2012 Fiscal Year Annual Research Report
カーボンナノチューブ層間滑りにおけるエネルギー損失―リニア振動子の構築に向けて―
| Project/Area Number |
23241045
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
中山 喜萬 大阪大学, 産業科学研究所, 招へい教授 (20128771)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平原 佳織 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40422795)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2011-05-31 – 2014-03-31
|
| Keywords | ナノチューブ / ナノチューブの延伸 / 金属内包フラーレン / フラーレンの融合 / 電子エネルギー損失分光 / マニピュレータ |
|---|
| Research Abstract |
電場駆動型のリニア振動子を構築しその動作を確認することを目指して、下記３項目の成果を得た。
１．ダンベル状のカーボンナノチューブ（CNT）に内包したCNTカプセルの製作プロセス：CNTを中央部が細く両端が太い形、ダンベル状、に加工するプロセスとして太いCNTを通電加熱下で延伸する方法を採用し、再現良く行える技術を確立した。次いで、CNTカプセルを内包したダンベル状CNTを製作する方法として、１）ダンベル状CNTにフラーレンを内包し、電子線照射によりフラーレンを融合する方法と、２）フラーレンを内包したCNTを通電加熱延伸することにより、フラーレンの融合も同時に行う方法を検討し、それぞれの得失を得た。
２．外部交流電界により、リニア振動を誘起させるためのCNTカプセルへの電荷の付与：金属内包フラーレン（Y3N@C80、Sc3N@C80）をCNTに内包し、これらを融合して金属を内包したCNTカプセルの製作を試みた。その過程で予期しない新構造物質を得た。この構造・組成を分析し、その結果を基にしてプロセスを見直すことにより、金属内包カプセルを安定して製作できることを高分解能透過電子顕微鏡（TEM）により確認した。さらに、Sc3N@C80を用いた場合に、CNTカプセルに内包したScが(2+a)e+の電荷をもつことを電子エネルギー損失分光により明らかにした。これからCNTに内包した金属内包CNTカプセルが正に荷電していると推察した。また、金属内包カプセルを内包するダンベル状CNT構造への展開を行った。
３．高周波用TEMマニピュレータの開発：リニア振動子の駆動および動作検出を可能にするため、2.0 GHzまで扱える高周波仕様のTEMマニピュレータを開発した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成24年8月から、外層CNTに内包したCNTカプセルに正電荷を付与するために、CNTカプセルに金属（Sc）を内包させ、ScからCNTカプセルに、次いでCNTカプセルから外層CNTへと負電荷が移動し、CNTカプセルが正に荷電することを期待して実験を進めた。Sc内包CNTカプセルを外層CNT内部に内包した状態を製作するプロセスは、Sc内包フラーレン(Sc3N@C80)と単層CNTをガラス管を加工して製作したアンプル中に真空封入し、650℃で5時間加熱する方法を採用した。しかし、目的とする物とは全く異なった物質が創製された。プロセス改善のため、その再現性を確認した後、この物質の構造と組成分析を行った。その結果、Sと金属（Fe, Co, Ni）との合金のナノサイズロッドが筒状SiCに封入された新物質であることがわかった。意図していない元素のS, Fe, Co, Niがどこから入ってきたのかを特定した。Fe, Co, NiはCNT合成に使われた触媒金属由来であり、Sは基板に用いたグラファイトに含まれていた不純物であることが明らかになり、Sがこの構造を作る上で重要な働きをしていると結論付けた。この結論を得るのに時間を要したが、これを基にプロセスを見直して問題を解決することができた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
電場駆動型リニア振動子におけるエネルギー損失の機構解明とこれを基にしたデバイス設計指針の構築に向け、下記５項目について研究を行う。
１．外部交流電界印加によるCNT カプセルのリニア振動の電気的検出：太い部分が金属的性質をもち細い部分が半導体的性質をもつダンベル状CNT内に電荷をもつCNTカプセルを内包したリニア振動子（MIMリニア振動子）に交流電圧を印加する。交流電界によって駆動されたCNTカプセルのリニア振動を系のインピーダンス変化として検出できることを確認する。
２．共振周波数近傍におけるCNTカプセルのリニア振動とエネルギー損失の計測：高周波用TEMマニピュレータを用いて、CNTカプセルのリニア振動における共振周波数近傍の交流電圧をMIMリニア振動子に印加し、周波数に対する系のインピーダンス特性のデータを収集する。共振周波数からの振動応答の広がりから系のダンピング特性、つまりCNTの層間滑りにおけるエネルギー損失を求める。
３．外層と内層のカイラリティの組み合わせをパラメータとして、層間滑りにおけるエネルギー損失のデータを収集し、その機構を明らかにする。
４．CNTカプセルのリニア熱振動機構とリニア振動子デバイス提案：リニア振動子として優れたカイラリティの組み合わせ」のMIMリニア振動子を用いて、CNTカプセルの熱励起リニア振動状態を詳細に調べる。熱振動が規則的な成分をもつとすると、それと大きさが同じで反位相の振動を外部電界によって誘起するとその振動は静止し、カオス的な成分のみが残る。これをTEM画像と系のインピーダンス変化から解析する。
５．上記で得られた電界誘起および熱励起リニア振動の性質から実用可能なリニア振動モード、これを最適に動作させるためのデバイス構造を提案し、その設計指針を明らかにする。
|
