JP2003191200A - Ge3N4 NANO BELT AND METHOD OF MANUFACTURING IT - Google Patents

Ge3N4 NANO BELT AND METHOD OF MANUFACTURING IT

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JP2003191200A
JP2003191200A JP2001402986A JP2001402986A JP2003191200A JP 2003191200 A JP2003191200 A JP 2003191200A JP 2001402986 A JP2001402986 A JP 2001402986A JP 2001402986 A JP2001402986 A JP 2001402986A JP 2003191200 A JP2003191200 A JP 2003191200A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new Ge<SB>3</SB>N<SB>4</SB>nano belt, which will become very useful in the future of semiconductor nano technology and method of manufacturing the Ge<SB>3</SB>N<SB>4</SB>nano belt. <P>SOLUTION: This Ge<SB>3</SB>N<SB>4</SB>nano belt has not a circular but a square cross section and long length and includes Ge<SB>3</SB>N<SB>4</SB>. This method comprises a step of mixing the powder of Ge and SiO<SB>2</SB>, and a step of covering this mixed powder with activated carbon particles, a step of heating the mixed powder with activated carbon particles in NH<SB>3</SB>atmosphere to make it grow into a form of Ge<SB>3</SB>N<SB>4</SB>nano belt and a step of cooling Ge<SB>3</SB>N<SB>4</SB>having a form of belt. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

(技術分野)本発明は、Geナノベルトとその製
造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、将来の半
導体ナノ技術における応用として有用な新規なGe
ナノベルトとその製造方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a Ge 3 N 4 nanobelt and a method for producing the same. More specifically, the present invention provides a novel Ge 3 N useful for future semiconductor nanotechnology applications.
4 Nanobelt and its manufacturing method.

【0001】(従来の技術)窒化ゲルマニウム(Ge
)は、半導体技術において重要な誘電体材料であ
る。これは、水に可溶であるという致命的な弱点を有す
るGeO材料にとって代わり、高性能相補形金属酸化
物半導体(CMOS)ゲルマニウムデバイスにおいて今
後発展するであろうと期待されている有望な材料であ
る。そしてこのGeは、現在までにMOS電界効
果トランジスタ(MOSFET)を含む金属酸化物半導
体(MOS)デバイス内に集積されており、急速熱アニ
ール(RTA)温度に耐えられること、生成熱が低いこ
と、ヒステリシスが無視できること、そして電流ドリフ
トが低いことの利点から、Ge−InP、Ge
−GaAs金属−絶縁体−半導体電界効果トランジ
スタ(MISFET)として製造されている。
(Prior Art) Germanium Nitride (Ge 3
N 4 ) is an important dielectric material in semiconductor technology. This is a promising material that is expected to develop in high performance complementary metal oxide semiconductor (CMOS) germanium devices, replacing the GeO 2 material, which has the fatal weakness of being soluble in water. is there. This Ge 3 N 4 has been integrated in a metal oxide semiconductor (MOS) device including a MOS field effect transistor (MOSFET) to date, and can withstand a rapid thermal anneal (RTA) temperature and generate heat. Ge 3 N 4 -InP, Ge 3 are advantageous because of their lowness, negligible hysteresis, and low current drift.
N 4 -GaAs metal - insulator - are manufactured as semiconductor field effect transistor (MISFET).

【0002】このような材料において、Geは、
二次元薄膜として製造されている。しかし、Ge
の一次元(ID)ナノスケール材料の製造については、
誰も未だ報告していない。おそらく、一般的にIDナノ
スケールの誘電材料に対する関心が低く、Ge
IDナノスケール材料に関する研究が無視されてきたた
めである。
In such materials, Ge 3 N 4 is
It is manufactured as a two-dimensional thin film. However, Ge 3 N 4
For the production of one-dimensional (ID) nanoscale materials
No one has reported yet. Perhaps because of the generally low interest in ID nanoscale dielectric materials, studies of Ge 3 N 4 ID nanoscale materials have been neglected.

【0003】よく知られているように、IDナノスケー
ル材料に関する数多くの研究は、1991年のカーボン
ナノチューブ(CNT)のパイオニア研究により刺激さ
れた。そして、それ以来、BN、WS、B
およびMoSからなるナノチューブ以外にも、他の種
々の固体のIDナノスケール材料が合成され、研究され
た。これらは、高温超伝導(HTSC)材料、たとえ
ば、HTSC材料であるイットリウム−バリウム−銅−
酸化物やそれに関するMgOのナノロッド、磁性材料で
あるFeのナノワイヤ、伝導体材料であるPtのナノス
ケールネットワーク、硬質材料であるSiC、Si
のナノロッド、である。さらに、半導体材料であるS
i、Ge、GaN、GaAs、ZnO、SnO、In
およびCdOのナノワイヤおよびナノベルトも研
究されている。
As is well known, numerous studies on ID nanoscale materials have been stimulated by the pioneering work of carbon nanotubes (CNTs) in 1991. And, since then, BN, WS 2, B x C y N z
Besides nanotubes consisting of MoS 2 and MoS 2 , various other solid state ID nanoscale materials have been synthesized and studied. These are high temperature superconducting (HTSC) materials, such as the HTSC material yttrium-barium-copper-.
Oxides and related MgO nanorods, magnetic Fe nanowires, conductor Pt nanoscale networks, hard materials SiC, Si 3 N
4 nanorods. Furthermore, S which is a semiconductor material
i, Ge, GaN, GaAs, ZnO, SnO 2 , In
2 O 3 and CdO nanowires and nanobelts have also been investigated.

【0004】これらの1Dナノスケール材料は、科学的
関心に加え、これらが将来のナノ技術における様々な応
用に有用となると考えられて製造された。そして同様
に、将来のナノ技術によって様々に応用できるGe
の1Dナノスケール材料の実現が期待されている。
In addition to scientific interest, these 1D nanoscale materials were manufactured with the belief that they would be useful for various applications in future nanotechnology. And similarly, Ge 3 N, which can be applied in various ways by future nanotechnology,
Realization of 4 1D nanoscale materials is expected.

【0005】そこで、本発明は、以上の問題点を解消
し、将来の半導体ナノ技術において極めて有用な、新規
な1Dナノスケール材料としてのGeナノベルト
と、このGeナノベルトの製造方法を提供するこ
とを目的としている。
Therefore, the present invention solves the above problems and is extremely useful in future semiconductor nanotechnology, and is a novel 1D nanoscale material Ge 3 N 4 nanobelt and production of this Ge 3 N 4 nanobelt. It is intended to provide a way.

【0006】(発明の概要)本発明は、上記の課題を解
決するものとして、第1に、断面が円形ではなく四角形
であり、長さが長い、ベルト形状を有するGe
含むことを特徴とするGeナノベルトを提供す
る。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention firstly includes Ge 3 N 4 having a belt shape having a long cross section that is a quadrangle rather than a circle. Ge 3 N 4 nanobelts are provided.

【0007】また本発明は、第2に、幅が30〜300
nmの範囲内であり、厚さが150nm以下であり、長
さが1μm以上である、第1の本発明に関するGe
ナノベルトを提供する。本発明は、第3には、該Ge
がα−Geを含み、(0001)面と
Secondly, the present invention has a width of 30 to 300.
Ge 3 N according to the first invention, which is in the range of nm, has a thickness of 150 nm or less, and has a length of 1 μm or more.
Provide 4 nanobelts. Thirdly, the present invention relates to the Ge
3 N 4 includes α-Ge 3 N 4 and has a (0001) plane

【0008】との間の角度が92°である、第1または
第2の本発明に関するGeナノベルトを提供す
る。本発明は、第4には、該Geがβ−Ge
を含み、ベルト軸方向と[0001]方向との間の角
度が7°である、第1または第2の本発明に関するGe
ナノベルトを提供する。
There is provided a Ge 3 N 4 nanobelt according to the first or second invention, wherein the angle between and is 92 °. In the fourth aspect of the present invention, the Ge 3 N 4 is β-Ge 3 N.
4 wherein the angle between the belt-axis direction and the [0001] direction, which is the 7 °, Ge for the first or second aspect of the present invention
Provide a 3 N 4 nanobelt.

【0009】また、本発明は、第5には、Ge
ノベルトの製造方法であって、GeとSiO粉末を混
合する工程、この混合粉末を活性炭粒子で覆う工程、活
性炭粒子で覆われた混合粉末を加熱して、Ge
ベルト形状に成長させる工程、およびベルト形状を有す
るGeを冷却する工程を含む方法を提供する。
A fifth aspect of the present invention is a method for manufacturing a Ge 3 N 4 nanobelt, which comprises mixing Ge and SiO 2 powder, covering the mixed powder with activated carbon particles, and covering with activated carbon particles. A method is provided that includes the steps of heating the mixed powder thus obtained to grow Ge 3 N 4 into a belt shape, and cooling the Ge 3 N 4 having a belt shape.

【0010】さらに本発明は、第6には、GeとSiO
との混合比が、重量で1〜1.2:1である、第5の
発明に関するGeナノベルトの製造方法を提供す
る。本発明は、第7には、加熱を、800〜860℃で
1時間以上実施する、第5または第6の本発明に関する
Geナノベルトの製造方法を提供する。本発明
は、第8には、該NH雰囲気が、100〜400cm
/分のNH流である、第5〜第7の本発明のいずれ
かに関するGeナノベルトの製造方法を提供す
る。
In the sixth aspect of the present invention, Ge and SiO
A method for producing a Ge 3 N 4 nanobelt according to the fifth invention, wherein the mixing ratio with 2 is 1 to 1.2: 1 by weight. The present invention, in the seventh, heating is carried out for 1 hour or more at eight hundred to eight hundred sixty ° C., to provide a Ge 3 N 4 nanobelts manufacturing method of the related invention of the fifth or sixth. In the eighth aspect of the present invention, the NH 3 atmosphere is 100 to 400 cm.
3 / is the partial NH 3 flow of, to provide a method for manufacturing a fifth to seventh Ge 3 N 4 nanobelt for any of the present invention.

【0011】(発明の詳細な説明)本発明が提供するG
ナノベルトは、断面が円形ではなく四角形であ
り、そして長さが長いベルト形状を有するGe
含まれる。より詳細に述べると、このGeナノベ
ルトはベルト形状を有するGeであって、その幅
が30〜300nmの範囲内であり、厚さが150nm
以下であり、そして長さが1μm以上のものを含んでい
る。そして、このGeナノベルトは、Ge+Si
の混合粉末をNH雰囲気中で熱還元することによ
り製造することができる。本発明のGeナノベル
トの特徴について、本発明のGeナノベルトの製
造方法の説明と併せて、以下に説明する。
Detailed Description of the Invention G provided by the present invention
The e 3 N 4 nanobelts include Ge 3 N 4 having a rectangular cross section rather than a circular cross section and having a long belt shape. More specifically, this Ge 3 N 4 nanobelt is a belt-shaped Ge 3 N 4 having a width in the range of 30 to 300 nm and a thickness of 150 nm.
And the length is 1 μm or more. And this Ge 3 N 4 nanobelt is Ge + Si
It can be manufactured by thermally reducing a mixed powder of O 2 in an NH 3 atmosphere. The features of the Ge 3 N 4 nanobelt of the present invention will be described below together with the description of the method for producing the Ge 3 N 4 nanobelt of the present invention.

【0012】本発明のGeナノベルトの製造方法
は、GeとSiO粉末を混合する工程、この混合粉末
を活性炭粒子で覆う工程、これらをNH雰囲気で加熱
する工程、および冷却する工程を含んでいる。
The method for producing a Ge 3 N 4 nanobelt according to the present invention comprises a step of mixing Ge and SiO 2 powder, a step of covering the mixed powder with activated carbon particles, a step of heating them in an NH 3 atmosphere, and a step of cooling. Is included.

【0013】Ge材料の合成には、各種の装置、
例えば、図5に例示したような水平炉を使用することが
できる。この図5の装置では、直径〜2cm、長さ〜2
cmの窒化ホウ素(BN)製るつぼ(4)が炉(1)の
中心に設置されている。また、この装置には、低周波ま
たは高周波コイルのような加熱コイル(4)が設けら
れ、一方の端には入口パイプ(2)が、そして他方の端
には出口パイプ(3)が設けられている。
Various devices were used to synthesize the Ge 3 N 4 material,
For example, a horizontal furnace as illustrated in FIG. 5 can be used. In this device of FIG. 5, the diameter is ˜2 cm and the length is ˜2.
A cm3 boron nitride (BN) crucible (4) is installed in the center of the furnace (1). The device is also provided with a heating coil (4), such as a low or high frequency coil, an inlet pipe (2) at one end and an outlet pipe (3) at the other end. ing.

【0014】本発明の方法の第1の工程では、出発物質
としてのGeおよびSiO粉末が、〜1.2:1、よ
り好ましくは、1〜1.2:1の重量比で、均一に混合
される。このGe+SiO混合粉末(5)を、図5の
下部に示すように、BNるつぼ(4)の中に入れる。そ
して、第2工程において、このGe+SiO混合粉末
(5)を、活性炭粉末の薄い層(6)、好ましくは、高
純度の活性炭粉末であって、さらに好ましくはCナノ粒
子を含有するもの、で覆うようにする。
In the first step of the process of the invention, the starting Ge and SiO 2 powders are homogeneously mixed in a weight ratio of ˜1.2: 1, more preferably 1 to 1.2: 1. Mixed. This Ge + SiO 2 mixed powder (5) is put into a BN crucible (4) as shown in the lower part of FIG. Then, in the second step, the Ge + SiO 2 mixed powder (5) is used as a thin layer (6) of activated carbon powder, preferably high-purity activated carbon powder, and more preferably containing C nanoparticles. Try to cover.

【0015】第3工程では、薄い炭素層(6)を有する
Ge+SiO混合粉末(5)を、NH雰囲気で加熱
して、Geをベルト形状に成長させ、第4工程で
このベルト形状を有するGeを冷却する。より詳
細には、加熱に先立ってNH流を入口パイプ(2)を
通じて炉(1)内に十分な時間導入して、炉(1)から
を追い出す。次いで、薄い炭素層(6)を有するG
e+SiO混合粉末(5)を、NH雰囲気内で加熱
する。本発明において、800〜860℃で1時間以上
の加熱が目安となる。更には、特に好ましい加熱とし
て、300cm/分のNH気流下で、850℃で2
時間の加熱が例示される。冷却工程においては、ベルト
形状を有するGeが、例えば、室温にまで完全に
冷却するまで、NHを流し続ける。
In the third step, the Ge + SiO 2 mixed powder (5) having a thin carbon layer (6) is heated in an NH 3 atmosphere to grow Ge 3 N 4 into a belt shape. Cool Ge 3 N 4 with shape. More specifically, a stream of NH 3 is introduced into the furnace (1) through the inlet pipe (2) for a sufficient time prior to heating to drive O 2 out of the furnace (1). Then G with a thin carbon layer (6)
The e + SiO 2 mixed powder (5) is heated in an NH 3 atmosphere. In the present invention, heating at 800 to 860 ° C. for 1 hour or longer is a standard. Further, as particularly preferable heating, under a NH 3 gas stream of 300 cm 3 / min, at 850 ° C. for 2 hours.
Time heating is illustrated. In the cooling step, NH 3 is kept flowing until Ge 3 N 4 having a belt shape is completely cooled to, for example, room temperature.

【0016】その結果、薄い炭素層の表面上に、ベルト
形状を有するGeを、白色の堅い外皮のようなも
のとして見ることができる。次いで、この薄い炭素層を
アルコール等の溶媒中に分散させることによって、本発
明のGeナノベルトを堆積物として得ることがで
きる。
As a result, on the surface of the thin carbon layer, Ge 3 N 4 with a belt shape can be seen as a white hard skin. Then, the thin carbon layer is dispersed in a solvent such as alcohol to obtain the Ge 3 N 4 nanobelt of the present invention as a deposit.

【0017】本発明において、Geナノベルト
は、下記の反応に基づく熱的還元により得られると考え
られる。
In the present invention, Ge 3 N 4 nanobelts are considered to be obtained by thermal reduction based on the following reaction.

【0018】本発明の方法においては、揮発性物質であ
るGeOが次の反応により発生し、Ge(固体)+Si
(固体)→GeO(蒸気)+SiO(固体)、次い
で、このGeOがCナノ粒子サイト上でNHガスと反
応して、Geナノベルトが成長する。この方法
は、CNTのテンプレートを必要としないが、Cナノ粒
子によって提供されるGe析出サイトが必要とな
る。
In the method of the present invention, GeO which is a volatile substance is generated by the following reaction, and Ge (solid) + Si
O 2 (solid) → GeO (vapor) + SiO (solid), and this GeO then reacts with NH 3 gas on the C nanoparticle site to grow a Ge 3 N 4 nanobelt. This method does not require a CNT template, but does require Ge 3 N 4 precipitation sites provided by C nanoparticles.

【0019】得られたGeナノベルトにおいて
は、Geの理想的なα相(P31c、a=0.8
202nm、c=0.5941nm)およびβ相(P6
3/m、a=0.8038nm、c=0.3074n
m)から僅かに異なる相の存在が同定された。
In the obtained Ge 3 N 4 nanobelt, the ideal α phase of Ge 3 N 4 (P31c, a = 0.8)
202 nm, c = 0.5941 nm) and β phase (P6
3 / m, a = 0.038 nm, c = 0.3074n
The presence of slightly different phases was identified from m).

【0020】このGeナノベルトをCuメッシュ
上に堆積させ、透過型電子顕微鏡(TEM)の試料を作
成した。このTEM試料を、X線エネルギー分散分光計
(EDS)を備えた300kV電界放射分析電子顕微鏡
(JEM−3000f)により観察した。
This Ge 3 N 4 nanobelt was deposited on a Cu mesh to prepare a transmission electron microscope (TEM) sample. The TEM sample was observed with a 300 kV field emission analysis electron microscope (JEM-3000f) equipped with an X-ray energy dispersive spectrometer (EDS).

【0021】この試料中に、1Dナノスケール材料とし
て多数のGeナノベルトが存在していた。これら
は、前記のように幅が30〜300nmの範囲内であ
り、長さが数μm以上であることが確認された。図1
(a)は、異なる3つの長さの1Dナノスケール材料を
示しており、それぞれをA、B、Cと表される。これら
をその軸の周りに回転させると、その投影幅が変化する
ことがわかった。このことから、これらの1Dナノスケ
ール材料は、その軸に対して垂直な断面が円形ではな
く、四角形の断面を有していると結論付けられる。この
1Dナノスケール材料について観察されたコントラスト
および形状は、SnOナノベルトのもの(Hsu,
W. K.et al.Electrochemica
l formation of novel nano
wires and their dynamic e
ffects.Chem.Phys.Lett.28
4,177−183(1998))と極めて似ているこ
とから、この1Dナノスケール材料はナノベルトとして
認めることができる。更に、この1Dナノスケール材料
の幅に対する厚さの比は、〜1:2であると推定するこ
とができ、殆ど全てのナノベルトの厚さが150nm以
下である。さらに、この3つのナノベルトのEDS分析
からは、図1(b)のEDSスペクトルに示したよう
に、3つのナノベルトがGeおよびNのみを含有してい
ることが分かった。ここで、Cuピークは担体としての
Cu格子から発生している。他の分析結果とも併せる
と、この1Dナノスケール材料は、Ge単結晶か
らなるGeナノベルトであると確認された。10
個以上のGeナノベルトをランダムに選んでED
S分析により調査したところ、全てのEDSスペクトル
は、図1(b)とほぼ同じものである。
There were many Ge 3 N 4 nanobelts as 1D nanoscale materials in this sample. It was confirmed that these had a width within the range of 30 to 300 nm and a length of several μm or more as described above. Figure 1
(A) shows three different lengths of 1D nanoscale material, designated as A, B, and C, respectively. It was found that rotating these about their axis changes their projected width. From this it can be concluded that these 1D nanoscale materials have a square cross section rather than a circular cross section perpendicular to their axis. The contrast and shape observed for this 1D nanoscale material is that of SnO 2 nanobelts (Hsu,
W. K. et al. Electrochemica
l formation of novel nano
wires and ther dynamics
ffects. Chem. Phys. Lett. 28
4,177-183 (1998)), this 1D nanoscale material can be recognized as a nanobelt. Furthermore, the ratio of thickness to width of this 1D nanoscale material can be estimated to be ˜1: 2, with almost all nanobelts having a thickness of 150 nm or less. Further, EDS analysis of these three nanobelts revealed that the three nanobelts contained only Ge and N, as shown in the EDS spectrum of FIG. 1 (b). Here, the Cu peak is generated from the Cu lattice as the carrier. Together with other analysis results, this 1D nanoscale material was confirmed to be a Ge 3 N 4 nanobelt composed of a Ge 3 N 4 single crystal. 10
ED by randomly selecting more than 3 Ge 3 N 4 nanobelts
When examined by S analysis, all EDS spectra are almost the same as in FIG. 1 (b).

【0022】図2(a)は、図1(a)におけるGe
ナノベルトAの暗視野像を示しており、これは、図
2(b)に示した電子回折(ED)パターンにおける
FIG. 2A shows Ge 3 in FIG. 1A.
Figure 4 shows a dark field image of N4 nanobelt A, which is in the electron diffraction (ED) pattern shown in Figure 2 (b).

【0023】を利用している。これは、α−Ge
Is utilized. This is α-Ge 3 N 4
of

【0024】に同定される。そして、 It is identified by And

【0025】の間隔dの測定値は0.702nmおよび
0.453nmであり、これらはα−Geについ
ての理想的な値0.710nmおよび0.456nmと
一致する。ベルト軸は、
The measured spacing d of 0.702 nm and 0.453 nm are in agreement with the ideal values for α-Ge 3 N 4 of 0.710 nm and 0.456 nm. The belt axis is

【0026】に対して垂直である。また、明領域が小さ
いという事実は、Geナノベルトの他の領域にお
いて
Perpendicular to. Also, the fact that the bright region is small is due to the fact that in other regions of the Ge 3 N 4 nanobelt

【0027】が歪んでいることによるものと考えられ、
他の領域の
It is thought that this is due to the distortion of
In other areas

【0028】がブラッグの法則に一致しないという影響
に結びつくと考えられる。コントラストの変化は、電子
ビームの照射下でGeナノベルトが湾曲している
ことによるものである。
Is believed to be linked to the effect that does not conform to Bragg's law. The change in contrast is due to the Ge 3 N 4 nanobelt being curved under the irradiation of the electron beam.

【0029】図3は、α相を有するGeナノベル
トBの高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM)像を示
している。挿入図は、
FIG. 3 shows a high resolution transmission electron microscope (HRTEM) image of a Ge 3 N 4 nanobelt B having an α phase. The inset is

【0030】のEDパターンである。このEDパターン
において、それぞれのスポットには、矢印の方向に沿っ
て縞が有ることが観察された。この現象は、ナノベルト
の形状効果(P.Hirsh,A.Howie,R.
B.Nicholson,D.W.Pashley &
M.J.Whelan,Electron Micr
oscopy of Thin Crystals(L
ondon,Butterworths,1967)
p.98.)に起因しており、この縞の延びの方向は、
It is the ED pattern of In this ED pattern, it was observed that each spot had stripes along the direction of the arrow. This phenomenon is caused by the nanobelt shape effect (P. Hirsh, A. Howie, R. et al.
B. Nicholson, D.M. W. Pashley &
M. J. Whelan, Electron Micro
oscopy of Thin Crystals (L
ondon, Butterworths, 1967)
p. 98. ), The direction of extension of this stripe is

【0031】に垂直なナノベルト軸に対して垂直となっ
ている。Y.L.Liらは、
It is perpendicular to the nanobelt axis perpendicular to. Y. L. Li et al.

【0032】に垂直なベルト軸方向は、同様の構造を有
するα−Siのウィスカーに見出すことができ、
これは最密充填
A belt axis direction perpendicular to can be found in the α-Si 3 N 4 whiskers having a similar structure,
This is the closest packing

【0033】に対して垂直に成長する結果であると説明
している(Jour.Mater.Sci.31,26
77(1996))。この
It has been described that the result is a growth perpendicular to (Jour. Mater. Sci. 31, 26).
77 (1996)). this

【0034】と(0001)面との間隔dは、0.71
0nmおよび0.595nmであり、これらは、それぞ
れα−Geの理想値0.710nmおよび0.5
94nmと一致する。しかしながら、(0001)面と
The distance d between the and (0001) plane is 0.71.
0 nm and 0.595 nm, which are the ideal values for α-Ge 3 N 4 0.710 nm and 0.5, respectively.
It agrees with 94 nm. However, with the (0001) plane

【0035】の間の角度は92°であり、α−Ge
の理想値90°からの差は2°となっている。α−G
材料のこのような現象は未だかつて報告されて
いない。ただし、α′−SiAlONにおいてのみ同様
の現象が観察されていおり、この場合の(0001)面
The angle between the two is 92 °, and α-Ge 3 N
The difference from the ideal value of 90 ° of 4 is 2 °. α-G
Such a phenomenon of the e 3 N 4 material has never been reported. However, the same phenomenon was observed only in α′-SiAlON, and in this case, the (0001) plane

【0036】とのなす角度は91°である。この現象の
原因も明らかにされていない。Dongらは、ある種の
β−Ge材料においては、N−Ge−N結合角が
104°〜111°であるものの、Ge−N6h−Ge
結合角については114°または123°であることを
報告している。このような値は、それぞれ、理想的なN
−Ge−N結合角の109.5°および理想的なGe−
6h−Ge結合角の120°から僅かに異なるもので
ある。本発明のα−Geナノベルトにおける、9
2°という角度は、N−Ge−N結合角およびGe−N
−Ge結合角が、それぞれ、理想値の109.5°およ
び120°からの僅かにずれていることに関係している
と考えられる。
The angle formed by and is 91 °. The cause of this phenomenon has not been clarified. Dong et al. Have reported that for certain β-Ge 3 N 4 materials, the N-Ge-N bond angle is 104 ° -111 °, but Ge-N 6h -Ge.
The bond angle is reported to be 114 ° or 123 °. Such a value is the ideal N
-Ge-N bond angle of 109.5 ° and ideal Ge-
It is slightly different from 120 ° in N 6h -Ge bond angle. 9 in the α-Ge 3 N 4 nanobelt of the present invention
The angle of 2 ° is the N-Ge-N bond angle and Ge-N.
It is believed that the −Ge bond angles are slightly offset from the ideal values of 109.5 ° and 120 °, respectively.

【0037】図4(a)および(b)は、それぞれβ−
Geの形状およびHRTEM像を示すものであ
る。(b)の挿入図は、
FIGS. 4 (a) and 4 (b) respectively show β-
3 shows the shape and HRTEM image of Ge 3 N 4 . The inset of (b) is

【0038】でのEDパターンである。 It is the ED pattern in.

【0039】および0001反射に対応する間隔dは、
それぞれ0.700nmおよび0.309nmである。
これらは、それぞれ、β−Geの理想的な間隔d
である0.696nmおよび0.307nmと一致す
る。また、ベルト軸方向は、[0001]方向とわずか
7°だけ相違している。そして、Geナノベルト
の表面には、記号Sとして示したように幾つかの階段状
のステップが存在している。これらのHRTEM観察に
基づくと、Geナノベルトは、図4(c)に示し
たような成長機構を有することが示唆される。すなわ
ち、Geナノベルトの成長は[0001]方向に
沿っているものの、Geの析出段階において、G
の析出面は
The spacing d corresponding to and 0001 reflections is
They are 0.700 nm and 0.309 nm, respectively.
These are respectively the ideal spacing d of β-Ge 3 N 4.
Which is 0.696 nm and 0.307 nm. The belt axial direction differs from the [0001] direction by only 7 °. Then, on the surface of the Ge 3 N 4 nanobelt, as shown by the symbol S, some step-like steps are present. Based on these HRTEM observations, it is suggested that the Ge 3 N 4 nanobelt has a growth mechanism as shown in FIG. 4 (c). That is, although the growth of the Ge 3 N 4 nanobelt is along the [0001] direction, at the Ge 3 N 4 precipitation stage,
The precipitation surface of e 3 N 4 is

【0040】に沿ってわずかだけれども連続的に移動す
るのである。
There is a slight but continuous movement along.

【0041】合成した材料については、Geナノ
ベルトの先端に金属ナノ粒子は見られなかったし、Si
材料も見出されなかった。上記の観察結果に基づ
くと、本発明のGeナノベルトは、2段階プロセ
スの結果得られるものと仮定される。すなわち、まず最
初の段階で、下記の反応によりGeO蒸気が生成され
る。
With respect to the synthesized material, no metal nanoparticles were found at the tip of the Ge 3 N 4 nanobelt and Si 3 N 4 nanobelt was used.
No 3 N 4 material was also found. Based on the above observations, it is hypothesized that the Ge 3 N 4 nanobelts of the present invention result from a two-step process. That is, in the first step, GeO vapor is generated by the following reaction.

【0042】Ge(固体)+SiO(固体)→GeO
(蒸気)+SiO(固体) 次いで、生成されたGeO蒸気はCナノ粒子の表面に近
づき、下記の蒸気−蒸気−固体(VVS)反応によりG
の結晶核が生成する。
Ge (solid) + SiO 2 (solid) → GeO
(Vapor) + SiO (Solid) Then, the generated GeO vapor approaches the surface of the C nanoparticles, and the Ge-vapor is generated by the following vapor-vapor-solid (VVS) reaction.
Crystal nuclei of e 3 N 4 are generated.

【0043】3GeO(蒸気)+4NH(蒸気)+3
C(固体)→Ge(固体)+3CO(蒸気)+6
(蒸気) これに引き続く蒸気−蒸気(VV)反応により、Ge
核上で軸に沿っての成長が起こる。
3GeO (steam) + 4NH 3 (steam) +3
C (solid) → Ge 3 N 4 (solid) +3 CO (steam) +6
H 2 (steam) Ge 3 by the subsequent steam-steam (VV) reaction
Growth of along the axis on the N 4 nucleus occurs.

【0044】3GeO(蒸気)+4NH(蒸気)→G
(固体)+3HO(蒸気)+3H(蒸気) このVV反応は、VVS反応と比較すると、850℃で
1モルのGe生成のための体積ギブスエネルギー
の変化が差−201KJだけ大きい。従って、体積ギブ
スエネルギーのみを考慮する場合には、VV反応が優勢
となり、VV反応がGeナノベルトの成長に支配
的な役割を果たすようになるのだろう。他方で、VVS
反応のみがCナノ粒子上でその場(in−situ)で
起こる場合には、Cナノ粒子とほぼ同じ大きさの微細な
Geナノ粒子のみが得られることになる。しかし
ながら、表面ギブスエネルギーを考慮する場合には、C
ナノ粒子は表面積が広く、表面ギブスエネルギーが高い
ことから、VVS反応が優勢となって、微細なGe
核が生成されやすくなる。一般的に、ナノベルトの成
長はベルト軸に沿って妨げられることはなく、ナノベル
トの側面において過飽和度が十分に低いことから、ナノ
ベルトの成長はベルト軸に対して垂直の方向に妨害され
るとされている。この説では、図2(a)および図3の
Geナノベルトが異なる軸方向を有するという事
実は、それらの異なる側面上での十分に低い過飽和に起
因されていると考えられる。
3GeO (steam) + 4NH 3 (steam) → G
e 3 N 4 (solid) + 3H 2 O (steam) + 3H 2 (steam) This VV reaction has a difference in volume Gibbs energy difference for the production of 1 mol of Ge 3 N 4 at 850 ° C. as compared with the VVS reaction. Only -201KJ larger. Therefore, if only the Gibbs energy of volume is taken into consideration, the VV reaction will become dominant and the VV reaction will play a dominant role in the growth of Ge 3 N 4 nanobelts. On the other hand, VVS
If only the reaction takes place in-situ on the C nanoparticles, only fine Ge 3 N 4 nanoparticles of about the same size as the C nanoparticles will be obtained. However, when considering the surface Gibbs energy, C
Since the nanoparticles have a large surface area and a high surface Gibbs energy, the VVS reaction becomes dominant and fine Ge 3 N
4 nuclei are easily generated. In general, nanobelt growth is not disturbed along the belt axis, and the degree of supersaturation on the sides of the nanobelt is sufficiently low that nanobelt growth is impeded in a direction perpendicular to the belt axis. ing. In this theory, the fact that the Ge 3 N 4 nanobelts in FIGS. 2 (a) and 3 have different axial directions is believed to be due to sufficiently low supersaturation on their different sides.

【0045】本発明のGeナノベルトは、1Dナ
ノスケール構造および前記の特性を有する新規な誘電材
料Geであり、将来に於ける半導体ナノ技術のた
めの重要な応用のために極めて有用となるであろう。
The Ge 3 N 4 nanobelt of the present invention is a novel dielectric material Ge 3 N 4 having a 1D nanoscale structure and the above-mentioned properties, for important applications for semiconductor nanotechnology in the future. It will be extremely useful.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1(a)は、ナノベルトA、B、およびCの
形態を示し、(b)は、ナノベルトAのEDSスペクト
ルを示しており、ここで、N−Kα(0.39ke
V)、Ge−Lα(1.19keV)、Ge−Kα
(9.88keV)およびGe−Kβ(10.98ke
V)のピークに標識が付けられている。Cuピークは、
担体のCu格子から発生したものである。
FIG. 1 (a) shows the morphology of nanobelts A, B, and C, and (b) shows the EDS spectrum of nanobelt A, where N-Kα (0.39 ke
V), Ge-Lα (1.19 keV), Ge-Kα
(9.88 keV) and Ge-Kβ (10.98 keV)
The peak in V) is labeled. The Cu peak is
It is generated from the Cu lattice of the carrier.

【図2】図2(a)は、(b)に示されたEDパターン
における を使用したナノベルトAの暗視野像を例示し、(b)
は、左側部分に(a)内の明領域からのEDパターンを
示す。右側部分はシミュレートしたα−Geである。
FIG. 2 (a) shows the ED pattern shown in FIG. 2 (b). The dark field image of Nanobelt A using is illustrated, (b)
Shows the ED pattern from the bright region in (a) on the left side. The right part of the simulated α-Ge 3 N 4 Is.

【図3】図3は、ベルトBのHRTEM像を示してい
る。0.710nmおよび0.595nmのd空間を有
する2つの面の間の角度は92°である。挿入図は でのEDパターンである。矢印は、反射スポットでの縞
の方向を示している。
FIG. 3 shows an HRTEM image of Belt B. The angle between two planes with d-spaces of 0.710 nm and 0.595 nm is 92 °. Inset is It is an ED pattern in. The arrow indicates the direction of the stripes at the reflected spot.

【図4】図4(a)は、β−Geナノベルトの形
態を例示し、(b)は、ナノベルトのHRTEM像を示
している。ベルト軸と[0001]方向との間に7°と
いう小さい角度相違が存在し、記号Sで示した段がいく
つか存在する。(c)はナノベルトの成長線図とベルト
軸方向と[0001]方向との間の差異を示している。
FIG. 4 (a) illustrates the morphology of β-Ge 3 N 4 nanobelts, and (b) shows HRTEM images of nanobelts. There is a small angular difference of 7 ° between the belt axis and the [0001] direction, and there are some steps marked S. (C) shows the growth diagram of the nanobelt and the difference between the belt axial direction and the [0001] direction.

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成14年5月22日(2002.5.2
2)
[Submission date] May 22, 2002 (2002.5.2)
2)

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】図面の簡単な説明[Name of item to be corrected] Brief description of the drawing

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1(a)は、ナノベルトA、B、およびCの
形態を示し、(b)は、ナノベルトAのEDSスペクトル
を示しており、ここで、N−Kα(0.39keV)、G
e−Lα(1.19keV)、Ge−Kα(9.88k
eV)およびGe−Kβ(10.98keV)のピーク
に標識が付けられている。Cuピークは、担体のCu格
子から発生したものである。
FIG. 1 (a) shows the morphology of nanobelts A, B, and C, and (b) shows the EDS spectrum of nanobelt A, where N-Kα (0.39 keV), G
e-Lα (1.19 keV), Ge-Kα (9.88 k)
eV) and Ge-Kβ (10.98 keV) peaks are labeled. The Cu peak is generated from the Cu lattice of the carrier.

【図2】図2(a)は、(b)に示されたEDパターン
における を使用したナノベルトAの暗視野像を例示し、(b)
は、左側部分に(a)内の明領域からのEDパターンを
示す。右側部分はシミュレートしたα−Ge34である。
FIG. 2 (a) shows the ED pattern shown in FIG. 2 (b). The dark field image of Nanobelt A using is illustrated, (b)
Shows the ED pattern from the bright region in (a) on the left side. The right part shows the simulated α-Ge 3 N 4 Is.

【図3】図3は、ベルトBのHRTEM像を示してい
る。0.710nmおよび0.595nmのd空間を有
する2つの面の間の角度は92°である。挿入図は でのEDパターンである。矢印は、反射スポットでの縞
の方向を示している。
FIG. 3 shows an HRTEM image of Belt B. The angle between two planes with d-spaces of 0.710 nm and 0.595 nm is 92 °. Inset is It is an ED pattern in. The arrow indicates the direction of the stripes at the reflected spot.

【図4】図4(a)は、β−Ge34ナノベルトの形態
を例示し、(b)は、ナノベルトのHRTEM像を示し
ている。ベルト軸と[0001]方向との間に7°とい
う小さい角度相違が存在し、記号Sで示した段がいくつ
か存在する。(c)はナノベルトの成長線図とベルト軸
方向と[0001]方向との間の差異を示している。
FIG. 4 (a) illustrates the morphology of β-Ge 3 N 4 nanobelts, and (b) shows HRTEM images of nanobelts. There is a small angular difference of 7 ° between the belt axis and the [0001] direction, and there are some steps marked S. (C) shows the growth diagram of the nanobelt and the difference between the belt axial direction and the [0001] direction.

【図5】この出願の発明のGe34ナノベルトの製造にFIG. 5: Manufacturing of Ge 3 N 4 nanobelts of the invention of this application
用いることができる装置の一つとしての水平炉を例示しAs an example of a device that can be used,
た断面模式図である。It is a schematic cross-sectional view.

【符号の説明】[Explanation of symbols] 1 炉1 furnace 2 入口パイプ2 inlet pipe 3 出口パイプ3 outlet pipe 4 窒化ホウ素製るつぼ4 Boron nitride crucible 5 Ge+SiO2混合粉末5 Ge + SiO 2 mixed powder 6 炭素層6 carbon layer 7 加熱コイル7 heating coil

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G077 AA01 AA10 BE11 DB28 DB30 HA20 TA02    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 4G077 AA01 AA10 BE11 DB28 DB30                       HA20 TA02

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 断面が円形ではなく四角形であり、長さ
が長い、ベルト形状を有するGeを含むことを特
徴とするGeナノベルト。
1. A Ge 3 N 4 nanobelt comprising a belt-shaped Ge 3 N 4 having a quadrangular shape instead of a circular shape and a long length.
【請求項2】 幅が30〜300nmの範囲内であり、
厚さが150nm以下であり、長さが1μm以上である
請求項1記載のGeナノベルト。
2. The width is in the range of 30 to 300 nm,
The Ge 3 N 4 nanobelt according to claim 1, having a thickness of 150 nm or less and a length of 1 μm or more.
【請求項3】 α−Geを含み、(0001)面
との間の角度が92°である請求項1または2のGe
ナノベルト。
3. A (0001) plane containing α-Ge 3 N 4 and Ge 3 according to claim 1 or 2, wherein the angle between and is 92 °.
N 4 nanobelt.
【請求項4】 β−Geを含み、ベルト軸方向と
[0001]方向との間の角度が7°であることを特徴
とする請求項1または2のGeナノベルト。
4. The Ge 3 N 4 nanobelt according to claim 1 or 2, comprising β-Ge 3 N 4 , wherein the angle between the belt axial direction and the [0001] direction is 7 °.
【請求項5】 GeとSiO粉末を混合する工程、こ
の混合粉末を活性炭粒子で覆う工程、活性炭粒子で覆わ
れた混合粉末を加熱して、Geをベルト形状に成
長させる工程、およびベルト形状を有するGe
冷却する工程を含むGeナノベルトの製造方法。
5. A step of mixing Ge and SiO 2 powder, a step of covering the mixed powder with activated carbon particles, a step of heating the mixed powder covered with the activated carbon particles to grow Ge 3 N 4 into a belt shape, And a method for manufacturing a Ge 3 N 4 nanobelt, which includes a step of cooling Ge 3 N 4 having a belt shape.
【請求項6】 GeとSiOとの混合比が、重量で1
〜1.2:1であることを特徴とする請求項5のGe
ナノベルトの製造方法。
6. The mixing ratio of Ge and SiO 2 is 1 by weight.
˜1.2: 1 Ge 3 of claim 5 characterized in that
N 4 Nanobelt manufacturing method.
【請求項7】 加熱を800〜860℃で1時間以上実
施する請求項5または6記載のGeナノベルトの
製造方法。
7. The method for producing a Ge 3 N 4 nanobelt according to claim 5, wherein the heating is carried out at 800 to 860 ° C. for 1 hour or more.
【請求項8】 該NH雰囲気が、100〜400cm
/分のNH流であることを特徴とする請求項5ない
し7いずれかに記載のGeナノベルトの製造方
法。
8. The NH 3 atmosphere is 100 to 400 cm.
The method for producing a Ge 3 N 4 nanobelt according to any one of claims 5 to 7, wherein the NH 3 flow is 3 / min.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7303723B2 (en) 2002-10-04 2007-12-04 The Ohio State University Research Foundation Method of forming nanostructures on ceramics

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7303723B2 (en) 2002-10-04 2007-12-04 The Ohio State University Research Foundation Method of forming nanostructures on ceramics

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