JP2014180611A - Particulate manufacturing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微粒子を製造する微粒子製造装置に関する。 The present invention relates to a fine particle production apparatus for producing fine particles.
近年、レーザアブレーション法により微粒子を製造する手法が提案されている。例えば、特許文献１では、第１のターゲットに第１のパルスレーザを照射して第１のプラズマプルームを生じさせるとともに、第２のターゲットに第２のパルスレーザを照射して第１のプラズマプルームと交差する第２のプラズマプルームを生じさせることが行われる。これにより、第１のプラズマプルームと第２のプラズマプルームが交差する領域で所定の反応を生じさせ、特異な結晶構造を有する物質が作製される。 In recent years, methods for producing fine particles by a laser ablation method have been proposed. For example, in Patent Document 1, a first plasma plume is generated by irradiating a first target with a first pulse laser, and a first plasma plume is irradiated with a second pulse laser on a second target. A second plasma plume is produced that intersects with. As a result, a predetermined reaction is generated in a region where the first plasma plume and the second plasma plume intersect, and a substance having a unique crystal structure is produced.
なお、非特許文献１には、レーザアブレーションによるＳｉナノ微粒子の生成において、レーザ光の照射後、Ｓｉナノ微粒子が生成する時間について記載されている。 Non-Patent Document 1 describes the time for generating Si nanoparticles after laser irradiation in the generation of Si nanoparticles by laser ablation.
ところで、近年、燃料電池の製造等において、複数種類のナノ粒子が高分散したもの（以下、「高分散ナノ粒子」という。）が求められることがある。複数種類のナノ粒子を個別に製造し、その後、機械的に混合・攪拌して高分散ナノ粒子を製造することも考えられるが、機械的な混合・攪拌によるナノ粒子の高分散化には、一定の限界がある。 Incidentally, in recent years, in the manufacture of fuel cells and the like, there are cases in which a plurality of types of nanoparticles are highly dispersed (hereinafter referred to as “highly dispersed nanoparticles”). It is conceivable to produce multiple types of nanoparticles individually, and then mechanically mix and stir to produce highly dispersed nanoparticles, but for high dispersion of nanoparticles by mechanical mixing and stirring, There are certain limits.
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、高分散ナノ粒子を適切に製造することを目的としている。 This invention is made | formed in view of the said subject, and aims at manufacturing a highly dispersed nanoparticle appropriately.
請求項１に記載の発明は、微粒子を製造する微粒子製造装置であって、チャンバと、前記チャンバ内においてキャリアガスを所定の流れ方向に流すキャリアガス供給部と、前記チャンバ内において複数のターゲット材料を前記流れ方向に並べて保持するターゲット保持部と、前記複数のターゲット材料に対してパルスレーザ光を照射することにより、前記複数のターゲット材料のそれぞれからアブレーション粒子を発生させる照射部とを備え、前記流れ方向に関して、互いに隣接する２つのターゲット材料の各組合せにおける上流側のターゲット材料の位置から下流側のターゲット材料の位置まで、前記キャリアガスが移動する時間が、各ターゲット材料におけるアブレーション粒子の発生から、前記アブレーション粒子が凝集してナノ粒子が形成される期間の完了までの時間以上である。 The invention according to claim 1 is a fine particle production apparatus for producing fine particles, a chamber, a carrier gas supply unit for flowing a carrier gas in a predetermined flow direction in the chamber, and a plurality of target materials in the chamber. A target holding unit that holds the side by side in the flow direction, and an irradiation unit that generates ablation particles from each of the plurality of target materials by irradiating the plurality of target materials with pulsed laser light, and With respect to the flow direction, the time for the carrier gas to move from the position of the upstream target material to the position of the downstream target material in each combination of two target materials adjacent to each other is from the generation of ablation particles in each target material. The ablation particles are aggregated into nanoparticles It is time or more until the completion of the period to be formed.
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の微粒子製造装置であって、前記チャンバ内の圧力が、１０キロパスカルよりも高く、かつ、１５０キロパスカル以下である。 A second aspect of the present invention is the fine particle manufacturing apparatus according to the first aspect, wherein the pressure in the chamber is higher than 10 kilopascals and lower than or equal to 150 kilopascals.
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の微粒子製造装置であって、前記照射部が、前記チャンバに設けられた透光部を介して前記複数のターゲット材料に対してパルスレーザ光を照射する。 A third aspect of the present invention is the fine particle manufacturing apparatus according to the first or second aspect, wherein the irradiation unit applies pulses to the plurality of target materials via a light transmitting unit provided in the chamber. Irradiate with laser light.
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の微粒子製造装置であって、前記照射部が、前記複数のターゲット材料に対してパルスレーザ光をそれぞれ照射する複数のパルスレーザを有する。 A fourth aspect of the present invention is the fine particle manufacturing apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the irradiation unit irradiates the plurality of target materials with pulsed laser beams, respectively. Have a laser.
本発明によれば、高分散ナノ粒子を適切に製造することができる。 According to the present invention, highly dispersed nanoparticles can be produced appropriately.
図１は本発明の一の実施の形態に係る微粒子製造装置１の構成を示す図である。以下の説明では、図１中の上下方向における上側を単に「上側」、下側を単に「下側」と呼ぶが、図１の上下方向は必ずしも鉛直方向（重力方向）に平行である必要はない。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fine particle manufacturing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. In the following description, the upper side in the vertical direction in FIG. 1 is simply referred to as “upper side”, and the lower side is simply referred to as “lower side”, but the vertical direction in FIG. 1 is not necessarily parallel to the vertical direction (gravity direction). Absent.
微粒子製造装置１は、燃料電池、太陽電池、金属空気電池、あるいは、光触媒等に利用される微粒子を製造する装置である。微粒子製造装置１は、微粒子を製造する処理空間を形成するチャンバ２、チャンバ２内において複数のターゲット材料９を上下方向に並べて保持するターゲット保持部３、複数のターゲット材料９に対してパルスレーザ光を照射する照射部４、並びに、チャンバ２内において所定のキャリアガスを上下方向に沿って流すキャリアガス供給部５を備える。 The fine particle production apparatus 1 is an apparatus for producing fine particles used for a fuel cell, a solar cell, a metal air cell, a photocatalyst, or the like. The fine particle manufacturing apparatus 1 includes a chamber 2 that forms a processing space for manufacturing fine particles, a target holding unit 3 that holds a plurality of target materials 9 side by side in the chamber 2, and a pulse laser beam for the plurality of target materials 9. And a carrier gas supply unit 5 for flowing a predetermined carrier gas in the vertical direction in the chamber 2.
チャンバ２は、例えば上下方向に垂直な断面形状が矩形の筒状であり、一の側面部の内面上に板状のターゲット保持部３が設けられる。ターゲット保持部３上には板状の複数のターゲット材料９が上下方向に等間隔にて固定される。各ターゲット材料９の主面の法線は上下方向に垂直な方向（図１中の横方向）を向く。 The chamber 2 has, for example, a cylindrical shape having a rectangular cross section perpendicular to the vertical direction, and a plate-like target holding portion 3 is provided on the inner surface of one side surface portion. A plurality of plate-like target materials 9 are fixed on the target holding portion 3 at equal intervals in the vertical direction. The normal line of the main surface of each target material 9 faces in a direction perpendicular to the vertical direction (lateral direction in FIG. 1).
照射部４は、パルスレーザ光を出射するパルスレーザ４１（例えば、パルスファイバーレーザ、エキシマレーザ、ＴＥＡ−ＣＯ２レーザ等）、および、チャンバ２外において上下方向に配列される複数のミラー（ビームスプリッタ）４２ａ，４２ｂ，４２ｃを有する。パルスレーザ４１から出射されたパルスレーザ光は、最も上側のミラー４２ａに入射する。ミラー４２ａでは、一部の光が反射し、チャンバ２に設けられた透光部２２を介して最も上側のターゲット材料９に照射される。ミラー４２ａを透過した光は、上下方向における中央のミラー４２ｂに入射する。ミラー４２ｂでは、一部の光が反射し、透光部２２を介して中央のターゲット材料９に照射される。ミラー４２ｂを透過した光は、最も下側のミラー４２ｃに入射する。ミラー４２ｃでは、ほぼ全ての光が反射し、透光部２２を介して最も下側のターゲット材料９に照射される。 The irradiation unit 4 includes a pulse laser 41 (for example, a pulse fiber laser, an excimer laser, a TEA-CO 2 laser, etc.) that emits a pulse laser beam, and a plurality of mirrors (beam splitters) arranged in the vertical direction outside the chamber 2. ) 42a, 42b, 42c. The pulsed laser light emitted from the pulsed laser 41 is incident on the uppermost mirror 42a. The mirror 42 a reflects a part of the light and irradiates the uppermost target material 9 through the light transmitting part 22 provided in the chamber 2. The light transmitted through the mirror 42a enters the center mirror 42b in the vertical direction. The mirror 42 b reflects a part of the light and irradiates the target material 9 at the center via the light transmitting part 22. The light transmitted through the mirror 42b is incident on the lowermost mirror 42c. The mirror 42 c reflects almost all the light and irradiates the lowermost target material 9 through the light transmitting portion 22.
チャンバ２の上面部には、ガス供給口２３が設けられる。ガス供給口２３には、供給管を介してキャリアガス供給部５が接続され、ガス供給口２３から下方に向かってキャリアガスが噴出される。実際には、キャリアガスはガス供給口２３から連続的に一定の流量にて噴出される。以下の説明では、ガス供給口２３から下側に向かう方向を、「流れ方向」という。チャンバ２内において流れ方向に流れるキャリアガスは、複数のターゲット材料９の表面近傍を順に通過してチャンバ２の下端へと移動する。チャンバ２の下端は、下部開口２４として開放されており、キャリアガスは下部開口２４を介して下方に噴出される。チャンバ２の下側には、微粒子を回収する回収容器６１が配置される。 A gas supply port 23 is provided on the upper surface of the chamber 2. The carrier gas supply unit 5 is connected to the gas supply port 23 through a supply pipe, and the carrier gas is ejected downward from the gas supply port 23. In practice, the carrier gas is continuously ejected from the gas supply port 23 at a constant flow rate. In the following description, the direction from the gas supply port 23 toward the lower side is referred to as “flow direction”. The carrier gas that flows in the flow direction in the chamber 2 sequentially passes in the vicinity of the surfaces of the plurality of target materials 9 and moves to the lower end of the chamber 2. The lower end of the chamber 2 is opened as a lower opening 24, and the carrier gas is ejected downward through the lower opening 24. A collection container 61 that collects fine particles is disposed below the chamber 2.
微粒子製造装置１における微粒子の製造では、まず、キャリアガス供給部５からチャンバ２内へのキャリアガスの供給が開始される。図２では、ガス供給口２３からのキャリアガスの噴出方向を符号Ａ１を付す矢印にて示している（図３および図４において同様）。チャンバ２の内部空間は、ガス供給口２３および下部開口２４を除いて、密閉される。キャリアガス供給部５からの連続的なキャリアガスの供給により、チャンバ２内の圧力は大気圧よりも極僅かに高くなり、外気の進入が抑制されてチャンバ２内の清浄性が確保される。なお、微粒子製造装置１における微粒子の製造開始時において、外部のポンプを下部開口２４に接続してチャンバ２内を減圧し、その後、チャンバ２内の圧力が大気圧よりも僅かに高くなるまでチャンバ２内へのキャリアガスの供給（パージ）を行うことにより、チャンバ２内の高い清浄性が確保されてもよい。この場合、パージ後に、当該ポンプは取り外される。 In the production of fine particles in the fine particle production apparatus 1, first, supply of the carrier gas from the carrier gas supply unit 5 into the chamber 2 is started. In FIG. 2, the direction in which the carrier gas is ejected from the gas supply port 23 is indicated by an arrow labeled A1 (the same applies to FIGS. 3 and 4). The internal space of the chamber 2 is sealed except for the gas supply port 23 and the lower opening 24. Due to the continuous supply of carrier gas from the carrier gas supply unit 5, the pressure in the chamber 2 becomes slightly higher than the atmospheric pressure, the entry of outside air is suppressed, and the cleanliness in the chamber 2 is ensured. At the start of the production of fine particles in the fine particle production apparatus 1, an external pump is connected to the lower opening 24 to depressurize the chamber 2, and then the chamber 2 is pressurized until the pressure in the chamber 2 becomes slightly higher than the atmospheric pressure. High cleanliness in the chamber 2 may be ensured by supplying (purging) the carrier gas into the chamber 2. In this case, the pump is removed after purging.
キャリアガスの供給が開始されると、パルスレーザ４１の駆動を開始することにより、パルスレーザ光が所定の周期にて出射される。これにより、複数のターゲット材料９から複数のプルーム９１が繰り返し発生する。ここで、プルーム９１とは、ターゲット材料９へのパルスレーザ光の照射により、ターゲット材料９から飛散する粒子（以下、「アブレーション粒子」という。）が、励起状態にて高密度に存在する領域であり、短時間の発光が生じる部分である。プルーム９１は、例えば、ターゲット材料９の表面から数ミリメートル（ｍｍ）の範囲に発生する。 When the supply of the carrier gas is started, the pulse laser beam is emitted at a predetermined cycle by starting to drive the pulse laser 41. Thereby, a plurality of plumes 91 are repeatedly generated from the plurality of target materials 9. Here, the plume 91 is a region where particles (hereinafter referred to as “ablation particles”) scattered from the target material 9 by irradiation of the target material 9 with pulsed laser light exist in a high density in an excited state. There is a portion where light emission occurs for a short time. For example, the plume 91 is generated within a range of several millimeters (mm) from the surface of the target material 9.
複数のターゲット材料９のそれぞれから発生したアブレーション粒子は、キャリアガスにより流れ方向の下流側（すなわち、下部開口２４側）に向かって移動する。本実施の形態では、流れ方向に関して、互いに隣接する２つのターゲット材料９の各組合せにおける上流側（ガス供給口２３側）のターゲット材料９の位置から下流側のターゲット材料９の位置まで、キャリアガスが移動する時間をターゲット間移動時間として、ターゲット間移動時間が、各ターゲット材料９におけるアブレーション粒子の発生から、当該アブレーション粒子が凝集してナノ粒子が形成される期間の完了までの時間（以下、「ナノ粒子形成完了時間」という。）以上である。換言すると、流れ方向における複数のターゲット材料９の配列ピッチ（パルスレーザ光の照射位置間隔に等しい。図１参照。）をｄ、キャリアガスの流速をｖ、ナノ粒子形成完了時間をｔとして、（ｖ×ｔ≦ｄ）を満たすように、ターゲット材料９の配列ピッチｄおよびキャリアガスの流速ｖが設定される。 Ablation particles generated from each of the plurality of target materials 9 move toward the downstream side in the flow direction (that is, the lower opening 24 side) by the carrier gas. In the present embodiment, the carrier gas from the position of the target material 9 on the upstream side (gas supply port 23 side) to the position of the target material 9 on the downstream side in each combination of two target materials 9 adjacent to each other in the flow direction. The movement time between targets is defined as the movement time between targets, and the time from the generation of ablation particles in each target material 9 to the completion of a period in which the ablation particles are aggregated to form nanoparticles (hereinafter, This is referred to as “nanoparticle formation completion time”). In other words, assuming that the arrangement pitch of the plurality of target materials 9 in the flow direction (equal to the irradiation position interval of the pulse laser beam, see FIG. 1) is d, the carrier gas flow velocity is v, and the nanoparticle formation completion time is t. The arrangement pitch d of the target material 9 and the flow velocity v of the carrier gas are set so as to satisfy v × t ≦ d).
各ターゲット材料９におけるアブレーション粒子の発生から、当該アブレーション粒子がキャリアガスにより当該ターゲット材料９の次のターゲット材料９の位置へと到達するまでの時間は、ターゲット間移動時間とほぼ同じである（または、ターゲット間移動時間よりも僅かに長い）。したがって、当該次のターゲット材料９の位置への到達前に、同じターゲット材料から発生したアブレーション粒子（同種のアブレーション粒子）同士が凝集して、ナノ粒子が形成される。図３では、符号９１１を付してナノ粒子を示している。実際には、多数のナノ粒子９１１が存在する。なお、ナノ粒子は、例えば、平均粒径が１〜１０００ナノメートル（ｎｍ）の粒子である。 The time from the generation of ablation particles in each target material 9 until the ablation particles reach the position of the target material 9 next to the target material 9 by the carrier gas is substantially the same as the movement time between targets (or , Slightly longer than the movement time between targets). Therefore, before reaching the position of the next target material 9, ablation particles (same type of ablation particles) generated from the same target material are aggregated to form nanoparticles. In FIG. 3, the reference numeral 911 indicates a nanoparticle. In practice, there are a large number of nanoparticles 911. In addition, a nanoparticle is a particle | grain with an average particle diameter of 1-1000 nanometers (nm), for example.
実際には、複数のターゲット材料９に対してパルスレーザ光が短い周期にて繰り返し照射されるため、中央および下側のターゲット材料９では、流れ方向の上流側に位置するターゲット材料９に由来するナノ粒子９１１が、その近傍に存在する状態で、ナノ粒子が生成される。また、ナノ粒子９１１は、キャリアガスと共に流れ方向に沿って移動しつつブラウン運動により拡散する。よって、最も下側のターゲット材料９の下流側の空間（すなわち、下部開口２４近傍）では、図４に示すように、複数のターゲット材料９にそれぞれ対応する複数種類のナノ粒子９１１が高分散した状態（すなわち、分散の度合いが高い状態であり、均質な状態）となる。ナノ粒子９１１は、下部開口２４からキャリアガスと共に噴出され、回収容器６１にて回収される。なお、回収容器６１の底部がフィルターにて形成され、キャリアガスを通過させつつ当該フィルターにてナノ粒子９１１が捕捉されてもよい。 Actually, the pulse laser light is repeatedly irradiated to the plurality of target materials 9 in a short cycle, and thus the center and lower target materials 9 are derived from the target material 9 located on the upstream side in the flow direction. Nanoparticles are generated in a state where the nanoparticles 911 are present in the vicinity thereof. Further, the nanoparticles 911 are diffused by Brownian motion while moving along the flow direction together with the carrier gas. Therefore, in the space on the downstream side of the lowermost target material 9 (that is, in the vicinity of the lower opening 24), as shown in FIG. 4, a plurality of types of nanoparticles 911 respectively corresponding to the plurality of target materials 9 are highly dispersed. A state (that is, a state where the degree of dispersion is high and a homogeneous state) is obtained. The nanoparticles 911 are ejected together with the carrier gas from the lower opening 24 and are collected in the collection container 61. In addition, the bottom part of the collection container 61 may be formed by a filter, and the nanoparticles 911 may be captured by the filter while allowing the carrier gas to pass therethrough.
以上に説明したように、微粒子製造装置１では、チャンバ２内において流れ方向に配列された複数のターゲット材料９に対してパルスレーザ光がほぼ同時に照射され、複数のターゲット材料９のそれぞれからアブレーション粒子が発生する。また、流れ方向に関して、互いに隣接する２つのターゲット材料９の各組合せにおける上流側のターゲット材料９の位置から下流側のターゲット材料９の位置まで、キャリアガスが移動する時間が、ナノ粒子形成完了時間以上となるように、ターゲット材料９の配列ピッチに合わせてキャリアガスの流速が設定される。これにより、複数のターゲット材料９にそれぞれ対応する複数種類のナノ粒子が高分散した高分散ナノ粒子を適切に製造することができる。 As described above, in the fine particle manufacturing apparatus 1, the pulse laser light is irradiated almost simultaneously to the plurality of target materials 9 arranged in the flow direction in the chamber 2, and ablation particles are emitted from each of the plurality of target materials 9. Will occur. In addition, regarding the flow direction, the time for the carrier gas to move from the position of the upstream target material 9 to the position of the downstream target material 9 in each combination of two target materials 9 adjacent to each other is the nanoparticle formation completion time. As described above, the flow rate of the carrier gas is set in accordance with the arrangement pitch of the target material 9. Thereby, highly dispersed nanoparticles in which a plurality of types of nanoparticles respectively corresponding to the plurality of target materials 9 are highly dispersed can be appropriately produced.
ところで、チャンバ内の圧力を大気圧よりも十分に低くして微粒子を製造する場合、大型の減圧機構が必要となる。これに対し、微粒子製造装置１では、チャンバ２内の圧力が大気圧近傍であることにより、大型の減圧機構を省略して微粒子製造装置１の小型化を実現することができる。また、ナノ粒子形成完了時間は、チャンバ２内の圧力の増大に従って短くなるため、チャンバ２内の圧力が高い微粒子製造装置１では、ナノ粒子形成完了時間を比較的短くすることができる。 By the way, when producing fine particles by making the pressure in the chamber sufficiently lower than the atmospheric pressure, a large pressure reducing mechanism is required. On the other hand, in the fine particle manufacturing apparatus 1, since the pressure in the chamber 2 is close to the atmospheric pressure, the large-sized decompression mechanism can be omitted and the fine particle manufacturing apparatus 1 can be downsized. In addition, since the nanoparticle formation completion time becomes shorter as the pressure in the chamber 2 increases, the nanoparticle formation completion time can be relatively shortened in the fine particle manufacturing apparatus 1 having a high pressure in the chamber 2.
次に、上記微粒子製造装置１により微粒子を製造する実施例について述べる。本実施例では、図１中の最も上側のミラー４２ａおよび最も上側のターゲット材料が省略される。残りの２つのターゲット材料９のうち、一方はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）であり、他方はイットリア安定化ジルコニア（正確には、Ｙ２Ｏ３を８ｍｏｌ％混合したＺｒＯ２）である。キャリアガスは、アルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ２）ガスとを含み、アルゴンガスの分圧は１００キロパスカル（ｋＰａ）であり、酸素ガスの分圧は１０ｋＰａである。パルスレーザ４１の繰り返し周波数は４０キロヘルツ（ｋＨｚ）である。各ターゲット材料９上に形成されるパルスレーザ光のスポット径は１００〜２００マイクロメートル（μｍ）である。 Next, the Example which manufactures microparticles | fine-particles with the said microparticle manufacturing apparatus 1 is described. In the present embodiment, the uppermost mirror 42a and the uppermost target material in FIG. 1 are omitted. Of the remaining two target materials 9, one is alumina (Al 2 O 3 ), and the other is yttria-stabilized zirconia (exactly, ZrO 2 mixed with 8 mol% of Y 2 O 3 ). The carrier gas includes argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas, the partial pressure of argon gas is 100 kilopascals (kPa), and the partial pressure of oxygen gas is 10 kPa. The repetition frequency of the pulse laser 41 is 40 kilohertz (kHz). The spot diameter of the pulse laser beam formed on each target material 9 is 100 to 200 micrometers (μm).
ターゲット材料９の配列ピッチは８ミリメートルである。また、上記条件におけるナノ粒子形成完了時間は約０．０１ミリ秒であり、キャリアガスの流速を毎秒８メートルに設定して、アルミナのナノ粒子およびイットリア安定化ジルコニアのナノ粒子の高分散ナノ粒子を製造した。 The arrangement pitch of the target material 9 is 8 millimeters. The nanoparticle formation completion time under the above conditions is about 0.01 milliseconds, the carrier gas flow rate is set to 8 meters per second, and the highly dispersed nanoparticles of alumina nanoparticles and yttria stabilized zirconia nanoparticles Manufactured.
図５は、上記実施例にて製造された高分散ナノ粒子を示す画像である。図５の上図は、アルミニウムとジルコニウムのナノ粒子が高分散した状態を示す透過型電子顕微鏡での画像であり、図５の左下および右下は、それぞれエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により取得されたアルミニウムおよびジルコニウムの分布を示す画像である。図５の左下では、白いドットがアルミニウムの検出位置を示し、図５の右下では、白いドットがジルコニウムの検出位置を示す。図５の左下および右下より、上記実施例にて製造された高分散ナノ粒子では、アルミナのナノ粒子およびイットリア安定化ジルコニアのナノ粒子が高分散していることが判る。 FIG. 5 is an image showing the highly dispersed nanoparticles produced in the above example. The upper diagram in FIG. 5 is an image taken with a transmission electron microscope showing a state in which aluminum and zirconium nanoparticles are highly dispersed. The lower left and lower right in FIG. 5 are obtained by energy dispersive X-ray analysis (EDS), respectively. It is an image which shows distribution of the acquired aluminum and zirconium. In the lower left of FIG. 5, white dots indicate aluminum detection positions, and in the lower right of FIG. 5, white dots indicate zirconium detection positions. From the lower left and lower right of FIG. 5, it can be seen that alumina nanoparticles and yttria-stabilized zirconia nanoparticles are highly dispersed in the highly dispersed nanoparticles produced in the above example.
図６は、微粒子製造装置１の他の例を示す図である。図６の微粒子製造装置１では、図１の微粒子製造装置１と比較して、複数のパルスレーザ４１が設けられる点が相違する。他の構成は、図１の微粒子製造装置１と同様であり、同じ構成に同符号を付している。 FIG. 6 is a diagram illustrating another example of the fine particle manufacturing apparatus 1. 6 differs from the fine particle production apparatus 1 of FIG. 1 in that a plurality of pulse lasers 41 are provided. Other configurations are the same as those of the fine particle manufacturing apparatus 1 of FIG. 1, and the same reference numerals are given to the same configurations.
図６の微粒子製造装置１では、キャリアガスの流れ方向に関して、複数のパルスレーザ４１が複数のターゲット材料９とそれぞれ同じ位置に配置される。各パルスレーザ４１からのパルスレーザ光は、チャンバ２に設けられた透光部２２を介して、対応するターゲット材料９に照射される。このように、図６の微粒子製造装置１では、照射部４が、複数のターゲット材料９に対してパルスレーザ光をそれぞれ照射する複数のパルスレーザ４１を有する。これにより、複数のターゲット材料９に照射するパルスレーザ光のパワーを、互いに独立して設定することができ、高分散ナノ粒子の混合比（分散比）を自在に変更することが可能となる。なお、図１の微粒子製造装置１において、ミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃを異なる反射率のミラーに取り替えることにより、各ターゲット材料９に照射されるパルスレーザ光のパワーが変更されてもよい。 In the fine particle manufacturing apparatus 1 of FIG. 6, a plurality of pulse lasers 41 are arranged at the same positions as the plurality of target materials 9 in the carrier gas flow direction. The pulse laser light from each pulse laser 41 is irradiated to the corresponding target material 9 via the light transmitting part 22 provided in the chamber 2. As described above, in the fine particle manufacturing apparatus 1 of FIG. 6, the irradiation unit 4 includes the plurality of pulse lasers 41 that respectively irradiate the plurality of target materials 9 with the pulse laser light. Thereby, the power of the pulsed laser light applied to the plurality of target materials 9 can be set independently of each other, and the mixing ratio (dispersion ratio) of the highly dispersed nanoparticles can be freely changed. In the fine particle manufacturing apparatus 1 of FIG. 1, the power of the pulsed laser light applied to each target material 9 may be changed by replacing the mirrors 42a, 42b, and 42c with mirrors having different reflectances.
上記微粒子製造装置１は様々な変形が可能である。例えば、図７に示すように、複数のミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃがチャンバ２内に設けられてもよい。図７の微粒子製造装置１では、パルスレーザ４１からのパルスレーザ光が、チャンバ２の上面部に設けられた透光部２２を介してチャンバ２内に導かれ、ミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃを介してターゲット材料９に照射される。なお、図７の上側から下方を向いて見た際に、複数のミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃはガス供給口２３と重ならない位置に配置されており、ガス供給口２３から噴出されるキャリアガスの流れが複数のミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃにより阻害されることはない。 The fine particle manufacturing apparatus 1 can be variously modified. For example, as shown in FIG. 7, a plurality of mirrors 42 a, 42 b, 42 c may be provided in the chamber 2. In the fine particle manufacturing apparatus 1 of FIG. 7, the pulse laser beam from the pulse laser 41 is guided into the chamber 2 via the light transmitting portion 22 provided on the upper surface portion of the chamber 2, and via the mirrors 42a, 42b, and 42c. The target material 9 is irradiated. Note that when viewed from the upper side in FIG. 7, the plurality of mirrors 42 a, 42 b, 42 c are arranged at positions that do not overlap with the gas supply port 23, and carrier gas ejected from the gas supply port 23 The flow is not blocked by the plurality of mirrors 42a, 42b, 42c.
ターゲット保持部３により、キャリアガスの流れ方向に並べて保持されるターゲット材料９の個数は、２個または４個以上であってもよい。 The number of target materials 9 held side by side in the carrier gas flow direction by the target holding unit 3 may be two or four or more.
上記実施の形態では、チャンバ２内の圧力が大気圧よりも僅かに高い圧力（正圧）とされるが、微粒子製造装置１の設計によっては、回収容器６１がチャンバ２と共に密閉空間を形成するようにチャンバ２に取り付けられ、キャリアガスを流しつつ、減圧機構によりチャンバ２内の圧力が、大気圧または大気圧よりも極僅かに低い圧力（負圧）とされてもよい。このような場合でも、チャンバ２内の圧力が大気圧近傍とされることにより、小型の減圧機構を採用して、微粒子製造装置１の小型化を図ることができる。 In the above embodiment, the pressure in the chamber 2 is slightly higher than the atmospheric pressure (positive pressure). However, depending on the design of the fine particle manufacturing apparatus 1, the collection container 61 forms a sealed space together with the chamber 2. As described above, the pressure in the chamber 2 may be set to the atmospheric pressure or a pressure slightly lower than the atmospheric pressure (negative pressure) by the decompression mechanism while flowing the carrier gas. Even in such a case, when the pressure in the chamber 2 is close to the atmospheric pressure, a small pressure reducing mechanism can be employed to reduce the size of the fine particle manufacturing apparatus 1.
以上のように、微粒子製造装置１では、チャンバ２内の圧力が、大気圧近傍と捉えることが可能な範囲、すなわち、１０ｋＰａよりも高く（より好ましくは、５０ｋＰａ以上）、かつ、１５０ｋＰａ以下であることが好ましい。これにより、大がかりな減圧機構や加圧機構（ガス供給部）、あるいは、チャンバの大がかりな補強等が不要となる。なお、微粒子製造装置１の設計によっては、チャンバ２内の圧力を上記範囲よりも低くまたは高くして、微粒子が製造されてもよい。 As described above, in the fine particle manufacturing apparatus 1, the pressure in the chamber 2 is within a range that can be regarded as near atmospheric pressure, that is, higher than 10 kPa (more preferably, 50 kPa or more) and 150 kPa or less. It is preferable. This eliminates the need for a large-scale decompression mechanism, pressurization mechanism (gas supply unit), or large-scale reinforcement of the chamber. Depending on the design of the fine particle production apparatus 1, fine particles may be produced by setting the pressure in the chamber 2 to be lower or higher than the above range.
ナノ粒子形成完了時間は、チャンバ２内の圧力等の条件に依存するが、チャンバ２内が大気圧近傍である場合には、ターゲット間移動時間が、０．１ミリ秒以上であれば、各ターゲット材料９にて発生したアブレーション粒子は、当該ターゲット材料９の次のターゲット材料９の位置への到達前に、ナノ粒子に成長すると捉えられる。また、チャンバ２内の圧力を大気圧よりも十分に低くする（上記範囲よりも低くする）場合であっても、ターゲット間移動時間が、１ミリ秒以上であれば、当該次のターゲット材料９の位置への到達前に、ナノ粒子が形成されると捉えられる。なお、ターゲット間移動時間は、１秒以下であることが好ましい。 The nanoparticle formation completion time depends on conditions such as the pressure in the chamber 2, but when the inside of the chamber 2 is near atmospheric pressure, if the moving time between targets is 0.1 milliseconds or more, Ablation particles generated in the target material 9 are considered to grow into nanoparticles before reaching the position of the next target material 9 of the target material 9. Even when the pressure in the chamber 2 is sufficiently lower than the atmospheric pressure (lower than the above range), if the inter-target movement time is 1 millisecond or more, the next target material 9 It is perceived that nanoparticles are formed before reaching the position. In addition, it is preferable that the movement time between targets is 1 second or less.
キャリアガスは、アルゴンガスや酸素ガス以外のガス（窒素ガス等）を含むものであってもよい。また、ターゲット材料９として、アルミナや、イットリア安定化ジルコニア以外に、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、３元系材料であるニッケルコバルトマンガン酸リチウム、チタン添加マンガン酸リチウム、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等を例示することができる。 The carrier gas may contain a gas (nitrogen gas or the like) other than argon gas or oxygen gas. In addition to alumina and yttria-stabilized zirconia, the target material 9 includes copper oxide (CuO), barium oxide (BaO), lithium nickelate (LiNiO 2 ), ternary system material nickel cobalt lithium manganate, titanium Examples thereof include added lithium manganate, silicon (Si), and aluminum (Al).
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。 The configurations in the above-described embodiments and modifications may be combined as appropriate as long as they do not contradict each other.
１ 微粒子製造装置
２ チャンバ
３ ターゲット保持部
４ 照射部
５ キャリアガス供給部
９ ターゲット材料
２２ 透光部
４１ パルスレーザ
９１１ ナノ粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fine particle manufacturing apparatus 2 Chamber 3 Target holding part 4 Irradiation part 5 Carrier gas supply part 9 Target material 22 Translucent part 41 Pulse laser 911 Nanoparticle
Claims (4)
チャンバと、
前記チャンバ内においてキャリアガスを所定の流れ方向に流すキャリアガス供給部と、
前記チャンバ内において複数のターゲット材料を前記流れ方向に並べて保持するターゲット保持部と、
前記複数のターゲット材料に対してパルスレーザ光を照射することにより、前記複数のターゲット材料のそれぞれからアブレーション粒子を発生させる照射部と、
を備え、
前記流れ方向に関して、互いに隣接する２つのターゲット材料の各組合せにおける上流側のターゲット材料の位置から下流側のターゲット材料の位置まで、前記キャリアガスが移動する時間が、各ターゲット材料におけるアブレーション粒子の発生から、前記アブレーション粒子が凝集してナノ粒子が形成される期間の完了までの時間以上であることを特徴とする微粒子製造装置。 A fine particle production apparatus for producing fine particles,
A chamber;
A carrier gas supply section for flowing a carrier gas in a predetermined flow direction in the chamber;
A target holding unit for holding a plurality of target materials side by side in the flow direction in the chamber;
An irradiation unit that generates ablation particles from each of the plurality of target materials by irradiating the plurality of target materials with pulsed laser light; and
With
With respect to the flow direction, the time for the carrier gas to move from the position of the upstream target material to the position of the downstream target material in each combination of two target materials adjacent to each other depends on the generation of ablation particles in each target material. To a time period until the completion of the period in which the ablation particles are aggregated to form nanoparticles.
前記チャンバ内の圧力が、１０キロパスカルよりも高く、かつ、１５０キロパスカル以下であることを特徴とする微粒子製造装置。 The fine particle production apparatus according to claim 1,
An apparatus for producing fine particles, wherein the pressure in the chamber is higher than 10 kilopascals and lower than 150 kilopascals.
前記照射部が、前記チャンバに設けられた透光部を介して前記複数のターゲット材料に対してパルスレーザ光を照射することを特徴とする微粒子製造装置。 The fine particle production apparatus according to claim 1 or 2,
The fine particle manufacturing apparatus, wherein the irradiation unit irradiates the plurality of target materials with pulsed laser light through a light transmitting unit provided in the chamber.
前記照射部が、前記複数のターゲット材料に対してパルスレーザ光をそれぞれ照射する複数のパルスレーザを有することを特徴とする微粒子製造装置。 The fine particle production apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The fine particle manufacturing apparatus, wherein the irradiation unit includes a plurality of pulse lasers that respectively irradiate the plurality of target materials with a pulse laser beam.
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