JP3476232B2 - プラズマアーク法によるｃ３ｎ４の合成方法 - Google Patents
プラズマアーク法によるｃ３ｎ４の合成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、Ｃ3Ｎ4の合成方法に関
するものである。さらに詳しくは、炭素と窒素よりなる
共有結合体であるＣ3Ｎ4が非常に高い硬さを有すること
から、研磨材，研削砥粒，切断工具等の部分材料とし
て、またコーティング処理による硬質保護膜として応用
できるものである。 【０００２】 【従来の技術および課題】一般に、炭素と窒素の間で形
成される仮想的な共有結合性固体（α-Ｃ3Ｎ4およびβ-
Ｃ3Ｎ4）は、非常に高い硬度を有すると推測されてい
る。これらＣ3Ｎ4の合成方法としては従来、窒素雰囲気
における炭素のスパッタによってゲルマニウムまたはシ
リコン基板上へＣ3Ｎ4を析出する方法、つまり窒素雰囲
気中における炭素ターゲットのスパッタリング処理によ
り合成，製造されていたが、これら方法においてはＣ3
Ｎ4の合成速度が遅く、実用的な量の合成方法には不向
きであり、量産性その他の問題が多かった。このため、
産業上実用性のある高速度のＣ3Ｎ4合成方法が従来から
の課題となっていた。 【０００３】 【課題を解決するための手段】これら課題、及び問題に
対し発明者らは、これまでにすでに行ったプラズマアー
ク法によって発生したアルゴン−ヘリウム混合プラズマ
によって炭素を加熱蒸発させて、フラーレンを含む炭素
を析出させ生成した成果、及び遷移金属酸化物−グラフ
ァイト混合物を窒素プラズマアークと反応させて種々の
金属窒化物を生成した成果に基づき鋭意研究を行った結
果、グラファイトを窒素を含むプラズマアークと反応さ
せて気相中においてＣＮを生成し、これを冷却してプラ
ズマアーク炉の壁面上に取り付けたシリコン基板上にＣ
3Ｎ4を析出させることが可能であると考えた。以下、本
発明の内容を詳しく説明する。 【０００４】本発明のＣ3Ｎ4合成方法において、まず第
一に炭素を気化するための加熱用と同時に、反応ガスの
生成用としてプラズマトーチを用い、作動ガスとしてア
ルゴンと窒素を用いた。ここでのアルゴンは放電を安定
的に出すために用いられ、窒素は炭素と反応してＣ3Ｎ4
を生成するためのものである。またプラズマジェットは
高エネルギー、高温度のガス流を発生することができ、
化学反応に利用することができるものであり、反応生成
物は反応炉の内壁等に付着、又は収集フィルター等によ
り回収されることになる。 【０００５】Ｃ3Ｎ4の生成プロセスは、プラズマアーク
の発光分光分析の結果から表１のように推測される。 【表１】 【０００６】 【実施例】図１に本発明のＣ3Ｎ4合成に用いられたプラ
ズマアーク炉の概略図を示す。図において１はプラズマ
アーク炉のステンレス反応容器、２は反応容器系内に位
置する銅製の水冷アノード、３は水冷アノード２上に配
置する黒鉛棒、４はプラズマトーチ、５は反応容器内部
の内壁に取り付けたシリコンウエハーをそれぞれ示して
いる。 【０００７】Ｃ3Ｎ4合成方法としてプラズマアーク炉ス
テンレス反応容器１内の水冷アノード２上に分光分析用
黒鉛棒３（φ6mm）を置き、密閉した反応容器１系内を
一度排気し10-1Paとした後、アルゴン−窒素（1:1）混
合ガスをプラズマトーチ４を通して導入し、反応容器１
系内を１気圧とした。次に１気圧の反応容器１系内にお
いてアルゴン−窒素（1:1）混合ガスを作動ガスとして
プラズマアークを発生させ、水冷アノード２上に配置さ
せた黒鉛棒３に衝撃して、黒鉛をＣＮとして蒸発させて
ステンレス反応容器１内部の内壁に取り付けたシリコン
ウエハー５上に析出させた。 【０００８】シリコンウエハー５上及び反応容器１内部
内壁の黒褐色の析出付着物をＸＰＳ測定で同定した結
果、Ｃ１s電子のスペクトルの半値幅は2.8eVと広く、こ
れをガウス分割すると３本のピークが得られ、Ｅb＝28
6.4eVにＣ−Ｎ結合に起因する強いピークが認められ
た。また、Ｎ１s電子に基づくスペクトルにおいてもＥb
＝400eVにピークを持ち、半値幅が2.0eVであることか
ら、Ｃ−Ｎ結合に起因するもののみが含まれていると認
められた。 【０００９】さらに同析出付着物をＦＴＩＲスペクトル
測定した結果、V＝2100cm-1付近に−Ｃ≡Ｎ伸縮振動に
起因するピークが認められ、析出物中にＣ−Ｎ結合の存
在が確認された。またさらに、ＸＲＤ測定でＸ線回析を
行った結果、2θ＝57°（d＝1.59〜1.61）にSi（3 1
1）に相当する回析線が認められるのみであり、析出物
に基づく回析線は認められなかったが、これは析出物が
非晶質であるか、あるいは析出物の膜厚が薄いかのいず
れかによるものであり、したがってより詳しく同定する
ため反応容器内部の内壁の析出付着物を集め、粉末回析
法によって同定を行った。この結果、グラファイトに基
づく回析線のほかに表２に示すβ-Ｃ3Ｎ4と一致する回
析ピークが認められた。 【００１０】 【表２】 【００１１】また、黒鉛衝撃中のプラズマジェットの発
光スペクトルを、反応容器横の窓を通して測定した結
果、波長430nm〜330nmにおけるスペクトルについて特徴
的な点が得られた。まず第一に358nmにおけるＮ2分子の
Ｃ3ΠU−Ｂ3Πg（0-0）バンドの強度が著しく弱く、第
二に411nmにおけるＮ原子の２ｐ2（1Ｄ）３ｐ’−２ｐ2
（3Ｐ）３ｓ線が強く、第三に488nm〜485nmにおけるＣ
Ｎ分子のＢ2Σ−Ｘ2Σ（0-0）、（1-1）、（2-2)、（3-
3）、（4-4）バンドのスペクトルが強く認められること
の３点であり、以上の結果からグラファイトと窒素を含
むプラズマアークとの反応によってＣ3Ｎ4の生成が確認
された。 【００１２】 【発明の効果】高温の熱プラズマ（数万度）を用いた反
応により、黒鉛を容易に気化することができ、短時間に
多量のＣ3Ｎ4を生成することができた。
するものである。さらに詳しくは、炭素と窒素よりなる
共有結合体であるＣ3Ｎ4が非常に高い硬さを有すること
から、研磨材，研削砥粒，切断工具等の部分材料とし
て、またコーティング処理による硬質保護膜として応用
できるものである。 【０００２】 【従来の技術および課題】一般に、炭素と窒素の間で形
成される仮想的な共有結合性固体（α-Ｃ3Ｎ4およびβ-
Ｃ3Ｎ4）は、非常に高い硬度を有すると推測されてい
る。これらＣ3Ｎ4の合成方法としては従来、窒素雰囲気
における炭素のスパッタによってゲルマニウムまたはシ
リコン基板上へＣ3Ｎ4を析出する方法、つまり窒素雰囲
気中における炭素ターゲットのスパッタリング処理によ
り合成，製造されていたが、これら方法においてはＣ3
Ｎ4の合成速度が遅く、実用的な量の合成方法には不向
きであり、量産性その他の問題が多かった。このため、
産業上実用性のある高速度のＣ3Ｎ4合成方法が従来から
の課題となっていた。 【０００３】 【課題を解決するための手段】これら課題、及び問題に
対し発明者らは、これまでにすでに行ったプラズマアー
ク法によって発生したアルゴン−ヘリウム混合プラズマ
によって炭素を加熱蒸発させて、フラーレンを含む炭素
を析出させ生成した成果、及び遷移金属酸化物−グラフ
ァイト混合物を窒素プラズマアークと反応させて種々の
金属窒化物を生成した成果に基づき鋭意研究を行った結
果、グラファイトを窒素を含むプラズマアークと反応さ
せて気相中においてＣＮを生成し、これを冷却してプラ
ズマアーク炉の壁面上に取り付けたシリコン基板上にＣ
3Ｎ4を析出させることが可能であると考えた。以下、本
発明の内容を詳しく説明する。 【０００４】本発明のＣ3Ｎ4合成方法において、まず第
一に炭素を気化するための加熱用と同時に、反応ガスの
生成用としてプラズマトーチを用い、作動ガスとしてア
ルゴンと窒素を用いた。ここでのアルゴンは放電を安定
的に出すために用いられ、窒素は炭素と反応してＣ3Ｎ4
を生成するためのものである。またプラズマジェットは
高エネルギー、高温度のガス流を発生することができ、
化学反応に利用することができるものであり、反応生成
物は反応炉の内壁等に付着、又は収集フィルター等によ
り回収されることになる。 【０００５】Ｃ3Ｎ4の生成プロセスは、プラズマアーク
の発光分光分析の結果から表１のように推測される。 【表１】 【０００６】 【実施例】図１に本発明のＣ3Ｎ4合成に用いられたプラ
ズマアーク炉の概略図を示す。図において１はプラズマ
アーク炉のステンレス反応容器、２は反応容器系内に位
置する銅製の水冷アノード、３は水冷アノード２上に配
置する黒鉛棒、４はプラズマトーチ、５は反応容器内部
の内壁に取り付けたシリコンウエハーをそれぞれ示して
いる。 【０００７】Ｃ3Ｎ4合成方法としてプラズマアーク炉ス
テンレス反応容器１内の水冷アノード２上に分光分析用
黒鉛棒３（φ6mm）を置き、密閉した反応容器１系内を
一度排気し10-1Paとした後、アルゴン−窒素（1:1）混
合ガスをプラズマトーチ４を通して導入し、反応容器１
系内を１気圧とした。次に１気圧の反応容器１系内にお
いてアルゴン−窒素（1:1）混合ガスを作動ガスとして
プラズマアークを発生させ、水冷アノード２上に配置さ
せた黒鉛棒３に衝撃して、黒鉛をＣＮとして蒸発させて
ステンレス反応容器１内部の内壁に取り付けたシリコン
ウエハー５上に析出させた。 【０００８】シリコンウエハー５上及び反応容器１内部
内壁の黒褐色の析出付着物をＸＰＳ測定で同定した結
果、Ｃ１s電子のスペクトルの半値幅は2.8eVと広く、こ
れをガウス分割すると３本のピークが得られ、Ｅb＝28
6.4eVにＣ−Ｎ結合に起因する強いピークが認められ
た。また、Ｎ１s電子に基づくスペクトルにおいてもＥb
＝400eVにピークを持ち、半値幅が2.0eVであることか
ら、Ｃ−Ｎ結合に起因するもののみが含まれていると認
められた。 【０００９】さらに同析出付着物をＦＴＩＲスペクトル
測定した結果、V＝2100cm-1付近に−Ｃ≡Ｎ伸縮振動に
起因するピークが認められ、析出物中にＣ−Ｎ結合の存
在が確認された。またさらに、ＸＲＤ測定でＸ線回析を
行った結果、2θ＝57°（d＝1.59〜1.61）にSi（3 1
1）に相当する回析線が認められるのみであり、析出物
に基づく回析線は認められなかったが、これは析出物が
非晶質であるか、あるいは析出物の膜厚が薄いかのいず
れかによるものであり、したがってより詳しく同定する
ため反応容器内部の内壁の析出付着物を集め、粉末回析
法によって同定を行った。この結果、グラファイトに基
づく回析線のほかに表２に示すβ-Ｃ3Ｎ4と一致する回
析ピークが認められた。 【００１０】 【表２】 【００１１】また、黒鉛衝撃中のプラズマジェットの発
光スペクトルを、反応容器横の窓を通して測定した結
果、波長430nm〜330nmにおけるスペクトルについて特徴
的な点が得られた。まず第一に358nmにおけるＮ2分子の
Ｃ3ΠU−Ｂ3Πg（0-0）バンドの強度が著しく弱く、第
二に411nmにおけるＮ原子の２ｐ2（1Ｄ）３ｐ’−２ｐ2
（3Ｐ）３ｓ線が強く、第三に488nm〜485nmにおけるＣ
Ｎ分子のＢ2Σ−Ｘ2Σ（0-0）、（1-1）、（2-2)、（3-
3）、（4-4）バンドのスペクトルが強く認められること
の３点であり、以上の結果からグラファイトと窒素を含
むプラズマアークとの反応によってＣ3Ｎ4の生成が確認
された。 【００１２】 【発明の効果】高温の熱プラズマ（数万度）を用いた反
応により、黒鉛を容易に気化することができ、短時間に
多量のＣ3Ｎ4を生成することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いた反応用プラズマアーク炉の概略
図。 【符号の説明】 １ ステンレス反応容器 ２ 銅製水冷アノード ３ 黒鉛棒 ４ プラズマトーチ ５ シリコンウエハー
図。 【符号の説明】 １ ステンレス反応容器 ２ 銅製水冷アノード ３ 黒鉛棒 ４ プラズマトーチ ５ シリコンウエハー
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C01B 21/082
B01J 19/08
ＣＡ（ＳＴＮ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 アルゴン−窒素混合ガス雰囲気中で、グ
ラファイト又はタングステンのカソードチップ、および
水冷銅アノードを電極として熱プラズマを発生させ、そ
のアルゴン−窒素混合熱プラズマにより、カソードチッ
プと対向するように配設した水冷銅アノード上に配置し
たグラファイトを昇華又は溶融，気化させ、反応させる
ことを特徴とするプラズマアーク法によるＣ3Ｎ4の合成
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30229093A JP3476232B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | プラズマアーク法によるｃ３ｎ４の合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30229093A JP3476232B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | プラズマアーク法によるｃ３ｎ４の合成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07133103A JPH07133103A (ja) | 1995-05-23 |
| JP3476232B2 true JP3476232B2 (ja) | 2003-12-10 |
Family
ID=17907217
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30229093A Expired - Fee Related JP3476232B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | プラズマアーク法によるｃ３ｎ４の合成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3476232B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4456442B2 (ja) * | 2004-09-03 | 2010-04-28 | 学校法人加計学園 | 窒化炭素の製造方法 |
| CN104944392B (zh) * | 2014-03-25 | 2017-03-29 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法 |
| CN106430125A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-02-22 | 浙江大学 | 多孔g‑C3N4棒的制备方法 |
| CN106378173A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-02-08 | 阜阳师范学院 | 一种模板法制备的cn光催化剂及其制备方法 |
-
1993
- 1993-11-08 JP JP30229093A patent/JP3476232B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９３年 ７月，ＶＯｌ．２６１，ｐ３３４−３３７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07133103A (ja) | 1995-05-23 |
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