[发明专利]金属性单层碳纳米管与半导体性单层碳纳米管的分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及从包含金属性单层碳纳米管和半导体性单层碳纳米管的单层碳纳米管(以下，CNT)有效地分离两者的方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)为将石墨烯片(由碳六元环形成的层)卷成圆筒状而成的、直径为几nm～几十nm的管状的物质，作为具有热稳定性/化学稳定性、力学强度、电子传导性、导热性、延伸至近红外区域为止的光谱特性的优异的纳米材料而备受关注。

另外，CNT中包括：前述石墨烯片为1层的单层CNT(以下，SWNT)、石墨烯片为2层的2层CNT(以下，DWNT)、石墨烯片为2层以上的多层CNT(以下，MWNT)，特别是SWNT由于其量子效应明显，因此受到关注。

已知的是，SWNT根据其手性(螺旋度)的不同可以分为扶手椅型、锯齿型、和手性型，产生直径等结构面的变化、并且其电特性(带隙、电子能级等)依赖于手性角而发生变化。已知的是，扶手椅型的碳纳米管具有金属的电特性，具有其他手性角的碳纳米管可以具有半导体的电特性。具有该半导体的电特性的单层碳纳米管(以下，“半导体性SWNT”)的带隙依赖于手性而发生变化。利用这样的物性，半导体性SWNT作为高性能晶体管、超短光脉冲发生、光开关等的材料受到期待。另一方面，具有金属的电特性的单层碳纳米管(以下，“金属性SWNT”)可以期待作为使用了稀有金属的透明导电材料的代替品而用于液晶显示器、太阳能电池面板用的透明电极。

并且，SWNT可以利用激光蒸发法、电弧放电法、和化学气相沉积法(CVD法)等各种方法合成。然而，现实情况下，使用任意合成方法也仅以金属性SWNT与半导体性SWNT的混合物的形态得到。

因此，分离半导体性SWNT与金属性SWNT的技术的开发正在进行。

然而，现有方法中存在需要多阶段的工序、SWNT的产率差之类的问题。这对实用(产业)化带来大的障碍。另外，现有方法中存在难以去除分离所使用的分散剂、分离出的SWNT的长度较短之类的问题。这在使用上述金属性SWNT的应用中导致电阻率的升高，在半导体性SWNT的应用中导致晶体管性能的降低。

作为上述现有方法，具体而言，例如有：将用表面活性剂分散的CNT在微小电极上进行介电泳的方法(非专利文献1)。另外，有如下方法：制备用水溶性的黄素衍生物分散的SWNT溶液，向其中加入表面活性剂，从而制作用黄素衍生物分散的特定手性的SWNT和用表面活性剂分散的特定手性的SWNT，通过盐析去除表面活性剂分散SWNT，从而进行分离的方法(非专利文献2)。

另外，有如下方法：使半导体性SWNT与金属性SWNT的混合物分散于液体中，使金属性SWNT与颗粒选择性地结合，去除与颗粒结合了的金属性SWNT，分离半导体性SWNT的方法(专利文献1)；通过调节用表面活性剂分散的SWNT溶液的pH、离子强度，根据SWNT的种类而发生不同程度的质子化，施加电场，从而分离金属型和半导体型的方法(专利文献9)；将用核酸分子分散的SWNT通过离子交换色谱法进行分离的方法(专利文献5)。

另外，有如下方法：将用表面活性剂分散的SWNT通过密度梯度超离心分离法分离为金属性SWNT和半导体性SWNT的方法(非专利文献3)。

进而，有如下方法：使用含SWNT凝胶通过物理分离手段分离为金属性SWNT和半导体性SWNT的方法，所述含SWNT凝胶在凝胶中包含用表面活性剂分散的SWNT(专利文献6～8、非专利文献4和5)。

这些方法分为用分散剂使SWNT分散的工序、和进行SWNT的分离的工序这2个阶段，需要多阶段的工序，因此难以工业化。另外，第1阶段的工序中，使用高功率的超声波的照射和超离心，所以存在SWNT的产率差、分离出的SWNT的长度较短之类的问题。

作为其他现有方法，例如有如下方法：利用过氧化氢选择地燃烧半导体性SWNT的方法(非专利文献6)。另外，有如下方法：将SWNT用含硝鎓离子溶液处理后，进行过滤和热处理，去除SWNT中含有的金属性SWNT，得到半导体性SWNT的方法(专利文献2)；使用硫酸和硝酸的方法(专利文献3)；施加电场使SWNT选择性地移动分离，得到缩窄了电导率范围的半导体性SWNT的方法(专利文献4)等。

对于这些方法，分散和分离在1个工序中完成，但存在以下的问题：仅可以得到半导体性SWNT与金属性SWNT中任意者、SWNT的回收率低、分离出的SWNT的长度较短、引入缺陷之类的问题。