(57)【要約】  本発明は、炭素同素体全体にわたって分散した複数の炭素原子クラスターを含有する新規なおよび有用な合成炭素同素体を提供する。これらのクラスターは、ｓｐ２混成結合により４個の他の炭素原子に結合した炭素原子を含有する。該同素体は、ｓｐ３混成結合により互いに結合した複数の周囲の炭素原子をさらに含有する。複数の炭素原子クラスターの１つは、炭素同素体内で中心に位置する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素原子がｓｐ２混成結合により他の炭素原子に結合した、複数の炭素原子クラスター、および
ｓｐ３混成結合により互いに結合した、複数の周囲の炭素
を含む炭素同素体であって、
前記炭素原子クラスターの１つは、前記炭素同素体内で中心に位置しており、
前記炭素同素体は、星形の配置を有する、炭素同素体
を含む、組成物。
【請求項２】
ｓｐ３混成結合により互いに結合した周囲の炭素が、椅子型および舟型配座にある６個の炭素原子の連結した環で結合している、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記複数の炭素原子クラスターが、前記複数のクラスターに伝導性を付与する高いキャリア移動度により特徴づけられる、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
前記炭素同素体が、前記複数の炭素原子クラスター６個および中心に位置する１個のクラスターを含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
前記周囲の炭素が、ロンズデーライトの六方晶系の単位を形成する、請求項１に記載の組成物。
【請求項６】
前記周囲の炭素が、前記炭素同素体の電気絶縁性部分を形成する、請求項１に記載の組成物。
【請求項７】
前記中心に位置する炭素原子クラスターが、導電性である、請求項１に記載の組成物。
【請求項８】
前記炭素同素体が、導電性および電気絶縁性の両方の領域を含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項９】
前記炭素同素体が、銀、金、銅および白金からなる群から選択される金属元素でドープされている、請求項１に記載の組成物。
【請求項１０】
前記炭素同素体が、トランジスタを形成するためのｎ型またはｐ型材料でドープされている、請求項１に記載の組成物。
【請求項１１】
前記組成物中の炭素同素体が、集積回路、オプトエレクトロニクスデバイス、半導体デバイス、ホール効果センサー、量子ドット、光学的吸収／変調デバイス、赤外光検出デバイス、光起電力電池、導電性電極、燃料電池、超伝導体、分子吸収センサーおよび圧電性デバイスからなる群から選択されるデバイスまたは用途に組み込まれている、請求項１に記載の組成物。
【請求項１２】
前記炭素同素体が、電極デバイスとして構成されており、前記炭素同素体の中心に位置する炭素クラスターが、輸送する伝導性電極として作用するように適合されている、請求項１に記載の組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本特許出願は、両者共に「新規な炭素同素体プロトメン（Ｐｒｏｔｏｍｅｎｅ）」と題する２０１５年９月２８日出願の米国特許仮出願第６２／２３３７９６号および２０１６年７月３日出願の米国非仮特許出願第１５／２０１４５３号の利益を主張する。
本発明は、新規な炭素同素体、ならびにその組成物および使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
元素状炭素は、天然のいたるところで広範な同素体の形態で生ずる。同素体の形態がこのように広範であることは、炭素が、０、１、２、または３次元の異性体を有することが知られた周期表中で唯一の元素であることに帰せられる。炭素原子は、幾つかの異なる原子価の結合で電子状態を混成することができて、そのことが種々の異なった原子結合の配置を可能にする。該異性体は、価電子の軌道でｓｐ、ｓｐ２またはｓｐ３混成を有することができる。
図１ａから１ｈまでに見ることができるように、８種の知られた炭素の同素体がある：ａ）ダイヤモンド、ｂ）グラファイト、ｃ）ロンズデーライト、ｄ）Ｃ６０（バックミンスターフラーレンまたはバッキーボール）、ｅ）Ｃ５４０、ｆ）Ｃ７０、ｇ）非晶質炭素、およびｈ）単層炭素ナノチューブ、またはバッキーチューブ。
【０００３】
ダイヤモンドは、最もよく知られた炭素同素体の１つである。炭素原子は、面心立方結晶構造の変形である格子で配置されている。ダイヤモンド中の各炭素原子は、図１ａで見られるように、四面体で４個の他の炭素と共有結合で結合している。これらの四面体は、一緒になって、結合角度のゆがみがゼロであることを可能にする椅子型配座で６員炭素環の３次元ネットワークを形成している。共有結合および六方晶系の環のこの安定なネットワークが、ダイヤモンドが物質として信じられないほど強い理由である。
結果として、ダイヤモンドは、全てのバルクの材料中で最高の硬度および熱伝導度を示す。それに加えて、その剛直な格子は、多くの元素による汚染を防止する。ダイヤモンドの表面は親油性および疎水性であり、それは、ダイヤモンドは水に濡れることができず、油で濡れることができることを意味する。ダイヤモンドは、一般的に、強酸および強塩基を含む如何なる化学試薬とも反応しない。
【０００４】
グラファイトは、炭素の別の同素体であり、ダイヤモンドと似ていない。それは導電体であり、半金属である。グラファイトは、標準条件下で最も安定な炭素の形態であり、炭素化合物の生成熱を定義するための標準状態として熱化学で使用される。図１ｂで見られるように、グラファイトは、層になった平面構造を有する。各層において、炭素原子は、０．１４２ｎｍだけ離れて六方晶系の格子で配置されており、平面（層）間の距離は０．３３５ｎｍである。グラファイトの２通りの知られた形態、アルファ（六方晶系）およびベータ（菱面体晶）は、非常に類似の物理的性質を有する（層の重なりが僅かに異なることを除いて）。六方晶系のグラファイトは、平坦であってもゆがんでいてもどちらでもよい。アルファ型は、機械的処理によってベータ型に変換することができて、ベータ型は１３００℃を超えて加熱されたときに、アルファ型に戻る。グラファイトは、炭素層内における広大な電子非局在化に基づいて電気を伝導することができる。電子が自由に移動するので、電気が層の平面を通って移動する。
グラファイトの単一層はグラフェンと呼ばれる。この材料は、特別な電気的、熱的、および物理的性質を発揮する。グラフェンは、構造が、ハニカム結晶格子で密に詰め込まれたｓｐ２結合の炭素原子の単一層の平面状シートである炭素の同素体である。グラフェン中の炭素−炭素結合の長さは約０．１４２ｎｍであり、これらのシートが積み重なって、平面間の間隙が０．３３５ｎｍのグラファイトを形成する。グラフェンは、炭素同素体、例えば、グラファイト、チャーコール、炭素ナノチューブ、およびフラーレンなどの基本的な構造要素である。グラフェンは、半金属またはゼロギャップ半導体であり、それが室温で高い電子移動度を発揮することを可能にする。
【０００５】
炭素の別の知られた同素体、ロンズデーライトは、図１ｃに描かれた六方晶系の格子を有するその結晶構造のために、「六方晶系のダイヤモンド」としても知られている。ダイヤモンド構造は、典型的には、椅子型配座で存在する連結した６個の炭素原子で作られる。しかしながら、ロンズデーライトでは、そうではなくて、一部の環が舟型配座である。ダイヤモンドでは、環の層内および環の層間の両方の全ての炭素−炭素結合が、ジグザグ配座にあり、そのことが立方晶系の斜めの４方向を全て等価にする。ロンズデーライトでは、層間の結合が重なり配座にあるが、そのことが六方晶系の対称軸を規定する。
非晶質炭素とは、図１ｇに描かれた構造により明らかなように、結晶構造を有しない炭素のことである。非晶質炭素は作製することができるが、それでも一部グラファイト様またはダイヤモンド様の炭素の顕微鏡的結晶が存在する。非晶質炭素の性質は、材料に存在するｓｐ2混成結合のｓｐ3混成結合に対する比に依存する。グラファイトは、純粋にｓｐ2混成結合からなるが、それに対してダイヤモンドは純粋にｓｐ3混成結合からなる。ｓｐ3混成結合が高い材料は、四面体非晶質炭素（ｓｐ3混成結合により形成される四面体形状のため）、またはダイヤモンド様炭素（その物理的性質の多くがダイヤモンドに類似しているため）と称される。
【０００６】
炭素ナノ材料は別のクラスの炭素同素体を構成する。フラーレン（バッキーボールともいわれる）は、中空の球、楕円体、またはチューブの形態をとる炭素で完全に構成され、サイズが変化する分子である。バッキーボールおよびバッキーチューブは、両方共それらの独特な化学的性質が理由で、特に、材料科学、エレクトロニクス、およびナノテクノロジーにおけるそれらの技術的用途のために、強力な研究の対象となってきた。炭素ナノチューブは、異常な強度および独特の電気的性質を示し、且つ効率的な熱伝導体である円筒状の炭素分子である。炭素ナノバッドは、フラーレン様の「芽」が炭素ナノチューブの外部側壁に共有結合で取り付けられている、新たに発見された同素体である。ナノバッドは、それ故ナノチューブおよびフラーレンの両方の性質を示す。
上で記載した純粋な炭素およびその種々の知られた同素体の形態は、多くの現在有用な商業的および研究用途を提供する。例えば、ダイヤモンドの高い熱伝導度は、その電気絶縁性の性質と共に、マイクロエレクトロニクス産業において、ある種のソリッドステートデバイスのためのヒートシンク材料として、その広範な使用を可能にする。グラファイトは、潤滑剤および触媒支持材料として成功裏に使用されてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、本開示の目的のために「プロトメン」と名付けることにする新規な有用な合成炭素同素体を提供する。本出願で開示される炭素同素体の独特な化学構造に基づいて、該同素体を含む組成物は、赤外光検出、量子コンピューター、オプトエレクトロニクス、ホール効果センサー、トランジスタおよび透明な導電性電極のために利用されるものを含むが、これらに限定されない種々の材料および用途のための組み込みに有用であり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
該炭素同素体は、炭素同素体全体にわたって分散した複数の炭素原子クラスターを含有する。これらのクラスターは、ｓｐ２混成結合により４個の他の炭素原子に結合した炭素原子を含有する。該同素体は、炭素原子にｓｐ３混成結合により互いに結合した、複数の周囲の炭素原子をさらに含有する。複数の炭素原子クラスターの１つは、炭素同素体内で中心に位置する。
炭素原子にｓｐ３混成結合により互いに結合した複数の周囲の炭素原子は、椅子型および舟型配座で６個の炭素原子が連結した環で結合している。これらの配座は六方晶系のダイヤモンドまたはロンズデーライトの形態にある。
それ故、該炭素同素体は、炭素結合の２通りの形態、ｓｐ２混成炭素の複数のクラスターおよび中心クラスター、ならびにｓｐ３混成炭素により互いに結合した周囲の炭素原子を含有して、ロンズデーライト構造として特徴づけられる。炭素同素体のロンズデーライト構造は、ｓｐ２で結合した複数の炭素原子クラスターを定位置に保持する構造または縫い付けとして役立つ。
【０００９】
この炭素同素体の二重の性質に基づいて、同素体の種々の独特な性質が存在する。例えば、中心に位置する炭素原子クラスターを含む複数の炭素原子クラスターは、高いキャリア移動度により特徴づけられ、それは、導電性の中心帯を含む炭素同素体内の導電帯を提供する。それにも拘わらず、周囲の炭素により形成されるロンズデーライト構造は、電気的に絶縁性の性質により特徴づけられる。炭素原子における導電性および絶縁性の領域のこの独特な組合せは、該炭素同素体に種々の化学的、物理的および電気的性質を与えて、それが該同素体を多くの用途に適したものにする。
本発明の炭素同素体は、集積回路の製造に利用することができ、該同素体から作製される素子は、低いノイズを有することができ、フィールド効果トランジスタにおけるチャンネルとしての使用に適合し得る。該同素体はさらに、ホール効果センサー、導電性電極として電極デバイスで、オプトエレクトロニクス用途、光学的レーザーデバイス、量子コンピューター、光起電力デバイスおよび超伝導体で利用することができる。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。図面は本発明の実施形態を例示し、記載と一緒に、本発明の原理を説明するために役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ａ〜ｈは種々の知られた炭素同素体の構造を例示している。
【図２】本発明の炭素同素体の平面図を例示する図である。
【図３】本発明の炭素同素体の側面図を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の詳細な説明において、それらの一部を形成する添付図面が参照され、本発明が実行され得る特定の実施形態が例示のために示される。可能ならばいつも、同じかまたは同様な部分を参照する図面および記載で、同じ参照番号が使用される。方向を示す用語、例えば、「上部」、「底」、「前」、「後ろ」、「前方の」、「後方の」その他は、記載される図の位置づけに関して使用される。本発明の実施形態の素子は、いくつかの異なる位置づけで配置され得るので、方向を示す用語は例示の目的ために使用され、決して限定するものではない。他の実施形態も利用され得ること、および構造的なまたは理に適った変化が、本発明の範囲から逸脱することなく為され得ることは理解されるべきである。それ故、以下の詳細な説明は、限定する意味で受け取られるべきではなく、本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲によって規定される。
【００１２】
本発明は、図２および図３にモデルにより例示される新規な合成炭素同素体に関する。図２で、炭素同素体の平面図を見ることができる。本開示の目的のためにプロトメンと名付けられた図２に示される炭素同素体は、炭素同素体全体にわたって分散した炭素原子２０の複数のクラスター１０を含む。これらのクラスターは、ｓｐ２混成結合４０により互いに結合した炭素原子２０を含有する。これらのｓｐ２混成結合４０は、図２で、濃いグレーの結合４０として見ることができる。複数のクラスター１０は、炭素同素体内に対称的に分散されている。図２では、６個のそのようなクラスター１０が、星形の炭素同素体の先端に位置することを見ることができる。
追加の中心に位置するクラスター３０は、図２中の炭素同素体の中心点に見ることができる。上で論じた炭素同素体全体にわたって位置する複数のクラスター１０と同様に、この中心に位置するクラスター３０は、ｓｐ２混成結合４０により互いに結合した炭素原子５０も含有する。図２および図３で例示したように、この実施形態の炭素同素体の特定のモデルは、繰り返し単位の積み重ねられた垂直な３層を有する。複数のクラスター１０の積み重ねられた３層は、次に記載されるロンズデーライト構造６０によって一緒に保たれる。
【００１３】
該同素体は、複数のクラスター１０および中心に位置する炭素原子５０のクラスター３０と接続している、複数の周囲の炭素原子７０をさらに含む。周囲の炭素原子７０は、炭素同素体内で支持するロンズデーライト構造６０を構成する。周囲の炭素原子７０を含むロンズデーライト構造６０は、炭素原子７０と接続するｓｐ３混成結合８０によって特徴づけられる。ｓｐ３混成結合８０は、図２および図３中で白色の結合として描かれている。ロンズデーライト構造６０は、椅子型および舟型配座で連結した６個の炭素原子７０の環を有する。
ここで図３に移ると、炭素同素体の側面図が示されている。この側面図で、周囲の炭素７０で構成されたロンズデーライト構造６０を、より容易に見ることができる。図３は、複数のクラスター１０を構成する炭素原子２０を取り囲むロンズデーライト構造６０を示す。この側面図から、ロンズデーライト構造６０は、炭素同素体の最も外側の部分であり、該炭素同素体中で複数のクラスター１０および中心クラスター３０と接続してそれらを一緒に保つ支持台または縫い付けであることを見ることができる。
【００１４】
ロンズデーライトは、六方晶系の格子を有するその結晶構造に基づいて、「六方晶系のダイヤモンド」としても知られている。ダイヤモンド構造は、典型的には、椅子型配座で存在する連結した６個の炭素原子で構成されている。しかしながら、ロンズデーライトでは、そうではなくて、一部の環が舟型配座にある。ダイヤモンドでは、全ての炭素−炭素結合が、環の層内および環の層間の両方でジグザグ配置であり、そのことが、立方晶系の斜めの４方向の全てを等価にする。それに反して、ロンズデーライトでは、層間の結合は重なり配置にあり、それが六方晶系の対称性の軸を規定する。
【００１５】
当技術分野において知られているように、ロンズデーライト同素体では、六方晶系の炭素環が、図１ｃで示されるように、層間で互いの直接上に位置する。しかしながら、環は、平面状よりむしろよじれて、その結果、平面間では、より短い炭素−炭素間隔、約１．５４５オングストロームで結合し、それに対して、残る非結合では２．５７５オングストロームのより長い炭素−炭素間隔である。つけ加わる結合束縛は、六方晶系の環における１．５４３〜１．５４５オングストローム炭素−炭素間隔であり、これらの環は、平面内および平面に垂直の両方で接続している。
図２および図３に示した実施形態では、該炭素同素体は、２通りの形態の炭素結合を含有し、その結果、独特の化学的、物理的および電気的性質を有する炭素同素体が生ずる。まとめると、該同素体は、ｓｐ２混成のそれぞれ炭素２０および５０の複数のクラスター１０および中心に位置するクラスター３０を含み、ｓｐ３混成結合８０により互いに結合した周囲の炭素原子７０が、ロンズデーライト構造６０を構成して、それが複数のクラスター１０および中心に位置するクラスター３０のための支持台または縫い付けを形成する。
【００１６】
該炭素同素体のこの二重の性質が、該同素体内で導電性および絶縁性の両方の領域または帯を可能にする。炭素原子２０および５０をそれぞれ含有する複数のクラスター１０および中心クラスター３０は、高いキャリア移動度を発揮して、その結果、複数のクラスター１０および中心クラスター３０は導電性であり、そのようにして、炭素同素体内で、同素体の中心および複数のクラスター１０が位置する領域内の内部で導電帯を創り出す。図２に示した実施形態で、そのような複数のクラスター１０は６個存在して、６個の先端がある星形の配置を有する同素体の「先端」内に位置する。
これらの導電帯と対照的に、該炭素同素体のロンズデーライト構造６０を構成する周囲の炭素７０は、電気的に絶縁性の性質を有し、それにより炭素同素体内に絶縁性領域を創り出す。
【００１７】
該炭素同素体の性質および利用
該炭素同素体の独特の化学的、物理的および電気的性質に基づいて、多くの分野における、および種々の用途のための該同素体の使用が可能である。該同素体のロンズデーライトの外部領域は、硬い絶縁性部分を提供し、導電性中心は炭素原子５０で作られる中心に位置するクラスター３０により提供され、それは、高いキャリア移動度により特徴づけられる。
限定するものではない例として、該炭素同素体は、集積回路の製造に使用することができて、該同素体から作製された素子は、低いノイズを有することができて、フィールド効果トランジスタにおけるチャンネルとして使用するために適し得る。別の例として、該炭素同素体は、少なくとも１個のトランジスタが該炭素同素体を含む一連のトランジスタを含む電子コンピューターで使用することができる。
別の例では、該炭素同素体は電極デバイスで利用され、ここで、本発明の炭素同素体の一連の中心に位置する炭素クラスター３０は、透明な伝導性電極として作用するように適合される。
【００１８】
さらなる例において、該炭素同素体は、該炭素同素体を含む光学的レーザーデバイスとして使用するために適合され、ここで、中心に位置する炭素クラスター３０において電場が誘導される。それに加えて、該炭素同素体は、透明なフィルム、タッチスクリーン、光エミッター、および光を閉じ込めるおよび／または波長を変化させることができるプラスモンデバイスからなる群から選択されるデバイスを含むオプトエレクトロニクスデバイスで利用することができる。
本発明の炭素同素体の有用性の他の例には、該炭素同素体を含むホール効果センサーが含まれる。さらなる他の例において、本発明は、２層の炭素同素体およびこれらの２層の間に配置された絶縁性の層を含む分子の構造を特徴とし、ここで、１層で光により放出された電子により残されたホールにより生じた電場が他の層を通して流れる電流に作用する。
【００１９】
炭素同素体のドーピングおよび合成方法
導電性の性能をさらに増強するために、該炭素同素体を、金、銀、白金族金属を含むが、これらに限定されない金属元素または導電性のｓｐ２結合の炭素原子間の伝導電荷のためのベース金属銅イオンでドープすることができる。ｐ型およびｎ型材料を用いるさらなるドーピングも、トランジスタの形成のために構想される。
【００２０】
本明細書で開示された炭素同素体は、現在知られている当技術分野に存在する種々の技法によって合成することができる。これらには、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、フィラメント補助化学蒸着、アーク放電またはレーザーアブレーション法および分子プリンティングが含まれるが、これらに限定されない。ＣＶＤ法は、当技術分野で一般的に知られており、通常、気体の形態にある炭素を含有する供給源を利用し、それが昇温された温度で分解されて遷移金属触媒（典型的にはＦｅ、Ｃｏ、ＡｇまたはＮｉ）の上を通る。ＣＶＤは、高収率で炭素同素体を製造することが知られているが、より正確な構造は、一般的に、アークまたはレーザーアブレーション法によって製造することができる。
選択された実施形態は本発明を例示するために選択され、特定の例が本明細書に記載されたが、種々の変化および改変が、添付の特許請求の範囲を扱うことを目標とし得ることは当業者には明らかであろう。それ故、本出願で提示された本発明の特定の実施形態は例示のために過ぎず、限定するものであることは少しも意図されないことは当業者により理解されるであろう。それ故、添付の特許請求の範囲で概要が述べられた本発明の精神または範囲から逸脱することなく、それらの助けを求め、等価を十分に使用して、多くの変化および改変が為され得る。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図１ｆ】
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【図１ｇ】
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【図１ｈ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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