JP2003238124A - Method for manufacturing carbon nanotube - Google Patents
Method for manufacturing carbon nanotubeInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマガンを用
いたカーボンナノチューブの製造方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes using a plasma gun.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、超微細技術（ナノテクノロジー）
を応用したカーボンナノチューブと言う新しい炭素素材
が研究開発されている。カーボンナノチューブとは、黒
鉛シートが継ぎ目無く丸まった、太さが数十ｎｍ以下と
いう極めて細い径を有した円筒形の炭素素材で、軽量
で、耐熱性、耐食性に優れ、かつ優れた電流強度安定性
を示し、電子部品の素材を始めとして各種分野で応用が
研究されている。2. Description of the Related Art In recent years, ultrafine technology (nanotechnology)
A new carbon material called carbon nanotube, which is applied to, is being researched and developed. A carbon nanotube is a cylindrical carbon material with a very thin diameter of several tens of nm or less, with a graphite sheet rolled seamlessly, lightweight, excellent in heat resistance, corrosion resistance, and excellent current strength stability. , And its application is being studied in various fields including the materials of electronic parts.
【０００３】このカーボンナノチューブはＮａｔｕｒ
ｅ，Ｖｏｌ．３５４，５６（１９９１）において初めて
報告されそれ以降、種々のカーボンナノチューブの製造
方法に関する研究がなされている。最も一般的なカーボ
ンナノチューブの製造方法は炭素電極棒間にてアーク放
電をおこし、電極先端にカーボンナノチューブを合成す
るアーク放電法（例えば特開平５−１２５６１９号公報
に記載）である。その他の製造方法としては、炭化水素
ガスなどを加熱、分解して基板上にカーボンナノチュー
ブを合成するＣＶＤ法（例えば特開２０００―８６２１
６号公報に記載）があり、このＣＶＤ法の中でもプラズ
マを熱源としたプラズマＣＶＤ法（例えば特開平６―３
４５４１３号公報に記載）もある。また、炭素にレーザ
ーを照射し、分解してカーボンナノチューブを合成する
レーザー法（例えば特開平１０−２７３３０８号公報に
記載）などもある。This carbon nanotube is a natural
e, Vol. First reported in 354, 56 (1991), since then, research on various carbon nanotube production methods has been conducted. The most common method for producing carbon nanotubes is an arc discharge method (for example, described in JP-A-5-125619) in which an arc discharge is generated between carbon electrode rods to synthesize carbon nanotubes at the electrode tips. As another manufacturing method, a CVD method of synthesizing carbon nanotubes on a substrate by heating and decomposing a hydrocarbon gas or the like (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-8621)
6), and among these CVD methods, a plasma CVD method using plasma as a heat source (for example, JP-A-6-3).
No. 45413). Further, there is also a laser method (for example, described in JP-A-10-273308) in which carbon is irradiated with a laser and decomposed to synthesize carbon nanotubes.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来のカーボンナノチ
ューブの製造方法の一つであるアーク放電法は、炭素電
極にて移行アークを発生させるため、炭素電極表面にて
炭素が非常に高いエネルギー密度で分解されるため、欠
陥の少ない、品質の良いカーボンナノチューブの製造が
可能であるが、移行アークは不安定であるため、熱源の
安定性が低く、収率（収量パーセント）が低い欠点があ
る。また、ＣＶＤ法やレーザー法は熱源の制御性が高
く、安定的に、高い収率でカーボンナノチューブを製造
することができるが、炭素源を分解するときのエネルギ
ー密度が低いため、欠陥の少ない、品質の良いカーボン
ナノチューブを製造することが難しいという欠点があ
る。The arc discharge method, which is one of the conventional methods for producing carbon nanotubes, generates a transfer arc at the carbon electrode, so that carbon has a very high energy density on the surface of the carbon electrode. Since it is decomposed, it is possible to produce high-quality carbon nanotubes with few defects, but since the transfer arc is unstable, there are disadvantages that the stability of the heat source is low and the yield (yield percentage) is low. Further, the CVD method and the laser method have high controllability of the heat source and can stably produce the carbon nanotubes at a high yield, but since the energy density when decomposing the carbon source is low, there are few defects. There is a drawback that it is difficult to manufacture high quality carbon nanotubes.
【０００５】本発明の目的はアーク放電法のエネルギー
密度が高い長所と、ＣＶＤ法やレーザー法の反応が安定
的である長所を兼ね備えた、欠陥の少ない、品質の良い
カーボンナノチューブを高収率で得ることのできるカー
ボンナノチューブの製造方法を提供することを目的とし
ている。The object of the present invention is to obtain a high-quality carbon nanotube with few defects, which has the advantages that the energy density of the arc discharge method is high and the reaction of the CVD method or the laser method is stable. It is an object of the present invention to provide a method for producing a carbon nanotube that can be obtained.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載のカーボンナノチューブの製造方法
の発明は、チャンバー内のプラズマガス雰囲気中でプラ
ズマガンにより直流アークプラズマを発生させ、炭素成
分からなるターゲット基板を前記直流アークプラズマに
曝しながら、ターゲット基板とプラズマガンの間に直流
電圧を印加し、ターゲット基板とプラズマガンの間に移
行アークを発生させ、ターゲット基板を加熱、分解し
て、ターゲット基板表面にカーボンナノチューブを合成
するようにしたことを特徴とする。In order to achieve the above object, the invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 1 is to generate a direct current arc plasma by a plasma gun in a plasma gas atmosphere in a chamber, While exposing the target substrate consisting of components to the DC arc plasma, a DC voltage is applied between the target substrate and the plasma gun, a transfer arc is generated between the target substrate and the plasma gun, and the target substrate is heated and decomposed. The carbon nanotube is synthesized on the surface of the target substrate.
【０００７】この発明によれば、直流アークプラズマを
発生させながら、さらに、移行アークを発生させている
ため、安定的な高いエネルギー密度で炭素成分からなる
ターゲット基板を加熱、分解させ、欠陥の少ない、品質
の良いカーボンナノチューブを高収率で得ることができ
る。According to the present invention, since the transfer arc is further generated while the direct current arc plasma is being generated, the target substrate composed of the carbon component is heated and decomposed at a stable high energy density, and the number of defects is small. In addition, high quality carbon nanotubes can be obtained in high yield.
【０００８】請求項２に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項１に記載の発明において、炭
素成分からなるターゲット基板を陰極として移行アーク
を発生させることを特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to a second aspect is characterized in that, in the invention according to the first aspect, a transfer arc is generated using a target substrate made of a carbon component as a cathode.
【０００９】請求項３に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項１または２に記載の発明にお
いて、プラズマガスとしてアルゴンガス、ヘリウムガ
ス、水素ガス、窒素ガスの少なくとも１種類を用いるこ
とを特徴とする。In the invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 3, in the invention according to claim 1 or 2, at least one of argon gas, helium gas, hydrogen gas and nitrogen gas is used as the plasma gas. Is characterized by.
【００１０】請求項４に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の
発明において、プラズマガス雰囲気を１００Ｐａ〜１０
０ｋＰａのアルゴン、ヘリウム、水素、窒素または、こ
れらの混合雰囲気とすることを特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to a fourth aspect is the method according to any one of the first to third aspects, wherein the plasma gas atmosphere is 100 Pa to 10 Pa.
It is characterized in that the atmosphere is 0 kPa of argon, helium, hydrogen, nitrogen, or a mixed atmosphere thereof.
【００１１】請求項５に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の
発明において、触媒粒子を含んだ炭素成分からなるター
ゲット基板を用いることを特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 5 is characterized in that, in the invention according to any one of claims 1 to 4, a target substrate comprising a carbon component containing catalyst particles is used. .
【００１２】請求項６に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の
発明において、触媒粒子をプラズマガンから直流アーク
プラズマに流入させることを特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 6 is characterized in that, in the invention according to any one of claims 1 to 5, the catalyst particles are caused to flow into the DC arc plasma from the plasma gun.
【００１３】請求項７に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項５または６に記載の発明にお
いて、触媒粒子が少なくともニッケル、コバルト、鉄の
少なくとも１種類を含むことを特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 7 is characterized in that, in the invention according to claim 5 or 6, the catalyst particles contain at least one kind of nickel, cobalt and iron.
【００１４】請求項８に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項６または７に記載の発明にお
いて、ニッケル、コバルト、鉄の少なくとも１種類を含
む触媒粒子の粒径が1μｍから５００μｍであることを
特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 8 is the method according to claim 6 or 7, wherein the catalyst particles containing at least one of nickel, cobalt and iron have a particle size of 1 μm to 500 μm. It is characterized by being.
【００１５】請求項９に記載のカーボンナノチューブの
製造方法の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の
発明において、炭化水素ガスをプラズマガンから直流ア
ークプラズマに流入させることにより、炭素成分からな
るターゲット基板の加熱、分解により合成されるカーボ
ンナノチューブの成長を促進させることを特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 9 is the same as the invention according to any one of claims 1 to 8, wherein a hydrocarbon gas is introduced from the plasma gun into the direct-current arc plasma to produce a carbon component. It is characterized in that the growth of carbon nanotubes synthesized by heating and decomposing a target substrate made of is promoted.
【００１６】請求項１０に記載のカーボンナノチューブ
の製造方法の発明は、請求項９に記載の発明において、
炭化水素ガスがメタン、エタン、プロパン、ブタンの少
なくとも１種類、またはこれらの混合ガスであることを
特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 10 is the same as the invention according to claim 9,
The hydrocarbon gas is at least one kind of methane, ethane, propane, butane, or a mixed gas thereof.
【００１７】請求項１１に記載のカーボンナノチューブ
の製造方法の発明は、チャンバー内のプラズマガス雰囲
気中でプラズマガンにより直流アークプラズマを発生さ
せ、炭化水素ガスを直流アークプラズマに流入し、触媒
成分からなるターゲット基板を前記直流アークプラズマ
に曝しながら、ターゲット基板とプラズマガンの間に直
流電圧を印加し、ターゲット基板とプラズマガンの間に
移行アークを発生させ、ターゲット基板を加熱、分解し
てターゲット基板表面にカーボンナノチューブを合成す
るようにしたことを特徴とする。In the invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 11, a DC arc plasma is generated by a plasma gun in a plasma gas atmosphere in a chamber, a hydrocarbon gas is introduced into the DC arc plasma, and a catalyst component is removed. While exposing the target substrate to the DC arc plasma, a DC voltage is applied between the target substrate and the plasma gun, a transfer arc is generated between the target substrate and the plasma gun, and the target substrate is heated and decomposed to generate the target substrate. It is characterized in that carbon nanotubes are synthesized on the surface.
【００１８】この発明によれば、直流アークプラズマを
発生させながら、さらに、移行アークを発生させている
ため、安定的な高いエネルギー密度で炭化水素ガスを分
解させることができ、また、触媒成分からなるターゲッ
ト基板を用いているため、触媒成分も安定的に高いエネ
ルギー密度中で、分解した炭素水素ガスと触媒を反応さ
せることができるため、欠陥の少ないカーボンナノチュ
ーブを合成する。According to the present invention, since the transfer arc is further generated while the direct current arc plasma is being generated, the hydrocarbon gas can be decomposed at a stable and high energy density, and the catalytic component can be decomposed. Since the target substrate is used, the catalyst component can stably react the decomposed carbon-hydrogen gas with the catalyst in a high energy density, and thus carbon nanotubes with few defects are synthesized.
【００１９】請求項１２に記載のカーボンナノチューブ
の製造方法の発明は、請求項１１に記載の発明におい
て、触媒成分からなるターゲット基板を陰極として移行
アークを発生させることを特徴とする。The invention of the method for producing carbon nanotubes according to a twelfth aspect is characterized in that, in the invention according to the eleventh aspect, a transfer arc is generated using a target substrate made of a catalyst component as a cathode.
【００２０】請求項１３に記載のカーボンナノチューブ
の製造方法の発明は、請求項１１に記載の発明におい
て、プラズマガス雰囲気を１００Ｐａ〜１００ｋＰａの
アルゴン、ヘリウム、水素、窒素または、これらの混合
雰囲気とすることを特徴とする。In the invention of the method for producing carbon nanotubes according to claim 13, in the invention according to claim 11, the plasma gas atmosphere is 100 Pa to 100 kPa of argon, helium, hydrogen, nitrogen or a mixed atmosphere thereof. It is characterized by
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明によるカーボ
ンナノチューブの製造方法を示す図で、真空ポンプ１が
取り付けられた減圧チャンバー２内にプラズマガン３が
設置されている。このプラズマガン３においては、プラ
ズマ電極の陰極４ａと陽極４ｂ間にプラズマ電源５によ
り直流電圧を印加し、陰極４ａに形成したプラズマガス
流入口６からプラズマガスを流しながら陰極４ａと陽極
４ｂとの間にアーク放電させて陽極４ｂの下流に熱プラ
ズマの直流アークプラズマ７を発生させる。８はプラズ
マガン３から適宜離間させて配置された炭素成分である
グラファイトから成るターゲット基板である。このター
ゲット基板８を直流アークプラズマ７に曝しながら、移
行アーク電源９により、ターゲット基板８とプラズマ電
極の陰極４ａとの間に直流電圧を印加し、直流アークプ
ラズマ７中に移行アークを発生させる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a method for producing carbon nanotubes according to the present invention, in which a plasma gun 3 is installed in a decompression chamber 2 to which a vacuum pump 1 is attached. In this plasma gun 3, a direct current voltage is applied between the cathode 4a and the anode 4b of the plasma electrode by the plasma power source 5, and the plasma gas is introduced from the plasma gas inlet 6 formed in the cathode 4a, so that the cathode 4a and the anode 4b are connected. Arc discharge is performed in the meantime to generate a DC arc plasma 7 of thermal plasma downstream of the anode 4b. Reference numeral 8 denotes a target substrate made of graphite, which is a carbon component, and is arranged so as to be appropriately separated from the plasma gun 3. While exposing the target substrate 8 to the DC arc plasma 7, a DC voltage is applied between the target substrate 8 and the cathode 4a of the plasma electrode by the transition arc power supply 9 to generate a transition arc in the DC arc plasma 7.
【００２２】図１に示すような製造装置を用いて、カー
ボンナノチューブの製造実験を実施した。まず、真空ポ
ンプ１により減圧チャンバー２内を１００Ｐａ以下まで
減圧した後、プラズマガン３の陰極４ａに形成したプラ
ズマガス流入口６からアルゴンガスを流して、減圧チャ
ンバー２内の雰囲気を１０ｋＰａのアルゴン雰囲気とし
て、プラズマガン３を点火し、８ｋＷの直流アークプラ
ズマ７を発生させた。この直流アークプラズマ発生時に
も、アルゴンガス量と真空ポンプ１を調節し、減圧チャ
ンバー２内の雰囲気を１０ｋＰａのアルゴン雰囲気に保
つ。次に、直流アークプラズマ７にてグラファイト製の
ターゲット基板８を加熱した後、ターゲット基板８とプ
ラズマガン３の間にターゲット基板８を陰極として、移
行アーク電源９より直流電圧を印加し、６０Aの移行ア
ークを流した。その結果、直流アークプラズマ７を発生
させながら移行アークを発生させているため、安定的な
高い密度で炭素成分からなるターゲット基板８が加熱、
分解され、その表面にカーボンナノチューブを合成する
ことができた。A carbon nanotube manufacturing experiment was carried out using a manufacturing apparatus as shown in FIG. First, the pressure inside the decompression chamber 2 is reduced to 100 Pa or less by the vacuum pump 1, and then argon gas is caused to flow from the plasma gas inlet 6 formed in the cathode 4a of the plasma gun 3 to change the atmosphere inside the decompression chamber 2 to an argon atmosphere of 10 kPa. As a result, the plasma gun 3 was ignited to generate a direct current arc plasma 7 of 8 kW. Even when this DC arc plasma is generated, the amount of argon gas and the vacuum pump 1 are adjusted to maintain the atmosphere inside the decompression chamber 2 at 10 kPa. Next, after heating the graphite target substrate 8 with the DC arc plasma 7, a DC voltage is applied from the transfer arc power source 9 between the target substrate 8 and the plasma gun 3 using the target substrate 8 as a cathode, A transition arc was flown. As a result, since the transfer arc is generated while generating the DC arc plasma 7, the target substrate 8 made of a carbon component is heated at a stable high density,
It was decomposed and carbon nanotubes could be synthesized on its surface.
【００２３】さらに、移行アークを発生させる場合に、
炭素成分からなるターゲット基板８を陰極とした場合と
陽極とした場合との違いを実験した結果、ターゲット基
板８を陰極とした場合の方が、ターゲット基板８の表面
にカーボンナノチューブが合成されやすかった。Further, when a transition arc is generated,
As a result of an experiment on the difference between the case where the target substrate 8 made of a carbon component was used as a cathode and the case where it was used as an anode, carbon nanotubes were more easily synthesized on the surface of the target substrate 8 when the target substrate 8 was used as a cathode. .
【００２４】次に、プラズマガス雰囲気のガス種とその
圧力を変化させて、カーボンナノチューブを合成する実
験をした結果、１００Ｐａ〜１００ｋＰａのアルゴン、
ヘリウム、水素、窒素または、これらの混合雰囲気とす
ることにより、安定的に直流アークプラズマを発生する
ことができ、また、移行アークが発生し易く、カーボン
ナノチューブの合成反応が安定的に起こり易いため高い
収率でカーボンナノチューブを合成することができた。Next, as a result of an experiment for synthesizing carbon nanotubes by changing the gas species and its pressure in the plasma gas atmosphere, argon of 100 Pa to 100 kPa,
By using helium, hydrogen, nitrogen, or a mixed atmosphere thereof, a direct current arc plasma can be stably generated, a transfer arc is easily generated, and a carbon nanotube synthesis reaction is easily stable. The carbon nanotubes could be synthesized with high yield.
【００２５】次に、プラズマガスを変化させて、カーボ
ンナノチューブを合成する実験を行ったところ、プラズ
マガスとしてアルゴンガス、ヘリウムガス、水素ガス、
窒素ガスの少なくとも１種類を用いることにより、安定
的な直流アークプラズマを発生することができ、欠陥の
少ない、品質の良いカーボンナノチューブを得ることが
できた。Next, an experiment was conducted to synthesize carbon nanotubes by changing the plasma gas. As a plasma gas, argon gas, helium gas, hydrogen gas,
By using at least one kind of nitrogen gas, stable DC arc plasma could be generated, and carbon nanotubes with few defects and good quality could be obtained.
【００２６】また、触媒粒子を含んだ炭素成分からなる
ターゲット基板８を用いる実験をした結果、炭素成分か
らなるターゲット基板８に触媒粒子を含ませることによ
り触媒粒子によりカーボンナノチューブの合成反応が促
進され、カーボンナノチューブの収率を向上させること
ができた。Further, as a result of an experiment using the target substrate 8 made of a carbon component containing the catalyst particles, by including the catalyst particles in the target substrate 8 made of the carbon component, the synthesis reaction of carbon nanotubes is promoted by the catalyst particles. The carbon nanotube yield could be improved.
【００２７】また、触媒粒子をプラズマガン３に形成し
た原料、触媒流入口１０から直流アークプラズマ７に流
入させる実験をした結果、触媒粒子によりカーボンナノ
チューブの合成反応が促進され、カーボンナノチューブ
の収率を向上させることができた。Further, as a result of an experiment in which the catalyst particles were made to flow into the DC arc plasma 7 from the raw material formed in the plasma gun 3 and the catalyst inlet 10, the catalyst particles promoted the synthesis reaction of the carbon nanotubes, and the yield of the carbon nanotubes was increased. Was able to improve.
【００２８】また、種々の触媒粒子を炭素成分からなる
ターゲット基板８に含ませる実験と、種々の触媒粒子を
直流アークプラズマ７に流入させる実験をした結果、触
媒粒子として少なくともニッケル、コバルト、鉄の少な
くとも１種類を含むことにより、触媒作用を高めること
ができ、カーボンナノチューブの収率を向上させること
ができた。Further, as a result of an experiment in which various catalyst particles are contained in the target substrate 8 made of a carbon component and an experiment in which various catalyst particles are caused to flow into the DC arc plasma 7, at least nickel, cobalt, and iron are used as the catalyst particles. By including at least one kind, the catalytic action could be enhanced and the yield of carbon nanotubes could be improved.
【００２９】また、ニッケル、コバルト、鉄の少なくと
も１種類を含む触媒粒子の粒径を変化させた実験をした
結果、触媒粒子の粒径が1μｍから５００μｍであるこ
とにより、触媒作用をより高めることができ、カーボン
ナノチューブの収率を向上させることができた。Further, as a result of an experiment in which the particle size of the catalyst particles containing at least one kind of nickel, cobalt and iron was changed, it was found that the particle size of the catalyst particles was 1 μm to 500 μm, so that the catalytic action was further enhanced. It was possible to improve the yield of carbon nanotubes.
【００３０】また、炭化水素ガスをプラズマガン３に形
成した原料、触媒流入口１０から直流アークプラズマ７
に流入させる実験をした結果、分解された炭化水素ガス
が炭素成分からなるターゲット基板８表面に合成された
カーボンナノチューブの成長を促進させることができ、
欠陥の少ない、品質の良い、長尺のカーボンナノチュー
ブを合成することができた。Further, the raw material for forming the hydrocarbon gas in the plasma gun 3, the catalyst inlet 10 to the direct current arc plasma 7
As a result of the experiment of inflowing the carbon nanotubes to the substrate, the decomposed hydrocarbon gas can promote the growth of the carbon nanotubes synthesized on the surface of the target substrate 8 made of a carbon component,
We were able to synthesize long carbon nanotubes with good quality and few defects.
【００３１】また、種々の炭化水素ガスを用いる実験を
した結果、炭化水素ガスがメタン、エタン、プロパン、
ブタンまたはこれらの混合ガスであることにより、より
カーボンナノチューブの合成が安定化し、欠陥の少な
い、品質の良いカーボンナノチューブを合成することが
できた。As a result of experiments using various hydrocarbon gases, the hydrocarbon gases were methane, ethane, propane,
By using butane or a mixed gas thereof, the synthesis of carbon nanotubes was stabilized, and it was possible to synthesize high-quality carbon nanotubes with few defects.
【００３２】続いて、図１に示した本発明におけるカー
ボンナノチューブの製造方法において、ターゲット基板
８を触媒成分からなるターゲット基板８として、プラズ
マガン３で発生させた直流アークプラズマ７中に炭化水
素ガスを流しながら、触媒成分からなるターゲット基板
８を陰極としてプラズマ電極の陰極４ａとの間に移行ア
ークを発生させたところ、触媒成分からなるターゲット
基板８表面にカーボンナノチューブを合成することがで
きた。Subsequently, in the method for producing carbon nanotubes according to the present invention shown in FIG. 1, the target substrate 8 is used as the target substrate 8 made of a catalyst component, and the hydrocarbon gas is contained in the DC arc plasma 7 generated by the plasma gun 3. While flowing, a transfer arc was generated between the target substrate 8 made of the catalyst component and the cathode 4a of the plasma electrode, and carbon nanotubes could be synthesized on the surface of the target substrate 8 made of the catalyst component.
【００３３】次に触媒成分からなるターゲット基板８を
陰極とした場合と、陽極とした場合との違いについて、
実験をした結果、触媒成分からなるターゲット基板８を
陰極として移行アークを発生させた場合の方がターゲッ
ト基板８の表面にカーボンナノチューブが合成されやす
かった。Next, the difference between the case where the target substrate 8 made of the catalyst component is used as the cathode and the case where it is used as the anode
As a result of an experiment, it was easier to synthesize carbon nanotubes on the surface of the target substrate 8 when a transfer arc was generated with the target substrate 8 made of a catalyst component as a cathode.
【００３４】次に、プラズマガス雰囲気のガス種と圧力
を変化させて、カーボンナノチューブを合成する実験を
した結果、１００Ｐａ〜１００ｋＰａのアルゴン、ヘリ
ウム、水素、窒素または、これらの混合ガスとすること
により、安定的に直流アークプラズマを発生することが
でき、また、移行アークが発生し易く、カーボンナノチ
ューブの合成反応が安定的に起こり易いためカーボンナ
ノチューブの合成収率を向上させることができた。Next, as a result of an experiment of synthesizing carbon nanotubes by changing the gas species and pressure of the plasma gas atmosphere, it was found that argon, helium, hydrogen, nitrogen or a mixed gas thereof of 100 Pa to 100 kPa was used. The DC arc plasma could be stably generated, the transfer arc was likely to be generated, and the carbon nanotube synthesis reaction was likely to occur stably, so that the carbon nanotube synthesis yield could be improved.
【００３５】次に、プラズマガスを変化させて、カーボ
ンナノチューブを合成する実験を行ったところ、プラズ
マガスとしてアルゴンガス、ヘリウムガス、水素ガス、
窒素ガスの少なくとも１種類を用いることにより、安定
的な直流アークプラズマを発生することができ、欠陥の
少ない、品質の良いカーボンナノチューブを得ることが
できた。Next, an experiment was conducted to synthesize carbon nanotubes by changing the plasma gas. As a plasma gas, argon gas, helium gas, hydrogen gas,
By using at least one kind of nitrogen gas, stable DC arc plasma could be generated, and carbon nanotubes with few defects and good quality could be obtained.
【００３６】また、触媒成分からなるターゲット基板８
の種類を変化させる実験をした結果、触媒成分が少なく
ともニッケル、コバルト、鉄の少なくとも１種類を含む
ことにより、分解された炭化水素ガスと触媒との反応が
促進され、触媒作用を高めることができ、カーボンナノ
チューブの収率を向上させることができた。The target substrate 8 made of a catalyst component
As a result of an experiment of changing the kind of the catalyst, the catalyst component contains at least one kind of nickel, cobalt, and iron, so that the reaction between the decomposed hydrocarbon gas and the catalyst can be promoted and the catalytic action can be enhanced. The carbon nanotube yield could be improved.
【００３７】また、炭化水素ガスの種類を種々変化させ
た実験をした結果、炭化水素ガスがメタン、エタン、プ
ロパン、ブタンまたはこれらの混合ガスであることによ
り、より直流アークプラズマと移行アークによる炭化水
素ガスの分解反応が安定化し、欠陥の少ない、品質の良
いカーボンナノチューブを合成することができた。Further, as a result of an experiment in which the kind of the hydrocarbon gas was changed variously, it was found that the hydrocarbon gas was methane, ethane, propane, butane, or a mixed gas thereof, and thus the carbonization by the direct current arc plasma and the transfer arc was improved. The decomposition reaction of hydrogen gas was stabilized, and it was possible to synthesize high quality carbon nanotubes with few defects.
【００３８】[0038]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
チャンバー内のプラズマガス雰囲気中でプラズマガンに
より直流アークプラズマを発生させ、炭素成分からなる
ターゲット基板を前記直流アークプラズマに曝しなが
ら、ターゲット基板とプラズマガンの間に直流電圧を印
加し、ターゲット基板とプラズマガンの間に移行アーク
を発生させ、ターゲット基板を加熱、分解して、ターゲ
ット基板表面にカーボンナノチューブを合成するように
したので、安定的な高いエネルギー密度でカーボンナノ
チューブを合成することができるため、高収率で欠陥の
少ない、品質の良いカーボンナノチューブの製造方法を
得ることができる。As described above, according to the present invention,
A DC arc plasma is generated by a plasma gun in a plasma gas atmosphere in the chamber, and a DC voltage is applied between the target substrate and the plasma gun while exposing the target substrate made of a carbon component to the DC arc plasma. Since a transfer arc is generated between plasma guns to heat and decompose the target substrate to synthesize carbon nanotubes on the target substrate surface, carbon nanotubes can be synthesized with a stable and high energy density. It is possible to obtain a high-quality carbon nanotube manufacturing method with high yield and few defects.
【図１】本発明によるカーボンナノチューブの製造方法
を説明するための概略断面図。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a carbon nanotube manufacturing method according to the present invention.
１…真空ポンプ、２…減圧チャンバー、３…プラズマガ
ン、４ａ…プラズマ電極（陰極）、４ｂ…プラズマ電極
（陽極）、５…プラズマ電源、６…プラズマガス流入
口、７…直流アークプラズマ８…ターゲット基板、９…
移行アーク電源、１０…原料、触媒流入口。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum pump, 2 ... Decompression chamber, 3 ... Plasma gun, 4a ... Plasma electrode (cathode), 4b ... Plasma electrode (anode), 5 ... Plasma power supply, 6 ... Plasma gas inlet, 7 ... DC arc plasma 8 ... Target substrate, 9 ...
Transition arc power source, 10 ... Raw material, catalyst inlet.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新藤 尊彦 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 須山 章子 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 Ｆターム(参考） 4G046 CA00 CA02 CB03 CC02 CC06 CC08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Takahiko Shindo 2-1, Ukishima-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Ceremony Company Toshiba Hamakawasaki Factory (72) Inventor Akiko Suyama 2-1, Ukishima-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Ceremony Company Toshiba Hamakawasaki Factory F-term (reference) 4G046 CA00 CA02 CB03 CC02 CC06 CC08
Claims (13)
プラズマガンにより直流アークプラズマを発生させ、炭
素成分からなるターゲット基板を前記直流アークプラズ
マに曝しながら、ターゲット基板とプラズマガンの間に
直流電圧を印加し、ターゲット基板とプラズマガンの間
に移行アークを発生させ、ターゲット基板を加熱、分解
して、ターゲット基板表面にカーボンナノチューブを合
成するようにしたカーボンナノチューブの製造方法。1. A direct current arc plasma is generated by a plasma gun in a plasma gas atmosphere in a chamber, and a direct current voltage is applied between the target substrate and the plasma gun while exposing the target substrate made of a carbon component to the direct current arc plasma. Then, a transfer arc is generated between the target substrate and the plasma gun, the target substrate is heated and decomposed, and carbon nanotubes are synthesized on the surface of the target substrate.
とし、プラズマガンを陽極として直流電圧を印加し、移
行アークを発生させ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製造方法。2. The method for producing a carbon nanotube according to claim 1, wherein a target arc made of a carbon component is used as a cathode and a plasma gun is used as an anode to apply a DC voltage to generate a transfer arc.
ウムガス、水素ガス、窒素ガスの少なくとも１種類を用
いることを特徴とする請求項１または２記載のカーボン
ナノチューブの製造方法。3. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein at least one of argon gas, helium gas, hydrogen gas and nitrogen gas is used as the plasma gas.
００Ｐａ〜１００ｋＰａのアルゴン、ヘリウム、水素、
窒素または、これらの混合雰囲気とすることを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれかに記載のカーボンナノチュ
ーブの製造方法。4. A plasma gas atmosphere in the chamber is set to 1
00 Pa-100 kPa argon, helium, hydrogen,
4. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein the atmosphere is nitrogen or a mixed atmosphere thereof.
ト基板を形成したことを特徴とする請求項１乃至４のい
ずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。5. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein the target substrate is formed from a carbon component containing catalyst particles.
プラズマに流入させることを特徴とする請求項１乃至５
のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方法。6. The catalyst particles are caused to flow into a DC arc plasma from a plasma gun.
5. The method for producing a carbon nanotube according to any one of 1.
ト、鉄の少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求
項５または６記載のカーボンナノチューブの製造方法。7. The method for producing a carbon nanotube according to claim 5, wherein the catalyst particles contain at least one kind of nickel, cobalt and iron.
種類を含む触媒粒子の粒径が1μｍから５００μｍであ
ることを特徴とする請求項６または７記載のカーボンナ
ノチューブの製造方法。8. At least one of nickel, cobalt and iron
The method for producing a carbon nanotube according to claim 6 or 7, wherein the catalyst particles including the types have a particle diameter of 1 µm to 500 µm.
ークプラズマに流入させることを特徴とする請求項１乃
至８のいずれかに記載のカーボンナノチューブの製造方
法。9. The method for producing carbon nanotubes according to claim 1, wherein the hydrocarbon gas is introduced into the DC arc plasma from the plasma gun.
パン、ブタンの少なくとも１種類、またはこれらの混合
ガスであることを特徴とする請求項９記載のカーボンナ
ノチューブの製造方法。10. The method for producing carbon nanotubes according to claim 9, wherein the hydrocarbon gas is at least one kind of methane, ethane, propane, butane, or a mixed gas thereof.
でプラズマガンにより直流アークプラズマを発生させ、
炭化水素ガスを直流アークプラズマに流入し、触媒成分
からなるターゲット基板を前記直流アークプラズマに曝
しながら、ターゲット基板とプラズマガンの間に直流電
圧を印加し、ターゲット基板とプラズマガンの間に移行
アークを発生させ、ターゲット基板を加熱、分解してタ
ーゲット基板表面にカーボンナノチューブを合成するよ
うにしたカーボンナノチューブの製造方法。11. A direct current arc plasma is generated by a plasma gun in a plasma gas atmosphere in the chamber,
A hydrocarbon gas is introduced into the DC arc plasma, and a DC voltage is applied between the target substrate and the plasma gun while exposing the target substrate composed of catalyst components to the DC arc plasma, and the arc is transferred between the target substrate and the plasma gun. Is generated, and the target substrate is heated and decomposed to synthesize the carbon nanotubes on the surface of the target substrate.
極とし、プラズマガンを陽極として直流電圧を印加し、
移行アークを発生させることを特徴とする請求項１１記
載のカーボンナノチューブの製造方法。12. A DC substrate is applied with a target substrate made of a carbon component as a cathode and a plasma gun as an anode,
The method for producing carbon nanotubes according to claim 11, wherein a transfer arc is generated.
１００Ｐａ〜１００ｋＰａのアルゴン、ヘリウム、水
素、窒素または、これらの混合雰囲気とすることを特徴
とする請求項１１または１２記載のカーボンナノチュー
ブの製造方法。13. The method for producing carbon nanotubes according to claim 11, wherein the plasma gas atmosphere in the chamber is 100 Pa to 100 kPa of argon, helium, hydrogen, nitrogen, or a mixed atmosphere thereof.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002034910A JP2003238124A (en) | 2002-02-13 | 2002-02-13 | Method for manufacturing carbon nanotube |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003238124A true JP2003238124A (en) | 2003-08-27 |
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| JP2002034910A Withdrawn JP2003238124A (en) | 2002-02-13 | 2002-02-13 | Method for manufacturing carbon nanotube |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003238124A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006265006A (en) * | 2005-03-22 | 2006-10-05 | National Univ Corp Shizuoka Univ | Carbon nanotube production method and its device |
| JP2006290698A (en) * | 2005-04-14 | 2006-10-26 | Yamaguchi Univ | Method of manufacturing carbon nanofiber |
| JP2006315881A (en) * | 2005-05-10 | 2006-11-24 | Univ Nagoya | High density carbon nanotube assembly and method for producing the same |
| JP2007070158A (en) * | 2005-09-06 | 2007-03-22 | Univ Nagoya | Carbon nanotube assembly and method for producing the same |
-
2002
- 2002-02-13 JP JP2002034910A patent/JP2003238124A/en not_active Withdrawn
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