JP2006347878A - 炭素ナノチューブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成長の長さが均一で且つ制御され、結ばなく、分散し易い炭素ナノチューブの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は一種の炭素ナノチューブの製造方法を提供し、（１）基板を提供するステップと、（２）該基板の上に触媒を堆積するステップと、（３）予定の温度下で、触媒と炭素含有ガスとを一定の時間に接触させ、該基板の上に垂直した特定な長度の炭素ナノチューブを成長するステップと、（４）前記炭素ナノチューブを該基板から離れさせるステップと、を含む。従来の技術に比べて、本発明は化学気相成長法により、一種の生長の長さが均一で且つ制御され、結ばなく、分散し易い炭素ナノチューブのマトリックスの製造方法を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一種の炭素ナノチューブの製造方法に関するものである。

炭素ナノチューブは、優れた物理化学性能を有し、例えば特有の金属或いは半導体導電性、ずいぶん高い機械強さ、水素吸蔵能力、付着能力及びより強いマイクロ波吸蔵能力が９０年代初に発現されると、物理、化学、材料科学学界及び先端技術部門において注目されている。炭素ナノチューブは工業上の実現をするために、低いコスト、大量の製造などの問題を解決する必要がある。炭素ナノチューブは１９９１年に発現されてくる、その製造方法としては広く研究されている。現在、炭素ナノチューブの製造方法は主にアーク放電法、レーザー蒸発法及び化学気相成長法である。アーク放電法及びレーザー蒸発法による産物中に、炭素ナノチューブ及びその他の炭素産物を含み、精製が困難で、収率がより低く、大量的に生産しにくい。メタンを炭素含有ガス（炭素を含むガス）として化学気相成長法による炭素ナノチューブは、製造が簡単で、コストが低い、生産規模が制御し易い、長さが大きい、産率が高いなどの長所を有するため、重要な研究価値を有し、電界効果デイスプレィ、電動真空素子、ナノ電子工学及び高強度複合材料などの方面に広く用いられている。

しかし、従来技術により炭素ナノチューブの長さは制御されなく、且つ生産された炭素ナノチューブは、一体に結び易くて分散が困難で、電界効果デイスプレィ及び高強度複合材料などの工業実施に向かない。

従って、成長の長さが均一で且つ制御され、結ばなく、分散し易い炭素ナノチューブの製造方法を提供する必要がある。

本発明は、成長の長さが均一で且つ制御され、結ばなく、分散し易い炭素ナノチューブの製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は一種の炭素ナノチューブの製造方法を提供し、それは下記のようなステップを含み、（１）基板を提供するステップと、（２）該基板の上に触媒を堆積するステップと、（３）予定の温度下で、触媒と炭素含有ガスとを一定の時間に接触させ、該基板の上に垂直した特定な長度の炭素ナノチューブを成長するステップと、（４）前記炭素ナノチューブを該基板から離れさせるステップ。

また、本発明は前記ステップ（４）の後に、前記カーボンナノチューブを分散溶液中に超音波で分散させる。

従来の技術に比べて、本発明は化学気相成長法により、一種の生長の長さが均一で且つ制御され、結ばなく、分散し易い炭素ナノチューブのマトリックスの製造方法を提供する。

本発明は化学気相成長法により、成長の長さが均一で且つ制御され、結ばなく、分散し易い炭素ナノチューブのマトリックスの製造方法を提供し、その製造方法の詳細は下記のように、
（１）図１を参照されたい。繰り返し使用される基板３としてシリコン板或はブラジル石板を提供し、
（２）熱堆積法、イオンビーム蒸着法、スプラッシュ法などにより触媒１を前記３の一面或いは両面に堆積させ、厚さ４〜１０ｎｍの触媒金属フィルム１１を形成し、該触媒１として鉄、コバルト或はニッケルなどを選ばれる。
（３）図２を参照されたい。３００〜５００℃間に空気雰囲気で該触媒フィルムを８〜１２時間アニールし、該触媒フィルムを酸化して離間したナノ粒子１２を形成する。
（４）図３を参照されたい。触媒の粒子１２を有する複数の基板３を同時に反応炉４に送込み、
（５）不活性ガス（図に示ず）を導入し、同時に反応炉４を６００〜１０００℃に加熱し、
（６）不活性ガスと炭素含有ガス（図に示ず）を導入し、該不活性ガスとしてアルゴン、窒素或いはヘリウムなどを選ばれ、該炭素含有ガスとしてアセチレン、メタン或はエチレンなどを選ばれ、
（７）１５ｓ〜４０ｍｉｎ間反応した後、一定の高さの炭素ナノチューブのマトリックスが前記基板の表面から成長し、
（８）反応炉４を室温に冷却させる。
（９）図４を参照されたい。基板３を取出し、炭素ナノチューブ５はかき取り機６により掃出し、或いは細線或は高圧の気体により吹き出し、基板３は直接に成長に用いられ、或いは浄化させて次の堆積に用いられる。

また、炭素ナノチューブ５をアルコール、或いは１，２−塩化エチリデンなど分散溶液中に超音波で分散させる。

炭素ナノチューブのマトリックス中の炭素ナノチューブ５は、平行的に配列し且つ結ばなく、従って、優れた分散される単一の炭素ナノチューブを得易い。図５、図６を合せて参照されたい。本発明の炭素ナノチューブ５は一体に結ばなく、超音波で単一の炭素ナノチューブ或いは小管径の炭素ナノチューブ束に分散させる。

また、成長条件の制御により、例えば反応時間及び反応温度を制御し、特定の高さの炭素ナノチューブのマトリックスが形成され、その中の炭素ナノチューブ５は所望の精確な長さを有する。これを図７、図８、図９及び図１０に示す。

第一実施例は長さ１０μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを製造し、その詳細は下記の通りである。

多孔シリコン基板の上に厚さ５ｎｍの鉄触媒フィルムを堆積し、空気雰囲気下、４００℃に該基板を１０時間アニールし、該基板をブラジル石の反応皿中に置き、該反応皿をブラジル石の反応炉の中央反応室中に送込み、アルゴンの雰囲気下で該反応炉を６９０℃に加熱し、エチレンを導入し、１５ｓ反応した後、該反応炉を室温に冷却し、長さ１０μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを成長させる。

第二実施例は長さ１００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを製造し、その詳細が下記のようなことである。

多孔シリコン基板の上に厚さ５ｎｍの鉄触媒フィルムを堆積し、空気雰囲気下、４００℃で該基板を１０時間アニールし、該基板をブラジル石の反応皿中に置き、該反応皿をブラジル石の反応炉の中央反応室中に送込み、アルゴンの雰囲気下で該反応炉を６９０℃に加熱し、エチレンを導入し、５ｍｉｎ反応した後、該反応炉を室温に冷却し、長さ１００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを成長させる。

第三実施例は長さ５００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを製造し、その詳細は下記の通りである。

多孔シリコン基板の上に厚さ５ｎｍの鉄触媒フィルムを堆積し、空気雰囲気下、４００℃で該基板を１０時間アニールさせ、該基板をブラジル石の反応皿中に置き、該反応皿をブラジル石の反応炉の中央反応室中に送込み、アルゴンの雰囲気下で該反応炉を７１０℃に加熱し、エチレンを導入し、１０ｍｉｎ反応した後、該反応炉を室温に冷却し、長さ５００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを成長させる。

実験の結果により、炭素ナノチューブのマトリックスが密度０．１ｇ／ｃｍ^３である。高さ１００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを成長するのを例として、３０片の４インチ（２５．４ｍｍ／インチ）シリコン基板（一面だけ触媒を堆積した）を同時に置いた反応炉にはに２．４ｇの高さ１００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスに成長し、成長時間は５ｍｉｎ程度である。

前記を総じて、本発明は特許の要件として十分に備えているので、法により登録すべきである。また、前記は単なる本願におけるより好ましい実施例にすぎず、本発明の請求範囲を限定するものではない。本発明の技術を熟知している者が本考案の思想に基づきなしうる修飾或いは変更は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

本発明の触媒を基板上に堆積する模式図である。 本発明の触媒のアニールした模式図である。 本発明の触媒を有する基板を反応炉中に置き、反応気体を導入し、炭素ナノチューブを生長する模式図である。 本発明の炭素ナノチューブの基板から掃出しの模式図である。 本発明の炭素ナノチューブのマトリックスは分散溶液中に超音波で分散された透過電子顕微鏡の写真である。 本発明の炭素ナノチューブのマトリックスは分散溶液中に超音波で分散された透過電子顕微鏡の写真であり、その中の炭素ナノチューブは単一の炭素ナノチューブに分散される。 本発明の一定の高さの炭素ナノチューブのＳＥＭの写真である。 本発明の一定の高さの炭素ナノチューブのＳＥＭの写真である。 本発明の一定の高さの炭素ナノチューブのＳＥＭの写真である。 本発明の一定の高さの炭素ナノチューブのＳＥＭの写真である。

符号の説明

１ 触媒
３ 基板
４ 反応炉
５ 炭素ナノチューブ
６ かき取り機
１１ 触媒フィルム
１２ 粒子

Claims (10)

1. （１）基板を提供するステップと、
   （２）前記基板の上に触媒を堆積するステップと、
   （３）予定の温度の下で、前記触媒と炭素含有ガスとを一定の時間接触させ、前記基板の上に直立した所定の長さの炭素ナノチューブを成長させるステップと、
   （４）かき取り機により掃出し、前記炭素ナノチューブを前記基板から離れさせるステップと、
   を含むことを特徴とする炭素ナノチューブの製造方法。
2. 前記ステップ（４）の後に、前記カーボンナノチューブは分散溶液中に超音波で分散することを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
3. 前記ステップ（２）中の触媒は鉄、コバルト或いはニッケルであることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
4. 前記ステップ（２）は、前記基板の上に厚さ４〜１００ｎｍの触媒フィルムを形成し、３００〜５００℃間で該触媒フィルムを８〜１２時間アニールし、該触媒を酸化して離れたナノ粒子に形成することを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
5. 前記ステップ（３）中の予定温度は、６００〜１０００℃であることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
6. 前記ステップ（３）中の炭素含有ガスは、アセチレン、メタン或いはエチレンであることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
7. 前記ステップ（３）は、不活性ガスを導入することを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブの製造方法。
8. 前記ステップ（３）は、６９０℃にエチレンと鉄触媒とを１５ｓ接触させ、前記基板の上に直立した長さ１０μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを成長させることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス製造方法。
9. 前記ステップ（３）は、６９０℃にエチレンと鉄触媒とを５ｍｉｎ接触させ、前記基板の上に直立した長さ１００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを成長させることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス製造方法。
10. 前記ステップ（３）は、７１０℃にエチレンと鉄触媒とを１０ｍｉｎ接触させ、前記基板の上に直立した長さ５００μｍの炭素ナノチューブのマトリックスを成長させることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブのマトリックス製造方法。