JP2005104750A - Method for refining nanotube - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノチューブ（ＮＴ）の精製方法に関して、特に、カーボンナノチューブ混合物から所定の電気伝導率範囲のカーボンナノチューブを選択的に分離させ、所望の半導体性のカーボンナノチューブを得る方法に関する。 The present invention relates to a method for purifying nanotubes (NT), and more particularly, to a method for selectively separating carbon nanotubes in a predetermined electric conductivity range from a carbon nanotube mixture to obtain desired semiconducting carbon nanotubes.
現在、ナノ構造からなるナノチューブ（ＮＴ）、特にカーボン（Ｃ）から作成された導電性が非常に良好で、機械的強度が高く化学的熱的にもたいへん安定なカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が研究されている。カーボンナノチューブは、ナノメーターオ−ダーである極小の直径と、ミクロンオーダーの長さを有していてアスペクト比が非常に大きく、理想的な１次元システムに限りなく近い。カーボンナノチューブには、分子構造の対象性により直径と螺旋度に応じて、高電気伝導率を有する金属性、または直径に反比例する大きさのバンドギャップを有する半導体性の性質を有するものが作成される。通常、カーボンナノチューブは、合成の際に上記金属性のものと半導体性のものが約１：２などの比率で含まれたカーボンナノチューブ混合物として作成される。従って、少なくともナノチューブを薄膜トランジスタの半導体層などとして利用する場合には、半導体性のものを使用する必要がある。従って、カーボンナノチューブ混合物から金属性のカーボンナノチューブを除去させ、必要な半導体性のカーボンナノチューブを得る必要がある。 Currently, nano-structured nanotubes (NT), especially carbon nanotubes (CNT) made of carbon (C) with very good electrical conductivity, high mechanical strength and high chemical stability are being studied. ing. Carbon nanotubes have a very small diameter on the order of nanometers, a length on the order of microns, and a very large aspect ratio, which is very close to an ideal one-dimensional system. Carbon nanotubes are produced that have metallic properties with high electrical conductivity or semiconducting properties with a band gap that is inversely proportional to the diameter depending on the diameter and helix degree of the molecular structure. The In general, carbon nanotubes are prepared as a carbon nanotube mixture containing the above metallic and semiconducting materials in a ratio of about 1: 2 during synthesis. Therefore, when at least a nanotube is used as a semiconductor layer of a thin film transistor, it is necessary to use a semiconductor material. Therefore, it is necessary to remove metallic carbon nanotubes from the carbon nanotube mixture to obtain necessary semiconducting carbon nanotubes.
従来、上述したようなカーボンナノチューブ混合物から、金属性のカーボンナノチューブと絶縁性のカーボンナノチューブとに分離する方法として、特にその電気伝導率に関して所望のナノチューブ材料を得るためのナノチューブの精製方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、電子ビーム照射またはコロナ放電シャワーで帯電させたカーボンナノチューブ混合物を、回転ドラムに撒き、その回転ドラムを回転させることで、帯電しなかった金属性のカーボンナノチューブを回転ドラムから除くことで、絶縁性のカーボンナノチューブと金属性のカーボンナノチューブを分離するナノチューブの精製方法を開示している。
Conventionally, as a method for separating a carbon nanotube mixture as described above into metallic carbon nanotubes and insulating carbon nanotubes, a method for purifying nanotubes has been disclosed in order to obtain a desired nanotube material particularly with respect to its electrical conductivity. (For example, refer to Patent Document 1). In
図５は、従来例のカーボンナノチューブの精製方法における回転ドラム機構装置の概念図である。特許文献１によれば、図５に示すように、回転ドラム機構装置７１において、カーボンナノチューブ混合物７２が回転ドラム７３の表面に散布され、これにコロナ放電装置７６から放電シャワー、または電子ビ−ム装置から電子ビームが照射されて、カーボンナノチューブ混合物７２が帯電させられる。回転ドラム７３を回転させることにより帯電しなかった金属性のカーボンナノチューブ７４は回転ドラム７３から落下して除かれ、カーボンナノチューブ混合物７２に含まれた金属性のカーボンナノチューブ７４と絶縁性のカーボンナノチューブ７５とが分離される。
FIG. 5 is a conceptual diagram of a rotating drum mechanism apparatus in a conventional carbon nanotube purification method. According to
しかし、上記従来の技術によれば、ナノチューブの精製をする際に、大型で高価格の回転ドラムとその機構装置を必要とする。また、電気伝導率に関する分離度を上げるために、上記回転工程サイクルを何回も実施する必要がある。 However, according to the above conventional technique, a large and expensive rotary drum and its mechanism device are required when purifying the nanotubes. In addition, it is necessary to carry out the above rotation process cycle many times in order to increase the degree of separation related to electrical conductivity.
ナノチューブ混合物から電気伝導率範囲を絞った、特に半導体性のカーボンナノチューブを選択的に分離収集する、簡便で、小型低価格の装置を使って精製することが可能なナノチューブの精製方法が望まれている。
特許文献１によれば、電子ビーム照射またはコロナ放電で帯電させたカーボンナノチューブ混合物を、回転ドラムに撒き、その回転ドラムを回転させることで、帯電しなかった金属性のカーボンナノチューブを回転ドラムから落下させることにより、絶縁性のカーボンナノチューブと金属性のカーボンナノチューブを分離するナノチューブの精製方法が開示されている。その精製方法の実施のためには、回転ドラムを使用した大型で高価格の回転機構装置を必要とするという問題がある。
According to
特許文献１によれば、カーボンナノチューブの精製において、電気伝導率に関する分離度を上げるために、上記回転サイクルを何回も実施する必要があり、精製するために数回の工程サイクルを必要とするという問題がある。
According to
本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、ナノチューブ混合物から金属性のナノチューブを除去し、所望のナノチューブを分離するために、ナノチューブ混合物を帯電させ、分散し、電界を印加して所望のナノチューブを選択的に移動分離させることにより、電気伝導率範囲を絞った所望のナノチューブ、特に、半導体性のカーボンナノチューブを簡便な方法で得ることが可能となり、また、低価格の小型装置で精製することが可能なナノチューブの精製方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and in order to remove metallic nanotubes from the nanotube mixture and separate the desired nanotubes, the nanotube mixture is charged, dispersed, and an electric field is applied to obtain the desired nanotubes. By selectively moving and separating these nanotubes, it is possible to obtain desired nanotubes with a narrow electrical conductivity range, especially semiconducting carbon nanotubes, by a simple method, and purification with a low-priced small device. It is an object of the present invention to provide a method for purifying nanotubes that can be used.
本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
すなわち、本発明のナノチューブの精製方法は、ナノチューブ混合物から所望のナノチューブを得る工程を有するナノチューブの精製方法であって、その工程が、ナノチューブ混合物を少なくとも含むナノチューブ含有材料を帯電する帯電処理工程と、ナノチューブ含有材料を分散する材料分散工程と、ナノチューブ含有材料に少なくとも電界を印加する電界印加工程と、電界によって移動したナノチューブを分離する分離工程と、を少なくとも含むことを特徴とするものである。また、具体的には、ナノチューブは、カーボンナノチューブであることを特徴とするものである。また、望ましくは、ナノチューブ混合物は、その大きさがほぼ均一であることを特徴とするものである。 That is, the method for purifying a nanotube of the present invention is a method for purifying a nanotube having a step of obtaining a desired nanotube from a nanotube mixture, and the step includes a charging treatment step for charging a nanotube-containing material containing at least the nanotube mixture, It includes at least a material dispersion step for dispersing the nanotube-containing material, an electric field application step for applying at least an electric field to the nanotube-containing material, and a separation step for separating the nanotubes moved by the electric field. Specifically, the nanotube is a carbon nanotube. Desirably, the nanotube mixture is substantially uniform in size.
これにより、ナノチューブ混合物から金属性のナノチューブを除去し、所望のナノチューブを分離するために、特に、大きさがほぼ均一なカーボンナノチューブ混合物を帯電させ、分散し、電界を印加して所望のカーボンナノチューブを選択的に移動分離させることにより、電気伝導率範囲を絞ったカーボンナノチューブ、特に、半導体性のカーボンナノチューブを簡便な方法で得ることが可能となる。 Thereby, in order to remove metallic nanotubes from the nanotube mixture and separate the desired nanotubes, in particular, the carbon nanotube mixture having a substantially uniform size is charged, dispersed, and an electric field is applied to the desired carbon nanotubes. By selectively moving and separating the carbon nanotubes, it is possible to obtain carbon nanotubes with a narrow electric conductivity range, in particular, semiconducting carbon nanotubes by a simple method.
具体的には、本発明のナノチューブの精製方法における帯電処理工程は、ナノチューブ含有材料を接触帯電、コロナ放電および電子ビーム照射より選択された少なくとも１つの方法により帯電させる工程を有することを特徴とするものである。また、さらに具体的には、接触帯電による帯電処理工程は、ナノチューブ含有材料を交流磁場印加、交流電場印加、超音波照射および機械的振動付与より選択された少なくとも１つの方法により混合撹拌して帯電させる工程を有することを特徴とするものである。 Specifically, the charging treatment step in the nanotube purification method of the present invention includes a step of charging the nanotube-containing material by at least one method selected from contact charging, corona discharge, and electron beam irradiation. Is. More specifically, in the charging process by contact charging, the nanotube-containing material is charged by mixing and stirring by at least one method selected from application of an alternating magnetic field, application of an alternating electric field, ultrasonic irradiation, and mechanical vibration. It is characterized by having the process of making it.
また、詳しくは、ナノチューブ含有材料は、磁性粒子を少なくとも含むことを特徴とするものである。また、さらに詳しくは、帯電処理工程は、ナノチューブ含有材料を振動磁場あるいは回転磁場などの磁場で撹拌して帯電させる工程を有することを特徴とするものである。 In more detail, the nanotube-containing material includes at least magnetic particles. More specifically, the charging treatment step includes a step of charging the nanotube-containing material by stirring with a magnetic field such as an oscillating magnetic field or a rotating magnetic field.
また、具体的には、材料分散工程は、電位が設定された電極上または基板上にナノチューブ含有材料が分散される工程を含み、電界印加工程は、電極と対向電極あるいは対向基板との間に電界を印加する工程を有することを特徴とするものである。 Specifically, the material dispersion step includes a step of dispersing the nanotube-containing material on the electrode or substrate on which the potential is set, and the electric field application step includes a step between the electrode and the counter electrode or the counter substrate. It has the process of applying an electric field, It is characterized by the above-mentioned.
また、別に具体的には、材料分散工程は、ナノチューブ含有材料が、略平行に設けられた少なくとも２枚の電極の空間中に出射される工程を有し、電界印加工程は、ナノチューブ含有材料が出射された電極間に電界を印加する工程を有することを特徴とするものである。 In addition, specifically, the material dispersion step includes a step in which the nanotube-containing material is emitted into a space between at least two electrodes provided substantially in parallel. It has the process of applying an electric field between the emitted electrodes.
また、電界は、所定の電圧を有する少なくとも直流電界であることを特徴とするものである。 The electric field is at least a DC electric field having a predetermined voltage.
また、望ましくは、電界印加工程は、帯電処理工程によって得られた帯電量を検知し、検知された前記帯電量に応じて調整した電界を印加する工程を有することを特徴とするものである。 Preferably, the electric field applying step includes a step of detecting the charge amount obtained by the charging process step and applying an electric field adjusted according to the detected charge amount.
さらに望ましくは、電界印加工程は、所望の電気伝導率範囲値と検知された帯電量とによって調整した電界を印加する工程を有し、分離工程は、一方の電極側に移動した所望の電気伝導率範囲値を有するナノチューブを分離収集して得ることを特徴とするものである。 More preferably, the electric field application step includes a step of applying an electric field adjusted according to a desired electric conductivity range value and the detected charge amount, and the separation step includes a desired electric conductivity moved to one electrode side. It is characterized by being obtained by separating and collecting nanotubes having a rate range value.
また、具体的には、ナノチューブ混合物から所望のナノチューブを得る前記工程に含む材料分散工程、帯電処理工程、電界印加工程および分離工程の少なくとも１つまたは２つ以上の工程は、電気絶縁性の液体中における電気泳動法によって行われることを特徴とするものである。 Specifically, at least one or two or more of a material dispersion step, a charging treatment step, an electric field application step, and a separation step included in the step of obtaining a desired nanotube from a nanotube mixture are electrically insulating liquids. It is performed by the electrophoresis method in the inside.
また、本発明のナノチューブ精製装置は、一方の電極と電気絶縁性の基板を具備し、電極に対して基板とは間隙を挟んでほぼ平行に対向して少なくとも対向電極を具備し、基板上にナノチューブ含有材料を分散配置した後、電界を印加する電界印加装置によって電極と対向電極間に直流電圧を印加し、対向電極側に帯電した所望のナノチューブを選択的に移動分離させることを特徴とするものである。 Further, the nanotube purification apparatus of the present invention includes one electrode and an electrically insulating substrate, and includes at least a counter electrode facing the electrode substantially in parallel with a gap between the electrode and the substrate. After the nanotube-containing material is dispersed and arranged, a DC voltage is applied between the electrode and the counter electrode by an electric field applying device that applies an electric field, and the desired nanotube charged on the counter electrode side is selectively moved and separated. Is.
また、本発明のナノチューブ精製装置は、ナノチューブ含有材料を帯電処理させるための帯電処理装置と、帯電処理装置から帯電したナノチューブ含有材料が出射される空間を有する略平行に設けた少なくとも電極、対向電極を具備し、少なくともナノチューブ含有材料が空間中に出射されている時、電極，対向電極間に所定の直流電界を印加し、対向電極側に帯電した所望のナノチューブを選択的に移動分離させることを特徴とするものである。また、本発明のナノチューブ精製装置は、少なくとも電極と対向電極を設けた間隙に、ナノチューブ混合物を分散し帯電させる電気絶縁性の液体を具備し、電圧を印加する電界印加装置により両電極間に電圧を印加して、電気泳動により対向電極側に帯電した所望のナノチューブを引きつけて、選択的に移動分離させることを特徴とするものである。 In addition, the nanotube purification apparatus of the present invention includes a charging device for charging a nanotube-containing material, and at least an electrode and a counter electrode provided substantially in parallel with a space from which the charged nanotube-containing material is emitted from the charging device. And at least when a nanotube-containing material is emitted into the space, a predetermined direct current electric field is applied between the electrode and the counter electrode to selectively move and separate desired nanotubes charged on the counter electrode side. It is a feature. The nanotube purification apparatus of the present invention comprises an electrically insulating liquid that disperses and charges the nanotube mixture in at least a gap provided with an electrode and a counter electrode, and a voltage is applied between both electrodes by an electric field application device that applies a voltage. , And attracts desired nanotubes charged to the counter electrode side by electrophoresis, and selectively moves and separates them.
なお、以上に述べた各工程、構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。 In addition, each process and structure described above can be combined with each other without departing from the gist of the present invention.
以上のように、本発明のナノチューブの精製方法により、ナノチューブ混合物から金属性のナノチューブを除去し、所望のナノチューブを分離するために、カーボンナノチューブ混合物を帯電させ、分散し、電界を印加して所望のカーボンナノチューブを選択的に移動分離させることにより、絞った範囲の電気伝導率の値を有するカーボンナノチューブ、特に、半導体性のカーボンナノチューブを簡便に得ることが可能となる。 As described above, the nanotube purification method of the present invention removes metallic nanotubes from the nanotube mixture and separates the desired nanotubes by charging, dispersing, and applying an electric field to the desired carbon nanotube mixture. By selectively moving and separating the carbon nanotubes, it is possible to easily obtain carbon nanotubes having electrical conductivity values in a narrowed range, particularly semiconducting carbon nanotubes.
また、本発明のナノチューブの精製方法により、低価格の小型装置で精製することが可能となるナノチューブの精製方法とすることができる。 In addition, the nanotube purification method of the present invention can provide a nanotube purification method that enables purification with a low-cost small apparatus.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下で説明する図面において、同一要素については同じ番号を付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings described below, the same elements are given the same numbers.
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１であるナノチューブの精製方法におけるナノチューブ精製装置を示す断面概念図である。図１におけるナノチューブ精製装置１を使用したナノチューブを精製する実施の形態１の工程として、図示しないが、事前に、少なくとも金属性および半導体性のナノチューブを例えば約１：２の割合で含むナノチューブ混合物の、大きさをほぼ均一に揃える。ナノチューブ混合物を、メンブランフィルターやミクロフィルターなどの微細孔を有するフィルターに数回通すなどの方法を利用し、事前に約１〜２μｍの長さにほぼそろったカーボンナノチューブ混合物を得る。また、超遠心分離器などによりカーボンナノチューブの直径、長さを含めた大きさの均一化を図ることが可能である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view showing a nanotube purification apparatus in the method for purifying nanotubes according to
次に、大きさがほぼ均一にそろったカーボンナノチューブ混合物の材料に、磁性粒子などの材料を混合してナノチューブ含有材料を用意する。磁性粒子は、フェライト、マグネタイト、ヘマタイトなどの鉄、コバルト、ニッケル、マンガンなどの合金や化合物、その他の強磁性合金などの磁性材料が含有される、粒径が約１〜数１００μｍの磁性粒子が利用可能である。磁性粒子の形状は、球状、針状、棒状、粉状、薄片状などが利用可能である。ナノチューブ含有材料には、本発明の範疇において他の材料、例えば、上記磁性粒子が半導体性のナノチューブとは逆極性に帯電するように電荷付与材をその表面上に付着させることができ、さらに必要であれば他の材料も混合することができる。 Next, materials such as magnetic particles are mixed with a material of a carbon nanotube mixture having a substantially uniform size to prepare a nanotube-containing material. The magnetic particles are magnetic particles having a particle size of about 1 to several hundreds of μm containing magnetic materials such as iron, cobalt, nickel, manganese and other magnetic materials such as ferrite, magnetite and hematite, and other ferromagnetic alloys. Is available. As the shape of the magnetic particle, a spherical shape, a needle shape, a rod shape, a powder shape, a flake shape, or the like can be used. For the nanotube-containing material, other materials, for example, a charge-imparting material can be attached on the surface so that the magnetic particles are charged with a polarity opposite to that of the semiconducting nanotube, and further necessary. If so, other materials can be mixed.
そして、上記カーボンナノチューブ混合物を少なくとも含むナノチューブ含有材料に含まれる少なくとも半導体性、半絶縁性からなるカーボンナノチューブを、帯電させる帯電処理工程として、実施の形態１においては、接触帯電による方法でナノチューブ含有材料を帯電させる。上述の磁性粒子を混合したナノチューブ含有材料を、マグネット塊を振動させる振動磁場印加装置（図示省略）、あるいはマグネット塊を回転させる回転磁場印加装置（図示省略）に挿入して、印加磁場の位置、その強度や周期を変動させる。印加磁場の変動を受けてナノチューブ含有材料に含まれる強磁性体材料である磁性粒子が内部で高速に上下左右にあるいは回転して大きく動き回り、ナノチューブ含有材料からなる微粉末はほぼ均一に混合撹拌される。そして同時に上記装置内部では、カーボンナノチューブ混合物と磁性粒子、あるいはカーボンナノチューブ同士などが接触あるいは摩擦することによって接触帯電あるいは摩擦帯電が起きることになるので、ナノチューブ含有材料の少なくとも半導体性、半絶縁性などの材料を帯電させることができる。 As a charging treatment step for charging at least semiconducting and semi-insulating carbon nanotubes contained in the nanotube-containing material containing at least the carbon nanotube mixture, in the first embodiment, the nanotube-containing material is obtained by contact charging. Is charged. The nanotube-containing material mixed with the magnetic particles described above is inserted into an oscillating magnetic field application device (not shown) that vibrates the magnet mass, or a rotating magnetic field application device (not shown) that rotates the magnet mass, and the position of the applied magnetic field, The intensity and period are changed. In response to fluctuations in the applied magnetic field, the magnetic particles, which are ferromagnetic materials contained in the nanotube-containing material, move around in a large direction at high speed, up and down, left and right, and the powder containing the nanotube-containing material is mixed and stirred almost uniformly. The At the same time, contact charging or frictional charging occurs due to contact or friction between the carbon nanotube mixture and the magnetic particles, or between the carbon nanotubes, so at least the semiconducting property, semi-insulating property, etc. of the nanotube-containing material The material can be charged.
上記帯電処理工程において、磁性粒子を含んだナノチューブ含有材料を接触帯電の方法で帯電させるとしたが、コロナ帯電、イオンフローシャワーあるいは電子ビーム照射などの方法を利用してナノチューブ含有材料を帯電させても同様に実施可能である。 In the charging process, the nanotube-containing material containing magnetic particles is charged by a contact charging method. However, the nanotube-containing material is charged by using a method such as corona charging, ion flow shower or electron beam irradiation. Can be similarly implemented.
また、上記接触帯電による帯電処理工程において、ナノチューブ含有材料を交流磁場印加、交流電場印加、超音波照射および機械的振動付与などや、その組み合わせによって接触帯電させてもよい。この時、上記ナノチューブ含有材料においては必要に応じて磁性粒子を含ませてよい。 In the charging process using contact charging, the nanotube-containing material may be contact-charged by applying an alternating magnetic field, applying an alternating electric field, applying ultrasonic waves, applying mechanical vibration, or the like, or a combination thereof. At this time, the nanotube-containing material may contain magnetic particles as necessary.
図１に示すように、本発明の実施の形態１に使用するナノチューブ精製装置１は、表面がほぼ平坦状の形状をした電極２の上にポリカーボネートなどのプラスチックシ−トやセラミックシートなどの電気絶縁性の基板３を具備し、また、電極２に対向して、従って基板３とは間隙（例えば、約１００μｍ）を挟んでほぼ平行に対向した形で対向電極４やその内側に対向基板５を設けている。電極２と基板３、対向電極４と対向基板５とはそれぞれ接触していても非接触でもよく、基板３は例えば接地電位などの電位設定をした電極２と電気的に接続し、対向基板５は対向電極４とに接続している。
As shown in FIG. 1, a
次の材料分散工程として、電位設定された電気絶縁性の基板３の表面に、上記の帯電処理工程で帯電あるいは非帯電させたカーボンナノチューブ混合物や磁性粒子を含むナノチューブ含有材料６を、好ましくは均一に散布し分散する。
As the next material dispersion step, the nanotube-containing
図１において、材料分散工程あるいは下に述べる電界印加工程において、静電気測定器７や表面電位計などの帯電量検知器８を使用して、上述の帯電処理工程によって帯電させたナノチューブ含有材料６の帯電量を非接触で測定検知する。
In FIG. 1, in the material dispersion step or the electric field application step described below, the nanotube-containing
図２は、実施の形態１におけるナノチューブ精製方法の電界印加工程を示す概念図である。図１における材料分散工程において、基板３表面上にナノチューブ含有材料を分散配置した後、図２において、電界印加工程として、ナノチューブ精製装置１の電極２と対向電極４の間に、その間隙にもよるが、電界印加装置２０によって、直流電圧Ｖを徐々に所定の電圧（数十Ｖ〜数百Ｖ）まで印加する。上記で直流電圧はバイアス直流電圧を重畳した交流電圧でもよく、バイアス電圧重畳の交流電圧によりナノチューブ含有材料６はより攪乱され分離されすくなる。また、図１で、帯電量検知器８により検知した帯電量に応じて印加する電界値を調整設定し電極２と対向電極４との間に、電界印加装置２０によって調整した直流電圧（Ｖ）を印加することができる。電界印加により対向電極４、対向基板５側に矢印のように帯電した半導体性のカーボンナノチューブ９を選択的に移動分離させ、収集することにより、所望のナノチューブを得て分離工程を終える。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an electric field application step of the nanotube purification method in the first embodiment. In the material dispersion step in FIG. 1, after the nanotube-containing material is dispersed and arranged on the surface of the
実験の結果では、表１の結果例に示すように、両電極間に非常に高い電圧（例えば１００Ｖ以上）を印加することにより、対向電極４，対向基板５側に移動した、カーボンナノューブ混合物の約２／３の分量を占める半導体性のカーボンナノューブ７を分離収集することができた。そして、電極２、基板３側には、帯電しなかった高い電気伝導率を有する約１／３の分量の金属性のカーボンナノチューブおよび混合された逆極性に帯電した重い重量の磁性粒子が残った。
As a result of the experiment, as shown in the result example of Table 1, the carbon nanotube moved to the
また、実験の結果では、表２の結果例に示すように、カーボンナノチューブ混合物のナノチューブの大きさと混合物の分量がほぼ一定の条件下においては、検知した帯電量が大きい場合には低い電圧を印加し、検知した帯電量が小さい場合には高い電圧を印加するように電圧を調整することにより、より所望のほぼ一定の電気伝導率以下、あるいは一定の範囲の電気伝導率の半導体性のカーボンナノューブを得ることができた。 In the experimental results, as shown in the result example of Table 2, a low voltage is applied when the detected charge amount is large under the condition that the size of the carbon nanotube mixture and the amount of the mixture are substantially constant. However, if the detected charge amount is small, the voltage is adjusted so that a high voltage is applied, so that a semiconducting carbon nano tube having a desired electric conductivity below a certain value or within a certain range is obtained. I was able to get a probe.
また、実施の形態１の電界印加工程において、所望の値の電気伝導率範囲を設定し、この範囲値と検知された帯電量とによって、電界を調整して印加することにより、所望の設定した電気伝導率範囲の値を有するほぼ均一なカーボンナノューブを選択して分離し得ることできる。 Further, in the electric field application step of the first embodiment, a desired value is set by setting an electric conductivity range of a desired value and adjusting and applying the electric field according to the range value and the detected charge amount. Almost uniform carbon nanotubes with values in the electrical conductivity range can be selected and separated.
なお、実施の形態１において、図１，２におけるナノチューブ精製装置１は、基板と電極を組み合わせた構成としたが、電極２と対向電極４の電極のみからなる構成でもよく、同様に実施可能であり、この場合には、ナノチューブ含有材料６を電極２の表面上に直接散布し分散する。あるいは、基板３と対向基板５の基板のみからなる構成でもよく、同様に実施可能であり、この場合にはナノチューブ含有材料６を基板３の表面上に散布する。上記基板３と対向基板５の電気絶縁性の基板のみからなる構成では、その間隙にもよるが千Ｖ〜数千Ｖの高い直流電圧を印加する。また、基板の絶縁性や表面抵抗や雰囲気の温度湿度などの違いによりその印加電圧、電位設定条件を調整する必要がある。また、電極間の間隙の値により、印加する電界の値を変える必要があることは勿論である。
In the first embodiment, the
また、本実施の形態において、帯電量検知器８を使用して、帯電させたナノチューブ含有材料６の帯電量を検知し、検知した帯電量に応じて印加する電界値を調整し電極２と対向電極４との間に電圧を印加するとしたが、帯電量を検知せずに所定の電圧を両電極間に印加しても構わない。その場合には、不均一ではあるが広い範囲の電気伝導率の半導体性、半絶縁性のカーボンナノチューブが得ることができる。
In the present embodiment, the
本発明のナノチューブの精製方法における実施の形態１の工程により、カーボンナノチューブ混合物を帯電させ、分散し、電界を印加して分離し単サイクルの工程で簡便に、所望の電気伝導率以下の範囲に絞った半導体性のナノチューブを選択的に分離収集して得ることができる。
According to the process of
また、実施の形態１による精製方法によって、少なくとも２枚の電極あるいは基板の構成を有する電界印加構成により、回転機構を不要とする低価格で小型のナノチューブ精製装置を使用して精製することができる。 In addition, the purification method according to the first embodiment can be purified using a low-priced and small-sized nanotube purification apparatus that does not require a rotating mechanism by using an electric field application configuration having a configuration of at least two electrodes or substrates. .
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２であるナノチューブの精製方法におけるナノチューブ精製装置を示す断面概念図である。図３におけるナノチューブ精製装置１１を使用したナノチューブを精製する実施の形態２の工程として、まず事前に、実施の形態１と同じように、大きさをほぼ均一に揃えたカーボンナノチューブ混合物材料を用意する。この材料とナノチューブとは逆極性に帯電するように処理した磁性粒子とを混合したナノチューブ含有材料６を、実施の形態１と同じように混合撹拌して接触帯電させるために、振動磁場や回転磁場によって帯電処理装置１２の中で帯電処理する。次に、材料分散工程として、上記帯電処理したナノチューブ含有材料６を、約５ｍｍの間隙をあけて略平行に設けた少なくとも電極１３、対向電極１４の間の空間１５に向けて帯電処理装置１２から、例えば空気や不活性ガスなどのガス圧を利用して上方から出射し落下させる。そして、上記材料分散工程と同時に、電界印加工程として、ナノチューブ含有材料６がその空間中に出射された電極１３，対向電極１４間に所定の値の直流電圧（例えば１０００Ｖ）を印加し、直流電界を印加する。あるいはバイアス直流電圧を重畳した交流電界を印加してもよい。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional conceptual diagram showing a nanotube purification apparatus in the nanotube purification method according to the second embodiment of the present invention. As a process of the second embodiment for purifying a nanotube using the nanotube purifying apparatus 11 in FIG. 3, first, in advance, as in the first embodiment, a carbon nanotube mixture material having substantially uniform sizes is prepared. . To mix and stir the nanotube-containing
上記工程の順番としては、電界印加工程を経て材料分散工程に入る方が、ナノチューブの分離度としてはよい結果を得ることができる。 As the order of the above steps, a better result can be obtained as the degree of separation of the nanotubes by entering the material dispersion step through the electric field application step.
そして、上記電界が印加されている２枚の電極間の空間１５に出射されたナノチューブ含有材料６の帯電した材料は、落下しながら静電気によるクーロン力で電界に引きつけられ弧を描くように分離して行き、帯電あるいは逆極性に帯電した材料は、それぞれ電極１３，対向電極１４側に付着する。そして、非帯電の材料や重い材料などは両電極に引きつけられることなく下方に落下する。
The charged material of the nanotube-containing
実験の結果では、一方の電極１３側には、カーボンナノチューブ混合物の約２／３の分量の帯電した半導体性のカーボンナノチューブ１６が引きつけられ、対向電極１４側には、逆極性に帯電した磁性粒子１７などが引きつけられた。カーボンナノチューブ混合物の約１／３の分量の帯電していない金属性のカーボンナノチューブ１８や重い磁性粒子１７は下方に落下した。
As a result of the experiment, a charged
また、図３に示すように、電気伝導率の値に応じて帯電した、大きさをほぼ揃えた半導体性のカーボンナノチューブは、落下しつつ電極１３に引きつけられ、漸次、電極１３の異なる上下の位置に分離付着する。電極１３の上側の位置には、帯電量が大きく電気伝導率が低い値を有する高抵抗の半導体性のカーボンナノチューブ１６が得られる。電極１３の下側の位置には、帯電量が少なく電気伝導率が高い値を有する低抵抗の半導体性のカーボンナノチューブ１６が得られる。その途中の位置には、その中間の連続した値の電気伝導率のナノチューブが得られる。
In addition, as shown in FIG. 3, the semiconducting carbon nanotubes charged according to the value of electrical conductivity and having almost the same size are attracted to the electrode 13 while falling, and gradually, the upper and lower sides of the electrode 13 differingly. Separate and adhere to the position. At the position above the electrode 13, a high-resistance
実験の結果では、表３の結果例に示すように、図３の特定の位置に分離付着した半導体性のカーボンナノチューブを収集することにより、所望のほぼ均一な電気伝導率の値の、あるいはほぼ均一な電気伝導率範囲の値を有する半導体性のカーボンナノチューブを得ることができた。 As a result of the experiment, as shown in the result example of Table 3, by collecting semiconducting carbon nanotubes separated and attached at specific positions in FIG. 3, a desired substantially uniform electrical conductivity value or almost Semiconducting carbon nanotubes having a uniform electric conductivity range could be obtained.
上記実施の形態２において、ナノチューブ含有材料に磁性粒子の材料を混合して帯電処理すると説明したが、磁性粒子を含まず帯電処理できる方法であれば、磁性粒子を混合する必要はなく、同様に実施が可能である。 In the second embodiment, it has been described that the magnetic material is mixed with the nanotube-containing material and charged. However, the magnetic particles need not be mixed as long as the method can be charged without containing the magnetic particles. Implementation is possible.
また、実施の形態２の工程において、カーボンナノチューブ混合物の大きさを事前に均一に揃えるように説明したが、大きさが異なるものを含んだカーボンナノチューブ混合物を使用してもよく、その場合は、半導体性のカーボンナノチューブが電極に付着する位置は、ナノチューブの大きさと電気伝導率の値を加味した位置に付着する。 Further, in the process of the second embodiment, the carbon nanotube mixture has been described so as to have a uniform size in advance, but a carbon nanotube mixture containing different sizes may be used. The position where the semiconducting carbon nanotube adheres to the electrode is attached at a position that takes into account the size of the nanotube and the value of electrical conductivity.
図４は、実施の形態２における別の実施例であるナノチューブ精製装置を示す断面概念図である。図３と同一要素については同じ参照番号を付与している。図３と異なるのは、ナノチューブ精製装置１１の電極１３を上側に、他方の電極１４を下側に平行に水平に設けるように構成していることである。材料分散工程として、間隙を挟んで水平に配置した電極１３、１４の間の空間１５に向けて、帯電処理装置１２の横方向からナノチューブ含有材料６をほぼ水平に出射する。この時、電界印加工程として、電極１３，対向電極１４間には直流電圧（Ｖ）が印加されているようにする。
FIG. 4 is a conceptual cross-sectional view showing a nanotube purification apparatus which is another example of the second embodiment. The same elements as those in FIG. 3 are given the same reference numerals. 3 is different from FIG. 3 in that the electrode 13 of the nanotube refining device 11 is horizontally provided parallel to the upper side and the
上側に配置された電極１３は、少なくとも帯電した半導体性のカーボンナノチューブを静電気クーロン力で引きつけ付着させる。下側に平行に配置した対向電極１４には、帯電していない金属性のカーボンナノチューブや逆極性に帯電した重い磁性粒子が下方に移動して付着する。
The electrode 13 disposed on the upper side attracts and attaches at least charged semiconductor carbon nanotubes by electrostatic Coulomb force. On the
上記で、本発明のナノチューブの精製方法における実施の形態２の工程により、カーボンナノチューブ混合物を帯電させ、分散し、電界を印加して、単サイクルの工程で簡便に、電気伝導率をほぼ均一に絞った所望の半導体性のカーボンナノチューブを選択的に分離収集して得ることができる。
In the above, the carbon nanotube mixture is charged, dispersed, and an electric field is applied by the step of
また、実施の形態２による精製方法によって、少なくとも２枚の平行に設けた電界印加した電極間の空間に、帯電させたナノチューブ混合物を出射させ、電界印加により選択的に分離収集することが可能な低価格のナノチューブ精製装置を使用することができる。 In addition, by the purification method according to the second embodiment, it is possible to emit a charged nanotube mixture into a space between at least two parallel electrodes to which an electric field is applied, and selectively separate and collect the mixture by applying an electric field. A low cost nanotube purifier can be used.
以上のように、本発明のナノチューブの精製方法により、ナノチューブ混合物から金属性のナノチューブを除去し、所望のナノチューブを分離するために、カーボンナノチューブ混合物を帯電させ、分散し、電界を印加して所望のカーボンナノチューブを選択的に移動分離させることにより、電気伝導率を絞ったカーボンナノチューブ、特に、半導体性のカーボンナノチューブを簡便に得ることが可能となる。 As described above, the nanotube purification method of the present invention removes metallic nanotubes from the nanotube mixture and separates the desired nanotubes by charging, dispersing, and applying an electric field to the desired carbon nanotube mixture. By selectively moving and separating the carbon nanotubes, it is possible to easily obtain carbon nanotubes with reduced electrical conductivity, particularly semiconducting carbon nanotubes.
また、本発明のナノチューブの精製方法により、低価格の小型装置で精製することが可能となるナノチューブの精製方法とすることができる。 In addition, the nanotube purification method of the present invention can provide a nanotube purification method that enables purification with a low-cost small apparatus.
なお、本発明のナノチューブの精製方法は、電気絶縁性液体中における電気泳動法によって実施することも可能である。図５は、本発明のナノチューブの精製方法における他のナノチューブ精製装置を示す断面概念図である。図５において、電気泳動法によるナノチューブ精製装置２１において、ナノチューブ混合物をイソパラフィン系炭化水素などの分散媒などによる電気絶縁性の液体２５中に分散すると、界面動電位の発生によりナノチューブ混合物は帯電する。各種ナノチューブ１６，１８の材料の帯電の極性は、ナノチューブの種類と分散媒溶液の種類により変えることができる。そして、電界印加装置２０により電圧を印加し電界を印加することにより、帯電した半導体性のナノチューブ１６を一方の対向電極２４側に電気泳動により引きつけ、他方の電極２２側には逆極性に帯電した材料や、非帯電あるいは逆帯電した金属性のナノチューブ１８を液体２５中で下方に移動させ分離することができる。分離工程として、各帯電材料の移動速度の違いを利用して、所望の帯電した材料を、ここでは半導体性のカーボンナノチューブを選択的に取り出すこともできる。図５における本発明のナノチューブの精製方法における工程は、材料分散工程に入ると同時に帯電処理工程がなされ、次いで電界印加工程、分離工程と進めることになる。
Note that the method for purifying nanotubes of the present invention can also be carried out by electrophoresis in an electrically insulating liquid. FIG. 5 is a conceptual cross-sectional view showing another nanotube purification apparatus in the method for purifying nanotubes of the present invention. In FIG. 5, when the nanotube mixture is dispersed in an electrically insulating
また、実施の形態１、２において、カーボンナノチューブ混合物の大きさを均一に揃えるほど、本発明で精製される所望のカーボンナノチューブの電気伝導率の値を揃えることが可能となるが、所望のナノチューブの違いにより、大きさの均一性の値について上記に限定されるものではなく、各種大きさ（例えば、長さ０．１〜１０μｍ、直径０．５〜数１０ｎｍ）のナノチューブを使用することができる。
Further, in
また、カーボンナノチューブ混合物の中の金属性と半導体性のカーボンナノチューブが約１：２の分量比として説明したが、分量比が異なるカーボンナノチューブ混合物の材料を用いてもその比率の所望の半導体性のカーボンナノチューブを得ることができる。 In addition, the metallic and semiconducting carbon nanotubes in the carbon nanotube mixture have been described as having a ratio of about 1: 2, but the ratio of the desired semiconducting properties can be achieved even if carbon nanotube mixture materials having different ratios are used. Carbon nanotubes can be obtained.
また、上記では精製工程を単サイクルで実施するとして説明したが、数サイクル繰り返しても構わない。本発明のナノチューブの精製方法における工程は、帯電処理工程、材料分散工程、電界印加工程、分離工程を含む工程であり、その順序や時期は異なっても良いし、同時に行ってもよい。また、複数の工程を繰り返してから他の工程へ移っても構わない。 In the above description, the purification process is performed in a single cycle. However, several cycles may be repeated. The steps in the method for purifying nanotubes of the present invention are steps including a charging treatment step, a material dispersion step, an electric field application step, and a separation step, and the order and timing may be different or may be performed simultaneously. Moreover, you may move to another process, after repeating a some process.
また、好ましくは、上記実施の形態などの各工程において帯電条件を一定にするために、上記ナノチューブ精製装置は、特に電極間の空間中における温度、湿度を最適条件、例えば、温度約３０℃、湿度約４０％などの乾燥状態に制御する方がよい。また、実施の形態１、２において、カーボンナノチューブを精製するとして説明したが、将来において、カーボン他の材料からなるナノチューブの精製に利用できる可能性がある。
Further, preferably, in order to make charging conditions constant in each step such as the above-described embodiment, the nanotube purifying apparatus is particularly suitable for the temperature and humidity in the space between the electrodes under optimum conditions, for example, a temperature of about 30 ° C., It is better to control to a dry state such as about 40% humidity. In
また、本発明のナノチューブの精製方法を使用して、所望の電気伝導率がほぼ均一な半導体性のナノチューブ材料をあらかじめ得ることにより、ナノチューブ型の薄膜トランジスタにおける半導体層を形成するので、微細で高性能な薄膜トランジスタを高い歩留まりで製造することができる。また、本発明のナノチューブの精製方法を使用して、所望の電気伝導率がほぼ均一な半導体性のナノチューブ材料をあらかじめ得ることにより、有機半導体材料と本発明の精製方法によって得た半導体性のナノチューブとを複合させた複合系半導体層型の薄膜トランジスタを作成することができる。 Also, by using the nanotube purification method of the present invention to obtain a semiconducting nanotube material having a substantially uniform electrical conductivity in advance, a semiconductor layer in a nanotube type thin film transistor is formed. Thin film transistors can be manufactured with high yield. In addition, by using the method for purifying nanotubes of the present invention to obtain a semiconducting nanotube material having a substantially uniform desired electrical conductivity in advance, an organic semiconductor material and the semiconducting nanotubes obtained by the purification method of the present invention are obtained. And a composite semiconductor layer type thin film transistor can be produced.
また、本発明のナノチューブの精製方法で得ることができる半導体性のナノチュ−ブは、半導体回路装置や、その半導体回路装置を使用した携帯機器や使い捨て機器あるいはその他の電子機器などの薄膜トランジスタやデバイスに適用することもできる。薄膜トランジスタを画素のスイッチング素子や周辺の駆動回路として多数配置し設けるように構成したディスプレイや、情報処理記録するＩＣ部や記憶部と無線通信用のアンテナ部を有する超小型装置である無線ＩＣタグ（ＲＦＩＤタグ）の、少なくともＩＣ部に設けるように構成した無線ＩＣタグや、あるいは薄膜トランジスタを使用した半導体回路装置を設けた携帯機器、使い捨てデバイスなどの電子機器に使用することができる。 In addition, the semiconducting nanotubes obtained by the method for purifying nanotubes of the present invention are used in thin film transistors and devices such as semiconductor circuit devices, portable devices, disposable devices, and other electronic devices using the semiconductor circuit devices. It can also be applied. A wireless IC tag, which is a microminiature device having a display configured to provide a large number of thin film transistors as pixel switching elements and peripheral driving circuits, an IC unit for information processing recording, a storage unit, and an antenna unit for wireless communication ( (RFID tag) can be used for electronic devices such as a wireless IC tag configured to be provided at least in an IC portion, a portable device provided with a semiconductor circuit device using a thin film transistor, and a disposable device.
本発明は、ナノチューブ混合物から簡便な精製方法により半導体性のナノチューブを選択的に分離収集することができ、少なくともあらかじめ選別した半導体性のナノチューブを含む半導体層を形成することにより、より極微細化高性能化した薄膜トランジスタやその他の半導体デバイスなどを高歩留まりで作成することができ、これらを使用した半導体回路装置をより超小型化高性能化させることができる。また、これらのデバイスを使用して、ペーパーライクあるいはシート状などのディスプレイや、小型高性能半導体回路装置を使用した携帯機器や、無線ＩＣタグなどの使い捨て機器あるいは、その他の電子機器、ロボット、超小型医療器具その他の産業分野に利用することができ、その産業上の利用可能性は非常に広く且つ大きい。 The present invention can selectively collect and collect semiconducting nanotubes from a mixture of nanotubes by a simple purification method, and by forming a semiconductor layer containing at least preliminarily selected semiconducting nanotubes, High performance thin film transistors and other semiconductor devices can be produced with a high yield, and a semiconductor circuit device using these can be miniaturized and enhanced in performance. Using these devices, paper-like or sheet-like displays, portable devices using small high-performance semiconductor circuit devices, disposable devices such as wireless IC tags, other electronic devices, robots, super It can be used in small medical devices and other industrial fields, and its industrial applicability is very wide and large.
１，１１，２１ ナノチューブ精製装置
２，１３，２２ 電極
３ 基板
４，１４，２４ 対向電極
５ 対向基板
６ ナノチューブ含有材料
７ 静電気測定器
８ 帯電量検知器
９，１６ 半導体性のカーボンナノチューブ
１２ 帯電処理装置
１５ 空間
１７ 磁性粒子
１８ 金属性のカーボンナノチューブ
２５ 液体
1,11,21
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