概要

1991年カーボンナノチューブ(CNT)の発見から、CNTのナノテクノロジーは驚くほど速いスピードで研究開発が進んでおり、今や基礎研究の成果を最新のナノテクノロジーと複合し、実応用に展開する段階に来ていると言えます。特に、単層カーボンナノチューブ(Single-Walled Carbon Nano Tubes：SWCNT) は、その特異なすぐれた性質により最も重要なナノマテリアルのひとつになっています。(Table1参照)

すでに、分子ワイヤ、ロジックゲート, ディスプレイ, ナノメータスケールの機械部品といったSWCNTを使った多くの製品試作の報告が なされています。同時に、SWCNTの大量合成法についてもさまざまな方法が提案されています。

SWCNTの立体構造は、炭素六員環構造がつながった網目状のシート(グラフェンシート)が丸まった形でチューブが構成されており、その両端に、フラーレン(Bucky ball)の半分がキャップとして付いている構造をしていると考えられています。このSWCNTの物理特性をコントロールするために、「カイラリティ」を調べることが重要になっています。「カイラリティ」とは、グラフェンシートがどのような方向に丸まっているかということに対応しています。もし炭素の六員環がチューブの軸にそって並んでいるとそのチューブは金属として働きます。もし六員環が軸の周りに螺旋を描くように並んでいると半導体の性質を示します。

これらの解析には、高分解能の透過電子顕微鏡(High Resolution Transmission Electron Microscope : HR TEM)や走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunnellimg Microscope：STM) が使われていますが、高真空が必要であり測定には高度な技術が必要とされています。

従来より炭素材料の分析によく用いられているラマン分光法は、

• 豊富な情報量
• 非接触のマイクロプローブ
• 大気中でも水溶液でも測定できる

といった優れた特徴を持ち、このカーボンナノチューブの研究においても広い分析目的に使われている大変重要で強力な分析ツールです。SWCNTのラジアルブリージングモード(Radial Breathing Mode：RBM)とよばれるラマンバンドの波数は、チューブの直径の逆数に比例します。また、このバンドはカイラリティに関連する電気的特性を評価することにも使われます。励起波長を変えることにより、共鳴ラマン効果を使って特定のSWCNTを選択的に観察することができます。LabRAM HR800で測定したSWCNTの低波数領域のラマンスペクトルを図1に示します。2種類の励起波長(488nm,514nm)で測定したスペクトルを比較すると、共鳴ラマン効果により異なったSWCNTのラマンバンドが観察されている様子がわかります。

(図1) LabRAM HRで測定したカーボンナノチューブのラマンスペクトル

最近、CCVD法で生成したSWCNTのホトルミネッセンス(Photo-Luminescence ：PL)が近赤外でかつ室温で観測されました。この研究により、SWCNTの光電子工学への応用が期待でき、今後、SWCNTのキャラクタリゼーションにおいてPL測定も重要になっていくと考えています。
ナノテクノロジーの最先端では、複数の高精度な分析を複合化させることが、ナノマテリアルのキャラクタリゼーションには必要となっています。HORIBA JOBIN YVONは、HR800をベースにしたユニークなベンチトップ型ラマン- PL装置を開発しました。ラマンとPLをひとつの装置に複合化することで、正確に同じ点を両分析手法で測定できるようになりました。

蛍光分光法も、最近、様々なSWCNTの種類を同定する大変有効な手法として研究者の注目を集めています。蛍光スペクトルデータのマトリックスプロットを図2に示します。吸収と発光の波長は、SWCNTのカイラリティの違いにより変化します。図2では、各ピークがそれぞれ種類の異なるSWCNTを表しています。

Fluorolog-3 蛍光分光光度計は非常に高感度で柔軟性の高い装置です。近赤外領域における蛍光測定においても優れた性能を発揮します。

(図2) 励起・発光波長に対する蛍光発光強度(縦軸)のマトリックス

電子顕微鏡やプローブ顕微鏡といった顕微鏡法は、CNTの重要なツールであることは良く知られています。しかし、いままで述べてきました分光的手法が 今後ますます重要になっていくと考えられています。
これらの分析法の比較をTable2に示します。顕微鏡法にくらべ、分光法は特に測定の容易さという点で優れています。分光法を用いれば、CNTの構造情報を大気下の分析で得ることができます。ラマン、PL、蛍光の分光分析装置をすべてラインアップしているHORIBA JOBIN YVONだからこそ、分光法によるCNTキャラクタリゼーションのトータルソリューションをご提供できるのです。

Table2. CNTキャラクタリゼーションにおける顕微鏡法と分光法の比較