JP2003159700A - カーボンナノチューブの加工方法 - Google Patents
カーボンナノチューブの加工方法Info
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Abstract
工方法を提供すること。 【解決手段】エネルギーが120keVより低いエネル
ギー線をカーボンナノチューブに照射することを特徴と
する。つまり、300kV以上で加速した電子線をカー
ボンナノチューブに照射する方法では、照射された電子
によりカーボンナノチューブを構成する炭素原子が単独
で弾き出されることで欠陥が生成し、非晶質化している
のに対して、エネルギーを120keVより小さくした
エネルギー線の照射を行うことで、照射された電子はカ
ーボンナノチューブを構成する炭素原子を弾き出すこと
ができず、カーボンナノチューブを構成する炭素原子か
らなる構造中に取り込まれ蓄積する結果、電荷等の集中
による発熱などで局所的に応力が発生してその部分の化
学結合が切断されて、nmオーダーの破断部位が生起す
ることとなるものと考えられる。
Description
ノチューブの加工方法に関する。
を丸めて形成される円筒構造材料(カーボンナノチュー
ブ)が新しい材料として期待されている。カーボンナノ
チューブは、内部にいろいろな物質を詰めることが可能
であり、水素吸蔵素材としての利用が期待されている。
また、その表面積が大きいことから、燃料電池の触媒担
体への応用も指向されている。
きいことから、使用目的に合わせて適正な長さに切断す
る必要がある。また、カーボンナノチューブは先端部分
が閉じていることから、チューブ内部に物質を閉じこめ
る用途に用いる場合には、先端部分の開口化(キャップ
オープン処理)を行う必要がある。
は、硝酸、または硝酸の混合酸、あるいは硫酸を用いた
化学的な酸化による単層カーボンナノチューブの切断方
法が提案されているが、硝酸、硫酸等の強酸を用いた化
学的なウェットプロセスであるために、この強酸が製造
プロセスにおいて悪影響を及ぼすこととなり、マイクロ
素子を製造する際には適さないものであった。
ューブを加工する方法が望まれている。ドライプロセス
の従来技術としては、特開平9−139209号公報に
開示されたように、カーボンナノチューブに300kV
以上の電圧で加速した電子線を照射することを特徴とす
るカーボンナノチューブの加工方法がある。そして、特
開2001−180920号公報に開示されたように、
カーボンナノチューブにイオンを照射する工程とそのカ
ーボンナノチューブを酸化する工程とを含むことを特徴
とするカーボンナノチューブの加工方法がある。
示されたように、カーボンナノチューブに適当な質量と
エネルギーのイオンを照射し、そのカーボンナノチュー
ブを構成する炭素原子の結合の一部を切断して未接合手
を作り出す工程を含むことを特徴とするカーボンナノチ
ューブの加工方法がある。そして、特開2001−17
2011号公報に開示されたように、カーボンナノチュ
ーブを加工用反応物質と反応させ、熱処理して加工する
ことを特徴とするカーボンナノチューブの加工方法があ
る。
9−139209号公報に開示された加工方法のよう
に、300kV以上で加速した電子線をカーボンナノチ
ューブに照射する方法は、電子線による炭素原子の弾き
出しを利用するもので、加工方法というよりも、カーボ
ンナノチューブの基材に対する非晶質化や変態を促すも
の(Åオーダーでの加工)であり、カーボンナノチュー
ブの切断やキャップオープン処理といったnmオーダー
での微細加工は困難であった。さらに、300kV以上
で電子線を加速するためには大規模な加速装置が必要で
あり、コスト的な問題もあった。
及び特開平7−172807号公報に開示されたよう
に、カーボンナノチューブへのイオン照射による加工方
法は、照射するイオンビームのエネルギーを制御した
り、イオンビームを絞ったりすることが困難であって微
細加工にはマスキング処理を行う必要がある等、微細処
理には不向きであると共に、照射したイオンが不純物と
してカーボンナノチューブ中に残存してしまう不都合が
あった。
報に開示されたように、加工用反応物質と接触させて加
工する方法も、カーボンナノチューブと加工用反応物質
との位置関係を制御することが困難であるばかりか、カ
ーボンナノチューブと加工用反応物質とが接触すること
によって不純物の残存が生起するという不都合があっ
た。
ノチューブへ不純物が残存せずに加工が行えるカーボン
ナノチューブの加工方法を提供することを解決すべき課
題とする。
決する目的で鋭意研究を行った結果、イオンビームの照
射時にイオンビームを発生するイオン銃のように照射領
域の縮小が困難(イオン銃では照射領域をミリオーダー
程度にしか縮小できない)で照射するイオンがカーボン
ナノチューブに取り込まれるといった不都合が生じな
い、エネルギー線(たとえば電子線)照射について照射
するエネルギー線のエネルギーを適正に制御すること
で、カーボンナノチューブの非晶質化や変態を起こさず
にnmオーダーでの加工が可能であることを見出し、以
下の発明を行った。
の加工方法は、エネルギーが120keVより低いエネ
ルギー線をカーボンナノチューブに照射することを特徴
とする。このエネルギー線は、電子線であることが好ま
しい。さらに電子線のエネルギーは80keVであるこ
とが好ましい。
をカーボンナノチューブに照射する方法では、図1に示
すように、照射された電子によりカーボンナノチューブ
1を構成する炭素原子2が単独で弾き出されることで欠
陥2’が生成し、本来平面グラファイト構造を基本とす
るカーボンナノチューブの基材の化学構造が維持できな
くなり、非晶質化しているのである。
ーブの加工方法のように、エネルギーを120keVよ
り小さくしたエネルギー線の照射を行うことで、図2
(a)に示すように、照射された電子はカーボンナノチ
ューブ1を構成する炭素原子を弾き出すことができず、
カーボンナノチューブを構成する炭素原子からなる構造
中に取り込まれ蓄積する結果、電荷等の集中による発熱
などで局所的に応力が発生してその部分の化学結合が切
断されて、図2(b)に示すように、nmオーダーの破
断部位3が生起することとなるものと考えられる。
加工方法は、エネルギーが120keVより低いエネル
ギー線をカーボンナノチューブに照射することで、カー
ボンナノチューブを加工する。
として挙げることができる。120keVの電子線の波
長は0.033Åであり、エネルギー線として電子線を
用いる場合には波長の長さが0.033Å以上とする。
好ましいエネルギー線のエネルギーとしては80keV
である。電子線を用いる場合には波長が0.042Åで
ある。
射する照射密度としては特に限定しないが、一例を挙げ
ると、4.0〜5.0×10-11A/cm2程度が挙げら
れる。エネルギー線として電子線を用いる場合に電子線
を発生させる方法としては、タングステンや、LaB6
等からなるフィラメントをもつ冷陰極電界放出型銃によ
り発生する熱電子を必要な加速電圧で加速することで、
必要なエネルギーをもつ電子線を照射することができ
る。
射する環境としてはエネルギー線の透過を阻害しない真
空下が好ましい。たとえば、4.0×10-3Pa(3.
0×10-5Torr)程度にまで減圧する。
射する時間としては特に限定しないが、数秒〜数分程度
のエネルギー線の照射時間で充分にカーボンナノチュー
ブの加工を行うことができる。
ューブはメッシュ上などに載置できる。エネルギー線は
カーボンナノチューブ全体に広く照射しても良いし、そ
の照射スポット径を絞ってもよい。
に広く照射することで、カーボンナノチューブの加工さ
れる部位は確率的に決定されるようになる。たとえば、
全体的にカーボンナノチューブの長さを短くしたいよう
な場合に適用できる。
てカーボンナノチューブのキャップオープン処理等を行
う目的の部位にのみ照射することで、局所的な微細処理
を行うことができる。局所的な照射を行う方法としては
マスクによりエネルギー線の遮蔽を行うマスキング処理
を適用することもできる。
カーボンナノチューブへの局所的なエネルギー線の照射
を好適に行うには、電子顕微鏡等の微細構造を観察でき
る手段の下で、本発明のカーボンナノチューブの加工方
法を適用することが好ましい。その場合に、電子顕微鏡
に必要とされる電子線と本加工方法に必要とされる電子
線との発生源を兼用することも可能である。
方法について実施例に基づいてさらに詳細に説明をす
る。なお、本実施例ではエネルギー線として電子線を用
いて検討を行った。
方法)カーボンナノチューブへの電子線の照射は市販の
透過型電子顕微鏡(日本電子製、製品名(型番)JEM
−2010)を用い、カーボンナノチューブをその透過
型電子顕微鏡の試料台上にCu製のメッシュ(200
番)上に一度に10μg載置して行った。概略図を図3
に示す。透過型電子顕微鏡10内にメッシュ30を介し
てカーボンナノチューブ90を載置した後に、透過型電
子顕微鏡のカラム内を4.0×10-3Pa(3.0×1
0-5Torr)にまで減圧した。そして、LaB6から
なるフィラメントをもつ冷陰極電界放出型銃20から電
子線を発生させてカーボンナノチューブ90に照射し
た。電子線のエネルギーは加速電圧を80kV(実施
例)、120kV(比較例1)、200kV(比較例
2)と変化させて3段階に変化させた。
〜4分程度、そして比較例2では30〜40秒程度電子
線を照射した。実施例及び各比較例について電子線の照
射前後のカーボンナノチューブの様子を本透過型電子顕
微鏡により観察した。
線照射前後の透過型電子顕微鏡写真をそれぞれ図4(実
施例)、図5(比較例1)、図6(比較例2)に示す。
それぞれの図で(a)が電子線の照射前、(b)が電子
線の照射後である。
(加速電圧80kV)で電子線を照射したカーボンナノ
チューブは、電子線の照射後に電子線の集中による熱及
び応力集中によって、カーボンナノチューブの破断(矢
印部位)や、孔の形成(矢印部位)が認められた。
(加速電圧120kV)で電子線を照射したカーボンナ
ノチューブは、電子線の照射後に電子線によるカーボン
ナノチューブを構成する炭素原子の弾き出し現象によ
り、カーボンナノチューブの壁面に凹凸発生(矢印部
位)が認められた。
(加速電圧200kV)で電子線を照射したカーボンナ
ノチューブは、電子線の照射後に電子線によるカーボン
ナノチューブを構成する炭素原子の弾き出し現象によ
り、カーボンナノチューブの壁面に凹凸発生(丸で囲っ
た部位)が認められた。このカーボンナノチューブ壁面
の凹凸は比較例1よりも顕著なものであった。
線照射において、加速電圧を120kVより低くする
(より詳しくは80kVとする)ことで、カーボンナノ
チューブの結晶構造等の基材部分の化学構造へのダメー
ジを最小限に抑制しながら、カーボンナノチューブを加
工することができることが分かった。
ナノチューブの加工方法によると、カーボンナノチュー
ブの一部に孔を開けたり、切断したりすることがカーボ
ンナノチューブの基材部分に悪影響を与えることなく容
易に遂行でき、カーボンナノチューブに新しい機能を付
与することが可能となる。
ブ中の様子を説明する模式図である。
中の様子を説明する模式図である。
微鏡)の模式図である。
鏡写真(a)と、電子線照射後の透過型電子顕微鏡写真
(b)である。
微鏡写真(a)と、電子線照射後の透過型電子顕微鏡写
真(b)図である。
微鏡写真(a)と、電子線照射後の透過型電子顕微鏡写
真(b)図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 エネルギーが120keVより低いエネ
ルギー線をカーボンナノチューブに照射することを特徴
とするカーボンナノチューブの加工方法。 - 【請求項2】 前記エネルギー線は、電子線である請求
項1に記載のカーボンナノチューブの加工方法。 - 【請求項3】 前記電子線のエネルギーは80keVで
ある請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブの加
工方法。
Priority Applications (1)
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