JP5990202B2 - ドープした多層カーボンナノチューブファイバーおよびその製造方法 - Google Patents

Description

関連出願についてのクロス・リファレンス
[0001]本出願は米国仮特許出願６１／４４９３０９号（２０１１年３月４日提出）および６１／４４７３０５号（２０１１年２月２８日提出）の優先権を主張する。これらの特定された仮特許出願の全体が参考文献として本明細書に取り込まれる。

連邦政府が後援する研究についての陳述
[0002]本発明は合衆国エネルギー省によって認められた認可番号ＤＥ−ＡＣ２６−０７ＮＴ４２６７７の下での政府の支援を受けて成されたものである。政府は本発明に一定の権利を有する。

本発明は一つ以上のファイバー（繊維）の糸を含むカーボンナノチューブファイバーに関する。

[0003]現在のカーボンナノチューブファイバーは導電性、抵抗性、熱安定性および導体許容電流（current carrying capacity）が限定されている。従って、電気的性質が向上したカーボンナノチューブファイバーを開発する必要性が存在する。

[0004]幾つかの態様において、本発明は一つ以上のファイバー（繊維）の糸を含むカーボンナノチューブファイバーに関する。幾つかの態様において、ファイバーの糸は、二層カーボンナノチューブのような多層カーボンナノチューブを含む。幾つかの態様において、多層カーボンナノチューブは本質的に、二層カーボンナノチューブのような単一のタイプのカーボンナノチューブからなる。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは、カルボキシル基、カルボニル基、オキシド、アルコール性基、フェノール基、およびこれらの組み合わせのような、一つ以上の官能基で官能化されている。

[0005]幾つかの態様において、カーボンナノチューブファイバーは、ヨウ素、銀、塩素、臭素、フッ素、金、銅、アルミニウム、ナトリウム、鉄、アンチモン、ヒ素、およびこれらの組み合わせを含むドーパント（添加不純物）でドープされている。幾つかの態様において、ドーパントはヨウ素である。幾つかの態様において、ドーパントは五フッ化アンチモンである。

[0006]本発明のカーボンナノチューブファイバーは様々な配列とサイズを有することもできる。幾つかの態様において、カーボンナノチューブファイバーは複数の絡み合ったファイバーの糸を含み、それらの糸は互いに平行な配置で撚り合っている。幾つかの態様において、カーボンナノチューブファイバーは連続的な配置で互いに結びついた複数のファイバーの糸を含む。様々な態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約５ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲の長さを有する。様々な態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約１０μｍ未満の直径を有する。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーはケーブルまたはワイヤ（針金）の形状になっている。

[0007]幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーはまた、１種以上のポリマーで被覆されている。幾つかの態様において、そのポリマーにはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メチルメタクリレート)（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも一つが含まれる。

[0008]本発明のさらなる態様は、上述のカーボンナノチューブファイバーを製造する方法に関する。その方法は、カーボンナノチューブを成長させること；カーボンナノチューブを精製し、そして場合により官能化させること；カーボンナノチューブを凝集させ、それにより一つ以上のファイバーの糸を形成すること；およびカーボンナノチューブを１種以上のドーパントでドープすること；を含む。

[0009]様々な態様において、上述の諸工程は様々な順序で行われてもよく、また様々な変形を含んでもよい。例えば、幾つかの態様において、成長させる工程は化学気相析出によって行われる。幾つかの態様において、精製工程と官能化工程は、カーボンナノチューブを硫酸のような酸性溶液に晒すことによって同時に行われる。幾つかの態様において、精製工程はカーボンナノチューブを脱イオン水で洗浄することを含む。幾つかの態様において、凝集工程は多層カーボンナノチューブを水に晒すことによって多層カーボンナノチューブを収縮させることを含む。

[0010]幾つかの態様において、ドープする工程は凝集工程の後で行われる。さらなる態様において、ドープする工程は成長工程の間、または成長工程の前に行われる。
[0011]さらなる態様において、本発明の方法はまた、形成されたファイバーの糸を互いに連結させる工程を含む。幾つかの態様において、連結させることは、ファイバーの糸を互いに平行な配置で撚り合わせることを含む。幾つかの態様において、連結させることは、ファイバーの糸を互いに連続的な配置で結びつけることを含む。幾つかの態様において、連結させることによってケーブルまたはワイヤが形成される。さらなる態様において、本発明の方法はまた、カーボンナノチューブファイバーをポリマーで被覆する工程を含む。

[0012]本発明のカーボンナノチューブファイバーは有利な電気的性質をもたらす。例えば、幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは高い比導電率、低い抵抗率、熱安定性および高い導体許容電流を有する。従って、本発明のカーボンナノチューブファイバーは、導電性ワイヤ、モーターの巻き線および様々な回路のためのケーブルとしての用途を含めた、様々な電気的な用途のために用いることができる。

[0013]図１は二層カーボンナノチューブ（ＤＷＣＮＴｓ）の成長を示す。図１ＡはＤＷＣＮＴｓを成長させ、そしてカーボンナノチューブファイバーを形成するための典型的な装置を示す。図１ＢはＣＶＤ管の下流端における化学気相析出（ＣＶＤ）によるＤＷＣＮＴｓの成長の開始を示す。図１ＣはＤＷＣＮＴｓの成長の伝播を示す。図１Ｄは成長したＤＷＣＮＴｓの写真を示す。 [0014]図２はＤＷＣＮＴｓの精製した形態を示す。図２Ａは水中で柔毛性の形態になったＤＷＣＮＴｓを示す。図２Ｂは９８％の硫酸の中に浸した後に緩んだＤＷＣＮＴの束を示す。 [0015]図３は形成されたＤＷＣＮＴファイバーの画像を示す。 [0016]図４は集成したＤＷＣＮＴファイバーの画像を示す。図４Ａは平行な配置で編まれたＤＷＣＮＴファイバーの画像を示す。図４Ｂは連続的な配置で編まれたＤＷＣＮＴファイバーの画像を示す。 [0017]図５はＤＷＣＮＴの束の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の画像を示し、これにおいてはＤＷＣＮＴｓが多くの部分を占めていて、数層のカーボンナノチューブ（ＦＷＣＮＴｓ）が混在している。ＤＷＣＮＴｓの平均の直径は２．３ｎｍであり、直径の変動は狭い。 [0018]図６は硫酸への浸漬工程の後に得られたＤＷＣＮＴフィルムの小さな断片の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像である。ＤＷＣＮＴｓは白い矢印で示すガスの流れの方向で整列している。 [0019]図７は密に詰まったＤＷＣＮＴｓのＳＥＭ画像である。ファイバーの中で、ＤＷＣＮＴｓはフィルムから引き継いだ粗い整列を依然として保持している。 [0020]図８はヨウ素をドープしたファイバーのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）のスペクトルである。２８５ｅＶにおけるピークは炭素のものである。６２５ｅＶと６４０ｅＶにおける二重のピークはヨウ素に相当する。５４０ｅＶにおけるピークは酸素に相当する。ヨウ素、酸素および炭素の原子比率はそれぞれ４％、７％および８９％である。 [0021]図９は未処理のファイバーおよびヨウ素をドープしたファイバーの熱重量分析（ＴＧＡ）の曲線を示す。 [0022]図１０はヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴフィルムの元素マッピングに関するデータを示す。図１０ＡはＤＷＣＮＴフィルムの炭素マッピングを示す。図１０ＢはＤＷＣＮＴフィルムのヨウ素マッピングを示す。図１０Ｃはヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴフィルムのＴＥＭ画像を示す。図１０Ｄは炭素マッピングとヨウ素マッピングを重ねた画像であり、炭素とヨウ素はそれぞれ赤と緑で示されている。 [0023]図１１はヨウ素をドープする前と後にＤＷＣＮＴファイバーに沿って三つのランダムに選んだ箇所（スポット）において収集したラマンスペクトルを示す。実線と点線はそれぞれ、ヨウ素をドープする前と後のスペクトルを表す。 [0024]図１２はドープしていないＤＷＣＮＴファイバーとヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーについての周波数の関数としての低下したＡＣ抵抗を示す。 [0025]図１３は、前から存在するカーボンナノチューブファイバーと本願で調製されたＤＷＣＮＴファイバーの抵抗率を比較したグラフである。 [0026]図１４は３４本の未処理のＤＷＣＮＴファイバーについてのファイバー直径の関数としての抵抗率を示すグラフである。各々の点は一つの未処理のファイバーに相当する。 [0027]図１５はヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーと未処理のＤＷＣＮＴファイバーについてのファイバー直径の関数としての抵抗率を示すグラフである。各々の丸い点は一つのヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーを表す。各々の四角い点は一つの未処理のＤＷＣＮＴファイバーを表す。 [0028]図１６は様々な金属の比導電率と未処理のＤＷＣＮＴファイバー（Ｒ）およびヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバー（Ｄ）の比導電率を比較したグラフである。Ｒ_１とＤ_１はそれぞれ、最も低い抵抗率を有する未処理およびドープしたファイバーを表している。Ｒ_ａとＤ_ａは未処理およびドープしたファイバーの平均値を表している。 [0029]図１７はＤＷＣＮＴファイバーと家庭用の銅ワイヤとの間での導体許容電流の比較を示す。 [0030]図１８はこの研究において利用された集成したＤＷＣＮＴファイバーの実例を示す。図１８Ａは結び目で連結されたファイバー１とファイバー２を示す。図１８Ｂは結び目のＳＥＭ画像を示す。図１８Ｃは結び目にさらに焦点を合わせたＳＥＭ画像である。 [0031]図１９は研究用に一回撚り合わせた二つの平行なＤＷＣＮＴファイバー（ファイバー３とファイバー４）のＳＥＭ画像である。 [0032]図２０はヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバー（ファイバー５とファイバー６）の抵抗に及ぼす温度の影響に関する研究を要約したものである。主要部のグラフはファイバーについての温度の関数としての抵抗を示す。挿入図は、各々のファイバーについて適用される、二つの異なるデータ入手要綱を示す。各々の点は、各々のデータを入手するための連続する時間と温度を含めた条件を表す。 [0033]図２１は温度の関数としてのヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーと銅の相対抵抗を示す。 [0034]図２２はヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーの家庭用回路としての応用を示す。図２２Ａは導電媒体の部分としての編まれたヨウ素ドープＤＷＣＮＴファイバーのワイヤを示し、家庭用電源に留められていて、白熱電球（９ワット、０．１５Ａ、１２０Ｖ）を装着している。図２２Ｂは８ｃｍの長さの編まれたワイヤを拡大して示す。図２２Ｃは編まれたワイヤのＳＥＭ画像を示し、平行な集成体として二つのファイバーからなる（ファイバー１、直径＝５０ミクロン；ファイバー２、直径＝６０ミクロン）。

[0035]以上の概括的な説明と以下の詳細な説明は両者とも典型的なものであって説明上のものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではない、ということが理解されるべきである。本願明細書において、特に示さない限り、単数形の語を用いているときは複数形を含み、単数形の語は「少なくとも一つのもの」であることを意味し、そして「または」を用いているときは「および／または」を意味する。さらに、「含む」という用語を用いるとき、限定的ではない。また、「要素」または「構成要素」といった用語は、特に示さない限り、一つのユニットからなる要素または構成要素と一つよりも多いユニットからなる要素または構成要素の両方を包含する。

[0036]本明細書で用いられている各節の表題は構成上の目的のものに過ぎず、説明されている主題を限定するものと解釈されるべきではない。（これらに限定されるのではないが）特許、特許出願、記事、著作および論文を含めて本明細書中で挙げられている全ての文献または文献の一部は、それらの全体が何らかの目的でここに参考文献として明白に取り込まれる。包含される一つ以上の文献や同様の資料が本願における用語の定義と矛盾するやり方でその用語を定義している場合、本願に従うものである。

[0037]現在のカーボンナノチューブファイバーは導電性、抵抗性、熱安定性および導体許容電流が限定されている。従って、様々な電気的用途のために有効に用いることのできる、電気的特性が向上したカーボンナノチューブファイバーを開発する必要性が存在する。本発明は、有効な電気的性質を有するカーボンナノチューブファイバーおよびこれを製造する方法を提供することによって、この必要性に対処するものである。

[0038]幾つかの態様において、本発明はドープした（不純物を添加した）カーボンナノチューブを含む、一つ以上のファイバー（繊維）の糸を有するカーボンナノチューブファイバーを提供する。幾つかの態様において、本発明は、カーボンナノチューブを成長させること；カーボンナノチューブを精製すること；カーボンナノチューブを凝集させること；およびカーボンナノチューブを１種以上のドーパントでドープすること；によってカーボンナノチューブファイバーを製造する方法を提供する。

[0039]カーボンナノチューブファイバー
[0040]本発明のカーボンナノチューブファイバーは、概して言えば、ドープをしたカーボンナノチューブを含む一つ以上のファイバーの糸を指す。幾つかの態様において、カーボンナノチューブファイバーはポリマーで被覆されていてもよい。以下でさらに詳しく説明するように、本発明のカーボンナノチューブファイバーにおいては様々なカーボンナノチューブ、ドーパントおよびポリマーを用いてもよい。さらに、カーボンナノチューブファイバーにおけるファイバーの糸は様々な配列を有していてもよい。

[0041]カーボンナノチューブ
[0042]本発明のカーボンナノチューブファイバーにおいては様々なカーボンナノチューブを利用することができる。適当なカーボンナノチューブの非限定的な例としては、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴｓ）、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＣＮＴｓ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴｓ）、数層カーボンナノチューブ（ＦＷＣＮＴｓ）、超短カーボンナノチューブ、およびこれらの組み合わせがある。

[0043]さらに特定した態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーにはＤＷＣＮＴｓが含まれる。後に実施例においてさらに詳しく説明するが、ＤＷＣＮＴｓの様々な独特の特徴のために、これは改善された電気的性質を有するカーボンナノチューブファイバーを調製するための最適な物質になることを、出願人は理解した。例えば、ＤＷＣＮＴｓは、およそ数ミクロン（あるいはさらに長い）の大きな長さ、およそ２〜３ナノメートルの小さな直径、および成長する間にガス流れの方向に整列する傾向を有する。さらに、ＤＷＣＮＴｓは成長する間にファンデルワールス相互作用によって互いに連結する傾向を有する。その結果、ＤＷＣＮＴｓは一般に均質で緻密な状態を維持する。

[0044]さらに特定した態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは本質的に単一のタイプのカーボンナノチューブからなる。例えば、幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは本質的に、ＤＷＣＮＴのような単一のタイプの多層カーボンナノチューブからなる。出願人は、カーボンナノチューブファイバーの中で単一のタイプのカーボンナノチューブを用いることによって、カーボンナノチューブファイバーの電気的性質をさらに高めることができると把握している。

[0045]カーボンナノチューブの改質
[0046]幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーにおいて用いられるカーボンナノチューブは初期のままの（pristine）カーボンナノチューブである。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは様々な官能基で官能化されている。官能基の非限定的な例としては、カルボキシル基、カルボニル基、オキシド、アルコール性基、フェノール基、アリール基、およびこれらの組み合わせがある。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは、カルボキシル基、カルボニル基、オキシド、アルコール性基、フェノール基、およびこれらの組み合わせのような、一つ以上の官能基で官能化されている。さらなる態様において、本発明のカーボンナノチューブは、一つ以上の側壁孔または開口を有するカーボンナノチューブのような、欠陥のあるカーボンナノチューブを含んでいてもよい。

[0047]ドーパント
[0048]様々な態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは１種以上のドーパント（添加不純物）でドープされていてもよい。ドープしたカーボンナノチューブファイバーは、概して言えば、１種以上のドーパントと関係のあるカーボンナノチューブを有するファイバーを指す。幾つかの態様において、ドーパントはカーボンナノチューブの内部の自由空間の中に内包的に（endohedrally）含まれている。幾つかの態様において、ドーパントはカーボンナノチューブ構造の内部で炭素原子と置換している。幾つかの態様において、ドーパントはカーボンナノチューブの間で面外に（exohedrally）組み込まれている。

[0049]適当なドーパントの非限定的な例としては、ヨウ素、銀、塩素、臭素、カリウム、フッ素、金、銅、アルミニウム、ナトリウム、鉄、ホウ素、アンチモン、ヒ素、ケイ素、硫黄、およびこれらの組み合わせを含む化合物またはヘテロ原子（複素原子）がある。幾つかの態様において、カーボンナノチューブファイバーはＡｕＣｌ_３またはＢＨ_３のような１種以上のヘテロ原子でドープされていてもよい。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは硫酸または硝酸のような酸でドープされていてもよい。さらなる態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは電子、ホール（正孔）、およびこれらの組み合わせでドープされていてもよい。

[0050]さらに特定した態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは、五フッ化ヒ素（ＡｓＦ_５）、五フッ化アンチモン（ＳｂＦ_５）、金属塩化物（例えばＦｅＣｌ_３および／またはＣｕＣｌ_２）、ヨウ素、メラミン、カルボラン、アミノボラン、ホスフィン、水酸化アルミニウム、シラン、ポリシラン、ポリシロキサン、スルフィド（硫化物）、チオール、およびこれらの組み合わせでドープされていてもよい。

[0051]さらに特定した態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは、ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴｓのような、ヨウ素をドープしたカーボンナノチューブを含む。後に実施例においてさらに詳しく説明するが、ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴｓを有するカーボンナノチューブファイバーは、向上した導電性、向上した抵抗性、耐熱性および改善された導体許容電流を含めた、改善された電気的性質を有する。

[0052]さらなる態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーはＳｂＦ_５でドープされていてもよい。出願人の同時係属特許出願においてさらに詳しく説明しているが、カーボンナノチューブを用いるＳｂＦ_５のインターカレーションにより、カーボンナノチューブの導電率を（例えば１０倍といったように）かなり向上させることができる。例えば、仮特許出願６１／４４７３０５号および国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１２／２６９４９号を参照されたい。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーはヨウ素とＳｂＦ_５でドープされていてもよい。

[0053]ポリマーの被覆
[0054]幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは１種以上のポリマーで被覆されていてもよい。ポリマーの非限定的な例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メチルメタクリレート)（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、およびこれらの組み合わせがある。

[0055]ファイバーの糸
[0056]本発明のカーボンナノチューブファイバーにおけるファイバーの糸は様々な配列を有していてもよい。幾つかの態様において、カーボンナノチューブファイバーは絡み合ったファイバーの糸を含み、それらの糸は互いに平行な配置で撚り合っている。例えば、図４Ａを参照されたい。幾つかの態様において、カーボンナノチューブファイバーは連続的な配置で互いに結びついたファイバーの糸を含む。例えば、図４Ｂを参照されたい。さらなる態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは平行かつ連続的な配置になっているファイバーの糸を含む。幾つかの態様において、本発明のファイバーの糸は、ケーブルまたはワイヤ（針金）を形成するように配列されていてもよい。

[0057]カーボンナノチューブファイバーのサイズ
[0058]形成された本発明のカーボンナノチューブファイバーは様々な長さと直径を有する。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約５ミクロンから約２センチメートルまでの範囲の長さを有する。さらに特定した態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約５ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲の長さを有する。

[0059]幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約１０μｍ未満の直径を有する。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約５μｍの直径を有する。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約５μｍから約３μｍまでの範囲の直径を有する二層カーボンナノチューブを有する。

[0060]後に実施例においてさらに詳しく説明するが、出願人はファイバーの導電性に対するサイズの効果を見いだした。幾つかの態様において、より小さな直径（例えば５μｍ）のカーボンナノチューブファイバーは、より良好な導電性を有する。

[0061]カーボンナノチューブファイバーの製造方法
[0062]本発明のさらなる態様は、カーボンナノチューブファイバーを製造する方法に関する。カーボンナノチューブファイバーを形成する方法の具体的な例を図１Ａに示す。この例において、ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーを流動化学気相析出（ＣＶＤ）法によって製造するために、装置１０が用いられる。装置１０は概して、チューブ１２、電極プレート１４および１６、回路１５、オーブン１７、および開口１８を有する。

[0063]操作においては、カーボンナノチューブを成長プロセスの間に整列させるために、電極プレート１４および１６および回路１５を通してチューブ１２にＡＣまたはＤＣ電界が印加される。次いで、オーブン１７が加熱される。次いで、ＤＷＣＮＴｓを成長させるために炭素源がチューブ１２に加えられる。次に、ＤＷＣＮＴｓがチューブ１２の端部へ向かって移動するときに、成長したＤＷＣＮＴｓに開口１８を通してヨウ素がドープされる。次いで、集められたヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴｓは、硫酸に浸漬することによって精製され、そして官能化される。その後、ＤＷＣＮＴｓは脱イオン水の中で縮ませることによって凝集される。その結果、ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーが形成される。

[0064]上述の諸工程は連続したやり方で、あるいは不連続なやり方で行うことができる。幾つかの態様において、装置構成を統合することによってプロセスを連続したものにすることができる。例えば、ＤＷＣＮＴｓがＣＶＤ炉から流出するときに、精製装置、硫酸浸漬浴、緻密化浴、ドープチャンバ、および取出し設備を連続して接続することができる。

[0065]さらに概略的に言えば、本発明におけるカーボンナノチューブファイバーを製造する方法は、（１）カーボンナノチューブを成長させること；（２）カーボンナノチューブを精製すること；（３）場合によりカーボンナノチューブを官能化させること；（４）カーボンナノチューブを凝集させて一つ以上のファイバーの糸を形成すること；および（５）多層カーボンナノチューブを１種以上のドーパントでドープすること；を含む。本発明の方法はまた、（６）カーボンナノチューブを１種以上のポリマーで被覆する工程を含んでいてもよい。後にさらに詳しく説明するが、上述の諸工程の各々は様々な変形を有することができる。さらに、上述の諸工程を異なる順序で行ってもよく、あるいは同時に行ってもよい。さらに、上述の諸工程は連続したやり方で、あるいは不連続なやり方で行うことができる。

[0066]成長
[0067]カーボンナノチューブを成長させるために様々な方法を用いることができる。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは化学気相析出（ＣＶＤ）によって成長される。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは炭素源から触媒の表面上に成長される（例えば、金属表面上でのポリマーをベースとする成長）。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは電界の下で成長される。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは加熱されながら成長される。

[0068]精製
[0069]成長したカーボンナノチューブを精製するために様々な方法を用いることができる。幾つかの態様において、精製工程はカーボンナノチューブを脱イオン水で洗浄することを含む。幾つかの態様において、精製工程はカーボンナノチューブを硫酸のような酸に晒すことを含む。

[0070]官能化
[0071]カーボンナノチューブを官能化するために様々な方法を用いることができる。例えば、幾つかの態様において、カーボンナノチューブを酸性溶液に晒すことによって官能化することができる。幾つかの態様において、酸性溶液は硫酸、硝酸、クロロスルホン酸、塩酸、およびこれらの組み合わせのうちの少なくとも１種である。幾つかの態様において、カーボンナノチューブは過酸化水素に晒すことによって官能化される。さらに特定した態様において、カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブを硫酸に晒すことによって官能化される。さらなる態様において、精製工程と官能化工程は、多層カーボンナノチューブを酸性溶液に晒すことによって同時に行われる。様々な態様において、官能化剤は液体状態、気体状態またはこれらの組み合わせの状態のものであってよい。

[0072]凝集化
[0073]一つ以上のファイバーの糸を形成するために、様々な方法を用いてカーボンナノチューブを凝集させることができる。幾つかの態様において、凝集化はカーボンナノチューブを縮ませることを含む。幾つかの態様において、凝集化はカーボンナノチューブを水に晒すことによって行われる。

[0074]ドープ
[0075]カーボンナノチューブファイバーを１種以上のドーパントでドープするために様々な方法を用いることができる。幾つかの態様において、ドープすることは、カーボンナノチューブの上に１種以上のドープ剤をスパッタまたは噴霧することによって行われる。幾つかの態様において、ドープすることは化学気相析出によって行うこともできる。

[0076]幾つかの態様において、ドープすることは、カーボンナノチューブファイバーを製造する凝集工程の後に行うことができる。幾つかの態様において、ドープすることはカーボンナノチューブの成長工程の間にその場で行うか、そして／または、成長工程の後に行う。さらなる態様において、ドープすることはカーボンナノチューブファイバーを形成するその場で行ってもよく、また形成した後に行ってもよい。

[0077]さらに特定した態様において、カーボンナノチューブはＳｂＦ_５でドープされていてもよい。カーボンナノチューブをＳｂＦ_５でドープする方法の非限定的な例は、出願人の同時係属出願である仮特許出願６１／４４７３０５号および国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１２／２６９４９号に開示されている。

[0078]ポリマーによる被覆
[0079]カーボンナノチューブをポリマーで被覆するために様々な方法を用いることができる。幾つかの態様において、吹付け被覆、浸漬被覆、溶融したポリマーの中へのカーボンナノチューブの浸漬、およびこれらの方法の組み合わせによってポリマーをカーボンナノチューブに塗布してもよい。さらなる態様において、ポリマーをカーボンナノチューブに、蒸発、スパッター、化学気相析出（ＣＶＤ）、インクジェット印刷、グラビア印刷、塗装、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ソフトリソグラフィ、スタンピング（型押し）、エンボス加工（浮き出し加工）、パターニング（柄出し）、噴霧、およびこれらの方法の組み合わせによって塗布してもよい。

[0080]ファイバーの糸の連結
[0081]カーボンナノチューブファイバーが形成されたならば、その形成されたファイバーの糸を互いに連結するために様々な方法を用いることができる。幾つかの態様において、形成されたファイバーの糸を互いに平行な配置で撚り合わせることによって、ファイバーの糸を相互に連結することができる。幾つかの態様において、連結させることは、ファイバーの糸を互いに連続的な配置で結びつけることを含む。

[0082]ファイバーの糸を結びつけ、または撚り合わせるために、様々な方法を用いることができる。幾つかの態様において、ファイバーの糸を連結するためにマイクロマニピュレータ（顕微操作器）を用いてもよい。幾つかの態様において、ファイバーの糸を連結するために、織物工業で用いられている伝統的な製織技術を用いることができる。幾つかの態様において、ファイバーの糸を連結することによってケーブルまたはワイヤを形成することができる。

[0083]利点
[0084]本発明のカーボンナノチューブファイバーは、高い比導電率、低い抵抗率、高い導体許容電流、および熱安定性を含めた、種々の有利な電気的性質をもたらす。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは、銅製ワイヤやアルミニウム製ワイヤのような従来の金属をベースとするワイヤの電気的性質と同等か、またはそれよりも良好な電気的性質をもたらす。

[0085]例えば、幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは少なくとも約１０^４Ａ/ｃｍ^２から約１０^５Ａ/ｃｍ^２の導体許容電流を有する。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーはまた、約０．２ｍΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する。さらに特定した態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約０．０５ｍΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する。さらなる態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約０．０１５５ｍΩ・ｃｍの抵抗率を有する。さらなる態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは約０．０１ｍΩ・ｃｍから約０．０３ｍΩ・ｃｍまでの範囲の抵抗率を有する。幾つかの態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは異なる温度における抵抗の変動が少ない。

[0086]用途
[0087]本発明のカーボンナノチューブファイバーは多くの用途を提供する。例えば、本発明のカーボンナノチューブファイバーは、一次元、二次元あるいはさらに三次元の巨視的な工学的要素に集成することができる。そのような構造体は、ひいては、導電性ワイヤ、ケーブル、バッテリー、複合材における強化織物、熱伝導体、マイクロ波吸収材料、モーターの巻き線、および環境発電装置またはエネルギー転換装置における構成要素として用いることができる。さらに特定した態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは、ランプや白熱電球のような家庭用の回路における導電性ワイヤとして利用される。さらなる態様において、本発明のカーボンナノチューブファイバーは、交流電流送信、高周波信号送信またはインターネットのためのデータ送信のために利用される。

[0088]本発明のカーボンナノチューブファイバーの用途は、用いられる集成体のタイプによっても変わるであろう。例えば、平行な配置で集成した（すなわち、撚り合わせた）カーボンナノチューブファイバーは、高出力用途のために利用することのできる適度な太さを有する。同様に、連続的な配置で互いに連結させたカーボンナノチューブファイバーは、家庭用の回路などの様々な回路における導電性ワイヤまたはケーブルとして用いるのに適当であるかもしれない。

[0089]追加の態様
[0090]ここで、本開示のさらに特定した態様およびそれらの態様について確認する実験結果について言及する。しかし、以下の開示は典型的な例を示すことだけを目的としていて、いかなる形でも本発明の範囲を限定することを意図してはいないことに、出願人は留意している。

[0091]以下の実施例はＤＷＣＮＴファイバーを製造するためのプロセスに関するものである。このプロセスは、ＤＷＣＮＴの成長、精製、硫酸の中に浸漬することによる官能化、ファイバーの製造、ファイバーの集成および調整の諸工程を含む。

[0092]実施例１．ＤＷＣＮＴの成長
[0093]本実施例において、図１Ａに示すように、ＤＷＣＮＴｓを化学気相析出（ＣＶＤ）法によって成長させる。図１Ｂは、ＤＷＣＮＴｓが管の高温反応領域から下流端へ向かって流れ出ることを示す。ＤＷＣＮＴの網状構造は巨視的には薄い壁を有するストッキングのように見える。言うなればストッキング壁は図１Ｂにおいて矢印で示されていて、これはＤＷＣＮＴｓが薄い壁のストッキングのように連続して流れ出ていることを示す。

[0094]成長が続くと、図１Ｃに示すようにＤＷＣＮＴｓは下流端に蓄積する。円錐構造体は、左手の側で収束する数層のＤＷＣＮＴフィルムからなる。下流端に取出し装置を取り付けていれば、ＤＷＣＮＴｓを炉から連続して引き出すことができ、そしてファイバーを連続して調製することができる。

[0095]炉が冷却した後、図１Ｄに示すように、綿毛状で多層の円錐体は縮んで比較的密な形態になる。炉から収集されたとき、ＤＷＣＮＴの束は触媒を含んでいる。
[0096]実施例２．ＤＷＣＮＴの精製と官能化
[0097]実施例１で成長させたＤＷＣＮＴｓは触媒を含んでいる。不純物は導電性の低下を生じさせることが見いだされた。従って、我々はＤＷＣＮＴｓをファイバーにする前に、それらを精製した。最初に、未処理の巨視的なＤＷＣＮＴの束を空気中で４００℃において１時間加熱することによって、ＤＷＣＮＴｓは酸化された。酸化処理により、酸化した官能基をナノチューブに付加することができ、それによりＤＷＣＮＴｓは水で湿潤しやすくなる。次いで、酸化したＤＷＣＮＴｓは、３０％過酸化水素の溶液の中に７２時間浸漬された。この浸漬工程によって非晶質炭素に亀裂を生じさせ、そしてカーボンナノチューブから触媒を分離させることができる。次いで、ＤＷＣＮＴｓは３７％の塩化水素溶液の中に移され、そしてさらに２４時間浸漬した。次いで、前の工程から受け入れたＤＷＣＮＴｓは脱イオン水で洗浄され、それらが中性になるまでこれを行った。精製した後、触媒の重量パーセントは１％未満であった。

[0098]図２は水中にある精製されたＤＷＣＮＴｓを示す。精製されたＤＷＣＮＴｓは未処理のＤＷＣＮＴｓよりも水による湿潤のし易さがずっと良好であり、その理由は、精製することによってＤＷＣＮＴの表面に官能基が付加されたためである。

[0099]実施例３．ＤＷＣＮＴｓの浸漬
[00100]水中にある精製されたＤＷＣＮＴｓは、カーボンナノチューブどうしの間のファンデルワールス相互作用のために、束状になっている。ファイバーの直径は、ファイバーを作るのにどれだけ多くのＤＷＣＮＴｓが用いられているかで決定する。束からより大きなフィルムまたはより厚いフィルムが剥ぎ取られる場合、次の工程でより大きなファイバーが調製されるだろう。我々の実験においては、５ミクロンから１００ミクロンまで変化する様々な直径のファイバーが調製された。ファイバーの直径が小さいほど導電性が良好であることが見いだされている。製造しそして精製したままの物質であるＤＷＣＮＴの束から厚い断片または大きな断片のフィルムを剥ぎ取るのは、比較的容易である。大きなフィルムからは２０ミクロン以上の直径のファイバーが得られるだろう。約２０ミクロンの直径のファイバーを作るために小さな断片のフィルムを剥ぎ取るためには、束を広げる必要がある。我々は、ＤＷＣＮＴの束を９８％の硫酸の中に２４時間浸すと、それらを緩くすることができて、薄いフィルム状に広げることができることを見いだした。その浸漬処理を行った後、ＤＷＣＮＴｓは図２Ａに示す形態を有する。薄いフィルムから、我々は小さなリボンを剥ぎ取ることができる。図２Ｂに示すように、巨視的な束から二つの断片の薄いフィルムが剥ぎ取られた。これらの薄いフィルムから剥ぎ取られたもっと小さなリボンから、直径が約５ミクロンのファイバーが製造された。

[00101]実施例４．ＤＷＣＮＴファイバーの形成
[00102]実施例３における硫酸溶液から小さなＤＷＣＮＴリボンが取り出されると、残留している硫酸が等方性であることによって生じる表面張力のために、このリボンは凝集して球状の粒子になるだろう。リボンの長軸方向の長さを維持するために、我々は、リボンを硫酸溶液から取り出すときに、硫酸からの張力を抑えるためにベルトの両端に引張力をかけた。次いで、残留している酸を洗い出すために、リボンを脱イオン水の中に浸した。その後、リボンを水から取り出した。水が蒸発する過程で、リボンは縮んで図３に示すようなファイバーになった。理論に拘束されるのではないが、この収縮は、チューブどうしの間のファンデルワールス力と水からの表面張力の相乗作用によるものと考えられる。収縮の過程で、エタノール、アセトンおよびヘキサンのような他の溶液も作用する。巨視的には、最初の緩いＤＷＣＮＴの網状構造は、収縮の過程でさらにずっと密なファイバーへと緻密化する。

[00103]同様に図３に示すように、ファイバーは様々な長さを有する。ファイバーの長さは、巨視的な束から取り出されるＤＷＣＮＴリボンの長さによって決定する。成長が連続的なプロセスになるように調整することができる。それにより、所望の長さのＤＷＣＮＴの束とファイバーを調製することができる。

[00104]実施例５．ＤＷＣＮＴファイバーの集成
[00105]我々は二つのタイプのファイバーの集成体を開発した。すなわち、平行な配置のものと連続的な配置のものである。平行な集成により、我々は大きな力を受ける用途に適用できる太いファイバーを製造することができる。連続的な集成により、我々は数本の短いファイバーを連結して長いものにすることができて、それを家庭用の回路における導電性ワイヤとして用いることができる。集成は、ナノサイズまたはミクロサイズの材料の独特な性質の間の隙間を橋渡しして、またこれらの性質を巨視的な工学的要素において利用するための重要な技術である。我々は、ＤＷＣＮＴファイバーから工学的な導電性ワイヤを構成するために、平行な集成体と連続的な集成体を開発した。

[00106]図４Ａと図４Ｂはそれぞれ、ファイバーが平行な配置と連続的な配置で集成されることを示す。図４Ａに示すように、二つのファイバーは平行な配置で編まれる。平行な配置を行うことにより、幾つかの小さなファイバーから任意の直径のファイバーを集成することができる。図４Ｂに示すように、二つのファイバーは結び目によって連続的に連結される。連続的な連結により、ファイバーを任意の長さのものに集成することができる。挿入図は結び目を作るやり方を示す。ファイバーを連結するために、結び目を作るための他の幾つかの方法も適用できる。ＤＷＣＮＴファイバーの集成のために、織物工業で用いられている伝統的な混練方法と製織方法を適合させることもできる。

[00107]実施例６．ＤＷＣＮＴファイバーのドープ
[00108]未処理のＤＷＣＮＴファイバーの導電性を改善するためにはヨウ素をドープすることが有効であることを、我々は見いだした。ヨウ素をドープすることは、未処理のＤＷＣＮＴファイバーをヨウ素の蒸気（チャンバ内のヨウ素の蒸気の濃度は０．２モル/Ｌ）の中に２００℃で１０時間にわたって置くことによって行われた。

[00109]実施例７．ＤＷＣＮＴファイバーの特徴づけ
[00110]上記の実施例におけるＤＷＣＮＴｓは、図５に示すように、ＤＷＣＮＴｓと数層のカーボンナノチューブ（ＦＷＣＮＴｓ）の混合物である。ＤＷＣＮＴｓは２．３ｎｍの平均直径を有し、直径の分布は非常に狭い。我々はＴＥＭによってＤＷＣＮＴｓを一方の端から他方の端まで観察することによって、ＤＷＣＮＴｓの大部分は数ミクロンの長さのものであることを見いだした。図６に示すＳＥＭ画像は、成長したＤＷＣＮＴｓがガスの流れの方向で整列していることを例証している。一方、成長プロセスの間に自然に相互に連結することによって、ＤＷＣＮＴの網状構造が形成された。

[00111]図７に示すように、ファイバーにおけるＤＷＣＮＴｓは、それらがフィルムの状態にある場合よりもずっと密に詰まっている。ファイバーはフィルムの状態から縮んだ。理論に拘束されるのではないが、この収縮は、蒸発した溶液からの張力とチューブどうしの間のファンデルワールス力の相互作用との相乗効果の結果であると考えられる。これら二つの力は両者とも、ファイバーの中心の長軸について対称なものである。従って、フィルムはほぼ円筒構造体になるように縮んだ。電気的性質の評価の中で、ファイバーは円形の断面を有すると想定される。

[00112]ファイバーの元素組成について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって特徴づけが行われた。図８はヨウ素をドープしたファイバーのＸＰＳを示す。元素分析により、ヨウ素、酸素および炭素の原子比率はそれぞれ４％、７％および８９％であることが見いだされた。この原子比率から、ヨウ素の重量パーセントは１５．２％であると計算できるが、これは熱重量分析（ＴＧＡ）によって得られる結果と一致する。酸素は精製工程において導入された酸化した官能基からのものである。

[00113]図９は未処理のファイバーおよびヨウ素をドープしたファイバーの熱重量分析（ＴＧＡ）の曲線を示す。ヨウ素をドープしたファイバーは７５℃においてその重量が減少し始める。その重量は１７５℃において安定した。最初の重量減少段階はヨウ素の蒸発によって生じたが、それは総重量の１５．８％を占める。第二の重量減少段階は５８０℃において生じたが、それはカーボンナノチューブの燃焼に相当する。残りの重量は最初の重量の１％未満であった。これは、大部分の触媒が除去されたことを示す。未処理のファイバーについては、重量減少段階は一つしかなかったが、それは５８０℃において開始し、そして７００℃において終了した。理論に拘束されるのではないが、重量の減少はナノチューブの燃焼によるものであったと考えられる。

[00114]ヨウ素と炭素の分布を理解するために、ヨウ素フィルムについて元素マッピングが行われた。ヨウ素をドープしたファイバーはＴＥＭによる特徴づけを行うには厚すぎるため、同じドープ条件の下でヨウ素をドープしたフィルムが調製され、そしてＴＥＭによる特徴づけが行われた。図１０Ａと図１０Ｂはそれぞれ炭素とヨウ素のマッピングを示す。炭素とヨウ素の位置は一致する。このことは、カーボンナノチューブにヨウ素の原子が均質にドープされたことを示す。図１０Ｃはヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴｓを示す。その表面は未処理のＤＷＣＮＴｓと比べて比較的粗い。この粗さはＤＷＣＮＴの表面に吸着したヨウ素原子によって生じたことを、我々は提示した。図１０Ｄはヨウ素と炭素のマッピング画像を重ねた画像である。

[00115]図１１はヨウ素をドープする前と後にファイバー上の三つの異なるスポット（箇所）において収集されたラマン分光分析の結果を示す（三つのスポットはランダムに選ばれた）。三つの異なるスポットにおけるラマンスペクトルは類似していることが見いだされた。この所見は、ヨウ素のドープがファイバーの軸方向に沿って均一になされているというＴＥＭによる観察結果を支持するものである。この均一性のため、異なるスポットにおいて収集されたラマンスペクトルは区別がつかない。ヨウ素をドープする前と後のスペクトルを比較すると、１５３ｃｍ^−１におけるピークがドープした後に顕著になることを我々は見いだした。理論に拘束されるのではないが、ドープすることによって短範囲の周期性が乱され、そしてその短範囲の周期性に相当する高い波数モードが抑制されるものと考えられる。それに対して、長い周期性に相当する低い波数モードが顕著になる。

[00116]さらに、図１２に示すように、ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーとドープしていないＤＷＣＮＴファイバーの両者の抵抗率は周波数が増大するにつれて低下することが観察された。理論に拘束されるのではないが、このような結果は、ＤＷＣＮＴのケーブルを通して送られる高周波信号は、金属の場合のようには減衰しないことを示している。この独特な特徴は、ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴおよび未処理のＤＷＣＮＴのワイヤとケーブルについて広範囲の用途を開くかもしれない。典型的な用途としては、交流電流送信、高周波信号送信またはインターネットのためのデータ送信がある。銅やアルミニウムのような慣用の金属の信号送信ラインにおいては、高周波（特にメガヘルツ以上の高周波）において激しい信号減衰が生じる。この信号減衰は、周波数が増大するにつれて抵抗率が増大することによる。

[00117]実施例８．ＤＷＣＮＴファイバーの電気的性質
[00118]本実施例においては、ＤＷＣＮＴファイバーの電気的性質を、抵抗率、比導電率および導体許容電流を含めた幾つかの見地において説明する。加えて、ファイバーの電気的性質に影響を及ぼす幾つかの因子について説明する。そのような因子には、ファイバーのサイズ、ドープすること、温度および集成が含まれる。

[00119]抵抗率
[00120]巨視的なカーボンナノチューブファイバーを製作することについては、数年にわたる研究がなされてきた。理論的には、純粋な金属質のカーボンナノチューブのファイバーは銅よりも低い抵抗率を有する可能性がある。実際には、巨視的なファイバー系においてこれまでに達成された最も低い抵抗率であってもなお、理論的に予測される値よりも数オーダー大きい。表１はこれらの研究結果を要約したものである。

[00121]これまでに報告された巨視的なカーボンナノチューブファイバー系の最も低い抵抗率は０．２ｍΩ・ｃｍである。我々の現在の研究において調製されたＤＷＣＮＴファイバーの抵抗率は、報告された抵抗率の値のいずれのものよりも低い。ＤＷＣＮＴファイバーの抵抗率は、約０．０５９ｍΩ・ｃｍから平均の抵抗率である約０．０９６ｍΩ・ｃｍまでの範囲である。１０ミクロンよりも大きな直径のファイバーについての抵抗率の変化量は大きい。１０ミクロンよりも大きな直径のアウトライアー（異常値）からの影響を排除するために、平均の抵抗率はもっぱら、１０ミクロンよりも小さな直径を有するファイバーに基づいて計算される。

[00122]さらに、ヨウ素によるドープはファイバーの導電率を改善するのに有効である。１５本のヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーのうち、最小の抵抗率は０．０１５５ｍΩ・ｃｍで、平均の抵抗率は０．０４３ｍΩ・ｃｍである。理論に拘束されるのではないが、我々のＤＷＣＮＴファイバーの極めて低い抵抗率は、加工処理におけるそれぞれの工程からの累積的な寄与によるものと考えられる。

[00123]特に、ＤＷＣＮＴファイバーの低い抵抗率においては三つの因子が役割を演じていると考えられる。第一に、ファイバーを製造するのに用いられるＤＷＣＮＴｓは、２〜３ナノメートルの小さな直径、狭いサイズ分布、大きな長さ、およびその場での相互連結と整列といった多くの独特な特徴を有する。第二に、比較的小さな直径のために、ファイバーの直径が１０ミクロン未満まで低下すると、充填密度が高くて空隙が無い。第三に、ヨウ素をドープすると荷電キャリヤーの密度が増大し、従って、ファイバーの抵抗率が低下する。図１３は様々なカーボンナノチューブファイバーの抵抗率を比較したものを示す。

[00124]図１４は、３４本の未処理のＤＷＣＮＴファイバーについて直径の関数としての抵抗率を例証するグラフである。各々の点が１本の未処理のファイバーに相当する。これらの結果は、１０ミクロンよりも大きな直径を有するファイバーは１０ミクロン未満の直径を有するファイバーよりも大きな抵抗率を有することを示している。このサイズの影響は、製造プロセスの間により小さなファイバーの中には隙間が導入されにくいという事実によるものと考えられる。

[00125]図１５は、ＤＷＣＮＴファイバーにヨウ素がドープされるときに抵抗率が下方に移行することを示す。ＴＥＭ画像とラマンによる特徴づけに基づいて、ヨウ素原子はカーボンナノチューブ上に均一にドープされることが観察された。ヨウ素原子がＤＷＣＮＴｓ上に吸着すると、それらの原子は容易にイオン化する。従って、荷電キャリヤーの密度が増大する。

[00126]比導電率
[00127]導電率対密度の比率として定義される比導電率は、航空宇宙産業において応用される導電性材料を評価する際の重要なパラメーターのうちの一つである。ＤＷＣＮＴファイバーは金属ほどには導電性ではないが、その密度は金属よりもずっと小さい。未処理のＤＷＣＮＴファイバーは０．２８ｇ/ｃｍ^３の平均密度を有する。ヨウ素をドープした後には、そのドープされたファイバーは０．３３ｇ/ｃｍ^３の平均密度を有する。比導電率については、未処理のＤＷＣＮＴファイバーとドープしたＤＷＣＮＴファイバーは金属と同等である。例えば、図１６を参照されたい。ヨウ素をドープしたファイバーのバッチにおいて、ファイバーのうちの一つは１．９６×１０^４Ｓ・ｍ^２/ｋｇの比導電率を有する。この導電率はアルミニウムの値よりも大きいが、しかし、２．１６×１０^４ Ｓ・ｍ^２/ｋｇの比導電率を有するナトリウムよりはわずかに小さい。

[00128]導体許容電流
[00129]導体許容電流は、導電性媒体の断面積を通過することのできる最大電流を評価するパラメーターである。単一のＭＷＣＮＴは通常、およそ１０^９〜１０^１０Ａ/ｃｍ^２の高い導体許容電流を有する。しかし、巨視的なカーボンナノチューブファイバーの導体許容電流はもっとずっと低い。最近になって、巨視的なＳＷＣＮＴファイバーは１０^５Ａ/ｃｍ^２の導体許容電流を有することが見いだされた。

[00130]我々は、７本の未処理のＤＷＣＮＴファイバーと７本のヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーの導体許容電流を測定した。これらのファイバーの測定された導体許容電流は約１０^４Ａ/ｃｍ^２から約１０^５ Ａ/ｃｍ^２までの範囲である。図１７はＤＷＣＮＴファイバーと家庭用の銅ワイヤとの間での導体許容電流の比較を示す。ＤＷＣＮＴファイバーの導体許容電流は、比較できる規模において銅よりも１００〜１０００倍大きい。

[00131]理論に拘束されるのではないが、これらの所見は、大きな電流が通過するとき、各々のカーボンナノチューブは損なわれなくても、巨視的なファイバーはナノチューブどうしの間の相互連結部分で破壊することを意味する。巨視的なファイバーは単一のカーボンナノチューブほどに高い導体許容電流を有していないけれども、それらは依然として、小さな寸法での用途に耐えうるほどに十分に高い導体許容電流を有する。

[00132]実施例９．集成したＤＷＣＮＴファイバーの電気的性質
[00133]出願人はまた、集成したＤＷＣＮＴファイバーの電気的性質とその構成要素との間の関係を解明した。図１８はこの研究において利用された集成したＤＷＣＮＴファイバーの実例を示す。図１８Ａに示すように、ファイバー１とファイバー２は結び目で連結されている。電流−電圧曲線の測定のために四電極構成が適用された。接点は銀ペーストであった。電極は二酸化ケイ素の基板の上に堆積された金のフィンガーであった。図１８Ｂは結び目のＳＥＭ画像を示す。ファイバー１とファイバー２はそれぞれ、１３ミクロンと１１．５ミクロンの直径を有する。図１８Ｃは結び目の拡大図である。この集成体において、ＤＷＣＮＴｓはファイバーの長軸方向で整列している。

[00134]連続的な接続
[00135]図１８に示すように、２本のファイバー（ファイバー１、直径＝１３ミクロン；ファイバー２、直径＝１１．５ミクロン）が結び目によって連結された。本実施例において、結び目はマイクロマニピュレータ（顕微操作器）によって製作された。

[00136]ファイバー１、２のそれぞれの抵抗率は９．６×１０^−５オーム・ｃｍおよび９．３５×１０^−５オーム・ｃｍであった。各々のファイバーの抵抗率、直径および長さに基づいて（長さは電極フィンガーと結び目との間の部分の長さである）、ファイバー１とファイバー２の抵抗をそれぞれ１５．３３オームおよび１６．３４オームと計算できる。ファイバー１、ファイバー２および結び目を含めた集成構造体の抵抗は３１．９オームである。結び目だけによる抵抗を選ぶと０．２３オームである。この所見は、数本の短いファイバーを集成して長いものにしたときに、結び目によって著しい抵抗は導入されないことを示している。

[00137]平行な接続
[00138]図１９に示すように、二本の平行なＤＷＣＮＴファイバー（ファイバー３およびファイバー４）を撚り合わせて一本にした。撚り合わせる前に、ファイバー３とファイバー４はそれぞれ２４オームと２０オームの抵抗を有していた。理論上は、ファイバー３と４を平行な配置で集成した太いファイバーは１０．９オームの抵抗を有するはずである（Ｒ(理論値)＝（Ｒ_３・Ｒ_４）／（Ｒ_３＋Ｒ_４））。測定によると、集成した太いファイバーは１０．５オームの抵抗を有することがわかったが、これは理論値よりもさらに小さい。理論に拘束されるのではないが、この差は撚り合わせたことによるかもしれず、それにより各々のファイバーはいっそう密に詰まって、それにより各々のファイバーの抵抗が低下したと考えられる。この所見は、本発明におけるファイバーは導電性を著しく低下させることなく様々な形態のものに集成できることを示している。

[00139]実施例１０．ＤＷＣＮＴファイバーの耐熱性
[00140]ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーの抵抗が、温度の関数として測定された。図２０の挿入図に示す二つのデータ入手要綱が実行された。一つの要綱について、電気的な測定を１５分ごとに行い、その間に温度を２０Ｋずつ変化させ、そして目標値において固定した。１回目の試行において、サンプルは室温から２０Ｋまで冷却された。２回目の試行において、サンプルの温度は２０Ｋから４２０Ｋまで上昇され、引き続いて３回目の試行が行われ、このときサンプルは４２０Ｋから２０Ｋまで冷却された。第二の要綱と第一の要綱との間の主な相違点は、抵抗の測定が４２０Ｋにおいて完了した後に測定を４時間休止させたことである。その目的は、ヨウ素をドープしたファイバーの高温かつ長時間における安定性を試験することである。ファイバー５についての温度の関数としての抵抗値の曲線は、周期的な熱処理が行われる間に繰返されるものである。それに対して、ファイバー６の室温での抵抗は、４２０Ｋにおいて４時間保持した後に９％増大する。この増大は、４時間加熱することによってヨウ素が無くなったことによるかもしれない。実際の実験においては、我々は二つよりも多くのファイバーについて測定を行った。ファイバー５と６は二つの典型的なＤＷＣＮＴファイバーであり、これらが、異なる熱処理によるヨウ素をドープしたファイバーの典型的な抵抗の変化を示すことができる。

[00141]操作温度の範囲における抵抗率の変化
[00142]工学的な構成要素において用いられる材料として、広い温度範囲にわたる性能の安定性は重要である。導電性のワイヤとして応用するためにＤＷＣＮＴファイバーが研究された。銅は導電性ワイヤのために最も一般的に用いられる原料である。この研究において、我々は、２００Ｋから４００Ｋまでの温度範囲（室温から＋、−１００Ｋ）におけるヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーの相対抵抗と銅の相対抵抗を比較した（相対抵抗は（Ｒ−Ｒ(室温)／Ｒ(室温)）によって定義され、ここで、Ｒは測定される抵抗であり、Ｒ(室温)は室温での抵抗である）。図２１に示すように、銅およびヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーの両者の相対抵抗対温度の曲線は２００Ｋから４００Ｋまで直線的である。２００Ｋと４００Ｋの間におけるヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーの抵抗の変化は９％である。それに対して、銅のそれに相当する変化は４３％である。このことは、ヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーが示す異なる温度における抵抗の変化は小さいことを示している。

[00143]実施例１１．ＤＷＣＮＴファイバーの導電性に及ぼすポリマーの影響
[00144]浸漬被覆によってＤＷＣＮＴファイバーの上にエポキシコーティングが塗布された。それに続いて硬化工程が行われた。被覆をした結果、ＤＷＣＮＴファイバーの導電率は約１０％のわずかな低下を示したにすぎなかった。このことは、ポリマーで被覆したＤＷＣＮＴファイバーは本発明において用いることができることを示している。

[00145]実施例１２．製品の製作
[00146]本実施例においては、２本のヨウ素をドープしたＤＷＣＮＴファイバーを編んだワイヤは家庭用回路における導電性ワイヤとして用いることができることが論証される。家庭用の白熱電球（９ワット、０．１５Ａ、１２０Ｖ）が、編んだワイヤを介して電源に接続された。この白熱電球が点灯された。電力は三日間維持された。図２２に示すように、この回路は全試験期間を通して良好に機能した。

[00147] さらに詳しく説明しなくても、当業者であれば、本明細書の説明を用いて本発明を最大限に利用することができると考える。ここで説明した態様は例示のものであると解釈され、この開示の残りのものをいかなるやり方でも制限しないと解釈されるべきである。好ましい態様が示され、そして説明されたが、それらの多くの変形や修正が、本発明の精神と教示から逸脱することなく当業者によって成され得る。従って、保護の範囲は上で示した記載によっては制限されず、それは特許請求の範囲によってのみ制限され、その保護の範囲には特許請求の範囲の主題の全ての同等物も含まれる。ここで挙げた全ての特許、特許出願および刊行物の開示は、本明細書で示したものと一致してそれを補足する手順上の詳細またはその他の詳細を提供する限り、本明細書に参考文献として取り込まれる。
（１） 一つ以上のファイバーの糸を含むカーボンナノチューブファイバーであって、一つ以上のファイバーの糸は多層カーボンナノチューブを含み、そして多層カーボンナノチューブは１種以上のドーパントでドープされている、前記カーボンナノチューブファイバー。
（２） 多層カーボンナノチューブは二層カーボンナノチューブを含む、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（３） 多層カーボンナノチューブは本質的に単一のタイプのカーボンナノチューブからなる、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（４） 単一のタイプのカーボンナノチューブは二層カーボンナノチューブである、（３）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（５） 多層カーボンナノチューブは官能基で官能化されていて、官能基はカルボキシル基、カルボニル基、オキシド、アルコール性基、フェノール基、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（６） ドーパントはヨウ素、銀、塩素、臭素、フッ素、金、銅、アルミニウム、ナトリウム、鉄、アンチモン、ヒ素、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（７） ドーパントはヨウ素を含む、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（８） ドーパントは五フッ化アンチモンを含む、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（９） カーボンナノチューブファイバーは、互いに平行な配置で撚り合っている複数の絡み合ったファイバーの糸を含む、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（１０） カーボンナノチューブファイバーは、連続的な配置で互いに結びついた複数のファイバーの糸を含む、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（１１） カーボンナノチューブファイバーは約５ミクロンから約１００ミクロンまでの長さと約１０μｍ未満の直径を有する、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（１２） カーボンナノチューブファイバーは少なくとも約１０ ^４ Ａ/ｃｍ ^２ から約１０ ^５ Ａ/ｃｍ ^２ の導体許容電流を有する、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（１３） カーボンナノチューブファイバーは約０．０５ｍΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（１４） カーボンナノチューブファイバーはポリマーで被覆されていて、ポリマーはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メチルメタクリレート)（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（１５） カーボンナノチューブファイバーはケーブルまたはワイヤの形状になっている、（１）に記載のカーボンナノチューブファイバー。
（１６） カーボンナノチューブファイバーを製造する方法であって、多層カーボンナノチューブを成長させること；多層カーボンナノチューブを精製すること；多層カーボンナノチューブを凝集させ、この凝集により一つ以上のファイバーの糸を形成すること；および、多層カーボンナノチューブを１種以上のドーパントでドープすること；を含む、前記方法。
（１７） 多層カーボンナノチューブを官能化させる工程をさらに含む、（１６）に記載の方法。
（１８） 成長させる工程は化学気相析出によって行われる、（１６）に記載の方法。
（１９） 精製工程は多層カーボンナノチューブを酸性溶液に晒すことを含む、（１６）に記載の方法。
（２０） 凝集工程は多層カーボンナノチューブを縮ませることを含み、縮ませることは多層カーボンナノチューブを脱イオン水に晒すことによって行われる、（１６）に記載の方法。
（２１） ドープする工程は凝集工程の後で行われる、（１６）に記載の方法。
（２２） ドープする工程は多層カーボンナノチューブを１種以上のドーパントでスパッターすることを含む、（１６）に記載の方法。
（２３） ドープする工程は成長工程の間にその場で行われる、（１６）に記載の方法。
（２４） ドーパントはヨウ素を含む、（１６）に記載の方法。
（２５） ドーパントは五フッ化アンチモンを含む、（１６）に記載の方法。
（２６） 形成されたファイバーの糸を互いに連結させる工程をさらに含む、（１６）に記載の方法。
（２７） 連結させることは、ファイバーの糸を互いに撚り合わせて平行な配置を形成することを含む、（２６）に記載の方法。
（２８） 連結させることは、ファイバーの糸を互いに結びつけて連続的な配置を形成することを含む、（２６）に記載の方法。
（２９） 連結させることによってケーブルまたはワイヤが形成される、（２６）に記載の方法。
（３０） カーボンナノチューブファイバーをポリマーで被覆する工程をさらに含み、ポリマーはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メチルメタクリレート)（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、（１６）に記載の方法。
（３１） 多層カーボンナノチューブは本質的に単一のタイプのカーボンナノチューブからなる、（１６）に記載の方法。
（３２） 単一のタイプのカーボンナノチューブは二層カーボンナノチューブである、（３１）に記載の方法。

１０ 装置、 １２ チューブ、 １４ 電極プレート、 １５ 回路、 １６ 電極プレート、 １７ オーブン、 １８ 開口。

Claims (31)

1. 一つ以上のファイバーの糸を含むカーボンナノチューブファイバーであって、一つ以上のファイバーの糸は多層カーボンナノチューブを含み、
   多層カーボンナノチューブの純度が、触媒が１重量％未満で炭素が９９重量％以上であり、多層カーボンナノチューブは１種以上のドーパントでドープされており、
   カーボンナノチューブファイバーが５ミクロンから１００ミクロンまでの長さと１０μｍ未満の直径を有する、上記カーボンナノチューブファイバー。
2. 多層カーボンナノチューブは二層カーボンナノチューブを含む、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
3. 多層カーボンナノチューブは本質的に単一のタイプのカーボンナノチューブからなる、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
4. 単一のタイプのカーボンナノチューブは二層カーボンナノチューブである、請求項３に記載のカーボンナノチューブファイバー。
5. 多層カーボンナノチューブは官能基で官能化されていて、官能基はカルボキシル基、カルボニル基、オキシド、アルコール性基、フェノール基、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
6. ドーパントはヨウ素、銀、塩素、臭素、フッ素、金、銅、アルミニウム、ナトリウム、鉄、アンチモン、ヒ素、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
7. ドーパントはヨウ素を含む、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
8. ドーパントは五フッ化アンチモンを含む、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
9. カーボンナノチューブファイバーは、互いに平行な配置で撚り合っている複数の絡み合ったファイバーの糸を含む、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
10. カーボンナノチューブファイバーは、連続的な配置で互いに結びついた複数のファイバーの糸を含む、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
11. カーボンナノチューブファイバーは少なくとも１０^４Ａ/ｃｍ^２から１０^５Ａ/ｃｍ^２の導体許容電流を有する、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
12. カーボンナノチューブファイバーは０．０５ｍΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
13. カーボンナノチューブファイバーはポリマーで被覆されていて、ポリマーはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メチルメタクリレート)（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
14. カーボンナノチューブファイバーはケーブルまたはワイヤの形状になっている、請求項１に記載のカーボンナノチューブファイバー。
15. カーボンナノチューブファイバーを製造する方法であって、
    多層カーボンナノチューブを成長させること；
    多層カーボンナノチューブを精製すること；
    多層カーボンナノチューブを凝集させ、この凝集により一つ以上のファイバーの糸を形成すること；および
    多層カーボンナノチューブを１種以上のドーパントでドープすること；
    を含む、前記方法。
16. 多層カーボンナノチューブを官能化させる工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 成長させる工程は化学気相析出によって行われる、請求項１５に記載の方法。
18. 精製工程は多層カーボンナノチューブを酸性溶液に晒すことを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 凝集工程は多層カーボンナノチューブを縮ませることを含み、縮ませることは多層カーボンナノチューブを脱イオン水に晒すことによって行われる、請求項１５に記載の方法。
20. ドープする工程は凝集工程の後で行われる、請求項１５に記載の方法。
21. ドープする工程は多層カーボンナノチューブを１種以上のドーパントでスパッターすることを含む、請求項１５に記載の方法。
22. ドープする工程は成長工程の間にその場で行われる、請求項１５に記載の方法。
23. ドーパントはヨウ素を含む、請求項１５に記載の方法。
24. ドーパントは五フッ化アンチモンを含む、請求項１５に記載の方法。
25. 形成されたファイバーの糸を互いに連結させる工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
26. 連結させることは、ファイバーの糸を互いに撚り合わせて平行な配置を形成することを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 連結させることは、ファイバーの糸を互いに結びつけて連続的な配置を形成することを含む、請求項２５に記載の方法。
28. 連結させることによってケーブルまたはワイヤが形成される、請求項２５に記載の方法。
29. カーボンナノチューブファイバーをポリマーで被覆する工程をさらに含み、ポリマーはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メチルメタクリレート)（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エポキシ樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１５に記載の方法。
30. 多層カーボンナノチューブは本質的に単一のタイプのカーボンナノチューブからなる、請求項１５に記載の方法。
31. 単一のタイプのカーボンナノチューブは二層カーボンナノチューブである、請求項３０に記載の方法。