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JP2009536911A - 改質カーボンナノチューブ及びカーボンナノチューブの形成方法 - Google Patents

改質カーボンナノチューブ及びカーボンナノチューブの形成方法 Download PDF

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Abstract

本発明では、電解方法、光化学的方法、化学的方法及び封入方法を使用して実質的に完全に安定なドープカーボンナノチューブを達成することができる。最大のドーピング効果を達成するために好ましいCNTの構造及び形態も説明する。チューブタイプの広い分布のドーピングを達成するためのドーパント処方物及び方法も説明する。

Description

関連出願
本願は、2006年3月9日に出願した米国仮特許出願第60/780,607号及び2006年12月24日に出願した米国仮特許出願第60/871,824号に基づく優先権の利益を主張する。本発明は、バッテル・メモリアル・インスティチュートと、米国エネルギー省オークリッジ国立研究所のUT−バッテル,LLCマネジメント・オペレーティングコントラクターとの間のCRADA NO.NFE−06−00133を受けてなされた。米国政府は、本発明において所定の権利を有する。
発明の背景
本発明は、可撓性のある、光学的に透明でかつ電気伝導性の、カーボンナノチューブを基材とする電気伝導性の被膜及び層の製造法に関する。
カーボンナノチューブ(CNT)は、ある種の材料に、様々な新規でかつこれまでには達成できなかった特性の組合せを与えることができるナノ材料の部類である。カーボンナノチューブを使用するための新興領域の一つは、溶液から作られた可撓性でかつ耐久性のある導電性被膜である。カーボンナノチューブは、所定の媒体中に分散でき、かつ、可撓性のある/耐久性のある導電性層を生じさせるための従来の溶液処理方法によって処理できる。所望ならば、このような方法は、透明で可撓性のある/耐久性のある導電性層を生じさせることもできる。カーボンナノチューブを使用するための別の新興領域は、導電性重合体複合材料の製造領域である。カーボンナノチューブを重合体マトリックスに分散させて当該重合体の機械的性質及び処理特性を保持する導電性重合体複合材料を生産することができる。
カーボンナノチューブは、その高い電気伝導性、ナノメートルの直径、高アスペクト比及び高い柔軟度のため、透明な導電性フィルム及び被膜を製造するのに理想的な材料である。高分散ナノチューブインクから出発して、可撓性のある又は硬質の基材上に様々な溶液処理方法によってナノチューブネットワークフィルムを製造することができる。単層(SWNT)及び多層(MWNT)カーボンナノチューブから製造された可撓性のある透明な導体が報告された。SWNTは、MWNTよりも小さな直径を有し(およそ1nm対30nm)、さらに所望の品質を有する被膜を生じさせることができる。
近年、カーボンナノチューブの導電性被膜が製造され、これが帯電防止被膜として及び電磁遮蔽のために使用されている。しかしながら、カーボンナノチューブを使用した導電性被膜についてさらに可能性のある用途としては、コンピュータ及び他のビデオ端末用、フラットパネルディスプレイ用の及び高価なインジウム錫酸化物被膜の代替物としてのタッチスクリーンが挙げられる。当該技術分野においては、今なお、より高い光透過度と共により高い電気伝導性を有するカーボンナノチューブ被膜を提供する必要がある。
カーボンナノチューブ被膜の電気伝導性と光透過性との両方を改善させる見込みのある方法の一つは、カーボンナノチューブをpドープ又はnドープする化学反応体を添加することによるものである。様々なp型及びn型ドーパントが、p型としてBr2、I2及びO2並びにn型としてK、Cs及びNaを含めて検討されてきた。
塩化チオニルは、SWNTの伝導性を実質的に改善させることが示された(Skakalova外,J Phys Chem B 2005,109,7174及びDettlaff−Weglikowska外,J.Am.Chem.Soc.2005,127,5125)。塩化チオニルは、Br2、Cs及びKのような従来のドープ剤と比較して、実質的に反応性が少なく、取り扱いが容易であるという点で有利である。塩化チオニルは、リチウム−塩化チオニル電池に商業的に使用されている。Roth及び共同研究者らは、45℃で24時間にわたり液体塩化チオニルで処理されたSWNT粉末又はバッキーペーパーが5倍までの伝導率増加を示すことを実証した。しかしながら、これらの結果は、アーク放電及びレーザーアブレーション方法によって得られるような、さらに直径の大きいSWNTについては、この処理の有効性が小さいことを示唆するものである。さらに、その反応時間は、カーボンナノチューブ被膜の処理加工中にインラインで使用するには長すぎる。
未だに、様々なCNT構造にとって好適で、速く、しかも安定なドープ構造を生じさせるドーピング方法に対する要望がある。
発明の要約
第1の態様では、本発明は、固体カーボンナノチューブ(CNT)組成物であって、カーボンナノチューブ、少なくとも0.5重量%のS及び少なくとも0.5重量%のClを含む組成物を提供する。当該固体CNT組成物は、ラマンスペクトルにおいて1593〜1605cm-1(より好ましくは、1595〜1600cm-1)のピーク最大値を有する接線モード(TM)位置を示す。
第2の態様では、本発明は、単独で又は任意の所望の組合せで行うことができる6つの選択的工程を有するCNTの処理方法を提供する。この方法は、CNTを準備し、そして該CNTとドープ剤とを接触させることを含み;また、次の少なくとも一つ:(1)該CNTにUV処理を施すこと(好ましくは、この処理を酸素の存在下で実施する);又は(2)ドープ剤を添加する前に約14〜約22の範囲のG/D比を示すように該CNTに複数の欠陥を導入すること;又は(4)該ドープ剤を添加する前に若しくは添加すると同時に該CNTに酸化プラズマ処理を施すこと;又は(5)該ドープ剤を添加する前に若しくは添加すると同時に該CNTに電子線を照射すること;又は(6)触媒を使用して該ドープ工程を触媒することをさらに特徴とする。実際には、これら6つの選択肢のいずれか一つ又は任意の組合せを使用してCNTを処理することができる。
別の態様では、本発明は、基材と、ストレージ層と、該ストレージ層に直接接触するドープCNT層とを備える多層構造体を提供する。また、本発明は、この構造体を製造する方法も提供する。さらなる態様では、当該多層構造体は、ドープCNT層を安定化させる封入被膜により保護される。
本発明の様々な実施形態は、透明な導電性カーボンナノチューブフィルム;500nm以下(場合によっては200nm以下)の導電性カーボンナノチューブ薄膜;10,000S/cmの導電率を有する導電性カーボンナノチューブ薄膜;酸素、乾燥空気、加湿空気、溶媒洗浄、紫外線又は熱への暴露といった環境に安定な、実質上完全にドープされたカーボンナノチューブの製造方法;近赤外(NIR)透過率が改善したカーボンナノチューブフィルム;CNT表面の仕事関数の増大;及び/又はCNTネットワークの接触抵抗の減少を得ることができることを含め、様々な利益を与える。
本発明の他の特徴及び利益は、次の詳細な説明及び添付図面から明らかであろう。
図面の詳細な説明
図1.バンドル(小さい円で囲った部分)とベルト(大きい円で囲った部分)との混合形態を有する切断ナノチューブから製造された試料のSEM画像図である。
図2.液体塩化チオニルによる処理前後の、ガラス上にあるHiPco SWNTの可視−近赤外吸光度スペクトルである。
図3a及び3b.塩化チオニルによる処理前後の、ガラス上にあるHiPco SWNTのラマンスペクトル (633nm)である。
図4.様々なG/D比を有するArc SWNTのドープ中に観察されたシートコンダクタンス/吸光度の変化を示すグラフ図である。白抜きの記号=受け取ったままの状態のSWNT;塗りつぶしの記号=熱処理SWNT。
詳細な説明
透明導体についての性能指数(FOM)は、所定の周波数についての電気伝導性(σ)対吸収係数(ε)の比に関連する(FOM=σ/ε )。劇的に大きい電気伝導性(例えば10倍を超える改善)だけでなく、バンドギャップのシフト及び導電性バンド端でのフェルミ準位の充填によって光透過性が改善し(吸収係数がさらに低い)CNTを製造することができる。
本発明で概説する手法は、ドーパントのCNT構造への拡散、ドーパントのCNT構造への吸着、CNT−ドーパント電荷移動錯体を生じさせるための酸化還元反応及び電荷移動錯体の安定性を改善させる方法を伴う。CNTはバンドル状になっている場合が多く、又はロープ及びリボンのような緊密に集団化された構造で存在する。バンドルとは、実質的に整列したチューブのうち単一のバンドル中に集積した7個を超えるCNTからなるCNT形態であると定義される。ロープとは、準円断面で規則正しく束ねられた複数のCNTであると定義され、ベルトとは、平坦なリボン様構造を有する、バンドルCNT構造のことである。本発明の方法は、非常に効率的なドーピングのため、調整されたカーボンナノチューブ構造及びカーボンナノチューブ構造(形態)の集合体を与える。
ドープ剤とは、価電子帯の電子状態を奪う(p−ドープする)又は満たす(n−ドープする)ことによってカーボンナノチューブの電子構造を改変する試剤のことである。ドーパントとは、カーボンナノチューブと共に電荷移動錯体を形成する電子受容体又は電子供与体分子のことである。本発明では、好ましくはドーピングを実施して半導体ナノチューブの状態密度を減少させる。好適なドープ剤は、当該半導体のバンドギャップに依存する。その還元電位は、特定のバンドギャップ構造を有するナノチューブを還元又は酸化するためのドープ剤能力の基準の一つである。他の基準としては、電子親和力及びイオン化エネルギーが挙げられる。本発明にとって好ましいドーパントは、標準水素電極(SHE)に対して0.20〜2.90、より好ましくは0.20〜1.30の範囲の還元電位を有するp型ドーパントである。電子親和力を測定する方法の一つは量子力学的計算によるものであり、この場合、最低空分子軌道(LUMO)のエネルギーが電子親和力に関連し得る。別の好ましい態様では、当該ドーパントは約−0.2eV未満の負のLUMO(大きい負の値)、好ましくは−2.0eV未満の負のLUMOを有する。塩化チオニルは最も好ましいp型ドーパントである。好適なドープ剤の例としては、塩化ホスホリル、オキシ塩化セレン、一臭化沃素、塩化金、SO2、(CNS)2及び(IrCl62-が挙げられる。
ドーピング効果の基準の一つは、ドーピングの前と後のシート電気抵抗の比率である。ドーピング効果の他の基準としては、以下で説明する分光学的な基準が挙げられる。
ドープ剤のCNT構造への拡散は、ガス状又は液状ドープ剤でCNT構造を処理することによって実施できる。好ましい方法の一つは、液状ドープ剤で薄膜構造を処理することである。効率的なドーピングのためには、薄膜構造(500nm以下)が粉末及びバッキーペーパーよりも好ましい。というのは、これらの構造は表面積が大きく、当該構造にドープ剤が迅速に拡散するのを可能にするからである。カーボンナノチューブ薄膜を使用することによって、塩化チオニル液により室温でほぼすぐに(10秒以内に)ドーピングが達成できる。場合によっては、ドーピングは原液、例えばそのままの塩化チオニルで達成できる;或いは、ドーパントを含有する溶液を使用することができ、いくつかの実施形態では、高濃度が有用であり、例えば、少なくとも60重量%のドーパントを含有する溶液が有用である。室温で約30分までの処理時間については、ドーピング効果のわずかな改善が観察される。随意に、CNT粉末及びバッキーペーパーは、ガス状塩化チオニルによる処理によってドープできる。
必須ではないが、カーボンナノチューブ及び任意のガラス製品又は処理装置は、湿気及び酸素が実質的にないことが好ましい。これは、ドーピング装置内において高温(>300℃)減圧下でカーボンナノチューブを加熱することによって達成できる。或いは、当該カーボンナノチューブをP25のような典型的な乾燥剤を使用して乾燥してもよい。また、塩化チオニルを使用前に脱ガスすることも望ましいかもしれない。これは、既知の任意の手段、例えば、不活性ガスによるスパージング又は真空の連続開放及び閉鎖の下での凍結−ポンプ−解凍連続サイクルによって達成できる。後者の手段が好ましい。これは、競合する、効果の低いドーパントとして作用し得るHCl及びSO2のような残留溶解ガスを除去するからである。
ドーパントによるナノチューブの湿潤は、当該ナノチューブの表面を酸化プラズマ、オゾンで処理し又は様々な欠陥を導入することによってさらに向上できる。導入できる欠陥の例は、当該技術分野において知られているものであり、例えば、酸処理、オゾン処理、酸化、還元的アルキル化反応、ラジカル付加反応、弗素化、γ線照射、電子線照射、ビンゲル反応、1,3−双極子付加反応、ジアゾ化反応、ニトレン付加環化、求核付加反応、水素化、ジクロロカルベン付加反応及びアルキル化によって生じる末端部位、欠陥部位及び側壁の改質が挙げられる。
カーボンナノチューブの数種について、本出願人は、驚くべきことに、欠陥の導入によりドーピング効果が改善することを見いだした。完全なCNTに欠陥を加えることで、ドープ剤のCNT湿潤能力が改善するものと思われる。さらに、電荷移動錯体の形成は、所定の欠陥部位で優先的に生じ得る。
ドーピングは、共有結合的に強く改変されたものであっても、全てのCNTの性能を改善させることができる。同じ体積分率と厚みを有するCNTネットワークについては、本発明に従うドーピングにより、少数の欠陥を有する試料は、全く欠陥を有しないものに対して、同一の(場合によってはそれよりも低い)最小シート抵抗をもたらすであろう。
ラマンスペクトルにおけるGバンドとDバンドの比率は、CNTの完成の指標となる(Itkis,M.E.;Perea,D.E.;Jung,R.;Niyogi,S.;Haddon,R.J.Am.Chem.Soc.2005,127,3439)。カーボンナノチューブのラマンスペクトルにおいて、Gバンド(G+、G−)は、炭素原子の接線剪断モード(TM)であり、かつ、およそ1450cm-1〜1650cm-1の範囲で生じる。Dバンドは二次過程であり、欠陥モードと呼ばれることが多い。Gバンド及びDバンドの強度は、1以上の励起周波数で記録されるラマンスペクトルの積分によって判断される。このG/D比は、選択されるナノチューブの分布及び励起周波数にある程度依存し得る。これは、カーボンナノチューブ試料について観察されるラマン散乱が、通常、共鳴ラマン効果と関連するからである(この場合、レーザーエネルギーが電子遷移と共鳴状態にある結果、強度の有意な増加が観察される。)。カーボンナノチューブの電子遷移はCNTの構造に依存し、様々なCNTの集団が様々なレーザー励起を使用することによって選択的に励起される。現在直径範囲についてのカーボンナノチューブ平均母集団を観察するためには、ゾーンホールディングスキーム又は片浦プロットを使用して好適なレーザー励起を判断すべきである(Kataura,H.;Kumazawa,Y.;Maniwa,Y.;Umezu,I.;Suzuki,S.;Ohtsuka,Y.;Achiba,Y.Synthetic Metals 1999,103,2555)。場合によっては、複数のレーザーを採用することが有用である。本発明では、G/D比は、少なくとも2種のレーザー周波数を使用して得られたスペクトルの平均に基づいて得られる。
本発明に従う最適なドーピングについての好ましいG/D比は、8よりも大きく、より好ましくは14よりも大きい。いくつかの実施形態では、G/D比は8〜40、いくつかの実施形態では12〜25、いくつかの実施形態では約14〜約18である。
用語「カーボンナノチューブ」又は「CNT」には、単層、二層及び多層カーボンナノチューブが含まれ、また、さらに定義しない限り、バンドル及び他の形態が含まれる。好適なカーボンナノチューブとしては、HiPco法、アーク放電法、CVD法及びレーザーアブレーション法によって製造された単層カーボンナノチューブ;二層カーボンナノチューブ(DWNT)、単層二層三層カーボンナノチューブ、数層及び多層カーボンナノチューブ並びにこれらの材料の共有的改質物が挙げられる。CNTは、これらの材料の任意の組合せであることができる。例えば、CNT組成物は、単層CNTと多層CNTとの混合物を含むこと、或いはDWNT及び/又はMWNTから本質的になること、或いはSWNTから本質的になることなどが可能である。
他の好ましい構造としては、SWNT、DWNT及び/又はMWNTの混合物が挙げられる。その性能特性は、個々のカーボンナノチューブ直径(Å)、SWNTキラリティーインデックス(n,m)、層の数(S、D、T、MWNT(5−19))、SWNTの固有の「波形」対同軸の「ロッド様」(D、T、MWNT)を適切に選択することによって向上できる。層の直径の一次結合を適切に選択すると、可視(450−750nm)透過率がさらに高く、散乱寄与がさらに低い様々な同相対異相フォトニックバンド構造が生じるであろう。本発明の固体CNT組成物は、好ましくは、少なくとも20重量%のCNT、より好ましくは少なくとも70重量%、さらに好ましくは少なくとも90重量%のCNTを含有する。フィルム又は他のCNT組成物の体積分率は、好ましくは少なくとも10%のCNT、より好ましくは少なくとも40%、いくつかの実施形態では20〜約60%であり;好ましくは、当該体積の残余は実質的には空気であり、又は、いくつかの実施形態では、高分子封入体である。
層の直径の一次結合を適切に選択すると、目的の周波数で高い導電率を有する様々な同相対異相電子バンド構造も生じるであろう(例えば、DC−RFI遮蔽及び低い散乱寄与)。有効電子正孔持続期間が長いと、ネットワークにおける伝導率が高くなる。層の直径の一次結合を適切に選択すると様々な伝導率も生じ、より大きな直径が小さなバンドギャップをもたらす。
また、層の直径の一次結合を適切に選択すると、様々なチューブのタイプの組合せにより密度、体積分率、重量分率及びアスペクト比を調節することで様々な有効FOMも生じる。層の直径(1〜20)の一次結合を選択すると、ナノチューブが剥離し、散在し、再結合し、ランダムネットワークを形成し、規則ネットワークを形成し及びパターン形成可能なネットワークを形成する傾向が修正される。この挙動を制御して均質な多層材料又は透明導電性CNT層の上若しくは下にある基材と共にエピタキシャルに構造化された多相材料を形成させることができる。
ドーピング効果を観察するためには、電荷移動錯体を形成させなければならない。市販されているカーボンナノチューブの出発材料の大部分は、異なるバンドギャップを有するCNT型の混合物を含有する。ドープ剤での処理中には、狭いバンドギャップのナノチューブがドープするのに最も容易である。これよりも広いバンドギャップのCNTをドープするには、さらに高い還元電位が必要である。これは、従来技術で報告された結果とは対照的である(Skakalova外J Phys Chem B 2005,109,7174 and Dettlaff−Weglikowska外J.Am.Chem.Soc.2005,127,5125)。
塩化チオニルの還元電位は、標準水素電極(SHE)に対して0.61である。この電位は、およそ1.0nm以上の直径を有するナノチューブ群を酸化させるのに十分なものである。塩化チオニルの還元電位は、コバルトフタロシアニンのようなメタロフタロシアニンといったレドックス触媒や三塩化アルミニウム及び塩化銅のような金属ハロゲン化物を使用することにより増大できる。また、この触媒は、CNTとドーパントとの相互作用及び電子移動を促進させるのに役立つこともできる。触媒は、ドーパント(これは液体や溶液であることができる)に0.001M〜1.0Mの範囲の好ましい濃度で添加できる。また、触媒は気相反応でも使用できる。次いで、この溶液を使用してCNT構造を処理することができる。或いは、まず、CNT組成物、例えばCNTフィルムを、触媒を含有する溶液で処理し、乾燥させ、次いで塩化チオニル液又は他のドープ剤にさらすことができる。レドックス触媒を使用するという技術思想は、他のドーパント系でも同様の肯定的な結果をもたらすことが見込まれる。「ドーピング触媒」は、当該用語を本願で定義する場合には、CNT中に残るCNT合成からの残留触媒を含まない。さらに、定義からして、ドーピング触媒は、ドーピング又はドーピング率を有意に増加させる(最適ドーピング条件下で、好ましくは少なくとも30%の増加)。さらに、当該ドーピング触媒は、ドーパント、ドーパント溶液若しくはドーパント混合物中に溶存物質として存在し、又はCNT表面に付着する薄い被膜として存在する;後者は、電子顕微鏡によりCNT上の被膜として観察できる。これらの状態は、CNT内部に存在する場合が多い不溶性の球状粒子として存在する又は当該試料中にランダムな粒状物として存在する残留CNT触媒とは異なる。一般に、酸化還元反応を触媒するのに必要な濃度は、CNTにより生じる残留触媒として見いだされるよりもかなり高い使用量となる。
広いCNTバンドギャップ分布のドーピングを達成する別の方法は、ドーパントの混合物を使用することである。狭いバンドギャップのCNTはドープするのが最も容易であるため、さらに大きなバンドギャップのチューブのデプレッションを達成するために一層強力なドープ剤を使用すると、狭いバンドギャップチューブのオーバーデプレッション(オーバードーピング)が生じ得る。オーバードーピングは、CNTの導電率の減少を生じさせ得る。混合物を使用することで、狭いバンドギャップのカーボンナノチューブのオーバーデプレッションが防止されると共に、大きなバンドギャップのナノチューブのデプレッションが可能になる。混合ドーパントは、逐次的方法を使用して適用できるが、この場合、CNT構造は、2種以上のドーパントで連続的に処理される。
一態様では、塩化チオニルのドーピング効果は、まずCNTフィルムをUV光にさらすことによって向上できる。いくつかの実施形態では、この処理は空気中で実行される。CNTフィルムは、まず、UV光、例えば、254nmで処理される。好ましくは、このUV処理は、少なくとも10分;いくつかの実施形態では10分〜3時間を範囲とする時間にわたって行われる。60未満の暴露時間が好ましい。UV処理はUVランプによって適用される。周囲の室内条件よりも大きなUV光フラックスとしての「UV処理」は、ドーピングの範囲を大きくするのに十分なものである。
当該ドーピング効果は、浸透限界に近いカーボンナノチューブネットワークで最も大きい。この浸透限界は、導電経路が試料を横断して存在しなければならないCNTの限界濃度である。単層カーボンナノチューブの解束又は剥離は、浸透が生じる処理量を増加させ、かつ、金属チューブの役割を高めるために望ましい。CNTの剥離は、機械的処理、超音波処理、粘弾性処理、浸透圧処理、低温処理及び化学処理の一次結合を適用することによって達成できる。解束のための方法の一つは、機械的手段を使用する。例えば、球状粒子の粒度減少は、粉砕媒体及び機械的撹拌(磨砕)により達成される場合が多い。また、この方法は、ナノフィラメント媒体、例えばSiC、BN、重合体(例えば、熱により開裂できるPMMA)、多結晶質被覆材料又は適切な硬度の2Dプレートレットを使用する場合には、高いアスペクト比のCNTにも有用である。特に、より高密度のMWNT(〜20nmの直径及び様々な長さ)は、その直径比が20:1以上であると共に剪断の適用態様が軸上バンドル寸法に沿うように制御され、その結果、球体のように回転分散は存在しないが、ただしオリフィス、ホモジナイザー及び押出器のような縦剪断が存在する限りにおいて、小さな直径のバンドルに対する有効な剥離媒体として使用できる。これらの技術のいずれも本発明の方法において使用できる。
解束の別の方法は、化学的手段を使用する。例えば、小分子又はオリゴマー種をCNT−CNTバンドル間に注入することができる。これらのプローブは、ナノチューブの切断端の表面と強く相互作用し、そして軸方向に沿って移動する(途中でバンドルを開く)。いったん注入したら、これらの成分を、剥離(破断)点にまでCNTバンドルの拡張を生じさせる化学的又は物理的変換に付すことができる。この方法は、包み込まれたFe触媒残留物をFeOへの変換により酸化することを伴う、精製中における熱酸化剥離に関するものである(この密度の変化は、非晶質炭素付着物をこじ開け、該FeをHNO3ではなくHClにより抽出することを可能にするはずである)。本出願人の方法は、これらの触媒残留物を利用するものではあるが、この場合には、これらのものは、さらに効果的なナノチューブバンドル剥離を生じさせるであろう本出願人が選択した化学的/生化学的/光化学的変換を促進させる。また、凍結温度又は他の臨界温度/圧力の変化により密度が低下する種(水のような)の注入を利用してバンドルを破壊させることもできる。本明細書における他の説明と同様に、本発明の方法を規定するようにこれらの技術のうちの一つ以上を使用してCNTを処理することができる。
CNT−ドーパント複合体は、安定であることが望ましい。所定のCNT構造は、他のものよりも安定性が改善している。電荷移動錯体は、所定のカーボンナノチューブ構造、例えばバンドルロープ及びベルトで安定化するし、また接合点の数によっても安定化する。透明性の高い導電性CNTフィルムを実現するためには、全体的な集束度が最小である必要があり、しかも接合点の数が少なくなければならないことが知られている。好ましい構造の一つは、束になったCNT部分を含むCNTフィルムである(この場合、バンドルは直径が>10nmである。)。いくつかの好ましい実施形態では、CNT組成物は、少なくとも10質量%のバンドル、いくつかの実施形態では少なくとも25質量%のバンドルを有する。
別の好ましい構造は、好適な及び別個の構造のCNTの一次結合を含む。例えば、解束後に、半導体SWNT部分(2/3)を、金属SWNTの導電率に及ぼすそれらの影響及び効果的なバンドギャップを創り出すことに及ぼすそれらの影響を同様の波動関数対称のバンドルとリバンドルに関連付けることによって緩和させる(穏やかにする)ように、小さな直径のD−T−MWNTからなる新たなリバンドルに再分配させることができる。ナノチューブが、異なるコロイド相互作用と束一性の効果、例えば、ゼータ電位、密度、直径、ファン・デル・ワールス相互作用、ロンドン分散力などにより異なる速度で再度会合するときに、効果的なリバンドルとなる。構造の足場、高い導電率ハイウェイ及び細い構造フィラメントを形成させるためにこれらのバンドル、リバンドルの高次ネットワーク形成を制御することによって、電子伝導性/ホール伝導性並びに光透過性を最大にすることができる。いくつかの好ましい実施形態では、CNT組成物は少なくとも10質量%のバンドル、いくつかの実施形態では少なくとも20質量%のバンドルを有する。
別の好ましい構造は、ベルト構造である。ベルト構造を製造するための方法の一つは、主として実質的に短縮された(<200nm)カーボンナノチューブからなる混合物を使用することである。短縮されたカーボンナノチューブから作製されたカーボンナノチューブネットワークは、スーパーロープから作製された対応構造よりも高いバルク導電率を示すことができるベルト構造を生じさせる。加えて、これらの構造は高濃度のジャンクションを有し、また、当該構造を使用して、拡散に至る曲がりくねった通路を創り出し、そして電荷移動錯体の安定性を増大させることができる。いくつかの好ましい実施形態では、CNT組成物は、少なくとも10質量%のベルト、いくつかの実施形態では少なくとも20質量%のベルトを有する。
本発明のCNT組成物は、300S/cmを超えるバルク導電率;いくつかの実施形態では、300S/cm〜50,000S/cmの範囲のバルク導電率;いくつかの実施形態では、300〜10,000S/cmの範囲のバルク導電率;いくつかの実施形態では、2000〜5000S/cmの範囲のバルク導電率を有することができる。フィルムに関して、CNTフィルムは、好ましくは、20nmを超えるフィルム厚、いくつかの好ましい実施形態では500nm未満の厚さ、いくつかの実施形態では200nm未満の厚さを有する。ドーパント安定性の改善のためには、20nmを超えるフィルム厚及び0.40を超えるCNT体積分率が好ましい。高いドーパント安定性は、試料に湿気、酸素及び溶媒洗浄に対して安定化された電気的性質を与える。望ましくは、処理後に、当該CNTは、空気中で安定である。いくつかの好ましい実施形態では、当該CNTはフィルムの形態にあり、当該処理によりシート抵抗が少なくとも8倍低下し(いくつかの実施形態では約10〜約30倍)、しかも得られたフィルムは空気中で安定である(これは、その伝導率が、処理済みのCNTを室温の空気に1週間さらした後に5%を超えて低下しないことを意味する。)。
別の好ましい態様では、薄いストレージ層を基材上に形成させたり、又は基材に適用したりすることができる。CNTフィルムは、この薄いストレージ層と直接接触した状態で配置される。本発明では、「ストレージ層」とは、ドープ剤を吸収する層であって、該ドープ剤を閉じこめて、これが長時間にわたってCNTフィルムと相互作用するのを可能にするものをいう。好ましくは、当該ストレージ層は、5重量%未満のドープ剤を含有する。好ましい捕捉用重合体層は、半結晶性及び/又は中程度のTg、化学的に又は物理的に架橋した構造、高い透明性及び塩化チオニルのようなドーパントと相互作用できる極性官能基を有するべきである。半結晶性(物理的架橋のタイプ)と、化学的架橋密度と、物理的架橋密度と、Tgとの組み合わせを調節することによって、ドーピング液のストレージ層への拡散が制御できる。ドープ剤のストレージ層への拡散は、当該層の膨張(これは、当該層の黄変及び/又は透明性の欠如に至り得る)を防ぐように制限すべきである。好ましい一態様では、ドープ剤の拡散は、CNTと接触した状態にあるストレージ層の表面の最初の50nmに制限される。いくつかの実施形態では、ストレージ層の厚さは50nm以下であり、いくつかの実施形態ではストレージ層の厚さは10〜100nmである。別の好ましい態様では、塩化チオニルと反応する官能基は避ける。好ましいタイプのストレージ層は所定の重合体を含む。好適な重合体としては(ただし限定されない)、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(ブチレンテレフタレート)、ポリ(メタクリル酸メチル)、ポリカーボネート、ポリ(エーテルエーテルケトン)が挙げられる。また、柱状粘土、メソ多孔性粒子、ベシクル、オルガノゲルといった吸収剤粒子で満たされる複合材料も使用できる。随意にストレージ層の表面を当該技術分野において周知の方法で処理して基材の湿潤性を改善させることができる。ストレージ層は、少なくとも0.0001重量%のドープ剤、より好ましくは少なくとも0.001重量%;より好ましくは少なくとも0.1重量%;いくつかの実施形態では5重量%までのドープ剤を含む。
ストレージ層は基材の表面に形成できる。つまり、当該ストレージ層は、基材と同一のタイプの重合体から形成できる。例えば、基材の表面の最初の50nmは、ドープ剤を取り込むことによって改質できる。いくつかの好ましい実施形態では、基材の表面の最初の50nm中には0.01重量%未満のドーパントが存在する。或いは、当該基材及びストレージ層は、異なる材料から構成できる。また、ストレージ層は、透明な基材に、スピンコーティング、スクリーン印刷、スプレー、グラビア印刷、インクジェット印刷といった当該技術分野において周知の任意の方法によって適用できる。本発明の好ましい一態様では、ストレージ層の頂部にCNT層を蒸着させ、そしてドーパントで処理する。別の好ましい態様では、当該ストレージ層は、CNTフィルム蒸着の前にドーパントで処理できる。また、ドーパントは、ストレージ層が形成されたときにはこれに存在し得ることも予想される。ストレージ層中のドープ剤は、少なくとも2つの方向に作用することができる。ある場合には、この捕捉されたドーパントはCNTと相互作用し、他の具体例では、この捕捉されたドーパントは、CNT層に放出されるまで潜む。
ストレージ層が蒸着する基材は、例えば、ガラス又は重合体であることができる。重合体の例としては、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(エチレンナフタレート)、ポリカーボネート及びポリ(メタクリル酸メチル)、高性能加工フィルム、例えばポリエーテルスルホン、ポリ(エーテルエーテルケトン)、ポリアリーレン、ポリ(環状オレフィン共重合体)及びそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。好ましい基材は、可視光、赤外線及び/又は近赤外線が透過する。好ましい透明基材としては、ZnS、ZnSe、サファイア、Ge、Si又はそれらの組み合わせである。
ドーピング後にCNTフィルムと接触した状態のオリゴマー又は重合体層のような封入保護層が存在することで、ドーピング効果が安定化し得る。塩化チオニルは、カーボンナノチューブネットワーク上/中に強力に吸着するので、その後の副反応(例えばSO2及びHClへの加水分解)が回避され得る限り活性を維持するはずである。理論に束縛されるわけではないが、化学的に吸着した塩化チオニルは、表面にスルホニル基が特異的に結合するため、遊離の塩化チオニルと比較して加水分解に対する安定性が比較的高いと考えられる。これは、塩化チオニルカーボンナノチューブ電荷移動錯体が少量の封入材料による二次的な処理によって安定化する機会を与える。この封入体は、湿気と直接接触するのを防ぎ、吸着した塩化チオニルを加水分解に対して本質的に安定にする。好適な封入体としては、疎水性重合体、共重合体、例えば、脂肪族炭化水素から構成されるもの、特にポリ塩化ビニリデン(PVdC)又はPTFEのような過弗素化及び過塩素化重合体といった、防湿特性を向上させるものが挙げられるであろう。また、自己組織化単一層化合物もドープフィルムを安定化させることができる。好ましい実施形態では、封入層は、ドープCNT層がストレージ層と封入体との間に挟まれるようにドープCNT層上に配置される。
カーボンナノチューブドーピングの分野における用語である「封入」とは、従来から、内包ドーピングによりカーボンナノチューブ自体の内部に、例えばピーポッド構造内にドーパント部分を捕捉し、これらを空気及び湿気に対してさらに安定にすることをいう。このタイプの挿入は、極限条件下では、分離されたオープンチューブ内への非常に小さな陽イオンに限られていた。しかしながら、本発明では、当該用語は、CNT及びネットワークのそれぞれ外部表面及び間隙上への外接ドーピングを指す。カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(FET)の分野における封入とは、従来の電子装置の製造と同様に、例えば、化学蒸着又は他の方法を使用して分子線エピタキシー(MBE)により、導電性層にわたり保護又は絶縁層を付着させることをいう。
これに対し、本発明においては、封入体は、ドーパント分子を封鎖するように機能し、さらにいかなる熱脱離も低減させると同時に、湿気の浸入から外部バリヤーを保護する。この方法は、大気水分の符号ひずみ効果から電子装置を保護することに密接な関連がある(例えばペリレンC)。当該封入体はドーパント−カーボンナノチューブ複合体の電荷移動特性を妨害しないことが重要であるため、電子に富むハロゲン化材料が特に効果的であるかもしれない。所望ならば、追加の官能基を封入体に取り入れて界面のキャリヤー注入特性又はホール輸送特性を改変させることができる(例えば遷移金属錯体)。
CNTネットワークの仕事関数は、特定の有効なバンドギャップの半導体CNT(バンドル又はリバンドル)を改善させる又は不活性化させる(共有的改質により)ように選択的にドーピングすることによって制御できる。
実施例
例1
HiPco SWNT(CNI,精製グレード)をD2O中0.62重量%のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムにチップホーン超音波処理で分散させた。この分散液におけるナノチューブの濃度は、5.5mg/Lであった。透明な薄膜を2つの方法のうちの一つにより基材に付着させた。
フィルム方法1.分散液(6g)を0.02μmのAnodiscフィルターに通し、そして水で洗浄した。得られたCNTマットを、被覆されたAnodiscフィルターを水に浸漬させ、当該CNTマットを当該フィルターから解放し、水に浮かばせることにより分離させた。浮かんできたCNTマットをガラス基材で拾い上げた。
フィルム方法2.分散液(6g)を0.02μmの混合セルロースエステルフィルターに通し、そして水で洗浄した。得られたCNTマットを次の方法によりPETに転写した:CNTマットをPETのシートと接触した状態に置き、熱(80℃)と圧力(<10,000psi)を15分間にわたって加え、当該混合セルロースエステルを、アセトンにより注意深く剥離又は膨潤させることによりPETから除去し、次いで当該被覆PETをアセトンで洗浄する。
次いで、試料を次の3つのドーピング処理のうちの一つに付した。
液体処理1.試料を液体塩化チオニルの容器中に10秒〜1時間(以下の表参照)の一定の時間にわたり浸漬させ、湿気のない条件下で保持した。試料をこの液体から取り出し、塩化メチレンで洗浄し、次いで空気流で乾燥させた。
比較液体処理2:試料を液体塩化チオニルの容器中に12時間にわたり45℃で浸漬し、湿気のない条件下で保持した。試料をこの液体から取り出し、塩化メチレンで洗浄し、次いで空気流で乾燥させた。
ガス処理1.試料を火力乾燥真空フラスコ中に液体塩化チオニルと共に置いた(試料は、当該液体とは接触しない)。この塩化チオニルを少なくとも3回の凍結−ポンプ−解凍サイクルでガス抜きした。この系を密閉真空下に置き、室温にまで暖め、3時間又は3日にわたり保持した。この実験の終了時に、この系を大気圧にまで開放した。試料を取り出し、塩化メチレンで洗浄し、次いで空気流で乾燥させた。
試料を処理前及び処理後に4ポイントプローブ(Jandel Universal Probe)、ラマン分光法(2cm-1のスペクトル分解能で機能する785、633又は532nmでの複数のレーザー励起を有するLabRAM ARAMIS共焦点ラマン顕微鏡)及びUV−可視−NIR分光法(Cary 17 UV/VIS/近IR分光計)を使用して特徴づけた。シート抵抗を2点の最小値の平均(試料の配向及び点間のプローブ位置を変更する)によって決定した。透過率(パーセント)を好適な基材に対して550nmで測定した。フィルム方法1及び2により異なる塩化チオニル処理方法を使用して調製した試料の結果を表1に示す。
Figure 2009536911
最も良好な結果が液体方法1により処理された試料について観察された。シート抵抗を530Ω/スクエアから159Ω/スクエアまで減少させるには10秒の処理時間で十分であった。この処理時間が増加するとシート抵抗のさらなる減少をもたらすが、10分を超える処理時間後には、抵抗の減少はほとんど又は全く観察されなかった。驚くべきことに、比較液体処理2を使用してさらに長時間にわたり試料を高温で処理しても、これよりも短く穏やかな液体処理1の手順を超えるいかなる利益も得られなかった。事実、この特性は、この一層積極的な処理により実際に悪化する可能性がある。本発明の好ましい方法では、CNT組成物を液体塩化チオニルで約40分以内で、好ましくは約20分以内で、より好ましくは約10分以内で、いくつかの実施形態では約10秒〜約10分間処理する。この処理は、好ましくは40℃未満、より好ましくは室温で実施される。
本発明に従って得られたドープCNT構造の組成は、半導体チューブの第一遷移(vs 1→cs 1)により生じるファンホーブ特異点の実質的に完全な低下によって特徴づけられる。SWNTは、半導体ナノチューブにおけるバンドギャップ遷移に関連した〜0.7eV(〜1500−1700nm)及び〜1.2eV(〜900−1100nm)で近赤外線(NIR)領域内において光学バンドを示し、また金属SWNTに関連した〜1.8eVで第3光学バンドを示す。ドーピングのレベルが高いと、まずこの低いエネルギー状態の光学バンドが減少し、次いで中間バンドが減少することが予想される。極めて高いレベルのドーピングでは、700nm付近の可視領域内にある金属バンドであっても減少となる。
本発明では、実質的にブリーチされたとは、所定のCNT群についてvs 1→cs 1と関連する半導体光学バンドの実質的な消失をいう。0.9nmという平均直径を有するHiPcoCNTについては、これらの遷移は、1500nm付近のNIRで観察される。実質的にドープされたCNTフィルムの特性を図2に示す。ドーピング前に、vs 1→cs 1遷移の相対的な強さ及び鋭さは、分散状態、欠陥の存在、pHなどに依存する。有益なドーピングの後に、これらのモードの強さは、炭素質材料についてのバックグラウンドフォノン分散の基準線に対して減少する。カーボンナノチューブの高レベルの共有的官能化又は半導体カーボンナノチューブの電子構造に損傷を与える若しくはそれを破壊する他の処理は、この議論においては考慮しない。
ドープ組成物は、図2に示すように、NIR透過率の実質的な増加を示す。
本発明に従って得られたドープCNT構造の組成は、バンドの全体的な強度、形状及び位置の変化と特に関連があるラマンスペクトルの変化によってさらに特徴づけられる。
先に述べたように、カーボンナノチューブ試料について観察されるラマン散乱は、通常、共鳴ラマン効果と関連があり、しかも様々なCNT集団を、様々なレーザー励起を使用することによって選択的に励起させることができる。ドープカーボンナノチューブの特性を検討するためには、半導電体ナノチューブのスペクトルを検討することが好ましい。ゾーンホールディングスキーム又は片浦プロットを使用して半導体チューブについて所定のナノチューブ直径分布を観察するのに好適なレーザー励起を決定すべきである。複数のレーザーを使用することが有用な場合もある。
それぞれの測定の前及びレーザーラインシフトの間に、光路を再度合わせ、周波数を較正すべきである。ラマンシフトは、シクロヘキサンのような基準物で較正すべきである。光路の整合は、珪素を使用して較正される。
正確な測定のためには、レーザー出力熱による試料の加熱の影響を回避しなければならない。共振周波数は温度に依存する。本出願人による測定では、全てのスペクトルは、薄膜カーボンナノチューブネットワーク、5mW未満のレーザー出力及び低い倍率を使用して測定する;どの試料も。加熱の影響は観察されなかった。さらに、材料の不均一性及び散乱の影響を、1種の試料について複数の測定を組み合わせて実施すること及び均質なカーボンナノチューブのネットワーク又は分散を使用することによって最小化すべきである。
処理前及び処理後におけるHiPco SWNTのラマンスペクトル(633nmのレーザー)を図3に示す。スペクトルの強さが全体的に低下する。1400〜1700cm-1(G+,G-)の間のTMモードにより、ドーピング後に形状及び位置が有意に変化したことが示される。ドーピング前のTMモードについての最大強度の位置は1588cm-1である。ドーピング後に、この位置は、1591cm-1まで増大する。ドーピングにより観察される形状の変化は、ドーピングに伴う電子正孔対の変化に関連があるGバンドのBreit−Wigner−Fano線形状の変化に関係する。
633nmでは、HiPco SWNTのラマンスペクトルは、金属チューブからの貢献を含む。半導体HiPco SWNT(平均直径=0.9nm)の変化をさらに明確に判断するためには、785nm(1.58eV)励起でのラマンスペクトルがさらに好適である。785nmの励起を使用すると、ドーピング前のTMモードについての最大強度の位置は1592cm-1である。ドーピング後に、この位置は1595cm-1にシフトする。
本発明では、TMモードについて言及するときには、半導電性集団の代表的平均について1450〜1650cm-1の間で観察されるTMバンド及びこのバンドの最大の強さの位置のことを指す。形状、バンド幅及び全体的な強さといったドーピングにより生じる他の変化もこれと関連のあるものではあるが、定量できない。これらのドープCNTの特徴である半導体チューブに関するTMの位置は、本発明のいくつかの態様では1593〜1605cm-1の範囲、本発明の他の態様では1595〜1600cm-1の範囲に見いだされる。この議論は、個々のナノチューブについての測定に関する位置に言及するものではなくナノチューブのネットワーク、複合材料及び粉末などのナノチューブの集合体についての測定に関する位置に言及するものである。
例2
ガス処理2.
メタンの触媒分解により調製された1mgのDWNTを含有する小瓶(高麗大学のCJ Lee教授から得られる)を大型ガラス真空チューブ内に置き、300℃で一晩乾燥させた。この系を真空下に置くと共に、さらに加温し一晩保持した。このフラスコを大気に開放し、1.5mLのSOCl2をこのフラスコの底に添加した。この系を凍結−ポンプ−解凍の3回の連続サイクルにより脱ガスし、次いで真空下で密閉し、室温にし、そして3日間保持した。この試料をフラスコから取り出し、少量をジクロルベンゼン中にチップホーン超音波処理で20分間にわたり分散させた。得られた分散液は黒っぽく、半透明であった。2種の試料を、0.02μmのAnodiscフィルターに当該分散液の7mL又は3mLを通すことにより調製した。また、対照試料もジクロルベンゼン分散液から調製した。
シート抵抗を2日間にわたる空気乾燥後に評価した。次いで、この試料をアセトン中10%水中に置き、一晩撹拌した。試料を乾燥させ、そして特徴付けを行った。
Figure 2009536911
この結果は、この塩化チオニルドープ試料が対照と比較して改善した安定性を有することを示している。これは、対照がアセトン/水中に一晩浸漬した後に大きな抵抗変化率を示したことからも分かる。
例3
スライドガラスにPETの薄層(<1μm)を溶液からのスピンコーティングにより被覆した。アークSWNTを、フィルム方法1を使用して該被覆層上に付着させた。
スライドガラスにトリメチロールプロパントリアクリレート(Sartomer SR351 HP)の薄層(<1μm)を溶液からのスピンコーティングにより被覆した。この被覆をUV硬化させた。DWNT(Helix,CVD)をH2O中0.62重量%のSDBSにチップホーン超音波処理で分散させ、次いでフィルム方法1を使用して被覆スライドガラス上に付着させた。
両方の試料を、液体処理1を使用して塩化チオニルで処理した。
重合体ストレージ層がCNTフィルムと接触した状態で存在すると、ドーピング効果が改善する。そのままのガラス基材と比較すると、被覆された基材は、2倍までの大きなシート抵抗減少を生じる。塩化チオニルは、重合体を溶解させ、分解させ又は黄変させることなく、重合体構造に拡散することができる。この塩化チオニルはこれらの層中に閉じこめられることができ、この場合、当該塩化チオニルは、CNTと相互作用し続け、ドーピングとドーピング安定性を有意に改善させることができると考えられる。
例4
SWNTフィルムを、フィルム方法1を使用してガラス基材上で製造した。シート抵抗(オーム/スクエア)を測定し、このフィルムの最適のスペクトルを350nmから2000nmまで得た。このフィルムは、550nmで〜85%T及び〜18,000オーム/スクエアの初期シート抵抗を有していた。ガラス上のフィルムに、液体塩化チオニルの液滴を基材に付着させることによってドープした。過剰の液体を除去し、シート抵抗及び最適スペクトルを得た。この抵抗は1600オーム/スクエアまで減少した(〜12倍の改善)。最適スペクトルから、半導体SWNTのファンホーベ遷移のために近IRバンドが完全に失われることが示された。次いで、この塩化チオニルをドープしたSWNTフィルムを2種の異なる候補封入体で処理した。
封入体処理1は、PTFE含有エーロゾルREN RP−79を少量表面に吹き付けることを伴う。
封入体処理2は、Cytop重合体分散液からなるフルオロ重合体溶液CTX−109A(Asahi)をSWNTフィルムの頂部にスピンコートすることを伴う。
フィルムの最適透過率及び表面抵抗率を定期的に監視した。長期間経過後に、両方の処理により封入されたフィルムは、封入体処理1については〜3800Ω/スクエア及び封入処理2については〜1800Ω/スクエアの定常状態抵抗値と共に高い割合の導電率の改善を維持した。
好適な封入体の選択に伴ういくつかの基準がある。封入体及びその溶媒は、ドーパントとは相互作用してはならず、理想的には、ドーパントは、封入体若しくはその溶媒に不溶性か又はわずかに可溶性であり、また、封入体は、水や、ドーパントの性能を低下させるであろう他の環境的要因に対する障壁として作用すべきである。
当該封入体を重合体ストレージ層と共に使用してドーピング性能を向上させることもできることが考えられる。当該ストレージ層は、CNTの隣接フィルムの導電率を増大させるドープ剤を蓄積する。典型的には、当該ストレージ層は、重合体であり又はクレイのような吸収剤粒子を含有する。当該封入体を重合体ストレージ層と共に使用する場合には、当該封入体及びその溶媒も当該ストレージ層の重合体とは相互作用してはならず、好ましくは重合体ストレージ層を実質的に膨張させないであろう。
例5
アーク放電SWNT(炭素溶液,P−2)をジクロルベンゼン中に30分間のチップホーン超音波処理で分散させた。この分散液におけるナノチューブの濃度は、150mg/Lであった。この分散液を、エーロゾルスプレーガンを使用して石英スライド上にスプレーした。これらの試料のいくつかを石英管炉内に置き、連続真空排気/Arパージにより脱ガスし、Ar雰囲気下に置き、そして900℃で4時間処理した。
熱処理した試料と熱処理していない試料の両方を液体方法1を使用して30分間塩化チオニルで処理した。随意に、これらの試料のいくつかを空気中で254nmの低出力UVにUVGL−23型Mineralightランプを使用して曝した。暴露時間を15分から12時間の間で変更した。UV暴露後、試料を塩化チオニルで処理した。
全ての試料を塩化チオニルドーピング前に4ポイントプローブ、可視−NIR分光法及びラマン分光法で特徴付けを行い、そしてドーピング後に再度4ポイントプローブ、可視−NIR分光法及びラマン分光法で特徴付けを行った。
薄膜試料を空気中で短時間254nm処理に付すと、ドーピング効果が改善する。これは、主として、最初の状態と比較したシート抵抗の減少で観察される。3時間未満の暴露時間が最良の効果を与える。これよりも長い暴露時間でも、ラマン分光法によりドーピング効果がなお向上することが示される;しかしながら、CNTにかなりの欠陥を加える競争効果によりシート抵抗の競合的増加が生じる。
空気中でUVに暴露すると、高温処理を受けたSWNTのバルク伝導率が上昇する。ラマンスペクトルにおけるTMモードの分析から、空気中でUVに曝された熱処理試料は、さらにp−ドープされていることが示唆される。この混合ドーパント系の使用は、塩化チオニル単独の使用よりも効果的である。
熱処理及び/又はUV処理に曝されたCNTについての欠陥含有量を、ラマンスペクトルにおけるGモード対Dモードの比を用いて定量した。これらのアーク放電CNTについては、この比は、532nm及び633nm励起を使用して得られたスペクトルからの平均に基づき決定した。予期されるとおり、254nm処理に曝すと、G/D比は減少した。空気中でUV暴露すると、CNTのオゾン化が促進される。高温熱処理を受けた試料は、さらに高いG/D比を示した。
様々な試料について電気的性質の変化を比較するために、これらの試料を550nmでのそれらの吸光度により正規化した。シートコンダクタンス対吸光度の比は、透明導体についての性能指数に比例する。任意のドーピングの前に、初期のアークSWNTは、0.0016のシートコンダクタンス対吸光度比を示した。UVによる随意の暴露及び液体方法1での塩化チオニルによる処理後に、この比は0.0129まで増加したが、これは8倍の改善である。
G/D比に対するシートコンダクタンス/吸光度のグラフを図4に示す。ドーピング効果は、14〜16の範囲のG/D比を有するアークSWNTが最も大きいことが分かる。つまり、ドーピング後に最良の性能指数を生じさせるために、熱処理と空気中でのUV暴露との組み合わせを使用してフィルムについてのG/D比を最適化することができる。
当該G/D比は、全てのチューブのタイプの欠陥の平均である。直径の小さいチューブは、直径の大きなチューブよりも概して反応性が高いことが示された。このことから、欠陥は、直径の小さなチューブに集中していることが予想される。直径の小さなチューブは、より大きなバンドギャップを有する。これらのチューブに欠陥を導入すると、電荷移動錯体の形成を促進させることができる。Cへの結合のタイプ、欠陥上での置換及び異性体(1,2−置換対1,4−置換)を含めて、欠陥のタイプは、観察される全エンハンスメントを決める。
例6
分散液A.
HiPco SWNT(CNI,精製グレード)をD2O中0.62重量%のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム中にチップホーン超音波処理で分散させた。この分散液におけるナノチューブの濃度は、5.5mg/Lであった。次いで、この分散液を66,000gで30分間遠心分離した。上澄みを使用し、フィルム方法1を使用してPET上にフィルムを調製した。6種の異なるフィルムを、分散液の既知の異なる容量を使用して調製した。平行して、同一の組成を有する6種のフィルムをシリコンウエハー上で調製した;同様に、6種のフィルムをパイレックス(Pyrex)(登録商標)ウエハー上で調製した。
分散液B.
HiPco SWNT(CNI,精製グレード)をD2O中0.62重量%のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムにチップホーン超音波処理で分散させた。この分散液におけるナノチューブの濃度は、5.5mg/Lであった。フィルムを、フィルム方法1を使用してPET上に調製した。5種の異なるフィルムを分散液の既知の異なる容量を用いて調製した。平行して、同一の組成を有する5種のフィルムをシリコンウエハー上で調製した;同様に、5種のフィルムをパイレックスウエハー上で調製した。
SWNTのフィルム厚を、偏光解析法(単一波長)と、プリズム導波管結合器と、光透過測定との組み合わせによって決定した。そうする理由は、それぞれの技術が薄膜厚さを正確に決定するにはそれら自体に制限があるからである。例えば、単一波長偏光解析法は、この測定された膜厚の表面品質に非常に敏感であり、また、光学定数とフィルムの厚さの両方が知られていない場合には、複数の解を受ける。従来のプリズム導波結合器は、屈折率と厚さとを同時に決定するためには比較的厚くかつ透明な試料(〜数ミクロン)に制限される。フィルム厚を決定するための多波長/垂直入射透過率は、測定される干渉縞に依存するが、これも比較的厚いフィルム試料に制限される。
SWNTの薄膜厚さを測定するために本発明で使用される方法の組み合わせをまとめると次のとおりである。
ドーピング実験のためにPET上に付着させたものと同一の組成を有するSWNTフィルム試料をシリコンウエハー及びパイレックスウエハー上で調製した。各基材についての光学定数は既知である。本出願人が計算のために用いた値は、シリコン(633nmで3.85+0.02i)及びパイレックス(633nmで1.471)である。Siウエハーの多層構造では、SiO2層の厚さは、1.46という既知の屈折率値を使用して単一波長偏光解析法により2nmであると測定された。
SWNTフィルム試料をSiウエハー及びパイレックスウエハー上で同時に製造した。従って、工学的方法の組み合わせでは、本出願人は、いずれかの基材上でのSWNT薄膜の厚さ及び光学定数は同じであると推測する。
単一波長偏光解析法(633nm)
この測定の配置では、既知の偏光状態(TE(s)固有状態とTM(p)固有状態との位相差及び振幅の比)を有する入射レーザービームは、この試料に一定の入射角で影響を及ぼすので、反射ビームの偏光状態を測定した。偏光解析法の測定値からのアウトプット量である、以下の方程式によって与えられるようなΨ及びΔは、多層構造の光学定数及びフィルム厚に関する情報を含む。
Figure 2009536911
Siウエハー及びパイレックスウエハーの両方についてのSWNTフィルム試料のΨ及びΔは、3つの異なる入射角(30°、50°及び70°)で測定される。このデータは、後で使用するために次の形式でコンパイルする。
Figure 2009536911
UV−可視透過率(633nm)
UV−可視透過率の測定を、パイレックスウエハー上のSWNTフィルム試料について実施した。測定中に、対照試料(パイレックス)ではなく空気を基準として使用した。それぞれの層の光学定数及び試料厚さが知られている場合には、一般化されたフレネル方程式を使用して理論的に決定できる選択した波長(633nm)での透過率値を、SWNT薄膜光学定数及び厚さを決定するために、偏光解析法と導波結合器測定とを組み合わせて後で使用した。
Figure 2009536911
プリズム導波結合器(633nm)
プリズム導波管結合器測定をパイレックス基材上のSWNTフィルム試料で実施した。透過率の測定と同様に、プリズム導波管結合器測定からの反射アウトプットR=Ir/I0もそれぞれの層についての光学定数及び厚さを与える一般化されたフレネル方程式を使用することによって理論的に決定できる。
Figure 2009536911
SWNT薄膜の厚さ決定の複合方法
3つの方法からのデータを使用してSWNT薄膜の厚さを決定した。これら全ての測定において、唯一知られていないパラメーターは、(1)SWNT薄膜の厚さd;(2)SWNT薄膜の屈折率n;(3)SWNT薄膜の吸光係数kである。
本出願人は、実験的に測定された(Ellip_Data Trans_Data Waveguide_Data)と一般化されたフレネルの方程式に基づき理論的に算出されるものとの差を最小化することによってこれらの未知のものを決定するために、数学ソフトウェア(Matlab)を用いた反復法を使用した。
得られたフィルム厚を使用してシート抵抗値からバルク導電率値を算出した。
PET上で製造された試料を、液体方法1を使用して30分にわたりドープした。組成、ドーピング前の特性及びドーピング後の特性を表に示す。
Figure 2009536911
7倍までの改善という導電率の向上が観察された。浸透限界に近い試料についてはさらに大きな向上が観察され、この場合、シート抵抗は、存在する導電ナノチューブの体積分率に左右される。
また、観察された導電率の向上は、ドープ構造の安定性にも関連がある。実験から、乾燥空気中、例えば乾燥機内で保存された試料は、高い安定性を有し、かつ、経時的なシート抵抗の変化が少ないことが示される。
加湿空気条件下では、電荷移動錯体は、一般に安定性が低い。所定のCNT構造を使用して電荷移動錯体を安定化させることができる。安定化は、CNT構造内に拡散へと至る曲がりくねった通路を創り出すことによって得られる。ジャンクション、特定のバンドル構造及びさらに厚いフィルムを加えることは、全て構造の安定化に寄与する。ネットワーク構造の全表面積を減少させることも有利である。
安定性が改善された好ましい構造は、20nmを超える厚さ及び0.40を超えるCNTの体積分率を有するフィルムである。
例7
ガラス上のHiPco SWNTフィルムを例1で説明したフィルム方法1に従って製造した。未処理試料のシート抵抗は670Ω/スクエアであった。
液体処理3.この試料をTHFに溶解してなる0.02MのCo(II)フタロシアニン溶液中に1.5時間にわたり浸漬した。この試料を溶液から取り出し、THFで洗浄し、次いで、塩化チオニル液中に30分間浸漬させた。処理後に、この試料を塩化メチレンで洗浄し、そして風乾させた。この試料のシート抵抗は208Ω/スクエアであった。
液体処理4.この試料を0.02MのCo(II)フタロシアニンSOCl2溶液に30分間浸漬させた。処理後に、この試料を塩化メチレンで洗浄し、そして風乾させた。この試料のシート抵抗は162Ω/スクエアであった。
液体処理5.この試料を1.0MのAlCl3のSOCl2溶液中に1時間浸漬させた。処理後に、この試料を塩化チオニル、次いで塩化メチレンで洗浄し、その後風乾させた。この試料のシート抵抗は215Ω/スクエアであった。
比較例1
SWNT−HiPco(CNI,精製グレード)を水中0.62重量%SDBSに分散させ、そしてフィルム方法2を使用してMylarに転写した。試料を、フィルムを小瓶中に置き、そして少量の液体ドーパントで被覆することによって処理し、そして2時間にわたり室温に置いた。試料の処理を終え、CH2Cl2で洗浄し、そして風乾させた。
Figure 2009536911
例8
MWNT(<10nm,Helix)の分散液をジクロルベンゼンで調製した。バッキーペーパーをジクロルベンゼン分散液から調製した。このバッキーペーパーをガス処理2によりSOCl2蒸気で処理した。処理後に、MWNTバッキーペーパーのシート抵抗は、42Ω/スクエアから19Ω/スクエアまでに減少した。
例9
導電性透明フィルムをSWNT(HiPco、精製グレード)及びMWNT(<10nm,Helix)の混合物から製造した。SWNT又はMWNTのいずれかの2種の別個の分散液をH2O中0.62重量%のSDBSにチップホーン超音波処理で調製した。マットを、混合セルロースエステル膜上に、まず所定容量のSWNTを通過させ、次いで所定容量のMWNTを通過させることによって製造した。フィルム方法2を使用してCNTをPET上に付着させた。
一方、分散中にSWNT及びMWNTの両者を混合させることによって分散液を製造した。この混合物の分散液をフィルム方法2を使用してPET上に付着させた。
Figure 2009536911
バンドル(小さい円で囲った部分)とベルト(大きい円で囲った部分)との混合形態を有する切断ナノチューブから製造された試料のSEM画像図である。 液体塩化チオニルによる処理前後の、ガラス上にあるHiPco SWNTの可視−近赤外吸光度スペクトルである。 塩化チオニルによる処理前後の、ガラス上にあるHiPco SWNTのラマンスペクトル (633nm)である。 塩化チオニルによる処理前後の、ガラス上にあるHiPco SWNTのラマンスペクトル (633nm)である。 様々なG/D比を有するArc SWNTのドープ中に観察されたシートコンダクタンス/吸光度の変化を示すグラフ図である。

Claims (60)

  1. 固体カーボンナノチューブ(CNT)組成物であって、
    カーボンナノチューブと、
    少なくとも0.5重量%のS及び少なくとも0.5重量%のClと
    を含み、ラマンスペクトルにおいて1593〜1605cm-1のピーク最大値を有する接線モード(TM)を示す、CNT組成物。
  2. 光学的吸収スペクトルにおいて実質的にブリーチされたvs 1→cs 1をさらに示す、請求項1に記載のCNT組成物。
  3. 300S/cmを超えるバルク導電率を有する、請求項1又は2に記載のCNT組成物。
  4. 300S/cm〜50,000S/cmの範囲のバルク導電率を有する、請求項1〜3のいずれかに記載のCNT組成物。
  5. 300〜10,000S/cmの範囲のバルク導電率を有する、請求項1〜4のいずれかに記載のCNT組成物。
  6. 2000〜5000S/cmの範囲のバルク導電率を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のCNT組成物。
  7. 前記組成物がネットワークフィルムである、請求項1〜6のいずれかに記載のCNT組成物。
  8. 0.40を超えるCNTの体積分率を有する、請求項1〜7のいずれかに記載のCNT組成物。
  9. 20nmを超えるフィルム厚を有する、請求項1〜8のいずれかに記載のCNT組成物。
  10. 500nm未満のフィルム厚を有する、請求項1〜9のいずれかに記載のCNT組成物。
  11. 単層CNTと多層CNTとの混合物を含む、請求項1〜10のいずれかに記載のCNT組成物。
  12. 少なくとも10質量%のバンドルを含む、請求項1〜11のいずれかに記載のCNT組成物。
  13. 8を超えるG/Dを有する、請求項1〜12のいずれかに記載のCNT組成物。
  14. 8〜40の範囲のG/Dを有する、請求項1〜13のいずれかに記載のCNT組成物。
  15. 14〜18の範囲のG/Dを有する、請求項1〜14のいずれかに記載のCNT組成物。
  16. 前記カーボンナノチューブがDWNT及び/又はMWNTから本質的になる、請求項1に記載のCNT組成物。
  17. 前記カーボンナノチューブがSWNTから本質的になる、請求項1に記載のCNT組成物。
  18. 少なくとも10質量%のベルトを含む、請求項1〜17のいずれかに記載のCNT組成物。
  19. CNTの処理方法であって、
    CNTを準備し、そして
    該CNTとドープ剤とを接触させること
    を含み、そして、次の少なくとも一つ:
    該CNTにUV処理を施すこと;又は
    ドープ剤を添加する前に約14〜約22の範囲のG/D比を示すように該CNTに複数の欠陥を導入すること;又は
    該ドープ剤を添加する前に若しくは添加すると同時に該CNTに酸化プラズマ処理を施すこと;又は
    該ドープ剤を添加する前に若しくは添加すると同時に該CNTに電子線を照射すること;又は
    ドーピング触媒を使用して該ドーピング工程を触媒すること
    をさらに特徴とする、CNTの処理方法。
  20. 前記CNTをUVオゾン処理することを含む、請求項19に記載の方法。
  21. 異なるドーパントで連続的に処理して、異なるバンドギャップを有するナノチューブにおいて好ましいデプレッションレベルを達成することを含む、請求項19〜20のいずれかに記載の方法。
  22. 前記CNTが500nm未満の厚さを有するフィルムの形態にある、請求項19〜21のいずれかに記載の方法。
  23. 前記CNTが200nm未満の厚さを有するフィルムの形態にある、請求項22に記載の方法。
  24. 前記CNTを液状ドープ剤で処理することを含む、請求項19〜23のいずれかに記載の方法。
  25. 前記CNTを少なくとも60%のドープ剤を含有する溶液で処理することを含む、請求項19〜23のいずれかに記載の方法。
  26. 前記CNTと液体塩化チオニルとを接触させることを含む、請求項24に記載の方法。
  27. 前記CNTを、ドーピング効果を増大させる触媒を含有する液体で処理することを含む、請求項24〜26のいずれかに記載の方法。
  28. 前記CNTがフィルムの形態にあり、さらに前記処理がシート抵抗を少なくとも8倍低下させ、しかも、得られたフィルムが空気中で安定であること(これは、その導電率がこの処理を受けたCNTを室温の空気に1週間暴露した後に5%を超えて低下しないことを意味する)、請求項19〜27のいずれかに記載の方法。
  29. 前記CNTがフィルムの形態にあり、さらに前記処理がシート抵抗を約10〜約30倍低下させ、しかも得られたフィルムが空気中で安定であること(これは、その導電率がこの処理を受けたCNTを室温の空気に1週間暴露した後に5%を超えて低下しないことを意味する)、請求項19〜27のいずれかに記載の方法。
  30. 前記処理が近赤外において透過率を増加させる、請求項19〜29のいずれかに記載の方法。
  31. 前記ドーピング効果を増大させるための触媒を前記CNTに優先的に吸収させ、次いで該CNTをドーピング液で処理する、請求項19〜30のいずれかに記載の方法。
  32. 前記CNTを酸素の存在下でUV光により処理する、請求項19に記載の方法。
  33. G/D比が8〜30の範囲になるようにCNTに欠陥を導入する、請求項19〜32のいずれかに記載の方法。
  34. G/D比が12〜25の範囲になるようにCNTに欠陥を導入する、請求項19〜32のいずれかに記載の方法。
  35. G/D比が14〜18の範囲になるようにCNTに欠陥を導入する、請求項19〜32のいずれかに記載の方法。
  36. 前記CNTをガス状ドーパントで処理することを含む、請求項19〜23のいずれかに記載の方法。
  37. 前記CNTを複数のドーパントで連続的に処理することを含む、請求項19〜36のいずれかに記載の方法。
  38. 重合体を上塗りすることによってドープCNT構造を封入する工程をさらに含む、請求項19〜37のいずれかに記載の方法。
  39. 前記ドープ剤が塩化チオニルを含む、請求項19〜38のいずれかに記載の方法。
  40. 前記CNTを過剰のドープ剤と10分以内で接触させる、請求項19〜39のいずれかに記載の方法。
  41. 請求項19〜40のいずれかに記載の方法によって製造されたフィルム。
  42. 基材と、ストレージ層と、該ストレージ層に直接接触するドープCNT層とを備える多層構造体。
  43. 前記基材が透明であり、かつ、ガラス、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(エチレンナフタレート)、ポリカーボネート及びポリ(メタクリル酸メチル)、高性能加工フィルム、例えばポリエーテルスルホン、ポリ(エーテルエーテルケトン)、ポリアリーレン、ポリ(環状オレフィン共重合体)又はそれらの組み合わせを含む、請求項40に記載の多層構造体。
  44. 前記基材がNIR又はIRにおいて透明である、請求項42に記載の多層構造体。
  45. 前記基材がZnS、ZnSe、サファイア、Ge、Si又はそれらの組み合わせを含む、請求項42に記載の多層構造体。
  46. 前記ドープCNT層が塩化チオニルを含む、請求項42〜45のいずれかに記載の多層構造体。
  47. 前記ストレージ層が塩化チオニルを含む、請求項42〜46のいずれかに記載の多層構造体。
  48. 前記ストレージ層が0.01重量%未満のドーパントを含む、請求項42〜47のいずれかに記載の多層構造体。
  49. 前記ストレージ層が重合体を含む、請求項42〜48のいずれかに記載の多層構造体。
  50. 前記ストレージ層がドーパントと、基材と同一の重合体とを含む、請求項49に記載の多層構造体。
  51. 前記ストレージ層及び前記基材が同一の材料を含まない、請求項42〜50のいずれかに記載の多層構造体。
  52. 前記ストレージ層がポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(ブチレンテレフタレート)、ポリ(メタクリル酸メチル)、ポリカーボネート、ポリ(エーテルエーテルケトン)又は吸収剤粒子が充填された複合材料を含む、請求項42〜51のいずれかに記載の多層構造体。
  53. 前記ドープCNT層が該ドープCNT層上に封入層をさらに備え、それにより前記ストレージ層と該封入体との間に挟み込まれた、請求項42〜52のいずれかに記載の多層構造体。
  54. 前記ストレージ層が50nm以下の厚さを有する、請求項42〜53のいずれかに記載の多層構造体。
  55. 前記ドープCNT層が500nm以下の厚さを有する、請求項42〜54のいずれかに記載の多層構造体。
  56. 前記閉じこめられたドーパントが前記CNTと相互作用する、請求項42〜55のいずれかに記載の多層構造体。
  57. 前記閉じこめられたドーパントが、前記CNT層に放出されるまで潜在する、請求項42〜55のいずれかに記載の多層構造体。
  58. 基材を準備し、該基材に、0.01重量%未満のドーパントを吸収するストレージ層を被覆することを含む、請求項42〜56のいずれかに記載の多層構造体の製造方法。
  59. 基材を準備し、該基材の表面の最初の50nmを、0.01重量%未満のドーパントを該表面の該最初の50nmに取り入れることによって改質させることを含む、請求項42〜55のいずれかに記載の多層構造体の製造方法。
  60. 前記封入体が重合体を含む、請求項53に記載の多層構造体。
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