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カーボンナノチューブ

カーボンナノチューブ(CNT)、特に単層カーボンナノチューブ(SWNT)は、 直径1 nm前後で長さがmm以上と非常に細長く、 独特な物性を持つナノテク時代の代表的な材料です。 様々な応用が提案され膨大な研究開発がされてきましたが、合成技術が未成熟で、実用例は極僅かです。 カーボンナノチューブがどのように生えるのかを基礎的に理解し、 自然の力を借りてカーボンナノチューブを上手く作りたいと思っています。

ナノチューブ高速成長、高解像度版はこちら

• 触媒探索法: Combinatorial Masked Deposition, CMD
  
  一般に、CNTは直径数nmの金属ナノ粒子から炭素が吐き出されることで成長します。 ナノ粒子触媒を気相中に浮遊させた状態で使う方法と、基板に担持する方法に大別されますが、 何れの場合も、成長に必要な高温下で、如何に小さなサイズの粒子を実現するかが鍵となります。
  
  基板上に担持された場合でも、高温では触媒金属は基板表面を拡散し、粒子は粗大化します。 この現象を逆手に取り、基板上に微量に触媒原料を撒き、高温下で目的サイズまで成長させ、 触媒として用いる方法を考えました。 基板上にマスクを設置してスパッタすると、基板上に膜厚分布を作ることができます [20]。 この“触媒ライブラリ”を用いて化学蒸着(CVD)を行うと、丁度良い粒子が出来た場所でCNTが生えます [31]。 また、スリット状のマスクを用いると直交した膜厚分布を作れますので、二成分の量・組成を１枚の基板上で最適化できます [34]。
  
  簡便な方法ですので、多くの方に使って頂きたく思います。質問等が有りましたら、お気軽にメール下さい。
  

  CMD法による触媒探索

  二成分系のCMD

  
  参考文献: [20] Appl. Surf. Sci. 225, 372 (2004). [31] Appl. Phys. Lett. 86, 173106 (2005). [34] Carbon 44, 1414 (2006).



• カーボンナノチューブ触媒成長の基礎
  
  実際にCMD法を用いて、SiO2表面にCoの膜厚分布を形成し、アルコールCVDを行ったところ、 Co平均膜厚0.1 nm程度で最も良くSWNTが成長することが分かりました [31]。 １原子層以下という極微量の担持により、直径2 nm程度のCoナノ粒子が1x10¹⁶/ m²の密度で出来た為です。 この方法で、基板上ではMWNTばかり生えるとされてきたNi触媒でも、SWNT成長に成功しました [35]。 従来は、触媒を撒きすぎて失敗していたことが解ります。 反応しない時に触媒を減らすのには勇気が要りますが、現象を理解していれば自信を持ってできます。
  
  Co-Mo/SiO2触媒は、COおよびアルコールを原料としたSWNT合成で高活性と知られていますが、異なる最適組成が報告されています。 この系にもCMD法を適用し、実際にSWNTが垂直配向成長することを確認しました [34]。 最近の研究で、高活性な担持量・組成が複数存在することが分かってきています。 また、世界中の研究グループが挑んだスーパーグロース法の再現にもいち早く成功し、 高速成長の鍵がAl2O3担体にあることを発見しました [37]。
  

  アルコールCVD法で合成した良質なSWNT

  SWNT高速成長 (2-3 mm/ 30 min)

  
  参考文献: [31] Appl. Phys. Lett. 86, 173106 (2005). [34] Carbon 44, 1414 (2006). [35] Chem. Phys. Lett. 428, 381 (2006). [37] Jpn. J. Appl. Phys. 46, L399 (2007) (Express Letter).



• カーボンナノチューブのカスタマイズ合成と、デバイス応用
  
  これまでに提案されてきた様々な応用を、付加価値と製造技術の難度の二軸で考えてみます。
  
  集積回路の場効果型トランジスタ(FET)を１本ずつのSWNTで作るといったハイエンドの応用では、 SWNTのバンドギャップを揃えるためにカイラリティを制御し、 また無数のSWNTを正確に位置決めする必要があります。 このようなSWNT 1本ずつの精密な制御は非常に難しく、実用にはまだ距離があります。 カイラリティ制御合成など、少しずつ技術開発を進めています。
  
  コンポジットのフィラーや、各種電池・キャパシタの電極などのマクロスコピックな用途では、 SWNT製造の価格と規模を数桁改善する必要があります。 上述のSWNT高速成長を、化学工学的なプロセスとして仕上げ、大量合成を実現すべく研究を進めています。
  
  両者の中間に、集積回路でのビア配線、ディスプレイでのフィールドエミッタ、ディスプレイや太陽電池で 重要な透明電極等の、平面型の電子・電気デバイスを位置付けています。 これらの用途では、個々のCNTよりもCNT集合体の構造制御が、またCNTの重量よりもCNTを配置した基板面積の 生産性が重要となります。 SWNT等の細いナノチューブは“しなやか”で束（バンドル）を形成しますが、 それを抑えるのではなく活用することで、高次構造を自己組織的に作り込むことが鍵と考えています。 これらは、構造制御技術面でも製造コスト面でも現状からの距離が近く、直近の実用化ターゲットと考えています。
  
  このように、CNTと一言に言っても多様です。 応用毎に“カスタマイズ”したCNT製造法の開発を目指し、産学共同研究も始めています。
  

  CNT応用のマップ

  網状成長制御によるSWNT透明電極

  流動層大量合成：動画はこちら