新規BCNナノクラスターの構造と物性解明

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 02J05067
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 成田 一人 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• キーワード: 電子顕微鏡 / ナノ構造 / 窒化ホウ素 / フラーレン / ナノチューブ / クラスター / アーク溶解 / ボライド

研究概要

BNフラーレンナノクラスター(Eg=〜5eV)は、Cフラーレンナノクラスター(Eg=0〜1.7eV)よりもバンドギャップが広く、耐熱性に優れたデバイス材料として期待されている。しかし、BNフラーレンナノクラスターでは多量合成法及び単離法が確立されておらず、研究を困難なものとしてきた。このような背景の中、我々はBNフラーレンを簡易合成する方法としてアーク溶解法を開発した。
実験では、B粉末に金属粉末を少量混ぜた圧粉体またはボライド化合物を用意し、N_2+Arガス雰囲気下でアーク溶解を行った。金属粉末の添加には、1)アーク放電を起こりやすくする、2)BNナノチューブ・ナノカプセル生成の触媒、3)金属内包BNナノカプセル・チューブの合成という目的がある。金属元素を変えることにより、BNナノチューブまたはBNナノカプセルの生成に適した金属触媒を見つけ出すことが重要となる。
本年度の研究では、BNナノチューブ合成に有用であると考えられる金属触媒をデータとして取りまとめた。その結果、Y、Zr、Nb、La、Hf、Ta、W等の希土類元素を原料に加えることによりBNナノチューブが容易に合成されることを見出した。その他の金属では、金属内包BNナノカプセルまたはBNケージのみの合成を確認した。特に、Ga元素を使用した際にはBNケージが多量に合成された。これら触媒金属による形成物の違いは、触媒金属と窒素との生成エンタルピーを用いて分類できることを本研究で明らかにし、アーク放電を使用したBNナノチューブの合成にはY、La元素が最も適しているという結果を得た。分子動力学法と第一原理計算を用いた計算結果からは、BNフラーレンクラスターがCフラーレンクラスターよりも水素貯蔵材料として適しているという結果を得ている。
来年度からは、BNフラーレンクラスターの多量合成に向けてCVD法も取り入れていく予定である。水素貯蔵材料としての機能性評価、光機能特性、熱伝導性等、実際に我々の身近な材料としてBNフラーレンナノクラスターを応用できるように研究を推進していく予定である。

研究成果

• [文献書誌] I.Narita, T.Oku: "Molecular dynamics calculation of H_2 gas storage in C_<60> and B_<36>N_<36> clusters"Diamond and Related Materials. 11. 945-948 (2002)
• [文献書誌] I.Narita, T.Oku: "Arc-melting synthesis of BN nanocapsules from B/A1, TiB_2 and VB_2"Diamond and Related Materials. 11. 949-952 (2002)
• [文献書誌] I.Narita, T.Oku: "Synthesis of boron nitride nanotubes by using YB_6 powder"Solid State Communications. 122. 465-468 (2002)
• [文献書誌] I.Narita, T.Oku: "Effects of catalytic metals for synthesis of BN fullerene nanomaterials"Diamond and Related Materials. 12(in press). (2003)
• [文献書誌] T.Oku, I.Narita, R.Hatakeyama, T.Hirata, Y.Sato, T.Mieno, N.Sato: "Atomic and electronic structures of Si-included C_<74> cluster studied by HREM and molecular orbital calculations"Diamond and Related Materials. 11. 935-939 (2002)
• [文献書誌] T.Oku, M.Kuno, I.Narita: "High-resolution electron microscopy and electronic structures of endohedral La@B_<36>N_<36> clusters"Diamond and Related Materials. 11. 940-944 (2002)
• [文献書誌] T.Oku, I.Narita: "Calculation of H_2 gas storage for boron nitride and carbon nanotubes studied from cluster calculation"Physica B. 323. 216-218 (2002)
• [文献書誌] 奥 健夫, 成田 一人: "カーボンの世界-玉ねぎができた-カーボンオニオンの電子顕微鏡像"現代化学. 384. 52-53 (2003)
• [文献書誌] 奥 健夫, 成田 一人, 平野 孝典, 久野 昌樹, 北原 秀彦, 菅沼 克昭, 平賀 賢二, 青柳 英二: "電子顕微鏡法の実践用解説とその応用写真集・日本金属学会編"日本金属学会. 195 (2002)