内を所定の温度に設定する。条件が整った後、レーザ発信器10よりレーザ26を炭素クラスタ製造用原料22に照射し、炭素クラスタ製造用原料22の化学結合を切断し、炭素クラスタを生成させる。   First, a carbon cluster production raw material 22 which is a compound containing a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in the molecule and having no carbon-carbon bond is placed on the substrate mounting table 12 in the chamber 14 shown in FIG. A stainless steel plate 24 is installed. Thereafter, the vacuum pump 18 is operated to bring the chamber 14 into a vacuum state. If necessary, the heating means 20 is operated to set the inside of the chamber 14 to a predetermined temperature. After the conditions are met, the laser transmitter 10 irradiates the carbon cluster production raw material 22 with the laser 26 to cut the chemical bonds of the carbon cluster production raw material 22 to generate carbon clusters.

このとき、炭素クラスタ製造用原料22中には炭素−炭素結合が含まれないため、化合物に含まれる炭素原子は分解時に原子状態で気化するが、時間の経過とともに炭素原子同士が結合し、炭素クラスタを形成する。炭素クラスタ製造用原料22中に炭素−炭素結合が含まれると分解時に炭素が原子状態になりにくいため、炭素クラスタを生成しにくくなる。炭素クラスタ製造用原料22中に含まれる窒素原子や水素原子も分解直後には原子状態で気化するが、瞬時に窒素分子や水素分子あるいはアンモニアとなり安定化する。   At this time, since carbon-carbon bonds are not included in the carbon cluster production raw material 22, carbon atoms contained in the compound are vaporized in an atomic state at the time of decomposition. Form a cluster. If a carbon-carbon bond is included in the carbon cluster manufacturing raw material 22, it is difficult for carbon to be in an atomic state at the time of decomposition, so that it is difficult to generate carbon clusters. Nitrogen atoms and hydrogen atoms contained in the carbon cluster production raw material 22 are also vaporized in an atomic state immediately after decomposition, but instantly become nitrogen molecules, hydrogen molecules or ammonia and are stabilized.

本実施形態において、炭素クラスタ製造用原料22として用いる、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物としては、環状化合物でも鎖状化合物であってもよい。また、生成したクラスタ中に炭素原子からなる炭素クラスタ以外のクラスタの含有量が少ない良質の炭素クラスタを生成させるために、上記化合物は、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子以外の原子を含まない、すなわち上記化合物は、炭素原子、窒素原子及び水素原子からなることが好ましい。分子内に酸素原子、硫黄原子等を含むと、生成したクラスタ中に炭素原子からなる炭素クラスタ以外のクラスタの含有量が増える傾向にある。ここで、本明細書において、分子内に「炭素−炭素結合を有さない」あるいは「炭素原子、窒素原子及び水素原子以外の原子を含まない」とは、炭素クラスタ製造用原料22として用いる化合物の分子内に含まないという意味であって、分子内に「炭素−炭素結合を有する」あるいは「炭素原子、窒素原子及び水素原子以外の原子を含む」化合物が炭素クラスタ製造用原料22に不純物として含まれる場合があってもよいことはいうまでもない。また、上記化合物は、炭素原子と気体として存在し得る元素とからなる化合物であってもよい。   In the present embodiment, the compound used as the carbon cluster production raw material 22 and containing a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in the molecule and having no carbon-carbon bond is a cyclic compound or a chain compound. Also good. In addition, in order to generate a high-quality carbon cluster in which the content of the cluster other than the carbon cluster consisting of carbon atoms is small in the generated cluster, the above compound contains atoms other than carbon atoms, nitrogen atoms and hydrogen atoms in the molecule. It does not contain, that is, the compound is preferably composed of a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom. If the molecule contains oxygen atoms, sulfur atoms, etc., the content of clusters other than carbon clusters composed of carbon atoms tends to increase in the generated clusters. Here, in the present specification, “not having a carbon-carbon bond” or “not containing an atom other than a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom” in the molecule means a compound used as a raw material 22 for producing a carbon cluster. In the molecule, and a compound “having a carbon-carbon bond” or “containing an atom other than a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom” in the molecule as an impurity in the carbon cluster production raw material 22 Needless to say, it may be included. Further, the compound may be a compound composed of a carbon atom and an element that can exist as a gas.

上記化合物としては、分解温度が500℃以下であることが好ましい。分解温度が500℃を越えると、低エネルギでのクラスタ生成が困難となる場合がある。   As said compound, it is preferable that decomposition temperature is 500 degrees C or less. When the decomposition temperature exceeds 500 ° C., it may be difficult to generate clusters with low energy.

また、上記化合物としては、例えば、メラミン誘導体等が挙げられる。上記化合物は、低コストであること、入手が容易であること、比較的低温で分解可能であること等から、下記構造式で示されるメラミン誘導体であることが好ましく、特にメラミンが好ましい。   Moreover, as said compound, a melamine derivative etc. are mentioned, for example. The above compound is preferably a melamine derivative represented by the following structural formula, particularly melamine, because of its low cost, availability, and decomposability at a relatively low temperature.

Figure 2007031231
Figure 2007031231

上記構造式において、nは1以上の整数で、nは1〜100の整数であることが好ましい。nが100を超えるとレーザで分解することが困難になる場合がある。   In the above structural formula, n is an integer of 1 or more, and n is preferably an integer of 1 to 100. If n exceeds 100, it may be difficult to decompose with a laser.

また、上記化合物に要求される純度としては、不純物が1.0%以下、好ましくは0.1%以下である。上記化合物の純度は、例えば、高速液体クロマトグラフィ、ガスクロマトグラフィにより求めることができる。また、上記化合物は、再結晶法、カラムクロマトグラフィ法、昇華精製法、懸濁洗浄法等により精製して、容易に上記純度にすることができる。   Further, the purity required for the above compound is 1.0% or less, preferably 0.1% or less, of impurities. The purity of the compound can be determined by, for example, high performance liquid chromatography or gas chromatography. Moreover, the said compound can be easily refined | purified by the recrystallization method, the column chromatography method, the sublimation purification method, the suspension washing | cleaning method etc., and can be easily made into the said purity.

炭素クラスタ製造用原料22にレーザを照射するときは、炭素クラスタ製造用原料22をアルコール系溶媒、ケトン系溶媒等の溶媒に溶解してプレート24上に添加し溶媒を蒸発させたものにレーザを照射してもよいが、良質の炭素クラスタを生成させるためには、プレート24上に炭素クラスタ製造用原料22を結晶状態あるいは液体状態のままで、好ましくは結晶状態のままで載せてレーザを照射することが好ましい。   When irradiating the carbon cluster manufacturing raw material 22 with a laser, the carbon cluster manufacturing raw material 22 is dissolved in a solvent such as an alcohol-based solvent or a ketone-based solvent, added onto the plate 24, and evaporated to remove the laser. Irradiation may be performed, but in order to generate high-quality carbon clusters, the carbon cluster production raw material 22 is placed on the plate 24 in a crystalline state or in a liquid state, preferably in a crystalline state, and laser irradiation is performed. It is preferable to do.

照射するレーザの波長は、上記化合物を分解させることができればよく特に制限はないが、通常のレーザの波長範囲である250nm〜1500nmの範囲であることが好ましく、250nm〜400nmの範囲であることがより好ましい。レーザはパルス状で炭素クラスタ製造用原料22へ照射してもよい。   The wavelength of the laser to be irradiated is not particularly limited as long as the compound can be decomposed, but is preferably in a range of 250 nm to 1500 nm, which is a wavelength range of a normal laser, and is in a range of 250 nm to 400 nm. More preferred. The laser may be irradiated to the carbon cluster manufacturing raw material 22 in a pulse form.

照射するレーザの出力は、炭素クラスタ製造用原料22を分解させることができればよく特に制限はないが、100J/cm〜10kJ/cmの範囲であることが好ましく、1kJ/cm〜5kJ/cmの範囲であることがより好ましい。使用するレーザの出力が100J/cm未満であると、十分に炭素クラスタ製造用原料22を分解させることができない場合がある。また、分解させる炭素クラスタ製造用原料22の種類にもよるが、10kJ/cmを超える過度の強度は必要ない。 The output of the laser to be irradiated is not good particularly limited as long as it can decompose the carbon cluster raw material for producing 22, is preferably in the range of 100J / cm 2 ~10kJ / cm 2 , 1kJ / cm 2 ~5kJ / A range of cm 2 is more preferable. If the output of the laser used is less than 100 J / cm 2 , the carbon cluster production raw material 22 may not be sufficiently decomposed. Further, although it depends on the type of carbon cluster production raw material 22 to be decomposed, an excessive strength exceeding 10 kJ / cm 2 is not necessary.

炭素クラスタ製造用原料22へのレーザの照射時間は、炭素クラスタ製造用原料22を分解させることができればよく特に制限はないが、500psec〜1msecの範囲であることが好ましく、1nsec〜1msecの範囲であることがより好ましい。レーザの照射時間が500psec未満であると、十分に炭素クラスタ製造用原料22を分解させることができない場合がある。また、分解させる炭素クラスタ製造用原料22の種類にもよるが、1msecを超える過度の照射時間は必要ない。   The irradiation time of the laser to the carbon cluster production raw material 22 is not particularly limited as long as the carbon cluster production raw material 22 can be decomposed, but is preferably in the range of 500 psec to 1 msec, and in the range of 1 nsec to 1 msec. More preferably. If the laser irradiation time is less than 500 psec, the carbon cluster production raw material 22 may not be sufficiently decomposed. Further, although it depends on the type of carbon cluster production raw material 22 to be decomposed, an excessive irradiation time exceeding 1 msec is not necessary.

炭素クラスタ製造用原料22へのレーザの照射時の周囲雰囲気の温度は、炭素クラスタ製造用原料22を分解させることができればよく特に制限はないが、0℃〜350℃の範囲であることが好ましい。レーザの照射時の周囲雰囲気の温度が0℃未満であると、炭素数の大きな20以上のクラスタが生成されにくい。   The temperature of the ambient atmosphere at the time of laser irradiation of the carbon cluster production raw material 22 is not particularly limited as long as the carbon cluster production raw material 22 can be decomposed, but is preferably in the range of 0 ° C to 350 ° C. . When the temperature of the ambient atmosphere at the time of laser irradiation is less than 0 ° C., a cluster having 20 or more carbon atoms with a large carbon number is hardly generated.

炭素クラスタ製造用原料22へのレーザの照射時の装置内の圧力(真空度)は、炭素クラスタ製造用原料22を分解させることができればよく特に制限はないが、100hPa以下であることが好ましく、10hPa以下であることがより好ましい。レーザの照射時の装置内の圧力が100hPaを超えると、十分に炭素クラスタ製造用原料22を分解させることができない場合がある。   The pressure (degree of vacuum) in the apparatus at the time of laser irradiation of the carbon cluster production raw material 22 is not particularly limited as long as the carbon cluster production raw material 22 can be decomposed, but is preferably 100 hPa or less. More preferably, it is 10 hPa or less. If the pressure in the apparatus during laser irradiation exceeds 100 hPa, the carbon cluster production raw material 22 may not be sufficiently decomposed.

炭素クラスタ製造用原料22へのレーザの照射時において、チャンバ14内を真空状態にする代わりに、N,Ar等の不活性ガス雰囲気としてもよく、また、減圧不活性ガス雰囲気としてもよい。レーザ照射時に酸素が存在すると、生成した炭素クラスタが酸素と反応してしまい、生成効率が低下する場合がある。 When irradiating the carbon cluster manufacturing raw material 22 with a laser, an inert gas atmosphere such as N 2 or Ar may be used instead of making the inside of the chamber 14 into a vacuum state, or a reduced pressure inert gas atmosphere may be used. If oxygen is present at the time of laser irradiation, the generated carbon clusters may react with oxygen, which may reduce the generation efficiency.

このようにして得られた炭素クラスタの炭素数は、雰囲気温度、圧力、雰囲気ガス等の生成条件によって変わるが、雰囲気温度が20〜25℃の室温付近では通常、炭素数5〜30の低分子炭素クラスタが得られる。雰囲気温度を高くすると生成する炭素クラスタの炭素数は増加し、雰囲気温度を低くすると生成する炭素クラスタの炭素数は減少する傾向にある。得られた炭素クラスタの炭素数は、MASSスペクトル法により確認することができる。   The carbon number of the carbon cluster obtained in this manner varies depending on the generation conditions such as the atmospheric temperature, pressure, and atmospheric gas, but is usually a low molecule having 5 to 30 carbon atoms in the vicinity of room temperature of 20 to 25 ° C. Carbon clusters are obtained. When the atmospheric temperature is raised, the carbon number of the generated carbon cluster increases, and when the atmospheric temperature is lowered, the carbon number of the generated carbon cluster tends to decrease. The carbon number of the obtained carbon cluster can be confirmed by the MASS spectrum method.

このようにして得られた炭素クラスタは、触媒の存在のもとで、減圧不活性ガス雰囲気で加熱して再結合させ、冷却することにより、カーボンナノチューブ、フラーレン等を得ることができる。   The carbon clusters thus obtained can be recombined by heating in a reduced pressure inert gas atmosphere in the presence of a catalyst, and cooled to obtain carbon nanotubes, fullerenes, and the like.

触媒としては、Fe,Ni,Co等、通常カーボンナノチューブ、フラーレン等の製造に用いられるものと同様の触媒を用いることができる。触媒は、炭素クラスタ製造用原料22と混合してプレート上に載せてもよいし、基板設置台12とは別の位置にチャンバ14内に設置台を設け、触媒を載せて、レーザ照射により生成する炭素クラスタを接触させてもよい。   As the catalyst, the same catalysts as those used for the production of Fe, Ni, Co, etc., usually carbon nanotubes, fullerenes, etc. can be used. The catalyst may be mixed with the carbon cluster manufacturing raw material 22 and placed on a plate, or a catalyst is placed on the chamber 14 at a position different from the substrate setting table 12, and the catalyst is generated by laser irradiation. Carbon clusters to be contacted may be contacted.

カーボンナノチューブ、フラーレン等を得るための、生成した炭素クラスタの加熱温度は、炭素クラスタを再結合させることができればよく特に制限はないが、500℃〜1500℃の範囲であることが好ましく、500℃〜1000℃の範囲であることがより好ましい。加熱時の周囲雰囲気の温度が500℃未満であると、十分に炭素クラスタの再結合が起こらない場合があり、1500℃を超えると、再分解する場合がある。   The heating temperature of the produced carbon clusters for obtaining carbon nanotubes, fullerenes, etc. is not particularly limited as long as the carbon clusters can be recombined, but is preferably in the range of 500 ° C. to 1500 ° C., 500 ° C. It is more preferable to be in the range of ˜1000 ° C. When the temperature of the ambient atmosphere at the time of heating is less than 500 ° C., recombination of carbon clusters may not occur sufficiently, and when it exceeds 1500 ° C., re-decomposition may occur.

炭素クラスタの再結合時に使用する不活性ガスとしては、N,Ar等が挙げられる。 Examples of the inert gas used for recombination of carbon clusters include N 2 and Ar.

炭素クラスタを再結合時のチャンバ14内の圧力は、生成した炭素クラスタを再結合させることができればよく特に制限はないが、1000hPa以下であることが好ましく、100hPa以下であることがより好ましい。冷却時の装置内の圧力が1000hPaを超えると、十分に炭素クラスタの再結合が起こらない場合がある。   The pressure in the chamber 14 when recombining the carbon clusters is not particularly limited as long as the generated carbon clusters can be recombined, but is preferably 1000 hPa or less, and more preferably 100 hPa or less. When the pressure in the apparatus during cooling exceeds 1000 hPa, recombination of carbon clusters may not occur sufficiently.

炭素クラスタを再結合させた後、チャンバ14内を冷却することにより、カーボンナノチューブ、フラーレン等が触媒を核にして生成する。冷却温度は、カーボンナノチューブ、フラーレン等が充分に成長することができればよく特に制限はないが、500℃〜1500℃の範囲であることが好ましく、500℃〜1000℃の範囲であることがより好ましい。冷却時の周囲雰囲気の温度が1500℃を超えると、クラスタの再分解が起こり、500℃未満であると、カーボンナノチューブ、フラーレン等の成長が十分に起こらない場合がある。   After the carbon clusters are recombined, the inside of the chamber 14 is cooled, so that carbon nanotubes, fullerenes, and the like are generated using the catalyst as a nucleus. The cooling temperature is not particularly limited as long as carbon nanotubes, fullerenes and the like can sufficiently grow, but is preferably in the range of 500 ° C to 1500 ° C, and more preferably in the range of 500 ° C to 1000 ° C. . When the temperature of the ambient atmosphere during cooling exceeds 1500 ° C., re-decomposition of clusters occurs, and when it is lower than 500 ° C., growth of carbon nanotubes, fullerene, etc. may not occur sufficiently.

以上のように本実施形態において、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物、特に分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子のみを含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物、にレーザを照射することにより、低エネルギで良質の炭素クラスタを製造することができる。また、従来炭素クラスタの生成原料として使用されているグラファイトの気化温度が5000℃であるのに対して、上記化合物、例えばメラミンの場合は、分解温度が350℃とはるかに低く、低エネルギで良質の炭素クラスタを製造することができる。   As described above, in the present embodiment, a compound containing a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in the molecule and having no carbon-carbon bond, particularly, containing only a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in the molecule, Further, by irradiating a compound having no carbon-carbon bond with a laser, a high-quality carbon cluster can be produced with low energy. Further, the vaporization temperature of graphite, which has been conventionally used as a raw material for producing carbon clusters, is 5000 ° C., whereas in the case of the above compound, for example, melamine, the decomposition temperature is much lower at 350 ° C., and it has low energy and good quality. Carbon clusters can be produced.

また、本実施形態において、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物は、コストが高純度グラファイト(不純物含有量がppmオーダ以下)に比較してはるかに低く、低コストで良質の炭素クラスタを製造することができる。また、上記化合物は容易に精製することができ、炭素クラスタ製造用原料を高純度とすることができる。   In this embodiment, a compound containing a carbon atom, a nitrogen atom, and a hydrogen atom in the molecule and having no carbon-carbon bond has a cost higher than that of high-purity graphite (impurity content is in the order of ppm or less). Can produce good quality carbon clusters at a much lower cost. Moreover, the said compound can be refine | purified easily and the raw material for carbon cluster manufacture can be made into high purity.

また、良質の炭素クラスタを容易に製造することができるので、容易に高収率でカーボンナノチューブ、フラーレン等の各種炭素ナノ材料を製造することができる。   In addition, since high-quality carbon clusters can be easily manufactured, various carbon nanomaterials such as carbon nanotubes and fullerenes can be easily manufactured with high yield.

本実施形態に係る炭素クラスタの製造方法によって得られる炭素クラスタから製造することができるカーボンナノチューブ、フラーレン、ダイヤモンドライクカーボン等の各種炭素ナノ材料は、優れた電気化学的特性、ガス吸蔵特性、機械的特性、光学的特性、化学的安定性等を有し、例えば、半導体、ダイオード、トランジスタ、電界放出ディスプレイ(FED)用エミッタ、センサ、配線材料等の各種電子材料;光スイッチ用材料等の光学材料;水素貯蔵材料、リチウム電池や燃料電池用の触媒担持材料等のエネルギ材料;複合材料;走査型プローブ顕微鏡(SPM)探針等の計測材料;抗癌剤、化粧品等の医療材料等、電子、光学、エネルギ、医療、診断等のあらゆる分野へ応用することができる。   Various carbon nanomaterials such as carbon nanotubes, fullerenes, and diamond-like carbons that can be produced from the carbon clusters obtained by the carbon cluster production method according to the present embodiment have excellent electrochemical properties, gas storage properties, mechanical properties. Various electronic materials such as semiconductors, diodes, transistors, emitters for field emission displays (FEDs), sensors, wiring materials; optical materials such as optical switch materials Energy materials such as hydrogen storage materials, catalyst support materials for lithium batteries and fuel cells; composite materials; measuring materials such as scanning probe microscope (SPM) probes; medical materials such as anticancer agents and cosmetics; electronic, optical, It can be applied to all fields such as energy, medical care and diagnosis.

以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail more concretely, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
MALDI−TOF−MASS(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometry)装置(島津製作所製AXIMA型)を用い、原料として、炭素原子、窒素原子及び水素原子からなり、炭素−炭素結合を有さない下記構造式(1)で示されるメラミン(特級グレード試薬)0.1mgを粉末状態のままステンレス製プレート上にのせた。その後、真空ポンプによりチャンバ内を真空状態(10−5Pa)とした。チャンバ内の温度は25℃に設定した。条件が整った後、波長337nm、強度1kJ/cmの窒素レーザを照射時間1nsecでパルス状で上記化合物に照射し、炭素クラスタを生成させ、MASSスペクトルを測定した。測定条件は下記の通りである。生成物のMASSスペクトルを図2に示す。
Example 1
A MALDI-TOF-MASS (Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization Time of Flight Mass Spectrometry) device (Shimadzu Corporation AXIMA type) is used as a raw material, consisting of carbon atoms, nitrogen atoms and hydrogen atoms. Not 0.1 mg of melamine (special grade reagent) represented by the following structural formula (1) was placed on a stainless steel plate in a powder state. Thereafter, the chamber was evacuated (10 −5 Pa) by a vacuum pump. The temperature in the chamber was set to 25 ° C. After the conditions were met, the compound was irradiated with a nitrogen laser having a wavelength of 337 nm and an intensity of 1 kJ / cm 2 in a pulsed manner for an irradiation time of 1 nsec to generate carbon clusters, and a MASS spectrum was measured. The measurement conditions are as follows. The MASS spectrum of the product is shown in FIG.

Figure 2007031231
Figure 2007031231

なお、MASSスペクトルの測定条件は、リフレクトロンモードにて、試料表面の1mm×1mmの範囲でラスタスキャンし、100回積算した。検出イオンはポジティブイオンとした。   Note that the measurement conditions of the MASS spectrum were raster scan in the range of 1 mm × 1 mm on the sample surface in the reflectron mode, and integrated 100 times. Detection ions were positive ions.

図2に示すMASSスペクトルからわかるように、メラミンにレーザを照射することにより、炭素クラスタを得ることができた。炭素原子、窒素原子及び水素原子からなり、炭素−炭素結合を有さないメラミンを原料として使用することにより、生成したクラスタ中に炭素原子のみからなる炭素クラスタ以外のクラスタの含有量が少ない良質の炭素クラスタ(炭素数5〜27)を得ることができた。   As can be seen from the MASS spectrum shown in FIG. 2, carbon clusters could be obtained by irradiating the melamine with a laser. By using melamine, which consists of carbon atoms, nitrogen atoms and hydrogen atoms and does not have carbon-carbon bonds, as a raw material, the generated cluster has a low content of clusters other than carbon clusters consisting only of carbon atoms. Carbon clusters (5 to 27 carbon atoms) could be obtained.

本発明の実施形態に係る炭素クラスタ製造装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the carbon cluster manufacturing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施例1において得られた生成物のMASSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the MASS spectrum of the product obtained in Example 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 炭素クラスタ製造装置、10 レーザ発信器、12 基板設置台、14 チャンバ、16 配管、18 真空ポンプ、20 加熱手段、22 炭素クラスタ製造用原料、24 プレート、26 レーザ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon cluster manufacturing apparatus, 10 Laser transmitter, 12 Board | substrate installation stand, 14 Chamber, 16 Piping, 18 Vacuum pump, 20 Heating means, 22 Carbon cluster manufacturing raw material, 24 Plate, 26 Laser.

Claims (5)

炭素クラスタの製造方法であって、
分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子を含み、かつ炭素−炭素結合を有さない化合物にレーザを照射する工程を含むことを特徴とする炭素クラスタの製造方法。
A method for producing a carbon cluster, comprising:
A method for producing a carbon cluster, comprising a step of irradiating a compound containing a carbon atom, a nitrogen atom and a hydrogen atom in a molecule and having no carbon-carbon bond.
請求項1に記載の炭素クラスタの製造方法であって、
前記化合物は、分子内に炭素原子、窒素原子及び水素原子以外の原子を含まないことを特徴とする炭素クラスタの製造方法。
A method for producing a carbon cluster according to claim 1, comprising:
The said compound does not contain atoms other than a carbon atom, a nitrogen atom, and a hydrogen atom in a molecule | numerator, The manufacturing method of the carbon cluster characterized by the above-mentioned.
請求項1または2に記載の炭素クラスタの製造方法であって、
前記化合物は、メラミン誘導体であることを特徴とする炭素クラスタの製造方法。
A method for producing a carbon cluster according to claim 1 or 2,
The said compound is a melamine derivative, The manufacturing method of the carbon cluster characterized by the above-mentioned.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素クラスタの製造方法であって、
前記レーザの波長は、250nm〜1500nmの範囲であることを特徴とする炭素クラスタの製造方法。
It is a manufacturing method of the carbon cluster according to any one of claims 1 to 3,
The method for producing a carbon cluster, wherein the wavelength of the laser is in the range of 250 nm to 1500 nm.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭素クラスタの製造方法であって、
結晶状態の前記化合物にレーザを照射することを特徴とする炭素クラスタの製造方法。
It is a manufacturing method of the carbon cluster of any one of Claims 1-4,
A method for producing a carbon cluster, comprising irradiating the compound in a crystalline state with a laser.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104317230A (en) * 2014-11-04 2015-01-28 杭州电子科技大学 Data acquisition circuit based on PNI magnetic sensor

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