完全制御カーボンナノチューブの物性と応用

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25220602
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 研究機関: 独立行政法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 片浦 弘道 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 首席研究員 (30194757)
• 研究分担者: 田中 丈士 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 研究グループ長 (30415707) ; 藤井 俊治郎 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 主任研究員 (80586347) ; 平野 篤 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 研究員 (90613547)
• 研究期間 (年度): 2013-05-31 – 2018-03-31
• キーワード: カーボンナノチューブ / 分離技術 / 半導体 / スペクトロスコピー

研究概要

単一の構造を持った単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を大量に分離するための高速クロマトグラフィー装置の設計・製作を行い、導入した。これまでに小規模レベルで実現している、多段のカラムを用いた手法や温度制御を行う手法を大型のカラムで大量に実現できるほか、新たな溶出法も検討できるように設計した。試運転として、新たな溶出法の検討を行ったところ、既存手法で必須であった試料の過剰投入を行うことなく、少量の試料から数種類の単一構造に近いSWCNTを得る事に成功した。また、極めて純度の高い半導体型SWCNTの溶出にも成功している。一方、SWCNTの単結晶を作製するには、分離で用いた分散剤を除去する必要がある。これまで、分散剤の残留については定量的な計測結果が報告されていない事から、嫌気下で試料を加熱して重量変化を調べる装置を導入し、試料に含まれる有機物の分解を検出する事に成功した。これを分析する事により、SWCNTに残留している分散剤の量や成分の同定が可能となった。この計測法をベースに、分散剤の残留を大幅に減らす手法の開発に成功した。また、高濃度でSWCNTを溶かす有機溶媒の検討も行い、有望な有機溶媒を見いだした。以上により、分離装置の整備と構造を分離精製されたSWCNTの単結晶育成に必要な基盤技術の整備がほぼ整った。これらの課題はポスドク２名とテクニカルスタッフ１名により、精力的に進められた。これらの成果の一部は、2014年3月に開催されたフラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウムをはじめとする国内外の学会で発表された。また、これまで既存の分離手法では不可能であったカイラル型の金属型SWCNTの構造分離にも着手し、わずかではあるものの、構造分離が行われている事を見いだした。本課題は、テクニカルスタッフ１名を採用し精力的に進めている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題の中心は、SWCNTの構造分離を大量に行い、その単結晶を作製して物性を明らかにする事にある。本年度は、大量分離装置の導入が済み、新たな分離法の開発に成功した。また、分散剤の除去や有機溶媒の検討など、単結晶育成のための基盤技術開発に成功したことから、順調に推移していると判断される。

今後の研究の推進方策

初年度に導入したクロマトグラフィー装置を用いて、新たな分離法による大量分離技術の確立を目指す。これにより、提案時の手法に比べ分離効率の飛躍的向上が見込まれる。次に、物性研究において基本となるSWCNTの単結晶作製を推進する。単結晶SWCNTにより、X 線構造解析をはじめとする、精密物性測定に取り組む。SWCNTの結晶性評価として、ラマン測定系を整備し、SWCNTバンドルの配向度の評価を重点化する。また、単一構造SWCNTの純度評価として、２本のSWCNTを高温で融合して合成される新たなSWCNTの構造を統計的に調べる事により、鏡像異性体分離純度の評価（世界初）を行う。また、SWCNTの構造分離に伴い、超高純度の半導体型SWCNTも得られる事から、高移動度、高on/off 比を持った塗布型トランジスタの検討を行う。また、SWCNTのエネルギーデバイスへの応用として、太陽電池への応用も試みる。

研究成果

• [雑誌論文] Real-Time Spectroscopy of Single-Walled Carbon Nanotubes for Negative Time Delays by Using a Few-Cycle Pulse Laser (2014)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Kobayashi, Zhaogang Nie, Bing Xue, Hiromichi Kataura, Youichi Sakakibara, and Yasumitsu Miyata
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 118 ページ: 3285 - 3294
  • DOI: 10.1021/jp409202z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast Generation of Fundamental and Multiple-order Phonon Excitations in Highly-Enriched (6,5) Single-Wall Carbon Nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: Yong-Sik Lim, Ahmad R. T. Nugraha, Sung-Jae Cho, Min-Young Noh, Eun-Jin Yoon, Huaping Liu, Ji-Hee Kim, Hagen Telg, Erik H. Haroz, Gary D. Sanders, Sung-Hoon Baik, Hiromichi Kataura, Stephen K. Doorn, Christopher J. Stanton, Riichiro Saito, Junichiro Kono, and Taiha Joo
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 14 ページ: 1426-1432
  • DOI: 10.1021/nl404536b
  • 査読あり
• [雑誌論文] pH- and Solute-Dependent Adsorption of Single-Wall Carbon Nanotubes onto Hydrogels: Mechanistic Insights into the Metal/Semiconductor Separation (2013)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Hirano, Takeshi Tanaka, Yasuko Urabe, and Hiromichi Kataura
  • 雑誌名: ACS NANO 巻: 7 ページ: 10285-10295
  • DOI: 10.1021/nn4046776
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exciton-phonon bound complex in single-walled carbon nanotubes revealed by high-field magneto-optical spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Weihang Zhou, Tatsuya Sasaki, Daisuke Nakamura, Hiroaki Saito, Huaping Liu, Hiromichi Kataura, and Shojiro Takeyama
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 103 ページ: 233101-1 - 4
  • DOI: 10.1063/1.4837415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-Assembled Micro-Honeycomb Network of Single-Walled Carbon Nanotubes for Solar Cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Kehang Cui, Takaaki Chiba, Shuichiro Omiya, Theerapol Thurakitseree, Pei Zhao, Shunjiro Fujii, Hiromichi Kataura, Erik Einarsson, Shohei Chiashi, and Shigeo Maruyama
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 4 ページ: 2571-2576
  • DOI: 10.1021/jz401242a
  • 査読あり
• [雑誌論文] In situ X-ray diffraction observation of two-step fullerene coalescence in carbon peapods (2013)
  • 著者名/発表者名: C. Bousige, S. Rols, E. Paineau, S. Rouziere, C. Mocuta, H. Kataura and P. Launois
  • 雑誌名: EPL 巻: 103 ページ: 66002-1-6
  • DOI: 10.1209/0295-5075/103/66002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Internal charge transfer in metallicity sorted ferrocene filled carbon nanotube hybrids (2013)
  • 著者名/発表者名: Markus Sauer, Hidetsugu Shiozawa, Paola Ayala, Georgina Ruiz-Soria, Xianjie Liu, Alexander Chernov, Stefan Krause, Kazuhiro Yanagi, Hiromichi Kataura, Thomas Pichler
  • 雑誌名: Carbon 巻: 59 ページ: 237-245
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2013.03.014
  • 査読あり
• [学会発表] (5,4)単層カーボンナノチューブの単離と光物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 魏 小均、平川 琢也、平野 篤、田中 丈士、片浦 弘道
  • 学会等名: 第69回日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス、神奈川県
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] High-field Magneto-optical Study on the Relative Ordering between Bright and Dark Excitons in Single-walled Carbon Nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: Weihang Zhou，Daisuke Nakamura，Huaping Liu，Hiromichi Kataura，and Shojiro Takeyama
  • 学会等名: 第69回日本物理学会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス、神奈川県
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] (5,4)型SWCNT の単一構造分離と光物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 魏小均、伊藤靖浩、平川琢也、平野篤、藤井俊治郎、田中丈士、宮内雄平、松田一成、片浦弘道
  • 学会等名: 第61 回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学、神奈川県
  • 年月日: 20140317-20140320
• [学会発表] Separation and Optical Properties of (5,4) SWCNTs (2014)
  • 著者名/発表者名: 魏 小均、片浦 弘道、伊藤 靖浩、平川 琢也、藤井 俊治郎、平野 篤、宮内 雄平、松田 一成、田中 丈士
  • 学会等名: IWEPNM 2014
  • 発表場所: Hotel Sonnalp, Kirchberg, Austria
  • 年月日: 20140308-20140315
• [学会発表] Chirality separation of metallic SWCNTs by gel column chromatography (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中丈士、卜部泰子、片浦弘道
  • 学会等名: IWEPNM 2014
  • 発表場所: Hotel Sonnalp, Kirchberg, Austria
  • 年月日: 20140308-20140315
• [学会発表] ゲルを用いた単層カーボンナノチューブの半金分離のメカニズム (2014)
  • 著者名/発表者名: 平野 篤、田中 丈士、片浦 弘道
  • 学会等名: 第46フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学、東京
  • 年月日: 20140303-20140305
• [学会発表] 小径SWCNTの単一カイラリティ分離と光物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 魏 小均, 伊藤 靖浩, 平川 琢也, 平野 篤, 藤井 俊治郎, 宮内 雄平, 松田 一成, 田中 丈士, 片浦 弘道
  • 学会等名: 第46フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学、東京
  • 年月日: 20140303-20140305
• [学会発表] 混合界面活性剤を用いたゲルカラムクロマトグラフィーにおける単層カーボンナノチューブの構造選択的脱着 (2014)
  • 著者名/発表者名: 蓬田 陽平, 都築 真由美, 平野 篤, 藤井 俊治郎, 田中 丈士, 片浦 弘道
  • 学会等名: 第46フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学、東京
  • 年月日: 20140303-20140305
• [学会発表] (5,4)SWCNTの分離と光物性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 魏 小均、伊藤 靖浩、平川 琢也、平野 篤、藤井 俊治郎、田中 丈士、宮内 雄平、松田 一成、片浦 弘道
  • 学会等名: 第２回ナノカーボン研究会
  • 発表場所: 玉子湯、福島県福島市
  • 年月日: 20140122-20140123
  • 招待講演
• [学会発表] ゲルを用いた金属型カーボンナノチューブの構造分離 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中 丈士、卜部 泰子、平川 琢也、片浦 弘道
  • 学会等名: 第２回ナノカーボン研究会
  • 発表場所: 玉子湯、福島県福島市
  • 年月日: 20140122-20140123
  • 招待講演
• [学会発表] Metal/semiconductor and structure separations of single-wall carbon nanotubes using hydrogel (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中 丈士、片浦 弘道
  • 学会等名: International Conference on Small Science
  • 発表場所: Red Rock Casino, Resort & Spa, ラスベガス、USA
  • 年月日: 20131215-20131218
  • 招待講演
• [学会発表] ULTIMATE STRUCTURE SORTING OF SINGLE-WALL CARBON NANOTUBES (2013)
  • 著者名/発表者名: 片浦 弘道、劉 華平、藤井 俊治郎、平野 篤、田中 丈士
  • 学会等名: A3 Symposium on Emerging Materials
  • 発表場所: Daemyung Resort , Jeju Island, Korea
  • 年月日: 20131110-20131114
  • 招待講演
• [学会発表] Survey of Exciton-Phonon Sidebands by Magneto-optical Spectroscopy Using Highly Purified (6,5) Single-walled Carbon Nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: W. Zhou、T. Sasaki、D. Nakamura、H. Saito、劉 華平、片浦 弘道、S. Takeyama
  • 学会等名: 東京大学物性研究所 短期研究会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20131030-20131030
• [学会発表] 長カラム用いた金属型カーボンナノチューブの構造分離 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中 丈士、卜部 泰子、片浦 弘道
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 京都大学、京都府
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] 単層カーボンナノチューブの完全構造分離 (2013)
  • 著者名/発表者名: 片浦弘道，劉華平，藤井俊治郎，田中丈士
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 京都大学、京都府
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] Single-Chirality Separation of Single-Wall Carbon Nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: 片浦 弘道、劉 華平、藤井 俊治郎、平野 篤、田中 丈士
  • 学会等名: China NANO 2013
  • 発表場所: Beijing International Convention Center, Beijing, China
  • 年月日: 20130905-20130907
  • 招待講演
• [学会発表] 単層カーボンナノチューブの分離と応用：金属・半導体分離から精密構造分離まで (2013)
  • 著者名/発表者名: 片浦 弘道
  • 学会等名: 日本化学会関東支部講演会
  • 発表場所: 日本化学会、東京都
  • 年月日: 20130821-20130821
  • 招待講演
• [学会発表] 単層カーボンナノチューブのゲルへの吸着における溶質とpHの影響 (2013)
  • 著者名/発表者名: 平野 篤、卜部 泰子、片浦 弘道、田中 丈士
  • 学会等名: 第45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
  • 発表場所: 大阪大学, 大阪府
  • 年月日: 20130805-20130807
• [学会発表] Efficiency improvement of PTB7:PC71BM organic solar cells by inserting LiF cathode buffer layer (2013)
  • 著者名/発表者名: Shunjiro Fujii, Tatsuki Yanagidate, Masaya Ohzeki, Yuichiro Yanagi, Yuki Arai, Takanori Okukawa, Akira Yoshida, Takeshi Tanaka, Yasushiro Nishioka, Hiromichi Kataura
  • 学会等名: 第45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
  • 発表場所: 大阪大学, 大阪府
  • 年月日: 20130805-20130807
• [学会発表] Separation of Single-Wall Carbon Nanotubes using Gel Column Chromatography (2013)
  • 著者名/発表者名: 片浦弘道
  • 学会等名: 第45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
  • 発表場所: 大阪大学, 大阪府
  • 年月日: 20130805-20130807
  • 招待講演
• [学会発表] UV, X-ray and e-beam irradiation effects of IR absorption bands in single-walled carbon nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: Masao Ichida, Yasumitsu Miyata, Chihiro Ito, Toshiya Murakami, Yuka Ikemoto, Akira Kawakami, Kazuhiro Yanagi, Hiromichi Kataura, Hiroaki Ando
  • 学会等名: 第45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
  • 発表場所: 大阪大学, 大阪府
  • 年月日: 20130805-20130807
• [備考] 研究代表者ホームページ
  • URL: https://staff.aist.go.jp/h-kataura/kataura.html