JP4837409B2 - Nanoparticle production method - Google Patents

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本発明はナノ粒子の製造技術に関する。   The present invention relates to a technology for producing nanoparticles.

カーボンナノチューブの下地膜(触媒層)や燃料電池への触媒金属担持体として、コバルトナノ粒子が、また固体高分子型燃料電池やメタノール燃料電池などのナノ粒子触媒として白金ナノ粒子が注目されており、同軸型アーク蒸着源を用いて、コバルトナノ粒子や白金ナノ粒子を捕集板上に形成する試みが成されている。   Cobalt nanoparticles are attracting attention as a carbon nanotube underlayer (catalyst layer) and catalytic metal carrier for fuel cells, and platinum nanoparticles are attracting attention as nanoparticle catalysts for polymer electrolyte fuel cells and methanol fuel cells. Attempts have been made to form cobalt nanoparticles and platinum nanoparticles on a collecting plate using a coaxial arc deposition source.

しかし、従来技術では、同軸型アーク蒸着源から例えばコバルト蒸気を発生させる際に、コバルト蒸気と共に溶融コバルトの小滴が真空槽内に放出され、図3(b)に示すように、捕集板上にはコバルトナノ粒子と共に巨大粒子が付着してしまい、コバルトナノ粒子だけを選択的に形成することができなかった。
同軸型アーク蒸着源を用いてナノサイズの微粒子を製造する技術は、例えば下記特許文献1に記載されている。
特開2004−307241号公報
However, in the prior art, when generating, for example, cobalt vapor from a coaxial arc evaporation source, droplets of molten cobalt are discharged into the vacuum chamber together with the cobalt vapor, and as shown in FIG. Coarse particles were attached together with the cobalt nanoparticles, and it was not possible to selectively form only the cobalt nanoparticles.
A technique for producing nano-sized fine particles using a coaxial arc vapor deposition source is described in, for example, Patent Document 1 below.
JP 2004-307241 A

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、ナノ粒子を選択的に形成できる技術を提供すること。   The present invention was created to solve the above-described problems of the prior art, and provides a technique capable of selectively forming nanoparticles.

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、筒状のアノード電極と、前記アノード電極内に配置された蒸発材料を有するカソード電極と、前記アノード電極内に配置され前記カソード電極とは離間されたトリガ電極とを有し、前記トリガ電極と前記カソード電極の間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極の前記蒸発材料と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させるアーク蒸着源を用いるナノ粒子製造方法であって、前記カソード電極に容量が2200μF以下のコンデンサを接続し、前記コンデンサを100V以上800V以下の電圧にして一回300μ秒以下の放電時間で前記アーク放電させ、前記アーク放電の尖頭電流を1800A以上にして前記蒸発材料のナノ粒子を前記真空槽内に放出させるナノ粒子製造方法である。
また、本発明は、前記トリガ放電を複数回繰り返し、前記トリガ放電毎に前記アーク放電を誘起させ、前記蒸発材料のナノ粒子を繰り返し放出させるナノ粒子製造方法である。
また、本発明は、前記トリガ放電は、1秒に一回以上十回以下発生させるナノ粒子製造方法である。
また、本発明は、前記真空槽内を真空排気し、前記真空槽内にヘリウムガスを大気圧よりも低い圧力まで導入し、前記ヘリウムガスの雰囲気中で前記真空槽内に前記蒸発材料のナノ粒子を放出させるナノ粒子製造方法である。
In order to solve the above problems, the present invention relates to a vacuum chamber, a cylindrical anode electrode, a cathode electrode having an evaporation material disposed in the anode electrode, and the cathode electrode disposed in the anode electrode. and a spaced trigger electrode, to generate a trigger discharge between the trigger electrode and the cathode electrode, an arc evaporation source Ru is induce arc discharge between the evaporating material and the anode electrode of the cathode electrode A method for producing nanoparticles, wherein a capacitor having a capacity of 2200 μF or less is connected to the cathode electrode, the capacitor is set to a voltage of 100 V or more and 800 V or less, and the arc discharge is performed once in a discharge time of 300 μsec or less. This is a method for producing nanoparticles by setting the discharge peak current to 1800 A or more and releasing nanoparticles of the evaporating material into the vacuum chamber. .
Moreover, this invention is a nanoparticle manufacturing method which repeats the said trigger discharge in multiple times, induces the said arc discharge for every said trigger discharge, and discharge | releases the nanoparticle of the said evaporation material repeatedly.
Moreover, this invention is a nanoparticle manufacturing method which makes the said trigger discharge generate | occur | produce 1 to 10 times per second.
Further, the present invention evacuates the inside of the vacuum chamber, introduces helium gas into the vacuum chamber to a pressure lower than atmospheric pressure, and in the atmosphere of the helium gas, the nanomaterial of the evaporation material is placed in the vacuum chamber. A method for producing nanoparticles by releasing particles.

本発明では、ナノ粒子の製造に用いる同軸型アーク蒸着源のアーク放電の尖頭電流が1800A以上となるようにコンデンサの配線長を50mm以下と短くし、カソード電極に接続されたコンデンサの容量を2200μF以下とし、放電電圧を100V以上800V以下、放電時間を300μ秒以下に設定して、アーク放電を発生させるようにした。   In the present invention, the wiring length of the capacitor is shortened to 50 mm or less so that the peak current of arc discharge of the coaxial arc deposition source used for the production of nanoparticles is 1800 A or more, and the capacitance of the capacitor connected to the cathode electrode is reduced. Arc discharge was generated by setting the discharge voltage to 2200 μF or less, the discharge voltage to 100 V to 800 V, and the discharge time to 300 μsec or less.

一回のトリガ放電でアーク放電を一回誘起させる。アーク電流が流れる時間は300μ秒以下であるが、コンデンサを充電させる時間が必要なので、トリガ放電を発生させる周期を1〜10Hzにし、その周期でアーク放電を発生させられるようにコンデンサに充電することで、1〜100nm程度のナノ粒子が得られる。   Arc discharge is induced once by one trigger discharge. The arc current flows for 300 μsec or less, but it takes time to charge the capacitor. Therefore, the trigger discharge generation cycle is set to 1 to 10 Hz, and the capacitor is charged so that arc discharge can be generated at that cycle. Thus, nanoparticles having a size of about 1 to 100 nm can be obtained.

小滴による巨大粒子を含まない、1〜100nm程度のナノ粒子を得ることができる。   Nanoparticles of about 1 to 100 nm that do not contain giant particles due to droplets can be obtained.

本発明に用いられるナノ粒子製造装置を図1の符号1で示す。
このナノ粒子製造装置1は、円筒状の真空槽10を有しており、真空槽10内には、基板ステージ17が水平に配置されている。真空槽10には回転導入機構18が気密に挿通されており、真空槽10の外部に配置されたモータ19を動作させると、基板ステージ17が水平面内で回転するように構成されている。
A nanoparticle production apparatus used in the present invention is denoted by reference numeral 1 in FIG.
The nanoparticle manufacturing apparatus 1 has a cylindrical vacuum chamber 10, and a substrate stage 17 is horizontally disposed in the vacuum chamber 10. A rotation introducing mechanism 18 is inserted in the vacuum chamber 10 in an airtight manner, and the substrate stage 17 is configured to rotate in a horizontal plane when the motor 19 disposed outside the vacuum chamber 10 is operated.

基板ステージ17の、鉛直下方に向けられた面には、一乃至複数枚の捕集板20が室温以下に冷却保持されている。
基板ステージ17の、鉛直下方に向けられた面と対面する位置には一乃至複数台の同軸型アーク蒸着源13が配置されている。
One or more collecting plates 20 are cooled and held at a room temperature or lower on the surface of the substrate stage 17 facing vertically downward.
One or a plurality of coaxial arc vapor deposition sources 13 are arranged at a position facing the vertically downward surface of the substrate stage 17.

同軸型アーク蒸着源13の構造を説明すると、各同軸型アーク蒸着源13は、筒状(ここでは円筒状)のアノード電極131と、カソード電極132と、トリガ電極134とを有している。
カソード電極132とトリガ電極134はアノード電極131の内部に配置されている。
The structure of the coaxial arc deposition source 13 will be described. Each coaxial arc deposition source 13 includes a cylindrical (here cylindrical) anode electrode 131, a cathode electrode 132, and a trigger electrode 134.
The cathode electrode 132 and the trigger electrode 134 are disposed inside the anode electrode 131.

カソード電極132は、柱状であり、一端が蒸発材料135で構成され、他端が棒状電極136で構成されている。ここでは蒸発材料135には金属コバルトが用いられており、蒸発材料135は棒状電極136の先端に取りつけられ、放出口137側に配置されている。
カソード電極132は、リング状のトリガ電極134とワッシャ碍子133に挿通されている。
The cathode electrode 132 has a columnar shape, one end is made of an evaporation material 135 and the other end is made of a rod-like electrode 136. Here, metallic cobalt is used for the evaporating material 135, and the evaporating material 135 is attached to the tip of the rod-shaped electrode 136 and arranged on the discharge port 137 side.
The cathode electrode 132 is inserted through a ring-shaped trigger electrode 134 and a washer insulator 133.

ワッシャ碍子133は、蒸発材料135とトリガ電極134の間に配置されており、放出口137側から、蒸発材料135、ワッシャ碍子133、トリガ電極134の順序で並び、棒状電極136は、トリガ電極134よりも放出口137から遠い位置に配置されている。   The washer insulator 133 is disposed between the evaporation material 135 and the trigger electrode 134, and the evaporation material 135, the washer insulator 133, and the trigger electrode 134 are arranged in this order from the discharge port 137 side. It is arrange | positioned in the position far from the discharge outlet 137.

なお、カソード電極132とワッシャ碍子133とトリガ電極134の3つの部品は図中には詳細に示さないがネジで密着させて取り付けられている。アノード電極131はステンレス製である。   Although not shown in detail in the drawing, the three parts of the cathode electrode 132, the washer insulator 133, and the trigger electrode 134 are attached in close contact with screws. The anode electrode 131 is made of stainless steel.

アノード電極131と、トリガ電極134と、カソード電極132とは相互に絶縁されており、カソード電極132はアーク電源141に接続され、トリガ電極134はトリガ電源142に接続され、各電極131、132、134には異なる電圧が印加できるように構成されている。   The anode electrode 131, the trigger electrode 134, and the cathode electrode 132 are insulated from each other, the cathode electrode 132 is connected to the arc power supply 141, the trigger electrode 134 is connected to the trigger power supply 142, and each of the electrodes 131, 132, 134 is configured to be able to apply different voltages.

アーク電源141は、直流電圧源144と、コンデンサユニット145とを有している。コンデンサユニット145の両端は、アノード電極131とカソード電極132に接続されている。コンデンサユニット145と直流電圧源144とは、並列接続されている。   The arc power supply 141 has a DC voltage source 144 and a capacitor unit 145. Both ends of the capacitor unit 145 are connected to the anode electrode 131 and the cathode electrode 132. The capacitor unit 145 and the DC voltage source 144 are connected in parallel.

直流電圧源144は800Vで数Aの電流を流す能力を有しており、コンデンサユニット145は、一定の充電時間で直流電圧源144によって充電されるように構成されている。   The DC voltage source 144 has a capability of flowing a current of several A at 800 V, and the capacitor unit 145 is configured to be charged by the DC voltage source 144 in a fixed charging time.

トリガ電源142はパルストランスから成り、入力200Vのμ秒のパルス電圧を約17倍に昇圧して3.4kV(数μA)にして出力するように構成されており、昇圧された電圧を、カソード電極132に対して正の極性で、トリガ電極134に印加するように接続されている。   The trigger power supply 142 is composed of a pulse transformer, and is configured to boost the input voltage of 200 V μs by about 17 times to output 3.4 kV (several μA). It is connected so as to be applied to the trigger electrode 134 with a positive polarity with respect to the electrode 132.

真空槽10は真空排気系31に接続されており、真空槽10内を真空排気し、10-5Paの真空雰囲気が形成されている。真空排気系31はターボ分子ポンプとロータリポンプで構成されている。
アノード電極131と真空槽10は接地電位に接続されている。
The vacuum chamber 10 is connected to an evacuation system 31, and the inside of the vacuum chamber 10 is evacuated to form a vacuum atmosphere of 10 −5 Pa. The evacuation system 31 includes a turbo molecular pump and a rotary pump.
The anode electrode 131 and the vacuum chamber 10 are connected to the ground potential.

先ず、コンデンサユニット145の容量を2200μFとし、直流電圧源144から100Vの電圧を出力し、その電圧でコンデンサユニット145を充電し、アノード電極131とカソード電極132の間にコンデンサユニット145の充電電圧が印加される。蒸発材料135には、棒状電極136を介して、コンデンサユニット145が出力する負電圧が印加される。   First, the capacity of the capacitor unit 145 is set to 2200 μF, a voltage of 100 V is output from the DC voltage source 144, the capacitor unit 145 is charged with the voltage, and the charging voltage of the capacitor unit 145 is between the anode electrode 131 and the cathode electrode 132. Applied. A negative voltage output from the capacitor unit 145 is applied to the evaporation material 135 via the rod-shaped electrode 136.

その状態で、トリガ電源142から3.4kVのパルス状のトリガ電圧を出力しカソード電極132とトリガ電極134の間に印加すると、ワッシャ碍子133の表面でトリガ放電(沿面放電)が発生する。カソード電極132とワッシャ碍子133のつなぎ目からは電子が放出される。   In this state, when a pulsed trigger voltage of 3.4 kV is output from the trigger power source 142 and applied between the cathode electrode 132 and the trigger electrode 134, trigger discharge (creeping discharge) is generated on the surface of the washer insulator 133. Electrons are emitted from the joint between the cathode electrode 132 and the washer insulator 133.

このトリガ放電によってアノード電極131とカソード電極132の間の耐電圧が低下し、アノード電極131の内周面とカソード電極132の側面との間にアーク放電が発生する。   With this trigger discharge, the withstand voltage between the anode electrode 131 and the cathode electrode 132 decreases, and an arc discharge occurs between the inner peripheral surface of the anode electrode 131 and the side surface of the cathode electrode 132.

コンデンサユニット145に充電された電荷の放電により、尖頭電流が1800A以上のアーク電流が200μ秒程度の時間流れ、カソード電極132の側面からコバルト蒸気が放出され、コバルトのプラズマが形成される。   Due to the discharge of the electric charge charged in the capacitor unit 145, an arc current having a peak current of 1800 A or more flows for about 200 μsec, cobalt vapor is emitted from the side surface of the cathode electrode 132, and cobalt plasma is formed.

この時、コバルトの原子状イオンや、クラスタ化したコバルトにより、数ナノメータのナノ粒子が形成されるカソード電極132の蒸発材料135と棒状電極136はアノード電極131の中心軸線上に配置されており、アーク電源141は、棒状電極136の蒸発材料135とは反対側の端部に接続されており、アーク電流は、棒状電極136の中心軸線上を流れ、アノード電極131内に磁界が形成される。   At this time, the evaporation material 135 and the rod-shaped electrode 136 of the cathode electrode 132 in which nanoparticles of several nanometers are formed by cobalt atomic ions or clustered cobalt are disposed on the central axis of the anode electrode 131. The arc power supply 141 is connected to the end of the rod-shaped electrode 136 opposite to the evaporation material 135, and the arc current flows on the central axis of the rod-shaped electrode 136, and a magnetic field is formed in the anode electrode 131.

アノード電極131内に放出された電子は、アーク電流によって形成される磁界により、電流が流れる向きとは逆向きのローレンツ力を受け、放出口137から真空槽10内に放出される。   The electrons emitted into the anode electrode 131 are subjected to a Lorentz force in the direction opposite to the direction in which the current flows due to the magnetic field formed by the arc current, and are emitted from the emission port 137 into the vacuum chamber 10.

カソード電極132から放出されたコバルト蒸気にはイオン(荷電粒子)と中性粒子が含まれるが、電荷質量比の小さい(電荷が質量に比べて小さい)液滴などの巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極131の壁面に衝突するが、電荷質量比の大きな荷電粒子は、クーロン力によって電子に引き付けられ、アノード電極131の放出口137から真空槽10内に放出される。   Cobalt vapor emitted from the cathode electrode 132 includes ions (charged particles) and neutral particles, but giant charged particles and neutral particles such as droplets having a small charge-mass ratio (charge is smaller than mass). Goes straight and collides with the wall surface of the anode electrode 131, but charged particles having a large charge-mass ratio are attracted to electrons by the Coulomb force and discharged into the vacuum chamber 10 from the discharge port 137 of the anode electrode 131.

各同軸型アーク蒸着源13と100mm離れた上方の位置には、基板ステージ17に室温以下に冷却保持された捕集板20が、基板ステージ17の中心を中心とする同心円上を回転移動しながら通過しており、真空槽10内に放出されたコバルト蒸気イオンが捕集板20の表面に到達すると、ナノメータオーダーのコバルトナノ粒子として、そこに付着する。   At a position 100 mm away from each coaxial arc vapor deposition source 13, a collection plate 20 cooled and held at room temperature or lower by the substrate stage 17 rotates and moves on a concentric circle centered on the center of the substrate stage 17. When the cobalt vapor ions passing through and released into the vacuum chamber 10 reach the surface of the collecting plate 20, they adhere to the nanometer-order cobalt nanoparticles.

1回のトリガ放電でアーク放電が一回誘起され、アーク電流が300μ秒流れる。
上記コンデンサユニット145の充電時間が約1秒である場合、1Hzの周期でアーク放電を発生させることができる。
所望回数のアーク放電を発生させ、捕集板20の表面に形成されたコバルトナノ粒子は、捕集板20の表面に付着した状態で回収される。
An arc discharge is induced once by one trigger discharge, and an arc current flows for 300 μsec.
When the charging time of the capacitor unit 145 is about 1 second, arc discharge can be generated with a period of 1 Hz.
The desired number of arc discharges are generated, and the cobalt nanoparticles formed on the surface of the collecting plate 20 are collected in a state of being attached to the surface of the collecting plate 20.

図1の符号W1は、コンデンサユニット145とカソード電極132とを接続する配線の配線長を示しており、符号W2は、コンデンサユニット145とアノード電極131とを接続する配線の配線長を示している。 Code W 1 in FIG. 1 shows the wiring length of the wiring connecting the capacitor unit 145 and the cathode electrode 132, reference numeral W 2 indicates the wiring length of the wiring connecting the capacitor unit 145 and the anode electrode 131 ing.

図2(a)は、コンデンサユニットの容量を2200μF、放電電圧を100Vとし、コンデンサユニット145とカソード電極132との間の配線長L(L=W1+W2)を50mmとしたときのアーク放電の波形であり、同図(b)は、そのときの捕集板20の表面のSEM写真である。 FIG. 2A shows arc discharge when the capacitance of the capacitor unit is 2200 μF, the discharge voltage is 100 V, and the wiring length L (L = W 1 + W 2 ) between the capacitor unit 145 and the cathode electrode 132 is 50 mm. FIG. 5B is a SEM photograph of the surface of the collecting plate 20 at that time.

図3(a)は、コンデンサユニット145の容量を8800μFとし、コンデンサユニット145とカソード電極132との間の配線長を1mとしたときのアーク放電の波形であり、同図(b)は、そのときの捕集板20の表面のSEM写真である。   FIG. 3A shows a waveform of arc discharge when the capacitance of the capacitor unit 145 is 8800 μF and the wiring length between the capacitor unit 145 and the cathode electrode 132 is 1 m, and FIG. It is a SEM photograph of the surface of the collecting plate 20 at the time.

図2(a)と図3(a)を比較すると、配線長Lが50mmの場合のアーク放電の尖頭電流は1850Aで放電時間は250μ秒なのに対し、1mの場合は尖頭電流が1950Aであるが、放電時間は500μ秒となっている。
図2(b)と図3(b)を比較すると、1mの場合に観察される直径数μmの小滴は、50mの場合は殆ど観察されなくなっている。
Comparing FIG. 2 (a) and FIG. 3 (a), when the wiring length L is 50 mm, the peak current of arc discharge is 1850A and the discharge time is 250 μsec, whereas when 1 m, the peak current is 1950A. However, the discharge time is 500 μs.
Comparing FIG. 2 (b) and FIG. 3 (b), a droplet having a diameter of several μm observed in the case of 1 m is hardly observed in the case of 50 mm .

容量2200μF、配線超50mmにし、アーク放電を2回、5回、又は10回発生させ、アモルファスカーボンから成る捕集板20の表面にコバルトナノ粒子を付着させた。2回、5回、10回の場合のTEM写真を図4(a)、(b)、図5(a)、(b)、図6(a)、(b)にそれぞれ示す。
また、それらの捕集板20表面のEELS(Electron Energy-Loss Spectroscopy)データを図7、図8、図9に示す。
The capacity was set to 2200 μF, the wiring was super 50 mm, and arc discharge was generated twice, five times, or ten times to attach cobalt nanoparticles to the surface of the collection plate 20 made of amorphous carbon. FIGS. 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, and 6B show TEM photographs in the case of 2 times, 5 times, and 10 times, respectively.
Further, EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy) data on the surface of the collection plate 20 are shown in FIGS.

図4(a)、(b)から、2回のトリガ放電ではナノ粒子は観察されていないが、図7のグラフでは僅かに検出されており、基板上にコバルトが存在していることがわかる。   4 (a) and 4 (b), nanoparticles are not observed in the two trigger discharges, but are slightly detected in the graph of FIG. 7, and it can be seen that cobalt is present on the substrate. .

それに対し、図5(a)、(b)から、アーク放電を5回発生させると明らかにコバルトナノ粒子が観察されている。図8のEELSのグラフからも検出が確認できる。   On the other hand, from FIGS. 5A and 5B, cobalt nanoparticles are clearly observed when arc discharge is generated five times. Detection can also be confirmed from the EELS graph of FIG.

さらに、図6(a)、(b)から、アーク放電を10回発生させると、明らかに5回の場合よりもコバルトナノ粒子の密度が多くなっていることが判る。図9のEELSのグラフでも、5回の場合よりも信号強度が高くなっている。   Further, from FIGS. 6 (a) and 6 (b), it is clear that when the arc discharge is generated 10 times, the density of the cobalt nanoparticles is obviously higher than that in the case of 5 times. Also in the EELS graph of FIG. 9, the signal intensity is higher than in the case of five times.

図10は、図6(b)の拡大TEM写真である。この図10から、約5nmのコバルトナノ粒子が均一にばら撒かれていることが分かる。
なお、上記各例では、真空槽10内にガスを導入せず、高真空雰囲気中でコバルトナノ粒子を発生させたが、上記真空槽10にはガス導入系32が接続されており、真空槽10内にコバルトに対して不活性なガスを、不図示のマスフローコントローラより、流量制御しながら導入し、導入ガス雰囲気中でコバルトナノ粒子を製造することができる。
FIG. 10 is an enlarged TEM photograph of FIG. From FIG. 10, it can be seen that about 5 nm of cobalt nanoparticles are uniformly dispersed.
In each of the above examples, the gas was not introduced into the vacuum chamber 10 and cobalt nanoparticles were generated in a high vacuum atmosphere. However, a gas introduction system 32 was connected to the vacuum chamber 10, and the vacuum chamber A gas inert to cobalt can be introduced into 10 while controlling the flow rate from a mass flow controller (not shown) to produce cobalt nanoparticles in an introduced gas atmosphere.

ここではガス導入系32はヘリウムガスボンベを有しており、真空排気しながら流量5sccmでヘリウムガスを導入し、真空槽10の内部を10Torr以上の導入ガス雰囲気にした。   Here, the gas introduction system 32 has a helium gas cylinder, helium gas was introduced at a flow rate of 5 sccm while evacuating, and the inside of the vacuum chamber 10 was made an introduction gas atmosphere of 10 Torr or more.

コンデンサの容量は300μF〜1100μFに設定されており、400V〜800Vの放電電圧で、アーク放電を発生させると、コバルト蒸気が真空槽10内に放出され、捕集板20に向かって飛行する。
そのコバルト蒸気は真空槽内に充満するヘリウムガスに衝突してエネルギーが低下して凝集し、均一なコバルトナノ粒子が形成される。
The capacitance of the capacitor is set to 300 μF to 1100 μF. When arc discharge is generated at a discharge voltage of 400 V to 800 V, cobalt vapor is released into the vacuum chamber 10 and flies toward the collection plate 20.
The cobalt vapor collides with the helium gas filled in the vacuum chamber, and the energy is reduced and agglomerates to form uniform cobalt nanoparticles.

なお、真空槽内に導入するガスはヘリウムガスに限定されるものではなく、コバルトに対して不活性なガスであればよい。また、導入ガスは冷却しておくと、直径が小さなコバルトナノ粒子が得られる。   The gas introduced into the vacuum chamber is not limited to helium gas, but may be any gas that is inert to cobalt. Further, when the introduced gas is cooled, cobalt nanoparticles having a small diameter can be obtained.

また、本発明は、上記のコバルトに限ったことではなく、例えばPt(白金)についても同様にナノ粒子を形成することができる。上記コバルトの場合と同様に図1のナノ粒子製造装置1を使用し、同軸型アーク蒸着源13の蒸発材料135に白金(99.95%)を用い、コンデンサの容量を2200μF、放電電圧400Vで10回放電させ、同軸型アーク蒸着源13から80mm離れた位置に設けたアモルファスカーボンから成る捕集板20の表面に白金ナノ粒子を付着させた。このとき、捕集板20は室温以下に冷却されており、アーク放電の尖頭電流は2000Aで、放電時間は200μ秒であった。また、得られた白金ナノ粒子のTEM写真を図11に示す。   In addition, the present invention is not limited to the above cobalt, and nanoparticles can be formed similarly for Pt (platinum), for example. As in the case of cobalt, the nanoparticle production apparatus 1 of FIG. 1 is used, platinum (99.95%) is used as the evaporation material 135 of the coaxial arc evaporation source 13, the capacitance of the capacitor is 2200 μF, and the discharge voltage is 400V. The discharge was performed 10 times, and platinum nanoparticles were adhered to the surface of the collection plate 20 made of amorphous carbon provided at a position 80 mm away from the coaxial arc vapor deposition source 13. At this time, the collection plate 20 was cooled to room temperature or lower, the peak current of the arc discharge was 2000 A, and the discharge time was 200 μsec. Moreover, the TEM photograph of the obtained platinum nanoparticle is shown in FIG.

図11から明らかなように、直径2〜3nmで粒径の揃った白金のナノ粒子が均一に分散付着していることがわかる。
さらに、コバルトや白金以外の金属材料、半導体材料、非金属(溶融可能なもの)でも、本発明の方法によればナノ粒子の形成が可能である。
As is clear from FIG. 11, it can be seen that platinum nanoparticles having a diameter of 2 to 3 nm and a uniform particle diameter are uniformly dispersed and adhered.
Furthermore, even with metal materials other than cobalt and platinum, semiconductor materials, and non-metals (meltable materials), nanoparticles can be formed according to the method of the present invention.

本発明は、カーボンナノチューブの下地膜(触媒層)や燃料電池への触媒金属担持に使用される。   The present invention is used for supporting a catalytic metal on a carbon nanotube base film (catalyst layer) or a fuel cell.

本発明に用いられるナノ粒子製造装置Nanoparticle production apparatus used in the present invention (a):本発明(容量2200μF、配線長50mの場合)の電圧波形 (b):その場合の捕集板表面のSEM写真(a): Voltage waveform of the present invention (capacitance 2200 μF, wiring length 50 mm ) (b): SEM photograph of collection plate surface in that case (a):従来技術(容量8800μF、配線長1mの場合)の電圧波形 (b):その場合の捕集板表面のSEM写真(a): Voltage waveform of conventional technology (capacitance 8800 μF, wiring length 1 m) (b): SEM photograph of collection plate surface in that case (a)、(b):アーク放電を2回発生させた場合の捕集板表面のTEM写真(a), (b): TEM photograph of the collector plate surface when arc discharge is generated twice (a)、(b):アーク放電を5回発生させた場合の捕集板表面のTEM写真(a), (b): TEM photograph of the surface of the collecting plate when arc discharge is generated five times (a)、(b):アーク放電を10回発生させた場合の捕集板表面のTEM写真(a), (b): TEM photograph of the surface of the collecting plate when arc discharge is generated 10 times アーク放電を2回発生させた場合の捕集板表面のEELSデータEELS data on the surface of the collecting plate when arc discharge is generated twice アーク放電を5回発生させた場合の捕集板表面のEELSデータEELS data on the surface of the collecting plate when arc discharge is generated 5 times アーク放電を10回発生させた場合の捕集板表面のEELSデータEELS data on the surface of the collecting plate when arc discharge is generated 10 times 図6(b)の拡大TEM写真Enlarged TEM picture of Fig. 6 (b) 白金ナノ粒子のTEM写真TEM picture of platinum nanoparticles

符号の説明Explanation of symbols

10……真空槽
131……アノード電極
132……カソード電極
134……トリガ電極
10 …… Vacuum chamber 131 …… Anode electrode 132 …… Cathode electrode 134 …… Trigger electrode

Claims (4)

真空槽と、
筒状のアノード電極と、
前記アノード電極内に配置された蒸発材料を有するカソード電極と、
前記アノード電極内に配置され前記カソード電極とは離間されたトリガ電極とを有し、前記トリガ電極と前記カソード電極の間にトリガ放電を発生させ、前記カソード電極の前記蒸発材料と前記アノード電極の間にアーク放電を誘起させるアーク蒸着源を用いるナノ粒子製造方法であって、
前記カソード電極に容量が2200μF以下のコンデンサを接続し、
前記コンデンサを100V以上800V以下の電圧にして一回300μ秒以下の放電時間で前記アーク放電させ、
前記アーク放電の尖頭電流を1800A以上にして前記蒸発材料のナノ粒子を前記真空槽内に放出させるナノ粒子製造方法。
A vacuum chamber;
A cylindrical anode electrode;
A cathode electrode having an evaporating material disposed within the anode electrode;
A trigger electrode disposed in the anode electrode and spaced apart from the cathode electrode, generating a trigger discharge between the trigger electrode and the cathode electrode, and the evaporation material of the cathode electrode and the anode electrode a nanoparticle manufacturing method using the arc evaporation source Ru is induce arc discharge between,
A capacitor having a capacity of 2200 μF or less is connected to the cathode electrode;
The capacitor is set to a voltage of 100 V or more and 800 V or less and the arc discharge is performed once in a discharge time of 300 μsec or less
A method for producing nanoparticles, wherein a peak current of the arc discharge is set to 1800 A or more and nanoparticles of the evaporating material are released into the vacuum chamber.
前記トリガ放電を複数回繰り返し、前記トリガ放電毎に前記アーク放電を誘起させ、前記蒸発材料のナノ粒子を繰り返し放出させる請求項1記載のナノ粒子製造方法。   The nanoparticle manufacturing method according to claim 1, wherein the trigger discharge is repeated a plurality of times, the arc discharge is induced for each trigger discharge, and the nanoparticles of the evaporation material are repeatedly released. 前記トリガ放電は、1秒に一回以上十回以下発生させる請求項2記載のナノ粒子製造方法。   The method for producing nanoparticles according to claim 2, wherein the trigger discharge is generated once or more and not more than 10 times per second. 前記真空槽内を真空排気し、前記真空槽内にヘリウムガスを大気圧よりも低い圧力まで導入し、
前記ヘリウムガスの雰囲気中で前記真空槽内に前記蒸発材料のナノ粒子を放出させる請求項1乃至請求項のいずれか1項記載のナノ粒子製造方法。
Evacuating the inside of the vacuum chamber, introducing helium gas into the vacuum chamber to a pressure lower than atmospheric pressure,
The nanoparticle manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 , wherein nanoparticles of the evaporating material are released into the vacuum chamber in the atmosphere of the helium gas.
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