(57)【要約】【課題】原子スケールで整った端構造を持つ短冊状の単層グラファイト薄膜の形成方法を提供する。【解決手段】酸素原子２を用いてカーボンナノチューブを劈開させることにより、特定の端構造を有する短冊状の単層グラファイト薄膜３を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化性分子を用いてカーボンナノチューブを劈開させることにより、特定の端構造を有する短冊状単層グラファイトを形成することを特徴とする短冊状単層グラファイト膜の形成方法。
【請求項２】
前記酸化性分子を、前記カーボンナノチューブの軸方向に沿って直線的に吸着させることを特徴とする請求項１記載の短冊状単層グラファイト膜の形成方法。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブは、前記酸化性分子による劈開の障壁エネルギーが起点近傍において最も高いことを特徴とする請求項１又は２記載の短冊状単層グラファイト膜の形成方法。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブは、直径３ｎｍ以下の単層アームチェア型カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項３記載の短冊状単層グラファイト膜の形成方法。
【請求項５】
前記短冊状単層グラファイトの端の構造が、ジグザグ端又はアームチェア端であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の短冊状単層グラファイト膜の形成方法。
【請求項６】
前記酸化性分子を導入可能な真空チャンバー内にて、前記カーボンナノチューブを劈開させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の短冊状単層グラファイト膜の形成方法。
【請求項７】
前記酸化性分子は酸素分子であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の短冊状単層グラファイト膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子スケールで整った端構造を持つ短冊状の単層グラファイト薄膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一層から数原子層のグラファイト薄膜は、高い電気伝導度と移動度とを持つため、ナノスケールの配線構造としての応用が検討されている。このようなグラファイト薄膜は、熱伝導特性や熱的安定性も高いためエレクトロマイグレーションに対する耐性が高いと期待されている。
【０００３】
また、ナノスケールの幅を持った短冊状のグラファイトリボン構造の電気伝導において端の原子構造が大きく影響することが理論的に予測されている。アームチェア端では幅に依存して半導体又は金属的な電子状態となるが、ジグザグ端では常に金属的であることが知られており、端に局在した電子状態に起因する磁性の応用も期待できる（非特許文献１参照）。
【０００４】
非特許文献２には、粘着テープを用いてグラファイト層を劈開し転写することによって単原子層グラファイト膜を得る方法が開示されている。また、特許文献１にはグラファイト薄膜を利用した新規ナノスケール材料の製造方法について開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、ＳｉＣの基板からカーボンナノチューブを形成する技術及びそれらのカーボンナノチューブから薄膜を形成する技術について開示されている。
【特許文献１】特開平６−２５７０１９号公報
【特許文献２】特開２００３−１７１１０７号公報
【非特許文献１】M.Fujita, et al, Journal of Physical Society of Japan. vol.65, 1920 (1996).
【非特許文献２】K.S.Novoselov, et al, Science 306, 666 (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や非特許文献２に開示されたグラファイト材料では端の製造を制御できていない。
【０００７】
非特許文献１に開示される方法では、端の原子構造を制御することは念頭になく、得られる端構造は一様ではない。
【０００８】
また、特許文献１に開示される材料は、グラファイト薄膜を折り曲げただけの構造であり、明確な端構造が形成されるわけではない。このため、端の構造に依存した期待されるような物性は得られない。
【０００９】
特許文献２に開示される発明によって得られるものは、複数のカーボンナノチューブの外表面を接合したカーボンナノチューブ膜であり、グラファイト薄膜ではない。
【００１０】
また、一般的にグラファイトの端構造はアームチェア端の方がエネルギー的に安定であるため、ジグザグ端を持ったグラファイト薄膜を形成することは非常に困難であった。
【００１１】
このように、原子スケールで整った端構造、特にジグザグ端を持つ短冊状の単層グラファイト薄膜を形成する方法は提供されていなかった。
【００１２】
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、原子スケールで整った端構造を持つ短冊状の単層グラファイト薄膜の形成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】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するために、酸化性分子を用いてカーボンナノチューブを劈開させることにより、特定の端構造を有する短冊状単層グラファイトを形成することを特徴とする短冊状単層グラファイト膜の形成方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、原子スケールで整った端構造を持つ短冊状の単層グラファイト薄膜の形成方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、特定のカイラリティを持ったカーボンナノチューブを軸に沿った方向に切り開くことによってナノチューブのカイラリティに依存した端構造を持つ短冊状の単層グラファイト薄膜を形成する。従って、形成される単層グラファイト薄膜の端構造は、アームチェア型ナノチューブを利用すればジグザグ端構造となり、ジグザグ型ナノチューブを用いればアームチェア端となる。
【００１６】
ジグザグ端構造はエネルギー的に不安定であるため、通常の熱的な形成方法で得ることは難しかったが、本発明ではアームチェア型ナノチューブの酸化によって比較的容易に得られる。
【００１７】
ジグザグ端を持つ単層グラファイト薄膜を形成する場合には、アーク放電等を用いて生成された欠陥の少ないアームチェア型カーボンナノチューブを任意の基板上に配置し、酸化性分子を含んだ雰囲気中においてカーボンナノチューブを徐々に酸化させる。例えば、大気中４００℃程度で徐々に酸化する。これにより、図１（ａ）に示すように、酸素分子（二つの酸素原子２）がアームチェア型カーボンナノチューブの軸方向の隣り合うサイトに（炭素原子１に）吸着する。なお、この際の温度は、高すぎると酸化が爆発的に進んでカーボンナノチューブが燃焼してしまうし、温度が低すぎるとカーボンナノチューブの酸化が進行しない。よって、カーボンナノチューブの酸化が徐々に進む程度の温度に設定する必要がある。図１（ｂ）に示すように、酸素分子は、酸化によってカーボンナノチューブの炭素原子間の結合を破壊する。カーボンナノチューブを酸化破壊する際にチューブ軸に沿って破壊することによってナノチューブ表面の曲率による内部応力を解放できるため、軸方向に反応が進みやすい。
【００１８】
なお、カーボンナノチューブの表面の曲率による内部応力は、カーボンナノチューブの直径が小さいほど大きいため、カーボンナノチューブの直径が小さいほど軸方向に沿っての劈開を生じさせやすい、単層アームチェア型カーボンナノチューブの場合は、直径が３ｎｍを超えると表面の曲率による内部応力が小さくなり、劈開が進行しにくくなるため、直径が３ｎｍ以下のものを前駆体して用いることが好ましい。
【００１９】
図２に、図１（ａ）の構造から（ｂ）の構造に変化する際（すなわち、カーボンナノチューブを軸方向に沿って劈開する際）の反応座標に対するエネルギーの変化を示す。横軸は反応座標、縦軸は反応エネルギーを示している。図示するように、反応の起点付近で劈開させるためのエネルギーが最も高く、反応が進行して起点から遠ざかるほど劈開に要するエネルギーが小さくなる。すなわち、酸化の初期過程が最も高いエネルギー障壁を持つため、後の反応は軸に沿って連鎖的に起こる。これにより、アームチェア型ナノチューブが切り開かれ、図１（ｃ）に示すように、ジグザグ端を持つ単層グラファイト薄膜３が形成される。
【００２０】
一方、アームチェア端を持つ単層グラファイト薄膜を形成する場合には、ジグザグ型カーボンナノチューブを反応前駆体として用いて、上記同様の過程を実施すればよい。ただし、ジグザグ型はナノチューブを酸化するための活性化障壁がアームチェアナノチューブよりも高いため、高温で酸化処理を行う。
【実施例】
【００２１】
アーク放電法を用いて生成した欠陥の少ないカーボンナノチューブを清浄シリコン基板上に配置した後、高真空チャンバー内に封入しアルゴンガス中２０００Ｋで１時間の熱処理を行い不純物を除去した。その後、５％酸素雰囲気中で４５０℃まで５時間かけて昇温し、徐々に室温まで冷却した。先鋭化されたＳＴＭ探針を用いて高解像度の観察を行ったところ、ジグザグ端を持った短冊状の単層グラファイト薄膜を確認できた。また、酸素処理温度を５００℃まで上昇させたところアームチェア端を持った短冊状の単層グラファイト薄膜も形成されていることが確認できた。
【００２２】
なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることなく様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】アームチェア型カーボンナノチューブからジグザグ端を持つ短冊状の単層グラファイト薄膜を形成する過程を示す図である。
【図２】酸化によってカーボンナノチューブの炭素原子間の結合が破壊する際のエネルギーと軸方向の位置との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    炭素原子
２    酸素原子
３    単層グラファイト薄膜
【図１】
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【図２】
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