JP4604342B2 - カーボンナノ構造体の合成用のアーク電極 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
背景
本発明は、カーボンナノ構造体の合成用のアーク電極構造体、及び前記電極構造体を用いてカーボンナノ構造体を製造する方法に関する。更に詳しくは、本発明は、カーボン含有電極の消費、又は化学気相成長(ＣＶＤ)プロセスによってカーボンナノ構造体を合成するためのアークプラズマ放電を発生する電極の配列体に関する。生成出来るカーボンナノ構造体には、単層ナノチューブ(ＳＷＮＴ)、多層ナノチューブ(ＭＷＮＴ)、フラーレン、金属内包フラーレン、カーボンナノファイバー、及びその他のカーボン含有ナノ物質が挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
当業界では、カーボンナノ構造体は、１個のアノードと１個のカソードの間のアーク放電によって作られる。例えば、１９９９年９月２８日に公開された日本国特開平１１−２６３６０９号；Ｄ．Ｔ．Ｃｏｌｂｅｒｔ等による“Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｍａｇａｚｉｎｅ、第２６６号(１９９４年１１月８日)；Ｌｏｗｅｌｌ Ｄ．Ｌａｍｂ等の“Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ”、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｌｉｄｓ、第５４巻、第１２号、１６３５−１４３頁、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ社、英国、１９９３年；及び米国特許第６，０６３，２４３号を参照されたい。１個のアノードと１個のカソードだけを使用するので、アークプラズマ領域は限定される。更に、両電極は、互いに対向する平坦な表面を含む。平坦な電極構造だけで互いに対向するので、もし不可能でないにしても、アークプラズマの方向及び領域を制御することは難しい。従って、生成する最終のカーボンナノ構造体を制御することは難しい。更に、アークプラズマ領域以外の領域は急速に温度が下がる。アークプラズマの領域のサイズは限定されること、及びアークプラズマ領域以外の温度は低いので、反応種は急冷されて、熱間アニーリングは起こらない。反応種のこのような急冷によってアモルファスカーボンやその他の好ましくない種が多量に生成するので、カーボンナノ構造体の収量は低下することになる。従って、このような装置と方法では短いＳＷＮＴだけが生成することがある。
【０００３】
当業界のアノードは，一般的に、内部に触媒が混合されたカーボンロッドである。低い沸点又は昇華点を有する触媒は、高温の電極から簡単に離脱してしまうので広く利用されない。
【０００４】
煤の発生過程では、煤はアーク電極チャンバーの内壁に概ね堆積するのでこれを採取しなければならない。Ｌａｍｂ等の“Ｆｕｌｌｅｎｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ”に記載されているように、煤の回収は現実的に健康上の危険が伴う。従って、一般的に、時間と出費が嵩むことを意味する煤の採取は慎重に行なわれなければならない。従って、煤の採取は特に大きいチャンバーの中では厄介な仕事である。
【０００５】
最後に、従来からのアークＣＶＤ装置では有機蒸気が電極の中心から外れた入口から導入される。即ち、当業界の構造体では、ガス状反応種はアークプラズマに放電領域側に導入される。Ａｎｄｏ等の“Ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｂｙ ｔｈｅ ａｒｃ ｐｌａｓｍａ ｊｅｔ ｍｅｔｈｏｄ”、Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、３２３、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂ．Ｖ．，(２０００年６月２３日)を参照されたい。従って、有機蒸気は高熱電極によって予熱されることはなく、しかもアークプラズマ領域へは必ずしも完全にそして均等に導入されるとは限らないので、ＳＷＮＴの収量は低くなる。また、両電極とも流れる有機蒸気で冷却されない。更に、有機蒸気はアークプラズマ領域側を通るので、未使用の多量の有機蒸気も，大部分が充分に利用されないアークプラズマ領域も存在する。
【０００６】
別の典型的なＣＶＤ装置では、炉によって加熱された回転式管の中をガスが通過する。しかしながら、この管を溶融させないためにこのプロセスは約１０００℃で実施されているに過ぎない。従って、このように温度制限によって大量(最高約９０％)のガスが使用されないか又は廃棄される。従って、このプロセスは極めて効率が低い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の１つの目的は、先行技術の前述の課題を解決することである。更に詳しくは、本発明の目的は、アーク電極構造体及び関連の装置であり、それによって先行技術の前述の課題が解決される。本発明のもう１つの目的は、カーボンナノ構造体、そして特にＳＷＮＴを効率よく製造するアーク電極構造体であり、その構造体によってＳＷＮＴの収量は増大する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
最終生成物を制御出来るように、本発明は、アークプラズマの方向及び領域を調節することが出来る。即ち、本発明は、斜面を有する環状電極を含むので、アークプラズマの方向及び領域を容易に調節出来る。加えて、本電極は、斜面を含むので自動的に清掃される。即ち、斜面でなければ平坦な電極表面上に集ってしまう堆積物は、本発明の電極の斜面を滑り落ちるので、電極表面はきれいになる。更に、この電極の斜面は、触媒が沸点又は昇華点に達しても触媒を保持するように中に複数の穴を含んでいる。アーク放電の期間中は，触媒がアークプラズマ領域全体に連続的にかつ均一に分布されるようにこれらの穴の深さはいろいろである。
【０００９】
電極の片方の斜面に加えて、本発明は、第１電極の斜面に対向して配置された複数の第２電極を含む。少なくとも２個の第２電極を備えることはアークプラズマの方向及び領域が調節性に役立つ。これらの複数のアークが組み合わさって、より長い反応時間となり、大きくて、より高温のアークプラズマ領域を発生するようにこれらの第２電極は配置される。従って、反応時間が長くなると、長手のＳＷＮＴとなり、その収量は増える。
【００１０】
本発明の更なる目的は、カーボンナノ構造体を容易に収集出来て、しかも熱間アニーリング出来る電極構造体である。第１電極の中には中央貫通孔がある。この貫通孔は、更に収集箱とポンプに接続している出口管に接続している。煤が電極チャンバーの内壁に堆積しないようにポンプが中央貫通孔から煤を引いていて、収集箱に入れる。このようにして煤は簡単に安全にしかも迅速に収集される。更に、煤が高温電極の中央貫通孔から吸引される時、この煤は熱間アニーリングされることによりカーボンナノ構造体が完成される。即ち、煤が中央貫通孔に沿って移動する時、電極からの熱によって長手のＳＷＮＴを生成する長い反応時間が得られ、カーボンナノ構造体上のダングリングボンドが消滅する。
【００１１】
これとは別に、第１電極の中央貫通孔を使って電極チャンバーから煤を取り出す代わりに、中央貫通孔を使うと有機蒸気、ガス(不活性ガスを含めて)、及び触媒を電極チャンバーへ導入することが出来る。即ち、本発明の装置を使うと、離れて対向しているカーボン電極からではなく、ガス状原料からＣＶＤによってカーボンナノ構造体を作ることが出来る。従って、アークプラズマ領域に導入されるガスを選ぶことにより、カーボンナノ構造体のタイプとサイズを容易に制御出来る。ガスは電極の一方にある中央貫通孔を通って導入されるので、電極がアークプラズマ領域に達する前に予熱されることによりカーボンナノ構造体の収量は増大する。同様に、電極を通過するガスによって電極は冷却され、それによって安全性が高まり、電極の使用寿命は延びる。更に、ガスが電極の中心を通って導入され、アークプラズマ領域が中央貫通孔の上部を占めるので、ガスはアークプラズマ領域を通過しなければならず、しかもアークプラズマの比較的大きい部分が使用される。有機蒸気をこのように導入することにより、未使用ガスの量は減り、更に、カーボンナノ構造体の製造コストは下る。
【００１２】
本発明の前記及びその他の目的並びに長所は、付図を参照しながら本発明の詳細な、好ましい実施態様を説明することにより明らかになるだろう、その場合、同じ参照番号は図面全体を通して同じ部品又は対応する部品を表す。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施態様）
本発明の第１実施態様を図１−３に示している。カーボンナノ構造体の製造装置には、チャンバー１、第１電極２０、１個以上の第２電極４０、及び調節機構５０が含まれる。
【００１４】
チャンバー１はチャンバー内部５と境を接する壁２を含む。壁２は、冷却流体が壁を貫通出来る構造になっている。チャンバー内部５を冷却するように、冷却流体は、冷却流体入口部４から導入して、冷却流体出口部８から出る。更に、チャンバー内部５をガス雰囲気にすることが出来るように、チャンバー１には入口６と出口１０がある。このガス雰囲気は、例えば、ヘリウム又はアルゴンのようないずれの不活性ガスも入れることが出来る。更に、ガス雰囲気は水素、又は水素と不活性ガスの混合物を含んでもよく、約３００トル(Ｔｏｒｒ)ないし約７６０トルが一般的である。ガス雰囲気の具体的組成は、どんなカーボンナノ構造体を製造したいかによって決まる。更に、チャンバー内部５の中に配置されている第１電極２０及び１個以上の第２電極４０を、使用者が観察するためにチャンバー１には更に覗き窓１２が含まれる。
【００１５】
第１電極２０は、第１端部２１、第２端部３３及びそれらの両端部間に縦軸３１に沿って延在する本体２７を含む。この本体２７には、内部に中央が貫通していない孔２９が配置されている。即ち、中央孔２９は、第１端部２１から第２端部３３まで第１電極２０を完全に突き抜けて延在している訳ではない。第１電極２０は電源(ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ)に接続されていて、第２端部３３に取り付けられたコネクター１４によってチャンバー内部５に取り付けられている。
【００１６】
第１端部２１は中央孔２９の方へ傾斜している斜面２３を含む。斜面２３は縦軸３１に対して角度θで配置されている。図３を参照されたい。角度θは約２０°から約６０°未満が可能であるが、約３０°と約４５°の間が好ましい。斜面２３が第１電極２０の清浄化に影響を及ぼし、第１電極２０と１個以上の第２電極４０との間のアークの形状にも影響を及ぼすようにこの角度θは選ばれる。
【００１７】
斜面２３は、カーボンナノ構造体の製造中は第１電極２０の第１端部２１を清掃するのに役立つ。即ち、電圧が第１電極２０と、１個以上の第２電極４０との両端に印加されると、堆積物が第１端部２１上に生成し易い。しかしながら、斜面２３によってこの堆積物は第１端部２１から滑り落ちて中央孔２９の中に入る。角度θが大きくなるにつれて、斜面２３は水平になり堆積物は斜面から滑り落ちなくなる。
【００１８】
加えて、斜面２３は、第１電極２０と第２電極４０によって発生するアークの形状を形成するのに役立つ。必要に応じて、２個以上の第２電極４０が使用される場合、最終生成物を制御出来るように、斜面２３はアークプラズマの方向及び領域を調節出来る。即ち、角度θが小さくなるにつれて、各々第２電極４０のアークプラズマ領域は第１端部２１の中心の方へ向き、そしてアークプラズマ領域は第２電極４０の端部の上部にあるのが少なくなる、即ち、第１電極２０の斜面２３に沿って放射状に外に向かうのは少なくなる。そして２個以上の第２電極４０からのアークプラズマ領域が第１電極２０の中心へ向くと、アークは結合し、それによって反応時間を延ばす、より大きく、より高温のアークプラズマ領域を生成する。従って、カーボンナノ構造体の収量とサイズは増大する。角度θが大きくなるにつれて、第１電極２０の第１端部２１が水平になり、従来型のアーク電極構造体に近付くにつれて(即ち、θ＝９０°では)アークプラズマの方向及び領域を制御することは不可能ではないにしても、難しい。
【００１９】
図２に示すように、斜面２３は表面に複数の穴２５を配置している。穴２５は、カーボンナノ構造体の製造過程で使用される触媒を保持する。触媒は、穴２５の中に保持されるので、異なる放電に対して触媒を変更することが容易である。即ち、第１電極２０は放電過程では消費されないので、穴２５はこの形状と、触媒保持能力を維持する。従って、穴２５は中を掃除して新規の触媒を充填するだけでよい。
【００２０】
各々の穴２５は、深さは約２ｍｍから約１０ｍｍであるが、約５ｍｍが好ましい。穴２５が深過ぎると、触媒は溶融して穴の底部に沈降して従って第１電極２０の斜面２３での反応には使用出来ない。従って、触媒が溶融又は昇華する時でも触媒は穴２５中に保持されて、触媒が使用出来るように斜面２３から充分近い所にあるように深さは選ばれる。
【００２１】
更に、第１電極の第１端部２１の直径が約２０ｃｍで中央孔２９の直径が約４ｃｍの場合、各々の穴２５の直径は約３ｍｍから約１０ｍｍである。しかしながら、各々の穴２５の直径は約４ｍｍから約８ｍｍの範囲が好ましい。各々の穴２５の直径が過大になると、充分な数の穴が斜面２３上に生成出来ないので、充分な量の触媒が反応に利用出来ない。中央孔２９の直径が増大するか、又は第１電極の第１端部２１の直径が縮小すると同じようなことが当てはまるので、これらは各々約０ｃｍから約６ｃｍ、そして約５ｃｍから約３０ｃｍの範囲が可能である。また、穴２５の直径が過大であると、第１電極２０の表面積との関係で所望される分布の穴２５を得ることは難しい。
【００２２】
図２は同じ直径を有するような穴２５を示しているが、そのようなことをする必要はない。更に、穴２５が各々同じ深さである必要はない。実際には、第２電極４０が消費されるまでアーク放電の開始から絶えず触媒を供給するように、穴２５がいろいろな深さを有することが好ましい。即ち、触媒が穴２５から急速に蒸発するような浅い穴２５もあり、一方、触媒が比較的ゆっくりとしかも長時間かけて蒸発するような深い穴２５もある。重要なことは、第２電極４０が消費されるまでアーク放電の最初から蒸発によってアークプラズマ領域に触媒を絶えず供給するように、穴２５が斜面２３の全面にわたって分布されることである。存在する穴２５が多ければ多いほど、アーク放電過程で前記のような連続的に、均一に触媒を供給することがそれだけ容易に行なわれる。
【００２３】
第１電極２０は断面が円形で示されているけれども、例えば、楕円形、長方形、正方形、五角形、六角形、八角形等のようないずれのその他の断面形も使用出来る。更に、本実施態様では、第１電極２０はグラファイト(作業中の約４０００℃となるアークプラズマ温度に耐えるために)で作られ、陰極電位に接続されてカソードとなる。
【００２４】
更に、第１電極２０はアーク放電中に回転させることが可能である。第１電極２０を回転させることにより、第２電極４０が消費される間中は連続的に触媒を供給し易くなり、しかもアークプラズマ領域に均一に触媒を供給することが容易になる。即ち、第１電極２０を回転させることにより穴２５(触媒を保持している)は、アークプラズマ領域を通過するのでアークプラズマ領域の外側になることがある穴２５のなかにはアークプラズマ領域に出たり入ったりするのもある。従って、触媒はアークプラズマ領域全体に連続的にしかも比較的均等に分布される。
【００２５】
第１電極２０の斜面２３に対向するように１個以上の第２電極４０がチャンバー１に配置される。第２電極４０がもっと多数使用されると更に大きくかつ更に高温のアークプラズマ領域を生成出来る。更に、アークの集束、又は重複によってアークプラズマ領域は温度的には、更に均一になる。各第２電極４０には第１端部４１及び第２端部４２が含まれる。第１端部４１は調節機構５０に接続されている、一方、各々の第２端部と斜面２３の間に間隙４７を形成するように第２端部４２は斜面２３と向き合っている。間隙４７は、斜面２３に垂直な線に沿って第２端部４２の中心から斜面２３まで測定される、と言うのは第２電極４０はアーク放電過程で急速に消費されて、斜面２３の斜面に概ね平行な斜面となるからである。本実施態様では、第２電極は、陽極電位に、即ちアノードに接続されている。更に、本実施例では、触媒は第１電極２０の穴２５によって供給されるので、各々第２電極は純粋なカーボンで作ることが出来る。しかも純粋なカーボンロッドは中に触媒を含むカーボンロッドより高価ではない。勿論、触媒が第１電極２０の穴２５によって供給されされるとしても１個以上の第２電極４０は中に触媒を含むことが出来る。
【００２６】
調節機構５０は、第２電極４０をチャンバー１及び電源に接続する。この調節機構５０はねじ付きの植え込みボルト５４及びナット５６を含む。
【００２７】
第２電極４０が互いに調節出来るように極板５２は第２電極４０に取り付けられている。即ち、２個の第２電極４０が使用される場合、これらの電極は間隔４５によって調節出来るように離されている。第２電極４０は矢印Ｂの方向に互いに近付いたり離れたり出来るように第２電極４０は極板５２に取り付けられるので、間隔４５は調節可能である。本実施態様では、２個の第２電極４０だけしか示されていないけれども、任意の数の第２電極４０を使用出来る。第２電極４０の個数を増やすと、アークプラズマ領域の考えられるサイズが大きくなり、温度を高め、従って製造出来るカーボンナノ構造体の量が増える。３個以上の第２電極４０を使用する場合、第２電極４０の各々の間隔４５は調節可能なように、極板５２は、第２電極４０の各々が残りの第２電極４０に対して移動出来る取り付け構造体を含む。本発明の好ましい実施態様では、間隔４５は、アークの所望の組み合わせとなる約８ｃｍに設定される。多数の第２電極４０がある場合、第２電極４０は間隔４５の長さと等しい長さの直径を有する円の上に固定することが出来る。
【００２８】
加えて、ねじ付き植込みボルト５４は極板５２に取り付けられてチャンバー１の壁２を貫通して延在する。ナット５６はねじ付き植込みボルト５４と噛み合わされて極板５２と、従ってチャンバー内部５の中にある第２電極４０に取り付けられる。ナット５６とねじ付き植込みボルト５４が第２電極４０を矢印Ａの方向へ動かすので、間隙４７の隙間距離が調節される。ナット５６は手動でも、或いは自動制御装置(示されていない)によっても調節出来るので、第１電極２０に対して第２電極４０の位置が決まる。本発明の好ましい実施態様では、間隙４７の間隔は約２ｍｍから約５ｍｍ、好ましくは約２ｍｍから約３ｍｍの範囲で設定される。間隙４７が大きすぎるとアークが発生しない、一方、間隙４７が小さすぎると極めて小さいアークプラズマ領域が発生する。再び書くが、アークプラズマ領域のサイズが大きくなると反応時間は長くなり、その結果、カーボンナノ構造体が大きくなるばかりでなくこのカーボンナノ構造体の収量も高くなる。
【００２９】
調節機構の構造は本発明には重要ではなく、第２電極４０を電源に接続出来るいずれの機構でもよいばかりでなく第２電極４０の間の距離４５を調節出来、そして間隙４７を調節出来るいずれの機構でもよい。
【００３０】
本発明の実施態様を使ってＳＷＮＴを製造する好ましい操作法を下記で説明する。
【００３１】
グラファイトで作られ、斜面２３が縦軸３１に対して約３０°の角度θをなす第１電極２０を、直径約１０ｍｍの純粋なカーボンの第２電極４０の下に配置すると、好ましくない堆積物が中央が貫通していない孔２９の中に収集される。
【００３２】
斜面２３にある穴２５は、例えば、硫黄、リン、ニッケル、イットリウム、コバルト、又はそれらの混合物のような触媒で(通常は、斜面の頂部まで)充填されている。触媒のタイプは製造対象のカーボンナノ構造体のタイプによって決まる。例えば、触媒を変更することによって次の１種以上のカーボンナノ構造体を効率良く製造出来る：即ち、単層ナノチューブ(ＳＷＮＴ)；多層ナノチューブ(ＭＷＮＴ)；フラーレン；金属内包フラーレン、カーボンナノファイバー；及びその他のナノ構造体。ＳＷＮＴの製造には、硫黄触媒によって比較的大きい直径のチューブが製造される。本実施態様の重要な特徴は、グラファイトの第１電極２０が斜面２３に穴２５を含むのでこの電極２０が触媒を容易にアークプラズマ領域へ供給することである。即ち、この触媒は容易に穴２５へ導入され後、アークプラズマ領域へ提供されるのに都合がよい。更に、第１電極２０は消費されないので、穴２５はアーク放電中でもその形状を保持している。従って、この触媒が沸点又は昇華点に達した後でさえ、この穴２５はこの触媒を保持している；触媒は第１電極２０から流れ出ることはない。
【００３３】
次に、このチャンバー内部５を、Ｈｅ又はＡｒのような不活性ガス、Ｈ₂のようなガス又はそれらの混合物を含むガス雰囲気で充満させる。いずれの不活性ガスを使用してもよいけれども、Ｈ₂を含む雰囲気では比較的長手のＳＷＮＴが生成する傾向があり、一方、Ｈｅを含む雰囲気では比較的短いＳＷＮＴを生成する傾向がある(フラーレンを作るためにＨｅ雰囲気を使用しなければならないことに注目されたい)。このガス雰囲気がチャンバー内部５で形成されると、約５００torrのＨ₂の静的ガス雰囲気を維持するようにチャンバー入口６とチャンバー出口１０に付いているバルブが閉じられる。
【００３４】
第２電極４０は互いに約８ｃｍ離されていて、大きいアークプラズマ領域を有する結合アークを発生する。次いで、第１電極２０と第２電極４０は約２ｍｍないし約３ｍｍの間隙４７を挟んで互いに向き合う。
【００３５】
更に、第１電極２０は陰極電位に接続されてカソードとして作用する、一方、第２電極４０は陽極電位に接続されてアノードとして作用する。次に、約３０ないし約３５ボルトの電圧、約２００アンペアの電流の直流(ＤＣ)が第１電極２０と第２電極４０に印加されると、アーク放電によってアークプラズマ領域が発生する。このアーク放電が約３０分ないし約１時間行なわれるとアノードが消費される。第２電極４０が消費されにつれて調節機構５０が作動して、電圧を約３０ないし約３５ボルトで維持するように第２電極４０を第１電極２０の方へ移動させる。第２電極４０の消費によって生成する煤は、所望のカーボンナノ構造体を含み、チャンバー１の内壁３に堆積する。
【００３６】
前記条件のもとで約０．３ないし約１ｇ／分の煤生成速度が得られるが、その場合、ＳＷＮＴの収量は５０重量％超である。生成したＳＷＮＴは、一般的に、直径が約１．２ないし約１．８ナノメートルであり、長さは約１００マイクロメートルである。
【００３７】
本装置の前記操作ではＤＣ電圧を説明したけれども、本発明の装置を使って交流(ＡＣ)も使用出来る。更に、約２００アンペアの電流が好ましいけれども、約１００ないし約３００アンペアの電流も使用出来る。
【００３８】
（第２実施態様）
本発明の第２実施態様を図４に示している。第１実施態様に関して示し、説明した要素と類似の要素は同様な参考番号で示しているのでそのような要素の説明は省略する。
【００３９】
本発明の本実施態様では、チャンバー１は出口管１６、収集箱１８及びポンプ１９を含む。入口管１６は第１電極２０及び収集箱１８に接続されている。次に、収集箱１８はポンプ１９に接続されている。更に、第１電極２０は第１電極２０を完全に貫通していて、出口管１６に接続されている中央孔２９’を含む。
【００４０】
従って、第１電極２０と第２電極４０との間のアーク放電によって生成される煤は、ポンプ１９を運転してチャンバー内部５から収集箱１８へ移送させて容易に収集箱１８に収集出来るように、チャンバー内部５の内部はポンプに連通している。チャンバー内部５からの流量は、大量の煤が内壁面３に集まらないような充分な値に設定される。ポンプ１９がチャンバー内部５から煤とガスを吸引する時、チャンバー入口６は、チャンバー内部５の圧力を維持するように対応するガス量をチャンバー内部５へ入れることが出来る。
【００４１】
従って、本実施態様は煤を容易に収集すると言う長所を有する。この煤は、副生物と所望のカーボンナノ構造体を含んでいるが、チャンバー１の内壁面３に堆積しないで収集箱１８の中に収集される。即ち、チャンバー１の内壁面３にはそれほど多量の煤は生成しないので、時間がかかりコストが嵩み、そして多分不安全な煤の収集作業を行なう必要はない。
【００４２】
本実施態様の更なる長所は、カーボンナノ構造体が煤と一緒に第１電極２０の中央孔２９’を通る時に、この構造体が熱間アニーリング(ｈｅａｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ)されることである。第１電極２０はアーク放電により加熱される。第１電極の第１端部２１の表面は約４０００℃に達し、一方、本体２７は第１端部２１から離れて延在しているので冷めている。従って中央孔２９’に沿って温度勾配が形成される。煤がこのような温度勾配の中を通る間に、煤の中にあるカーボンナノ構造体は長時間反応させられて更に完全なものとなる。即ち、カーボンナノ構造体が第１電極２０の中央孔２９’の中を通される時、この構造体が熱間アニーリングされるとダングリングボンドが消滅する。本発明の本実施態様によって生じる反応時間が長いと、ナノチューブは、より長くもなり、収量も向上することが可能である。メタロフラーレン(ｍｅｔａｌｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎ)の製造では、このような長い反応時間が特に有利である。本発明の好ましい実施態様では、中央孔２９’が約３０ｃｍであるとカーボンナノ構造体の熱間アニーリングが可能である。
【００４３】
図４は、第１電極２０上に生成した堆積物がチャンバー内部５の底部へ滑り落ちるように第２電極４０上に配置された第１電極２０を示している。このような形態では、触媒(約７.５ないし約２０重量％の量の)が第２電極４０の中に含まれる。しかし、第１電極２０は第２電極４０の下に配置されて、従って第１実施態様のように触媒を供給するために作動することが出来る。第１電極２０を使って触媒を供給出来る長所は、第２電極４０の下に配置された第１電極２０で発生するように所望のカーボンナノ構造体と一緒に好ましくない電極堆積物を収集すると言う短所より勝っている。
【００４４】
（第３実施態様）
本発明の第３実施態様を図５に示している。第１及び第２実施態様に関連して示しかつ説明した要素と同類の要素は同様な番号で示しているので、そのような要素の説明は省略する。しかしながら、本発明の実施態様では、カーボンナノ構造体はガス状態で導入されるカーボン成分から堆積される。即ち、本実施態様はＣＶＤプロセスである。
【００４５】
本実施態様の場合、チャンバー１は、入口管１６’、及びチャンバー出口１０’を有する；チャンバー入口６は必須ではなく、必要に応じて加えることが出来る。即ち、入口管１６’は、第１電極２０の中央孔２９’に接続されてアークプラズマ領域及びチャンバー内部５にガスを供給する。アーク放電中はチャンバー内部５の圧力を一定に維持するように、等価の量のガスをチャンバー出口１０を通してチャンバー１から放出させる。
【００４６】
カーボンナノ構造体が生成する、即ち堆積することは、中央孔２９’を通って導入されるガスの成分による。即ち、カーボンナノ構造体用の触媒と原料を含むガスは、中央貫通孔２９’を通りアークプラズマ領域に供給される。このアークプラズマ領域では、カーボンナノ構造体を生成する反応が起こるほど充分なエネルギーがこのガスに加えられる。しかしながら、ガスがアークプラズマ領域に達する前に、ガスは、アーク放電によって加熱された第１電極２０の中央貫通孔２９’を通過する。従って、ガスはアークプラズマ領域に達する前に予熱される。ガスが予熱されるのでカーボンナノ構造体の更に良好な収量が達成される。
【００４７】
ガスがカーボンナノ構造体製造用の触媒及び原料を含むので、カーボンナノ構造体のサイズ及び生成量を制御することは容易である。即ち、導入されるガスの流量及び濃度が、生成されるカーボンナノ構造体のタイプ及び量を制御する。例えば、このガスは不活性ガス及び触媒と混合された有機蒸気を含むことが出来る。そのような配合物では、：有機蒸気には、ＣＨ₄、ＣＨ₂＝ＣＨ₂、ＣＨ≡ＣＨ、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₃のいずれかの１種以上を挙げることが出来る：一方、触媒には、単独又は組み合わせて使用するには、Ｓ、チオールチオフェン、Ｃ₁₀Ｈ₁₀Ｆｅ、Ｃ₁₀Ｈ₁₀Ｎｉ又はＣ₁₀Ｈ₁₀Ｃｏが挙げることが出来る。加えて、本実施態様では、水素が触媒の表面をきれいにすることにより生成するカーボンナノ構造体の収量が上がるので、チャンバー内部５はＨ₂を含む雰囲気である。水素も、有機蒸気及び触媒と一緒に導入出来る。更に、内側チャンバーは約１気圧の圧力である。
【００４８】
本実施態様では、触媒はガス状態で導入されるけれども、前記の実施態様のように触媒も第１電極２０の中にも、第２電極４０の中にも入れることが出来る。即ち、触媒は次の３つの方法のうちのいずれの１種以上の方法でアークプラズマ領域に加えることが出来る：即ち、ａ）入口管１６’を通って導入されるガスによる；ｂ）第１電極２０の中の穴２５による；又はｃ）第２電極４０による。
【００４９】
更に、本発明の構造体によってカーボンナノ構造体製造の効率が向上する。前述のように、第１電極２０の斜面２３はアークプラズマの方向及び領域を制御することが出来る。従って、適切な角度のθ、第２電極間隔４５、及び電極間隙４７を選ぶことにより、中央孔２９’の上で広い範囲にわたってアークプラズマ領域を均一に発生させることが出来る。従って、ガスは第１電極２０の中心を通って導入され、そしてアークプラズマ領域は中央孔２９’全体にわたって均一に配置されるので、アークプラズマ領域全体を更に完全に利用することによりガスは均等に消費される。即ち、ガスはアークプラズマ領域を通らなければならないので、中央孔２９’を通って導入されるガスが消費されずに残るのは極めて僅かである。更に、ガスは４０００℃の温度(一般的にＣＶＤ工程で使用される温度よりも遥かに高い）を有するアークプラズマ領域を通るので、本発明は、典型的なＣＶＤ工程の効率よりも遥かに高い効率を達成する。従って、本発明の実施態様によってカーボンナノ構造体が効率よく製造出来る。
【００５０】
斜面２３は、アークプラズマ領域を制御することが出来るので、第２電極４０を１個だけ使用することは出来るが、そのようなことは好ましいことではない。即ち、前記のようなアークプラズマ領域が中央開口部２９’を覆って配置されるように１個の第２電極４０からのアークプラズマの方向及び領域を制御することが出来る。しかしながら、そのようなアークプラズマ領域は２個以上の第２電極４０で得られる領域ほど大きくはなく、従って、２個以上の第２電極４０の場合のようにカーボンナノ構造体の大きい製造能力、収量及び品質は得られない。
【００５１】
本実施態様では、カーボンナノ構造体の製造の主な資源は、ガスの諸成分からこの構造体を形成することによる−尤も、第２電極４０の消費よって製造される部分もある。従って、一組の電極４０を用いて製造出来るカーボンナノ構造体の量を増やすアーク放電時間を延ばすために、第２電極４０の消費を遅くらすことが望ましい。アーク放電の期間を延ばすために、第１電極２０はアノードとして作用するように陽極電源に接続され、一方、第２電極４０はカソードとして作用するように陰極電源に接続される。即ち、第２電極４０の消費を遅くするために電源は第１及び第２実施態様で使用した装置から変更する。
【００５２】
第１実施態様と類似の本実施態様では、カーボンナノ構造体を含む煤はチャンバー１の内壁面に堆積する。
【００５３】
特許請求の範囲で定義される本発明の精神と範囲を逸脱することなく、本発明のアーク電極組立体に対していろいろな修正をすることが可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カーボンナノ構造体を製造する場合の、本発明の第１実施態様によるチャンバー及びアーク電極の略図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩの線に沿って切り取った、アーク電極の部分断面略図である。
【図３】図１に示すアーク電極の１個の側面略図である。
【図４】カーボンナノ構造体を製造する場合の、本発明の第２実施態様によるチャンバー及びアーク電極の略図である。
【図５】カーボンナノ構造体を製造する場合の、本発明の第３実施態様によるチャンバー及びアーク電極の略図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ チャンバー壁
３ 内壁面
４ 冷却流体入口
５ チャンバー内部
６ チャンバー入口
８ 冷却流体出口
１０ チャンバー出口
１２ 覗き窓
１４ コネクター
１６ 第１電極用の出口管
１６’ 第１電極用の入口管
１８ 収集箱
１９ ポンプ
２０ 第１グラファイト電極
２１ 第１電極の第１端部
２３ 斜面
２５ 第１電極の斜面にある穴
２７ 第１電極の本体
２９ 中央が貫通していない孔
２９’ 中央貫通孔
３１ 第１電極の縦軸
３３ 第１電極の第２端部
４０ 第２電極(類)
４１ 第２電極(類)の第１端部
４２ 第２電極(類)の第２端部
４５ 第２電極類の間隔
４７ 第１電極と第２電極との間隙
５０ 調節機構
５２ 極板
５４ ねじ付き植込みボルト
５６ ナット
Ａ 水平方向の調節
Ｂ 垂直方向の調節

Claims (16)

1. チャンバーと；第１端部、第２端部、及び前記第１端部と前記第２端部の間に延在する本体を有し、前記チャンバーの中に配置され、かつ陽電位と陰電位のうちの一方の第１電位に接続される第１電極と；第１端部及び第２端部を各々有し、前記チャンバーの中に配置され、かつ前記陽電位と陰電位のうちの他方の第２電位に接続される少なくとも２個の第２電極と；を有し、前記の少なくとも２個の第２電極の前記第２端部は、前記第２電極の各々と前記第１電極との間に間隙を形成するように前記第１電極の前記第１端部に対向して配置され、前記第１電極と前記の少なくとも２個の第２電極との少なくとも一方は、カーボンを含むカーボンナノ構造体の製造用のアーク電極組立体であって、
   前記第１電極本体がその中に中央孔を有し、縦軸を有し、前記第１電極の前記第１端 部が前記縦軸に対し斜めの方向に延在する斜面を含み、更に前記の少なくとも２個の第 ２電極の前記第２端部が前記間隙を形成するように前記斜面に対向して配置されることを特徴とするアーク電極組立体。
2. 前記中央孔が、底面を形成するように前記斜面から前記第１電極本体へ延在する貫通していない孔である、請求項１に記載のアーク電極組立体。
3. 好ましくない副生物が前記中央孔に収集されるように前記第１電極が前記の少なくとも２個の第２電極の下に配置される、請求項２に記載のアーク電極組立体。
4. 前記斜面がその中に形成された複数の穴を有する、請求項１の記載のアーク電極組立体。
5. 前記複数の穴が異なる深さの穴を含む、請求項４に記載のアーク電極組立体。
6. 前記第１電極本体は管状であって、前記チャンバーから前記中央孔を通過して物質を圧送するように構成され、前記中央孔に連通するポンプを含むように前記中央孔が前記第１電極を完全に貫通して延在する、請求項１に記載のアーク電極組立体。
7. 前記中央孔を通って圧送される物質を受け容れるように前記ポンプと前記中央孔との間に配置された収集箱を含む、請求項６に記載のアーク電極組立体。
8. 前記第２電極は互いに可動であって前記第１電極に対して可動であるように、前記第２電極の前記第１端部及び前記チャンバーに接続された調節機構を含む、請求項１に記載のアーク電極組立体。
9. 前記第１電極が前記の少なくとも２個の第２電極の下に配置されること；前記第１電極がアノードとして作用するように前記第１電位は陽であり、前記の少なくとも２個の第２電極がカソードとして作用するように前記第２電位は陰であること；及び前記第１電極本体がその中に前記中央孔を有し、前記縦軸を有し、かつ管状であること；前記中央孔は前記第１電極を完全に貫通して延在することによりガスが前記中央孔を通って前記チャンバーに導入されること；を構成とする、請求項１に記載のアーク電極組立体。
10. 前記の少なくとも２個の第２電極が互いに間隔を置いて配置され、かつ集束型アークを発生するように前記第１電極から間隔を置いて配置される、請求項１に記載のアーク電極組立体。
11. 前記第１電極が、前記の少なくとも２個の第２電極に関して回転するように取り付けられる、請求項１に記載のアーク電極組立体。
12. 前記第１電極がグラファイトで作られ、前記の少なくとも２個の第２電極がカーボンで作られる、請求項１に記載のアーク電極組立体。
13. 壁を有する前記チャンバーの中に、前記第１電極としてのグラファイト電極と、前記第２電極としての少なくとも２個のカーボン電極とが配置され、前記の少なくとも２個の第２電極は前記間隙を挟んで前記第１電極に対向すること；前記チャンバーの内部に雰囲気が供給され、前記雰囲気は不活性ガス及び第１圧力を含むこと；並びに前記の少なくとも２個の第２電極の各々と前記第１電極との間でアークを形成してカーボンナノ構造体を製造するように前記の少なくとも２個の第２電極と前記第１電極に電圧が印加されること；前記電圧が印加された時に前記アークが組み合わさるように前記の少なくとも２個の第２電極が配置されること；を構成とする、請求項１に記載のアーク電極組立体。
14. 前記第１電極が貫通孔を含み、前記ガス及びカーボンナノ構造体を前記チャンバーから吸引する吸引部を有することにより、前記カーボンナノ構造体が前記第１電極からの熱によりアニーリングされ、前記チャンバーを前記第１圧力に維持するように前記チャンバーにガスが供給される、請求項１３に記載のアーク電極組立体。
15. 前記吸引部が、前記壁に多量の煤を生成しない流量を吸引する、請求項１４に記載のアーク電極組立体。
16. 前記第１電極が貫通孔を含み、有機蒸気及び触媒が前記吸引部の孔及び前記アークを通過することにより前記チャンバーに導入され、前記触媒及び有機蒸気は前記アークを通過する前に前記第１電極により加熱される、請求項１３に記載のアーク電極組立体。

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