JP3616818B2 - ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等として有用な、半導体特性を有し直線状で且つ配向性を有する、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
炭素原子が六角形の網目状で且つ筒状に並んだナノメートルの大きさのチューブ状炭素物質はカーボンナノチューブと呼ばれており、熱伝導率が金属よりも高く、また軽量であるにもかかわらずダイアモンドに近い強度を有しているため、様々な分野への応用が期待されている。
【0003】
このカーボンナノチューブの製造方法としては、アーク放電やレーザー加熱法が知られているが、それらの方法によって製造されたカーボンナノチューブは配向性を示さない(Science of Fullerens and Carbon Nanotubes(非特許文献1) Carbon Nanotubes and Related Structures(非特許文献2))。そこで利用価値の高い配向性を示すカーボンナノチューブの製造方法が求められていたが、最近になって化学的気相成長法を利用することによって配向した多層カーボンナノチューブが合成できることが見出された(Large−Scale Synthesis of Aligned
Carbon Nanotubes(非特許文献3))。
【0004】
また近年、カーボンナノチューブと比較してバンドギャップの広い、すなわち絶縁体特性を有する多層窒化ホウ素ナノチューブも合成できるようになった(CVD Growth of Boron Nitride Nanotubes(非特許文献4)、特開2000−109306号公報(特許文献1)、特開2002−97004号公報(特許文献2))。
【0005】
他方で、レーザーアブレーション法を用いてホウ素、炭素および窒素原子からなる三成分系ナノチューブも合成されることも知られており(特開平7−187883号公報(特許文献3))、この三成分系ナノチューブは、上記のカーボンナノチューブや多層窒化ホウ素ナノチューブあるいはその他の従来の物質にない特性を有する材料として、半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒などに利用されることが期待されている。
【0006】
しかしながらこれまでのレーザーアブレーション法によるホウ素、炭素および窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法では、製造された三成分系ナノチューブの形状が曲線状であったり、またナノチューブの層数は少ない程電子輸送に影響を及ぼす位相欠陥が少なく実用的なのであるがこれまでの三成分系ナノチューブ製造方法では層数の多いナノチューブしか合成できず、そのため高い機能や半導体特性が要求される分野において、三成分系ナノチューブの性能を十分に発現することができていなかったのである。
【0007】
【非特許文献1】
M.S.Dresselhaus et al., (米国), Academic Press, San Diego, 1996年
【非特許文献2】
P.J.F.Harris, (英国)”New Materials for the Twenty−first Century”, Cambridge University Press, 1999年
【非特許文献3】
WZ Li et al., ”Science”, (米国) 1996年 第274巻, p.1701−1703
【非特許文献4】
Oleg R.Lourie et al., ”Chemistry of Materials”, (米国), 2000年, vol. 12, No.7, p.1808−1810
【特許文献1】
特開2000−109306号公報
【特許文献2】
特開2002−97004号公報
【特許文献3】
特開平7−187883号公報
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、半導体特性を有し、直線状で且つ配向性を有するホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供することを課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第1には、カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を1500K以上2500K以下の温度で反応させることを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【0009】
第2には、この出願の発明は、第1の発明において、化学的気相成長法によって作製したカーボンナノチューブを原料として使用することを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【0010】
さらに、第3には、第1または2の発明において、加熱手段として高周波誘導加熱炉を使用することを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【0011】
また、第4には、第1ないし3のいずれかの発明において、加熱下において反応混合物から生成物を分別することを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法では、カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を1500K以上2500K以下の温度で反応させることを大きな特徴としている。このように、1500K以上2500K以下の高温でカーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を反応させることによって、数層以下、より具体的には2〜4層以下であって、半導体特性を有し、約1〜2μmの長い直線状で且つ一方向に配向性を有したホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを形成することができるのである。
【0013】
この出願の発明において、カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を1500K以上2500K以下の温度で反応させるのは、2500K以上の高温ではカーボンナノチューブの変形あるいは蒸発などが生じてしまい、また1500K以下では所望の反応が十分に進行せず、反応速度が遅く所望のナノチューブを短時間で得ることができないといった問題が発生してしまうからである。
【0014】
なお、酸化金は触媒の役割を果たすものであり、酸化金を混合することによって、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの生成率が極めて高くなるのである。
【0015】
また三成分系ナノチューブの原料として化学的気相成長法によって作製したカーボンナノチューブを使用することで、配向性を有するカーボンナノチューブを用いることができ、より配向性の高いホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを製造することが可能となる。このとき加熱手段として、汎用的な装置であって、対象物を高温に加熱するのに適した高周波誘導加熱炉を好適に使用することができる。
【0016】
そしてさらに、この出願の発明のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法は、加熱下において液状の反応混合物から固体状の生成物を分別することにより、さらに生成物の抽出量を飛躍的に増加させることができるのである。
【0017】
上記のような製造方法により製造されたホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブは、2〜4層からなり、また半導体特性を有し、長い直線状で且つ一方向に配向性を有することから、これらの特性を利用することで半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等、様々な分野の材料に応用することができるのである。
【0018】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0019】
【実施例】
<実施例1>
この出願の発明の三成分系ナノチューブの製造方法により、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造を試み、製造された三成分系ナノチューブの性質を評価した。
【0020】
まず、化学的気相成長法によって作製した配向性を有するカーボンナノチューブ、酸化ホウ素(B2O3)および酸化金(Au2O3)をグラファイト製の坩堝の中に配置した。その坩堝を高周波誘導加熱炉の中に入れ、毎分3.2リットルの流量で窒素ガスを定常的に流しながら、加熱炉内の温度を徐々に上げていき1950Kまで昇温させた。そしてこの温度のまま30分間保った後、再び2時間かけて室温まで冷却した。
【0021】
その際、加熱下において固体状の生成物である三成分系ナノチューブと液状の原料を坩堝の中で分別し、生成物を取り出した。このように生成物と液状の原料を分別することで、抽出される生成物の量を飛躍的に増加させることが可能となり、その結果約50mgのホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを得ることが可能となった。
【0022】
そしてこの粉状生成物である三成分系ナノチューブを微粉化し四塩化炭素中に分散させ、超音波をかけた後、炭素膜でコートした銅グリッド上に滴下して高分解能透過型電子顕微鏡で形態観察を行った。その結果の写真を図1に示す。
【0023】
図1(a)の写真は1本のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブであり、この写真から直線状の二層ナノチューブが形成されていることが確認できた。図1(b)の写真は個々の三成分系ナノチューブが細い束になったものであり、同図より、この出願の発明の製造方法により製造されたホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブは直線状で且つ配向性を有していることが分かる。さらに図1(c)はそれら三成分系ナノチューブが太い束になった状態を示しており、この状態においても束になった三成分系ナノチューブは一方向に配向性を有していることが分かる。
【0024】
次に、電子エネルギー損失スペクトル分析を行った。図2(a)は1本の4層三成分系ナノチューブの電子エネルギー損失スペクトルの測定結果であり、ホウ素、炭素、窒素のK吸収端がそれぞれ、188、284、401eVであることから、図2(a)より1本の4層三成分系ナノチューブにおいては、ホウ素、炭素、窒素の組成比が約0.55:1.00:0.60であることが分かった。また、図2(b)は束状の2層三成分系ナノチューブの電子エネルギー損失スペクトルの測定結果であり、束状の2層三成分系ナノチューブは、図2(b)からホウ素、炭素、窒素の組成比が約0.79:0.48:1.00であった。
【0025】
次にフレネルプロジェクション顕微鏡を使用して電荷輸送特性の測定を行った。その測定結果を図3に示す。図3(a)および(b)はそれぞれ電荷輸送特性の測定前および測定後の三成分系ナノチューブのフレネルプロジェクション顕微鏡像(写真)であり、図3(c)は電荷輸送特性の測定の結果得られた電流電圧特性曲線を示すグラフである。なお、図3(c)中の実線、鎖線および点線はそれぞれ1回目、2回目および3回目の測定結果であって、それらの電流電圧特性曲線から、バンドギャップが約1eVであって得られた三成分系ナノチューブが半導体特性を有していることが分かる。
【0026】
以上より、この出願の発明のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を用いることで、層数が2〜4の少ない層数のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを安定して形成することができ、さらに、それらの三成分系ナノチューブは直線状で一方向に配向性を有しており、バンドギャップが約1eVの半導体特性を有していることが明らかになった。
【0027】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明の製造方法によって、半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等として有用な、半導体特性を有し、直線状で且つ配向性を有しているホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを得ることができる。さらにこの出願の発明の製造方法により製造される三成分系ナノチューブは数層以下のナノチューブであることから、耐酸化性や耐熱性が優れているため、上記のような応用分野に非常に有用な材料となることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例におけるホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法により製造された三成分系ナノチューブの高分解能透過型電子顕微鏡像の写真であり、(a)は1本のナノチューブ、(b)は細い束の集合体、(c)は太い束の集合体の写真である。
【図2】この発明の実施例におけるホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法により製造された三成分系ナノチューブの電子エネルギー損失スペクトルを例示したグラフであって、(a)は1本の4層ナノチューブの測定結果であり、(b)は束状の2層ナノチューブの測定結果である。
【図3】(a),(b) フレネルプロジェクション顕微鏡による電荷輸送特性の測定前後の写真である。(c)電流電圧特性の測定結果を示すグラフである。
Claims (4)
- カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を1500K以上2500K以下の温度で反応させることを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
- 化学的気相成長法によって作製したカーボンナノチューブを原料として使用することを特徴とする請求項1に記載のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
- 加熱手段として高周波誘導加熱炉を使用することを特徴とする請求項1または2に記載のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
- 加熱下において反応混合物から生成物を分別することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
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