触媒CVD法によるカーボンナノコイル・ナノツイスト等の合成
| Uploaded 08 July, 2001 Carbon Nanomaterials Prepared by Catalytic Chemical Vapor Deposition (CVD) |
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・アーク放電法（低圧アーク法，真空アーク法，トーチアーク法）
・レーザアブレーション法
・触媒化学気相成長法（いわゆる，CVD法）
です。この研究では，CVD法による炭素系ナノ材料の合成を目指しました。
実験に用いたCVD合成装置を次に示します。この装置は，原料ガスの分解を促進するために，プロセスの上流に熱フィラメントを配置してあるのが特徴です。
| 熱フィラメントCVD（HF-CVD）装置 | ||
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主な実験条件は次のとおりです。
| 圧力： | 大気圧 |
| 原料ガス： | エチレン（C2H4） （ガス流量：30〜90 sccm） |
| 触媒膜： | 鉄（Fe），ニッケル（Ni），亜鉛（Zn） およびそれらの酸化物（FeO, NiO, ZnO） |
| 触媒膜膜厚： | 2〜10 nm |
| 触媒膜蒸着法： | シールド型真空アーク蒸着 |
| 基板： | シリコン（Si），銅（Cu） |
| 電気炉温度： | 600〜700℃ |
| 熱フィラメント温度： | 約 1,000℃ |
| 反応・堆積時間： | 120 min |
CVDプロセスは，以下のとおりです。
Step 1： 反応炉のパージと加熱（Ar, 400 sccm； 30〜45 min）
Step 2： 反応・堆積（C2H4）
Step 3： 冷却（Ar，400 sccm； 60〜70 min）
まず，格子状のパターンマスクを介してシリコン（Si）基板に触媒膜を蒸着し，触媒膜の個所だけが反応するかどうか確かめました。次の図は，鉄（Fe）膜と酸化亜鉛（ZnO）膜の場合の結果（電子顕微鏡写真）です。白く写っている個所が触媒膜が蒸着してある個所で，そこに炭素材料が堆積していることを示しています。触媒膜がないところ（黒く写っている個所：Si基板）には，炭素材料の堆積はありませんでした。
| Fe膜（Si基板） | ZnO膜（Si基板） | |
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触媒膜/Si基板に堆積した炭素材料を観察してみました（C2H4ガス流量：80 sccm）。その結果の一部を次に示します。
同図から，珊瑚状の炭素物質が合成されたことがわかります。
| NiO膜（Si基板） | Zn膜（Si基板） | ZnO膜（Si基板） |
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触媒膜/Cu基板に堆積した炭素材料を観察してみました。すると，下の電子顕微鏡写真のように，らせん構造を持つ炭素材料が形成されていました。このようなコイル状の物質は，触媒としてNi，Zn，およびZnO膜を用いたときに観察されました。なかでも，Niの場合がらせん状の物質を合成するのに効果的でした。
| カーボンサブマイクロコイル (Carbon Sub-microcoil) |
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| カーボンナノコイル (Carbon Nanocoil) |
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| カーボンナノツイスト （Carbon Nanotwist） |
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古くから，繊維状の炭素材料としてカーボンファイバ（真っ直ぐのもの）が知られていました。カーボンファイバがらせん状（コイル状）になったマイクロサイズの材料を，これまで，岐阜大学工学部教授
元島栖二 先生が合成されていました。今回，発見したものは，それよりも小さいため，『カーボンサブマイクロコイル』と呼ぶことにし，さらに小さいものを『カーボンナノコイル』と呼ぶことにしました。また，ナノコイルの一種ではありますが，「ねじれ」が極めて強く，コイルの穴がないようなものを『カーボンナノツイスト』と呼ぶことにしました。
我々がこれらの物質を発見したと同時期に，大阪府立大学工学部教授 中山喜萬
先生のグループでも合成しています。中山先生のグループでは，Fe-ITO（鉄-酸化インジウムすず）系の触媒を使っています。
・ナノスプリング
・ナノマシン（生体トレーサなど）
・電磁波吸収体（電磁波 -> 誘導電流 -> 熱）
・エネルギーコンバータ
・電子エミッタ
・ナノインダクタなどのナノ電子デバイス
・緻密フィルタ
・水素吸蔵体
・電池電極への混合物，その他フィラー
カーボンナノコイルやナノツイストの研究・応用等を検討されたい方，是非ご連絡ください。
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