(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を１５００Ｋ以上２５００Ｋ以下の温度で反応させることを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
【請求項２】
化学的気相成長法によって作製したカーボンナノチューブを原料として使用することを特徴とする請求項１に記載のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
【請求項３】
加熱手段として高周波誘導加熱炉を使用することを特徴とする請求項１または２に記載のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
【請求項４】
加熱下において反応混合物から生成物を分別することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方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、半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等として有用な、半導体特性を有し直線状で且つ配向性を有する、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
炭素原子が六角形の網目状で且つ筒状に並んだナノメートルの大きさのチューブ状炭素物質はカーボンナノチューブと呼ばれており、熱伝導率が金属よりも高く、また軽量であるにもかかわらずダイアモンドに近い強度を有しているため、様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
このカーボンナノチューブの製造方法としては、アーク放電やレーザー加熱法が知られているが、それらの方法によって製造されたカーボンナノチューブは配向性を示さない（Ｓｃｉｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｆｕｌｌｅｒｅｎｓ  ａｎｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（非特許文献１）  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（非特許文献２））。そこで利用価値の高い配向性を示すカーボンナノチューブの製造方法が求められていたが、最近になって化学的気相成長法を利用することによって配向した多層カーボンナノチューブが合成できることが見出された（Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ａｌｉｇｎｅｄ
Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（非特許文献３））。
【０００４】
また近年、カーボンナノチューブと比較してバンドギャップの広い、すなわち絶縁体特性を有する多層窒化ホウ素ナノチューブも合成できるようになった（ＣＶＤ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（非特許文献４）、特開２０００−１０９３０６号公報（特許文献１）、特開２００２−９７００４号公報（特許文献２））。
【０００５】
他方で、レーザーアブレーション法を用いてホウ素、炭素および窒素原子からなる三成分系ナノチューブも合成されることも知られており（特開平７−１８７８８３号公報（特許文献３））、この三成分系ナノチューブは、上記のカーボンナノチューブや多層窒化ホウ素ナノチューブあるいはその他の従来の物質にない特性を有する材料として、半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒などに利用されることが期待されている。
【０００６】
しかしながらこれまでのレーザーアブレーション法によるホウ素、炭素および窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法では、製造された三成分系ナノチューブの形状が曲線状であったり、またナノチューブの層数は少ない程電子輸送に影響を及ぼす位相欠陥が少なく実用的なのであるがこれまでの三成分系ナノチューブ製造方法では層数の多いナノチューブしか合成できず、そのため高い機能や半導体特性が要求される分野において、三成分系ナノチューブの性能を十分に発現することができていなかったのである。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｓ．Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ  ｅｔ  ａｌ．，  （米国），  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ，  Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，  １９９６年
【非特許文献２】
Ｐ．Ｊ．Ｆ．Ｈａｒｒｉｓ，  （英国）”Ｎｅｗ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｔｗｅｎｔｙ−ｆｉｒｓｔ  Ｃｅｎｔｕｒｙ”，  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，  １９９９年
【非特許文献３】
ＷＺ  Ｌｉ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｓｃｉｅｎｃｅ”，  （米国）  １９９６年  第２７４巻，  ｐ．１７０１−１７０３
【非特許文献４】
Ｏｌｅｇ  Ｒ．Ｌｏｕｒｉｅ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，  （米国），  ２０００年，  ｖｏｌ．  １２，  Ｎｏ．７，  ｐ．１８０８−１８１０
【特許文献１】
特開２０００−１０９３０６号公報
【特許文献２】
特開２００２−９７００４号公報
【特許文献３】
特開平７−１８７８８３号公報
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、半導体特性を有し、直線状で且つ配向性を有するホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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、カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を１５００Ｋ以上２５００Ｋ以下の温度で反応させることを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【０００９】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、化学的気相成長法によって作製したカーボンナノチューブを原料として使用することを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【００１０】
さらに、第３には、第１または２の発明において、加熱手段として高周波誘導加熱炉を使用することを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【００１１】
また、第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、加熱下において反応混合物から生成物を分別することを特徴とするホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法では、カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を１５００Ｋ以上２５００Ｋ以下の温度で反応させることを大きな特徴としている。このように、１５００Ｋ以上２５００Ｋ以下の高温でカーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を反応させることによって、数層以下、より具体的には２〜４層以下であって、半導体特性を有し、約１〜２μｍの長い直線状で且つ一方向に配向性を有したホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを形成することができるのである。
【００１３】
この出願の発明において、カーボンナノチューブ、酸化ホウ素、酸化金および窒素を１５００Ｋ以上２５００Ｋ以下の温度で反応させるのは、２５００Ｋ以上の高温ではカーボンナノチューブの変形あるいは蒸発などが生じてしまい、また１５００Ｋ以下では所望の反応が十分に進行せず、反応速度が遅く所望のナノチューブを短時間で得ることができないといった問題が発生してしまうからである。
【００１４】
なお、酸化金は触媒の役割を果たすものであり、酸化金を混合することによって、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの生成率が極めて高くなるのである。
【００１５】
また三成分系ナノチューブの原料として化学的気相成長法によって作製したカーボンナノチューブを使用することで、配向性を有するカーボンナノチューブを用いることができ、より配向性の高いホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを製造することが可能となる。このとき加熱手段として、汎用的な装置であって、対象物を高温に加熱するのに適した高周波誘導加熱炉を好適に使用することができる。
【００１６】
そしてさらに、この出願の発明のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法は、加熱下において液状の反応混合物から固体状の生成物を分別することにより、さらに生成物の抽出量を飛躍的に増加させることができるのである。
【００１７】
上記のような製造方法により製造されたホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブは、２〜４層からなり、また半導体特性を有し、長い直線状で且つ一方向に配向性を有することから、これらの特性を利用することで半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等、様々な分野の材料に応用することができるのである。
【００１８】
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。
【００１９】
【実施例】
＜実施例１＞
この出願の発明の三成分系ナノチューブの製造方法により、ホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造を試み、製造された三成分系ナノチューブの性質を評価した。
【００２０】
まず、化学的気相成長法によって作製した配向性を有するカーボンナノチューブ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）および酸化金（Ａｕ２Ｏ３）をグラファイト製の坩堝の中に配置した。その坩堝を高周波誘導加熱炉の中に入れ、毎分３．２リットルの流量で窒素ガスを定常的に流しながら、加熱炉内の温度を徐々に上げていき１９５０Ｋまで昇温させた。そしてこの温度のまま３０分間保った後、再び２時間かけて室温まで冷却した。
【００２１】
その際、加熱下において固体状の生成物である三成分系ナノチューブと液状の原料を坩堝の中で分別し、生成物を取り出した。このように生成物と液状の原料を分別することで、抽出される生成物の量を飛躍的に増加させることが可能となり、その結果約５０ｍｇのホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを得ることが可能となった。
【００２２】
そしてこの粉状生成物である三成分系ナノチューブを微粉化し四塩化炭素中に分散させ、超音波をかけた後、炭素膜でコートした銅グリッド上に滴下して高分解能透過型電子顕微鏡で形態観察を行った。その結果の写真を図１に示す。
【００２３】
図１（ａ）の写真は１本のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブであり、この写真から直線状の二層ナノチューブが形成されていることが確認できた。図１（ｂ）の写真は個々の三成分系ナノチューブが細い束になったものであり、同図より、この出願の発明の製造方法により製造されたホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブは直線状で且つ配向性を有していることが分かる。さらに図１（ｃ）はそれら三成分系ナノチューブが太い束になった状態を示しており、この状態においても束になった三成分系ナノチューブは一方向に配向性を有していることが分かる。
【００２４】
次に、電子エネルギー損失スペクトル分析を行った。図２（ａ）は１本の４層三成分系ナノチューブの電子エネルギー損失スペクトルの測定結果であり、ホウ素、炭素、窒素のＫ吸収端がそれぞれ、１８８、２８４、４０１ｅＶであることから、図２（ａ）より１本の４層三成分系ナノチューブにおいては、ホウ素、炭素、窒素の組成比が約０．５５：１．００：０．６０であることが分かった。また、図２（ｂ）は束状の２層三成分系ナノチューブの電子エネルギー損失スペクトルの測定結果であり、束状の２層三成分系ナノチューブは、図２（ｂ）からホウ素、炭素、窒素の組成比が約０．７９：０．４８：１．００であった。
【００２５】
次にフレネルプロジェクション顕微鏡を使用して電荷輸送特性の測定を行った。その測定結果を図３に示す。図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ電荷輸送特性の測定前および測定後の三成分系ナノチューブのフレネルプロジェクション顕微鏡像（写真）であり、図３（ｃ）は電荷輸送特性の測定の結果得られた電流電圧特性曲線を示すグラフである。なお、図３（ｃ）中の実線、鎖線および点線はそれぞれ１回目、２回目および３回目の測定結果であって、それらの電流電圧特性曲線から、バンドギャップが約１ｅＶであって得られた三成分系ナノチューブが半導体特性を有していることが分かる。
【００２６】
以上より、この出願の発明のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法を用いることで、層数が２〜４の少ない層数のホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを安定して形成することができ、さらに、それらの三成分系ナノチューブは直線状で一方向に配向性を有しており、バンドギャップが約１ｅＶの半導体特性を有していることが明らかになった。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明の製造方法によって、半導体材料、フラットパネルディスプレイ材料、エミッタ材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等として有用な、半導体特性を有し、直線状で且つ配向性を有しているホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブを得ることができる。さらにこの出願の発明の製造方法により製造される三成分系ナノチューブは数層以下のナノチューブであることから、耐酸化性や耐熱性が優れているため、上記のような応用分野に非常に有用な材料となることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例におけるホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法により製造された三成分系ナノチューブの高分解能透過型電子顕微鏡像の写真であり、（ａ）は１本のナノチューブ、（ｂ）は細い束の集合体、（ｃ）は太い束の集合体の写真である。
【図２】この発明の実施例におけるホウ素−炭素−窒素原子からなる三成分系ナノチューブの製造方法により製造された三成分系ナノチューブの電子エネルギー損失スペクトルを例示したグラフであって、（ａ）は１本の４層ナノチューブの測定結果であり、（ｂ）は束状の２層ナノチューブの測定結果である。
【図３】（ａ），（ｂ）  フレネルプロジェクション顕微鏡による電荷輸送特性の測定前後の写真である。（ｃ）電流電圧特性の測定結果を示すグラフである。
【図１】
0003616818.tif 000002
【図２】
0003616818.tif 000003
【図３】
0003616818.tif 000004