WO2015198621A1 - ナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法、ナノ材料－ドーパント組成物複合体およびドーパント組成物 - Google Patents

ナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法、ナノ材料－ドーパント組成物複合体およびドーパント組成物 Download PDF

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壯 河合
史彦 上紺屋
賢次 大橋
一宏 武田
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    • Y10S977/932—Specified use of nanostructure for electronic or optoelectronic application

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a nanomaterial-dopant composition composite, a nanomaterial-dopant composition composite, and a dopant composition.
  • thermoelectric conversion elements field effect transistors
  • sensors integrated circuits
  • rectifying elements solar cells
  • catalysts electroluminescence, etc.
  • electroluminescence electroluminescence
  • thermoelectric conversion element is an element used for thermoelectric power generation that generates power by utilizing a potential difference generated in a substance due to a temperature difference.
  • thermoelectric conversion element in a thermoelectric conversion element provided with only one of a thermoelectric conversion material exhibiting p-type conductivity or a thermoelectric conversion material exhibiting n-type conductivity, heat escapes from a terminal on the high temperature side. Is not good.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a bipolar thermoelectric conversion element using an n-type conductive thermoelectric conversion material (n-type material) and a p-type conductive thermoelectric conversion material (p-type material). If it is a bipolar thermoelectric conversion element, it can generate electric power efficiently by connecting the n-type conductive thermoelectric conversion material and the p-type conductive thermoelectric conversion material in series.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose thermoelectric conversion materials containing carbon nanotubes.
  • carbon nanotubes used in the techniques described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 are nanomaterials mainly exhibiting p-type conductivity. As described above, many nanomaterials exhibit p-type conductivity. Therefore, a technique for converting a nanomaterial exhibiting p-type conductivity into a nanomaterial exhibiting n-type conductivity is required.
  • the polarity of the nanomaterial (that is, whether the nanomaterial exhibits p-type conductivity or n-type conductivity) can be determined by the sign of the Seebeck coefficient. That is, it can be said that the technique of changing the polarity of the nanomaterial is a technique of changing the Seebeck coefficient.
  • Non-Patent Documents 2 and 3 it has been studied to convert carbon nanotubes exhibiting p-type conductivity into carbon nanotubes exhibiting n-type conductivity. So far, it has been reported that p-type conductive carbon nanotubes can be converted to n-type conductive carbon nanotubes by nitrogen atom exchange or alkali metal doping (for example, see Non-Patent Documents 2 and 3).
  • Non-Patent Documents 4 and 5 disclose that p-type conductive carbon nanotubes can be converted to n-type conductive carbon nanotubes by doping polyethyleneimine into carbon nanotubes. Also, it has been reported that benzyl viologen, ammonium and nicotinamide can be used as a dopant capable of converting p-type conductive carbon nanotubes into n-type conductive carbon nanotubes (see Non-Patent Document 6 and Patent Documents 2 and 3). ).
  • Non-Patent Document 7 uses a somewhat expensive dopant, and is limited to a case where an organic solvent is used and applied to single-walled carbon nanotubes. Therefore, a simpler and more efficient method for producing an n-type conductive nanomaterial is desired.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for changing the value of the Seebeck coefficient of a nanomaterial simply and efficiently.
  • anions can be widely used as dopants, and by using onium ions as cations that are counterions of the anions, the anions can be efficiently used. I found out that I can dope.
  • the present inventors have revealed that the Seebeck coefficient of the nanomaterial can be changed easily and efficiently by using the anion as a dopant.
  • a contact step in which a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of the nanomaterial is brought into contact with the nanomaterial in a solvent; And a drying step for removing the solvent, wherein the dopant composition contains an anion and a cation, and the anion contains a hydroxy ion, an alkoxy ion, a thio ion, an alkyl thio ion, a cyanuric ion, and a carboxy ion.
  • the cation is an onium ion
  • the anion and the cation are present in a dissociated state in the nanomaterial-dopant composition composite obtained by the drying step. It is characterized by doing.
  • the dopant composition according to the present invention is a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of a nanomaterial, and the dopant composition contains an anion and a cation, and the anion includes a hydroxy ion and an alkoxy. It is at least one selected from the group consisting of ions, thio ions, alkyl thio ions, cyanuric ions, and carboxy ions, and the cation is an onium ion.
  • the present invention provides a method for producing a nanomaterial-dopant composition composite according to the present invention, wherein the nanomaterial is contacted with a dopant for changing the Seebeck coefficient of the nanomaterial in a solvent. And a drying step for removing the solvent, wherein the dopant composition contains an anion and a cation, and the anion includes a hydroxy ion, an alkoxy ion, a thio ion, an alkylthio ion, a cyanuric ion, And the cation is an onium ion, and the anion and the cation are dissociated from each other in the nanomaterial-dopant composition complex obtained by the drying step.
  • the dopant composition contains an anion and a cation, and the anion includes a hydroxy ion, an alkoxy ion, a thio ion, an alkylthio ion, a cyanuric ion,
  • the cation
  • FIG. 5 is a graph showing Seebeck coefficients of CNT films obtained in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 9.
  • 10 is a schematic diagram of a field effect transistor fabricated in Example 8.
  • FIG. It is the figure which observed the field effect transistor produced in Example 8.
  • FIG. It is the figure which showed the relationship between the drain current of the field effect transistor produced in Example 8, and gate voltage, (a) has shown the result before dopant addition, (b) has shown the result after dopant addition.
  • FIG. 6 is a graph showing Seebeck coefficients of CNT films obtained in Examples 9 to 11 and Comparative Examples 10 to 12. It is the figure which observed Te nanowire obtained in Example 13.
  • FIG. 6 is a graph showing Seebeck coefficients of CNT films obtained in Examples 9 to 11 and Comparative Examples 10 to 12. It is the figure which observed Te nanowire obtained in Example 13.
  • a method for producing a nanomaterial-dopant composition composite according to the present invention (hereinafter also referred to as “the production method of the present invention”) is a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of the nanomaterial with respect to the nanomaterial.
  • a contacting step of contacting the product in a solvent is a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of the nanomaterial with respect to the nanomaterial.
  • nanomaterial is a substance having a dimension in at least one direction of nanoscale (for example, 100 nm or less), and is a material used as an electronic material, for example.
  • the nanomaterial may be a low-dimensional nanomaterial.
  • “low dimension” intends a dimension smaller than three dimensions. That is, in this specification, “low dimension” means zero dimension, one dimension, and two dimensions.
  • Examples of zero-dimensional nanomaterials include nanoparticles (quantum dots).
  • Examples of the one-dimensional nanomaterial include nanotubes, nanowires, and nanorods.
  • An example of the two-dimensional nanomaterial is a nanosheet.
  • the nanomaterial may be a nanomaterial containing at least one selected from the group consisting of carbon, semiconductor, metalloid and metal.
  • the nanomaterial made of carbon include carbon nanotubes and graphene (that is, nanosheets made of carbon).
  • the carbon nanotube may be referred to as “CNT”.
  • Examples of the semiconductor include iron silicide, sodium cobaltate, antimony telluride and the like.
  • Examples of the semimetal include tellurium, boron, germanium, arsenic, antimony, selenium, and graphite.
  • Examples of the metal include gold, silver, copper, platinum, nickel and the like.
  • the nanotube and the nanosheet may have a single-layer structure or a multilayer structure (two-layer, three-layer, four-layer, or more layers).
  • the nanotube may be composed of carbon.
  • the single-walled carbon nanotube may be referred to as SWNT (single-wall carbon nanotube) and the multi-walled carbon nanotube may be referred to as MWNT (multi-wall carbon nanotube).
  • the dopant composition intends the composition containing a dopant. Further, in this specification, the dopant means a substance that changes the Seebeck coefficient of a material to be doped. And in the manufacturing method of this invention, the material used as the object doped is the above-mentioned nanomaterial.
  • the production method of the present invention is characterized in that the dopant is an anion having basicity.
  • the Seebeck coefficient is the ratio of the open circuit voltage to the temperature difference between the high-temperature junction and the low-temperature junction of the circuit showing the Seebeck effect (from “Maglow Hill Science and Technology Terms Dictionary 3rd edition”).
  • the Seebeck coefficient can be an index for determining the polarity of an electronic material such as a nanomaterial. Specifically, for example, it can be said that a nanomaterial having a positive Seebeck coefficient has p-type conductivity. On the other hand, it can be said that the nanomaterial whose Seebeck coefficient has a negative value has n-type conductivity.
  • the Seebeck coefficient can be measured using, for example, a Seebeck effect measuring apparatus (manufactured by MMR) used in Examples described later.
  • “changing the Seebeck coefficient” intends to decrease the value of the Seebeck coefficient or to change the Seebeck coefficient from a positive value to a negative value. Therefore, a “dopant (or dopant composition) that changes the Seebeck coefficient of a nanomaterial” means that the value of the Seebeck coefficient in a nanomaterial doped with such a dopant (or dopant composition) is compared with that before doping. A dopant (or dopant composition) that can be reduced by a dopant, or a dopant (or dopant composition) that can change the Seebeck coefficient in a nanomaterial doped with such a dopant (or dopant composition) from a positive value to a negative value Thing) is intended.
  • a dopant that can change the Seebeck coefficient in a nanomaterial from a positive value to a negative value may be particularly referred to as an n-type dopant.
  • the dopant is an n-type dopant
  • the nanomaterial-dopant composition composite obtained by the production method of the present invention can be made n-type conductive. It is preferable that the nanomaterial-dopant composition composite has n-type conductivity because the nanomaterial-dopant composition composite can be used as an n-type material in a bipolar device.
  • the production method of the present invention is characterized in that the dopant composition contains a specific anion as a dopant.
  • the anion changes the nanomaterial carrier from holes to electrons.
  • the dopant composition changes the Seebeck coefficient of the nanomaterial.
  • the anion used in the production method of the present invention is at least one selected from the group consisting of hydroxy ions, alkoxy ions, thio ions, alkyl thio ions, cyanuric ions, and carboxy ions. Hydroxy ions can also be expressed as OH ⁇ . Examples of the alkoxy ion include CH 3 O ⁇ , CH 3 CH 2 O ⁇ , i-PrO ⁇ , t-BuO ⁇ and the like. Chioion is, SH - and can be expressed as well. Examples of the alkylthio ion include CH 3 S ⁇ and C 2 H 5 S — . Shianuruion is, CN - and also expressed.
  • the carboxy ions for instance, CH 3 COO -, and the like.
  • anions OH - and CH 3 O - and more preferably at least one of. According to the anion, the Seebeck coefficient of the nanomaterial can be changed efficiently.
  • the anion acts as a dopant is that the anion has an unshared electron pair.
  • the anion is presumed to interact with the nanomaterial to be doped or to induce a chemical reaction based on its unshared electron pair.
  • the examples described later suggest the importance of the Lewis basicity, intermolecular force, and dissociation property of the dopant in the doping efficiency.
  • Lewis basic means the property of donating an electron pair. It is considered that a dopant having strong Lewis basicity has a greater influence on the change in Seebeck coefficient.
  • the intermolecular force of the dopant is also related to the adsorptivity of the dopant to the nanomaterial. Examples of the intermolecular force of the dopant include hydrogen bonding, CH- ⁇ interaction, and ⁇ - ⁇ interaction. The dissociation property of the dopant will be described later.
  • anions that give weak hydrogen bonds are preferred.
  • the anion that gives a weak hydrogen bond include OH ⁇ , CH 3 O ⁇ , CH 3 CH 2 O ⁇ , i-PrO ⁇ , and t-BuO ⁇ .
  • the anion is preferably an anion that gives a ⁇ - ⁇ interaction. Examples of the anion to give [pi-[pi interactions, for example, CH 3 COO - and the like.
  • the dopant composition contains an anion and a cation, and the cation is an onium ion.
  • the onium ion is highly dissociable from the specific anion described above, and can efficiently dissociate the anion. Then, the nanomaterial can be efficiently doped in the solvent using the anion as a dopant.
  • examples of the onium ion include ammonium, phosphonium, oxonium, sulfonium, fluonium, chloronium, carbocation, iminium, diazenium, nitronium, nitrium, diazonium, nitrosonium, imidazolium, pyridinium, and the like.
  • examples include onium ions as a skeleton, but are not limited thereto. From the viewpoint of good dissociation in a solvent, onium ions having ammonium, phosphonium, imidazolium, and pyridinium as a mother skeleton are preferable.
  • Examples of onium ions having ammonium or phosphonium as a mother skeleton include onium ions represented by the following general formula (I).
  • Y is a nitrogen atom or a phosphorus atom.
  • R 1 to R 4 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 16 carbon atoms, an aryl group having 1 to 16 carbon atoms, or —S—R.
  • S is a spacer group and is an alkylene group having 1 to 16 carbon atoms
  • R is a (meth) acryloyl group or an epoxy group.
  • Examples of onium ions having imidazolium as a mother skeleton include onium ions represented by the following general formula (II).
  • R 1 to R 5 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 16 carbon atoms, or —S—R.
  • S is a spacer group and is an alkylene group having 1 to 16 carbon atoms
  • R is a (meth) acryloyl group or an epoxy group.
  • Examples of onium ions having pyridinium as a mother skeleton include onium ions represented by the following general formula (III).
  • R 1 to R 6 are each independently a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 16 carbon atoms, or —S—R.
  • S is a spacer group and is an alkylene group having 1 to 16 carbon atoms
  • R is a (meth) acryloyl group or an epoxy group.
  • the onium ion may be an onium ion having a repeating unit represented by the following general formula (IV), for example.
  • Y is a nitrogen atom or a phosphorus atom.
  • n is an integer of 1 or more.
  • the dopant composition may contain a compound containing the anion and onium ion.
  • the compound containing an anion and an onium ion include compounds represented by the following formulas (a) to (g).
  • the above formula (a) is tetramethylammonium hydroxide.
  • the above formula (b) is tetraethylammonium hydroxide.
  • the above formula (c) is trimethylphenylammonium hydroxide.
  • the above formula (d) is 1-butyl-3-methylimidazolium hydroxide.
  • the above formula (e) is tetrabutylammonium hydroxide.
  • the above formula (f) is tetrabutylphosphonium hydroxide.
  • the above formula (g) is tetrabutylammonium methoxide.
  • the compounds represented by the above formulas (a) to (g) have good anion dissociation properties, can efficiently change the Seebeck coefficient of the nanomaterial, and change the Seebeck coefficient of the nanomaterial from a positive value to a negative value. Since it can be changed to, it is preferable.
  • dissociation is important in addition to the Lewis basicity and intermolecular force of the dopant. It is preferable that more anions are dissociated. Therefore, the dissociation constant of the compound containing an anion and a cation is important.
  • the dissociation constant pKa of the compound is preferably 7 or more, and more preferably 14 or more.
  • the dopant composition of the present invention may contain substances other than the above-mentioned anions and cations as necessary. Such a substance is not particularly limited as long as it does not inhibit the function of the dopant.
  • the dopant composition of the present invention may contain a plurality of types of dopants.
  • a composite of the nanomaterial and the dopant composition (nanomaterial-dopant composition) is obtained by contacting the nanomaterial with a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of the nanomaterial in a solvent. This is a step of forming a compound complex.
  • the nanomaterial and the dopant composition can be brought into contact with each other, and the method is not particularly limited.
  • the nanomaterial is added and suspended in a solution in which the dopant composition is dissolved in a solvent.
  • the two can be brought into contact with each other.
  • the nanomaterial is impregnated with a solution obtained by dissolving the dopant composition in the solvent, or the dopant composition is dissolved in the solvent. It is preferable that the nanomaterial and the dopant composition are brought into contact with each other by shear-dispersing the nanomaterial in a solution.
  • the dopant composition is easily brought into contact with the nanomaterial, and as a result, the dopant composition and the nanomaterial can be sufficiently brought into contact with each other.
  • the homogenizer is not particularly limited as long as it can uniformly disperse nanomaterials in a solvent, and known means such as a homogenizer and an ultrasonic homogenizer can be used.
  • homogenizer when it only describes with “homogenizer”, “stirring homogenizer” is intended.
  • the operation condition of the homogenizer is not particularly limited as long as the nanomaterial can be dispersed in the solvent.
  • the nanomaterial and the dopant composition are added.
  • the nanomaterial can be dispersed in the solvent by suspending the obtained solvent at room temperature (23 ° C.) for 10 minutes at a homogenizer stirring speed (rotational speed) of 20000 rpm.
  • the solvent for dissolving the dopant composition may be, for example, water or an organic solvent. Therefore, the production method of the present invention can be applied to various nanomaterials.
  • organic solvent for example, alcohols (for example, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, etc.), ketones (for example, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, etc.), dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and other highly polar solvents can be used.
  • the invention is not limited to these.
  • the concentration for dissolving the dopant composition may be any concentration.
  • the concentration of tetramethylammonium hydroxide in methanol may be 0.001 mol / L or more.
  • a drying process is a process of removing a solvent.
  • the method for removing the solvent is not particularly limited, and examples thereof include a method using a vacuum oven.
  • the solvent may not be completely removed. That is, the solvent may remain to such an extent that the effects of the present invention are not hindered.
  • anion and cation dissociation is good, in the nanomaterial-dopant composition complex obtained by the drying step, the anion and cation are present in a dissociated state. Therefore, in the nanomaterial-dopant composition composite, the anion is efficiently doped into the nanomaterial.
  • the dopant in the production method of the present invention is an anion, which is easier to obtain and cheaper than conventional dopants.
  • a solvent both an aqueous solvent and an organic solvent can be used, and it is applicable to various nanomaterials.
  • the manufacturing method of the present invention does not require complicated steps such as heating. Therefore, a nanomaterial-dopant composition composite can be produced simply and efficiently. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, the Seebeck coefficient of the nanomaterial can be changed easily and efficiently.
  • the production method of the present invention may include a molding step of molding the nanomaterial or the nanomaterial-dopant composition complex into a desired shape.
  • the nanomaterial or nanomaterial-dopant composition composite may be molded into a film.
  • the “film form” is also referred to as a sheet form or a film form. “Molding into a film” is intended to mold the nanomaterial or nanomaterial-dopant composition complex into a film having a thickness of 1 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the method for forming the nanomaterial or nanomaterial-dopant composition composite into a film is not particularly limited, and examples thereof include a method using a membrane filter. Specifically, the nanomaterial or the suspension of the nanomaterial-dopant composition composite is subjected to suction filtration using a membrane filter having a pore size of 0.1 to 2 ⁇ m, and the obtained membrane is vacuum-treated for 50 to 150. It can be formed into a film by drying at 24 ° C. for 1 to 24 hours.
  • the nanomaterial may be molded before the contacting step, or the nanomaterial-dopant composition composite that has undergone the contacting step may be molded.
  • a dopant composition can fully be made to adsorb
  • a film-like material in which the nanomaterial inside the film is more uniformly doped can be obtained.
  • the Seebeck effect is offset by the presence of doped n-type conductive nanomaterial and undoped p-type conductive nanomaterial in the film. There is no risk of this happening.
  • the nanomaterial-dopant complex according to the present invention includes the nanomaterial and the dopant described above, and is produced by the production method of the present invention. It is characterized by being manufactured.
  • the nanomaterial-dopant complex of the present invention contains a nanomaterial and a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of the nanomaterial, and the dopant composition contains an anion and a cation.
  • the anion is at least one selected from the group consisting of a hydroxy ion, an alkoxy ion, a thio ion, an alkylthio ion, a cyanuric ion, and a carboxy ion, and the cation is an onium ion.
  • the anion and cation dissociation properties are good as described above, the anion and cation contained in the dopant composition exist in a dissociated state. Note that the description of the matters already described in the above [Method for producing nanomaterial-dopant composition composite] is omitted.
  • the nanomaterial-dopant composition composite of the present invention preferably exhibits n-type conductivity. If the nanomaterial-dopant composition composite has n-type conductivity, the nanomaterial-dopant composition composite can be used as an n-type material in a bipolar device.
  • the nanomaterial-dopant composition composite of the present invention may contain substances other than the nanomaterial and the dopant composition, and the types of substances other than those described above are not limited.
  • the present invention can also be configured as follows.
  • a contact step in which a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of the nanomaterial is brought into contact with the nanomaterial in a solvent; And a drying step for removing the solvent, wherein the dopant composition contains an anion and a cation, and the anion contains a hydroxy ion, an alkoxy ion, a thio ion, an alkyl thio ion, a cyanuric ion, and a carboxy ion.
  • the cation is an onium ion
  • the anion and the cation are present in a dissociated state in the nanomaterial-dopant composition composite obtained by the drying step. It is characterized by doing.
  • the anions and cations in the specific combination have good dissociation properties. Therefore, the anion and the cation can be dissociated from each other, and the anion can be efficiently doped into the nanomaterial.
  • the anion changes the carrier of the nanomaterial from holes to electrons. Thus, the dopant composition changes the Seebeck coefficient of the nanomaterial.
  • the anion is contained in various compounds, it can be easily obtained. Furthermore, since anions are in the form of ions, they can be used in both aqueous and organic solvents. Further, there is no need to perform an operation such as heating. Furthermore, the dopant composition can be doped to various nanomaterials.
  • the value of the Seebeck coefficient of the nanomaterial can be changed easily and efficiently.
  • the anion includes OH ⁇ , CH 3 O ⁇ , CH 3 CH 2 O ⁇ , i-PrO ⁇ , t-BuO ⁇ , SH ⁇ , CH It may be at least one selected from the group consisting of 3 S ⁇ , C 2 H 5 S ⁇ , CN ⁇ and CH 3 COO ⁇ .
  • the nanomaterial may be at least one selected from the group consisting of nanoparticles, nanotubes, nanowires, nanorods, and nanosheets.
  • the nanomaterial in the contact step, is impregnated with a solution obtained by dissolving the dopant composition in a solvent, or the dopant composition
  • the nanomaterial and the dopant composition may be brought into contact by shearing and dispersing the nanomaterial in a solution in which an object is dissolved in a solvent.
  • the anion may be an n-type dopant.
  • the nanomaterial-dopant composition composite according to the present invention is characterized by being manufactured by the method for manufacturing a nanomaterial-dopant composite according to the present invention.
  • the dopant composition according to the present invention is a dopant composition for changing the Seebeck coefficient of a nanomaterial, and the dopant composition contains an anion and a cation, and the anion includes a hydroxy ion and an alkoxy. It is at least one selected from the group consisting of ions, thio ions, alkyl thio ions, cyanuric ions, and carboxy ions, and the cation is an onium ion.
  • the anion includes OH ⁇ , CH 3 O ⁇ , CH 3 CH 3 O ⁇ , i-PrO ⁇ , t-BuO ⁇ , SH ⁇ , CH 3 S ⁇ , C 2 H 5.
  • S -, CN - and CH 3 COO - may be at least one selected from the group consisting of.
  • the anion may be an n-type dopant.
  • the nanomaterial-dopant composition composite according to the present invention contains the nanomaterial and the dopant composition according to the present invention, and the anion and cation contained in the dopant composition are dissociated from each other. May be present.
  • Non-Patent Document 6 It has not been known so far that the Seebeck coefficient of nanomaterials can be changed using ions, and the present inventors have discovered for the first time.
  • the benzyl viologen described in Non-Patent Document 6 is an ionic substance, but the technique described in Non-Patent Document 6 uses a reduced benzyl viologen (that is, a benzyl viologen that is not in an ionic form). It is a feature.
  • FIGS. 2 to 7 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 7 as follows.
  • Tetramethylammonium hydroxide (TMAH) was used as the onium salt.
  • a 5 mg bundle of carbon nanotubes was added to 20 mL of methanol in which 0.1 M TMAH was dissolved.
  • the obtained mixture was subjected to shear dispersion with a high-speed homogenizer (manufactured by Ultra Tarrax) at 20000 rpm for 10 minutes.
  • the obtained dispersion of carbon nanotubes was subjected to suction filtration using a 0.2 ⁇ m Teflon (registered trademark) membrane filter.
  • the filter was further dried under reduced pressure for 12 hours, and then the carbon nanotube film was peeled off from the membrane filter.
  • the Seebeck coefficient of the obtained film was measured using a Seebeck effect measuring device SB-200 (manufactured by MMR technologies). Evaluation was performed at 310K (display temperature of Seebeck effect measuring device).
  • As the carbon nanotubes single-walled carbon nanotubes (hereinafter also referred to as SGCNT) manufactured by AIST, and single-walled carbon nanotubes (hereinafter also referred to as KHCNT) manufactured by KH Chemicals are used. A film was prepared for each case.
  • the obtained film is also referred to as a CNT film.
  • Example 2 A CNT film was produced in the same manner as in Example 1 except that tetraethylammonium hydroxide (TEAH) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TEAH tetraethylammonium hydroxide
  • Example 3 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetrabutylammonium hydroxide (TBAH) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TBAH tetrabutylammonium hydroxide
  • Example 4 A CNT film was produced in the same manner as in Example 1 except that trimethylphenylammonium hydroxide (TPAH) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TPAH trimethylphenylammonium hydroxide
  • Example 5 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetrabutylphosphonium hydroxide (TBPH) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TBPH tetrabutylphosphonium hydroxide
  • Example 6 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that 1-butyl-3-methylimidazolium hydroxide (ImH) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • ImH 1-butyl-3-methylimidazolium hydroxide
  • Example 7 A CNT film was produced in the same manner as in Example 1 except that tetrabutylammonium methoxide (TBAM) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TBAM tetrabutylammonium methoxide
  • Example 1 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that no dopant was added (that is, TMAH was not added), and the Seebeck coefficient was measured.
  • ⁇ Comparative example 2> A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetraethylammonium iodide (TEAI) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TEAI tetraethylammonium iodide
  • Example 3 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetramethylammonium chloride (TMACl) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TMACl tetramethylammonium chloride
  • TMABr tetramethylammonium bromide
  • Example 5 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetramethylammonium nitrate (TMANO 3 ) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TMANO 3 tetramethylammonium nitrate
  • Example 6 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetramethylammonium tetrafluoroborate (TMABF 4 ) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TMABF 4 tetramethylammonium tetrafluoroborate
  • Example 7 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetraethylammonium perchlorate (TEAClO 4 ) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TEAClO 4 tetraethylammonium perchlorate
  • Example 8 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetraethylammonium trifluoromethanesulfonate (TEATfO) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TEATfO tetraethylammonium trifluoromethanesulfonate
  • Example 9 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 1 except that tetraethylammonium p-toluenesulfonate (TEATos) was used instead of TMAH, and the Seebeck coefficient was measured.
  • TEATos tetraethylammonium p-toluenesulfonate
  • Example 1 The results of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 9 are shown in FIG. It can be seen from Comparative Example 1 that the undoped CNT film exhibits p-type conductivity. In Examples 1 to 7, the CNT film exhibited n-type conductivity. Comparative Examples 2 to 9 showed p-type conductivity as in Comparative Example 1.
  • a field effect transistor 1 as shown in FIG. 3 was produced.
  • an insulating layer 3 (thickness 300 nm) made of SiO 2 is formed on a gate 2 (G) made of doped Si.
  • an active layer 4 made of a carbon nanotube thin film (thickness ⁇ 50 nm) is formed on the insulating layer 3.
  • a source electrode 5 (S) made of gold (thickness 45 nm) and chromium (thickness 5 nm) is formed on the active layer 4.
  • the drain electrode 6 (D) is made of gold (thickness 45 nm) and chromium (thickness 5 nm), and is formed on the active layer 4.
  • FIG. 4 is a view of the field effect transistor 1 shown in FIG. 3 observed from the direction in which the source electrode 5 and the drain electrode 6 are formed.
  • FIG. 5A shows that p-type conductivity is exhibited when undoped carbon nanotubes are used as the active layer.
  • FIG. 5B shows that n-type conductivity is exhibited when TMAH is used. Therefore, not only the CNT film but also the evaluation using the field effect transistor was able to confirm the effect of the manufacturing method of the present invention.
  • NT-7 manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd., average fiber diameter 65 nm
  • TMAH was used as the compound containing an anion. 5 mg of multi-walled carbon nanotubes were added to 20 mL of methanol in which 0.1 M TMAH was dissolved. The obtained mixture was subjected to shear dispersion with a high-speed homogenizer (manufactured by Ultra Tarrax) at 20000 rpm for 10 minutes.
  • the obtained dispersion of carbon nanotubes was subjected to suction filtration using a 0.2 ⁇ m Teflon (registered trademark) membrane filter.
  • the filter was further dried under reduced pressure for 12 hours, and then the carbon nanotube film was peeled off from the membrane filter.
  • the Seebeck coefficient of the obtained film was measured using a Seebeck effect measuring device SB-200 (manufactured by MMR technologies). Evaluation was performed at 310K (display temperature of Seebeck effect measuring device).
  • Example 10 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 9 except that CT-12 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd., average fiber diameter 110 nm) was used as the multi-walled carbon nanotube, and the Seebeck coefficient was measured.
  • CT-12 manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd., average fiber diameter 110 nm
  • Example 11 A CNT film was produced in the same manner as in Example 9 except that CT-15 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd., average fiber diameter: 150 nm) was used as the multi-walled carbon nanotube, and the Seebeck coefficient was measured.
  • CT-15 manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd., average fiber diameter: 150 nm
  • Example 10 A CNT film was prepared in the same manner as in Example 9 except that TMAH was not added, and the Seebeck coefficient was measured.
  • Example 11 A CNT film was produced in the same manner as in Example 10 except that TMAH was not added, and the Seebeck coefficient was measured.
  • Example 12 A CNT film was produced in the same manner as in Example 11 except that TMAH was not added, and the Seebeck coefficient was measured.
  • the value of the Seebeck coefficient can be greatly changed by the production method of the present invention even when multi-walled carbon nanotubes are used as nanomaterials, compared with untreated CNT films that are not doped. It was confirmed that the Seebeck coefficient can be changed from positive to negative. Moreover, it has confirmed that the manufacturing method of this invention had an effect with respect to the various multi-walled carbon nanotube from which an average fiber diameter differs.
  • Example 12 Graphene oxide reduced form (single layer) was used as the nanomaterial, and TMAH was used as the compound containing an anion. 5 mg of graphene oxide reductant was added to 20 mL of methanol in which 0.1 M of TMAH was dissolved. The obtained mixture was subjected to shear dispersion with a high-speed homogenizer (manufactured by Ultra Tarrax) at 20000 rpm for 10 minutes.
  • a high-speed homogenizer manufactured by Ultra Tarrax
  • the obtained graphene oxide reductant dispersion was subjected to suction filtration using a 0.2 ⁇ m Teflon (registered trademark) membrane filter.
  • the filter was further dried under reduced pressure for 12 hours, and then the graphene oxide reductant film was peeled from the membrane filter.
  • the Seebeck coefficient of the obtained film was measured using a Seebeck effect measuring device SB-200 (manufactured by MMR technologies). Evaluation was performed at 310K (display temperature of Seebeck effect measuring device).
  • the Seebeck coefficient was measured in the same manner for the graphene oxide reduced film prepared without using TMAH.
  • the value of the Seebeck coefficient can be greatly changed as compared with an untreated film that is not doped. It was confirmed that the coefficient value can be changed from positive to negative.
  • Te nanowire was used as the nanomaterial, and TMAH was used as the compound containing an anion.
  • 4.99 mg (22.5 mmol) of Na 2 TeO 3 , 7.5 g of polyvinyl pyrrolidone, 4.5 g of NaOH, and 150 mL of ethylene glycol were added to a 500 mL three-necked flask.
  • One neck of the three-neck flask was connected to a vacuum / nitrogen line, and the other two necks were sealed with a septum. Degassed for 15 minutes at room temperature in this system was N 2 substitution. Thereafter, the three-necked flask was heated, and the temperature of the system was increased to 160 ° C.
  • Te nanowire 5 mg was added to 20 mL of methanol in which 0.1 M of TMAH was dissolved.
  • the obtained mixture was subjected to shear dispersion with a high-speed homogenizer (manufactured by Ultra Tarrax) at 20000 rpm for 10 minutes.
  • Te nanowire dispersion was subjected to suction filtration using a 0.2 ⁇ m Teflon (registered trademark) membrane filter.
  • the filter was further dried under reduced pressure for 12 hours, and then the Te nanowire film was peeled from the membrane filter.
  • the Seebeck coefficient of the obtained film was measured using a Seebeck effect measuring device SB-200 (manufactured by MMR technologies). Evaluation was performed at 310K (display temperature of Seebeck effect measuring device).
  • the Seebeck coefficient was similarly measured for a Te nanowire film prepared without using TMAH.
  • the film is compared with an untreated film that is not doped. It was confirmed that the value of the Seebeck coefficient can be changed greatly and the value of the Seebeck coefficient can be changed from positive to negative.
  • the doped nanomaterial can be a tool for constructing various devices such as a field effect transistor, a thermoelectric conversion element, and a solar cell
  • the present invention can be used in various industries using the nanomaterial.

Landscapes

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Abstract

　簡便かつ効率よく、ナノ材料のゼーベック係数の値を変化させることができる、ナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法を提供する。本発明の製造方法は、ナノ材料に対して、ドーパント組成物を、溶媒中にて接触させる接触工程と、上記溶媒を除去する乾燥工程と、を包含しており、上記ドーパント組成物は特定のアニオンとオニウムイオンとを含有している。

Description

ナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法、ナノ材料－ドーパント組成物複合体およびドーパント組成物
　本発明は、ナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法、ナノ材料－ドーパント組成物複合体およびドーパント組成物に関する。
　近年、熱電変換素子、電界効果トランジスタ、センサー、集積回路、整流素子、太陽電池、触媒、エレクトロルミネッセンス等の分野で、柔軟性を備えた素子、小型軽量化された素子を構成するためにナノ材料の利用が注目されている。
　ここで、上記分野では、通常、ｐ型導電性を示す材料およびｎ型導電性を示す材料の両方を備えた双極型素子を用いることが好ましい。例えば、熱電変換素子は、温度差によって物質内に生じる電位差を利用することによって発電を行う熱電発電に用いられる素子である。熱電変換素子においては、ｐ型導電性を示す熱電変換材料またはｎ型導電性を示す熱電変換材料のいずれか一方のみを備えた熱電変換素子では、高温側の端子から熱が逃げるため、発電効率が良くない。図１はｎ型導電性の熱電変換材料（ｎ型材料）とｐ型導電性の熱電変換材料（ｐ型材料）とを用いた双極型熱電変換素子を示す模式図である。双極型熱電変換素子であれば、ｎ型導電性の熱電変換材料とｐ型導電性の熱電変換材料とを直列につなぐことにより、効率的に発電することができる。
　ところで、特許文献１および非特許文献１には、カーボンナノチューブを含有している熱電変換材料が開示されている。しかしながら、特許文献１および非特許文献１に記載の技術において利用されているカーボンナノチューブは主にｐ型導電性を示すナノ材料である。このようにナノ材料にはｐ型導電性を示すものが多い。そのため、ｐ型導電性を示すナノ材料を、ｎ型導電性を示すナノ材料に変換する技術が求められている。なお、ナノ材料の極性（すなわち、ナノ材料がｐ型導電性を示すかｎ型導電性を示すか）は、ゼーベック係数の正負により判別することができる。つまり、ナノ材料の極性を変換する技術は、ゼーベック係数を変化させる技術であるともいえる。
　例えば、ｐ型導電性を示すカーボンナノチューブを、ｎ型導電性を示すカーボンナノチューブへと転換することが研究されている。これまでに、窒素原子交換やアルカリ金属ドーピングなどによってｐ型導電性カーボンナノチューブをｎ型導電性カーボンナノチューブに転換できることが報告されている（例えば、非特許文献２および３参照）。
　また、非特許文献４および５には、ポリエチレンイミンをカーボンナノチューブにドーピングすることによって、ｐ型導電性カーボンナノチューブをｎ型導電性カーボンナノチューブに転換できることが開示されている。また、ベンジルビオロゲン、アンモニウムおよびニコチンアミドについても、ｐ型導電性カーボンナノチューブをｎ型導電性カーボンナノチューブに転換できるドーパントとして使用できることが報告されている（非特許文献６、並びに特許文献２および３参照）。
　また、本発明者らは、いくつかのドーパントがｐ型導電性単層カーボンナノチューブをｎ型導電性単層カーボンナノチューブに転換できること、及び、これらのドーパントが特定の範囲のＨＯＭＯ準位を有することを見出した（非特許文献７参照）。
国際公開第２０１３／０６５６３１号パンフレット（２０１３年５月１０日公開） 米国特許第８，６０３，８３６号明細書（２０１３年１２月１０日登録） 日本国公開特許公報「特開２００９－２９２７１４号（２００９年１２月１７日公開）」
K. Suemori et al., Appl. Phys. Lett., 2013, 103, 153902. R. Czerw et al, Nano Lett., 2001, VOL. 1, NO. 9, 457-460. R. S. Lee et al.，Nature，2001, VOL. 388, 255-257. M. Shim et al., J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 11512-11513. Y. Ryu et al, Carbon, 2011, 49, 4745-4751. S. M. Kim et al., J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 327-331. Y. Nonoguchi et al., Sci. Rep., 2013, 3, 3344.
　しかしながら、ナノ材料のゼーベック係数を変化させる方法は未だ体系化されていない。つまり、いくつかのｐ型導電性ナノ材料をｎ型導電性ナノ材料へと変換するドーパント（ｎ型ドーパント）が報告されているものの、これら公知のドーパントの性質的または構造的な類似物質が必ずしも同様にｎ型ドーパントになり得るわけではない。このため、新規ドーパントの開発には試行錯誤的な方法を採用せざるを得ない。このような試行錯誤的な方法は、新規ドーパントを開発するまでに多大な費用、時間および労力を必要とし、極めて非効率的である。
　また、従来のｎ型導電性カーボンナノチューブの製造方法では、例えば、加熱（例えば、特許文献３）等を行う必要があり操作が簡便ではないため、ｎ型導電性カーボンナノチューブを大量に生産することは容易ではない。また、非特許文献７に記載の技術は、ある程度高価なドーパントを利用するものであり、さらに有機溶媒を使用し、単層カーボンナノチューブに適用した場合に限定されている。よって、より簡便かつ効率のよいｎ型導電性ナノ材料の製造方法が求められている。
　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便かつ効率よく、ナノ材料のゼーベック係数の値を変化させる方法を提供することにある。
　本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、アニオンを広くドーパントとして使用可能であること、および、アニオンの対イオンであるカチオンとしてオニウムイオンを用いることによって、アニオンを効率的にドープできることを独自に見出した。そして、本発明者らは、当該アニオンをドーパントとして使用することにより、簡便かつ効率よくナノ材料のゼーベック係数を変化させることができることを明らかにした。
　すなわち、本発明に係るナノ材料－ドーパント複合体の製造方法は、ナノ材料に対して、当該ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物を、溶媒中にて接触させる接触工程と、上記溶媒を除去する乾燥工程と、を包含しており、上記ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、上記カチオンは、オニウムイオンであり、上記乾燥工程によって得られたナノ材料－ドーパント組成物複合体において、アニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在することを特徴としている。
　本発明に係るドーパント組成物は、ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物であって、上記ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、上記カチオンは、オニウムイオンであることを特徴としている。
　本発明は、本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法は、ナノ材料に対して、当該ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパントを、溶媒中にて接触させる接触工程と、上記溶媒を除去する乾燥工程と、を包含しており、上記ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、上記カチオンは、オニウムイオンであり、上記乾燥工程によって得られたナノ材料－ドーパント組成物複合体において、アニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在する。
　それゆえ、簡便かつ効率よく、ナノ材料のゼーベック係数の値を変化させることができる、ナノ材料－ドーパント複合体組成物の製造方法を提供することができる。
ｎ型材料とｐ型材料とを備える双極型熱電変換素子の一例を示した模式図である。 実施例１～７および比較例１～９において得られたＣＮＴフィルムのゼーベック係数を示した図である。 実施例８において作製した電界効果トランジスタの模式図である。 実施例８において作製した電界効果トランジスタを観察した図である。 実施例８において作製した電界効果トランジスタのドレイン電流とゲート電圧との関係を示した図であり、（ａ）はドーパント添加前の結果を示しており、（ｂ）はドーパント添加後の結果を示している。 実施例９～１１および比較例１０～１２において得られたＣＮＴフィルムのゼーベック係数を示した図である。 実施例１３において得られたＴｅナノワイヤを観察した図である。
　以下、本発明の実施の形態の一例について詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されない。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ～Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。
　〔ナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法〕
　本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法（以下では、「本発明の製造方法」ともいう）は、ナノ材料に対して、当該ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物を、溶媒中にて接触させる接触工程を包含している。
　＜ナノ材料＞
　本明細書において、「ナノ材料」とは、少なくとも１つの方向の寸法がナノスケール（例えば１００ｎｍ以下）の物質であり、例えば電子材料等として用いられる材料である。
　上記ナノ材料は、低次元ナノ材料であってもよい。本明細書において、「低次元」とは、３次元より小さい次元を意図する。すなわち、本明細書において、「低次元」とは、０次元、１次元、２次元を意図する。
　０次元のナノ材料としては、例えば、ナノ粒子（量子ドット）が挙げられる。１次元のナノ材料としては、例えば、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッドが挙げられる。２次元のナノ材料としては、例えばナノシートが挙げられる。
　上記ナノ材料は、炭素、半導体、半金属および金属からなる群より選択される少なくとも１つ以上を含んでいるナノ材料であってもよい。例えば、炭素からなるナノ材料としては、カーボンナノチューブおよびグラフェン（すなわち、炭素からなるナノシート）等が挙げられる。本明細書においては、カーボンナノチューブを「ＣＮＴ」と称する場合もある。
　半導体としては、ケイ素化鉄、コバルト酸ナトリウム、テルル化アンチモン等が挙げられる。半金属としては、テルル、ホウ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、セレン、グラファイト等が挙げられる。金属としては、金、銀、銅、白金、ニッケル等が挙げられる。
　上記ナノチューブおよび上記ナノシートは、単層、または多層（二層、三層、四層、またはそれよりも多層）の構造を有していてもよい。上記ナノチューブは炭素から構成されていてもよい。本明細書においては、単層カーボンナノチューブをＳＷＮＴ（single-wall carbon nanotube）、多層カーボンナノチューブをＭＷＮＴ（multi-wall carbon nanotube）と称する場合もある。
　＜ドーパント組成物＞
　本明細書において、ドーパント組成物とは、ドーパントを含有する組成物を意図している。また、本明細書において、ドーパントとは、ドープされる対象となる材料のゼーベック係数を変化させる物質を意図している。そして、本発明の製造方法において、ドープされる対象となる材料とは、上述のナノ材料である。本発明の製造方法は、上記ドーパントが塩基性を有するアニオンであることを特徴としている。
　ゼーベック係数とは、ゼーベック効果を示す回路の、高温接合点と低温接合点の間の温度差に対する、開放回路電圧の比をいう（「マグローヒル科学技術用語大辞典　第３版」より）。ゼーベック係数は、ナノ材料等の電子材料の極性を判別するための指標となり得る。具体的には、例えば、ゼーベック係数が正の値を示すナノ材料は、ｐ型導電性を有しているといえる。これに対して、ゼーベック係数が負の値を示すナノ材料は、ｎ型導電性を有しているといえる。ゼーベック係数は、例えば、後述する実施例で用いたゼーベック効果測定装置（ＭＭＲ社製）等を用いて測定することができる。
　本明細書において、「ゼーベック係数を変化させる」とは、ゼーベック係数の値を減少させること、または、ゼーベック係数を正の値から負の値に変化させることを意図する。よって、「ナノ材料のゼーベック係数を変化させるドーパント（またはドーパント組成物）」とは、かかるドーパント（またはドーパント組成物）を用いてドープされたナノ材料におけるゼーベック係数の値を、ドーピング前と比較して減少させ得るドーパント（またはドーパント組成物）、または、かかるドーパント（またはドーパント組成物）を用いてドープされたナノ材料におけるゼーベック係数を正の値から負の値に変化させ得るドーパント（またはドーパント組成物）が意図される。
　本明細書では、ナノ材料におけるゼーベック係数を正の値から負の値に変化させ得るドーパントを特にｎ型ドーパントと称する場合がある。ドーパントがｎ型ドーパントであれば、本発明の製造方法によって得られたナノ材料－ドーパント組成物複合体をｎ型導電性とすることができる。ナノ材料－ドーパント組成物複合体がｎ型導電性を有していれば、双極型素子において、当該ナノ材料－ドーパント組成物複合体をｎ型材料として使用することができるため、好ましい。
　本発明の製造方法は、上記ドーパント組成物が、ドーパントとして特定のアニオンを含有していることを特徴としている。上記アニオンは、ナノ材料のキャリアを正孔から電子へと変化させる。従って、上記ドーパント組成物は、ナノ材料のゼーベック係数を変化させる。
　本発明の製造方法に使用されるアニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つである。ヒドロキシイオンは、ＯＨ－とも表せる。アルコキシイオンとしては、例えばＣＨ３Ｏ－、ＣＨ３ＣＨ２Ｏ－、ｉ－ＰｒＯ－、ｔ－ＢｕＯ－等が挙げられる。チオイオンは、ＳＨ－とも表せる。アルキルチオイオンとしては、例えばＣＨ３Ｓ－、Ｃ２Ｈ５Ｓ－等が挙げられる。シアヌルイオンは、ＣＮ－とも表せる。カルボキシイオンとしては、例えばＣＨ３ＣＯＯ－等が挙げられる。なかでも、アニオンは、ＯＨ－およびＣＨ３Ｏ－のうち少なくとも一方であることがより好ましい。上記アニオンによれば、効率よくナノ材料のゼーベック係数を変化させることができる。
　アニオンがドーパントとして作用する理由の一つとしては、アニオンが非共有電子対を有していることが考えられる。アニオンは、その非共有電子対に基づいて、ドーピングの対象となるナノ材料と相互作用するか、または化学反応を誘起すると推測される。また、後述の実施例から、ドーピングの効率においては、ドーパントのルイス塩基性、分子間力および解離性の重要性が示唆されている。本明細書において、「ルイス塩基性」とは、電子対を供与する性質を意図している。ルイス塩基性の強いドーパントは、ゼーベック係数の変化に対して、より大きな影響を与えると考えられる。また、ドーパントの分子間力も、ナノ材料に対するドーパントの吸着性に関連していると考えられる。ドーパントの分子間力としては、水素結合、ＣＨ－π相互作用、π－π相互作用等が挙げられる。ドーパントの解離性については後述する。
　以上のことから、上記アニオンのなかでも、弱い水素結合を与えるアニオンが好ましい。弱い水素結合を与えるアニオンとしては、例えば、ＯＨ－、ＣＨ３Ｏ－、ＣＨ３ＣＨ２Ｏ－、ｉ－ＰｒＯ－、ｔ－ＢｕＯ－が挙げられる。また、アニオンは、π－π相互作用を与えるアニオンであることが好ましい。π－π相互作用を与えるアニオンとしては、例えば、ＣＨ３ＣＯＯ－が挙げられる。
　本発明の製造方法は、ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、当該カチオンはオニウムイオンである。当該オニウムイオンは上述の特定のアニオンとの解離性が良く、アニオンを効率的に解離することができる。そして、溶媒中にて、当該アニオンをドーパントとして、ナノ材料に効率的にドープすることができる。
　本発明の製造方法において、上記オニウムイオンとしては、例えば、アンモニウム、ホスホニウム、オキソニウム、スルホニウム、フルオニウム、クロロニウム、カルボカチオン、イミニウム、ジアゼニウム、ニトロニウム、ニトリリウム、ジアゾニウム、ニトロソニウム、イミダゾリウム、ピリジニウム等を母骨格とするオニウムイオンが挙げられるが、これに限定されない。溶媒中において解離性がよいという観点からは、アンモニウム、ホスホニウム、イミダゾリウム、ピリジニウムを母骨格とするオニウムイオンが好ましい。
　アンモニウムまたはホスホニウムを母骨格とするオニウムイオンとしては、例えば下記一般式（Ｉ）で表されるオニウムイオンが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 　式（Ｉ）中、Ｙは、窒素原子またはリン原子である。Ｒ１～Ｒ４はそれぞれ独立して、水素原子、炭素数１～１６のアルキル基、炭素数１～１６のアリール基、または－Ｓ－Ｒである。ここで、Ｓはスペーサー基であって炭素数１～１６のアルキレン基であり、Ｒは（メタ）アクリロイル基またはエポキシ基である。
　イミダゾリウムを母骨格とするオニウムイオンとしては、例えば下記一般式（ＩＩ）で表されるオニウムイオンが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 　式（ＩＩ）中、Ｒ１～Ｒ５はそれぞれ独立して、水素原子、炭素数１～１６のアルキル基、または－Ｓ－Ｒである。ここで、Ｓはスペーサー基であって炭素数１～１６のアルキレン基であり、Ｒは（メタ）アクリロイル基またはエポキシ基である。
　ピリジニウムを母骨格とするオニウムイオンとしては、例えば下記一般式（ＩＩＩ）で表されるオニウムイオンが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 　式（ＩＩＩ）中、Ｒ１～Ｒ６はそれぞれ独立して、水素原子、炭素数１～１６のアルキル基、または－Ｓ－Ｒである。ここで、Ｓはスペーサー基であって炭素数１～１６のアルキレン基であり、Ｒは（メタ）アクリロイル基またはエポキシ基である。
　また、オニウムイオンは、例えば、下記一般式（ＩＶ）で表される繰り返し単位を有するオニウムイオンであってもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 　ここで、Ｙは、窒素原子またはリン原子である。ｎは、１以上の整数である。
　ドーパント組成物は、上記アニオンおよびオニウムイオンを含有する化合物を含んでいてもよい。アニオンおよびオニウムイオンを含有する化合物としては、例えば下記式（ａ）～（ｇ）で表される化合物が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 　上記式（ａ）は、水酸化テトラメチルアンモニウムである。上記式（ｂ）は、水酸化テトラエチルアンモニウムである。上記式（ｃ）は、水酸化トリメチルフェニルアンモニウムである。上記式（ｄ）は、水酸化１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムである。上記式（ｅ）は、水酸化テトラブチルアンモニウムである。上記式（ｆ）は、水酸化テトラブチルホスホニウムである。上記式（ｇ）は、テトラブチルアンモニウムメトキシドである。
　上記式（ａ）～（ｇ）で表される化合物は、アニオンの解離性が良く、ナノ材料のゼーベック係数を効率よく変化させることができ、ナノ材料のゼーベック係数を正の値から負の値へと変化させることができるため、好ましい。
　上述のように、本発明の製造方法においては、ドーパントのルイス塩基性および分子間力に加えて、解離性が重要である。アニオンは、より多く解離することが好ましい。従って、アニオンおよびカチオンを含有する化合物の解離定数が重要である。例えば、当該化合物の解離定数ｐＫａが７以上であることが好ましく、１４以上であることがより好ましい。
　本発明のドーパント組成物には、必要に応じて、上述したアニオン、カチオン以外の物質が含まれていてもよい。このような物質としては、ドーパントの働きを阻害しないものであれば特に限定されない。
　また、本発明のドーパント組成物には、複数の種類のドーパントが含有されていてもよい。
　＜接触工程＞
　接触工程は、ナノ材料に対して、当該ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物を、溶媒中にて接触させることによってナノ材料とドーパント組成物との複合体（ナノ材料－ドーパント組成物複合体）を形成する工程である。
　接触工程では、ナノ材料とドーパント組成物とを接触させることができればよく、その方法は特に限定されないが、例えば、ドーパント組成物を溶媒中に溶解させた溶液にナノ材料を添加し、懸濁することによって両者を接触させることができる。ドーパント組成物とナノ材料とを十分に接触させる観点から、上記ドーパント組成物を溶媒中に溶解させた溶液を、上記ナノ材料に含浸させることによって、または、上記ドーパント組成物を溶媒中に溶解させた溶液中に上記ナノ材料をせん断分散させることによって、上記ナノ材料と上記ドーパント組成物とを接触させることが好ましい。
　さらには、均質化装置を用いてナノ材料を液中に分散させながら、ナノ材料とドーパント組成物とを接触させることが好ましい。均質化装置を用いてナノ材料を液中に分散させることによってドーパント組成物がナノ材料に接触し易くなり、その結果、ドーパント組成物とナノ材料とを十分に接触させることができる。
　上記均質化装置としては、ナノ材料を溶媒中で均質に分散させることができる装置であれば特に限定されないが、例えば、ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー等の公知の手段を用いることができる。なお、本明細書中において、単に「ホモジナイザー」と表記した場合は、「撹拌ホモジナイザー」が意図される。
　均質化装置の運転条件としては、ナノ材料を溶媒中に分散させることができる条件であれば特に限定されないが、均質化装置として、例えば、ホモジナイザーを用いる場合は、ナノ材料およびドーパント組成物を加えた溶媒を、ホモジナイザーの撹拌速度（回転数）２００００ｒｐｍにて、室温（２３℃）にて１０分間懸濁することによって、ナノ材料を溶媒中に分散させることができる。
　ドーパント組成物を溶解させる溶媒としては、例えば、水であってもよく有機溶媒であってもよい。従って、本発明の製造方法は、様々なナノ材料へ適用することができる。有機溶媒としては、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等）、ケトン（例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等）、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の高極性溶媒を用いることができるが、本発明はこれらに限定されない。
　ドーパント組成物を溶解させる濃度としては、任意の濃度であってよい。例えば、メタノール中の水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度は０．００１ｍｏｌ／Ｌ以上であってもよい。
　＜乾燥工程＞
　乾燥工程は、溶媒を除去する工程である。溶媒を除去する方法は特に限定されず、例えば、真空オーブンを用いた方法等が挙げられる。なお、溶媒は完全に除去されなくてもよい。すなわち、本発明の効果を妨げない程度に溶媒が残存していてもよい。本発明の製造方法によれば、アニオンおよびカチオンの解離性が良いため、乾燥工程によって得られたナノ材料－ドーパント組成物複合体において、アニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在する。よって、ナノ材料－ドーパント組成物複合体においては、ナノ材料に対してアニオンが効率的にドープされている。
　また、本発明の製造方法におけるドーパントはアニオンであり、従来のドーパントと比べて、手に入れやすく、安価なものである。また、溶媒としては水系溶媒および有機溶媒の両方を使用することができ、様々なナノ材料に適用可能である。さらに、本発明の製造方法は、加熱等の複雑な工程が不要である。従って、簡便に且つ効率よくナノ材料－ドーパント組成物複合体を製造することができる。よって、本発明の製造方法によれば、簡便に且つ効率よくナノ材料のゼーベック係数を変化させることができる。
　＜成型工程＞
　本発明の製造方法は、ナノ材料またはナノ材料－ドーパント組成物複合体を所望の形状に成型する成型工程を包含していてもよい。例えば成型工程において、上記ナノ材料またはナノ材料－ドーパント組成物複合体を、フィルム状に成型してもよい。
　ここで、上記「フィルム状」は、シート状または膜状とも言い換えられる。「フィルム状に成型する」とは、ナノ材料またはナノ材料－ドーパント組成物複合体を１μｍ～１０００μｍの厚みの膜に成型することが意図される。
　ナノ材料またはナノ材料－ドーパント組成物複合体をフィルム状に成型する方法としては、特に限定されないが、例えば、メンブレンフィルターを用いる方法が挙げられる。具体的には、ナノ材料またはナノ材料－ドーパント組成物複合体の懸濁液を、０．１～２μｍ孔のメンブレンフィルターを用いて吸引ろ過を行い、得られた膜を真空下、５０～１５０℃にて、１～２４時間乾燥させることにより、フィルム状に成型することができる。
　本発明の製造方法では、接触工程の前にナノ材料を成型してもよいし、接触工程を経たナノ材料－ドーパント組成物複合体を成型してもよい。接触工程の後で成型工程を行う場合、溶媒中に分散させた１つ１つのナノ材料にドーパント組成物を十分に吸着させることができる。その結果、フィルム内部のナノ材料がより均一にドープされたフィルム状材料を得ることができる。このため、接触工程の後で成型工程を行う場合は、例えば、フィルム内にドープされたｎ型導電性のナノ材料と未ドープのｐ型導電性のナノ材料が存在することによってゼーベック効果の相殺が起こる虞がない。
　〔ナノ材料－ドーパント組成物複合体〕
　本発明にかかるナノ材料－ドーパント複合体（以下、「本発明のナノ材料－ドーパント組成物複合体」ともいう。）は、上述したナノ材料とドーパントとを含んでおり、本発明の製造方法によって製造されたことを特徴としている。換言すれば、本発明のナノ材料－ドーパント複合体は、ナノ材料と、当該ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物とを含有しており、上記ドーパント組成物はアニオンとカチオンとを含有しており、上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、上記カチオンは、オニウムイオンである。また、上述のように、アニオンおよびカチオンの解離性が良いため、上記ドーパント組成物が含有しているアニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在する。なお、上記〔ナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法〕の項で既に説明した事項については、説明を省略する。
　本発明のナノ材料－ドーパント組成物複合体はｎ型導電性を示すことが好ましい。ナノ材料－ドーパント組成物複合体がｎ型導電性を有していれば、双極型素子において、当該ナノ材料－ドーパント組成物複合体をｎ型材料として使用することができる。
　本発明のナノ材料－ドーパント組成物複合体は、上記ナノ材料および上記ドーパント組成物以外の物質が含まれていてもよく、上記以外の物質の種類は限定されない。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　本発明は、以下のように構成することも可能である。
　すなわち、本発明に係るナノ材料－ドーパント複合体の製造方法は、ナノ材料に対して、当該ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物を、溶媒中にて接触させる接触工程と、上記溶媒を除去する乾燥工程と、を包含しており、上記ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、上記カチオンは、オニウムイオンであり、上記乾燥工程によって得られたナノ材料－ドーパント組成物複合体において、アニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在することを特徴としている。
　上記特定の組み合わせのアニオンおよびカチオンは、解離性が良い。そのため、アニオンおよびカチオンを互いに解離させ、アニオンをナノ材料に対して効率的にドープできる。上記アニオンは、当該ナノ材料のキャリアを正孔から電子へと変化させる。よって、上記ドーパント組成物は、ナノ材料のゼーベック係数を変化させる。
　上記アニオンは、様々な化合物に含有されているため、簡便に入手することができる。さらにアニオンは、イオンの形態であるため、水系溶媒および有機溶媒の両方において使用可能である。また、加熱等の操作を行う必要もない。さらに、上記ドーパント組成物は様々なナノ材料に対してドーピングすることができる。
　よって、上記構成によれば、簡便かつ効率よく、ナノ材料のゼーベック係数の値を変化させることができる。
　本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法では、上記アニオンは、ＯＨ－、ＣＨ３Ｏ－、ＣＨ３ＣＨ２Ｏ－、ｉ－ＰｒＯ－、ｔ－ＢｕＯ－、ＳＨ－、ＣＨ３Ｓ－、Ｃ２Ｈ５Ｓ－、ＣＮ－およびＣＨ３ＣＯＯ－からなる群より選択される少なくとも１つであってもよい。
　本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法では、上記ナノ材料は、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッドおよびナノシートからなる群より選択される少なくとも１つであってもよい。
　本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法では、上記接触工程では、上記ドーパント組成物を溶媒中に溶解させた溶液を、上記ナノ材料に含浸させることによって、または、上記ドーパント組成物を溶媒中に溶解させた溶液中に上記ナノ材料をせん断分散させることによって、上記ナノ材料と上記ドーパント組成物とを接触させてもよい。
　本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法では、上記アニオンはｎ型ドーパントであってもよい。
　本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体は、本発明に係るナノ材料－ドーパント複合体の製造方法によって製造されたことを特徴としている。
　本発明に係るドーパント組成物は、ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物であって、上記ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、上記カチオンは、オニウムイオンであることを特徴としている。
　本発明に係るドーパント組成物では、上記アニオンは、ＯＨ－、ＣＨ３Ｏ－、ＣＨ３ＣＨ３Ｏ－、ｉ－ＰｒＯ－、ｔ－ＢｕＯ－、ＳＨ－、ＣＨ３Ｓ－、Ｃ２Ｈ５Ｓ－、ＣＮ－およびＣＨ３ＣＯＯ－からなる群より選択される少なくとも１つであってもよい。
　本発明に係るドーパント組成物では、上記アニオンはｎ型ドーパントであってもよい。
　本発明に係るナノ材料－ドーパント組成物複合体は、ナノ材料と、本発明に係るドーパント組成物とを含有しており、上記ドーパント組成物が含有しているアニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在していてもよい。
　イオンを用いてナノ材料のゼーベック係数を変化させることができることは、これまで知られておらず、本発明者らが初めて見出したものである。なお、非特許文献６に記載のベンジルビオロゲンはイオン性の物質であるが、非特許文献６に記載の技術では、還元されたベンジルビオロゲン（すなわち、イオンの形態ではないベンジルビオロゲン）を用いることを特徴としている。
　本発明の一実施例について図２～図７に基づいて説明すれば以下のとおりである。
　〔オニウム塩を用いたドーピング〕
　アニオンとオニウムイオンとを含有する化合物（オニウム塩）を用いて、ドーピングの効果を確認した。
　＜実施例１＞
　オニウム塩として水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を用いた。カーボンナノチューブの束５ｍｇを、０．１ＭのＴＭＡＨを溶解させた２０ｍＬのメタノールに加えた。得られた混合物を高速ホモジナイザ（ウルトラタラックス社製）によって、２００００ｒｐｍ、１０分の条件でせん断分散させた。
　得られたカーボンナノチューブの分散液を０．２μｍのテフロン（登録商標）製メンブレンフィルターを用いて吸引濾過した。さらに当該フィルターを１２時間減圧乾燥させた後、メンブレンフィルターからカーボンナノチューブのフィルムを剥離した。
　得られたフィルムのゼーベック係数を、ゼーベック効果測定装置ＳＢ－２００（ＭＭＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を用いて測定した。評価は、３１０Ｋ（ゼーベック効果測定装置の表示温度）にて行った。なお、カーボンナノチューブとしては独立行政法人産業技術総合研究所製の単層カーボンナノチューブ（以下、ＳＧＣＮＴとも称する）を用いた場合とＫＨ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社製の単層カーボンナノチューブ（以下、ＫＨＣＮＴとも称する）を用いた場合とについて、それぞれフィルムを作製した。なお、以下では、得られたフィルムをＣＮＴフィルムとも称する。
　＜実施例２＞
　ＴＭＡＨの代わりに、水酸化テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡＨ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実施例３＞
　ＴＭＡＨの代わりに、水酸化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＨ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実施例４＞
　ＴＭＡＨの代わりに、水酸化トリメチルフェニルアンモニウム（ＴＰＡＨ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実施例５＞
　ＴＭＡＨの代わりに、水酸化テトラブチルホスホニウム（ＴＢＰＨ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実施例６＞
　ＴＭＡＨの代わりに、水酸化１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム（ＩｍＨ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実施例７＞
　ＴＭＡＨの代わりに、テトラブチルアンモニウムメトキシド（ＴＢＡＭ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例１＞
　ドーパントを加えなかったこと（すなわち、ＴＭＡＨを加えなかったこと）以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例２＞
　ＴＭＡＨの代わりに、ヨウ化テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡＩ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例３＞
　ＴＭＡＨの代わりに、塩化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＣｌ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例４＞
　ＴＭＡＨの代わりに、臭化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＢｒ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例５＞
　ＴＭＡＨの代わりに、硝酸テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＮＯ３）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例６＞
　ＴＭＡＨの代わりに、テトラフルオロホウ酸テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＢＦ４）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例７＞
　ＴＭＡＨの代わりに、過塩素酸テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡＣｌＯ４）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例８＞
　ＴＭＡＨの代わりに、トリフルオロメタンスルホン酸テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡＴｆＯ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例９＞
　ＴＭＡＨの代わりに、ｐ－トルエンスルホン酸テトラエチルアンモニウム（ＴＥＡＴｏｓ）を用いたこと以外は実施例１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実験結果＞
　実施例１～７、比較例１～９の結果を図２に示す。比較例１からドーピングしていないＣＮＴフィルムはｐ型導電性を示すことがわかる。実施例１～７においては、ＣＮＴフィルムはｎ型導電性を示した。比較例２～９は、比較例１と同様にｐ型導電性を示した。
　これらの結果から、本発明の製造方法においてオニウム塩を用いた場合、ドーピングしていない未処理のＣＮＴフィルムと比較してゼーベック係数の値を変化させ得ることが確認できた。これは、溶媒中におけるオニウム塩の解離性がよいためである。また、本発明の製造方法によって、オニウム塩としてＴＭＡＨ、ＴＥＡＨ、ＴＢＡＨ、ＴＰＡＨ、ＴＢＰＨ、ＩｍＨまたはＴＢＡＭを用いた場合、ＣＮＴフィルムのゼーベック係数の値をより大きく変化させることができ、ゼーベック係数の値を正から負に変化させ得ることが確認できた。
　〔電界効果トランジスタにおけるドーピング〕
　＜実施例８＞
　カーボンナノチューブへのドーピングの効果を確認するために、図３に示すような電界効果トランジスタ１を作製した。電界効果トランジスタ１では、ドーピングされたＳｉからなるゲート２（Ｇ）上にＳｉＯ２からなる絶縁層３（厚さ３００ｎｍ）が形成されている。さらに絶縁層３上にカーボンナノチューブ薄膜（厚さ＜５０ｎｍ）からなる活性層４が形成されている。そして、活性層４上に金（厚さ４５ｎｍ）とクロム（厚さ５ｎｍ）とからなるソース電極５（Ｓ）が形成されている。ドレイン電極６（Ｄ）もソース電極と同様に金（厚さ４５ｎｍ）とクロム（厚さ５ｎｍ）とからなり、活性層４上に形成されている。
　＜実験結果＞
　得られた電界効果トランジスタを、日立微小デバイス特性評価装置ｎａｎｏＥＢＡＣ（登録商標）ＮＥ４０００を用いて評価した。図４は、図３に示す電界効果トランジスタ１をソース電極５およびドレイン電極６が形成されている方向から観察した図である。ＶＳＤ＝１Ｖとしてドレイン電流ＩＤを測定した結果を図５（ａ）に示す。図５（ａ）から、活性層として未ドープのカーボンナノチューブを用いた場合はｐ型導電性を示すことがわかる。
　次に、カーボンナノチューブ薄膜に対して、０．０１ＭのＴＭＡＨを溶解させた溶媒（メタノール）を添加し、再度ドレイン電流を測定した結果を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）から、ＴＭＡＨを使用した場合、ｎ型導電性を示すことがわかる。よって、ＣＮＴフィルムだけではなく、電界効果トランジスタを用いて評価した場合にも、本発明の製造方法による効果が確認できた。
　〔多層カーボンナノチューブへのドーピング〕
　単層カーボンナノチューブの代わりに多層カーボンナノチューブを使用した場合のドーピングの効果を確認した。
　＜実施例９＞
　多層カーボンナノチューブとしてはＮＴ－７（保土谷化学製、平均繊維径６５ｎｍ）を用い、アニオンを含有する化合物としてＴＭＡＨを用いた。多層カーボンナノチューブ５ｍｇを、０．１ＭのＴＭＡＨを溶解させた２０ｍＬのメタノールに加えた。得られた混合物を高速ホモジナイザ（ウルトラタラックス社製）によって、２００００ｒｐｍ、１０分の条件でせん断分散させた。
　得られたカーボンナノチューブの分散液を０．２μｍのテフロン（登録商標）製メンブレンフィルターを用いて吸引濾過した。さらに当該フィルターを１２時間減圧乾燥させた後、メンブレンフィルターからカーボンナノチューブのフィルムを剥離した。
　得られたフィルムのゼーベック係数を、ゼーベック効果測定装置ＳＢ－２００（ＭＭＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を用いて測定した。評価は、３１０Ｋ（ゼーベック効果測定装置の表示温度）にて行った。
　＜実施例１０＞
　多層カーボンナノチューブとしてＣＴ－１２（保土谷化学製、平均繊維径１１０ｎｍ）を用いたこと以外は実施例９と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実施例１１＞
　多層カーボンナノチューブとしてＣＴ－１５（保土谷化学製、平均繊維径１５０ｎｍ）を用いたこと以外は実施例９と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例１０＞
　ＴＭＡＨを加えなかったこと以外は実施例９と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例１１＞
　ＴＭＡＨを加えなかったこと以外は実施例１０と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜比較例１２＞
　ＴＭＡＨを加えなかったこと以外は実施例１１と同様にしてＣＮＴフィルムを作製し、ゼーベック係数を測定した。
　＜実験結果＞
　実施例９～１１および比較例１０～１２の結果を図６に示す。ドーパントを使用しない場合にはＣＮＴフィルムがｐ型導電性を示したのに対し、実施例９～１１に示すようにドーパントを使用した場合はゼーベック係数を大きく変化させることができ、ＣＮＴフィルムがｎ型導電性を示した。
　これらの結果から、本発明の製造方法によって、ナノ材料として多層カーボンナノチューブを用いた場合であっても、ドーピングしていない未処理のＣＮＴフィルムと比較して、ゼーベック係数の値を大きく変化させることができ、ゼーベック係数の値を正から負に変化させ得ることが確認できた。また、本発明の製造方法は、平均繊維径の異なる様々な多層カーボンナノチューブに対して効果を奏することが確認できた。
　〔グラフェンへのドーピング〕
　カーボンナノチューブの代わりにグラフェンを使用した場合のドーピングの効果を確認した。
　＜実施例１２＞
　ナノ材料として酸化グラフェン還元体（単層）を用い、アニオンを含有する化合物としてＴＭＡＨを用いた。酸化グラフェン還元体５ｍｇを、０．１ＭのＴＭＡＨを溶解させた２０ｍＬのメタノールに加えた。得られた混合物を高速ホモジナイザ（ウルトラタラックス社製）によって、２００００ｒｐｍ、１０分の条件でせん断分散させた。
　得られた酸化グラフェン還元体の分散液を０．２μｍのテフロン（登録商標）製メンブレンフィルターを用いて吸引濾過した。さらに当該フィルターを１２時間減圧乾燥させた後、メンブレンフィルターから酸化グラフェン還元体のフィルムを剥離した。
　得られたフィルムのゼーベック係数を、ゼーベック効果測定装置ＳＢ－２００（ＭＭＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を用いて測定した。評価は、３１０Ｋ（ゼーベック効果測定装置の表示温度）にて行った。
　また、ＴＭＡＨを用いずに調製した酸化グラフェン還元体のフィルムについても同様にゼーベック係数を測定した。
　＜実験結果＞
　ドーパントを使用しない場合にはグラフェンのフィルムがｐ型導電性を示した（ゼーベック係数：１１μＶ／Ｋ）のに対し、ドーパントを使用した場合はグラフェンのフィルムがｎ型導電性（ゼーベック係数：－６．２μＶ／Ｋ）を示した。
　この結果から、本発明の製造方法によって、ナノ材料としてグラフェンを用いた場合であっても、ドーピングしていない未処理のフィルムと比較して、ゼーベック係数の値を大きく変化させることができ、ゼーベック係数の値を正から負に変化させ得ることが確認できた。
　〔Ｔｅナノワイヤへのドーピング〕
　カーボンナノチューブの代わりにテルルからなるナノワイヤ（Ｔｅナノワイヤ）を使用した場合のドーピングの効果を確認した。
　＜実施例１３＞
　ナノ材料としてＴｅナノワイヤを用い、アニオンを含有する化合物としてＴＭＡＨを用いた。まず、５００ｍＬの三口フラスコに、４．９９ｍｇ（２２．５ｍｍｏｌ）のＮａ２ＴｅＯ３、７．５ｇのポリビニルピロリドン、４．５ｇのＮａＯＨ、１５０ｍＬのエチレングリコールを加えた。三口フラスコが有する一口を真空／窒素ラインへと接続し、他の二口をセプタムで封かんした。この系の中を室温で１５分間脱気し、Ｎ２置換した。その後、三口フラスコを加熱し、当該系を１６０℃まで昇温した（昇温速度１５℃／ｍｉｎ）。このとき、温度上昇とともに無色透明であった溶液が徐々に紫色に変化した。１６０℃まで昇温した状態で、７．５ｍＬのヒドラジン一水和物を加え、１０分間加熱還元した。その後、加熱を止めて室温に戻るまで窒素雰囲気下にて撹拌した。以上の方法により、Ｔｅナノワイヤが得られた。得られたＴｅナノワイヤをＳＥＭにて観察した結果を図７に示す。
　得られたＴｅナノワイヤ５ｍｇを、０．１ＭのＴＭＡＨを溶解させた２０ｍＬのメタノールに加えた。得られた混合物を高速ホモジナイザ（ウルトラタラックス社製）によって、２００００ｒｐｍ、１０分の条件でせん断分散させた。
　得られたＴｅナノワイヤの分散液を０．２μｍのテフロン（登録商標）製メンブレンフィルターを用いて吸引濾過した。さらに当該フィルターを１２時間減圧乾燥させた後、メンブレンフィルターからＴｅナノワイヤのフィルムを剥離した。
　得られたフィルムのゼーベック係数を、ゼーベック効果測定装置ＳＢ－２００（ＭＭＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を用いて測定した。評価は、３１０Ｋ（ゼーベック効果測定装置の表示温度）にて行った。
　また、ＴＭＡＨを用いずに調製したＴｅナノワイヤのフィルムについても同様にゼーベック係数を測定した。
　＜実験結果＞
　ドーパントを使用しない場合にはＴｅナノワイヤのフィルムがｐ型導電性を示した（ゼーベック係数：５２３μＶ／Ｋ）のに対し、ドーパントを使用した場合はＴｅナノワイヤのフィルムがｎ型導電性（ゼーベック係数：－４４５μＶ／Ｋ）を示した。
　この結果から、本発明の製造方法によって、半導体、半金属等のナノワイヤ（炭素材料以外のナノ材料）を用いた場合であっても、ドーピングしていない未処理のフィルムと比較して、フィルムのゼーベック係数の値を大きく変化させることができ、ゼーベック係数の値を正から負に変化させ得ることが確認できた。
　ドーピングされたナノ材料は、電界効果トランジスタ、熱電変換素子、太陽電池等の多様なデバイス構築のツールとなり得るので、本発明は、ナノ材料を利用する種々広範な産業において利用可能である。
　１　電界効果トランジスタ
　２　ゲート
　３　絶縁層
　４　活性層
　５　ソース電極
　６　ドレイン電極

Claims (10)

  1. 　ナノ材料に対して、当該ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物を、溶媒中にて接触させる接触工程と、
    　上記溶媒を除去する乾燥工程と、を包含しており、
    　上記ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、
    　上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、
    　上記カチオンは、オニウムイオンであり、
    　上記乾燥工程によって得られたナノ材料－ドーパント組成物複合体において、アニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在することを特徴とするナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法。
  2. 　上記アニオンは、ＯＨ－、ＣＨ３Ｏ－、ＣＨ３ＣＨ２Ｏ－、ｉ－ＰｒＯ－、ｔ－ＢｕＯ－、ＳＨ－、ＣＨ３Ｓ－、Ｃ２Ｈ５Ｓ－、ＣＮ－およびＣＨ３ＣＯＯ－からなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載のナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法。
  3. 　上記ナノ材料は、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノロッドおよびナノシートからなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または２に記載のナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法。
  4. 　上記接触工程では、上記ドーパント組成物を溶媒中に溶解させた溶液を、上記ナノ材料に含浸させることによって、または、上記ドーパント組成物を溶媒中に溶解させた溶液中に上記ナノ材料をせん断分散させることによって、上記ナノ材料と上記ドーパント組成物とを接触させることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法。
  5. 　上記アニオンは、ｎ型ドーパントであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載のナノ材料－ドーパント組成物複合体の製造方法によって製造されたことを特徴とするナノ材料－ドーパント組成物複合体。
  7. 　ナノ材料のゼーベック係数を変化させるためのドーパント組成物であって、
    　上記ドーパント組成物は、アニオンとカチオンとを含有しており、
    　上記アニオンは、ヒドロキシイオン、アルコキシイオン、チオイオン、アルキルチオイオン、シアヌルイオン、およびカルボキシイオンからなる群より選択される少なくとも１つであり、
    　上記カチオンは、オニウムイオンであることを特徴とするドーパント組成物。
  8. 　上記アニオンは、ＯＨ－、ＣＨ３Ｏ－、ＣＨ３ＣＨ２Ｏ－、ｉ－ＰｒＯ－、ｔ－ＢｕＯ－、ＳＨ－、ＣＨ３Ｓ－、Ｃ２Ｈ５Ｓ－、ＣＮ－およびＣＨ３ＣＯＯ－からなる群より選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項７に記載のドーパント組成物。
  9. 　上記アニオンは、ｎ型ドーパントであることを特徴とする請求項７または８に記載のドーパント組成物。
  10. 　ナノ材料と、請求項７～９のいずれか１項に記載のドーパント組成物とを含有しており、
    　上記ドーパント組成物が含有しているアニオンおよびカチオンは互いに解離した状態で存在することを特徴とするナノ材料－ドーパント組成物複合体。
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