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JP5808468B1 - カーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造及びその製造方法 - Google Patents

カーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】容易に製造できる触媒粒子の保持構造及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の触媒粒子の保持構造11の製造方法は、Si、Al、及びFeを含む触媒粒子形成層3を形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で触媒粒子形成層3を熱処理し、Feを含み、触媒粒子形成層3に一部が埋没して保持された触媒粒子2を形成する工程とを備えるので、熱処理時の雰囲気の酸素量を調整することで、形成されるFeを含む触媒粒子2の大きさや数を調整することができ、容易に触媒粒子の保持構造11を形成することができる。【選択図】図1

Description

本発明は、カーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造及びの製造方法に関する。
カーボンナノチューブ(以下、CNTという。)は、熱伝導性、電気伝導性、耐食性などが高く、新しい材料として注目されている。
このようなCNTは、例えば、CNT生成の触媒となる物質を含む層を基板上に形成し、当該層を熱処理して基板上に多数の触媒粒子を生成した後、触媒粒子にCNTの原料となるガスを供給して触媒粒子からCNTを成長させて製造される。この製造方法では、CNTを成長させるときに触媒粒子が動いてしまい、CNTを基板の表面に対して垂直に成長させにくい。そのため、基板上に触媒粒子を保持できる保持構造の開発がなされている。
特許文献1には、基板表面に形成されたバリア層上に、酸素を含むAl層、Siからなるバッファ層、Fe層をこの順番で積層し、当該多層構造を熱処理することで、触媒粒子であるFe微粒子がバッファ層に一部が埋没して保持された保持構造の製造方法が開示されている。
特開2012−91082号公報
しかしながら、特許文献1に開示される製造方法では、Fe微粒子の形状などを制御しようとすると、Al層に含まれる酸素の量、Al層、バッファ層、及びFe層の厚さ、熱処理の条件等の多数の項目を制御する必要があり、歩留りをよく製造することが難しかった。
そこで本発明は、容易に製造できるカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造は、Feを含む触媒粒子と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層とを備え、前記触媒粒子形成層は前記Alと前記Siとの合金によって形成され、前記触媒粒子が前記触媒粒子形成層に一部が埋没して保持されていることを特徴とする。
本発明のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造は、Feを含む触媒粒子と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層と、曲面を有するバリア層とを備え、前記触媒粒子形成層は前記バリア層の表面形状に沿って形成されており、前記触媒粒子が前記触媒粒子形成層に一部が埋没して保持されていることを特徴とする。
本発明のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造の製造方法は、AlとSiとの合金層を形成した後、前記合金層上にFeを含む層を形成して触媒粒子形成層を形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で前記触媒粒子形成層を熱処理し、前記Feを含み、前記触媒粒子形成層に一部が埋没して保持された触媒粒子を形成する工程とを備えることを特徴とする。
本発明のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造は、Feを含む触媒粒子と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層とを備え、触媒粒子形成層がAlとSiとの合金によって形成され、触媒粒子が触媒粒子形成層に一部が埋没して保持されているので、触媒粒子形成層をAl層とSi層とを積層して形成する場合と比較してAlとSiの比率を調整し易く、本発明の製造方法によって容易に製造されることができる。
本発明のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造は、Feを含む触媒粒子と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層と、曲面を有するバリア層とを備え、触媒粒子形成層はバリア層の表面形状に沿って形成されており、触媒粒子が触媒粒子形成層に一部が埋没して保持されており、塗布法によって形成されるので、曲面を有する基体上にも容易に製造できる。そして、保持構造は、円筒形状の基体上に、その表面形状に沿ってバリア層及び触媒粒子形成層を作製してCNTを形成することができ、より効率的にCNTを製造できる。
本発明のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造の製造方法は、AlとSiとの合金層を形成した後、前記合金層上にFeを含む層を形成して触媒粒子形成層を形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で触媒粒子形成層を熱処理し、Feを含み、触媒粒子形成層に一部が埋没して保持された触媒粒子を形成する工程とを備えるので、熱処理時の雰囲気の酸素量を調整することで、形成されるFeを含む触媒粒子の大きさや数を調整することができ、容易に触媒粒子の保持構造を形成することができる。
第1実施形態に係る触媒粒子保持体の断面を示す概略図である。 第1実施形態に係る触媒粒子保持体の製造工程を示す概略図である。 第2実施形態に係る触媒粒子保持体の断面を示す概略図である。 変形例に係る触媒粒子保持体の断面を示す概略図である。 本発明の触媒粒子の保持構造の断面を示す透過型電子顕微鏡写真である。 本発明の触媒粒子の保持構造の断面を示す透過型電子顕微鏡写真である。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
1.第1実施形態
(1)構成
図1に示すように、触媒粒子保持体1は、基体5と触媒粒子の保持構造11とを備えている。基体5は、例えば、Si(シリコン)でなり、表面が平坦に形成された板状の部材である。基体5は、Al(アルミニウム)などの金属、Al(アルミナ)、SiO(シリカ)、MgO(マグネシア)、TiO(チタニア)、ZrO(ジルコニア)などの金属酸化物で形成されていてもよい。基体5がAlやAlなど以下で説明するバリア層として使用できる材質で形成されているときは基体5がバリア層となる。この場合はバリア層4を形成する必要がない。
保持構造11は基体5上に形成されており、バリア層4と触媒粒子形成層3と触媒粒子2とを備えている。バリア層4は、基体5上に形成されている。バリア層4は、例えば、Al、MgO、TiO、ZrOなどの金属酸化物又はAl等の金属で形成されている。このようなバリア層4は、触媒粒子形成層3と基体5とが相互作用することを防ぐために形成されており、基体5と触媒粒子形成層3とが相互作用しない程度の厚さであればよい。
触媒粒子形成層3は、SiとAlとの合金で形成されており、Al及びSiを1:1〜1:9の比率で含んでいる。触媒粒子形成層3の表面には後述するFe層の一部が残存している。なお触媒粒子形成層3の表面のFe層は、後述する触媒粒子2を形成する過程で消滅して表面に残存していなくてもよい。また触媒粒子形成層3は、触媒粒子2を形成する過程で生成したFeとのシリサイドや酸化鉄、SiやAlの酸化物を含んでいてもよい。
触媒粒子形成層3は1〜3nmの厚さに形成されている。触媒粒子形成層3は、表面付近に酸素を最も多く含んでおり、厚さ方向に深い位置ほど酸素濃度が低い。
触媒粒子2は、最大径が5〜20nmの略球状をしており、所定の間隔を空けて触媒粒子形成層3の表面に配置されている。触媒粒子2の形状は球状に限らず、卵型や瓢箪型、多面体などであってもよい。また、触媒粒子2は、上記で示した形状の一部がかけた形状をしていてもよい。
触媒粒子2は、10〜1012個/cmの密度で配置されている。触媒粒子2の密度は触媒粒子形成層3の表面を観察した原子間力顕微鏡の形状像から触媒粒子2の数を計測して算出した。触媒粒子2は、触媒粒子形成層3に一部が埋没し、触媒粒子形成層3の表面から他の部分が露出している。すなわち、触媒粒子2は、触媒粒子形成層3に保持されて、その表面に固定されている。触媒粒子2は、触媒粒子形成層3の表面を移動しない程度にその表面に埋まっていればよい。また、触媒粒子2は、触媒粒子形成層の表面から一部が露出していればよい。
触媒粒子2は、Fe(鉄)を含んでいる。触媒粒子2は、Feで形成されていてもよく、Feと他の金属の合金で形成されていてもよく、不純物として他の元素を含んでいてもよい。
(2)製造方法
触媒粒子保持体1の製造方法を図2を参照して説明する。まず、スパッタや化学気相成長法(CVD:Chemical Vapor Deposition)、原子層堆積方法(ALD:Atomic Layer Deposition)によって、基体5上にバリア層4を形成する(図2A)。
次に、スパッタや電子ビーム物理蒸着によって、バリア層4上にAl及びSiの比率が1:1〜1:9となるように、1〜3nmの厚さの合金層6を形成する(図2B)。合金層6は、スパッタのターゲットや蒸着材料として、SiとAlとの合金を用いてもよく、Si及びAlの2つの金属を用いてもよい。
続いて、スパッタや電子ビーム蒸着によって、合金層6上に2nm程度の厚さのFe層7を形成して、触媒粒子形成層3を作製する(図2C)。
最後に、酸素を含む雰囲気中に触媒粒子形成層3を作製した基体5を置いて、所定時間、所定温度で触媒粒子形成層3を熱処理する(図2D)。熱処理は、雰囲気を真空にした後、酸素を注入した雰囲気下で行ってもよく、酸素とArなどの不活性ガスとを注入した雰囲気下で行ってもよい。
熱処理中に、酸素10がFe層7を介して合金層6へと拡散すると共に、Fe層7に含まれるFeが合金層6に入り込む。合金層6では、SiとFeとが共存できないため、合金層6に入り込んだFeが凝集してFe粒子となり、Fe粒子が合金層6の表面に露出する。表面に露出したFe粒子のうち、小径のFe粒子はシリサイド化により失活するか、大径のFe粒子と合一化するか、合金層6に再び埋もれてしまうかする。そのため、触媒粒子形成層の表面には、最大径が5〜20nmのFe粒子のみが露出するようになり、触媒粒子形成層3に保持された触媒粒子2が形成される。
以上の工程を経て、基体5上に図1に示す保持構造11が形成され、触媒粒子保持体1が得られる。
(3)作用及び効果
従来、触媒粒子形成層3をAl層とSi層とを積層して形成する場合はAl層とSi層の膜厚を調整することで触媒粒子形成層3のAlとSiの含有比率を調整していた。しかし、10nm以下のこれらの層の厚さを制御するのは困難であるため、AlとSiの含有比率を調整するのが難しく、歩留り良く保持構造を製造することが難しかった。
これに対して、本実施形態の触媒粒子の保持構造11は、Feを含む触媒粒子2と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層3とを備え、触媒粒子形成層3がAlとSiとの合金によって形成され、触媒粒子2が触媒粒子形成層3に一部が埋没して保持されているように構成した。
よって、保持構造11は、合金のAlとSiの含有比率を調整することで容易に触媒粒子形成層のAlとSiの比率を調整でき、歩留り良く製造できる。そのため保持構造11は、本発明の製造方法によって容易に製造できる。
また、保持構造11は、触媒粒子形成層3が、Al及びSiを1:1〜1:9の比率で含んでいるように構成することで、より歩留り良く製造できる。
さらに、保持構造11は、触媒粒子2が10〜1012個/cmの密度で配置されているように構成することで、一度により多くのCNTを形成でき、効率的にCNTを製造できる。
また本実施形態の触媒粒子の保持構造11の製造方法は、バリア層4上にAlとSiとの合金層6を形成した後、合金層6上にFe層7を形成して触媒粒子形成層3を形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で触媒粒子形成層3を熱処理し、Feを含み、触媒粒子形成層3に一部が埋没して保持された触媒粒子2を形成する工程とを備えるように構成した。
よって保持構造11の製造方法は、熱処理時の雰囲気の酸素濃度を調整することで、形成されるFeを含む触媒粒子の大きさや数を調整することができ、容易に触媒粒子の保持構造11を形成することができる。また保持構造11の製造方法は、熱処理時の雰囲気の酸素濃度を調整することで、高密度に触媒粒子2を保持した保持構造11を容易に形成することができる。
2.第2実施形態
(1)構成
第2実施形態の触媒粒子保持体は、第1実施形態の基体5に相当する構成が円筒形状をしている点以外、第1実施形態と同様の構成であるので、同様の構成は説明を省略する。
図3に示すように、触媒粒子保持体1Aは、表面に曲面を有する基体5Aを備えている。図3では基体5Aの半分が省略して描かれているため、基体5Aは断面形状が半円の部材として描かれているが、実際には円筒形状をしている。基体5Aは、断面形状が三角形や四角形、さらには多角形であってもよく、湾曲した板状の部材であってもよい。また、基体5Aは円柱状の部材であってもよい。
保持構造11Aは基体5A上にその外表面を覆うように形成されている。すなわち、バリア層4Aが基体5Aの表面形状に沿って形成され、触媒粒子形成層3Aが当該バリア層4Aの表面形状に沿って形成されている。そのため、本実施形態ではバリア層4A及び触媒粒子形成層3Aも円筒形状をしている。触媒粒子2は、円筒形状をした触媒粒子形成層3Aに保持されている。
(2)製造方法
第2実施形態の製造方法は、バリア層4A、触媒粒子形成層3Aの形成方法が異なるが、他の手順は第1実施形態と同様なので同じ手順は説明を省略する。
まず、アルミニウム水酸化物のコロイド溶液又はアルミニウム塩化物溶液を基体5Aの外表面に塗布して乾燥させ、基体5Aの表面形状に沿ったバリア層4Aを形成する。
続いて、触媒粒子形成層3Aを作製する。触媒粒子形成層3Aは、まず、アルミニウムケイ酸塩のコロイド溶液をバリア層4Aの表面上に塗布して乾燥させることで、SiとAlとの合金で形成され、バリア層4Aの表面形状に沿った合金層を形成する。その後、水酸化鉄コロイド溶液や塩化鉄溶液を合金層上に塗布して乾燥させ、合金層の表面形状に沿ったFe層を形成して触媒粒子形成層3Aを形成する。
その後、所定時間、所定の温度の真空雰囲気中で熱処理して触媒粒子形成層3Aに含まれる酸素を除去する。
この後の熱処理工程は、第1実施形態と同様なので説明を省略する。
(3)作用及び効果
本実施形態の触媒粒子の保持構造11Aの製造方法は、第1実施形態と同様に、バリア層4A上にAlとSiとの合金層を形成した後、合金層上にFe層を形成して触媒粒子形成層3Aを形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で触媒粒子形成層3Aを熱処理し、Feを含み、触媒粒子形成層3Aに一部が埋没して保持された触媒粒子2を形成する工程とを備えるので、第1実施形態と同様の効果を奏する。
保持構造11Aは、Feを含む触媒粒子2と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層3Aと、曲面を有するバリア層4Aを備え、触媒粒子形成層3Aはバリア層4Aの表面形状に沿って形成されており、触媒粒子2が触媒粒子形成層3Aに一部が埋没して保持されており、塗布法によって形成されるので、曲面を有する基体上にも容易に製造できる。そして、保持構造11Aは、円筒形状の基体5A上に、その表面形状に沿ってバリア層4A及び触媒粒子形成層3Aを作製してCNTを形成することができ、より効率的にCNTを製造できる。
3.変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することができる。
上記第1実施形態では、バリア層4上にAlとSiとの合金層6を形成した後、合金層6上にFe層7を形成して触媒粒子形成層3を形成したが、本発明はこれに限られない。バリア層4上にスパッタや電子ビーム蒸着などにより、2〜3nmのAl層、5〜7nmのSi層、2nm程度のFe層をこの順番で形成して、触媒粒子形成層を作製してもよく、バリア層4上に上記Al層を形成した後、Al層上にSiとFeとの合金層を1〜3nmの厚さに形成して触媒粒子形成層を作製してもよい。触媒粒子形成層を作製後、酸素を含む雰囲気中で触媒粒子形成層を熱処理して触媒粒子を形成することができれば、触媒粒子形成層の作製方法は特に限定されない。
この場合、図4に示すように触媒粒子保持体1Bは、基体5と、バリア層4と、Al層8及びSi層9からなる2層構造の触媒粒子形成層3Bを備える。そして、触媒粒子2はSi層9によって保持される。Si層9のAl層8との界面近傍には、Alが含まれている。
また上記第2実施形態では、バリア層4A上にAlとSiとの合金層を形成した後、合金層上にFe層を形成して触媒粒子形成層3Aを形成したが、本発明はこれに限られない。Alの水酸化物又は塩化物のコロイド溶液をバリア層に塗布して乾燥させ、Al層を形成し、その後、Siの水酸化物又は塩化物のコロイド溶液をAl層上に塗布して乾燥させ、Si層を形成し、触媒粒子形成層を作製してもよい。触媒粒子形成層を作製後、酸素を含む雰囲気中で触媒粒子形成層を熱処理して触媒粒子を形成することができれば、触媒粒子形成層の作製方法は特に限定されない。
さらに上記実施形態では、表面が平坦な基体5に加えて、表面に曲面を有する基体5A上に触媒粒子の保持構造11、11Aを形成した場合について説明したが、本発明はこれに限られず、基体5が球状であったり、粒子状であったり、表面に凹凸を有する部材であってもよい。
また、Feを所定の割合で含む合金で触媒粒子2を形成する場合は、Fe層7のかわりに、当該割合でFeを含む合金層を形成すればよい。
本発明の触媒粒子の保持構造を作製し、保持構造の断面写真を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)を用いて撮影し、保持構造を評価した。
図5には酸素を含む雰囲気下で熱処理して作製した保持構造のTEM写真を示す。バリア層4上に触媒粒子形成層3が形成されている。触媒粒子2は触媒粒子形成層3に形成されており、一部がその表面から露出している。
図6には酸素を含む雰囲気下で熱処理して作製した保持構造のTEM写真を示す。図5に示した保持構造と同様に、バリア層4上に触媒粒子形成層3が形成されている。そして、触媒粒子2は触媒粒子形成層3に形成されており、一部がその表面から露出している。
以上から、本発明の保持構造は、触媒粒子が触媒粒子形成層に一部が埋没して保持されていることが確認できた。また、酸素を含む雰囲気下で熱処理することで、本発明の保持構造を作製できることが確認できた。
1 触媒粒子保持体
2 触媒粒子
3 触媒粒子形成層
4、4A バリア層
5、5A 基体
6 合金層
7 Fe層
8 Al層
9 Si層
11、11A、11B 保持構造

Claims (8)

  1. Feを含む触媒粒子と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層とを備え、
    前記触媒粒子形成層は前記Alと前記Siとの合金によって形成され、
    前記触媒粒子が前記触媒粒子形成層に一部が埋没して保持されていることを特徴とするカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造。
  2. 前記触媒粒子形成層は、バリア層上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造。
  3. 前記触媒粒子形成層は、Al及びSiを1:1〜1:9の比率で含んでいることを特徴とする請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造。
  4. 前記触媒粒子は、10〜1012個/cmの密度で配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造。
  5. 板状の基体上に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造。
  6. Feを含む触媒粒子と、Al及びSiを含む触媒粒子形成層と、曲面を有するバリア層とを備え、
    前記触媒粒子形成層は前記バリア層の表面形状に沿って形成されており、
    前記触媒粒子が前記触媒粒子形成層に一部が埋没して保持されていることを特徴とするカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造。
  7. AlとSiとの合金層を形成した後、前記合金層上にFeを含む層を形成して触媒粒子形成層を形成する工程と、
    酸素を含む雰囲気中で前記触媒粒子形成層を熱処理し、前記Feを含み、前記触媒粒子形成層に一部が埋没して保持された触媒粒子を形成する工程と
    を備えるカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造の製造方法。
  8. 前記触媒粒子形成層を形成する工程は、バリア層上に前記AlとSiとの合金層を形成することを特徴とする請求項7に記載のカーボンナノチューブ製造用触媒粒子の保持構造の製造方法。
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