JP2012240880A - Device and method for producing nitrogen-including fullerene - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フラーレン分子の内部に窒素原子を内包させた窒素内包フラーレンの製造装置、及び、製造方法に関するものである。 The present invention relates to a production apparatus and production method for nitrogen-encapsulated fullerene in which nitrogen atoms are encapsulated in fullerene molecules.
内包フラーレンは、篭状のフラーレン分子の中空部に原子が内包された物質で、空のフラーレンとは電子構造的にも物性的にも大きく異なり、特異な性質を有する。窒素内包フラーレンは、化学式がN@Cn(n=60,70,76,78,80,82…)で表される物質であり、内包された窒素原子は、カーボンケージとの相互作用が小さく、フラーレンケージの中心に孤立してトラップされている。そのため、電子スピン共鳴(ESR)スペクトルの線幅が細く、整列した電子スピンの寿命が長く、例えば、量子コンピュータへの応用が期待されている。
窒素内包フラーレンは、イオンビーム法、グロー放電法、アーク放電法、高周波(RF)放電法、電子サイクロトロン共鳴(ECR)放電法等のプラズマ法により合成可能であることが報告されている。内包フラーレンは、内包対象原子を含むイオンからなるプラズマを生成し、フラーレンと反応させ、内包フラーレンを含む生成物を得て、精製により不純物を除去することにより得られる。従来用いられてきた製造装置による窒素内包フラーレンの合成によると、空のフラーレンを含む不純物の量が内包フラーレンの量よりもはるかに多く、高い収率で内包フラーレンを合成することができないという問題があった。
The endohedral fullerene is a substance in which atoms are encapsulated in a hollow portion of a cage-like fullerene molecule, and has a unique property that differs greatly from an empty fullerene in terms of electronic structure and physical properties. Nitrogen-encapsulated fullerene is a substance represented by the chemical formula N @ C n (n = 60, 70, 76, 78, 80, 82...), And the encapsulated nitrogen atom has a small interaction with the carbon cage. , Trapped isolated in the center of the fullerene cage. Therefore, the line width of the electron spin resonance (ESR) spectrum is narrow and the life of the aligned electron spin is long, and application to, for example, a quantum computer is expected.
It has been reported that nitrogen-encapsulated fullerenes can be synthesized by plasma methods such as ion beam method, glow discharge method, arc discharge method, radio frequency (RF) discharge method, electron cyclotron resonance (ECR) discharge method. The endohedral fullerene is obtained by generating a plasma composed of ions containing encapsulated atoms, reacting with the fullerene, obtaining a product containing the endohedral fullerene, and removing impurities by purification. According to the synthesis of nitrogen-encapsulated fullerene using a conventional production apparatus, the amount of impurities including empty fullerene is much larger than the amount of endohedral fullerene, and it is impossible to synthesize endohedral fullerene in high yield. there were.
特許文献1には、窒素雰囲気下のグロー放電内にフラーレンC60を昇華させることで窒素内包フラーレンN@C60を合成する製造方法が開示されている。回収した堆積物のESR測定を行ったところ収率N@C60/C60の割合は、106〜105、すなわち、104〜103%であったと記載されている。特許文献1に記載されたグロー放電法の場合を含め、従来のプラズマ法による窒素内包フラーレンの製造方法により合成される窒素内包フラーレンの収率は104〜103%の程度であり、収率が極めて低く、開発レベル、或いは、実用レベルで窒素内包フラーレンを製造するためには、より高い収率で窒素内包フラーレンを合成可能な方法の実現が望まれていた。
特許文献2には、高周波誘導プラズマ内で窒素原子とフラーレン分子を反応させて、窒素内包フラーレンを合成する方法が記載されている。製造装置は、プラズマ発生室21内に、プラズマ電極25と接地電極29からなる対向電極と、対向電極間に設けられ直流熱源28に接続された加熱板30上に配されたフラーレン分子供給源27と、ガス導入管23、真空吸引管22を有する。ガス導入管23から窒素ガスを減圧したプラズマ発生室21内に導入し、対向電極に高周波電力を印加し、プラズマを発生させ、加熱により気化したフラーレンと反応させ、プラズマ電極25に窒素内包フラーレンを含む堆積物26を堆積させる。段落0066には、「収率が104〜103の間であり、これはイオンインプランテーションによる収率とほぼ同等か、又はそれ以上であった」と記載されている。従来の学会発表や論文発表におけるイオンビーム法で合成された内包フラーレンの収率がいずれも104〜103%と低い値が報告されていることから、特許文献2の収率に関する数値の単位も%であると考えられる。特許文献2に記載された製造方法を用いても、機能性材料として応用するにはやはり不十分な量の窒素内包フラーレンの合成しかできないという問題があった。
非特許文献1には、窒素分子の放電により生成したカチオン(正イオン)をC60分子に衝突されることによってN@C60を生成する実験装置が記載されている。図10は、非特許文献1に開示された実験装置の断面図である。真空容器内に窒素ガスを流し、水冷コイルに高周波電場を印加することにより、電離気体を発生させ、生成したカチオンをアパーチャーを通して下流に導き、入口にステンレスメッシュを張った円筒型の水冷電極に約−80Vを印加することによって捕集した。同時に、円筒電極の下流に設置した小型電気炉内部のC60粉末を昇華させ、円筒電極の内壁に蒸着した。分子はそこでカチオンの衝撃を受け、円筒電極内壁に窒素内包フラーレンが生成される。しかし、非特許文献1に記載された製造装置を用いて内包フラーレンを合成する場合でも、十分高い収率が得られないという問題があった。
Non-Patent
本発明は、高い収率で窒素内包フラーレンを合成可能な製造装置及び製造方法を実現することを目的とする。 An object of this invention is to implement | achieve the manufacturing apparatus and manufacturing method which can synthesize | combine the nitrogen inclusion fullerene with a high yield.
本発明(1)は、真空容器中に窒素ガスを導入し、プラズマ生成手段により電子を含むプラズマを生成し、前記真空容器内に配置したエンドプレート電極にバイアス電圧Vepを印加することにより前記プラズマの空間電位を制御し、前記真空容器内に配置したグリッド電極の電位が前記プラズマの空間電位よりも負電位となるように前記グリッド電極にバイアス電圧Vgを印加することで前記電子を加速し、前記電子を前記窒素ガス中の窒素分子に衝突させて窒素イオンを生成し、同時に、フラーレンを加熱してフラーレン分子からなる蒸気を生成し、前記真空容器内に配置した堆積基板に向かって前記蒸気を噴射し、前記堆積基板の電位が前記空間電位よりも負電位となるように前記堆積基板にバイアス電圧Vsubを印加することで前記窒素イオンを加速し、前記窒素イオンを前記フラーレン分子に衝突させて窒素内包フラーレンを生成する窒素内包フラーレンの製造方法であり、前記窒素ガスの圧力が15Pa〜35Paであり、前記フラーレンの加熱温度が700℃〜1000℃であることを特徴とする窒素内包フラーレンの製造方法である。
本発明(2)は、前記窒素イオンが窒素分子イオンであることを特徴とする前記発明(1)の窒素内包フラーレンの製造方法である。
本発明(3)は、プラズマ生成手段が高周波誘導を用いたプラズマ生成手段であり、プラズマ生成のために印加する高周波電力が100〜700Wであることを特徴とする前記発明(1)又は前記発明(2)の窒素内包フラーレンの製造方法である。
本発明(4)は、金属メッシュを介してフラーレン分子からなる前記蒸気を前記堆積基板に向かって噴射することを特徴とする前記発明(1)乃至前記発明(3)の窒素内包フラーレンの製造方法である。
本発明(5)は、前記フラーレンがC60又はC70であることを特徴とする前記発明(1)乃至前記発明(4)の窒素内包フラーレンの製造方法である。
本発明(6)は、前記Vgが−200〜0Vであり、前記Vepが−70〜+70Vであることを特徴とする前記発明(1)乃至前記発明(5)の窒素内包フラーレンの製造方法である。
本発明(7)は、前記Vsubが−200〜0Vであり、前記Vepが−70〜+70Vであることを特徴とする前記発明(1)乃至前記発明(6)の窒素内包フラーレンの製造方法である。
本発明(8)は、真空容器と、前記真空容器中に窒素ガスを導入する窒素ガス導入手段と、前記真空容器内で電子を含むプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマの空間電位を制御する手段と、前記電子を加速する手段と、加速された前記電子を前記窒素ガス中の窒素分子に衝突させ窒素イオンを生成する手段と、前記真空容器内にフラーレン分子からなる蒸気を導入する昇華オーブンと、前記窒素イオンを加速する手段と、加速された前記窒素イオンを前記フラーレン分子に衝突させ窒素内包フラーレンを生成する手段と、前記窒素内包フラーレンを堆積し回収する堆積基板とからなる窒素内包フラーレンの製造装置である。
本発明(9)は、プラズマ生成手段が高周波誘導を用いたプラズマ生成手段であることを特徴とする前記発明(8)の窒素内包フラーレンの製造装置である。
本発明(10)は、前記昇華オーブンの内部に金属メッシュを配置したことを特徴とする前記発明(8)又は前記発明(9)の窒素内包フラーレンの製造装置である。
本発明(11)は、前記プラズマの空間電位を制御する手段が、プラズマ中に配置され、バイアス電圧Vepを印加可能なグリッド状の電極であることを特徴とする前記発明(8)乃至前記発明(10)の窒素内包フラーレンの製造装置である。
本発明(12)は、前記電子を加速する手段が、前記堆積基板と前記プラズマ生成手段の間に配置され、バイアス電圧Vgを印加可能なグリッド状の電極であることを特徴とする前記発明(8)乃至前記発明(11)の窒素内包フラーレンの製造装置である。
本発明(13)は、前記窒素イオンを加速する手段が、バイアス電圧Vsubを印加可能な前記堆積基板であることを特徴とする前記発明(8)乃至前記発明(12)の窒素内包フラーレンの製造装置である。
In the present invention (1), nitrogen gas is introduced into a vacuum vessel, plasma including electrons is generated by a plasma generating means, and a bias voltage V ep is applied to an end plate electrode disposed in the vacuum vessel. controls space potential of the plasma, accelerating the electrons by the potential of the grid electrode disposed in the vacuum container to apply a bias voltage V g to the grid electrode so that the negative potential than the spatial potential of the plasma The electrons collide with nitrogen molecules in the nitrogen gas to generate nitrogen ions, and at the same time, fullerenes are heated to generate vapors composed of fullerene molecules, toward a deposition substrate disposed in the vacuum vessel. by injecting the steam, the potential of the deposition substrate is applied a bias voltage V sub to the deposition substrate to be a negative potential than the space potential The nitrogen-encapsulated fullerene is produced by accelerating nitrogen ions and causing the nitrogen ions to collide with the fullerene molecules to generate nitrogen-encapsulated fullerene, wherein the pressure of the nitrogen gas is 15 Pa to 35 Pa, and the heating temperature of the fullerene Is a method for producing fullerene containing nitrogen, characterized in that the temperature is 700 ° C to 1000 ° C.
The present invention (2) is the method for producing a nitrogen-containing fullerene according to the invention (1), wherein the nitrogen ions are nitrogen molecular ions.
The present invention (3) is characterized in that the plasma generating means is a plasma generating means using high frequency induction, and the high frequency power applied for plasma generation is 100 to 700 W. It is a manufacturing method of the nitrogen inclusion fullerene of (2).
The present invention (4) is a method for producing nitrogen-encapsulated fullerene according to any one of the inventions (1) to (3), wherein the vapor comprising fullerene molecules is jetted toward the deposition substrate through a metal mesh. It is.
The present invention (5), the fullerene is the invention (1) to the production method of the nitrogen endohedral fullerenes of the invention (4), which is a C 60 or C 70.
The present invention (6) is the production of a nitrogen-containing fullerene according to any one of the inventions (1) to (5), wherein the V g is -200 to 0 V and the V ep is -70 to +70 V Is the method.
The present invention (7) is the production of a nitrogen-containing fullerene according to any one of the inventions (1) to (6), wherein the V sub is -200 to 0 V and the V ep is -70 to +70 V Is the method.
The present invention (8) includes a vacuum vessel, nitrogen gas introduction means for introducing nitrogen gas into the vacuum vessel, plasma generation means for generating plasma containing electrons in the vacuum vessel, and the spatial potential of the plasma. Means for controlling, means for accelerating the electrons, means for colliding the accelerated electrons with nitrogen molecules in the nitrogen gas to generate nitrogen ions, and introducing vapor made of fullerene molecules into the vacuum vessel. Nitrogen comprising a sublimation oven, means for accelerating the nitrogen ions, means for colliding the accelerated nitrogen ions with the fullerene molecules to generate nitrogen-containing fullerenes, and a deposition substrate for depositing and collecting the nitrogen-containing fullerenes It is an endohedral fullerene production apparatus.
The present invention (9) is the nitrogen-encapsulated fullerene production apparatus according to the invention (8), wherein the plasma generating means is a plasma generating means using high-frequency induction.
The present invention (10) is the apparatus for producing nitrogen-encapsulated fullerene according to the invention (8) or the invention (9), wherein a metal mesh is arranged inside the sublimation oven.
The present invention (11) is characterized in that the means for controlling the space potential of the plasma is a grid electrode disposed in the plasma and capable of applying a bias voltage V ep. It is a manufacturing apparatus of the nitrogen inclusion fullerene of invention (10).
The present invention (12), the means for accelerating said electrons is disposed between the deposition substrate the plasma generating means, the invention which is characterized in that an electrode of the bias voltage V g and can be applied grid-like (8) It is a manufacturing apparatus of the nitrogen inclusion fullerene of the said invention (11).
According to the present invention (13), in the nitrogen-containing fullerene according to any one of the inventions (8) to (12), the means for accelerating the nitrogen ions is the deposition substrate to which a bias voltage V sub can be applied. It is a manufacturing device.
本発明(1)乃至(13)、によれば、エンドプレート電極8により,プラズマの空間電位を一定値に固定し、グリッド電極7に負電位を印加することにより,高エネルギー電子ビームを発生させ高効率で窒素イオンを生成し,励起窒素ラジカルを減少させ、堆積基板8への負電位印加により,窒素イオンを加速し,フラーレンへ照射することで,多量の窒素内包フラーレンを合成することが可能になる。さらに、ガス圧力を25Pa程度にすることで,世界最高の合成純度の窒素内包フラーレンの合成が実現した。
本発明(4)、(10)によれば、オーブンに高密度金属メッシュを挿入し,温度を700℃以上にあげることで,0.5%の合成純度の窒素内包フラーレンの合成が実現した。
According to the present invention (1) to (13), the
According to the present invention (4) and (10), synthesis of nitrogen-encapsulated fullerene having a synthesis purity of 0.5% was realized by inserting a high-density metal mesh into the oven and raising the temperature to 700 ° C. or higher.
以下、本発明の最良形態について説明する。 The best mode of the present invention will be described below.
本願発明者等は、窒素原子内包フラーレンの高効率多量合成を目的として鋭意検討を行い、実験を行った結果、以下の有用な知見を得ることができた。
まず、窒素原子内包フラーレンの製造装置の内部にプラズマと接触する位置にエンドプレート電極を設け、プラズマの空間電位を制御可能とし、合成プロセス中はプラズマの空間電位を固定することにした。次に、やはりプラズマと接触する位置に設けたグリッド電極にプラズマの空間電位に対し負の電圧を印加することでプラズマ中に高エネルギー電子を大量に発生させ、その結果、多量の窒素正イオンを生成し,励起窒素ラジカルを減少させることができた。さらに、堆積基板にプラズマの空間電位に対し負の電圧を印加し、窒素正イオンを加速してフラーレンに衝突させることで,高効率の窒素内包フラーレンの合成を実現した。その際、窒素ガス圧力を増加させることによって、窒素内包フラーレンの合成純度と溶解度が増加し,収率が圧倒的に増大した.これらの結果は高エネルギー電子の窒素ガスとの衝突による窒素分子イオン密度上昇により引き起こされたと考えられる。また、フラーレンオーブン温度を制御し、700℃以上の高温にしてフラーレンの昇華量を増やし、かつ、フラーレン昇華オーブンの内部に高密度金属メッシュを設けることにより、フラーレンの突沸を防ぎ、フラーレンがクラスターの状態で昇華する確率を低減することで、窒素内包フラーレンの合成純度を増大できることを明らかにした。以上の制御により世界最高の窒素内包フラーレンの合成純度0.5%を実現することに成功した。
The inventors of the present application have conducted intensive studies for the purpose of highly efficient synthesis of nitrogen atom-encapsulated fullerene, and as a result of experiments, the following useful findings have been obtained.
First, an end plate electrode was provided in a position in contact with the plasma inside the production apparatus for nitrogen atom-encapsulating fullerene, so that the plasma space potential could be controlled, and the plasma space potential was fixed during the synthesis process. Next, a large amount of high-energy electrons are generated in the plasma by applying a negative voltage with respect to the plasma space potential to the grid electrode provided at the position where it is in contact with the plasma. As a result, a large amount of nitrogen positive ions are generated. Produced and reduced excited nitrogen radicals. Furthermore, high-efficiency synthesis of nitrogen-encapsulated fullerene was realized by applying a negative voltage relative to the plasma space potential to the deposition substrate and accelerating the nitrogen positive ions to collide with the fullerene. At that time, by increasing the nitrogen gas pressure, the synthesis purity and solubility of the nitrogen-encapsulated fullerene increased, and the yield increased overwhelmingly. These results are thought to be caused by an increase in the density of nitrogen molecular ions due to collision of high energy electrons with nitrogen gas. In addition, by controlling the fullerene oven temperature to increase the sublimation amount of fullerene by increasing the temperature to 700 ° C or higher, and providing a high-density metal mesh inside the fullerene sublimation oven, fullerene bumps are prevented, It was clarified that the synthesis purity of nitrogen-encapsulated fullerene can be increased by reducing the probability of sublimation in the state. Through the above control, we have succeeded in achieving the world's best nitrogen-containing fullerene synthesis purity of 0.5%.
(窒素内包フラーレンの製造装置)
図1(a)は、本発明の実施例に係る窒素内包フラーレンの製造装置の断面図である。本発明の実施例に係る窒素内包フラーレンの製造装置は、高周波誘導により生成した窒素プラズマと昇華させたフラーレン分子との反応により窒素内包フラーレンを合成する製造装置である。図1(a)に示す製造装置は、例えば、円筒状の真空容器1と、真空容器1に接続された真空ポンプ4と、真空容器1に窒素ガスを導入するガス導入管5と、窒素ガスを励起し窒素プラズマを生成する誘導コイル6、高周波電源10、マッチングボックス9からなる窒素プラズマ生成装置と、フラーレンを加熱し昇華させるフラーレン昇華オーブン3と、窒素プラズマ生成装置とフラーレン昇華オーブン3の間に配置され、昇華したフラーレン分子とプラズマ中の窒素イオンが反応した生成物を堆積させる円筒状の堆積基板2と、プラズマ生成装置と堆積基板14の間に配置され、プラズマ中の電子のエネルギーを制御するグリッド電極7と、堆積基板2とフラーレン昇華オーブン3の間に配置され、プラズマの空間電位を制御するエンドプレート電極8とから構成される。グリッド電極7、堆積基板2、エンドプレート電極8の電位は、それぞれ、グリッド電位制御電源11、堆積基板電位制御電源12、エンドプレート電位制御電源13により制御する。係る製造装置におけるグリッド電極より上部をプラズマ生成領域と呼び、グリッド電極より下部を合成プロセス領域と呼ぶ。真空容器1は、例えば、長さが約1mで直径が約10cmのガラス円筒とする。
本発明に係る窒素内包フラーレンの製造方法は、上記した窒素ガス圧力とフラーレンオーブン温度等のプロセス条件の最適化の他に、装置構造についても特徴を有する。堆積基板下部にエンドプレート電極を配置し、制御電圧を印加して、プラズマの空間電位Φsを固定する。さらに、プラズマ生成領域と堆積基板の間にグリッド電極を配置し、制御電圧を印加して、グリッド電極の電位を空間電位よりも負電位とする。これにより、電子をグリッド電極からプラズマに向かって加速し、加速された高エネルギー電子と窒素分子の衝突により窒素正イオンが生成される。堆積基板についても、バイアス電圧を印加して、堆積基板の電位を空間電位よりも負電位とする。これにより、窒素正イオンをプラズマから堆積基板に向かって加速し、高エネルギーの窒素正イオンを堆積基板上又は堆積基板近傍のフラーレン分子に衝突させることで内包フラーレンの収率を増加させる。
図1(a)に示す製造装置では、堆積基板2の下端部がエンドプレート電極8やフラーレン昇華オーブン3の位置よりも下に位置する構造として示されているが、本願発明に係る優れた効果を得るには、必ずしもこのような構造とする必要はない。エンドプレート電極8については、プラズマと接触する位置に配置すればよい。また、フラーレン昇華オーブンと堆積基板の位置関係については、オーブンから昇華するフラーレンを効率よく回収できる位置に配置すればよい。
図1(a)に示す本発明の実施例に係る製造装置では、真空容器は堆積基板の上部と下部に分かれたガラス製の円筒であり、堆積基板は金属製の円筒である。堆積物の回収時には,上下のガラス円筒と堆積基板を分解し,堆積基板を取り外し、堆積物を剥し落として回収する。図9に示す従来の内包フラーレンの製造装置では、ガラス製の容器の中に堆積基板が挿入された構造であったが、堆積基板を水冷したり、バイアス電圧を印加するには、図1(a)に示す本発明の実施例に係る製造装置の構造とするほうがより容易に実施可能である。水冷の温度は、5℃〜25℃程度とするのが好ましい。
(Nitrogen-containing fullerene production equipment)
Fig.1 (a) is sectional drawing of the manufacturing apparatus of the nitrogen inclusion fullerene which concerns on the Example of this invention. An apparatus for producing nitrogen-encapsulated fullerene according to an embodiment of the present invention is a production apparatus that synthesizes nitrogen-encapsulated fullerene by a reaction between nitrogen plasma generated by high frequency induction and sublimated fullerene molecules. The manufacturing apparatus shown in FIG. 1A includes, for example, a
The method for producing fullerene containing nitrogen according to the present invention is characterized by the apparatus structure in addition to the optimization of process conditions such as nitrogen gas pressure and fullerene oven temperature. An end plate electrode is disposed below the deposition substrate, and a control voltage is applied to fix the plasma space potential Φ s . Further, a grid electrode is disposed between the plasma generation region and the deposition substrate, and a control voltage is applied so that the potential of the grid electrode is set to a negative potential with respect to the space potential. Thus, electrons are accelerated from the grid electrode toward the plasma, and nitrogen positive ions are generated by collision of the accelerated high-energy electrons and nitrogen molecules. A bias voltage is also applied to the deposition substrate so that the potential of the deposition substrate is more negative than the space potential. As a result, nitrogen positive ions are accelerated from the plasma toward the deposition substrate, and high energy nitrogen positive ions collide with fullerene molecules on or near the deposition substrate, thereby increasing the yield of encapsulated fullerene.
In the manufacturing apparatus shown in FIG. 1A, the lower end portion of the
In the manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1A, the vacuum container is a glass cylinder divided into an upper part and a lower part of the deposition substrate, and the deposition substrate is a metal cylinder. When collecting the deposit, the upper and lower glass cylinders and the deposition substrate are disassembled, the deposition substrate is removed, and the deposit is peeled off and collected. The conventional endohedral fullerene production apparatus shown in FIG. 9 has a structure in which a deposition substrate is inserted into a glass container. To cool the deposition substrate with water or to apply a bias voltage, FIG. The structure of the manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention shown in a) can be more easily implemented. The water cooling temperature is preferably about 5 ° C to 25 ° C.
(窒素内包フラーレンの製造方法)
図1(a)に示す内包フラーレンの製造装置において、真空容器1の内部を拡散ポンプなどの真空ポンプで、約103Paの背景真空度に排気する。ガス導入管5から窒素ガスを導入し、N2ガス圧力を、例えば、1〜100Paとする。プラズマ生成装置において、高周波電源10から誘導コイル6に周波数13.56MHzで100〜700Wの電力を供給しN2ガスを励起し、N+イオン、N2 +イオン、電子からなる窒素プラズマを生成する。図1(a)には示されていないが、ラングミュアプローブ等を用い、プラズマ状態を観測する。フラーレン昇華オーブンはオーブン内部に煤状のフラーレンを入れ加熱し、フラーレン蒸気を噴射するする。加熱温度は、700〜850℃とするのが好ましい。図1(b)は、窒素内包フラーレンの生成反応を説明するための図である。噴射したフラーレン蒸気を構成するフラーレン分子は、円筒状の堆積基板に付着し薄膜を形成する。その際、プラズマ中のN2 +イオンはフラーレン分子に衝突して2個のN原子またはN+イオンになるとともに、フラーレンの構造を歪める効果もある。N原子またはN+イオンはフラーレンが歪んで間隔の広がった六員環の間から内部に挿入され、窒素内包フラーレンが合成される。
図2は、窒素内包フラーレンの製造装置における堆積基板近傍のポテンシャル構造を示す図である。グリッド電極7の印加電圧Vgは、−200〜0Vの範囲で制御するのが好ましい。堆積基板2の印加電圧Vsubは、−200〜0Vの範囲で制御するのが好ましい。エンドプレート8の印加電圧Vepは、−70〜70Vの範囲で制御するのが好ましい。
プラズマの空間電位Φsはエンドプレート電極の電圧Vepにより制御される。VgはVepに対し負の電位とするのが好ましい。すなわち、Vg<Vepとするのが好ましい。プラズマ生成領域中の電子はグリッド電極から合成プロセス領域のプラズマ中に向かって加速され、真空容器1内の窒素分子に対し衝突し、窒素原子イオン(N+)又は窒素分子イオン(N2 +)が高い効率で生成される。VgをVepに対し負の方向に大きくし、電子のエネルギーを高くすると窒素分子イオンが生成される確率が高くなるとともに、有害な紫外線を発生する励起N2ラジカルの生成を減少させる。紫外線はフラーレンをポリマー化し、溶解度を下げ、収率を悪化させるため、抑制することが望ましい。
さらに、VsubはVepに対し負の電位とするのが好ましい。すなわち、Vsub<Vepとするのが好ましい。Vepをこのように制御すると、生成した窒素正イオンは、プラズマ中から堆積基板2に向かって加速され、フラーレン昇華オーブン3から昇華したフラーレン分子に衝突し、窒素内包フラーレンが高い効率で生成する。窒素分子イオンはフラーレンに衝突して、2個の窒素原子イオンになった後、フラーレンの六員環を通ってフラーレンに内包される。フラーレン蒸気は昇華円筒から放射状に出てくるので、円筒状の堆積基板上に堆積する。プラズマの空間電位をエンドプレート電位Vepにより固定することで、グリッド電極と堆積基板の近傍に形成されるシース電場がVgとVsubにより高精度に制御できるので窒素内包フラーレンの合成反応を高い再現性で最適化することが可能になる。
また、今回N@C60の合成が確認できたことから、本発明に係る製造方法を用いることにより、他のより大きなフラーレンについても窒素内包フラーレンの合成が可能であることは言うまでもない。
(Method for producing nitrogen-encapsulated fullerene)
In the endohedral fullerene production apparatus shown in FIG. 1A, the inside of the
FIG. 2 is a diagram showing a potential structure in the vicinity of the deposition substrate in the apparatus for producing nitrogen-encapsulated fullerene. Applied voltage V g of the
The space potential Φ s of the plasma is controlled by the voltage V ep of the end plate electrode. V g is preferably a negative potential with respect to V ep . That is, it is preferable that V g <V ep . Electrons in the plasma generation region are accelerated from the grid electrode toward the plasma in the synthesis process region, collide with nitrogen molecules in the
Furthermore, V sub is preferably negative with respect to V ep . That is, it is preferable that V sub <V ep . When V ep is controlled in this way, the generated nitrogen positive ions are accelerated from the plasma toward the
Also, this time from the synthesis of N @ C 60 was confirmed by using a manufacturing method according to the present invention, it goes without saying for the other larger fullerenes are possible synthesis of nitrogen containing fullerene.
(従来の窒素内包フラーレンの製造装置との違い)
図9に示す従来の窒素内包フラーレンの製造装置は、本願発明に係る製造装置と異なり、基板とグリッドが一体化しており、堆積基板に対しバイアス電圧を印加可能であっても、電子の加速エネルギーと窒素イオンの照射エネルギーを独立に制御できない。電子を加速できない、すなわち、電子ビームを発生させる機構がないために、窒素のイオン化反応において、窒素イオンのみではなく、窒素分子ラジカルも大量に生成される。そのため、窒素分子ラジカルから放射される紫外線により、窒素内包フラーレンの生成が起きにくい、フラーレンのポリマー化が発生するという問題があり、いずれも窒素内包フラーレンの収率を低下させる要因となっていた。
これに対し、本願発明に係る製造装置では、プラズマの空間電位を制御固定するバイアス電圧とは独立して、グリッド電極、堆積基板のそれぞれにバイアス電圧を印加可能であり、電子エネルギー、窒素イオンエネルギーをそれぞれ内包フラーレンの生成に最適なものとすることが可能である。
(Differences from conventional nitrogen-containing fullerene production equipment)
The conventional nitrogen-encapsulated fullerene production apparatus shown in FIG. 9 differs from the production apparatus according to the present invention in that the substrate and the grid are integrated, and even if a bias voltage can be applied to the deposition substrate, the acceleration energy of electrons And the irradiation energy of nitrogen ions cannot be controlled independently. Since electrons cannot be accelerated, that is, there is no mechanism for generating an electron beam, in the ionization reaction of nitrogen, not only nitrogen ions but also nitrogen molecular radicals are generated in large quantities. For this reason, there is a problem that generation of nitrogen-encapsulated fullerene is difficult to occur due to ultraviolet rays emitted from nitrogen molecular radicals, and polymerization of fullerene occurs, both of which are factors that reduce the yield of nitrogen-encapsulated fullerene.
In contrast, in the manufacturing apparatus according to the present invention, the bias voltage can be applied to each of the grid electrode and the deposition substrate independently of the bias voltage for controlling and fixing the space potential of the plasma. Can be optimized for the generation of endohedral fullerenes.
(窒素内包フラーレンの精製)
堆積基板から回収した堆積物には、窒素内包フラーレン以外に空のフラーレンやヘテロフラーレンなどの不純物が含まれている。堆積物をトルエン等の溶媒に入れて、溶媒に溶けるものと、溶けないものに分離する。ヘテロフラーレン等の不純物はトルエンには溶解しないので、ここで分離することができる。溶媒には空のフラーレンと窒素内包フラーレンが溶解している。溶媒に溶けた試料に対し、ESRによる分析を行うことにより窒素内包フラーレンの合成量(N@C60(mol/l))がわかる。また、UV/vis吸収スペクトルを測定することにより、空のフラーレンと窒素内包フラーレンの量(C60+N@C60(mol/l))を測定することができる。本願明細書で用いる純度(Purity)は、純度=N@C60/(C60+N@C60)≒N@C60/C60で表される。一方、収率(Yield)は、収率=純度×溶解度で表され、回収された不純物を含む堆積物中のN@C60の絶対量を表している。従って、純度とともに溶解度も増大させる必要がある。
また、内包フラーレンの合成効率が高いというのは、本願発明に係る製造装置、及び、製造方法を用いることにより、高い収率で内包フラーレンの合成が可能であるということである。
(Purification of nitrogen-containing fullerene)
The deposit recovered from the deposition substrate contains impurities such as empty fullerene and heterofullerene in addition to the nitrogen-containing fullerene. The deposit is put in a solvent such as toluene and separated into one that is soluble in the solvent and one that is not soluble. Impurities such as heterofullerene do not dissolve in toluene and can be separated here. Empty fullerene and nitrogen-containing fullerene are dissolved in the solvent. By analyzing the sample dissolved in the solvent by ESR, the synthesis amount of nitrogen-encapsulated fullerene (N @ C 60 (mol / l)) can be determined. Also, by measuring the UV / vis absorption spectrum, the amount of empty fullerenes and nitrogen endohedral fullerene (C 60 + N @ C 60 (mol / l)) can be measured. The purity (Purity) used in the specification of the present application is represented by purity = N @ C 60 / (C 60 + N @ C 60 ) ≈N @ C 60 / C 60 . On the other hand, the yield (Yield) is expressed as Yield = Purity × Solubility, and represents the absolute amount of N @ C 60 in the deposit containing the recovered impurities. Therefore, it is necessary to increase the solubility as well as the purity.
The high synthesis efficiency of the endohedral fullerene means that the endohedral fullerene can be synthesized with a high yield by using the production apparatus and production method according to the present invention.
(フラーレン)
上記したように、内包フラーレンの原料となるフラーレンは、化学式がCn(n=60,70,76,78,80,82…)で表される炭素化合物である。フラーレンの中では、例えば、材料コストの安い代表的なC60やC70を用い、N@C60やN@C70を製造するのが好ましい。
(Fullerene)
As described above, fullerene as a raw material for the endohedral fullerene is a carbon compound having a chemical formula represented by C n (n = 60, 70, 76, 78, 80, 82...). Among fullerenes, for example, it is preferable to produce N @ C 60 or N @ C 70 using typical C 60 or C 70 having a low material cost.
以下に、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
(内包フラーレンの純度のVgとPN2に対する依存性)
図3(a)は、PN2=5Paの場合の、純度(Purity)と溶解度(Solubility)のVg依存性のグラフである。また、図3(b)は、PN2=25Paの場合の、純度と溶解度のVg依存性のグラフである。窒素内包フラーレンの合成は、Vsub=−90V,Vep=+30V,PRF=500W,T(合成時間)=60min,Tov(フラーレン昇華オーブン温度)=850℃,Vg=−120〜0Vの条件で行った。堆積基板上に形成された堆積物を回収し、トルエンを溶媒に用いて内包フラーレンを溶解・抽出し、純度と溶解度を評価した。その結果、PN2=5Pa,25Paのいずれの場合も、Vgが負側に増加するほど純度が増加し、ピーク値に達した後、減少することがわかった。PN2=5Paの時は、純度のピーク値がVg=−40Vの時に0.024%で、PN2=25Paの時は、純度のピーク値がVg=−90Vの時に0.25%であった。このことから、窒素ガス圧力が高くなるほど、内包フラーレンの純度のピーク値が高くなることがわかった。純度の窒素ガス圧力依存性については、後ほど改めて、図7を用いて詳細に述べる。Vg依存性に関しては、純度がピーク値に達するまでは、Vgが負側に大きく、Vgにより加速される電子エネルギーが高くなるほど純度は大きくなり、ピークに達した後にさらにVgを負側に大きくすると、純度は小さくなることがわかった。
また、Vgを負側に大きくすると、励起窒素ラジカルの生成量が減少し、溶解度が増大するため、収率がさらに増大することもこの装置の特徴である。
Example 1
(Dependence of endohedral fullerene purity on V g and P N2 )
FIG. 3A is a graph of V g dependency of purity and solubility in the case of P N2 = 5 Pa. Further, FIG. 3 (b), in the case of P N2 = 25 Pa, a V g dependence graph of purity and solubility. Synthesis of nitrogen-encapsulated fullerene is as follows: V sub = −90 V, V ep = + 30 V, P RF = 500 W, T (synthesis time) = 60 min, T ov (fullerene sublimation oven temperature) = 850 ° C., V g = −120 to 0 V It went on condition of. The deposit formed on the deposition substrate was collected, and the endohedral fullerene was dissolved and extracted using toluene as a solvent, and the purity and solubility were evaluated. As a result, it was found that in both cases of P N2 = 5 Pa and 25 Pa, the purity increases as V g increases on the negative side, and decreases after reaching the peak value. When P N2 = 5 Pa, the purity peak value is 0.024% when V g = −40 V, and when P N2 = 25 Pa, the purity peak value is 0.25% when V g = −90 V. Met. From this, it was found that the peak value of the purity of the endohedral fullerene increases as the nitrogen gas pressure increases. The nitrogen gas pressure dependence of purity will be described in detail later with reference to FIG. For the V g dependence, until a purity reaches a peak value, V g is greater on the negative side, the purity increases as electron energy accelerated by V g is high, negative further V g after reaching a peak It was found that the purity decreased as the value increased to the side.
In addition, when V g is increased to the negative side, the yield of the apparatus is further increased because the amount of excited nitrogen radicals is reduced and the solubility is increased.
(プラズマ発光分光スペクトル(OES)強度のグリッド電位依存性、窒素分子の励起及び電離断面積のグリッド電位依存性)
図4は、プラズマ発光分光スペクトル(OES)強度のグリッド電位依存性、窒素分子の励起及び電離断面積のグリッド電位依存性のグラフである。図4の左上のグラフは、プラズマの発光強度のVg依存性のグラフである。評価した試料の合成条件は、Vsub=−90V,PN2=25Pa,Vep=+30V,PRF=500W,T=60min,Vg=−120〜0Vであった。●で示すのは、窒素分子イオンN2 +に相当する曲線である。■で示すのは、窒素分子ラジカルN2 *に相当する曲線である。図4の左下のグラフは、該当するイオンとラジカルに対応する波長を示すグラフである。Vgを負側に大きくすると、イオン化したN2 +が増加し、イオン化していないN2 *が減少することがわかる。電子ビーム方式により、窒素イオンが効率よく生成されること、Vgによりイオンの生成量が制御可能であることがわかる。図5は、非特許文献2に記載された窒素プラズマ中の反応式の表である。窒素ガスを構成する窒素分子に対し電子を衝突させて窒素イオンを生成する際、電子のエネルギーを大きくしていくと、(1)式で示すように、電子エネルギーが6.17eV以上で窒素ラジカルが生成され、さらに高くしていくと(5)式で示すように15.58eV以上で窒素分子イオンが生成され、24.32eV以上で(6)式に示すように、窒素分子が窒素原子に解離し、さらにイオン化されることがわかる。図4の右のグラフは、非特許文献2に開示されたグラフで、図5の(1)〜(6)で示す反応が電子エネルギーの増加に伴い起きる確率の変化を示すデータである。電子エネルギーが高くなると15.58eVから窒素分子イオンの生成が開始され、電子エネルギーを高くすると急激に窒素分子イオンの生成量が増加するが、さらに電子エネルギーを高くすると、窒素分子イオンの増加がゆるやかになることがわかる。このことから、図3において、Vgを負側に増加した時に純度がピーク値を持ち、その後再び減少する理由が、電子の衝突による窒素分子イオンの生成に関わっており、窒素分子イオン密度の増加により窒素内包フラーレンの生成確率も増加し、その純度が高くなるものと考えられる。一方、励起窒素ラジカルは、6.17eVから生成され、15eV程度までは生成確率が増加するが、さらに大きな電子エネルギーでは逆に生成確率が減少していく。従って、大きな電子エネルギーは窒素イオンを増加し、励起窒素ラジカルを減少させるため、高収率合成には極めて好都合である。また、窒素ガス圧力の増加により窒素内包フラーレンの純度が高くなる理由は、ガス圧力を高くしていくと、真空容器内の窒素分子の密度が増え、そのため、生成される窒素分子イオンの密度も高くなり、その結果、合成される窒素内包フラーレンの量も増えるためと考えられる。
(Dependence of plasma emission spectrum (OES) intensity on grid potential, excitation of nitrogen molecule and ionization cross section on grid potential)
FIG. 4 is a graph of the dependence of the plasma emission spectroscopy spectrum (OES) intensity on the grid potential, the excitation of nitrogen molecules, and the grid potential dependence of the ionization cross section. The graph on the upper left of FIG. 4 is a graph of the Vg dependence of the plasma emission intensity. The synthesis conditions of the evaluated samples were V sub = −90 V, P N2 = 25 Pa, V ep = + 30 V, P RF = 500 W, T = 60 min, V g = −120 to 0V. A circle represents a curve corresponding to the nitrogen molecular ion N 2 + . The curve indicated by (1) is a curve corresponding to the nitrogen molecular radical N 2 * . The graph on the lower left of FIG. 4 is a graph showing wavelengths corresponding to the corresponding ions and radicals. It can be seen that increasing V g to the negative side increases ionized N 2 + and decreases non-ionized N 2 * . The electron beam system, the nitrogen ions are generated efficiently, V g by it can be seen that the amount of ions can be controlled. FIG. 5 is a table of reaction equations in nitrogen plasma described in
(内包フラーレンの純度のPN2とPRFに対する依存性)
図6は、窒素内包フラーレンの収率と溶解度の高周波電力及び窒素ガス圧力に対する依存性を示すグラフである。評価した試料の合成条件は、Vg=−90V,Vsub=−90V,Vep=+30V,T=60minであった。グラフからわかるように、最も高い純度が得られたのは、PRF=500WでPN2=25Paの時で、0.25%の純度が得られた。PN2が小さい時、例えば、5Paの時は、PN2が増加しても顕著な純度の増加は観察されなかったが、PN2が大きい時、例えば、25Paの時は、PRFを大きくすると純度が一様に増加することがわかった。また、PRF=500Wの時は、PN2が5Paの時に比べPN2が25Paの時は、純度が一桁増加することがわかった。さらに、PN2が25Paを越えると純度が減少することがわかった。これは、PN2が高くなりすぎると、生成された窒素イオンが過剰な窒素分子に衝突してエネルギーを失うためと考えられる。
PRFは500W以上になると、プラズマが不安定化し純度が減少するため、適切なPRFが必要であることがわかった。
以上の結果から、窒素内包フラーレンの純度向上に好適なプロセスパラメータとしては、PN2=15〜35Pa,Tov=700〜1000℃とし、PRF,Vg,Vsub,Vepについては、先に述べたように、PRF=100〜700W,Vg=−200〜0V,Vsub=−200〜0V,Vep=−70〜+70Vとすることで、高い純度の窒素内包フラーレンの合成が可能になることがわかった。さらに、製造条件を絞って、PN2=15〜35Pa,PRF=300〜600W,Tov=700〜1000℃,Vg=−100〜−30V,Vsub=−100〜−30V,Vep=0〜+50Vとすることで、より高純度の窒素内包フラーレンの合成が可能になり、係る範囲のプロセス条件を用いることにより、純度が0.1%以上の窒素内包フラーレンの合成が可能になることがわかった。
(Dependence on the purity of the P N2 and P RF of endohedral fullerenes)
FIG. 6 is a graph showing the dependence of the yield and solubility of nitrogen-containing fullerene on high-frequency power and nitrogen gas pressure. The synthesis conditions of the evaluated samples were V g = −90 V, V sub = −90 V, V ep = + 30 V, and T = 60 min. As can be seen from the graph, the highest purity was obtained when P RF = 500 W and P N2 = 25 Pa, and a purity of 0.25% was obtained. When P N2 is small, for example, when the 5Pa is P N2 is the remarkable increase in purity increases were observed, when P N2 is large, for example, when 25Pa, increasing the P RF It was found that the purity increased uniformly. Further, when the P RF = 500 W, the P N2 is P N2 than when the 5Pa is when 25Pa has been found to purity increases an order of magnitude. Furthermore, it was found that P N2 purity decreases exceeds 25 Pa. This is because if P N2 becomes too high, presumably because loss of energy nitrogen ions generated collides with the excess nitrogen molecules.
When the PRF was 500 W or more, the plasma became unstable and the purity decreased, so it was found that an appropriate PRF was necessary.
From the above results, as process parameters suitable for improving the purity of the nitrogen-encapsulated fullerene, P N2 = 15 to 35 Pa, T ov = 700 to 1000 ° C., and P RF, V g, V sub, V ep As described above, by setting P RF = 100 to 700 W, V g = −200 to 0 V, V sub = −200 to 0 V, V ep = −70 to +70 V, synthesis of nitrogen-encapsulated fullerene with high purity can be achieved. I knew it would be possible. Furthermore, the manufacturing conditions were narrowed down to P N2 = 15 to 35 Pa, P RF = 300 to 600 W, T ov = 700 to 1000 ° C., V g = −100 to −30 V, V sub = −100 to −30 V, V ep By setting = 0 to +50 V, it is possible to synthesize higher-purity nitrogen-encapsulated fullerenes, and by using the process conditions in such a range, it is possible to synthesize nitrogen-encapsulated fullerenes having a purity of 0.1% or more. I understood it.
(内包フラーレンの純度のVsubとPN2に対する依存性)
図7は、窒素内包フラーレンの収率の堆積基板電圧及び窒素ガス圧力に対する依存性を示すグラフである。評価した試料の合成条件は、Vg=−90V,PRF=500W,Vep=+30V,T=60minであった。グラフからわかるように、最も高い純度が得られたのは、Vsub=−90VでPN2=25Paの時で、0.25%の純度が得られた。Vsubについても負の側に大きくなると窒素分子イオンを加速するエネルギーが大きくなるので内包フラーレンの純度は高くなる。窒素分子イオンがフラーレンに衝突して、窒素原子及び窒素原子イオンになり、また、フラーレンの六員環を広げるためのエネルギーが十分大きくなるためと考えられる。しかし、Vsubが負の側に大きくなり過ぎると、純度は減少する傾向がある。加速エネルギーが大きすぎると、フラーレンに衝突した後、そのまま突き抜けたり、フラーレン分子を破壊し、そのため窒素フラーレンとして得られない確率が高くなるためと考えられる。窒素分子イオンとフラーレン分子が衝突して窒素内包フラーレンが生成するためのイオンの最適のエネルギーは、シミュレーションにより予測されており(非特許文献3)、80eV程度がよいと言われている。図7に示したデータにおける最適基板電位はPN2が25Paの時の−90Vであるが、プラズマ空間電位を測定すると50V程度になっており、窒素イオンは140eVの加速エネルギーを得ているが、この程度のガス圧力の場合は、窒素イオンが中性の窒素分子と衝突してエネルギーを失い、フラーレンと衝突する時は、80eV程度の加速エネルギーまで減少していると考えられる。このことは、例えば、ガス圧力が5Paと低い時は加速された窒素イオンがほとんど窒素分子と衝突せずにフラーレンと衝突すると考えられ、純度が最大となるのは、Vsubが−30Vの時で、空間電位の50Vとの差が80Vとなり、窒素イオンは80eVに加速され、シミュレーション結果と良い一致を示すことでもわかる。従って、高い純度で窒素内包フラーレンを得るには、窒素ガス圧力の値に応じてVsubを適切に制御する必要がある。
(Dependence of endohedral fullerene purity on V sub and PN 2 )
FIG. 7 is a graph showing the dependence of the yield of nitrogen-containing fullerene on the deposition substrate voltage and nitrogen gas pressure. The synthesis conditions of the evaluated samples were V g = −90 V, P RF = 500 W, V ep = + 30 V, and T = 60 min. As can be seen from the graph, the highest purity was obtained when V sub = −90 V and P N2 = 25 Pa, and a purity of 0.25% was obtained. When V sub is also increased on the negative side, the energy for accelerating nitrogen molecular ions is increased, so that the purity of the endohedral fullerene is increased. This is probably because the nitrogen molecular ion collides with the fullerene to become a nitrogen atom and a nitrogen atom ion, and the energy for expanding the fullerene six-membered ring becomes sufficiently large. However, if V sub becomes too large on the negative side, the purity tends to decrease. If the acceleration energy is too large, the collision with the fullerene may lead to penetration or destruction of the fullerene molecule, thus increasing the probability that it cannot be obtained as nitrogen fullerene. The optimum energy of ions for generating nitrogen-containing fullerenes by collision of nitrogen molecular ions and fullerene molecules is predicted by simulation (Non-Patent Document 3), and is said to be about 80 eV. The optimum substrate potential in data shown in FIG. 7 is a -90V when P N2 is 25 Pa, as measured plasma space potential has become about 50 V, although the nitrogen ions are obtained acceleration energy of 140 eV, In the case of such a gas pressure, it is considered that nitrogen ions collide with neutral nitrogen molecules to lose energy, and when colliding with fullerene, the acceleration energy is reduced to about 80 eV. This is because, for example, when the gas pressure is as low as 5 Pa, it is considered that the accelerated nitrogen ions collide with the fullerene with almost no collision with the nitrogen molecules, and the purity is maximized when the V sub is −30V. Thus, the difference from the space potential of 50V becomes 80V, and the nitrogen ions are accelerated to 80eV, which shows that the simulation results are in good agreement. Therefore, in order to obtain nitrogen-containing fullerene with high purity, it is necessary to appropriately control V sub according to the value of nitrogen gas pressure.
(内包フラーレンの純度のオーブン温度に対する依存性)
図8は、窒素内包フラーレンの純度のフラーレン昇華オーブン温度Tovに対する依存性を示すグラフである。従来フラーレンは400℃程度から昇華を始めるため、フラーレンを昇華させる装置では、従来550℃〜600℃の温度でフラーレンの加熱を行っていた。ところが、フラーレンの昇華温度を700℃以上にして合成を行ったところ、合成純度が急激に増加した。図8のグラフで●が合成純度であるが、オーブン温度が700℃以上で合成純度が桁違いに大きくなっていることがわかる。■は昇華速度で、例えば600℃でも十分フラーレンが昇華していることがわかる。昇華量は600℃と850℃を比較して、2倍にもなっていないのに対し、合成純度は、700℃を境に急激に増えている。このことから窒素内包フラーレンの合成には、フラーレン昇華オーブンの温度は700℃以上にする必要があることが、本発明に係る実験により初めてわかった。その理由はまだ明確にわかってはいないが、700℃未満では、フラーレンは昇華するものの、クラスター状になって昇華しており、窒素イオンが衝突しても外側のフラーレン分子のみにイオンが衝突するので合成純度が低く、700℃以上では、フラーレン分子が分離して昇華することで内包フラーレンが形成されやすくなると推定される。
(Dependence of endohedral fullerene purity on oven temperature)
FIG. 8 is a graph showing the dependence of the purity of nitrogen-containing fullerene on the fullerene sublimation oven temperature T ov . Conventionally, since fullerene starts sublimation from about 400 ° C., an apparatus for sublimating fullerene conventionally heats fullerene at a temperature of 550 ° C. to 600 ° C. However, when the synthesis was carried out at a sublimation temperature of fullerene of 700 ° C. or higher, the synthesis purity increased rapidly. In the graph of FIG. 8, it can be seen that ● indicates the synthetic purity, but the synthetic purity increases by an order of magnitude when the oven temperature is 700 ° C. or higher. (2) is the sublimation speed, and it can be seen that fullerene is sufficiently sublimated even at 600 ° C., for example. While the sublimation amount is not doubled compared to 600 ° C. and 850 ° C., the synthetic purity is rapidly increasing from 700 ° C. as a boundary. From this, for the synthesis of nitrogen-encapsulated fullerene, it has been found for the first time that the temperature of the fullerene sublimation oven needs to be 700 ° C. or higher. The reason is not clearly understood yet, but at less than 700 ° C, fullerene sublimes, but sublimates in a cluster form, and even when nitrogen ions collide, ions collide only with the outer fullerene molecules. Therefore, the synthesis purity is low, and at 700 ° C. or higher, it is presumed that endohedral fullerenes are likely to be formed due to separation and sublimation of fullerene molecules.
(フラーレン昇華オーブンの改良による窒素内包フラーレン純度の向上)
図8では、850℃まで合成純度が一様に増加しているが、さらに温度を高くし、850℃〜1000℃の温度領域になると、フラーレンの昇華量が多くなりすぎ、窒素イオンが内包せずに堆積する空のフラーレンが多くなり過ぎて純度が低くなることも予測される。これは、この範囲の温度領域では、フラーレンが突沸などにより、フラーレン分子同士がくっついたクラスター状の分子として噴出するためである。クラスター状のフラーレン分子に窒素イオンが衝突しても、内包フラーレンが形成されるのはクラスター表面の一部のフラーレン分子に限定されるため、内包フラーレンの純度が低下するということである。そこで、フラーレンがクラスター状態で昇華するのを防止するため、図9(a)に示すフラーレン昇華オーブンを用いた窒素内包フラーレンの合成実験を行った。昇華オーブンは、図9(a)に示すように、フラーレンの内部に高密度金属メッシュが置かれており、フラーレンはこの高密度金属メッシュを通過して昇華し、真空容器中に噴出するようになっている。高密度金属メッシュにより突沸が抑制され、しかもメッシュは高温になっているため、クラスター状のフラーレンは分解されて、より小さなクラスターや分子になるため、窒素内包フラーレンの合成純度が向上する。
金属メッシュの材質は、熱伝導度の高い金属材料を用いるのが好ましい。例えば、銅を用いるのが好ましい。メッシュサイズは、例えば、40〜200メッシュ/センチとするのが好ましい。金属メッシュの温度は、オーブン内に入れているので、内包フラーレンの合成プロセス中は、オーブンと同じ温度になる。
図9(b)は、高密度メッシュを備えたフラーレン昇華オーブンを用い昇華温度を700〜1000℃として窒素内包フラーレンの合成を行った場合の窒素内包フラーレンの合成純度のグラフである。温度が高いほど純度が増加すること、合成純度が0.5%以上になっていることがわかる。これは窒素内包フラーレンの合成純度としては、従来の方法による合成純度と比較して桁違いに大きな値である。高密度金属メッシュを用いることで、昇華温度が850℃を越えても、フラーレンが突沸せずにクラスターフラーレンの昇華を抑制することで、窒素内包フラーレンの合成純度を向上可能なことがわかった。
(Improvement of fullerene purity with nitrogen by improving fullerene sublimation oven)
In FIG. 8, the synthetic purity increases uniformly up to 850 ° C., but when the temperature is further increased and the temperature is in the range of 850 ° C. to 1000 ° C., the amount of fullerene sublimation increases so much that nitrogen ions are included. Therefore, it is expected that the purity of the fullerene that accumulates without increasing will become too low. This is because in the temperature range of this range, fullerenes are ejected as cluster-like molecules in which fullerene molecules are bonded to each other due to bumping. Even when nitrogen ions collide with the cluster-like fullerene molecule, the inclusion fullerene is limited to a part of the fullerene molecule on the cluster surface, and the purity of the inclusion fullerene is lowered. Therefore, in order to prevent the fullerene from sublimating in a cluster state, a synthesis experiment of nitrogen-encapsulated fullerene using a fullerene sublimation oven shown in FIG. As shown in FIG. 9A, the sublimation oven has a high-density metal mesh placed inside the fullerene, and the fullerene passes through the high-density metal mesh and sublimates, and is ejected into the vacuum vessel. It has become. Since bumping is suppressed by the high-density metal mesh and the mesh is at a high temperature, the cluster-like fullerene is decomposed into smaller clusters and molecules, so that the synthesis purity of the nitrogen-encapsulated fullerene is improved.
As the material of the metal mesh, it is preferable to use a metal material having high thermal conductivity. For example, it is preferable to use copper. The mesh size is preferably 40 to 200 mesh / cm, for example. Since the temperature of the metal mesh is in the oven, the temperature is the same as that in the oven during the synthesis process of the endohedral fullerene.
FIG. 9B is a graph of the synthesis purity of nitrogen-encapsulated fullerene when synthesis of nitrogen-encapsulated fullerene is performed using a fullerene sublimation oven equipped with a high-density mesh at a sublimation temperature of 700 to 1000 ° C. It can be seen that the higher the temperature, the higher the purity and the synthetic purity is 0.5% or more. This is an order of magnitude greater value for the synthesis purity of the nitrogen-encapsulated fullerene than the synthesis purity by the conventional method. It was found that by using a high-density metal mesh, even if the sublimation temperature exceeds 850 ° C., the synthesis purity of the nitrogen-encapsulated fullerene can be improved by suppressing the sublimation of the cluster fullerene without causing fullerene boiling.
1 真空容器
2 堆積基板
3 フラーレン昇華オーブン
4 真空ポンプ
5 ガス導入管
6 誘導コイル
7 グリッド電極
8 エンドプレート電極
9 マッチングボックス
10 高周波電源
11 グリッド電位制御電源
12 堆積基板電位制御電源
13 エンドプレート電位制御電源
14 堆積基板
15 フラーレン昇華オーブン
21 プラズマ発生室
22 真空吸引管
23 ガス導入管
24 高周波プラズマ電源
25 プラズマ電極
26 堆積物
27 フラーレン分子供給源
28 直流熱源
29 接地電極
30 加熱板
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