JP5839571B2 - Method for producing graphene film doped with nitrogen atoms - Google Patents
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Description
本発明は、窒素原子がドープされたグラフェンフィルムを製造する方法、窒素原子がドープされたグラフェンフィルム、及びその用途に関する。 The present invention relates to a method for producing a graphene film doped with nitrogen atoms, a graphene film doped with nitrogen atoms, and uses thereof.
グラフェンは、蜂の巣状の6角形格子に充填されたsp2結合炭素原子からなる平面状の物質である。 Graphene is a planar substance composed of sp 2 bonded carbon atoms filled in a honeycomb-like hexagonal lattice.
狭義には、グラフェンは、単層の上記6角形格子構造からなる物質(単層グラフェン(monolayer graphene))を指す。グラフェンが積層した構造体をグラファイトという。広義には、グラフェンは、上記6角形格子構造が少数積層された構造体(few layer graphitic structures)を指す。 In a narrow sense, graphene refers to a substance (monolayer graphene) having a single-layer hexagonal lattice structure. A structure in which graphene is stacked is called graphite. In a broad sense, graphene refers to a structure in which a small number of the above hexagonal lattice structures are stacked (few layer graphic structures).
さらに、グラフェンは、平面状の物質を指すが、その一方で、例えば炭素原子の同素体の一つであるカーボンナノチューブは、円筒状のグラフェンであるとみなすこともできる。 Further, graphene refers to a planar substance, but on the other hand, for example, a carbon nanotube, which is one of the allotropes of carbon atoms, can be regarded as cylindrical graphene.
単層グラフェン、及び上記6角形格子構造が少数積層された構造を有するフィルム(以下、総称して「グラフェンフィルム」という。)は、その極めて高い電子移動度、極めて低い可視光線吸収度及び極めて高い機械的強度(例えば、極めて高いヤング率)等により、新たな透明電極材料等として高い注目を集めている。 A single-layer graphene and a film having a structure in which a small number of hexagonal lattice structures are stacked (hereinafter collectively referred to as “graphene film”) has extremely high electron mobility, extremely low visible light absorption, and extremely high Due to its mechanical strength (for example, extremely high Young's modulus) and the like, it has attracted high attention as a new transparent electrode material.
従来、グラフェンフィルムの製造方法として、いくつかの種類の方法が提案されている。 Conventionally, several types of methods have been proposed as methods for producing graphene films.
なかでも、化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)によって触媒金属基板上にグラフェンフィルムを合成する方法(以下、「CVD法」という。)が、実用的な方法として期待されている。 In particular, a method of synthesizing a graphene film on a catalytic metal substrate by chemical vapor deposition (CVD) (hereinafter referred to as “CVD method”) is expected as a practical method.
さらに、近年、窒素原子がドープされたグラフェンフィルム(以下、「N−ドープ化グラフェンフィルム」という。)が注目されている。なかでも、炭素原子が窒素原子で置換されているN−ドープ化グラフェンフィルムにおいては、3種類の置換の態様があり得ることが報告されている(非特許文献1)。 Further, in recent years, a graphene film doped with nitrogen atoms (hereinafter referred to as “N-doped graphene film”) has attracted attention. In particular, it has been reported that N-doped graphene films in which carbon atoms are substituted with nitrogen atoms can have three types of substitution modes (Non-Patent Document 1).
N−ドープ化グラフェンフィルムは純粋なグラフェンフィルムに比べて良導電性であることや高強度であることが予測されている。そのため、N−ドープ化グラフェンフィルムは、例えば、蓄電デバイスの活物質、燃料電池用電極触媒及び触媒担体、並びにディスプレー電極用の導電性薄膜材料等として効果的に利用できる。 N-doped graphene films are expected to be more conductive and stronger than pure graphene films. Therefore, the N-doped graphene film can be effectively used as, for example, an active material for an electricity storage device, a fuel cell electrode catalyst and a catalyst carrier, and a conductive thin film material for a display electrode.
N−ドープ化グラフェンフィルムの製造方法としては、厚さ25nmの銅薄膜を製膜したケイ素基板(以降、銅/ケイ素基板と呼ぶ)を用い、銅薄膜表面上にCVD法によりN−ドープ化グラフェンフィルムを形成する方法が報告されている。例えば、熱源の近傍に位置する銅/ケイ素基板を内部に有する反応容器の内部にキャリアガスとして水素及びアルゴンをフローさせた状態において、熱源の温度を800℃にまで上昇させた時点で、さらに炭素源としてメタン、窒素源としてアンモニアをそれぞれキャリアガスのフローに導入し、その後すかさず銅/ケイ素基板をより高温の領域に移動させることによって、N−ドープ化グラフェンフィルムを銅箔上に形成する方法が報告されている(非特許文献2及び3)。この際、反応容器には石英管が用いられる。
As a method for producing an N-doped graphene film, a silicon substrate (hereinafter referred to as a copper / silicon substrate) on which a copper thin film having a thickness of 25 nm is formed is used, and N-doped graphene is formed on the surface of the copper thin film by a CVD method. Methods for forming films have been reported. For example, when the temperature of the heat source is increased to 800 ° C. in a state where hydrogen and argon are flown as carrier gases inside a reaction vessel having a copper / silicon substrate located in the vicinity of the heat source, carbon is further added. A method of forming an N-doped graphene film on a copper foil by introducing methane as a source and ammonia as a nitrogen source respectively into a carrier gas flow and then quickly moving the copper / silicon substrate to a higher temperature region. It has been reported (
しかしながら、本発明者らが検討したところ、従来のN−ドープ化グラフェンフィルムを製造する方法においては、計算上必要な量よりも過剰な量の窒素源が必要となるため製造効率が悪く、またN−ドープ化グラフェンフィルムに取り込まれなかった窒素源がさらに炭素源と反応することにより反応副生成物を生成してしまうという問題があった。また、アンモニアは腐食性があり、反応容器が制約されてしまう問題があった。 However, when the present inventors examined, in the method of manufacturing the conventional N-doped graphene film, an excessive amount of nitrogen source is necessary as compared with the amount necessary for calculation, so that the manufacturing efficiency is poor, and There was a problem that a nitrogen by-product that was not taken into the N-doped graphene film further reacted with a carbon source to generate a reaction by-product. In addition, ammonia is corrosive and has a problem that the reaction vessel is restricted.
したがって、本発明は、従来のものに比べて、より優れた製造効率を有し、かつ反応副生成物の量がより抑制されている、N−ドープ化グラフェンフィルムの製造方法を提供することを課題とする。 Accordingly, the present invention provides a method for producing an N-doped graphene film having superior production efficiency and a reduced amount of reaction by-products compared to conventional ones. Let it be an issue.
本発明者らは、従来のN−ドープ化グラフェンフィルムの製造方法における製造効率の悪化、及び反応副生成物の生成の原因を検討した。その結果、従来の方法では炭素源と窒素源がキャリアガスフロー中において互いに気体状態のまま混合された後に基板上に供されることとなるため、基板上において両気体は完全には混合しておらず不均一な状態となっており、このことに起因して実際にはキャリアガスフローに導入された窒素源の一部のみがN−ドープ化グラフェンフィルムに取り込まれるに止まっていることが上記の原因であることを本発明者らは突き止めた。 The present inventors examined the cause of the deterioration of the production efficiency and the generation of reaction byproducts in the conventional method for producing an N-doped graphene film. As a result, in the conventional method, since the carbon source and the nitrogen source are mixed with each other in the gaseous state in the carrier gas flow and then provided on the substrate, both gases are completely mixed on the substrate. This is a non-uniform state, and as a result, only a part of the nitrogen source introduced into the carrier gas flow is actually taken into the N-doped graphene film. The present inventors have determined that this is the cause.
本発明は上記の新しい知見に基づいてさらなる研究を重ねることにより完成されたものである。本発明の要旨を以下に示す。 The present invention has been completed by further research based on the above new findings. The gist of the present invention is shown below.
項1.窒素原子がドープされたグラフェンフィルムを製造する方法であって、
炭素源及び窒素源を含有する溶液を、
基板を内部に有する反応容器の内部に噴霧により導入して、
前記基板の表面に化学気相成長により窒素原子がドープされたグラフェンフィルムを形成する工程
を含有する方法。
項2.前記炭素源が、有機溶媒である、項1に記載の方法。
項3.前記炭素源が、メタノールである、項1に記載の方法。
項4.前記窒素源が、
下記式(I)で表される化合物、並びに
前記化合物に由来する構成単位を有するオリゴマー及びポリマー
からなる群より選択される少なくとも1種のメラミン誘導体である、項1〜3のいずれかに記載の方法
A solution containing a carbon source and a nitrogen source,
Introducing into the reaction vessel having a substrate inside by spraying,
A method comprising a step of forming a graphene film doped with nitrogen atoms on the surface of the substrate by chemical vapor deposition.
(式中、X1、X2及びX3のうち、少なくとも一つ以上はアミノ基を表し、その他はNR1R2基(R1及びR2はそれぞれ独立して水素原子(ただし、同時に水素原子ではない。)又は炭素数1〜10のアルキル基(エーテル結合を有していてもよい。)を表す。)。
項5.前記溶液が、0.0005〜1重量%の前記メラミン誘導体を含有する、項4に記載の方法。
項6.項1〜4のいずれかに記載の方法により得られうる、窒素原子がドープされたグラフェンフィルム。
(In the formula, at least one of X 1 , X 2 and X 3 represents an amino group, and the other represents an NR 1 R 2 group (R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom (however, Not an atom) or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms (which may have an ether bond).
本発明の製造方法によれば、高い効率で、かつ反応副生成物を抑制しつつ、N−ドープ化グラフェンフィルムを製造できる。 According to the production method of the present invention, an N-doped graphene film can be produced with high efficiency and while suppressing reaction byproducts.
本明細書において、「グラフェンフィルム」とは、単層グラフェン、及び上記6角形格子構造が少数(特に限定されないが、例えば、2〜20層)積層された構造を有するフィルムを意味する。 In this specification, the “graphene film” means a single-layer graphene and a film having a structure in which a small number (for example, 2 to 20 layers) of the hexagonal lattice structure is laminated.
本明細書において、「N−ドープ化グラフェンフィルム」とは、窒素原子がドープされたグラフェンフィルムを意味する。 In the present specification, “N-doped graphene film” means a graphene film doped with nitrogen atoms.
本明細書において、「窒素原子がドープされた」には、炭素原子が窒素原子で置換されている状態の他、窒素原子を含有する官能基が炭素原子に結合している状態も包含される。 In the present specification, “nitrogen atom doped” includes not only a state in which a carbon atom is substituted with a nitrogen atom but also a state in which a functional group containing a nitrogen atom is bonded to the carbon atom. .
本明細書において、「CVD法」とは、化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)によって触媒金属基板上にグラフェンフィルムを合成する方法を意味する。 In this specification, the “CVD method” means a method of synthesizing a graphene film on a catalytic metal substrate by chemical vapor deposition (CVD).
1.N−ドープ化グラフェンフィルムの製造方法
本発明のN−ドープ化グラフェンフィルムの製造方法は、
炭素源及び窒素源を含有する溶液を、
基板を内部に有する反応容器の内部に噴霧により導入して、
前記基板の表面に化学気相成長により窒素原子がドープされたグラフェンフィルムを形成する工程
を含有する方法である。
1. Method for producing N-doped graphene film The method for producing N-doped graphene film of the present invention comprises:
A solution containing a carbon source and a nitrogen source,
Introducing into the reaction vessel having a substrate inside by spraying,
The method includes a step of forming a graphene film doped with nitrogen atoms by chemical vapor deposition on the surface of the substrate.
CVD法としては、公知の方法を利用できる。 As a CVD method, a known method can be used.
化学気相成長としては、熱化学気相成長及びプラズマ気相成長、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。 Chemical vapor deposition includes thermal chemical vapor deposition and plasma vapor deposition, and combinations thereof.
炭素源及び窒素源を含有する溶液(以下、「噴霧溶液」ということがある。)としては、液体状の炭素源に、樹脂状の窒素源が溶解している形態が好ましい。液体状の炭素源としては、有機溶媒が挙げられる。このような噴霧溶液を反応容器の内部に噴霧して導入することにより、反応容器の内部において炭素源と窒素源の相対量が一定になることが期待され、これにより、基板表面において安定した反応ガス雰囲気が得られるため、N−ドープ化グラフェンフィルムを形成する前駆体がより形成されやすくなり、より高い効率で、かつ反応副生成物を抑制しつつ、N−ドープ化グラフェンフィルムを製造できると考えられる。このように反応容器の内部において炭素源と窒素源の相対量を一定にできるという本発明の効果は、さらに炭素源と窒素源の比を調整する等することにより、従来のものに比べてC:N比がより小さなN−ドープ化グラフェンを製造することができるという効果にもつながりうる。 As a solution containing a carbon source and a nitrogen source (hereinafter sometimes referred to as “a spray solution”), a form in which a resinous nitrogen source is dissolved in a liquid carbon source is preferable. An organic solvent is mentioned as a liquid carbon source. By introducing such a spray solution into the reaction vessel by spraying, it is expected that the relative amount of the carbon source and the nitrogen source will be constant inside the reaction vessel. Since a gas atmosphere is obtained, a precursor for forming an N-doped graphene film is more easily formed, and an N-doped graphene film can be produced with higher efficiency and while suppressing reaction byproducts. Conceivable. Thus, the effect of the present invention that the relative amount of the carbon source and the nitrogen source can be made constant inside the reaction vessel is further improved by adjusting the ratio of the carbon source and the nitrogen source, etc. : N-doped graphene having a lower N ratio can be produced.
本発明で使用される炭素源としての有機溶媒としては、具体的には、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、トルエン及びキシレン、並びにこれらのうち二種以上の混合物が挙げられる。本発明で使用される炭素源としては、メタノールが好ましい。 Specific examples of the organic solvent as the carbon source used in the present invention include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, toluene and xylene, and a mixture of two or more thereof. As the carbon source used in the present invention, methanol is preferable.
本発明で使用される窒素源としては、例えば、メラミン誘導体が挙げられる。 Examples of the nitrogen source used in the present invention include melamine derivatives.
本発明で使用されるメラミン誘導体としては、下記式(I)で表される化合物、並びに前記化合物に由来する構成単位を有するオリゴマー及びポリマーからなる群より選択される少なくとも1種のメラミン誘導体が挙げられる。 Examples of the melamine derivative used in the present invention include at least one melamine derivative selected from the group consisting of a compound represented by the following formula (I), an oligomer having a structural unit derived from the compound, and a polymer. It is done.
(式中、X1、X2及びX3のうち、少なくとも一つ以上はアミノ基を表し、その他はNR1R2基(R1及びR2はそれぞれ独立して水素原子(ただし、同時に水素原子ではない。)又は炭素数1〜10のアルキル基(エーテル結合を有していてもよい。)を表す。)。 (In the formula, at least one of X 1 , X 2 and X 3 represents an amino group, and the other represents an NR 1 R 2 group (R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom (however, Not an atom) or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms (which may have an ether bond).
下記式(I)で表される化合物としては、アルキル化メラミン及びエーテル化メラミンがより好ましい。 As the compound represented by the following formula (I), alkylated melamine and etherified melamine are more preferable.
上記においてアルキル化メラミンとしては、例えば、メチル化メラミン、エチル化メラミン、n−プロピル化メラミン及びイソプロピル化メラミン等が挙げられる。 In the above, examples of the alkylated melamine include methylated melamine, ethylated melamine, n-propylated melamine, and isopropylated melamine.
上記においてエーテル化メラミンとしては、例えば、メチルエーテル化メラミン、エチルエーテル化メラミン、n−プロピルエーテル化メラミン及びイソプロピルエーテル化メラミン等が挙げられる。 In the above, examples of the etherified melamine include methyl etherified melamine, ethyl etherified melamine, n-propyl etherified melamine, and isopropyl etherified melamine.
本発明で使用されるメラミン誘導体としては、特に限定されないが、炭素源として有機溶媒を使用する場合は、有機溶媒に溶解するものが好ましい。本発明で使用されるメラミン誘導体としては、多くの有機溶媒に容易に溶解するメラミン誘導体が特に好ましく、そのようなメラミン誘導体としては、例えば、メチル化メラミン等が挙げられる。 Although it does not specifically limit as a melamine derivative used by this invention, When using an organic solvent as a carbon source, what melt | dissolves in an organic solvent is preferable. The melamine derivative used in the present invention is particularly preferably a melamine derivative that is easily dissolved in many organic solvents. Examples of such a melamine derivative include methylated melamine.
噴霧溶液中におけるメラミン誘導体の濃度は、0.0005〜1重量%が好ましく、0.001〜0.5重量%がより好ましい。前記濃度が0.0005〜1重量%であると、ナノパーティクルの生成が抑えられるという点で好ましい。前記濃度が1重量%以下であると、未反応の窒素源が炭化しにくくなり、最終生成物であるN−ドープ化グラフェンフィルムや反応容器の内壁に炭化窒素が付着しにくいという点で、好ましい。 The concentration of the melamine derivative in the spray solution is preferably 0.0005 to 1% by weight, and more preferably 0.001 to 0.5% by weight. When the concentration is 0.0005 to 1% by weight, it is preferable in that generation of nanoparticles is suppressed. When the concentration is 1% by weight or less, it is preferable in that the unreacted nitrogen source is less likely to be carbonized, and nitrogen carbide is less likely to adhere to the inner wall of the N-doped graphene film or reaction vessel that is the final product. .
噴霧溶液は、本発明の効果が奏される範囲内で、さらに他の成分を含有していてもよい。この場合において、他の成分としては、特に限定されないが、例えば、水等が挙げられる。 The spray solution may further contain other components within the range where the effects of the present invention are exhibited. In this case, the other components are not particularly limited, and examples thereof include water.
噴霧溶液が水を含有する場合、特に制限されないが、未反応の炭素源又は未反応の窒素源から生じる分解ガスを、水性賦活反応等により適度に酸化できる程度の水分が有機溶媒に含有されていると好ましい。ただし、有機溶媒に含有される水分量が多いと、最終生成物であるN−ドープ化グラフェンフィルム自体が酸化されてしまうため、反応容器のサイズ、雰囲気ガスの流量、加熱温度及び加熱時間等の反応条件に応じて、適宜水分量を調節することが好ましい。 When the spray solution contains water, it is not particularly limited. However, the organic solvent contains water to such an extent that a decomposition gas generated from an unreacted carbon source or an unreacted nitrogen source can be appropriately oxidized by an aqueous activation reaction or the like. It is preferable. However, if the amount of water contained in the organic solvent is large, the final product, the N-doped graphene film itself, is oxidized, so the size of the reaction vessel, the flow rate of the atmospheric gas, the heating temperature, the heating time, etc. It is preferable to appropriately adjust the amount of water according to the reaction conditions.
反応容器は、基板を内部に有している。炭素源及び窒素源を熱処理することによって、基板の表面上でN−ドープ化グラフェンフィルムが合成される。 The reaction vessel has a substrate inside. An N-doped graphene film is synthesized on the surface of the substrate by heat treating the carbon source and the nitrogen source.
本発明で使用される基板としては、CVD法によりその表面にグラフェンを形成し得るものであればよく、特に限定されないが、例えば、金属箔を用いることができる。金属箔の厚さとしては、特に限定されないが、10〜50μmが好ましく、15〜40μmがより好ましく、20〜30μmがさらに好ましい。 The substrate used in the present invention is not particularly limited as long as it can form graphene on the surface by a CVD method, and for example, a metal foil can be used. Although it does not specifically limit as thickness of metal foil, 10-50 micrometers is preferable, 15-40 micrometers is more preferable, 20-30 micrometers is further more preferable.
金属箔を構成する金属としては、例えば、銅、ニッケル、コバルト、鉄、白金、金、アルミニウム、クロム、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ロジウム、ケイ素、タンタル、チタン、タングステン、ウラン、バナジウム及びジルコニウム、並びにこれらのうち二種以上の合金が挙げられる。金属箔を構成する金属は、好ましくは、銅及びニッケル、並びにこれらの合金であり、さらに好ましくは、銅である。 Examples of the metal constituting the metal foil include copper, nickel, cobalt, iron, platinum, gold, aluminum, chromium, magnesium, manganese, molybdenum, rhodium, silicon, tantalum, titanium, tungsten, uranium, vanadium and zirconium, and Among these, two or more kinds of alloys are mentioned. The metal constituting the metal foil is preferably copper and nickel, and alloys thereof, and more preferably copper.
反応容器の形状は、本発明の効果が奏される範囲内で適宜選択できる。特に限定されないが、例えば角柱状若しくは円筒状である。 The shape of the reaction vessel can be appropriately selected within the range where the effects of the present invention are exhibited. Although not particularly limited, for example, a prismatic shape or a cylindrical shape.
反応容器の内部の体積は、本発明の効果が奏される範囲内で適宜調整できる。体積の上限に関しては、例えば、反応容器の内部のうち、特に基材が配置される領域内において温度に大きな差が見られない程度の大きさまで許容される。 The internal volume of the reaction vessel can be adjusted as appropriate within the range where the effects of the present invention are exhibited. With respect to the upper limit of the volume, for example, a size that allows a large difference in temperature to be observed in the region where the base material is disposed, among the inside of the reaction vessel is allowed.
反応容器の材質は、本発明の効果が奏される範囲内で適宜選択できる。特に限定されないが、例えば石英、SUSインコネル、及びアルミナ等が挙げられる。反応容器の材質は、特に耐熱性が高い点、熱膨張が小さい点、加工性に優れている点及び価格の点で、石英が好ましい。 The material of the reaction vessel can be appropriately selected within the range in which the effect of the present invention is exhibited. Although it does not specifically limit, For example, quartz, SUS inconel, an alumina, etc. are mentioned. Quartz is preferable as the material of the reaction vessel in terms of particularly high heat resistance, small thermal expansion, excellent workability, and cost.
噴霧溶液を噴霧する場所から基板の表面までの距離は、本発明の効果が奏される範囲内で適宜設定できる。具体的には、基板表面に到達する噴霧体(mist)の状態が本発明の効果発現のために重要であり、これには上記距離の他、噴霧量及び反応用容器の断面積等が影響を与えるので、全ての要素を総合して適宜設定することができる。 The distance from the location where the spray solution is sprayed to the surface of the substrate can be set as appropriate within the range where the effects of the present invention are exhibited. Specifically, the state of the spray body (mist) reaching the substrate surface is important for the manifestation of the effects of the present invention, and this is influenced by the spray amount and the cross-sectional area of the reaction container in addition to the above distance. Therefore, all elements can be set as appropriate.
基板の表面にN−ドープ化グラフェンフィルムを形成する間、反応容器の内部のうち、少なくとも基板の近傍領域は、反応容器の外部に設けられた熱源により通常600〜1500℃、好ましくは800〜1200℃、より好ましくは900〜1000℃に保たれている。 During the formation of the N-doped graphene film on the surface of the substrate, at least the region near the substrate in the reaction vessel is usually 600 to 1500 ° C., preferably 800 to 1200, depending on the heat source provided outside the reaction vessel. It is kept at 900C, more preferably 900-1000C.
熱源としては、特に限定されないが、例えば電気炉等が挙げられる。特に限定されないが、マントルヒーター(ジャケットヒーター)等を熱源として用いることができる。また、反応容器が円筒状の場合には、管状電気炉を熱源として用いることができる。マントルヒーター及び管状電気炉としては、市販のものを用いることができる。 Although it does not specifically limit as a heat source, For example, an electric furnace etc. are mentioned. Although not particularly limited, a mantle heater (jacket heater) or the like can be used as a heat source. Further, when the reaction vessel is cylindrical, a tubular electric furnace can be used as a heat source. Commercially available mantle heaters and tubular electric furnaces can be used.
噴霧溶液の反応容器内への噴霧導入は、反応容器内にキャリアガスを流した状態で行うことができる。反応容器は、キャリアガスを反応容器内に導入するためのガス導入口を有していてもよい。 Spray introduction of the spray solution into the reaction vessel can be performed in a state where a carrier gas is allowed to flow in the reaction vessel. The reaction vessel may have a gas inlet for introducing a carrier gas into the reaction vessel.
N−ドープ化グラフェンフィルムを形成する際に用いる雰囲気ガス(キャリアガスも含む)としては、特に限定されないが、窒素、アルゴン及び水素、並びにこれらの混合ガスが好ましい。雰囲気ガスには、さらに、グラフェンの成長速度を早くするために炭化水素ガスを加えてもよい。炭化水素ガスとしては、メタンガス、エチレンガス及びアセチレンガス、並びにこれらの混合ガス等が挙げられる。 The atmospheric gas (including the carrier gas) used when forming the N-doped graphene film is not particularly limited, but nitrogen, argon and hydrogen, and a mixed gas thereof are preferable. In addition, a hydrocarbon gas may be added to the atmospheric gas in order to increase the growth rate of graphene. Examples of the hydrocarbon gas include methane gas, ethylene gas, acetylene gas, and mixed gas thereof.
排気をしながらN−ドープ化グラフェンフィルムを形成してもよい。排気をしながらN−ドープ化グラフェンフィルムを形成する場合、反応容器は、排気口を有していてもよい。排気口は、特に限定されないが、例えば、噴霧溶液を反応容器内に噴霧して導入する手段とは反対側に設けられていてもよい。 An N-doped graphene film may be formed while evacuating. When the N-doped graphene film is formed while exhausting, the reaction vessel may have an exhaust port. The exhaust port is not particularly limited. For example, the exhaust port may be provided on the side opposite to the means for spraying and introducing the spray solution into the reaction vessel.
噴霧溶液を反応容器内に噴霧して導入する手段としては、特に限定されないが、例えば、通常用いられるスプレーを用いることができる。また、噴霧して導入する手段として、超音波アトマイザーを用いることにより、均質な飛沫を有する噴霧体(mist)を得ることができ、これにより通常のスプレーのみを用いる場合に比べて炭素源及び窒素源がより均一に混合された状態で基板の表面に供給されるため、好ましい。超音波アトマイザーを用いる場合は、例えば、反応容器内にキャリアガスを流した状態において、基板に対しキャリアガスフローの上流側の位置で超音波アトマイザーを用いて噴霧体を反応容器内に導入することにより、噴霧体をキャリアガスフローに乗せて基板表面に供給できる(図1)。 The means for introducing the spray solution by spraying it into the reaction vessel is not particularly limited, and for example, a commonly used spray can be used. In addition, by using an ultrasonic atomizer as a means for introducing by spraying, a spray body (mist) having uniform droplets can be obtained, which makes it possible to obtain a carbon source and nitrogen as compared with the case of using only a normal spray. This is preferable because the source is supplied to the surface of the substrate in a more uniformly mixed state. When using an ultrasonic atomizer, for example, in a state where a carrier gas is flowed in the reaction vessel, the spray body is introduced into the reaction vessel using the ultrasonic atomizer at a position upstream of the carrier gas flow with respect to the substrate. As a result, the spray body can be supplied to the substrate surface in a carrier gas flow (FIG. 1).
反応容器の使用時における設置方向は、特に限定されないが、反応容器が角柱状若しくは円筒状の場合、長軸方向が基板の面に対して平行となる方向が望ましい。 The installation direction during use of the reaction vessel is not particularly limited, but when the reaction vessel is prismatic or cylindrical, a direction in which the major axis direction is parallel to the surface of the substrate is desirable.
反応容器の内部に噴霧溶液を噴霧導入するに先立って、噴霧溶液を予め特定の温度に保持してもよい。この場合の保持温度としては、好ましくは−10〜70℃、より好ましくは0〜50℃、さらに好ましくは10〜40℃である。 Prior to spray introduction of the spray solution into the reaction vessel, the spray solution may be kept at a specific temperature in advance. The holding temperature in this case is preferably −10 to 70 ° C., more preferably 0 to 50 ° C., and further preferably 10 to 40 ° C.
反応容器は、反応容器の内部に噴霧溶液を噴霧導入するに先立って、噴霧溶液を予め特定の温度に保持するためにプレヒータを有していてもよい。当該プレヒータはさらに噴霧供給装置に接続されていてもよい。 The reaction container may have a preheater in order to maintain the spray solution at a specific temperature in advance before spraying the spray solution into the reaction container. The preheater may be further connected to a spray supply device.
基板の表面にN−ドープ化グラフェンフィルムを形成するためには、他の諸条件により異なるが、噴霧溶液を噴霧導入後、通常数秒〜数時間、好ましくは1〜10分間、より好ましくは1〜2分間を要する。熱源の温度、噴霧溶液の単位時間当たり噴霧量、噴霧溶液を噴霧する場所から基板までの距離、及び反応容器内の体積等が、N−ドープ化グラフェンフィルムが形成されるまでに要する時間に影響を与える。 In order to form the N-doped graphene film on the surface of the substrate, although it depends on other conditions, it is usually several seconds to several hours, preferably 1 to 10 minutes, more preferably 1 to 10 minutes after introducing the spray solution. It takes 2 minutes. The temperature of the heat source, the amount of spray solution sprayed per unit time, the distance from the spray solution spraying location to the substrate, the volume in the reaction vessel, etc. affect the time required to form the N-doped graphene film give.
N−ドープ化グラフェンフィルム形成後、金属箔を冷却する。この場合、自然冷却(例えば、10〜20℃低下/20分)してもよく、急速冷却(例えば、100〜500℃低下/10秒)を採用してもよい。急速冷却は、特に限定されないが、例えば、反応容器内において、基板を熱源から十分に離れた領域へと移動させることにより実施することができる(図2又は図3)。特に基板としてニッケル箔を用いる場合、急速冷却により、グラフェンフィルムの質が向上することが期待できる。 After forming the N-doped graphene film, the metal foil is cooled. In this case, natural cooling (for example, 10 to 20 ° C. decrease / 20 minutes) may be employed, or rapid cooling (for example, 100 to 500 ° C. decrease / 10 seconds) may be employed. The rapid cooling is not particularly limited, but can be performed, for example, by moving the substrate to a region sufficiently away from the heat source in the reaction vessel (FIG. 2 or FIG. 3). In particular, when nickel foil is used as the substrate, it can be expected that the quality of the graphene film is improved by rapid cooling.
N−ドープ化グラフェンフィルム形成後、N−ドープ化グラフェンフィルムを任意の基材上に転写することができる。特に限定されないが、N−ドープ化グラフェンフィルムの転写方法としては、例えば、次のような工程からなる方法が挙げられる。
(工程1)銅箔上にN−ドープ化グラフェンフィルムを形成する。
(工程2)前記N−ドープ化グラフェンフィルムを保持するための支持フィルムを前記N−ドープ化グラフェンフィルムの面に接着する。
(工程3)エッチング液を用いて銅箔を除去する。
(工程4)工程3により得られた、支持フィルムに保持されたN−ドープ化グラフェンフィルムを目的の基材へと移す。
(工程5)支持フィルムを除去する。
After forming the N-doped graphene film, the N-doped graphene film can be transferred onto any substrate. Although not particularly limited, examples of the transfer method of the N-doped graphene film include a method comprising the following steps.
(Step 1) An N-doped graphene film is formed on the copper foil.
(Step 2) A support film for holding the N-doped graphene film is bonded to the surface of the N-doped graphene film.
(Step 3) The copper foil is removed using an etching solution.
(Step 4) The N-doped graphene film held in the support film obtained in
(Step 5) The support film is removed.
このようにして転写することにより、大面積のN−ドープ化グラフェンフィルムを任意の基材上に配置することができる。低コストで大面積のN−ドープ化グラフェンフィルムを合成するため、または低コストで連続的にN−ドープ化グラフェンフィルムを合成するためには、いわゆるロール・ツー・ロール方式を採用することが好ましい。ロール・ツー・ロール方式においては、基板として、巻取り及び巻出しが可能な金属箔を持ちいることが好ましい。 By transferring in this way, a large-area N-doped graphene film can be placed on any substrate. In order to synthesize a large-area N-doped graphene film at a low cost, or to continuously synthesize an N-doped graphene film at a low cost, it is preferable to employ a so-called roll-to-roll method. . In the roll-to-roll method, it is preferable that the substrate has a metal foil that can be wound and unwound.
本発明で得られるN−ドープ化グラフェンフィルムにおける窒素の状態やドープ量は、元素分析、CNH分析やX線光電子分光等により適宜調べることができる。また、紫外可視分光光度計により計測した透過スペクトルのボトムにおける波長のシフトによりグラフェンのバンド構造変化を確認することができる。 The state of nitrogen and the doping amount in the N-doped graphene film obtained in the present invention can be appropriately examined by elemental analysis, CNH analysis, X-ray photoelectron spectroscopy, and the like. In addition, the change in the band structure of graphene can be confirmed by the wavelength shift at the bottom of the transmission spectrum measured by an ultraviolet-visible spectrophotometer.
本発明においては、極微量の窒素源を用いることにより、C:N比が従来のものよりも小さいN−ドープ化グラフェンフィルムを得ることができる。本発明において得られたN−ドープ化グラフェンフィルムにおけるC:N比は、反応効率が100%であると仮定して、炭素源及び窒素源の添加量から計算することができる。また、添加量が不明な場合には、本発明において得られうるN−ドープ化グラフェンフィルムにおけるC:N比は次のように定義される。CNH分析法で測定できるC:N比の検出限界が0.001%であると仮定して、N−ドープ化グラフェンフィルムをCNH分析法で測定してNが検出されなかったときに、C:N比は0.001%以下であるとする。 In the present invention, an N-doped graphene film having a C: N ratio smaller than the conventional one can be obtained by using a very small amount of nitrogen source. The C: N ratio in the N-doped graphene film obtained in the present invention can be calculated from the addition amount of the carbon source and the nitrogen source on the assumption that the reaction efficiency is 100%. When the addition amount is unknown, the C: N ratio in the N-doped graphene film that can be obtained in the present invention is defined as follows. Assuming that the detection limit of C: N ratio that can be measured by CNH analysis is 0.001%, when N-doped graphene film is measured by CNH analysis and N is not detected, C: The N ratio is assumed to be 0.001% or less.
また、N−ドープ化グラフェンフィルムにおける結晶性はラマン散乱分光や表面抵抗値測定により適宜調べることができる。 Further, the crystallinity of the N-doped graphene film can be appropriately examined by Raman scattering spectroscopy or surface resistance measurement.
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
実施例1
縦80mm×横20mm×厚み1mmの石英プレートの上に縦20mm×横 20mm×厚さ20μmの銅箔を配置したものをCVD法における基板として用いた。
Example 1
A substrate in which a copper foil having a length of 20 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 20 μm was placed on a quartz plate having a length of 80 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 1 mm was used as a substrate in the CVD method.
管状電気炉内に配置した石英管を反応炉として用いて、反応炉の中央部に前記基板を配置した。メチル化メラミン(株式会社三和ケミカル製 商品名 MW−30)0.001gをメタノール99.999gに添加し、超音波洗浄器にて10分間処理してメチル化メラミンをメタノールに溶解した溶液を得た。窒素ガスを流したまま管状電気炉の温度を930℃まで昇温後、窒素ガスとともに前記溶液を超音波アトマイザーを用いて、前記溶液を0,4mL/min、ガスを1L/minでそれぞれ反応器内に導入した。反応時間は2分とした。その後、前記基板を石英管内の中央部から発熱した管状電気炉から十分に離れた石英管の一端へと移動させることにより、前記基板を急速に室温まで冷却し、基板表面に形成されたN−ドープ化グラフェンフィルムを得た。これを石英基板に転写し、表面抵抗を測定した。 A quartz tube placed in a tubular electric furnace was used as a reaction furnace, and the substrate was placed in the center of the reaction furnace. 0.001 g of methylated melamine (trade name MW-30, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) is added to 99.999 g of methanol, and treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes to obtain a solution in which methylated melamine is dissolved in methanol. It was. After raising the temperature of the tubular electric furnace to 930 ° C. while flowing nitrogen gas, the solution was mixed with nitrogen gas using an ultrasonic atomizer, and the reactor was reacted at 0.4 mL / min and gas at 1 L / min, respectively. Introduced in. The reaction time was 2 minutes. Thereafter, the substrate is rapidly cooled to room temperature by moving the substrate to one end of the quartz tube sufficiently away from the tubular electric furnace that has generated heat from the central portion in the quartz tube, and N− formed on the substrate surface. A doped graphene film was obtained. This was transferred to a quartz substrate, and the surface resistance was measured.
実施例2
メチル化メラミン(株式会社三和ケミカル製 商品名 MW−30)0.005gをメタノール99.995gに添加し、超音波洗浄器にて10分間処理してメチル化メラミンをメタノールに溶解した溶液を原料とした。それ以外は実施例1と同じである。
Example 2
Methylated melamine (trade name: MW-30, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) 0.005 g was added to 99.995 g of methanol, treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes, and a solution of methylated melamine dissolved in methanol was used as a raw material. It was. The rest is the same as in Example 1.
実施例3
メチル化メラミン(株式会社三和ケミカル製 商品名 MW−30)0.01gをメタノール99.99gに添加し、超音波洗浄器にて10分間処理してメチル化メラミンをメタノールに溶解した溶液を原料とした。それ以外は実施例1と同じである。
Example 3
A solution prepared by adding 0.01 g of methylated melamine (trade name MW-30, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) to 99.99 g of methanol and treating it with an ultrasonic cleaner for 10 minutes to dissolve methylated melamine in methanol It was. The rest is the same as in Example 1.
実施例4
メチル化メラミン(株式会社三和ケミカル製 商品名 MW−30)0.1gをメタノール99.9gに添加し、超音波洗浄器にて10分間処理してメチル化メラミンをメタノールに溶解した溶液を原料とした。それ以外は実施例1と同じである。
Example 4
Methylated melamine (trade name: MW-30, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) 0.1 g was added to 99.9 g of methanol, treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes, and a solution obtained by dissolving methylated melamine in methanol was used as a raw material. It was. The rest is the same as in Example 1.
実施例5
メチル化メラミン(株式会社三和ケミカル製 商品名 MW−30)0.5gをメタノール99.5gに添加し、超音波洗浄器にて10分間処理してメチル化メラミンをメタノールに溶解した溶液を原料とした。それ以外は実施例1と同じである。
Example 5
Methylated melamine (trade name: MW-30, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) (0.5 g) was added to 99.5 g of methanol, treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes, and a solution obtained by dissolving methylated melamine in methanol was used as a raw material. It was. The rest is the same as in Example 1.
比較例1
原料としてメタノールを用いた。それ以外は実施例1と同じである。
Comparative Example 1
Methanol was used as a raw material. The rest is the same as in Example 1.
参考例
メチル化メラミン(株式会社三和ケミカル製 商品名 MW−30)2gをメタノール98.0gに添加し、超音波洗浄器にて10分間処理してメチル化メラミンをメタノールに溶解した溶液を原料とした。それ以外は実施例1と同じである。
Reference example 2 g of methylated melamine (trade name: MW-30, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) was added to 98.0 g of methanol and treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes to dissolve methylated melamine in methanol. The solution was used as a raw material. The rest is the same as in Example 1.
比較例2
反応容器の他に樹脂加熱炉を設け、そこにメラミン樹脂5gを入れたボートを配置し、600℃に加熱し、樹脂分解ガス及びメタノールが反応容器へ流れるようにした。それ以外は実施例1と同じである。その結果、樹脂加熱炉内及び反応容器内に多くの副生成物を確認した。また、合成したグラフェンの結晶性が低く、銅箔をエッチングする際にグラフェンフィルムが分断し、転写できなかった。
Comparative Example 2
In addition to the reaction vessel, a resin heating furnace was provided, and a boat containing 5 g of melamine resin was placed therein and heated to 600 ° C. so that the resin decomposition gas and methanol flowed to the reaction vessel. The rest is the same as in Example 1. As a result, many by-products were confirmed in the resin heating furnace and the reaction vessel. In addition, the synthesized graphene was low in crystallinity, and the graphene film was divided when the copper foil was etched, and could not be transferred.
試験例
[転写方法]
N−ドープ化グラフェンフィルムが形成した基板の石英プレートに隣接していた面に市販の高接着易剥離テープ(例、セルファ(商品名)、積水化学工業)を貼り付けた。次いで、前記基板の表面(高接着易剥離テープが貼り付けられた面とは反対側)に2wt% ポリメチルメタクリレート−アセトン溶液、続いて5wt% ポリメチルメタクリレート−アセトン溶液をそれぞれスピンコートにて塗布し、溶液を乾燥させて支持フィルムを形成した。
Test example [transfer method]
A commercially available high-adhesion easily peelable tape (eg, Selfa (trade name), Sekisui Chemical Co., Ltd.) was attached to the surface of the substrate formed with the N-doped graphene film adjacent to the quartz plate. Next, a 2 wt% polymethyl methacrylate-acetone solution and then a 5 wt% polymethyl methacrylate-acetone solution were respectively applied by spin coating on the surface of the substrate (the side opposite to the surface on which the high-adhesion easy-peeling tape was affixed). Then, the solution was dried to form a support film.
高接着易剥離テープが貼り付けられた基板をホットプレートに載せることにより、高接着易剥離テープをN−ドープ化グラフェンフィルムが形成した基板から剥離した。 The high-adhesion easy-release tape was peeled from the substrate on which the N-doped graphene film was formed by placing the substrate on which the high-adhesion easy-release tape was affixed on a hot plate.
1Mの硝酸第二鉄水溶液にN−ドープ化グラフェンフィルムが形成した基板の裏面(高接着易剥離テープが貼り付けられていた表面)を接触させることにより、銅箔を溶解した。銅箔の溶解後、水浴で洗浄し、石英基板によりすくい取った。試料乾燥後、アセトンにより支持フィルムを溶解し、水洗・乾燥後、表面抵抗値を計測した。 The copper foil was melt | dissolved by making the back surface (surface on which the highly adhesive easy peeling tape was affixed) contacted the 1M ferric nitrate aqueous solution of the board | substrate which the N-doped graphene film formed. After the copper foil was dissolved, it was washed with a water bath and scraped off with a quartz substrate. After drying the sample, the support film was dissolved with acetone, washed with water and dried, and then the surface resistance value was measured.
[表面抵抗値の計測]
MITSUBISHI CHEMICAL ANALYTECH社製の表面抵抗計(商品名:Loresta−EP)を用いて、4探針法により測定した。
計測した表面抵抗値Rはメタノールを原料として合成したときのグラフェンフィルム(比較例1)の表面抵抗値R0で除した値 R/R0として図4に示す。X軸は、メチル化メラミンの噴霧液中における添加割合を示している。
[Measurement of surface resistance]
Using a surface resistance meter (trade name: Loresta-EP) manufactured by MITSUBISHI CHEMICAL ANALYTECH, it was measured by the 4-probe method.
The measured surface resistance value R is shown in FIG. 4 as a value R / R0 divided by the surface resistance value R0 of the graphene film (Comparative Example 1) when methanol is used as a raw material. The X axis shows the addition ratio of methylated melamine in the spray solution.
その結果、メチル化メラミンの噴霧液中における添加割合が0.0005〜1重量%の場合に、好ましい表面抵抗値が得られ、さらに同添加割合が0.001〜0.5重量%の場合にはさらに好ましい表面抵抗値が得られることが分かった。 As a result, when the addition ratio of methylated melamine in the spray solution is 0.0005 to 1% by weight, a preferable surface resistance value is obtained, and when the addition ratio is 0.001 to 0.5% by weight. It was found that a more preferable surface resistance value can be obtained.
1 反応容器
2 基板
3 噴霧体(mist)
4 アトマイザー
5 熱源
6 フローメータ
7 キャリアガス用ボンベ(carrier gas container)
1
4
Claims (5)
液体状の炭素源に、樹脂状の窒素源が溶解している溶液を、
基板を内部に有する反応容器の内部に噴霧により導入して、
前記基板の表面に化学気相成長により窒素原子がドープされたグラフェンフィルムを形成する工程
を含有する方法。 A method for producing a graphene film doped with nitrogen atoms,
A solution in which a resinous nitrogen source is dissolved in a liquid carbon source ,
Introducing into the reaction vessel having a substrate inside by spraying,
A method comprising a step of forming a graphene film doped with nitrogen atoms on the surface of the substrate by chemical vapor deposition.
下記式(I)で表される化合物、並びに
前記化合物に由来する構成単位を有するオリゴマー及びポリマー
からなる群より選択される少なくとも1種のメラミン誘導体である、請求項1〜3のいずれかに記載の方法
(式中、X1、X2及びX3のうち、少なくとも一つ以上はアミノ基を表し、その他はNR1R2基(R1及びR2はそれぞれ独立して水素原子(ただし、同時に水素原子ではない。)又は炭素数1〜10のアルキル基(エーテル結合を有していてもよい。)を表す。
)。 The nitrogen source is
The compound represented by the following formula (I), and at least one melamine derivative selected from the group consisting of an oligomer and a polymer having a structural unit derived from the compound, according to any one of claims 1 to 3. the method of
(In the formula, at least one of X 1 , X 2 and X 3 represents an amino group, and the other represents an NR 1 R 2 group (R 1 and R 2 are each independently a hydrogen atom (however, Not an atom) or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms (which may have an ether bond).
).
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