高輝度光科学研究センター(JASRI)、産業技術総合研究所(産総研)は「カーボンナノチューブの“森”」が高密度に成長する仕組みを、大型放射光施設 SPring-8 で解明した。今回の成果は、大量の情報量を蓄えるサーバーなどの情報機器を効率的に冷却するための、放熱材料の開発を促進すると期待されている。
 
産総研、カーボンナノチューブの「森」の高密度成長の仕組みを解明
SPring-8でのカーボンナノチューブの“森”の成長実験の結果
(a)で、基板の上にある絨毯の毛のような部分が、カーボンナノチューブの“森”

 
膨大化するデータ量を背景に、機器内部で発生した熱を効率的に逃がすため、放熱材料の研究が注目されている。特に、現在使われている放熱材料の一つであるインジウムに比べて、30倍以上の熱伝導性を持つカーボンナノチューブは、今後の放熱材料として期待される。しかし、カーボンナノチューブは、太さが1〜数十nm(ナノメートル)しかないため、放熱材料として使うには、多数のカーボンナノチューブがブラシ状にそろった束が必要となる。

この、多数のカーボンナノチューブの束は、基板の表面に対して垂直方向に向きをそろえて並んでいることから「カーボンナノチューブの森」と呼ばれ、"森"の高密度化の方法が放熱材料として活用するために解明される必要があった。
 
従来の熱 CVD 法は、アルミナ(アルミニウムの酸化物)などの基盤の上に、触媒として鉄の膜を数mm の厚みで作り、真空容器の中で加熱して酸素を抜き錆をとる「還元」を行っていた。この還元された鉄は玉状になる傾向を持ち、ここにアセチレンなどの炭素を含む原料ガスを入れると、一粒の鉄の粒子の上に一本のカーボンナノチューブが成長する仕組みがあった。


一般的な熱CVD法によるカーボンナノチューブの成長の様子
一般的な熱CVD法によるカーボンナノチューブの成長の様子

しかし今回、従来より20倍の密度をもつ"森"を成長させる「STEP(ステップ)法」が開発された。JASRI や産総研の共同研究グループが 大型放射光施設「SPring-8」の分析装置を使い、触媒である鉄の下に敷いたチタン下地(厚さ1nm)の働きにより、450℃という低温でも鉄を還元することにつながることを解析。鉄の下にチタンの下地を引くことと、450℃という低温からアセチレンを入れることを特徴としたSTEP 法が開発されたという。

解明された、STEP法によるカーボンナノチューブの“森”の高密度化の仕組み チタン下地と低温度でのアセチレンの投入を特徴とする
解明された、STEP法によるカーボンナノチューブの“森”の高密度化の仕組み
チタン下地と低温度でのアセチレンの投入を特徴とする

今後、"森"をさらに高密度化して放熱材料として実用化し、量産化するために、下地の酸化状態の制御が重要になると予想される。