分子動力学法シミュレーションによる単層カーボンナノチューブの成長機構解析

単層カーボンナノチューブ(SWCNT)は，優れた電気的特性から電子デバイスへの応用が期待されている炭素の同素体である．SWCNTの電気的特性はカイラリティと呼ばれる構造によって異なり，したがって単一の構造を持つSWCNTの合成が望ましい．実験においては単一の構造を持つSWCNTを94%の純度で合成した報告があり，理論研究でも構造決定機構がいくつか提案されているが，シミュレーションによる両者の橋渡しが不足しており，構造決定機構の決着はついていない．本研究では構造決定可能な良質のSWCNTの成長再現に成功した分子動力学法と呼ばれるシミュレーション系を用いて，高純度な単一構造SWCNTの合成の報告がある合金触媒のほか，広くSWCNT合成に用いられる金属触媒を用いてSWCNTの合成を再現している．合金触媒を用いたシミュレーションを行うにあたって，2種の金属(鉄とコバルト)の相互作用を表す関数を作成し，2種の金属および炭素の3体間の相互作用に近似を用いてシミュレーションを行ったところ，金属触媒の割合を変化させるとSWCNT成長の様子が連続的に変化することが分かった．また，鉄とコバルトをある割合で混ぜた触媒は，鉄単体やコバルト単体の触媒と比較するとより広い温度帯で安定にSWCNTを成長させるという結果が得られた．コバルト単体の触媒について，触媒の大きさを変化させてSWCNTの合成シミュレーションを行ったところ，2種類のコバルト炭化物触媒からSWCNTの成長が確認できた．コバルト炭化物は大きな系では存在しないが，SWCNTの合成触媒として電子顕微鏡観察で確認されており，このシミュレーションと現実の系の比較に適している．また，コバルト炭化物触媒からのSWCNT成長機構についても議論があり，このシミュレーションにおいて新しく観察できた機構も議論に値するものである．

単層カーボンナノチューブ(SWCNT)は，優れた電気的特性から電子デバイスへの応用が期待されている炭素の同素体である．SWCNTの電気的特性はカイラリティと呼ばれる構造によって異なり，したがって単一の構造を持つSWCNTの合成が望ましい．実験においては単一の構造を持つSWCNTを94%の純度で合成した報告があり，理論研究でも構造決定機構がいくつか提案されているが，シミュレーションによる両者の橋渡しが不足しており，構造決定機構の決着はついていない．本研究では構造決定可能な良質のSWCNTの成長再現に成功した分子動力学法と呼ばれるシミュレーション系を用いて，高純度な単一構造SWCNTの合成の報告がある合金触媒のほか，広くSWCNT合成に用いられる金属触媒を用いてSWCNTの合成を再現している．合金触媒を用いたシミュレーションを行うにあたって，2種の金属(鉄とコバルト)の相互作用を表す関数を作成し，2種の金属および炭素の3体間の相互作用に近似を用いてシミュレーションを行ったところ，金属触媒の割合を変化させるとSWCNT成長の様子が連続的に変化することが分かった．また，鉄とコバルトをある割合で混ぜた触媒は，鉄単体やコバルト単体の触媒と比較するとより広い温度帯で安定にSWCNTを成長させるという結果が得られた．コバルト単体の触媒について，触媒の大きさを変化させてSWCNTの合成シミュレーションを行ったところ，2種類のコバルト炭化物触媒からSWCNTの成長が確認できた．コバルト炭化物は大きな系では存在しないが，SWCNTの合成触媒として電子顕微鏡観察で確認されており，このシミュレーションと現実の系の比較に適している．また，コバルト炭化物触媒からのSWCNT成長機構についても議論があり，このシミュレーションにおいて新しく観察できた機構も議論に値するものである．