プラズマイオン照射による新機能性進化ナノチューブ創製法の開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13852016
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 畠山 力三 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00108474)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平田 孝道 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80260420) ; 金子 俊郎 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30312599) ; 大原 渡 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80312601) ; 川添 良幸 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (30091672) ; 田路 和幸 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10175474)
• Keywords: アルカリ-フラーレンプラズマ / 超分子構造ナノチューブ / バイアス制御によるイオン照射 / ナノスケール制御 / ナノチューブの構造変形 / C_<60>分子内包ナノチューブ

Research Abstract

今年度は、単層カーボンナノチューブ(SWNTs)中空領域にアルカリ金属原子又はフラーレン(C_<60>)分子を注入する実験を行い、原子・分子内包SWNTs形成の最適条件を把握するための詳細な評価・分析を、各種分析装置を用いて行った。前年度と同様に、現有設備であるアルカリ-フラーレンプラズマ発生装置中に設置されたSWNTs塗布基板に、正及び負の直流バイアス電圧を印加してイオン照射を行った結果、以下のことが判明した。
(1)アルカリ金属イオン照射によるSWNTsの構造変形
●SWNTsの構造変形度を定量化する目的で、ラマン分光分析を行った。その結果、基板バイアスが負に深くなる(照射イオンエネルギーが増加する)につれて、SWNTsにおける構造変形度が上昇する傾向が見られ、Li^+, Na^+, K^+, Cs^+の順に質量の大きい場合の方が効果的であることが明らかになった。
(2)Cs内包SWNTsの形成とその評価・分析
●SWNTs内部構造を詳細に調べるため、Csプラズマ中イオン照射を行った後のSWNTsに対して、元素の空間分布測定が可能な走査型-透過型電子顕微鏡(STEM)を用いた2種類の方法(Bright field及びZ-contrastモード)による観察を行った。その結果、SWNTsにCsが吸着もしくは内包された場合の違いが明瞭に確認された。
●電解効果透過型電子顕微鏡の直接観察と同時に、エネルギー分散型X線元素分析装置による組成元素の同定を行い、アルカリ金属内包SWNTs形成を初めて証明した。
(3)Cs内包SWNTsにおける電子状態の理論計算
●第一原理分子動力学シミュレーションによる計算の結果、Cs原子はSWNTsの内壁近くで安定に存在するという結果が得られたが、内部配列の違いについては更なる計算が必要である。さらに、Cs原子列とC_<60>分子列の接合を内包したSWNTsの電子状態計算を行う予定である。

Research Products

• [Publications] H.Ishida: "Experimental Study of Fullerene-Family Formation Using Radio-Frequency-Discharge Reactive Plasmas"Thin Solid Films. 407. 26-31 (2002)
• [Publications] G.-H.Jeong: "C_<60> Encapsulation Inside Single-Walled Carbon Nanotubes Using Alkali-Fullerene Plasma Method"Carbon. 40. 2247-2253 (2002)
• [Publications] N.Satake: "Production of Carbon Nanotubes by Controlling Radio-Frequency Glow Discharge with Reactive Gases"Physica B. 323. 290-292 (2002)
• [Publications] T.Oku: "Formation and Atomic Structure of Carbon Mini-Nanotube"Physica B. 323. 284-286 (2002)
• [Publications] G.-H.Jeong: "Formation and Structural observation of Cesium Encapsulated Single-Walled Carbon Nanotubes"Chemical Communications. 1. 152-153 (2003)
• [Publications] G.-H.Jeong: "Effects of Plasma Ion Irradiation on Carbon Nanotube Structure Using Different-Polarity Ion Plasmas"Proceedings of The 20th Symposium on Plasma Processing. 223-224 (2003)