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
【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。
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。
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。
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
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
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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)
- 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。 - 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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