JP7168570B2 - Carbyne-containing composite material - Google Patents

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Description

本発明は、カルビン含有複合材料に関する。
本出願は2017年8月25日に出願された日本国特許出願2017-162599号に基づく優先権を主張しており、その出願の全内容は本明細書中に参照として組み入れられている。
The present invention relates to carbyne-containing composites.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-162599 filed on August 25, 2017, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

カルビン(carbyne)は、炭素原子(C)が一次元で結合した炭素同素体である。カルビンは、1885年にその存在が指摘されたものの、大気中で不安定であるため、その同定が為されたのは1960年代になってからであった。そして昨年、二層カーボンナノチューブ(Double-walled carbon nanotube:DWNT)をナノリアクターとして利用することで、DWNTの内部空間に非常に長いカルビンを安定的に生成できることが報告された(非特許文献1参照)。 A carbyne is a carbon allotrope in which the carbon atoms (C) are linked in one dimension. Although the existence of carbyne was pointed out in 1885, it was not identified until the 1960s because it is unstable in the atmosphere. Last year, it was reported that by using double-walled carbon nanotube (DWNT) as a nanoreactor, it was possible to stably generate a very long carbyne in the internal space of DWNT (see Non-Patent Document 1). ).

Lei Shi et al., "Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne", NATURE MATERIALS, vol. 15, 634-639, 2016Lei Shi et al., "Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne", NATURE MATERIALS, vol. 15, 634-639, 2016 Mingjie Liu et al., "Carbyne from First Principles: Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope", ACS Nano, 2013, 7(11), pp10075-10082Mingjie Liu et al., "Carbyne from First Principles: Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope", ACS Nano, 2013, 7(11), pp10075-10082

非特許文献1には、DWNTを8×10-5Paの高真空、かつ、1460℃の高温で加熱することで、DWNTの内部に好適にカルビンを形成できることが開示されている。また、内側のチューブ径が0.62~0.85nmの範囲のDWNTのみでカルビンを成長させることができ、当該内径のDWNTの90%以上にカルビンが充填されると記載されている。しかしながら、非特許文献1の著者によると、たとえDWNTの調製条件を最適化したとしても、上記のチューブ径を有するDWNTは、調製したDWNTの集合のうちの25%程度にしか得ることができていない。そしてまた、調製したDWNTの集合のうち、24%のDWNTsにしかカルビンが充填されていないことが報告されている。Non-Patent Document 1 discloses that by heating DWNT at a high vacuum of 8×10 −5 Pa and a high temperature of 1460° C., carbyne can be suitably formed inside DWNT. In addition, it is described that carbyne can be grown only with DWNT having an inner tube diameter in the range of 0.62 to 0.85 nm, and that 90% or more of the DWNT with this inner diameter is filled with carbyne. However, according to the authors of Non-Patent Document 1, even if the DWNT preparation conditions were optimized, DWNTs with the above tube diameter could only be obtained in about 25% of the prepared DWNT aggregates. do not have. It is also reported that only 24% of the DWNTs in the prepared DWNT population were loaded with carbyne.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、より高い充填率でカルビンを内包したカーボンナノチューブの集合体であるカルビン含有複合材料を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and its main object is to provide a carbyne-containing composite material that is an aggregate of carbon nanotubes encapsulating carbyne at a higher filling rate.

本発明によって提供されるカルビン含有複合材料は、複数のカーボンナノチューブ(carbon nanotube:CNT、以下単に「CNT」と記す場合がある。)が集合されてなるCNT集合体と、カルビンと、を含む。そして上記カルビンは、上記複数のCNTの30%以上に充填されている。 The carbyne-containing composite material provided by the present invention includes a CNT aggregate formed by assembling a plurality of carbon nanotubes (CNT, hereinafter sometimes simply referred to as "CNT"), and carbyne. 30% or more of the plurality of CNTs is filled with the carbyne.

すなわち、ここに開示されるカルビン含有複合材料は、これまでに知られているよりも高い充填率でCNT内にカルビンを含んでいる。CNTがその結晶構造に基づいて本来は半導体的性質を有する場合であっても、当該CNT内にカルビンが導入されることで、CNTに金属的特性を付与しうることが報告されている。このことから、例えばCNT集合体が半導体的特性を示すCNTを多く含むものであっても、カルビンが高い充填率で導入されることにより、全体として高い金属的特性(例えば、高い電気伝導率)を備えるものとなり得る。このように、カルビン含有複合材料は、従来のCNTやカルビンを含むCNTと比較して、カルビンの有する特性がより強く反映された材料を実現することができる。カルビン含有複合材料に備えられるカルビンの特性は、電気伝導率に限られることなく、各種の特性であり得る。 That is, the carbyne-containing composites disclosed herein contain carbynes within the CNTs at a higher packing factor than previously known. It has been reported that even when CNTs inherently have semiconducting properties based on their crystal structure, introduction of carbynes into the CNTs can impart metallic properties to the CNTs. From this, for example, even if the CNT aggregate contains a large amount of CNTs exhibiting semiconducting properties, the introduction of carbyne at a high filling rate results in overall high metallic properties (e.g., high electrical conductivity). can be provided. Thus, the carbyne-containing composite material can realize a material that reflects the properties of carbyne more strongly than conventional CNTs or CNTs containing carbyne. The carbyne property provided in the carbyne-containing composite material can be a variety of properties, not limited to electrical conductivity.

ここに開示されるカルビン含有複合材料の好ましい一態様では、ラマン分光分析によって測定されるラマンスペクトルにおいて、Gバンドに基づくピークの強度を1としたときの、LCCバンドに基づくピークの相対強度が0.4以上である。このような構成によっても、多量のカルビンが導入されたカルビン含有複合材料が実現される。 In a preferred embodiment of the carbyne-containing composite material disclosed herein, the relative intensity of the peak based on the LCC band is 0 when the intensity of the peak based on the G band is 1 in the Raman spectrum measured by Raman spectroscopic analysis. .4 or more. Such a configuration also realizes a carbyne-containing composite material into which a large amount of carbyne is introduced.

ここに開示されるカルビン含有複合材料の好ましい一態様では、上記カルビンを内包する上記カーボンナノチューブは、少なくとも一部に単層カーボンナノチューブ(Single-walled carbon nanotube:SWNT、以下、単に「SWNT」と示す場合がある。)を含む。より好適には、上記カルビンを内包する上記CNTは、SWNTを10本数%以上含む。上記非特許文献1においては、SWNTはDWNT等と比較して熱安定性が相対的に低いことから、内部にカルビンを形成できないことが開示されている。しかしながら、ここに開示されるカルビン含有複合材料においては、SWNT内にも安定してカルビンを内包することができる。換言すると、ここに開示されるカルビン含有複合材料は、新規なカルビン内包SWNT(カルビン@SWNT)を含むものであり得る。このようなカルビン含有複合材料は、複合材料の全体に占めるカルビンの割合をより効果的に高めることができるために好ましい。これにより、SWNTとカルビンとの特性が強く反映された材料となり得る点においても有用である。 In a preferred embodiment of the carbyne-containing composite material disclosed herein, at least a portion of the carbon nanotube encapsulating the carbyne is a single-walled carbon nanotube (SWNT, hereinafter simply referred to as "SWNT"). There is a case.) including. More preferably, the CNTs encapsulating the carbyne contain 10% or more of SWNTs. Non-Patent Document 1 mentioned above discloses that SWNT cannot form carbyne inside because of its relatively low thermal stability compared to DWNT and the like. However, in the carbyne-containing composite material disclosed herein, carbyne can be stably included even in SWNTs. In other words, the carbyne-containing composites disclosed herein can comprise novel carbyne-encapsulated SWNTs (carbine@SWNTs). Such a carbyne-containing composite material is preferable because it can more effectively increase the proportion of carbyne in the entire composite material. This is also useful in that the material can strongly reflect the characteristics of SWNT and carbyne.

なお、CNT集合体において特定の構造を備えるCNTの割合は、たとえば、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)観察により把握することができる。具体的には、例えば、CNT集合体におけるSWNTの割合は、TEM観察において視野内に観察されるCNTの総本数のうち、SWNTの総本数の割合(本数%)を算出することで求めることができる。なお、CNTの本数は、例えば観察像内にて確認できる500nm以上の長さのCNTについて計測するとよい。CNTの本数は、例えば、5万倍~50万倍程度の倍率の観察像をもとに計測した値を好ましく採用することができる。 In addition, the ratio of CNTs having a specific structure in the CNT aggregate can be grasped by observation with a transmission electron microscope (TEM), for example. Specifically, for example, the ratio of SWNTs in a CNT aggregate can be obtained by calculating the ratio (number %) of the total number of SWNTs to the total number of CNTs observed in the field of view in TEM observation. can. The number of CNTs may be measured, for example, for CNTs with a length of 500 nm or longer that can be confirmed in the observed image. For the number of CNTs, a value measured based on an observation image at a magnification of about 50,000 to 500,000 times can be preferably adopted.

ここに開示されるカルビン含有複合材料の好ましい一態様において、上記CNTの少なくとも一部は、当該CNTの軸方向に直交する方向において2以上のカルビンを内包する。すなわち、CNTは、短手方向に並んだ2本以上のカルビンを内包することができる。CNTの内部に、長手方向(軸方向)に沿って断続的にカルビンが形成されることは知られている。つまり複数のカルビンが長手方向に沿ってCNT内に内包され得る。しかしながら、2本のカルビンを束ねたような状態で内包するCNTについては報告されていない。ここに開示されるカルビン含有複合材料は、このような新規なカルビン内包CNT(カルビン@CNT)を含むものであり得る。 In a preferred embodiment of the carbyne-containing composite material disclosed herein, at least some of the CNTs contain two or more carbynes in a direction orthogonal to the axial direction of the CNTs. That is, a CNT can contain two or more carbynes aligned in the transverse direction. It is known that carbynes are intermittently formed inside the CNT along the longitudinal direction (axial direction). That is, multiple carbines can be encapsulated within the CNT along the longitudinal direction. However, no report has been made on CNTs containing two carbynes bundled together. The carbyne-containing composite material disclosed herein can include such novel carbyne-encapsulated CNT (carbine@CNT).

以上のとおり、ここに開示される技術によって、これまでにない新規なカルビン含有複合材料が提供される。このカルビン含有複合材料は、CNT集合体とカルビンとの特性を併せ持つものとなり得る。例えば、カルビンは、理論的には、グラフェンに対して2倍の抗張力を有し、剛性はグラフェンとCNTの2倍でダイヤモンドの3倍程度になると報告されている。したがって、例えば、カルビン含有複合材料は、抗張力および剛性がCNT集合体に対して著しく向上されたものとなり得る。 As described above, the technology disclosed herein provides a novel carbyne-containing composite material that has never existed before. This carbyne-containing composite material can have the properties of both CNT aggregates and carbyne. For example, carbyne is reported to theoretically have twice the tensile strength of graphene, twice the stiffness of graphene and CNTs, and about three times the stiffness of diamond. Thus, for example, carbyne-containing composites can have significantly improved tensile strength and stiffness relative to CNT aggregates.

また一方で、上述のとおり、カルビンは、半導体的性質のCNTを金属的性質に変換する機能を備え得る。したがって、例えば、カルビン含有複合材料は、CNT集合体の電気伝導性を高めたものとなり得る。このように、ここに開示されるカルビン含有複合材は、CNT集合体の特性を向上させたり改変させたりした新しい材料を提供する。この新規な材料は、従来のCNTと同様の用途で使用したり、これまでにない新しい用途で使用したりすることができる。このことから、ここに開示される技術は、カルビン含有複合材料を含む各種の物品を提供することができる。 On the other hand, as mentioned above, carbyne may have the function of converting semiconducting CNTs into metallic properties. Thus, for example, carbyne-containing composites can result in enhanced electrical conductivity of CNT aggregates. Thus, the carbyne-containing composites disclosed herein provide new materials with enhanced or modified properties of CNT aggregates. This novel material can be used in applications similar to conventional CNTs, or in novel applications never before seen. Accordingly, the technology disclosed herein can provide various articles including carbyne-containing composites.

また他の側面において、ここで開示される技術は、カルビン含有複合材料の製造方法をも提供する。この製造方法は、複数のカーボンナノチューブが集合されてなり、G/D比が25以上のカーボンナノチューブ集合体を用意すること、上記カーボンナノチューブ集合体に、少なくとも電界電子放出が生じる電圧を印加すること、を含む。これにより、例えば、非特許文献1に開示されるよりも大幅に低い温度および低い真空度の緩和された条件において、上記カルビン含有複合材料を製造することができる。これにより、上記カルビン含有複合材料を簡便に製造することができる。 In another aspect, the technology disclosed herein also provides a method for producing a carbyne-containing composite material. This manufacturing method includes preparing a carbon nanotube aggregate having a G/D ratio of 25 or more, which is formed by assembling a plurality of carbon nanotubes, and applying a voltage that causes at least field electron emission to the carbon nanotube aggregate. ,including. This allows the carbyne-containing composite material to be produced under relaxed conditions of significantly lower temperature and lower vacuum than disclosed, for example, in Non-Patent Document 1. Thereby, the carbyne-containing composite material can be easily produced.

一実施形態に係るカルビン含有複合材料に含まれる、SWNTに内包されたカルビンの結晶構造を模式的に示した図である。1 is a diagram schematically showing the crystal structure of carbyne encapsulated in SWNTs contained in a carbyne-containing composite material according to one embodiment. FIG. 非特許文献1に開示されたカルビンを100%内包しているCNTのラマンスペクトルである。1 is a Raman spectrum of CNTs containing 100% carbyne disclosed in Non-Patent Document 1. FIG. 一実施形態に係るカルビン含有複合材料についてのラマンスペクトルである。1 is a Raman spectrum for a carbyne-containing composite material according to one embodiment; カルビンを含まないCNTシートについてのラマンスペクトルの一例である。It is an example of a Raman spectrum for a CNT sheet containing no carbynes. 他の実施形態に係るカルビン含有複合材料のラマンスペクトル測定位置(a)~(c)を示すSEM像である。Fig. 10 is an SEM image showing Raman spectrum measurement positions (a) to (c) of a carbyne-containing composite material according to another embodiment. 図5Aで示した測定位置(a)~(c)におけるカルビン含有複合材料のラマンスペクトルである。FIG. 5B is a Raman spectrum of the carbyne-containing composite material at the measurement positions (a) to (c) shown in FIG. 5A. (A)~(C)は、カルビンを含まないCNTシート中のSWNTのTEM像であり、(D)は(A)の階調プロファイル解析の結果を示す図である。(A) to (C) are TEM images of SWNTs in a CNT sheet containing no carbyne, and (D) is a diagram showing the results of gradation profile analysis of (A). 一実施形態に係るカルビン含有複合材料に含まれるSWNTのTEM像である。1 is a TEM image of SWNTs included in a carbyne-containing composite according to one embodiment. 一実施形態に係るカルビン含有複合材料に含まれる他のSWNTのTEM像である。1 is a TEM image of other SWNTs included in a carbyne-containing composite according to one embodiment. (A)(B)は、それぞれ図7Aおよび図7Bの四角で囲んだ領域の階調プロファイル解析の結果を示す図である。7A and 7B are diagrams showing the results of gradation profile analysis of the boxed regions in FIGS. 7A and 7B, respectively; FIG. (A)(B)は、一実施形態に係るカルビン含有複合材料に含まれるDWNTのTEM像である。(A) and (B) are TEM images of DWNTs included in a carbyne-containing composite material according to one embodiment. (A)(B)は、それぞれ図9(A)(B)の四角で囲んだ領域の階調プロファイル解析の結果を示す図である。9A and 9B are diagrams showing the results of gradation profile analysis of the areas enclosed by squares in FIGS. 9A and 9B, respectively; FIG. (A)は、一実施形態に係るカルビン含有複合材料に含まれるMWNTのTEM像であり、(B)はその四角で囲んだ領域の階調プロファイル解析の結果を示す図である。(A) is a TEM image of MWNTs contained in a carbyne-containing composite material according to one embodiment, and (B) is a diagram showing the results of tone profile analysis of the boxed area. (A)は、一実施形態に係るカルビン含有複合材料に含まれるDWNTのTEM像であり、(B)はその四角で囲んだ領域の階調プロファイル解析の結果を示す図である。(A) is a TEM image of DWNTs contained in a carbyne-containing composite material according to one embodiment, and (B) is a diagram showing the results of tone profile analysis of the boxed area.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、カルビン含有複合材料の構成)以外であって、本発明の実施に必要な事柄(例えば、出発材料であるCNT集合体の作製方法など)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書及び図面に開示されている内容と、当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、本明細書において、数値範囲を示す「X~Y」との標記は、特にことわりのない限り、「X以上Y以下」を意味する。 Preferred embodiments of the present invention are described below. In addition to matters specifically mentioned in the present specification (e.g., structure of carbyne-containing composite material), matters necessary for carrying out the present invention (e.g., a method for producing a CNT aggregate as a starting material, etc.) can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in the specification and drawings, and the common general technical knowledge in the field. In this specification, the notation "X to Y" indicating a numerical range means "X or more and Y or less" unless otherwise specified.

[カルビン含有複合材料]
ここに開示されるカルビン含有複合材料は、複数のCNTが集合されてなるCNT集合体と、カルビンと、を含む。そしてカルビンは、CNTに充填(内包)されている。以下、カルビン含有複合材料の各構成要素について説明する。
[Carbyne-containing composite material]
The carbyne-containing composite material disclosed herein includes a CNT aggregate formed by assembling a plurality of CNTs, and carbyne. Carbyne is filled (encapsulated) in the CNT. Each component of the carbyne-containing composite material will be described below.

[CNT集合体]
CNT集合体は、ここに開示されるカルビン含有複合材料の主体となる要素である。そしてカルビンを安定的に保持する保護ケースとしての役割を有する。また、CNT集合体は、後述のカルビン含有複合材料の製造に際しては、カルビンのリアクターとしての機能をも有する。CNT集合体としては、その構成等は特に制限されず、複数のCNTが別個にあるいは一体的に集合されてなる各種のCNT集合体を考慮することができる。取り扱いの容易性の観点から、複数のCNTが一体的に集合されていてもよい。またCNT集合体は、例えば、基板に垂直な方向に配向して成長された複数のCNTの群れにより構成されていてもよい。ここで「CNT集合体」を構成するCNTの数は厳密には制限されず、一例として、多数(例えば10本程度以上、好ましくは50本程度以上、より好ましくは100本程度以上)のCNTの集合からなるものとして考慮することができる。しかしながら、CNT集合体について、これを構成するCNTの数によって規定することは現実的ではないとも言える。必ずしもこれに限定されるものではないが、例えば、工業的な取り扱いが容易になるとの観点から、例えば、「CNT集合体」は、1μg以上のCNTの集合として把握してもよい。CNT集合体は、10μg以上のCNTの集合であってよく、100μg以上であってよく、例えば1000μg以上であり得る。CNT集合体を構成するCNTの質量の上限については何ら制限はない。
[CNT aggregate]
CNT aggregates are the main component of the carbyne-containing composites disclosed herein. And it has a role as a protective case that holds Calbyne stably. The CNT aggregate also functions as a reactor for carbyne in the production of a carbyne-containing composite material, which will be described later. The structure of the CNT aggregate is not particularly limited, and various CNT aggregates in which a plurality of CNTs are aggregated separately or integrally can be considered. From the viewpoint of ease of handling, a plurality of CNTs may be aggregated integrally. Also, the CNT aggregate may be composed of, for example, a group of a plurality of CNTs grown in a direction perpendicular to the substrate. Here, the number of CNTs constituting the "CNT aggregate" is not strictly limited. can be considered as consisting of sets. However, it can be said that it is not realistic to define a CNT aggregate by the number of CNTs that constitute it. Although it is not necessarily limited to this, for example, from the viewpoint of facilitating industrial handling, the "CNT aggregate" may be grasped as an aggregate of 1 μg or more of CNTs. A CNT aggregate may be an aggregate of 10 μg or more of CNTs, may be 100 μg or more, and may be, for example, 1000 μg or more. There is no upper limit on the mass of CNTs forming the CNT aggregate.

CNT集合体は、一枚のグラフェンシートが筒状に丸まった形態のSWNTによって構成されていてもよいし、2つの異径のSWNTが入れ子状になった形態のDWNTによって構成されていてもよいし、3つ以上の複数の異径のSWNTが入れ子状になった形態の多層カーボンナノチューブ(Multi-walled carbon nanotube:MWNT)によって構成されていてもよい。また、CNT集合体は、これらのSWNT、DWNTおよびMWNTのうちの2種以上が混在して構成されていてもよい。なお本明細書においては、三層以上のCNTをMWNTと総称し、その割合等についても特にことわりのない限り、MWNTの全体についての値を意味するものとする。MWNTとしては、例えば、3~200層程度のCNTが一般的であり、典型的には3~60層程度のCNTであり得る。またCNTは、一つのチューブにおいても、部分的に一層であったり、二層であったり、三層であったりと、異なる層構造を備え得る。このような場合は、そのCNTにおいて最も占める割合の多い層の数を、当該CNTの層の数として採用してもよい。 The CNT aggregate may be composed of SWNTs in which one graphene sheet is rolled into a cylindrical shape, or may be composed of DWNTs in which two SWNTs having different diameters are nested. Alternatively, it may be composed of a multi-walled carbon nanotube (MWNT) in which three or more SWNTs with different diameters are nested. Also, the CNT aggregate may be composed of a mixture of two or more of these SWNTs, DWNTs and MWNTs. In the present specification, CNTs having three or more layers are collectively referred to as MWNTs, and unless otherwise specified, the values of the MWNTs as a whole are also referred to as their ratios. MWNTs are, for example, generally CNTs with about 3 to 200 layers, and typically can be CNTs with about 3 to 60 layers. CNTs can also have different layer structures, such as partial single layer, double layer, or triple layer, even in one tube. In such a case, the number of layers occupying the largest proportion in the CNT may be adopted as the number of layers of the CNT.

CNT集合体は、必ずしもこれに限定されるものではないが、SWNT、DWNTおよびMWNTの合計に占めるSWNTの割合が、10本数%以上(本数基準で10%以上)であることが好ましい。CNT集合体を構成するSWNTの割合が多くなることにより、CNT集合体の単位重量あたりに含まれるカルビンの量を増大させることができるために好ましい。CNT集合体に占めるSWNTの割合は、20本数%以上がより好ましく、30本数%以上がさらに好ましく、40本数%以上が特に好ましく、例えば50本数%以上であってよい。なお、SWNTの割合は、60本数%以上であってよく、70本数%以上であってよく、80本数%以上であってよく、90本数%以上であってよく、実質的に100本数%であってもよい。 The CNT aggregate is not necessarily limited to this, but the ratio of SWNTs to the total of SWNTs, DWNTs and MWNTs is preferably 10% or more (10% or more based on number). By increasing the ratio of SWNTs constituting the CNT aggregate, it is possible to increase the amount of carbyne contained per unit weight of the CNT aggregate, which is preferable. The proportion of SWNTs in the CNT aggregate is more preferably 20% or more, more preferably 30% or more, particularly preferably 40% or more, and may be, for example, 50% or more. The proportion of SWNTs may be 60 number % or more, 70 number % or more, 80 number % or more, 90 number % or more, or substantially 100 number %. There may be.

なお、近年ではSWNTの合成方法が大幅に改良されており、純度やグラファイト化度の面においてより高品質なSWNTの合成方法が提案されている。またこのようなSWNTを含むCNT集合体においては、SWNTの含有割合を質量基準で評価することがあり得る。したがって、例えば、CNT集合体は、必ずしもこれに限定されるものではないが、SWNT、DWNTおよびMWNTの合計に占めるSWNTの割合が、30質量%以上であることが好ましく、40質量%以上がより好ましく、50質量%以上がさらに好ましく、60質量%以上が特に好ましく、例えば70質量%以上とすることができる。このことによっても、例えば、カルビン含有複合材料の全体に占めるCNTの質量割合を効果的に削減することができる。SWNTの割合の上限は特に制限されず、例えば、実質的に100質量%(例えば95質量%以下)であってもよい。 In recent years, methods for synthesizing SWNTs have been greatly improved, and methods for synthesizing SWNTs with higher quality in terms of purity and degree of graphitization have been proposed. Moreover, in a CNT aggregate containing such SWNTs, the content of SWNTs may be evaluated on a mass basis. Therefore, for example, the CNT aggregate is not necessarily limited to this, but the ratio of SWNTs to the total of SWNTs, DWNTs and MWNTs is preferably 30% by mass or more, and more preferably 40% by mass or more. It is preferably 50% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, and particularly preferably 70% by mass or more. This also makes it possible, for example, to effectively reduce the mass proportion of CNTs in the entire carbyne-containing composite material. The upper limit of the proportion of SWNTs is not particularly limited, and may be, for example, substantially 100% by mass (eg, 95% by mass or less).

一方で、DWNTは、その内部にカルビンを安定的に形成しやすいことが知られている。かかる観点から、CNT集合体において、SWNT、DWNTおよびMWNTの合計に占めるDWNTの割合は、10質量%以上であってよく、15質量%以上であってよく、例えば、20質量%以上であってもよい。しかしながら、ここに開示されるカルビン含有複合材料において、高い割合でカルビンをCNTに内包させるために、必ずしもDWNTの割合を高める必要はない。かかる観点から、CNT集合体は、必ずしもこれに限定されるものではないが、例えば、SWNT、DWNTおよびMWNTの合計に占めるDWNTの割合が、70質量%以下であってよく、60質量%以下以上であってよく、例えば50質量%以下であってよい。なお、CNTの合計に占めるMWNTの割合は、例えば30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、例えば、10質量%以下であってよい。 On the other hand, DWNT is known to easily form carbyne in its interior. From this point of view, in the CNT aggregate, the ratio of DWNTs to the total of SWNTs, DWNTs and MWNTs may be 10% by mass or more, may be 15% by mass or more, and may be, for example, 20% by mass or more. good too. However, in the carbyne-containing composite material disclosed herein, it is not necessary to increase the proportion of DWNTs in order to enclose a high proportion of carbynes in CNTs. From this point of view, the CNT aggregate is not necessarily limited to this, but for example, the ratio of DWNT to the total of SWNT, DWNT and MWNT may be 70% by mass or less, or 60% by mass or less. For example, it may be 50% by mass or less. The ratio of MWNTs to the total of CNTs is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and may be, for example, 10% by mass or less.

また、CNT集合体におけるCNTの平均直径については厳密には制限されず、例えば、0.43nm以上100nm以下であってよく、典型的には0.5nm以上50nm以下であり、好ましくは0.6nm以上10nm以下である。なお、CNT集合体の直径とは、SWNTについてはチューブ径(直径)を、2層以上のCNTについては最も内側のCNTについてのチューブ系(直径)を意味する。ここに開示されるカルビン含有複合材料においては、必ずしもこれに限定されるものではないが、直径が0.6nm以上、例えば0.7nm以上のCNTにおいて、カルビンを好適に内包し得ることが確認されている。したがって、CNT集合体におけるCNTの平均内径は、0.6nm以上が好ましく、0.7nm以上がより好ましく、例えば0.8nm以上とすることができる。カルビンを内包するCNTについては、カルビンがより安定に存在し得るとの観点から、例えばCNTの平均内径は、5nm以下、より好適には2nm以下とすることが好ましい。 In addition, the average diameter of CNTs in the CNT aggregate is not strictly limited, and may be, for example, 0.43 nm or more and 100 nm or less, typically 0.5 nm or more and 50 nm or less, preferably 0.6 nm. 10 nm or less. The diameter of the CNT aggregate means the tube diameter (diameter) for SWNTs, and the tube system (diameter) for the innermost CNTs for CNTs having two or more layers. Although the carbyne-containing composite material disclosed herein is not necessarily limited to this, it has been confirmed that CNTs having a diameter of 0.6 nm or more, for example, 0.7 nm or more, can preferably enclose carbynes. ing. Therefore, the average inner diameter of the CNTs in the CNT aggregate is preferably 0.6 nm or more, more preferably 0.7 nm or more, and can be, for example, 0.8 nm or more. For CNTs containing carbyne, for example, the average inner diameter of CNTs is preferably 5 nm or less, more preferably 2 nm or less, from the viewpoint that carbyne can exist more stably.

CNTの平均長さは、典型的には1μm以上であることが適当である。低抵抗や膜強度を高める等の観点から、CNTの長さの平均値は、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、さらに好ましくは8μm以上、特に好ましくは10μm以上、例えば10μm超である。CNTの平均長さの上限は特に限定されないが、概ね30μm以下にすることが適当であり、例えば25μm以下、典型的には20μm以下、例えば15μm以下であってもよい。例えば、CNTの平均長さが5μm以上30μm以下、好ましくは10μm超25μm以下、典型的には12μm以上20μm以下であるCNTが好適である。 It is suitable that the average length of CNTs is typically 1 μm or more. From the viewpoint of low resistance and increased film strength, the average length of CNTs is preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, even more preferably 8 μm or more, particularly preferably 10 μm or more, for example, more than 10 μm. Although the upper limit of the average length of the CNTs is not particularly limited, it is suitable to be approximately 30 μm or less, and may be, for example, 25 μm or less, typically 20 μm or less, for example, 15 μm or less. For example, CNTs having an average length of 5 μm or more and 30 μm or less, preferably 10 μm or more and 25 μm or less, and typically 12 μm or more and 20 μm or less are suitable.

CNT集合体におけるCNTのアスペクト比(CNTの長さ/直径)の平均値は特に制限されないが、典型的には100以上である。CNTのアスペクト比が大きいほど、CNT同士が機械的に絡み合い易く、一体的な集合体を形成し易くなるために好ましい。さらには、バインダを含むことなく所望の形状の集合体を形成しうる点においても好ましい。CNTの平均アスペクト比は、CNT集合体の低抵抗特性や強度を高める等の観点から、好ましくは250以上、より好ましくは500以上、さらに好ましくは800以上、特に好ましくは1000以上である。CNTの平均アスペクト比の上限は特に限定されないが、取扱性や製造容易性等の観点からは、概ね25000以下にすることが適当であり、好ましくは20000以下、より好ましくは15000以下、さらに好ましくは12000以下、特に好ましくは10000以下である。例えば、CNTの平均アスペクト比が100~10000であるCNTが好適である。なお、CNTの平均アスペクト比(CNTの長さ/直径)、平均長さおよび平均直径は、典型的には電子顕微鏡観察に基づく測定で得られた値を採用することができる。 The average value of the CNT aspect ratio (CNT length/diameter) in the CNT aggregate is not particularly limited, but is typically 100 or more. The larger the aspect ratio of the CNTs, the easier it is for the CNTs to be mechanically entangled with each other, and the easier it is for them to form an integral aggregate, which is preferable. Furthermore, it is also preferable in that an aggregate having a desired shape can be formed without including a binder. The average aspect ratio of CNTs is preferably 250 or more, more preferably 500 or more, still more preferably 800 or more, and particularly preferably 1000 or more, from the viewpoint of increasing the low resistance property and strength of the CNT aggregate. The upper limit of the average aspect ratio of CNTs is not particularly limited, but from the viewpoint of ease of handling and production, it is suitable to be approximately 25,000 or less, preferably 20,000 or less, more preferably 15,000 or less, and even more preferably. It is 12,000 or less, particularly preferably 10,000 or less. For example, CNTs having an average aspect ratio of 100 to 10,000 are suitable. For the average aspect ratio (length/diameter of CNTs), average length and average diameter of CNTs, values typically obtained by measurement based on electron microscope observation can be employed.

[カルビン]
ここに開示されるカルビン含有複合材料において、カルビンは、例えば図1に示すように、CNTに内包されている。カルビンとCNTとは、長手方向(軸方向)が同一である。カルビンは、上述のように、炭素の同素体の一つであり、炭素原子が一次元で直鎖状にsp結合した構造を有する。具体的には、カルビンは、下式(1)(2)で示すように、隣り合う炭素原子が三重結合と単結合とで交互に結合されたポリイン型構造(1)と、連続する二重結合で結合されたクムレン型構造(2)と、の共鳴構造により表すことができる。したがって、カルビンは、厚み(直径)が炭素原子1個分であり、この厚みに対して長さが十分に長い(例えば、凡そ9nm以上)ことから、カルビンは究極の一次元物質であるといえる。
[Calvin]
In the carbyne-containing composite material disclosed herein, carbyne is encapsulated in CNTs, for example, as shown in FIG. Carbyne and CNT have the same longitudinal direction (axial direction). As described above, carbyne is one of allotropes of carbon, and has a structure in which carbon atoms are sp-bonded in a one-dimensional straight chain. Specifically, as shown in the following formulas (1) and (2), carbyne has a polyyne structure (1) in which adjacent carbon atoms are alternately bonded with triple bonds and single bonds, and a continuous double bond. It can be represented by a resonance structure of a cumulene-type structure (2) connected by a bond. Therefore, carbyne has a thickness (diameter) of one carbon atom and a sufficiently long length (e.g., approximately 9 nm or more) relative to this thickness, so it can be said that carbyne is the ultimate one-dimensional substance. .

-C≡C-C≡C-C≡C-C≡C-C≡C- …(1)

=C=C=C=C=C=C=C=C=C=C= …(2)
-C≡CC≡CC≡CC≡CC≡C- (1)

=C=C=C=C=C=C=C=C=C=C= (2)

非特許文献2では、式(1)(2)で示されるカルビンについて、コンピュータを用いた精密なシミュレーションを行い、カルビンがこの世に存在するどの物質よりも固いことを予測している。具体的には、抗張力がグラフェンの約2倍であり、剛性はグラフェンとナノチューブの約2倍でダイヤモンドの約3倍に達するとしている。また、カルビンは、その結合方向を回転軸として90°捻ると、磁性半導体になる他、エネルギーを貯蔵して常温でも安定することが予想されている。カルビンの相図は、気相、液相、ダイヤモンド、グラファイトに囲まれた狭い領域に存在すると言われているが、実際のカルビンは単体では常圧下で非常に不安定な物質であることから、その詳細は明らかにされていない。 In Non-Patent Document 2, precise computer simulations are performed on carbyne represented by formulas (1) and (2), and it is predicted that carbyne is harder than any substance existing in the world. Specifically, the tensile strength is about twice that of graphene, the stiffness is about twice that of graphene and nanotubes, and about three times that of diamond. Carbyne is expected to become a magnetic semiconductor when twisted by 90° with its bonding direction as the axis of rotation, and to store energy and be stable even at room temperature. The phase diagram of carbyne is said to exist in a narrow region surrounded by gas phase, liquid phase, diamond, and graphite. Details have not been disclosed.

しかし、このようなカルビンであっても、CNTに内包されることによって、常温常圧下で安定に存在することができる。ここに開示されるカルビン含有複合材料がカルビンを含んでいることは、ラマン分光分析によって得られるラマンスペクトルにおいて、凡そ1850cm-1から1865cm-1の範囲に、直鎖炭素鎖(linear carbon chains:LCC)バンドに基づくピークが見られることにより、カルビンの存在を確認することができる。換言すると、LCCバンドの検出により、カルビンがCNTに内包されていることを確認することができる。However, even such carbyne can exist stably under normal temperature and normal pressure by being encapsulated in CNTs. The fact that the carbyne - containing composite material disclosed herein contains carbyne indicates that linear carbon chains (LCC ) The presence of carbyne can be confirmed by the presence of a peak based on the band. In other words, by detecting the LCC band, it can be confirmed that carbyne is included in the CNT.

なお、本明細書において、ラマンスペクトルは、特にことわりのない限り、励起光として波長532nmのレーザを使用したラマン分光分析によって得られるスペクトルを意味する。また、かかるカルビン含有複合材料のラマンスペクトルには、CNTのグラファイト構造に由来して1590cm-1付近にGバンドに基づくピークが観察される。また、かかるカルビン含有複合材料のラマンスペクトルには、グラファイト構造の欠陥に由来して1350cm-1付近にDバンドに基づくピークが観察され得る。In this specification, unless otherwise specified, the Raman spectrum means a spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis using a laser with a wavelength of 532 nm as excitation light. Also, in the Raman spectrum of such a carbyne-containing composite material, a peak based on the G band is observed near 1590 cm −1 derived from the graphite structure of CNT. Also, in the Raman spectrum of such a carbyne-containing composite material, a peak based on the D band can be observed near 1350 cm −1 due to defects in the graphite structure.

なお、ここに開示されるカルビン含有複合材料は、従来よりもたくさんの割合でCNT内にカルビンを含んでいる。その結果、ラマンスペクトルにおいて、Gバンドに基づくピークの強度Iを「1」(基準)としたときの、LCCバンドに基づくピークの相対強度ILCC、すなわち相対強度ILCC/I、が0.4以上となり得る。相対強度ILCC/Iは0.8以上が好ましく、1.0以上がより好ましく、1.2以上がさらに好ましく、1.5以上が特に好ましい。また、相対強度ILCC/Iは、2以上とすることができ、2.5以上がより好ましく、3.0以上が特に好ましい。相対強度ILCC/Iの上限は厳密には限定されない。例えば、後述するように、非特許文献1に開示されたCNTのカルビン内包部分(局所)についての相対強度ILCC/Iが6.1であることから、相対強度ILCC/Iの上限は6.1程度とすることができる。It should be noted that the carbyne-containing composites disclosed herein contain carbynes in the CNTs in a greater proportion than in the past. As a result, in the Raman spectrum, the relative intensity I LCC of the peak based on the LCC band when the intensity I G of the peak based on the G band is "1" (reference), that is, the relative intensity I LCC /I G , is 0 .4 or more. The relative intensity I LCC /I G is preferably 0.8 or more, more preferably 1.0 or more, still more preferably 1.2 or more, and particularly preferably 1.5 or more. Also, the relative intensity I LCC /I G can be 2 or more, more preferably 2.5 or more, and particularly preferably 3.0 or more. The upper limit of the relative intensity I LCC /I G is not strictly limited. For example, as described later, the relative intensity I LCC /I G for the carvin-encapsulated portion (local) of the CNT disclosed in Non-Patent Document 1 is 6.1, so the upper limit of the relative intensity I LCC /I G can be about 6.1.

ここに開示されるカルビン含有複合材料において、CNTに内包されるカルビンの量は、カルビンの充填率によっても評価することができる。ここに開示されるカルビン含有複合材料において、カルビンの充填率は30%以上が好適である。このような高い充填率でカルビンを含むCNT集合体は、これまでに知られていない。カルビンの充填率は、後述のカルビン含有複合材料の製造方法や出発材料を調整することで、さらに高めることができる。例えば、カルビンの充填率は32%以上であってよく、33%以上がより好ましく、35%以上が特に好ましく、37%以上がさらに好ましく、例えば40%以上であってよい。 In the carbyne-containing composite material disclosed herein, the amount of carbyne encapsulated in CNTs can also be evaluated by the carbyne filling rate. In the carbyne-containing composite material disclosed herein, the carbyne filling rate is preferably 30% or more. A CNT assembly containing carbynes at such a high filling rate has not been known so far. The carbyne filling rate can be further increased by adjusting the manufacturing method of the carbyne-containing composite material and the starting materials, which will be described later. For example, the carbyne filling rate may be 32% or more, more preferably 33% or more, particularly preferably 35% or more, even more preferably 37% or more, for example 40% or more.

なお、本明細書において、CNTへのカルビンの充填率は、以下のように定義される。すなわち、まず、1本の長尺のカルビンを長さ方向で間欠することなく内包している1本のCNTのカルビン内包部分について、カルビンの充填率が100%であると定義する。そしてこの充填率100%のカルビン内包部分のラマンスペクトルにおいて、Gバンドに基づくピークの強度IG*を「1」としたときの、LCCバンドに基づくピークの強度ILCC*、すなわちILCC*/IG*をもって、充填率100%のときのGバンドに対するLCCバンドの相対強度ILCC/G*(基準)とする。また、カルビン含有複合材料のラマンスペクトルにおいて、Gバンドに基づくピークの強度Iを「1」としたときの、LCCバンドに基づくピークの強度ILCCを、カルビン含有複合材料のGバンドに対するLCCバンドの相対強度ILCC/Gとする。このとき、カルビン含有複合材料におけるCNTのカルビン充填率Fは、次式で表される。
F(%)=ILCC/G/ILCC/G*×100
In this specification, the filling ratio of carbyne to CNTs is defined as follows. That is, first, it is defined that the carbyne-encapsulated portion of one CNT that encloses one long carbyne without intermittence in the length direction has a carbyne filling rate of 100%. Then, in the Raman spectrum of the carbyne-encapsulated portion with a filling rate of 100%, the intensity I LCC* of the peak based on the LCC band when the intensity I G* of the peak based on the G band is set to "1", that is, I LCC* / Let IG* be the relative intensity I LCC/G* (reference) of the LCC band to the G band at a filling rate of 100%. Further, in the Raman spectrum of the carbyne-containing composite material, the intensity I LCC of the peak based on the LCC band when the intensity IG of the peak based on the G band is set to "1" is the LCC band for the G band of the carbyne-containing composite material. Let the relative intensity I LCC/G of At this time, the carbyne filling factor F of CNTs in the carbyne-containing composite material is represented by the following equation.
F (%)= ILCC/G / ILCC/G* ×100

充填率が100%のときのGバンドに対するLCCバンドの相対強度ILCC/G*は、充填率100%のカルビン内包CNTを用いて測定により求めた値を採用してもよいし、例えば、非特許文献1に開示されたラマンスペクトルに基づいて算出された値である「6.1」を用いてもよい。図2に、非特許文献1に開示されたラマンスペクトルを示した。The relative intensity ILCC/G* of the LCC band with respect to the G band when the filling rate is 100% may adopt a value obtained by measurement using carbyne-encapsulated CNTs with a filling rate of 100%. A value of "6.1" calculated based on the Raman spectrum disclosed in Patent Document 1 may be used. FIG. 2 shows the Raman spectrum disclosed in Non-Patent Document 1.

また、カルビン含有複合材料は、CNT集合体部分に表面欠陥が少ないほど、それぞれのCNT間の分子間力が効果的に高められるために好ましい。また、CNTが金属的性質を示す場合は、表面欠陥が少ない方が導電率が上昇し得る。したがって、CNT集合体は表面欠陥が少ないほうが好ましい。かかる観点において、ここに開示されるカルビン含有複合材料は、Dバンドに基づくピークの強度Iに対する、Gバンドに基づくピークの強度Iの比(I/I:G/D比)が高いことが好ましい。カルビン含有複合材料のG/D比は、例えば6以上であることが好ましく、7以上がより好ましく、8以上がさらに好ましく、10以上が特に好ましい。In addition, the carbyne-containing composite material preferably has fewer surface defects in the CNT aggregate portion because the intermolecular force between the CNTs can be effectively enhanced. In addition, when CNTs exhibit metallic properties, electrical conductivity can be increased with fewer surface defects. Therefore, it is preferable that the CNT aggregate has few surface defects. From this point of view, the carbyne-containing composite material disclosed herein has a ratio of the intensity I G of the peak based on the G band to the intensity I D of the peak based on the D band (I G /I D : G/D ratio) High is preferred. The G/D ratio of the carbyne-containing composite material is, for example, preferably 6 or more, more preferably 7 or more, even more preferably 8 or more, and particularly preferably 10 or more.

[用途]
以上のカルビン含有複合材料は、CNT集合体にカルビンがこれまでにない高い割合で内包されている。したがって、カルビン含有複合材料は、CNTの本来有する特性に加えて、カルビンに由来する特性をも備え得る。例えば、従来のCNTシートなどと比較して高い強度を備える物品を提供することができる。また一方で、カルビンは、カルビンを内包するCNTの性状に変化をもたらし得る。例えば、SWNTはカイラリティによって金属的性質を示すか半導体的性質を示すかが分かれるが、DWNTおよびMWNTについては一層でも金属的性質のCNTを含むことで全体として金属的性質を示すことから、現実的にはほぼ全てDWNTおよびMWNTが金属的性質を示し得ることが知られている。ここに開示されるカルビン含有複合材料はSWNTを好適に含みうることから、SWNTが半導体的性質を示すとき、カルビン含有複合材料とすることで、SWNTは金属的性質を示すように改質され得る。このことにより、例えば金属/半導体の作り分けが完全でないCNT集合体におけるCNTの性状を、金属的特性に揃えることができる。このようなカルビン含有複合材料を備える物品は、従来のCNTを使用した製品のほぼ全てに置き換えて用いることができる。例えば、カルビン含有複合材料を含む物品は、機械的用途または導電材用途の軽量材料等として特に有用であり得る。かかる物品の好適例としては、例えば、透明電極、透明導電膜などが挙げられる。
[Use]
In the carbyne-containing composite material described above, carbyne is included in the CNT aggregate at an unprecedentedly high ratio. Thus, a carbyne-containing composite material can have properties derived from carbyne in addition to the inherent properties of CNTs. For example, it is possible to provide an article with higher strength compared to conventional CNT sheets and the like. On the other hand, carbyne can bring about changes in the properties of CNTs encapsulating carbyne. For example, SWNTs exhibit metallic properties or semiconducting properties depending on chirality, but DWNTs and MWNTs exhibit metallic properties as a whole by including even one layer of CNTs with metallic properties. It is known that almost all DWNTs and MWNTs can exhibit metallic properties. Since the carbyne-containing composites disclosed herein can suitably include SWNTs, when the SWNTs exhibit semiconducting properties, the carbyne-containing composites can modify the SWNTs to exhibit metallic properties. . As a result, for example, the properties of CNTs in a CNT aggregate in which metal/semiconductor are not completely separated can be matched to metallic properties. An article comprising such a carbyne-containing composite material can be used to replace almost all conventional products using CNTs. For example, articles comprising carbyne-containing composites can be particularly useful as lightweight materials, such as for mechanical or electrical conductor applications. Suitable examples of such articles include, for example, transparent electrodes and transparent conductive films.

[カルビン含有複合材料の製造方法]
またここに開示される技術によると、上記のカルビン含有複合材料の好適な製造方法が提供される。この製造方法は、以下の工程(1)~(2)を含む。以下、各工程について説明する。
(1)出発材料として、複数のCNTが集合されてなり、G/D比が25以上のCNT集合体を用意する。
(2)CNT集合体に、少なくとも電界電子放出(Field Emission:FE)が生じる電圧を印加する。
[Method for producing carbyne-containing composite material]
Further, according to the technology disclosed herein, a suitable method for producing the carbyne-containing composite material is provided. This manufacturing method includes the following steps (1) to (2). Each step will be described below.
(1) As a starting material, a CNT aggregate having a G/D ratio of 25 or more is prepared.
(2) Applying a voltage that causes at least field emission (FE) to the CNT aggregate.

[1.出発材料の用意]
カルビン含有複合材料は、出発材料として、CNT集合体を用いる。このCNT集合体は、目的のカルビン含有複合材料とほぼ同じ構成を有するものを用意すればよい。例えば、カルビン含有複合材料のCNT集合体におけるSWNT、DWNT、MWNTの各割合や形状および集合形態等は、出発材料の段階で所望の態様を備えるCNT集合体を用意するとよい。なお、次工程のFEを生じさせ易くなるとの観点からは、概ね表面形態が平坦なシート状のCNT集合体を使用することが好ましい。CNT集合体は、任意の基材に保持されていてもよいし、CNT集合体のみの独立体として用意されてもよい。
[1. Preparation of starting materials]
Carbyne-containing composites use CNT aggregates as starting materials. This CNT aggregate may be prepared to have almost the same structure as the desired carbyne-containing composite material. For example, it is preferable to prepare a CNT aggregate having a desired aspect at the stage of the starting material, such as the respective ratios, shapes, and aggregate forms of SWNTs, DWNTs, and MWNTs in the CNT aggregate of the carbyne-containing composite material. From the viewpoint of facilitating the generation of FE in the next step, it is preferable to use a sheet-like CNT aggregate having a substantially flat surface morphology. The CNT aggregate may be held on any base material, or may be prepared as an independent CNT aggregate alone.

上記CNT集合体としては、FEを好適に生じさせるとの観点から、ラマン分光分析によって測定されるG/D比が25以上のものを好ましく採用することができる。G/D比が大きいCNT集合体ほど、CNTの表面欠陥が少なく、結晶性が高いと評価することができる。このことにより、次工程でFEを好適な状態で生じさせることができる。また、CNTは表面欠陥が少ないことで、各CNT間の分子間力が効果的に高められている。そのため、CNT集合体の形成において、例えばバインダを必要とせずに高い膜強度を実現しうる点においても好適である。CNTのG/D比は、好ましくは28以上、より好ましくは30以上、特に好ましくは35以上である。例えば、CNTのG/D比は、50以上であってもよく、典型的には100以上であってもよい。上記CNTのG/D比の上限は特に限定されないが、製造容易性等の観点からは、例えば200以下、典型的には150以下、例えば120以下であってもよい。このCNT集合体の製造方法は特に限定されない。例えば、アーク放電法や、CVD法などにより製造されたCNT集合体であってよい。しかしながら、上記のような高いG/D比を備えるCNT集合体は、例えば、CVD法により好ましく作製される。 As the CNT aggregate, one having a G/D ratio of 25 or more as measured by Raman spectroscopic analysis can be preferably used from the viewpoint of favorably generating FE. A CNT aggregate having a higher G/D ratio can be evaluated as having fewer surface defects and higher crystallinity. As a result, FE can be produced in a suitable state in the next step. In addition, since the CNTs have few surface defects, the intermolecular forces between the CNTs are effectively enhanced. Therefore, in the formation of a CNT aggregate, it is also suitable in that high film strength can be achieved without requiring a binder, for example. The G/D ratio of CNTs is preferably 28 or higher, more preferably 30 or higher, particularly preferably 35 or higher. For example, the G/D ratio of CNTs may be 50 or higher, typically 100 or higher. Although the upper limit of the G/D ratio of the CNT is not particularly limited, it may be, for example, 200 or less, typically 150 or less, for example, 120 or less from the viewpoint of ease of production. The method for producing this CNT aggregate is not particularly limited. For example, it may be a CNT aggregate manufactured by an arc discharge method, a CVD method, or the like. However, a CNT aggregate having a high G/D ratio as described above is preferably produced by, for example, the CVD method.

また、CNT集合体の純度は特に制限されないが、典型的には85%以上である。ここでいう純度とは、CNT集合体に占める炭素質材料(CNTおよびアモルファスカーボン)の割合である。FEのばらつきの抑制や、低抵抗化、膜強度向上等の観点から、CNT集合体の純度は、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上である。CNT集合体の純度の上限は特に限定されず、製造容易性等の観点からは、典型的には99%以下、例えば98%以下であってもよい。ここに開示される技術は、例えば、CNT集合体の純度が85%以上100%以下(典型的には95%以上99%以下)である態様で好ましく実施され得る。なお、本明細書において、CNTの純度は、示差熱重量分析(TG-DTA)装置による測定で得られた値を採用することができる。例えば一例として、TG/DTAチャートにおいて、683℃付近におけるSWNTの燃焼と、322℃付近のアモルファスカーボンの燃焼とによる重量減少率から、SWNTとアモルファスカーボンの合計であるCNTの含有量を算出することができる。CNT集合体がDWNTやMWNTを含む場合は、それらの燃焼に伴う重量減少を加味すればよい。 Also, the purity of the CNT aggregate is not particularly limited, but is typically 85% or higher. The purity here means the ratio of the carbonaceous material (CNT and amorphous carbon) to the CNT aggregate. The purity of the CNT aggregate is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, from the viewpoints of suppressing variations in FE, reducing resistance, improving film strength, and the like. The upper limit of the purity of the CNT aggregate is not particularly limited, and may typically be 99% or less, for example, 98% or less from the viewpoint of ease of production. The technology disclosed herein can be preferably practiced, for example, in a mode in which the purity of the CNT aggregate is 85% or more and 100% or less (typically 95% or more and 99% or less). In this specification, the purity of CNTs can be obtained by measurement using a differential thermogravimetry (TG-DTA) device. For example, in the TG/DTA chart, the content of CNTs, which is the sum of SWNTs and amorphous carbon, can be calculated from the weight loss rate due to the combustion of SWNTs at around 683°C and the combustion of amorphous carbon at around 322°C. can be done. If the CNT aggregate contains DWNTs or MWNTs, the weight loss due to their combustion should be taken into consideration.

さらに、CNT集合体のかさ密度は特に制限されない。カルビンをより高濃度に含むカルビン含有複合材料を得るとの目的からは、例えば、CNT集合体のかさ密度は、0.1g/cm以上であることが好ましく、0.3g/cm以上がより好ましく、0.5g/cm以上が特に好ましい。CNT集合体のかさ密度の上限は特に限定されず、例えば過度に密度の高いCNT集合体はCNTがMWNTで構成される割合が高まったり、圧密によりCNTが折れる割合が高まったりし得る。かかる不都合を避けやすいなどといった観点から、CNT集合体のかさ密度が典型的には1g/cm以下とすることができる。なお、このかさ密度は、後述の触媒金属やアモルファス金属等を含まないCNTについての値であることがより一層好ましい。Furthermore, the bulk density of the CNT aggregate is not particularly limited. For the purpose of obtaining a carbyne-containing composite material containing carbyne at a higher concentration, for example, the bulk density of the CNT aggregate is preferably 0.1 g/cm 3 or more, more preferably 0.3 g/cm 3 or more. More preferably, 0.5 g/cm 3 or more is particularly preferable. The upper limit of the bulk density of the CNT aggregate is not particularly limited. For example, a CNT aggregate with an excessively high density may increase the proportion of CNTs composed of MWNTs or may increase the proportion of CNTs that may break due to compaction. From the viewpoint of avoiding such inconvenience, the bulk density of the CNT aggregate can be typically set to 1 g/cm 3 or less. It is more preferable that this bulk density is a value for CNTs that do not contain catalyst metals, amorphous metals, etc., which will be described later.

さらに、CNT集合体は、例えば、CNTの合成等に用いられた触媒金属などの含有が許容される。触媒金属は、例えば、Fe,Coおよび白金族元素(Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt)からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属または該金属を主体とする合金であり得る。このような触媒金属は、典型的には微粒子(例えば、平均粒子径が3nm~100nm程度)の形態でCNT集合体中に含まれ得る。出発材料としてのCNT集合体の好ましい一態様では、炭素質材料の85atom%以上(より好ましくは90atom%以上)が炭素原子(C)である。該炭素質材料の95atom%以上が炭素原子であってもよく、99atom%以上が炭素原子であってもよく、実質的に炭素原子のみからなるCNTであってもよい。後述するCNT製造方法により得られた生成物に任意の後処理(例えば、アモルファスカーボンの除去、触媒金属の除去等の精製処理)を施したものを上記CNTとして使用してもよい。 Furthermore, the CNT aggregate is allowed to contain, for example, catalyst metals used in CNT synthesis and the like. The catalyst metal can be, for example, at least one metal selected from the group consisting of Fe, Co and platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), or an alloy mainly composed of said metal. Such catalytic metals can typically be contained in the CNT aggregates in the form of fine particles (eg, average particle diameter of about 3 nm to 100 nm). In a preferred embodiment of the CNT aggregate as the starting material, 85 atom % or more (more preferably 90 atom % or more) of the carbonaceous material is carbon atoms (C). 95 atom % or more of the carbonaceous material may be carbon atoms, 99 atom % or more may be carbon atoms, or CNTs consisting essentially of carbon atoms may be used. A product obtained by the CNT production method described later may be subjected to any post-treatment (for example, purification treatment such as removal of amorphous carbon and removal of catalyst metal) to be used as the CNT.

なお、CNT集合体は、次工程のFEの発生を著しく妨げない範囲において、上述した炭素質材料および触媒金属以外の材料(以下、添加材料ともいう。)を含有してもよい。そのような添加材料の例として、樹脂バインダ、導電材、増粘剤などが挙げられる。しかしながら、これらの添加材料の含有量は、CNT集合体の全質量のうち、例えば10質量%以下とすることが適当であり、好ましくは7質量%以下、より好ましくは5質量%以下、特に好ましくは3質量%以下である。CNT集合体は、中でも、絶縁作用を有する樹脂バインダを実質的に含まないことが好ましい態様であり得る。 The CNT aggregate may contain materials other than the above-described carbonaceous materials and catalyst metals (hereinafter also referred to as additive materials) within a range that does not significantly hinder the generation of FE in the next step. Examples of such additive materials include resin binders, conductive materials, thickeners, and the like. However, the content of these additive materials is suitably, for example, 10% by mass or less, preferably 7% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and particularly preferably 5% by mass or less, of the total mass of the CNT aggregate. is 3% by mass or less. Among others, it is preferable that the CNT aggregate does not substantially contain an insulating resin binder.

[2.CNT集合体のFE処理]
ここに開示されるカルビン含有複合材料は、上記で用意したCNT集合体に電圧を印加して、FEを生じさせるか、これに等しい状態に置くことで得ることができる。印加する電圧および雰囲気条件等は、CNT集合体の性状(結晶性や形状、延いては電界放出特性)によって異なるために一概にはいえない。CNT集合体が電界の作用によって電子を放出していることは、例えば、CNT集合体への電界の印加によって印加電極間に微弱な電流(FE電流)が流れることで、確認することができる。一般に、金属性材料についての電界放出は、超高真空雰囲気下(典型的には、10-8Pa以下の雰囲気)でないと安定して生じさせることができない。しかしながら、出発材料として上記の高い結晶性を備えるCNT集合体を用いることで、従来よりも緩い減圧環境および/または従来よりも低い電圧でFEを生じさせることができる。そしてこのような高い結晶性を備えるCNT集合体においてFE環境を創り出すことで、カルビンの形成により適した環境が整えられると考えられる。
[2. FE treatment of CNT aggregate]
The carbyne-containing composite material disclosed herein can be obtained by applying a voltage to the CNT aggregates prepared above to induce or equate to FE. The voltage to be applied, the atmospheric conditions, and the like vary depending on the properties of the CNT aggregate (crystallinity, shape, and field emission characteristics), and cannot be generalized. The fact that the CNT aggregate emits electrons due to the action of the electric field can be confirmed, for example, by applying an electric field to the CNT aggregate and causing a weak current (FE current) to flow between the applied electrodes. In general, field emission of metallic materials can be stably generated only in an ultra-high vacuum atmosphere (typically, an atmosphere of 10 −8 Pa or less). However, by using the above-described CNT aggregate with high crystallinity as a starting material, FE can be generated in a milder reduced-pressure environment and/or a lower voltage than before. By creating an FE environment in such a CNT aggregate with high crystallinity, it is considered that an environment more suitable for carbyne formation can be prepared.

かかる減圧環境としては、例えば、10-5Paを超える圧力(例えば、10-5Pa超過10Pa以下程度)とすることができる。JIS Z8126-1:1999によると、10-5Pa以下の真空を「超高真空」と定義していることから、ここに開示される技術によると、FEのための減圧環境は、例えば10-5Pa超過0.1Pa-1以下の「高真空」や、0.1Pa-1超過10Pa以下の「中真空」とすることができる。なお、より常圧に近い環境においてFEを発生させるとの観点からは、減圧環境は10-4Pa以上が好ましく、10-3Pa以上がより好ましく、10-2Pa以上が特に好ましく、10-1Pa以上がさらに好ましく、例えば、10Pa以上としてもよい。Such a reduced-pressure environment can be, for example, a pressure exceeding 10 −5 Pa (for example, approximately greater than 10 −5 Pa and 10 Pa or less). According to JIS Z8126-1:1999, a vacuum of 10 −5 Pa or less is defined as “ultra - high vacuum”. It can be a “high vacuum” of more than 5 Pa and 0.1 Pa −1 or less, or a “medium vacuum” of more than 0.1 Pa −1 and 10 Pa or less. From the viewpoint of generating FE in an environment closer to normal pressure, the reduced pressure environment is preferably 10 −4 Pa or more, more preferably 10 −3 Pa or more, particularly preferably 10 −2 Pa or more, and 10 − 1 Pa or more is more preferable, and for example, it may be 10 0 Pa or more.

また、電界発生のための電圧条件は、CNT集合体の結晶性や表面形態、電極間距離等に大きく依存するために一概にはいえない。例えば、電極間距離が1.6mmの場合、おおよその目安として、0Vを超えて、例えば、0.5kV以上程度が好ましく、1kV以上程度がより好ましい。また、電界発生のための電圧条件は、例えば、3kV以下程度であってよく、より好ましくは2.8kV以下程度、例えば2.5kV以下程度とすることが例示される。電界の方向に厳密な制限はない。しかしながら、FEを生じ得るような状態にCNTをより好適に晒すとの観点からは、CNTのチューブ軸に対して交わる方向に電界を印加することが好ましいといえる。これにより、CNT集合体に対して高電界によるエネルギーを好適に供給するとともに、かかるエネルギーをFEによって過剰に消失することなく、カルビンの形成に利用できると考えられる。電界の方向は、例えば、CNT集合体がシート状である場合は、その表面に対して平行な方向よりは、表面に交わる方向であることが好ましく、表面に対して垂直な方向に近づけば近づくほどより好ましい。これにより、CNT集合体の全体に有効に電界を印加することができる。 Moreover, the voltage conditions for generating an electric field cannot be generalized because they greatly depend on the crystallinity and surface morphology of the CNT aggregate, the distance between the electrodes, and the like. For example, when the inter-electrode distance is 1.6 mm, the voltage exceeds 0 V, preferably about 0.5 kV or more, and more preferably about 1 kV or more, as a rough guideline. Also, the voltage condition for generating the electric field may be, for example, about 3 kV or less, more preferably about 2.8 kV or less, for example, about 2.5 kV or less. There are no strict restrictions on the direction of the electric field. However, from the viewpoint of more preferably exposing the CNTs to a state that can cause FE, it is preferable to apply an electric field in a direction that intersects the tube axis of the CNTs. As a result, it is considered that the energy from the high electric field can be suitably supplied to the CNT aggregate, and the energy can be used for the formation of carbyne without being excessively lost by the FE. For example, when the CNT aggregate is in the form of a sheet, the direction of the electric field is preferably the direction intersecting the surface rather than the direction parallel to the surface, and approaches the direction perpendicular to the surface. is more preferable. Thereby, an electric field can be effectively applied to the entire CNT aggregate.

詳細は明らかではないが、電界の作用によって、CNT内の電子はチューブ壁(グラフェンシート)をスムーズかつ低抵抗で移動することができる。そしてCNT集合体のうちの、電界が集中される部位において電子の引き出し作用が発現される。これによって当該部位においてCNTを構成する炭素原子の結合に乱れが生じ、CNTの内部空間の中心に炭素原子が一次元状に配列されて、sp結合することで、カルビンを形成すると考えられる。あるいは、CNT集合体に含まれるアモルファスカーボンが揮発することで、CNTの内部空間の中心に、同様にカルビンを形成するものと考えられる。なお、電界放出に際し、放電現象(絶縁破壊)は必要ではない。換言すると、非破壊電圧によって電界を印加してもよい。しかしながら、カルビンの形成には、CNT集合体に比較的高い電圧を印加することが好ましい。かかる観点から、カルビン含有複合材料により多くのカルビンを含有させるために、電界放出に際して放電を生じさせることは許容される。この場合、放電に伴い、カルビン含有複合材料中のCNTのG/D比は上述のとおり低下し得る。このようにしてCNT集合体の電界放出が行われた付近には、CNTの内部にカルビンが形成され得る。カルビンは、例えば充填率が30%以上の比較的高い割合で、CNT内に充填されている。これによって、ここに開示されるカルビン含有複合材料を製造することができる。 Although the details are not clear, electrons in the CNT can move smoothly along the tube wall (graphene sheet) with low resistance due to the action of the electric field. Then, in the CNT aggregate, an electron drawing action is exhibited at the portion where the electric field is concentrated. As a result, the bonds of the carbon atoms constituting the CNT are disturbed at the site, and the carbon atoms are arranged one-dimensionally in the center of the inner space of the CNT and form sp bonds to form carbynes. Alternatively, it is thought that vaporization of amorphous carbon contained in the CNT aggregates similarly forms carbynes at the center of the inner space of the CNTs. Note that a discharge phenomenon (dielectric breakdown) is not necessary for field emission. In other words, the electric field may be applied by a non-destructive voltage. However, it is preferable to apply a relatively high voltage to the CNT aggregates for carbyne formation. From this point of view, it is acceptable to cause electric discharge during field emission in order to include more carbyne in the carbyne-containing composite material. In this case, with discharge, the G/D ratio of CNTs in the carbyne-containing composite may decrease as described above. Calvin may be formed inside the CNTs in the vicinity of the field emission of the CNT aggregates. Carbyne is filled in the CNT at a relatively high filling rate of, for example, 30% or more. This allows the carbyne-containing composites disclosed herein to be produced.

以下、本発明に関する具体的な実施例につき説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Specific examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such specific examples.

[試験例1]
G/D比が異なる3種のシート状のCNT集合体(以下、単に「CNTシート」という。)を用意した。具体的には、例1のCNTシートは、株式会社名城ナノカーボン製のSWNT「EC1.5」からなるシートである。このEC1.5は、CVD法により作製された主としてSWNTにより構成される。例2のCNTシートは、株式会社名城ナノカーボン製のアーク放電法により作製された、主としてSWNTからなるシートである。例3のCNTシートは、JFEエンジニアリング株式会社製の「高純度CNTテープ」である。例3のCNTシートは、アーク放電法により作製されたMWNTからなるシートである。これらのCNTシートは、いずれもCNTのバッキーペーパーをシート状に成形したものであり、いずれのシートにもバインダは含まれていない。
[Test Example 1]
Three types of sheet-like CNT aggregates (hereinafter simply referred to as "CNT sheets") having different G/D ratios were prepared. Specifically, the CNT sheet of Example 1 is a sheet made of SWNT "EC1.5" manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd. This EC1.5 is mainly composed of SWNTs produced by the CVD method. The CNT sheet of Example 2 is a sheet made mainly of SWNT manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd. by an arc discharge method. The CNT sheet of Example 3 is a "high-purity CNT tape" manufactured by JFE Engineering Corporation. The CNT sheet of Example 3 is a sheet made of MWNT produced by an arc discharge method. All of these CNT sheets are obtained by molding CNT bucky paper into sheets, and none of the sheets contains a binder.

用意した例1~3のCNTシートについてラマン分光分析を行い、得られたラマンスペクトルからG/D比を算出して表1に示した。ラマン分光分析には、顕微ラマン分光装置(Renishaw社製、inVia Reflex)を用い、励起光として波長532nmのレーザを使用した。また、各例のCNTシートのかさ密度と、シートを構成するCNTの平均直径と、シートの厚みとを測定し、併せて示した。なお、CNTの平均直径は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)とTEMとを用いた観察により測定された10点のCNTの直径の算術平均値である。直径の測定に際し、例1および2のシートではSWNTを測定対象とし、例3のシートでは任意のMWNTを測定対象とした。また、シート厚みは、SEMを用いた断面観察により測定した各CNTシートの3点以上の厚みの算術平均値である。 Raman spectroscopic analysis was performed on the prepared CNT sheets of Examples 1 to 3, and the G/D ratio was calculated from the obtained Raman spectrum and shown in Table 1. For Raman spectroscopic analysis, a microscopic Raman spectrometer (inVia Reflex, manufactured by Renishaw) was used, and a laser with a wavelength of 532 nm was used as excitation light. Also, the bulk density of the CNT sheet of each example, the average diameter of the CNTs constituting the sheet, and the thickness of the sheet were measured and shown together. The average diameter of CNTs is the arithmetic mean value of diameters of 10 CNTs measured by observation using a scanning electron microscope (SEM) and TEM. In measuring the diameter, the sheets of Examples 1 and 2 were measured on SWNTs, and the sheet of Example 3 was measured on arbitrary MWNTs. Moreover, the sheet thickness is an arithmetic mean value of thicknesses of three or more points of each CNT sheet measured by cross-sectional observation using SEM.

Figure 0007168570000001
Figure 0007168570000001

[カルビン形成1]
次に、上記で用意した例1~3のCNTシートのCNTを、5mm角の正方形に切り出して測定用サンプルとした。そして例1~3のサンプルを真空チャンバ内設置し、電界を印加することで電界電子放出(Field Enission:FE)を生じさせた。具体的には、まず、例1~3のサンプルをアルミニウム製ホルダに銀ペーストで固定してカソードユニットを構築し、チャンバ内のアースされたステンレス製ステージに載置した。また、チャンバ内のアルミニウム製ホルダにアノードを平行に対面させて、両電極間に電圧を印加した。すなわち、CNTシートに対して垂直な方向に電界を印加した。印加電圧は0~2.5kVの間で放電が起こるまで変化させた。チャンバ内圧力は、(a)約1×10-5Paと(b)約1×10-1Paの二通りに設定した。また、電極間には絶縁性のセラミックガラスをスペーサとして挿入し、電極間距離を約1.6mmに調整した。
[Carbyne formation 1]
Next, the CNTs of the CNT sheets of Examples 1 to 3 prepared above were cut into 5 mm squares to obtain measurement samples. Then, the samples of Examples 1 to 3 were placed in a vacuum chamber, and an electric field was applied to cause Field Emission (FE). Specifically, first, the samples of Examples 1 to 3 were fixed to an aluminum holder with silver paste to construct a cathode unit, and placed on a grounded stainless steel stage in the chamber. A voltage was applied between both electrodes with the anode facing parallel to the aluminum holder in the chamber. That is, an electric field was applied in a direction perpendicular to the CNT sheet. The applied voltage was varied between 0 and 2.5 kV until discharge occurred. The pressure in the chamber was set in two ways: (a) about 1×10 −5 Pa and (b) about 1×10 −1 Pa. Insulating ceramic glass was inserted between the electrodes as a spacer to adjust the distance between the electrodes to about 1.6 mm.

[ラマン分光分析]
FE後の各例のサンプルについて、上記と同様にラマン分光分析を行った。なお、ラマンスペクトルは、各例のサンプルのうち、放電が生じた箇所ないしはその近辺について測定した。得られたラマンスペクトルからG/D比を算出し、下記の表2に示した。表2には、参考のために、FE前の初期のG/D比も併せて示している。また、1860cm-1近傍にLCCバンドに帰属されるピークが見られた場合は、Gバンドのピーク強度に対するLCCバンドのピーク相対強度(LCC/G比)を算出して表2に記載した。また、このLCC/G比に基づき、カルビンの充填率を算出して表2に記載した。ただし、例3のサンプルについては、チャンバ内圧力を約1×10-1Paと常圧に近い条件とした場合にFE電流自体が観測されなかったため、ラマン分光分析を省略した。ラマン分析の結果、得られた例1のサンプルのラマンスペクトルを図3に、例2および例3のサンプルのラマンスペクトルを図4に示した。なお、各ラマンスペクトルは、Gバンドのピーク強度が1となるように、縦軸のピーク強度を調整して示している。
[Raman spectroscopic analysis]
The samples of each example after FE were subjected to Raman spectroscopic analysis in the same manner as described above. Note that the Raman spectrum was measured at or near the point where the discharge occurred in the sample of each example. The G/D ratio was calculated from the obtained Raman spectrum and shown in Table 2 below. For reference, Table 2 also shows the initial G/D ratio before FE. Also, when a peak attributed to the LCC band was observed near 1860 cm −1 , the relative peak intensity of the LCC band with respect to the peak intensity of the G band (LCC/G ratio) was calculated and shown in Table 2. Also, based on this LCC/G ratio, the carbyne filling rate was calculated and shown in Table 2. However, for the sample of Example 3, the Raman spectroscopic analysis was omitted because the FE current itself was not observed when the chamber pressure was about 1×10 −1 Pa, which was close to normal pressure. As a result of the Raman analysis, the Raman spectrum of the sample of Example 1 obtained is shown in FIG. 3, and the Raman spectra of the samples of Examples 2 and 3 are shown in FIG. In each Raman spectrum, the peak intensity on the vertical axis is adjusted so that the peak intensity of the G band is 1.

Figure 0007168570000002
Figure 0007168570000002

[評価]
表1に示すように、初期のCNTシートのラマンスペクトルには、CNT特有のDバンドおよびGバンドが観測され、そのG/D比は、高い順に並べると、例1、例2、例3であることが確認できた。このことから、CNTシートを構成するCNTの結晶性は、例1、例2、例3の順に高いことが確認できた。
また、表2に示すように、FEに伴う放電によって、例1,2のCNTシートのG/D比は大きく低下することがわかった。DバンドはCNTの結晶構造の欠陥周辺の特殊な振動に起因することから、例1,2のCNTシートは放電によってCNTに欠陥が導入されたことがわかった。一方の、もともと結晶性が相対的に低かった例3のCNTシートでは、放電によってG/D比が上昇する結果となったが、G/D比自体が1に近い値であり、顕著な結晶性の変化は見られないといえる。
[evaluation]
As shown in Table 1, in the Raman spectrum of the initial CNT sheet, CNT-specific D and G bands were observed. I was able to confirm something. From this, it was confirmed that the crystallinity of the CNTs constituting the CNT sheet was higher in the order of Example 1, Example 2, and Example 3.
Moreover, as shown in Table 2, it was found that the G/D ratios of the CNT sheets of Examples 1 and 2 were greatly reduced by the discharge accompanying FE. Since the D band is caused by special vibrations around defects in the crystal structure of CNTs, it was found that the CNT sheets of Examples 1 and 2 had defects introduced into the CNTs by electrical discharge. On the other hand, in the CNT sheet of Example 3, which originally had relatively low crystallinity, the discharge resulted in an increase in the G/D ratio, but the G/D ratio itself was a value close to 1, and the crystallinity was remarkable. No gender change was observed.

そして、G/D比の最も高い例1のCNTシートについては、FEにより放電させることで、ラマンスペクトルにLCCバンドに基づくピークが出現し、その他のCNTシートについてはLCCバンドに基づくピークが出現しないことが確認された。このことにより、例1のSWNTからなるCNT内にカルビンが形成されたことがわかった。例1のCNTシートについては、チャンバ内圧力が(a)約1×10-5Paの高真空でも、(b)約1×10-1Paの低真空でもLCCバンドが出現した。図3に示すように、Gバンドのピークに対するLCCバンドのピークの高さ(LCC/G比)は、(b)低真空でFE放電させたサンプルのほうが高いという結果になった。これまで、カルビンはDWNTを10-5Pa~10-6Paオーダーの高真空で高温に加熱することで生成できるといわれていた。しかしながら、本試験例では、約1×10-1Paのほぼ常圧においてもカルビンが生成されることが確認された。また、これまでカルビンは、2層以上のMWNT内でないと安定性が保てずに生成されないといわれていた。しかしながら、本実施形態では、SWNT内においてもカルビンが生成されることが確認された。Then, for the CNT sheet of Example 1, which has the highest G/D ratio, by discharging with FE, a peak based on the LCC band appears in the Raman spectrum, and the peak based on the LCC band does not appear for the other CNT sheets. was confirmed. From this, it was found that carbynes were formed in the CNTs composed of SWNTs of Example 1. For the CNT sheet of Example 1, the LCC band appeared at both (a) a high vacuum of about 1×10 −5 Pa and (b) a low vacuum of about 1×10 −1 Pa in the chamber pressure. As shown in FIG. 3, the height of the LCC band peak relative to the G band peak (LCC/G ratio) was higher in the (b) low-vacuum FE-discharged sample. Until now, it has been said that carbyne can be produced by heating DWNT to a high temperature in a high vacuum of the order of 10 −5 Pa to 10 −6 Pa. However, in this test example, it was confirmed that carbyne was produced even at approximately normal pressure of about 1×10 −1 Pa. In addition, until now, it has been said that carbyne cannot be generated without maintaining stability unless it is in two or more layers of MWNT. However, in this embodiment, it was confirmed that carbyne was also produced in SWNTs.

[試験例2]
[カルビン形成2]
上記で用意した例1のCNTシートについて、(a)約1×10-5Paの真空条件下、上記試験例1と同様に電圧を印加してFEを生じさせ、放電が起こる前にFEを終了させることで、放電なしのFE-CNTシートを用意した。そして用意したFE-CNTシートのうち、図5Aに示す測定位置a~cの3箇所について、上記と同様の条件によってラマン分光法によりラマンスペクトルを得た。測定位置a~cはいずれも、測定用サンプルの端部においてCNTシートの一部がめくれ上がった部分に位置している。本試験例の測定用サンプルでは放電は生じなかったものの、高電界エネルギーの供給によって加熱された不純物(例えばアモルファスカーボン)が溶融・気化し、発生した蒸気等によってシートの表面の一部がめくれ上がったものと考えられる。測定位置aは、その中でも比較的一様で、表面形態が平らな領域である。測定位置bおよびcは、山の尾根または壁のように立ち上がった部位であり、SEM像でbよりもcのほうが明るく見えるため、cのほうがシート表面からより高い場所に位置していると考えられる。得られたラマンスペクトルを図5Bに示した。各測定位置についてのラマンスペクトルは、Gバンドのピーク強度が1となるように、縦軸のピーク強度を調整して示している。
[Test Example 2]
[Carbyne formation 2]
For the CNT sheet of Example 1 prepared above, (a) under a vacuum condition of about 1×10 −5 Pa, a voltage was applied in the same manner as in Test Example 1 to generate FE, and FE was generated before discharge occurred. A discharge-free FE-CNT sheet was prepared by terminating the discharge. Then, Raman spectra were obtained by Raman spectroscopy under the same conditions as above for the three measurement positions a to c shown in FIG. 5A on the prepared FE-CNT sheet. All of the measurement positions a to c are located at the edge of the measurement sample where a part of the CNT sheet is turned up. Although discharge did not occur in the measurement sample of this test example, impurities (e.g. amorphous carbon) heated by the supply of high electric field energy melted and vaporized, and the generated vapor etc. caused part of the surface of the sheet to turn up. It is considered to be The measurement location a is a relatively uniform and flat area of the surface morphology. Measurement positions b and c are raised portions like ridges or walls, and since c appears brighter than b in the SEM image, c is considered to be located higher than the sheet surface. be done. The obtained Raman spectrum is shown in FIG. 5B. The Raman spectrum for each measurement position is shown by adjusting the peak intensity on the vertical axis so that the peak intensity of the G band is 1.

図5Bに示すように、FEはしているものの放電はしていないCNTシートについても、ラマン分析した3箇所の全てにおいて、LCCバンドに基づくピークが観測されることがわかった。換言すると、カルビンの形成は、必ずしも放電がトリガーではないことがわかった。ただし、LCC/G比の値は、上記試験例1よりも大幅に低くなり、またばらつきも大きく、本試験例ではLCC/G比は0.47~1.2の範囲であった。すなわち、カルビンの形成には必ずしも放電は必要ではないが、放電に伴ってカルビンが形成されやすい状況が作られることがわかった。LCC/G比は、測定位置a、b、cの順に高くなることから、高電界エネルギーの供給によるCNTシートの変動が大きい位置ほどカルビンが形成され易かったといる。3つのラマンスペクトルはLCCバンドに基づくピーク高さの他には目立った相違がなく、例えばG/D比も大きく変わらない。このことから、必ずしも放電に伴うCNTの破壊(欠陥の増加)のみがカルビンの形成に影響を与えているわけではないことが予想される。換言すると、カルビンは、CNTの欠陥部分(崩壊部分)の炭素原子のみを炭素源として形成されているわけではなく、高電界エネルギーの影響による部分があることが予想される。

As shown in FIG. 5B, it was found that peaks based on the LCC band were observed at all three Raman-analyzed CNT sheets that were subjected to FE but not discharged. In other words, it turns out that the formation of carbynes is not necessarily triggered by discharge. However, the value of the LCC/G ratio was significantly lower than that of Test Example 1, and the variation was large, and in this test example, the LCC/G ratio was in the range of 0.47 to 1.2. In other words, it was found that the formation of carbyne does not necessarily require discharge, but the discharge creates a situation in which carbyne is likely to be formed. Since the LCC/G ratio increases in the order of measurement positions a, b, and c, it is said that carbynes were formed more easily at positions where the CNT sheet fluctuated more due to the supply of high electric field energy. The three Raman spectra are not significantly different other than the peak heights based on the LCC bands, eg the G/D ratios are not significantly different. From this, it is expected that the destruction of CNTs (increase in defects) due to discharge does not necessarily affect the formation of carbyne. In other words, carbyne is not formed only from the carbon atoms in the defective portion (collapsed portion) of CNT as a carbon source, and it is expected that there is a portion due to the influence of high electric field energy.

[参考例]
[出発材料]
上記試験例1で用いた例1のCNTシートを、TEM(PHILIPS社製、CM120)にて観察した。TEMの加速電圧は80kVとした。その結果得られたTEM像を図6(A)~(C)に示した。また、図6(A)に示されたCNTについて、図中の四角で囲んだ領域においてCNTに直交する方向にラインスキャンを行い、TEM像の白黒の階調(コントラスト)を数値化して階調プロファイルへ加工するラインスキャン解析を行った。その結果を図6(D)に示した。
[Reference example]
[Starting material]
The CNT sheet of Example 1 used in Test Example 1 was observed with a TEM (CM120, manufactured by PHILIPS). The acceleration voltage of the TEM was set to 80 kV. TEM images obtained as a result are shown in FIGS. Further, for the CNT shown in FIG. 6(A), a line scan was performed in a direction orthogonal to the CNT in the area surrounded by a square in the figure, and the black and white gradation (contrast) of the TEM image was quantified and the gradation was calculated. Line scan analysis processing into profiles was performed. The results are shown in FIG. 6(D).

その結果、図6の(A)に示されたCNTは、一層のCNTからなるSWNTであった。(B)に示されたCNTは、二つの異径のSWNTが入れ子状になったDWNTであった。(C)に示されたCNTは、三つの異径のSWNTが入れ子状になった3層のMWNTであった。これら図6(A)~(C)に示したように、例1のCNTシートは、(A)SWNTを主体(おおよそ70本数%以上)としつつ、一部に(B)DWNTや(C)3層のMWNTを含むことが確認された。 As a result, the CNTs shown in FIG. 6A were SWNTs composed of a single layer of CNTs. The CNTs shown in (B) were DWNTs in which two different diameter SWNTs were nested. The CNT shown in (C) was a three-layered MWNT in which three SWNTs of different diameters were nested. As shown in FIGS. 6A to 6C, the CNT sheet of Example 1 is mainly composed of (A) SWNT (approximately 70% or more), and partly (B) DWNT and (C) It was confirmed to contain three layers of MWNTs.

図6(D)のラインスキャン結果は、縦軸がTEM像のコントラストに対応している。縦軸は、上に行くほどTEM像の対応位置が明るいことを意味し、下に行くほどTEM像の対応位置が暗いことを意味する。図6(D)に示されるように、このラインスキャンによって、図6(A)中に矢印で示したSWNTのウォールに対応する暗い位置が深い谷状に、その他の何も観察されない明るい領域が山状(丘状)に表されることが確認できた。SWNTのウォールの間では、階調プロファイルは概ね平坦になることが確認できた。なお、SWNTのTEM像のコントラストの階調プロファイルにおいて、例えば、SWNTのウォール(チューブ壁)に対応する部分の階調と、ウォールに挟まれた中空部のうちの最も明るい階調との差ΔCに対する、中空部の階調の最大ばらつきΔCの比(ΔC/ΔC)、換言すると、SWNT全体のTEMコントラスト差に対する中空部のコントラスト変化の割合は、おおよそ0.15程度であった。なお、ウォール部と中空部との階調の差ΔCとしては、最も内側のウォールに対応するコントラストが最も暗い一組の点(図6(D)のa1,b1)を繋ぐ線をベースラインとして、この一組の点(a1,b1)の間の領域であって、ベースラインからの階調プロファイルの距離が最大となる最大コントラストΔCを採用した。また、中空部の階調の最大ばらつきΔCとしては、一組の点(a1,b1)の間の領域における、ベースラインからの階調プロファイルの距離が最大となる最大コントラストと、ベースラインからの階調プロファイルの距離が最小となる最小コントラストと、の差を採用した。図6(D)の場合、ウォールに対応する一組の点(a1,b1)は、スキャン地点が約1.1nm、約3.8nmの地点である。これらの点を結ぶベースラインからの距離が最も遠い階調プロファイルは、スキャン地点が約1.6nmと約3.3nmの地点(最大コントラストΔCは何れも約8.6目盛)であり、距離が最も近い階調プロファイルは、スキャン地点が約2.75nmの地点(最小コントラストは約7.3目盛)であり、これらの差ΔCは約1.3目盛であった。これらの情報から、上記比(ΔC/ΔC)が算出される。なお、CNTのTEM像のコントラストにおいて、チューブ壁に対応する相対的に暗い部分と、中空部に対応する相対的に明るい部分と、の境界は必ずしも明確ではない。そのため、最も内側のチューブ壁に対応する上記一組の点(a1,b1)の間であって、当該一組の点に最近接する明るい部分のピーク(図6(D)については、スキャン地点が約1.6nmと約3.3nmの極大点)に挟まれた領域を、便宜的にCNTの中空部に対応する部分と判断し、ベースラインからの距離が最も近い階調プロファイルはこれら一組の極大点の間で計測される。In the line scan result of FIG. 6(D), the vertical axis corresponds to the contrast of the TEM image. On the vertical axis, the higher the position, the brighter the corresponding position in the TEM image, and the lower the lower, the darker the corresponding position in the TEM image. As shown in FIG. 6(D), this line scan reveals deep valleys corresponding to the SWNT walls indicated by arrows in FIG. It was confirmed that it was expressed in a mountain shape (hill shape). It was confirmed that the gradation profile was generally flat between the SWNT walls. In the contrast gradation profile of the SWNT TEM image, for example, the difference ΔC The ratio (ΔC H /ΔC) of the maximum variation ΔC H of the gradation of the hollow part to the total SWNT, ie, the ratio of the contrast change in the hollow part to the TEM contrast difference of the entire SWNT, was about 0.15. Note that the difference ΔC in gradation between the wall portion and the hollow portion is calculated using a line connecting a pair of points (a1 and b1 in FIG. 6(D)) with the darkest contrast corresponding to the innermost wall as a baseline. , the maximum contrast ΔC, which is the region between this pair of points (a1, b1) and where the distance of the gradation profile from the baseline is maximum. Also, the maximum variation ΔCH in the gradation of the hollow part is the maximum contrast at which the distance of the gradation profile from the baseline in the region between the pair of points (a1, b1) is the maximum, and The difference between the minimum contrast that minimizes the distance of the gradation profile of . In the case of FIG. 6(D), the set of points (a1, b1) corresponding to the wall are points with scan points of about 1.1 nm and about 3.8 nm. The gradation profile with the furthest distance from the baseline connecting these points is the point where the scan points are about 1.6 nm and about 3.3 nm (the maximum contrast ΔC is both about 8.6 divisions), and the distance is The closest tone profile was at a scan point of about 2.75 nm (minimum contrast of about 7.3 divisions) and their difference ΔC H was about 1.3 divisions. From these pieces of information, the ratio (ΔC H /ΔC) is calculated. In the contrast of the CNT TEM image, the boundary between the relatively dark portion corresponding to the tube wall and the relatively bright portion corresponding to the hollow portion is not always clear. Therefore, between the pair of points (a1, b1) corresponding to the innermost tube wall and the peak of the bright part closest to the pair of points (FIG. 6(D), the scan point is The region sandwiched between the maximum points of about 1.6 nm and about 3.3 nm) is conveniently determined to be the portion corresponding to the hollow part of the CNT, and the gradation profile closest to the baseline is a set of these is measured between the maxima of

[試験例3]
[カルビン形成3、カルビン含有複合材料:SWNT]
次いで、例1のCNTシートに対し、高周波電圧によって発生させたプラズマを作用させた後に、約1×10-5Paの真空条件下で上記試験例1と同様に電圧を印加してFE放電を生じさせた。より具体的には、CNTシートに対して所定の開口を備えるマスクを付した後、反応性イオンエッチング(RIE)を施すことで、マスクの開口近傍のCNTシートに対してプラズマを作用させた。RIEの条件は、100Paの減圧雰囲気下、酸素(O)およびアルゴン(Ar)とからなる反応性ガスに200Wの高周波電界を印加することで反応性ガスを活性化し、これにより生じたラジカルイオンをエッチング用粒子としてCNTシート表面をエッチングした。上記RIE条件によると、エッチングによりマスク開口部のCNTシートは全て消失し、マスクの開口近傍のCNTシートに対して反応性プラズマを作用させることができる。そしてRIE後のCNTシートについて、試験例1と同様のFE放電を生じさせた。
[Test Example 3]
[Carbyne Formation 3, Carbyne-Containing Composites: SWNT]
Next, the CNT sheet of Example 1 was subjected to plasma generated by a high-frequency voltage, and then under a vacuum condition of about 1×10 −5 Pa, a voltage was applied in the same manner as in Test Example 1 to generate FE discharge. caused it. More specifically, after attaching a mask having a predetermined opening to the CNT sheet, reactive ion etching (RIE) was performed to apply plasma to the CNT sheet near the opening of the mask. The conditions for RIE are to apply a high-frequency electric field of 200 W to a reactive gas composed of oxygen (O 2 ) and argon (Ar) under a reduced pressure atmosphere of 100 Pa to activate the reactive gas, thereby generating radical ions. was used as etching particles to etch the CNT sheet surface. According to the above RIE conditions, the CNT sheet at the openings of the mask is completely eliminated by etching, and reactive plasma can be applied to the CNT sheet near the openings of the mask. Then, the same FE discharge as in Test Example 1 was generated on the CNT sheet after RIE.

RIEおよびFE放電後のCNTシート中のSWNTについてTEM観察を行い、その結果を図7A、7Bに示した。また、図7A、7B中にそれぞれ四角で示した領域においてSWNTと直交する方向でラインスキャン解析を行い、その結果を図8(A)(B)にそれぞれ示した。 SWNTs in the CNT sheet after RIE and FE discharge were observed by TEM, and the results are shown in FIGS. 7A and 7B. Line scan analysis was performed in the direction perpendicular to the SWNTs in the regions indicated by squares in FIGS. 7A and 7B, respectively, and the results are shown in FIGS. 8(A) and 8(B), respectively.

図7AのSWNTを観察すると、矢印a1、b1で示したチューブ壁の中心に、うっすらとではあるが、チューブ軸に沿って筋状に延びる濃いコントラストが確認された。図8(A)の階調プロファイルを見ると、一対のチューブ壁に対応する位置a1、b1の真ん中に、一つの谷が形成されていることが確認できた。階調プロファイルから、SWNTの直径は約1.9nm程度であり、真ん中の谷はSWNTのほぼ中心(軸)に位置していることが確認された。また、図7BのSWNTについては、矢印a2、b2で示した一対のチューブ壁の中心に、軸に沿って断続的に濃いコントラストが確認された。そして図8(B)の階調プロファイルにおいても、チューブ壁に対応する位置a2、b2の真ん中に、一つの谷が形成されていることが確認できた。階調プロファイルから、SWNTの直径は約1.4nm程度であり、真ん中の谷はSWNTのほぼ中心(軸)に位置していることが確認された。TEMのコントラストから、SWNTの中心に存在するものは軽元素からなる物質である。またそのコントラストは、SWNTのチューブ壁よりも十分に細い。以上の結果を総合すると、SWNTの中心に、線状カーボン同素体であるカルビンが形成されていると結論づけることができる。カルビンは、これまで二層以上のMWNT内にしか安定に形成されないといわれてきた。しかしながら、ここに開示されるカルビン含有複合材料においては、SWNTの内部にカルビンが形成されることが初めて確認された。 Observation of the SWNTs in FIG. 7A confirmed a faint but deep contrast extending like a streak along the tube axis at the center of the tube wall indicated by arrows a1 and b1. Looking at the gradation profile of FIG. 8A, it was confirmed that one valley was formed in the middle of the positions a1 and b1 corresponding to the pair of tube walls. The grayscale profile confirmed that the diameter of the SWNTs was about 1.9 nm, and the valley in the middle was located approximately at the center (axis) of the SWNTs. Further, for the SWNT in FIG. 7B, intermittent deep contrast along the axis was confirmed at the center of the pair of tube walls indicated by arrows a2 and b2. Also in the gradation profile of FIG. 8B, it was confirmed that one trough was formed in the middle of the positions a2 and b2 corresponding to the tube wall. The grayscale profile confirmed that the diameter of the SWNTs was about 1.4 nm, and the valley in the middle was located approximately at the center (axis) of the SWNTs. From the TEM contrast, what exists in the center of the SWNT is a material composed of light elements. The contrast is also much thinner than the SWNT tube walls. Summarizing the above results, it can be concluded that carbyne, which is a linear carbon allotrope, is formed at the center of SWNTs. It has been said that carbyne is stably formed only in two or more layers of MWNTs. However, in the carbyne-containing composite material disclosed herein, it was confirmed for the first time that carbyne is formed inside SWNTs.

なお、図8の(A)を基に、SWNT全体のTEMコントラスト差に対する中空部のコントラスト変化として算出される、比(ΔC/ΔC)は約0.34であり、(B)を基に算出される比(ΔC/ΔC)は約0.35であった。カルビンの存在により、例えば、TEM像におけるCNTの中空部のコントラストは明らかに暗く変化することがわかる。Based on (A) of FIG. 8, the ratio (ΔC H /ΔC), which is calculated as the contrast change in the hollow portion with respect to the TEM contrast difference of the entire SWNT, is about 0.34. The calculated ratio (ΔC H /ΔC) was approximately 0.35. Due to the presence of carbyne, for example, the contrast of the hollow part of the CNT in the TEM image clearly changes to dark.

[カルビン含有複合材料:DWNT]
用意したRIEおよびFE放電後のCNTシート中に見られた2つのDWNTについて、同様にTEM観察を行い、その結果を図9(A)(B)に示した。また、図9(A)(B)中にそれぞれ四角で示した領域においてDWNTと直交する方向でラインスキャン解析を行い、その結果を図10(A)(B)にそれぞれ示した。
[Carbyne-containing composite material: DWNT]
Two DWNTs found in the prepared CNT sheet after RIE and FE discharge were similarly observed by TEM, and the results are shown in FIGS. 9(A) and 9(B). Line scan analysis was performed in the direction perpendicular to the DWNT in the regions indicated by squares in FIGS. 9A and 9B, respectively, and the results are shown in FIGS. 10A and 10B, respectively.

図9(A)では、DWNTの内側のチューブ壁を矢印a1、b1で示した。図9(A)を観察すると、やはりうっすらとではあるが、チューブ壁の中心付近に筋状に延びる濃いコントラストが確認された。図10(A)のDWNTの階調プロファイルでは、2層のCNTに対応する二重のチューブ壁が、二対の深い谷として明瞭に観察された。そして矢印a1、b1で示した内側の一対のチューブ壁の中央付近に、一つの谷が形成されていることが確認できた。階調プロファイルから、DWNTの内側のチューブの直径は約1.2nm程度であり、真ん中の谷はそのほぼ中心に位置していることが確認された。また、図9(B)のDWNTについては、矢印a2、b2で示した内側の一対のチューブ壁の中心に、軸方向に沿って断続的に濃いコントラストが確認された。そして図10(B)の階調プロファイルにおいても、内側のチューブ壁に対応する位置a2、b2の真ん中に、一つの谷が形成されていることが確認できた。階調プロファイルから、DWNTの内側のチューブの直径は約1.4nm程度であり、真ん中の谷はその中心からややずれた位置に現れたことが確認された。TEMのコントラストから、DWNTのチューブ内に存在する物質は軽元素から構成されていると考えられる。またそのコントラストは、TEM像の同視野に観察されるSWNTのチューブ壁よりも十分に細い。以上の結果を総合すると、ここに開示されるカルビン含有複合材料においては、DWNTのチューブ内にも、線状カーボン同素体であるカルビンが形成されていると結論づけることができる。 In FIG. 9(A), the inner tube walls of DWNT are indicated by arrows a1 and b1. Observation of FIG. 9(A) confirmed a dark contrast extending like a streak near the center of the tube wall, although it was also faint. In the DWNT greyscale profile of FIG. 10(A), the double tube walls corresponding to the two layers of CNTs were clearly observed as two pairs of deep valleys. It was also confirmed that one trough was formed near the center of the pair of inner tube walls indicated by arrows a1 and b1. The greyscale profile confirms that the diameter of the inner tube of the DWNT is on the order of about 1.2 nm, with the middle valley approximately centered. Further, in the DWNT of FIG. 9(B), intermittent deep contrast along the axial direction was confirmed at the center of the pair of inner tube walls indicated by arrows a2 and b2. Also in the gradation profile of FIG. 10B, it was confirmed that one trough was formed in the middle of the positions a2 and b2 corresponding to the inner tube wall. The gradation profile confirmed that the diameter of the inner tube of the DWNT was about 1.4 nm, and the valley in the middle appeared slightly off-center. The TEM contrast suggests that the material present in the DWNT tube is composed of light elements. Also, the contrast is much thinner than the SWNT tube wall observed in the same field of view of the TEM image. Based on the above results, it can be concluded that in the carbyne-containing composite material disclosed herein, carbyne, which is a linear carbon allotrope, is also formed in the DWNT tube.

なお、図10の(A)を基に、DWNT全体のTEMコントラスト差に対する中空部のコントラスト変化として算出される、比(ΔC/ΔC)は約0.19であり、(B)を基に算出される比(ΔC/ΔC)は約0.17であった。DWNTの二重壁に起因してウォールのコントラストが濃く観察されたことにより、比(ΔC/ΔC)はやや小さめの値となったが、カルビンの存在により、例えば、TEM像におけるCNTの中空部のコントラスト比(ΔC/ΔC)は例えば0.16以上、典型的には0.17以上となるといえる。Based on (A) of FIG. 10, the ratio (ΔC H /ΔC), which is calculated as the contrast change in the hollow portion with respect to the TEM contrast difference of the entire DWNT, is about 0.19. The calculated ratio (ΔC H /ΔC) was approximately 0.17. The ratio (ΔC H /ΔC) was slightly smaller due to the observed high wall contrast due to the double walls of DWNTs. It can be said that the contrast ratio (ΔC H /ΔC) of the part is, for example, 0.16 or more, typically 0.17 or more.

[カルビン含有複合材料:MWNT]
さらに、用意したRIEおよびFE放電後のCNTシート中に見られた三層のMWNTについて、同様にTEM観察した結果を図11(A)に、また、図11(B)中に四角で示した領域においてCNTと直交する方向でラインスキャン解析を行った結果を図11(B)にそれぞれ示した。
図11(A)には、三層CNTが示されており、最も内側のチューブ壁を矢印a1、b1で示した。図11(A)には、三対のチューブ壁の真ん中に、筋状に延びる濃いコントラストが明瞭に確認された。図11(B)のMWNTの階調プロファイルでは、三層のCNTに対応する三重のチューブ壁が、概ね三対の谷として確認できた。そして矢印a1、b1で示した最も内側の一対のチューブ壁の中央付近に、一つの谷が深く形成されていることが確認できた。階調プロファイルから、三層CNTの内側のチューブの直径は約0.8nm程度であり、真ん中の谷はそのほぼ中心に位置していることが確認された。以上の結果から、ここに開示されるカルビン含有複合材料においては、三層CNTのチューブ内にも、線状カーボン同素体であるカルビンが形成されるといえる。なお、図11(B)を基に算出される比(ΔC/ΔC)は約0.63であった。
[Carbyne-containing composite material: MWNT]
Furthermore, the results of similar TEM observation of the three-layer MWNTs found in the prepared CNT sheets after RIE and FE discharge are shown in FIG. 11(A) and shown by squares in FIG. FIG. 11B shows the results of line scan analysis performed in the region in the direction orthogonal to the CNTs.
FIG. 11(A) shows a three-layered CNT, and the innermost tube walls are indicated by arrows a1 and b1. In FIG. 11(A), a streak-like deep contrast was clearly confirmed in the middle of the three pairs of tube walls. In the MWNT gradation profile of FIG. 11(B), the triple tube walls corresponding to the three-layered CNTs could be identified as approximately three pairs of valleys. It was also confirmed that one deep valley was formed near the center of the innermost pair of tube walls indicated by arrows a1 and b1. The gradation profile confirms that the diameter of the inner tube of the three-walled CNT is about 0.8 nm, and the middle valley is located almost at its center. From the above results, it can be said that in the carbyne-containing composite material disclosed herein, carbyne, which is a linear carbon allotrope, is formed also in the three-walled CNT tube. Note that the ratio (ΔC H /ΔC) calculated based on FIG. 11B was about 0.63.

[カルビン含有複合材料:複数のカルビン]
さらに、RIEおよびFE放電後のCNTシート中に見られたDWNTについて、同様にTEM観察した結果を図12(A)に示した。また、図12(A)中に四角で示した領域においてCNTと直交する方向でラインスキャン解析を行った結果を図12(B)に示した。
図12(A)には、折れ曲がったDWNTが示されており、内側の一対のチューブ壁を矢印a1、b1で示した。このDWNTでは、内側の一対のチューブ壁の間に、筋状に明るいコントラストが三本ほど確認できた。そこで図12(B)の階調プロファイルを確認したところ、内側のチューブ壁に対応する位置a1、b1の間に、二つの谷が形成されていることが確認できた。すなわち、TEM像における明るい三本のコントラストは、2本の暗いコントラストの形成により現れたものと考えられる。階調プロファイルから、DWNTの内側のチューブの直径は約1.5nm程度であり、その内側の二つの谷は間隔が約0.43nmで、内側チューブのほぼ中央の位置に現れていることが確認された。TEMのコントラストから、DWNTのチューブ内に存在する物質は軽元素から構成されていると考えられる。またそのコントラストは、TEM像の同視野に観察されるSWNTのチューブ壁よりも十分に細い。これらのことから、ここに開示されるカルビン含有複合材料においては、CNT内に、線状カーボン同素体であるカルビンが複数安定に形成され得ることが確認された。また、この結果から、カルビンの配置が最も内側のCNTの中心からずれている場合は、TEMでは観察され難いものの、CNT内に複数のカルビンが形成されていることが予想される。
[Carbyne-containing composite material: multiple carbynes]
Furthermore, FIG. 12(A) shows the results of similar TEM observation of the DWNTs found in the CNT sheet after RIE and FE discharge. FIG. 12(B) shows the results of line scan analysis performed in the direction orthogonal to the CNTs in the regions indicated by squares in FIG. 12(A).
FIG. 12(A) shows a bent DWNT, with a pair of inner tube walls indicated by arrows a1 and b1. In this DWNT, about three streaks of bright contrast were confirmed between the inner pair of tube walls. Therefore, when the gradation profile of FIG. 12(B) was checked, it was confirmed that two troughs were formed between positions a1 and b1 corresponding to the inner tube wall. That is, it is considered that the three bright contrast lines in the TEM image appeared due to the formation of two dark contrast lines. From the gradation profile, it is confirmed that the diameter of the inner tube of DWNT is about 1.5 nm, and the two inner troughs are about 0.43 nm apart and appear at the approximate center position of the inner tube. was done. The TEM contrast suggests that the material present in the DWNT tube is composed of light elements. Also, the contrast is much thinner than the SWNT tube wall observed in the same field of view of the TEM image. From these, it was confirmed that in the carbyne-containing composite material disclosed herein, multiple carbynes, which are linear carbon allotropes, can be stably formed in the CNT. Moreover, from this result, it is expected that when the arrangement of carbynes deviates from the center of the innermost CNT, a plurality of carbynes are formed within the CNT, although this is difficult to observe with a TEM.

以上、本発明の一実施形態に係るカルビン含有複合材料について説明したが、本発明に係るカルビン含有複合材料は、上述した実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。 Although the carbyne-containing composite material according to one embodiment of the present invention has been described above, the carbyne-containing composite material according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.

Claims (5)

複数のカーボンナノチューブが集合されてなるカーボンナノチューブ集合体と、
カルビンと、
を含み、
前記カルビンは、前記複数のカーボンナノチューブの30%以上に充填されており、
前記カルビンを内包する前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブを10本数%以上含む、カルビン含有複合材料。
なお、カーボンナノチューブへのカルビンの充填率Fは、充填率100%のカルビン内包カーボンナノチューブについてのGバンドに対するLCCバンドの相対強度I LCC/G* と、カルビン含有複合材料のGバンドに対するLCCバンドの相対強度I LCC/G とから、次式に基づき算出される。
F(%)=I LCC/G /I LCC/G* ×100
a carbon nanotube assembly formed by assembling a plurality of carbon nanotubes;
Calvin and
including
The carbyne is filled in 30% or more of the plurality of carbon nanotubes ,
A carbyne-containing composite material , wherein the carbon nanotubes encapsulating carbyne include 10% or more of single-walled carbon nanotubes .
The carbyne filling rate F in the carbon nanotube is determined by the relative intensity ILCC/G* of the LCC band to the G band of the carbyne-encapsulated carbon nanotube with a filling rate of 100% and the LCC band to the G band of the carbyne-containing composite material. It is calculated based on the following formula from the relative intensity ILCC/G .
F (%)= ILCC/G / ILCC/G* ×100
ラマン分光分析によって測定されるラマンスペクトルにおいて、
Gバンドに基づくピークの強度を1としたときの、
LCCバンドに基づくピークの相対強度が0.4以上である、請求項1に記載のカルビン含有複合材料。
In the Raman spectrum measured by Raman spectroscopy,
When the intensity of the peak based on the G band is 1,
2. The carbyne-containing composite material of claim 1, wherein the relative intensity of peaks based on LCC bands is 0.4 or greater.
前記カーボンナノチューブの少なくとも一部は、当該カーボンナノチューブの軸方向に直交する方向において2以上の前記カルビンを内包する、請求項1または2に記載のカルビン含有複合材料。 3. The carbyne-containing composite material according to claim 1 , wherein at least part of said carbon nanotube encloses two or more said carbynes in a direction perpendicular to the axial direction of said carbon nanotube. 請求項1~3のいずれか1項に記載のカルビン含有複合材料を備える物品。 An article comprising a carbyne-containing composite material according to any one of claims 1-3 . 複数のカーボンナノチューブが集合されてなり、G/D比が25以上のカーボンナノチューブ集合体を用意すること、
前記カーボンナノチューブ集合体に、少なくとも電界電子放出が生じる電圧を印加すること、
を含み、
前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブを10本数%以上含む、カルビン含有複合材料の製造方法。
preparing a carbon nanotube aggregate having a G/D ratio of 25 or more, which is formed by assembling a plurality of carbon nanotubes;
applying a voltage that causes at least field electron emission to the aggregate of carbon nanotubes;
including
The method for producing a carbyne-containing composite material, wherein the carbon nanotubes contain 10% or more of single-walled carbon nanotubes .
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