(57)【要約】【課題】層状構造を有する六方結晶の層間へのフラーレンなど炭素系インターカラントの挿入工程における内圧上昇を抑制又は回避できる層間化合物の製造方法を提供する。【解決手段】層間化合物の材料である層状構造を有する六方結晶又は炭素系インターカラントを、これらの材料から当該材料以外の成分を除去可能に加熱し、その後、六方結晶又は炭素系インターカラントを含んで必要な層間化合物材料を、炭素系インターカラントが昇華可能に加熱する。この方法によれば、材料に由来するガスを効果的に排出して内圧の上昇を抑制でき、インターカラントの損失も抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間化合物の製造方法であって、
前記層間化合物の材料である層状構造を有する六方結晶又は炭素系インターカラントを、これらの材料から当該材料以外の成分を除去可能に加熱する第１の加熱工程と、
前記第１の加熱工程を経た前記六方結晶又は前記炭素系インターカラントを含んで必要な前記層間化合物材料を、前記炭素系インターカラントが昇華可能に加熱する第２の加熱工程と、
を備える、方法。
【請求項２】
前記第１の加熱工程は、前記材料を２００℃以上に加熱する工程である、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記第１の加熱工程は、前記材料を４００℃以下に加熱する工程である、請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記第１の加熱工程は、前記六方結晶及び前記炭素系インターカラントから当該材料以外の成分を除去可能に加熱する工程である、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
前記第１の加熱工程は、前記材料を含むキャビティを真空吸引しつつ加熱する工程である、請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
前記炭素系インターカラントとしてフラーレンを用いる、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
前記六方結晶として、層間が１．３ｎｍ以上１．４ｎｍ以下の層状構造を有する六方結晶を用いる、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
前記第２の加熱工程は、前記層間化合物材料を真空下で５００℃以上に加熱する工程である、請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
【請求項９】
層間化合物の製造方法であって、
前記層間化合物の材料成分以外の成分が予め除去された層状構造を有する六方結晶又は炭素系インターカラントを含む前記層間化合物の材料を用い、前記六方結晶の層間に前記炭素系インターカラントを挿入する工程を備える、製造方法。
【請求項１０】
層間化合物の製造装置であって、
前記層間化合物の材料を封入するためのキャビティを構成するチェンバーと、
前記キャビティに連通し前記キャビティ内を吸引する吸引源に連絡される排気部と、
開閉部位の内部温度が３００℃以下であるときにおいて前記排気部と前記吸引源との間を開閉操作可能な開閉部と、
を備える、製造装置。
【請求項１１】
前記開閉部は、前記開閉部位の内部温度が４００℃以下であるとき前記排気部と前記吸引源との間を開閉操作可能である、請求項１０に記載の製造装置。
【請求項１２】
前記開閉部は、前記チェンバーの外壁表面から２０ｍｍ以下の距離に備えられる、請求項１０又は１１に記載の製造装置。
【請求項１３】
前記開閉部の前記チェンバー側には耐熱部材及び断熱部材のいずれかを備える、請求項１０〜１２のいずれかに記載の製造装置。
【請求項１４】
さらに、キャビティ内を加熱可能な加熱手段を備える、請求項１０〜１３のいずれかに記載の製造装置。
【請求項１５】
さらに、前記キャビティ内を吸引可能な吸引源を備える、請求項１０〜１４のいずれかに記載の製造装置。
【請求項１６】
前記層間化合物は、層状構造を有する六方結晶の層間に炭素系インターカラントが挿入された化合物であり、
前記開閉部は、前記六方結晶と前記炭素系インターカラントとを含むキャビティをこれらの層間化合物材料から材料成分以外の成分を除去可能に加熱するとき、前記排気部と前記吸引源との間を開放し、前記六方結晶と前記炭素系インターカラントとを含むキャビティにおいて前記六方結晶の層間に前記炭素系インターカラントを挿入するとき又は当該挿入する前に、前記排気部と前記吸引源との間を遮断する、請求項１０〜１５のいずれかに記載の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層状構造を有する六方結晶層状体と当該層状体の層間に挿入された炭素系インターカラントとを備える層間化合物の製造方法、当該層間化合物の製造装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
層状構造を有する六方結晶と当該結晶の層間にボール状分子等が挿入された層間化合物が、本発明者によって開発されている（特許文献１）。この層間化合物は、例えば、酸で処理後に加熱し発泡させて層間を拡げたグラファイトとフラーレン粉末とを真空下の閉じたキャビティ内に収容し加熱してグラファイトの層間にボール状分子を熱拡散により挿入することにより作製される。真空下で加熱するのは、グラファイトとフラーレン分子の酸化による損失を防止するためである。
【０００３】
この層間化合物は、その六方結晶の層間に挿入されたボール状分子によって材料自身が潤滑性を有することができる。このため、適用する部材の部位、形状及び大きさ等に制限されにくいというメリットがある。
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／０５９３９１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献に開示される方法では、小容量の石英管内で極めて少量の層間化合物を合成しているに過ぎなかった。また、本発明者の検討によれば、真空吸引によって酸素分圧が低くなるものの内部でのガス発生により内圧が相当高くなってしまうことがわかった。こうした内圧の上昇は、製造容器の耐圧性向上や容器容量や使用材料量の低下を余儀なくして、層間化合物の合成の効率化や量産化を難しくする。
【０００５】
一方、内圧の上昇を抑制するには、挿入工程でも試料作製容器内を真空吸引することが考えられるが、挿入工程における加熱温度はフラーレンが昇華する温度であるため、この状態で真空吸引を行うと昇華したフラーレン分子がガスとともにキャビティから排出されてしまうことになり、層間化合物の合成自体が困難になる。
【０００６】
以上のことから、現状では、層間化合物の量産や効率的製造が困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、層状構造を有する六方結晶の層間へのフラーレンなど炭素系インターカラントの挿入工程における内圧上昇を抑制又は回避できる層間化合物の製造方法及び装置を提供することを一つの目的とする。また、本発明は、層間化合物の量産に適した製造方法及び製造装置を提供することを他の一つの目的とする。また、本発明は、層間化合物を効率的に製造できる製造方法及び製造装置を提供することを他の一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記問題点を解決するべく、内圧の上昇について検討した。その結果、内圧上昇の原因は、層間化合物の材料、すなわち、発泡させて層間を拡張した六方結晶層状体やフラーレンなどの炭素系インターカラントに由来する成分以外のガスであることが推定された。また、こうしたガスは主としてフラーレンなどの炭素系インターカラントが昇華しない温度で発生していることがわかった。これらの知見から、本発明者は、予め、層間化合物材料が昇華しない程度に加熱し吸引して挿入時において発生する可能性ある成分（ガス）を除去した後、炭素系インターカラントの昇華温度に加熱してインターカラントを六方結晶層状体へ挿入するようにすることで、材料に由来するガスを効果的に排出して内圧の上昇を抑制でき、インターカラントの損失も抑制できることを見出し、本発明を完成した。また、こうした方法に層間化合物の製造に適し、層間化合物を量産可能な製造装置を見出し、本発明を完成した。本発明によれば、以下の手段が提供される。
【０００９】
本発明によれば、層間化合物の製造方法であって、前記層間化合物の材料である層状構造を有する六方結晶又は炭素系インターカラントを、これらの材料から当該材料以外の成分を除去可能に加熱する第１の加熱工程と、前記第１の加熱工程を経た前記六方結晶又は前記炭素系インターカラントを含んで必要な前記層間化合物材料を、前記炭素系インターカラントが昇華可能に加熱する第２の加熱工程と、を備える、方法が提供される。
【００１０】
この製造方法において、前記第１の加熱工程は、前記材料を２００℃以上に加熱する工程とすることができる。また、前記第１の加熱工程は、前記材料を４００℃以下に加熱する工程とすることができる。さらに、前記第１の加熱工程は、前記六方結晶及び前記炭素系インターカラントから当該材料以外の成分を除去可能に加熱する工程とすることもできる。前記第１の加熱工程は、前記材料を含むキャビティを真空吸引しつつ加熱する工程としてもよい。
【００１１】
また、この製造方法においては、前記炭素系インターカラントとしてフラーレンを用いてもよいし、前記六方結晶として、層間が１．３ｎｍ以上１．４ｎｍ以下の層状構造を有する六方結晶を用いてもよい。
【００１２】
さらに、この製造方法において、前記第２の加熱工程は、前記層間化合物材料を真空下で５００℃以上に加熱する工程とすることができる。
【００１３】
本発明によれば、層間化合物の製造方法であって、前記層間化合物の材料成分以外の成分が予め除去された層状構造を有する六方結晶又は炭素系インターカラントを含む前記層間化合物の材料を用い、前記六方結晶の層間に前記炭素系インターカラントを挿入する工程を備える、製造方法が提供される。
【００１４】
本発明によれば、層間化合物の製造装置であって、前記層間化合物の材料を封入するためのキャビティを構成すチェンバーと、前記キャビティに連通し前記キャビティ内を吸引する吸引源に連絡される排気部と、開閉部位の内部温度が３００℃以下であるときにおいて前記排気部と前記吸引源との間を開閉操作可能な開閉部と、を備える、製造装置が提供される。
【００１５】
この製造装置において、前記開閉部は、前記開閉部位の内部温度が４００℃以下であるとき前記排気部を開閉操作可能とすることができる。また、前記開閉部は、前記チェンバーの外壁表面から２０ｍｍ以下の距離に備えられていてもよい。さらに、前記開閉部の前記チェンバー側には耐熱部材及び断熱部材のいずれかを備えることもできる。さらに、キャビティ内を加熱可能な加熱手段を備えることもできる。さらに、前記キャビティ内を吸引可能な吸引源を備えていてもよい。
【００１６】
また、この製造装置は、前記層間化合物は、層状構造を有する六方結晶の層間に炭素系インターカラントが挿入された化合物であり、前記開閉部は、前記六方結晶と前記炭素系インターカラントとを含むキャビティをこれらの層間化合物材料から材料成分以外の成分を除去可能に加熱するとき、前記排気部と前記吸引源との間を開放し、前記六方結晶と前記炭素系インターカラントとを含むキャビティにおいて前記六方結晶の層間に前記炭素系インターカラントを挿入するとき又は当該挿入する前に、前記排気部と前記吸引源との間を遮断するように構成してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の層間化合物の製造方法は、前記層間化合物の材料である層状構造を有する六方結晶又は炭素系インターカラントを、これらの材料の材料以外の成分を除去可能に加熱する第１の加熱工程と、前記第１の加熱工程を経た前記六方結晶又は前記炭素系インターカラントを含んで必要な前記層間化合物材料を前記炭素系インターカラントが昇華可能に加熱する第２の加熱工程と、を備えることができる。上記第１の加熱工程によれば、前記材料から発生しうる材料成分以外の成分（以下、不純物ともいう。）をガスとして効果的に除去することができる。また、上記第２の加熱工程によれば、炭素系インターカラントの昇華温度以上に加熱するため、前記炭素系インターカラントを前記六方結晶の前記層間に挿入することができる。第２の加熱工程では、第１の加熱工程で材料成分以外の成分由来ガスの発生が抑制された六方結晶又は炭素系インターカラントを含むため、これらの材料の材料成分以外のガスの発生による内圧上昇を抑制することができる。
【００１８】
本発明の製造方法によれば、六方結晶の層間への炭素系インターカラントの挿入を内圧の上昇を抑制又は回避して実施できるため、容器の耐圧、容量、材料量等において制限されにくい。このため、層間化合物の量産や効率的な生産が可能となる。
【００１９】
本発明の層間化合物の製造装置は、前記層間化合物の材料を封入するためのキャビティを構成するチェンバーと、前記キャビティに連通しキャビティ内を吸引する吸引源に連絡される排気部と、前記排気部の内部温度が３００℃以上であるときにおいて前記排気部と前記吸引源との間を開閉操作可能な開閉部と、を備えることができる。こうした開閉部を備えることで、排気部の末端部で３００℃以上の温度の状態でも前記キャビティを吸引源に対して開閉できる。このため、層間化合物材料が収容された状態のキャビティを３００℃以上に加熱しつつ真空吸引するのに引き続いて、３００℃以上で吸引を遮断して閉じた真空キャビティを容易に構築できる。また、反対に３００℃以上の高温で閉じたキャビティを真空吸引可能に開閉できる。したがって、キャビティを開閉するタイミングを３００℃以上であっても任意に設定することができる。この結果、真空吸引と加熱とを組み合わせた工程を実施する本発明の製造方法等に好適である。
【００２０】
以下、本発明の実施形態である層間化合物の製造方法及び製造装置について詳細に説明する。
【００２１】
（層間化合物の製造方法）
（層間化合物）
本明細書において層間化合物は、層状構造を有する六方結晶の層間に炭素系インターカラントが挿入された化合物を含んでいる。層間化合物は、炭素系インターカラントが挿入された層状構造を好ましくは厚さ方向に複数繰り返して有していることが好ましい。
【００２２】
層状構造を有する六方結晶としては、例えば、グラファイト、二硫化モリブデン等が挙げられるが、グラファイトが好ましい。グラファイトとしては天然グラファイト及び人工グラファイトがあるが、いずれであってもよいが、好ましくは人工グラファイトである。人工グラファイトとしては、熱分解黒鉛やキッシュグラファイトなどが挙げられる。グラファイトは、グラフェンシートが多数重なった構造を有している。グラファイトの形状は、特に限定されないで、粉末状、シート状、フィルム状等各種の形態を採ることができる。六方結晶としては、１種又は２種類以上を組み合わせて用いることができる。
【００２３】
六方結晶の層間は１．３ｎｍ以上１．４ｎｍ以下であることが好ましい。こうした層間距離は、通常の六方結晶よりも層間が拡張されているといえる。こうした層間距離を備えていると、炭素系インターカラントが容易に挿入される。グラファイトなど六方結晶の層間の拡張は、通常、硫酸や硝酸あるいはこれらの混液にグラファイトを浸漬したのち、乾燥し、さらに加熱することによって実現される。具体的には、グラファイトなどの六方結晶を酸で処理後に、水で洗浄して中和後に乾燥、加熱することによって実施できる。浸漬時間は好ましくは十時間以上であり、より好ましくは１５時間以上１８時間以下とすることができる。また、浸漬時の浸漬液の液温は２０℃以上３０℃以下が好ましい。さらに、浸漬にあたっては、六方結晶と浸漬液とを攪拌しつつ行うことが好ましい。また、乾燥後の六方結晶の加熱は、１０００℃以上１１００℃以下で行うことが好ましい。
【００２４】
炭素系インターカラントとしては、層状構造を有する六方結晶と相互作用を有することが好ましい。こうした炭素系インターカラントとしては、炭素の５員環又は６員環からなる擬球状の籠状構造を有することがより好ましい。典型的にはフラーレンであり、フラーレンとしては、Ｃ60分子、Ｃ70分子、Ｃ76分子、Ｃ78分子、Ｃ80分子、Ｃ84分子、Ｃ86分子、Ｃ88分子、Ｃ90分子、Ｃ92分子、Ｃ94分子及びＣ96分子等が挙げられる。なかでも、Ｃ60分子及びＣ70分子が好ましい。
【００２５】
炭素系インターカラントとしては、こうしたフラーレンに対する水素付加体、架橋体、縮合体及び原子挿入などによるフラーレン骨格の修飾体など各種のフラーレン誘導体も含まれる。炭素系インターカラントとしては、１種又は２種類以上を組み合わせて用いることができる。
【００２６】
層間化合物としては、六方結晶がグラファイトであり、炭素系インターカラントがＣ60分子やＣ70分子などのフラーレンであることが好ましい。炭素系インターカラントの転がり性を考慮すると、フラーレンなどの炭素系インターカラントは、層間において単層構造を形成していることが好ましい。また、同様に転がり性を考慮すると、炭素系インターカラントの単層において、炭素系インターカラント間の中間間距離は約１ｎｍとなるように整列されていることが好ましい。また、構造の安定性の観点からは、厚さ方向における炭素系インターカラントの中心間距離は１．４ｎｍ以下であることが好ましい。また、厚さ方向における炭素系インターカラントの中心間距離は好ましくは１．３ｎｍ以上である。
【００２７】
以下、本発明の第１の加熱工程及び第２の加熱工程について詳細に説明する。図１には、これらの工程についてのフローを示す。
【００２８】
（第１の加熱工程）
本製造方法は、層間化合物の材料である六方結晶又は炭素系インターカラントからこれらの成分以外の成分を除去可能に加熱する工程を備えることができる。この第１の加熱工程では、主として六方結晶又は炭素系インターカラントから、従来炭素系インターカラントの挿入時において内圧上昇の原因となっていた成分を除去することができる。第１の加熱工程は、こうした内圧上昇原因成分の除去工程である。
【００２９】
第１の加熱工程は、六方結晶及び炭素系インターカラントの双方を同時に加熱する工程としてもよいし、それぞれを別個に加熱する工程としてもよい。さらに、六方結晶及び炭素系インターカラントの一方のみを加熱する工程であってもよい。内圧上昇の原因成分の所在あるいはその可能性に応じて適宜選択することができる。
【００３０】
第１の加熱工程における加熱対象としては、六方結晶を含むことが好ましい。六方結晶は炭素系インターカラントよりも当該成分以外の成分を含む可能性が高いからである。特に、酸浸漬処理及び加熱（発泡）処理によって層間が拡張されている場合には、残留物によって当該材料以外の成分のガスが発生しやすくなる傾向があるからである。また、より好ましくは、六方結晶及び炭素系インターカラントの双方を加熱対象とする。一層好ましくは、これらを同時に、例えば、同一キャビティで加熱するようにする。後述するように、六方結晶及び炭素系インターカラントの双方を同時に同一キャビティ内で加熱することにより、後段の第２の加熱工程にスムーズに移行することができる。
【００３１】
第１の加熱工程では、加熱する層間化合物の材料の種類に応じ、当該材料成分以外の成分が除去可能な温度で加熱することが好ましい。加熱対象材料がグラファイトなどの六方結晶の場合には、２００℃以上であることが好ましく、より好ましくは３００℃以上である。２００℃以上であると有機物などの材料成分以外の成分が除去可能であり、３００℃以上であるとさらに水などの材料成分以外の成分の除去可能だからである。また、好ましく４００℃以下であり、より好ましくは３５０℃以下である。典型的には２００℃以上４００℃以下である。
【００３２】
また、六方結晶についての加熱時間は、１時間以上とすることが好ましく、より好ましくは２時間以上である。１時間以上であると有機物などの脱ガスが可能だからである、２時間以上であると水などの脱ガスが可能だからである。典型的には１時間以上２時間以下である。
【００３３】
また、加熱対象材料が炭素系インターカラントの場合には、炭素系インターカラントが完全には昇華しない条件で加熱することが好ましい。完全に昇華してしまうと材料を損失する可能性が高くなるからである。ここで、完全に昇華しない条件とは、加熱対象の材料の全てが昇華する条件よりも穏やかな条件であればよい。したがって、一部が昇華する温度及び時間とすることもできる。例えば、炭素系インターカラントがＣ60分子などのフラーレンであるときには、３００℃以上であることが好ましい。３００℃以上であれば脱ガス効果を得ることができるからである。より好ましくは３５０℃以上である。３５０℃以上であると不純物の脱ガス効果がより大きくなるからからである。また、好ましくは４００℃以下である。４００℃以下であるとＣ60分子の昇華が無視できるからである。より好ましくは３５０℃以下である。３５０℃以下であると完全にＣ60分子の昇華が無視できるからである。
【００３４】
また、時間は、１時間以上とすることが好ましく、より好ましくは２時間以上である。１時間以上であるとほとんど不純物除去が可能だからである、２時間以上であると完全に不純物が可能だからである。典型的には１時間以上２時間以下である。
【００３５】
六方結晶と炭素系インターカラントとを同時に加熱する場合には、炭素系インターカラントが完全には昇華しない条件を優先することが好ましい。通常、例えば、グラファイトの昇華温度は3652℃であり、炭素系インターカラントの昇華温度は400℃以上５００℃以下程度だからである。
【００３６】
第１の加熱工程は、大気圧下など酸素を含む雰囲気下で行うことも可能であるが、好ましくは窒素などの不活性雰囲気又は真空下で行う。酸素が存在することにより、これらの層間化合物材料が酸化により変性又は損失する可能性があるからである。ガスを効率的に除去し再吸着を抑制するには好ましくは真空吸引しながら第１の加熱工程を実施する。なお、第１の加熱工程において、加熱と真空吸引とを同時に実施する必要はない。予め加熱しておき、その後、必要な温度が維持される状態で真空吸引を実施してもよい。
【００３７】
なお、第１の加熱工程は、通常、加熱可能なキャビティ内で実施される。例えば、六方結晶及び／又は炭素系インターカラントを含むキャビティを吸引し加熱する工程として実施できる。キャビティは単一のチェンバーからなるほか、複数のチェンバーから構成することができる。複数のチェンバーから構成される場合、これらのチェンバーは並列及び／又は直列に連結されて同一キャビティを構成するチェンバーが連通されている。キャビティには、適宜、チェンバー間を連絡する配管系も備えることができる。
【００３８】
本製造方法は、こうした第１の加熱工程を備えることで、不純物を含有する可能性のある層間化合物材料であっても、内圧上昇を回避し、また、最終的に得られる層間化合物の純度を高めることができる。したがって、こうした点においても、量産性及び製造効率に優れた方法である。
【００３９】
第１の加熱工程では、層間化合物の材料から当該材料以外の成分を除去するが、本製造方法では、必ずしも第１の加熱工程を要するものではない。予め、他の方法あるいは本製造方法とは別個に、層間化合物材料から当該材料以外の成分を除去しておいてもよいし、予め、内圧の上昇が観察されないかあるいは内圧上昇が抑制又は回避できる程度に当該材料以外の成分の含有量が一定以下の層間化合物材料を用いてもよい。
【００４０】
（第２の加熱工程）
本製造方法は、第１の加熱工程を経た六方結晶又は前記炭素系インターカラントを含んで必要な層間化合物材料を炭素系インターカラントが昇華可能に加熱する第２の加熱工程を備えることができる。第２の加熱工程では、必要な層間化合物の存在下、炭素系インターカラントを昇華させて熱拡散により六方結晶の層間に炭素系インターカラントを挿入することができる。すなわち、第２の加熱工程は、炭素系インターカラントの六方結晶の層間への挿入工程であり、層間化合物の合成工程である。
【００４１】
第２の加熱工程の実施形態は、昇華した炭素系インターカラントが熱拡散により六方結晶の層間に挿入される限り特に限定されない。例えば、キャビティに被挿入体である六方結晶を配し、同じキャビティに炭素系インターカラントを配して、炭素系インターカラント昇華可能にキャビティ内を加熱してもよいし、また、六方結晶を配したキャビティに他の箇所で昇華させた炭素系インターカラントを六方結晶のあるキャビティに供給するようにしてもよい、さらに同一キャビティ内あるいは他所で昇華させた炭素系インターカラントを、キャビティを含む循環経路を循環させるようにしてもよい。
【００４２】
第２の加熱工程では、第１の加熱工程を経た六方結晶か炭素系インターカラントを含む層間化合物材料を用いればよい。層間化合物材料の一部が第１の加熱工程で材料成分以外の成分が除去されていれば、内圧の上昇を抑制できるからである。
【００４３】
好ましくは、少なくとも第１の加熱工程を経た六方結晶を用いる。グラファイトなどの六方結晶は材料成分以外の成分を含む可能性が高いからである。より好ましくは第１の加熱工程が施された六方結晶と炭素系インターカラントを用いる。さらに好ましくは、六方結晶と炭素系インターカラントとが同一のキャビティにおいて同時に第１の加熱工程が施されたものを用いる。同一キャビティで同時に六方結晶と炭素系インターカラントとが処理されていることで、第１の加熱工程から特に材料を移送することなく第２の加熱工程を実施できるし、第１の加熱工程と第２の加熱工程とを連続的に実施できる。
【００４４】
第２の加熱工程では、加熱する炭素系インターカラントの種類に応じ、当該炭素系インターカラントが昇華可能に炭素系インターカラントを加熱する。挿入先である六方結晶も同様に加熱することが好ましい。炭素系インターカラントが昇華可能な温度は、例えば、インターカラントがＣ60分子であるときには、５００℃以上であることが好ましく、より好ましくは５５０℃以上６００℃以下である。加熱時間も、特に限定しないが、２週間以上であり、３週間以下程度である。
【００４５】
また、第２の加熱工程では、炭素系インターカラントの酸化を防止する観点から、好ましくは窒素などの不活性雰囲気又は真空下で行う。より好ましくは真空下で行う。一方、第２の加熱工程は、真空吸引しながら行うと、昇華した炭素系インターカラントが反応系から失われるため、通常は好ましくない。ただし、第２の加熱工程の当初において、不純物の除去を追加して行うために真空吸引する場合もありうる。第２の加熱工程では、反応系から別途昇華した炭素系インターカラントを排出する一方、循環路等により反応系に炭素系インターカラントが返送されるようにしてもよい。
【００４６】
なお、第２の加熱工程は、第１の加熱工程と同様、通常、加熱可能なキャビティ内で実施される。キャビティは単一のチェンバーからなるほか、複数のチェンバーから構成することができる。複数のチェンバーから構成される場合、これらのチェンバーは並列及び／又は直列に連結されて同一キャビティを構成するチェンバーが連通されている。キャビティには、適宜、チェンバー間を連絡する配管系も備えることができる。
【００４７】
第１の加熱工程と第２の加熱工程を通じて同一のキャビティを用いることができる。例えば、同一キャビティ内で六方結晶と炭素系インターカラントの第１の加熱工程を実施した場合には、その後、そのキャビティに第１の加熱工程実施後の六方結晶と炭素系インターカラントを収容したまま、第２の加熱工程を実施できる。この場合、第１の加熱工程で真空吸引していた場合には、第２の加熱工程に先立ってあるいは遅くとも第２の加熱工程においてキャビティを閉じて、昇華する炭素系インターカラントの排出を抑制することが好ましい。
【００４８】
なお、本製造方法は、既に説明したように第１の加熱工程を必ずしも必要としない。したがって、第１の加熱工程を実施しない製造方法は、材料以外のガス化成分（不純物）が予め除去された六方結晶層状体又は炭素系インターカラントを含む前記層間化合物の材料を用いて、前記層間化合物を合成する工程を備える方法といえる。すなわち、この態様では、第１の加熱工程を実施した六方結晶又は炭素系インターカラントを用いるのと同様の効果が得られる程度の第１の加熱工程未実施の六方結晶又は炭素系インターカラントを用いることができる。
【００４９】
（他の加熱工程）
本製造方法は、第１の加熱工程及び第２の加熱工程のほかにも、これらの工程とは異なる温度プロファイルの工程を備えていてもよい。例えば、第１の加熱工程及び第２の加熱工程を同一キャビティ内で（当該キャビティを開放することなく）実施する場合、第１の加熱工程後、第２の加熱工程までの間において、第１の加熱工程での工程温度から第２の加熱工程の工程温度までの昇温工程を備えることができる。すなわち、この昇温工程は、層間化合物材料から成分材料以外の成分をガス化して除去する温度から炭素系インターカラントが昇華可能な温度にまで昇温する工程である。こうした昇温工程では、第１の工程と同様に吸引して、不純物成分の除去を行ってもよいし、キャビティを閉じていてもよい。
【００５０】
また、例えば、第１の加熱工程と第２の加熱工程とを別のキャビティで行う場合あるいは第１の加熱工程に使用したキャビティを一旦開放する場合、第１の加熱工程後には、常温近傍温度にまでの冷却（放冷）工程を備えることもできる。
【００５１】
（層間化合物の製造装置）
本発明の層間化合物の製造装置は、層間化合物の材料を封入するためのキャビティを構成するチェンバーと、前記キャビティに連通しキャビティ内を吸引する吸引源に連絡される排気部と、前記排気部の内部温度が３００℃以下であるときにおいて前記排気部と前記吸引源との間を開閉操作可能な開閉部と、を備えることができる。図２に、本製造装置の一例である製造装置２を示し、適宜図２を参照しながら詳細に説明する。
【００５２】
本製造装置２は、図２に示すように、チェンバー４と、排気部１０と、排気部１０と吸引源２０との間を開閉操作可能な開閉部１６とを備えることができる。チェンバー４は、六方結晶や炭素系インターカラントを収容可能なキャビティ６を構成し、必要な耐熱性及び耐圧性等を備えていれば、その形状や材質等は特に限定されないチェンバー４はアウトガスや耐熱性及び耐圧性等を考慮するとステンレスなどの合金製とすることができる。
【００５３】
チェンバー４は、図２に示すシングルチェンバー形態のみならず、複数個のチェンバー４が並列にあるいは直列に連結された形態であってもよい。この場合、互いに連通する複数個のチェンバー４が一つのキャビティ６を構成することができる。
【００５４】
排気部１０は、キャビティ６に連通しキャビティ６内を吸引する吸引源に連絡されるようになっている。排気部１０は、キャビティ６からのガスを排出可能な排出口８を備えている。排気部１０の形態は特に限定されない。例えば、図２に示すように、排気口８をチェンバー４の外壁よりも外側に突出した形態を有する所定長さの排気管様とすることができる。排気部１０の排気口８側には、吸引源２０に連絡される排気管２２が接続されることができる。
【００５５】
開閉部１６は、排気部１０の排気口８側あるいは排気管２２のいずれかの部位において排気部１０と吸引源２０との間（排気系）を開放／遮断可能に構成されていればよい。開閉部１６は、ガスが流通する配管系を開閉するのに用いられるバルブとしての各種形態を採ることができ、開閉機構は特に限定されない。開閉部１６は、コントローラ３０によって開閉制御されていてもよい。
【００５６】
開閉部１６は、開閉部位の内部温度が３００℃以下であるときにおいて排気部１０と吸引源２０との間を開閉操作可能に構成することができる。開閉部位の内部温度が３００℃以下のときにおいて、排気系を開放及び遮断できることで、キャビティ６内での層間化合物の合成反応においてキャビティ内温度とキャビティ内雰囲気（吸引状態か真空状態か等）の設定の自由度が高まる。ここで、開閉部位の内部温度とは、開閉部１６によって開閉される排気部１０又は排気管２２内の温度である。具体的には、開閉部１６による弁等が存在する排気系内の空間の雰囲気温度である。なお、開閉部位の内部温度が３００℃のとき、キャビティ６内温度は３００℃以上である。
【００５７】
開閉部１６は３００℃を超えて４００℃以下であっても動作可能であることがより好ましい。４００℃以下で動作可能であると、一層第１加熱工程での自由度が大きくなるからである。また、開閉部１６の動作上限温度は、５００℃以下であることがさらに好ましい。開閉部位が５００℃を超えたときには、キャティ６内はさらに高温であり、ほとんどの炭素系インターカラントの昇華温度は５００℃以下であり、キャビティ６を５００℃を超える温度に加熱する必要性が少ないからである。
【００５８】
開閉部１６はチェンバー４の外壁表面から２０ｍｍ内に備えられていることが好ましい。排気部１０を介して開閉部１６によって遮断される部位までの空間に炭素系インターカラントの流入や堆積の可能性あるため、こうした空間の容積が大きい場合には製造効率の低下につながるからである。前記距離が２０ｍｍ以内の場合には、排気部１０への炭素系インターカラントの流入や体積を効果的に抑制することができる。より好ましくは、１５ｍｍ以下である。
【００５９】
開閉部１６を、例えば、上記所定距離範囲内にチェンバー４の外壁に近接して備えるためには、開閉部１６を排気部１０に対して耐熱性の連結部材（継ぎ手）などの耐熱部材を介して連結することが好ましい。また、こうした連結部材は、同時に断熱部材であってもよい。チャンバー４側に断熱部材を備えることで、開閉部１６の作動性を確保し長寿命化することができるからである。なお、耐熱部材や断熱部材は、継ぎ手などの連結部材としてだけでなく、耐熱部材及び断熱部材そのものとして、開閉部１６のチャンバー４側や排気部１０を被覆等するように備えることもできる。
【００６０】
本製造装置は、図２に示すように、キャビティ６を加熱可能な加熱装置４０を備えることができる。加熱装置４０の形態は特に限定されないで、一般的な電気炉などを採用できる。加熱装置４０は、装置２とは別個の装置であってもよい。また、真空ポンプなどの吸引源２０は、図２に示すように、装置２とは別個の装置であってもよいし、装置２の構成部品であってもよい。
【００６１】
本製造装置２においては、層間化合物の製造に用いる場合、例えば、次のように開閉部１６の開閉を設定することができる。すなわち、六方結晶と炭素系インターカラントとを含むキャビティ６をこれらの層間化合物材料中の材料成分以外の成にを除去可能に加熱する１０（除去工程）、排気部１０と吸引源２０との間を開放し、六方結晶と炭素系インターカラントとを含むキャビティ６内で六方結晶の層間に炭素系インターカラントを挿入する（挿入工程）前又は挿入開始後所定時間内に、排気部１０と吸引源２０との間を遮断するようにする。
【００６２】
上記設定における開閉部１６の開閉動作は、除去工程後挿入工程前あるいは挿入工程開始後所定時間内に、開放から遮断への動作となる。本製造装置２によれば、◇◇◇℃以上において開閉動作が可能であるので、挿入工程前あるいは挿入工程開始後所定時間内においても、開閉部１６を開放状態から遮断状態への操作することができる。こうした開閉部１６の動作は、コントローラ３０の記憶媒体あるいは外部記憶媒体に格納された層間化合物製造のための温度及び圧力管理プログラム等によって制御されていてもよい。
【００６３】
以下、本発明を、実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例の限定されるものではない。
【実施例】
【００６４】
（六方結晶の層間拡張）
１００％硫酸と１００％硝酸の今液（４：１（体積比））を調整し、この混液５０ｍｌに、２．２ｍｍ×２．２ｍｍ×０．２ｍｍのグラファイト（高配向熱分解グラファイト）（Veeco社製、Grade-ZYH）を加え、スターラーを用いて２０℃で１６時間攪拌した。その後、グラファイトを取り出し、純水でよく洗浄して酸を中和した。
【００６５】
中和後のグラファイトを図２に示す装置２のチェンバー４のキャビティ６内に収容し、１００℃で１〜２分程度加熱してグラファイトの水分を完全に蒸発させた後、さらに１０５０℃で１５秒間加熱してグラファイトの層間を拡張した。
【００６６】
（第１の加熱工程：不純物除去工程）
次いで、キャビティ６にＣ60分子（ＭＴＲ製、純度９９．９８％以上）３０ｇ及び層間拡張した六方結晶１５ｇを収容し、開閉部１６で排気系を開放した状態で真空吸引を開始するとともに、３００℃まで加熱するとともに、３００℃で２時間維持しこの間に発生するガスを排出した。
【００６７】
（第２の加熱工程：挿入工程）
その後、排気部１０内部温度が３００℃を維持している状態において、開閉部１６により排気系を遮断し、６００℃まで加熱するとともに６００℃で１６日間維持し、六方結晶の層間にＣ60分子を挿入し、層間化合物を合成した。この間、キャビティ６の内圧は数Ｐａ以下であり、上記不純物除去工程を実施しない場合に比べて内圧が明らかに低下していることがわかった。以上のことから、不純物除去工程を実施することにより、挿入工程における内圧の上昇を抑制ができることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の製造方法の工程の一例を示す図である。
【図２】本発明の製造装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
２  製造装置、４  チェンバー、６  キャビティ、８  排気口、１０  排気部、１６  開閉部、２０  吸引源、２２  排気管、３０  コントローラ、４０  加熱装置。
【図１】
2008174412.tif 000003
【図２】
2008174412.tif 000004