[論文レビュー] Large Area Growth of Aligned CNT Arrays on Spheres: Towards the Large Scale and Continuous Production

Rong Xiang, Guohua Luo+4 more|ArXiv.org|Jul 18, 2007

Advanced Materials and Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ミリメートルサイズの球状基板上に大規模かつ連続的に垂直配向したカーボンナノチューブ（CNT）アレイを成長させるための画期的な化学蒸着法（CVD）を提案する。球状基板の高い表面積と流体力学的特性を活用することで、従来の平面基板法に比べ生産性が向上したミリメートル級のCNTアレイが実現され、スケーラブルな産業的生産が可能になる。

ABSTRACT

A novel strategy for the large scale and continuous production of aligned carbon nanotube arrays using millimeter-diameter spheres as growth substrates is reported. The present technique is more productive than the conventional process on flat wafers because of the higher available growth surface and the good fluidity of the spherical substrates. It can be adapted for the industrial production and application of aligned carbon nanotube arrays with lengths up to millimeter.

研究の動機と目的

• 従来の平面基板の制限を超えて、スケーラブルかつ連続的な配向カーボンナノチューブ（CNT）アレイの製造法を開発すること。
• 平面基板の代わりに球状基板を用いることで、成長に利用可能な表面積を増加させること。
• CVD成長中の球状基板の流体力学的特性の向上により、プロセスの生産性を高めること。
• 連続プロセスを用いてミリメートル級の配向CNTアレイを産業スケールで生産可能にする。
• 非平面的かつ三次元的な基板上での大面積・高収率CNT成長の可能性を実証すること。

提案手法

• 平面シリコンウェハーよりもミリメートル径の球状基板を成長プラットフォームとして採用すること。
• 鉄をベースとする触媒を用いた化学蒸着法（CVD）により、CNTの核生成と成長を実現すること。
• 球状表面へのガス流れと触媒分布の向上を図るため、流動化床に類似した構成を採用すること。
• 温度、ガス流量、触媒負荷量などの成長パラメータを最適化し、均一なCNT配向を実現すること。
• 球状基板の連続供給システムを導入し、順次処理またはバッチ処理を可能にすること。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）、ラマン分光法、熱重力分析（TGA）を用いてCNTアレイの評価を行い、配向性、長さ、品質の確認を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状基板上に、従来の平面基板法を上回るスケールで、配向CNTアレイを連続的に成長させることは可能か？
• RQ2 球状基板を用いることで、CNT成長中の表面積の有効利用とガス流れの力学的特性がどのように向上するか？
• RQ3 本手法を用いることで、球状基板上に達成可能な配向CNTの最大長さはどの程度か？
• RQ4 本手法は、CNTアレイの産業スケール生産にどの程度適合可能か？
• RQ5 球状基板上でのCNTの形状および配向性は、平面基板上と比べてどのように異なるか？

主な発見

• 球状基板法により、ミリメートル級の配向カーボンナノチューブアレイが実現され、顕著な成長長の向上が確認された。
• 球状基板に起因する表面積の増加により、単位時間あたりの生産性が著しく向上した。
• 球状構成に起因する改善された流体力学的特性により、触媒の均一な分布と一貫したCNT成長が実現された。
• 本手法はスケーラブルであり、連続処理に適しており、産業応用の可能性が示された。
• SEMおよびラマン分光法による評価で、高品質で垂直配向したCNTアレイが確認され、構造的整合性と配向性が裏付けられた。
• 複数の球状基板にわたって一貫したCNT成長が維持されたため、再現性およびスケーラビリティが確認された。