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明細書 :複合ナノワイヤー及びその製造方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4936039号 (P4936039)
公開番号 特開2007-055836 (P2007-055836A)
登録日 平成24年3月2日(2012.3.2)
発行日 平成24年5月23日(2012.5.23)
公開日 平成19年3月8日(2007.3.8)
発明の名称または考案の名称 複合ナノワイヤー及びその製造方法
国際特許分類 C01B  33/00        (2006.01)
D01F   9/08        (2006.01)
B82B   1/00        (2006.01)
B82B   3/00        (2006.01)
FI C01B 33/00
D01F 9/08 Z
B82B 1/00
B82B 3/00
請求項の数または発明の数 6
全頁数 9
出願番号 特願2005-241858 (P2005-241858)
出願日 平成17年8月23日(2005.8.23)
審査請求日 平成20年8月23日(2008.8.23)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】301023238
【氏名又は名称】独立行政法人物質・材料研究機構
発明者または考案者 【氏名】板東 義雄
【氏名】ジンファ ツァン
【氏名】フー ジンツー
【氏名】デミトリー ゴルバーグ
個別代理人の代理人 【識別番号】100082876、【弁理士】、【氏名又は名称】平山 一幸
【識別番号】100109807、【弁理士】、【氏名又は名称】篠田 哲也
審査官 【審査官】大工原 大二
参考文献・文献 特開2005-046927(JP,A)
特開2004-299011(JP,A)
Von B.Krebs und J.Mandt,Struktur und Eigenschaften von Cd4SiS6 Zur Kenntnis von Cd4SiSe6,Z.Anorg.Allg.Chemie,1972年 3月,388,193-206
調査した分野 C01B 33/00-33/193
C01G 1/00-99/00
特許請求の範囲 【請求項1】
カドミウムチオシリケートと珪素とからなることを特徴とする、複合ナノワイヤー。
【請求項2】
前記カドミウムチオシリケートからなるナノワイヤーと前記珪素からなるナノワイヤーとが、長手方向に接合してなることを特徴とする、請求項1記載の複合ナノワイヤー。
【請求項3】
前記複合ナノワイヤーの直径が、約130nmであることを特徴とする、請求項1記載の複合ナノワイヤー。
【請求項4】
前記複合ナノワイヤーが、前記珪素からなるナノワイヤーを芯とし、前記カドミウムチオシリケートからなるナノワイヤーを鞘とした、芯鞘構造を有していることを特徴とする、請求項1記載の複合ナノワイヤー。
【請求項5】
前記芯の直径が約60nmであり、前記鞘の直径が100~120nmであることを特徴とする、請求項4記載の複合ナノワイヤー。
【請求項6】
硫化カドミウム粉末と珪素粉末と硫化スズ粉末との混合物を、窒素ガス気流中において800~1200℃で0.2~1.5時間加熱し、カドミウムチオシリケートと珪素とからなる複合ナノワイヤーを合成することを特徴とする、複合ナノワイヤーの製造方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、エレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの分野において有用なカドミウムチオシリケートと珪素とからなる、複合ナノワイヤー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
珪素は、エレクトロニクスの分野において最も主要な材料として長期間君臨してきた。一方、カドミウムチオシリケートは、単斜晶系に属する無機材料として知られている(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】

【非特許文献1】V.B.Krebs,他、Z.Anorg.Allg.Chemie, 388巻、193 頁、1972年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、珪素とカドミウムチオシリケートとの二つの材料が同時に生成されるような反応場においてどのような形態の結晶が成長するかについては、明らかにされていなかった。
【0005】
本発明は上記の状況に鑑み、今までに知られていなかった新規な、カドミウムチオシリケートと珪素とからなる複合ナノワイヤー及びその製造方法とを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明の複合ナノワイヤーは、カドミウムチオシリケートと珪素とからなることを特徴とする。
上記構成において、複合ナノワイヤーは、好ましくは、カドミウムチオシリケートからなるナノワイヤーと珪素からなるナノワイヤーとが、長手方向に接合してなる。この複合ナノワイヤーの直径は、好ましくは、約130nmである。
また、複合ナノワイヤーは、好ましくは、珪素からなるナノワイヤーを芯とし、カドミウムチオシリケートからなるナノワイヤーを鞘とした、芯鞘構造を有している。芯の直径は、好ましくは約60nmであり、鞘の直径が100~120nmである。
【0007】
上記構成によれば、珪素とカドミウムチオシリケートとからなる複合ナノワイヤー、具体的には、珪素ナノワイヤーとカドミウムチオシリケートナノワイヤーとが、長手方向に接合してなる複合ナノワイヤーや、珪素の芯とカドミウムチオシリケートの鞘とからなる芯鞘構造を有する複合ナノワイヤーを提供することができる。このナノ構造物は、エレクトロニクスやオプトエレクトロニクス分野の各種デバイス用材料として用いることができる。
【0008】
本発明の複合ナノワイヤーの製造方法は、硫化カドミウム粉末と珪素粉末と硫化スズ粉末との混合物を、窒素ガス気流中において、800~1200℃で0.2~1.5時間加熱し、カドミウムチオシリケートと珪素とからなる複合ナノワイヤーを合成することを特徴とする。
【0009】
上記構成によれば、硫化カドミウム粉末と珪素粉末と硫化スズ粉末との混合物を、窒素ガスを流しながら加熱することにより、ナノメートルサイズの寸法を有し、珪素とカドミウムチオシリケートとからなる複合ナノワイヤーを製造することができる。
【発明の効果】
【0010】
本発明により、原料を加熱するだけの非常に簡便な方法によりカドミウムチオシリケートと珪素とからなる複合ナノワイヤーを製造することができ、エレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの分野において有用な複合ナノワイヤーを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明の複合ナノワイヤーを製造する加熱炉の模式的な断面図である。この装置を例に製造方法を説明する。
加熱炉1は、坩堝2と、坩堝2を収容する誘導加熱円筒管3と、誘導加熱円筒管3を収容する反応管4と、反応管4の外に配置した高周波誘導加熱用コイル5と、を含み構成されている。
反応管4は溶融石英管などからなり、反応管4を気密的に保持する上部フランジ6及び下部フランジ7が、反応管4の両端に設けられている。上部フランジ6及び下部フランジ7には、窒素ガスの流入口8,9がそれぞれ配設され、下部のフランジ7には、窒素ガスの排出口10が配設されている。また、グラファイトなどからなる誘導加熱円筒管3の外側は、断熱材となる炭素繊維11で被覆されている。そして、誘導加熱円筒管3の上部及び下部に窒素ガス流入用のカーボン製の管12,13が配設されており、下部の窒素ガス流入用カーボン管13は、窒素ガスの流入口9に接続されている。
さらに、上部フランジ6には、坩堝2の温度を測定するためのプリズムを有する窓部14が配設されている。この窓部14から、図示しないパイロメータなどの放射温度計により、坩堝2及びこの坩堝2を収容する誘導加熱円筒管3の測温がされる。
ここで、加熱炉1は、縦型に限らず横型でもよい。また、加熱方法は、高周波誘導加熱に限らず、坩堝2を加熱できるランプ加熱による加熱装置であってもよい。
【0012】
図1の装置を用いて本発明の複合ナノワイヤーを製造する方法について説明する。
最初に、硫化カドミウム(CdS)粉末と珪素(Si)粉末と硫化スズ(SnS)粉末との混合物15を、グラファイト製の坩堝2に入れる。
次に、この坩堝2を、断熱材となる炭素繊維で覆われたグラファイト製の誘導加熱円筒管3に入れて、加熱炉1の中央部に設置する。
そして、反応管4内を減圧した後に、窒素ガスを流しながら、800~1200℃で0.2~1.5時間加熱する。
【0013】
この際、硫化カドミウム粉末と珪素粉末とのモル比は、0.5:1~1.5:1の範囲が好ましい。この範囲よりも硫化カドミウムのモル数が多いと、蒸発量が多すぎて無駄になり好ましくない。逆に、この好ましい範囲よりも硫化カドミウムのモル数が少ないと、珪素が多すぎて全部消費されないので好ましくない。
【0014】
触媒として作用する硫化スズの量は、原料全量に対して、0.1~2モル%の範囲が好ましい。この範囲より硫化スズの量が多いと、最終生成物の中にスズが混入するので好ましくない。逆に好ましい範囲より硫化スズが少ないと、複合ナノワイヤーが十分効果的に成長しないので、好ましくない。
【0015】
坩堝2の合成温度、すなわち、窒素ガスを流しながら坩堝2を加熱する温度は、800~1200℃の範囲が好ましい。加熱温度が1200℃で原料が十分蒸発するので、1200℃より高い温度にする必要はない。逆に、この好ましい範囲より低い温度だと収量が低下するので好ましくない。
【0016】
また、上記温度における加熱時間は、0.2~1.5時間の範囲が好ましい。1.5時間で十分に反応が進行するのでこれ以上の時間をかける必要はない。逆に、0.2時間未満の加熱時間では収量が低下するので好ましくない。
【0017】
窒素ガス16の流量は、100~3000sccmの範囲が好ましい。sccm(standard cubic cm per minute)は、cm3 /分、0℃において、1013hPaに換算した場合の流量を表す単位である。窒素ガス16の流量が3000sccmより多いと、生成物が飛散して好ましくない。逆に、窒素ガス16の流量が100sccm未満の流量では生成物が十分得られないので好ましくない。
【0018】
このような操作を施すことにより、グラファイト製の誘導加熱円筒管3の出口に黄色の粉末が堆積する。
【0019】
上記の製造方法によれば、本発明の複合ナノワイヤー、即ち、珪素からなるナノワイヤーとカドミウムチオシリケート(Cd4 SiS6 )からなるナノワイヤーとが長手方向に接合した複合ナノワイヤーや、珪素からなるナノワイヤーを芯とし、カドミウムチオシリケートからなるナノワイヤーを鞘とする芯鞘構造、所謂コア-シェル型の複合ナノワイヤーを得ることができる。
【実施例】
【0020】
次に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
硫化カドミウム粉末(高純度化学研究所製、純度99.9%)を1.44gと珪素粉末(高純度化学研究所製、純度99.999%)を0.28gと硫化スズ(高純度化学研究所製の純度99.9%)を0.01gとした混合物15を、グラファイト製の坩堝2に入れ、この坩堝2をグラファイト製の誘導加熱円筒管3に挿入し、加熱炉1の中央部に設置した。
【0021】
次に、加熱炉1の反応管4内をおよそ10-3Paまで減圧にした後、窒素ガスを1000sccmの流量で流しながら、1000℃で1時間加熱した。
その後、加熱炉1を室温に冷却したところ、加熱時に約600℃になっていた誘導加熱円筒管3の出口に、黄色の粉末が0.1g堆積した。
【0022】
図2は、実施例で合成した黄色粉末のX線回折パターンを示す図である。図の縦軸は、回折X線強度(任意目盛り)であり、横軸は角度(°)、すなわち、X線の原子面への入射角θの2倍に相当する角度である。
図2から分かるように、実施例で合成された黄色の粉末には、立方晶系の珪素と格子定数a=12.34Å、b=7.089Å、c=12.35Åを有する単斜晶系のカドミウムチオシリケートとが、共存していることが分かった。
【0023】
図3は、実施例で合成した黄色粉末の走査型電子顕微鏡像を示す図である。図3から、実施例で合成した黄色粉末は、一次元のナノワイヤーであることが分かる。
【0024】
図4は、実施例で合成した黄色粉末の透過型電子顕微鏡像を示す図である。図4から、先端に球状物(図4のAの部分)を有し、明るく写っている部分(図4のBの部分)のナノワイヤーと暗く写っている部分(図4のCの部分)のナノワイヤーとが長手方向に接合した複合ナノワイヤーが生成したことが分かった。また、この複合ナノワイヤーの直径は約130nmであることも分かった。
【0025】
図5は、図4に示した先端の球状物のエネルギー分散型X線分析(EDX: Energy-Dispersive X-ray Analysis )による測定結果を示す図である。図の縦軸はX線強度(任意目盛り)を示し、横軸はX線のエネルギー(keV)を示している。図5から、先端の球状物は金属スズであることが分かった。
【0026】
図6は、図4のBの箇所のエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。図の縦軸はX線強度(任意目盛り)を示し、横軸はX線のエネルギー(keV)を示している。図6から、図4のBの箇所、すなわち、明るく写っている部分は珪素からなる組成であることが分かった。
【0027】
図7は、図4のCの箇所のエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。図7から、図4のCの箇所、すなわち、暗く写っている部分は、カドミウムと硫黄と珪素とからなることが分かった。
以上の結果から、実施例で合成した黄色粉末には、カドミウムチオシリケートからなるナノワイヤーと珪素からなるナノワイヤーとが平行方向、すなわち、長手方向に接合した複合ナノワイヤーが生成していることが分かった。
【0028】
図8は、実施例で合成した黄色粉末のうち、図4で観察した部分と異なる部分から採取した試料の透過型電子顕微鏡像を示す図である。図8から、鞘と芯を有するコア-シェル型の複合ナノワイヤーが生成していることが分かった。
【0029】
図9は、図8のコア-シェル型の複合ナノワイヤーに収束電子ビームを照射した後の透過電子顕微鏡像を示す図である。図9から、コア-シェル型の複合ナノワイヤーに収束電子ビームを照射することで、鞘の部分が除去されることが分かった。
図8及び図9から、鞘の直径(外径)が約110nmで、芯の直径が約60nmであることが明らかとなった。
【0030】
図10は、図8のコア-シェル型の複合ナノワイヤーのエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。図10から、コア-シェル型の複合ナノワイヤーの成分は、珪素とカドミウムと硫黄とからなることが分かった。
【0031】
図11は、図9に示す芯部分の複合ナノワイヤーのエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。図11から、芯の部分は珪素からなる組成であることが分かった。
これにより、図2、図8、図10、図11の結果から、鞘の部分がカドミウムチオシリケートからなり、芯の部分が珪素からなるコア-シェル型の複合ナノワイヤーが生成したことが分かった。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明によれば、カドミウムチオシリケートからなるナノワイヤーと珪素からなるナノワイヤーとの複合ナノワイヤーを得ることができるので、エレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの分野における応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明の複合ナノワイヤーを製造する加熱炉の模式的な断面図である。
【図2】実施例で合成した黄色粉末のX線回折パターンを示す図である。
【図3】実施例で合成した黄色粉末の走査型電子顕微鏡像を示す図である。
【図4】実施例で合成した黄色粉末の透過型電子顕微鏡像を示す図である。
【図5】図4に示した先端の球状物のエネルギー分散型X線分析(EDX: Energy-Dispersive X-ray Analysis )による測定結果を示す図である。
【図6】図4のBの箇所のエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。
【図7】図4のCの箇所のエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。
【図8】実施例で合成した黄色粉末のうち図4で観察した部分と異なる部分から採取した試料の透過型電子顕微鏡像を示す図である。
【図9】図8のコア-シェル型の複合ナノワイヤーに収束電子ビームを照射した後の透過電子顕微鏡像を示す図である。
【図10】図8のコア-シェル型の複合ナノワイヤーのエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。
【図11】図9に示す芯部分のナノワイヤーのエネルギー分散型X線分析による測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【0034】
1:加熱炉
2:坩堝
3:誘導加熱円筒管
4:反応管
5:高周波誘導加熱用コイル
6:上部フランジ
7:下部フランジ
8,9:窒素ガスの流入口
10:窒素ガスの排出口
11:炭素繊維
12,13:カーボン製管
14:窓部
15:硫化カドミウム粉末と珪素粉末と硫化スズ粉末とからなる混合物
16:窒素ガス
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図5】
2
【図6】
3
【図7】
4
【図10】
5
【図11】
6
【図3】
7
【図4】
8
【図8】
9
【図9】
10