JP2006104022A - カーボンナノチューブおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 微粒子発生部2で発生させた微粒子を微粒子サイズ選別部3でそのサイズを選別した後、ノズル7からキャリアガスと共に微粒子担持チャンバ6内のカーボンナノチューブ付き基板5に吹き付ける。吹き付けの際は、担持する微粒子に応じてストークス数を制御する。これにより、基板5b上に垂直配向成長されたカーボンナノチューブ5aに所望の分散状態で微粒子を担持することができる。
【選択図】 図1
Description
まず、カーボンナノチューブへの微粒子担持について、例えば、上記したカーボンナノチューブへの窒素ドーピング後に液中で金微粒子を担持する方法の場合、窒素ドーピングによってカーボンナノチューブ自体の組成が変化してしまう。このように組成の変化したカーボンナノチューブは、ある特定の用途にしか用いることができない。また、この方法では、担持することのできる微粒子の種類に限りがあるものと考えられ、汎用性という面でも問題が残る。
まず、基板等の平面上に成長されたカーボンナノチューブに微粒子を担持する方法について説明する。なお、平面上へのカーボンナノチューブの成長は、公知の方法、例えば平面上にコバルト等の触媒金属を堆積しそこを起点に化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition,CVD)法でカーボンを垂直配向成長させるといった方法を用いて行うことが可能であるため、ここではその説明の詳細は省略する。
この図1に示す微粒子担持装置1は、微粒子発生部2、微粒子サイズ選別部3、および微粒子担持部4を有している。
図2および図3は微粒子の分散メカニズムの説明図であって、図2は微粒子の慣性が小さい場合のカーボンナノチューブ近傍におけるガスの流れと微粒子の移動軌跡を模式的に示す図、図3は微粒子の慣性が大きい場合のカーボンナノチューブ近傍におけるガスの流れと微粒子の移動軌跡を模式的に示す図である。
ここで、τは微粒子の緩和時間、Uは吹き出し口でのガス速度、Dnは吹き出し口の内径である。なお、緩和時間τは、次の式(2)で表される。
ここで、ρPは微粒子の密度、dPは微粒子の直径(平均粒径)、CCはカニングハムの補正係数、μはガスの粘性率である。
ここに示す微粒子担持カーボンナノチューブの詳細な形成条件については後述するが、上記微粒子担持装置1を用いて微粒子の担持を行うと、この図4に示すように、カーボンナノチューブの表面に微粒子を高分散担持することが可能になる。
この図5に示すような半導体微粒子担持カーボンナノチューブ11を利用してガスセンサー10を形成する場合には、まず、2つの電極12a,12b間にカーボンナノチューブ11aを架橋成長させ、このカーボンナノチューブ11aに上記微粒子担持装置1を用いて半導体微粒子11bを担持する。
ここに示す枝分かれカーボンナノチューブの詳細な形成条件については後述するが、この図6に示すカーボンナノチューブは、平面上に成長されたカーボンナノチューブに微粒子担持装置1を用いて鉄微粒子を担持した後、その鉄微粒子を起点にCVD法を用いてカーボンナノチューブの枝を成長させたものである。その際、カーボンナノチューブの枝の場所、数、太さは、担持した鉄微粒子の場所、数、大きさによって制御することができる。また、その成長時間によってカーボンナノチューブの枝の長さが制御できる。したがって、この方法では、従来の方法に比べ枝分かれカーボンナノチューブを形成する上での制御性が格段に向上されていると言うことができる。
図7は微粒子担持装置の構成例である。
この図7に示す微粒子担持装置20は、ターゲット21が収容される微粒子発生チャンバ22、そのターゲット21にレーザーを照射するレーザー照射装置23を備えている。微粒子発生チャンバ22には、これに所定流量のヘリウムガス(He)を導入する機構が設けられているとともに、導入されたヘリウムガスを内部で発生した微粒子と共にDMA24へ送る供給管25が接続されている。供給管25の外周には電気炉26が設けられており、微粒子発生チャンバ22からDMA24まで送られる微粒子の供給管25内での凝集が抑えられるようになっている。
DMA24は、図8に示すように、外筒24aと内筒24bの二重円筒構造を有しており、外筒24a内部にはシースガスQsが層流状態で流され、外周部からは供給管25を通って微粒子を含んだガスQpが導入されるようになっている。そして、外筒24aと内筒24bの間に直流電圧が印加されると、ガスQp中の微粒子24cはクーロン力により内筒24bに引き寄せられながらシースガスQsの流れに乗って流下する。この際、微粒子24cがシースガスQsの流れを横切る速度は、微粒子24cがシースガスQsから受ける抵抗力とクーロン力とのつり合いによって決定され、大きな微粒子24cはゆっくりと、小さな微粒子24cは速く流れを横切る。このように微粒子24cが内筒24bに到達する位置が微粒子24cのサイズによって異なってくるため、内筒24bにスリット24dを設け、そこに到達した微粒子24cのみを取り出すことにより、特定サイズの微粒子24cを選別することができるようになっている。
まず、上記の例と同じ要領で、平均粒径約4nmの鉄微粒子を生成し、それを基板上に略垂直に配向成長させたカーボンナノチューブの表面に高分散担持した。
平面上に成長され、表面に前記微粒子が担持されていることを特徴とするカーボンナノチューブ。
(付記3) 担持されている前記微粒子が2種類以上であることを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブ。
(付記5) 前記微粒子は、燃料電池電極用触媒であることを特徴とする付記1記載のカーボンナノチューブ。
(付記7) 微粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記微粒子を平面上に成長されたカーボンナノチューブに吹き付けて担持することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
(付記9) 前記カーボンナノチューブに吹き付ける前に、前記微粒子のサイズを選別することを特徴とする付記7記載のカーボンナノチューブの製造方法。
(付記15) 前記別のカーボンナノチューブの数および太さを、前記微粒子の数および大きさで制御することを特徴とする付記14記載のカーボンナノチューブの製造方法。
(付記17) 担持した前記微粒子を起点に新たなカーボンナノチューブを成長させることを特徴とする付記16記載のカーボンナノチューブの製造方法。
2 微粒子発生部
3 微粒子サイズ選別部
4 微粒子担持部
5,30 カーボンナノチューブ付き基板
5a,11a,30a カーボンナノチューブ
5b,30b 基板
6,27 微粒子担持チャンバ
7,28 ノズル
8,24c 微粒子
10 ガスセンサー
11 半導体微粒子担持カーボンナノチューブ
11b 半導体微粒子
12a,12b 電極
13 酸素分子
21 ターゲット
22 微粒子発生チャンバ
23 レーザー照射装置
24 DMA
24a 外筒
24b 内筒
24d スリット
25 供給管
26 電気炉
29 ステージ
31 ポンプ
Qs シースガス
Qp ガス
Claims (10)
- 微粒子が担持されたカーボンナノチューブであって、
平面上に成長され、表面に前記微粒子が担持されていることを特徴とするカーボンナノチューブ。 - 前記微粒子は、前記表面に直接付着してい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。
- 前記微粒子は、カーボンナノチューブ成長用触媒であ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。
- 担持されている前記微粒子を起点に別のカーボンナノチューブが成長されてい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。
- 微粒子が担持されたカーボンナノチューブの製造方法であって、
前記微粒子を平面上に成長されたカーボンナノチューブに吹き付けて担持することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。 - 前記微粒子は、ガスと共に前記カーボンナノチューブに吹き付けられることを特徴とする請求項5記載のカーボンナノチューブの製造方法。
- 前記カーボンナノチューブに吹き付ける前に、前記微粒子のサイズを選別することを特徴とする請求項5記載のカーボンナノチューブの製造方法。
- 前記微粒子を前記カーボンナノチューブに吹き付ける際には、前記微粒子のストークス数を制御することを特徴とする請求項5記載のカーボンナノチューブの製造方法。
- 担持した前記微粒子を起点に別のカーボンナノチューブを成長させることを特徴とする請求項5記載のカーボンナノチューブの製造方法。
- 前記別のカーボンナノチューブの数および太さを、前記微粒子の数および大きさで制御す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。
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