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機能性ナノ炭素材料


 カーボンナノチューブ(CNT)やフラーレンに代表されるナノ炭素材料は、従来の炭素材料にはない優れた物性から多方面への応用が検討され、実用材料として使用できる価格で安定的に供給するための技術開発が活発に行われています。
 CNTは、アスペクト比が極めて大きく、柔軟で弾性に富み、軽く、金属材料よりも電気伝導性・熱伝導性に優れるなど、様々な分野での応用の可能性を持っており、幅広く産業を支える鍵物質として期待されています。すでに実用化が進んでいるフラーレンやダイヤモンドも、半導体や光デバイスへの応用開発が行われています。また、CNTを超えるキャリア移動を持つと言われるグラフェンも、その多様性が注目され始めています。
 本調査レポートは、ナノマテリアルとしてのCNT、フラーレン、グラフェン、ダイヤモンドについて、その研究開発状況や応用展開をまとめたものです。

CNTについての市場動向、特に単層を中心とした新しい合成・加工方法、および応用展開
 (光電子デバイス、センサ、電池材料)を詳述。
フラーレンについて製造・加工、半導体や太陽電池などへの適用事例、開発状況を紹介。
グラフェン、ナノグラフェンの特性や製造に関する研究開発動向、応用事例を紹介。
ダイヤモンドナノ粒子、ダイヤモンド薄膜の応用展開を記述。
注目の国内公開特許(単層CNTの製造方法、内包物のあるナノ炭素材料など)を紹介。


    □体裁 A4判365ページ
    □価格 本体68,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2010年2月

章 目 次

第1章 炭素材料の構造と特性
第2章 ナノマテリアルとしてのナノ炭素材料
第3章 ダイヤモンド材料
第4章 カーボンナノチューブ(CNT)
第5章 フラーレン
第6章 グラフェンの応用展開
第7章 国内公開特許


詳 細 目 次


第1章 炭素材料の構造と特性


1
 1.1 炭素材料の多様性 1
  1.1.1 炭素−炭素結合に基づく構造の多様性(カーボンファミリー) 1
  1.1.2 炭素材料におけるナノ組織 5
  1.1.3 炭素材料の生成 5
  1.1.4 炭素材料の次元性と応用 6
 1.2 ナノ構造炭素材料の市場動向 12
  1.2.1 特徴・用途 12
   (1) フラーレン 12
   (2) カーボンナノチューブ 12
  1.2.2 市場動向 13
  1.2.3 ナノテクノロジープログラム 13
  1.2.4 企業生産動向 14

第2章 ナノマテリアルとしてのナノ炭素材料
17
 2.1 カーボンナノチューブ(CNT) 17
  2.1.1 CNTの特性 17
  2.1.2 CNTの量産技術 24
  2.1.3 CNTの応用の可能性 25
  2.1.4 研究開発の動向 27
   (1) 超高圧下でのナノチューブの研究(物質・材料研究機構) 27
   (2) CNT人工原子(理化学研究所) 29
   (3) CNTの熱輸送(東京理科大学) 30
   (4) CNTの発光現象(京都大学、産業技術総合研究所) 34
   (5) CNTの非線形光学効果と光スイッチング現象(東京大学) 38
   (6) CNTの低エネルギー照射損傷とその応用(NTT物性科学基礎研究所) 40
   (7) 水内包CNTの交換転移(首都大学東京) 43
   (8) CNT混合による相構造の変化と電気伝導性への影響(金沢工業大学、名古屋大学) 45
 2.2 フラーレン 47
  2.2.1 フラーレンの特性 47
  2.2.2 フラーレンの具体的な用途展開と応用開発 49
  2.2.3 フラーレン合成・製造 51
  2.2.4 フラーレンのトライボロジー特性 53
  2.2.5 フラーレンポリマーの構造と電子物性(東京工業大学) 55
 2.3 ナノグラフェン 59
  2.3.1 グラフェン 59
  2.3.2 ナノグラフェン終端形状 63
  2.3.3 STM/STSによるグラフェン端の電子状態の観測(東京工業大学) 70
  2.3.4 グラファン(graphane)(英マンチェスター大) 72
  2.3.5 加熱によるグラファイトのナノリボンのエッジ制御(米ケンブリッジ大) 72
 2.4 カーボンナノホーン(日本電気) 73
  2.4.1 グラフェンシートを基本骨格とする立体構造 73
  2.4.2 GYJ構造形成のシミュレーション 74
  2.4.3 GYJ構造の物性 74
  2.4.4 GYJ構造を応用した様々な構造 75
 2.5 カーボンマイクロコイル(CMC)(岐阜大学) 76
  2.5.1 物性・特性 76
  2.5.2 応用 78
 2.6 炭素材料の評価の研究例 81
  2.6.1 ラマン分光法 81
  2.6.2 プラズマの分光計測 86
  2.6.3 G ballのX線回折(名城大学) 88

第3章 ダイヤモンド材料
94
 3.1 ダイヤモンドの特性 94
  3.1.1 共有結合とキャリアドーピング 94
  3.1.2 バンドギャップとワイドバンドギャップ半導体 95
  3.1.3 ダイヤモンドの発光 95
  3.1.4 超伝導性 96
  3.1.5 ダイヤモンドの熱伝導率 97
  3.1.6 ダイヤモンドの窒素−空孔複合体(N-V中心) 97
 3.2 各種ダイヤモンド材料 99
  3.2.1 水素終端ダイヤモンド 99
  3.2.2 単結晶ダイヤモンド 100
  3.2.3 六方晶ダイヤモンド 101
  3.2.4 ナノダイヤモンド(ナノ炭素研究所) 102
 3.3 高硬度ナノ多結晶ダイヤモンド(住友電気工業) 106
  3.3.1 高硬度ナノ多結晶ダイヤモンド 106
  3.3.2 各種炭素材料からのナノ多結晶ダイヤモンドの合成 106
  3.3.3 ナノ多結晶の特性 108
 3.4 ダイヤモンドによる薄膜形成・表面加工 112
  3.4.1 光化学反応を利用したダイヤモンド系材料のフッ素官能基化学修飾
      (産業技術総合研究所)
112
  3.4.2 高純度鉄基板を用いたCVDダイヤモンド合成における基板結晶構造の影響
      (東京電機大学)
115
  3.4.3 大気開放プラズマプロセスによるダイヤモンド膜の作製(愛媛大学) 119
 3.5 ダイヤモンド薄膜の物性評価 122
  3.5.1 ダイヤモンド表面の全光電子放出率分光法(TPYS)(産業技術総合研究所) 122
  3.5.2 水素終端ダイヤモンドFETのゲート金属界面(NTT物性科学基礎研究所) 124
  3.5.3 電子光学装置用ダイヤモンド電子源の作製とエネルギー分散評価(住友電気工業) 127
  3.5.4 リンドープCVDダイヤモンドの表面電子エネルギー状態と電子放出(東北大学) 129
  3.5.5 ホウ素ドープによるダイヤモンドとカーボンナノチューブの物性変化(物質・材料研究機構) 130
 3.6 ダイヤモンド薄膜デバイスの実用化 132
  3.6.1 ダイヤモンドpn接合ダイオードの紫外線発光(物質・材料研究機構) 132
  3.6.2 ダイヤモンド半導体で高効率の紫外線発光(産業技術総合研究所、科学技術振興機構) 133
  3.6.3 ダイヤモンド薄膜を用いた紫外線センサ(神戸製鋼所) 134
  3.6.4 ダイヤモンド製保存型DNAチップ 136
  3.6.5 ダイヤモンド電極を用いた電気化学センサー 137

第4章 カーボンナノチューブ(CNT)
141
 4.1 CNTの設計と合成 141
  4.1.1 CNTの生成 141
  4.1.2 CNTの量産技術 141
  4.1.3 カーボンナノチューブの構造制御 155
  4.1.4 CNTの成長過程における観察 166
  4.1.5 その他の合成法・加工法 176
   (1) 炭素透過法(住友電気工業) 176
   (2) 自己組織化によるグラファイトナノチューブ(科学技術振興機構) 178
   (3) CNTの可溶化(九州大学) 181
   (4) 多結晶コバルトのスクラッチを利用したアルコールCVD法(日本工業大学) 185
   (5) SiC表面分解法(名古屋大学) 187
   (6) RFプラズマCVDによるカーボンナノウォールの配向成長(名古屋大学、名城大学) 188
   (7) ゼオライトを用いたメタンからのSWCNTのCVD合成(九州工業大学) 190
  4.1.6 新しい複合材料の合成と評価 191
   (1) CNT/エポキシ樹脂複合材料 191
   (2) 放電プラズマ焼結によって作製したCNT/アルミニウム複合材料(東北大学) 197
   (3) コロイドプロセスを用いて作製したCNT/銅複合材料
      (東北大学、日産自動車、ナノカーボンテクノロジーズ)
199
   (4) 溶融樹脂中へのCNTの直接分散(タキロン) 201
   (5) CNTコンポジット繊維(Nanotube Composite Fibers) 203
   (6) CNTを使用した二次加工性に優れた透明制電樹脂プレート「タキロンCNT制電シリーズ」
      (タキロン)
204
 4.2 CNTの応用展開 206
  4.2.1 トランジスタ 206
   (1) 薄型CNTフレキシブルトランジスタの開発(東北大学) 206
   (2) CNT単電子トランジスタの高温動作(理化学研究所) 207
   (3) 半導体特性のナノチューブだけを作製(Duke 大学(米)) 210
   (4) CNTトランジスタにおける電極界面の特性(名古屋大学) 211
  4.2.2 光電子デバイス 213
   (1) CNT/ポリイミドナノ分散材料による光導波路デバイス(産業技術総合研究所) 213
   (2) ナノチューブ電界効果型トランジスタ(FET)(名古屋大学) 214
   (3) 超分子型光電変換デバイスの開発(北陸先端科学技術大学院大学) 219
   (4) CNTを用いた受動モード同期10GHz Er:Yb共添加リン酸ガラスファイバレーザ(東京大学) 223
   (5) SWCNTで作製した偏光子(大阪大学) 225
  4.2.3 電界発光 226
   (1) MWCNTの電界電子放出における素過程とデバイス応用(三重大学) 226
   (2) CNTの特性と電子放出材料への応用(ノリタケ伊勢電子) 227
   (3) CNT/導電ポリマー複合膜の電子放出特性(信州大学) 229
   (4) BCN薄膜をコーティングしたCNTのフィールドエミッション特性(大阪大学) 231
   (5) CNTの電界発光(東京大学) 231
  4.2.4 センサ・電極材料 234
   (1) CNTを用いた超高感度ガスセンサ(大阪大学) 234
   (2) CNTを用いた抵抗型ガスセンサ(大阪大学) 236
   (3) CNTを用いたナノ・バイオセンサ(大阪大学) 236
   (4) ナノカーボン薄膜電極による生体分子の検出(産業技術総合研究所) 237
   (5) 絶縁体中に分散させたCNTにより作製した電子放出源(信州大学) 239
  4.2.5 電池材料 241
   (1) リチウムイオン電池負極材料としてのナノカーボン(京都大学) 241
   (2) CNT担持燃料電池電極触媒(筑波大学) 243
   (3) スーパーグロースカーボンナノチューブ(SG-SWCNT)キャパシタの開発(日本ケミコン) 245
   (4) MWCNT配向を維持した電極による薄型ハイパワーキャパシタ(関西大学) 247
   (5) CNTを担体とした燃料電池電極触媒の表面科学(筑波大学) 249
  4.2.6 水素・エネルギー貯蔵 251
  4.2.7 その他 258
   (1) CNTを用いた量子ナノデバイス(理化学研究所) 258
   (2) CNTを用いたVLSI配線(富士通) 260
   (3) CNTの走査型プローブ顕微鏡探針への応用(大阪府立大学) 264
   (4) CNTの超短パルスファイバレーザへの応用(東北大学) 267

第5章 フラーレン
272
 5.1 フラーレンの製造方法・加工法 272
  5.1.1 新しい合成・製造法の検討 272
   (1) 白金表面上でのフラーレンの合成(スペイン科学研究高等評議会) 272
   (2) 燃焼方法や燃焼条件が及ぼすフラーレンの生成への影響の検討(大阪大学) 273
  5.1.2 高次フラーレンと金属内包フラーレンの合成 275
   (1) HPLCによる高次フラーレンの分離精製(ナカライテスク) 275
   (2) 分子手術法による新規内包フラーレン類合成(京都大学) 277
   (3) 水素分子を内包したフラーレンの合成(京都大学) 277
   (4) 開口部の大きさの制御(京都大学) 278
   (5) ピーポッドの合成法(名城大学、名古屋大学) 278
   (6) 内包フラーレンの合成と応用(イデアルスター) 279
  5.1.3 繊維状のフラーレンの合成 283
   (1) フラーレンナノウィスカーの合成 283
   (2) FCC構造を有する繊維状フラーレン重合体(九州大学) 284
   (3) 針状フラーレン凝集体合成プロセスの開発(東京理科大学) 286
  5.1.4 官能基化フラーレン 289
   (1) 官能基化フラーレンの研究の最近の進展(科学技術振興機構) 289
   (2) スルホン酸基を直接結合した化学修飾フラーレン(サイエンスラボラトリーズ) 292
 5.2 フラーレンのナノ粒子化(海洋研究開発機構・極限環境生物圏研究センター) 293
 5.3 フラーレン類の水分散化 297
  5.3.1 フラーレンの生体影響評価(産業技術総合研究所) 297
  5.3.2 ビーズミルを用いたフラーレンの水中分散(化学物質評価研究機構) 298
 5.4 フラーレンの有機薄膜太陽電池への適用 299
  5.4.1 フラーレンによる有機薄膜太陽電池の現状 299
  5.4.2 バルクヘテロ接合型の太陽電池 300
  5.4.3 有機薄膜太陽電池向けフラーレン誘導体(フロンティアカーボン) 301
  5.4.4 太陽電池セル構造による変換効率の向上 302
   (1) バルクヘテロ接合型の太陽電池へのナノ構造層(i層)の導入(産業技術総合研究所) 302
   (2) 半導体高分子を用いる有機薄膜太陽電池(東京大学) 303
   (3) ポルフィリンとフラーレン類の自己組織化を利用した有機太陽電池(科学技術振興機構) 304
   (4) p-i-n接合を持つ有機薄膜太陽電池の共蒸着層のナノ構造制御(大阪大学) 306
   (5) 新規n型溶解性フラーレン誘導体の設計・合成(名古屋工業大学) 308
   (6) タンデム構造(カリフォルニア大学サンタバーバラ校(米国)、光州科学技術院(韓国・光州)) 310
   (7) 低分子系有機薄膜太陽電池(産業技術総合研究所、パナソニック電工) 311
   (8) その他 312
  5.4.5 有機薄膜太陽電池の課題と展望 313

第6章 グラフェンの応用展開
316
 6.1 グラフェンの作製 316
  6.1.1 サファイア基板上にグラフェンを作製(日立製作所、東北大学) 316
  6.1.2 ポリアセン型高分子からグラファイトリボンの作製(カネカ) 318
  6.1.3 ダイヤモンドのナノ粒子からナノグラフェンの作製(東京工業大学) 319
  6.1.4 カーボンナノチューブからグラフェンナノリボン(GNR)を作製 320
   (1) 過マンガン酸塩を用いたナノチューブの切り開き(ライス大学(米国)) 320
   (2) プラズマエッチングによる切り開き(スタンフォード大学(米国)) 321
 6.2 グラフェンの伝導特性の観測 322
  6.2.1 グラフェンの電気伝導体 322
  6.2.2 グラフェンの超伝導近接効果(筑波大学) 323
  6.2.3 グラフェンのスピントロニクス(大阪大学) 326
 6.3 グラフェンによるデバイスの開発状況 330
  6.3.1 グラフェンのバンドギャップの作成(ローレンスバークレー国立研究所) 330
  6.3.2 トップ・ゲート構造のグラフェン・トランジスタの作製(IBM) 331
  6.3.3 グラフェン量子ドットによる単電子トランジスタ(マンチェスター大学) 332
  6.3.4 グラフェンによるテラヘルツ電磁波の誘導放出(東北大学、会津大学) 334
  6.3.5 グラフェン・トランジスタを1個だけの集積回路(マサチューセッツ工科大学) 335
  6.3.6 グラフェンを用いた2重結合量子ドット素子(物質・材料研究機構、理化学研究所) 337

第7章 国内公開特許
342
 7.1 単層カーボンナノチューブ 342
 7.2 内包物があるナノカーボン材料 354
 7.3 フラーレン 356
  7.3.1 用途別 356
  7.3.2 企業、研究機関別 360
 7.4 グラフェン 365

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