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[交流] 产综研提出分离金属性与半导体性碳纳米管的方法

产综研提出分离金属性与半导体性碳纳米管的方法
2006/02/21

　　【日经BP社报道】

图1：SWCNT因不同结构所产生的金属与半导体特性的变化。图中的（n,m）表示结构中的指数。如果将白球与红球重叠起来卷，就会形成金属性SWCNT，如果把白球与蓝球重叠起来卷就会形成半导体性SWCNT

图2：利用双氧水进行热处理的示意图

图3：对SWCNT的吸收光谱会因双氧水热处理时间的长短而产生什么变化进行了分析。结果发现，金属性SWCNT的比例随着处理时间的延长而不断提高

　　日本产业技术综合研究所日前提出了在单层碳纳米管（SWCNT）中有选择地分离金属性SWCNT和半导体性SWCNT的方法。

　　首先在双氧水中对金属性SWCNT和半导体性SWCNT混合而成的市售SWCNT（金属性SWCNT占1/3）进行热处理，利用半导体性SWCNT先于金属性SWCNT发生氧化和燃料的原理，成功地将金属性SWCNT的含量浓缩到了80％。金属性SWCNT有望作为透明电极材料取代ITO（铟锡氧化物）。另外，由于有望能够对SWCNT结构进行有选择地控制，因此将来通过有选择地提取半导体性SWCNT，极有希望实现透明薄膜晶体管。

　　SWCNT在结构上就像是把苯环相连而成的六元环片（石墨薄片）卷成了卷一样（图1）。根据不同的卷法，SWCNT就会变成金属或半导体。刚刚合成之后的SWCNT就是金属性与半导体性SWCNT的混合体，金属性SWCNT与半导体性SWCNT的比例为36:67。

　　产综研此次使用的SWCNT是美国碳纳米技术公司（Carbon Nanotechnologies）的市售产品，含有很多平均直径约1nm的纳米管。其制法为“HiPco（High Pressure Carbon Monoxide）工艺”，是利用铁触媒和高压一氧化碳在高温下合成而的，这种制法已经成为产品的商标。

　　分离工艺只是将HiPco-SWCNT放入双氧水中进行热处理（图2）。双氧水通过两个阶段的反应对SWCNT进行氧化。第一阶段的反应是由SWCNT从双氧水中获得氧的氧化反应，使SWCNT活性化。第二阶段就是由过氧化氢产生活性氧，对活化的SWCNT进行氧化和分解（燃烧），最后变成二氧化碳。

　　在产综研此次所做的实验中，在90℃环境下对HiPco-SWCNT进行47分钟的热处理之后，有99％分解掉了。对剩余的1％SWCNT进行分析的结果，金属性SWCNT的比例提高到了80%左右。这表明半导体性SWCNT的反应特性比金属性SWCNT高，利用二者不同的反应特性，可进行有选择的分离（图3）。过去普遍认为金属性SWCNT的反应特性比半导体性SWCNT高，但此次的结果却完全相反。对此，产综研分析认为“可能是因为在过氧化氢夺取电子后半导体性SWCNT的电子结构变化比金属性SWCNT变化大的缘故。”

首先是取代ITO，将来还有望用于TFT（薄膜晶体管）

　　这种金属性SWCNT的用途，目前设想的是ITO替代材料。ITO是FPD（平板显示器）等产品必不可少的透明电极材料，但铟是一种稀有金属，业界一直担心这种金属几年后有可能枯竭，为此正在研究各种替代材料。碳纳米管就是其中极具潜力的替代材料之一。

　　过去为透明电极所开发的SWCNT薄膜，其导电性之所以未能达到实用水平，其中一个重要原因就是金属性SWCNT只有1/3左右。可以想像的是，假如金属性SWCNT的比例能利用此次开发的方法得到提高的话，作为ITO替代材料将极具现实意义。今后，产综研将在提高目前只有1％的收获率的同时，还将把它作为透明电极进行应用研究，比如，如何将它制作薄膜等。

　　在实验中已经发现这种SWCNT的反应特性与结构有可能是可控制的，因此将来有望通过改变反应条件，有选择地提取半导体性SWCNT。作为半导体性SWCNT的用途而被寄予厚望的是TFT（薄膜晶体管）。SWCNT虽说具有更透明，更容易在塑料底板上进行涂布成膜等优点，但过去的SWCNT由于含有金属性SWCNT，因此无法实现晶体管功能。此前，IBM等公司曾利用导电性的不同，开发出了用电把金属性SWCNT全部烧掉的方法，但实际上却很难对通电条件等进行优化。产综研此次尝试有可能为业界带来一种可有效地提取半导体性SWCNT的方法。（记者：藤堂安人）

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