JP4556015B2 - 硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーとその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーとその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、ナノスケールの半導体デバイス等に有用な単結晶珪素ナノチューブを製造するための前駆物質である硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーとその製造方法に関する。
従来、珪素ナノワイヤーは、金属触媒を用いたレーザー加熱法（非特許文献１参照）や、珪素と珪素酸化物の加熱による方法（非特許文献２参照）、ジフェニルシランの高温熱分解による方法（非特許文献３参照）などによって製造されることが知られている。
A.M.Morales，ほか、サイエンス(Science) 279 巻、208頁、1998年 N.Wang，ほか、フィジカル・レビューＢ(Phys.Rev.B)58巻、R16024 頁、1998年。 J.D.Holmes，ほか、サイエンス(Science) 287巻、1471頁、2000年
A.M.Morales，ほか、サイエンス(Science) 279 巻、208頁、1998年 N.Wang，ほか、フィジカル・レビューＢ(Phys.Rev.B)58巻、R16024 頁、1998年。 J.D.Holmes，ほか、サイエンス(Science) 287巻、1471頁、2000年
上記のように、珪素ナノワイヤーは、すでにその製造方法が知られているが、珪素ナノチューブについては、そのバンド構造等が計算により予測されているものの、いまだ実際に製造されたことはない。
そこで、本発明は、単結晶珪素ナノチューブを実現するための前駆物質となる硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーとその製造方法を提供することを課題としている。
本発明の硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーとその製造方法は、上記の課題を解決するものとして、以下のことを特徴としている。
第１に、硫化亜鉛粉末を不活性雰囲気で１１５０〜１２５０℃に加熱し、生成した硫化亜鉛ナノワイヤーを不活性雰囲気で一酸化珪素と１２００〜１４００℃で加熱反応させることにより得られる硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有するナノワイヤーである。
第２に、硫化亜鉛粉末を不活性雰囲気で１１５０〜１２５０℃に加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させ、この硫化亜鉛ナノワイヤーを不活性雰囲気で一酸化珪素と１２００〜１４００℃で加熱反応させ、硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有するナノワイヤーを生成させる。
第３に、不活性気体を通じながら、硫化亜鉛粉末を縦型高周波誘導加熱炉中で１１５０〜１２５０℃に１〜２時間加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させた後、一酸化珪素粉末と不活性気流中で１２００〜１４００℃に１〜２時間加熱反応させ、硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有するナノワイヤーを生成させる。
上記の通りの本発明によって、マイクロエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス分野において、その応用が期待されている単結晶珪素ナノチューブを実現するための硫化亜鉛・珪素コア・シェル構造を有する硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーとその製造方法が提供される。
本発明の硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーは、単結晶珪素ナノチューブの前駆物質である。
本発明の硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの製造方法では、加熱装置として、好適には石英管の内側に断熱材のカーボン繊維で覆われたグラファイト製の誘導加熱円筒管を有する縦型高周波誘導加熱炉を用い、たとえば好ましくはグラファイト製るつぼの中に硫化亜鉛粉末を入れ、このるつぼをグラファイト製の誘導加熱円筒管の中央部に設置する。アルゴンガスなどの不活性気体を流しながら、１１５０〜１２５０℃に１〜２時間加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させる。加熱温度が１２５０℃より高いと、硫化亜鉛ナノワイヤーの直径が太くなり、１１５０℃より低いと、硫化亜鉛ナノワイヤーの収率が低下する。加熱時間は１〜２時間である。２時間で十分に原料の蒸発が終了する。１時間未満の場合には硫化亜鉛ナノワイヤーの生成量が減少する。
次に、グライファイト製るつぼの中に一酸化珪素粉末を入れ、このるつぼをグラファイト製の誘導加熱円筒管の中央部に取り付け、不活性気体を流しながら、１２００〜１４００℃に１〜２時間加熱した後、加熱炉を室温に冷却する。これによりナノワイヤー生成物が得られる。このナノワイヤー生成物は、上記の通りの硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有する。
硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーを酸水溶液、たとえば塩酸、硫酸、塩素酸等の酸の水溶液、より好適には塩酸水溶液で処理することにより、単結晶珪素ナノチューブが得られる。塩酸水溶液の場合には、その濃度を５〜２０％程度、より好適には１０％前後とすることが考慮される。
硫化亜鉛ナノワイヤーと一酸化珪素との加熱においては、硫化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末との重量比は１：１〜２：１が好ましく、これよりも一酸化珪素の量が多いと、硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの中に珪素ナノワイヤーが混入する。加熱温度は１２００〜１４００℃であり、これより温度を上げても収量の向上は望めない。また、１２００℃より加熱温度が低いと、珪素の蒸気の発生が十分でなく、硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーが生成しない。加熱時間は１〜２時間であり、２時間を超えて加熱しても収量の向上は望めなく、長時間加熱すると、硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの表面に珪素ナノ粒子が付着してしまう。１時間未満であると、硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの収量が低下する。不活性ガスの流量は１００〜２００ｓｃｃｍが好ましく、２００ｓｃｃｍより多量に流す必要はない。１００ｓｃｃｍ未満であると、最終生成物の収量が低下する。
なお、上記いずれの場合の不活性気流については、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス
の流通下であってよい。
の流通下であってよい。
以下に実施例を説明する。もちろん以下の例によって本発明が限定されることはない。
石英管の内側に断熱材のカーボン繊維で覆われたグラファイト製の誘導加熱円筒管を有する縦型高周波誘導加熱炉を反応装置として用い、グラファイト製るつぼの中に、シグマアルドリッチ社製の硫化亜鉛粉末（純度９９．９９％）１．５ｇを入れ、このるつぼを前記の誘導加熱円筒管の中央部に設置した。流量１２０ｓｃｃｍのアルゴンガスを流しながら、１２００℃に１．５時間加熱した。加熱炉を室温に冷却すると、カーボン繊維の表面に直径約５０ナノメートルの硫化亜鉛ナノワイヤーが成長した。
次に、グラファイト製るつぼの中に、シグマアルドリッチ社製の一酸化珪素粉末（３２５メッシュ）１．０ｇを入れ、このるつぼを前記の誘導加熱円筒管の中央部に取り付けた。流量１２０ｓｃｃｍのアルゴンガスを流しながら、１３５０℃に１時間加熱した。加熱終了後、加熱炉を室温に冷却すると、カーボン繊維の表面に硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有する硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーが生成した。
生成した硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーを１０％塩酸水溶液で処理した後、蒸留水、エタノールで洗浄した。
図１に、得られた生成物のＸ線回折のパターンを示した。この回折図から格子定数ａ＝５．４２８Åを有する立方晶系の珪素であることが確認された。図２には、生成物の透過型電子顕微鏡像の写真を示した。この写真から、生成物はナノチューブであり、外径が１２０〜１８０ナノメートル、チューブ壁の厚さが４０〜６０ナノメートルで、ナノチューブの先端が開口していることがわかる。図３は、このナノチューブのＸ線エネルギー拡散スペクトルを示したものであるが、その化学組成は珪素からなることがわかる。図３には、少量の酸素と銅のピークが見られるが、酸素のピークは試料を作製するときに酸素に触れたために現れたもので、銅のピークは試料を作製するときに用いた銅グリッドから由来するものである。先のＸ線回折のパターンと合わせて考えると、ナノチューブは単結晶の珪素で構成されていることが理解される。
本発明により、ナノスケール領域における半導体デバイスへの応用が期待される単結晶珪素ナノチューブを実現するための前駆物質である硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの製造が可能となる。
Claims (3)
- 硫化亜鉛粉末を不活性雰囲気で１１５０〜１２５０℃に加熱し、生成した硫化亜鉛ナノワイヤーを不活性雰囲気で一酸化珪素と１２００〜１４００℃で加熱反応させることにより得られる硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有するナノワイヤーであることを特徴とする硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤー。
- 硫化亜鉛粉末を不活性雰囲気で１１５０〜１２５０℃に加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させ、この硫化亜鉛ナノワイヤーを不活性雰囲気で一酸化珪素と１２００〜１４００℃で加熱反応させ、硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有するナノワイヤーを生成させることを特徴とする硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの製造方法。
- 不活性気体を通じながら、硫化亜鉛粉末を縦型高周波誘導加熱炉中で１１５０〜１２５０℃に１〜２時間加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させた後、一酸化珪素粉末と不活性気流中で１２００〜１４００℃に１〜２時間加熱反応させ、硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有するナノワイヤーを生成させることを特徴とする請求項２に記載の硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの製造方法。
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