JP2007214196A - 多層構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡潔な工程で安定して製造することができる多層構造体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】金属基板１上に、基板表面の金属原子をアルカリ金属原子で一原子層以上置換した埋込み層２を介して、前記アルカリ金属原子が１原子層以上積層された表面層３を備えて、仕事関数φを３ｅＶ以下とした多層構造体。アルカリ金属原子として、Ｒｂを用いることができ、金属基板１として、Ｃｕ、Ｎｉまたはそれらの合金を用いることができる。当該多層構造体は、金属基板１上に、アルカリ金属原子の化合物粒子を微細分散させた付着層を形成した後、この付着層に高エネルギービームを照射することにより製造することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、仕事関数を低めて熱電子放出性能を高めた多層構造体およびその製造方法に関するものである。

近年は、ＣＯ_２ガスなどによる地球温暖化の問題が重要視されている。この問題をできるだけ抑止するために、自動車産業においては、エンジン性能向上や車体軽量化などによる燃費向上に加え、特許文献１に開示されているように、車載燃焼器からの排熱を電気エネルギーに変換して利用することが試みられている。この車載燃焼器は、高温側系統と低温側系統との間に発電装置を備えている。

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として熱電子発電装置（ＴＥＣ）が知られている。この装置は、内部に熱電気変換素子が直列、並列などに配列されている。熱電子変換素子は、金属中の自由電子が仕事関数φ以上の熱エネルギーを付与されると熱電子として金属の外部に放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。したがって、熱電子発電装置に要求される高い仕事放出効率を確保するためには、熱電子変換素子の仕事関数φが低いことが重要である。

仕事関数を低めた熱電子変換素子として、特許文献２に開示されたものがある。この熱電子変換素子は、基板表面にＢ、Ｃ、Ｎなどからなる中間層を介して、この上にＬｉまたはＮａの１原子層または２原子層からなる表層を備えた多層構造体である。ＬｉやＮａは潮解性などの活性が高いので空気中で取り扱いにくく、金属単体では安定して多層構造体を製造することができない。さらに、中間層を形成してＬｉ、ＮａをＢ、Ｃ、Ｎなどと化学結合させる必要があったので、多層構造体の製造工程が複雑で安全対策を講じる必要があるなど煩わしいものとなるという問題があった。
特開２００４−３１４９０４号公報 (図１) 特開２００５−２２８９３５号公報 (図１)

本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、簡潔な工程で安定して製造することができる多層構造体およびその製造方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の多層構造体は、金属基板上に、基板表面の金属原子をアルカリ金属原子で一原子層以上置換した埋込み層を介して、前記アルカリ金属原子が１原子層以上積層された表面層を備えて、仕事関数を３ｅＶ以下としたことを特徴とするものである。

上記した発明において、アルカリ金属原子として、Ｒｂを用いるのが望ましい。また、金属基板として、Ｃｕまたはその合金、あるいはＮｉまたはその合金を用いることができる。

また、本発明の多層構造体の製造方法は、金属基板上に、アルカリ金属原子の化合物粒子を微細分散させた付着層を形成した後、この付着層に高エネルギービームを照射することにより、請求項１に記載の多層構造体を製造することを特徴とするものである。

本発明に係る多層構造体は、アルカリ金属としてＲｂ化合物を用いるので、安定して製造することができる。即ち、当該多層構造体の製造方法は、転写原料として炭酸ルビジウムなどのＲｂ化合物を用いるので、Ｒｂの潮解を防止して熱電子放出性能に優れた多層構造体を安定して製造できるという大きな利点がある。

以下に、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る多層構造体の開発プロセスを説明する開発フロー図である。
先ず、アルカリ金属の多層原子層を形成するのに適した金属基板を設定したうえに、この基板に対応させて多層原子層を形成するための原子種を選定する。そして、これらを組み合わせて第１原理分子動力学計算法によるバンド計算を行って、仕事関数φを求める。その結果、低い計算値が得られた組み合わせのものについて候補元素の化合物を表面に分散塗布させ、イオン転写法、イオン注入法などにより試料を作成する。作成した試料を光電子法、熱電子法などの方法により仕事関数φを求めて確認する。以上の一連の工程を繰り返すことによって、より低い仕事関数φを有する多層構造体を開発することができる。

本発明においては、金属基板として多結晶の金属ＣｕまたはＣｕ合金を用いることができるし、金属基板として多結晶の金属ＮｉまたはＮｉ合金を用いることができる。これらの金属または合金を使用した場合には、機械加工しやすく低コストにして安定して仕事関数φの低い多層構造体を得ることができる。

また、本発明においては、多層原子層を形成するアルカリ金属原子として、Ｒｂを用いることができる。Ｒｂは、金属単体で仕事関数φが２．０ｅＶと低いので、仕事関数φが低い多層構造体を得るのに適しているからである。Ｒｂを提供する転写原料として、炭酸ルビジウム、塩化ルビジウム、酢酸ルビジウム、臭化ルビジウム、水酸化ルビジウム−水和物、塩素酸ルビジウム、硫酸ルビジウムなどのＲｂ化合物を１種または２種以上用いることができるが、特に炭酸ルビジウムを用いるのが好ましい。Ｒｂ化合物を用いることによって、金属Ｒｂが有する空気との高い活性を回避することが可能となる。

本発明に係る多層構造体の製造方法を、図２に示す製造フロー図により説明する。
初めに、金属基板を準備する。次いで、炭酸ルビジウムをアセトン、トリクレンなどのＨ_２Ｏを溶かしにくい有機溶媒中に混合して、超音波振動発生器などにより微細分散させた懸濁液を準備する。有機溶媒と炭酸ルビジウムとの混合割合は、例えば、アセトン２０ｍｌに対して炭酸ルビジウム１．０ｇとすることができる。超音波振動発生器による微細分散は、周波数４５ｋＨｚ、時間１５分として行うことができる。そして、この懸濁液を金属基板の表面に滴下した後に、乾燥する。

乾燥後は、表面に高エネルギービームを照射して、炭酸ルビジウムを金属Ｒｂとして基板表面に注入する。高エネルギービームとして、アルゴンイオンビームを用いることができる。照射条件は、ガン電圧；５ｋＶ、ガン電流；０．５ｍＡ、照射時間；１５分、試料回転速度：２ｒｐｍ、イオン照射角度；１０°として行うことができる。

以上のような方法により、図３に模式的に示す構造の多層構造体を製造することができた。当該多層構造体は、Ｃｕ製の金属基板１の上に、表面のＣｕ原子をＲｂ原子で一原子層以上置換した埋込み層２が形成され、さらにこの埋込み層２の上にＲｂ原子が１原子層以上積層された表面層３が形成された、多層原子層を有するものである。金属基板１と埋込み層２と表面層３とはミキシング等で強固に結合しているので、多層原子層は、脱離、剥落することはない。

以上のような条件、方法で製造した多層構造体の仕事関数φを光励起法により測定した。その結果、この多層構造体は仕事関数φが２．８０ｅＶと低いことを確認した。なお、Ｃｕ製の金属基板１の仕事関数φは、４．１７ｅＶであり、アルゴンイオン照射前の懸濁液を滴下、乾燥した状態の試料においては、仕事関数φは２．９８ｅＶであった。
以上のように本発明の多層構造体およびその製造方法は、優れた熱電子放出性能を有する多層構造体およびその製造方法を提供するものとして、工業的価値が大きいものである。

多層構造体の開発プロセスを説明する開発フロー図である。 多層構造体の製造フロー図である。 多層構造体の模式図である。

符号の説明

１ 金属基板、２ 埋込み層、３ 表面層

Claims (5)

1. 金属基板上に、基板表面の金属原子をアルカリ金属原子で一原子層以上置換した埋込み層を介して、前記アルカリ金属原子が１原子層以上積層された表面層を備えて、仕事関数を３ｅＶ以下としたことを特徴とする多層構造体。
2. アルカリ金属原子は、Ｒｂであることを特徴とする請求項１に記載の多層構造体。
3. 金属基板は、Ｃｕまたはその合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の多層構造体。
4. 金属基板は、Ｎｉまたはその合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の多層構造体。
5. 金属基板上に、アルカリ金属原子の化合物粒子を微細分散させた付着層を形成した後、この付着層に高エネルギービームを照射することにより、請求項１に記載の多層構造体を製造することを特徴とする多層構造体の製造方法。
   
   

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