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JP2006062924A - カーボンナノチューブ生成における密度制御方法 - Google Patents

カーボンナノチューブ生成における密度制御方法 Download PDF

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JP2006062924A
JP2006062924A JP2004249465A JP2004249465A JP2006062924A JP 2006062924 A JP2006062924 A JP 2006062924A JP 2004249465 A JP2004249465 A JP 2004249465A JP 2004249465 A JP2004249465 A JP 2004249465A JP 2006062924 A JP2006062924 A JP 2006062924A
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carbon nanotubes
gas
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metal layer
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JP2004249465A
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Momoyo Sawai
百世 澤井
Jirou Ishibe
二朗 石辺
Masaaki Kishida
将明 岸田
Yoshio Fujimoto
良男 藤本
Yoshikazu Nakayama
喜萬 中山
Rogun Han
路軍 潘
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Hitachi Zosen Corp
Original Assignee
Hitachi Zosen Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】 従来のカーボンナノチューブの製造設備にて低コストでカーボンナノチューブ密度制御を行える方法を提供する。
【解決手段】 触媒金属層を有する基板を熱化学気相蒸着装置に入れ、同装置内に不活性ガスおよび原料ガスを供給し、熱化学気相蒸着法により触媒金属層を微粒化すると共に生成した触媒微粒子にカーホンナノチューブを成長させる。その際、供給する原料ガスの濃度変化量を制御することでカーホンナノチューブの成長密度を制御する。「濃度変化量」とは供給する原料ガスの時間に対する変化量を意味する。

【選択図】 なし

Description

本発明は、カーボンナノチューブ生成における密度制御方法に関するものである。
カーボンナノチューブは、熱化学気相蒸着法(CVD法)を始め、種々の方法にて生成が可能となり、電子放出源、電極、触媒等、様々な応用製品について研究がなされている。これら分野ヘカーボンナノチューブを適用するのに重要となるのが、カーボンナノチューブの長さ、径、密度等の制御である。これらの長さ、径、密度等の制御パラメータは、応用製品の性能に大きく係わってくるため、各研究機関でも鋭意研究されている。
その中で、カーボンナノチューブの外径および長さは、CVD法では、温度、時間により比較的容易に制御可能である。カーボンナノチューブの成長密度を制御するには、例えば触媒金属を形成する基板表面に細孔を設ける等のパターニングによる方法(特許文献1参照)や、アンモニア等の蝕刻ガスを所定の温度および時間で供給することでカーボンナノチューブの成長密度を変化させる方法(特許文献2参照)が提案されている。
特開2003−160332号公報 特開2001−20071号公報
しかし、カーボンナノチューブの密度を制御するにあたり、基板の表面を加工する方法は、微細な加工を必要とするうえ、要求されるカーボンナノチューブ密度が変わる毎に基板表面を再度加工する必要があり、時間とコスト面で不利である。蝕刻ガスを用いる方法は、要求される密度の変化には対応できるものの、蝕刻ガスと蝕刻ガスの供給工程、設備の付加により、コスト高を招く。
本発明では、従来のカーボンナノチューブの製造設備にて低コストでカーボンナノチューブ密度制御を行えるカーボンナノチューブの密度制御方法を提供することを課題とする。
本発明は、触媒金属層を有する基板を熱化学気相蒸着装置に入れ、同装置内に不活性ガスおよび原料ガスを供給し、熱化学気相蒸着法により触媒金属層を微粒化すると共に生成した触媒微粒子にカーホンナノチューブを成長させるに当たり、供給する原料ガスの濃度変化量を制御することでカーホンナノチューブの成長密度を制御することを特徴とするカーボンナノチューブの密度制御方法である。
特許請求の範囲および明細書全体を通して、「濃度変化量」とは供給する原料ガスの時間に対する変化量を意味する。
供給される原料ガスの濃度変化量を制御することにより、触媒金属層の微粒化により生成する触媒微粒子の粒径および/または密度を制御することができる。
前記触媒金属層は、好ましくはコバルト、ニッケル、鉄またはこれらの合金である。
前記原料ガスは、好ましくは炭化水素ガスである。
ブラシ状カーボンナノチューブは、公知の方法で作製できる。例えば、シリコン基板の少なくとも片面上に、ニッケル、コバルト、鉄などの金属の錯体を含む溶液をスプレーや刷毛で塗布した後、加熱して形成した皮膜上に、あるいは、クラスター銃で打ち付けて形成した皮膜上に、アセチレン(C)のような炭化水素ガスを用いて一般的な熱化学気相蒸着法を施すことにより、直径12〜38nmのカーボンナノチューブが多層構造で基板上に垂直に起毛される。
以下に、本発明の実施の形態について説明をする。
まず、基板上に触媒微粒子を形成し、触媒微粒子を核として高温雰囲気で原料ガスからカーボンナノチューブを成長させる。基板は触媒微粒子を支持するものであればよく、触媒微粒子が濡れにくいものが好ましく、シリコン基板であってよい。触媒微粒子はニッケル、コバルト、鉄などの金属微粒子であってよい。これらの金属またはその錯体等の化合物の溶液をスプレーや刷毛で基板に塗布し、またはクラスター銃で基板に打ち付け、乾燥させ、必要であれば加熱し、皮膜を形成する。皮膜の形成は電子ビーム蒸着法によって行ってもよい。皮膜の厚みは、厚過ぎると加熱による微粒子化が困難になるので、好ましくは1〜100nmである。次いでこの皮膜を好ましくは減圧下または非酸化雰囲気中で好ましくは650〜800℃に加熱すると、直径1〜50nm程度の触媒微粒子が形成される。カーボンナノチューブの原料ガスとしては、アセチレン、メタン、エチレン等の脂肪族炭化水素が使用でき、とりわけアセチレンガスが好ましい。アセチレンの場合、多層構造で太さ12〜38nmのカーボンナノチューブが触媒微粒子を核として基板上にブラシ状に形成される。カーボンナノチューブの形成温度は、好ましくは650〜800℃である。
本発明方法を従来の一般的なカーボンナノチューブ生成方法と比較すると下記のとおりになる。
従来法
(1)基板に触媒金属層を形成する。
(2)基板を不活性ガス(He等)下で加熱し、触媒金属を微粒子化する。
(3)熱CVD装置内に基板を入れ、不活性ガス(He等)および原料ガス(アセチレン等)を供給し、所定温度で加熱し、カーボンナノチューブを生成する。
本発明方法
(1)基板に触媒金属層を形成する。
(2)よく洗浄された(タール成分等残留物の無い)熱CVD装置内に基板を入れ、不活性ガス(He等)に加え、所定濃度の原料ガス(アセチレン等)を供給し、所定温度で加熱し、触媒金属層の微粒子化およびカーボンナノチューブの生成を連続して実施する。
従来法では、触媒金属層を加熱により微粒化していたのに対し、本発明では、熱CVD装置内で所定濃度の原料ガスを供給した時点で触媒金属層の微粒化が始まり、これに連続して、触媒金属層の微粒化により生成する触媒微粒子にカーボンナノチューブを成長させることができる。この原料ガスの濃度変化量を制御することにより、触媒微粒子の密度分布が変化するため、個々の微粒子から成長するカーボンナノチューブの密度を制御することができる。
なお、原料ガスの濃度変化量とカーボンナノチューブの生成密度の関係は、アセチレンの場合、濃度を早く上げると、カーボンナノチューブは密になり(内径は小さくなる)、逆に、濃度を遅く上げると、カーボンナノチューブは疎になる(内径は大きくなる)。
よって、従来の設備のままで、余分な装置を付加することなく、カーボンナノチューブの成長密度制御が可能となる。
本発明では、熱化学気相蒸着法により基板上の触媒金属層を微粒化すると共に生成した触媒微粒子にカーホンナノチューブを成長させるに当たり、供給する原料ガスの濃度変化量を制御することでカーホンナノチューブの成長密度および内径を制御するので、従来のカーボンナノチューブの製造設備をそのまま用い低コストでカーボンナノチューブ密度制御を行うことができる。
つぎに、本発明を具体的に説明するために、本発明の実施例を挙げる。
実施例1
厚さ0.5mmの低抵抗N型半導体シリコン基板上に、電子ビーム蒸着法により厚さ5nmの鉄皮膜を形成した。
鉄皮膜を有する基板を、図1に示す熱化学気相蒸着実験装置に入れた。同実験装置は石英製の反応管(1) と、反応管(1) を外装する電気ヒータ(2) と、反応管(1) 内に配かれた基台(3) と、反応管(1) の一端に接続された不活性ガス供給管(4) および原料ガス供給管(5) と、反応管(1) の他端に接続された排気管(6) とかる主に構成されている。鉄皮膜付き基板(7) を基台(3) の上に置いた。
不活性ガスとしてヘリウムガス(He)を供給管(4) から反応管(1) 内に供給すると共に、カーボンナノチューブの原料ガスとして濃度3%のアセチレンガス(C)を流量600ml/min、温度約700℃、時間5分、反応管(1) 内に流した。反応管(1) 内の鉄皮膜付き基板(7) の位置におけるアセチレンガスの濃度変化を図2に示す。この加熱により鉄皮膜は微粒子化し、生成した触媒微粒子を核としてブラシ状カーボンナノチューブが生成し、徐々に成長した。カーボンナノチューブの走査電子顕微鏡写真(1万倍)を図3に、透過電子顕微鏡写真(50万倍)を図4にそれぞれ示す。
アセチレンガスの濃度を20%に変え、上記と同様の操作を行った。反応管(1) 内の鉄皮膜付き基板(7) の位置におけるアセチレンガスの濃度変化を図2に、カーボンナノチューブの走査電子顕微鏡写真(1万倍)を図5に、透過電子顕微鏡写真(50万倍)を図6にそれぞれ示す。
アセチレンガス濃度3%ではゆっくりと、アセチレンガス濃度20%の条件では急激に、鉄皮膜の微粒子化およびカーボンナノチューブの生成が起こる。カーボンナノチューブが生成される瞬間の触媒微粒子の状態については、アセチレン濃度20%では3%に比べ微粒子が多数存在する。カーボンナノチューブの密度については、図3と図5の比較から分かるように、アセチレン濃度変化量が大きいほど、生成したカーボンナノチューブの本数が多い。カーボンナノチューブの内径については、図4と図6の比較から分かるように、アセチレン濃度変化量が大きいほど、生成したカーボンナノチューブの内径が小さい。
このように、アセチレンガス濃度は3%と20%としたが、同じ濃度であっても、濃度変化量を変えることにより、同様にカーボンナノチューブの成長密度を制御することができる。
熱化学気相蒸着実験装置を示す概略図である。 アセチレンガスの濃度変化を示すグラフである。 アセチレン濃度3%の場合の成長したカーボンナノチューブの走査電子顕微鏡(SEM)写真(1万倍)である。 アセチレン濃度3%の場合の成長したカーボンナノチューブの走査電子顕微鏡(TEM)写真(50万倍)である。 アセチレン濃度20%の場合の成長したカーボンナノチューブの走査電子顕微鏡(SEM)写真(1万倍)である。 アセチレン濃度20%の場合の成長したカーボンナノチューブの走査電子顕微鏡(TEM)写真(50万倍)である。
符号の説明
(1) 反応管
(2) 電気ヒータ
(3) 基台
(4) 不活性ガス供給管
(5) 原料ガス供給管
(6) 排気管
(7) 鉄皮膜付き基板


Claims (4)

  1. 触媒金属層を有する基板を熱化学気相蒸着装置に入れ、同装置内に不活性ガスおよび原料ガスを供給し、熱化学気相蒸着法により触媒金属層を微粒化すると共に生成した触媒微粒子にカーホンナノチューブを成長させるに当たり、供給する原料ガスの濃度変化量を制御することでカーホンナノチューブの成長密度を制御することを特徴とするカーボンナノチューブの密度制御方法。
  2. 供給される原料ガスの濃度変化量を制御することにより、触媒金属層の微粒化により生成する触媒微粒子の粒径および/または密度を制御することを特徴とする請求項1記載のカーボンナノチューブの密度制御方法。
  3. 前記触媒金属層がコバルト、ニッケル、鉄またはこれらの合金からなることを特徴とする請求項1または2記載のカーボンナノチューブの密度制御方法。
  4. 前記原料ガスが炭化水素ガスであることを特徴とする請求項1のいずれかに記載のカーボンナノチューブの密度制御方法。
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