JP7215673B2 - 炭素材料膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はまた、炭素材料からなる膜を製造する方法であって、該製造方法は、5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素を加熱する工程を含むことを特徴とする炭素材料膜の製造方法である。
以下に本発明を詳述する。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
本発明の炭素材料膜は、炭素材料が、ラマンスペクトルにおいて、Gバンドのピーク及び5員環の骨格部分に由来するピークを有する。
Gバンドは、炭素原子で構成される連続した6員環構造に由来するスペクトルであり、ラマンシフト1580~1620cm-1のピークである。
5員環の骨格部分に由来するピークは、ラマンシフト1440~1480cm-1のピークである。なお、本発明に係る炭素材料は、ラマンスペクトルにおいてこのピークを有することから、5員環を含む規則的な骨格部分を有すると考えられる。
また本発明の炭素材料膜は、炭素材料が、FT-IRスペクトルにおいて、C=C伸縮振動に由来するピーク及び5員環の骨格部分に由来するピークを有するものであってもよい。
C=C伸縮振動は、芳香族化合物等のC=C結合の伸縮振動に由来するスペクトルであり、1580~1620cm-1のピークである。
FT-IRスペクトルにおいて5員環の骨格部分に由来するピークは、1400~1460cm-1のピークである。本発明に係る炭素材料は、FT-IRスペクトルにおいてこのピークを有することから、5員環を含む規則的な骨格部分を有すると考えられる。
このような炭素材料は、炭素化されながらも5員環を含む規則的な骨格部分を有しており、炭素化後の構造が制御されたものである。また、5員環構造という欠陥構造が導入されていてバンドギャップが形成されていること、膜状であることから、半導体として用いた場合に非常に好適に使用できる。
なお、本明細書中、ラマンスペクトル及びFT-IRスペクトルは、実施例に記載の方法で測定されるものである。また、ピークを有するとは、ベースラインに対してピークが明確に観測されるものであればよい。例えば、Gバンドであれば1580~1620cm-1の範囲内に明確なピークトップが存在するということである。言い換えれば、ピークトップは1580~1620cm-1の範囲内に無いがピークのショルダーがその範囲内にかかっているというだけでは、ピークを有するとは言わない。
本明細書中、5員環の骨格部分に由来するピーク強度とは、ラマンシフト1440~1480cm-1のピーク強度を意味する。
該ピーク強度の比は、0.05以上であることがより好ましく、0.1以上であることが更に好ましい。また、該ピーク強度の比は、1以下であることがより好ましい。
本明細書中、ピーク強度の比は、後述する実施例の方法を行うことにより測定することができる。
本明細書中、5員環の骨格部分に由来するピーク強度とは、1400~1460cm-1のピーク強度を意味する。
上記ピーク強度の比は、2以上であることがより好ましく、3以上であることが更に好ましい。また、該ピーク強度の比は、10以下であることがより好ましい。
本明細書中、ピーク強度の比は、後述する実施例の方法を行うことにより測定することができる。
上記平均膜厚は、厚みに応じて、ノギス、光学顕微鏡や電子顕微鏡等の顕微鏡観察、触針式段差計等により測定することができる。また、本発明の炭素材料膜は膜の形状は特に限定されない。平滑な基板に製膜したような平板状であってもよく、粒子のような丸みを帯びた担体の表面に製膜したような曲面状であってもよく、多孔質担体の表面に製膜したような凹凸を有するような形状であってもよい。本発明の炭素材料膜の製造方法により様々な形状の膜を作製し得る。
本発明の炭素材料膜の製造方法は、5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素を加熱する工程を含むことを特徴とする。このように、5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素を加熱すると、5員環部分等の構造が充分に維持されたまま、芳香族炭化水素が重合反応して結合を形成しつつ炭素化されやすくなるため、本質的に不純物となるような反応触媒を用いずとも、5員環を含む規則的な骨格部分を有する、構造が制御された炭素材料が得られる。
5員環部分等の構造が充分に維持される理由としては、5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素は、5員環構造が分解しないような、低い温度で重合(炭素化)できることが考えられる。
また本発明の製造方法により、膜状の炭素材料が得られる。膜状となる理由は明らかではないが、5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素はアームチェアエッジ、ジグザグエッジ等の反応性エッジを有すること等から低い温度で重合でき、また融点を有しており、融けたうえで重合(炭素化)するためであると推定される。または5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素が気化し、化合物同士が重合(脱水素反応)することで膜状に炭素化が進行すると考えられる。
また構造制御された構造の割合をより多くする点から、該加熱温度は、900℃以下であることが好ましい。より好ましくは、800℃以下であり、更に好ましくは、700℃以下である。
なお、本発明における真空下とは、気圧が1kPa以下の状態を意味する。
また芳香族炭化水素は、通常、5員環構造を含む環構造を複数有するものであり、好ましくは、5員環を含む複数の芳香環から構成される縮環構造を有するものである。複数の芳香環が縮環した構造の芳香族炭化水素を用いることで、より構造が制御された炭素材料を製造することができる。その中でも特に5員環構造を囲むように6員環(ベンゼン環)構造を配置されたものがより好ましい。5員環を安定な6員環で囲むことにより、更に5員環の分解を抑制し、より多くの5員環をより高温でも維持することが可能となる。また、5員環構造であるシクロペンタジエン環(共鳴構造式の書き方によってはシクロペンタン環及びシクロペンテン環も含む)のうち、sp3炭素部分が露出しない化合物が好ましい。言い換えると5員環のすべての辺(炭素-炭素結合)が他の環構造の辺(炭素-炭素結合)の一部(共有)となっていることが好ましい。露出する化合物の例として、フルオレンが挙げられる。
特に、3つ以上の環構造が5員環に対し縮環することで、上記の通り5員環(特にsp3炭素部分)を安定な6員環で囲むことが出来る、すなわちsp3炭素部分が露出しないので5員環の保護に寄与できる。なお、上記芳香族炭化水素は、ビニル基、エチニル基等の炭化水素からなる置換基を有していてもよいが、置換基を有さないことが好ましい。
本発明において用いる芳香族炭化水素は、公知の方法により合成してもよいし、市販品を用いてもよい。
なお、本発明の炭素材料の製造方法においては、5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素を1種用いてもよく、2種以上用いてもよい。
その他の工程としては、炭素材料の洗浄、ろ過、遠心分離等の精製工程、加熱前後の真空下又は送風下での乾燥工程、エッチング工程、担体からの剥離工程等が挙げられる。
顕微レーザーラマン分光計(NSR-4500、日本分光株式会社製)を用いて、532nmの波長のレーザーを、露光時間5秒、積算回数10回の条件で試料に照射して測定する。
FT-IR分析は以下の装置、条件により行った。
測定装置:フーリエ変換赤外分光光度計(日本分光社製FT/IR-4200)
測定条件:拡散反射(DRIFT)法、MCT検出器、分解能4cm-1、積算回数128回
サンプル条件:試料とKBrを重量比=1:50で混合したものを使用した。
コラニュレン(東京化成工業株式会社製)をアンプル管中に20mgとり、あらかじめ60℃で1時間真空乾燥させたのち、アンプルを封じ、550℃と600℃で1時間加熱した。加熱後の形態はアンプル管壁面にシート状(膜状)になり、図1に示すように、Gバンド、5員環由来のピーク、及び1260~1300cm-1付近のピークが見えた。またラマンスペクトルにおけるGバンドのピーク強度に対する5員環の骨格部分に由来するピーク強度の比はそれぞれ0.72と0.13であった。また、図2に示すように、5員環由来のピーク、及び、C=C伸縮振動に由来するピークが見えた。FT-IRスペクトルにおけるC=C伸縮振動のピーク強度に対する5員環の骨格部分に由来するピーク強度の比はそれぞれ1.93と1.33であった。
コラニュレンの代わりにフルオランテン(東京化成工業株式会社製)を用い、加熱温度を650℃とした以外は実施例1と同様の方法で行ったところ、加熱後の形態はアンプル管壁面にシート状(膜状)になり、図1に示すように、Gバンド、5員環由来のピーク、及び1260~1300cm-1付近のピークが見えた。ラマンスペクトルにおけるGバンドのピーク強度に対する5員環の骨格部分に由来するピーク強度の比は0.44であった。また、図2に示すように、5員環由来のピーク、及び、C=C伸縮振動に由来するピークが見えた。FT-IRスペクトルにおけるC=C伸縮振動のピーク強度に対する5員環の骨格部分に由来するピーク強度の比は1.43であった。
コラニュレンの代わりにフラーレン(C60、東京化成工業株式会社製)を用い、加熱温度を800℃とした以外は実施例1と同様の方法で行ったところ、加熱後の形態は粉末状のままであり、図1に示すように、Gバンド及び5員環由来のピークが見え、1260~1300cm-1付近のピークは確認できなかった。また、図2に示すように、5員環由来のピークが見え、C=C伸縮振動に由来するピークは確認できなかった。
Claims (3)
- 炭素材料からなる膜(ただし、基材粉末の表面を覆うものを除く)であって、
該炭素材料は、ラマンスペクトルにおいて、1580~1620cm-1にGバンドのピークを有し、かつ1440~1480cm-1に5員環の骨格部分に由来するピークを有し、更に、1260~1300cm-1にピークを有することを特徴とする炭素材料膜。 - 炭素材料からなる膜(ただし、基材粉末の表面を覆うものを除く)であって、
該炭素材料は、FT-IRスペクトルにおいて、1580~1620cm-1にC=C伸縮振動に由来するピークを有し、かつ1400~1460cm-1に5員環の骨格部分に由来するピークを有し、ラマンスペクトルにおいて、1260~1300cm-1にピークを有することを特徴とする炭素材料膜。 - 炭素材料からなる膜(ただし、基材粉末の表面を覆うものを除く)を製造する方法であって、
該製造方法は、5員環の骨格部分を有する芳香族炭化水素を400~900℃で加熱する工程を含むことを特徴とする炭素材料膜の製造方法(ただし、基板上にコールタール及びコールタールピッチのうち一つ以上を含んだ前駆体膜を形成する段階と、前記基板と前記前駆体膜との間の触媒膜、及び前記前駆体膜上の保護膜のうち一つ以上を形成する段階と、前記基板を熱処理し、前記基板上に炭素薄膜を形成する段階と、を含む炭素薄膜の製造方法を除く)。
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