JP3914979B2 - 微細構造体の作製方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、微細構造体の作製方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、触媒や光学素子等の新素材の開発に有用で、新規な微細構造体を作製することができる新しい微細構造体の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、材料表面にナノ構造体等の微細構造体を作り出す場合には、一般には、単結晶材料を基板として、その表面の周期的構造上に薄膜結晶を成長させ、エッチング等の手法で加工する方法等が利用されていた。
【0003】
この出願の発明は、以上のような従来技術とは全く異なる観点から考えだされたものであり、触媒や光学素子等の新素材の開発に有用で、新規な微細構造体を作製することができる新しい微細構造体の作製方法を提供することを課題としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【0005】
すなわち、まず第1には、この出願の発明は、準周期構造を有する基板の表面上に、1
種または2種以上の金属または半金属蒸着させて100〜300℃の温度範囲に保つことにより、吸着原子による、もしくは吸着原子と前記基板に含まれる原子とによる、対称性を有する微細構造を生成させることを特徴とする微細構造体の作製方法を提供する。
【0006】
そして第2には、この出願の発明は、上記第1の発明において、基板の表面が、準結晶の準周期構造およびその集合からなることを特徴とする微細構造の作製方法を、第3には、基板の表面が、準結晶もしくは準結晶の近似結晶における局所対称構造からなることを特徴とする微細構造の作製方法を提供する。
【0007】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0008】
まず、この出願の発明が提供する微細構造体の作製方法は、準周期構造を有する基板の表面上に、1種または2種以上の金属または半金属蒸着させて100〜300℃の温度範囲に保つことにより、吸着原子による、もしくは吸着原子と前記基板に含まれる原子とによる、対称性を有する微細構造を生成させることを特徴としている。
【0009】
この出願の発明において、準周期構造とは、以下のように定義することができる。
(1)準結晶の準周期構造
(2)欠陥を含むために全体としては完全な準周期ではないが、準周期構造の集合体とみなせるもの
(3)準結晶の近似結晶(結晶ではあるが準結晶に極めて近い構造を持つ物質)が有する構造であって、ひずみを与えられた準周期構造とみなせるもの
このような準周期構造を持つ材料としては、具体的には、Al−Ni−Co系,Al−Cu−Fe系,Al−Pd−Mn系,Al−Pd−RE(RE:希土類金属)系,Zn−Mg−RE系準結晶等を例示することができるが、もちろんこれに限定されることはない。準周期構造や、そこに含まれる5回あるいは10回対称構造を材料の創製に積極的に利用することは、全く独創的な試みである。この出願の発明においては、この準周期構造を持つ材料を基板とし、その表面上に、1種あるいは2種以上の元素を吸着させる。吸着させる元素としては、実用性を考慮して、各種の金属や半金属元素から任意に選択することができる。ここでいう半金属とは、Si,B,Ge,As,Sb,Bi,F,Te,Se等の元素をいう。吸着のための手段としては、例えば、蒸着法を利用すること等が簡便な例として示される。その後、基板を一定の温度に保つことにより、基板上に吸着原子による、もしくは吸着原子と前記基板に含まれる原子とによる、特殊な対称性を有する微細構造を自己組織的に生成させ、成長させる。基板を保持する温度および時間については、基板及び吸着させる元素の種類等によって異なるが、100〜300℃程度の温度で数分〜数時間程度保持する。
【0010】
これによって基板上に生成される結晶は、基板の準周期構造の影響を受けて、必ず特殊な対称性を持った微細構造とされる。また、基板の準周期構造に存在する特殊な対称性にしたがって特定の方向に配向される。たとえば、準結晶には、正20面体構造を持つものには局所的に5回対称構造が、10角形構造を持つものには局所的に10回対称構造が存在するため、これらを基板とする場合には、それぞれ、72°(=360°/5回),36°(=360°/10回)といった、周期表面上では存在し得ない角度だけ異なった方位を持つ微細構造のみが生成されることになる。さらに、準結晶やその近似結晶の表面における局所的な5回あるいは10回対称構造は、周期表面上では存在し得ない構造の形成の促進をもする。
【0011】
より具体的に説明するために、Al−Ni−Co準結晶の準周期表面の構造を模式的に図1に示した。図1において、○はAl原子を、●はNiまたはCo原子を示している。
【0012】
Al−Ni−Co準結晶は2次元結晶として知られ、図1のような準周期構造からなる面が周期的に積層しているのが特徴である。この面には、準周期構造に特有な5回対称性を持った構造が局所的に見られ、何らかの規則で配列しているようにもみえるが、決して周期的ではない。また、この5角形は上下反転した構造をも有するため、平均として10回の対称性を持っていることになる。
【0013】
このようなAl−Ni−Co準結晶面上に、吸着原子を成長させる様子を模式的に図2に示した。この場合、bcc構造の(110)面に平行に成長する結晶を示している。図2において、×は吸着原子を示している。
【0014】
Al−Ni−Co準周期層に吸着された原子は、図に示したように、結晶の格子と基板の原子の並びがほぼ一致する場所、すなわち、格子整合領域を中心として結晶化する。しかも、基板が有する準周期構造ゆえに、成長する結晶面内の方位は、36°ずつ異なる10通りの方に限定される。このような核形成の中心は基板表面上に無数にあるため、微細構造は無数に形成される。すなわち、特殊な対称性を有するナノメーターサイズの微細な結晶構造が形成されるのである。
【0015】
これにより、これまで得られなかった元素あるいは元素同士の組み合わせによる微細構造体や新規な材料の創製が可能となる。また、たとえば、成長する結晶面内で組成が連続的に変化する微細構造を作ることなども可能となる。これは、触媒や光学素子の組成を最適化する等のコンビナトリアルケミストリーの手法をナノサイズレベルで適用可能とするものである。
【0016】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【0017】
【実施例】
(実施例1)
2次元準結晶であるAl−Ni−Co準結晶の準周期表面を基板とし、その表面上にAuを厚さ0.2nmに蒸着した後、100〜300℃で数分間保持する熱処理を施した。その結果、蒸着したAuと基板に含まれるAlとが相互拡散し、金属間化合物であるAuAl2の微細構造からなる薄膜が自己組織的に生成されたことが確認された。
【0018】
得られたAuAl2薄膜のX線光電子回折(XPD)像を図3に示した。図3(a)(b)より、AuAl2薄膜における微細構造は、その成長場所によって、基板であるAl−Ni−Co準結晶の局所的10回対称性に従い、36°ずつ異なる10通りの方位を持つことが確認された。
(実施例2)
3次元準結晶であるAl−Pd−Mn準結晶の準周期表面を基板とし、その表面上にAuを厚さ0.2nmに蒸着した後、100〜300℃で数分間保持する熱処理を施した。その結果、蒸着したAuと基板に含まれるAlとが相互拡散し、金属間化合物であるAu-Al合金の微細構造からなる薄膜が自己組織的に生成されたことが確認された。
【0019】
得られたAu-Al合金薄膜のX線光電子回折(XPD)像を図4に示した。図4(a)(b)は結晶が示すことのない鋭い5回対称回折斑点を与えており、AuAl2薄膜における微細構造は、基板であるAl−Pd−Mn準結晶と同じ20面体対称性を持つものであることが確認された。また、このAuAl2薄膜により、バルクでは存在しない新規な物質が創製された。
【0020】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0021】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、触媒や光学素子等の新素材の開発に有用で、新しい微細構造体を作製することができる新規な微細構造体の作製方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】Al−Ni−Co準結晶の平面構造を模式的に示した図である。
【図2】Al−Ni−Co準結晶面上に吸着原子が成長する様子を例示した模式図である。
【図3】実施例において得られたAuAl2薄膜のX線光電子回折(XPD)像を例示した模式図である。
【図4】実施例において得られたAu-Al合金薄膜のX線光電子回折(XPD)像を例示した模式図である。

Claims (3)

  1. 準周期構造を有する基板の表面上に、1種または2種以上の金属または
    半金属蒸着させて100〜300℃の温度範囲に保つことにより、吸着原子による、もしくは吸着原子と前記基板に含まれる原子とによる、対称性を有する微細構造を生成させることを特徴とする微細構造体の作製方法。
  2. 基板の表面が、準結晶の準周期構造およびその集合からなることを特徴とする請求項1記載の微細構造体の作製方法。
  3. 基板の表面が、準結晶もしくは準結晶の近似結晶における局所対称構造からなることを特徴とする請求項1または2記載の微細構造体の作製方法。
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