JP2004210608A - 光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法 - Google Patents

光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法 Download PDF

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Abstract

【課題】特定の構造を有するカーボンナノチューブを選択的に得る方法を提供する。
【解決手段】単波長の光をカーボンナノチューブに照射し、特定の電子状態のカーボンナノチューブを励起状態として、酸素あるいは酸化剤により励起状態であるカーボンナノチューブを酸化させかつ燃焼させて消滅させることで、消滅するカーボンナノチューブと異なる構造を有するカーボンナノチューブを選択的に得る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、光照射および低温での燃焼により特定の構造のカーボンナノチューブのみを選択的に得ることのできる、光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
カーボンナノチューブは、発見されて以来、電子半導体、電子デバイスあるいはその他の分野への応用が強く期待されており、多くの研究者により様々な研究が行われている（非特許文献１、２）。
【０００３】
カーボンナノチューブのうち、たとえば単層カーボンナノチューブは炭素の六角員環からなる一枚のグラファイトシートを筒状に巻いた形状を有しており、そのグラファイトシートの巻き方、すなわちカーボンナノチューブの直径やカイラリティ（螺旋度）によってカーボンナノチューブの導電性が全く異なり、金属あるいは半導体になることが知られている。
【０００４】
しかしながら、これまでのカーボンナノチューブの製造方法では生成するカーボンナノチューブの直径やカイラリティを制御することはできず、不均一なものしか得られてこなかったため、それら直径やカイラリティによるカーボンナノチューブの導電性の違いを十分に生かすことはできていなかった。
【０００５】
一方で、近年、光照射は化学反応を促進させることが可能なことが分かってきており、最近になってフラーレンの反応が光励起の補助により行われるといったことも見出されている。これらの事実により光照射が単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）の化学反応に何らかの影響を与える可能性があると考えられるが、これまで光照射による単層カーボンナノチューブの化学反応への影響は全く未知のものであった。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｓ． Ｉｉｊｉｍａ， ”Ｈｅｌｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ” Ｎａｔｕｒｅ ３５４巻， ｐ．５６−５８ １９９１年
【０００７】
【非特許文献２】
Ｓ． Ｉｉｊｉｍａ ａｎｄ Ｉｃｈｉｈａｒａ， ”Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｅｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｆ １−ｎｍ ｄｉａｍｅｔｅｒ” Ｎａｔｕｒｅ ３６３巻， ｐ．６０３ １９９３年
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、特定の構造のカーボンナノチューブを選択的に燃焼し消滅させることで、消滅するカーボンナノチューブと異なる構造を有するカーボンナノチューブを選択的に得る方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、単波長の光をカーボンナノチューブに照射し、特定の電子状態のカーボンナノチューブを励起状態として、酸素あるいは酸化剤により励起状態であるカーボンナノチューブを酸化させかつ燃焼させて消滅させることで、消滅するカーボンナノチューブと異なる構造を有するカーボンナノチューブを選択的に得ることを特徴とする光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法を提供する。
【０００９】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、０℃以上５００℃以下の温度で励起状態であるカーボンナノチューブを酸化させかつ燃焼させて消滅させることを特徴とする光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法を提供する。
【００１０】
第３には、第１または２の発明において、酸化剤が、過酸化水素水、硝酸あるいは過マンガン酸カリウムであることを特徴とするカーボンナノチューブの構造選択法を提供する。
【００１１】
第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、カーボンナノチューブに異なる波長の光を各々照射し、各々の光の波長に対応した特定の構造を有するカーボンナノチューブを選択的に酸化させかつ燃焼させて消滅させることを特徴とする光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法を提供する。
【００１２】
さらに、第５には、第１ないし３のいずれかの発明においてカーボンナノチューブに複数の異なる波長の光を順次照射することで、特定の構造を有するカーボンナノチューブのみを選択的に得ることを特徴とする光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法を提供する。
【００１３】
また、第６には、第１ないし５のいずれかの発明において、カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブであることを特徴とする光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法をも提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１５】
この出願の発明の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法は、単波長の光をカーボンナノチューブに照射し、特定の電子状態のカーボンナノチューブが光を吸収して励起状態となり、酸素あるいは酸化剤によりその励起状態であるカーボンナノチューブを酸化させかつ燃焼させて消滅させることで、消滅するカーボンナノチューブと異なる構造を有するカーボンナノチューブのみを選択的に得ることを大きな特徴としている。このとき０℃以上５００℃以下の温度で励起状態であるカーボンナノチューブを好適に酸化させかつ燃焼させて消滅させることができる。
【００１６】
すなわちカーボンナノチューブに単波長の光を照射することで、０℃以上５００℃以下の低温で特定の構造を有するカーボンナノチューブのみを燃焼して消滅させることができ、結果的にその消滅するカーボンナノチューブとは異なる構造を有するカーボンナノチューブを選択的に得ることができるのである。
【００１７】
なお、このときカーボンナノチューブに照射する光としては、単波長の光であればどのような光であってもよく、レーザ光であっても、また非レーザ光であってもよい。また、カーボンナノチューブを酸素により酸化させる場合にはカーボンナノチューブが酸化可能な程度酸素が存在する雰囲気中であればよく、たとえば空気中など、酸素のみではない雰囲気中であってもよい。なお、酸素を含んだ雰囲気中においては１００℃〜５００℃の温度範囲で特定の構造のカーボンナノチューブを燃焼させることができる。
【００１８】
また一方、カーボンナノチューブを酸化させる酸化剤としては、任意の酸化剤を用いることができるが、とくに過酸化水素水、硝酸あるいは過マンガン酸カリウムを好適に用いることができ、たとえば過酸化水素水（濃度１０〜３０％）を用いた場合、０℃〜１００℃の範囲で特定の構造のカーボンナノチューブを燃焼させ消滅させることができる。
【００１９】
上記のように、この出願の発明の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法は、カーボンナノチューブに単波長の光を照射することで、特定の構造を有するカーボンナノチューブを励起させてその酸化を促進させることができ、それにより低温の加熱で励起されたカーボンナノチューブを燃焼させ消滅させることができることから、消滅せずに残ったカーボンナノチューブを損傷させることがなく、良質な特定の構造のカーボンナノチューブを得ることができるのである。
【００２０】
またこの出願の発明の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法においては、カーボンナノチューブに異なる波長の光を各々照射し、各々の光の波長に対応した特定の構造を有するカーボンナノチューブを選択的に酸化させかつ燃焼させて消滅させることで、適宜必要な構造のカーボンナノチューブを選択的に得ることが可能となる。
【００２１】
さらに、カーボンナノチューブに複数の異なる波長の光を順次照射することで、１つの波長の光を照射する場合よりさらに限定した特定の構造を有するカーボンナノチューブのみを選択的に得ることができる。
【００２２】
上記のような方法を用いることにより、金属あるいは半導体といった、必要とする電気特性を有するカーボンナノチューブを容易に選択的に得ることができるのである。
【００２３】
なお、とくにこの出願の発明の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法は、単層カーボンナノチューブに対して好適に行うことができ、容易かつ確実に必要とする電気特性を有する特定の構造の単層カーボンナノチューブを得ることができるのである。
【００２４】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２５】
【実施例】
＜実施例１＞
高圧において一酸化炭素を加熱してカーボンナノチューブを合成する方法（ＣＯ＋ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ２）であるＨｉｐｃｏ法により生成された単層カーボンナノチューブをＨＣｌで処理してＦｅを除去後、空気中において波長３７０ｎｍ、４２０ｎｍ、５００ｎｍ、６２０ｎｍの光を用いてそれぞれ温度３２０℃で２時間光照射した。
【００２６】
それらのラマンスペクトルを図１に示す。光照射なしの場合と比較して分かるように波長３７０ｎｍの光は単層カーボンナノチューブの酸化には全く影響を与えなかったが、他の波長の光はある特定の構造の単層カーボンナノチューブの酸化を促進させた。単層カーボンナノチューブに波長４２０ｎｍの光が照射された場合、ラマンスペクトルが示しているように直径０．９６ｎｍと直径１．０ｎｍの単層カーボンナノチューブは完全に消滅し、１．１ｎｍと１．２ｎｍの直径のものは消滅せず残った。波長５００ｎｍの光で照射した場合、直径が約１．０ｎｍと約１．１ｎｍの単層カーボンナノチューブは消滅したが、一方でこの場合、直径約１．３５ｎｍと約１．５６ｎｍの２つの新しい単層カーボンナノチューブが現れた。
【００２７】
さらに、波長６２０ｎｍの光を用いて光照射を行った結果、直径約１．２ｎｍの単層カーボンナノチューブのみが残り、他の直径のカーボンナノチューブは消滅した。なおＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）からＨｉＰｃｏ法によって形成されたすべての試料中の酸素濃度やＣとＯの化学結合の種類は、異なる波長の光の照射あるいは光照射なしでもほぼ同じ結果であることが示された。これにより消滅した単層カーボンナノチューブは、酸素との化学反応やカルボニルやカルボキシル化合物の形成の代わりに選択的に燃焼されたことが分かった。
【００２８】
次に図２に光照射なしの場合および波長３７０ｎｍ、４２０ｎｍ、５００ｎｍ、６２０ｎｍの光を用いてそれぞれ温度３２０℃で３０分間光照射した場合の吸収スペクトルを示す。この吸収スペクトルは光照射がバンドＳ１１のピーク（第１中間体遷移に相当）に影響を与えないことを示しているが、１．３７ｅＶのＳ２２（第２中間体遷移に相当）のピーク強度は直径１．２ｎｍの単層カーボンナノチューブに相当し、その強度は４２０ｎｍ、５００ｎｍあるいは６２０ｎｍの光の照射後に増大し、１．５ｅＶと１．６３ｅＶのＳ２２のピーク強度（直径１．１ｎｍと１．０ｎｍの単層カーボンナノチューブに相当する）は減少している。
【００２９】
これらの結果は、光照射が単層カーボンナノチューブの酸化を促進していることを示しており、特定の波長の光は選択的に特定の構造の単層カーボンナノチューブを酸化し燃焼させ消滅させたことを意味している。
＜実施例２＞
次に実施例１と同様の方法で生成された単層カーボンナノチューブを過酸化水素水中に入れ、１００℃の過酸化水素水中において、波長４８８ｎｍの光を用いて２分間光照射した際のラマンスペクトルを図３に示す。なお比較のため、単層カーボンナノチューブを１００℃の過酸化水素水中に入れた状態で光照射なしの場合のラマンスペクトルも同様に図３中に示す。
【００３０】
図３から明らかなように波長４８８ｎｍの光照射した場合、２００ｃｍ−１のピークが減少しているのに対し、光照射なしの場合には過酸化水素水による処理の前後ではラマンスペクトルの変化が見られなかった。
【００３１】
したがって、この実験結果から過酸化水素水のような酸化剤を用いた場合にも、光照射が単層カーボンナノチューブの酸化を促進していることを示しており、特定の波長の光は選択的に特定の構造の単層カーボンナノチューブを酸化し燃焼させ消滅させたことを意味している。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、光照射および低温での燃焼により特定の構造のカーボンナノチューブのみを選択的に得ることのできる、光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例のラマンスペクトルを例示した図である。
【図２】この発明の実施例の吸収スペクトルを例示した図である。
【図３】この発明の他の実施例のラマンスペクトルを例示した図である。

Claims (6)

  1. 単波長の光をカーボンナノチューブに照射し、特定の電子状態のカーボンナノチューブを励起状態として、酸素あるいは酸化剤により励起状態であるカーボンナノチューブを酸化させかつ燃焼させて消滅させることで、消滅するカーボンナノチューブと異なる構造を有するカーボンナノチューブを選択的に得ることを特徴とする光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法。
  2. ０℃以上５００℃以下の温度で励起状態であるカーボンナノチューブを酸化させかつ燃焼させて消滅させることを特徴とする請求項１記載の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法。
  3. 酸化剤が、過酸化水素水、硝酸あるいは過マンガン酸カリウムであ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構造選択法。
  4. カーボンナノチューブに異なる波長の光を各々照射し、各々の光の波長に対応した特定の構造を有するカーボンナノチューブを選択的に酸化させかつ燃焼させて消滅させることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法。
  5. カーボンナノチューブに複数の異なる波長の光を順次照射することで、特定の構造を有するカーボンナノチューブのみを選択的に得ることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法。
  6. カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法。
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