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京大、グラフェンナノリボンを従来法比10倍の高効率で合成する手法開発

日刊工業新聞より。
京大、グラフェンナノリボンを従来法比10倍の高効率で合成する手法開発

京都大学エネルギー理工学研究所の坂口浩司教授と中江隆博助教らの研究グループは
1nm以下の幅を持つ極細ナノ炭素細線であるグラフェンナノリボン(GNR)を
従来法比10倍の高効率で合成する手法を開発したと発表しています。

kyoto-univ_GNR_cutting_image.png

GNRは炭素原子の2次元シート、グラフェンをリボン状に切り出した細線状のナノ物質で、
GNRを合成する方法はマクロな物質を削って微細な構造を作るリソグラフィー技術を用いた
トップダウン法と、設計した原料分子を組み立てて作るボトムアップ法に大別できますが
GNRの細線幅や炭素格子の構造を精密に制御することや大量合成などで課題があったとしています。

そこで研究グループは「ラジカル重合型化学気相成長法」を開発。

この方法は、設計した原料分子を組み立て作るボトムアップ法に分類されます。
ボトムアップ法は原料分子を設計して、望みの線幅を原理的に得ることが可能ですが、
従来のボトムアップ法では、超高真空環境(10-10Torr)で原料分子を熱分解することで
反応性が高い不安定なラジカル中間体を発生させ、
これを金属基板上に吹きかけて繋ぎ(ラジカル重合させ)、GNR を合成する必要がありました。

一方で、
・超高真空環境を作り出すために非常に高額で大掛かりな装置が必要
・失活しやすいラジカル中間体の密度が著しく低いために、
 自在に線幅を制御した GNR を大量に作り出すことができない
という問題点があります。

kyoto-univ_GNR_2zone_anneal_image.png

そこで研究グループは二ゾーン加熱法を提案し、
原料分子からラジカル中間体を発生させたものと、ラジカル中間体を基板に供給してGNRを合成する部分を
それぞれ別に温度制御することによって、従来は低密度にしか生み出せなかったラジカル中間体を
高密度に発生できたということです。

kyoto-univ_GNR_3kind-GNR_image.png

得られた 0.72nm幅の GNR のフィルムでデバイスを試作し、光電導性を調べたところ、
従来の有機太陽電池に使われる共役系高分子(ポリ 3-ヘキシルチオフェン)の
3倍の光電導性を示し、太陽電池材料として非常に有望な材料であることが分かったとしています。


電気炉によるアニールは有機物の精製によく用いられていますので
合成装置としてはシンプルな構造になっていると思います。
Arのガスフローを用いることで2ゾーンに機能を分けている所もポイントでしょうか。
産業用途での大量合成においては更に装置構造などを検討する必要があるかと思いますが
面白い手法だと思います。

京都大学ニュースリリース
超極細ナノ炭素細線の画期的高効率合成法を開発 -高効率太陽電池への応用に期待-

書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1002/adma.201305034

Hiroshi Sakaguchi, Yoshiyasu Kawagoe, Yoshitaka Hirano, Taku Iruka, Maki Yano, and Takahiro Nakae
"Width-Controlled Sub-Nanometer Graphene Nanoribbon Films Synthesized by Radical-Polymerized Chemical Vapor Deposition"
Advanced Materials Published online: 8 APR 2014

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京都大学エネルギー理工学研究所の坂口浩司教授と中江隆博助教らの研究グループは8日、1ナノメートル以下の幅を持つ極細ナノ炭素細線であるグラフェンナノリボン(GNR)を従来法比10倍の高効率で合成する手法を開発したと発表した。3種類のGNRを合成でき、共役系高分子と比べて光伝導性も大きい。
 GNRは炭素原子の2次元シート、グラフェンをリボン状に切り出した細線状のナノ物質。GNRを合成する方法は微細構造を作ったり、原料分子を組み立てるやり方があるが、GNRの細線幅や炭素格子の構造を精密に制御することや大量合成などで課題があった。
 研究グループは「ラジカル重合型化学気相成長法」を開発。原料分子からラジカル中間体を発生させたものと、ラジカル中間体を基板に供給してGNRを合成する部分をそれぞれ別に温度制御することによって、従来は低密度にしか生み出せなかったラジカル中間体を高密度に発生できたという。
 この方法で幅0・72ナノメートルのGNRフィルムでデバイスを試作すると、従来の有機太陽電池材料となる共役系高分子の3倍の光導電性を示した。



グラフェンが拓く材料の新領域―物性・作製法から実用化までグラフェンが拓く材料の新領域―物性・作製法から実用化まで
(2012/06)


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