JP2009013004A - 導電性カーボンナノチューブハニカムフィルムの作製 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 カルボキシルアニオン基を有するカーボンナノチューブ(例えば、切断された単層カーボンナノチューブ)とカチオン性脂質とから成るポリイオンコンプレックスの有機溶媒分散溶液を60%以上の相対湿度下に基板上にキャストしてキャストフィルムを作製した後、前記キャストフィルムに酸処理を施して前記カチオン性脂質を除去することにより、ハニカム状構造の導電性カーボンナノチューブフィルムを製造する。
【選択図】 図6
Description
369, 387-389(1994):非特許文献1)。これは、溶媒の蒸発潜熱によって空気中の水分子が溶液表面に結露し、その結露した水滴を鋳型にして規則性の高い多孔質薄膜を自発的に形成する手法である。この手法は、あらかじめ鋳型になるものを加える必要がない点で非常に簡便な手法である。これまでに、様々なポリマーやポリイオンコンプレックスを用いた多孔質薄膜形成に関する研究がなされてきた。
Chem. Int. Ed. 43, 1146-1149(2004):非特許文献2」には、石英基板上に形成されたカーボンナノチューブに水分をキャストすることによりハニカム状のカーボンナノチューブのフィルムを調製することが報告されている。しかし、この手法では、鉄フタロシアニンを触媒とする熱分解によりカーボンナノチューブを合成しており、操作が煩雑である。
G.Widawski, M.Rawiso,B.Francois, Nature, 369, 387-389(1994) H.Liu他、Angew. Chem. Int. Ed. 43, 1146-1149(2004)
かくして、本発明は、カルボキシルアニオン基を有するカーボンナノチューブとカチオン性脂質とから成るポリイオンコンプレックスの有機溶媒分散溶液を60%以上の相対湿度下に基板上にキャストしてキャストフィルムを作製する工程、および前記キャストフィルムに酸処理を施して前記カチオン性脂質を除去する工程、を含むことを特徴とするハニカム状構造の導電性カーボンナノチューブフィルムを製造する方法を提供するものである。
第43回化学関連支部合同九州大会 予稿集、平成18年7月8日発行、"絶縁性のSWNTハニカムフィルムの作製"
以下に本発明の特徴を更に具体的に示すため実施例を記すが、本発明は以下の実施例によって制限されるものではない。
<ポリイオンコンプレックスの合成>
混酸(濃H2SO4:濃HNO3=3:1(v/v))にSWNTsを加え、40℃で3時間超音波照射後、吸引ろ過により黒色固体を回収し切断SWNTs(s-SWNTs)とした。このs-SWNTsを10mM NaHCO3水溶液に加え1 時間超音波照射後、遠心分離を10000gで1時間行い、上澄みをデカンテーションすることによりs-SWNTs可溶化溶液(水溶液)を調製した(溶液Aとする)。
トリドデシルメチルアンモニウムクロリド(3C12N+Cl-)水溶液を30分間超音波照射し、透明溶液を得た(溶液Bとする)。
溶液Aに溶液Bを加え2日間静置することにより、s-SWNTs/3C12N+由来と思われる黒色の生成物が確認された。その後2260gで1時間遠心分離を行い、上澄みをデカンテーションし再びmilli-Q水を加え洗浄した。この操作を計3回繰り返し、一晩減圧乾燥することにより黒色固体を回収した。FT-IRスペクトル測定およびXPS測定により黒色固体がポリイオンコンプレックスs-SWNTs/3C12N+であることを同定した。また、s-SWNTsとこのイオンコンプレックスは概算でs-SWNTs:3C12N+=1:1(w/w)で反応していることが分かった。
上記のように合成したポリイオンコンプレックスのクロロホルム分散溶液(濃度:1.0mg/mL)を、親水処理したガラス基板上に、相対湿度約80%で40μLキャストし、キャストフィルムを作製した。このキャストフィルムの形態観察を光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)により行った。顕微鏡観察の結果(図4)、ハニカム構造の形成が確認され、その孔径は4-20μm程度、高さは5μm程度であることが分かった。
ハニカム構造の孔径を、クロロホルム分散溶液中のポリイオンコンプレックスの濃度、(相対)湿度、および溶媒の種類を変えることにより制御した。濃度変化(0.1〜3.0mg/mL)については、ポリイオンコンプレックスの濃度が0.25mg/mL以下ではパターン形成が生じないことが顕微鏡観察により確認された。これは、パターン形成に必要なコンプレックスの量が十分でなかった為だと考える。また、高濃度ほどハニカム構造体の孔径は小さくなることが分かった。これは、高濃度ほど蒸気圧が高くなり、その結果溶媒の蒸発速度が高くなった為だと考えられる。また、湿度変化(相対湿度48〜90%)に対しては、低湿度(相対湿度50%以下)ではパターン形成せず、高湿度になるほど孔径は大きくなることが分かった。これは、低湿度では鋳型となる微小水滴が十分に発生せず、高湿度になるほど微小水滴が凝集しやすい為だと考えられる。溶媒に対しては、高沸点の溶媒(ジクロロメタン<クロロホルム<ベンゼン<トルエン)ほど、孔径は大きくなることが分かった。この結果は濃度変化の場合と同様に、高沸点の溶媒ほど蒸発速度が遅い為だと考えられる。
<酸処理による導電性発現>
実施例1で作製したパターンフィルムの物性評価を行う為、表面抵抗率測定を行ったが機器の測定限界以上(>108ohm/square)であった。これは、s-SWNTsが絶縁性である3C12N+に覆われているためと考えられる。そこで、作製したパターンフィルムを2.2mMのp-トルエンスルホン酸のメタノール溶液に18時間浸漬した。FT-IRスペクトル測定、XPS 測定によりイオン交換反応が進行し、3C12N+(カチオン性脂質)が除去されたことを確認した。図5にFT-IRスペクトル測定の結果を示す。図5中、(I)は酸処理(イオン交換)前、(II)は酸処理後のキャストフィルムのFT-IRスペクトルである。(II)にはカチオン性脂質の長鎖アルキル基のCH振動の吸収がないことからカチオン性脂質が除去されることが理解される。
ガラス基板の代わりに他の基板でもパターニングによる導電性CNTsハニカムフィルムの作製が可能かどうかをPETフィルムおよびシリコンウェハーを用いて検討した。ガラス基板の場合と同様に、親水処理した基板上に、ポリイオンコンプレックスのクロロホルム分散溶液をキャストして作製した。SEM観察の結果、PETフィルムおよびシリコンウェハーにおいてもガラス基板と同様にハニカム状構造のCNTsのパターニングが可能であった(図8参照)。また、p−トルエンスルホン酸のメタノール溶液を用いる酸処理(イオン交換)による3C12N+の除去も可能であり、表面抵抗率はガラス基板の場合とほぼ同等の値を示すことが分かった。
Claims (6)
- カルボキシルアニオン基を有するカーボンナノチューブとカチオン性脂質とから成るポリイオンコンプレックスの有機溶媒分散溶液を60%以上の相対湿度下に基板上にキャストしてキャストフィルムを作製する工程、および前記キャストフィルムに酸処理を施して前記カチオン性脂質を除去する工程、を含むことを特徴とするハニカム状構造の導電性カーボンナノチューブフィルムを製造する方法。
- カーボンナノチューブとして、切断された単層カーボンナノチューブを用いることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 基板として、ガラス板、プラスチックフィルムまたはシリコンウェハーを用いることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- カチオン性脂質として、トリドデシルメチルアンモニウムクロリドを用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 有機溶媒として、非極性または低極性溶媒を用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- 酸処理にp−トルエンスルホン酸を用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
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