JP3766868B2

JP3766868B2 - 金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法

Info

Publication number: JP3766868B2
Application number: JP2002307691A
Authority: JP
Inventors: 義雄板東; ルンチィ・マ
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP2004142970A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、元素半導体の種族の酸化物、炭化物、窒化物でそれらの興味ある光学的、電気的および機械的な特性からそれらのナノワイヤーの調製および特質に大変注目が集まっている（文献１〜９）。そして、金属酸化物粉末のレーザー照射および物理的蒸発の方法は、酸化マグネシウム、酸化硅素、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化スズの様な二元素酸化物ナノワイヤーを得るための合成方法として広範に用いられている（文献２、５〜９）。一方、ホウ酸アルミニウムとホウ酸マグネシウム等の各種の金属とホウ酸との化合物としての金属ホウ酸塩は注目すべきセラミックスであり、たとえばホウ酸アルミニウムウィスカーは弾性率、引張り強度などに特質を有している。この為、自動車エンジンの構成要素への応用のためのアルミニウムホウ酸塩ウィスカーで補強された金属マトリックス複合物としての開発等において大変有望である（文献１０〜１２）。また、ホウ酸マグネシウムは蛍光物質としても注目されている（文献１３〜１４）。このような背景から、ホウ酸塩の結晶質のナノワイヤーは高張力材料および電子セラミックを含む広い範囲の応用に対して注目すべき潜在能力を有している。このため、金属ホウ酸塩ナノワイヤーを簡便でしかも大量に製造することのできる新しい製造方法の実現が望まれていた。
【０００３】
【文献】
【０００４】
【表１】

【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この出願の発明は、以上のとおりの従来の技術に鑑みなされたもので、実用化に適用できうる性能を有する金属ホウ酸塩ナノワイヤーを簡便で大量に製造することのできる新しい製造方法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、金属酸化物粉末と酸化ホウ素粉末との混合粉末にホウ素の粉末を加え、大気もしくは酸素含有雰囲気下に気化温度以上に加熱して、金属ホウ酸塩なのナノワイヤーを生成させることを特徴とする金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法を提供し、この方法について、第２には、ホウ素の粉末は、混合粉末との合計重量の２０ｗｔ％以下の割合で加えることを特徴とする金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法を、第３には、ホウ素の粉末は、５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲において加えることを特徴とする金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法を、第４には、５ｖｏｌ％以上の酸素を含有する不活性ガス雰囲気下において加熱することを特徴とする金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法を、第５には、金属酸化物粉末の純度が９９％以上であることを特徴とする金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法を、第６には金属酸化物粉末と酸化ホウ素粉末との混合重量比を１：１から４：１の範囲とすることを特徴とする金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法を提供する。
【０００７】
そして、この出願の発明は、以上のいずれかの方法として、より具体的に、第７には、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末と酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）粉末との混合粉末より１５００〜１７００℃の加熱でアルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーを生成することを特徴とする方法を、第８には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末と酸化ホウ素粉末との混合粉末より９５０〜１１００℃の加熱でマグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーを生成することを特徴とする方法を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態を詳細に説明する。
【０００９】
この出願の発明の金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法は、なによりもまず、原料成分として、金属酸化物の粉末と、酸化ホウ酸粉末、並びにホウ素粉末とを用いることを特徴としている。そして、金属酸化物粉末については、各種金属の酸化物からなるものでよく、多価元素金属の酸化物が好適に用いられる。セラミックスとしてのこれまでの知見からは、たとえば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をはじめＺｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｎｂ、Ｙ、希土類元素等の金属の酸化物が例として挙げられる。
【００１０】
また、この出願の発明においては、金属酸化物粉末と酸化ホウ素粉末との混合粉末へのホウ素粉末の添加は欠かせないものである。
【００１１】
その添加量は、混合粉末との合計量として、その２０ｗｔ％以下とするのが好ましい。より好適には、その添加の割合は、５〜１５ｗｔ％の範囲である。ホウ素粉末が添加されない場合には、金属ホウ酸塩ナノワイヤーの生成は実際的に困難である。一方、２０ｗｔ％を超えてのホウ素粉末の添加は、金属ホウ酸塩ナノワイヤーの生成よりも副生物としての二元素系ナノワイヤー等の生成を増大させる傾向にあることから好ましくない。
【００１２】
以上の原料成分の粉末については、その粒径については微細であることが好ましいが、一般的には数ｍｍ以下であればよい。
【００１３】
加熱時の雰囲気は大気中でもよいし、あるいは酸素含有の不活性ガス雰囲気であってもよい。不活性ガスとしては、たとえば窒素あるいは希ガスが考慮され、この場合の酸素ガスの含有量としては５ｖｏｌ％以上とするのが好ましい。これらの大気や雰囲気ガスは、流通系として構成してもよい。
【００１４】
加熱の温度は、原料粉末が熱気化される温度とする。これによって、生成する金属ホウ酸塩ナノワイヤーは沈積物として回収されることになる。もちろん流通系のガスにより搬送回収してもよい。
【００１５】
原料としての金属酸化物は、その純度ができるだけ高いものを用いることが好ましく、たとえば純度９９％以上のものが好適である。
【００１６】
金属酸化物粉末と酸化ホウ素粉末との重量比としては、通常は、１：１から４：１の範囲とすることが考慮される。金属酸化物の種類によって好適にはこの範囲より選択されることになる。たとえば酸化アルミニウムよりアルミニウムホウ酸塩ナノワイヤーを製造する場合には、重量比は３：１もしくは近傍とすることが、酸化マグネシウムよりマグネシウムホウ酸塩ナノワイヤーを製造する場合には、重量比は２：１もしくはその近傍とすることが好適である。
【００１７】
また、アルミニウムホウ酸塩ナノワイヤーの製造時の加熱温度は１５００〜１７００℃の範囲、より好ましくは１６００℃またはその近傍とする。一方マグネシウムホウ酸塩ナノワイヤーの製造時の加熱温度は、９５０〜１１００℃の範囲、より好ましくは１０５０℃またはその近傍とする。このように加熱温度についても、金属酸化物の熱気化温度に対応して選択することになる。
【００１８】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
【００１９】
【実施例】
市販用の純度が９９％以上の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末と酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）粉末を重量比で３：１の割合で混合し、さらに１０ｗｔ％のホウ素（Ｂ）粉末を加えた後に、それを電気誘導炉にて大気環境下の１６００℃の加熱温度で２時間加熱して熱気化させ、沈積させることによりアルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーを生成させた。一方、前記の混合粉末の酸化アルミニウム粉末を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末に代えるとともに酸化ホウ素粉末との重量比を２：１とした混合粉末を用い、さらには管炉型電気誘導炉で加熱温度を１０５０℃にして２時間加熱して気化させるとともに沈積さることによりマグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーを生成させた。
【００２０】
生成されたアルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーおよびマグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーは、安定した構造を有していることが確認された。アルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーは、図１に示すように、幅が１０〜３０ｎｍの範囲で長さが数μｍであり、一直線に伸びたナノワイヤーである。また、図２に示す様にＴＥＭ観察から、本物質がホウ酸アルミニウムであることが確証された。詳細には、図２ａのナノワイヤー（Ａ）のＥＥＬＳスペクトル（図２ｂ）によりアルミニウム、ホウ素および酸素の元素から構成されていること、さらに図２ｃの電子線回折（ＥＤ）パターンから斜方晶系のホウ酸アルミニウム（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃）相であることが明らかとなった。また、当該アルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）にはホウ酸アルミニウム（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃）の他に１０％以下の二元体酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）ナノワイヤーが含まれていた。一方、マグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーは、図３に示すように、直線状のアルミニウムホウ酸塩ナノワイヤーと比較して、長さ方向に沿って曲がっており、その幅が３０〜１００ｎｍで長さが数十μｍ以上である。そして、図４に示すように、欠陥のないホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ₄Ｏ₇）の単結晶であった。また、当該マグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーにはホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ₄Ｏ₇）の他に１０％以下の二元体酸化物（ＭｇＯ）ナノワイヤーが含まれていた。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この出願の発明によれば、実用化に適用できる性能を有する金属ホウ酸塩ナノワイヤーを簡便で大量に製造することができ、たとえば、アルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃３・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーやマグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーが製造される。これにより、たとえば自動車エンジンの構成要素への応用のためのアルミニウムホウ酸塩ウィスカーで補強された金属マトリックス複合物としての応用等やホウ酸マグネシウムの蛍光物質としての応用等、更には高張力材料および電子セラミックを含む広い範囲の分野への応用の拡大が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｂ）粉末から合成されたアルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図２】アルミニウム・ホウ酸塩ナノワイヤーのＴＥＭ観察結果であり、
（ａ）ナノワイヤーの低倍率ＴＥＭ像、
（ｂ）Ａｌ、Ｂ、Ｏの元素構成を示す典型的な電子エネルギー損失スペクトル（ＥＥＬＳスペクトル）、
（ｃ）特徴的な電子線回折（ＥＤ）パターン、
（ｄ）（ｃ）に対応する高分解能電子顕微鏡像（ＨＲＴＥＭ）を示している。
【図３】（ＭｇＯ＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｂ）粉末から合成されたマグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーのＳＥＭ観察像である。
【図４】マグネシウム・ホウ酸塩ナノワイヤーのＴＥＭ観察結果であり、
（ａ）二つの交差したナノワイヤーの低倍率ＴＥＭ像、
（ｂ）ＥＥＬＳとＥＤＳスペクトル、
（差込図）Ｍｇ、Ｂ、Ｏの元素からなるナノワイヤーの確証、
（ｃ）特徴的ＥＤパターン、
（ｄ）（ｃ）に対応するＨＲＴＥＭ像を示している。

Claims

金属酸化物粉末と酸化ホウ素粉末との混合粉末にホウ素の粉末を加え、大気もしくは酸素含有雰囲気下に気化温度以上に加熱して、金属ホウ酸塩ナノワイヤーを生成させることを特徴とする金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。
ホウ素の粉末は、混合粉末との合計重量の２０ｗｔ％以下の割合で加えることを特徴とする請求項１の金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。
ホウ素の粉末は、５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲において加えることを特徴とする請求項２の金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。
５ｖｏｌ％以上の酸素を含有する不活性ガス雰囲気下において加熱することを特徴とする請求項１の金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。
金属酸化物粉末の純度が９９％以上であることを特徴とする請求項１の金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。
金属酸化物粉末と酸化ホウ素粉末との混合重量比を１：１から４：１の範囲とすることを特徴とする請求項１の金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。
酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末と酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）粉末との混合粉末より１５００〜１７００℃の加熱でアルミニウム・ホウ酸塩（Ａｌ₁₈Ｂ₉Ｏ₃₃、９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーを生成させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末と酸化ホウ素粉末より９５０〜１１００℃の加熱でマグネシウム・ホウ酸塩（ＭｇＢ₄Ｏ₇、ＭｇＯ・２Ｂ₂Ｏ₃）ナノワイヤーを生成させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの金属ホウ酸塩ナノワイヤーの製造方法。