カーボンナノチューブの成長素過程定式化による構造制御の戦略変革

通过制定碳纳米管生长基本过程来实现结构控制的战略性改变

基本信息

批准号：
22H01411
负责人：
大塚慶吾
金额：
$ 11.32万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、電子物性や幾何構造の観点から次世代の半導体材料として期待されるカーボンナノチューブの合成制御に関して新たな戦略を提示することを目指している。特にナノチューブを構成する炭素原子の経路に着目すると、前駆体分子の熱分解、触媒微粒子への吸着と解離、触媒からの脱離、そしてナノチューブとしての析出に分けられ、これまで個別に研究がなされてきた。それらの結果としてナノチューブの核生成、定常成長、成長停止などが起こるが、本研究では、こうした様々な過程を有機的に結びつける数理モデル群の構築を目指しており、それに基づき緻密な定量的な合成制御を行う。本年度は、特に炭素原子の吸着・脱離・析出という3つの過程に分けて簡便ながら適用範囲の広いモデルを作成し、カーボンナノチューブの幾何・電子構造に応じて成長速度差が生じる理由について実験的に説明することに成功し、これについて国内外の会議で発表を行った。このようなモデルに基づくことで、半導体応用に向けたナノチューブの構造制御において真に着目すべき反応過程が浮き彫りになってくる。まずは、そのような一つの反応過程に絞って定量的理解を目的とした実験に着手し、半導体型のナノチューブと不純物となる金属型のナノチューブの間で差異を実験的に見出した。これらの定常的な成長過程に加えて、ナノチューブの成長開始・停止といった非定常的な過程についても、二酸化炭素や水のような酸化剤となるガスの導入によって制御できることも見出した。これらに並行して、超高効率な成長過程観察を可能にするための合成および分光システムの構築に向け、その設計や部品の準備、またプログラムの作成を進めている。

在这项研究中，我们旨在提出一种控制碳纳米管合成的新策略，从电子性能和几何结构的角度来看，碳纳米管有望成为下一代半导体材料。特别是，着眼于构成纳米管的碳原子的路径，它们可以分为前体分子的热分解、对催化剂细颗粒的吸附和解离、从催化剂的解吸以及作为纳米管的沉淀，这些迄今为止还没有单独研究过。现在就在这里。这些过程的结果是，纳米管成核、稳定生长和生长停滞发生。在本研究中，我们的目标是构建一套将这些不同过程有机联系起来的数学模型，并在此基础上构建一套数学模型。将这些不同的过程有机地联系起来的模型。今年，我们将创建一个简单但适用范围广泛的模型，将碳原子分为吸附、解吸和沉淀三个过程，并进行实验来研究生长速率因碳纳米管的几何和电子结构而异的原因。我们成功地解释了这一点，并在国内和国际会议上做了演讲。基于这样的模型，在控制半导体应用的纳米管结构时真正需要注意的反应过程变得清晰。首先，他们开始了旨在定量理解此类反应过程的实验，并通过实验发现了半导体纳米管和作为杂质的金属纳米管之间的差异。除了这些稳定的生长过程之外，他们还发现不稳定的过程，例如纳米管生长的开始和停止，可以通过引入充当氧化剂的气体（例如二氧化碳或水）来控制。与此同时，我们正在致力于设计、零件准备和程序创建，以构建合成和光谱系统，从而实现生长过程的超高效观察。