JP2007525315A - Electromagnetic control method of chemical catalyst - Google Patents
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Abstract
本実施形態の方法とシステムでは、少なくとも一つの触媒化学反応を開始し、及び/又は促進させるため、少なくとも粒子の少なくとも一部を用いて、励起としても知られている少なくとも光子・電子共鳴を介して、熱を供給する。実施形態では、粒子は、ナノ構造体のような構造体又は金属構造体である。一つ以上の金属構造体は、少なくとも特定周波数、及び/又は特定周波数帯域を有する電磁波の入射によって生ずる、一つ以上の粒子の非局在化された表面電子の相互作用の結果として、熱せられる。このようにして、触媒化学反応温度をもたらす方法と同様にして、ナノメーターの次元で生成する熱を空間的及び時間的に制御することにより、触媒化学反応を制御することができる。In the method and system of this embodiment, at least one part of the particle is used to initiate and / or promote at least one catalytic chemical reaction, via at least photon-electron resonance, also known as excitation. Supply heat. In embodiments, the particles are structures such as nanostructures or metal structures. One or more metal structures are heated as a result of the interaction of delocalized surface electrons of one or more particles caused by the incidence of electromagnetic waves having at least a specific frequency and / or a specific frequency band . In this way, the catalytic chemical reaction can be controlled by spatially and temporally controlling the heat generated at the nanometer dimension in a manner similar to the method of providing the catalytic chemical reaction temperature.
Description
[関連出願の相互参照]
この出願は、2003年12月15日に出願された、発明の名称:Process of Chemical Vapor Deposition of Arrayed Nanostructures: Photon-Electron Assisted CVD、米国仮出願番号60/529,869の優先権を主張し、参照によりここに援用する。
[Cross-reference of related applications]
This application claims the priority of the invention, Process of Chemical Vapor Deposition of Arrayed Nanostructures: Photon-Electron Assisted CVD, US Provisional Application No. 60 / 529,869, filed December 15, 2003, by reference. This is incorporated here.
本発明は、マイクロ又はナノ構造体を局所的に加熱することを目的とし、更にこの加熱方法及び利用方法を目的とする。また、特にある観点からは、本発明は触媒化学反応を促進させるナノ及びマイクロ構造体を特にごく限られた範囲で加熱する方法を提供する。ある観点からは、開示されているように、光子・電子共鳴(Photon-Electron resonance)によって熱を発生する構造体(structure)又は複数の構造体の近傍で、及び/又は発生する化学反応に熱を供給することを目的とする。 The present invention aims at locally heating a micro- or nanostructure, and further aims at this heating method and utilization method. In particular, from a certain point of view, the present invention provides a method of heating nano and microstructures that promote catalytic chemical reactions, particularly in a very limited range. From one point of view, as disclosed, heat is generated in a structure or in the vicinity of a structure or structures that generate heat by photon-electron resonance and / or in a chemical reaction that occurs. The purpose is to supply.
連続する化学反応において広いスケールで触媒を利用することは、よく知られている。多くの触媒反応は熱的な閾値がある。従来技術の方法では、一般的に反応へ熱を供給する微少な熱源を用いる。微少な熱源は、一般に劣悪な伝達、伝導、放射を引き起こす。微少な熱源の例としては、熱線、オーブン、ランプ、加熱されたガスが挙げられる。 It is well known to utilize catalysts on a wide scale in successive chemical reactions. Many catalytic reactions have thermal thresholds. Prior art methods generally use a small heat source that supplies heat to the reaction. Small heat sources generally cause poor transmission, conduction and radiation. Examples of the minute heat source include a hot wire, an oven, a lamp, and a heated gas.
一般に用いられている加熱方法を用いる場合、触媒の温度、触媒周辺の温度、及び/又は供給する熱を時間的、空間的ともに制御することは、そもそも難しいという問題がある。例えば、化学反応がそれぞれ内部又は上、近傍で生じる容器又は基板と関係する時定数(time constant)によって定まる時間よりも少ないと考えられる所定の時間で反応を生じさせることが好ましい。例えば、容器及び/又はチャンバ及び/又は基板を熱することなく、仮にごく狭い特定の領域に、所望の熱を供給できる手段があるとすると、容器や基板の熱容量を無視することができるため、温度に対する時間的な制御及び触媒の時間的な制御はより良好にできるようになり、例えば反応時間を効果的に短くすることができる。また、反応はナノメートル及び/又はミクロンのオーダーで空間的に局所的に生じさせることが好ましい。 When a commonly used heating method is used, it is difficult to control the temperature of the catalyst, the temperature around the catalyst, and / or the supplied heat both temporally and spatially. For example, it is preferable to cause the reaction to occur in a predetermined time that is considered to be less than the time determined by the time constant associated with the container or substrate occurring in, on, or in the vicinity, respectively. For example, if there is a means that can supply desired heat to a very narrow specific area without heating the container and / or the chamber and / or the substrate, the heat capacity of the container and the substrate can be ignored. The temporal control over the temperature and the temporal control of the catalyst can be made better, for example, the reaction time can be effectively shortened. It is also preferred that the reaction occur spatially and locally on the order of nanometers and / or microns.
フォトンと金属ナノ粒子とが結合した際に生じる熱は、以下の式で与えられる。なお、分極率をα、金属小球体の半径をRとする。
ここでε0は、自由空間での誘電率であり、εは粒子の誘電率であり、εmは、ナノ粒子の誘電率である。共鳴は、空間的に一定で、時間変化がある場において以下の条件が満たされるとき、生ずる。
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Here, ε0 is the dielectric constant in free space, ε is the dielectric constant of the particles, and εm is the dielectric constant of the nanoparticles. Resonance occurs when the following conditions are met in a field that is spatially constant and time-varying.
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上述したように、様々な利用方法や分野において、局所的なナノスケールの反応、更に、特にこれに用いることができる装置、構造、方法、システム、が特に必要であると考えられる。 As mentioned above, local nanoscale reactions and, in particular, devices, structures, methods and systems that can be used for this are considered particularly necessary in various applications and fields.
本発明の一つの観点は、化学処理を目的とする技術を提供することにある。また、マイクロ又はナノ構造体とこれらの利用方法を提供することにある。本発明は、例えばライフサイエンス、化学、物質科学、ナノテクノロジ、エレクトロニクス等、他の分野や利用方法に用いることも可能である。 One aspect of the present invention is to provide a technique aimed at chemical treatment. It is another object of the present invention to provide a micro or nano structure and a method for using them. The present invention can also be used in other fields and usage methods such as life science, chemistry, material science, nanotechnology, and electronics.
本実施の形態では、温度に依存する化学反応は、少なくとも光子・電子共鳴(Photon-Electron resonance)によって生じ局所化された熱によって促進される。なお、光子・電子共鳴は、プラズモン共鳴として文献に引用されたり、当業者に知られている。 In the present embodiment, the temperature-dependent chemical reaction is promoted by localized heat generated at least by photon-electron resonance. Photon / electron resonance is cited in the literature as plasmon resonance or is known to those skilled in the art.
実施例、実施形態に示すように、本発明では、光子・電子アシスト化学気相成長法(Photon-Electron Assisted Chemical Vapor Deposition)(PACVD)を提供する。光子・電子アシスト化学気相成長法では、堆積する物質と関連した触媒化学反応を開始、又は促進させるための熱源として、ナノメーターサイズの構造体における光子・電子相互作用によって生ずる熱を利用する。 As shown in the Examples and Embodiments, the present invention provides Photon-Electron Assisted Chemical Vapor Deposition (PACVD). In photon / electron assisted chemical vapor deposition, heat generated by photon / electron interaction in a nanometer-sized structure is used as a heat source for initiating or promoting a catalytic chemical reaction associated with a deposited material.
本実施形態では、開示されているように、反応生成物は光子・電子相互作用によって単純に熱せられた反応物でも良い。この方法で熱せられた反応物は必要であるなら付加的な工程及び/又は処理に用いることもできる。特に開示されているように、特定の所定周波数及び又は周波数帯域の電磁波を利用することで、少なくともナノメーターサイズの構造体において光子・電子共鳴を励起し、更に化学反応が生ずるナノメーターサイズの構造体の熱と相対温度とを制御する。 In this embodiment, as disclosed, the reaction product may be a reaction product simply heated by photon-electron interaction. The reactants heated in this manner can be used for additional steps and / or treatments if necessary. As specifically disclosed, by utilizing electromagnetic waves of a specific predetermined frequency and / or frequency band, a nanometer-sized structure that excites photon / electron resonance in a structure having at least a nanometer size and further causes a chemical reaction. Control body heat and relative temperature.
本実施形態では、レーザは少なくとも光子・電子共鳴を励起するのに用いられる電磁波を発する。 In this embodiment, the laser emits an electromagnetic wave that is used to excite at least photon / electron resonance.
本実施形態では、本発明は、所望の電磁波を発生させるためレーザー光源のような光源と、一般的な光学系と、を用いる。所望の電磁波は、ナノメーターサイズの構造体において、従来技術において物質を熱するために一般に用いられてきたものよりも実質的に低いエネルギー密度で、選択的に光子・電子共鳴を発生させるものであり、これにより反応の開始及び/又は促進を更に促すことができる。 In the present embodiment, the present invention uses a light source such as a laser light source and a general optical system in order to generate a desired electromagnetic wave. The desired electromagnetic waves are those that selectively generate photon-electron resonances in nanometer-sized structures at substantially lower energy densities than those commonly used to heat materials in the prior art. This can further encourage the initiation and / or promotion of the reaction.
本実施形態によれば、触媒基板上への例えば化学合成、堆積、及び/又は分解等の化学処理のナノメータスケールでの空間的な制御が可能となる。これは、同様に処理温度及び反応温度の高度な時間的制御を可能とする。ナノメーターサイズの構造体へ入射する電磁波の流れを停止すると、ナノメーターサイズの構造体の温度は速やかに低下する。例えば、既に発生しているこれらの構造体の光子・電子共鳴は減衰/減少し、同様にこれと関連する局所的な熱の生成も減るのである。 According to this embodiment, spatial control on the nanometer scale of chemical treatment such as chemical synthesis, deposition, and / or decomposition on the catalyst substrate is possible. This likewise allows a high degree of temporal control of the treatment temperature and reaction temperature. When the flow of electromagnetic waves incident on the nanometer-sized structure is stopped, the temperature of the nanometer-sized structure quickly decreases. For example, the photon-electron resonances of these structures already generated are attenuated / reduced, as are the local heat generation associated therewith.
電磁気的に制御された化学触媒としてのマイクロ又はナノ構造体を用いる技術を提供する。更に特に、本発明によれば、触媒として機能するマイクロ構造体を組み合わせることによる触媒と、電磁気的によって生ずる光子・電子共鳴による熱及び温度を制御と、を介して化学反応を促進させる方法、システム、結果物を提供することができる。 Techniques for using micro or nanostructures as electromagnetically controlled chemical catalysts are provided. More particularly, according to the present invention, a method and system for promoting a chemical reaction via a catalyst by combining a microstructure functioning as a catalyst and controlling heat and temperature by photon / electron resonance generated by electromagnetics The result can be provided.
本実施の形態では、方法は、一つ以上のパーティクルに隣接する反応物、例えば限定する意味ではないが反応種(例えば、チタン(2,2,6,6-テトラメチル-3、5-ヘプタネジオーネ、SiH4、GeH4、))を準備する工程と、例えばパーティクル又は複数のパーティクルのような一つ以上の構造体の表面電子のP−ERF、又は光子・電子共鳴周波数に相当する又は実質的に相当する所定の周波数を備える電磁波(レーザ光源又は他の光源から発せられる)を一つ以上のパーティクルに照射する工程と、を備える。「隣接する(adjacent)」という単語は、一つの物と他方の物とが実際に接触している場合も含むものとする。反応物は、ここで開示されている少なくとも光子・電子共鳴の励起によって生ずる熱に曝されることによって起きる反応を進める又は反応の一部となる元素、成分であってもよい。少なくとも所定の温度(例えば反応温度)まで一つ以上のパーティクルの温度が上昇することは、少なくとも所定周波数を備える電磁波の影響によって生ずる。この方法は、一つ以上のパーティクルを少なくとも温度上昇させることによって、反応物の化学反応を生じさせる。 In this embodiment, the method includes reactants adjacent to one or more particles, such as but not limited to reactive species (eg, titanium (2,2,6,6-tetramethyl-3, 5-hepta). Corresponding to the step of preparing the screwone, SiH 4 , GeH 4 )) and the P-ERF of the surface electrons of one or more structures such as particles or particles, or the photon-electron resonance frequency, or Irradiating one or more particles with an electromagnetic wave having a substantially corresponding predetermined frequency (emitted from a laser light source or other light source). The word “adjacent” includes the case where one object is actually in contact with the other. The reactant may be an element or a component that promotes or becomes a part of the reaction caused by exposure to heat generated by at least photon / electron resonance excitation disclosed herein. The rise in the temperature of one or more particles to at least a predetermined temperature (for example, reaction temperature) is caused by the influence of an electromagnetic wave having at least a predetermined frequency. This method causes a chemical reaction of the reactants by raising the temperature of one or more particles at least.
本実施形態では、電磁波を用いて触媒化学反応を加速させる他の方法も提供する。この方法は、一つ以上のパーティクルを用意する工程を備える。好ましくは、一つ以上のパーティクルは熱的な特性を有する。この方法は、隣接する少なくとも一つの反応物及び/又は一つ以上のパーティクルを用い、所定の周波数を有する電磁波を一つ以上のパーティクルに照射する工程を備える。この方法は、所定の周波数を有する少なくとも電磁波の影響によって一つ以上のパーティクルの温度を所定温度まで上昇させる工程と、一つ以上のパーティクルの温度上昇から少なくとも一つの反応物の触媒化学反応を生じさせる工程と、を備える。この熱は、反応生成物の形成を開始する等、他の処理に用いることも出来る。 In this embodiment, another method for accelerating the catalytic chemical reaction using electromagnetic waves is also provided. This method comprises the step of preparing one or more particles. Preferably, the one or more particles have thermal properties. This method includes a step of irradiating one or more particles with an electromagnetic wave having a predetermined frequency using at least one reactant and / or one or more particles adjacent to each other. This method raises the temperature of one or more particles to a predetermined temperature under the influence of at least an electromagnetic wave having a predetermined frequency, and causes a catalytic chemical reaction of at least one reactant from the temperature increase of one or more particles. And a step of causing. This heat can also be used for other processes, such as initiating the formation of reaction products.
本実施形態では、電磁波の照射と光子・電子相互作用とによって熱せられたパーティクル自身が、化学反応の工程において触媒として機能する。他の実施形態では複数のパーティクルを共に用いることも出来る。他のパーティクルが触媒として機能している間、好ましい温度もしくは温度域において所望の化学反応が良好に起こるよう、これらのうちいくつかのパーティクルを上述した光子・電子相互作用によって局所的な温度上昇を生じさせる為に用いても良い。上述した場合の片方又は両方のいずれにおいても、空間的、時間的な制御を行っても良い。 In this embodiment, the particles themselves heated by the irradiation of electromagnetic waves and the photon / electron interaction function as a catalyst in the chemical reaction process. In other embodiments, a plurality of particles can be used together. While other particles are functioning as a catalyst, some of these particles can be locally heated by the photon-electron interaction described above so that the desired chemical reaction occurs at the preferred temperature or temperature range. It may be used to generate. Spatial and temporal control may be performed in either one or both of the cases described above.
更に本発明によれば、例えば実施形態に開示されているように基板上に所定の方法で配置された構造体における少なくとも光子・電子共鳴によって生成する熱を用いて反応生成物を形成する方法が提供される。例えば、この方法は、所定の材料から形成された少なくとも一つ以上の構造体、好ましくは一つ以上のナノ構造体のパターンを備える基板を用意する工程を備える。この方法は、ナノ構造体の材料のP−ERFを決定する工程と、所定の材料の熱エネルギーを発生させ増加させるP−ERFと重複する周波数又は周波数帯域を有する電磁波を供給する電磁波供給源を用いて所定材料の少なくとも一部を励起する工程と、を備える。この方法は、基板とP−ERFによって励起される所定の材料とを覆うように/隣接するように少なくとも一つの反応物を供給する工程と、少なくとも供給した反応物によって所望の反応生成物を生じさせる工程と、を備える。 Further, according to the present invention, there is provided a method of forming a reaction product using heat generated by at least photon / electron resonance in a structure disposed on a substrate by a predetermined method as disclosed in the embodiment, for example. Provided. For example, the method comprises providing a substrate comprising a pattern of at least one or more structures, preferably one or more nanostructures formed from a predetermined material. The method includes the steps of determining a P-ERF of a nanostructured material, and an electromagnetic wave source that supplies an electromagnetic wave having a frequency or frequency band overlapping with the P-ERF that generates and increases the thermal energy of a given material. And exciting at least a part of the predetermined material. In this method, at least one reactant is supplied so as to cover / adjacent the substrate and a predetermined material excited by P-ERF, and at least the supplied reactant generates a desired reaction product. And a step of causing.
実施の形態のように、本発明では例えば以下に記載する一つ以上の特徴を提供する。これらの特徴は本明細書中、特に以下に記載する内容によってさらに明らかになる。 As in the embodiments, the present invention provides one or more features described below, for example. These characteristics will be further clarified in the present specification, particularly by the contents described below.
1.局所的な温度特性を生ずる方法、もしくは化学反応を開始させるのに十分な熱を発生させるための方法として、金属ナノ構造体における光子・電子励起(Photon-Electron resonance)を利用する。 1. Photon-electron resonance in metal nanostructures is used as a method for generating local temperature characteristics or a method for generating sufficient heat to initiate a chemical reaction.
2.実施形態において、所定空間に局所的に熱を発生させることができる金属ナノ構造体における光子・電子励起が開示されている。以下に示すように連続する工程が提供される。
a.例えば、限定する意味ではないが、電子ビームリソグラフィ、沈殿、ナノインプリンティング等の所定の方法によって、限定する意味ではないがパラジウム又は金の粒子のアレイを形成し、既存の基板上に少なくとも一つの金属ナノ構造体を作成する、及び/又は準備する。
b.金属ナノ構造体の材料、空間、パーティクルのサイズ等に対して、P−ERF(又は例えば周波数帯域)を演算する及び/又は利用する。
c.少なくとも一つのナノ構造体に熱を発生させる光子・電子共鳴を生ずるのに十分な密度と、適切な周波数及び/または周波数帯域と、を有する光源を用いる。これと同時に、全てのナノ構造体を同時に励起することが可能なように特定領域に集中させる光源又は拡散源を共に用いることもできる。
d.少なくとも一つの反応物、例えば気化された化学前駆体のような反応物を供給し、熱せられて化学反応の触媒として機能する金属ナノ構造体に接触させ、所定空間内でステップcを実行する。
2. In the embodiment, photon / electron excitation in a metal nanostructure capable of generating heat locally in a predetermined space is disclosed. A continuous process is provided as shown below.
a. For example, without limitation, an array of palladium or gold particles may be formed on a pre-existing substrate by a predetermined method, such as, but not limited to, electron beam lithography, precipitation, nanoimprinting, etc. Create and / or prepare metal nanostructures.
b. P-ERF (or frequency band, for example) is calculated and / or used for the material, space, particle size, etc. of the metal nanostructure.
c. A light source having a density sufficient to generate photon-electron resonance that generates heat in at least one nanostructure and an appropriate frequency and / or frequency band is used. At the same time, it is also possible to use a light source or a diffusion source that concentrates on a specific region so that all nanostructures can be excited simultaneously.
d. At least one reactant, eg, a reactant such as a vaporized chemical precursor, is supplied and contacted with a metal nanostructure that is heated to function as a catalyst for the chemical reaction, and step c is performed in a predetermined space.
電磁波供給源を制御することは、加熱の開始/停止に用いることもできる。より速やかに停止される。金属ナノ構造体に照射された電磁波によって少なくとも光子・電子共鳴を介して生ずる相互作用は、基板全体ではなく、金属構造体の特定の領域を加熱するため、加熱は、より速やかに開始される。適当な周波数又は周波数帯域を有する電磁波が金属構造体へと入射することを停止させると、金属構造体は小さいサイズ、容量であるため、とても速い速度で金属構造体を冷却することができる。 Controlling the electromagnetic wave source can also be used to start / stop heating. It will be stopped more quickly. Since the interaction generated through at least photon / electron resonance by the electromagnetic wave irradiated to the metal nanostructure heats a specific region of the metal structure, not the entire substrate, heating is started more quickly. When the electromagnetic wave having an appropriate frequency or frequency band is stopped from being incident on the metal structure, the metal structure can be cooled at a very high speed because the metal structure has a small size and capacity.
実施形態によって、これらの一つ以上の特徴を備える。当然のように、当業者によれば、様々に変形、修正、代替を行うことが可能である。特に、同様の処理において、様々な種類のパーティクル、ナノパーティクル、ナノ構造体を用いることが出来る。パーティクル又はナノ構造体は、上述した方法では温度を制御するために用いられるが、触媒活性は有しない。他のパーティクルは、適切な温度に達した場合に触媒と機能するように設定され、設置されても良い。 Depending on the embodiment, one or more of these features may be provided. Of course, various changes, modifications, and alternatives can be made by those skilled in the art. In particular, various types of particles, nanoparticles, and nanostructures can be used in the same processing. Particles or nanostructures are used to control temperature in the above-described method, but do not have catalytic activity. Other particles may be set and installed to function with the catalyst when an appropriate temperature is reached.
加えて、実施形態によれば、実質的に設備を変更することがなく従来用いられている製造/処理の技術と両立し、調和する処理方法、装置を提供することができる。好ましくはここで開示されている技術によれば、ナノメータースケールもしくはそれ以下のスケールの設計基準に適し、改良された処理方法を提供することができる。これらの又は他の利点は、明細書中、特に以下に記載する内容によって明らかとなる。 In addition, according to the embodiment, it is possible to provide a processing method and an apparatus that are compatible with and harmonize with a conventionally used manufacturing / processing technique without substantially changing equipment. Preferably, according to the technique disclosed herein, an improved processing method can be provided which is suitable for design criteria of nanometer scale or lower scale. These or other advantages will be apparent from the description, particularly as described below.
実施形態では、例えばナノ構造体等の構造体の特に局所的な加熱は、少なくとも光子・電子共鳴から得られる。他の実施形態では、所望の温度に達するまで熱が発生する、特にこれらの構造体の局所的な加熱は、構造体へ入射する電磁波の衝突等他の効果、又は効果の組み合わせによっても得られる。例えば本発明の局所的な加熱を生じさせる効果としては、光子・電子共鳴の励起、フォノン格子振動、正孔生成/ダイナミクス、ランダウ減衰、もしくはこれらの組み合わせを含む。 In an embodiment, particularly local heating of a structure, for example a nanostructure, is obtained at least from photon-electron resonance. In other embodiments, heat is generated until a desired temperature is reached, and in particular, local heating of these structures can also be obtained by other effects, such as collisions of electromagnetic waves incident on the structures, or combinations of effects. . For example, the local heating effect of the present invention includes photon / electron resonance excitation, phonon lattice vibration, hole generation / dynamics, Landau damping, or a combination thereof.
ある観点からは、本発明によれば、局所的な熱を利用して化学反応を促進させる方法を提供することができる。この方法は、少なくとも一つの構造体が配置された基板を用意する工程と、少なくとも一つの反応物を少なくとも一つの構造体の近傍に導入する工程と、少なくとも一つの構造体に電磁波を照射する工程と、を備える。実施形態では、複数の構造体が用いられる。電磁波は、少なくとも一つの構造体によって吸収され、少なくとも一つの構造体内に光子・電子共鳴を励起する所定の周波数又は周波数帯域を備える。これによって、少なくとも一つの構造体から光子・電子共鳴によって局所的に熱を発生させることができ、少なくとも一つの反応生成物を生ずる一つの反応物を伴う少なくとも一つの触媒化学反応を促進させる温度まで上昇させることができる。 From a certain viewpoint, according to the present invention, it is possible to provide a method for promoting a chemical reaction using local heat. This method includes a step of preparing a substrate on which at least one structure is disposed, a step of introducing at least one reactant in the vicinity of at least one structure, and a step of irradiating at least one structure with electromagnetic waves. And comprising. In the embodiment, a plurality of structures are used. The electromagnetic wave is absorbed by at least one structure and has a predetermined frequency or frequency band for exciting photon / electron resonance in the at least one structure. This allows heat to be generated locally from at least one structure by photon-electron resonance up to a temperature that promotes at least one catalytic chemical reaction with one reactant producing at least one reaction product. Can be raised.
実施形態において、少なくとも一つの構造体は、一つの触媒化学反応が生ずる領域を決定するよう予め形成され基板上に所望の構成で設置される。この場合、予め形成されるとは、少なくとも一つの構造体もしくは複数の構造体を含みものであり、少なくとも一つの構造体は、例えばパーティクル、ドット、球体、ワイヤ、線、フィルム、これらの組み合わせのいずれかの形状に形成される。実施形態では、パーティクル、ドット、球体、ワイヤ、線、フィルム、これらの組み合わせはナノスケールのディメンション(高さ、長さ、幅、半径、直径、対角線等)を有する。実施例では、パーティクル及び/又は球体は、約0.5〜500nmの半径、又は約1〜100nmの半径を備える。 In an embodiment, at least one structure is pre-formed and placed on a substrate in a desired configuration to determine a region where one catalytic chemical reaction occurs. In this case, the term “preliminarily formed” includes at least one structure or a plurality of structures, and the at least one structure is, for example, a particle, a dot, a sphere, a wire, a line, a film, or a combination thereof. It is formed in any shape. In embodiments, particles, dots, spheres, wires, lines, films, combinations thereof have nanoscale dimensions (height, length, width, radius, diameter, diagonal, etc.). In embodiments, the particles and / or spheres have a radius of about 0.5 to 500 nm, or about 1 to 100 nm.
実施形態において、少なくとも一つの構造体は、少なくとも一種類の金属である、又は一種類の金属を含んでいる。金属は、金、銅、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、イリジウム、鉄、コバルト、ロジウム、オスミウム、亜鉛、又はこれらの組み合わせのいずれかである。少なくとも一つの金属は、少なくとも一つの化学反応において触媒として機能する、及び/又は反応温度の熱を供給する局所的な熱源として機能する。実施形態において、少なくとも一つの反応物は、気体、液体、プラズマ、固体、これらの組み合わせのいずれかである。 In embodiments, the at least one structure is at least one metal or includes one metal. The metal is any of gold, copper, silver, titanium, aluminum, nickel, palladium, platinum, ruthenium, iridium, iron, cobalt, rhodium, osmium, zinc, or a combination thereof. The at least one metal functions as a catalyst in at least one chemical reaction and / or functions as a local heat source that supplies heat at the reaction temperature. In embodiments, the at least one reactant is any of gas, liquid, plasma, solid, and combinations thereof.
実施形態では、少なくとも一つの構造体は、元素周期表に記載されている少なくとも一つの元素、又は元素の組み合わせ、又はこれらの組み合わせを含む。少なくとも一つの構造体は、少なくとも一つの化学反応において触媒として機能する、及び/又は化学反応温度に熱を供給する局所的な熱源として機能する。実施形態では、少なくとも一つの反応物は、気体、液体、プラズマ、固体、又はこれらの組み合わせである。 In an embodiment, the at least one structure includes at least one element or a combination of elements described in the periodic table of elements, or a combination thereof. The at least one structure functions as a catalyst in at least one chemical reaction and / or functions as a local heat source that supplies heat to the chemical reaction temperature. In embodiments, the at least one reactant is a gas, liquid, plasma, solid, or a combination thereof.
実施形態では、少なくとも一つの反応物を伴う少なくとも一つの化学反応は、例えば少なくとも一つの反応生成物が少なくとも一つの反応物である又は一部を含む解離反応であってもよい。実施形態では、少なくとも一つの反応物は特定の元素比を備える化合物であり、少なくとも一つの反応生成物はその化合物と同じ元素比を有するが、少なくとも一つの反応生成物は少なくとも反応前の化合物とは一つの特性が異なる。例えば、特性の変化とは、元素の配列の変化、結合数の変化、結合種の変化、結合角の変化である。実施例では、反応によって少なくとも一つの特性の変化が生じ、少なくとも一つの反応物の異性体が生ずる。実施例では、そのような異性体は、光学異性体であってもよい。 In embodiments, the at least one chemical reaction involving at least one reactant may be, for example, a dissociation reaction in which at least one reaction product is at least one reactant or includes a portion. In an embodiment, the at least one reactant is a compound with a specific elemental ratio, and the at least one reaction product has the same elemental ratio as the compound, but the at least one reaction product has at least the pre-reaction compound and Are different in one characteristic. For example, the characteristic change is a change in the arrangement of elements, a change in the number of bonds, a change in bond type, or a change in bond angle. In an embodiment, the reaction causes at least one property change, resulting in at least one reactant isomer. In embodiments, such isomers may be optical isomers.
実施形態では、少なくとも一つの反応物を伴う少なくとも一つの化学反応は、例えば置換反応、付加反応、除去反応、縮合反応、これらの組み合わせのいずれかである。実施形態において、少なくとも一つの反応物は少なくとも第2の反応物と結合し、反応生成物を生ずる。 In embodiments, the at least one chemical reaction involving at least one reactant is, for example, any of a substitution reaction, an addition reaction, a removal reaction, a condensation reaction, or a combination thereof. In embodiments, at least one reactant is combined with at least a second reactant to yield a reaction product.
実施形態で用いられる電磁波は、レーザ光源から供給されるレーザである。様々なレーザ光源とレーザを本発明で用いることができる。例えば、電磁波は紫外線、可視光線、赤外線、又はこれらの組み合わせであっても良い。また、実施形態では電磁波は少なくとも基板の一部に照射される。 The electromagnetic wave used in the embodiment is a laser supplied from a laser light source. Various laser light sources and lasers can be used in the present invention. For example, the electromagnetic wave may be ultraviolet light, visible light, infrared light, or a combination thereof. In the embodiment, the electromagnetic wave is applied to at least a part of the substrate.
ある観点からは、本発明によれば、少なくとも一つの反応物は炭素化合物である方法を提供する。実施形態において少なくとも第2の反応物が供給され、少なくとも一つの反応物は炭素化合物であり、第2の化合物は水素化合物である。 From one aspect, the present invention provides a method wherein at least one reactant is a carbon compound. In embodiments, at least a second reactant is provided, at least one reactant is a carbon compound, and the second compound is a hydrogen compound.
実施形態では、基板はシリコン、III/V属の元素、SOI(Silicon On Insulator)、ゲルマニウム、水晶、ガラス、又はこれらの組み合わせから構成される。 In the embodiment, the substrate is made of silicon, a group III / V element, SOI (Silicon On Insulator), germanium, quartz, glass, or a combination thereof.
実施形態において、所定周波数又は周波数帯域を有する電磁波は、複数の構造体上、又は複数の構造体の集合上に照射される。複数の構造体は、構造体からなる第1の集合と第2の集合とを少なくとも備える。それぞれの集合は他の集合とは構成要素において異なる。ある実施形態では、第1の集合は、第1の集合に電磁波が照射されることによって生ずる相互作用によって、少なくとも一つの触媒化学反応を進める第1の反応温度まで温度上昇する。更に次の工程では、先に供給された電磁波とは異なり、第2の集合に光子・電子共鳴を励起させる所定の周波数又は周波数帯域を備える電磁波が更に供給され、これにより付加的な反応に必要な温度を供給する。 In the embodiment, an electromagnetic wave having a predetermined frequency or frequency band is irradiated onto a plurality of structures or a set of a plurality of structures. The plurality of structures include at least a first set and a second set of structures. Each set differs from the other sets in its components. In some embodiments, the first set rises in temperature to a first reaction temperature that advances at least one catalytic chemical reaction due to an interaction caused by irradiating the first set with electromagnetic waves. Further, in the next step, unlike the electromagnetic wave supplied earlier, the second set is further supplied with an electromagnetic wave having a predetermined frequency or frequency band that excites photon / electron resonance, which is necessary for an additional reaction. The correct temperature.
本発明は、熱を生成する光子・電子共鳴に加えて、フォノン格子振動、正孔の生成/ダイナミクス、ランダウ減衰、これらの組み合わせのいずれかによって、少なくとも一部へと局所的に熱を供給する方法及び装置を提供する。 In the present invention, in addition to photon / electron resonance that generates heat, phonon lattice vibration, hole generation / dynamics, Landau damping, or a combination thereof locally supplies heat to at least a part. Methods and apparatus are provided.
本発明では、光子・電子アシスト堆積法(Photon-Electron Assisted deposition)に用いる装置が開示されている。実施形態では、このような装置は、所定空間と、所定空間に接続され空間内に少なくとも一つの反応物を導入する少なくとも一つの導入口と、少なくとも一つの構造体が配置され所定空間内に設置された基板と、を備える。少なくとも一つの構造体に吸収され少なくとも一つの構造体において光子・電子共鳴を励起する所定周波数又は周波数帯域を有する電磁波を基板に照射することができるように配置された電磁波供給源も設置されている。実施形態では、少なくとも一つの構造体が配置された基板の少なくとも一部を照射するように電磁波が供給される。これによって少なくとも一つの構造体と、少なくとも光子・電子共鳴とを利用して、少なくとも反応物を伴う少なくとも一つの触媒化学反応を促進させる温度に、局所的に加熱することができる。この装置は、所定空間に接続された少なくとも一つの導出口を更に備える。少なくとも一つの導出口は、少なくとも一つの反応生成物を所定空間から導出させる。所定空間に接続された第2の導入口、及び/又は所定空間から導出させる第2の導出口を更に備えても良い。 In the present invention, an apparatus used for photon-electron assisted deposition is disclosed. In an embodiment, such an apparatus is installed in a predetermined space, at least one inlet connected to the predetermined space and introducing at least one reactant into the space, and at least one structure. A prepared substrate. There is also an electromagnetic wave supply source arranged so that the substrate can be irradiated with an electromagnetic wave having a predetermined frequency or frequency band that is absorbed by at least one structure and excites photon / electron resonance in at least one structure. . In the embodiment, the electromagnetic wave is supplied so as to irradiate at least a part of the substrate on which at least one structure is disposed. Accordingly, at least one structure and at least photon / electron resonance can be used to locally heat to a temperature that promotes at least one catalytic chemical reaction involving at least a reactant. The device further includes at least one outlet connected to the predetermined space. At least one outlet leads at least one reaction product from the predetermined space. A second inlet connected to the predetermined space and / or a second outlet leading out from the predetermined space may be further provided.
装置に関する実施形態において、少なくとも一つの構造体は、限定する意味ではないが金、銅、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、イリジウム、鉄、亜鉛、のいずれかもしくはこれらの組み合わせのうち、少なくとも一種類の金属を含む。少なくとも一つの構造体は、パーティクル、ドット、球体、ワイヤ、線、フィルム、もしくはこれらの組み合わせのうち、いずれかの形状に形成される。上述したように、装置に関する実施形態では、ナノスケールのディメンション(dimension)を備えるパーティクル、ドット、球体、ワイヤ、線、フィルム、これらの組み合わせのいずれかの形状の、少なくとも一つの構造体を有する。例えば、高さ、幅、厚み等のディメンションは、0.5〜500nmのいずれかである。実施形態では1〜100nmのディメンションを備える構造体、10〜50nmのディメンションを備える構造体、又は、ほぼこれらと同じ又はこれらの間のディメンションを備える構造体を用いる。 In embodiments relating to the apparatus, the at least one structure is, but is not limited to, any of gold, copper, silver, titanium, aluminum, nickel, palladium, platinum, ruthenium, iridium, iron, zinc, or combinations thereof Among these, at least one kind of metal is included. At least one structure is formed in any shape among particles, dots, spheres, wires, lines, films, or combinations thereof. As described above, an apparatus embodiment has at least one structure in the shape of any of particles, dots, spheres, wires, lines, films, or combinations thereof with nanoscale dimensions. For example, dimensions such as height, width, and thickness are any of 0.5 to 500 nm. In the embodiment, a structure having a dimension of 1 to 100 nm, a structure having a dimension of 10 to 50 nm, or a structure having a dimension substantially the same as or between them is used.
実施形態によって、少なくとも一つの構造体の少なくとも一種類の金属は、少なくとも一種類の堆積反応において触媒であり、及び/または反応に対する熱源として機能する。例えば、少なくとも一つの反応物は、気体、液体、プラズマ、固体のいずれか又はこれらの組みあわせであってもよい。 According to embodiments, at least one metal of the at least one structure is a catalyst in at least one deposition reaction and / or functions as a heat source for the reaction. For example, the at least one reactant may be a gas, a liquid, a plasma, a solid, or a combination thereof.
本発明のその他の様々な目的、特徴、利点は、更に以下に示す詳細な説明と図面とを参照すれば明らかである。 Various other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent with reference to the detailed description and drawings set forth below.
以下に、開示されている技術を模式的に示す図面を用いて、本発明の実施形態の説明をする。本明細書で開示されている技術の他の実施形態、利用方法も実施することができ、更に本実施例で開示されている技術的な思想、範囲から離れずに、構造的、機能的な変更を加えることは可能であると考えられる。加えて、図面は図示のためにあり、相対的な形状、サイズ、スケール、比率に関する限定を示すものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing the disclosed technology. Other embodiments and utilization methods of the technology disclosed in this specification can also be implemented, and further, structural and functional without departing from the technical idea and scope disclosed in this embodiment. It is possible to make changes. In addition, the drawings are for illustrative purposes and do not indicate limitations on relative shapes, sizes, scales, ratios.
マイクロ又はナノ構造体と、これらの利用法とを目的とする技術を提供する。更にある観点から、本明細書に開示されている技術によれば、様々な用途に広く用いることができる一般的な堆積法(deposition techniques)を用いて、ナノ又はマイクロ構造体を形成する為の方法とシステムと結果物と、これらの利用方法とが提供される。単なる一例ではあるが、このような堆積法は、例えば、集積回路、記憶メディア、揮発性及び不揮発性のストレージ等の電気製品の製造における、一層又は多層膜を形成する際に適用される。本発明は、これより更に広く適用されると考えられる。限定する意味ではないが、例えば、粒子、ロッド、ワイヤ、球体等に形成された特定の構造体の表面に電磁波を照射することによって解離した表面電子を電磁気共鳴励起によって熱を発生させることは、様々な製造技術に適用可能であり、特にナノスケールの製造技術、化学処理、また特に局所的な熱生成が必要とされる利用方法に用いることができる。 Provided are technologies aimed at micro- or nanostructures and their utilization. In addition, from one aspect, the techniques disclosed herein can be used to form nano- or microstructures using common deposition techniques that can be widely used in a variety of applications. Methods, systems, results, and methods of using these are provided. By way of example only, such deposition methods are applied in forming single layers or multilayers in the manufacture of electrical products such as integrated circuits, storage media, volatile and non-volatile storage, for example. The present invention is considered to be applied more widely than this. Although not meant to limit, for example, generating heat by electromagnetic resonance excitation of surface electrons dissociated by irradiating electromagnetic waves on the surface of a specific structure formed in particles, rods, wires, spheres, etc. The present invention can be applied to various manufacturing techniques, and can be used particularly for nano-scale manufacturing techniques, chemical treatments, and applications that require local heat generation.
本実施形態では、本明細書中に説明されており開示された技術に関連するように、電磁波にさらされ熱を供給/生成する構造体のサイズは、反応温度のような所望の温度に熱を供給するための少なくとも光子・電子共鳴(Photon-Electron resonance)が起きるように、約0.5〜約500nmのディメンション、好ましくは約1〜100nm、又はこれらの間のレンジ(range)を有する。 In this embodiment, as related to the techniques described and disclosed herein, the size of the structure that is exposed to electromagnetic waves to provide / generate heat is heated to a desired temperature, such as the reaction temperature. Having a dimension of about 0.5 to about 500 nm, preferably about 1 to 100 nm, or a range between them, so that at least photon-electron resonance for supplying the light occurs.
本実施の形態において、本発明の実施例に基づく光子・電子アシスト法を用いた薄膜形成方法の概要は、以下に示す通りである。 In the present embodiment, the outline of the thin film forming method using the photon / electron assist method based on the example of the present invention is as follows.
金属構造体、好ましくは金属ナノ構造体が配置された表面領域を有する基板を用意する。本実施形態では、この金属構造体は、特に熱的な特性、例えば適切なP−ERF又はP−ERF域を有する適切な電磁波にさらされ、光子・電子共鳴を生ずることができるような特性を備える一つ以上のパーティクルである。P−ERFは、電磁波からの電磁気的エネルギーが、効果的に個体内の選択的な電子動作に集中的に変換される周波数である。光子・電子共鳴周波数は、マックスウェル方程式を、適切なバンド状態を用いて解くこと、もしくは反射又は吸収スペクトルを実験的に測定することによって導くことができる。パーティクルのうち一つは、基板の表面領域の少なくとも一部に配置される。少なくとも一つの反応物は、一つもしくは複数のパーティクルの周辺に供給される。少なくとも一つの反応物は少なくとも一つの成分から構成されるが、反応物は二つ以上の成分を含んでもよい。一つ以上のパーティクルは、所定の空間領域で所定の周波数の電磁波の照射を受ける。空間領域は、実質的に基板上の一つ以上のパーティクルの配置によって定義される。過密の空間領域は、基板上の一つ以上のパーティクルが配置されていない領域も含むことができる。空間領域は、例えば照射がいくつかのパーティクル上に及んでも、与えられた時間内では他のパーティクルには及ばない等、一つ以上のパーティクルが配置された基板上の領域より少ない領域であっても良い。 A substrate having a surface region on which a metal structure, preferably a metal nanostructure, is provided is provided. In the present embodiment, the metal structure has particularly thermal characteristics, for example, characteristics such that it can be exposed to an appropriate electromagnetic wave having an appropriate P-ERF or P-ERF region to generate photon / electron resonance. One or more particles provided. P-ERF is a frequency at which electromagnetic energy from electromagnetic waves is effectively intensively converted into selective electronic operation within an individual. The photon-electron resonance frequency can be derived by solving the Maxwell equation using appropriate band states or by experimentally measuring the reflection or absorption spectrum. One of the particles is arranged on at least a part of the surface area of the substrate. At least one reactant is provided around one or more particles. Although at least one reactant is composed of at least one component, the reactant may include two or more components. One or more particles are irradiated with an electromagnetic wave having a predetermined frequency in a predetermined space region. The spatial region is substantially defined by the placement of one or more particles on the substrate. An overcrowded space region can also include a region where one or more particles on the substrate are not disposed. A spatial area is an area that is less than the area on the substrate where one or more particles are placed, for example, if the irradiation is on some particles but not on other particles within a given time. May be.
照射する電磁波の予め選択された周波数は、配置された金属構造体、ここでは一つ以上のパーティクルのP-ERFと一致もしくはほぼ一致する周波数である。これによって、少なくとも所定の周波数を有する電磁波の影響により、熱的な特性を備える一つ以上のパーティクルの温度は、少なくとも所定の温度まで増加する。パーティクルを囲む基板は、一つ以上のパーティクルと比較して加熱されすぎることはない。このように、所定周波数を備える電磁波を一つ以上のパーティクルの非局在化した表面電子に照射することで生ずる光子・電子共鳴によって非常に限られた空間及び場所を加熱することにより、少なくとも一つ以上のパーティクルの温度上昇から少なくとも一つの反応物を伴う化学反応を引き起こす所望のエネルギー(例えば熱)を供給することができる。これによって、少なくとも一つの反応物による所定材料の薄膜を形成/堆積させるために用いることが可能な反応を開始させることができる。 The preselected frequency of the electromagnetic wave to irradiate is a frequency that matches or substantially matches the P-ERF of the placed metal structure, here one or more particles. Accordingly, the temperature of one or more particles having thermal characteristics is increased to at least a predetermined temperature due to the influence of an electromagnetic wave having at least a predetermined frequency. The substrate surrounding the particles is not overheated compared to one or more particles. In this way, at least one space and place are heated by photon / electron resonance generated by irradiating electromagnetic waves having a predetermined frequency to surface electrons delocalized in one or more particles. Desired energy (eg, heat) can be supplied that causes a chemical reaction involving at least one reactant from an increase in temperature of one or more particles. This can initiate a reaction that can be used to form / deposit a thin film of a predetermined material with at least one reactant.
図1、1A−1Cに示す金属構造体(metalic structure)8は、説明の便宜のため簡単に四角形で表現されているが、上述したようにいずれの形であってもよい。例えば、限定する意味ではないが、気化された化学前駆体6のような少なくとも一つの反応物が存在するCVD環境下の基板2上のアレイに、電磁波4を入射させることによって、金属構造体8の光子・電子共鳴が励起される。
The
図1A−1Cは、開示されている技術に関して、ナノメータサイズの構造体における光子・電子相互作用によって生じる熱に関して、構造体の表面を拡大して示す概略図である。図1Aにおいて金属構造体8を例に挙げると、解離した表面電子はe−として表現されている。これらの表面電子の光子・電子共鳴と一致する周波数を有する電磁波4が入射すると、励起が生じ、光子・電子共鳴が生ずる。この共鳴によって、金属構造体8と例えば化学前駆体6のような少なくとも一つの反応物との反応が生ずる、及び/又は化学前駆体6同士で反応が生ずる、反応温度まで熱が発生する。この反応により堆積層10が形成される。実施形態において、少なくとも一つの構造体は、熱を生成すると同様に触媒としても機能する。ここで開示されているように、熱が局在化されると、化学反応と堆積は関連して生じ得る。
FIGS. 1A-1C are schematic diagrams illustrating an enlarged surface of a structure with respect to heat disclosed by the photon-electron interaction in a nanometer-sized structure for the disclosed technique. Taking the
図1Bに移って、堆積層10を形成する物質そのものは、e−として図示されているように解離された表面電子を備える。二次的な電磁波20と、例えば第2化学前駆体21のような第2の反応物、とが導入される。二次的な電磁波20は、表面電子(e−)の光子・電子共鳴と一致する周波数を備えており、励起を生じさせ、少なくとも二次的な光子・電子共鳴を生じさせ、これに伴い熱を生成させる。ナノパーティクルにおける光子・電子の相互作用から生ずる熱効果は、伝導電子の平均運動エネルギーと関連する。そして、電磁波が入射することにより、金属の表面電子の電子の振幅を生じさせ、平均運動エネルギーを増加させる。表面電子の運動エネルギーの増加は、いわゆるランダム形式で、表面に対して内側の電子、つまりバルク電子へと伝達される。これが放射加熱の基礎である。しかしながら、仮に電磁波がP−ERFと同じかその近傍である場合、表面電子の振幅又は共鳴が全体的に生じ、熱は最大化する。構造体のサイズが小さくなると、体積に対する表面積の比、つまりパーティクルの半径をRとしたとき1/Rで表される比は、増加する。ナノパーティクルは、バルク電子と比較して大量の表面電子が存在するように、特に高い体積に対する表面積比を有する。これが、プラズモン共鳴周波数の電磁波によりナノパーティクルを効率的に加熱することができる理由であると一般に考えられている。最も好ましい吸収周波数は、ナノパーティクルの集合の幾何学的な配置をどう選択するか(表面上等)と同様に、個々のナノパーティクルの形状に依存する。球形のナノパーティクルにおいて、吸収スペクトルの計算は前世紀の初頭にMieたちによってなされている。最近の実験結果からは、ヒーティングプロセスはかなり速いタイムスケールで生ずることが示唆されている。生成された熱は効率的に温度を上昇させ、化学反応を生じさせる。熱は、堆積層10と第2化学前駆体21との間、及び/又は第2化学前駆体21自身の間に作用し、既に形成された堆積層10上に第2の材料の堆積層18が形成される。
Turning to FIG. 1B, the material that forms the deposited
例えば、銅、銀、金、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、イットリウムのような金属(金属構造体を形成するのに用いることができる)は、可視波長域においてプラズモンとして知られる解離した表面電子に起因した吸収共鳴を生ずる。適切な波長とパワーを有する入射光を用いた表面電子の励起による少なくとも光子・電子共鳴と、これと関連する金属ナノ構造体の加熱と、を利用することによって、ナノメーターサイズの構造体、例えば限定する意味ではないが、球体、線形、アレイ状、ロッド形状のナノ構造体を、限定する意味ではないが、物質成長(material growth)を含む堆積反応を促進するのに適した温度まで加熱することができる。 For example, metals such as copper, silver, gold, nickel, palladium, platinum, rhodium, and yttrium (which can be used to form metal structures) can dissociate into dissociated surface electrons known as plasmons in the visible wavelength range. The resulting absorption resonance occurs. By utilizing at least photon-electron resonance by excitation of surface electrons with incident light having an appropriate wavelength and power, and heating of the associated metal nanostructure, for example, a nanometer-sized structure, for example Heat, without limitation, spherical, linear, arrayed, rod-shaped nanostructures to a temperature suitable to promote deposition reactions, including but not limited to material growth be able to.
実施形態において、下層基板は、シリコン、III/V属(周期表の)の元素、SOI(silicon on insulator)、ゲルマニウム、水晶、ガラス、これらの組み合わせのいずれかを用いることができる。ここに挙げたいずれを用いる場合であっても、電磁波は、構造体又は構造体の構成要素内に少なくとも光子・電子相互作用によって熱を発生させるように一定の比率及び/又はパルスで構造体へ供給される。実施形態において、これらの構成要素はナノ構造体を有する金属である。何種類もの反応を提供する促進された反応によって生成物が生じ、この生成物は基板2上に堆積されても良い。
In the embodiment, the lower layer substrate may be made of silicon, III / V group (of the periodic table), SOI (silicon on insulator), germanium, quartz, glass, or a combination thereof. Regardless of which one is used here, the electromagnetic waves are transmitted to the structure at a constant ratio and / or pulse so that heat is generated at least by photon-electron interaction within the structure or the components of the structure. Supplied. In embodiments, these components are metals with nanostructures. An accelerated reaction that provides several types of reactions produces a product that may be deposited on the
実施形態において、基板は、シリコン、III/V属(周期表の)の元素、SOI、ゲルマニウム、水晶、ガラスの一つ又はこれらの組み合わせを用いることができる。ここで挙げたいずれを用いる場合であっても、電磁波は、ナノ構造体を含む金属内において構造体又は複数の構造体で光子・電子共鳴が生ずる結果として熱が生ずるように、構造体上に一定の比率、及び/又はパルスで供給される。 In an embodiment, the substrate may be silicon, one of III / V elements (of the periodic table), SOI, germanium, quartz, glass, or a combination thereof. Regardless of which one is used here, the electromagnetic wave is generated on the structure so that heat is generated as a result of photon / electron resonance occurring in the structure or structures in the metal including the nanostructure. It is supplied in a fixed ratio and / or in pulses.
少なくとも一つの構造体、又は複数の構造体(例えばアレイ等)上、及び、又は近傍では、様々な化学反応が起き得る。更に、局所化された熱源として機能する少なくとも一つの構造体は、同時に少なくとも一つの化学反応において触媒としても機能する。上述したように、少なくとも一つの構造体は、好ましくは、限定する意味ではないが、金、銅、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、イリジウム、鉄、コバルト、オスミウム、亜鉛、ロジウム、これらの組み合わせを含む。実施形態では、複数のナノ構造パーティクルは、少なくともいくつかは熱源としてのみ機能し、いくつかは触媒として機能する。複数の構造体を用いる場合の実施形態では、構造体からなる少なくとも第1の集合と、第2の集合とを用いても良い。集合は、同一の材料から構成され、それぞれが異なる形、形状に形成され、(例えばアレイや複数のワイヤとして)基板2上に配置される。他の考えられる実施形態では、異なる材料から構成された複数の構造体の集合を基板上に配置させても良い。この構造体の集合は、例えば、他の集合体では光子・電子共鳴が励起されない所定の周波数又は周波数帯域の電磁波にさらされると、光子・電子共鳴が励起され熱が発生するというような、熱的な特性をそれぞれ備える。これにより、基板上に配置された他の第2の集合に隣接した状態で、特定の化学反応のため特定の集合によって特定の熱を供給することができる。 Various chemical reactions can occur on and / or near at least one structure, or multiple structures (eg, an array, etc.). Furthermore, at least one structure that functions as a localized heat source also functions as a catalyst in at least one chemical reaction at the same time. As described above, the at least one structure is preferably, but not limited to, gold, copper, silver, titanium, aluminum, nickel, palladium, platinum, ruthenium, iridium, iron, cobalt, osmium, zinc, Rhodium, including combinations thereof. In embodiments, the plurality of nanostructured particles at least some function only as a heat source and some function as a catalyst. In an embodiment in which a plurality of structures are used, at least a first set of structures and a second set may be used. The assembly is made of the same material, each formed in a different shape and shape, and placed on the substrate 2 (eg, as an array or a plurality of wires). In other possible embodiments, a collection of multiple structures composed of different materials may be placed on the substrate. This set of structures is a thermal structure in which, for example, photons / electron resonances are excited and heat is generated when exposed to electromagnetic waves of a predetermined frequency or frequency band where photons / electron resonances are not excited in other assemblies. Each has its own characteristics. Thereby, specific heat can be supplied by a specific set for a specific chemical reaction in a state adjacent to another second set arranged on the substrate.
上述したように、ナノスケールディメンション(nano-scale dimension)を備えるパーティクル、ドット、球体、ワイヤ、線、フィルム、又はこれらの組み合わせの形状の、少なくとも一つの構造体を提供することができる。ナノスケールディメンションは、高さ、長さ、幅、半径、対角線、直径、のいずれか一つ又は組み合わせであり、0.5〜500nm、好ましくは1〜100nmの間、もしくはこれらの間かこれらとほぼ同じ幅(range)を有する。 As described above, at least one structure in the form of particles, dots, spheres, wires, lines, films, or combinations thereof with nano-scale dimensions can be provided. The nanoscale dimension is any one or a combination of height, length, width, radius, diagonal, diameter, and is between 0.5 and 500 nm, preferably between 1 and 100 nm, or between these. Have approximately the same range.
前述した実施形態に関連し、化学反応における反応物は、気体、液体、プラズマ、固体のいずれか、又はこれらの組み合わせであってもよい。上述した例では、様々な種類の反応が生じうる。反応の一例としては、少なくとも一つの反応生成物が少なくとも一つの反応物である、又は反応物の一部を含む分解反応が挙げられる。これは図2Aに例示されている。複数の金属構造体8は、基板2上に図示されている。金属構造体8へは、金属構造体8内に少なくとも光子・電子共鳴を励起することができる所定の周波数又は周波数帯域を有する電磁波4が入射する。例えば、分解反応物62も同様に供給される。図2Bは、一つの金属構造体8を拡大した概略図である。金属構造体8は、この図では波線29で図示されている熱を生じる。この熱は、化学反応温度において、少なくとも金属構造体8の光子・電子の電子が、適切な光子・電子共鳴の周波数又は周波数帯域を有する電磁波4によって相互作用され、光子・電子共鳴が励起されることによって生ずる。これにより、触媒(金属構造体であってもよい)の周辺領域内、及び/又は周辺領域上、隣接する領域において温度が上昇する。一例である分解反応物62は、分解に至り、少なくとも二つのパーツ62A,62Bに分かれ、これにより少なくとも一つ所望の反応生成物を生ずる。一例である図2A及び図2Bに示す反応は、構成要素ごとに分解し反応物が除去される場合、脱離反応とされることがある。
In connection with the above-described embodiment, the reactant in the chemical reaction may be a gas, a liquid, a plasma, a solid, or a combination thereof. In the example described above, various types of reactions can occur. An example of the reaction includes a decomposition reaction in which at least one reaction product is at least one reactant or includes a part of the reactant. This is illustrated in FIG. 2A. A plurality of
他の化学反応の例としては、置換反応が挙げられる。置換反応は少なくとも一つの反応物が少なくとも二つ目の反応物と反応する、そして、反応物それ自身か、反応物の一部が第2の反応物の一部と置き換わる、及び/又は第2の反応物に加わり、反応生成物を生じる。これは、図3Aに図示してある。この例では、複数の金属構造体8が基板2上に配置されている。適切な電磁波4が照射されると、複数の金属構造体8における光子・電子共鳴の少なくとも励起によって金属構造体8から熱が発生する。ここで、第1の反応物は連結された2つの三角形62で示されており、第2の反応物は連結された円6で示されている。図3Bの拡大概略図に示すように、熱29によってを触媒(金属構造体でもよい)の周囲の空間の近く、上、及び/空間内を所望の反応温度とする。そして少なくとも一つの化学反応が起きる。この例では、三角形の一つ、例えば第1反応物の一部が、第2反応物の一部と置き換わる。そして、第1反応物の一部と、第2反応物の一部とを有する反応生成物の反応となる。これは、図3Bに示すように連結された円と三角形64として図示されている。他の反応例では、少なくとも第2の反応物と第1反応物とが全体として結合し、反応生成物が生じる。つまり、図5に例えば示すように、星82として示された第1反応物と、円83として示される第2反応物とは、共に所定の化学反応温度で結合し、反応生成物となる。つまり、ここで星82と円83の組み合わせとして図示されているように二つは結合し、付加的な反応生成物88を生ずる。
Examples of other chemical reactions include substitution reactions. A substitution reaction is one in which at least one reactant reacts with at least a second reactant, and the reactant itself, or a portion of the reactant replaces a portion of the second reactant, and / or the second To produce a reaction product. This is illustrated in FIG. 3A. In this example, a plurality of
実施形態では、少なくとも一つの化学反応の少なくとも一つの反応物は、図4Aで円、四角形、三角形を用いて開始物質として例示されている所定の成分比を有する反応開始物質73である。上述したように、適切な電磁波4が供給されると、金属構造体8内において、少なくとも光子・電子共鳴によって化学反応温度に対して適切な熱が生ずる。そして図4Bに構成例を示すように、少なくとも一つの化学反応が起きる。ここで、少なくとも一つの化学反応と、少なくとも一つの反応生成物は変化した化合物79として示されている。化合物79は、開始物質73と成分比は同じであるが、化学反応によって開始物質73とは特性に違いが生じている。例えばこの特性の違いは、原子の再配列、結合数の変更、結合種の変更、結合角の変化、のいずれか、もしくはこれらの組み合わせである。例えば実施形態では、少なくとも一つの反応が、少なくとも一つの反応開始物質73の特性を変化をもたらし、例えば、少なくとも化合物の異性体を生ずる。また、実施形態ではこのような生成物としての異性体は、光学異性体であってもよい。
In an embodiment, at least one reactant of at least one chemical reaction is a
本発明の実施の形態にかかる装置の構成例を図6に示す。この例では、装置は、所定空間1200と、所定空間1200に接続され少なくとも一つの反応物を反応物供給源1204から所定空間1200へと導入するための少なくとも一つの導入口1217と、少なくとも一つの構造体が配置された基板2と、を備える。構造体はこの例では複数の金属構造体8を有するアレイ7である。他の構成も、本発明の開示の範囲内で採ることが可能である。基板2は、所定の空間内に設置され、電磁波供給源1202も設置される。電磁波1202の供給源1202は、少なくとも一つの構造体が設置され、この例では複数の金属構造体8を有するアレイ7として示される基板上、及び/又は基板の一部に照射することができるよう配置される。電磁波は、ここでは、複数の金属構造体8を有するアレイ7として例示されている少なくとも一つの構造体によって吸収され、複数の金属構造体で光子・電子共鳴を励起する所定の周波数又は周波数帯域を有する。また、実施形態では、電磁波供給源4は、少なくとも一つの構造体が配置された基板の一部分を照射することができるように配置される。これによって、少なくとも一つの構造体と少なくとも光子・電子共鳴の結果とから、反応物供給源1204から供給される少なくとも一つの反応物を伴う少なくとも一つの化学反応を促進させる化学反応温度において局所的な加熱をすることができる。また、所定空間1200に接続された少なくとも一つの導出口1219が設置される。少なくとも一つの導出口1219は、少なくとも一つの反応生成物を所定空間1200から導出する。この実施形態では、所定空間1200に接続された第2の導入口1218と、第2の反応物を備える第2の反応物供給源1206と、を有する。さらにこの実施形態では、所定空間1200に接続された付加的な導出口1220と、例えばガスクロマトグラフィのような分析装置1210と、が設置されている。更に、少なくとも一つの反応生成物を回収し、及び又は、反応生成物を分析装置1210へと導く真空ポンプ1208が設置されている。当然のように、適切なバルブ1205が図6に例示するように設置されている。ここで開示されているような装置全体の操作、反応のモニタリング、制御は、少なくとも一つのコンピュータシステム1021によって行われる。コンピュータシステム1021は、装置のそれぞれの構成要素と操作可能に接続されている。反応物供給源1204と1206の反応物は、例えば気体、液体、固体、プラズマ、もしくはこれらの組み合わせ等、所望の状態で所定空間1200に供給される。
FIG. 6 shows a configuration example of the apparatus according to the embodiment of the present invention. In this example, the apparatus includes a
装置に関する実施形態では、ここで複数の金属構造体8として示されている少なくとも一つの構造体は、限定する意味ではないが、金、銅、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、鉄、亜鉛、のいずれか、もしくはこれらの組み合わせのうち、少なくとも一種類の金属を含む。少なくとも一つの構造体は、上述したようにパーティクル、ドット、球体、ワイヤ、線、フィルム、これらの組み合わせのいずれの形状に形成される。上述したように、本装置の実施形態でも、パーティクル、ドット、球体、ワイヤ、線、フィルム、これらの組み合わせの形状に形成され、ナノスケールサイズを備える、少なくとも一つの構造体を用いる。例えば、高さ、幅、厚み、半径、長さ、これらの組み合わせ等、これらの構造体の寸法は、約0.5〜500nmである。実施例では、少なくとも一つの構造体は約1〜500nmのサイズである。また他にも10〜50nmであってもよい。全体の大きさは、所望の反応温度において熱を供給する少なくとも光子・電子共鳴を発生させ、これを用いることができるものがよい。
In embodiments relating to the apparatus, at least one structure shown here as a plurality of
実施の形態において、少なくとも一つの構造体の少なくとも一種類の金属は、少なくとも一つの化学反応において化学反応温度で触媒として機能し、及び/又は化学反応に対する熱源として機能する。例えば化学反応温度は、摂氏数百度、60〜1200度であっても良く、開示されているように、局所的に加熱することによってこのような温度まで到達させる。複数の実施形態において、例えばレーザによってパルスを与えることにより、化学反応の時間と温度とを制御することができる。例として挙げられた装置では、上述した実施形態で開示された様々な化学反応を制御することができる。 In an embodiment, the at least one metal of the at least one structure functions as a catalyst at the chemical reaction temperature in at least one chemical reaction and / or functions as a heat source for the chemical reaction. For example, the chemical reaction temperature may be several hundred degrees Celsius, 60-1200 degrees, and as disclosed, such temperature is reached by local heating. In embodiments, the time and temperature of the chemical reaction can be controlled, for example by applying pulses with a laser. In the apparatus given as an example, various chemical reactions disclosed in the above-described embodiments can be controlled.
上述した実施形態では、例えば装置は少なくとも電磁波供給源1202を備える。電磁波供給源は、限定する意味ではないが、固体レーザー、半導体ダイオードレーザー、ヘリウムネオンガスレーザー、アルゴンイオンガスレーザー、クリプトンイオンガスレーザー、キセノンイオンガス、調節可能なレーザー、ランプ、のようなレーザ光源から構成されても良い。好ましくは、所定の波長は、約100nmから10μmの範囲が好ましい。例示した装置で用いられる電磁波4は、紫外線、可視光線、赤外線、のいずれか一つもしくはこれらの組み合わせであっても良い。また、例えば電磁波供給源は、予め定められた周波数、もしくは周波数帯域を有するパルスされた電磁波を供給する。
In the above-described embodiment, for example, the apparatus includes at least the
上述したように、実施形態中で用いられる電磁波は、例えばレーザ、ランプ等の複数の光源から供給することができる。また、電磁波4は、紫外線、可視光線、赤外線、電磁波等のいずれか、もしくは組み合わせであってもよい。 As described above, the electromagnetic waves used in the embodiments can be supplied from a plurality of light sources such as lasers and lamps. Further, the electromagnetic wave 4 may be any one of ultraviolet rays, visible light, infrared rays, electromagnetic waves, or a combination thereof.
光子・電子共鳴に関して詳しく説明をしてきたが、上述したような局所的、特定領域に熱を発生させることに寄与しうる他の様々な効果を単独又は組み合わせてもちいることも可能である。これらの効果としては、フォノン格子振動と同様に、ランダウ減衰、正孔生成/ダイナミクスが挙げられる。 The photon / electron resonance has been described in detail. However, various other effects that can contribute to generating heat locally and in a specific region as described above can be used alone or in combination. These effects include Landau damping and hole generation / dynamics as well as phonon lattice vibrations.
ここで記載した実施例、実施形態は説明のためであり、当業者によれば相当することができる様々な変形及び変更が含まれており、これらの変形及び変更は本発明のクレームの見地及び本技術の思想の範囲内に含まれている。 The examples and embodiments described herein are for illustrative purposes and include various variations and modifications that could be equivalent to those skilled in the art, and these variations and modifications are within the scope of the claims of the present invention. It is included in the scope of the idea of the present technology.
Claims (75)
少なくとも一つの構造体(structure)が配置された基板を用意する工程と、
少なくとも一つの構造体の近傍に、少なくとも一つの反応物を導入する工程と、
少なくとも一つの構造体において、光子・電子共鳴を励起する所定の周波数又は周波数帯域を有する電磁波を、前記少なくとも一つの構造体へと照射する工程と、
触媒化学反応の温度において、少なくとも一つの反応物を伴う少なくとも一つの触媒化学反応を促進させるため、前記少なくとも一つの構造体から、前記少なくとも光子・電子共鳴の結果として、局所的な熱を供給する工程と、
少なくとも一つの反応物を生成する工程と、を備えることを特徴とする方法。 A method of promoting catalytic chemical reaction by local heating using photon-electron resonance,
Providing a substrate on which at least one structure is disposed;
Introducing at least one reactant in the vicinity of at least one structure;
Irradiating the at least one structure with an electromagnetic wave having a predetermined frequency or frequency band for exciting photon-electron resonance in at least one structure;
Supplying local heat from the at least one structure as a result of the at least photon-electron resonance to promote at least one catalytic chemical reaction involving at least one reactant at a temperature of the catalytic chemical reaction. Process,
Producing at least one reactant.
前記少なくとも一つの反応生成物は、前記化合物と同じ成分比を有し、前記少なくとも一つの触媒化学反応では前記化合物の少なくとも一つの特性が変化することを特徴とする請求項1に記載の方法。 The at least one reactant is a compound having a specific component ratio;
The method of claim 1, wherein the at least one reaction product has the same component ratio as the compound, and the at least one catalytic chemical reaction changes at least one property of the compound.
前記少なくとも一つの反応物と前記少なくとも第2の反応物はそれぞれ結合し、反応生成物を生ずることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The one catalytic chemical reaction involving the at least one reactant is an addition reaction;
2. The method of claim 1, wherein the at least one reactant and the at least second reactant are each combined to yield a reaction product.
前記少なくとも一つの反応物は分離して反応生成物となり、該反応生成物は少なくとも二つ生ずることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The one catalytic chemical reaction involving the at least one reactant is an elimination reaction;
The method of claim 1, wherein the at least one reactant is separated into reaction products, and at least two of the reaction products are formed.
複数の構造体(structure)が設置された基板を用意する工程と、
前記複数の構造体の近傍に少なくとも一つの反応物を導入する工程と、
前記複数の構造体に少なくとも光子、電子共鳴を励起させる周波数又は周波数帯域を有する電磁波を、前記複数の構造体に照射する工程と、
前記少なくとも一つの反応物を伴う前記一つの化学反応を、化学反応温度において促進させるため、少なくとも光子・電子共鳴の結果として、前記複数の構造体から局所的な熱を供給する工程と、
少なくとも一つの反応生成物を生ずる工程と、を備えることを特徴とする方法。 A method of promoting chemical reaction using local heat,
Preparing a substrate on which a plurality of structures are installed;
Introducing at least one reactant in the vicinity of the plurality of structures;
Irradiating the plurality of structures with electromagnetic waves having a frequency or a frequency band that excites at least photons and electron resonance in the plurality of structures;
Supplying local heat from the plurality of structures as a result of at least photon-electron resonance to promote the one chemical reaction with the at least one reactant at a chemical reaction temperature;
Producing at least one reaction product.
この工程では、付加的な電磁波は、所定の周波数又は周波数帯域を備え、前記電磁波とは異なる、少なくとも構造体の第2の集合において、光子・電子共鳴を励起する、そして付加的な化学反応へ熱を供給することを特徴とする請求項43に記載の方法。 In addition, the method further includes a step of supplying electromagnetic waves,
In this step, the additional electromagnetic wave has a predetermined frequency or frequency band and is different from the electromagnetic wave, at least in the second set of structures, to excite photon and electron resonance, and to an additional chemical reaction. 44. The method of claim 43, wherein heat is supplied.
反応チャンバと、
前記反応チャンバに接続され、前記反応チャンバに少なくとも一つの反応物を導入するための少なくとも一つの導入口と、
前記反応チャンバ内に設置され、少なくとも一つの構造体(structure)が配置された基板と、
前記少なくとも一つの構造体に吸収され、そして前記少なくとも一つの構造体の少なくとも光子・電子共鳴を励起し、これにより前記少なくとも光子・電子共鳴によって、少なくとも一つの反応物を伴う少なくとも一つの触媒化学反応を促進させる化学反応温度で、局所的な熱を供給することができる所定周波数もしくは所定周波数帯域を有する電磁波を前記基板に照射するため設置された電磁波供給源と、
前記反応チャンバに接続され、前記反応チャンバから少なくとも一つの反応生成物を導出させる少なくとも一つの導出口と、を備えることを特徴とする装置。 An apparatus for carrying out a chemical catalytic reaction,
A reaction chamber;
At least one inlet connected to the reaction chamber for introducing at least one reactant into the reaction chamber;
A substrate disposed in the reaction chamber and having at least one structure disposed thereon;
At least one catalytic chemical reaction that is absorbed in the at least one structure and excites at least photon-electron resonance of the at least one structure, thereby causing at least one reactant by the at least photon-electron resonance. An electromagnetic wave source installed to irradiate the substrate with an electromagnetic wave having a predetermined frequency or a predetermined frequency band capable of supplying local heat at a chemical reaction temperature that promotes
An apparatus comprising: at least one outlet connected to the reaction chamber and allowing at least one reaction product to be led out from the reaction chamber.
前記少なくとも一つの反応生成物は、前記反応物と同じ成分比を有し、前記少なくとも一つの触媒化学反応において前記化合物の少なくとも一つの特性が変化することを特徴とする請求項48に記載の装置。 The at least one reactant has a predetermined component ratio;
49. The apparatus of claim 48, wherein the at least one reaction product has the same component ratio as the reactant, and wherein at least one property of the compound changes in the at least one catalytic chemical reaction. .
少なくとも構造体の少なくとも光子・電子共鳴を励起させる所定の周波数又は周波数帯域を備える電磁波を、少なくとも一つの前記構造体へと照射する工程と、
前記少なくとも一つの構造体の近傍に少なくとも一つの反応物を導入する工程と、
前記少なくとも一つの反応物を伴う前記少なくとも一つの化学反応を促進させるため、触媒化学反応温度において、前記少なくとも一つの構造体と前記光子・電子共鳴の結果から局所的な熱を発生させる工程と、
少なくとも一つの構造体が設置された基板を用意する工程と、を備えることを特徴とする方法。 A method for promoting a chemical catalytic reaction using photon / electron resonance derived from local heating,
Irradiating at least one of the structures with an electromagnetic wave having a predetermined frequency or frequency band for exciting at least photon-electron resonance of the structure;
Introducing at least one reactant in the vicinity of the at least one structure;
Generating local heat from the result of the at least one structure and the photon-electron resonance at a catalytic chemical reaction temperature to promote the at least one chemical reaction involving the at least one reactant;
Providing a substrate on which at least one structure is installed.
75. The method of claim 74, further comprising the step of producing the at least one reaction product.
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