JP2016124712A - Metal atom-encapsulating fullerene generation apparatus - Google Patents

Metal atom-encapsulating fullerene generation apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2016124712A
JP2016124712A JP2014264024A JP2014264024A JP2016124712A JP 2016124712 A JP2016124712 A JP 2016124712A JP 2014264024 A JP2014264024 A JP 2014264024A JP 2014264024 A JP2014264024 A JP 2014264024A JP 2016124712 A JP2016124712 A JP 2016124712A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fullerene
ion beam
metal atom
molecule
molecules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014264024A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6455971B2 (en
Inventor
健次 本橋
Kenji Motohashi
健次 本橋
吉田 善一
Zenichi Yoshida
善一 吉田
貴司 内田
Takashi Uchida
貴司 内田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyo University
Original Assignee
Toyo University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyo University filed Critical Toyo University
Priority to JP2014264024A priority Critical patent/JP6455971B2/en
Publication of JP2016124712A publication Critical patent/JP2016124712A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6455971B2 publication Critical patent/JP6455971B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To encapsulate a metal atom in a fullerene molecule and make it possible to separate the fullerene molecule encapsulating the metal atom from a fullerene molecule not encapsulating the metal atom.SOLUTION: A fullerene ion beam, including a fullerene molecule f not encapsulating a metal atom, is made incident on an ion beam incident port IN of an ion beam flow channel 1 with a compound including the metal atom M adsorbed on the surface of the inner wall thereof. Thereby the fullerene molecule f encapsulates the metal atom M via collision with the inner wall, and a fullerene ion beam, including a fullerene molecule F encapsulating the metal atom M, is emitted from an ion beam emission port OUT of the ion beam flow channel 1. The orbit of the fullerene molecule F is controlled according to the mass, velocity, and electric charge.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、フラーレン分子に金属原子を内包し且つ内包しないフラーレン分子との分離を可能にする技術に関するものである。   The present invention relates to a technique that enables separation from fullerene molecules that contain metal atoms in fullerene molecules but do not.

従来、フラーレン分子に原子を内包させる技術としては、フラーレン蒸気中で内包しようする原子を含む化合物をプラズマ化し、反応生成物を基板、電極、反応炉壁等の固体表面に堆積する方法がよく用いられていた。   Conventionally, as a technique for encapsulating atoms in fullerene molecules, a method is often used in which a compound containing atoms to be encapsulated in fullerene vapor is turned into plasma and the reaction product is deposited on a solid surface such as a substrate, electrode, or reactor wall. It was done.

例えば、特許文献1では、プラズマ中での内包反応と、プラズマ流照射による内包フラーレンの基板堆積が提案されている。また、プラズマだけでなく、電子ビームや紫外光の照射を併用することにより内包確率を上げる試みもなされてきた。   For example, Patent Document 1 proposes the inclusion reaction in plasma and the substrate deposition of inclusion fullerene by plasma flow irradiation. Attempts have also been made to increase the inclusion probability by using not only plasma but also electron beam or ultraviolet light irradiation.

例えば、特許文献2では、電子ビームとプラズマによるニッケル原子内包フラーレン分子の生成が試みられ、特許文献3では、金属蒸気プラズマへの紫外光照射による金属原子内包フラーレンの生成が試みられている。プラズマ中の気相反応で内包させた後、原子内包分子イオンビームとして分離抽出し、これを基板に照射・堆積する方法も提案されている。この方法では、磁界を利用した質量分析により、内包分子と同じ質量の分子イオンだけを選択的に抽出することができるため、高純度の内包分子を堆積することができる。   For example, Patent Document 2 attempts to generate nickel atom-containing fullerene molecules using an electron beam and plasma, and Patent Document 3 attempts to generate metal atom-containing fullerenes by irradiating metal vapor plasma with ultraviolet light. There has also been proposed a method in which a gas phase reaction in plasma is included, followed by separation and extraction as an atomically-encapsulated molecular ion beam, and irradiation and deposition on the substrate. In this method, only the molecular ions having the same mass as the encapsulated molecules can be selectively extracted by mass spectrometry using a magnetic field, so that highly pure encapsulated molecules can be deposited.

例えば、特許文献4では、内包原子を含む材料(気体、固体)とフラーレン分子を電子サイクロトロン共鳴プラズマ(イオン源)内で混合した後、原子内包フラーレンイオンと同質量の粒子として分離し、高純度堆積する方法が採用されている。   For example, in Patent Document 4, a material (gas, solid) containing encapsulated atoms and fullerene molecules are mixed in an electron cyclotron resonance plasma (ion source), and then separated as particles having the same mass as the encapsulated fullerene ions. A deposition method is employed.

また、特許文献5のように、金属原子を効率よく内包させるため、2枚の五員環で金属原子をサンドイッチした分子構造を持つメタロセン分子をフラーレン分子と反応させる方法がある。これは強い化学結合ではなく、ファンデアワールス力で弱く結合した金属化合物から金属原子を引き抜き、高圧加熱合成法、気相合成法、プラズマ合成法等によりフラーレン分子に内包させようとするものである。   In addition, as disclosed in Patent Document 5, there is a method in which a metallocene molecule having a molecular structure in which metal atoms are sandwiched by two five-membered rings is reacted with fullerene molecules in order to encapsulate metal atoms efficiently. This is not a strong chemical bond, but a metal atom is extracted from a weakly bonded metal compound by van der Waals force and is included in fullerene molecules by high pressure heating synthesis method, gas phase synthesis method, plasma synthesis method, etc. .

一方、特許文献6のように、プラズマによる内包ではなく、内包しようとする原子をイオン化した後にイオンビームとして加速し、これを標的のフラーレン分子に注入することによって内包するイオン注入法も提案されている。この方法ではイオンビームを用いるために、注入時のエネルギーや照射条件を制御しやすく、最適な条件に設定することで内包確率を高めることができる。   On the other hand, as disclosed in Patent Document 6, an ion implantation method is proposed in which atoms to be encapsulated are accelerated by ionization after ionization and are implanted into target fullerene molecules instead of being encapsulated by plasma. Yes. Since this method uses an ion beam, it is easy to control the energy and irradiation conditions at the time of implantation, and the inclusion probability can be increased by setting the optimum conditions.

特開2005−325015号公報JP 2005-325015 A 特開2013−035725号公報JP 2013-035725 A 特開2006−222078号公報JP 2006-222078 A 特開2010−277871号公報JP 2010-277871 A 特開2008−007373号公報JP 2008-007373 A 特開2002−255518号公報JP 2002-255518 A

上述したように、従来技術では内包反応をほとんどプラズマ中(または気相中)で行うが、プラズマ中では多種多様な原子・分子・活性種が様々な速さと方向で運動しているため、内包反応を制御することが困難であるという課題がある。すなわち、所望の原子だけを所望の分子内に内包させることは、プラズマ中ではほとんど不可能であり、そのため、所望の内包分子を単離・精製することも難しい。   As described above, in the prior art, the inclusion reaction is mostly carried out in the plasma (or in the gas phase), but since various atoms, molecules, and active species move in the plasma at various speeds and directions, the inclusion reaction occurs. There is a problem that it is difficult to control the reaction. That is, it is almost impossible in plasma to encapsulate only desired atoms in a desired molecule, and therefore it is difficult to isolate and purify a desired encapsulated molecule.

一方、プラズマを用いないイオン注入法では、最適化により内包効率を高めることはできるが、堆積したフラーレン分子の中から内包フラーレン分子を分離・精製することが困難である。   On the other hand, in the ion implantation method that does not use plasma, the inclusion efficiency can be increased by optimization, but it is difficult to separate and purify the inclusion fullerene molecules from the deposited fullerene molecules.

本発明は、上記の事情に鑑み、フラーレン分子に金属原子を内包し且つ内包しないフラーレン分子との分離を可能にする技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which enables isolation | separation with the fullerene molecule which encapsulates a metal atom in a fullerene molecule and does not encapsulate in view of said situation.

本発明の金属原子内包フラーレン生成装置は、イオン化したフラーレン分子を含むフラーレンイオンビームを入射するイオンビーム入射口および前記フラーレンイオンビームを出射するイオンビーム出射口とを有するイオンビーム流路を備え、前記フラーレン分子に内包されるべき金属原子を予め前記イオンビーム流路の内壁に含ませ、前記フラーレンイオンビームが前記内壁に衝突した際に前記金属原子が前記フラーレン分子に内包され、前記金属原子を内包したフラーレン分子を含むフラーレンイオンビームが前記イオンビーム出射口から出射するように構成されたことを特徴とする。   The metal atom-encapsulating fullerene generating apparatus of the present invention includes an ion beam flow path having an ion beam incident port for receiving a fullerene ion beam including ionized fullerene molecules and an ion beam emitting port for emitting the fullerene ion beam, A metal atom to be included in the fullerene molecule is included in the inner wall of the ion beam channel in advance, and when the fullerene ion beam collides with the inner wall, the metal atom is included in the fullerene molecule, and the metal atom is included. The fullerene ion beam containing the fullerene molecule is emitted from the ion beam outlet.

本発明によれば、所望の金属原子を予めイオンビーム流路の内壁に含ませ、フラーレン分子を含むフラーレンイオンビームをイオンビーム入射口に入射させれば、フラーレン分子が内壁に衝突して金属分子が内包され、その金属原子を内包したフラーレン分子を含むフラーレンイオンビームがイオンビーム出射口から出射するので、そのフラーレンイオンビームの軌道を制御することで、金属原子を内包したフラーレン分子を、内包しないフラーレン分子から分離できる。   According to the present invention, if a desired metal atom is included in the inner wall of the ion beam channel in advance and a fullerene ion beam including fullerene molecules is incident on the ion beam entrance, the fullerene molecules collide with the inner wall and the metal molecules Since the fullerene ion beam containing the fullerene molecule containing the metal atom is emitted from the ion beam exit, the fullerene molecule containing the metal atom is not included by controlling the trajectory of the fullerene ion beam. Can be separated from fullerene molecules.

本実施の形態に係る金属原子内包フラーレン生成装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the metal atom inclusion fullerene production | generation apparatus which concerns on this Embodiment. メタロセンSAM膜の分子構造を示す図である。It is a figure which shows the molecular structure of a metallocene SAM film | membrane. 金属原子内包フラーレン生成装置の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of a metal atom inclusion fullerene production | generation apparatus. イオンビーム流路1の構造の一例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of a structure of an ion beam flow path 1. イオンビーム出射口OUTから出射するフラーレン分子を画像化した2次元画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the two-dimensional image which imaged the fullerene molecule radiate | emitted from the ion beam exit port OUT. フラーレン分子の飛行時間の分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of distribution of the flight time of a fullerene molecule. 図6に示すスペクトルBのフラーレン分子だけを選別して画像化した2次元画像を示す図である。It is a figure which shows the two-dimensional image which selected and imaged only the fullerene molecule | numerator of the spectrum B shown in FIG. 変形例の図である。It is a figure of a modification.

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。   Hereinafter, an embodiment as an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, in the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same members, and duplicate descriptions are omitted. In addition, since description here is the best form by which this invention is implemented, this invention is not limited to the said form.

本実施の形態に係る金属原子内包フラーレン生成装置では、フラーレン分子に金属原子を内包させる反応をプラズマ中ではなく、例えば、金属原子を吸着した固体表面に、イオン化したフラーレン分子(以下、単にフラーレン分子という)を含むフラーレンイオンビームを衝突させることにより行う。フラーレンイオンビームは速度(エネルギーに相当)と方向が揃ったビームとして固体表面に入射するので、プラズマに比べて反応を制御しやすい。さらに、フラーレンイオンビームは固体表面で特定の方向に反射するので、フラーレン分子を質量などによって選別することにより、金属原子を内包したフラーレン分子を、内包しないフラーレン分子から分離できる。よって、金属原子を内包したフラーレン分子を高純度に精製した状態で基板に堆積できる。   In the metal atom-encapsulating fullerene generating apparatus according to the present embodiment, the reaction of encapsulating metal atoms in fullerene molecules is not performed in plasma. For example, ionized fullerene molecules (hereinafter simply referred to as fullerene molecules) on a solid surface that has adsorbed metal atoms. This is performed by colliding with a fullerene ion beam containing. Since the fullerene ion beam is incident on the solid surface as a beam having a uniform velocity (equivalent to energy) and direction, the reaction is easier to control than the plasma. Further, since the fullerene ion beam is reflected in a specific direction on the solid surface, the fullerene molecules encapsulating metal atoms can be separated from the fullerene molecules not encapsulating by sorting the fullerene molecules by mass or the like. Therefore, fullerene molecules encapsulating metal atoms can be deposited on the substrate in a highly purified state.

さらに、フラーレン分子に効率よく金属原子を内包させ、かつ、容易に分離・精製できるようにするため、本実施の形態では、以下に示す三つの独創的な方法を行う。   Furthermore, in order to allow the fullerene molecule to efficiently encapsulate metal atoms and to be easily separated and purified, in this embodiment, the following three original methods are performed.

1.フラーレン分子と金属原子を低速で多数回衝突させるべく、図1(a)に示すように、金属原子を含む化合物を内壁の表面に吸着したイオンビーム流路1の入射口(イオンビーム入射口INという)に対し、図1(b)に示すような金属原子を内包していないフラーレン分子fを含むフラーレンイオンビームを入射する。これにより、フラーレン分子が内壁に衝突して金属分子が内包され、イオンビーム流路1の出射口(イオンビーム出射口OUTという)から、図1(c)に示すような金属原子Mを内包するフラーレン分子Fを含むフラーレンイオンビームが出射する。   1. In order to collide fullerene molecules and metal atoms many times at a low speed, as shown in FIG. 1A, the entrance of the ion beam channel 1 (ion beam entrance IN IN) in which a compound containing metal atoms is adsorbed on the surface of the inner wall. In contrast, a fullerene ion beam containing fullerene molecules f not containing metal atoms as shown in FIG. As a result, the fullerene molecules collide with the inner wall and the metal molecules are included, and the metal atoms M as shown in FIG. 1C are included from the exit of the ion beam channel 1 (referred to as the ion beam exit OUT). A fullerene ion beam containing fullerene molecules F is emitted.

イオンビーム流路1とは、固体表面での反射・散乱を利用してフラーレンイオンビームの進行方向を制御するガイドであり、例えば、後述の図4に示すような、湾曲した凸面と湾曲した凹面を数mm以下程度の隙間をあけて対向させることによりできる狭いギャップなどである。凸面と凹面の表面には金属原子Mを含む化合物を吸着させておき、イオンビーム流路1にフラーレンイオンビームを入射することにより、フラーレン分子fと金属原子Mとが小さな角度で多数回衝突する。その結果、イオンビーム流路1から金属原子Mを内包するフラーレン分子Fが出射する。   The ion beam channel 1 is a guide that controls the traveling direction of the fullerene ion beam by utilizing reflection / scattering on a solid surface. For example, a curved convex surface and a curved concave surface as shown in FIG. Is a narrow gap that can be formed by facing each other with a gap of about several mm or less. The compound containing the metal atom M is adsorbed on the convex and concave surfaces, and the fullerene ion beam is incident on the ion beam flow path 1, whereby the fullerene molecule f and the metal atom M collide many times at a small angle. . As a result, fullerene molecules F containing metal atoms M are emitted from the ion beam flow path 1.

2.上述の凸面と凹面に吸着する金属原子Mを含む化合物として、例えば、図2に示すような分子構造を有するメタロセン分子を末端に結合した自己組織化単分子膜を用いる。鉄、コバルト、ニッケル等の金属原子Mを二枚の炭素五員環の間に挟んだメタロセン分子は、チオール分子(またはその誘導体)と結合させることにより、最表面においてメタロセン分子で終端されたチオール分子(またはその誘導体)の自己組織化単分子膜(メタロセンSAM膜)を形成することができる。炭素五員環に挟まれた金属原子Mは最表面に弱く結合した状態で存在するため、フラーレン分子との衝突によって金属原子Mが内包される確率が高いと予想される。   2. As the compound containing the convex surface and the metal atom M adsorbed on the concave surface, for example, a self-assembled monomolecular film in which a metallocene molecule having a molecular structure as shown in FIG. A metallocene molecule in which a metal atom M such as iron, cobalt, nickel or the like is sandwiched between two carbon five-membered rings is bonded to a thiol molecule (or a derivative thereof) to terminate the thiol terminated with a metallocene molecule on the outermost surface. A self-assembled monolayer (metallocene SAM film) of molecules (or derivatives thereof) can be formed. Since the metal atom M sandwiched between the five-membered carbon rings is weakly bonded to the outermost surface, it is expected that the metal atom M is likely to be included by collision with the fullerene molecule.

3.金属原子Mを内包した後のフラーレンイオンビームを分離・精製するため、上述のイオンビーム流路を通過したフラーレンイオンビームのフラーレン分子を電磁界中で飛行させ、その質量、速度、電荷に応じて異なる場所に堆積させる。   3. In order to separate and purify the fullerene ion beam after the inclusion of the metal atom M, the fullerene molecules of the fullerene ion beam that has passed through the ion beam flow path described above are caused to fly in an electromagnetic field, and according to the mass, velocity, and charge. Deposit in different places.

本実施の形態では、プラズマを用いず、フラーレンイオンビームを用いることにより、内包条件を最適化しやすくなり、内包反応を高度に制御することができる。   In this embodiment, by using a fullerene ion beam without using plasma, it becomes easy to optimize the inclusion conditions, and the inclusion reaction can be controlled to a high degree.

また、1.に示すように、イオンビーム流路1内では、フラーレンイオンビームと金属原子Mが小さな角度で多数回衝突するので、内包確率を高めることができる。   In addition, 1. As shown in FIG. 2, since the fullerene ion beam and the metal atom M collide many times at a small angle in the ion beam flow path 1, the inclusion probability can be increased.

また、2.に示すように、自己組織化単分子膜を利用することにより、ファンデアワールス力で弱く結合した金属原子Mが最表面を高密度に覆う標的が実現できるため、金属原子Mの内包確率を高めることができる。   In addition, 2. As shown in FIG. 5, by using a self-assembled monolayer, a target in which metal atoms M that are weakly bonded by van der Waals force cover the outermost surface with high density can be realized, so that the inclusion probability of metal atoms M is increased. be able to.

また、3.に示すように、金属原子Mを内包したフラーレンイオンビームを質量、速度、電荷により飛行軌道を制御して分離することができるので、金属原子Mを内包したフラーレン分子を高純度に精製した状態で基板に堆積できる。   3. As shown in FIG. 2, since the fullerene ion beam containing the metal atom M can be separated by controlling the flight trajectory by the mass, velocity, and charge, the fullerene molecule containing the metal atom M is purified to a high purity. Can be deposited on a substrate.

このような金属原子Mを内包したフラーレン分子は、例えば、磁気共鳴画像診断(MRI: Magnetic Resonance Imaging)の造影剤やドラッグデリバリーシステム(DDS : Drug Delivery System)における体内での薬物伝達に使用することができる。   Such fullerene molecules encapsulating metal atoms M can be used, for example, for contrast media in magnetic resonance imaging (MRI) and drug delivery in the body in a drug delivery system (DDS). Can do.

図3に示すように、具体例の金属原子内包フラーレン生成装置は、イオンビーム流路1、フラーレンイオンビームBをイオンビーム流路1の入射口(イオンビーム入射口INという)に導くパルス用電極2、イオンビーム流路1の出射口(イオンビーム出射口OUTという)から出射したフラーレンイオンビームBの軌道を制御するための電磁界を発生させる電磁界発生器3を備える。   As shown in FIG. 3, the metal atom inclusion fullerene generation device of the specific example is a pulse electrode that guides the ion beam channel 1 and the fullerene ion beam B to the entrance of the ion beam channel 1 (referred to as ion beam entrance IN). 2. An electromagnetic field generator 3 for generating an electromagnetic field for controlling the trajectory of the fullerene ion beam B emitted from the exit of the ion beam channel 1 (referred to as an ion beam exit OUT) is provided.

イオンビーム流路1、パルス用電極2および電磁界発生器3は、真空槽4の中に配置される。軌道制御後のフラーレンイオンビームBの進行方向には、金属原子Mを内包したフラーレン分子が堆積される堆積基板5が配置される。堆積基板5も、真空槽4の中に配置される。   The ion beam flow path 1, the pulse electrode 2 and the electromagnetic field generator 3 are arranged in a vacuum chamber 4. In the traveling direction of the fullerene ion beam B after the trajectory control, a deposition substrate 5 on which fullerene molecules containing metal atoms M are deposited is disposed. The deposition substrate 5 is also disposed in the vacuum chamber 4.

イオンビーム流路1の内壁には、例えば、上述のメタロセン分子またはその誘導体で終端された自己組織化単分子膜(メタロセンSAM膜)が吸着される。   For example, a self-assembled monomolecular film (metallocene SAM film) terminated with the above-described metallocene molecule or a derivative thereof is adsorbed on the inner wall of the ion beam channel 1.

イオンビーム出射口OUTを通過した金属原子を内包するフラーレン分子は、図3に示すような質量・速度・電荷選別用の電磁界発生器3を通過することにより、自身の質量、速度、電荷に応じて、図3の紙面に垂直な方向に軌道分離された後、堆積基板5上に堆積する。すなわち、金属原子を内包するフラーレン分子は重いため、曲がりにくいが、金属原子を内包しなかったフラーレン分子や壊れたフラーレン分子は軽いために大きく曲げられる。このようにフラーレン分子を選別しながら堆積基板5に堆積するため分離・精製が容易である。   Fullerene molecules containing metal atoms that have passed through the ion beam exit OUT pass through the electromagnetic field generator 3 for mass / velocity / charge selection as shown in FIG. Accordingly, the track is separated in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3 and then deposited on the deposition substrate 5. That is, the fullerene molecule containing the metal atom is heavy and difficult to bend, but the fullerene molecule not containing the metal atom or the broken fullerene molecule is light and is bent greatly. Thus, separation and purification are easy because the fullerene molecules are deposited on the deposition substrate 5 while being sorted.

さて、本出願に先立ち、実証試験を行った。実証試験では図3の堆積基板5の代わりに二次元位置敏感型放射線検出器(2D−PSD)を設置し、イオンビーム流路1として、図4に示すような構成のもの(円筒面間流路)を採用した。   Prior to the present application, a verification test was conducted. In the verification test, a two-dimensional position sensitive radiation detector (2D-PSD) is installed in place of the deposition substrate 5 in FIG. 3, and the ion beam channel 1 has a structure as shown in FIG. Road).

図4に示すように、イオンビーム流路1は、湾曲した凸面を有する部材11と、湾曲した凹面を有する部材12とを備える。凸面と凹面は互いに向かい合う。部材11の凸面と部材12の凹面の間の隙間は湾曲しており、これにより、フラーレンイオンビームBと内壁(凸面と凹面)の衝突を促進できる。   As shown in FIG. 4, the ion beam channel 1 includes a member 11 having a curved convex surface and a member 12 having a curved concave surface. The convex surface and the concave surface face each other. The gap between the convex surface of the member 11 and the concave surface of the member 12 is curved, whereby the collision between the fullerene ion beam B and the inner wall (convex surface and concave surface) can be promoted.

板状の部材13に孔が形成され、その孔がイオンビーム入射口INを構成する。   A hole is formed in the plate-like member 13, and the hole constitutes the ion beam entrance IN.

フラーレンイオンビームBの径は、例えば、1.0mmであり、イオンビーム入射口INの径は、例えば、1.5mmである。   The diameter of the fullerene ion beam B is, for example, 1.0 mm, and the diameter of the ion beam incident port IN is, for example, 1.5 mm.

フラーレンイオンビームBは、部材13の孔(イオンビーム入射口IN)から入射する。その進行方向をZとし、部材11と部材12が向かい合う方向をYとし、Z方向、Y方向に垂直な方向をXとすると、部材11、12のX、Z方向の長さは、例えば、それぞれ20.0mmである。部材11と部材12の隙間の間隔は、例えば、1.2mmである。   The fullerene ion beam B is incident from the hole (ion beam entrance IN) of the member 13. When the traveling direction is Z, the direction in which the members 11 and 12 face each other is Y, and the direction perpendicular to the Z direction and the Y direction is X, the lengths of the members 11 and 12 in the X and Z directions are, for example, 20.0 mm. The gap between the member 11 and the member 12 is, for example, 1.2 mm.

部材11と部材12の内壁(凸面と凹面)には、フェロセン分子(M=Fe)のチオールSAM膜を吸着した。そして、イオンビーム出射口OUTから出射するフラーレン分子の飛行時間を測定するため、図3のパルス用電極2にパルス電圧を印加し、4.8keVのエネルギーを持つ C60 2+のフラーレンイオンビームBを時間幅(半値全幅)0.2μs(1μsは百万分の一秒)だけイオンビーム入射口INに入射した。そして、図4のX軸周りのチルト角θが変化するように、フラーレンイオンビームBに対するイオンビーム流路1の傾きを変化させた。 A thiol SAM film of ferrocene molecules (M = Fe) was adsorbed on the inner walls (convex surface and concave surface) of the members 11 and 12. Then, in order to measure the time of flight of fullerene molecules emitted from the ion beam exit OUT, a pulse voltage is applied to the pulse electrode 2 in FIG. 3, and a C 60 2+ fullerene ion beam B having energy of 4.8 keV is applied. The incident light was incident on the ion beam inlet IN for a time width (full width at half maximum) of 0.2 μs (1 μs is one millionth of a second). Then, the inclination of the ion beam flow path 1 with respect to the fullerene ion beam B was changed so that the tilt angle θ around the X axis in FIG.

図5は、チルト角θを−2°とした場合において、イオンビーム出射口OUTから出射するフラーレン分子を2D−PSDにより画像化した2次元画像である。この画像では、凡例で示すように、フラーレン分子数の所定単位数に対する倍数で濃淡を変えている。   FIG. 5 is a two-dimensional image obtained by imaging fullerene molecules emitted from the ion beam exit port OUT by 2D-PSD when the tilt angle θ is −2 °. In this image, as shown in the legend, the shading is changed by a multiple of the predetermined number of fullerene molecules.

図6は、そのフラーレン分子の飛行時間の分布を示すもので、横軸TOFは、飛行時間であり、縦軸Countは計数値である。   FIG. 6 shows the flight time distribution of the fullerene molecules, where the horizontal axis TOF is the flight time and the vertical axis Count is the count value.

この実証試験では、図3の電磁界発生器3として、最も単純な2枚の平行平板電極を採用した。平行平板電極間に40V/cmの静電界を印加することにより、イオンビーム流路1を通過した後のフラーレン分子の軌道を、図3の紙面表から裏の向き(すなわち、図4におけるX軸の負の方向)に、質量、速度、電荷に応じて曲げることができる。なお、静電界に代え、交流電磁界を印加してもよい。   In this demonstration test, the simplest two parallel plate electrodes were employed as the electromagnetic field generator 3 of FIG. By applying an electrostatic field of 40 V / cm between the parallel plate electrodes, the trajectory of the fullerene molecules after passing through the ion beam flow path 1 is changed from the front to the back of FIG. 3 (that is, the X axis in FIG. 4). In the negative direction) according to mass, velocity and charge. An AC electromagnetic field may be applied instead of the electrostatic field.

参考として、静電界を印加せず、チルト角θを0°とした場合、フラーレン分子は、X=5mm,Y=5mmの位置(図5の円51の位置)に到達した。したがって、図5のX=−20mm,Y=5mm周辺に見られるコントラストの強い「逆くの字」型の分布は、チルト角θを−2°に傾けてもなお、イオンビーム流路1を直進して通過したフラーレン分子であることを示している。   For reference, when no electrostatic field was applied and the tilt angle θ was 0 °, the fullerene molecules reached the position of X = 5 mm and Y = 5 mm (position of the circle 51 in FIG. 5). Therefore, the “contrast-shaped” distribution with strong contrast seen around X = −20 mm and Y = 5 mm in FIG. 5 does not pass through the ion beam channel 1 even when the tilt angle θ is tilted to −2 °. It is a fullerene molecule that has passed straight through.

また、X=5mm付近にはほとんどフラーレン分子がないことから、イオンビーム流路1を通過したフラーレン分子のほとんど全てがイオンの状態を保っており、中性化が起こっていないことを示している。   In addition, since there are almost no fullerene molecules in the vicinity of X = 5 mm, almost all of the fullerene molecules that have passed through the ion beam channel 1 remain in an ionic state, indicating that neutralization has not occurred. .

一方、図5の円52で囲ったX=−10mm,Y=16mm周辺に見られるコントラストの弱い小さな島状分布は、鉄の金属原子を内包したフラーレン分子と考えられる。   On the other hand, the small island-like distribution with low contrast seen around X = −10 mm and Y = 16 mm surrounded by a circle 52 in FIG. 5 is considered to be a fullerene molecule containing iron metal atoms.

それを裏付ける結果が、図6の飛行時間の分布である。   The result supporting this is the flight time distribution of FIG.

フラーレン分子がイオンビーム流路1の内壁に衝突せずに透過した場合の飛行時間は12.7μsであることが理論的に分かっている。図6に見られる12.5〜12.9μsの強度の大きなスペクトルAがこれに相当すると考えられる。このスペクトルの約0.4μsの時間幅(全幅)は、イオンビーム流路1に入射するフラーレンイオンビームのパルス幅(半値全幅の2倍)に相当する。   It has been theoretically found that the flight time when the fullerene molecule permeates without impinging on the inner wall of the ion beam channel 1 is 12.7 μs. It can be considered that the spectrum A having a large intensity of 12.5 to 12.9 μs seen in FIG. 6 corresponds to this. The time width (full width) of about 0.4 μs of this spectrum corresponds to the pulse width of the fullerene ion beam incident on the ion beam channel 1 (twice the full width at half maximum).

一方、フラーレン分子と鉄の金属原子の間の運動量保存が成り立つと仮定すると、衝突(=完全非弾性衝突)後のフラーレン分子の飛行時間は理論上、13.3μsとなり、金属原子を内包しないフラーレン分子の飛行時間より0.6μs長くなる。なぜなら、衝突により金属原子を内包して重くなったフラーレン分子の速度は、衝突せず金属原子を内包しないフラーレン分子の速度より遅いためである。そして、図6の12.9〜13.4μsに見られる小さなスペクトルBが、衝突により金属原子を内包して重くなったフラーレン分子に相当すると考えられる。実際に、スペクトルBのフラーレン分子だけを選別して、図5と同じように2次元画像を生成すると、図7のようにX=−10mm,Y=16mm近傍にフラーレン分子が多く集まることが分かる。よって、この位置に集まったフラーレン分子が、鉄の金属原子を内包したフラーレン分子である可能性は高いと考えられる。   On the other hand, if it is assumed that momentum conservation between the fullerene molecule and the iron metal atom holds, the flight time of the fullerene molecule after collision (= completely inelastic collision) is theoretically 13.3 μs, and the fullerene does not contain metal atoms. 0.6 μs longer than the time of flight of the molecule. This is because the speed of the fullerene molecule which has become heavy due to the inclusion of metal atoms by collision is lower than the speed of the fullerene molecule which does not collide and does not contain metal atoms. And it is thought that the small spectrum B seen in 12.9-13.4 microseconds of FIG. 6 is equivalent to the fullerene molecule which included the metal atom by collision and became heavy. Actually, when only the fullerene molecules in the spectrum B are selected and a two-dimensional image is generated in the same manner as in FIG. 5, it can be seen that many fullerene molecules gather near X = −10 mm and Y = 16 mm as shown in FIG. . Therefore, it is considered highly likely that the fullerene molecules gathered at this position are fullerene molecules including iron metal atoms.

この実証試験結果より、少なくとも鉄の金属原子を結合したフラーレン分子がイオンビーム流路1のイオンビーム出射口OUTから出射した可能性が高いことが実験的に検証された。今後、測定精度を上げた追試を重ねると共に、堆積したフラーレン分子に対する各種の分析を行うことにより、内包の検証を進める予定である。   From this verification test result, it has been experimentally verified that there is a high possibility that fullerene molecules bonded with at least iron metal atoms are emitted from the ion beam outlet OUT of the ion beam channel 1. In the future, we will continue to verify the inclusion by repeating additional tests with higher measurement accuracy and conducting various analyzes on the deposited fullerene molecules.

(変形例)
例えば、本実施の形態で用いるフラーレン分子は、炭素骨格のかご型分子であるフラーレン分子やその誘導体の他、ケイ素骨格のかご型分子など、イオンビーム化が可能なあらゆるかご型分子に適用可能である。
(Modification)
For example, the fullerene molecule used in the present embodiment can be applied to any cage-type molecule that can be made into an ion beam, such as a carbon-skeleton cage molecule and its derivatives, and a silicon-skeleton cage molecule. is there.

また、金属原子としては、鉄の他に、コバルト、ニッケル、イットリウムなど、用途に応じた適切なものを用いることができる。   Moreover, as a metal atom, suitable things according to a use, such as cobalt, nickel, and yttrium, can be used in addition to iron.

また、イオンビーム流路1としては、図4に示すようなもの以外に、図8(a)に示すような、イオンビーム出射口OUTに近いほど内部が狭くなっているものも有効である。これにより、イオンビーム入射口INから入射するフラーレン分子fとイオンビーム流路1の内壁面の衝突を促進できる。その結果、金属原子を内包したフラーレン分子Fがイオンビーム出射口OUTから出射する確率を高めることができる。   In addition to the ion beam flow path 1 shown in FIG. 4, it is also effective to use an ion beam flow path whose inside is narrower as it is closer to the ion beam exit port OUT as shown in FIG. Thereby, the collision between the fullerene molecule f incident from the ion beam entrance IN and the inner wall surface of the ion beam channel 1 can be promoted. As a result, it is possible to increase the probability that the fullerene molecule F encapsulating metal atoms is emitted from the ion beam exit port OUT.

また、イオンビーム出射口OUTに近いほど狭くなっていれば、図8(b)に示すように、内壁を湾曲させず、平面で構成した場合であっても、フラーレン分子fとイオンビーム流路1の内壁面の衝突を促進できる。   Further, if it is narrower as it is closer to the ion beam exit OUT, as shown in FIG. 8 (b), the fullerene molecule f and the ion beam flow path can be obtained even when the inner wall is not curved and is configured as a plane. The collision of the inner wall surface of 1 can be promoted.

また、電磁界発生器3としては、実証試験で採用した平行平板電極の他に、図3の紙面の上下方向(すなわち、Y軸方向)に設置した二つの磁極(ポールピース)も有効であるし、平行平板電極と磁極の共用も有効である。   As the electromagnetic field generator 3, in addition to the parallel plate electrodes employed in the verification test, two magnetic poles (pole pieces) installed in the vertical direction (that is, the Y-axis direction) in FIG. 3 are also effective. In addition, it is effective to share the parallel plate electrode and the magnetic pole.

なお、図3のパルス用電極2は、実証試験において図5の52の位置に到達したイオンが鉄内包フラーレンイオンであることを検証するために設置した飛行時間測定用の装置であるので、金属原子内包フラーレンを生成する実用目的としては必要ない。   The pulse electrode 2 in FIG. 3 is a time-of-flight measurement device installed to verify that the ions that have reached the position 52 in FIG. 5 are iron-encapsulated fullerene ions in the verification test. It is not necessary for practical purposes to generate atomic inclusion fullerenes.

さらに、金属原子を内包したフラーレン分子を壊さずに堆積基板に堆積するべく、堆積基板やイオンビーム流路の電位をフラーレンイオンビームの加速電位に近づけ、電位差を100V以下程度にすることも有効である。   Furthermore, in order to deposit fullerene molecules encapsulating metal atoms on the deposition substrate without breaking them, it is also effective to bring the potential of the deposition substrate and ion beam flow path close to the acceleration potential of the fullerene ion beam and make the potential difference about 100 V or less. is there.

1 イオンビーム流路
2 パルス用電極
3 電磁界発生器
4 真空槽
5 堆積基板
B フラーレンイオンビーム
f 金属原子を含まないフラーレン分子
F 金属原子を含むフラーレン分子
M 金属原子
IN イオンビーム入射口
OUT イオンビーム出射口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion beam flow path 2 Electrode for pulses 3 Electromagnetic field generator 4 Vacuum chamber 5 Deposition substrate B Fullerene ion beam f Fullerene molecule not containing metal atom F Fullerene molecule containing metal atom M Metal atom IN Ion beam entrance OUT Ion beam Outlet

Claims (5)

イオン化したフラーレン分子を含むフラーレンイオンビームを入射するイオンビーム入射口および前記フラーレンイオンビームを出射するイオンビーム出射口とを有するイオンビーム流路を備え、
前記フラーレン分子に内包されるべき金属原子を予め前記イオンビーム流路の内壁に含ませ、前記フラーレンイオンビームが前記内壁に衝突した際に前記金属原子が前記フラーレン分子に内包され、前記金属原子を内包したフラーレン分子を含むフラーレンイオンビームが前記イオンビーム出射口から出射するように構成された
ことを特徴とする金属原子内包フラーレン生成装置。
An ion beam flow path having an ion beam entrance for entering a fullerene ion beam containing ionized fullerene molecules and an ion beam exit for emitting the fullerene ion beam;
A metal atom to be included in the fullerene molecule is included in the inner wall of the ion beam channel in advance, and when the fullerene ion beam collides with the inner wall, the metal atom is included in the fullerene molecule, and the metal atom is A metal atom-encapsulating fullerene generating device, wherein a fullerene ion beam containing fullerene molecules encapsulated is emitted from the ion beam exit.
前記内壁は、前記金属原子を含むメタロセン分子で終端されたチオール分子またはチオール分子の誘導体の自己組織化単分子膜を吸着したものである
ことを特徴とする請求項1記載の金属原子内包フラーレン生成装置。
2. The metal atom-encapsulated fullerene production according to claim 1, wherein the inner wall adsorbs a self-assembled monolayer of a thiol molecule or a derivative of a thiol molecule terminated with a metallocene molecule containing the metal atom. apparatus.
前記イオンビーム流路は湾曲している、または、前記イオンビーム出射口に近いほど狭くなっている
ことを特徴とする請求項1または2記載の金属原子内包フラーレン生成装置。
The metal ion inclusion fullerene generation device according to claim 1, wherein the ion beam flow path is curved or becomes narrower as it is closer to the ion beam exit.
前記イオンビーム出射口から出射したフラーレンイオンビームの軌道を制御するための電磁界を発生させる電磁界発生器を備える
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の金属原子内包フラーレン生成装置。
4. The metal atom-containing fullerene generation according to claim 1, further comprising an electromagnetic field generator that generates an electromagnetic field for controlling a trajectory of the fullerene ion beam emitted from the ion beam exit. 5. apparatus.
前記電磁界発生器による軌道制御後のフラーレンイオンビームに含まれる前記金属原子を内包したフラーレン分子を堆積すべき堆積基板が当該フラーレンイオンビームの進行方向に配置される
ことを特徴とする請求項4記載の金属原子内包フラーレン生成装置。

5. The deposition substrate on which fullerene molecules including the metal atoms contained in the fullerene ion beam after trajectory control by the electromagnetic field generator are to be deposited is arranged in a traveling direction of the fullerene ion beam. The metal atom inclusion fullerene production | generation apparatus of description.

JP2014264024A 2014-12-26 2014-12-26 Metal atom inclusion fullerene generator Expired - Fee Related JP6455971B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014264024A JP6455971B2 (en) 2014-12-26 2014-12-26 Metal atom inclusion fullerene generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014264024A JP6455971B2 (en) 2014-12-26 2014-12-26 Metal atom inclusion fullerene generator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016124712A true JP2016124712A (en) 2016-07-11
JP6455971B2 JP6455971B2 (en) 2019-01-23

Family

ID=56357463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014264024A Expired - Fee Related JP6455971B2 (en) 2014-12-26 2014-12-26 Metal atom inclusion fullerene generator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6455971B2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005090633A1 (en) * 2004-03-23 2005-09-29 Ideal Star Inc. Process for producing material film and material film production apparatus
JP2005272159A (en) * 2004-03-23 2005-10-06 Sony Corp Method and apparatus for manufacturing inclusive fullerene
JP2008007373A (en) * 2006-06-29 2008-01-17 Ideal Star Inc Metallocene-involved fullerenes, ferromagnetic metal-involved fullerenes and methods for producing them
US20080279745A1 (en) * 2007-05-08 2008-11-13 Dorn Harry C Endohedral Metalloheterofullerenes
JP2010277871A (en) * 2009-05-29 2010-12-09 Toyo Univ Electron cyclotron resonance ion source device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005090633A1 (en) * 2004-03-23 2005-09-29 Ideal Star Inc. Process for producing material film and material film production apparatus
JP2005272159A (en) * 2004-03-23 2005-10-06 Sony Corp Method and apparatus for manufacturing inclusive fullerene
US20080226835A1 (en) * 2004-03-23 2008-09-18 Yasuhiko Kasama Production Method of Material Film and Production Apparatus of Material Film
JP2008007373A (en) * 2006-06-29 2008-01-17 Ideal Star Inc Metallocene-involved fullerenes, ferromagnetic metal-involved fullerenes and methods for producing them
US20080279745A1 (en) * 2007-05-08 2008-11-13 Dorn Harry C Endohedral Metalloheterofullerenes
JP2010277871A (en) * 2009-05-29 2010-12-09 Toyo Univ Electron cyclotron resonance ion source device

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BIRI, S. ET AL.: "Fullerenes in electron cyclotron resonance ion sources", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol. 77, JPN6018049112, 10 March 2006 (2006-03-10), US, pages 03 - 314, ISSN: 0003938143 *
WETHEKAM, S. AND WINTER, H.: "Excitation of fullerene ions during grazing scattering from a metal surface", PHYSICAL REVIEW A, vol. 76, JPN6018049113, 12 September 2007 (2007-09-12), US, pages 032901, ISSN: 0003938144 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP6455971B2 (en) 2019-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5472944B2 (en) High current DC proton accelerator
JP2016031849A5 (en)
JP5785436B2 (en) Charged particle beam drawing apparatus, cleaning method thereof, and device manufacturing method
TW200305185A (en) Ion beam mass separation filter and its mass separation method, and ion source using the same
US20160374261A1 (en) Apparatus for impinging bulk material with accelerated electrons
RU2653581C2 (en) Method and device for directing neutral particles beam
Schlathölter et al. Ion–biomolecule interactions and radiation damage
JP4176532B2 (en) Reflective ion attachment mass spectrometer
KR101986049B1 (en) Device and method for generating organic cluster ion beam
Nomura et al. Dissociation of biomolecules in liquid environments during fast heavy-ion irradiation
JP6455971B2 (en) Metal atom inclusion fullerene generator
Liu et al. Anomalous positive ion formation in negative ion collisions with HOPG
Chesnel et al. Anion emission from water molecules colliding with positive ions: Identification of binary and many-body processes
US9754772B2 (en) Charged particle image measuring device and imaging mass spectrometry apparatus
JP4713242B2 (en) Charged particle beam deflection / focusing method and charged particle beam deflection / focusing device
JP6170916B2 (en) Mass spectrometer
JP6624790B2 (en) Projection type charged particle optical system and imaging mass spectrometer
Chepurnov et al. Nanotubes based neutron generator for calibration of neutrino and dark matter detectors
US9352964B2 (en) Device and process for positioning individual particles on a substrate
TW202025203A (en) Ion implantation apparatus, ion implanter and electrostatic filter module
JP4654635B2 (en) Cluster ion irradiation apparatus and magnetic head manufacturing method using the same
Di Vece Deflection and Mass Filtering
JP5606002B2 (en) Gas cluster ion beam irradiation apparatus and gas cluster ion beam irradiation method
TWI570762B (en) Ion irradiation apparatus and the method of ion irradiation
JP4647476B2 (en) Deposition equipment

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171106

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181211

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181217

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6455971

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees