JP4188156B2 - 粒子形成方法及び粒子形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子形成方法および粒子形成装置に係り、特に気相中で２重構造の微粒子を形成する粒子製造方法および粒子製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナノメートルサイズの微粒子は、比表面積（単位体積あたりの表面積）が大きく、量子サイズ効果など従来にない特性を有するため、新しい形態の物質として近年注目されている。このようなナノメートルサイズの微粒子は、微粒子の種類によって、触媒、電池電極、可視光ＬＥＤ（light emitting diode）素子やディスプレイの蛍光体などに応用されている。
【０００３】
例えば、リチウムイオン電池の電極として、リチウムの含有量の大きいシリコンを用いることによる容量増加が検討されている。しかし、充放電サイクルが繰り替えされると、リチウムイオンの出入りにともない電極の体積変化が繰り返される結果として、構造が破壊されてしまうという問題があった。この問題を解決するために、ナノメートルサイズのシリコン粒子をカーボンで覆った構造が提案されている。そして、微細なシリコン粒子表面に極微小粒子を積層した粒子や、異なる組成の粒子を積層したコアとシェルとを有する粒子により高性能化が検討されている。
【０００４】
なお、このような積層構造を有する粒子の一例としては、結晶質のシリコンからなるコアと、その周囲を被覆する厚み１〜２ｎｍの非晶質のシリコンからなるシェルと、を有するものが開示されている（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
【非特許文献１】
C. R. Gorla et al., J. Vac. Sci. Technol., A15(3), May/Jun 1997
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような積層構造の微粒子を形成する場合、コアとシェルとを所定のサイズまたは厚みで制御性よく形成することは容易でない。
【０００６】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、コア部とシェル部とが所定のサイズあるいは厚みを有し、しかも低コストで形成できる粒子形成方法及び粒子形成装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の粒子形成方法は、第１の材料を含有する液滴を形成する工程と、反応容器の中で前記液滴を熱分解させることによりコア部を形成する工程と、前記反応容器の中で、前記第１の材料とは異なる第２の材料を含有する原料気体を熱分解させることにより前記コア部を被覆するシェル部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記反応容器の一端から他端に向けたキャリアガスの流れを形成し、前記液滴は、前記原料気体よりも、前記キャリアガスの流れの上流側から前記反応容器内に導入されるものとすることができる。
【０００９】
また、前記液滴を熱分解させる温度は、前記原料気体を熱分解させる温度よりも低いものとすることができる。
【００１０】
また、前記液滴を熱分解させる温度を下げる還元剤を前記液滴に添加するものとすることができる。
【００１１】
一方、本発明の粒子形成装置は、反応容器と、第１の材料からなるコア部の原料となる液滴を生成する液滴生成部と、前記液滴生成部により生成された液滴を前記反応容器に導入する液滴導入部と、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなるシェル部の原料となる原料気体を前記反応容器に導入する気体導入部と、前記反応容器に導入された前記液滴を熱分解させて前記コア部を形成し、前記原料気体を熱分解させて前記コア部を被覆する前記シェル部を形成する加熱手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明者が本発明に至る過程で検討した形成方法について説明する。
【００１３】
図８は、本発明者が本発明に至る過程で検討した粒子の形成装置を表す模式図である。すなわち、同図は、気体原料を用いて微粒子を形成する装置の要部を表した模式図である。
【００１４】
原料タンク１００に貯蔵される原料であるシリコン原料は、窒素ガスにより気化されて、導入部１０２から反応容器１０１に導入される。反応容器１０１の内部は、キャリアガス導入部１０４を介して、予め、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気とされている。シリコン原料ガスが導入された反応容器１０１は、ヒータ１０５によって６００〜７００℃に加熱され、原料ガスはヒータ１０５から熱エネルギを受け取り、例えば式（１）なる化学反応をおこす。
ＳｉＨ４ → Ｓｉ ＋ ２Ｈ２ （１）
原料ガスは分解されてＳｉ（シリコン）を生成し、Ｓｉ同士が合体して微粒子Ｓｉになる。
次に、この反応容器１０１の後段に第２の原料として、メタン（ＣＨ４）をガス導入部１０３から導入する。ＣＨ４は、ヒータ１０５から熱エネルギを受け取り、例えば式（２）なる化学反応をおこす。
ＣＨ４ → Ｃ ＋ ２Ｈ２ （２）
このようにして、第２の原料は、反応容器１０１内で分解して生成物（Ｃ）を生じる。この生成物は、前述した微粒子Ｓｉ上に析出してシェルを形成する。これら生成物質は、反応容器１０１から不活性ガスと共に排出されてクーラ１０７に導かれ、室温付近まで冷却される。
【００１５】
冷却された生成物質は、各粒子が互いに凝集しないよう例えば脂肪酸塩などの界面活性剤溶液（液中のひとつひとつの分子中に親水基（水になじみやすい）と親油基（疎水基ともいい、油になじみやすい）をあわせもったもの）中に供給されて混合される。
【００１６】
その後、界面活性剤溶液と混合された微粒子は、界面活性剤溶液に溶け込んだ状態で保存部１０８に保存される。
【００１７】
しかしながら、上述のような方法により２重構造の微粒子を形成する場合、同一の反応容器１０１の前段で気体を原料としてコア部を気相形成し、後段で気体を原料としてシェル部を気相形成するために、コア部とシェル部のサイズあるいは厚みについて精密に制御することが困難であるという問題があった。
【００１８】
一方、これを改善するために、第１の反応（コア部を生成する工程）と第２の反応（シェル部を生成する工程）とを分離しようとすると、反応容器を少なくとも２段とすることが必要であるため、装置が複雑且つ大型化するという問題が生ずる。
【００１９】
本発明は、かかる問題を解決すべく本発明に至った。以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる粒子形成装置の要部構成を表す模式図である。本実施形態においては、２重構造の粒子のコア部は、液滴を用いて形成し、シェル部は気体原料を用いた気相反応により形成する。
すなわち、本実施形態の粒子形成装置は、反応容器１と、液滴生成部５０と、液滴生成部５０により生成された液滴を反応容器１に液滴を導入する液滴導入部２と、反応容器１に原料ガスを導入する原料ガス導入部３と、反応容器１にキャリアガスとして窒素などの不活性ガスを導入する不活性ガス導入部４と、反応容器１の外壁に設けられる励起手段としてのヒータ５と、液滴導入部２に対向した設けられた排出部６と、排出部６を介して反応容器１から排出される生成された微粒子と不活性ガスが導入されるクーラ７と、クーラ７を通過した粒子を保存する保存部８と、保存部に貯蔵される粒子を含む溶媒から液体成分や表面付着物を取り除くヒータ９と、を備える。
【００２１】
例えば、シリコンからなるコア部と、その周囲を取り囲むシェル部と、からなる２重構造の微粒子を形成する場合、コア部を形成するためのシリコン含有原料としては、液滴状のＴＥＳ（tetra ethyl silane）を用いることができる。また、シェル部を形成する原料としては、メタン（ＣＨ４）を用いることができる。これらコア部の原料、シェル部の原料、およびキャリアガスは、それぞれ専用のタンク（図示せず）に貯蔵されている。
【００２２】
液滴生成部５０において液滴状のＴＥＳを形成する場合、例えば、超音波やスプレーノズルなどを用いることができる。
【００２３】
図２は、超音波によりＴＥＳの液滴を形成する方法を表す概念図である。すなわち、アルコールなどで適宜希釈したＴＥＳを貯留した容器５２の中には、超音波により振動する振動子５４が設けられている。振動子５４を振動させることにより、容器５２内のＴＥＳが気化し、ＴＥＳの液滴が生成される。生成される液滴のサイズは、ＴＥＳの希釈濃度や、容器５２の大きさ、振動子５４の形状、配置関係、超音波の周波数やパワーなどにより適宜制御可能である。
【００２４】
図３は、スプレーノズルにより液滴を生成する方法を表す概念図である。すなわち、アルコールなどで適宜希釈したＴＥＳを貯留した容器５６をスプレーノズル５８に接続する。矢印Ａの方向から所定のキャリアガスを所定の流速で流すと、ノズル５８の絞り部における減圧効果により、容器５６内のＴＥＳが引き出され、気化して液滴となり搬送される。この場合も、ＴＥＳの希釈濃度や、スプレーノズル５８の形状やサイズ、キャリアガスの流速などを適宜調節することにより、得られる液滴のサイズを制御することができる。
【００２５】
再び図１に戻って説明を続けると、ヒータ５は、反応容器１内を化学反応がおこる所定の温度に加熱し保持するために反応容器１の外壁に設けられるが、好ましくは反応容器１の中央部近傍の外壁にのみ設けることが好ましい。これは、液滴導入部２、原料ガス導入部３、不活性ガス導入部４の反応容器１の入口付近で化学反応がおこると、各導入部の入口付近に反応生成物が付着し、それらの入口を塞ぐ可能性があるためである。また、生成された粒子が必要以上の大きさになるような粒子成長をさせないためでもある。
【００２６】
また、保存部８は、内部に水もしくはエタノールもしくはメタノールなどの溶媒が溜められており、この溶媒中にキャリアガスが吹き込むように導入される。
【００２７】
このような構成からなる第１の実施の形態の粒子製造方法について説明する。
【００２８】
（１）まず、不活性ガスを不活性ガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタ（図示せず）へと流れる気流をつくる。
【００２９】
（２）次に、ヒータ５により反応容器１内の温度を６００〜７００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は、大気圧すなわち約１００キロパスカル程度とする。また、クーラ７内の温度は室温程度であり、気圧は大気圧すなわち約１００キロパスカル程度に設定する。
【００３０】
（３）液滴生成部５０において、少なくとも一種類のシリコン原料を含む液滴を生成し、その液滴を液滴導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、シリコンを含有しないガスをガス導入部３から反応容器１に導入する。
【００３１】
（４）反応容器１内で、以下に示す熱分解反応である化学反応（３）、（４）がおこる。なお、これらの化学反応はヒータ５によって６００〜７００℃に加熱された領域（以下、「反応領域」と呼ぶ）でおこる。
【００３２】
すなわち、供給されたＴＥＳの液滴は、反応容器１内で加熱され、液滴の内部で以下の分解反応が起こる。
ＴＥＳ → Ｓｉ（固体）＋４Ｃ２Ｈ４（気体）＋２Ｈ２（気体） （３）
このようにして、Ｓｉ粒子が得られる。その平均径は、液滴のサイズより対応しているが、概ね約１０ｎｍ程度である。
【００３３】
一方、ガスとして供給された原料は、以下の反応によりＣ（炭素）を生成する。
ＣＨ４ → Ｃ ＋ ２Ｈ２ （４）
生成したＣ（炭素）は、先に生成したＳｉ粒子の表面上に析出する。
【００３４】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子、Ｃ２Ｈ４などの生成物が各導入部から排出部６方向に搬送される。そして、キャリアガスの流れにのって、生成したＣにより表面を覆われたＳｉ粒子が、排出部６に流れ、反応容器１から排出される。
【００３５】
（５）反応容器１から排出されたＣにより表面を覆われたＳｉ粒子を含むキャリアガスの温度は摂氏数１００度であるため、クーラ７に導入し、室温程度にまで冷却される。
【００３６】
（６）冷却された粒子を含んだキャリアガスは、保存部８内部に溜められている溶媒中に導入される。溶媒を通過する際に、溶媒中にＣにより表面を覆われたＳｉ粒子は溶け込み、キャリアガスだけが保存部８外部の大気中に放出される。
【００３７】
（７）Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子は、溶媒中に溶け込んだ状態で保存される。Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子を取り出す場合には、保存部８から溶媒を所望量汲み出して、溶媒をヒータ９により加熱し、溶媒成分を蒸発させて溶質であるＣにより表面を覆われたＳｉ粒子のみを析出させる。
【００３８】
図４は、このようにして形成した粒子の構造を表す模式断面図である。すなわち、この粒子は、シリコンからなるコア部１０と、その周囲を覆うように設けられたＣからなるシェル部１２と、を有する。これらコア部１０のサイズとシェル部１２の厚みは、それぞれ所定の範囲に精密に制御されている。従来の方法により、このような２重構造の粒子を得るためには、図８に関して前述したように、少なくとも２段以上の反応炉を用いて合成する必要があった。つまり、コア部１０とシェル部１２をいずれも気体原料により形成すると、これら気体原料が混ざることにより、両者が混合して中間的な組成を有する領域が形成される場合が多い。この問題を解消するためには、コア部１０とシェル部１２とを別々の反応容器で形成しなければならず、装置が複雑且つ大型化してしまう。
【００３９】
これに対して、本実施形態によれば、コア部を形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料をガスとして供給することによって、一段の反応容器により、コア部とシェル部とを有する２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。
【００４０】
このようにして析出されたＣにより表面を覆われたＳｉ粒子は、例えば、リチウム電池電極などの材料として使用することができる。
【００４１】
次に、図１及び図２を参照しつつ、本実施形態の第２の具体例について説明する。本具体例は、化合物半導体からなるコア部を合成し、その表面を成分の異なる半導体により被覆するものである。
例えば、化合物半導体としてＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）からなるコア部を合成する場合、原料としては、ＤＭＣｄ（DiMethylCadmium）とＨ２Ｓｅ（Hydrogen selenide）を用いることができる。また、これを被覆するシェル部としてＺｎＳ（硫化亜鉛）を形成する場合、原料としては、ＤＭＺｎ（DiMethylZinc）とＨ２Ｓ（Hydrogen Sulfide）を用いることができる。これらの原料と、キャリアガスはそれぞれ専用のタンク（図示しない）に貯蔵されている。
【００４２】
また、ヒータ５は、前述したように、反応容器１の中央部近傍の外壁にのみ設けることが望ましい。これは、各導入部の入口付近に反応生成物が付着し入口を塞ぐことを防ぎ、また生成された粒子が必要以上の大きさになるような粒子成長を防ぐためでもある。
【００４３】
以下、本具体例の工程について説明する。
【００４４】
（１）まず、不活性ガスを不活性ガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタへと流れる気流をつくる。
【００４５】
（２）ヒータ５により反応容器１内の温度を６００〜７００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は、約１００キロパスカルし、クーラ７内の温度は室温程度、気圧は約１００キロパスカルに設定する。
【００４６】
（３）液滴生成部５０において、ＤＭＣｄ（DiMethylCadmium）とＨ２Ｓｅ（Hydrogen selenide）を含む液滴を生成し、導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、ＤＭＺｎ（DiMethylZinc）とＨ２Ｓ（Hydrogen Sulfide）の蒸気をガス導入部３から反応容器１に導入する。
【００４７】
（４）反応容器１内で、以下に示す式（５）、（６）の熱分解反応である化学反応がおこる。なお、化学反応はヒータ５によって６００〜７００℃に加熱された領域（以下、反応領域と呼ぶ）でおこる。
【００４８】
供給された液滴は反応炉内で加熱され、液滴の内部で、以下の反応が起こる。
ＤＭＣｄ＋Ｈ２Ｓｅ → ＣｄＳｅ（固体）＋２ＣＨ４（気体） （５）
この反応の結果、ＣｄＳｅ粒子が得られる。その平均径は液滴のサイズにより対応しているが約１０ｎｍ程度とすることができる。
【００４９】
一方、ガスとして供給された原料は、以下の反応によりＺｎＳを生成する。
ＤＭＺｎ ＋ Ｈ２Ｓ → ＺｎＳ ＋ ２ＣＨ４ （６）
生成したＺｎＳは、先に生成したＣｄＳｅ粒子の表面上に析出する。
【００５０】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、ＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子、ＣＨ４などの生成物が各導入部から排出部６方向に移動されている。
【００５１】
キャリアガスの流れにのって、生成したＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子が、排出部６に流れ、反応容器１から排出される。
【００５２】
（５）反応容器１から排出されたＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子を含むキャリアガスの温度は数１００度であるため、クーラ７に導入されて、室温程度にまで冷却される。
【００５３】
（６）冷却された粒子を含んだキャリアガスは、保存部８内部に溜められている溶媒中に導入される。溶媒を通過する際に、溶媒中にＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子は溶け込み、キャリアガスだけが保存部８外部の大気中に放出される。
【００５４】
（７）ＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子は、溶媒中に溶け込んだ状態で保存される。ここで、ＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子が必要な場合には、保存部８から溶媒を所望量汲み出して、溶媒をヒータ９により加熱し、溶媒成分を蒸発させて溶質となるＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子のみを析出させる。
【００５５】
図５は、このようにして形成した粒子の構造を表す模式断面図である。すなわち、この粒子は、ＣｄＳｅからなるコア部１４と、その周囲を覆うように設けられたＺｎＳからなるシェル部１６と、を有する。これらコア部１４のサイズとシェル部１６の厚みは、それぞれ所定の範囲に精密に制御されている。従来の方法により、このような２重構造の粒子を得るためには、図８に関して前述したように、少なくとも２段以上の反応炉を用いて合成する必要があった。
【００５６】
これに対して、本実施形態によれば、コア部の形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料してガスとして供給することによって、一段の反応容器により、２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。
【００５７】
このようにして形成したＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子は、発光素子などの材料として用いることができる。
【００５８】
次に、本実施形態の第３の具体例について説明する。本具体例は、酸化物半導体からなるコア部を合成し、その表面に成分の異なる半導体を被覆するものである。
【００５９】
酸化物半導体の例としてＴｉＯ２を合成する場合、原料としては、ＴＴＩＰ （TitaniumTetraIsoPropoxide）を用いることができる。また、被覆する半導体としてＮｂ２Ｏ５を用いる場合、その原料としては、Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５）５（pentaethoxy niobium）を用いることができる。
【００６０】
図１及び図２を参照しつつ、その製造方法の要部について説明すると、以下の如くである。
【００６１】
（１）不活性ガスを不活性ガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタへと流れる気流をつくる。
【００６２】
（２）ヒータ５により反応容器１内の温度を６００〜７００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は約１００キロパスカルとし、クーラ７内の温度は室温程度、気圧は約１００キロパスカルと設定する。
【００６３】
（３）液滴生成部５０においてＴＴＩＰを含む液滴を生成し、導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５）５の蒸気をガス導入部３から反応容器１に導入する。
【００６４】
（４）反応容器１内で、以下に示す式（７）、（８）の熱分解反応である化学反応がおこる。なお、化学反応はヒータ５によって６００〜７００℃に加熱された領域（以下、反応領域と呼ぶ）でおこる。
【００６５】
供給された液滴は反応炉内で加熱され、液滴の内部で、以下の反応が起こる。
ＴＴＩＰ → ＴｉＯ２（固体）＋４Ｃ３Ｈ６（気体）＋２Ｈ２Ｏ （７）
その結果ＴｉＯ２粒子が得られる。その平均径は液滴のサイズにより対応しているが約１０ｎｍ程度とすることができる。
【００６６】
一方、ガスとして供給された原料は、以下の反応によりＮｂ２Ｏ５を生成する。
２Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５）５ → Ｎｂ２Ｏ５＋１０Ｃ２Ｈ４＋５Ｈ２Ｏ （８）
生成したＮｂ２Ｏ５は、先に生成したＴｉＯ２粒子の表面上に析出する。
【００６７】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子、Ｃ３Ｈ６などの生成物が各導入部から排出部６方向に移動されている。
【００６８】
キャリアガスの流れにのって、生成したＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子が、排出部６に流れ、反応容器１から排出される。
【００６９】
（５）反応容器１から排出されたＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子を含むキャリアガスの温度は数１００度であるため、クーラ７に導入されて、室温程度にまで冷却される。
【００７０】
（６）冷却された粒子を含んだキャリアガスは、保存部８内部に溜められている溶媒中に導入される。溶媒を通過する際に、溶媒中にＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子は溶け込み、キャリアガスだけが保存部８外部の大気中に放出される。
【００７１】
（７）Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子は、溶媒中に溶け込んだ状態で保存される。ここで、Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子が必要な場合には、保存部８から溶媒を所望量汲み出して、溶媒をヒータ９により加熱し、溶媒成分を蒸発させて溶質となるＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子のみを析出させる。
【００７２】
図６は、このようにして形成した粒子の構造を表す模式断面図である。すなわち、この粒子は、ＴｉＯ２からなるコア部１８と、その周囲を覆うように設けられたＮｂ２Ｏ５からなるシェル部２０と、を有する。これらコア部１８のサイズとシェル部２０の厚みは、それぞれ所定の範囲に精密に制御されている。従来の方法により、このような２重構造の粒子を得るためには、図８に関して前述したように、少なくとも２段以上の反応炉を用いて合成する必要があった。
【００７３】
これに対して、本実施形態によれば、コア部の形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料してガスとして供給することによって、一段の反応容器により、２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。
【００７４】
このようにして形成した、Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子は、例えば、太陽電池などの材料として用いることができる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図７は、本発明の第２の実施の形態を説明するための模式図である。同図については、図１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７６】
本実施形態の特徴のひとつは、原料を還元する還元剤を液滴中に含有させて反応容器１に導入する点にある。
以下、本実施形態の方法について説明する。
【００７７】
（１）ます、不活性ガスをガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタへと流れる気流をつくる。
【００７８】
（２）ヒータ５により反応容器１内の温度を２００〜４００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は約００キロパスカルとし、クーラ７内の温度は室温程度、気圧は約１００キロパスカルに設定する。
【００７９】
（３）液滴生成部５０において、少なくとも一種類の原料と還元剤とを含む液滴を生成し、導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、ガスをガス導入部３から反応容器１に導入する。さらに液滴の導入とほぼ同時に、原料を還元するガスとしてＨ２Ｏを導入部４から反応容器１に導入する。
【００８０】
（４）反応容器１内で、還元剤であるＮａＢＨ４の働きにより以下に示す式（９）の還元反応である化学反応がおこる。なお、化学反応は、前述した反応式（３）、（４）よりも低温の２００〜４００℃に加熱された領域でおこる。
ＴＥＳ＋ＮａＢＨ４ → Ｓｉ＋Ｃ２Ｈ６＋２Ｈ２＋Ｎａ＋Ｂ （９）
上記反応の結果、Ｓｉ粒子が得られる。その平均径は液滴のサイズにより対応しているが約１０ｎｍ程度である。
【００８１】
一方、ガスとして供給された原料は
ＣＨ４ → Ｃ ＋ ２Ｈ２ （１０）
の反応によりＣ（炭素）を生成し、先に生成したＳｉ粒子の表面上に析出する。
【００８２】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子、Ｃ２Ｈ６などの生成物が各導入部から排出部６方向に移動されている。
【００８３】
これ以降の工程は、前述したものと同様であるので省略する。
【００８４】
以上説明したように、第２の実施の形態では、コア部の生成に際して還元反応を利用するため反応を低温で起こさせることができる。その結果として、シェル部の形成の温度よりも低温でコア部を予め形成させることができ、コア部とシェル部とを作り分けて２重構造の粒子を形成できる。
また、低温で形成することにより、熱エネルギーの利用効率を向上させることもできる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
例えば、原料ガスを励起する手段として、ヒータの他にも、放電手段、光照射手段、例えば紫外線ランプを反応容器内もしくは外に設け、紫外線ランプからの光を原料ガスに照射することによって励起させ化学反応をおこすものを用いてもよい。
【００８５】
また、液滴の生成方法も、当業者が公知の技術から適宜選択して用いたものは本発明の範囲に包含される。
【００８６】
その他、本発明の実施の形態として上述した粒子形成方法及び粒子形成装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての粒子形成方法及び粒子形成装置も同様に本発明の範囲に属する。
【００８７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の実施の形態によれば、コア部を形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料をガスとして供給することによって、一段の反応容器により、コア部とシェル部とを有する２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。このようにして析出されたＣにより表面を覆われた粒子は、例えば、リチウム電池電極などの材料として使用することができ産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる粒子形成装置の要部構成を表す模式図である。
【図２】超音波によりＴＥＳの液滴を形成する方法を表す概念図である。
【図３】スプレーノズルにより液滴を生成する方法を表す概念図である。
【図４】粒子の構造を表す模式断面図である。
【図５】粒子の構造を表す模式断面図である。
【図６】粒子の構造を表す模式断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を説明するための模式図である。
【図８】本発明者が本発明に至る過程で検討した粒子の形成装置を表す模式図である。
【符号の説明】
１ 反応容器
２ 液滴導入部
３ 原料ガス導入部
４ 不活性ガス導入部
５ ヒータ
６ 排出部
７ クーラ
８ 保存部
９ ヒータ
１０、１４、１８ コア部
１２、１６、２０ シェル部
４０ 導入部
５０ 液滴生成部
５２ 容器
５４ 振動子
５６ 容器
５８ スプレーノズル
１０１ 反応容器
１０２ 導入部
１０３ ガス導入部
１０４ キャリアガス導入部
１０５ ヒータ
１０７ クーラ
１０８ 保存部
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子形成方法および粒子形成装置に係り、特に気相中で２重構造の微粒子を形成する粒子製造方法および粒子製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナノメートルサイズの微粒子は、比表面積（単位体積あたりの表面積）が大きく、量子サイズ効果など従来にない特性を有するため、新しい形態の物質として近年注目されている。このようなナノメートルサイズの微粒子は、微粒子の種類によって、触媒、電池電極、可視光ＬＥＤ（light emitting diode）素子やディスプレイの蛍光体などに応用されている。
【０００３】
例えば、リチウムイオン電池の電極として、リチウムの含有量の大きいシリコンを用いることによる容量増加が検討されている。しかし、充放電サイクルが繰り替えされると、リチウムイオンの出入りにともない電極の体積変化が繰り返される結果として、構造が破壊されてしまうという問題があった。この問題を解決するために、ナノメートルサイズのシリコン粒子をカーボンで覆った構造が提案されている。そして、微細なシリコン粒子表面に極微小粒子を積層した粒子や、異なる組成の粒子を積層したコアとシェルとを有する粒子により高性能化が検討されている。
【０００４】
なお、このような積層構造を有する粒子の一例としては、結晶質のシリコンからなるコアと、その周囲を被覆する厚み１〜２ｎｍの非晶質のシリコンからなるシェルと、を有するものが開示されている（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
【非特許文献１】
C. R. Gorla et al., J. Vac. Sci. Technol., A15(3), May/Jun 1997
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような積層構造の微粒子を形成する場合、コアとシェルとを所定のサイズまたは厚みで制御性よく形成することは容易でない。
【０００６】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、コア部とシェル部とが所定のサイズあるいは厚みを有し、しかも低コストで形成できる粒子形成方法及び粒子形成装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の粒子形成方法は、第１の材料を含有する液滴を形成する工程と、反応容器の中で前記液滴を熱分解させることによりコア部を形成する工程と、前記反応容器の中で、前記第１の材料とは異なる第２の材料を含有する原料気体を熱分解させることにより前記コア部を被覆するシェル部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記反応容器の一端から他端に向けたキャリアガスの流れを形成し、前記液滴は、前記原料気体よりも、前記キャリアガスの流れの上流側から前記反応容器内に導入されるものとすることができる。
【０００９】
また、前記液滴を熱分解させる温度は、前記原料気体を熱分解させる温度よりも低いものとすることができる。
【００１０】
また、前記液滴を熱分解させる温度を下げる還元剤を前記液滴に添加するものとすることができる。
【００１１】
一方、本発明の粒子形成装置は、反応容器と、第１の材料からなるコア部の原料となる液滴を生成する液滴生成部と、前記液滴生成部により生成された液滴を前記反応容器に導入する液滴導入部と、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなるシェル部の原料となる原料気体を前記反応容器に導入する気体導入部と、前記反応容器に導入された前記液滴を熱分解させて前記コア部を形成し、前記原料気体を熱分解させて前記コア部を被覆する前記シェル部を形成する加熱手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明者が本発明に至る過程で検討した形成方法について説明する。
【００１３】
図８は、本発明者が本発明に至る過程で検討した粒子の形成装置を表す模式図である。すなわち、同図は、気体原料を用いて微粒子を形成する装置の要部を表した模式図である。
【００１４】
原料タンク１００に貯蔵される原料であるシリコン原料は、窒素ガスにより気化されて、導入部１０２から反応容器１０１に導入される。反応容器１０１の内部は、キャリアガス導入部１０４を介して、予め、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気とされている。シリコン原料ガスが導入された反応容器１０１は、ヒータ１０５によって６００〜７００℃に加熱され、原料ガスはヒータ１０５から熱エネルギを受け取り、例えば式（１）なる化学反応をおこす。
ＳｉＨ４ → Ｓｉ ＋ ２Ｈ２ （１）
原料ガスは分解されてＳｉ（シリコン）を生成し、Ｓｉ同士が合体して微粒子Ｓｉになる。
次に、この反応容器１０１の後段に第２の原料として、メタン（ＣＨ４）をガス導入部１０３から導入する。ＣＨ４は、ヒータ１０５から熱エネルギを受け取り、例えば式（２）なる化学反応をおこす。
ＣＨ４ → Ｃ ＋ ２Ｈ２ （２）
このようにして、第２の原料は、反応容器１０１内で分解して生成物（Ｃ）を生じる。この生成物は、前述した微粒子Ｓｉ上に析出してシェルを形成する。これら生成物質は、反応容器１０１から不活性ガスと共に排出されてクーラ１０７に導かれ、室温付近まで冷却される。
【００１５】
冷却された生成物質は、各粒子が互いに凝集しないよう例えば脂肪酸塩などの界面活性剤溶液（液中のひとつひとつの分子中に親水基（水になじみやすい）と親油基（疎水基ともいい、油になじみやすい）をあわせもったもの）中に供給されて混合される。
【００１６】
その後、界面活性剤溶液と混合された微粒子は、界面活性剤溶液に溶け込んだ状態で保存部１０８に保存される。
【００１７】
しかしながら、上述のような方法により２重構造の微粒子を形成する場合、同一の反応容器１０１の前段で気体を原料としてコア部を気相形成し、後段で気体を原料としてシェル部を気相形成するために、コア部とシェル部のサイズあるいは厚みについて精密に制御することが困難であるという問題があった。
【００１８】
一方、これを改善するために、第１の反応（コア部を生成する工程）と第２の反応（シェル部を生成する工程）とを分離しようとすると、反応容器を少なくとも２段とすることが必要であるため、装置が複雑且つ大型化するという問題が生ずる。
【００１９】
本発明は、かかる問題を解決すべく本発明に至った。以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる粒子形成装置の要部構成を表す模式図である。本実施形態においては、２重構造の粒子のコア部は、液滴を用いて形成し、シェル部は気体原料を用いた気相反応により形成する。
すなわち、本実施形態の粒子形成装置は、反応容器１と、液滴生成部５０と、液滴生成部５０により生成された液滴を反応容器１に液滴を導入する液滴導入部２と、反応容器１に原料ガスを導入する原料ガス導入部３と、反応容器１にキャリアガスとして窒素などの不活性ガスを導入する不活性ガス導入部４と、反応容器１の外壁に設けられる励起手段としてのヒータ５と、液滴導入部２に対向した設けられた排出部６と、排出部６を介して反応容器１から排出される生成された微粒子と不活性ガスが導入されるクーラ７と、クーラ７を通過した粒子を保存する保存部８と、保存部に貯蔵される粒子を含む溶媒から液体成分や表面付着物を取り除くヒータ９と、を備える。
【００２１】
例えば、シリコンからなるコア部と、その周囲を取り囲むシェル部と、からなる２重構造の微粒子を形成する場合、コア部を形成するためのシリコン含有原料としては、液滴状のＴＥＳ（tetra ethyl silane）を用いることができる。また、シェル部を形成する原料としては、メタン（ＣＨ４）を用いることができる。これらコア部の原料、シェル部の原料、およびキャリアガスは、それぞれ専用のタンク（図示せず）に貯蔵されている。
【００２２】
液滴生成部５０において液滴状のＴＥＳを形成する場合、例えば、超音波やスプレーノズルなどを用いることができる。
【００２３】
図２は、超音波によりＴＥＳの液滴を形成する方法を表す概念図である。すなわち、アルコールなどで適宜希釈したＴＥＳを貯留した容器５２の中には、超音波により振動する振動子５４が設けられている。振動子５４を振動させることにより、容器５２内のＴＥＳが気化し、ＴＥＳの液滴が生成される。生成される液滴のサイズは、ＴＥＳの希釈濃度や、容器５２の大きさ、振動子５４の形状、配置関係、超音波の周波数やパワーなどにより適宜制御可能である。
【００２４】
図３は、スプレーノズルにより液滴を生成する方法を表す概念図である。すなわち、アルコールなどで適宜希釈したＴＥＳを貯留した容器５６をスプレーノズル５８に接続する。矢印Ａの方向から所定のキャリアガスを所定の流速で流すと、ノズル５８の絞り部における減圧効果により、容器５６内のＴＥＳが引き出され、気化して液滴となり搬送される。この場合も、ＴＥＳの希釈濃度や、スプレーノズル５８の形状やサイズ、キャリアガスの流速などを適宜調節することにより、得られる液滴のサイズを制御することができる。
【００２５】
再び図１に戻って説明を続けると、ヒータ５は、反応容器１内を化学反応がおこる所定の温度に加熱し保持するために反応容器１の外壁に設けられるが、好ましくは反応容器１の中央部近傍の外壁にのみ設けることが好ましい。これは、液滴導入部２、原料ガス導入部３、不活性ガス導入部４の反応容器１の入口付近で化学反応がおこると、各導入部の入口付近に反応生成物が付着し、それらの入口を塞ぐ可能性があるためである。また、生成された粒子が必要以上の大きさになるような粒子成長をさせないためでもある。
【００２６】
また、保存部８は、内部に水もしくはエタノールもしくはメタノールなどの溶媒が溜められており、この溶媒中にキャリアガスが吹き込むように導入される。
【００２７】
このような構成からなる第１の実施の形態の粒子製造方法について説明する。
【００２８】
（１）まず、不活性ガスを不活性ガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタ（図示せず）へと流れる気流をつくる。
【００２９】
（２）次に、ヒータ５により反応容器１内の温度を６００〜７００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は、大気圧すなわち約１００キロパスカル程度とする。また、クーラ７内の温度は室温程度であり、気圧は大気圧すなわち約１００キロパスカル程度に設定する。
【００３０】
（３）液滴生成部５０において、少なくとも一種類のシリコン原料を含む液滴を生成し、その液滴を液滴導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、シリコンを含有しないガスをガス導入部３から反応容器１に導入する。
【００３１】
（４）反応容器１内で、以下に示す熱分解反応である化学反応（３）、（４）がおこる。なお、これらの化学反応はヒータ５によって６００〜７００℃に加熱された領域（以下、「反応領域」と呼ぶ）でおこる。
【００３２】
すなわち、供給されたＴＥＳの液滴は、反応容器１内で加熱され、液滴の内部で以下の分解反応が起こる。
ＴＥＳ → Ｓｉ（固体）＋４Ｃ２Ｈ４（気体）＋２Ｈ２（気体） （３）
このようにして、Ｓｉ粒子が得られる。その平均径は、液滴のサイズより対応しているが、概ね約１０ｎｍ程度である。
【００３３】
一方、ガスとして供給された原料は、以下の反応によりＣ（炭素）を生成する。
ＣＨ４ → Ｃ ＋ ２Ｈ２ （４）
生成したＣ（炭素）は、先に生成したＳｉ粒子の表面上に析出する。
【００３４】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子、Ｃ２Ｈ４などの生成物が各導入部から排出部６方向に搬送される。そして、キャリアガスの流れにのって、生成したＣにより表面を覆われたＳｉ粒子が、排出部６に流れ、反応容器１から排出される。
【００３５】
（５）反応容器１から排出されたＣにより表面を覆われたＳｉ粒子を含むキャリアガスの温度は摂氏数１００度であるため、クーラ７に導入し、室温程度にまで冷却される。
【００３６】
（６）冷却された粒子を含んだキャリアガスは、保存部８内部に溜められている溶媒中に導入される。溶媒を通過する際に、溶媒中にＣにより表面を覆われたＳｉ粒子は溶け込み、キャリアガスだけが保存部８外部の大気中に放出される。
【００３７】
（７）Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子は、溶媒中に溶け込んだ状態で保存される。Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子を取り出す場合には、保存部８から溶媒を所望量汲み出して、溶媒をヒータ９により加熱し、溶媒成分を蒸発させて溶質であるＣにより表面を覆われたＳｉ粒子のみを析出させる。
【００３８】
図４は、このようにして形成した粒子の構造を表す模式断面図である。すなわち、この粒子は、シリコンからなるコア部１０と、その周囲を覆うように設けられたＣからなるシェル部１２と、を有する。これらコア部１０のサイズとシェル部１２の厚みは、それぞれ所定の範囲に精密に制御されている。従来の方法により、このような２重構造の粒子を得るためには、図８に関して前述したように、少なくとも２段以上の反応炉を用いて合成する必要があった。つまり、コア部１０とシェル部１２をいずれも気体原料により形成すると、これら気体原料が混ざることにより、両者が混合して中間的な組成を有する領域が形成される場合が多い。この問題を解消するためには、コア部１０とシェル部１２とを別々の反応容器で形成しなければならず、装置が複雑且つ大型化してしまう。
【００３９】
これに対して、本実施形態によれば、コア部を形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料をガスとして供給することによって、一段の反応容器により、コア部とシェル部とを有する２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。
【００４０】
このようにして析出されたＣにより表面を覆われたＳｉ粒子は、例えば、リチウム電池電極などの材料として使用することができる。
【００４１】
次に、図１及び図２を参照しつつ、本実施形態の第２の具体例について説明する。本具体例は、化合物半導体からなるコア部を合成し、その表面を成分の異なる半導体により被覆するものである。
例えば、化合物半導体としてＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）からなるコア部を合成する場合、原料としては、ＤＭＣｄ（DiMethylCadmium）とＨ２Ｓｅ（Hydrogen selenide）を用いることができる。また、これを被覆するシェル部としてＺｎＳ（硫化亜鉛）を形成する場合、原料としては、ＤＭＺｎ（DiMethylZinc）とＨ２Ｓ（Hydrogen Sulfide）を用いることができる。これらの原料と、キャリアガスはそれぞれ専用のタンク（図示しない）に貯蔵されている。
【００４２】
また、ヒータ５は、前述したように、反応容器１の中央部近傍の外壁にのみ設けることが望ましい。これは、各導入部の入口付近に反応生成物が付着し入口を塞ぐことを防ぎ、また生成された粒子が必要以上の大きさになるような粒子成長を防ぐためでもある。
【００４３】
以下、本具体例の工程について説明する。
【００４４】
（１）まず、不活性ガスを不活性ガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタへと流れる気流をつくる。
【００４５】
（２）ヒータ５により反応容器１内の温度を６００〜７００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は、約１００キロパスカルし、クーラ７内の温度は室温程度、気圧は約１００キロパスカルに設定する。
【００４６】
（３）液滴生成部５０において、ＤＭＣｄ（DiMethylCadmium）とＨ２Ｓｅ（Hydrogen selenide）を含む液滴を生成し、導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、ＤＭＺｎ（DiMethylZinc）とＨ２Ｓ（Hydrogen Sulfide）の蒸気をガス導入部３から反応容器１に導入する。
【００４７】
（４）反応容器１内で、以下に示す式（５）、（６）の熱分解反応である化学反応がおこる。なお、化学反応はヒータ５によって６００〜７００℃に加熱された領域（以下、反応領域と呼ぶ）でおこる。
【００４８】
供給された液滴は反応炉内で加熱され、液滴の内部で、以下の反応が起こる。
ＤＭＣｄ＋Ｈ２Ｓｅ → ＣｄＳｅ（固体）＋２ＣＨ４（気体） （５）
この反応の結果、ＣｄＳｅ粒子が得られる。その平均径は液滴のサイズにより対応しているが約１０ｎｍ程度とすることができる。
【００４９】
一方、ガスとして供給された原料は、以下の反応によりＺｎＳを生成する。
ＤＭＺｎ ＋ Ｈ２Ｓ → ＺｎＳ ＋ ２ＣＨ４ （６）
生成したＺｎＳは、先に生成したＣｄＳｅ粒子の表面上に析出する。
【００５０】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、ＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子、ＣＨ４などの生成物が各導入部から排出部６方向に移動されている。
【００５１】
キャリアガスの流れにのって、生成したＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子が、排出部６に流れ、反応容器１から排出される。
【００５２】
（５）反応容器１から排出されたＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子を含むキャリアガスの温度は数１００度であるため、クーラ７に導入されて、室温程度にまで冷却される。
【００５３】
（６）冷却された粒子を含んだキャリアガスは、保存部８内部に溜められている溶媒中に導入される。溶媒を通過する際に、溶媒中にＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子は溶け込み、キャリアガスだけが保存部８外部の大気中に放出される。
【００５４】
（７）ＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子は、溶媒中に溶け込んだ状態で保存される。ここで、ＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子が必要な場合には、保存部８から溶媒を所望量汲み出して、溶媒をヒータ９により加熱し、溶媒成分を蒸発させて溶質となるＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子のみを析出させる。
【００５５】
図５は、このようにして形成した粒子の構造を表す模式断面図である。すなわち、この粒子は、ＣｄＳｅからなるコア部１４と、その周囲を覆うように設けられたＺｎＳからなるシェル部１６と、を有する。これらコア部１４のサイズとシェル部１６の厚みは、それぞれ所定の範囲に精密に制御されている。従来の方法により、このような２重構造の粒子を得るためには、図８に関して前述したように、少なくとも２段以上の反応炉を用いて合成する必要があった。
【００５６】
これに対して、本実施形態によれば、コア部の形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料してガスとして供給することによって、一段の反応容器により、２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。
【００５７】
このようにして形成したＺｎＳにより表面を覆われたＣｄＳｅ粒子は、発光素子などの材料として用いることができる。
【００５８】
次に、本実施形態の第３の具体例について説明する。本具体例は、酸化物半導体からなるコア部を合成し、その表面に成分の異なる半導体を被覆するものである。
【００５９】
酸化物半導体の例としてＴｉＯ２を合成する場合、原料としては、ＴＴＩＰ （TitaniumTetraIsoPropoxide）を用いることができる。また、被覆する半導体としてＮｂ２Ｏ５を用いる場合、その原料としては、Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５）５（pentaethoxy niobium）を用いることができる。
【００６０】
図１及び図２を参照しつつ、その製造方法の要部について説明すると、以下の如くである。
【００６１】
（１）不活性ガスを不活性ガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタへと流れる気流をつくる。
【００６２】
（２）ヒータ５により反応容器１内の温度を６００〜７００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は約１００キロパスカルとし、クーラ７内の温度は室温程度、気圧は約１００キロパスカルと設定する。
【００６３】
（３）液滴生成部５０においてＴＴＩＰを含む液滴を生成し、導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５）５の蒸気をガス導入部３から反応容器１に導入する。
【００６４】
（４）反応容器１内で、以下に示す式（７）、（８）の熱分解反応である化学反応がおこる。なお、化学反応はヒータ５によって６００〜７００℃に加熱された領域（以下、反応領域と呼ぶ）でおこる。
【００６５】
供給された液滴は反応炉内で加熱され、液滴の内部で、以下の反応が起こる。
ＴＴＩＰ → ＴｉＯ２（固体）＋４Ｃ３Ｈ６（気体）＋２Ｈ２Ｏ （７）
その結果ＴｉＯ２粒子が得られる。その平均径は液滴のサイズにより対応しているが約１０ｎｍ程度とすることができる。
【００６６】
一方、ガスとして供給された原料は、以下の反応によりＮｂ２Ｏ５を生成する。
２Ｎｂ（ＯＣ２Ｈ５）５ → Ｎｂ２Ｏ５＋１０Ｃ２Ｈ４＋５Ｈ２Ｏ （８）
生成したＮｂ２Ｏ５は、先に生成したＴｉＯ２粒子の表面上に析出する。
【００６７】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子、Ｃ３Ｈ６などの生成物が各導入部から排出部６方向に移動されている。
【００６８】
キャリアガスの流れにのって、生成したＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子が、排出部６に流れ、反応容器１から排出される。
【００６９】
（５）反応容器１から排出されたＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子を含むキャリアガスの温度は数１００度であるため、クーラ７に導入されて、室温程度にまで冷却される。
【００７０】
（６）冷却された粒子を含んだキャリアガスは、保存部８内部に溜められている溶媒中に導入される。溶媒を通過する際に、溶媒中にＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子は溶け込み、キャリアガスだけが保存部８外部の大気中に放出される。
【００７１】
（７）Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子は、溶媒中に溶け込んだ状態で保存される。ここで、Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子が必要な場合には、保存部８から溶媒を所望量汲み出して、溶媒をヒータ９により加熱し、溶媒成分を蒸発させて溶質となるＮｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子のみを析出させる。
【００７２】
図６は、このようにして形成した粒子の構造を表す模式断面図である。すなわち、この粒子は、ＴｉＯ２からなるコア部１８と、その周囲を覆うように設けられたＮｂ２Ｏ５からなるシェル部２０と、を有する。これらコア部１８のサイズとシェル部２０の厚みは、それぞれ所定の範囲に精密に制御されている。従来の方法により、このような２重構造の粒子を得るためには、図８に関して前述したように、少なくとも２段以上の反応炉を用いて合成する必要があった。
【００７３】
これに対して、本実施形態によれば、コア部の形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料してガスとして供給することによって、一段の反応容器により、２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。
【００７４】
このようにして形成した、Ｎｂ２Ｏ５により表面を覆われたＴｉＯ２粒子は、例えば、太陽電池などの材料として用いることができる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図７は、本発明の第２の実施の形態を説明するための模式図である。同図については、図１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７６】
本実施形態の特徴のひとつは、原料を還元する還元剤を液滴中に含有させて反応容器１に導入する点にある。
以下、本実施形態の方法について説明する。
【００７７】
（１）ます、不活性ガスをガス導入部４から反応容器１に導入し、反応容器１から排出部６、クーラ７、保存部８、ヒータ９、フィルタへと流れる気流をつくる。
【００７８】
（２）ヒータ５により反応容器１内の温度を２００〜４００℃になるよう加熱する。このとき、反応容器１内の気圧は約００キロパスカルとし、クーラ７内の温度は室温程度、気圧は約１００キロパスカルに設定する。
【００７９】
（３）液滴生成部５０において、少なくとも一種類の原料と還元剤とを含む液滴を生成し、導入部２から反応容器１に導入する。液滴の導入とほぼ同時に、ガスをガス導入部３から反応容器１に導入する。さらに液滴の導入とほぼ同時に、原料を還元するガスとしてＨ２Ｏを導入部４から反応容器１に導入する。
【００８０】
（４）反応容器１内で、還元剤であるＮａＢＨ４の働きにより以下に示す式（９）の還元反応である化学反応がおこる。なお、化学反応は、前述した反応式（３）、（４）よりも低温の２００〜４００℃に加熱された領域でおこる。
ＴＥＳ＋ＮａＢＨ４ → Ｓｉ＋Ｃ２Ｈ６＋２Ｈ２＋Ｎａ＋Ｂ （９）
上記反応の結果、Ｓｉ粒子が得られる。その平均径は液滴のサイズにより対応しているが約１０ｎｍ程度である。
【００８１】
一方、ガスとして供給された原料は
ＣＨ４ → Ｃ ＋ ２Ｈ２ （１０）
の反応によりＣ（炭素）を生成し、先に生成したＳｉ粒子の表面上に析出する。
【００８２】
また、反応容器１内では、キャリアガスの流れによって、原料ガス、Ｃにより表面を覆われたＳｉ粒子、Ｃ２Ｈ６などの生成物が各導入部から排出部６方向に移動されている。
【００８３】
これ以降の工程は、前述したものと同様であるので省略する。
【００８４】
以上説明したように、第２の実施の形態では、コア部の生成に際して還元反応を利用するため反応を低温で起こさせることができる。その結果として、シェル部の形成の温度よりも低温でコア部を予め形成させることができ、コア部とシェル部とを作り分けて２重構造の粒子を形成できる。
また、低温で形成することにより、熱エネルギーの利用効率を向上させることもできる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
例えば、原料ガスを励起する手段として、ヒータの他にも、放電手段、光照射手段、例えば紫外線ランプを反応容器内もしくは外に設け、紫外線ランプからの光を原料ガスに照射することによって励起させ化学反応をおこすものを用いてもよい。
【００８５】
また、液滴の生成方法も、当業者が公知の技術から適宜選択して用いたものは本発明の範囲に包含される。
【００８６】
その他、本発明の実施の形態として上述した粒子形成方法及び粒子形成装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての粒子形成方法及び粒子形成装置も同様に本発明の範囲に属する。
【００８７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の実施の形態によれば、コア部を形成するための原料として液滴を用い、シェル部を形成するための原料をガスとして供給することによって、一段の反応容器により、コア部とシェル部とを有する２重構造の粒子を合成できコストを低減させることができる。このようにして析出されたＣにより表面を覆われた粒子は、例えば、リチウム電池電極などの材料として使用することができ産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる粒子形成装置の要部構成を表す模式図である。
【図２】超音波によりＴＥＳの液滴を形成する方法を表す概念図である。
【図３】スプレーノズルにより液滴を生成する方法を表す概念図である。
【図４】粒子の構造を表す模式断面図である。
【図５】粒子の構造を表す模式断面図である。
【図６】粒子の構造を表す模式断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を説明するための模式図である。
【図８】本発明者が本発明に至る過程で検討した粒子の形成装置を表す模式図である。
【符号の説明】
１ 反応容器
２ 液滴導入部
３ 原料ガス導入部
４ 不活性ガス導入部
５ ヒータ
６ 排出部
７ クーラ
８ 保存部
９ ヒータ
１０、１４、１８ コア部
１２、１６、２０ シェル部
４０ 導入部
５０ 液滴生成部
５２ 容器
５４ 振動子
５６ 容器
５８ スプレーノズル
１０１ 反応容器
１０２ 導入部
１０３ ガス導入部
１０４ キャリアガス導入部
１０５ ヒータ
１０７ クーラ
１０８ 保存部
Claims (5)
- 第１の材料を含有する液滴を形成する工程と、
反応容器の中で前記液滴を熱分解させることによりコア部を形成する工程と、
前記反応容器の中で、前記第１の材料とは異なる第２の材料を含有する原料気体を熱分解させることにより前記コア部を被覆するシェル部を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする粒子形成方法。 - 前記反応容器の一端から他端に向けたキャリアガスの流れを形成し、前記液滴は、前記原料気体よりも、前記キャリアガスの流れの上流側から前記反応容器内に導入されることを特徴とする請求項１記載の粒子形成方法。
- 前記液滴を熱分解させる温度は、前記原料気体を熱分解させる温度よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の粒子形成方法。
- 前記液滴を熱分解させる温度を下げる還元剤を前記液滴に添加することを特徴とする請求項３記載の粒子形成方法。
- 反応容器と、
第１の材料からなるコア部の原料となる液滴を生成する液滴生成部と、
前記液滴生成部により生成された液滴を前記反応容器に導入する液滴導入部と、
前記第１の材料とは異なる第２の材料からなるシェル部の原料となる原料気体を前記反応容器に導入する気体導入部と、
前記反応容器に導入された前記液滴を熱分解させて前記コア部を形成し、前記原料気体を熱分解させて前記コア部を被覆する前記シェル部を形成する加熱手段と、
を備えたことを特徴とする粒子形成装置。
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