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

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20348
• 配分区分: 基金
• 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: 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) ; 井ノ上 泰輝 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00748949)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 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．単層CNTの性質は1本ごとの構造の違いに大きく影響を受けるという特徴を持つことから，様々な応用の実現に向けては各用途に適した構造の単層CNTを選択的に合成することが求められている．本研究では，単層CNTの原子スケールでの成長機構解明および構造制御合成の実現に向けて，複数の手法を用いて単一単層CNTの成長分析を行った．
同位体ラベリング手法を用いた単一単層CNTの成長時間変化の観察においては，金属触媒微粒子の処理条件に対する単層CNT成長特性の変化に着目し，機械学習によりその関係を分析した．ランダムフォレスト法により，触媒還元および水蒸気処理が単層CNTの成長開始時間の遅延および直径の増大に大きな影響を与えることが示された．
また，透過型電子顕微鏡（TEM）による単層CNTと触媒の直接観察においては，シリコン基板の微細加工により作製したTEMグリッドを用いた観察を行った．高温処理の前後における同一単層CNTの構造をTEMにより観察することに成功した．
さらに，分子動力学（MD）法による単層CNT成長のシミュレーションにおいては，金属触媒の種類の違いによる成長機構の差異を調べた．FeおよびCo触媒におけるポテンシャル分析から，単層CNTのジグザグ端の構造安定性が金属種により異なることが示された．これはカイラリティ決定機構の理解につながる知見である．炭素供給頻度の制御を行い，触媒中に溶解した炭素原子数が単層CNT成長中の欠陥生成に対して影響を与えることが分かった．

研究成果

• [雑誌論文] Zeolite-supported synthesis, solution dispersion, and optical characterizations of single-walled carbon nanotubes wrapped by boron nitride nanotubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Feng Ya、Li Henan、Hou Bo、Kataura Hiromichi、Inoue Taiki、Chiashi Shohei、Xiang Rong、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 129 ページ: 015101～015101
  • DOI: 10.1063/5.0035674
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Heat diffusion-related damping process in a highly precise coarse-grained model for nonlinear motion of SWCNT (2021)
  • 著者名/発表者名: Koh Heeyuen、Chiashi Shohei、Shiomi Junichiro、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 1～6
  • DOI: 10.1038/s41598-020-79200-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Strong dark current suppression in flexible organic photodetectors by carbon nanotube transparent electrodes (2021)
  • 著者名/発表者名: Jang Woongsik、Kim Byung Gi、Seo Seungju、Shawky Ahmed、Kim Min Soo、Kim Kyusun、Mikladal Bj?rn、Kauppinen Esko I.、Maruyama Shigeo、Jeon Il、Wang Dong Hwan
  • 雑誌名: Nano Today 巻: 37 ページ: 101081～101081
  • DOI: 10.1016/j.nantod.2021.101081
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Heteronanotubes: Challenges and Opportunities (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiang Rong、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Small Science 巻: 1 ページ: 2000039～2000039
  • DOI: 10.1002/smsc.202000039
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Foldable Perovskite Solar Cells Using Carbon Nanotube‐Embedded Ultrathin Polyimide Conductor (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoon Jungjin、Kim Unsoo、Yoo Yongseok、Byeon Junseop、Lee Seoung‐Ki、Nam Jeong‐Seok、Kim Kyusun、Zhang Qiang、Kauppinen Esko I.、Maruyama Shigeo、Lee Phillip、Jeon Il
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 8 ページ: 2004092～2004092
  • DOI: 10.1002/advs.202004092
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermal properties of single-walled carbon nanotube forests with various volume fractions (2021)
  • 著者名/発表者名: Cha JinHyeok、Hasegawa Kei、Lee Jeonyoon、Stein Itai Y.、Miura Asuka、Noda Suguru、Shiomi Junichiro、Chiashi Shohei、Wardle Brian L.、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 171 ページ: 121076～121076
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121076
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phenomenological model of thermal transport in carbon nanotube and hetero-nanotube films (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Pengyingkai、Feng Ya、Xiang Rong、Inoue Taiki、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 32 ページ: 205708～205708
  • DOI: 10.1088/1361-6528/abe151
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Non-catalytic heteroepitaxial growth of aligned, large-sized hexagonal boron nitride single-crystals on graphite (2020)
  • 著者名/発表者名: Arai Hayato、Inoue Taiki、Xiang Rong、Maruyama Shigeo、Chiashi Shohei
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 12 ページ: 10399～10406
  • DOI: 10.1039/D0NR00849D
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carbon nanotubes to outperform metal electrodes in perovskite solar cells via dopant engineering and hole-selectivity enhancement (2020)
  • 著者名/発表者名: Jeon Il、Shawky Ahmed、Seo Seungju、Qian Yang、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I.、Matsuo Yutaka、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 8 ページ: 11141～11147
  • DOI: 10.1039/d0ta03692g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polyaromatic Nanotweezers on Semiconducting Carbon Nanotubes for the Growth and Interfacing of Lead Halide Perovskite Crystal Grains in Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Lin Hao-Sheng、Okawa Shunhei、Ma Yue、Yotsumoto Satoshi、Lee Changsoo、Tan Shaun、Manzhos Sergei、Yoshizawa Michito、Chiashi Shohei、Lee Hyuck Mo、Tanaka Takeshi、Kataura Hiromichi、Jeon Il、Matsuo Yutaka、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 32 ページ: 5125～5133
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c01011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] MoS2-carbon nanotube heterostructure as efficient hole transporters and conductors in perovskite solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Qian Yang、Seo Seungju、Jeon Il、Lin Haosheng、Okawa Shuhei、Zheng Yongjia、Shawky Ahmed、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I.、Kong Jing、Xiang Rong、Matsuo Yutaka、Maruyama Shigeo
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 075009～075009
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab9efa
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast saturable absorption of large-diameter single-walled carbon nanotubes for passive mode locking in the mid-infrared (2020)
  • 著者名/発表者名: Okazaki Daiki、Morichika Ikki、Arai Hayato、Kauppinen Esko、Zhang Qiang、Anisimov Anton、Varjos Ilkka、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo、Ashihara Satoshi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 28 ページ: 19997～19997
  • DOI: 10.1364/OE.395962
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Carbon Nanotube Electrode‐Based Perovskite?Silicon Tandem Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Lee Changhyun、Lee Sang-Won、Bae Soohyun、Shawky Ahmed、Devaraj Vasanthan、Anisimov Anton、Kauppinen Esko I.、Oh Jin-Woo、Kang Yoonmook、Kim Donghwan、Jeon Il、Maruyama Shigeo、Lee Hae-Seok
  • 雑誌名: Solar RRL 巻: 4 ページ: 2000353～2000353
  • DOI: 10.1002/solr.202000353
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Annealing Influence on Hall Measurement of Single-Walled Carbon Nanotube Thin Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Date, Mika Nagatomo, Akari Kobayashi, Taiki Inoue, Takenori Fujii, Esko Kauppien, Shigeo Maruyama, Shohei Chiashi
  • 学会等名: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Growth mechanism and handedness relation of one-dimensional van der Waals heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Yongjia Zheng, Akihito Kumamoto, Rong Xiang, Kaoru Hisama, Keigo,Otsuka, Yuta Sato, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Daiming Tang, Qiang Zhang, Anton Anisimov, Esko Kauppinen, Kazu Suenaga, Yuichiro Ikuhara, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Analysis of acetylene-induced growth acceleration of single-walled carbon nanotubes by isotope labeling technique (2021)
  • 著者名/発表者名: Akari Kobayashi, Ryoya Ishimaru, Keigo Otsuka, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Investigation of water adsorption on vertically-aligned single-walled carbon nanotubes by Raman spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanori Bamba, Shu Sato, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama, Shohei Chiashi
  • 学会等名: 第60回記念フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [学会発表] Single-Walled Carbon Nanotubes and Hetero-Nanotubes for Perovskite Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 239th ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Growth and Characterization of Various van der Waals Hetero-Nanotubes Based on Single-Walled Carbon Nanotubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 239th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] One-dimensional van der Waals heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Rong Xiang, Yongjia Zheng, Ming Liu, Taiki Inoue, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 単層CNT電極を用いたペロブスカイト-シリコンタンデム太陽電池 (2020)
  • 著者名/発表者名: 秋野 広佑, 長屋 皓紀, Shawky Ahmed, 井ノ上泰輝, 千足 昇平, 丸山 茂夫
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単層CNT薄膜のホール効果計測における分子吸着の影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊達 寛紀, 長友 実花, 小林 明香里, 井ノ上 泰輝, 藤井 武則, 丸山 茂夫, 千足 昇平
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ラマン散乱分光による垂直配向単層カーボンナノチューブにおける水分子吸着効果の分析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 番場 雅典, 佐藤 周, 井ノ上 泰輝, 丸山 茂夫, 千足 昇平
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] h-BN上へのガス配向成長CNTのラマン分光測定 (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59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] Utilization of transparent SWCNT films in 4-terminal perovskite-silicon tandem solar cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Ahmed Shawky, Kosuke Akino, Takuya Matsui, Taiki Inoue, Esko Kauppinen, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第59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] One dimensional hetero-junction diode (2020)
  • 著者名/発表者名: Ya Feng, Henan Li, Taiki Inoue, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第59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 mechanism of one-dimensional heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Yongjia Zheng, Yang Qian, Ming Liu, Akihito Kumamoto, Yuichi Ikuhara, Esko I Kauppinen, Shohei Chiashi, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第59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] Quantitative study of sheet thermal conductance of Single-Walled carbon nanotube film (2020)
  • 著者名/発表者名: Pengyingkai Wang, Yongjia Zheng, Taiki Inoue, Rong Xiang, Shohei Chiashi, Makoto Watanabe, Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 第59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] Thermal and Energy Challenges with 1D-Heterostructures based on Single-Walled Carbon Nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Maruyama
  • 学会等名: X-Reports in Thermal Science and Engineering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Device Applications of One-Dimensional Van der Waals Hetero-Nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Maruyama
  • 学会等名: 2020 Virtual MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis of nano-materials by chemical vapor deposition technique (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Maruyama
  • 学会等名: ICFD2020
  • 国際学会 / 招待講演