本文へスキップ

プラズマエネルギーシステム研究室

豊橋技術科学大学

電気・電子情報工学系

滝川研究室

単層カーボンナノチューブ(SWCNT)・ナノホーン(CNH)の合成










Uploaded: Jul　03y. 2014
Single-walled Carbon Nanotube and Nanohorn Synthesis by Torch Arc Jet Method
　　　　　　このページの写真はクリックすると大きくなるものもあります。
　トーチアーク法でMWCNTしか合成できないわけではありません。溶接用アークトーチを用いてSWCNTを合成することも可能です。従来の低圧アーク法（陽極蒸発法，または陽極昇華法）において，SWCNTを合成するには陽極に触媒金属を混ぜます。また，レーザ蒸発法の場合にも，触媒金属を混ぜた黒鉛を原料として使います。が必要です。次に，大気中トーチアーク法によるSWCNT合成法の装置構成を示します。つまり，黒鉛と触媒金属を同時に蒸発させると，冷却過程で，金属微粒子を触媒としてSWCNTが成長するのです。従って，トーチアークを使って，黒鉛と触媒金属を同時に蒸発させ，冷却すればいいということになります。

　アークトーチを用いたSWCNTの合成装置の構成，実際の実験装置の写真，アーク放電の様相，および回収板（Substrate）に付着・堆積したすすを次に示します。下の回収板へ付着したすすの写真は，アークジェットを写真の下から上に向かって発生させたものです。

SWCNT用トーチアーク法の構成 トーチアーク装置 アークジェットの様子 回収板へ付着したすす

● 実験方法
　　TIG溶接アークトーチを用い，Ni/Y入り黒鉛ターゲット板の端に向かって，アーク放電を発生させます。Ni/Y入り黒鉛ターゲット板を使うのが重要です。Ni/Y入り黒鉛ターゲット板の端に向かってアークを発生させると，ターゲット板を乗り越えてアークジェットが形成されます。アークジェットが形成されると，大量のすすが発生するので，アークジェットが乗り越える位置に配置した回収板に付着・堆積させて回収します。上の装置構成はアークジェットを回収板とを平行に配置しましたが，下のようにアークジェットと回収板とを垂直に配置してもかまいません。

別構成のトーチアーク装置 アークジェットの様子

● 実験結果
　回収板から回収したすすをTEM観察した結果を次に示します。SWCNTだけでなく，カーボンナノホーン（CNH）も合成できることがわかりました。

SWCNT SWCNT CNH

　上の写真からわかるように，SWCNTはたいてい束（バンドル）状に存在します。しかし，単一で存在する場合もしばしば観察できます。この手法で作成したSWCNTの平均直径は，1.2〜1.4 nm です。


● メカニズム
　アーク放電によって蒸発した黒鉛とNi/Yは，高温（数千度から１万度）のアークジェット中で原子オーダーまで分解されます。アークジェット内は，黒鉛とNi/Yの蒸気ガスで充満しています。そのガスが冷却する過程で，Ni/Yが微粒子化します。そして，その微粒子を触媒としてSWCNTが成長します。

注意点
　アークジェットを形成するには，ちょっとしたコツが必要です。アークジェットが形成され，すすが回収板に付着するように練習しましょう。回収板に直接アーク放電が発生しないように，回収板とターゲットとの絶縁を十分取りましょう。

�．◆璽�放電モードは直流で（50A〜150Aが適当）：
　　直流の場合はジェットが形成されやすいですが，交流ではなかなかジェットが形成されません。
��Ni/Y入り黒鉛ターゲット板を使う：
　　Ni/YはSWCNTを成長させる触媒として働くだけでなく，ターゲットの蒸発を促進し，アークジェットの形成を支援する働きがあります。ターゲットに純黒鉛を用いると，アークジェットを形成するのは困難です。
��トーチ電極：
　　トーチ電極（マイナス極；陰極）は，通常の溶接用に使用するタングステン電極でかまいません。でも，黒鉛を用いたほうが電極の消耗が少ないです。


　■ Ni/Y入り黒鉛ターゲット板は，東洋炭素（株）から購入できます。

　　　

BACK