ナノ材料

グラフェン

カーボンナノ材料製品リスト
グラフェンの新製品リストは、こちらの「検索サイト」をご覧ください。

グラフェン

グラフェンは炭素原子の単層からなる炭素の同素体の一つです。その構造は、炭素原子が六角形のハニカム格子状に配置された1原子分の厚さ(0.345 nm)のシートで、2004年に非常に簡単な方法で初めて単離および同定され、その後マンチェスター大学のGeim氏およびNovoselov氏が2010年にノーベル賞を受賞したことで、世界中で研究が進められています1

グラフェンは、様々な次元のカーボンナノ材料のビルディングブロックと考えられます。例えば、グラフェンをボール状に丸めると0次元のフラーレン、筒状に巻くと1次元のナノチューブ、積み重ねると3次元のグラファイトが得られます。グラフェンの炭素原子はsp2混成を示し、この混成軌道と1原子分の厚さとが、この材料に並外れた特性を与えています。その例としては、室温でも電子移動度および正孔移動度が非常に高い(>105 cm2V-1s-12、室温で非常に高い熱伝導率(>4,000 Wm-1K-13、可視域の広い範囲で光の吸収率が2.3%4、機械的強度が鉄より300倍高い(等しい厚さのスチールと比較した場合、ヤング率はおよそ1 TPa)5、ヘリウムなどのガスに対して不透過性である点6が挙げられます。

グラフェンの製造、品質、デバイス工学においてまだ課題が残されているものの、電子センサーやトランジスタをはじめ、電池やスーパーキャパシタ、燃料電池、太陽電池などのエネルギー貯蔵およびエネルギー生成分野、タッチスクリーンおよびディスプレイ技術、照明ならびに複合材料などグラフェンを利用した数多くの新技術が実現されています。

グラフェンの合成・応用例

合成

グラフェン合成イメージ

剥離によるグラフェン合成

グラフェンは粘着テープによる熱分解黒鉛からの剥離によって最初に単離されました。それ以来、超音波処理や酸化グラフェンの還元、電気化学的剥離など、黒鉛から機械的に剥離することでグラフェンを生成する様々な方法が開発されています。

化学気相成長法によるグラフェンの合成

化学気相成長法(CVD:chemical vapor deposition)は、金属基板上への単層グラフェンの成長に広く利用されている方法です。いくつかの条件が報告されていますが、炭素源としてはメタン、基板には銅金属が最も一般的に使用されています。Confinement Controlled Sublimation(CCS)法はCVDとやや関連した手法で、基板上にて高温で炭化ケイ素(SIC)からケイ素を昇華させることで、表面にグラフェンを得る方法です。

エレクトロニクス

グラフェンエレクトロニクスイメージ

フレキシブルエレクトロニクスへの応用

グラフェンは有機電界効果トランジスタ(OFET:organic field effect transistor)や、フレキシブル有機ELディスプレイの透明導電性電極として利用されています。グラフェンは、その並外れた弾性特性やオプトエレクトロニクス特性のため、フレキシブルエレクトロニクス用途に最適です。

エレクトロニクストランジスタへの利用

バンドギャップの制御や負性抵抗の導入によって、グラフェンは電界効果トランジスタ(FET)の半導体として利用可能です。シリコンチップを用いたコンピュータメモリ用トランジスタは、サイズの理論限界(5~10 nm)に近づいています。しかしながら、カーボンナノチューブやグラフェンなどのカーボンナノ材料は1 nmサイズの単一トランジスタ作製に利用されています。

ディスプレイへの利用

最近の研究では、次世代携帯電話、タブレット、テレビ用のより薄く、フレキシブルで高い耐久性を持つ発光デバイスの作製にグラフェンが用いられています。グラフェンの持つ透明性、機械的強度、電気導電性は、次世代ディスプレイの電気的、光学的な要求を満たす、理想的な材料です。

電子センサーへの利用

グラフェンを基盤とする電界効果トランジスタは、化学センサーおよび生体センサーに利用されています。酸化グラフェンは、FRET(fluorescence resonance energy transfer)効果を用いたバイセンサーの蛍光消光材料に用いられています。

エネルギー

グラフェン電池イメージ

グラフェンの太陽電池への利用

グラフェンの持つ透過性、導電性、機械的強度、高表面積、調整可能なバンドギャップは、透明導電性電極や電子輸送層としてなど、太陽電池デバイスにおいていくつかの異なる役割を果たすことができます。グラフェンを利用した太陽電池セルに酸化モリブデンや酸化亜鉛の層を導入することで、高い効率が得られています。

燃料電池用途

グラフェンは、水素燃料電池のプロトン交換膜として利用されています。この用途の場合、グラフェンに特徴的な欠陥を導入する必要があります。

次世代電池用途

グラフェン複合材料をリチウムイオン電池用負極材料に応用することで、充放電レートやエネルギー密度、サイクル特性が向上します。さらに、グラフェン複合材料は、バッテリー容量や充電時間、寿命を向上させる可能性も秘めています。

スーパーキャパシタへの利用

炭素ベースの材料、特に高い表面積を持つカーボン材料は、その優れた物理的、化学的特性から、電気二重層キャパシタの電極材料として幅広く利用されています。現在、ニッケル水素(Ni-MH)電池と同程度のエネルギーをもつ、第一世代のグラフェン系スーパーキャパシタが報告されています。

複合材料

グラフェン複合材料イメージ

ナノ複合材料

グラフェンの持つ機械的、化学的、電気的特性は、ナノ複合材料の合成に有用です。グラフェンを金属やプラスチックにドープすることで、複合材料の引張強度が向上し、鉄の約200倍の強度を示すようになります。あるポリマーに3%程度のグラフェンをドープすると、ポリマーの電気伝導性が向上することが報告されています。

導電性インク、コーティング

グラフェンを金属表面にコーティングした場合、腐食バリアとして機能し、金属表面と水や酸素との接触を防ぐ働きをします。グラフェンインクによって、導電性、帯電防止、電磁シールドなどの特性を付与することができます。

ガスバリア膜

欠陥を含まないグラフェンや酸化グラフェンは、不浸透性バリアの作製にも用いられています。乾燥した酸化グラフェン薄片は、ヘリウムさえも透過しません。しかし、水に浸漬させた場合、酸化グラフェンは分子ふるいとして機能し、大きなイオンをブロックする一方で小さなイオンを透過します。ポアのような欠陥を作製することで、グラフェン膜は分離用途への利用が可能となります。

バイオメディカル

グラフェンバイオセンサーイメージ

生体医学用バイオセンサー

酸化グラフェン(GO:graphene oxide)や還元型酸化グラフェン(rGO:reduced graphene oxide)は、生体関連化学物質のセンサーの作製に利用されています。酸化グラフェンの蛍光消光特性は、FRET(fluorescence resonance energy transfer)効果を利用したセンサーに用いられています。電界効果トランジスタ(FET:field effect transistor)バイオセンサーは、グルコースやDNAの検出にも利用されています。

ドラッグデリバリー

酸化グラフェンは、親水性領域と疎水性領域の両方を有することから界面活性剤として機能するシートでもあります。この特性は疎水性薬物の溶解に用いられています。酸化グラフェンが非毒性の材料であることが確認されれば、薬物送達用ポリマーミセルに置き換わる可能性があります。酸化グラフェンは共役ポリマー、タンパク質、その他生体関連分子に結合させることができ、薬物放出の制御なとの用途が期待されています。

組織工学への応用

グラフェンは、生体適合性や化学的不活性、表面構造などのユニークな特性によって細胞培養分野への利用にも適しています。グラフェンの優れた電気伝導性は、細胞機能を制御する新世代の生物活性足場材料に利用可能です。グラフェン/キトサン複合材料は、細胞培養や組織工学用導電性支持材として用いられています。グラフェンは、骨や神経幹細胞、コラーゲンを含むその他細胞の成長用足場材料として期待されています。

最新技術情報
 

Material Matters (季刊ニュースレター)

Technology Spotlights

Webinars (英語版)

 
 

グラフェン関連製品リスト

炭素系量子ドット

  • 900414:Carbon quantum dots, 0.2+% in H2O dispersion (λem 450 - 550 nm )
  • 900560:Graphene quantum dots, >0.005% in H2O
  • 900708:Graphene quantum dots, blue luminescent, 1 mg/mL in H2O
  • 900726:Graphene quantum dots, blue luminescent, powder
  • 900707:Graphene quantum dots, cyan luminescent, 1 mg/mL in H2O
  • 900712:Graphene quantum dots, aqua green luminescent, 1 mg/mL in H2O
  • 900713:Graphene quantum dots, aqua green luminescent, powder
グラフェン量子ドットの外観・TEMイメージの例
 

製品紹介「グラフェン量子ドット:特性、合成および用途」公開中

カーボンナノ材料製品リスト
  • Surface area 50-80 m2/g:5 μm particle size (900409), 15 μm particle size (900410), 25 μm particle size (900411)
  • Surface area 120-150 m2/g:5 μm particle size (900412), 15 μm particle size (900420), 25 μm particle size (900413)
  • Surface area 300 m2/g (900394), Surface area 500 m2/g (900439), Surface area 750 m2/g (900407)
  • Highly conductive nanoplatelets:powder (799092), 1 mg/mL, dispersion in H2O (799084),
  • その他、修飾済みグラフェンナノプレートレット
 

グラフェンペーパー(大きさ:11.5 in. × 23.5 in.)

酸化グラフェンフィルム

  • 4 cm (diameter) x 12-15 mm (thickness):798991
 
  • on copper foil:1 cm x 1 cm (900449), 1 in. x 1 in. (799009), 4 in. diameter (900415)
  • on copper foil with PMMA coating:1 cm x 1 cm (900443), 1 in. x 1 in. (900445)
  • on quartz:1 cm x 1 cm (773719)
  • on SiO2/Si substrate:1 cm x 1 cm (773700)
  • on PET film:1 in. x 1 in. (745863), 2 in. x 2 in. (745871)
  • Suspended monolayer graphene on TEM grid substrate (Diameter: 3 mm):798177
 
  • paste, non-exfoliated:900704
  • dispersion in H2O:2 mg/mL (763705), 4 mg/mL (777676)
  • Graphene Oxide, pH stabilized, dispersion in 0.05 M HEPES buffer pH 7.5 (901940)
  • nanocolloids (Single-layer graphene oxide sheets down to a few nanometers in lateral width):795534
  • 15-20 sheets, 4-10% edge-oxidized:powder (796034), 1 mg/mL, dispersion in H2O (794341)
  • alkylamine functionalized, 2.0 mg/mL, dispersion (in toluene):809055
  • ammonia functionalized, 1 mg/mL, dispersion in H2O:791520
 
  • rGO:Carbon >75% (805424), Carbon >98 wt.% (777684)
  • functionalized rGO:amine (805432), octadecylamine (805084), piperazine (805440), tetraethylene pentamine (806579)
  • stabilized with poly(sodium 4-styrenesulfonate), 10 mg/mL, dispersion in H2O:900197
 

Produced by unzipping multi-walled carbon nanotubes by potassium intercalation.

  • Graphene nanoribbons:797774
  • Graphene nanoribbons, alkyl functionalized:797766

詳細はこちら→【レビュー】グラフェンナノリボン:その合成と応用

 

グラファイト

  • 808121:Expandable Graphite, flakes
  • 808067:Graphite, flakes, 99% carbon basis, -325 mesh particle size (99+%), natural
  • 808083:Graphite, flakes, 99% carbon basis, -325 mesh particle size (50- 70%), natural, wettable
  • 808091:Graphite, flakes, 99% Carbon, -100 mesh (80+%), natural
  • 808105:Graphite, flakes, 99% carbon basis, +200 mesh particle size (70+%), natural
  • 808113:Graphite, flakes, 99% carbon basis, +50 mesh particle size (80+%), natural
  • 496553:Graphite, rod, L 150 mm, diam. 6 mm, 99.995% trace metals basis
  • 496596:Graphite, powder, <45 μm, 99.99+% trace metals basis

References

  1. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666.
  2. Mayorov, A. S.; Gorbachev, R. V.; Morozov, S. V.; Britnell, L.; Jalil, R.; Ponomarenko, L. A.; Blake, P.; Novoselov, K. S.; Watanabe, K.; Taniguchi T.; Geim, A. K. Nano Lett. 2011, 11, 2396.
  3. Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8, 902.
  4. Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. Science 2008, 320, 1308.
  5. Lee, C.; Wei, X. D.; Kysar J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385.
  6. Bunch, J. S.; Verbridge, S. S.; Alden, J. S.; van der Zande, A. M. J.; Parpia, M.; Craighead, H. G.; McEuen, P. L. Nano Lett. 2008, 8, 2458.
器具・消耗品大特価キャンペーン