JP5664832B2 - カーボンナノチューブアレイの製造方法、紡績源部材、およびカーボンナノチューブを備える構造体 - Google Patents
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Description
[1]ケイ素の酸化物を含む材料からなる面であるベース面をその表面の少なくとも一部として備える基板を、気相触媒を含む雰囲気内に存在させる第一ステップと、前記気相触媒を含む雰囲気に原料ガスおよび気相助触媒を存在させることにより、前記基板のベース面上に複数のカーボンナノチューブを成長させ、前記ベース面上に前記複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブアレイを得る第二ステップとを備えることを特徴とするカーボンナノチューブアレイの製造方法。
1.CNTアレイの製造装置
本発明の一実施形態に係るCNTアレイの製造装置を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るCNTアレイの製造方法に使用される製造装置の構成を概略的に示す図である。
本発明の一実施形態に係るCNTアレイの製造方法を、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るCNTアレイの製造方法は、図2に示されるように、第一および第二の2つのステップを備える。
本実施形態に係るCNTアレイの製造方法は、第一ステップとして、ケイ素の酸化物を含む材料からなる面であるベース面をその表面の少なくとも一部として備える基板28を、気相触媒を含む雰囲気内に存在させる。
第二ステップでは、第一ステップにより実現された気相触媒を含む雰囲気、すなわち反応容器管14の内部の雰囲気に、原料ガスおよび気相助触媒を存在させる。
本実施形態に係る製造方法により製造されたCNTアレイの一例は、図3に示されるように、複数のCNTが一定の方向に配向するように配置された構造を有する部分を備える。この部分の複数のCNTの直径を測定し、それらの分布を求めると、図4に示されるように、CNTの直径は、その多くが20〜50nmの範囲内となる。
紡績源部材から得られるCNT交絡体は、様々な形状を有することができる。具体的な一例として線状の形状が挙げられ、他の一例としてウェブ状の形状が挙げられる。線状のCNT交絡体は、繊維と同等に取り扱うことができるうえ、電気配線としても用いることができる。また、ウェブ状のCNT交絡体は、そのままで不織布と同様に取り扱うことができる。
(実施例1)
図1に示される構造を有する製造装置を用い、図2に示される製造方法によってCNTアレイを製造した。
具体的には、まず、次のようにして、第一ステップを実施した。
図1に示される構造を有する製造装置の反応容器管内に、石英からなるボート上に石英板(20mm×5mm×厚さ1mm)を載置した。したがって、本実施例では、ベース面を構成する材料および基板を構成する材料はいずれも石英であった。また、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物を反応容器管内のボート以外の部分上に載置した。
排気装置を用いて反応容器管内を1×10−1Pa以下に排気したのち、ヒータを用いて反応容器管内(基板を含む)を1.1×103Kまで加熱した。その結果、反応容器管内で塩化鉄(II)の無水物は昇華して、反応容器管の加熱領域の内部は、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物から形成された気相触媒を含む雰囲気となった。
第二ステップを開始することにより、すなわち、アセチレンおよびアセトンの供給を開始することにより、ベース面上にCNTアレイが成長した。ベース面に平行な方向からカメラにてCNTアレイを2分おきに撮影し、第二ステップ開始から20分間のCNTアレイの成長高さを測定した。その結果を表1および図7に示す。
まず、次のようにして、第一ステップを実施した。
図1に示される構造を有する製造装置の反応容器管内に、石英からなるボート上に表面に0.95μm厚の熱酸化膜が形成されたシリコン板(20mm×5mm×厚さ1mm)を載置した。したがって、本実施例では、ベース面を構成する材料はシリコンの酸化膜であり、基板を構成する材料はシリコンであった。また、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物を反応容器管内のボート以外の部分上に載置した。
排気装置を用いて反応容器管内を1×10−1Pa以下に排気したのち、ヒータを用いて反応容器管内(基板を含む)を1.1×103Kまで加熱した。その結果、反応容器管内で塩化鉄(II)の無水物は昇華して、反応容器管の加熱領域の内部は、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物から形成された気相触媒を含む雰囲気となった。
第二ステップを開始することにより、すなわち、アセチレンおよびアセトンの供給を開始することにより、ベース面上にCNTアレイが成長した。ベース面に平行な方向からカメラにてCNTアレイを1分おきに撮影し、第二ステップ開始から10分間のCNTアレイの成長高さを測定した。その結果を表2および図8に示す。
まず、次のようにして、第一ステップを実施した。
図1に示される構造を有する製造装置の反応容器管内に、石英からなるボート上に表面に0.95μm厚の熱酸化膜が形成されたシリコン板(20mm×5mm×厚さ1mm)を載置した。したがって、本実施例では、ベース面を構成する材料はシリコンの酸化膜であり、基板を構成する材料はシリコンであった。また、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物を反応容器管内のボート以外の部分上に載置した。
排気装置を用いて反応容器管内を1×10−1Pa以下に排気したのち、ヒータを用いて反応容器管内(基板を含む)を1.1×103Kまで加熱した。その結果、反応容器管内で塩化鉄(II)の無水物は昇華して、反応容器管の加熱領域の内部は、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物から形成された気相触媒を含む雰囲気となった。
第二ステップを開始することにより、すなわち、アセチレンおよびアセトンの供給を開始することにより、ベース面上にCNTアレイが成長した。ベース面に平行な方向からカメラにてCNTアレイを1分おきに撮影し、第二ステップ開始から10分間のCNTアレイの成長高さを測定した。その結果を表3および図9に示す。
まず、次のようにして、第一ステップを実施した。
図1に示される構造を有する製造装置の反応容器管内に、石英からなるボート上に表面に0.45μm厚の熱酸化膜が形成されたシリコン板(20mm×5mm×厚さ1mm)を載置した。したがって、本実施例では、ベース面を構成する材料はシリコンの酸化膜であり、基板を構成する材料はシリコンであった。また、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物を反応容器管内のボート以外の部分上に載置した。
排気装置を用いて反応容器管内を1×10−1Pa以下に排気したのち、ヒータを用いて反応容器管内(基板を含む)を表4に示される温度まで加熱した。その結果、いずれの温度の場合においても、反応容器管内で塩化鉄(II)の無水物は昇華して、反応容器管の加熱領域の内部は、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物から形成された気相触媒を含む雰囲気となった。
第二ステップを開始することにより、すなわち、アセチレンおよびアセトン(対照試験である試験4−4から試験4−6ではアセチレン)の供給を開始することにより、ベース面上にCNTアレイが成長した。ベース面に平行な方向からカメラにてCNTアレイを1分おきに撮影し、第二ステップ開始から3分間のCNTアレイの成長高さを測定した。その結果からCNTアレイの成長速度(単位:μm/min)を求め、それらの求めたCNTアレイの成長速度についてのアレニウスプロット(アセトンあり:試験4−1から4−3、アセトンなし:試験4−4から4−6)を作成し、気相助触媒としてのアセトンを用いる場合および用いない場合のそれぞれについて、活性化エネルギーを求めた。その結果を表4および図10に示す。
まず、次のようにして、第一ステップを実施した。
図1に示される構造を有する製造装置の反応容器管内に、石英からなるボート上に表面に0.45μm厚の熱酸化膜が形成されたシリコン板(20mm×5mm×厚さ1mm)を載置した。したがって、本実施例では、ベース面を構成する材料はシリコンの酸化膜であり、基板を構成する材料はシリコンであった。また、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物反応容器管内のボート以外の部分上に載置した。
排気装置を用いて反応容器管内を1×10−1Pa以下に排気したのち、ヒータを用いて反応容器管内(基板を含む)を1.1×103Kまで加熱した。その結果、いずれの温度の場合においても、反応容器管内で塩化鉄(II)の無水物は昇華して、反応容器管の加熱領域の内部は、触媒源としての塩化鉄(II)の無水物から形成された気相触媒を含む雰囲気となった。
第二ステップを開始することにより、すなわち、アセチレンおよびアセトン(対照試験である試験5−8から試験5−14ではアセチレン)の供給を開始することにより、ベース面上にCNTアレイが成長した。ベース面に平行な方向からカメラにてCNTアレイを1分おきに測定し、CNTアレイの成長高さが表5に示される高さに到達した時点でアセチレン等の供給を停止して、第二ステップを終了した。
ヒータによる加熱を終了して反応容器管内の温度が室温となったことを確認してから、排気装置による反応容器管内の排気を終了し、反応容器管内に大気を導入してその雰囲気圧力を大気圧(1×105Pa)とした。その後、反応容器管を開放して、CNTアレイを基板ごと取り出した。
CNTアレイの側面に位置するCNTを含む一部のCNTをつまみ、つまんだCNTをCNTアレイから離間するように引っ張った。その結果、CNT交絡体が得られた場合には、CNT交絡体がCNTアレイから脱離したときのCNT交絡体の引っ張り方向の長さ(紡績長さ)を測定し、次の基準で紡績性を評価した。
A:紡績長さが1m超
B:紡績長さが10cm超1m以下
C:紡績長さが1cm以上10cm以下
D:紡績長さが1cm未満、または実質的にCNT交絡体が得られない
評価結果を表5に示す。
12…電気炉
13…圧力計
14…反応容器管
16…ヒータ
18…熱電対
20…制御装置
22…ガス供給装置
23…圧力調整バルブ
24…排気装置
28…基板
30…原料ガス供給部
31…気相触媒供給部
32…気相助触媒供給部
33…補助ガス供給部
Claims (17)
- ケイ素の酸化物を含む材料からなる面であるベース面をその表面の少なくとも一部として備える基板を、気相触媒を含む雰囲気内に存在させる第一ステップと、
前記気相触媒を含む雰囲気に原料ガスおよび気相助触媒を存在させることにより、前記基板のベース面上に複数のカーボンナノチューブを成長させ、前記ベース面上に前記複数のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブアレイを得る第二ステップとを備えることを特徴とするカーボンナノチューブアレイの製造方法。 - 前記第二ステップは、前記気相触媒を含む雰囲気に、前記原料ガスおよび前記気相助触媒をこれらの流量を制御しつつ供給することにより実施され、前記原料ガスの供給流量(単位:sccm)に対する前記気相助触媒の供給流量(単位:sccm)の比率(気相助触媒/原料ガス)は150%以下とされる請求項1に記載の製造方法。
- 前記比率(気相助触媒/原料ガス)は5%以上120%以下である請求項2に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記気相助触媒はアセトンを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記気相触媒は鉄族元素のハロゲン化物を含む請求項1から4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記鉄族元素のハロゲン化物は塩化鉄(II)を含み、前記炭化水素はアセチレンを含む請求項5に記載の製造方法。
- 前記気相助触媒は、前記カーボンナノチューブアレイを成長させる反応の活性化エネルギーを低下させる機能を有する請求項1から6のいずれか一項に記載のカーボンナノチューブアレイの製造方法。
- 前記第二ステップにおける前記ベース面は、8×10 2 K以上に加熱されている請求項1から7のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブアレイは、前記ベース面の法線方向の成長高さが0.4mm以上1.9mm以下であっても、紡績長さが10cm超となる紡績が可能である請求項1から8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブアレイは、前記ベース面の法線方向の成長高さが2mm以上であっても、紡績長さが1cm以上となる紡績が可能である請求項1から9のいずれか一項に記載の製造方法。
- カーボンナノチューブアレイを備える紡績源部材であって、
前記カーボンナノチューブアレイの成長高さが0.4mm以上1.3mm以下であり、1m超の長さの紡績を行うことが可能であることを特徴とする紡績源部材。 - カーボンナノチューブアレイを備える紡績源部材であって、
前記カーボンナノチューブアレイの成長高さが1.3mm超2.0mm未満であり、10cm超1m以下の長さの紡績を行うことが可能であることを特徴とする紡績源部材。 - カーボンナノチューブアレイを備える紡績源部材であって、
前記カーボンナノチューブアレイの成長高さが2mm以上であり、1cm以上10cm以下の長さの紡績を行うことが可能であることを特徴とする紡績源部材。 - 請求項11から13のいずれか一項に記載される紡績源部材を紡ぎ出して得られる構造体であって、互いに交絡した複数のカーボンナノチューブを備えることを特徴とする構造体。
- 前記構造体が線状である請求項14に記載の構造体。
- 前記構造体がウェブ状である請求項14に記載の構造体。
- 請求項14に記載される構造体を骨格構造として備える複合構造体。
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