カーボンナノチューブは電気を通すのか？その答えは原子構造にある

はい、ただし導電性は保証されません。カーボンナノチューブ（CNT）は、銅よりも優れた優れた電気伝導体になることもあれば、シリコンのような半導体になることもあります。この決定的な違いは、材料そのものではなく、個々のナノチューブの特定の原子構造によって決まります。

カーボンナノチューブの電気的特性を決定する最も重要な単一の要因は、そのキラリティー（鏡像異性）です。これは、継ぎ目のないグラファイトシートがチューブを形成するために「巻き付けられた」角度です。この構造的なねじれが、電子が自由に流れる（金属的）か、流れるためにエネルギーブーストを必要とする（半導体的）かを決定します。

グラフェンシートからナノチューブへ

構成要素：グラフェン

ナノチューブを理解するには、まずグラフェンを理解する必要があります。グラフェンは、ハニカム格子状に配置された炭素原子からなる、単一で原子一層分の厚さのシートです。これは、高い導電性を持つ二次元材料です。

カーボンナノチューブは、単にグラフェンシートを継ぎ目のない円筒形に丸めたものです。このシートをどのように巻くかが、結果として得られるチューブの特性を根本的に定義します。

決定的な要因：キラリティー

キラリティーという用語は、巻き付けられたグラフェンシートの角度と直径を指します。この幾何学的構造は、シートがどのように包まれているかを記述する一対のインデックス（n,m）によって指定されます。

これらのインデックスに基づき、CNTは3つの主要なカテゴリに分類され、それぞれが異なる電気的挙動を示します。

アームチェア型：完全な導体

グラフェンシートが真っ直ぐに巻かれ、チューブの円周に沿って椅子の肘掛けに似たパターンが形成される場合、それはアームチェア型ナノチューブと呼ばれます。

アームチェア型ナノチューブは常に金属的です。それらは、その原子構造が電子が流れるための直接的で遮るもののない経路を提供するため、優れた導体となります。

ジグザグ型およびキラル型：可変のチューブ

シートが他の角度で巻かれた場合、それはジグザグ型またはキラル型（「ねじれた」を意味する）ナノチューブを形成します。

これらのタイプは、その正確な幾何学的構造に応じて、金属的または半導体的のいずれかになります。簡単な経験則があります。もしそれらの(n,m)インデックスの差が3の倍数であれば、チューブは金属のように振る舞います。そうでない場合は、半導体のように振る舞います。

導電性の比較

ボールリスティック伝導

理想的な条件下では、電子は短いカーボンナノチューブを原子に散乱することなく通過することができます。これはボールリスティック伝導として知られる現象です。

これにより、ほぼ抵抗のない電子の流れが可能になり、CNTは、電子が材料の格子に絶えず衝突し、熱とエネルギー損失を発生させる銅などの従来の導体よりも理論的に優れています。

電流搬送能力

カーボンナノチューブは、信じられないほど高い電流搬送能力（アンペア容量）も備えています。それらは、溶融したり劣化したりすることなく、銅の1,000倍以上の電流密度に耐えることができます。

トレードオフの理解

CNTの驚くべき特性は実験室ではよく確立されていますが、それらの実用的な大規模応用には大きな障害が伴います。

合成の問題

化学気相成長法などの現在の合成法では、ナノチューブの混合物が生成されます。結果として得られる材料は、さまざまな直径とキラリティーを持つ金属的および半導体的チューブのランダムな寄せ集めです。

ほとんどの電子用途にとって、この混合物は使用できません。混合チューブで作られたワイヤーは一貫性のない特性を持ち、それから作られたトランジスタは信頼性が低くなります。

分離の課題

合成によって混合物が生成されるため、研究者は金属的チューブを半導体的チューブから分離するために後処理を行う必要があります。

この選別プロセスは複雑で費用がかかり、CNTベースの電子機器の商業化における主要なボトルネックであり続けています。

接触抵抗

微小なナノチューブと、回路基板の配線のような巨視的な金属ワイヤーとの間に、クリーンで低抵抗の電気的接続を作成することは極めて困難です。

接触不良は大きな抵抗を導入する可能性があり、ナノチューブ固有の低内部抵抗の利点を打ち消してしまいます。

目的に合った適切な選択をする

「適切な」カーボンナノチューブの種類は、意図された用途に完全に依存します。

次世代トランジスタに主な焦点を当てている場合： デジタルロジックの1と0を表すためにオン/オフ切り替えが可能な、純粋な半導体的CNTを分離する必要があります。
透明導電膜または配線に主な焦点を当てている場合： 低抵抗で高アンペア容量の電気経路を作成するために、純粋な金属的CNTを分離する必要があります。
導電性複合材料の作成に主な焦点を当てている場合： ポリマーなどのバルク材料に電気伝導性と機械的強度を加えるには、CNTタイプの混合物で十分な場合があります。

カーボンナノチューブの完全な可能性を引き出すことは、原子レベルでその構造を制御する能力にかかっています。

要約表：

特性	金属的CNT	半導体的CNT
電気的挙動	優れた導体（銅のような）	オン/オフ切り替え可能（シリコンのような）
主な特徴	アームチェア構造。ボールリスティック伝導	導電性にはエネルギーギャップが必要
主な用途	配線、透明導電膜	トランジスタ、デジタルロジック