JP4409516B2

JP4409516B2 - 帯電ナノ粒子製造方法及び帯電ナノ粒子製造システム並びに帯電ナノ粒子堆積システム

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Publication number: JP4409516B2
Application number: JP2006007389A
Authority: JP
Inventors: 元明足立
Original assignee: OSAKA FOUNDATION FOR TRADE AND INDUSTRY
Current assignee: OSAKA FOUNDATION FOR TRADE AND INDUSTRY
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: JP2006216538A

Description

本発明は、帯電ナノ粒子製造方法及び帯電ナノ粒子製造システム並びに帯電ナノ粒子堆積システムに関する。

発明の背景

本発明は、帯電ナノ粒子製造方法及び帯電ナノ粒子製造システム並びに帯電ナノ粒子堆積システムを提供することを目的とする。

これらの目的を達成するために、本発明に係る帯電ナノ粒子製造方法は、所定の物質からなるイオンとナノ粒子とを一つの容器内に別々に供給し、前記容器内で前記イオンとナノ粒子とを混合して前記ナノ粒子の表面に前記イオンを付着させることにより該ナノ粒子を帯電させて帯電ナノ粒子を得ることを特徴とする。

本発明の帯電ナノ粒子製造システムは、イオン化装置１０Ａと、ナノ粒子供給装置９８と、前記イオン化装置１０Ａとナノ粒子供給装置９８に接続された混合容器９６を有し、前記混合容器９６内で前記ナノ粒子供給装置９８から供給されるナノ粒子と前記イオン化装置１０Ａから供給されるイオンとを混合して前記ナノ粒子の表面に前記イオンを付着させて前記ナノ粒子に電荷を与えることを特徴とする。

本発明の他の形態の帯電ナノ粒子堆積システム１００は、混合容器１０４内に配置された一対の電極１０６，１０８と、前記一対の電極１０６，１０８の間に所定の電圧を印加し、前記帯電ナノ粒子製造システムで製造された帯電ナノ粒子を前記一対の電極１０６，１０８の間に配置された被沈着部材１１２に向かって付勢する電界を形成する電源１１０を有する。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る帯電ナノ粒子の製造方法によれば、電荷が与えられたナノ粒子が得られる。

また、イオン化装置で生成されたイオンとナノ粒子とを混合する容器を備えた帯電ナノ粒子製造システムによれば、混合容器内でナノ粒子にイオンを付着させて電荷を付与することができる。

さらに、帯電ナノ粒子製造システムを利用した帯電ナノ粒子堆積システムは、混合容器内に配置された一対の電極と、前記一対の電極の間に所定の電圧を印加し、前記帯電ナノ粒子製造システムで製造された帯電ナノ粒子を前記一対の電極の間に配置された被沈着部材に向かって付勢する電界を形成する電源を備えたもので、ナノ粒子を効率良く捕集して目的の場所に堆積又は移送することができる。

発明の実施の形態

（１）クラスターイオン発生器
図１は、本発明に係るイオン化装置の具体的実施形態であるクラスターイオン発生器１０の概略構成を示す。このクラスターイオン発生器１０は、筒状の容器又はハウジング１２を有する。ハウジング１２は、電気的に絶縁性を有する材料で形成されており、図面上左側の一端が閉鎖され、図面上右側の他端が外部空間１４に開放されている。外部空間１４に対して開放されたハウジング１２の他端側は導電材料からなる隔壁（第１の電極）１６によって閉鎖されており、これによりハウジング１２の内側に内部空間１８が形成されている。隔壁１６は小径（例えば、内径が０．１〜０．４ｍｍ）の臨界オリフィス（孔）２０を備えており、この臨界オリフィス２０を通じて内部空間１８と外部空間１４が流体的に接続されている。臨界オリフィス２０の外側には筒状の断熱部（断熱部材）２２が配置されており、臨界オリフィス２０から外部空間１４に向けて逆テーパ状に広がる拡大管（断熱空間）２４が形成されている。一方、臨界オリフィス２０の内側には、臨界オリフィス２０と所定の間隔をあけて、臨界オリフィス２０に対向する針状電極（第２の電極）２６が配置されている。本実施形態において、針状電極２６は臨界オリフィス２０の中心軸上に配置されて絶縁ハウジング１２に支持されている。

針状電極２６は、高圧電源２８と電気的に接続されている。一方、ハウジング１２の内部空間１８は加湿器（気体供給部）３０に流体的に接続されている。加湿器３０は、イオン化する分子である水を収容した貯留槽３２と、この貯留槽３２の底部に空気を供給する空気供給装置３４を備えている。通常、空気供給装置３４は、空気を供給するポンプと、一端がポンプの吐出口に接続されると共に他端が貯留槽３２の底部に配置された空気供給管を有する。ハウジング１２の内部空間１８と空気加湿器３０を接続する空気供給管は、その一端が貯留槽３２の上部空間に連通し、他端が内部空間１８に連通している。

このような構成を備えたイオン発生器１０によれば、空気供給装置３４から供給された空気は、貯留槽３２の底部から水中に放出される。水中に放出された空気は気泡となって上部空間に浮上し、その上部空間を加湿空気（湿度約３０〜４０％）で満たす。この加湿空気は、空気供給装置３４から連続的に供給される空気によってハウジング１２の内部空間１８に所定の圧力（例えば、１〜２ｋｇ／ｃｍ^２）で送り込まれる。その結果、ハウジング１２の内部空間１８は加湿された圧力空気で満たされる。

針状電極２６には、直流又は交流の電圧（例えば、−６ＫＶ）が印加される。その結果、針状電極２６とこれに対向する隔壁１６との間の領域でコロナ放電が発生し、その領域に水分子のコロナ放電イオンが生成される。この水分子イオンは、加湿器３０から内部空間１８に供給される圧力空気により、高速ジェットとなって臨界オリフィス２０から拡大管２４に吐出する。拡大管２４に吐出した高速ジェットの空気は、急激な圧力の低下によって断熱膨張し、過飽和雰囲気を形成する。その結果、雰囲気中の水分子がコロナ放電で発生した水分子イオンに凝集し、大きな水クラスターイオン３６に成長する。

ここで生成される水クラスターイオンは、図２に示すように、滝の近傍で発生するクラスターイオンと同程度の可動性（mobility）、即ち大きさを有し、それはハウジング１２の内部空間１８で発生したコロナ放電イオンよりも遥かに大きなものである。

以上の説明では、加湿する気体として空気を用いたが、これは空気と他の気体との混合物、または空気以外の気体であってもよい。また、空気を加湿する液体として水を用いたが、これは水と他の液体との混合物、または水以外の液体であってもよい。さらに、針状電極２６を高圧電源２８に接続し、隔壁１６を接地したが、逆に、隔壁１６を高圧電源に接続し、針状電極を接地してもよい。さらにまた、以上の説明では隔壁１６を導電部材で形成したが、臨界オリフィス２０の周囲又はその近傍にのみ導電部材を配置し、この導電部材を第１の電極として利用してもよい。

（２）ハウジング等の構成
上述したクラスターイオン発生器１０において、ハウジング１２等の具体的構成を図３に示す。この図に示すハウジング１２は、円筒体４０と、円筒体４０の一端（図面上左側の端部）を閉鎖する基端部材４２とからなる。これら円筒体４０と基端部材４２は、共に電気的に絶縁性の材料で形成されている。円筒体４０の他端（図面上右側の端部）は、導電性の材料からなる電極板（隔壁）４４で閉鎖されており、この電極板４４の中央に約０．１〜０．４ｍｍの貫通孔（臨界オリフィス）４６が形成されている。一方、基端部材４２の中央には貫通孔４６の中心軸と同軸上に別の貫通孔４８が形成されており、ハウジング１２の内部（内部空間）５０に配置されている導電性の針状電極支持部材５２が当該別の貫通孔４８にはめ込まれている。

針状電極支持部材５２は、図面上左側に、貫通孔４８に連通する気体通路５４と、この気体通路５４とハウジング１２の内部５０とを連通する連通孔５６が形成されており、図示しない加湿器（図１参照）から供給された加湿気体が貫通孔４８、気体通路５４から連通孔５６を介してハウジング１２の内部５０に供給されるようにしてある。また、針状電極支持部材５２の先端（電極板４４に対向する端部）は針電極５８を保持しており、この針電極５８と電極板４４との間に約２〜４ｍｍの隙間があけてある。一方、基端部材４２は、電源接続用電極収容孔６０が形成されており、この電極収容孔６０に電極６２がその周囲を封止された状態で収容されている。そして、電極支持部材５２と電極６２が電線６４によって電気的に接続されている。

（３）実施の形態２
図４は、イオン発生器１０Ａと、このイオン発生器１０Ａで得られたイオンを利用するイオン化ＣＶＤ成膜装置７２を含むシステム７０の構成を示す。システム７０において、イオン発生器１０Ａは、実施の形態１で説明したイオン発生器１０も使用可能であるが、このイオン発生器１０から断熱部２２を除いたイオン発生器であってもよい。イオン発生器１０Ａの内部空間は、ＣＶＤ成膜法に利用される原料分子を供給するための原料分子供給部（気体供給部）７４に接続されている。

ＣＶＤ原料は、気体・液体・固体のいずれかの形態を有する。例えば、固体原料としては金属カルボニル、金属錯体、金属βジケトン、金属塩化物（例えば、Ni(CO)₄, (CH₃COO)₆Zn₄O, Co[MeC(S)=CHCOMe]₃, TiCl₄）、液体原料としては有機金属・有機シリコン（例えば、Si(OC₂H₅)₄ (TEOS;テトラエトキシシラン)）、気体原料としてはSiH₄（シラン）が挙げられるが、これらに限るものでない。これに対し、原料分子供給部７４は、ＣＶＤ原料の形態に応じた構成と機能を有する。例えば、ＣＶＤ原料が液体又は固体の場合、原料分子供給部７４は、蒸発器によって原料を蒸発し、この蒸発した原料ガスをキャリアガスと共にイオン発生器１０Ａに搬送する。一方、ＣＶＤ原料が気体の場合、原料分子供給部７４は、この原料ガスをキャリアガスと混合して所定濃度に調製した後、イオン発生器１０Ａに供給する。

イオン発生器１０Ａの臨界オリフィスはイオン化ＣＶＤ成膜装置７２に接続されている。このイオン化ＣＶＤ装置７２は、一対の電極７６，７８と、一方の電極７６の裏面（他方の電極７８の反対側にある面で、図面上の下面）に設置されたヒータ８０と、電極７６，７８の間に所定の電圧を印加する電源８２を有する。そして、成膜の対象となる基板８４は、上記一方の電極７６の表面（他方の電極７８に対向する面で、図面上の上面）に設置される。

このような構成のシステム７０において、イオン発生器１０Ａには、原料分子供給部７４からＣＶＤガス原料が供給される。このＣＶＤガス原料は、針状電極と隔壁との対向領域（放電場）で発生したコロナ放電によりイオン化された後、高速ジェットとなって、一対の電極７６、７８間に噴射される。したがって、針状電極と隔壁との間の放電場で発生したＣＶＤ原料分子イオンは高い運動エネルギーを有し、針状電極又は隔壁に吸着されることなく、隔壁の貫通孔から効率良く噴射されて電極７６，７８の間に供給される。電極７６，７８の間に供給された原料分子イオンは、これら電極間に形成された電場に捕集された後、原料分子イオンと異なる極性の電圧が印加されている一方の電極７６に向かって移動し、基板８４上に堆積する。

そのため、従来のＣＶＤ成膜装置では、膜や微粒子の素になる中間体やクラスターの反応容器内における運動がブラウン運動や対流に支配され、それらの運動を制御できず、高品質の薄膜やナノ粒子の合成ができなかったのに対し、上述のように、原料分子イオンの運動を目的の方向に制御できると共に、すべての又は殆どの原料分子イオンを成膜装置に供給することができるので高濃度の成膜が可能になる。

なお、イオン発生器１０Ａの下流側にイオン化ＣＶＤ成膜装置７２を接続した場合を示したが、イオン化ＣＶＤ成膜装置７２に代えてヒーターにより壁面を所定の温度に加熱された反応管を接続してもよい。この場合、高品質のナノ粒子合成が可能となる。

（４）実施の形態３
図５は、イオン発生器１０Ａと、このイオン発生器１０Ａで得られたイオンを利用する気流混合装置９２を含む帯電ナノ粒子製造システム９０の構成を示す。イオン発生器１０Ａにおいて、ハウジング内部はガス供給装置９４に接続されており、このガス供給装置９４からハウジング内部に所定の高圧ガスが供給されるようにしてある。気流混合装置９２において、混合容器９６は、イオン発生器１０の臨界オリフィスと、ナノ粒子供給装置９８に接続されている。

このような構成において、イオン発生器１０Ａでは、ガス供給装置９４からハウジング内部に供給された原料ガスはコロナ放電によりイオン化された後、高速ジェットとなって吐出する。吐出した高速ジェットの分子イオンは、混合容器９６に供給され、そこでナノ粒子供給装置９８から供給されたナノ粒子と混合されてその表面に付着し、ナノ粒子に電荷を与える。したがって、イオンが付着したナノ粒子は、後に電界を利用して分級、移送ができる。

（５）実施の形態４
図６は、イオン発生器１０Ａと、このイオン発生器１０Ａで得られたイオンを利用するナノ粒子堆積装置１０２を含む帯電ナノ粒子堆積システム１００の構成を示す。このシステム１００において、イオン発生器１０Ａは、堆積装置１０２の容器１０４に接続され、イオン発生器１０Ａで生成されたイオンが容器１０４に供給されるようにしてある。堆積装置１０２の容器１０４には、その上部と下部にそれぞれ電極１０６，１０８が配置されている。電極１０６，１０８には直流電源１１０が接続され、これらの間に電界が形成されている。下部の電極１０８は、例えば金属又は非金属の電界ナノ粒子堆積基板１１２を支持している。容器１０４はまた、ナノ粒子供給装置１１４に接続されており、上部の電極１０６の下方領域にナノ粒子が供給されるようにしてある。

このような構成において、イオン発生器１０Ａから容器１０４に供給された分子イオンは容器１０４に供給され、そこでナノ粒子供給装置１１４から供給されたナノ粒子と混合されてその表面に付着し、ナノ粒子に電荷を与える。電荷が付与されたナノ粒子は、電極間の電界によって下方の電極１０８に向かって吸引され、この電極１０８に支持された堆積基板（非沈着部材）１１２に沈着する。したがって、このシステム１００によれば、ナノ粒子を効率良く捕集して目的の場所に堆積又は移送することができる。

なお、イオンがマイナス電荷を持っている場合、図示するように上方の電極１０６にはマイナス極が接続され、下方の電極１０８にはプラス極が接続される。イオンがプラスの電荷を持っている場合、電極１０６，１０８は逆の極が接続される。

以上の説明では下方の電極１０８に基板を配置したが、これに代えて他の液体又はスラリー若しくはゲルを収容した容器を配置し、この液体又はスラリー若しくはゲルの表面にナノ粒子を堆積してもよい。

本発明に係るイオン発生器の概略構成を示す断面図。クラスターイオンとコロナ放電イオン等の可動性を示すグラフを示す図。図１に示すイオン発生器の部分断面図。イオン発生器と該イオン発生器で生成したイオンを利用するイオン化ＣＶＤ成膜装置を含むシステムの概略構成図。イオン発生器と該イオン発生器で生成したイオンを利用する気流混合装置を含むシステムの概略構成図。イオン発生器と該イオン発生器で生成したイオンを利用する堆積装置を含むシステムの概略構成図。

符号の説明

１０：クラスターイオン発生器
１０Ａ：イオン発生器
１２：ハウジング（容器）
１４：外部空間
１６：隔壁（第１の電極）
１８：内部空間
２０：臨界オリフィス
２２：断熱部（断熱部材）
２４：拡大管
２６：針状電極（第２の電極）
２８：高圧電源
３６：クラスターイオン

Claims

所定の物質からなるイオンとナノ粒子とを一つの容器内に別々に供給し、前記容器内で前記イオンとナノ粒子とを混合して前記ナノ粒子の表面に前記イオンを付着させることにより該ナノ粒子を帯電させて帯電ナノ粒子を得ることを特徴とする帯電ナノ粒子製造方法。
イオン化装置１０Ａと、ナノ粒子供給装置９８と、前記イオン化装置１０Ａとナノ粒子供給装置９８に接続された混合容器９６を有し、前記混合容器９６内で前記ナノ粒子供給装置９８から供給されるナノ粒子と前記イオン化装置１０Ａから供給されるイオンとを混合して前記ナノ粒子の表面に前記イオンを付着させて前記ナノ粒子に電荷を与えることを特徴とする帯電ナノ粒子製造システム。
混合容器１０４内に配置された一対の電極１０６，１０８と、前記一対の電極１０６，１０８の間に所定の電圧を印加し、請求項２の帯電ナノ粒子製造システムで製造された帯電ナノ粒子を前記一対の電極１０６，１０８の間に配置された被沈着部材１１２に向かって付勢する電界を形成する電源１１０を備えたことを特徴とする帯電ナノ粒子堆積システム。