酸化グラフェンから創製する機能性ダイヤモンドの開発

Research Project

Project/Area Number	21J15902
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	国内
Review Section	Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
Research Institution	Kumamoto University
Principal Investigator	福田将大熊本大学, 自然科学教育部, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000) Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords	酸化グラフェン / ダイヤモンド
Outline of Research at the Start	ダイヤモンドは窒素やホウ素、リンをドーピングすることにより、半導体特性、超伝導特性を示すことが知られている。これら物性の発現にはドーパントの制御が必要不可欠である。本研究では、ドープダイヤモンドの炭素材料として、酸化グラフェン（GO）に着目した。添加剤を加え還元した酸化グラフェン還元体（rGO）は、酸素官能基のほとんどが脱離し、添加剤由来の原子をドープすることが可能である。また、GOは高い化学反応性を有し、ホウ素やリンをはじめハロゲンなどもドープすることができる。したがって本研究では、GO及び様々な方法で還元しをドープしたrGOナノシートを原料とした機能性ダイヤモンドの開発を目指す。
Outline of Annual Research Achievements	純粋なダイヤモンドは電気絶縁体だが、ホウ素をわずかにドープしたダイヤモンドは青色となり、半導体になる。さらにホウ素をドープしたダイヤモンドは黒色となり、超伝導を示すことが報告されている。このようにダイヤモンド中の異種元素のドープ量を制御することで電気伝導特性や発色といった物性を制御することが可能である。本研究ではダイヤモンド合成の前駆体としてナノ炭素材料である酸化グラフェン（GO）の利用を試みた。GOが有する豊富な酸素官能基は高い反応性を示すことから、効率よく原子をドープすることが可能であり、これを原料とすることで様々な機能を有するダイヤモンドの合成を目指した。パルス的に高温高圧を発生させる衝撃圧縮実験は、ダイヤモンド合成のユニークなプロセスとして注目されている。本年度は、還元型酸化グラフェン(rGO)を用いた衝撃圧縮実験により、ダイヤモンドの合成条件を検討した。48.6GPaの瞬間圧力では、ヒートシンクとして使用した銅の近傍（30μm）にのみダイヤモンドへの転移が見られた。一方、より高い圧力である68.2GPaでは、銅の近傍だけでなく、ダイヤモンドへの遷移が起こることがわかった。グラファイト箔を用いた対照実験では、68.2GPaでもダイヤモンドへの遷移は観察されなかった。この違いは、rGOとグラファイト箔の結晶性の違いによるものと考えられる。GOを再積層したrGO膜は比較的結晶性が低く、衝撃圧縮によるダイヤモンド合成に有利である。rGOは、還元段階でさまざまな異種原子を選択的にドープすることで製造することができる。したがって、衝撃圧縮法による異種原子ドープダイヤモンドの合成において、rGOを原料として使用することは、他の炭素材料を原料として使用するよりも有用であるといえる。
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。