JP4621896B2 - 単層カーボンナノチューブおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、従来のCVD法によるカーボンナノチューブの成長においては、金属触媒の活性寿命が短く、数秒から数十秒で活性が劣化してしまい、カーボンナノチューブの成長速度もあまり大きくないという問題があり、これは量産性を妨げる原因となっていた。
Nanoletters 2, 385(2002) Hee Cheul Choi, et al., NANO LETTERS, Vol.3, No.2, 157-161(2003) Chem. Phys. Lett. vol.385, p.298(2004) Science 283, 412(1999)
〔1〕比表面積;800〜2500m 2 /g、及び蛍光X線測定による純度;98%以上を備えることを特徴とする単層カーボンナノチューブ。
〔2〕前記単層カーボンナノチューブは、中心サイズ;1〜4nmを備えることを特徴とする上記〔1〕に記載の単層カーボンナノチューブ。
〔3〕前記単層カーボンナノチューブは、中心サイズ;1.5〜4nmを備えることを特徴とする前記〔1〕または〔2〕に記載の単層カーボンナノチューブ
〔4〕比表面積が800m 2 /g以上1300m 2 /g以下であり未開口の上記〔1〕から〔3〕のいずれかに記載の単層カーボンナノチューブ。
〔5〕比表面積が1600m 2 /g以上2500m 2 /g以下であり開口している上記〔1〕から〔3〕のいずれかに記載の単層カーボンナノチューブ。
〔6〕金属触媒の厚さを制御して該金属触媒を基板上に設ける工程と、前記金属触媒からカーボンナノチューブを反応雰囲気ガス中で炭素源として炭素化合物を用いて、かつ反応雰囲気中に水蒸気、酸素、オゾン、もしくは、低級アルコール、一酸化炭素、二酸化炭素などの低炭素数の含酸素化合物、またはこれらの混合ガスを含む酸化剤を添加して気相成長法により所定の方向に配向させて比表面積;800〜2500m 2 /gの生成物を得る工程と、を備えることを特徴とする単層カーボンナノチューブの製造方法。
〔7〕前記気相成長時の温度は、その下限値を触媒を失活させる副次生成物を酸化剤により除去できる温度とし、上限値をカーボンナノチューブが前記酸化剤により酸化されない温度とする特徴とする上記〔6〕に記載の単層カーボンナノチューブの製造方法。
〔8〕上記〔6〕または〔7〕に記載の単層カーボンナノチューブの製造方法で作られた単層カーボンナノチューブを前記基板から剥離して得られたことを特徴とする配向単層カーボンナノチューブ精製物。
さらに、この出願の発明によれば、放熱体、伝熱体、導電体、光学素子、強化材、電極材料、電池、キャパシタあるいはスーパーキャパシタ、電子放出素子、吸着剤、ガス吸蔵体等への適用の他、多様な応用が実現される。
ここで、この明細書でいう純度とは、蛍光X線を用いた元素分析結果より計測された純度である(以下、同様)。
通常のカーボンナノチューブの成長過程では、成長中に触媒がアモルファスカーボンやグラファイト層などの成長中に発生する副次生成物で覆われ、触媒活性が低下し、寿命が短くなり、急速に失活する。図5に、カーボンナノチューブを成長し損ねた触媒の高分解能電顕像を示す。カーボンナノチューブを成長し損ねた触媒はすべからくアモルファスカーボンやグラファイト層などの成長中に発生する副次生成物に覆われている。副次生成物が触媒を覆うと触媒は失活する。しかし、酸化剤が存在すると、アモルファスカーボンやグラファイト層などの成長中に発生する副次生成物が酸化されてCOガスなどに変換され、触媒層から取り除かれ、このことにより、触媒の活性が高められ、触媒の寿命も延長し、結果として、カーボンナノチューブの成長が効率よく進行し、その高さが著しく増大した垂直配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体が得られるものと推定している。
(2)上記した金属、合金、酸化物の薄膜、シート、板、パウダーおよび多孔質材料
(3)シリコン、石英、ガラス、マイカ、グラファイト、ダイアモンド)などの非金属、セラミックス;これらのウェハ、薄膜
この出願の明細書において「構造体」とは、配向した単層カーボンナノチューブが複数本集まったもので、電気・電子的、光学的等の機能性を発揮するものである。
この相乗効果により、結果として、生成されるカーボンナノチューブが大幅に増加し、その高さが著しく増大した垂直配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を得ることができる。その添加量は特に制限はなく微量であってよく、製造条件により異なるが、たとえば水蒸気の場合、通常は、10ppm以上10000ppm以下、より好ましくは50ppm以上1000ppm以下、さらに好ましくは200ppm以上700ppm以下である。触媒の劣化防止と水蒸気添加による触媒活性の向上の観点から水蒸気の添加量は上記のような範囲とするのが望ましい。
さらには、計測装置は、カーボンナノチューブの合成量を計測する装置であってもよく、また、酸化剤により発生する副次生成物を計測する装置であってもよい。
この出願の発明の方法は、カーボンナノチューブを成長させる工程と触媒を失活させる副次生成物、例えば、アモルファスカーボンやグラファイト層などを破壊する工程を組み合わせ、反応を気相下で行うことを特徴としている。
放熱が要求される物品、たとえば電子物品のコンピュータの心臓部であるCPUの演算能力はさらなる高速・高集積化が要求されCPU自体からの熱発生度はますます高くなり、近い将来LSIの性能向上に限界が生じる可能性があると言われている。従来、このような熱発生密度を放熱する場合、放熱体として、ランダム配向のカーボンナノチューブをポリマーに埋設したものが知られているが、垂直方向への熱放出特性に欠けるといった問題があった。この出願の発明に係る上記ラージスケール化された垂直配向カーボンナノチューブ・バルク構造体は、高い熱放出特性を示し、しかも高密度でかつ長尺に垂直配向したものであるから、このものを放熱材として利用すると、従来品に比較して飛躍的に垂直方向への熱放出特性を高めることができる。
この放熱材の一例を模式的に図17に示す。
なお、この出願の発明の放熱体は、電子部品に限らず、放熱が要求される他の種々の物品、たとえば、電気製品、光学製品および機械製品等の放熱体として利用することができる。
この出願の発明の垂直配向カーボンナノチューブ・バルク構造体は良好な伝熱特性を有している。このような伝熱特性に優れた垂直配向カーボンナノチューブ・バルク構造体はこれを含有する複合材料である伝熱材とすることで、高熱伝導性材料を得ることができ、たとえば熱交換器、乾燥機、ヒートパイプ等に適用した場合、その性能向上を図ることができる。このような伝熱材を航空宇宙用熱交換器に適用した場合、熱交換性能の向上、重量・容積の低減化を図ることができる。また、このような伝熱材を燃料電池コージェネレーション、マイクロガスタービンに適用した場合、熱交換性能の向上および耐熱性を向上を図ることができる。この伝熱材の利用した熱交換器の一例を模式的に図18に示す。
電子部品、たとえば、現在の集積されたLSIは何層もの構造をもつ。ビア配線とはLSI内部の縦層間の縦方向の配線のことを指し、現在では銅配線などが使用されている。しかしながら、微細化とともにエレクトロマイグレーション現象などにより、ビアの断線が問題となっている。銅配線に代えて、縦配線を、この発明に係る上記垂直配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、もしくは構造体の形状が所定形状にパターニング化されている配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体に代えると、銅と比較して1000倍もの電流密度が流せ、また、エレクトロマイグレーション現象がないために、ビア配線のいっそうの微細化と安定化を図ることができる。その一例を模式的に図19に示す。
また、この出願の発明の導電体あるいはこれを配線としたものは、導電性の要求される様々な物品、電気製品、電子製品、光学製品および機械製品の導電体や配線として利用することができる。
たとえば、この出願の発明に係る上記垂直配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、もしくは構造体の形状が所定形状にパターニング化されている配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体は高導電性と機械的強度の優位性から、層中の銅横配線に代えてこのものを用いることにより微細化と安定化を図ることができる。
光学素子、たとえば、偏光子は、従来より方解石結晶が用いられているが、非常に大型でかつ高価な光学部品であり、また、次世代リソグラフィーにおいて重要な極短波長領域では有効に機能しないことから、これに代わる材料として単体の単層カーボンナノチューブが提案されている。しかしながら、この単体の単層カーボンナノチューブを高次に配向させ、かつ光透過性を有するマクロの配向膜構造体を作成する困難さといった問題点があった。この出願の発明に係る上記垂配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、もしくは構造体の形状が所定形状にパターニング化されている配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体は、超配向性を示し、配向薄膜の厚みは触媒のパターンを代えることでコントロールすることができ、厳密に薄膜光透過度を制御できるので、このものを偏光子として用いると極短波長領域から赤外まで広波長帯域で優れた偏光特性を示す。また、極薄カーボンナノチューブ配向膜が光学素子として機能するため偏光子を小型化することができ、この偏光子の一例を模式的に図20に示す。
なお、この出願の発明の光学素子は、偏光子に限らず、その光学特性を利用することにより他の光学素子として応用することができる。
従来より、炭素繊維強化材は、アルミウムと比較して50倍の強度を持ち、軽量でかつ強度を持つ部材として、広く航空機部品、スポーツ用品等で使われているが、更なる軽量化、高強度化が強く要請されている。この出願の発明に係る配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、もしくは形状が所定形状にパターニング化されている配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体は、従来の炭素繊維強化材と比較して、数十倍の強度を有することから、これらのバルク構造体を従来の炭素繊維強化材に代えて利用すると極めて高強度の製品を得ることができる。この強化材は軽量、高強度であるほかに、耐熱酸化性が高く(〜3000℃)、可撓性、電気伝導性・電波遮断性がある、耐薬品性・耐蝕性に優れる、疲労・クリープ特性が良い、耐摩耗性、耐振動減衰性に優れるなどの特性を有することから、航空機、スポーツ用品、自動車を始めとする、軽量かつ強度が必要とされる分野で活用することができる。図21は、配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を用いた強化単層カーボンナノチューブファイバーの作製法と作製した強化単層カーボンナノチューブファイバーの電子顕微鏡(SEM)写真像を示す図である。
なお、この発明の強化材は、金属、セラミックスまた樹脂などに基材に配合させて高強度の複合材料とすることもできる。
スーパーキャパシタは電荷の移動によってエネルギーをためこむので、大電流を流すことができる、10万回を超える充放電に耐える、充電時間が短いなどの特徴を持つ。スーパーキャパシタとして大事な性能は、静電容量が大きいことと、内部抵抗が小さいことである。静電容量を決めるのはポア(孔)の大きさであり、メソポアと呼ばれる3〜5ナノメートル程度の時に最大となることが知られており、水分添加手法により合成された単層カーボンナノチューブのサイズと一致する。またこの出願の発明に係る配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、もしくは構造体の形状が所定形状にパターニング化されている配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を用いた場合、すべての構成要素を並列的に最適化することができ、また、電極等の表面積の最大化を図ることができるので、内部抵抗を最小にすることが可能となることから、高性能のスーパーキャパシタを得ることができる。
この出願の発明に係る上記垂直配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、もしくは構造体の形状が所定形状にパターニング化されている配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を構成材料または電極材料としたスーパーキャパシタの一例の模式的に図22に示す。
なお、この出願の発明に係る配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体は、スーパキャパシタのみならず通常のスーパーキャパシタの構成材料さらには、リチウム電池などの二次電池の電極材料、燃料電池や空気電池等の電極(負極)材料として応用することができる。
カーボンナノチューブは水素やメタンに対するガス吸収性を示すことが知られている。そこで、比表面積が特に大きいこの出願の発明に係る配向単層カーボンナノチューブは水素やメタン等のガスの貯蔵・輸送へ応用することが期待できる。図23にこの出願の発明に係る配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を水素吸蔵体として適用した場合の概念図を模式的に示す。また活性炭フィルターのように、有害なガスや物質を吸収し、物質、ガスの分離、純化をすることもできる。
以下の条件において、CVD法によりカーボンナノチューブを成長させた。
炭素化合物 :エチレン;供給速度50sccm
雰囲気(ガス)(Pa):ヘリウム、水素混合ガス;供給速度1000sccm
圧力1大気圧
水蒸気添加量(ppm):300ppm
反応温度(℃):750℃
反応時間(分):10分
金属触媒(存在量):鉄薄膜;厚さ1nm
基板:シリコンウェハー
なお、基板上への触媒の配置はスパッタ蒸着装置を用い、厚さ1nmの鉄金属を蒸着することにより行った。
以上の条件で反応時間と垂直配向単層カーボンナノチューブの成長の様子(高さ)との関係を調べた。その結果を図24に示す。
また、比較のため、水蒸気を添加しないこと以外は上記と同様にして、垂直配向単層カーボンナノチューブの成長の様子を調べた(従来CVD法)。2分後と15分後の結果を図25に示す。
その結果、従来CVD法で垂直配向単層カーボンナノチューブを成長させた場合には数秒で触媒が活性を失い、2分後には成長が止まったのに対し、水蒸気を添加した実施例1の方法では、図25で示すように長時間成長が持続し、実際には30分程度の成長の継続が見られた。また、実施例1の方法の垂直配向単層カーボンナノチューブの成長速度は従来法のものの約100倍程度で極めて速いことがわかった。また、実施例1の方法の垂直配向単層カーボンナノチューブには触媒やアモルファスカーボンの混入は認められず、その純度は未精製で99.98%であった。一方、従来法で得られた垂直配向カーボンナノチューブはその純度が測定できるほどの量が得られなかった。この結果より、CVD法における垂直配向単層カーボンナノチューブの成長に関して水蒸気添加による優位性が確認された。
以下の条件において、CVD法によりカーボンナノチューブを成長させた。
炭素化合物 :エチレン;供給速度100sccm
雰囲気(ガス) :ヘリウム、水素混合ガス;供給速度1000sccm
圧力1大気圧
水蒸気添加量(ppm):175ppm
反応温度(℃):750℃
反応時間(分):10分
金属触媒(存在量):鉄薄膜;厚さ1nm
基板:シリコンウェハー
なお、基板上への触媒の配置はスパッタ蒸着装置を用い、厚さ1nmの鉄金属を蒸着することにより行った。
上記の条件で成長させた垂直配向単層カーボンナノチューブをデジタルカメラで撮影した写真を印刷した画像を図26に示す。図26の中央が約2.5mmの高さに成長した垂直配向単層カーボンナノチューブで、左はマッチ棒、右は定規で1メモリが1mmである。
図27は、実施例2で成長した垂直配向単層カーボンナノチューブの電子顕微鏡(SEM)写真像を示す斜視図である。
図28は、実施例2で成長した垂直配向単層カーボンナノチューブの拡大した電子顕微鏡(SEM)写真像を示したものである。図28から高さ2.5mmの垂直配向単層カーボンナノチューブが超高密度で垂直に配向している様子がわかる。
図29および図30は、実施例2で作製した垂直配向単層カーボンナノチューブを基板からピンセットを用いて剥離し、エタノール溶液中に分散させたものを電子顕微鏡(TEM)のグリッドの上に乗せ、電子顕微鏡(TEM)で観察した写真像を示したものである。得られたカーボンナノチューブが単層であることがわかる。また、成長物質に触媒やアモルファスカーボンが一切混入していないことがわかる。実施例2の単層カーボンナノチューブは未精製で99.98%であった。比較のため、水蒸気を添加してない従来CVD法で作製したas−grownの単層カーボンナノチューブの同様な電子顕微鏡(TEM)写真像を図31に示す。図31中、黒い点は触媒不純物を示している。
実施例2で作製した垂直配向単層カーボンナノチューブを熱重量分析した結果を図32に示す。分析装置としてはアルバック(株)製TGD−900を用いた。図中Aで示した部分により、低温での重量減少がなく、アモルファスカーボンが存在しないことがわかる。図中Bで示した部分により、単層カーボンナノチューブの燃焼温度が高く、高品質(高純度)であることがわかる。図中Cで示した部分により、残余物が含まれていないことが示されている。
また、実施例2で作製した垂直配向単層カーボンナノチューブについて蛍光X線による不純物測定を行った。その結果、触媒である不純物元素Feが0.013%検出されたのみで、それ以外の不純物は検出されなかった。なお、固定化のために使用したセルロースに実施例2の垂直配向単層カーボンナノチューブと同程度の鉄不純物が混在しており、実施例2の垂直配向単層カーボンナノチューブの実際の純度はより高いものと推察される。また、比較のため、従来CVD法で作製した垂直配向単層カーボンナノチューブとHiPCO法で作製した垂直配向単層カーボンナノチューブについても同様の蛍光X線による不純物測定を行ったところ、従来CVD法のものは不純物元素Feが17%、HiPCO法のものは不純物元素Feが30%検出された。
以下の条件において、CVD法によりカーボンナノチューブを成長させた。
炭素化合物 :エチレン;供給速度75sccm
雰囲気(ガス) :ヘリウム、水素混合ガス;供給速度1000sccm
圧力1大気圧
水蒸気添加量(ppm):400ppm
反応温度(℃):750℃
反応時間(分):10分
金属触媒(存在量):鉄薄膜;厚さ1nm
基板 :シリコンウェハー
なお、基板上への触媒の配置はスパッタ蒸着装置を用い、厚さ1nmの鉄金属を蒸着することにより行った。
上記で作製した垂直配向単層カーボンナノチューブの剥離性を調べた、剥離は、ピンセットを用いて行った。
図33は、デジタルカメラで撮影した剥離前の垂直配向単層カーボンナノチューブの様子を示し、図34は、剥離後の様子を示し、図35は、剥離して容器に入れたas−grownの単層カーボンナノチューブ精製物(30mg)を示す。この剥離テストの結果、この発明の方法で作製した垂直配向単層カーボンナノチューブは極めて容易に剥離することが確認された。
以下の条件において、CVD法により垂直配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を成長させた。
炭素化合物 :エチレン;供給速度75sccm
雰囲気(ガス) :ヘリウム、水素混合ガス;供給速度1000sccm
圧力1大気圧
水蒸気添加量(ppm):400ppm
反応温度(℃):750℃
反応時間(分):10分
金属触媒(存在量):鉄薄膜;厚さ1nm
基板 :シリコンウェハー
なお、基板上への触媒の配置は次のように行った。
電子ビーム露光用レジストZEP−520Aをスピンコーターで4700rpmで60秒、シリコンウェハー上に薄く貼付し、200℃で3分ベーキングした。次に、電子ビーム露光装置を用い、上記レジスト貼付基板上に、直径150μmの円形のパターンを250μm間隔で作成した。次に、スパッタ蒸着装置を用い、厚さ1nmの鉄金属を蒸着し、最後に、レジストを剥離液ZD−MACを用いて基板上から剥離し、触媒金属が任意にパターニングされたシリコンウェハー基板を作製した。
以上の条件で円柱状にパターニングした垂直配向単層カーボンナノチューブの集合体が得られた。図36に、その集合体の形状を電子顕微鏡(SEM)で撮影した像を示し、図37および図38に、その集合体の根元の様子を電子顕微鏡(SEM)で撮影した像を示す。図38から単層カーボンナノチューブが超高密度で垂直方向に多数配向していることが確認できる。
以下の条件において、CVD法により配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を成長させた。
炭素化合物 :エチレン;供給速度75sccm
雰囲気(ガス) :ヘリウム、水素混合ガス;供給速度1000sccm
圧力1大気圧
水蒸気添加量(ppm):400ppm
反応温度(℃):750℃
反応時間(分):10分
金属触媒(存在量):鉄薄膜;厚さ1nm
基板 :シリコンウェハー
なお、基板上への触媒の配置は次のように行った。
電子ビーム露光用レジストZEP−520Aをスピンコーターで4700rpmで60秒、シリコンウェハー上に薄く貼付し、200℃で3分ベーキングした。次に、電子ビーム露光装置を用い、上記現レジスト貼付基板上に、厚さ3〜1005μm、長さ375μm〜5mm、間隔10μm〜1mmのパターンを作成した。次に、スパッタ蒸着装置を用い、厚さ1nmの鉄金属を蒸着し、最後に、レジストを剥離液ZD−MACを用いて基板上から剥離し、触媒金属が任意にパターニングされたシリコンウェハー基板を作製した。
図39から図43に、触媒のパターニングおよび反応時間を変化させて作製した配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体の5例を電子顕微鏡(SEM)写真像で示す。図39の構造体は厚さ5μmの薄膜構造体であり、柔軟性を持っていることがわかる。図40は複数の薄膜構造体を横から見た図で、やはり柔軟性を持っていることがわかる。図41は複雑に配置された多数の薄膜構造体である。図42は厚さの異なる薄膜構造体であり、現在の厚さの最小は3μmであり、厚い方であれば触媒のパターニングにより任意に制御可能である。図43は複雑な形状の構造体である。また、図44にこれらの配向構造体の一例を電子顕微鏡(SEM)で正面から観察した像を示し、図45にこれらの配向構造体の一例の角を電子顕微鏡(SEM)で観察した像を示す。いずれからも単層カーボンナノチューブが配向していることがわかる。
前記実施例2で得た配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体のキャパシタ電極としての特性評価のために、配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、2.917ミリグラムを図46の様にAl板上に導電性接着剤で接着し、作用極とした実験用セルを組んだ。電解液として、1M濃度のTEABF4/PCを用いた。このように作製された実験用セルの定電流充放電特性を計測した。その結果を図47に示す。図47の充放電曲線より、配向単層カーボンナノチューブがキャパシター材料として作用しかつ、内部抵抗が低く、高速充放電(高い電流密度)にしても容量がほぼ一定で低下しないことがわかった。
前記実施例2で得た配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、2.4ミリグラムを作用極として使用した。対極、参照極はリチウムを使用した。集電体はステンレスを用い、宝泉製市販品のセルを用いて電池を組んだ。電解液は1M LiBF4/EC:DEC(1:1)を用い、電流密度20mA/gで充放電特性を評価した。その結果を図48に示す。図48から一回目の充電において、非常に大きな不可逆充電が観測された。非常に安定した電位で大きな充電がおきていることは配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体中でリチウムのインターカーレーションがおきていることを示唆する。2回目以後は安定した、充放電特性が得られ、電池としての作用が確認された。配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を2次電池の電極材料として使用できることがわかった。
実施例2で得た配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、50ミリグラムについて、株式会社日本ベルのBELSORP-MINIを用いて77Kで液体窒素の吸脱着等温線を計測した(吸着平衡時間は600秒とした)。全吸着量は非常に大きい数値(1650m2/g)を示した。この吸脱着等温線から比表面積を計測したところ、1100m2/gであった。
また、同じ配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体から50ミリグラムをピンセットで引き裂き、アルミナ製のトレイに均等に配置し、マッフル炉に入れた。そして550℃まで1℃/minで昇温させ、550℃で1分、酸素下(濃度20%)で熱処理を行った。熱処理後の試料の重量は43ミリグラムであり、残りの7ミリグラムは燃え尽きた。上記と同様、熱処理後の試料について上記と同様にして液体窒素の吸脱着等温線を計測した(図49)。その結果、比表面積を見積もるとおよそ2000m2/gであった。熱処理後の試料は、生成直後の試料に比べ、大きな比表面積を持っており、熱処理によりカーボンナノチューブの先端が開口されていることが示唆された。なお、図中Pは吸着平衡圧、P0は飽和蒸気圧である。as−grownで未開口の単層カーボンナノチューブ(図6)は液体窒素の吸脱着等温線が0.5の低相対圧領域において高い直線性を示す。対し、開口された単層カーボンナノチューブの吸脱着等温線(図49)は、大きな初期吸着立ち上がり、また、0.5以下の相対圧領域において大きな吸着量での凸型の吸脱着等温線によって特徴付けられる。凸型の吸脱着等温線を示すのは、開口された、カーボンナノチューブにおいては、内部表面と外部表面の吸着が発生するためである。このように、吸脱着等温線を計測することにより、カーボンナノチューブが未開口であるか開口されているかを識別することができる。
実施例4で得た配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を用い、光透過率の偏光依存性の測定を行った。試料は厚さ300nmのものを用い、測定は、ヘリウム・ネオンレーザーを光源として、λ/2フレネルロム波長板、対物レンズ、および光パワーメーターを用いて行った。光源から放出された633nmのレーザー光は、NDフィルタを用いて強度を制御した後、対物レンズを用いて配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体試料表面に集光した。レーザー光は試料である配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を透過し、もうひとつの対物レンズを用いて集光され、光パワーメーターへと導いた。このときレーザー光の偏光は波長板を用いて任意の方向に制御することができた。その結果を図50に示す。
図50の結果から、この配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体の偏光子への利用が確認できた。
また、光パワーメーターで検出された各偏光における透過光強度から試料の吸収率を算出した。その結果を図51に示す。この場合、0度が配向方向で、90度が配向方向に垂直な方向である。図51より、配向方向に垂直な方向の光吸収率に対する配向方向の光吸収率の異方性の大きさが1:10より大きいことがわかる。
実施例2で得た配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体、100ミリグラムについて、日本ベル株式会社製高圧単成分吸着量測定装置(FMS−AD−H)を用い、水素吸蔵に関する測定を行った。その結果、水素の吸蔵量は10MPa、25℃において0.54重量%となった。また、放出過程も、圧力のみに依存した可逆的放出が行われることを検出した。測定結果を図52に示す。
実施例2で得た配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体について、伝熱性を調べるためレーザーフラッシュ法により熱拡散率の測定を行った。測定温度は室温、試料の大きさは1センチ角とした。測定は、試料単体、試料の上または下にガラス板を配置した3種類の形態で行った。CF法およびパルス加熱エネルギー依存性のゼロ外挿から熱拡散率を決定した。測定結果の例を図53に示す。図53において、(a)が真空中での測定データ、(b)が大気中での測定データであり、横軸は時間、縦軸は試料温度である。試料単体、真空中での測定結果は、熱拡散率αが8.0×10−5m2s−1であり、いくつかの試料を測定したところ、測定条件を変えても熱拡散率αは7.0×10−5〜1.0×10−5m2s−1の範囲であった。これにより、良好な伝熱性が確認された。
また、真空中では試料温度はほぼ一定で熱損失効果は小さく、大気中では試料温度の低下がみられ、熱損失効果が大きいことが現れていた。このことから、この配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体の放熱効果が確認できた。したがって、この配向単層カーボンナノチューブは伝熱体および放熱体としての利用が期待できる。
実施例2で得た配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を1センチ×1センチ×高さ1ミリの形状とし、その両側に銅板を接触させ、カスケードマイクRテック社製Summit-12101B-6のプローバーとアジィレント社製の半導体アナライザー(4155C)を用い、2端子法で電気輸送特性を評価した。その結果を図54に示す。図54より、電流は電圧に対してきれいなオーミック依存性を示していることがわかる(電流値0.1Aでプローバーのアンプが飽和に達した)。測定された抵抗値は6Ωであった。この抵抗値は配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体を通しての伝導抵抗と、配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体と銅電極のコンタクト抵抗を二つ含むもので、配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体と金属電極を小さな接触抵抗で密着させることができることを示している。このことから、配向単層カーボンナノチューブ・バルク構造体は導電体としての利用が期待できる。
Claims (8)
- 比表面積;800〜2500m 2 /g、及び蛍光X線測定による純度;98%以上を備えることを特徴とする単層カーボンナノチューブ。
- 前記単層カーボンナノチューブは、中心サイズ;1〜4nmを備えることを特徴とする請求項1に記載の単層カーボンナノチューブ。
- 前記単層カーボンナノチューブは、中心サイズ;1.5〜4nmを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の単層カーボンナノチューブ
- 比表面積が800m 2 /g以上1300m 2 /g以下であり未開口の請求項1から3のいずれか一項に記載の単層カーボンナノチューブ。
- 比表面積が1600m 2 /g以上2500m 2 /g以下であり開口している請求項1から3のいずれか一項に記載の単層カーボンナノチューブ。
- 金属触媒の厚さを制御して該金属触媒を基板上に設ける工程と、
前記金属触媒からカーボンナノチューブを反応雰囲気ガス中で炭素源として炭素化合物を用いて、かつ反応雰囲気中に水蒸気、酸素、オゾン、もしくは、低級アルコール、一酸化炭素、二酸化炭素などの低炭素数の含酸素化合物、またはこれらの混合ガスを添加して気相成長法により所定の方向に配向させて比表面積;800〜2500m 2 /gの生成物を得る工程と、
を備えることを特徴とする単層カーボンナノチューブの製造方法。 - 前記気相成長時の温度は、その下限値を触媒を失活させる副次生成物を酸化剤により除去できる温度とし、上限値をカーボンナノチューブが前記酸化剤により酸化されない温度とする特徴とする請求項6記載の単層カーボンナノチューブの製造方法。
- 請求項6または7に記載の単層カーボンナノチューブの製造方法で作られた単層カーボンナノチューブを前記基板から剥離して得られたことを特徴とする配向単層カーボンナノチューブ精製物。
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