[发明专利]单层碳纳米管以及取向单层碳纳米管块结构体以及它们的制造方法、装置以及用途

说明书

本申请是中国专利申请号200580029818.5(PCT/JP2005/014239)，申请日2005年7月27日，发明名称为“单层碳纳米管以及取向单层碳纳米管块结构体以及它们的制造方法、装置以及用途”的分案申请。

技术领域

本申请发明涉及碳纳米管(CNT)以及取向单层碳纳米管块结构体(aligned single-walled carbon nanotube bulk structure)以及它们的制造方法、装置以及应用，进一步详细的说，涉及以前没有的实现高纯度化、高比表面积化、大尺寸化、图形化的碳纳米管以及取向单层碳纳米管块结构体以及它们的制造方法、装置以及应用。

背景技术

对于期待着作为新的电子器件材料和光学元件材料、导电性材料、生物体关连材料等的功能性材料发展的碳纳米管(CNT)，正在投入精力地进行其收率、品质、用途、生产力、制造方法等的研究。

作为制造碳纳米管的方法之一，有化学气相成长(CVD)法(以下也称为CVD法)，该方法在适合于大量合成上受到关注。该CVD法特征是在约500℃～1000℃的高温下使成为碳源的碳化合物与催化剂的金属微粒接触，通过催化剂的种类和配置、碳化合物的种类和操作条件可以进行各种的变化，可以制造单层碳纳米管(SWCNT)和多层碳纳米管(MWCNT)的任一个。此外，有下述优点，通过把催化剂配置在基板上，使与基板面垂直取向的碳纳米管成长。

但是，以前在利用CVD法制造碳纳米管时，由于在生成的碳纳米管中混入催化剂或者副产物，所以为了从生成物获得高纯度的碳纳米 管，需要实施各种化学处理的精制处理。该精制处理是组合酸处理等的复杂且成本高的多个工艺的处理，需要相当熟练，且成为制得的制品成本上升的原因。此外，即便进行这样的精制处理，在其纯度局限在90～94重量％左右，得到98重量％以上的高纯度的单层碳纳米管是困难的(Nanoletters 2，385(2002))。另外，通过精制，碳纳米管的化学·物理特性变化的情况较多，在容易获得多数情况下一定品质的碳纳米管上存在困难。

此外，以前在利用CVD法使碳纳米管成长中，具有如下的问题，即，金属催化剂的活性寿命短，从数秒到数十秒活性就劣化，碳纳米管的成长速度也不是很大，这成为妨碍生产力的原因。

从这样的情况出发，提案了在混合了FeCl₃与羟基胺的水溶液中浸渍基板，通过催化剂调制，控制铁催化剂的活性和碳纳米管的成长的方法(Hee Cheul Choi，et al.，NANO LETTERS，Vol.3，No.2，157-161(2003))。

然而，即使这样的提案，实际情况是对于催化剂活性的寿命的延长和成长速度的增大，依然不是能满足实用上的方法。

另一方面，在碳纳米管中，单层碳纳米管由于有非常优异的电特性(非常大的最大电流密度)、以及热特性(与金刚石匹敌的热传导度)、光学特性(在光通信带波长下发光)、氢贮藏能、金属催化剂担载能力等，作为纳米电子器件和纳米光学元件、能量贮藏等的材料受到注目。在把单层碳纳米管作为这些纳米电子器件、纳米光学元件和能量贮藏等的材料有效利用的场合，期望形成作为取向的单层碳纳米管几根集合的集合体的形态的块结构体，该块结构体发挥电气·电子、光学等的功能性。此外，这些碳纳米管块结构体，例如期望取向为如垂直取向那样的特定的方向，以及期望长度(高度)为大尺寸。在此之前报告的作为多数垂直取向单层碳纳米管集合的块结构体，报告的是其高度达到4μm的块结构体(Chem.Phys.Lett.vol.385，p.298(2004))。

但是，在纳米电子器件、纳米光学元件和能量贮藏等上，为了使 用垂直取向单层碳纳米管，使其实用化，需要进一步的大尺寸化。

此外，垂直取向的多个的碳纳米管形成块结构体、图形化的物品是非常适用于如上所述那样的纳米电子器件、纳米光学元件和能量贮藏等中的物品。但有用多层碳纳米管达成图形化的物品(Science 283，412(1999))、而用单层碳纳米管达成图形化至今还没有报告。