(57)【要約】【課題】高い電気伝導率を有するグラフェン集合体およびその製造方法を提供することである。【解決手段】実施形態によれば、グラフェン集合体は、複数のグラフェンと、前記複数のグラフェンのそれぞれの端に化学修飾された電子供与体と、前記電子供与体から電子を受容することが可能な金属イオンと、を備える。前記複数のグラフェンのそれぞれは平面状に配列されている。前記複数のグラフェン中の隣り合うグラフェンどうしは、前記電子供与体と前記金属イオンとの配位結合によって繋がっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のグラフェンと、
前記複数のグラフェンのそれぞれの端に化学修飾された電子供与体と、
前記電子供与体から電子を受容することが可能な金属イオンと、
を備え、
前記複数のグラフェンのそれぞれは平面状に配列され、
前記複数のグラフェン中の隣り合うグラフェンどうしは、前記電子供与体と前記金属イオンとの配位結合によって繋がれているグラフェン集合体。
【請求項２】
前記複数のグラフェンのそれぞれの主面が同一平面に対して略平行に配列されている請求項１記載のグラフェン集合体。
【請求項３】
前記金属イオンは、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）のいずれかのイオンである請求項１または２に記載のグラフェン集合体。
【請求項４】
請求項１に記載されたグラフェン集合体の製造方法であって、
前記複数のグラフェンのそれぞれの前記端に前記電子供与体を化学修飾した後、前記複数のグラフェンのそれぞれと、前記金属イオンを含有する溶液と、を混合するグラフェン集合体の製造方法。
【請求項５】
前記複数のグラフェンのそれぞれを酸化性溶液に浸漬するか、もしくは酸化性ガスに晒すことにより、前記複数のグラフェンのそれぞれの前記端に前記電子供与体を化学修飾する請求項４記載のグラフェン集合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、グラフェン集合体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは、それぞれの炭素原子がｓｐ２結合で繋がれ、ベンゼン環が２次元状に配列した構造を有する。グラフェンは、その層面と平行な方向において高い電気伝導性を有する。グラフェンは、次世代半導体の微細配線材料や液晶ディスプレイ基板の透明導電膜などへの適用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０６３４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、高い電気伝導率を有するグラフェン集合体およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のグラフェン集合体は、複数のグラフェンと、前記複数のグラフェンのそれぞれの端に化学修飾された電子供与体と、前記電子供与体から電子を受容することが可能な金属イオンと、を備える。前記複数のグラフェンのそれぞれは平面状に配列されている。前記複数のグラフェン中の隣り合うグラフェンどうしは、前記電子供与体と前記金属イオンとの配位結合によって繋がっている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係るグラフェン集合体を説明する図であり、（ａ）は、平面模式図、（ｂ）は、側面模式図である。
【図２】実施形態に係るグラフェン集合体を説明する図であり、（ａ）は、側面模式図、（ｂ）は、別の形態の側面模式図である。
【図３】グラフェン集合体を製造する過程を説明する図である。
【図４】グラフェン集合体を製造する過程を説明する図である。
【図５】実施形態の変形例に係るグラフェン集合体を説明する平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【０００８】
図１は、実施形態に係るグラフェン集合体を説明する図であり、（ａ）は、平面模式図、（ｂ）は、側面模式図である。  
図１（ａ）では、片状のグラフェンの一部が分子式で表されている。図１（ｂ）では、分子式ではなく単に片状のグラフェンが示されている。また、実施形態では、グラフェンの層面に対して略平行な方向をＸ方向とし、Ｘ方向に対して略垂直な方向をＹ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは、略直交している。また、実施形態では、グラフェンの層面を「主面」としたり、あるいは「グラフェン面」とする場合がある。
【０００９】
実施形態に係るグラフェン集合体１は、複数のグラフェン１０と、複数のグラフェン１０のそれぞれの端に化学修飾された電子供与体２０と、電子供与体２０から電子を受容することが可能な金属イオン３０と、を備える。
【００１０】
複数のグラフェン１０のそれぞれは、平面状（二次元平面状）に配列されている。複数のグラフェン１０中の隣り合うグラフェン１０Ａとグラフェン１０Ｂどうしは、電子供与体２０と金属イオン３０との配位結合によって繋がっている。すなわち、複数のグラフェン１０と、電子供与体２０と、金属イオン３０と、によって金属錯体（金属キレート）が形成されている。
【００１１】
電子供与体２０は、極性基である。実施形態では電子供与体２０の例として、有機配位分子であるカルボキシラート基（ＣＯＯ−）が例示されている。
【００１２】
金属イオン３０としては、電子供与体２０と平面四配位錯体を形成する金属イオンが選択される。例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）のいずれかのイオンが金属イオン３０として挙げられる。
【００１３】
電子供与体２０が中心金属である金属イオン３０を囲んで同一平面において４配位することにより、グラフェン１０Ａの層面とグラフェン１０Ｂの層面とは、同一平面に対して略平行になる。従って、グラフェン１０が連鎖して結合したグラフェン集合体１において、複数のグラフェン１０のそれぞれの層面は、同一平面に対して略平行に配列されている。
【００１４】
図２は、実施形態に係るグラフェン集合体を説明する図であり、（ａ）は、側面模式図、（ｂ）は、別の形態の側面模式図である。  
図２には、グラフェン１０の主面に対して略平行な方向であるＸ方向と、グラフェン１０の主面に対して略垂直な方向であるＹ方向と、が示されている。図２において、電子供与体２０および金属イオン３０は、省略されている。
【００１５】
図２（ａ）には、複数のグラフェン集合体１がＹ方向に積層された状態が示されている。グラフェン集合体１の中、複数のグラフェン１０のそれぞれは、図１のごとく互いに繋がれている。例えば、複数のグラフェン１０のそれぞれは、Ｘ方向に配列されている。換言すれば、複数のグラフェン１０が集まったグラフェン集合体１のそれぞれは、Ｘ方向に延在している。
【００１６】
ところで、グラファイトの各層が分散したものがグラフェンである。換言すれば、グラフェンの主面間にファンデルワールス力が働いて複数のグラフェンが秩序性をもってＹ方向に積層すると、熱力学的に安定なグラファイトが形成する。
【００１７】
例えば、複数のグラフェン集合体１を同じ系（例えば、容器）内で形成したとき、複数のグラフェン１０がＹ方向に積層する場合がある。このとき、グラフェン集合体１自体も平面構造を有しているため、グラフェン集合体１中の一部のグラフェン１０がＹ方向に積層すると、グラフェン集合体１全体がＹ方向に積層してグラフェン積層体２を形成する場合がある。このグラフェン積層体２は、複数のグラフェン集合体１が束になったものであり、Ｘ方向において高い電気伝導率を有する。
【００１８】
グラフェン積層体２において、個々のグラフェン集合体１中のグラフェン１０のＸ方向の位相は、同じであってもよく、互いにずれていてもよい。例えば、図２（ｂ）には、他のグラフェン積層体３が例示されている。このグラフェン積層体３においては、個々のグラフェン集合体１のグラフェン１０のＸ方向の位相が互いにずれている。
【００１９】
また、図２には、複数のグラフェン１０のそれぞれのサイズが略同じ状態が例示されているが、複数のグラフェン１０の平面サイズは、それぞれ異なってもよい。
【００２０】
グラフェン集合体１の製造方法について説明する。  
図３および図４は、グラフェン集合体を製造する過程を説明する図である。
【００２１】
まず、図３（ａ）に示すように、複数のグラフェン１０を準備する。続いて、複数のグラフェン１０のそれぞれを酸化性溶液に浸漬するか、もしくは酸化性ガスに晒す。すると、矢印Ｒ１で示した炭素（Ｃ）が酸化されて、この部分の六員環が開環する。この状態を、図３（ｂ）に示す。
【００２２】
グラフェン１０においては、一般的に端ほどエネルギーが高くなっている。すなわち、グラフェン１０においては端ほど反応性が高い。従って、グラフェン１０を酸化しようとすると、グラフェン１０の端が選択的に酸化する。
【００２３】
グラフェン１０の端を選択的に酸化することによって、複数のグラフェン１０のそれぞれの端に電子供与体２０が化学修飾される。電子供与体２０は、例えば、カルボキシラート基（ＣＯＯ−）である。
【００２４】
酸化性溶液としては、例えば、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）と硝酸（ＨＮＯ３）とを含む溶液、硫酸と過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）とを含む溶液、硫酸と電気分解した硫酸とを含む溶液（カロ酸溶液）、硫酸とオゾン（Ｏ３）とを含む溶液、オゾンを含む溶液の少なくともの１つを含む溶液が挙げられる。酸化性ガスとしては、例えば、オゾンガス、酸素プラズマ等が挙げられる。
【００２５】
次に、図４（ａ）に示すように、金属イオン含有溶液４０を準備する。図４（ａ）には、金属イオン含有溶液４０の一例として、硫酸銅水溶液が例示されている。金属イオン含有溶液４０中には、金属イオンである銅イオン（Ｃｕ２＋）が含まれている。この金属イオン含有溶液４０に、上述した複数のグラフェン１０を混合する。例えば、金属イオン含有溶液４０と、複数のグラフェン１０が浸漬された酸化性溶液と、を混ぜたり、酸化性溶液から複数のグラフェン１０を取り出した後、複数のグラフェン１０に金属イオン含有溶液４０を滴下してもよい。また、必要に応じて金属イオン含有溶液４０を加熱してもよい。
【００２６】
混合後においては、図４（ｂ）に示すように、複数のグラフェン１０中の一対のグラフェン１０どうしが電子供与体２０と金属イオン３０との配位結合によって繋がる。これにより、複数のグラフェン１０が連結したグラフェン集合体１が形成される。さらに、グラフェン集合体１中のグラフェン１０が積層して、グラフェン積層体２（またはグラフェン積層体３）が形成される。
【００２７】
ところで、実施形態とは別の比較例では、電子受容体有機分子によって端が化学修飾されたグラフェンと、電子供与体有機分子によって端が化学修飾されたグラフェンと、を電子受容体有機分子と電子供与体有機分子とを結合させることにより繋げている。すなわち、比較例では、金属錯体を形成しない。このような方法によっても複数のグラフェンが連結したグラフェン集合体が形成される。
【００２８】
しかし、電子受容体有機分子および電子供与体有機分子は、一般的には常温常圧で半導体である。また、電子供与体有機分子と電子受容体有機分子とによって繋げた複数のグラフェンは、それぞれの主面が同一平面に対して略平行になるとは限らない。
【００２９】
これに対して、実施形態に係るグラフェン集合体１においては、複数のグラフェン１０と、電子供与体２０と、金属イオン３０と、によって金属錯体を形成している。金属イオン３０としては、平面四配位錯体を形成する金属イオンが選択される。これにより、グラフェン１０の整列性、凝集性がより高くなる。例えば、グラフェン１０は、金属イオンを介して連鎖して結合する。また、グラフェン集合体１において、複数のグラフェン１０のそれぞれの層面は、同一平面に対して略平行に配列されている。
【００３０】
また、グラフェン集合体１においては、グラフェン集合体１の両端に電圧を印加すると、グラフェン１０内、および隣り合うグラフェン１０とグラフェン１０との間に電流が流れて、その両端間に電流が流れる。
【００３１】
ここで、グラフェン１０とグラフェン１０との間では、電子供与体２０／金属イオン３０／電子供与体２０を経由して電流が流れる。あるいは、グラフェン１０とグラフェン１０との間にトンネル電流が生じる場合もある。
【００３２】
グラフェン集合体１においては、グラフェン１０とグラフェン１０との間に抵抗率が有機半導体よりも低い金属（金属イオン３０）が介在している。従って、グラフェン集合体１の面内方向（Ｘ方向）における電気伝導率はより高くなる。
【００３３】
また、グラフェン集合体１は、平面構造を有する。従って、グラフェン積層体２（またはグラフェン積層体３）の整列性、凝集性もより高くなる。これにより、グラフェン積層体２（またはグラフェン積層体３）の密度はより高くなる。その結果、グラフェン積層体２（またはグラフェン積層体３）のＸ方向における電気伝導率はより高くなる。
【００３４】
また、グラフェン積層体３においては、金属イオン３０の上下にグラフェン１０が接近している。このような構造であれば、金属イオン３０を介してグラフェン１０の積層方向（Ｙ方向）に電流が流れる場合もある（図２（ｂ）の矢印ｅ参照）。すなわち、グラフェン積層体３において、電流はグラフェン１０の面内方向（Ｘ方向）およびグラフェン１０の積層方向（Ｙ方向）に流れる。これにより、グラフェン積層体の電気伝導率はより高くなる。
【００３５】
また、グラフェン集合体１においては、グラフェン１０とグラフェン１０とを金属で繋げているので耐熱性が向上する。
【００３６】
図５は、実施形態の変形例に係るグラフェン集合体を説明する平面模式図である。  
図５（ａ）〜図５（ｃ）では、片状のグラフェン１０の一部が分子式で表されている。
【００３７】
図５（ａ）においては、電子供与体２１として、酸素が示されている。図５（ｂ）においては、電子供与体２２として、アミノ基が示されている。図５（ｃ）においては、電子供与体２３として、ニトロ基が示されている。このような電子供与体を用いても、金属イオン３０と電子供与体２０とによって平面四配位錯体が形成され、平面構造のグラフェン集合体が形成される。
【００３８】
以上説明したグラフェン集合体１は、溶媒中に分散させて導電性の塗布材料として用いてもよく、樹脂中に分散させて導電性樹脂を形成してもよい。また、グラフェン積層体２（またはグラフェン積層体３）の厚みが所定の光透過性を有する程度の厚みであれば、グラフェン積層体２（またはグラフェン積層体３）は、発光素子、液晶パネル、太陽電池等の透明電極として使用され得る。このように、実施形態に係るグラフェン集合体１の汎用性は高い。
【００３９】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００４０】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１  グラフェン集合体
２、３  グラフェン積層体
１０、１０Ａ、１０Ｂ  グラフェン
２０、２１、２２、２３  電子供与体
３０  金属イオン
４０  金属イオン含有溶液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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