カーボンナノチューブ垂直配向膜における希ガス分子線の散乱解析

摘要

単層カーボンナノチューブ[1]は，極めて強靭な機械的特性やダイヤモンドを超える熱伝導性などが期待され[2,3,4]，ナノテクノロジーの代表的な新素材として注目を浴びている．特に，基板に対して垂直に配向した単層カーボンナノチューブ垂直配向膜（以下，CNT垂直配向膜）は，高い熱伝導率と電気伝導率，高い撥水性，また特異な光学特性を持つことが知られており[5,6,7]，様々な工学的応用が期待されている．気体分子との相互作用という点においても，高アスペクト比のカーボンナノチューブが複雑に絡み合っている構造に起因する特異な現象が期待される．特に，気体－固体間の熱交換を促進する効果は高いと予想され，熱交換を促進する表面修飾手法としての応用が期待できる．また，CNT垂直配向膜と気体分子の相互作用の動的過程を解明することで，CNT垂直配向膜の成長過程と構造に関して有益な知見を得られると期待できる．具体的には，CVD（Chemical Vapor Deposition）法におけるCNT垂直配向膜の生成過程において，ある程度膜が成長した後で基板上の触媒金属に試料気体が供給される過程や，CNT垂直配向膜の三次元的な密度分布などの知見を得られる可能性がある．CNT垂直配向膜と気体分子の相互作用に関する研究としては，吸着·脱離に関する実験や分子動力学シミュレーションが行われている[8,9,10]．しかし，実験に関しては静的過程に関するもののみであり，動的過程に関する実験は行われていない．そこで，本研究では，CNT垂直配向膜と気体分子の相互作用の動的過程を実験的に解析することを目的とする．具体的には，He分子線を用いて分子線散乱実験[11]を行い，飛行時間（Time of flight,以下TOF）分布と散乱角度分布を測定し，TOF分布の解析から各散乱角度に対する適応係数の分布を求めた．また散乱角度分布，適応係数の分子線入射角，散乱角度に対する依存性について調査を行い，He分子がCNT垂直配向膜の内部に侵入することでエネルギー交換が促進される効果と，CNT垂直配向膜の構造について議論する．