WO2004060801A1 - 光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法 - Google Patents

Abstract

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て、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とする。

Description

明 細 書 光照射によるカーボンナノチューブの構造選択法 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。 背景技術

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。

カーボンナノチューブのうち、 たとえば単層力一ボンナノチュ ーブは炭素の六角員環からなる一枚のグラフアイ トシートを筒状 に巻いた形状を有しており、 そのグラフアイ 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。

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。

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 （ S W N T s ) 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。

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。 発明の開示

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力一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。

第 2 には、 この出願の発明は、 第 1の発明において、 0で以上 5 0 0 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 力一ボンナノチューブの構造選択法を提供する。

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徵とす るカーボンナノチューブの構造選択法を提供する。

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力一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。

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力 一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。 .

また、 第 6には、 第 1ないし 5のいずれかの発明において、 力 一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 徵とする光照射による力一ボンナノチューブの構造選択法をも提 供す。。 図面の簡単な説明

図 1は、 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は、 この発明の実施例の吸収スぺク トルを例示した図であ る。

図 3は、 この発明の他の実施例のラマンスぺク トルを例示した 図である。 発明を実施するための最良の形態

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。

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 o *c以 上 5 0 O t: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。

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で以上 5 0 0で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。

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 つても、 また非レーザ光であってもよい。 また、 カーボンナノチ ユ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 1 0 0 T：〜 5 0 0 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 < また一方、 力一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 1 0 〜 3 0 % ) を用いた場合、 0で〜 1 0 0で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。

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 ユ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、 消滅せずに残った力一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力.一ボンナノチューブを 得ることができるのである。

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力一 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。

さらに、 力一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。

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。

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。

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。 実 施 例

ぐ実施例 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 + C0₂) である H i p c o法により 生成された単層カーボンナノチューブを HC 1で処理して F eを 除去後、 空気中において波長 3 7 0 n m、 4 2 0 nm、 5 0 0 η m、 6 2 0 nmの光を用いてそれぞれ温度 3 2 0でで 2時間光照 射した。

それらのラマンスぺク 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 3 7 O nmの光は単層力一ボンナノチ ュ一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 4 2 0 nm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. 9 6 nmと直 径 1. 0 nmの単層カーボンナノチューブは完全に消滅し、 1. 1 nmと 1. 2 nmの直径のものは消滅せず残った。 波長 5 0 0 nmの光で照射した場合、 直径が約 1. O nmと約 1. l nm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. 3 5 nmと約 1. 5 6 nmの 2つの新しい単層力一ボンナ ノチューブが現れた。

さらに、 波長 6 2 0 n mの光を用いて光照射を佇った結果、 直 径約 1. 2 nm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（X P S) から H i P c o法によって形成されたすベての試料中の酸 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 力ルポ二ルゃカルポ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。

次に図 2に光照射なしの場合および波長 3 7 0 n m、 4 2 0 n m、 5 0 0 nm、 6 2 0 n mの光を用いてそれぞれ温度 3 2 0で で 3 0分間光照射した場合の吸収スぺク トルを示す。 この吸収ス ぺク トルは光照射がバンド S！ェのピーク （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. Ί _{2 2} (第 2中間体遷移に相当） のピーク強度は直径 1. 2 nmの単層カー ボンナノチューブに相当し、 その強度は 4 2 0 nm、 5 0 0 n m あるいは 6 2 0 n mの光の照射後に増大し、 1. 5 e Vと 1. 6 3 e Vの S ₂₂のピーク強度 （直径 1. l nmと 1. O nmの単層 力一ボンナノチューブに相当する） は減少している。

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。

ぐ実施例 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 —ブを過酸化水素水中に入れ、 1 0 0での過酸化水素水中にぉレ て、 波長 4 8 8 nmの光を用いて 2分間光照射した際のラマンス ベク 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 —ブを 1 0 0で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。

図 3から明らかなように波長 4 8 8 nmの光照射した場合、 2 0 0 c m— 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ぺク トルの変化 が見られなかった。

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。 産業上の利用可能性

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力一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。

Claims

請求の範囲

1 . 単波長の光を力一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で以上 5 0 0で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力一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 ゥ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 ユーブの構造選択法。

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徵とする請求項 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 If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。