(57)【要約】【課題】機能性材料として有用な、金属が内含された単結晶酸化マグネシウムナノチューブとその製造方法を提供する。【解決手段】酸化ガリウムとマグネシウムを真空中で高温に加熱することにより、中空部とともに柱状のガリウムが内含された単結晶の酸化マグネシウムナノチューブを提供し、このものを温度感知素子とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムのナノチューブにガリウムが内含されていることを特徴とする単結晶酸化マグネシウムナノチューブ。
【請求項２】
酸化マグネシウムのナノチューブは、その両端が閉口していることを特徴とする請求項１の単結晶酸化マグネシウムナノチューブ。
【請求項３】
酸化マグネシウムのナノチューブは、その長さが１〜１０マイクロメートル、外径が３０〜１００ナノメートル、内径が２０〜６０ナノメートルであることを特徴とする請求項１または２の単結晶酸化マグネシウムナノチューブ。
【請求項４】
酸化マグネシウムのナノチューブは、柱状ガリウム内含部とともに中空部を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの単結晶酸化マグネシウムナノチューブ。
【請求項５】
酸化ガリウムとマグネシウムを真空加熱炉で加熱することを特徴とするガリウムが内含された単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法。
【請求項６】
縦型高周波誘導加熱炉を使用することを特徴とする請求項５に記載の単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法。
【請求項７】
酸化ガリウムとマグネシウムの重量比が１〜３：１であることを特徴とする請求項５または６の単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法。
【請求項８】
酸化ガリウムを１３００℃〜１４００℃の温度範囲で、マグネシウムを８５０〜９５０℃の温度範囲で加熱することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかの単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法。
【請求項９】
対向する柱状ガリウム内含部とともにその間の中空部を単結晶酸化マグネシウムナノチューブ内に有し、中空部の長さの温度による変化をもって温度感知可能としたことを特徴とする温度感知素子。
【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、ガリウムが内含された単結晶の酸化マグネシウムナノチューブとその製造方法ならびにそれを用いた温度感知素子に関するものである。
【０００２】
さらに詳しくは、この出願の発明は、ガリウムを内含した単結晶酸化マグネシウムナノチューブとその製造方法ならびにこの単結晶酸化マグネシウムナノチューブをマイクロメートルサイズ以下の環境において使用できる新規なナノサイズの温度感知素子に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
カーボンナノチューブの発見以来、ナノサイズ構造体に関する研究は種々なされており、各分野への応用が期待されている。特に、多機能な酸化物ナノチューブに関しては数多くの研究が進められており、近年では酸化物ナノチューブに関する多くの合成法が提案されている。この酸化物ナノチューブを合成する方法としては、一般に鋳型を用いる方法が採用されているが、この鋳型を用いる方法は通常両端が開口した多結晶体のナノチューブが生成するとされている。
【０００４】
また、機械的強度が大きいナノ構造物を作るためには単結晶体の方がよいことも一般に知られている（たとえば、文献１、２参照）。
【０００５】
このような酸化物ナノチューブはカーボンナノチューブに比較していくつかの利点を有しているが、チューブの中に金属を内含させるということにおいては、酸化物ナノチューブの場合はカーボンナノチューブに比べてその検討があまり進んでいない。
【０００６】
【文献】
文献１：Ｅ．Ｗ．Ｗｏｎｇ、ほか、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７７巻、１９７１頁、１９９７年。
文献２：Ｍ．Ｍ．Ｊ．Ｔｒｅａｃｙ、ほか、Ｎａｔｕｒｅ、３８１巻、６７８頁、１９９６年。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況において、この出願の発明者らは素材として酸化マグネシウムに着目し、この酸化マグネシウムのナノチューブと、このナノチューブ構造体に金属を内含させることについて検討を進めてきた。
【０００８】
それというのも、酸化マグネシウムは、熱電対や毛細管の保護ケース、高温炉の裏張り、アルミニウム、銅、銀のような金属を融解するためのるつぼ等に広く用いられている汎用性の金属であって、酸化マグネシウムを用いたナノチューブ構造体、特に金属を内含したナノチューブの実現によって、機能性材料としての新しい展開が可能になるからである。
【０００９】
この出願の発明は、このようなことから、金属を内含する新規な酸化マグネシウムナノチューブとその製造方法を提供し、また、その温度感知素子への応用についても提案することを課題としている。
【００１０】
【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ための手段として、第１には、酸化マグネシウムのナノチューブにガリウムが内含されている単結晶酸化マグネシウムナノチューブを提供し、第２には、酸化マグネシウムのナノチューブは、その両端が閉口している上記の単結晶酸化マグネシウムナノチューブを、また、第３には、酸化マグネシウムのナノチューブは、その長さが１〜１０マイクロメートル、外径が３０〜１００ナノメートル、内径が２０〜６０ナノメートルである上記の単結晶酸化マグネシウムナノチューブを提供する。
【００１１】
また、この出願の発明は、第４には、上記の単結晶酸化マグネシウムのナノチューブは、柱状ガリウム内含部とともに中空部を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの単結晶酸化マグネシウムナノチューブを提供する。
【００１２】
そして、この出願の発明は、第５には、酸化ガリウムとマグネシウムを真空加熱炉で加熱することを特徴とするガリウムが内含された単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法を提供し、第６には、縦型高周波誘導加熱炉を使用する上記の単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法を、また、第７には、酸化ガリウムとマグネシウムの重量比が１〜３：１である上記の単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法を、そして、第８には、酸化ガリウムを１３００℃〜１４００℃の温度範囲で、マグネシウムを８５０〜９５０℃の温度範囲で加熱する上記の単結晶酸化マグネシウムナノチューブの製造方法を提供する。
【００１３】
さらにこの出願の発明は、第９には、対向する柱状ガリウム内含部とともにその間の中空部を単結晶酸化マグネシウムナノチューブ内に有し、中空部の長さの温度による変化をもって温度感知可能としたことを特徴とする温度感知素子を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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。
【００１５】
なによりも強調されることは、この出願の発明が提供するナノチューブ構造体は、酸化マグネシウムのナノチューブにガリウム（Ｇａ）が内含されている単結晶酸化マグネシウムナノチューブであることを特徴としていることである。そして、この場合の単結晶酸化マグネシウムナノチューブについては、その両端が閉口しているものや、柱状ガリウム内含部とともに中空部を有しているものも提供される。
【００１６】
より具体的形態としてその大きさについて例示すると、この出願の発明によって提供されるガリウム内含の単結晶酸化マグネシウムナノチューブとしては、長さが１〜１０マイクロメートル、外径が３０〜１００ナノメートル、内径が２０〜６０ナノメートルの範囲のものが代表例の一つとして示される。
【００１７】
このようなガリウムが内含された単結晶の酸化マグネシウムナノチューブは、この出願の発明の製造方法として、酸化ガリウムとマグネシウムを真空加熱炉で加熱することによって製造されるが、この真空加熱炉における真空の程度は減圧度１０−１〜１０−５Ｔｏｒｒの範囲が好適である。この際の出発物質として使用する酸化ガリウムとマグネシウムの重量比は１〜３：１の時が最も良好な収率を得ることができる。そして、酸化ガリウムおよびマグネシウムの加熱温度はそれぞれ、１３００〜１４００℃および８５６〜９５０℃の範囲が好適である。この温度範囲より温度が高いと、反応が早すぎて制御するのが困難になり、また、この温度範囲よりも温度が低いと反応が起こらないか、反応がきわめて遅くなり収率の低下を生じる。
【００１８】
また、反応時間は１時間程度が好ましく、これ以上反応させても収率は向上せず、また、１時間よりも少ないと、反応が完全には終了しない。
【００１９】
真空加熱装置としては縦型高周波誘導加熱炉を用いることが簡便であり望ましい。加熱終了後には白色粉末の生成物が得られるが、この白色の粉末状の生成物が柱状のガリウムが内含された単結晶の酸化マグネシウムナノチューブである。生成物は、通常、その大部分はナノチューブの両端が閉口している。そして、柱状ガリウムが連続して内含されているのではなく、途中に中空部を有する不連続な充填構造を有するものが多く見出される。
【００２０】
この出願の発明では、この中空部を有する不連続な充填構造ナノチューブを温度感知素子とすることも可能としている。それというのも、単結晶の酸化マグネシウムナノチューブ内の中空部の長さが温度変化とともに直線的に減少あるいは増大する現象が温度感知素子として利用可能だからである。
【００２１】
そこで、以下に実施例を示してより詳細に説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【００２２】
【実施例】
レアメタリック社製の酸化ガリウム粉末０．８ｇをアルミナ製るつぼに入れ、関東化学（株）製のマグネシウム粉末０．５ｇをグラファイト製るつぼに入れ、マグネシウム粉末の入ったグラファイト製るつぼを縦型高周波誘導加熱炉の上部に配置し、酸化ガリウムの入ったアルミナ製るつぼを下部に配置した後、この反応系を真空（１×１０−４〜１×１０５Ｔｏｒｒ）にして、酸化ガリウム粉末を１３００〜１４００℃の温度範囲に、また、マグネシウム粉末を８５０〜９５０℃の温度範囲にそれぞれ１時間加熱した後炉を室温に冷却した。
【００２３】
マグネシウム粉末を入れたグラファイト製るつぼの表面に白色粉末の層が生成した。白色粉末の収量は５０ｍｇであった。
【００２４】
この生成物はＸ線回折の測定結果から、格子定数４．２Åの立方晶系酸化マグネシウムであることが確認された。また、生成物は、高分解能透過型電子顕微鏡像と電子線回折の結果から断面の形状は四角形のナノチューブであり、（図１、Ａ）、単結晶であって、このナノチューブは長さ方向および断面方向の縞の間隔は２．１０Åであることが確認された（図１、Ｂ）。この間隔が２．１０Åであることは立方晶系の酸化マグネシウムの｛２００｝面の面間隔の値に相当する。
【００２５】
Ｘ線エネルギー拡散スペクトルの測定結果から、ナノチューブはマグネシウムと酸素の原子比が１：１であるＭｇＯからなる組成であり、充填物はガリウムであることが確認できた。
【００２６】
そして、図２に示した透過型電子顕微鏡像の写真からもわかるように、ガリウムが内含された酸化マグネシウムナノチューブ内に中空部が存在するものが確認された。
【００２７】
これらの測定の結果から、ナノチューブは長さが数マイクロメートルで、外径はおよそ３０〜１００ナノメートルである。また、中空部は２０〜６０ナノメートルの長さを有している。ナノチューブの大部分は両端が閉じている。
【００２８】
次に、酸化マグネシウムナノチューブの中に、柱状ガリウムが二つの部分に分かれて充填され、中空部が存在するナノチューブを透過型電子顕微鏡に取り付けて、種々の温度における中空部の長さを測定した。その結果を図３に示した。
【００２９】
図３から明らかなように温度が上昇すると中空部の長さが減少し、温度が下がると中空部の長さが増大することがわかる。
【００３０】
また、この温度変化と中間部の長さを温度を横軸に、中空部の長さを縦軸にして、温度と中空部の長さの関係を整理した結果を図４に示した。図４からも中空部の長さは温度に対して直線関係にあることが理解される。
【００３１】
すなわち、中空部の長さを測定することにより温度が求まり、温度感知素子として使用可能であって、３０〜８００℃の温度範囲のナノ温度計として使用可能なことが確認された。
【００３２】
【発明の効果】
この出願の発明によって、新規なナノチューブ構造体として、ガリウムが内含された単結晶酸化マグネシウムナノチューブが提供される。このものは、新しい機能性材料として有用であって、特に新しい温度感知素子がこの出願の発明によって提供される。この温度感知素子は、単結晶の酸化マグネシウムナノチューブに内含される柱状ガリウムの中空部の長さの変化を温度測定に利用するという独創的なものであり、マイクロメートルサイズ以下の環境において、広い温度範囲の温度測定に使用できる新しいナノ温度計が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】生成された酸化マグネシウムナノチューブが四角形の断面形状（Ａ）と、長さ方向及び断面方向が等間隔（Ｂ）であることを示す透過型電子顕微鏡像の写真である。
【図２】中空部を有する柱状ガリウムが内含された酸化マグネシウムナノチューブの透過型電子顕微鏡像の写真である。
【図３】温度の変化によって柱状ガリウムの中空部の長さが異なる態様を示した酸化マグネシウムナノチューブの透過型電子顕微鏡像の写真である。
【図４】柱状ガリウムが内含された酸化マグネシウムナノチューブの温度と中空部の長さの関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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