JP7015641B2 - 炭素系微細構造物、及び炭素系微細構造物の製造方法 - Google Patents
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[1] 高配向カーボンナノチューブバンドルが複数集合した、シート状の炭素系微細構造物。
[2] 前記高配向カーボンナノチューブバンドルを構成するカーボンナノチューブが、
励起波長632.8nmで得られるラマンスペクトルにおいて、波数1580cm-1付近に出現するグラファイト構造に起因するピークであるGバンドに出現するピークの強度IGと、波数1360cm-1付近に出現する各種欠陥に起因するピークであるDバンドに出現するピークの強度IDとの比(G/D)が、0.1~0.5の範囲である結晶欠陥を1以上有する、[1]に記載の炭素系微細構造物。
[3] 前記カーボンナノチューブのいずれか一方の端部と前記端部から50μmの部分との間のいずれかに前記結晶欠陥を有する、[2]に記載の炭素系微細構造物。
[4] 前記カーボンナノチューブのいずれか一方の端部に前記結晶欠陥を有する、[2]に記載の炭素系微細構造物。
[5] 前記カーボンナノチューブの長さが、50μm以上、1000μm以下である、[2]乃至[4]のいずれか一項に記載の炭素系微細構造物。
[6] 化学気相合成法を用い、表面に金属触媒が設けられた基材に対して原料ガスを含むガスを供給し、前記金属触媒を起点として前記基材の表面上にカーボンナノチューブを成長させる第1工程と、
前記基板に対する前記ガスの供給量を前記第1工程における供給量よりも減少させて、前記カーボンナノチューブ中に結晶欠陥を導入する第2工程と、
導入した前記結晶欠陥の部位で前記カーボンナノチューブを切断して、炭素系微細構造物を形成ながら基材から分離する第3工程と、を備える、炭素系微細構造物の製造方法。
[7] 前記第1工程を2以上備える、[6]に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
[8] 前記第2工程を2以上備える、[6]又は[7]に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
[9] 前記第2工程では、前記ガスの供給量を前記第1工程における供給量の0%以上10%以下に減少させる、[6]乃至[8]のいずれか一項に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
[10] 前記第2工程では、前記ガス中の原料ガスの供給量を前記第1工程における供給量の0%以上10%以下に減少させる、[6]乃至[8]のいずれか一項に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
[11] 前記第2工程では、前記ガス又は前記原料ガスの供給量を減少させる時間を連続的に設ける、[9]又は[10]に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
[12] 前記第2工程では、前記ガス又は前記原料ガスの供給量を減少させる時間を断続的に設ける、[9]又は[10]に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
先ず、本発明を適用した一実施形態である炭素系微細構造物の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、炭素系微細構造物の一例としてカーボンナノチューブシートの場合を説明する。
本実施形態のカーボンナノチューブシート(炭素系微細構造物)の製造方法は、化学気相合成法を用い、表面に金属触媒が設けられた基材に対して原料ガスを含むガスを供給し、金属触媒を起点として基材の表面上にカーボンナノチューブを成長させる第1工程と、基板に対するガスの供給量を第1工程における供給量よりも減少させて、カーボンナノチューブ中に結晶欠陥を導入する第2工程と、導入した結晶欠陥の部位でカーボンナノチューブを切断して、カーボンナノチューブシートを形成ながら基材から分離する第3工程とを備えて、概略構成されている。
第1工程では、先ず、基板(基材)上にカーボンナノチューブを成長させるための触媒層を形成する。
基板としては、特に限定されるものではないが、複数の触媒粒子から構成される触媒層を支持可能な基板であることが好ましく、触媒が流動化・粒子化する際にその動きを妨げない平滑度を有する基板であることが好ましい。また、基板の材質としては、特に限定されるものではないが、触媒金属に対する反応性が低い材料であることが好ましい。このような基板としては、具体的には、例えば、平滑性や価格の面、耐熱性の面で優れた単結晶シリコン基板が挙げられる。
上述した第1工程において、カーボンナノチューブを充分に成長させた後、第2工程に移行する。第2工程では、基板に対するガスの供給量を第1工程における供給量よりも減少させて、カーボンナノチューブ中に結晶欠陥を導入する。
(1)ガスの供給量を第1工程における供給量の0%以上10%以下とする。
すなわち、第1工程における原料ガスとキャリアガスとの比率を維持したまま、ガスの供給量の全体を上記第1工程時の流量の10%以下(0%を含む)に低下させることをいう。
すなわち、第1工程におけるキャリアガスの供給量を維持したまま、原料ガスの供給量を上記第1工程時の流量の10%以下(0%を含む)に低下させることをいう。
図1に示すように、時刻T1において、CVD装置内にキャリアガスの供給を開始する。ここで、キャリアガスは、所定の流量Q2である。また、原料ガスは遮断状態にある。
次に、第3工程では、導入した結晶欠陥の部位でカーボンナノチューブを切断することにより、カーボンナノチューブと基材とを分離する。カーボンナノチューブと基材とを分離する際、当該カーボンナノチューブの一部を引き出してカーボンナノチューブシートを形成する。
次に、上述したカーボンナノチューブシートの製造方法によって得られるカーボンナノチューブシート(シート状の炭素系微細構造物)の構成の一例について説明する。
図4に示すように、本実施形態のカーボンナノチューブシート50は、高配向カーボンナノチューブバンドルが複数集合したものである。そして、高配向カーボンナノチューブバンドルは、上述したカーボンナノチューブの製造方法によって得られるカーボンナノチューブから構成されたものである。
カーボンナノチューブシートを構成するカーボンナノチューブの長さは、特に制限はないが、カーボンナノチューブの平均長さが30~5000μmであることが好ましく、生産性の観点から50~600μmであることがより好ましい。ここで、カーボンナノチューブの平均長さが上記好ましい範囲であると、種々の用途においてカーボンナノチューブの特性を充分に発揮することができるために好ましい。
本実施形態のカーボンナノチューブシート50は、これを構成するカーボンナノチューブにおける金属触媒の含有量が少ないため、従来の製造方法で得られたカーボンナノチューブシートよりも高純度である。本実施形態のカーボンナノチューブシートは、炭素純度が99.99%以上であり、99.999%以上であることが好ましい。
例えば、第1工程及び第2工程を行った後、再び第1工程を行わない構成としてもよい。これにより、図2中に示すカーボンナノチューブ3B部分の成長を省略することができる。
図1に示す条件を用いてカーボンナノチューブを合成した。
シリコンウェハ(基材)に硝酸鉄から成る触媒溶液を塗布し、基材の表面に金属触媒からなる触媒層を形成した。当該基材を反応室に挿入し、CVD法でCNTの合成を実施した。図1中に示す原料ガスの流量(Q1)は、100sccmとした。キャリアガスの流量(Q2-Q1)は900sccm、総流量(Q2)は1000sccmとした。また、図1中に示す時間は、T1~T2を100sec、T2~T3を540sec、T3~T4を30sec、T4~T5を30sec、T5~T6を100secとした。さらに、T3~T4の間の原料ガスの流量は0sccmとし、キャリアガスの流量も0sccmを継続した。なお、反応室内の温度は700℃とし、圧力は大気圧(1×105Pa)とした。
上述した実施例1において、T3~T4の時間を0secとして結晶欠陥を作らずに取り出したカーボンナノチューブシート50mgを同様の方法で溶解し、同様の方法で鉄の濃度を測定した。結果を表1に示す。
2・・・金属触媒(触媒粒子)
3・・・カーボンナノチューブ(配向カーボンナノチューブ)
4・・・結晶欠陥
10・・・配向カーボンナノチューブ付き基材
20・・・ローラー
30・・・ロープ状の炭素系微細構造物
50・・・カーボンナノチューブシート(シート状の炭素系微細構造物)
Claims (11)
- カーボンナノチューブが当該カーボンナノチューブの軸方向に沿って複数集合したカーボンナノチューブバンドルが、前記軸方向と垂直な方向に複数集合した、シート状の炭素系微細構造物であって、
前記シート状の炭素系微細構造物の炭素純度が、99.99%以上であり、
前記カーボンナノチューブが、
励起波長632.8nmで得られるラマンスペクトルにおいて、波数1580cm-1付近に出現するグラファイト構造に起因するピークであるGバンドに出現するピークの強度IGと、波数1360cm-1付近に出現する各種欠陥に起因するピークであるDバンドに出現するピークの強度IDとの比(G/D)が、0.1~0.5の範囲である結晶欠陥を1以上有する、シート状の炭素系微細構造物。 - 前記カーボンナノチューブのいずれか一方の端部と前記端部から50μmの部分との間のいずれかに前記結晶欠陥を有する、請求項1に記載の炭素系微細構造物。
- 前記カーボンナノチューブのいずれか一方の端部に前記結晶欠陥を有する、請求項1又は2に記載の炭素系微細構造物。
- 前記カーボンナノチューブの長さが、50μm以上、1000μm以下である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の炭素系微細構造物。
- 化学気相合成法を用い、表面に金属触媒が設けられた基材に対して原料ガスを含むガスを供給し、前記金属触媒を起点として前記基材の表面上にカーボンナノチューブを成長させる第1工程と、
前記基材に対する前記ガスの供給量を前記第1工程における供給量よりも減少させて、前記カーボンナノチューブ中に結晶欠陥を導入する第2工程と、
導入した前記結晶欠陥の部位で前記カーボンナノチューブを切断して、シート状の炭素系微細構造物を形成しながら基材から分離する第3工程と、を備える、炭素系微細構造物の製造方法。 - 前記第1工程を2以上備える、請求項5に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
- 前記第2工程を2以上備える、請求項5又は6に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
- 前記第2工程では、前記ガスの供給量を前記第1工程における供給量の0%以上10%以下に減少させる、請求項5乃至7のいずれか一項に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
- 前記第2工程では、前記ガス中の原料ガスの供給量を前記第1工程における供給量の0%以上10%以下に減少させる、請求項5乃至7のいずれか一項に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
- 前記第2工程では、前記ガス又は前記原料ガスの供給量を減少させる時間を連続的に設ける、請求項8又は9に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
- 前記第2工程では、前記ガス又は前記原料ガスの供給量を減少させる時間を断続的に設ける、請求項8又は9に記載の炭素系微細構造物の製造方法。
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