PDF/月刊誌論文/code:pg_0406_01 マテリアル インテグレーション 2004年6月号
ELECTRONIC CERAMICS 先端カーボン

総論
■著者
名城大学　理工学部　教授　飯島　澄男

■要約
本特集表題にもなっている先端カーボン材料はその構造から大きく2つに分けることができる.ひとつは,グラファイト,ダイアモンド,アモルファスカーボンの集合状態や結合状態を制御して新しい機能を持たせるようにしたものであり,1980年代にはすでによく知られていたダイヤモンド状アモルファスカーボンやカーボンファイバなどがそれに類する.例えばダイアモンド状アモルファスカーボンは,Si基板上に薄膜として作成することで,その高熱伝導性が電子デバイスの性能向上をもたらす.グラファイト状カーボンを主な構成単位とするカーボンファイバーは,二次電池の電極材料としてもちいることで電池性能を改善できると報告されている.またカーボンファイバーは,機械的強度にも優れているため構造体の補強などに良く使用されている.ふたつめに類する先端カーボン材料は,フラーレンやカーボンナノチューブといった新しく登場してきた炭素の同素体である.フラーレンやナノチューブは,炭素原子配列が高度に組織化されたナノメーターからマイクロメーターの大きさを持った巨大分子である.こうした巨大分子の構成要素は炭素原子1個というよりは,炭素原子6個からなる6員環(ベンゼン環)で,その炭素-炭素間結合はシグマ結合がパイ結合で補強されているため,非常に安定である.また,パイ電子は,6員環が連結してできた網目上を自由に動き回ることができる.網目が無限に広がればグラファイトであり,ただの半金属的性質をしめす層状物質というだけのことであるが,これが巨大分子になると,パイ電子はとたんに多彩な性質と構造をもたらすという魔法を演じる.たとえば,グラファイトシート円筒であるカーボンナノチューブは,その6員環配置の対称性により,金属的な性質を示したり,半導体的な性質を示したりする.直径が1〜2nmの単層カーボンナノチューブの場合は,1本が単独でいることはむずかしく互いに付着し合う傾向が強くロープ状となっている.多層の場合は各カーボンナノチューブが単独でいる場合がほとんどである.パイ電子は,炭素の5個からなる5員環や7個からなる7員環が6員環の網目の中に織り込まれると更に多彩な魔法を展開することとなる.典型的な例がフラーレンで,そのひとつがサッカーボール型C60分子である.6員環20個と5員環12個からなる球状分子は,溶媒に溶かすと赤紫色などの美しく着色した溶液となる.また,C60が規則正しく並んで結晶となったものは,電気的絶縁体である.