(57)【要約】【課題】ナノ粒子の分散性を向上させたアモルファスカーボン複合材、及びその製造方法を提供すること。【解決手段】有機化合物及び表面に官能基を有する複数のナノ粒子を含む分散液から複数のナノ粒子が分散したゲル状化合物を得るゲル化工程と、ゲル状化合物を加熱して、複数のナノ粒子を分散させたまま固形化する加熱工程と、を有するアモルファスカーボン複合材の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物と表面に官能基を有する複数のナノ粒子とを含む分散液から前記複数のナノ粒子が分散したゲル状化合物を得るゲル化工程と、
前記ゲル状化合物を加熱して、前記複数のナノ粒子を分散させたまま前記ゲル状化合物を固形化する加熱工程と、
を有するアモルファスカーボン複合材の製造方法。
【請求項２】
前記加熱工程では、前記ゲル状化合物を乾燥した後、焼成して固形化する、請求項１記載のアモルファスカーボン複合材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の製造方法によって得られるアモルファスカーボン複合材。
【請求項４】
アモルファスカーボンと複数のナノ粒子とを含有し、前記複数のナノ粒子が前記アモルファスカーボン中に分散されているアモルファスカーボン複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファスカーボン複合材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファスカーボンは、優れた機械的特性、電気的特性、耐薬品性等を有することから、種々の分野で使用されている。アモルファスカーボンの製造方法としては、プラズマＣＶＤ法を用いた製造方法、フェノール樹脂のような樹脂材料を成形加工し、焼成して製造する方法などが知られている。
【０００３】
また、このアモルファスカーボンに、サブミクロンサイズの粒子を分散させることによって、アモルファスカーボン複合材を形成できることが知られている。
【０００４】
一方、粒子径１００ｎｍ以下の微粒子（ナノ粒子）は、材料中に分散させることが困難であることが知られている。これは、ナノ粒子には、サブミクロン粒子に比べて粒子間に静電反発力が働かないことなど、凝集分散特性に特異挙動が現れることによるものと考えられている（例えば、非特許文献１参照）。このため、ナノ粒子が分散されたアモルファスカーボン複合材を製造することは困難な状況にある。
【０００５】
ナノ粒子の分散性を改善する方法として、界面活性物質の存在下でナノ粒子を合成する方法が提案されている。この場合、ナノ粒子表面に界面活性剤構造が維持されるので、容易に凝集しない、ナノ粒子を得ることができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】神谷秀博、「ナノ粒子の分散・凝集制御」、［on line］、ナノマテリアルセンター、［平成19年4月５日検索］、インターネット、＜URL:http://mandala.t.u-tokyo.ac.jp/modules/knw/ppt/d304.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アモルファスカーボン複合材は、サブミクロンサイズの粒子に代えてナノ粒子を分散させることによって、構造を一層微細化することができる。この微細化によって、一層優れた機械的特性、半導体特性を有するアモルファスカーボン複合材を得ることができる。例えば、半導体レーザーのレーザー媒質として用いた場合、キャリア閉じ込め効果等によって変換効率を向上させたり、半導体使用量を削減したりする効果が期待できる。
【０００７】
しかしながら、上記のように界面活性剤を用いてナノ粒子を分散させた場合、アモルファスカーボン中に界面活性剤が残留するため、半導体特性及び機械的特性などに悪影響を及ぼす可能性がある。また、ナノ粒子間の距離が十分でないために、優れた半導体特性及び機械的特性などを得られない傾向がある。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、ナノ粒子の分散性を向上させたアモルファスカーボン複合材、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明では、有機化合物及び表面に官能基を有する複数のナノ粒子を含む分散液から複数のナノ粒子が分散したゲル状化合物を得るゲル化工程と、ゲル状化合物を加熱して、複数のナノ粒子を分散させたまま固形化する加熱工程と、を有するアモルファスカーボン複合材の製造方法を提供する。
【００１０】
上記本発明によれば、表面に官能基を有しているナノ粒子を用いるため、ナノ粒子同士が凝集せずにナノ粒子が分散したゲル状化合物を得ることができる。このゲル状化合物を加熱して固形化するため、ナノ粒子の分散性を向上させたアモルファスカーボン複合材を製造することができる。
【００１１】
また、本発明のアモルファスカーボン複合材の製造方法は、加熱工程において、ゲル状化合物を乾燥した後、焼成して固形化することが好ましい。これによって、アモルファスカーボン中の気孔の量を抑制することができる。したがって、半導体特性、機械的特性に一層優れるアモルファスカーボン複合材を容易に製造することができる。
【００１２】
本発明ではまた、上述の製造方法によって得られるアモルファスカーボン複合材を提供する。このアモルファスカーボン複合材は、上述の製造方法で製造されるため、アモルファスカーボン中にナノ粒子同士が凝集せずに分散されている。
【００１３】
このようなアモルファスカーボン複合材は、アモルファスカーボン中にナノ粒子が分散されているので、サブミクロンサイズの粒子が分散したアモルファスカーボン複合材に比べて、強度などの機械的特性及び半導体特性に優れている。
【００１４】
例えば、このようなアモルファスカーボン複合材を、半導体レーザーのレーザー媒質として用いれば、ナノ粒子が電子及び正孔を微小空間に閉じ込める、キャリア閉じ込め効果によって、変換効率を向上することができる。
【００１５】
本発明では、アモルファスカーボンと複数のナノ粒子とを含有し、複数のナノ粒子がアモルファスカーボン内に分散されているアモルファスカーボン複合材を提供する。このようなアモルファスカーボン複合材は、複数のナノ粒子が、アモルファスカーボン中に分散されているので、上述のとおり、サブミクロンサイズの粒子が分散されたアモルファスカーボン複合材よりも、半導体特性及び機械的特性に優れている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ナノ粒子の分散性を向上させたアモルファスカーボン複合材、及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１８】
まず、本実施形態に係るアモルファスカーボン複合材の製造方法について以下に説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかるアモルファスカーボン複合材の製造方法を模式的に示す工程図である。本実施形態にかかるアモルファスカーボン複合材は、有機化合物と表面に官能基を有する複数のナノ粒子とを含む分散液から複数のナノ粒子が分散したゲル状化合物を得るゲル化工程と、ゲル状化合物を加熱して、複数のナノ粒子を分散させたままゲル状化合物を固形化する加熱工程とを有するゾルゲル法によって製造することができる。以下、各工程について詳細に説明する。
【００１９】
（ゲル化工程）
ゲル化工程では、有機化合物と表面に官能基を有する複数のナノ粒子を含む分散液（ゾル）から複数のナノ粒子が分散したゲル状化合物を製造する。まず、有機化合物とナノ粒子とをビーカー等の容器に入れて攪拌する。なお、必要に応じて、メタノールなどの溶媒を加えてもよい。ここでいう「分散液」とは、有機化合物とナノ粒子とを含有する混合液をいう。
【００２０】
有機化合物としては、攪拌によってゾルゲル反応を起こしてゲル状化合物を得るため、水酸基を有する化合物及びアルデヒド基を有する化合物を組み合わせて用いることが好ましい。
【００２１】
水酸基を有する化合物としては、レゾルシノール、フェノールなどを好適に用いることができる。アルデヒド基を有する化合物としては、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどを好適に用いることができる。フェノールとホルムアルデヒドとを用いる場合、フェノールに対するホルムアルデヒドのモル比は、１．０〜２．０とすることが好ましい。
【００２２】
ナノ粒子は、有機化合物に対して過剰に添加することが好ましい。有機化合物に対するナノ粒子の最小添加量は、ナノ粒子が有する官能基の長さによって変化する。したがって、アモルファスカーボン複合材中のナノ粒子の含有量は、その官能基の長さによって調整することができる。
【００２３】
上述のナノ粒子と有機化合物とを含有する分散液を攪拌すると、有機化合物同士のゾルゲル反応により、粘度が上昇してゲル状化合物が得られる。分散液の攪拌は、より均一にナノ粒子が分散したゲル状化合物を得るために、好ましくは７５〜９５℃、より好ましくは８５℃で、数日間行うことができる。なお、ナノ粒子は、ゲル状化合物中にナノ粒子をより均一に分散させるため、有機化合物のゲル化が開始される前に添加することが好ましい。
【００２４】
攪拌は、マグネティックスターラーなど、通常の攪拌装置を用いることができる。このように、攪拌しながらゲル化反応を行うことによって、ナノ粒子が分散されたゲル状化合物を得ることができる。ゲル化工程で進行する有機化合物同士のゲル化反応としては、以下の反応式（１）及び（２）を例示することができる。
【００２５】
【化１】
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【００２６】
【化２】
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【００２７】
ゲル化工程では、上記の反応式（１）又は（２）によって、例えば、上記（A）又は（B）を繰り返し単位とするゲル状化合物が得られる。上記反応式（１）及び（２）のようなゲル化反応を促進するために、分散液に炭酸ナトリウム、塩酸などの触媒を加えてもよい。触媒の添加量は、水酸基を有する化合物に対する触媒のモル比で０．００２５〜０．０２とすることができる。
【００２８】
ここで、本実施形態で用いられるナノ粒子について、詳細に説明する。図２は、本実施形態に好適に用いられるナノ粒子の外観図である。ナノ粒子１０は、粒子本体１２と粒子本体１２の表面に官能基１４とを有している。官能基１４は、粒子本体１２の表面の元素と化学結合することによって、粒子本体１２の表面に固定されている。ナノ粒子１０は、表面に官能基１４を有するため、ナノ粒子１０同士が凝集せず、アモルファスカーボン中に分散させて含有させることができる。
【００２９】
粒子本体１２としては、炭素を構成元素とするナノダイヤモンド、フラーレン（Ｃ６０及びＣ７０，並びにＣ６０が複数結合したＣ２４０及びＣ５４０など）などのカーボン材を好適に用いることができる。これらは、主に、アモルファスカーボンの主成分元素（炭素）と同一の元素で構成されているためにアモルファスカーボンとの接合性が良く、機械的特性、半導体特性に一層優れるアモルファスカーボン複合材を得ることができる。
【００３０】
ナノ粒子１０の官能基１４としては、直鎖の炭化水素を有するものが好ましい。ナノ粒子１０は、アモルファスカーボン中により均一に分散させる観点から、官能基１４を少なくともｘｙｚ軸のそれぞれの軸方向に２つずつ、計６つ有することが好ましい。このようなナノ粒子１０の構造は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、赤外吸収分析（ＩＲ）などを組み合わせることによって確認することができる。
【００３１】
粒子本体１２の粒径は、１〜１００ｎｍであることが好ましい。該粒径が１ｎｍ以下の場合は、ナノ粒子１０の製造が困難になる傾向があり、該粒径が１００ｎｍ以上では本発明の効果を十分に得られない傾向がある。このようなナノ粒子１０は、以下の手順で製造することができる。
【００３２】
図３は、表面に官能基を有するナノ粒子の製造方法を模式的に示す工程図である。表面に官能基を有するナノ粒子１０は、以下の手順で製造することができる。まず、ナノ粒子１０の原料となるカーボン材の表面には水素が結合している（図３（ａ））。このようなカーボン材を、硝酸と硫酸とを混合した混酸の中に入れて、表面を酸化させる。この酸化反応によって、カーボン材の表面にカルボニル基を有するナノ粒子１０を得ることができる（図３（ｂ））。
【００３３】
このナノ粒子１０を水酸化ナトリウム中、又は塩酸中に入れて処理することによって、表面にカルボキシル基を有するナノ粒子１０を得ることができる（図３（ｃ））。さらに、硫酸などを触媒として用い、このナノ粒子１０をアルコールに接触させると、エステル化反応により（図３（ｄ））、表面にエステル基を有するナノ粒子１０を得ることができる（図３（ｅ））。
【００３４】
上述のエステル化反応では、アルコールを構成する炭素原子数を変えることによって、ナノ粒子１０の表面の官能基の長さを任意に調整することができる。例えば、アルコールを構成する直鎖状のアルキル基に含まれる炭素原子数（図３（ｅ）のＲに含まれる炭素原子数）を３２個以上にすれば、隣り合うナノ粒子の間隔を約５ｎｍ以上にすることができる。
【００３５】
（加熱工程）
加熱工程では、図１に示すように、ゲル化工程で得られたゲル状化合物を加熱し固形化することによってアモルファスカーボン複合材を製造する。加熱工程では、まず、ゲル状化合物を５０〜１００℃で数時間加熱してゲル状化合物を乾燥させることができる。乾燥は、常圧（大気中）又は減圧下において、通常の乾燥器等を用いて行うことができる。このように、後に行う炭化の前に、予めゲル状化合物を乾燥させれば、アモルファスカーボン複合材中の気孔の生成を抑制することができる。
【００３６】
次に、ゲル状化合物を乾燥して得られた前駆体を、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気下で、約９００〜１４００℃で数時間焼成することによって、前駆体を炭化することができる。焼成温度が９００℃未満の場合、炭化が十分に進行しない傾向があり、焼成温度が１４００℃を超える場合、前駆体が熱分解してしまう傾向がある。この炭化反応によって、アモルファスカーボン中にナノ粒子１０が分散されたアモルファスカーボン複合材を得ることができる。上述の焼成は、マッフル炉、加熱部が水平で管状の管状炉、加熱部が垂直で管状のルツボ炉など、通常の電気炉等を用いて加熱することによって行うことができる。
【００３７】
なお、本実施形態の加熱工程では、ゲル状化合物を乾燥して一旦前駆体を得た後に、炭化を行ったが、乾燥及び炭化を連続して行い、ゲル状化合物からアモルファスカーボン複合材を直接製造してもよい。
【００３８】
上記の製造方法によって、アモルファスカーボン中にナノ粒子１０が分散しているアモルファスカーボン複合材を製造することができる。この製造方法は、分散液からゲル状化合物を得る工程、及び得られたゲル状化合物を加熱する工程からなるため、アモルファスカーボン複合材を容易に製造することができる。このようなアモルファスカーボン複合材は、ナノ粒子１０の分散性を向上させたものであるので、半導体特性及び機械的特性に優れる。なお、アモルファスカーボン中にナノ粒子１０が分散されていることは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって確認することができる。
【００３９】
アモルファスカーボン複合材全体に対するナノ粒子１０の含有量は、用途に応じて調整することが可能であるが、ナノ粒子１０の含有量が過剰に多くなると、ナノ粒子が母体となり、その母体中にアモルファスカーボンが分散したような、海−島構造の材料となってしまう傾向がある。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態にかかるアモルファスカーボン複合材の製造方法を模式的に示す工程図である。
【図２】本実施形態に好適に用いられるナノ粒子の外観図である。
【図３】表面に官能基を有するナノ粒子の製造方法を模式的に示す工程図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…ナノ粒子、１２…粒子本体、１４…官能基。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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