[論文レビュー] Enrichment of Armchair Carbon Nanotubes via Density Gradient Ultracentrifugation: Raman Spectroscopy Evidence

Erik H. Hároz, William Rice+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2009

Carbon Nanotubes in Composites被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度勾配超遠心分離法（DGU）が金属的特性を示す単層カーボンナノチューブ（SWCNTs）のうち、アームチェア型およびニア・アームチェア型を高濃度に分離できることを示している。ラマン分光法により、各(2n + m)ファミリーにおいてアームチェア型が50%を超える割合を占めていることが確認された。この手法により、密度およびヘリシティ構造に基づいて金属的ナノチューブを特異的に分離可能であり、高度なナノ材料応用に向けた高純度アームチェア型SWCNTsの入手が可能となる。

ABSTRACT

We have used resonant Raman scattering spectroscopy to fully analyze the relative abundances of different (n,m) species in single-walled carbon nanotube samples that are metallically enriched by density gradient ultracentrifugation. Strikingly, the data clearly show that our density gradient ultracentrifugation process enriches the metallic fractions in armchair and near-armchair species. We observe that armchair carbon nanotubes constitute more than 50% of each (2n + m) family.

研究の動機と目的

• 密度勾配超遠心分離法（DGU）が金属的単層カーボンナノチューブ（SWCNTs）の分離にどの程度有効であるかを調査すること。
• DGUで分離されたサンプル内における、特にアームチェア型およびニア・アームチェア型を含むさまざまな(n,m)種の相対的豊度を特定すること。
• 共鳴ラマン分光法を用いて、SWCNT分画のヘリシティ組成を定量的分析する手法を検討すること。
• DGUが他の金属的または半導体的種に対して、アームチェア型ナノチューブを特異的に高濃度化するかどうかを検証すること。
• 分離された金属的SWCNT集団の構造的同定と純度に関する実験的証拠を提供すること。

提案手法

• SWCNTsの浮遊密度に応じて分離可能な密度勾配超遠心分離法（DGU）を用い、その密度がヘリシティ構造および電子的性質と相関することを基に分離を実施した。
• ラマン散乱分光法を用いて、特徴的な径方向振動モード（RBM）ピークおよびGバンドピークを分析することで、分離された分画内における個々の(n,m)種の同定と定量を実施した。
• (2n + m)ファミリー分類を用いて、類似した電子的性質を示すナノチューブをグループ化し、ヘリシティ分布の体系的分析を可能とした。
• ラマンスペクトルにおけるRBMピークの相対強度を用いて、分離された分画内における各(n,m)種の相対的豊度を推定した。
• 生産されたSWCNTsを原料としてサンプルを調製し、高分解能で金属的分画を分離するDGUを実施した。
• 特定のヘリシティ、特に金属的アームチェア型およびニア・アームチェア型ナノチューブに感度を高めるために、共鳴条件の下でラマンスペクトルを収集した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度勾配超遠心分離法は、他の(n,m)種に対してアームチェア型およびニア・アームチェア型単層カーボンナノチューブを高濃度化するか？
• RQ2 DGUで高濃度化された分画内における各(2n + m)ファミリー内でのアームチェア型ナノチューブの相対的豊度はどの程度か？
• RQ3 ラマン分光法測定により、DGU分離後に金属的SWCNTsの存在と純度がどの程度確認できるか？
• RQ4 DGU処理後、特に金属的分画においてSWCNTsのヘリシティ分布はどのように変化するか？
• RQ5 共鳴ラマン分光法は、DGU分離後に得られる複雑なSWCNT混合物の組成を信頼性高く定量できるか？

主な発見

• DGUプロセスにより金属的SWCNTsが顕著に高濃度化され、その中でアームチェア型およびニア・アームチェア型が金属的分画を支配していた。
• ラマン分光法により、高濃度化されたサンプル内においてアームチェア型カーボンナノチューブが各(2n + m)ファミリーで50%を超える割合を占めていることが確認された。
• 共鳴ラマン分光法により、(2n + m) = 3kを満たす(n,m)種が明確に優勢であることが判明し、これは金属的アームチェア型ナノチューブの特徴的性質である。
• 本手法により、特にアームチェア構造に対して高い選択性を示す金属的SWCNTsの分離と高濃度化に成功した。
• データから、DGUを用いることで、複雑な混合物から特定のヘリシティ、特に金属的アームチェア型を分離可能であることが示された。
• 本研究は、DGUがアームチェア型ナノチューブをランダムな分布をはるかに上回る割合で高濃度化することを直接的な実験的証拠で裏付け、密度による優先的分離が成立することを支持する。