単層カーボンナノチューブの原子スケール精密成長機構の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05329
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 丸山 茂夫 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90209700)
• 研究分担者: 井ノ上 泰輝 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00748949) ; 千足 昇平 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50434022) ; 項 栄 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20740096)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• キーワード: カーボンナノチューブ / CNT / 化学気相成長法 / CVD / 成長メカニズム / 同位体ラベリング / 分子動力学法 / 透過型電子顕微鏡

研究実績の概要

単層カーボンナノチューブ（単層CNT）の構造は直径・巻き方（カイラリティ）・長さなどにより規定されるが，様々な応用に向けては各用途に適した構造の単層CNTを合成することが求められている．単層CNTの成長機構解明および構造制御合成の実現に向けて，本年度の研究においては，複数の手法により単一単層CNTの成長分析を行った．
同位体ラベルを用いた単一単層CNTの成長分析において，成長停止時の水蒸気添加により成長速度の増加が生じることを見出した．本結果は長尺単層CNTの合成に向けて有用な知見である．また，単層CNT成長の触媒の前処理として，水蒸気中でのアニールを行うことで，成長する単層CNTの直径が小さくなると同時に，カイラリティが制限されることを示した．
また，合金触媒を用いた単層CNTのカイラリティ制御合成において，触媒と単層CNTの構造を透過型電子顕微鏡（TEM）により詳細に分析するため，架橋SiO2膜から成る支持基板を用いた実験を行った．コバルト・タングステン合金触媒において，炭素源ガスのエタノール導入時の触媒構造の変化を観察することに成功した．また，スパッタリング成膜によるコバルト触媒から，低温において小直径の垂直配向単層CNTを合成した．
さらに，分子動力学（MD）法により単層CNT成長のシミュレーションを行った．従来のMDシミュレーションではカイラリティの規定された単層CNTの成長は再現されていなかったが，新たな原子間ポテンシャルの採用と成長条件の探索により，無欠陥かつカイラリティ同定可能な単層CNT成長を再現することに成功した．単層CNT端部におけるキンク構造に炭素原子が結合し，単層CNTが成長する様子が観察された．

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

単一単層CNTの成長過程を分析可能な唯一の方法として同位体ラベル手法の有用性が示されたと同時に，炭素源ガス停止中の処理により単層CNT成長速度が上昇可能であるという予期せぬ知見を得た．また，透過型電子顕微鏡により単層CNT成長触媒を直接観察することに成功し，合金触媒の変化が示されるとともに，本観察手法を異なる系の単層CNT成長触媒の分析に利用可能なことが示された．さらに，分子動力学法においては無欠陥構造を有する単層CNTの成長に初めて成功し，カイラリティ制御に関するシミュレーションを今後実行する見通しが立った．

今後の研究の推進方策

同位体ラベルによる単一単層CNTの成長分析においては，触媒前処理条件に着目して実験を進める．得られる単層CNTの成長特性（成長速度，成長待機時間，成長寿命など）および構造（直径，カイラリティ）と前処理条件の関係を分析する．多数の単一単層CNTを分析し，各パラメータ数が多くなることから，機械学習によるデータ分析手法の導入を検討する．
分子動力学法によるシミュレーションにおいては，合金触媒を用いた場合の成長分析を遂行する．従来の単層CNT成長によく用いるコバルト原子および鉄原子に着目し，コバルト・鉄合金触媒を採用する．原子比率および合成条件を変化させ，得られる単層CNTの構造の分析を行う．

研究成果

• [国際共同研究] Aix-Marseille University/CNRS-ONERA(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Aix-Marseille University/CNRS-ONERA
• [国際共同研究] Peking University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Peking University
• [雑誌論文] One-dimensional van der Waals heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Xiang, T. Inoue, Y. Zheng, A. Kumamoto, Y. Qian, Y. Sato, M. Liu, D. Tang, D. Gokhale, J. Guo, K. Hisama, S. Yotsumoto, T. Ogamoto, H. Arai, Y. Kobayashi, H. Zhang, B. Hou, A. Anissimov, M. Maruyama, Y. Miyata, S. Okada, S. Chiashi, Y. Li, J. Kong, E. I. Kauppinen, Y. Ikuhara, K. Suenaga, S. Maruyama
  • 雑誌名: Science 巻: 367 ページ: 537-542
  • DOI: 10.1126/science.aaz2570
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Energetics and electronic structures of single walled carbon nanotubes encapsulated in boron nitride nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Hisama, S. Chiashi, S. Maruyama, S. Okada
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 015004
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab5c02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multifunctional Effect of p-Doping, Antireflection, and Encapsulation by Polymeric Acid for High Efficiency and Stable Carbon Nanotube-Based Silicon Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Qian, I. Jeon, Y.-L. Ho, C. Lee, S. Jeong, C. Delacou, S. Seo, A. Anisimov, E. I. Kaupinnen, Y. Matsuo, Y. Kang, H.-S. Lee, D. Kim, J.-J. Delaunay, S. Maruyama
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 10 ページ: 1902389-1902389
  • DOI: 10.1002/aenm.201902389
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Influence of γ-Irradiation on Nitrogen Configuration in Nitrogen-Doped Single-Walled Carbon Nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Thurakitseree, C. Kramberger, N. Chanlek, R. Supruangnet, A. Wisitsorraat, H. Nakajima, S. Maruyama
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 101 ページ: 107569
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2019.107569
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlled Redox of Lithium-Ion Endohedral Fullerene for Efficient and Stable Metal Electrode-Free Perovskite Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: I. Jeon, A. Shawky, H.-S. Lin, S. Seo, H. Okada, J.-W. Lee, A. Pal, S. Tan, A. Anisimov, E. Kauppinen, Y. Yang, S. Manzhos, S. Maruyama, Y. Matsuo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 ページ: 16553-16558
  • DOI: 10.1021/jacs.9b06418
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regrowth and catalytic etching of individual single-walled carbon nanotubes studied by isotope labeling and growth interruption (2019)
  • 著者名/発表者名: B. Koyano, T. Inoue, S. Yamamoto, K. Otsuka, R.Xiang, S. Chiashi, S. Maruyama
  • 雑誌名: Carbon 巻: 155 ページ: 635-642
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2019.09.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Performance Solution-Processed Double-Walled Carbon Nanotube Transparent Electrode for Perovskite Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: I. Jeon, J. Yoon, U Kim, C. Lee, R. Xiang, A. Shawky, J. Xi, J. Byeon, H. Mo Lee, M. Choi, S. Maruyama, Y. Matsuo
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 9 ページ: 1901204-1901204
  • DOI: 10.1002/aenm.201901204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced photo-sensitivity in a Si photodetector using a near-field assisted excitation (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Yatsui, S. Okada, T. Sato, T. Ogamoto, S. Chiashi, S. Maruyama, M. Noda, K. Iida, K. Nobusada
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 2 ページ: 62-1-62-8
  • DOI: 10.1038/s42005-019-0173-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Atomic-scale structural identification and evolution of Co-W-C ternary SWCNT catalytic nanoparticles: High-resolution STEM imaging on SiO2 (2019)
  • 著者名/発表者名: H. An, A. Kumamoto, R. Xiang, T. Inoue, K. Otsuka, S. Chiashi, C. Bichara, A. Loiseau, Y. Li, Y. Ikuhara, S. Maruyama
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 5 ページ: eaat9459
  • DOI: 10.1126/sciadv.aat9459
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular Dynamics of Chirality Definable Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Yoshikawa, K. Hisama, H. Ukai, Y. Takagi, T. Inoue, S. Chiashi, S. Maruyama
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 13 ページ: 6506-6512
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b09754
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of single-walled carbon nanotubes by alcohol chemical vapor deposition with water vapor addition: Narrowing the diameter and chiral angle distributions (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Takezaki, T. Inoue, R. Xiang, S. Chiashi, S. Maruyama
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 96 ページ: 160-166
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2019.05.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Semiconducting Carbon Nanotubes as Crystal Growth Templates and Grain Bridges in Perovskite Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Seo, I. Jeon, R. Xiang, C. Lee, H. Zhang, T. Tanaka, J.-W. Lee, D. Suh, T. Ogamoto, R. Nishikubo, A. Saeki, S. Chiashi, J. Shiomi, H. Kataura, H. M. Lee, Y. Yang, Y. Matsuo, S. Maruyama
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 7 ページ: 12987-12992
  • DOI: 10.1039/c9ta02629k
  • 査読あり
• [雑誌論文] In situ observation of dewetting-induced deformation of vertically aligned single-walled carbon nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoshimoto, K. Isomura, S. Sugiyama, H. An, T. Hori, T. Inoue, S. Chiashi, S. Takagi, S. Maruyama, I. Kinefuchi
  • 雑誌名: Diamond and Related Materials 巻: 95 ページ: 115-120
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2019.04.011
  • 査読あり
• [学会発表] 単層CNT成長における添加ガスの効果の同位体ラベル分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小矢野 文章, 山元 隼, 小林 明香里, 石丸 亮哉, 大塚 慶吾, 井ノ上 泰輝, 項 栄, 千足 昇平, 丸山 茂夫
  • 学会等名: 第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Synthesis of Boron Nitride Nanotubes and MoS2@BNNTs Heteronanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: Ming Liu, Yongjia Zheng, Yang Qian, Rong Xiang, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Esko I. Kauppinen, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] In-Plane Thermal Conductance of Thin Films Composed of Coaxially Combined Single-Walled Carbon Nanotubes and Boron Nitride Nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: Pengyingkai Wang, Yongjia Zheng, Taiki Inoue, Rong Xiang, Ahmed Shawky, Makoto Watanabe, Anton Anisimov, Esko I. Kauppinen, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] h-BN上へのガス流配向CNTの合成とラマン分光測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 周, 四元 聡, 番場 雅典, 井ノ上 泰輝, 丸山 茂夫, 千足 昇平
  • 学会等名: 第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Chemical vapor deposition of one-dimensional heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Yongjia Zheng, Yang Qian, Ming Liu, Akinito Kumamoto, Yuichi Ikuhara, Esko I. Kauppinen, Shohei Chiashi, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Rayleigh scattering measurement of suspended SWCNTs coaxially wrapped with BNNTs (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Yotsumoto, Hayato Arai, Yongjia Zheng, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shigeo Maruyama, Shohei Chiashi
  • 学会等名: 第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] 構造分離単層CNTを用いたペロブスカイト太陽電池の作製と評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大川 脩平, Il Jeon, Ahmed Shawky, Seungju Seo, 井ノ上 泰輝, 千足 昇平, 田中 丈士, 片浦 弘道, 松尾 豊, 丸山 茂夫
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 炭素/窒化ホウ素/二硫化モリブデンで構成されたヘテロナノチューブの合成と転写 (2020)
  • 著者名/発表者名: 村上 大巧, 松下 覚, 荒井 隼人, 鄭 永嘉, 銭 洋, 井ノ上 泰輝, 項 栄, 千足 昇平, 丸山 茂夫
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Synthesis of MoS2 nanotubes based on boron nitride nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: Ming Liu, Yongjia Zheng, Yang Qian, Rong Xiang, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Esko Kauppinen, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: IWEPNM2020, XXXIVth International Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials
  • 国際学会
• [学会発表] In Situ Identification of Dewetting-Induced Large-Scale Deformation of Vertically Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Yoshimoto, Koichi Isomura, Sou Sugiyama, Hua An, Takuma Hori, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Shu Takagi, Shigeo Maruyama, Ikuya Kinefuchi
  • 学会等名: DFD2019, 72nd Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Growth of Monolayer Hexagonal Boron Nitride Single-Crystals on Exfoliated Graphite (2019)
  • 著者名/発表者名: Hayato Arai, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] グラファイト上での単層六方晶窒化ホウ素単結晶の化学気相成長 (2019)
  • 著者名/発表者名: 荒井 隼人, 井ノ上 泰輝, 項 栄, 千足 昇平, 丸山 茂夫
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Growth of single-crystalline MoS2 on 1D and 2D boron nitride systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Taikou Murakami, Hayato Arai, Yongjia Zheng, Yang Qian, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第57回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Synthesis of vertically aligned CNTs and evaluation of yarn spinnability (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinji Igimi, Morihiro Okada, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama, Shohei Chiashi
  • 学会等名: 第57回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Growth, etching, and regrowth of individual single-walled carbon nanotubes: Isotope labeling study (2019)
  • 著者名/発表者名: Taiki Inoue, Bunsho Koyano, Shun Yamamoto, Keigo Otsuka, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第57回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Chemical vapor deposition of one-dimensional heterostructures (2019)
  • 著者名/発表者名: Yongjia Zheng, Rong Xiang, Taiki Inoue, Yang Qian, Ming Liu, Shohei Chiashi, Esko I. Kauppinen, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: ChinaNano 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced in-plane thermal conductance of single-walled carbon nanotube/boron nitride nanotube composite films (2019)
  • 著者名/発表者名: Pengyingkai Wang, Yongjia Zheng, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: ChinaNano 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Photoluminescence Spectra from Single-Walled Carbon Nanotubes on hexagonal Boron Nitride (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Yotsumoto, Tatsuro Ogamoto, Tatsuya Murai, Hayato Arai, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shigeo Maruyama, Shohei Chiashi
  • 学会等名: 20th International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials (NT19)
  • 国際学会
• [学会発表] Application of one-dimensional van der Waals heterostructures coaxially wrapped around single-walled carbon nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Maruyama, Rong Xiang, Taiki Inoue, Yongjia Zheng, Ming Liu, Yuta Sato, Akihito Kumamoto, Yan Li, Shohei Chiashi, Esko Kauppinen, Kazu Suenaga, Yuichi Ikuhara
  • 学会等名: 20th International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials (NT19)
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of Boron Nitride Wrapped Vertically-Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes and Boron Nitride Nanotubes Array (2019)
  • 著者名/発表者名: Ming Liu, Yongjia Zheng, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Rong Xiang, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 20th International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials (NT19)
  • 国際学会
• [学会発表] Growth process of individual single-walled carbon nanotubes analyzed by isotope labelling (2019)
  • 著者名/発表者名: Taiki Inoue, Bunsho Koyano, Shun Yamamoto, Shota Hiraoka, Keigo Otsuka, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 20th International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-dimensional Materials (NT19)
  • 国際学会
• [学会発表] ヘテロ多層ナノチューブの合成と転写 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村上 大巧, 荒井 隼人, 鄭 永嘉, 銭 洋, 井ノ上 泰輝, 項 栄, 千足 昇平, 丸山 茂夫
  • 学会等名: 第 56 回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] In-plane thermal conductivity of thin films composed of single-walled carbon nanotubes coaxially coated with boron nitride nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: Pengyingkai Wang, Yongjia Zheng, Taiki Inoue, Rong Xiang, Makoto Watanabe, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第 56 回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] High Performance Carbon Nanotube ?Laminated Perovskite Solar Cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Ahmed Shawky, Il Jeon, Rong Xiang, Taiki Inoue, Yutaka Matsuo, Sshigeo Maruyama
  • 学会等名: 235th ECS meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] One Dimensional Van Der Waals Heterostructures Wrapped Around Single-Walled Carbon Nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: Rong Xiang, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 235th ECS meeting
  • 国際学会
• [図書] Single-Walled Carbon Nanotubes: Preparation, Properties and Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Yan Li, Shigeo Maruyama
  • 総ページ数: 333
  • 出版者: Springer Nature
• [備考] 東京大学工学部機械工学科丸山・千足研究室
  • URL: http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/index-j.html