JPH10273309A - 新規な表面電子構造を有する炭素物質及びその製造方法 - Google Patents

新規な表面電子構造を有する炭素物質及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の黒鉛構造やそれが変調したモアレ構造
のような、点状の電子構造とは異なり二次元的な環状周
期的電子構造をもつ炭素物質を提供する。 【解決手段】 黒鉛上に担持され、その黒鉛底面の結晶
構造に対し、（√３×√３）Ｒ３０°の対称性を有し、
かつ炭素六員環直径をもつ二次元環状周期型表面電子構
造を有する炭素物質である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、新規な表面電子構
造を有する炭素物質及びその製造方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】これまで、光学顕微鏡、走査電子顕微
鏡、透過電子顕微鏡により、炭素の表面構造や断面構造
についての解明が行われ、異なった表面構造をもつ炭素
物質が見出されてきたが、原子レベルでの表面観察は走
査トンネル顕微鏡が登場するまでは行うことができなか
った。その後走査トンネル顕微鏡による炭素表面の規則
電子構造の解明の結果、これまでの炭素物質は、黒鉛構
造又はそれが変調したモアレ構造のような点状の構造を
有するものであることが分った。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の黒鉛
構造やそれが変調したモアレ構造のような、点状の電子
構造とは異なり二次元的な環状周期的電子構造をもつ炭
素物質を提供することを目的としてなされたものであ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来の炭
素物質とは異なった表面電子構造をもつ新規な炭素物質
を得るために鋭意研究を重ねた結果、表面湾曲状の黒鉛
基板上に炭素原料を蒸着させたのち、これを加熱処理す
ると、従来の一次元的電子構造とは異なる二次元的な環
状周期型電子構造を有する炭素物質が得られることを見
出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００５】すなわち、本発明は、黒鉛上に担持され、
その黒鉛底面の結晶構造に対し、（√３×√３）Ｒ３０
°の対称性を有し、かつ炭素六員環直径をもつ二次元環
状周期型表面電子構造を有する炭素物質及び湾曲状に蒸
着させた炭素物質を、非酸化条件下、１５００Ｋ以上の
温度において加熱処理することを特徴とする炭素物質の
製造方法を提供するものである。
【０００６】ここで、黒鉛底面の結晶構造に対し、（√
３×√３）Ｒ３０°の対称性を有するとは、黒鉛底面の
原子配列に対し√３倍大きく、かつ方位が右に３０°回
転しているという意味であり、また炭素六員環直径をも
つとは、環状周期型電子構造の環状の部分の直径が炭素
六員環直径に等しいという意味である。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に、添付図面に従って、本発明
を詳細に説明する。図１は、本発明の炭素物質の電子構
造を示す走査トンネル顕微鏡写真であって、図中矢印で
示される環状構造が本発明の炭素物質であり、その周辺
の点状の周期構造は既知の黒鉛である。本発明の炭素物
質の環状電子構造には、図１に示される円形状のものの
ほか、馬蹄形状、かっこ形状のものがあり、これらの直
径はいずれも炭素の六員環の直径と一致している。図２
は、これらの各形状の模式図であって、（ｃ）が円形
状、（ｂ）が馬蹄形状、（ａ）がかっこ形状を示す。
【０００８】ところで、従来の黒鉛の点状の周期構造に
関しては、物理学的モデルが提案され、これによりβサ
イト原子の電子の波動干渉により、点状の電子構造が発
現されることがよく説明されている。しかしながら、こ
の物理学的モデルでは、本発明の電子構造を説明するこ
とはできないため、本発明者らは、βサイトのみなら
ず、αサイトも波動干渉を行い、しかもそれらが組み合
わされて、電子構造を発現するという説明のための新ら
しい物理学的モデルを提案した。
【０００９】そして、この物理学的モデルに基づいて、
コンピュータシミュレーションを行ったところ、観察結
果とよく一致した。図３は、この新らしい波動干渉モデ
ルにより計算されたコンピュータシミュレーション写真
であり、かっこ形状（ａ）、馬蹄形状（ｂ）及び円形状
（ｃ）とよく対応している。（ｄ）は黒鉛構造から環状
構造の推移を計算したコンピュータシミュレーション写
真であり、モデルにおける要因の変化とともに、電子構
造が変化する経過が示されている。
【００１０】本発明の新規な表面電子構造を有する炭素
物質は、人為的に表面が湾曲するように蒸着させた炭素
物質を１５００Ｋ以上に加熱し、黒鉛化することにより
製造することができる。この際、人為的に表面に湾曲を
付して炭素物質を蒸着させるには、例えば表面が湾曲し
た基板上に、常法に従って炭素原料を蒸着させることに
よって行うことができる。このように、単に蒸着された
段階では、蒸着炭素の表面には周期的な電子構造は形成
されていない。そして、これを１５００Ｋ以上、好まし
くは１５５０〜２８００Ｋの温度に加熱すると環状の周
期的電子構造が形成される。この温度が１５００Ｋ未満
では環状の周期的電子構造は形成されないし、また２８
００Ｋよりも高いと炭素の蒸散を生じ電子構造がそこな
われる。この際、炭素の蒸着量が多くなるとともに、周
期的電子構造が形成される温度は高くなる傾向がみられ
る。加熱時間としては、通常５〜２０分間の範囲が選ば
れる。本発明の製造方法において用いられる炭素原料と
しては、特に制限はなく、炭素であればどのような種類
のものでもよい。
【００１１】
【発明の効果】本発明の炭素物質は、新規な表面構造を
もつ文献未載の炭素物質であって、その特殊な電子構造
を利用して、各種電池の炭素電極として好適に用いられ
る。
【００１２】
【実施例】次に、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。
【００１３】実施例１ 黒鉛基板に湾曲状に炭素を蒸着させ、黒鉛の表面の一部
に炭素蒸着させたもの（ａ）と、表面の全体に炭素蒸着
させたもの（ｂ）を得た。図４はこれらの（ａ）及び
（ｂ）の走査トンネル顕微鏡写真である。この図から分
るように、炭素の蒸着量が少ないもの（ａ）は矢印に示
すように蒸着炭素が島状になり、その周囲に基体である
黒鉛が点状の周期で観察される。これに対し、炭素の蒸
着量が多いもの（ｂ）は、黒鉛基体の全面が蒸着炭素に
より覆われている。次に、この蒸着炭素を、真空下にお
いて加熱すると、黒鉛化が進行し、同時に環状の周期的
電子構造が認められるようになる。図５は、このように
して加熱処理したものの走査トンネル顕微鏡写真であ
る。この場合、炭素の蒸着量が少ない（ａ）は１５９３
Ｋ以上に１０分間加熱することにより環状の周期的電子
構造が形成されたが、炭素の蒸着量の多い（ｂ）は１６
４３Ｋ以上に１０分間加熱してはじめて環状の周期電子
構造が認められた。
【００１４】実施例２ 管状の黒鉛基体上に放電法によりナノチューブを形成さ
せ、次いで１５９０Ｋに１０分間加熱した。このように
して得た炭素物質の走査トンネル顕微鏡写真を図６に示
す。この図の矢印で示されるように、明らかに環状の周
期的電子構造が認められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 炭素表面の環状電子構造を示す走査トンネル
顕微鏡写真。
【図２】 本発明における環状電子構造と六員環との関
係を示すモデル図。
【図３】 本発明における波動干渉モデルによるコンピ
ュータシミュレーション図。
【図４】 実施例１における蒸着直後の炭素の走査トン
ネル顕微鏡写真。
【図５】 実施例１における加熱処理後の炭素の走査ト
ンネル顕微鏡写真。
【図６】 実施例２で得られた炭素の走査トンネル顕微
鏡写真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉村 雅満 愛知県名古屋市天白区久方２−12−１ 豊 田工業大学内 (72)発明者 持田 勲 福岡県春日市春日公園６−１ 九州大学機 能物質科学研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 黒鉛上に担持され、その黒鉛底面の結晶
    構造に対し、（√３×√３）Ｒ３０°の対称性を有し、
    かつ炭素六員環直径をもつ二次元環状周期型表面電子構
    造を有する炭素物質。
  2. 【請求項２】 湾曲状に蒸着させた炭素物質を、非酸化
    条件下、１５００Ｋ以上の温度において加熱処理するこ
    とを特徴とする請求項１記載の炭素物質の製造方法。
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