JP5045891B2 - ホウ素ドープカーボンナノチューブとその製造方法 - Google Patents
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これらの従来手法は、いずれも通常では使用しない高温度にてカーボンナノチューブを処理する必要があるので、カーボンナノチューブに欠陥が入り易く、目的の場所に成長させる選択成長が難しいなど各種の問題が生じていた。また、ホウ素濃度の制御や単層多層および直径の制御なども困難であった。また、合成装置も通常は使用しない2000℃以上の高温に耐えうるものとしなければならず、通常では使用しない特殊な構成を必要とするという問題があった。
また、マイクロ波プラズマCVDを使って、ホウ素ドープカーボンナノチューブを合成することが非特許文献1に示されているが、マイクロ波プラズマCVD装置は、高周波電源などを使うので、装置が複雑であるとともに、プラズマで反応させるのでかなり反応温度は高いという問題があった。
具体的には、極低温(0.6K)まで、従来にはない高い電気伝導率を保つことが可能になった。
また触媒によって生成されるカーボンナノチューブの種類(単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブの別、さらにはその直径)を調整することも可能である。
それ故に、チャンバー内の空間が十分に大きい場合は、大面積にカーボンナノチューブを成長できることも可能であり、この種カーボンナノチューブの大量生産に路を開くものでもある。
ホウ素含有物を溶解する溶媒としては、実施例に示すメタノールの他に、化学気相成長の反応温度で分解し、分子構造に炭素原子を有するためカーボンナノチューブを成長させることが可能である以下に示すものが使用できる。
エタノールやプロパノール、アセトンなどの有機材料。
メタンやブタン、プロパン、ペンタン、ヘキサンなどの炭素を含むガス。
ベンゼン環を有する有機材料も含め、CとHとOから構成されている有機物。
ホウ素化合物としては、ホウ酸の他、化学気相成長の反応温度で分解する以下のものが使用可能である。
例えば、酸化ホウ素B2O3、カルボラン酸HCB11Cl11、三フッ化ホウ素BF3、水素化ホウ素ナトリウムBH4Na、テトラフルオロホウ酸HBF4、二ホウ化マグネシウムB2Mg、ホウ酸H3BO3、ボラジンB3H6N3、モノボランBH3、ジボランB2H6やトリメチルボロンなど、ホウ素を含むガス。
このうち固体のホウ素化合物は、先に挙げた炭素原子を含有する有機溶媒に溶解可能であり、加熱によりホウ素原子を含有する炭素原料ガスとして石英管内に導入可能である。
ホウ素原子含有ガスについては、そのまま炭素原子を含有するガスとともに石英管内に導入可能である。
カーボンナノチューブの直径は、用いるFe2O3ナノ粒子の粒径に近い直径になる。そのため、粒径が大きな場合には、多層カーボンナノチューブが出来易く、粒径が小さな場合には単層カーボンナノチューブが出来易い。
化学気相成長の加熱装置に、今回は電気炉を用いたが、800度程度まで温度が上がれば、加熱装置には何を用いても良い。
基板には、触媒である(平均粒径50nm)のFe2O3ナノ粒子を塗布したSi基板を用いた。
原料には、炭素源としてメタノール、ホウ素源としてホウ酸を用いた。ホウ酸は、メタノールに良く溶解するのでこの組み合わせを用いた。ホウ酸は0から2.0atm%まで表2のように変化させたが、実験No.1を除きホウ素ドープカーボンナノチューブが得られた。
基板設置後、バルブ1を開いて石英管内部を真空ポンプにより排気する。温度を約730℃まで加温したのち、バルブ2を開いて石英管内へホウ素含有炭素ガスをフローさせる。フロー中の石英管内の圧力は、バルブ1、2により調節するが、今回は、200Torr前後が適当であった。フローを12時間行うことで長さが数十μmのカーボンナノチューブが得られた。また、成長時間を長くすることで、更に長いカーボンナノチューブを成長させることが可能である。成長後は、バルブ2を閉じてフローを停止させる。一方、バルブ1を開き、石英管内を排気し、温度を下げる。
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- 炭素含有物とホウ素含有物との混合ガスを、低圧チャンバー内に配置した触媒を有する基材に導き、化学気相成長法によるホウ素ドープカーボンナノチューブの製造方法であって、混合ガスが、炭素を含有する液体有機溶媒にホウ素含有物を溶解させた溶液の蒸気であることを特徴とするホウ素ドープカーボンナノチューブの製造方法。
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