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カーボンナノチューブ-ナノデバイスへの挑戦
/化学同人


カーボンナノチューブの基礎
/コロナ社


究極のシンメトリー フラーレン発見物語
/白揚社


Carbon Nanotubes and Related Structures: New Materials for the Twenty-First Century
/ Cambridge Unv. Pr.


Physical Properties of Carbon Nanotubes
/ World Scientific Pub. Co.



 

  
イントロダクション
発見の歴史
導電性・量子的性質
その他の性質
成長メカニズム
生成法
加工・操作
応用例
その1 電界放出ディスプレイ(FED)
その2 走査プローブ顕微鏡の探針
その3 分子エレクトロニクスへの利用
リンク集

 
カーボンナノチューブ
 − CNTの大量生産


 現在カーボンナノチューブを大量生産する方法は様々なタイプがあるが、そのほとんどは、下で紹介する「
アーク放電」、「レーザー蒸発」、「化学的気相成長(CVD)」の三つのうちのどれかに分類されるか、もしくはそれらを組み合わせたものである。

 どの方法も一長一短があり、CNTをどういった目的で利用するかということを考えた上で選択する必要がありそうだ。


アーク放電
 もっとも初期にCNTを生成するのに利用されていた方法。図のように二つのグラファイト棒を数mmまで近づけて設置し、それぞれを強い直流電源につなぐ。電源を入れると負電極と正電極の間で激しい放電が起こり、炭素クラスターが生じる。これを室温にまで冷却すると、負電極にカーボンナノチューブやフラーレン、炭素クラスターなど様々なものが堆積する。

 触媒がないときは多層式ナノチューブ(MWCNT)しか生成しないが、コバルトやニッケル、鉄などの金属触媒を加えることで単層式ナノチューブ(SWCNT)が生成する。

 この方法で作られたナノチューブは、様々なサイズのものが無秩序な方向に堆積してしまう。一般的な収率は30重量パーセント以下。



レーザー蒸発
 レーザー蒸発でフラーレンを生成していたライス大のスモーリーらはSWNTの生成を聞き、装置を図のように改造して単層ナノチューブをはじめて大量生成を可能にした。グラファイト棒をレーザーでたたき高温炭素蒸気を発生させ(レーザーアブレーション)、銅製の収集装置で成長させるというものだ。

 この方法では、レーザー光強度、希ガス圧力、電気炉温度などいくつかの物理パラメータの制御が容易であり、CNTの形成と様々な物理パラメータの詳しい研究が可能になった。しかし装置が複雑で生成コストも高い。一般的な収率は70重量パーセント以下。



化学的気相成長

 基板を炉に入れ、600℃に加熱しながらゆっくりと炭素の供給源となるガス(メタンなど)を流す。ガスが分解して炭素原子が放たれ、再結合してナノチューブが形成する。最近はCVDによるCNTの生成法の発展が目覚ましい。例えばデューク大のLuiらは、多孔性の触媒を用いることで、収率を大きく上昇させた。またスタンフォード大のDaiらはこの方法を発展させ、特定の場所にCNTを成長させることに成功している。この技術はナノチューブを電界放出ディスプレイのエミッタ(電子銃)として利用したり、電子回路などの作成に大いに期待されている。

 上の二つの方法と比べて工業的な大量生産に向いている。しかしその一方で、SWNTの生成には向かず構造欠陥も多いなど、生成するナノチューブの質はあまり高いとはいえない。



成長メカニズム 加工・操作