WO2011102322A1 - 単層カーボンナノチューブの分離方法、分離装置、分離済単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液 - Google Patents

単層カーボンナノチューブの分離方法、分離装置、分離済単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液 Download PDF

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walled carbon
separation
carbon nanotube
carbon nanotubes
solution
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和紀 井原
史行 二瓶
毅 斎藤
浩幸 遠藤
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独立行政法人産業技術総合研究所
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    • C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
    • C01B2202/22—Electronic properties

Definitions

  • the present invention relates to a method for separating single-walled carbon nanotubes, a separation apparatus, and a separated micelle-containing solution containing single-walled carbon nanotubes.
  • a carbon nanotube is a cylindrical substance composed of carbon atoms.
  • one having a single cylindrical layer is called a single-walled carbon nanotube.
  • Single-walled carbon nanotubes are nanocarbon materials with excellent electrical properties and are expected as next-generation electronic materials.
  • This single-walled carbon nanotube is known to be divided into two different properties, metallic and semiconducting, depending on the diameter and winding condition of the tube. That is, when single-walled carbon nanotubes are synthesized using currently known production methods, single-walled carbon nanotubes having metallic properties and single-walled carbon nanotubes having semiconducting properties are statistically about 1: 2. It is obtained as a mixed material of single-walled carbon nanotubes contained at a ratio of
  • TFT Thin Film Transistor
  • single-walled carbon nanotubes as a material for semiconductor films for TFTs.
  • an example of a TFT manufactured using a thin film containing single-walled carbon nanotubes can be given.
  • a TFT using such a single-walled carbon nanotube has an advantage that the manufacturing process can be performed at a lower temperature than a TFT using amorphous or polycrystalline silicon. Therefore, it is possible to form a circuit on a plastic substrate, and many effects are expected such as reduction in weight and cost of the apparatus.
  • single-walled carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes having different properties of semiconductor properties and metallic properties in a statistical ratio of 2: 1. This causes a problem such as deterioration of characteristics when used as an electronic material.
  • the single-walled carbon nanotubes having metallic properties cause performance degradation such as short-circuiting and on / off performance degradation.
  • the above-described separation method (1) has a problem that the separation efficiency of the selected single-walled carbon nanotubes is as low as 80% to 90%. Further, in the separation methods (2) to (5), it is difficult to separate single-walled carbon nanotubes easily and in large quantities, and it is difficult to industrially apply them. Further, in the separation methods (2) to (5), an ionic surfactant is often used as the surfactant during the separation, and there is a problem that it may cause a short circuit or the like during electrical application.
  • the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution is placed on the holding solution, and the single-walled carbon nanotubes are separated by the resultant force of the difference in specific gravity between the dispersing solution and the holding solution and the Coulomb force generated by the electric field.
  • the method is to separate each group, there is a problem that diffusion of the solution occurs near the interface between the holding solution and the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution.
  • the purpose of the present invention is to separate and select semiconducting and metallic single-walled carbon nanotubes industrially in large quantities, simply, and efficiently from a mixed material of semiconducting and metallic single-walled carbon nanotubes, separation
  • An object of the present invention is to provide a sorting device and a separated and sorted dispersion solution.
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution (hereinafter also referred to as separation solution) in which single-walled carbon nanotubes are dispersed is prepared, and (2) a DC voltage is applied to the separation solution in a direction approximately parallel to gravity (vertical direction).
  • separation solution A single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution in which single-walled carbon nanotubes are dispersed is prepared, and (2) a DC voltage is applied to the separation solution in a direction approximately parallel to gravity (vertical direction).
  • the semiconducting and metallic properties Of single-walled carbon nanotubes can be separated by forming different layers.
  • the present invention provides a method for separating single-walled carbon nanotube samples from single-walled carbon nanotube samples using the above-described methods shown in the following (1) to (3) and single-walled carbon nanotube samples shown in (4) to (8).
  • the present invention relates to a single-wall carbon nanotube separator, a semiconducting single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion and a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion separated by the separation method.
  • a DC voltage is applied to a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution in which single-walled carbon nanotubes are dispersed in a nonionic surfactant solution, and each single micelle has a positive charge as a whole. Separation into at least two layers: a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion layer in which nanotubes are concentrated and a layer of semiconducting single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion in which each micelle has an extremely weak charge as a whole.
  • the nonionic surfactant is a polyoxyethylene (n) alkyl ether (n is 20 or more and 100 or less, and an alkyl chain length is C12 or more and C18 or less).
  • Separation method (3) The separation method according to (1) or (2), wherein a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution is prepared so that the concentration of the nonionic surfactant is 4 wt% or less.
  • It has a separation tank containing a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution in which single-walled carbon nanotubes are dispersed in a nonionic surfactant solution, and a DC voltage is applied to the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution.
  • An apparatus for separating single-walled carbon nanotubes wherein at least two or more electrodes are provided in the separation tank.
  • a mixed sample of semiconducting and metallic single-walled carbon nanotubes can be separated into high-purity semiconducting single-walled carbon nanotubes and metallic single-walled carbon nanotubes.
  • the present invention is a simple method, it can be scaled up and separated into a large volume. Further, depending on the selection of separation conditions, existing metallic / semiconductor single-walled carbon nanotube separation methods Therefore, it is possible to perform separation without performing the ultracentrifugation operation necessary for this, and it is possible to realize a significant cost reduction. Moreover, further refinement
  • Single-wall carbon nanotube separator for continuous and batch separation This is a single-wall carbon nanotube separator for batch separation.
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution is prepared.
  • the single-walled carbon nanotube in the present specification may be composed of pure carbon, or may be substituted with any appropriate functional group in order to develop the solubility of the single-walled carbon nanotube in an aqueous solvent.
  • the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution refers to a solution in which single-walled carbon nanotubes are dispersed and suspended in a solvent for a time corresponding to the separation time.
  • the single-walled carbon nanotube mixture is not particularly limited as long as it contains metallic single-walled carbon nanotubes and semiconducting single-walled carbon nanotubes. That is, it may be synthesized by a conventionally known single-walled carbon nanotube synthesis method or may be a commercially available product.
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution in which the single-walled carbon nanotube mixture is dispersed in a liquid containing a solvent and a surfactant is prepared.
  • Water or heavy water is preferably used as the solvent, but other solvents such as water, heavy water, organic solvents, ionic liquids, and the like may be used as long as the single-walled carbon nanotubes can be dispersed and suspended.
  • a nonionic surfactant is preferably used in order to prevent ionic impurities such as sodium ions from being mixed into the single-walled carbon nanotube.
  • An anionic surfactant or an anionic surfactant can also be used.
  • nonionic surfactant examples include non-ionizable hydrophilic sites such as a nonionic surfactant having a polyethylene glycol structure typified by a polyoxyethylene alkyl ether type and an alkylglucoside nonionic surfactant.
  • a nonionic surfactant having a polyethylene glycol structure typified by a polyoxyethylene alkyl ether type and an alkylglucoside nonionic surfactant a nonionic surfactant having a polyethylene glycol structure typified by a polyoxyethylene alkyl ether type and an alkylglucoside nonionic surfactant.
  • One or more nonionic surfactants composed of hydrophobic sites such as alkyl chains can be used.
  • polyoxyethylene (23) lauryl ether (Brij35 [trade name]), poly Oxyethylene (20) cetyl ether (Brij58 [brand name]), polyoxyethylene (20) stearyl ether (Brij78 [brand name]), polyoxyethylene (10) oleyl ether (Brij97 [brand name]), polyoxyethylene (10) Cetyl ether (Brij56 [Product ], Polyoxyethylene (10) stearyl ether (Brij76 [brand name]), polyoxyethylene (20) oleyl ether (Brij98 [brand name]), polyoxyethylene (100) stearyl ether (Brij700 [brand name])
  • a nonionic surfactant defined by polyoxyethylene (n) alkyl ether (n is 20 or more and 100 or less, alkyl chain length is C12 or more and C18 or less) is preferably used.
  • the method for obtaining the dispersion solution is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied.
  • the single-walled carbon nanotubes are dispersed by mixing a single-walled carbon nanotube mixture, heavy water or water, and a nonionic surfactant and sonicating.
  • a single-walled carbon nanotube dispersion method using mechanical shearing force may be used.
  • the single-walled carbon nanotubes are preferably in an isolated state. Therefore, you may remove a bundle using an ultracentrifugation process as needed.
  • the concentration of the surfactant in the liquid containing heavy water or water and a nonionic surfactant is not particularly limited as long as the single-walled carbon nanotube mixture can be dispersed. Also, those skilled in the art can appropriately set. As an example of the concentration of the surfactant, the critical micelle concentration is 10 wt% or less.
  • the surfactant concentration that does not prevent separation is in the range of critical micelle concentration to 10% wt%, preferably in the range of 0.1% to 4% by weight, more preferably in the range of 0.15% to 1.51% by weight. It is a range.
  • concentration is lower than the above range, it may be difficult to stably disperse the single-walled carbon nanotubes in the solution during the separation operation.
  • concentration is higher than the above range, efficient separation may be hindered. This is because the metal solution and the semiconductivity are superior in increasing the viscosity of the dispersion and the specific gravity of the single-walled carbon nanotube-containing micelle. It is possible that the difference disappears.
  • the surfactant concentration within the above range it may be adjusted at the time of preparation of the dispersion solution, or after performing the dispersion operation at an arbitrary surfactant concentration suitable for the dispersion of the single-walled carbon nanotubes in advance.
  • the concentration of the surfactant may be adjusted to the above range by mixing with a solution in which only the surfactant is dissolved (hereinafter also referred to as an adjustment solution), and the concentration is not particularly limited as long as the concentration is adjusted to the above range.
  • an adjustment solution a solution in which only the surfactant is dissolved
  • the concentration is not particularly limited as long as the concentration is adjusted to the above range.
  • the surfactant concentration is slightly changed before and after purification. Therefore, it is preferable to adjust the surfactant concentration by the latter method.
  • the condition for the concentration of the single-walled carbon nanotubes required for the dispersion solution is to make the concentration equal to or lower than the concentration at which the metallic single-walled carbon nanotubes form a complex and do not settle during the separation operation.
  • the concentration of single-walled carbon nanotubes is preferably in the range of 1 mg / mL or less with respect to the solvent.
  • the method includes metallic single-walled carbon nanotube-containing micelles, semiconducting single-walled carbon nanotube-containing micelles, and single-walled carbon nanotubes in the solution.
  • Mobile flow caused by different charge amounts of non-surfactant micelles, and mobile flow generated by the difference in specific gravity between micelles containing metallic single-walled carbon nanotubes and micelles containing semiconducting single-walled carbon nanotubes and surfactant micelles in solution If it is based on both, there will be no restriction
  • a DC electric field or a DC pulsed electric field is used as the electric field to be applied.
  • metallic single-walled carbon nanotube-containing micelles are positively charged as a whole micelle in solution, and semiconducting single-walled carbon nanotube-containing micelles are mainly very weak negative. Have a charge. Moreover, after voltage application, the specific gravity of semiconducting single-walled carbon nanotube-containing micelles tends to be higher than that of metallic single-walled carbon nanotube-containing micelles. Based on the above two points, those skilled in the art can separate them by using a known technique with appropriate conditions set.
  • the separation tank in the separation device is a portion filled with the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution, and includes a separation channel.
  • the separation channel desirably includes a channel formed in the vertical direction (also referred to as the vertical direction or the vertical direction) in order to perform efficient separation using both specific gravity and electric charge.
  • the upper and lower definitions refer to the downward direction with respect to gravity or inertial force, which is the direction in which particles having a large specific gravity move, and the upper direction refers to gravity in which the particles with a small specific gravity move or Let us say that it is above the direction of inertial force.
  • the direction of the electric field is preferably directed upward, but can be set in the opposite direction.
  • the separation device may be a batch type or a continuous type.
  • FIGS. 1-10 Examples of the embodiment of the single-walled carbon nanotube separation device according to the present invention are shown in FIGS.
  • FIG. 1 shows a separation device that can be used for both continuous and batch operations.
  • the separation device 100 includes a separation tank having a separation channel 102 formed so as to be parallel to the gravity direction 101, and a pair of electrodes 103 and 104 disposed to face the upper and lower portions of the separation channel 102. ing.
  • the separation tank is provided with an upper opening 107, separation ports 105 and 106 at the upper and lower portions of the separation channel 102, and a continuous introduction port 108 at a substantially central portion in the vertical direction of the separation channel 102. I have.
  • the batch type separation operation using the separation apparatus 100 is as follows.
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution is introduced from the upper opening 107 to fill the channel 102.
  • a DC voltage is applied between the electrodes 103 and 104.
  • a region containing a large number of different single-walled carbon nanotubes is formed in the vicinity of the electrodes 103 and 104 in a layered manner.
  • the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution in each region can be collected by sucking and fractionating the region from the upper opening 107. It is also possible to collect from the sorting ports 105 and 106.
  • the number of electrodes and the number of sampling ports are not limited, and when a large number of electrodes and sampling ports are used, it is possible to separate them more finely.
  • the continuous separation operation using the separation apparatus 100 is as follows. First, the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution is filled into the channel 1. Thereafter, a DC voltage is applied between the electrodes 103 and 104. While the voltage is applied, the separation solution is continuously introduced from the continuous inlet 108. Further, the sorting is continuously performed from the sorting ports 105 and 106. By the above operation, continuous separation can be performed.
  • Fig. 2 shows a separation apparatus using a batch type separation method.
  • the separation device 200 includes a separation tank having a separation channel 202 formed so as to be parallel to the gravity direction 201, and a pair of electrodes 203 and 204 disposed to face the upper and lower portions of the separation channel 202.
  • the separation tank is provided with an upper opening 205.
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution prepared inside the channel 202 is filled, and a DC voltage is applied between the electrodes 203 and 204.
  • a separated dispersion solution is obtained by separating each layer from the upper opening 205 using a pipette.
  • FIG. 3 shows a separation apparatus using a continuous separation method.
  • the separation device 300 includes a separation tank having a separation channel 302 formed so as to be parallel to the gravity direction 301, and a pair of electrodes 303 and 304 disposed to face the upper and lower portions of the separation channel 302.
  • the separation tank includes an upper opening 305 and an inlet 306 for introducing a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution or the like into the separation channel 302.
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution prepared inside the separation channel 302 is filled, and a DC voltage is applied between the electrodes 303 and 304.
  • a sample of the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution is continuously introduced in small amounts from the inlet 306 in a state where a voltage is applied. From the upper opening 305, a separated dispersion solution is obtained by performing fractionation using a pipette.
  • the method for applying the electric field is not particularly limited, and can be performed using at least a pair of electrodes that generate a DC electric field.
  • the electrode may be in direct contact with the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion, or may not be in direct contact if an electric field is applied to the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion.
  • the material of the electrode is not particularly limited and can be appropriately selected, but a platinum electrode is preferable.
  • the voltage applied during the separation operation is not particularly limited and can be adjusted as appropriate. For example, when the electrode is directly contacted with water or heavy water as a solvent, the electric field strength is preferably 10 V / cm or less.
  • any means may be used. For example, there is a method in which the application of voltage is stopped and the pipette is gently sucked out every 1 mL.
  • a method of separating the solution of each block by introducing a partition plate into the flow path, and a method of installing and sucking continuously while applying a voltage by installing a suction port near each electrode in the flow path Etc. can be used.
  • the sample may be collected by other methods. The sample separated and fractionated can be improved in purity by adjusting the concentration of the single-walled carbon nanotubes and the surfactant concentration again and repeatedly performing separation.
  • the separation efficiency of the fractionated sample can be evaluated by the following methods. That is, micro Raman spectroscopic analysis (change of Raman spectrum in Radial Breathing Mode region, change of Raman spectrum shape of BWF region), and ultraviolet-visible near-infrared absorption spectrophotometry (change of peak shape of absorption spectrum). It is also possible to evaluate the separation efficiency by evaluating the electrical characteristics of single-walled carbon nanotubes. For example, a sample can be evaluated by fabricating a field effect transistor and measuring the transistor characteristics.
  • semiconducting single-walled carbon nanotubes having a purity of 90% or more according to the above evaluation method can be obtained. Further, by repeatedly performing, it is possible to obtain high-purity semiconducting single-walled carbon nanotubes whose purity by the above-described evaluation method is as close as possible to 100%.
  • metallic single-walled carbon nanotubes having a purity of 50% or more according to the evaluation method can be obtained by using the separation method of the present invention. Further, by repeatedly performing, it is possible to obtain high-purity metallic single-walled carbon nanotubes whose purity by the above-described evaluation method is as close as possible to 100%.
  • polyoxyethylene (100) stearyl ether (trade name: Brij700) was used as a surfactant used for dispersion.
  • the surfactant was dissolved in heavy water to a concentration of 1% wt %%.
  • the single-walled carbon nanotubes were weighed so as to have the concentrations shown in Table 1, and charged into a surfactant-heavy aqueous solution.
  • ultrasonic dispersion treatment was performed using a horn type ultrasonic crusher.
  • the output was about 300 W and the treatment was performed for 30 minutes.
  • the ultracentrifugation operation was performed as shown in the ultracentrifugation strength column of Table 1. For some samples, ultracentrifugation was not performed.
  • the centrifugal acceleration was 250,000 ⁇ g, and the centrifuge condition was 10 degrees Celsius.
  • the centrifugation time was 60 minutes. After centrifugation, 50% of the supernatant was collected as a dispersion solution.
  • the surfactant concentration and the single-walled carbon nanotube concentration were adjusted by adding a Brij700 surfactant-heavy aqueous solution to the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution.
  • the surfactant concentration of the solution to be added was adjusted to 0, 0.3, 0.6, 1.0, 1.5, 2.0, and 10%, respectively.
  • the surfactant solution prepared in the aforementioned single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution was mixed with each sample according to the concentration and volume ratio shown in Table 1, and the surfactant concentration and single-walled carbon nanotube concentration were controlled.
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution was prepared. [b] Separation apparatus and separation operation Separation was carried out using the batch type separation apparatus of FIG. 2 described above. As conditions, the diameter of the flow path 202 was 1 cm, the distance between the electrodes was 5 cm, and an electrode having a single loop of platinum wire was used.
  • Each channel 202 was filled with the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion prepared in [a]. Thereafter, a DC voltage was applied to the separation device. The direction of the applied electric field, the applied voltage, and the application time are as shown in Table 1.
  • Table 1 shows the results under each condition for the single-walled carbon nanotube layer formation in the separation channel after the application time has elapsed. There are three types of results in the table: three-layer formation, mixed region formation, and no layer formation.
  • the three-layer formation means the result of forming three layers of a region containing a lot of metallic single-walled carbon nanotubes, a transparent region, and a region containing many semiconductor single-walled carbon nanotubes.
  • a region (401) containing a large amount of metallic single-walled carbon nanotubes, a transparent region (402), and semiconducting single-walled carbon nanotubes This is a state in which a large number of regions (403) are formed.
  • “Mixed region formation” means that regions of metallic single-walled carbon nanotubes and semiconducting single-walled carbon nanotubes are formed, and the layers are not completely separated but mixed.
  • a region containing a large amount of semiconducting single-walled carbon nanotubes (1301) a region comprising a mixture of semiconducting single-walled carbon nanotubes and metallic single-walled carbon nanotubes ( 1302), and a region (1303) containing a large amount of metallic single-walled carbon nanotubes.
  • No layer formation indicates that no layer was formed.
  • the separation result shown in FIG. 14 (a2) is meant.
  • the region 1401 a uniform single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution is present throughout the entire flow path.
  • each layer was separated from the upper opening 205 using a pipette.
  • spectroscopic measurement was performed by UV-Vis near-infrared absorption spectrometry to confirm the separation tendency.
  • ultraviolet-visible and near-infrared absorption spectra are shown in FIGS. 4 to 8 (b), respectively.
  • the spectrum of the fractionated single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion is shown from the top to the cathode side, before separation, and the anode side, respectively.
  • S22 in the figure is an absorption peak derived from semiconducting single-walled carbon nanotubes
  • M11 in the figure is an absorption peak derived from metallic single-walled carbon nanotubes.
  • the content of semiconducting and metallic single-walled carbon nanotubes can be calculated from the areas at the peaks derived from semiconducting and metallic single-walled carbon nanotubes, respectively.
  • Table 1 shows the separation results for those showing good separation of 95% or more in semiconducting single-walled carbon nanotubes, ⁇ for those showing a separation tendency of 90% or more, ⁇ for those showing a certain degree of separation tendency, Those not formed are shown as x. Under each condition, separation of semiconducting and metallic single-walled carbon nanotubes could be confirmed.
  • Centrifugal acceleration during the separation operation was 250000 ⁇ g, and centrifugation was performed at 10 degrees Celsius for 60 minutes. 50% of the supernatant of the solution after centrifugation was collected.
  • a Brij700 surfactant heavy aqueous solution having a surfactant concentration of 1.5 wt% is mixed so as to have a volume ratio of 1: 1,
  • a single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution was obtained.
  • Separation apparatus and separation operation Separation was carried out using the batch type separation apparatus of FIG. 2 described above. As conditions, the diameter of the flow path 202 was 2 cm, the distance between the electrodes was 5 cm, and an electrode having a single loop of platinum wire was used.
  • the flow path 202 was filled with the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion prepared in [a]. Thereafter, a DC voltage was applied to the separation device.
  • the lower electrode was an anode
  • the upper electrode was a cathode
  • the applied voltage was 30V.
  • the solution inside the separation channel formed a three-layer region as shown in FIG. 15 (a2).
  • a pipette was used to sort each layer.
  • the spectroscopic measurement was implemented by the ultraviolet visible near-infrared absorption spectrometry, and isolation
  • a Brij700 surfactant heavy aqueous solution having a surfactant concentration of 1.5 wt% was mixed so as to have a volume ratio of 1: 1, A single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution was obtained.
  • FIG. 16 shows the apparatus used. The diameter of the flow path was 2 cm. The distance between the electrodes 1601 and 1602 was 5 cm, and electrodes each having a single loop of platinum wire were used. The lower electrode 1602 was an anode, the upper electrode 1601 was a cathode, and the applied voltage was 30V.
  • the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution prepared at [a] was introduced drop by drop from the inlet 1603. Meanwhile, a DC voltage was continuously applied to the separation device.
  • the single-walled carbon nanotubes in the flow path are a layer that is a red region 1604 that is a region containing a large amount of metallic single-walled carbon nanotubes, and a semiconducting single-walled carbon equivalent to the single-walled carbon nanotube to be introduced.
  • the separation device 1700 is formed in a U-shape and has a separation tank 170 having a separation channel 1702 in which both ends are opened upward and openings 1705 and 1706 are formed, and in the vicinity of the open ends at both ends of the separation channel 1702. A pair of electrodes 1703 and 1704 are provided.
  • the length from the electrodes on the left and right sides of the separation channel 1702 extending in the vertical direction to the bottom surface was 3 cm, and the length of the parallel channels extending in the horizontal direction connecting the left and right channels was 5 cm.
  • a platinum wire was used for the electrode, and the shape thereof was a loop having a radius of 5 mm.
  • the applied voltage was 80 V, and the voltage was applied for 16 hours.
  • the single-walled carbon nanotube-containing micelle dispersion solution (pre-separation solution 1800) prepared in [a] was filled into the flow path in the separator, and a DC voltage was applied. After the separation operation, the solution inside the separation channel formed a region as shown in FIG. A thin green region (region containing a large amount of semiconducting single-walled carbon nanotubes) 1803 was formed from the anode electrode 1801 to the vicinity of the bottom surface.
  • the darkest green region (region containing a large amount of semiconducting single-walled carbon nanotubes) 1804 is formed in the vicinity of the bottom surface immediately below the anode electrode 1801, and a transparent solution region is formed in the region 1805 in the parallel flow path.
  • a mixed region 1805 having a green region at the bottom spread out.
  • a reddish brown region (a region containing a large amount of metallic single-walled carbon nanotubes) 1806 was formed around the cathode electrode 1802. It was confirmed that semiconducting single-walled carbon nanotubes and metallic single-walled carbon nanotubes were separated in regions 1803 and 1806.

Abstract

　本発明における目的は、半導体性・金属性の混合した単層カーボンナノチューブからなる材料から、半導体性・金属性のそれぞれを工業的に大量、簡便、高効率に分離選別する手法、分離選別する装置、分離選別した分散溶液を提供することにある。　単層カーボンナノチューブを非イオン性界面活性剤溶液中へ分散した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に対して直流電圧を印加し、各ミセルが全体として正電荷を有する金属性単層カーボンナノチューブの濃縮されている単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液層と、各ミセルが全体としては極めて弱い電荷しか有しない半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液の層との、少なくとも２層に分離する工程を有する。

Description

単層カーボンナノチューブの分離方法、分離装置、分離済単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液
　本発明は単層カーボンナノチューブの分離方法、分離装置、分離済単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に関する。
　近年、ナノメートル領域における炭素材料は、それらが持つ機械的・電気的・化学的特性により様々な新規材料として利用する事が期待されている。
　そのような材料の一つにカーボンナノチューブがある。カーボンナノチューブは、炭素原子からなる円筒状の物質である。特に、円筒形の層が１層のものを単層カーボンナノチューブと呼ぶ。単層カーボンナノチューブは優れた電気的特性を持つナノカーボン材料であり、次世代の電子材料として期待されている。この単層カーボンナノチューブは、チューブの直径、巻き具合によって金属性と半導体性という２つの異なる性質に分かれることが知られている。すなわち、現在知られている製造方法を用いて単層カーボンナノチューブを合成すると、金属的な性質を有する単層カーボンナノチューブと半導体的な性質を有する単層カーボンナノチューブが統計的にはおよそ１：２の割合で含まれる単層カーボンナノチューブの混合材料として得られる。
　一方、半導体装置の分野では、半導体膜としてアモルファスまたは多結晶のシリコンを用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られており、アクティブマトリックス液晶ディスプレイ等のスイッチング素子として実用化されている。
　近年、ＴＦＴ用の半導体膜の材料として単層カーボンナノチューブの利用が検討されている。例えば、単層カーボンナノチューブを含む薄膜を用いて作製したＴＦＴの一例があげられる。このような単層カーボンナノチューブを用いたＴＦＴには、アモルファスまたは多結晶のシリコンを用いたＴＦＴに比べ、製造プロセスの低温化が図れるという利点がある。そのため、プラスチック基板上への回路の形成が可能になり、装置の軽量化、低コスト化が図れるなど、多くの効果が期待されている。
　前述したように、単層カーボンナノチューブには半導体性と金属性のそれぞれ異なる性質を持つ単層カーボンナノチューブが統計的に２：１の割合で含まれている。このことは電子材料として利用した場合、特性の低下といった問題の原因となる。例えば、ＴＦＴ用の半導体膜の材料として単層カーボンナノチューブを用いた場合、金属的な性質を持つ単層カーボンナノチューブによって、短絡やＯｎ／Ｏｆｆ性能の低下といった性能の低下が生じる。
　この性能の低下が発生するという課題を解決するため、限りなく１００％に近い分離効率を目指して半導体性・金属性単層カーボンナノチューブの個別分離手法が、様々なグループにより提案されてきた。例えば、（１）直流電気泳動法を用いた分離手法（特許文献１）、（２）誘電泳動法を用いた半導体性単層カーボンナノチューブの分離手法（非特許文献１）、（３）密度遠心勾配法を用いた分離手法（非特許文献２）、（４）ＤＮＡ Ｗｒａｐｐｉｎｇによるイオン吸着クロマトグラフィーを利用した分離手法（非特許文献３）、（５）ゲル電気泳動を用いた分離手法（特許文献２）、（６）ゲルへの吸着を用いた半導体性・金属性単層カーボンナノチューブの分離手法（非特許文献４）という分離手法がある。また、発明者は（７）改良型無担体電気泳動法を用いる半導体性・金属性単層カーボンナノチューブの分離手法（特許文献３）を提案している。
特開２００８－５５３７５号公報 特表２００８－２８５３８７号公報 特願２００９－１４８８６１号
Advanced Materials 18,(2006) pp. 1468-1470. Nature Nanotechnology 1, (2006) pp. 60-65. Science 302, (2003) pp. 1545-1548. Nano Letters 9, (2009) pp. 1497-1500.
　しかしながら、上述した分離方法（１）では、選別された単層カーボンナノチューブの半導体性・金属性の分離効率が８０％～９０％と低いという問題がある。また、分離方法（２）～（５）では、単層カーボンナノチューブを簡便かつ大量に分離することが難しく工業的な応用に困難がある。さらに、分離方法（２）～（５）では、分離時における界面活性剤にはイオン性の界面活性剤を用いることが多く、電気的応用時に短絡等の原因となり得るという課題も存在する。
　また、上述した分離方法（７）は、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を保持溶液上に配置し、分散溶液と保持溶液の比重差と電界により生じるクーロン力との合力により単層カーボンナノチューブを各群に分離するという手法であるが、保持溶液と単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液との界面付近において溶液の拡散が発生するという問題点がある。
　さらに、すべての分離手法において、分離用の単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液について超遠心分離を行い単層カーボンナノチューブ溶液の精製を行う必要がある。この分散溶液精製時における超遠心分離過程は、量産化を妨げ、コストを高くする要因となっている。
　本発明における目的は、半導体性及び金属性の単層カーボンナノチューブを混合した材料から、半導体性及び金属性の単層カーボンナノチューブそれぞれを工業的に大量、簡便、高効率に分離選別する手法、分離選別する装置、分離選別した分散溶液を提供することにある。
　本発明者らは、上述した課題を解決するために検討を重ねた結果、（１）非イオン系の界面活性剤を用いて適切な濃度に調整した界面活性剤溶液に、適切な量の単層カーボンナノチューブを分散した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液（以下、分離用溶液ともいう）を調製し、（２）前記分離用溶液へ重力とおよそ平行方向（鉛直方向）に直流電圧を印加することにより、半導体性及び金属性の単層カーボンナノチューブがそれぞれ層を形成し極めて効率よく分離する、という現象を見出した。
　特に（１）における界面活性剤と単層カーボンナノチューブの調製条件を適切に調整することにより、超遠心分離を用いた精製を行わない単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液においても、半導体性及び金属性の単層カーボンナノチューブがそれぞれ異なる層を形成して分離出来ることを発見した。
　以上のような経緯から、本発明へと到達した。すなわち、本発明は、以下の（１）から（３）に示す上記手法を用いた単層カーボンナノチューブ試料の半導体性及び金属性単層カーボンナノチューブ分離法と（４）から（８）に示す単層カーボンナノチューブ分離装置、ならびに該分離法で分離された半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液及び金属性単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液に関するものである。
（１）　単層カーボンナノチューブを非イオン性界面活性剤溶液中へ分散した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に対して直流電圧を印加し、各ミセルが全体として正電荷を有する金属性単層カーボンナノチューブの濃縮されている単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液層と、各ミセルが全体としては極めて弱い電荷しか有しない半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液の層との、少なくとも２層に分離する工程を有することを特徴とする単層カーボンナノチューブ分離方法。
（２）　前記の非イオン性界面活性剤がポリオキシエチレン(n)アルキルエーテル（ｎが２０以上１００以下、アルキル鎖長がＣ１２以上Ｃ１８以下）であることを特徴とする（１）に記載の分離方法。
（３）　前記の非イオン性界面活性剤濃度が4 wt%以下となるように単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を調製することを特徴とする（１）又は（２）に記載の分離方法。
（４）　単層カーボンナノチューブを非イオン性界面活性剤溶液中へ分散した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を収納した分離槽を有し、該単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に直流電圧を印加する少なくとも２個以上の電極を該分離槽に設けたことを特徴とする単層カーボンナノチューブ分離装置。
（５）　前記分離槽の分離流路が縦に設置され、且つ電界の方向が分離流路内で上を向いていることを特徴とする、（４）に記載の分離装置。
（６）　前記分離装置において出発原料となる単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液を電極間へ連続的に導入する導入口と、分離された少なくとも２層の単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液の各層をそれぞれ別々に分取する分取口を有することを特徴とする（４）又は（５）に記載の分離装置。
（７）　（１）又は（２）に記載の方法によって分離された、半導体性単層カーボンナノチューブの割合が９０％以上１００％以下である単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液。
（８）　（１）又は（２）に記載の方法によって分離された、金属性単層カーボンナノチューブの割合が５０％以上１００％以下の単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液。
　本発明により、半導体性及び金属性単層カーボンナノチューブの混合試料から高純度の半導体性単層カーボンナノチューブと金属性単層カーボンナノチューブに分離することができる。
　また、本発明は簡便な方法であることから、スケールアップして大容量に分離することが行うことができ、さらに分離条件の選択次第では、既存の金属性・半導体性単層カーボンナノチューブ分離手法に必要である超遠心分離操作を行わずに分離する事が可能であり、大幅な低コスト化を実現可能となる。また、繰り返して実施することにより、さらなる高純度化が可能である。
連続式及びバッチ式分離用単層カーボンナノチューブ分離装置である。 バッチ式分離用単層カーボンナノチューブ分離装置である。 連続式分離用単層カーボンナノチューブ分離装置である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動と吸光分析結果である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動と吸光分析結果である。 中心直径1.3 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動と吸光分析結果である。 中心直径1.7 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動と吸光分析結果である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動と吸光分析結果である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路内の溶液挙動である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ分離前後における流路（大型）内の溶液挙動と吸光分光解析である。 中心直径1 nmの単層カーボンナノチューブ連続分離中の流路の溶液挙動である。 実施例４における分離装置である。 実施例４における単層カーボンナノチューブの分離挙動である。
　本発明の実施形態について説明する。
　本発明では、まず、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を調製する。
　本明細書における単層カーボンナノチューブとは、純炭素により構成されていても良いし、単層カーボンナノチューブを水系の溶媒に対する可溶性を発現させるために任意の適切な官能基で置換されていても良い、一重の壁を持つ筒状の炭素材料である。
　また、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液とは、分離時間相当の間、単層カーボンナノチューブが溶媒中へ分散浮遊している溶液のことをいう。
　以下に具体的な実施の形態の例を示すが、この他の実施形態について制限するものではない。
　まず、単層カーボンナノチューブ混合物を準備する。前記単層カーボンナノチューブ混合物は、金属性単層カーボンナノチューブと半導体性単層カーボンナノチューブとを含むものであれば特に制限されない。すなわち、従来公知の単層カーボンナノチューブ合成法により合成してもよく、また、市販のものであってもよい。
　次に、単層カーボンナノチューブ混合物を溶媒及び界面活性剤を含む液体に分散させた単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を調製する。溶媒には水もしくは重水を用いることが好適であるが、単層カーボンナノチューブを分散浮遊することができる溶媒であれば水、重水、有機溶媒、イオン液体など他の溶媒を用いても良い。
　前記界面活性剤としては単層カーボンナノチューブに対してナトリウムイオンなどイオン性の不純物が混入することを防ぐために非イオン性界面活性剤を用いることが好ましいが、不純物混入を避ける必要がなければ陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤を用いることもできる。
　前記非イオン性界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系に代表されるポリエチレングリコール構造を有する非イオン性界面活性剤や、アルキルグルコシド系非イオン性界面活性剤など、イオン化しない親水性部位とアルキル鎖など疎水性部位で構成されている非イオン性界面活性剤を１種類もしくは複数組み合わせて用いることができるが、本発明ではポリオキシエチレン（２３）ラウリルエーテル（Ｂｒｉｊ３５[商品名]）、ポリオキシエチレン（２０）セチルエーテル（Ｂｒｉｊ５８[商品名]）、ポリオキシエチレン（２０）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７８[商品名]）、ポリオキシエチレン（１０）オレイルエーテル（Ｂｒｉｊ９７[商品名]）、ポリオキシエチレン（１０）セチルエーテル（Ｂｒｉｊ５６[商品名]）、ポリオキシエチレン（１０）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７６[商品名]）、ポリオキシエチレン（２０）オレイルエーテル（Ｂｒｉｊ９８[商品名]）、ポリオキシエチレン（１００）ステアリルエーテル（Ｂｒｉｊ７００[商品名]）などポリオキシエチレン（ｎ）アルキルエーテル（ｎが２０以上１００以下、アルキル鎖長がＣ１２以上Ｃ１８以下）で規定される非イオン性界面活性剤が好ましく用いられる。
　前記分散溶液を得る方法は特に制限されず、従来公知の方法を適用できる。例えば、単層カーボンナノチューブ混合物、重水または水、及び非イオン性界面活性剤を混合して超音波処理することで単層カーボンナノチューブを分散させる。前記超音波処理に代え、機械的な剪断力による単層カーボンナノチューブ分散手法を用いてもよい。前記単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液において単層カーボンナノチューブは孤立した状態であることが好ましい。そのため、必要に応じて、超遠心分離処理を用いてバンドルの除去を行ってもよい。
　また、前記重水または水、及び非イオン性界面活性剤を含む液体における界面活性剤の濃度は、前記単層カーボンナノチューブ混合物を分散できる範囲であれば特に制限されない。また、当該技術分野の当業者であれば適宜設定可能である。前記界面活性剤の濃度の一例としては、臨界ミセル濃度以上１０ｗｔ％以下である。
　分離を行う分散溶液は溶液中の界面活性剤の濃度を分離に適するように調整する必要がある。分離を妨げない界面活性剤濃度としては、臨界ミセル濃度～10 wt%の範囲であり、好ましくは0.1 wt%以上4 wt%以下の範囲であり、より好ましくは0.15 wt%以上1.51 wt%以下の範囲である。濃度が前記範囲より低い場合には、分離操作中において単層カーボンナノチューブを溶液中に安定的に分散することが困難となる場合がある。また濃度が前記範囲より高い場合には効率的な分離が妨げられる場合があるが、この原因としては分散溶液の高粘度化や単層カーボンナノチューブ含有ミセルの比重において金属性と半導体性で優位な差がなくなることなど考えられる。
　前記の範囲に界面活性剤濃度を調整する方法としては、分散溶液の調製時に調整してもよいし、あらかじめ単層カーボンナノチューブの分散に適する任意の界面活性剤濃度で分散操作を行った後で界面活性剤のみを溶解した溶液（以下、調整溶液ともいう）と混合することによって前記の範囲に界面活性剤濃度を調整してもよく、前記の範囲に濃度が調整されれば特に制限されないが、超遠心分離精製を行う場合には界面活性剤濃度が精製前後でわずかに変化するため、後者の方法で界面活性剤濃度調整を行うことが好ましい。
　また、前記分散溶液に求められる単層カーボンナノチューブ濃度の条件としては、分離操作時に金属性単層カーボンナノチューブが複合体を形成し沈降しなくなる濃度以下にすることである。例えば、好ましくは溶媒に対し単層カーボンナノチューブの濃度が1 mg/mL以下となる範囲である。
　次に、前記調製した分散溶液に対して、分離操作を行う。
　前記単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に電界を印加して両者を分離する操作方法として、金属性単層カーボンナノチューブ含有ミセルと半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセル及び溶液内の単層カーボンナノチューブを含まない界面活性剤ミセルとが異なる電荷量を持つことによる移動流と、溶液内の金属性単層カーボンナノチューブ含有ミセルと半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセル及び界面活性剤ミセルの比重差により生じる移動流の双方に基づくものであれば、特に制限はない。印加する電界は直流電界または直流のパルス状電界を用いる。非イオン性界面活性剤を用いている場合、金属性の単層カーボンナノチューブ含有ミセルは溶液中においてミセル全体として正電荷を帯び、半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセルはミセル全体として主に極めて弱い負電荷を持つ。また、電圧印加後には、半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセルは金属性単層カーボンナノチューブ含有ミセルに比べ比重が大きくなる傾向にある。以上の二点を踏まえれば、適宜条件を設定した公知技術を用いることにより、当業者による両者の分離が可能である。また、分離装置中の分離槽は単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液が充填されている部分であり、分離流路を含む。当該分離流路は、比重と電荷の双方を用いて効率的に分離を行うために縦方向（上下方向又は鉛直方向ともいう）に形成されている流路を含むことが望ましい。本明細書における上下の定義を、下とは比重の大きな粒子が移動する方向である重力もしくは慣性力に対して下方のことを言い、上とは比重の小さな粒子が移動する方向である重力もしくは慣性力方向に対して上方のことを言うこととする。電界の方向は上方向に向かっていることが好ましいが、逆の方向に設定することも可能である。また分離装置は、バッチ式であっても連続式であってもよい。
　前記分離装置について、本発明における単層カーボンナノチューブ分離装置の実施形態の例を図１～３に示す。
　図１は連続式又はバッチ式操作双方に利用可能な分離装置である。分離装置１００は重力方向１０１と平行になるように形成された分離流路１０２を有する分離槽と、分離流路１０２の上部と下部に対向して設置された一対の電極１０３、１０４とを備えている。分離槽は上部開口部１０７を備えるとともに、分離流路１０２の上部と下部にそれぞれ分取口１０５、１０６を備えており、また分離流路１０２の鉛直方向の略中央部分に連続導入口１０８を備えている。
　分離装置１００を利用したバッチ式分離操作は以下のようになる。上部開口部１０７より単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を投入し流路１０２を満たす。そして、電極１０３、電極１０４の電極間へ直流電圧を印加する。その後、分離相当の時間経過後に、電極１０３及び１０４近辺にそれぞれ異なる単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域が層状に形成される。分取は、上部開口部１０７より領域ごとに吸引分取することにより、それぞれの領域の単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を回収することが可能である。また、分取口１０５、１０６から回収することも可能である。本発明において電極数及び分取口数は制限されず、多数の電極と分取口を用いる場合には、より細かく分離することも可能である。
　分離装置１００を利用した連続式分離操作は以下の通りである。まず、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を流路１へと充填する。その後、電極１０３及び１０４の電極間へ直流電圧を印加する。電圧を印加している状態において、連続導入口１０８から連続的に分離用溶液を導入する。また、分取口１０５，１０６から連続的に分取を行う。以上の操作により連続的な分離を行うことが可能である。
　図２はバッチ式の分離手法を用いる分離装置である。分離装置２００は重力方向２０１と平行になるように形成された分離流路２０２を有する分離槽と、分離流路２０２の上部と下部に対向して設置された一対の電極２０３、２０４とを備えており、分離槽は上部開口部２０５を備えている。流路２０２内部に調製した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を満たし、電極２０３、２０４の電極間に直流電圧を印加する。分離操作終了後、上部開口部２０５より、ピペットを用いて各層ごとに分取を行うことにより分離済み分散溶液を得る。
　図３は連続式の分離手法を用いる分離装置である。分離装置３００は重力方向３０１と平行になるように形成された分離流路３０２を有する分離槽と、分離流路３０２の上部と下部に対向して設置された一対の電極３０３、３０４とを備えており、分離槽は上部開口部３０５と、分離流路３０２内に単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液等を導入するための導入口３０６とを備えている。分離流路３０２内部に調製した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を満たし、電極３０３、３０４間へ直流電圧を印加する。その後、電圧を印加した状態で単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を導入口３０６より少量ずつ連続的に試料導入する。上部開口部３０５より、ピペットを用いて分取を行うことにより分離済み分散溶液を得る。
これらの形態は実施の一例であり、分離装置はこれらの記述に制限されない。
　電界の印加方法は特に制限されず、直流電界を発生させる少なくとも一対の電極を用いて行うことができる。電極は前記単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に直接接触させてもよいし、電界が前記単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に印加されるならば直接接触させなくてもよい。前記電極の材質は、特に制限されず適宜選択可能であるが、白金電極が好ましい。分離操作時に印加する電圧は、特に制限されず適宜調節可能であるが、例えば、水もしくは重水を溶媒として電極を直接接触した場合には、電界強度が１０Ｖ／ｃｍ以下であることが好ましい。
　最後に、分離後の溶液を分画し分取を行う。分取はそれぞれの試料を拡散混合しないならば、どのような手段を用いても良い。例えば、電圧の印加をやめ、静かにピペットにより１ ｍＬ毎に吸い出す方法がある。また、流路に対して仕切り板を導入し各ブロックの溶液を分取する方法や、流路中の各電極付近に吸出し口を設置し電圧を印加したまま連続的に導入・吸出しを行う方法などを用いることができる。もちろん、これ以外の手法により試料を分取してもよい。分離分取された試料は、再び単層カーボンナノチューブの濃度と界面活性剤濃度の調製を行い、繰り返し分離を実施することにより純度の向上が可能である。
　分画分取した試料の分離効率は、次に述べる各手法により評価を行うことができる。すなわち、顕微Ｒａｍａｎ分光分析法（Ｒａｄｉａｌ Ｂｒｅａｔｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ領域のＲａｍａｎスペクトルの変化、ＢＷＦ領域のＲａｍａｎスペクトル形状の変化）、及び紫外可視近赤外吸光光度分析法（吸収スペクトルのピーク形状の変化）である。また、単層カーボンナノチューブの電気的特性について評価することによっても分離効率を評価することが可能である。例えば、電界効果トランジスタを作製して、そのトランジスタ特性を測定することによって試料の評価を行うことができる。
　本発明の分離方法を用い、前記の評価方法による純度が９０％以上となる半導体性単層カーボンナノチューブが得られる。また繰り返し実施することにより、前記の評価方法による純度が限りなく１００％へ近づいた高純度な半導体性単層カーボンナノチューブを得ることもできる。また、本発明の分離方法を用い、前記の評価方法による純度が５０％以上となる金属性単層カーボンナノチューブが得られる。また繰り返し実施することにより、前記の評価方法による純度が限りなく１００％へ近づいた高純度な金属性単層カーボンナノチューブを得ることもできる。
　以下に、実施例を示す。
[a] 単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液の調製
　まず、表１の番号１～１０に示すそれぞれの単層カーボンナノチューブについて単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を調製した。
　分散に用いる界面活性剤としてポリオキシエチレン(100)ステアリルエーテル(商品名：Brij700）を用いた。界面活性剤が濃度1 wt% となるように重水中へ溶解した。次に、単層カーボンナノチューブを表１に示す濃度となるようそれぞれ秤量を行い、界面活性剤-重水溶液中へと投入した。
　単層カーボンナノチューブを分散させるため、ホーン型超音波破砕機による超音波分散処理を行った。出力は約300Wとし、30分間処理を行った。
　その後、表１の超遠心分離強度欄に示すように超遠心分離操作を行った。一部の試料については、超遠心分離を実施しなかった。超遠心分離を実施した試料については、遠心加速度は250000×gとし、摂氏１０度を遠心条件とした。また、遠心時間は６０分間とした。遠心処理後、上澄み５０％を分散溶液として分取した。
　さらに、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に対し、Brij700 界面活性剤-重水溶液を添加することにより界面活性剤濃度及び単層カーボンナノチューブ濃度を調整した。添加する溶液の界面活性剤濃度を０、０．３、０．６、１．０、１．５、２．０、１０％にそれぞれ調製した。前述した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に調製した界面活性剤溶液を表１に示す濃度と体積比によってそれぞれの試料を混合し、界面活性剤濃度、単層カーボンナノチューブ濃度を制御した分離用の単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を調製した。
[b]分離装置および分離操作
　実施の形態において前述した図２のバッチ式分離装置を用いて分離を行った。条件として、流路２０２の直径を1ｃｍに、電極間の距離は５ｃｍとし、白金線の一重ループとした電極を用いた。
　[a]において調製した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液をそれぞれ流路２０２へと充填した。その後、分離装置に対して直流電圧を印加した。印加した電界の方向、印加電圧と印加時間は表１に示す通りである。
　印加時間経過後の分離流路中における単層カーボンナノチューブの層形成について、それぞれの条件における結果を表１に記す。表中結果には３層形成、混合領域形成、層形成せずの三種類の結果が存在する。
　３層形成とは金属性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域と透明な領域、半導体性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域の３層を形成する結果を意味している。一例を示すと、図４(a2)に示す分離結果写真における、終状態において、金属性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域（４０１）と透明な領域（４０２）、半導体性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域（４０３）を形成したような状態のことである。
　混合領域形成とは、金属性単層カーボンナノチューブと半導体性単層カーボンナノチューブの領域がそれぞれ形成され、層が完全に分離せず混合している領域を形成していることを表している。一例を示すと、図１３(a2)に示す分離結果写真における、半導体性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域（１３０１）、半導体性単層カーボンナノチューブ及び金属性単層カーボンナノチューブが混合した領域（１３０２）、及び金属性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域（１３０３）のように分離した結果を意味している。
　層形成せずとは、層が形成されなかったことを示している。一例を示すと、図１４(a2)のような分離結果を意味している。領域１４０１は均一な単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液が流路全体にわたって存在している。
　電圧印加終了後、分離流路における層の形成について確認を行った。各条件における層形成については、表１に記す。また、各条件における分離操作前後の分離流路の写真を図４～図１４の(a1)および(a2)に示す。
　その後、上部開口部２０５よりピペットを用いて各層ごとに分取を行った。条件ごとに、紫外可視近赤外吸光分析法により分光測定を実施し分離傾向を確認した。中心直径が1 nm, 1.3nm, 1.7 nmの単層カーボンナノチューブに対する典型的な分離結果について、紫外可視近赤外吸光スペクトルをそれぞれ図４～図８中の(b)へと図示した。吸光スペクトル図中には分取した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液のスペクトルを、それぞれ上から、陰極側、分離前、陽極側となるように図示した。図中のS22は半導体性単層カーボンナノチューブ由来の吸収ピークであり、図中のM11は金属性単層カーボンナノチューブ由来の吸収ピークである。それぞれ半導体性及び金属性単層カーボンナノチューブ由来のピークにおける面積から、半導体性及び金属性単層カーボンナノチューブの含有率を計算することが可能である。1 nmの単層カーボンナノチューブ分離に関しては、代表的な図のみを記した。表１には、分離結果について半導体性単層カーボンナノチューブにおいて９５％以上の良い分離を示すものについて◎、９０％以上の分離傾向を示すものを○、ある程度の分離傾向を示すものを△、層形成しないものを×として示した。それぞれの条件において、半導体性及び金属性単層カーボンナノチューブの分離を確認することができた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
[比較例１]
　表１の番号１１に示すように、分離時に用いる単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液の界面活性剤濃度が4 wt%を超えている場合、図１４にも明らかなように分離しないことが確認された。
[比較例２]
　また、界面活性剤としてイオン性界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）を用い、それ以外は実施例１と同様の条件にして分離操作を行ったところ、分離しないことが確認された。
[a] 単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液の調製
　界面活性剤としてポリオキシエチレン(100)ステアリルエーテル(商品名：Brij700）を用いた。界面活性剤濃度が1 wt% となるように重水中へ溶解した。次に、直径が1 nmである単層カーボンナノチューブ試料を１ｍｇ／ｍＬとなるように秤量し、界面活性剤-重水溶液中へと導入した。単層カーボンナノチューブを分散させるため、ホーン型超音波破砕機による超音波分散処理を行った。出力は約300Wとし、30分間処理を実行した。分散処理後に溶液中のバンドルを取り除くため、超遠心分離操作を行った。分離操作時の遠心加速度は250000×gとし、摂氏１０度、６０分間の遠心処理を行った。遠心処理後の溶液の上澄み５０％を分取した。
　さらに、界面活性剤及び単層カーボンナノチューブの溶液中における濃度を調整するため、界面活性剤濃度を１．５ｗｔ％としたBrij700界面活性剤重水溶液を体積比１：１となるように混合し、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液とした。
[b]分離装置および分離操作
　実施の形態において前述した図２のバッチ式分離装置を用いて分離を行った。条件として、流路２０２の直径を2ｃｍに、電極間の距離は５ｃｍとし、白金線の一重ループとした電極を用いた。
　[a]において調製した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を流路２０２へと充填した。その後、分離装置に対して直流電圧を印加した。下部電極を陽極、上部電極を陰極とし、印加電圧を３０Vとした。
　分離操作後、分離流路内部の溶液は図１５(a2)に示すように、３層の領域を形成していた。上部開口部２０５より、ピペットを用いて各層ごとに分取を行った。それぞれの層について、紫外可視近赤外吸光分析法により分光測定を実施し分離を確認した。その結果を図１５(b)に示す。
[a] 単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液の調製
　界面活性剤としてポリオキシエチレン(100)ステアリルエーテル(使用品名：Brij700）を用いた。界面活性剤濃度が1 wt% となるように重水中へ溶解した。次に、直径が1 nmである単層カーボンナノチューブ試料を１ｍｇ／ｍＬとなるように秤量し、界面活性剤-重水溶液中へと導入した。単層カーボンナノチューブを分散させるため、ホーン型超音波破砕機による超音波分散処理を行った。出力は約300Wとし、30分間処理を実行した。分散処理後に溶液中のバンドル試料を取り除くため、超遠心分離操作を行った。分離操作時の遠心加速度は250000×gとし、摂氏１０度、６０分間の遠心処理を行った。遠心処理後の溶液の上澄み５０％を分取した。
　さらに、界面活性剤及び単層カーボンナノチューブの溶液中における濃度を調製するため、界面活性剤濃度を１．５ｗｔ％としたBrij700界面活性剤重水溶液を体積比１：１となるように混合し、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液とした。
[b] 分離装置および分離操作
　実施の形態において前述した連続式分離装置を用いて分離を行った。図１６に利用した装置を示す。流路の直径を２ｃｍとした。電極１６０１，１６０２の電極間の距離は５ｃｍとし、それぞれ白金線の一重ループとした電極を用いた。下部電極１６０２を陽極、上部電極１６０１を陰極とし、印加電圧を３０Vとした。
　まず、界面活性剤溶液を流路へと充填後、導入口１６０３から[a]において調製した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を一滴ずつ導入した。その間、分離装置に対して直流電圧を印加し続けた。図１６に示す通り、流路中において単層カーボンナノチューブは金属性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域である赤色領域１６０４である層と、導入する単層カーボンナノチューブと同等の半導体性単層カーボンナノチューブ及び金属性単層カーボンナノチューブ比率を持つ層１６０５と、半導体性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域である緑色領域１６０６の形成を確認し、分離が行われていることを確認した。
[a] 単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液の調製
　界面活性剤としてポリオキシエチレン(100)ステアリルエーテル(使用品名：Brij700）を用いた。界面活性剤濃度が1 wt% となるように重水中へ溶解した。次に、直径が1 nmである単層カーボンナノチューブ試料を１ｍｇ／ｍＬとなるように秤量し、界面活性剤-重水溶液中へと導入した。単層カーボンナノチューブを分散させるため、ホーン型超音波破砕機による超音波分散処理を行った。出力は約300Wとし、30分間処理を実行した。分散処理後に溶液中のバンドル試料を取り除くため、超遠心分離操作を行った。分離操作時の遠心加速度は250000×gとし、摂氏１０度、６０分間の遠心処理を行った。遠心処理後の溶液の上澄み５０％を分取した。
　さらに、界面活性剤及び単層カーボンナノチューブの溶液中における濃度を調製するため、界面活性剤濃度を１．５ｗｔ％としたBrij700界面活性剤重水溶液を体積比１：１となるように混合し、単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液とした。
[b]分離装置および分離操作
　用いた分離装置を図１７に示す。分離装置１７００は、コ字形状に形成され両端が上方に開口して開口部１７０５、１７０６が形成されている分離流路１７０２を有する分離槽と、分離流路１７０２の両端の開放端の近傍にそれぞれ設けられた一対の電極１７０３、電極１７０４を備えている。鉛直方向に延びる分離流路１７０２の左右両側の流路の電極から底面までの長さを３ｃｍ、左右両側の流路を結ぶ水平方向に延びる平行流路の長さを５ｃｍとした。また、電極には白金線を用い、その形状は半径５ｍｍのループとした。印加電圧を８０Ｖとし、電圧の印加を１６時間実施した。
　まず、図１８(a)に示すように、分離装置中に[a]において調製した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液（分離前溶液１８００）を流路中へ充填し、直流電圧を印加した。分離操作後、分離流路内部の溶液は図１８(b)に示すような領域を形成していた。陽極電極１８０１から底面付近まで薄い緑色の領域（半導体性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域）１８０３を形成していた。さらに、陽極電極１８０１の直下底面付近にもっとも濃い緑色の領域（半導体性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域）１８０４を形成し、平行流路中の領域１８０５には、上部に透明な溶液領域があり下部に緑色領域が存在する混合領域１８０５が広がった。また、陰極電極１８０２の周辺には赤褐色の領域（金属性単層カーボンナノチューブが多く含まれる領域）１８０６を形成した。領域１８０３と領域１８０６において半導体性単層カーボンナノチューブと金属性単層カーボンナノチューブが分離されたことを確認した。
１００，２００，３００，１６００，１７００　分離装置
１０１，２０１，３０１，１７０１　重力方向
１０２，２０２，３０２，１７０２　分離流路
１０３，２０３，３０３，１６０１　上部電極
１０４，２０４，３０４，１６０２　下部電極
１０５　上部分取口
１０６　下部分取口
１０７，２０５，３０５　開口部１０８，３０６，１６０３　導入口
１６０４　赤色領域（金属領域）
１６０５　褐色領域（混合領域）
１６０６　緑色領域（半導体領域）
１７０３，１８０１　陽極電極
１７０４，１８０２　陰極電極
１７０５　陽極側開口部
１７０６　陰極側開口部
１８００　分離前溶液
１８０３　薄い緑色領域（半導体領域）
１８０４　濃い緑色領域（半導体領域）
１８０５　混合領域
１８０６　赤褐色領域

Claims (8)

  1. 　単層カーボンナノチューブを非イオン性界面活性剤溶液中へ分散した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に対して直流電圧を印加し、各ミセルが全体として正電荷を有する金属性単層カーボンナノチューブの濃縮されている単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液層と、各ミセルが全体としては極めて弱い電荷しか有しない半導体性単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液の層との、少なくとも２層に分離する工程を有することを特徴とする単層カーボンナノチューブ分離方法。
  2. 　前記の非イオン性界面活性剤がポリオキシエチレン(n)アルキルエーテル（ｎが２０以上１００以下、アルキル鎖長がＣ１２以上Ｃ１８以下）であることを特徴とする請求項１に記載の分離方法。
  3. 　前記の非イオン性界面活性剤濃度が4 wt%以下となるように単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を調製することを特徴とする請求項１又は２に記載の分離方法。
  4. 　単層カーボンナノチューブを非イオン性界面活性剤溶液中へ分散した単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液を収納した分離槽を有し、該単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散溶液に直流電圧を印加する少なくとも２個以上の電極を該分離槽に設けたことを特徴とする単層カーボンナノチューブ分離装置。
  5. 　前記分離槽の分離流路が縦に設置され、且つ電界の方向が分離流路内で上を向いていることを特徴とする、請求項４に記載の分離装置。
  6. 　前記分離装置において出発原料となる単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液を電極間へ連続的に導入する導入口と、分離された少なくとも２層の単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液の各層をそれぞれ別々に分取する分取口を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の分離装置。
  7. 　請求項１又は２に記載の方法によって分離された、半導体性単層カーボンナノチューブの割合が９０％以上１００％以下である単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液。
  8. 　請求項１又は２に記載の方法によって分離された、金属性単層カーボンナノチューブの割合が５０％以上１００％以下の単層カーボンナノチューブ含有ミセル分散液。
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