JP7444867B2 - sp3結合型炭素材料、その製造方法及び使用 - Google Patents
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Description
数層グラフェン出発物質を提供する工程と
前記数層グラフェン出発物質を、真空チャンバー及び供給ガス注入口を備える化学蒸着チャンバー内の基材上に配置する工程と、
前記数層グラフェン出発物質から超薄結晶性sp3結合型炭素シートに少なくとも部分的に変換するために、325℃又はそれより低い基材温度、及び100Torr又はそれより低い圧力において、前記基材上部に水素を含む供給ガスを流す工程と
を含む、超薄結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法が提供される。
更に、プロセスの比較的温和な条件(低温、低圧)に起因して、例えば温度感受性、さもなければ脆弱性の材料及びデバイス(より高い温度又は圧力のプロセスで使用するには適さない材料であり得る)上で、超薄結晶性sp3結合型炭素シートを直接作り出すことが可能である。
数層グラフェン出発物質を提供する工程と、
前記数層グラフェン出発物質を、真空チャンバー及び供給ガス注入口を備える化学蒸着チャンバー内の基材上に配置する工程と、
325℃又はそれより低い基材温度及び100Torr又はそれより低い圧力において、前記基材上部に供給ガスを流す工程であって、前記供給ガスが、前記数層グラフェン出発物質を、超薄結晶性sp3結合型炭素シートに少なくとも部分的に変換する能力を有する組成物を有する工程と、
を含む、超薄結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法が提供される。
本発明の原理を例証する実施形態及び実験が、添付の図面を参照しながらここで議論される。
入手した市販の化学蒸着(CVD)グラフェンフィルムをそのまま3mm超微粒銅透過型電子顕微鏡(TEM)グリッド(2000メッシュ)上に配置し、それをグラフェン材料として使用した(Graphene Supermarket社より入手、SKU # SKU-TEM-CU-2000-025)。Ni基材上、1000℃において、グラフェンをCH4からCVDにより成長させ、そしてW. Regan等(2010)に記載されるように、汚染を最低限に抑えるために、ポリマーフリーの移送法を使用して市販のTEMグリッドに移した。CVDグラフェンフィルムの厚さは、0.3~2nm(単層1~6層)であった。TEMグリッドの代表的なグラフェン被覆率は60~90%である。
水素化前後の材料構造を調べるのに、多波長ラマン分光法(RS)を採用した。ラマンスペクトルを、Arイオンレーザーの244,488、及び514.5nmラインを使用して、Renishaw InVia Reflex spectrometer Systemにより、無収差シングルパススペクトログラフで記録した。可視光では、対物×50及び×100を使用した。UVでは、対物×40を採用した。サンプルに対するレーザー出力及び捕捉時間を、サンプルに改変を一切加えることなく、最適なシグナルが取得されるように調整した。測定中に、目に見える損傷及びスペクトル形状変化は観測されなかった。シリコン及び高配向パイログラファイト(HOPG)をピーク位置キャリブレーションに使用した:シリコンは可視光照射により励起したスペクトル用、及びHOPGは深UV照射により励起したスペクトル用であった。数百個の数ミクロン角において、高精細2D化学画像を生成するために、ハイスピードコード化マッピングステージ及び1"CCDを使用するラマンマッピングを採用した。C-H結合を、フーリエ変換赤外(FTIR)分光法を使用して直接検出した。64×64焦点面アレイ(FPA)テルル化カドミウム水銀(MCT)検出器を装備するCary620 FTIR顕微鏡と連結したAgilent Technologies社製Cary670 FTIR分光光度計を用いて、FTIR画像及びスペクトルを記録した。内反射体としてゲルマニウム結晶を用いた減衰全反射(ATR)モードを採用した。
1. 2800~2900cm-1の波数範囲内の自由分子内の振動モードを考慮すれば、下記の振動モードを検出するものと予想される:約2900cm-1に中心を有するC(sp3)-H、約2875cm-1に中心を有するC(sp3)-H2対称、及び約2850cm-1に中心を有するC(sp3)-H3対称。しかしながら、水素化された数層グラフェン及び超薄結晶性sp3結合型炭素シートでは、C-H伸縮振動モードの赤外吸収断面は不明であるものの、C(sp3)-H2対称モード及びC(sp3)-H3対称モードはその非対称カウンターパートと同時に検出されるものと予測されるが、観測されたC-H伸縮バンドはただ1つの振動モードコンポーネントから構成されるので、その予測は事実に反する。したがって、(sp3)-H2対称及びC(sp3)-H3対称モードは除外される。
2. C(sp2)-Hオレフィンモード及びC(sp2)-H芳香族モードは、自由分子のケースを考慮すれば、2975cm-1を上回るかなり高めの波数において一般的に検出されるので、これらのモードは検討されない。
3. C2H2オレフィン対称モード及び非対称モードも、自由分子のケースを考慮すれば、2950cm-1を上回る有意に高めの波数において一般的に検出される。更に、これらのモードにはその非対称/対称カウンターパートが付随するはずであるが、観測されたC-H伸縮バンドはただ1つの振動モードコンポーネントから構成されるので、この場合も事実に反する。
要約すると、超薄ダイヤモンドシートを含む、及び超薄ロンズデーライトシートを含む、超薄結晶性sp3結合型炭素シートを取得する新規プロセスが開発されたが、これらのシートは、325℃未満~約170℃という低グラフェン温度及び基材温度、並びに100Torr未満~約5Torrという低圧における数層グラフェンの水素化及び後続する中間層sp3-C結合形成に由来する新しいナノ物質である。
同様に、先行詞「約」の使用により、数値が近似として表わされるとき、特定値は別の実施形態を形成するものと理解される。数値に関連する用語「約」は任意選択的であり、例えば+/-10%を意味する。
いくつかの公開資料が、本発明及び本発明が関係する最新技術分野について、より完全に記載及び開示するために上記で引用されている。これら参考文献に対する全引用を下記に提示する。これら参考文献のそれぞれについて、その全体が本明細書に組み込まれている。
3 注入口
4 アウトレット
5 フィラメント
7 基材
9 基材支持体
11 基材ホルダー
13 熱電対
100 装置
Claims (23)
- 2~10層のsp 3 結合型炭素の原子層を含む、結晶性sp3結合型炭素シートであって、少なくともシートの一部分が、ロンズデーライト、ダイヤモンド、又は別のダイヤモンドポリタイプ、又はこれらの構造の2つ若しくはそれ超の組合わせから選択される構造を有する、結晶性sp3結合型炭素シート。
- 最大22Åの厚さを有する、請求項1に記載の結晶性sp3結合型炭素シート。
- 電子的にドーピングされる、請求項1又は2に記載の結晶性sp3結合型炭素シート。
- 1つ又は複数の、請求項1から3のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを含むスタック構造。
- 複数の、請求項1から3のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを含むスタック構造。
- 1次元材料、2次元材料、ナノチューブ、又はナノワイヤーから選択される材料を更に含む、請求項4又は請求項5に記載のスタック構造。
- 1つ又は複数の、請求項1から3のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートと、グラフェンとを含むヘテロ構造。
- マトリックス材料と、1つ又は複数の、請求項1から3のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートとを含む複合材料。
- 前記マトリックス材料が、ポリマー、半導体、セラミック、金属、又はその組合わせを含む、請求項8に記載の複合材料。
- 数層グラフェン出発物質を提供する工程と、
前記数層グラフェン出発物質を、真空チャンバー及び供給ガス注入口を備える化学蒸着チャンバー内の基材上に配置する工程と、
前記数層グラフェン出発物質から、2~10層のsp 3 結合型炭素の原子層を含む、結晶性sp3結合型炭素シートに少なくとも部分的に変換するために、325℃又はそれより低い基材温度、及び100Torr又はそれより低い圧力において、前記基材上部に水素を含む供給ガスを流す工程と
を含む、結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法であって、
各シートの少なくとも一部分が、ロンズデーライト、ダイヤモンド、又は別のダイヤモンドポリタイプ、又はこれらの構造の2つ若しくはそれ超の組合わせから選択される構造を有する、方法。 - 前記数層グラフェン出発物質が、2~10層の原子層グラフェンシートを含む、請求項10に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 前記基材温度が、325~170℃である、請求項10又は請求項11に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 前記供給ガスを流す工程が、5~100Torrの圧力で実施される、請求項10から12のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 追加の供給ガスを前記基材上部に流す工程を含む、請求項10から13のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 前記供給ガスが、PH4、B2H6、BH3、SF6、F2、Br2、N2、H2S、NH4、B3N3H6、Ar、Heから選択されるガスを含む、請求項10から14のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 水素ガスが唯一の供給ガスである、請求項10から13のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 追加の固体源を提供する工程を更に含む、請求項10から16のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 前記化学蒸着チャンバーが、フィラメントを含み、及び前記フィラメントが、前記供給ガスが前記基材上部を流れる際に加熱されて、前記供給ガスの熱分解を促進する、請求項10から17のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 前記フィラメントが、タングステン、レニウム、タンタル、及び白金からなる群から選択される材料を含む、請求項18に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 前記基材の上部に供給ガスを流す工程が、6分~8時間実施される、請求項10から19のいずれか一項に記載の結晶性sp3結合型炭素シートを製造する方法。
- 請求項10から20のいずれか一項に記載の方法に基づき生成された1つ又は複数の結晶性sp3結合型炭素シートを含むスタック構造を製造する方法。
- 請求項10から20のいずれか一項に記載の方法に基づき生成された1つ又は複数の結晶性sp3結合型炭素シートを含むヘテロ構造を製造する方法。
- マトリックス材料と、請求項10から20のいずれか一項に記載の方法に基づき生成された1つ又は複数の結晶性sp3結合型炭素シートとを含む複合材料を製造する方法。
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