カーボンナノチューブの成長素過程定式化による構造制御の戦略変革

本研究では、電子物性や幾何構造の観点から次世代の半導体材料として期待されるカーボンナノチューブの合成制御に関して新たな戦略を提示することを目指している。特にナノチューブを構成する炭素原子の経路に着目すると、前駆体分子の熱分解、触媒微粒子への吸着と解離、触媒からの脱離、そしてナノチューブとしての析出に分けられ、これまで個別に研究がなされてきた。それらの結果としてナノチューブの核生成、定常成長、成長停止などが起こるが、本研究では、こうした様々な過程を有機的に結びつける数理モデル群の構築を目指しており、それに基づき緻密な定量的な合成制御を行う。本年度は、特に炭素原子の吸着・脱離・析出という3つの過程に分けて簡便ながら適用範囲の広いモデルを作成し、カーボンナノチューブの幾何・電子構造に応じて成長速度差が生じる理由について実験的に説明することに成功し、これについて国内外の会議で発表を行った。このようなモデルに基づくことで、半導体応用に向けたナノチューブの構造制御において真に着目すべき反応過程が浮き彫りになってくる。まずは、そのような一つの反応過程に絞って定量的理解を目的とした実験に着手し、半導体型のナノチューブと不純物となる金属型のナノチューブの間で差異を実験的に見出した。これらの定常的な成長過程に加えて、ナノチューブの成長開始・停止といった非定常的な過程についても、二酸化炭素や水のような酸化剤となるガスの導入によって制御できることも見出した。これらに並行して、超高効率な成長過程観察を可能にするための合成および分光システムの構築に向け、その設計や部品の準備、またプログラムの作成を進めている。

本研究では、電子物性や幾何構造の観点から次世代の半導体材料として期待されるカーボンナノチューブの合成制御に関して新たな戦略を提示することを目指している。特にナノチューブを構成する炭素原子の経路に着目すると、前駆体分子の熱分解、触媒微粒子への吸着と解離、触媒からの脱離、そしてナノチューブとしての析出に分けられ、これまで個別に研究がなされてきた。それらの結果としてナノチューブの核生成、定常成長、成長停止などが起こるが、本研究では、こうした様々な過程を有機的に結びつける数理モデル群の構築を目指しており、それに基づき緻密な定量的な合成制御を行う。本年度は、特に炭素原子の吸着・脱離・析出という3つの過程に分けて簡便ながら適用範囲の広いモデルを作成し、カーボンナノチューブの幾何・電子構造に応じて成長速度差が生じる理由について実験的に説明することに成功し、これについて国内外の会議で発表を行った。このようなモデルに基づくことで、半導体応用に向けたナノチューブの構造制御において真に着目すべき反応過程が浮き彫りになってくる。まずは、そのような一つの反応過程に絞って定量的理解を目的とした実験に着手し、半導体型のナノチューブと不純物となる金属型のナノチューブの間で差異を実験的に見出した。これらの定常的な成長過程に加えて、ナノチューブの成長開始・停止といった非定常的な過程についても、二酸化炭素や水のような酸化剤となるガスの導入によって制御できることも見出した。これらに並行して、超高効率な成長過程観察を可能にするための合成および分光システムの構築に向け、その設計や部品の準備、またプログラムの作成を進めている。