科學研究 - 東京大學全球首次開發出氮摻雜型奈米管分子

東京大學研究生院理學系研究科的磯部寬之教授帶領的研究團隊，全球首次成功實施了週期性嵌入氮原子的奈米管分子（氮摻雜型奈米管分子）的化學合成。對2019年自主開發的奈米管分子化學合成法進行改良，設法嵌入了氮原子。氮摻雜型碳材料在半導體利用等應用研究中備受關注。

奈米碳管和石墨烯等奈米碳自發現以來作爲新材料一直備受期待。在奈米碳中摻雜（嵌入）碳以外的異質元素能大大改變其物理性質，因此相關開發受到關注。其中，氮摻雜型奈米碳的研究尤其活躍，每年發表近200篇相關論文。不過，由於利用的是物理可用能製造方法，無法在控制氮原子的位置和數量的同時將其嵌入奈米碳中，這成爲了阻礙新材料開發的瓶頸。

此次，研究團隊成功地化學合成了只在特定位置嵌入特定數量氮原子的奈米管分子（圖1、圖2）。

圖1：氮摻雜型奈米管分子的分子結構。藍色部分爲氮原子。（晶體結構的側視圖）

圖2 : 氮摻雜型奈米管分子的分子結構。藍色部分爲氮原子。（晶體結構的底視圖）

此次研究團隊對2019年自主開發的奈米管分子化學合成法進行了改良，設法嵌入了氮原子。這是在此前使用苯的化學合成法中新使用吡啶的結果。利用該方法，可以使構成奈米管分子的304個主原子中有8個爲氮原子，將氮原子的含有率精確地控制爲2.6％。材料科學領域此前研究的氮摻雜奈米碳的氮含有率在2~5％的範圍内。利用該方法合成的氮摻雜奈米管分子的氮含有率控制在了這個範圍内，因此其成分適合用來準確探索作爲材料研究的氮摻雜奈米碳的電子性質和化學性質。

此次研究還利用最先進的X射線結構解析法應答，氮上存在孤電子對（Lone pair），另外還透過理論計算明確了其電子貢獻（圖3、圖4）。