カーボンピーポッド

カーボンピーポッドは、カーボンナノチューブ内にカプセル化された球状フラーレンからなるハイブリッドナノマテリアルです。エンドウの種子鞘に似ていることから名付けられました。カーボンピーポッドの特性はナノチューブやフラーレンとは異なるため、カーボンピーポッドは新しいタイプの自己組織化グラファイト構造として認識できます。^[4]ナノピーポッドの可能な用途には、ナノスケールレーザー、単一電子トランジスタ、量子コンピューティング用のスピン量子ビットアレイ、ナノピペット、ナノピーポッドのメモリ効果と超伝導によるデータストレージデバイスなどがあります。 ^{[5] [6]}

単層ナノチューブ（SWNT）は、1993年に1枚のグラフェンシートから巻かれた円筒として初めて発見されました。1998年に、最初のピーポッドがブライアン・スミス、マーク・モンティユー、デビッド・ルッツィによって観察されました。^[7]ピーポッドのアイデアは、 2000年に透過型電子顕微鏡内で生成された構造から生まれました。 ^[4]それらは、パルスレーザー蒸発合成によって得られた断片に最初に認識され、その後酸処理とアニールが行われました。^{[8] [9] [10]}

カーボンピーポッドは、パルスレーザー蒸発によるカーボンナノチューブ合成中に自然に生成されます。C ₆₀フラーレン不純物は、アニール処理と酸精製中に形成され、欠陥または気相拡散によってナノチューブに入ります。^[11] ナノチューブ内のフラーレンは、直径の差が 0.34 nm 以下の場合にのみ安定化され、直径がほぼ同じになると、相互作用エネルギーが非常に高くなり（0.1 GPa に相当）、高真空下でもフラーレンを SWNT から抽出できなくなります。^{[4]カプセル化されたフラーレンは、C} ₆₀の直径に近く、チューブ内で鎖を形成します。カーボンピーポッドの制御された製造により、ナノチューブ構造とフラーレン組成の両方をより多様化できます。さまざまな元素をドーピングによってカーボンピーポッドに組み込むことができ、結果として得られる熱伝導性と電気伝導性に劇的な影響を与えます。

カーボンピーポッドの存在は、反応を厳密に制御できる環境になる可能性など、カーボンナノチューブのさらなる特性を実証しています。C ₆₀分子は通常、常温で 1000～1200 °C に加熱されるとアモルファスカーボンを形成します。カーボンナノチューブ内でこのような高温に加熱されると、分子は規則的に融合して別の SWNT を形成し、二重壁カーボンナノチューブを形成します。^[4] フラーレンは他の分子を包み込んだりドーピングしたりすることが容易で、ナノチューブは電子ビームに対して透明であるため、カーボンピーポッドはナノスケールの試験管としても機能します。反応物を含むフラーレンが SWNT に拡散した後、高エネルギー電子ビームを使用して高い反応性を誘発し、C ₆₀二量体の形成とその内容物の融合を引き起こすことができます。^{[12] [13]} さらに、封入されたフラーレンの移動度は 1 次元に制限されているため、拡散や相転移などの現象を簡単に研究できます。^[11]

カーボンピーポッドの直径は約1～50ナノメートルの範囲です。フラーレンC _60のサイズとナノチューブ構造のさまざまな組み合わせにより、回転の方向によってカーボンピーポッドのさまざまな電気伝導特性が得られます。たとえば、C ₆₀ @ (10,10) は優れた超伝導体であり、C ₆₀ @ (17,0) ピーポッドは半導体です。C ₆₀ @ (17,0)の計算されたバンドギャップは0.1 eVです。^{[14]半導体としての可能性に関する研究はまだ進行中です。ドープされた}フラーレンとSWNTのロープはどちらも超伝導体ですが、残念ながら、これらの材料の超伝導相転移の臨界温度は低いです。カーボンナノピーポッドが室温で超伝導になる可能性があると期待されています。^[15]

化学ドーピングにより、ピーポッドの電子特性をさらに調整することができます。カーボンピーポッドにカリウムなどのアルカリ金属原子をドーピングすると、ドーパントがSWNT内のC _{60分子と反応します。これにより、金属伝導性を持つ、負に帯電したC 60} ⁶⁻共有結合した1次元ポリマー鎖が形成されます。全体として、アルカリ金属原子によるSWNTとピーポッドのドーピングは、電荷が金属イオンからナノチューブに移動することから、分子の伝導性を積極的に高めます。^{[16]酸化金属でカーボンナノチューブをドーピングすることは、伝導性を調整するもう1つの方法です。}フェルミ準位が大幅に低下する ため、非常に興味深い高温超伝導状態が生成されます。優れた用途としては、カーボンナノチューブへの二酸化ケイ素の導入が挙げられます。一部の研究グループが、Si/SiO ₂表面で成長したカーボンピーポッドをベースにしたメモリデバイスを作成する方法を発明したように、メモリ効果を構築します。^{[17] [18]}

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