JP2012001423A - 半導体型カーボンナノチューブの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、半導体型カーボンナノチューブの製造方法に関するものである。
【解決手段】本発明の半導体型カーボンナノチューブの生成方法は、基板に、血液を含む触媒予備体を堆積させる第一ステップと、前記触媒予備体に含まれた有機物質を除去して、血液に含まれた鉄を酸化して鉄の酸化物を形成する第二ステップと、前記鉄の酸化物を還元させて鉄ナノ粒子を形成する第三ステップと、前記鉄ナノ粒子を触媒として半導体型カーボンナノチューブを生成する第四ステップと、を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体型カーボンナノチューブの製造方法に関するものである。
カーボンナノチューブは1991年に発見された新しい一次元ナノ材料となるものである。カーボンナノチューブは高引張強さ及び高熱安定性を有し、また、異なる螺旋構造により、金属にも半導体にもなる。カーボンナノチューブは、理想的な一次元構造を有し、優れた力学機能、電気機能及び熱学機能などを有するので、材料科学、化学、物理などの科学領域、例えば、フィールドエミッタ(field emitter)を応用した平面ディスプレイ、単一電子デバイス、(single−electron device)、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)のプローブ、熱センサー、光センサー、フィルターなどに広く応用されている。
従来のCVD法、レーザー法及びアーク放電法により生成した単層カーボンナノチューブには、金属型及び半導体型カーボンナノチューブが混合している。一般に、金属型カーボンナノチューブと半導体型カーボンナノチューブとの比率は、2:1である。純な半導体型カーボンナノチューブを得るために、金属型カーボンナノチューブと半導体型カーボンナノチューブとを分離させ、又は金属型カーボンナノチューブを転換させる方法が公開されている。しかし、前記方法は非常に複雑である。且つ、前記方法により、カーボンナノチューブが損傷する問題がある。
本発明の半導体型カーボンナノチューブの生成方法は、基板に、血液を含む触媒予備体を堆積させる第一ステップと、前記触媒予備体に含まれた有機物質を除去して、血液に含まれた鉄を酸化して鉄の酸化物を形成する第二ステップと、前記鉄の酸化物を還元させて鉄ナノ粒子を形成する第三ステップと、前記鉄ナノ粒子を触媒として半導体型カーボンナノチューブを生成する第四ステップと、を含む。
前記血液は、哺乳類の動物の血液である。
従来の技術と比べて、本発明は次の優れた点を有する。第一は、本発明の触媒予備体は、容易に獲得でき、コストが低い。第二は、本発明の製造方法により、高効率で、高比率の半導体型カーボンナノチューブを生成することができる。
本発明の半導体型カーボンナノチューブを生成するための装置の模式図である。 本発明において、基板に鉄ナノ粒子が積層された状態を示す図である。 本発明において、基板に半導体型カーボンナノチューブアレイが生成された状態を示す図である。 本発明の半導体型カーボンナノチューブアレイのラマンスペクトルである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
(実施例1)
本実施形態の半導体型カーボンナノチューブの生成方法は、基板11に、血液を含む触媒予備体12を堆積させる第一ステップと、前記触媒予備体12に含まれた有機物質を除去して、血液に含まれた鉄を酸化して鉄の酸化物を形成する第二ステップと、前記鉄の酸化物を還元させて鉄ナノ粒子を形成する第三ステップと、前記鉄ナノ粒子を触媒として半導体型カーボンナノチューブ400を生成する第四ステップと、を含む。
前記第一ステップにおいて、前記基板11は、シリカ、シリコン又は石英からなる。前記血液は、ネズミ、豚、牛などの動物の血液である。血液の主な構成は血球である。血球は、鉄含有の酸素運搬金属タンパク質を含む一種のヘモグロビンを含む。ヘモグロビンは、四つの第一鉄イオン(Fe2+)を含み、一つのグロビン及び四つのヘムからなる。ヘムはプロトポルフィリン及び一つの第一鉄イオンを含む。従って、血液は、分離した第一鉄イオン(isolated ferrous ions)を十分に提供することができる。
前記血液をスクリーン印刷法又はスピン・コーティング法により前記基板11に被覆させて、触媒予備体12を形成する。本実施例において、ウィスター系のネズミから血液を獲り、スピン・コーティング法により、40000〜5000回転/分(rpm)、30秒〜2分間で血液を前記基板11に被覆させる。前記スピン・コーティング工程において、5000回転/分及び1分間が好ましい。
前記第二ステップは、前記触媒予備体12が形成した基板11を石英管15に置く第一サブステップと、前記触媒予備体12が形成された基板11を所定の時間で第一温度で加熱させて、前記触媒予備体12の血液に含有された有機物質を除去すると同時に、前記触媒予備体12の血液に含有された第一鉄イオンを酸化させて、前記基板11に酸化鉄ナノ粒子を形成する第二サブステップと、を含む。
前記第一サブステップにおいて、前記触媒予備体12が形成された基板11を、水平に前記石英管15の中心に置くことが好ましい。前記第二サブステップにおいて、前記石英管15を水平に反応炉19に置くことができる。前記反応炉19はチューブ状であり、対向する第一表面(図示せず)及び第二表面(図示せず)を備えている。前記反応炉19は、第一吸気口191と、第二吸気口192と、排気口193と、を有する。前記第一吸気口191及び第二吸気口192は、前記第一表面に形成され、前記排気口193は、前記第二表面に形成されている。さらに、前記反応炉19は加熱素子(図示せず)を含む。該加熱素子は、前記反応炉19の中に設置した前記石英管15を加熱できる。本実施例において、前記触媒予備体12が形成された基板11を、400℃〜700℃で5〜30分間加熱させる。
前記第三ステップは、前記第一吸気口191から保護ガス(不活性ガス、例えば、窒素)を前記反応炉19の中に導入して、前記反応炉19に残留した空気を排気させる第一サブステップと、前記触媒予備体12が形成された基板11を、所定の時間で第二温度で加熱させて、前記第二吸気口192から還元ガスを前記反応炉19の中に導入する第二サブステップと、を含む。
前記第二サブステップにおいて、前記触媒予備体12が形成された基板11を、800℃〜900℃で、10〜30分間加熱させる。前記還元ガスは水素である。600sccmの流速で、前記還元ガスを10分間で前記反応炉19の中に導入して、酸化鉄ナノ粒子の数量を減少させ、前記基板11に、分離した鉄ナノ粒子300を形成する。血液は、分離した第一鉄粒子を十分に提供するので、前記基板11に複数の分離した鉄ナノ粒子300を形成することができる(図2を参照)。単一の前記鉄ナノ粒子300の寸法は、3nm以下であり、2.5nmであることが好ましい。ナノチューブの直径は触媒粒子の直径より小さいので、ヘモグロビンを利用して、触媒としての分離した鉄ナノ粒子を形成することにより、次の第四ステップにおいて、直径が小さい単層カーボンナノチューブを生成することができる。
前記第四ステップにおいては、カーボンを含むガス及びキャリアガスを同時に前記第二吸気口192から前記反応炉19の中に導入して、前記反応炉19を反応温度まで加熱させて、前記鉄ナノ粒子300を触媒としてカーボンナノチューブを生成する。前記反応温度は、800℃〜1100℃であり、900℃〜970℃であることが好ましい。キャリアガスは、カーボンを含むガスを前記反応炉19に導入するために利用され、前記反応炉19の中の気圧を調整することができる。前記キャリアガスは、窒素又は水素又は希ガスである。前記カーボンを含むガスとしては例えば、アセチレン、エチレン、メタンなどの活性な炭化水素が選択され、エチレンを選択することが好ましい。前記カーボンを含むガス及びキャリアガスの比率は、1:1〜5:1である。
本実施例において、前記キャリアガスは100sccmの流速で10分間導入し、前記カーボンを含むガスは、50sccmの流速で20分間導入する。図3を参照すると、前記分離した鉄ナノ粒子300から、複数の単層カーボンナノチューブ400が生成されている。単一の前記単層カーボンナノチューブ400の直径は、1.2nmである。
前記方法より生成された単層カーボンナノチューブ400のラマンスペクトルは図4に示されている。直径方位振動モード(radial breathing mode,RBM)での周波数が137cm−1である場合、片浦プロットにより、単層カーボンナノチューブ400が半導体型である。前記方法によって生成した単層カーボンナノチューブ400において、半導体型カーボンナノチューブは80%〜97%である。
(実施例2)
本実施例は、実施例1と比べて、次の異なる点がある。本実施例の第一ステップにおいて、触媒予備体12は血液及び溶剤からなる混合物である。前記溶剤は、生理食塩水、蒸留水又は脱イオン水である。前記血液及び溶剤の比率は1:1である。前記血液を希釈することにより、より多くの半導体単層カーボンナノチューブ400を生成することができる。
11 基板
12 触媒予備体
15 石英管
19 反応炉
191 第一吸気口
192 第二吸気口
193 排気口
300 分離した鉄ナノ粒子
400 単層カーボンナノチューブ

Claims (2)

  1. 基板に、血液を含む触媒予備体を堆積させる第一ステップと、
    前記触媒予備体に含まれた有機物質を除去して、血液に含まれた鉄を酸化して鉄の酸化物を形成する第二ステップと、
    前記鉄の酸化物を還元させて鉄ナノ粒子を形成する第三ステップと、
    前記鉄ナノ粒子を触媒として半導体型カーボンナノチューブを生成する第四ステップと、
    を含むことを特徴とする半導体型カーボンナノチューブの生成方法。
  2. 前記血液は、哺乳類の動物の血液であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体型カーボンナノチューブの生成方法。
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