JP5533862B2 - Gas generating apparatus and gas generating method - Google Patents

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Description

本発明は一般にガス処理装置に係り、特に一酸化炭素あるいは水素ガス発生装置、および一酸化炭素ガスあるいは水素ガス発生方法に関する。   The present invention generally relates to a gas processing apparatus, and more particularly to a carbon monoxide or hydrogen gas generator and a carbon monoxide gas or hydrogen gas generation method.

二酸化炭素ガス(CO)は主要な温室効果ガスの一つであり、大気中における二酸化炭素ガスの増加が地球温暖化などの原因であると言われている。そこで二酸化炭素ガスを大気中から除去したり、除去した二酸化炭素ガスを処理したりする技術が研究されている。Carbon dioxide gas (CO 2 ) is one of the major greenhouse gases, and it is said that an increase in carbon dioxide gas in the atmosphere is responsible for global warming and the like. Therefore, techniques for removing carbon dioxide gas from the atmosphere and treating the removed carbon dioxide gas have been studied.

例えば発電所や工場などから排出した二酸化炭素ガスを捕獲し、これを海底下に埋め込んで貯蔵したり、液化させたり、固化させたりする、いわゆる二酸化炭素貯留(carbon capture and storage)技術は、大気中から大量の二酸化炭素を除去できる可能性がある技術である。   For example, the so-called carbon capture and storage technology that captures carbon dioxide gas emitted from power plants and factories and embeds it under the seafloor for storage, liquefaction, and solidification is used in the atmosphere. This technology has the potential to remove large amounts of carbon dioxide from the inside.

特開平9−876号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-876 特開2002−120860号公報JP 2002-120860 A 特開平5−293364号公報JP-A-5-293364 特開2006−298707号公報JP 2006-298707 A 特許第2931340号Japanese Patent No. 2931340 特開2003−88344号公報JP 2003-88344 A 特開平8−54364号公報JP-A-8-54364

International Herald Tribune, 2007年2月12日号International Herald Tribune, February 12, 2007 Saito, Y., et al., Fuel Cell vol.5, No.2, 2005Saito, Y., et al., Fuel Cell vol.5, No.2, 2005

一方、大気や環境から除去された二酸化炭素ガスを、貯蔵が可能で他のガスと反応でき、あるいは燃料電池などの機器に供給できる別の形態あるいは別の化合物に変換する技術が安価に実現できれば、社会的に大きなインパクトが得られると考えられる。   On the other hand, if carbon dioxide gas removed from the atmosphere and environment can be stored and reacted with other gases, or converted to another form or compound that can be supplied to equipment such as a fuel cell, it can be realized at low cost. It is thought that a great social impact can be obtained.

水素ガスは今日、燃料電池などのエネルギ分野や化学工業など、様々な分野で使われている。従来水素ガスは、天然ガスからの抽出を除けば、主に水の電気分解により製造されている。しかし、水の電気分解には、多量の電気エネルギが必要とされる。一方、大気中に含まれる水蒸気から安価に水素ガスを抽出する技術が実現できれば、一酸化炭素ガスの場合と同様に、大きな社会的インパクトが得られると考えられる。   Today, hydrogen gas is used in various fields such as energy fields such as fuel cells and the chemical industry. Conventionally, hydrogen gas is mainly produced by electrolysis of water except for extraction from natural gas. However, electrolysis of water requires a large amount of electrical energy. On the other hand, if a technique for extracting hydrogen gas at low cost from water vapor contained in the atmosphere can be realized, it is considered that a great social impact can be obtained as in the case of carbon monoxide gas.

一の側面によればガス発生装置は、処理空間を画成し、前記処理空間中に支持体を保持した処理容器と、前記処理容器に結合され前記処理空間を排気する排気系と、前記支持体上に形成され、酸素欠陥を含んだペロブスカイト構造の金属酸化物膜と、前記処理空間に二酸化炭素または水よりなる原料化合物の分子を含む原料ガスを供給する原料ガス供給ポートと、前記処理空間から、前記原料化合物から酸素原子を除去した製品化合物の分子を含む製品ガスを排出するガス取り出しポートと、前記支持体を加熱する加熱部と、を含み,前記金属酸化物膜は、BaSrO 3−δ ,Ba(Sr,Ti)O 3−δ ,BaTiO x−δ ,SrTiO 3−δ ,Pb(Zr,Ti)O 3−δ ,CaTiO x, PbTiO よりなる群から選ばれるAccording to one aspect, a gas generator defines a processing space, a processing container holding a support in the processing space, an exhaust system coupled to the processing container and exhausting the processing space, and the support A metal oxide film having a perovskite structure formed on the body and containing oxygen defects, a raw material gas supply port for supplying a raw material gas containing molecules of a raw material compound made of carbon dioxide or water to the processing space, and the processing space from a gas take-out port for discharging the product gas comprising molecules of product compound to remove oxygen atom from the starting compounds, see containing a heating unit, the heating of the support, the metal oxide film, BaSrO 3 It is selected from the group consisting of −δ , Ba (Sr, Ti) O 3−δ , BaTiO x−δ , SrTiO 3−δ , Pb (Zr, Ti) O 3−δ , CaTiO x and PbTiO x .

他の側面によればガス発生方法は、処理空間を画成し、前記処理空間中に支持体を保持した処理容器と、前記支持体上に形成され、酸素欠陥を含んだペロブスカイト構造の金属酸化物膜と、前記処理容器に設けられ、前記処理空間に前記処理容器の外部から二酸化炭素または水よりなる原料化合物分子含む原料ガスを供給する原料ガス供給ポートと、前記処理容器に設けられ、前記金属酸化物膜の表面で発生した、前記原料化合物から酸素原子が除去された製品化合物を分子の形で含む製品ガスを前記処理空間から取り出すガス取り出しポートと、前記支持体を熱する加熱部と、を含むガス発生装置を使ったガス発生方法であって、前記金属酸化物膜は、BaSrO 3−δ ,Ba(Sr,Ti)O 3−δ ,BaTiO x−δ ,SrTiO 3−δ ,Pb(Zr,Ti)O 3−δ ,CaTiO x, PbTiO よりなる群から選ばれ,(A)前記処理空間を排気する工程と、(B)前記処理空間中に前記原料ガス供給ポートを介して前記原料ガスを導入し、前記原料化合物を前記金属酸化物膜により前記製品化合物に解離させる工程と、(C)前記製品ガスを、前記処理空間から前記処理容器の外へ、前記ガス取り出しポートから取り出す工程と、を含み、さらに(D)前記工程(A)〜(C)の後、前記基体を加熱して前記金属酸化物膜から酸素を放出させる工程を含む。

According to another aspect, a gas generation method defines a processing space, a processing container holding a support in the processing space, and a metal oxide having a perovskite structure formed on the support and including oxygen defects. and objects film, provided on said processing vessel, a raw material gas supply ports for supplying a raw material gas containing a molecule of external consisting of carbon dioxide or water from the starting compound of the process vessel into the processing space, provided in the processing container A gas take-out port for taking out from the processing space a product gas which is generated on the surface of the metal oxide film and contains a product compound in which oxygen atoms are removed from the raw material compound in the form of molecules; and heating for heating the support and parts, a gas generating method using gas generator comprising the metal oxide film, BaSrO 3-δ, Ba ( Sr, Ti) O 3-δ, BaTiO x-δ, SrTi 3-δ, Pb (Zr, Ti) O 3-δ, CaTiO x, selected from the group consisting of PbTiO x, (A) a step of evacuating the processing space, (B) the raw material gas into the processing space Introducing the raw material gas through a supply port, dissociating the raw material compound into the product compound by the metal oxide film, and (C) the product gas from the processing space to the outside of the processing container, And (D) after the steps (A) to (C), the substrate is heated to release oxygen from the metal oxide film.

ガス発生装置は酸素欠陥を含んだペロブスカイト構造の金属酸化物膜を含んでいるため、処理容器中に導入された二酸化炭素ガスや水の分子は、分子中の酸素原子を前記金属酸化物膜の酸素欠陥に捕獲され、一酸化炭素分子や水素分子に解離する。   Since the gas generator includes a metal oxide film having a perovskite structure containing oxygen defects, carbon dioxide gas or water molecules introduced into the processing vessel can absorb oxygen atoms in the molecules of the metal oxide film. It is trapped by oxygen defects and dissociates into carbon monoxide molecules and hydrogen molecules.

SrTiO結晶における表面状態密度(SDOS)を示すグラフである。SrTiO 3 is a graph showing the surface state density (SDOS) in the crystal. 第1の実施形態による一酸化炭素ガス生成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the carbon monoxide gas production | generation apparatus by 1st Embodiment. 図2の一酸化炭素ガス生成装置を使った第1の実施形態による一酸化炭素の生成プロセスを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the production | generation process of the carbon monoxide by 1st Embodiment using the carbon monoxide gas production | generation apparatus of FIG. 図2の一酸化炭素ガス生成装置において生成される一酸化炭素ガスをTDS法により検出した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having detected the carbon monoxide gas produced | generated in the carbon monoxide gas production | generation apparatus of FIG. 2 by TDS method. 図2の一酸化炭素ガス生成装置を使った第2の実施形態による一酸化炭素の生成プロセスを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the production | generation process of the carbon monoxide by 2nd Embodiment using the carbon monoxide gas production | generation apparatus of FIG. 第3の実施形態による一酸化炭素ガス生成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the carbon monoxide gas production | generation apparatus by 3rd Embodiment. 図6の一酸化炭素ガス生成装置を使った第3の実施形態による一酸化炭素の生成プロセスを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the production | generation process of the carbon monoxide by 3rd Embodiment using the carbon monoxide gas production | generation apparatus of FIG. 第4の実施形態による一酸化炭素ガス生成装置の一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of carbon monoxide gas production | generation apparatus by 4th Embodiment. 図8に示す一つの部材の断面図である。It is sectional drawing of one member shown in FIG. 第4の実施形態による一酸化炭素ガス生成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the carbon monoxide gas production | generation apparatus by 4th Embodiment. 図10に示す一つの部材の断面図である。It is sectional drawing of one member shown in FIG. 図11Aの一変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of FIG. 11A. 第4の実施形態の一変形例を示す図である。It is a figure which shows one modification of 4th Embodiment. 第5の実施形態による一酸化炭素ガス生成装置の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of carbon monoxide gas production | generation apparatus by 5th Embodiment. 第6の実施形態に関連して、SrTiO結晶における表面状態密度(SDOS)を示すグラフである。In connection with the sixth embodiment, it is a graph showing the surface state density (SDOS) in SrTiO 3 crystal. 第6の実施形態を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining 6th Embodiment. 第6の実施形態において生成される水素ガスをTDS法により検出した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having detected the hydrogen gas produced | generated in 6th Embodiment by TDS method. 第7の実施形態による水素ガス生成装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hydrogen gas production | generation apparatus by 7th Embodiment. 図17の水素ガス生成装置で使われるガス貯蔵タンクを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the gas storage tank used with the hydrogen gas production | generation apparatus of FIG. 第7の実施形態による水素ガス生成プロセスを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the hydrogen gas production | generation process by 7th Embodiment. 図19のフローチャートに対応した図17の水素ガス生成装置におけるガス経路の切換を説明する図(その1)である。It is FIG. (1) explaining switching of the gas path | route in the hydrogen gas production | generation apparatus of FIG. 17 corresponding to the flowchart of FIG. 図19のフローチャートに対応した図17の水素ガス生成装置におけるガス経路の切換を説明する図(その2)である。It is FIG. (2) explaining switching of the gas path | route in the hydrogen gas production | generation apparatus of FIG. 17 corresponding to the flowchart of FIG. 図19のフローチャートに対応した図17の水素ガス生成装置におけるガス経路の切換を説明する図(その3)である。It is FIG. (3) explaining switching of the gas path | route in the hydrogen gas production | generation apparatus of FIG. 17 corresponding to the flowchart of FIG. 図19のフローチャートに対応した図17の水素ガス生成装置におけるガス経路の切換を説明する図(その4)である。It is FIG. (4) explaining switching of the gas path | route in the hydrogen gas production | generation apparatus of FIG. 17 corresponding to the flowchart of FIG.

[第1の実施形態]
図1は、SrTiO結晶に対して第1原理計算により求めた表面状態密度(SDOS)の表面状態密度を示している。ただし図1の下側の図は、前記SrTiO3結晶の表面に酸素欠損が生じている場合の表面状態密度を示し、実際にはSrTiO3結晶表面で酸素O2p軌道が形成する価電子帯の表面状態密度を表している。図1の下側の図の状態を以下、「初期状態」と称することにする。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows the surface state density of the surface state density (SDOS) obtained by the first principle calculation for the SrTiO 3 crystal. However under the side view of FIG. 1, the SrTiO 3 shows the surface state density when oxygen vacancies on the surface of the crystal occurs, in fact, the surface of the valence band of oxygen O2p orbit formed by SrTiO 3 crystal surface It represents the density of states. The state shown in the lower part of FIG. 1 is hereinafter referred to as “initial state”.

一方図1の上側の図は、前記SrTiO3結晶表面の酸素欠損が、CO2分子の酸素原子を捕獲している場合の表面状態密度を示しており、前記O2p軌道が形成する価電子帯の表面状態密度の寄与と、前記酸素欠損に捕獲された酸素原子およびCO2から派生したCO分子の表面状態密度の寄与を含んでいる。図1の上側の図の状態を以下、「最終状態」と称することにする。なお図1においてEはフェルミ準位、Eはエネルギである。On the other hand, the upper diagram in FIG. 1 shows the surface state density when the oxygen deficiency on the surface of the SrTiO 3 crystal captures the oxygen atom of the CO 2 molecule, and the valence band formed by the O2p orbital. It includes the contribution of the surface state density and the contribution of the surface state density of CO molecules derived from oxygen atoms and CO 2 trapped in the oxygen vacancies. The state shown in the upper diagram of FIG. 1 is hereinafter referred to as a “final state”. Note E F is the Fermi level in FIG. 1, E is the energy.

さらに図1の表面状態密度から密度汎関数理論(density functional theory)を使って、前記SrTiO3結晶の全エネルギを、前記「初期状態」および「終状態」についてそれぞれEiおよびEfとして、計算したところ、Efの値はEiの値よりも2.1eV小さく(Ef−Ei=−2.1eV)、このような表面に酸素欠損を有するSrTiO3結晶を二酸化炭素ガスに曝露すると、二酸化炭素ガス分子が解離して酸素原子が酸素欠陥に捕獲されることが示された。Further, the total energy of the SrTiO 3 crystal was calculated as Ei and Ef for the “initial state” and “final state”, respectively, from the surface state density of FIG. 1 using density functional theory. The value of Ef is 2.1 eV smaller than the value of Ei (Ef−Ei = −2.1 eV), and when an SrTiO 3 crystal having such an oxygen vacancy is exposed to carbon dioxide gas, carbon dioxide gas molecules are It was shown that oxygen atoms were trapped by oxygen defects upon dissociation.

そこで本発明の発明者は、上記の予測を確認する実験を、SrTiO3単結晶について、図2に示す装置10を一酸化炭素ガス発生装置として使って行った。Therefore, the inventor of the present invention conducted an experiment to confirm the above prediction using the apparatus 10 shown in FIG. 2 as a carbon monoxide gas generator for SrTiO 3 single crystal.

図2を参照するに、一酸化炭素ガス発生装置10は排気ポート11Aから図示しない排気系により排気される処理空間110を画成する処理容器11を有し、前記処理空間にはヒータ11Hを有する基板保持台11Bが配設されている。   Referring to FIG. 2, the carbon monoxide gas generator 10 includes a processing container 11 that defines a processing space 110 that is exhausted from an exhaust port 11A by an exhaust system (not shown), and the processing space includes a heater 11H. A substrate holder 11B is provided.

さらに前記処理容器11には、酸素ガスを、バルブ12aを介して供給する第1のガス供給ポート11aと、水素ガスを、バルブ12bを介して供給する第2のガス供給ポート11bと、二酸化炭素ガスを、バルブ12cを介して供給する第3のガス供給ポート(原料ガス供給ポート)11cと、さらにアルゴンなどの不活性パージガスを、バルブ12dを介して供給する第4のガス供給ポート11dが形成されている。ここで前記二酸化炭素ガスは、原料化合物の分子として二酸化炭素分子を含む原料ガスを構成する。   Further, the processing container 11 has a first gas supply port 11a for supplying oxygen gas via a valve 12a, a second gas supply port 11b for supplying hydrogen gas via a valve 12b, and carbon dioxide. A third gas supply port (raw material gas supply port) 11c for supplying gas via a valve 12c and a fourth gas supply port 11d for supplying an inert purge gas such as argon via a valve 12d are formed. Has been. Here, the carbon dioxide gas constitutes a raw material gas containing carbon dioxide molecules as molecules of the raw material compound.

さらに図2の一酸化炭素ガス発生装置10では前記処理容器11に、前記処理容器11内部で生じた一酸化炭素ガスを含むガスを取り出すためのガス取り出しポート11Cが設けられており、前記ガス取り出しポート11Cから取り出された一酸化炭素ガスを含むガスは、切り替えバルブ15を介して外部の貯蔵タンク(図示せず)へと供給され、あるいは分析のため、質量分析計14へと送られる。ここで前記一酸化炭素ガスは製品化合物の分子として一酸化炭素分子を含む製品ガスを構成する。前記製品化合物は、前記原料化合物から酸素原子が1個除去した化合物である。   Further, in the carbon monoxide gas generator 10 of FIG. 2, the processing container 11 is provided with a gas extraction port 11 </ b> C for extracting a gas containing carbon monoxide gas generated inside the processing container 11. The gas containing carbon monoxide gas taken out from the port 11C is supplied to an external storage tank (not shown) via the switching valve 15, or sent to the mass spectrometer 14 for analysis. Here, the carbon monoxide gas constitutes a product gas containing carbon monoxide molecules as molecules of the product compound. The product compound is a compound obtained by removing one oxygen atom from the raw material compound.

図3は、上記実験の手順を示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the experiment.

図3を参照するに、最初に市販の(001)主面を有するSrTiO3単結晶基板が前記基板保持台11B上に基板Wとして載置され、ステップ1においてまず全てのバルブ12a〜12dおよび切り替えバルブ15を閉じ、前記処理容器11の前記処理空間110を、前記排気ポート11Aを介して排気して減圧する。Referring to FIG. 3, a commercially available SrTiO 3 single crystal substrate having a (001) main surface is first placed as a substrate W on the substrate holder 11B. In step 1, first, all valves 12a to 12d and switching are performed. The valve 15 is closed, and the processing space 110 of the processing container 11 is exhausted through the exhaust port 11A and depressurized.

次に前記バルブ13を閉じ、さらに前記バルブ12b〜12dおよび切り替え15を閉じたまま前記バルブ12aを開き、前記処理容器11中の前記処理空間110に酸素ガスを導入する。また同時に前記ヒータ11Hを駆動して前記基板Wの温度を100℃〜1500℃の温度に加熱し、前記基板Wの表面に存在していた酸素欠損を補償する。これにより、前記基板Wの表面が初期化される。   Next, the valve 13 is closed, and the valve 12a is opened while the valves 12b to 12d and the switch 15 are closed, and oxygen gas is introduced into the processing space 110 in the processing container 11. At the same time, the heater 11H is driven to heat the substrate W to a temperature of 100 ° C. to 1500 ° C. to compensate for oxygen vacancies existing on the surface of the substrate W. Thereby, the surface of the substrate W is initialized.

なおこの初期化工程は省略することも可能である。   Note that this initialization step can be omitted.

次にステップ2において前記バルブ12a〜12cおよび切り替えバルブ15を閉じた状態で、前記処理容器11中、前記処理空間110にアルゴンガスを前記バルブ12dおよびガス供給ポート11dより供給し、前記処理空間110を、前記排気ポート11Aを介して排気し、前記処理空間110から酸素ガスを排除する。さらに排気を継続しながら前記バルブ12dを閉鎖し、前記処理空間110を減圧する。   Next, in step 2, with the valves 12a to 12c and the switching valve 15 being closed, argon gas is supplied to the processing space 110 in the processing container 11 from the valve 12d and the gas supply port 11d. Is exhausted through the exhaust port 11A, and oxygen gas is removed from the processing space 110. Further, the valve 12d is closed while continuing the exhaust, and the processing space 110 is decompressed.

さらにステップ2では前記バルブ13およびバルブ12a,12c,12dおよび切り替えバルブ15を閉じたままバルブ12bを開き、前記処理容器11中、前記処理空間110に水素ガスを導入する。同時に前記ヒータ11Hを駆動して前記基板Wの温度を100℃〜1000℃の温度に加熱し、前記処理容器Wの表面を水素ガスで還元し、酸素欠損を発生させる。このような酸素欠損の発生の結果、前記基板Wの表面は、組成パラメータδを使ってSrTiO3-δで表される非化学量論組成に変化する。このような基板Wの表面をXPS(X線光電子分光)法およびカソードルミネッセンススペクトル分析により分析したところ、前記基板Wの表面には、前記組成パラメータδが1〜2.8の範囲の非化学量論組成層が1nm〜100nmの深さまで形成されていることが確認された。Further, in step 2, the valve 12b is opened while the valve 13 and the valves 12a, 12c, 12d and the switching valve 15 are closed, and hydrogen gas is introduced into the processing space 110 in the processing vessel 11. At the same time, the heater 11H is driven to heat the substrate W to a temperature of 100 ° C. to 1000 ° C., and the surface of the processing vessel W is reduced with hydrogen gas to generate oxygen vacancies. As a result of the generation of oxygen vacancies, the surface of the substrate W changes to a non-stoichiometric composition represented by SrTiO 3 -δ using the composition parameter δ. When the surface of the substrate W was analyzed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) and cathodoluminescence spectrum analysis, the surface of the substrate W had a non-stoichiometric amount in the range of the composition parameter δ from 1 to 2.8. It was confirmed that the theoretical composition layer was formed to a depth of 1 nm to 100 nm.

次にステップ3において前記基板Wの温度を例えば室温まで降下させ、前記バルブ12a〜12cおよび切り替えバルブ15を閉じた状態で前記処理容器11中、前記処理空間110にアルゴンガスを前記バルブ12dおよびガス供給ポート11dより供給し、前記処理容器11中、前記処理空間110を前記排気ポート11Aより排気することにより、前記処理空間110から水素ガスをパージする。さらに前記バルブ12dを閉鎖し、排気を継続することで前記処理空間110を減圧する。   Next, in step 3, the temperature of the substrate W is lowered to, for example, room temperature, and the valves 12a to 12c and the switching valve 15 are closed, and argon gas is supplied into the processing space 110 in the processing chamber 11 with the valves 12d and gas. Hydrogen gas is purged from the processing space 110 by supplying from the supply port 11d and exhausting the processing space 110 in the processing container 11 from the exhaust port 11A. Further, the processing space 110 is decompressed by closing the valve 12d and continuing the exhaust.

さらにステップ3では、前記バルブ13およびバルブ12a,12bおよび切り替えバルブ15を閉じた状態で前記バルブ12cを開き、前記処理容器11中、前記処理空間110に二酸化炭素ガスを導入し、全バルブ12a〜12cおよび13を閉鎖した状態で前記基板Wの表面を二酸化炭素ガスに、室温から1000℃の温度範囲において1秒から10000秒の間、好ましくは10秒〜1000秒の間、曝露する。これにより、前記二酸化炭素ガス中の二酸化炭素ガス分子は酸素原子が前記酸素欠損に捕獲される結果、解離して一酸化炭素分子へと変換される。   Further, in step 3, the valve 12c is opened with the valve 13 and the valves 12a and 12b and the switching valve 15 closed, and carbon dioxide gas is introduced into the processing space 110 in the processing container 11, and all the valves 12a to With the surfaces 12c and 13 closed, the surface of the substrate W is exposed to carbon dioxide gas in the temperature range of room temperature to 1000 ° C. for 1 second to 10,000 seconds, preferably 10 seconds to 1000 seconds. As a result, carbon dioxide gas molecules in the carbon dioxide gas are dissociated and converted into carbon monoxide molecules as a result of oxygen atoms being trapped in the oxygen vacancies.

さらにステップ4において前記バルブ15を開き、これを前記質量分析計14へと切り替え、前記基板Wを0℃から600℃の範囲で加熱したところ、質量数が28であるCOガス種について図4に示すTDS信号を得た。   Further, in step 4, the valve 15 is opened, this is switched to the mass spectrometer 14, and when the substrate W is heated in the range of 0 ° C. to 600 ° C., the CO gas type having a mass number of 28 is shown in FIG. The indicated TDS signal was obtained.

図4を参照するに、加熱とともに一酸化炭素の放出が観測され、前記基板Wは、酸素を捕獲することにより二酸化炭素ガスを一酸化炭素に解離させる作用を有することを示している。なお図4において前記基板Wの加熱により一酸化炭素ガスの放出が観測されるのは、前記基板Wの表面に吸着していた一酸化炭素分子が、基板Wの加熱に伴って放出されるためである。   Referring to FIG. 4, the release of carbon monoxide is observed with heating, which indicates that the substrate W has an action of dissociating carbon dioxide gas into carbon monoxide by capturing oxygen. In FIG. 4, the release of carbon monoxide gas is observed by heating the substrate W because the carbon monoxide molecules adsorbed on the surface of the substrate W are released as the substrate W is heated. It is.

このようにして得られた一酸化炭素ガスは、例えば燃料電池への使用や、食品の保存など、様々な用途に使うことができる。   The carbon monoxide gas obtained in this way can be used for various purposes such as use in fuel cells and storage of food.

なおステップ4において、前記バルブ12dを開き、前記処理容器11中の前記処理空間110にアルゴンガスを導入し、前記処理空間110からの前記一酸化炭素ガスの取り出しを促進してもよい。   In step 4, the valve 12 d may be opened, and argon gas may be introduced into the processing space 110 in the processing container 11 to facilitate the extraction of the carbon monoxide gas from the processing space 110.

本実施形態では前記基板Wとして酸素欠損を有し、従って非化学量論組成を有する(001)配向を有するSrTiO3単結晶を使ったが、上記の説明からもわかるように本実施形態では前記基板Wが単結晶である必要はなく、また(001)配向を有する必要もない。すなわち前記基板Wとしては、SrTiO3の多結晶層を使うこともできる。In this embodiment, SrTiO 3 single crystal having (001) orientation having oxygen deficiency and thus non-stoichiometric composition is used as the substrate W. However, as can be seen from the above description, in this embodiment, the SrTiO 3 single crystal is used. The substrate W does not need to be a single crystal and does not need to have (001) orientation. That is, as the substrate W, a polycrystalline layer of SrTiO 3 can be used.

さらに前記基板WがSrTiO3に限定されるものでないことは明らかで、組成が一般にABOで表されるペロブスカイト構造を有する様々な単結晶あるいは多結晶の金属酸化物膜を支持基板上に形成された構造を、前記基板Wとして使うことが可能である。このような金属酸化物膜としては、前記SrTiO3の他に、BaTiO3,CaTiO3,PbTiO3およびそれらの固溶体を挙げることができる。これらの固溶体には、BaSrO3−δ,Ba(Sr,Ti)O3−δ,BaTiOx−δ,SrTiO3−δ,Pb(Zr,Ti)O3−δ,CaTiOx, PbTiOなどの非化学量論化合物が含まれる。Further, it is clear that the substrate W is not limited to SrTiO 3 , and various single crystal or polycrystalline metal oxide films having a perovskite structure whose composition is generally represented by ABO 3 are formed on a support substrate. Such a structure can be used as the substrate W. Examples of such a metal oxide film include BaTiO 3 , CaTiO 3 , PbTiO 3 and solid solutions thereof in addition to the SrTiO 3 . These solid solutions include BaSrO 3-δ , Ba (Sr, Ti) O 3-δ , BaTiO x-δ , SrTiO 3-δ , Pb (Zr, Ti) O 3-δ , CaTiO x, PbTiO x and the like. Non-stoichiometric compounds are included.

さらにこのような表面に酸素欠損を有する多結晶層は、例えば酸化物、窒化物、酸窒化物、高誘電体金属酸化物、ゼロゲル、あるいはこれらの組合せよりなる絶縁体の支持基板上に形成することができる。またこのような多結晶層は、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge),SiGe混晶などの半導体基板、さらにはGaAsやInAs,InPなどのIII−V族化合物半導体基板上よりなる支持基板上に形成することができる。

[第2の実施形態]
図5は、前記図2の一酸化炭素ガス発生装置10を使った、本発明の第2の実施形態による二酸化炭素ガスの処理方法を示すフローチャートである。ただし図5中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
Further, such a polycrystalline layer having oxygen vacancies on the surface is formed on an insulating support substrate made of, for example, an oxide, nitride, oxynitride, high dielectric metal oxide, zero gel, or a combination thereof. be able to. Further, such a polycrystalline layer is formed on a support substrate made of a semiconductor substrate such as silicon (Si), germanium (Ge), or SiGe mixed crystal, or a III-V group compound semiconductor substrate such as GaAs, InAs, or InP. Can be formed.

[Second Embodiment]
FIG. 5 is a flowchart showing a carbon dioxide gas processing method according to the second embodiment of the present invention using the carbon monoxide gas generator 10 of FIG. However, in FIG. 5, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description thereof is omitted.

図5を参照するに、本実施形態では、ステップ4の状態で二酸化炭素ガスが一酸化炭素ガスに変換され、前記一酸化炭素ガスが前記ガス取り出しポート11Cから取り出される際に、前記バルブ12dを開いて前記処理容器11中、前記処理空間110にアルゴンガスを導入する。これにより、前記一酸化炭素ガスの取り出しが促進されると同時に、前記処理空間110中の一酸化炭素ガスがパージされる。   Referring to FIG. 5, in this embodiment, carbon dioxide gas is converted into carbon monoxide gas in the state of step 4, and when the carbon monoxide gas is taken out from the gas takeout port 11C, the valve 12d is turned on. Open and introduce argon gas into the processing space 110 in the processing vessel 11. Thereby, the removal of the carbon monoxide gas is promoted, and at the same time, the carbon monoxide gas in the processing space 110 is purged.

さらに前記ステップ4では前記一酸化炭素ガスのパージの後、前記バルブ12dおよび切り替えバルブ15が閉鎖され、バルブ13を開いて前記処理容器11中、前記処理空間110を減圧する。   Further, in step 4, after purging the carbon monoxide gas, the valve 12 d and the switching valve 15 are closed, and the valve 13 is opened to decompress the processing space 110 in the processing container 11.

さらに前記ステップ4の後、本実施形態ではプロセスはステップ2へ戻り、前記処理容器11中、前記処理空間110に水素ガスが導入され、前記基板W表面において再び酸素欠損が発生される。   Further, after step 4, in this embodiment, the process returns to step 2, hydrogen gas is introduced into the processing space 110 in the processing container 11, and oxygen vacancies are generated again on the surface of the substrate W.

そこでこのようなステップ2〜4を繰り返すことにより前記図2の一酸化炭素ガス発生装置10を繰り返し運転することができ、二酸化炭素ガスから一酸化炭素ガスを逐次発生させることが可能となる。

[第3の実施形態]
図6は、本発明の第3の実施形態による一酸化炭素ガス発生装置20の構成を示す。ただし図6中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
Therefore, by repeating such steps 2 to 4, the carbon monoxide gas generator 10 shown in FIG. 2 can be operated repeatedly, and carbon monoxide gas can be sequentially generated from carbon dioxide gas.

[Third Embodiment]
FIG. 6 shows a configuration of a carbon monoxide gas generator 20 according to the third embodiment of the present invention. However, in FIG. 6, the same reference numerals are assigned to portions corresponding to the portions described above, and the description thereof is omitted.

図6を参照するに、前記処理容器11には、前記切り替えバルブ15から前記ガス取り出しポート11Cから取り出された一酸化炭素ガスを含むガス、あるいは前記一酸化炭素ガスの一部を供給され、これを前記処理容器11中、前記処理空間110にフィードバックするガスフィードバックポート11Dが形成されている。   Referring to FIG. 6, the processing vessel 11 is supplied with a gas containing carbon monoxide gas taken out from the gas take-out port 11C from the switching valve 15 or a part of the carbon monoxide gas. A gas feedback port 11D is fed back to the processing space 110 in the processing container 11.

本実施形態では、このようにCOガスを前記処理空間110にフィードバックすることにより、前記処理空間110の酸素分圧を低下させ、前記基板W表面から酸素原子を脱離させて再び酸素欠損を形成することが可能となる。   In this embodiment, by feeding back the CO gas to the processing space 110 in this way, the oxygen partial pressure in the processing space 110 is reduced, oxygen atoms are desorbed from the surface of the substrate W, and oxygen vacancies are formed again. It becomes possible to do.

図7は、図6の一酸化炭素ガス発生装置20を使って行う一酸化炭素ガス発生のフローチャートを示す。ただし図7中、先に説明したステップには同一の符号を付し、説明を省略する。   FIG. 7 shows a flowchart of carbon monoxide gas generation using the carbon monoxide gas generator 20 of FIG. However, in FIG. 7, the steps described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図7を参照するに、前記ステップ4の後、ステップ5において前記ガス取り出しポート11Cから取り出された一酸化炭素ガスの一部が前記切り替えバルブ15およびガスフィードバックポート11Dを介して前記処理容器11中の処理空間110にフィードバックされ、前記処理容器11中、前記処理空間110の酸素分圧を低減する。これと同時に前記ヒータ11Hが駆動され、前記基板Wの温度が100℃〜1000℃に昇温され、その結果先にステップ3の工程において酸素原子を捕獲し酸素欠損が減少あるいは消滅していた基板Wの表面から再び酸素原子が脱離し、次のステップ3における二酸化炭素ガスの解離工程に備えて前記基板Wの表面が整えられる。   Referring to FIG. 7, after the step 4, a part of the carbon monoxide gas taken out from the gas take-out port 11C in step 5 in the process vessel 11 through the switching valve 15 and the gas feedback port 11D. The oxygen partial pressure of the processing space 110 in the processing vessel 11 is reduced. At the same time, the heater 11H is driven and the temperature of the substrate W is raised to 100 ° C. to 1000 ° C. As a result, oxygen atoms are captured in the process of step 3 and oxygen vacancies are reduced or eliminated. Oxygen atoms are desorbed from the surface of W again, and the surface of the substrate W is prepared in preparation for the carbon dioxide gas dissociation process in the next step 3.

さらにステップ3〜5を繰り返すことにより、また必要に応じて破線で示すようにステップ2の水素ガスによる酸素欠損形成を行うことにより、図6の一酸化炭素発生装置20を繰り返し運転することができる。

[第4の実施形態]
図8は、前記図2の一酸化炭素ガス発生装置10あるいは図6の一酸化炭素ガス発生装置20で前記基板Wの代わりに使われるペロブスカイト構造の金属酸化物膜を担持した構造400を示す斜視図である。
Further, the carbon monoxide generator 20 of FIG. 6 can be operated repeatedly by repeating steps 3 to 5 and, if necessary, forming oxygen vacancies with hydrogen gas in step 2 as indicated by the broken line. .

[Fourth Embodiment]
8 is a perspective view showing a structure 400 carrying a metal oxide film having a perovskite structure used in place of the substrate W in the carbon monoxide gas generator 10 of FIG. 2 or the carbon monoxide gas generator 20 of FIG. FIG.

図8を参照するに、前記構造400は、各々例えば径が30cmで表面にペロブスカイト構造の多結晶金属酸化膜40Pを担持した複数のディスク状基板40Wを、例えば0.05mm〜500mm程度の間隔で離間して積層した構成を有し、前記複数のディスク状基板40Wは支柱400A,400Bにより支えられた状態で保持されている。   Referring to FIG. 8, the structure 400 includes a plurality of disk-like substrates 40W each having a diameter of 30 cm and carrying a polycrystalline metal oxide film 40P having a perovskite structure on the surface, for example, at intervals of about 0.05 mm to 500 mm. The plurality of disk-shaped substrates 40W are held in a state of being supported by support columns 400A and 400B.

図9は、前記図8に示したディスク状基板40Wの構成を示す断面図である。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the disk-shaped substrate 40W shown in FIG.

図9を参照するに、ディスク状基板40Wは酸化シリコンなどの酸化物、窒化シリコンなどの窒化物、酸窒化シリコンなどの酸窒化物、チタン酸ストロンチウムやチタン酸バリウム、PZTやPLZTなどの高誘電体金属酸化物、さらにはゼロゲルなどよりなる支持基板40Qを含み、前記支持基板40Qの上側主面および下側主面には、スパイラル形状あるいは同心円形状の導体パターン40Hよりなるヒータが形成されている。前記導体パターン40Hは、例えば白金(Pt)やロジウム(Rh)、白金ロジウム合金などの貴金属、あるいはクロム(Cr)やニッケルクロム合金(NiCr)など、高融点金属より構成されており、前記支持基体40Qの耐熱温度にもよるが、前記支持基体40Qを100℃〜1000℃の温度範囲まで、均一に加熱することができる。   Referring to FIG. 9, the disk-shaped substrate 40W is made of an oxide such as silicon oxide, a nitride such as silicon nitride, an oxynitride such as silicon oxynitride, a high dielectric such as strontium titanate or barium titanate, PZT or PLZT. A support substrate 40Q made of a body metal oxide and further zero gel or the like is included, and a heater made of a spiral or concentric conductor pattern 40H is formed on the upper main surface and the lower main surface of the support substrate 40Q. . The conductor pattern 40H is made of, for example, a noble metal such as platinum (Pt), rhodium (Rh), platinum rhodium alloy, or a refractory metal such as chromium (Cr) or nickel chromium alloy (NiCr), and the support base. Although it depends on the heat-resistant temperature of 40Q, the support base 40Q can be uniformly heated to a temperature range of 100 ° C to 1000 ° C.

さらに前記支持基板40Qの前記上側主面および下側主面には、側壁面も含めて前記ペロブスカイト構造を有する金属酸化物膜40Pが連続して、例えばスパッタ法やMOCVD法、あるいはゾルゲル法により、例えば0.001μm〜1000μmの厚さに形成されている。   Further, the metal oxide film 40P having the perovskite structure including the side wall surface is continuously formed on the upper main surface and the lower main surface of the support substrate 40Q, for example, by sputtering, MOCVD, or sol-gel method. For example, it is formed to a thickness of 0.001 μm to 1000 μm.

前記積層構造400を使うことにより、本発明の第4の実施形態による一酸化炭素発生装置40が図10に示すように構成される。   By using the laminated structure 400, the carbon monoxide generator 40 according to the fourth embodiment of the present invention is configured as shown in FIG.

ただし図10の一酸化炭素発生装置40では、前記二酸化炭素を供給する原料ガス供給ポート11cに大気中の二酸化炭素分子を通過させる冷却トラップフィルタ16Aが設けられており、また前記ガス取り出しポート11Cから取り出されるガス中の一酸化炭素分子を通過させる冷却トラップフィルタ16Bが設けられている。前記フィルタ16A,16Bを設けることにより、一酸化炭素発生装置40は大気中の二酸化炭素を原料として使って高純度の一酸化炭素ガスを提供することが可能となる。前記分子フィルタ16Aとしては、例えば温度―57<T<0℃で動作する商品名「BOLA Cold Trap」として市販の冷却トラップフィルタが、また前記冷却トラップフィルタ16Bとしては、例えばKGW Isotherm社より温度−205<T<−57℃で動作する商品名「a Cold Finger Condenser」として市販の分子フィルタが使用可能である。   However, in the carbon monoxide generator 40 in FIG. 10, a cooling trap filter 16A that allows carbon dioxide molecules in the atmosphere to pass through is provided in the raw material gas supply port 11c that supplies the carbon dioxide, and from the gas extraction port 11C. A cold trap filter 16B that allows carbon monoxide molecules in the extracted gas to pass therethrough is provided. By providing the filters 16A and 16B, the carbon monoxide generator 40 can provide high-purity carbon monoxide gas using carbon dioxide in the atmosphere as a raw material. As the molecular filter 16A, for example, a commercially available cooling trap filter under the trade name “BOLA Cold Trap” operating at a temperature −57 <T <0 ° C. is used, and as the cooling trap filter 16B, for example, a temperature − from KGW Isotherm, Inc. Commercially available molecular filters can be used under the trade name “a Cold Finger Condenser” operating at 205 <T <−57 ° C.

なお図10の分子フィルタ16A,16Bは、先の図2の装置10や図6の装置40においても使用可能である。   The molecular filters 16A and 16B in FIG. 10 can also be used in the device 10 in FIG. 2 and the device 40 in FIG.

なお、本実施形態では、図9に示す絶縁体よりなる支持基板40Qの代わりに、図11Aの変形例に示すように半導体あるいは金属、さらには金属酸化物、金属窒化物よりなる支持基板40Rを使うことも可能である。例えばこのような半導体基板としては、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge),SiGe混晶などの単結晶基板、さらにはGaAsやInAs,InPなどのIII−V族化合物半導体の単結晶基板を使うことが可能である。またこのような金属基板としては、チタン(Ti)やタングステン(W)、クロム(Cr),モリブデン(Mo)などの耐熱金属を使うことができ、金属酸化物基板あるいは金属窒化物基板としては、酸化アルミニウム(Al23)や酸化マグネシウム(MgO),チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)などの金属酸化物、窒化ジルコニウム(ZrN)や窒化ハフニウム(HfN),などの金属窒化物を使うことも可能である。In this embodiment, instead of the support substrate 40Q made of an insulator shown in FIG. 9, a support substrate 40R made of a semiconductor or metal, further metal oxide, or metal nitride is used as shown in the modification of FIG. 11A. It can also be used. For example, as such a semiconductor substrate, a single crystal substrate such as silicon (Si), germanium (Ge), or SiGe mixed crystal, or a single crystal substrate of a III-V group compound semiconductor such as GaAs, InAs, or InP is used. Is possible. Further, as such a metal substrate, a refractory metal such as titanium (Ti), tungsten (W), chromium (Cr), molybdenum (Mo) can be used, and as a metal oxide substrate or a metal nitride substrate, It is also possible to use metal oxides such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), strontium titanate (SrTiO 3 ), and metal nitrides such as zirconium nitride (ZrN) and hafnium nitride (HfN). is there.

前記支持基板40Rを半導体あるいは金属、あるいは導電性の金属窒化物により形成する場合には、前記支持基板40Rの表面に酸化膜などの絶縁膜40Iを形成しておき、その上に前記ヒータ40Hを形成するのが好ましい。   When the support substrate 40R is formed of a semiconductor, metal, or conductive metal nitride, an insulating film 40I such as an oxide film is formed on the surface of the support substrate 40R, and the heater 40H is formed thereon. Preferably formed.

図11Bは前記図11Aのさらなる変形例を示す。   FIG. 11B shows a further modification of FIG. 11A.

図11Bでは前記支持基板40Rとして金属基板を使い、前記金属基板11Rに直接に電流を流してこれをヒータとして使う。   In FIG. 11B, a metal substrate is used as the support substrate 40R, and a current is directly supplied to the metal substrate 11R to use it as a heater.

図11Bの構成では、前記支持基板40Rの表面に金属、または金属酸化物、または金属窒化物よりなる密着層40Adを形成している
なお本実施形態では、図12に示すように、ペロブスカイト構造の金属酸化膜40Pと二酸化炭素ガスの接触を促進するため、前記支持基板40Qにスリット40Sを形成することも可能である。

[第5の実施形態]
以上の説明では、前記支持基板40Qや40Rをディスク状の基板としたが、前記支持基板40Qはディスク状に限定されるものではない。
In the configuration of FIG. 11B, an adhesion layer 40Ad made of metal, metal oxide, or metal nitride is formed on the surface of the support substrate 40R. In this embodiment, as shown in FIG. 12, the perovskite structure has a perovskite structure. In order to promote the contact between the metal oxide film 40P and the carbon dioxide gas, it is possible to form a slit 40S in the support substrate 40Q.

[Fifth Embodiment]
In the above description, the support substrates 40Q and 40R are disk-shaped substrates, but the support substrate 40Q is not limited to a disk shape.

例えば図13は前記支持基板40Qを、櫛歯部40Tを有する全体としては矩形形状の部材により形成した例を示す。   For example, FIG. 13 shows an example in which the support substrate 40Q is formed of a generally rectangular member having the comb teeth portion 40T.

図10の一酸化炭素生成装置40において、前記基板40Wとしてこのような櫛歯部40Tを有するものを使うことにより、図7のステップ3における炭酸ガスとペロブスカイト構造の金属酸化膜40Pとの接触面積をさらに増大させることができる。

[第6の実施形態]
図14は、SrTiO結晶に対して第1原理計算により求めた表面状態密度(SDOS)を示す、前記図1と同様な図である。ただし図14の下側のグラフは、前記図1の下側のグラフと同じく、前記SrTiO3結晶の表面に酸素欠損が生じている場合の表面状態密度を示し、実際にはSrTiO3結晶表面で酸素O2p軌道が形成する価電子帯の表面状態密度を表している。図14においても下側の図の状態を以下、「初期状態」と称することにする。図14の下側のグラフは、図1の下側のグラフと同じである。
In the carbon monoxide generator 40 of FIG. 10, by using the substrate 40W having such a comb tooth portion 40T, the contact area between the carbon dioxide gas and the metal oxide film 40P having the perovskite structure in step 3 of FIG. Can be further increased.

[Sixth Embodiment]
FIG. 14 is a view similar to FIG. 1 showing the surface state density (SDOS) obtained by the first principle calculation for the SrTiO 3 crystal. However lower graph of FIG. 14, as well as the lower graph of FIG. 1, showing the surface state density when oxygen vacancies on the surface of the SrTiO 3 crystal is generated, in fact in SrTiO 3 crystal surface It represents the surface state density of the valence band formed by oxygen O2p orbitals. Also in FIG. 14, the state in the lower diagram is hereinafter referred to as an “initial state”. The lower graph in FIG. 14 is the same as the lower graph in FIG.

一方図14の上側のグラフは、前記SrTiO3結晶表面の酸素欠損が、HO2分子の酸素原子を捕獲している場合の表面状態密度を示しており、前記O2p軌道が形成する価電子帯の表面状態密度の寄与と、前記酸素欠損に捕獲された酸素原子およびH2Oから派生したOH基の表面状態密度の寄与を含んでいる。図14の上側のグラフの状態を以下、前記図1の上側のグラフと同じく、「最終状態」と称することにする。なお前記図1と同じく図14においても、Eはフェルミ準位、Eはエネルギである。On the other hand, the upper graph in FIG. 14 shows the surface state density when the oxygen deficiency on the surface of the SrTiO 3 crystal captures the oxygen atom of the HO 2 molecule, and the valence band formed by the O2p orbital. It includes the contribution of the surface state density and the contribution of the surface state density of OH groups derived from oxygen atoms and H 2 O trapped in the oxygen vacancies. The state of the upper graph in FIG. 14 is hereinafter referred to as the “final state” as in the upper graph of FIG. Note also similarly in FIG. 14 and FIG. 1, E F is the Fermi level, E is an energy.

そこで図14の表面状態密度から密度汎関数理論を使って、前記SrTiO3結晶の全エネルギを、前記「初期状態」および「終状態」についてそれぞれEiおよびEfとして計算したところ、Efの値はEiの値よりも2.71eV小さく(Ef−Ei=−2.71eV)、このような表面に酸素欠損を有するSrTiO3結晶を水蒸気に曝露すると、水分子が解離して酸素原子が酸素欠陥に捕獲されることが示される。またこのように酸素原子が酸素欠陥に捕獲されることによりSrTiO3結晶に吸着した水分子を加熱することにより、水分子中の酸素原子と水素原子の結合を切断できれば、水素ガスを発生させられると考えられる。Therefore, using the density functional theory from the surface state density of FIG. 14, the total energy of the SrTiO 3 crystal was calculated as Ei and Ef for the “initial state” and “final state”, respectively. When an SrTiO 3 crystal having an oxygen deficiency on its surface is exposed to water vapor, the water molecule dissociates and oxygen atoms are trapped in the oxygen defect, which is 2.71 eV smaller than the value of (Ef−Ei = −2.71 eV). Will be shown. Further, by heating the water molecules adsorbed on the SrTiO 3 crystal by trapping oxygen atoms in the oxygen defects in this way, hydrogen gas can be generated if the bonds between oxygen atoms and hydrogen atoms in the water molecules can be broken. it is conceivable that.

そこで本発明の発明者は、上記の予測を確認する実験を、SrTiO3単結晶について、先に図2で説明した装置10を重水素ガス発生装置として使って行った。前記装置10の説明は重複するので省略する。Therefore, the inventor of the present invention conducted an experiment to confirm the above prediction for the SrTiO 3 single crystal using the apparatus 10 described above with reference to FIG. 2 as a deuterium gas generator. Since the description of the apparatus 10 is duplicated, it will be omitted.

図15は、上記実験の手順を示すフローチャートである。   FIG. 15 is a flowchart showing the procedure of the experiment.

図15を参照するに、最初に市販の(001)主面を有するSrTiO3単結晶基板が前記基板保持台11B上に基板Wとして載置され、ステップ11においてまず全てのバルブ12a〜12dおよび切り替えバルブ15を閉じ、前記処理容器11内部を、前記排気ポート11Aを介して排気して減圧する。Referring to FIG. 15, first, a commercially available SrTiO 3 single crystal substrate having a (001) main surface is placed on the substrate holder 11B as a substrate W. In step 11, first, all valves 12a to 12d and switching are performed. The valve 15 is closed, and the inside of the processing container 11 is evacuated and decompressed through the exhaust port 11A.

次に前記バルブ13を閉じ、さらに前記バルブ12b〜12dおよび切り替え15を閉じたまま前記バルブ12aを開き、前記処理容器11中に酸素ガスを導入する。また同時に前記ヒータ11Hを駆動して前記基板Wの温度を100℃〜1500℃の温度に加熱し、前記基板Wの表面に存在していた酸素欠損を補償する。これにより、前記基板Wの表面が初期化される。   Next, the valve 13 is closed, and the valve 12a is opened while the valves 12b to 12d and the switch 15 are closed, and oxygen gas is introduced into the processing vessel 11. At the same time, the heater 11H is driven to heat the substrate W to a temperature of 100 ° C. to 1500 ° C. to compensate for oxygen vacancies existing on the surface of the substrate W. Thereby, the surface of the substrate W is initialized.

なおこの初期化工程は省略することも可能である。   Note that this initialization step can be omitted.

次にステップ12において前記バルブ12a〜12cおよび切り替えバルブ15を閉じた状態で、前記処理容器11中、前記処理空間110にアルゴンガスを前記バルブ12dおよびガス供給ポート11dより供給し、前記処理空間110を、前記排気ポート11Aを介して排気し、前記処理空間110から酸素ガスを排除する。さらに排気を継続しながら前記バルブ12dを閉鎖し、前記処理空間110を減圧する。   Next, in step 12, with the valves 12a to 12c and the switching valve 15 closed, argon gas is supplied to the processing space 110 in the processing container 11 from the valve 12d and the gas supply port 11d, and the processing space 110 is supplied. Is exhausted through the exhaust port 11A, and oxygen gas is removed from the processing space 110. Further, the valve 12d is closed while continuing the exhaust, and the processing space 110 is decompressed.

さらにステップ12では前記バルブ13およびバルブ12a,12c,12dおよび切り替えバルブ15を閉じたままバルブ12bを開き、前記処理容器11中、前記処理空間110に水素ガス(H2)を導入する。同時に前記ヒータ11Hを駆動して前記基板Wの温度を100℃〜1000℃の温度に加熱し、前記処理容器Wの表面を水素ガスで還元し、酸素欠損を発生させる。このような酸素欠損の発生の結果、前記基板Wの表面は、組成パラメータδを使ってSrTiO3-δで表される非化学量論組成に変化する。このような基板Wの表面をXPS(X線光電子分光)法およびカソードルミネッセンススペクトル分析により分析したところ、前記基板Wの表面には、前記組成パラメータδが1〜2.8の範囲の非化学量論組成層が1nm〜100nmの深さまで形成されていることが確認された。Further, in step 12, the valve 12 b is opened while the valve 13, the valves 12 a, 12 c, 12 d and the switching valve 15 are closed, and hydrogen gas (H 2 ) is introduced into the processing space 110 in the processing container 11. At the same time, the heater 11H is driven to heat the substrate W to a temperature of 100 ° C. to 1000 ° C., and the surface of the processing vessel W is reduced with hydrogen gas to generate oxygen vacancies. As a result of the generation of oxygen vacancies, the surface of the substrate W changes to a non-stoichiometric composition represented by SrTiO 3 -δ using the composition parameter δ. When the surface of the substrate W was analyzed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) and cathodoluminescence spectrum analysis, the surface of the substrate W had a non-stoichiometric amount in the range of the composition parameter δ from 1 to 2.8. It was confirmed that the theoretical composition layer was formed to a depth of 1 nm to 100 nm.

次にステップ13において前記基板Wの温度を例えば室温まで降下させ、前記バルブ12a〜12cおよび切り替えバルブ15を閉じた状態で前記処理容器11中、前記処理空間110にアルゴンガスを前記バルブ12dおよびガス供給ポート11dより供給し、前記処理容器11の内部を前記排気ポート11Aより排気することにより、前記処理容器11の内部から水素ガスをパージする。さらに前記バルブ12dを閉鎖し、排気を継続することで前記処理容器11中の処理空間110を減圧する。   Next, in step 13, the temperature of the substrate W is lowered to room temperature, for example, and the valves 12a to 12c and the switching valve 15 are closed, and argon gas is supplied to the processing space 110 in the processing chamber 11 with the valves 12d and gas. Hydrogen gas is purged from the inside of the processing vessel 11 by supplying from the supply port 11d and exhausting the inside of the processing vessel 11 from the exhaust port 11A. Further, the processing space 110 in the processing container 11 is decompressed by closing the valve 12d and continuing the exhaust.

さらにステップ13では、前記バルブ13およびバルブ12a,12bおよび切り替えバルブ15を閉じた状態で前記バルブ12cを開き、前記処理容器11中、前記処理空間110に重水(D2O)の水蒸気を導入し、全バルブ12a〜12cおよび13を閉鎖した状態で前記基板Wの表面を前記重水水蒸気に、室温から1000℃の温度範囲において1秒から10000秒の間、好ましくは10秒〜1000秒の間、曝露する。これにより、前記重水水蒸気中の重水(D2O)分子は、その酸素原子が前記酸素欠損に捕獲される結果、解離して重水素分子(D2)へと変換される。このようにして生成した重水素分子は重水素ガスのかたちで、前記処理容器11中、前記処理空間110に滞留する。Further, in step 13, the valve 12 c is opened with the valve 13, the valves 12 a and 12 b and the switching valve 15 closed, and heavy water (D 2 O) water vapor is introduced into the processing space 110 in the processing container 11. In a state where all the valves 12a to 12c and 13 are closed, the surface of the substrate W is changed to the heavy water vapor in the temperature range of room temperature to 1000 ° C. for 1 second to 10,000 seconds, preferably 10 seconds to 1000 seconds, To be exposed. As a result, the heavy water (D 2 O) molecules in the heavy water water vapor are dissociated and converted into deuterium molecules (D 2 ) as a result of the oxygen atoms being trapped in the oxygen vacancies. The deuterium molecules thus generated stay in the processing space 110 in the processing vessel 11 in the form of deuterium gas.

さらにステップ14において前記バルブ15を開き、これを前記質量分析計14へと切り替え、前記基板Wを0℃から600℃の範囲で加熱したところ、分子量が20である重水(D2O)および分子量が4である重水素(D2)ガス種について、前記基板Wの加熱に伴い、図16に示すTDS信号を得た。このように重水を図16の実験に使うことにより、当初から処理容器11中に存在していたH2OおよびH2が、実験のため外部から供給されたD2Oが基板WによりD2とOに解離される現象をマスクしてしまう問題が回避され、基板Wによる水蒸気の解離現象が容易に観測可能となる。Further, in step 14, the valve 15 is opened, this is switched to the mass spectrometer 14, and when the substrate W is heated in the range of 0 ° C. to 600 ° C., heavy water (D 2 O) having a molecular weight of 20 and a molecular weight are obtained. 16 was obtained for the deuterium (D 2 ) gas species having a value of 4 as the substrate W was heated. By using heavy water in the experiment of FIG. 16 in this way, H 2 O and H 2 existing in the processing vessel 11 from the beginning are D 2 O supplied from the outside for the experiment by the substrate W to D 2. The problem of masking the phenomenon of dissociation into O and O can be avoided, and the dissociation phenomenon of water vapor by the substrate W can be easily observed.

図16を参照するに、前記基板Wの加熱とともにまず200℃〜600℃において分子量(M/Z)が20のD2Oの放出が観測されるが、その他に、300℃〜600℃において分子量(M/Z)が4のD2の放出が観測され、前記基板Wは、酸素を捕獲することによりD2OをD2に解離させる作用を有することが確認される。なお図16において前記基板Wの加熱により最初にD2Oの放出が観測されるのは、前記処理容器11の内面に吸着していたD2O分子が、基板Wの加熱に伴って放出されるためである。これに対し、より高温で観測されるD2の放出は、前記基板Wの表面に吸着されていたD2O分子が、前記基板Wに対する加熱の結果、D2と酸素原子に解離することにより生じるものと考えられる。Referring to FIG. 16, with the heating of the substrate W, the release of D 2 O having a molecular weight (M / Z) of 20 is first observed at 200 ° C. to 600 ° C. In addition, the molecular weight is observed at 300 ° C. to 600 ° C. Release of D 2 with (M / Z) of 4 is observed, and it is confirmed that the substrate W has an action of dissociating D 2 O into D 2 by capturing oxygen. In FIG. 16, the release of D 2 O is first observed when the substrate W is heated because the D 2 O molecules adsorbed on the inner surface of the processing vessel 11 are released as the substrate W is heated. Because. On the other hand, the release of D 2 observed at a higher temperature is caused by the dissociation of D 2 O molecules adsorbed on the surface of the substrate W into D 2 and oxygen atoms as a result of heating the substrate W. It is thought to occur.

このように、図16の実験により、図2の装置を使って、重水の水蒸気を解離させて重水ガスを生成させることが可能であるのが立証される。同様にして、図2の装置を使って水蒸気(H2O)を解離させ、水素ガスを生成させることもできる。このようにして得られた水素ガスは、例えば燃料電池やロケット、内燃機関の燃料の他、様々な工業用途に使うことができる。Thus, the experiment of FIG. 16 demonstrates that it is possible to dissociate the water vapor of heavy water and generate heavy water gas using the apparatus of FIG. Similarly, water (H 2 O) can be dissociated by using the apparatus of FIG. 2 to generate hydrogen gas. The hydrogen gas thus obtained can be used for various industrial applications in addition to fuel for fuel cells, rockets, and internal combustion engines, for example.

本発明は、元素記号Hで示される質量数が1の通常の水素と化学式2HまたはDで示される質量数が2の重水素の双方に対して適用可能である。以下本発明では「水素」は、通常の水素の他に重水素をも含むものとする。同様に本発明では、「水」はH2Oの他に重水D2OおよびDHOをも含み、「水蒸気」はH2Oガスの他に重水D2OおよびDHOのガスをも含むものとする。The present invention is applicable to both ordinary hydrogen having a mass number of 1 represented by the element symbol H and deuterium having a mass number of 2 represented by the chemical formula 2 H or D. Hereinafter, in the present invention, “hydrogen” includes deuterium in addition to normal hydrogen. Similarly, in the present invention, "water" also includes a heavy water D 2 O and DHO other H 2 O, "water vapor" is intended to also include other heavy water D 2 O and DHO gas the H 2 O gas.

なおステップ14において、前記バルブ12dを開き、前記処理容器11内部にアルゴンガスを導入し、前記処理容器11からの前記水素ガスの取り出しを促進してもよい。   In step 14, the valve 12 d may be opened to introduce argon gas into the processing container 11, thereby facilitating the extraction of the hydrogen gas from the processing container 11.

先の実施形態と同様、上記の説明からもわかるように本実施形態では前記基板Wが単結晶である必要はなく、また(001)配向を有する必要もない。すなわち前記基板Wとしては、SrTiO3の多結晶層を使うこともできる。As in the previous embodiment, as can be seen from the above description, in this embodiment, the substrate W does not have to be a single crystal and does not need to have a (001) orientation. That is, as the substrate W, a polycrystalline layer of SrTiO 3 can be used.

本実施形態でも前記基板WがSrTiO3に限定されるものでないことは明らかで、組成が一般にABOで表されるペロブスカイト構造を有する様々な単結晶あるいは多結晶の金属酸化物膜を支持基板上に形成された構造を、前記基板Wとして使うことが可能である。このような金属酸化物膜としては、前記SrTiO3の他に、BaTiO3,CaTiO3,PbTiO3およびそれらの固溶体を挙げることができる。これらの固溶体には、BaSrO3−δ,Ba(Sr,Ti)O3−δ,BaTiOx−δ,SrTiO3−δ,Pb(Zr,Ti)O3−δ,CaTiOx,PbTiOなどの非化学量論化合物が含まれる。Also in this embodiment, it is clear that the substrate W is not limited to SrTiO 3 , and various single crystal or polycrystalline metal oxide films having a perovskite structure whose composition is generally represented by ABO 3 are formed on the support substrate. The structure formed in (1) can be used as the substrate W. Examples of such a metal oxide film include BaTiO 3 , CaTiO 3 , PbTiO 3 and solid solutions thereof in addition to the SrTiO 3 . These solid solutions include BaSrO 3-δ , Ba (Sr, Ti) O 3-δ , BaTiO x-δ , SrTiO 3-δ , Pb (Zr, Ti) O 3-δ , CaTiO x, PbTiO x and the like. Non-stoichiometric compounds are included.

さらにこのような表面に酸素欠損を有する多結晶層は、例えば酸化物、窒化物、酸窒化物、高誘電体金属酸化物、ゼロゲル、あるいはこれらの組合せよりなる絶縁体の支持基板上に形成することができる。またこのような多結晶層は、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge),SiGe混晶などの半導体基板、さらにはGaAsやInAs,InPなどのIII−V族化合物半導体基板上よりなる支持基板上に形成することができる。
[第7の実施形態]
図17は第7の実施形態による水素ガス発生装置60の構成を示す概略的断面図、図18は、図17の水素ガス発生装置60の動作を示すフローチャートである。ただし図17中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。以下では本実施形態を水素ガス発生装置について説明するが、本実施形態は、二酸化炭素ガスを供給することにより、一酸化炭素ガスの発生にも適用可能である。同様に、先の各実施形態は、水蒸気を供給することにより、水素ガスの発生にも適用可能である。
Further, such a polycrystalline layer having oxygen vacancies on the surface is formed on an insulating support substrate made of, for example, an oxide, nitride, oxynitride, high dielectric metal oxide, zero gel, or a combination thereof. be able to. Further, such a polycrystalline layer is formed on a support substrate made of a semiconductor substrate such as silicon (Si), germanium (Ge), or SiGe mixed crystal, or a III-V group compound semiconductor substrate such as GaAs, InAs, or InP. Can be formed.
[Seventh Embodiment]
FIG. 17 is a schematic sectional view showing the configuration of the hydrogen gas generator 60 according to the seventh embodiment, and FIG. 18 is a flowchart showing the operation of the hydrogen gas generator 60 of FIG. However, in FIG. 17, the same reference numerals are assigned to the portions corresponding to the portions described above, and the description thereof is omitted. Although the present embodiment will be described below with reference to a hydrogen gas generator, the present embodiment can also be applied to the generation of carbon monoxide gas by supplying carbon dioxide gas. Similarly, each of the previous embodiments can be applied to generation of hydrogen gas by supplying water vapor.

図17を参照するに、前記処理容器11中の処理空間110には、水分子フィルタ61を通過した例えば大気中の水蒸気がバルブ12cおよび原料ガス供給ポート11cを介して原料ガスとして供給され、前記水蒸気を構成する水分子は、当該分子中の酸素原子が前記基板W中の酸素欠損に捕獲されることにより、前記基板Wに吸着される。なお原料ガスを、前記水分子フィルタ61を通して供給することにより、例えば大気中の酸素ガスが前記処理容器11中に導入されるのが抑制される。ここで前記水蒸気は原料ガスを構成し、原料化合物の分子として水分子を含む。   Referring to FIG. 17, for example, atmospheric water vapor that has passed through the water molecule filter 61 is supplied to the processing space 110 in the processing container 11 as a raw material gas through a valve 12 c and a raw material gas supply port 11 c, and Water molecules constituting water vapor are adsorbed on the substrate W when oxygen atoms in the molecules are captured by oxygen vacancies in the substrate W. By supplying the source gas through the water molecule filter 61, for example, introduction of oxygen gas in the atmosphere into the processing container 11 is suppressed. Here, the water vapor constitutes a raw material gas and contains water molecules as molecules of the raw material compound.

そこでこの状態で前記基板Wを例えば300℃〜600℃の温度範囲に加熱することにより、前記水分子における酸素原子と水素原子との結合が切れ、先に図16で説明したように、解離した水素原子により水素ガスを得ることができる。ここで前記水素ガスは製品ガスを構成し、製品化合物の分子として水素分子を含む。前記製品化合物は、前記原料化合物から酸素原子が1個除去された化合物である。   Therefore, in this state, the substrate W is heated to a temperature range of, for example, 300 ° C. to 600 ° C., so that the bonds between oxygen atoms and hydrogen atoms in the water molecules are broken and dissociated as described above with reference to FIG. Hydrogen gas can be obtained by hydrogen atoms. Here, the hydrogen gas constitutes a product gas and contains hydrogen molecules as molecules of the product compound. The product compound is a compound obtained by removing one oxygen atom from the raw material compound.

このようにして得られた水素ガスは、前記処理容器11中の処理空間110からガス取り出しポート11Cおよび切換バルブ15を経て、いったん一時的な貯蔵タンク63に貯蔵される。その際、先に図16で説明したように、上記温度範囲に基板Wを加熱した場合には同時に水蒸気が基板Wから脱離するため、前記貯蔵タンク63に貯蔵されるガスは水素ガスと水蒸気の混合ガスとなる。   The hydrogen gas thus obtained is temporarily stored in the temporary storage tank 63 from the processing space 110 in the processing container 11 through the gas extraction port 11C and the switching valve 15. At this time, as described above with reference to FIG. 16, when the substrate W is heated to the above temperature range, water vapor is desorbed from the substrate W at the same time, so that the gas stored in the storage tank 63 is hydrogen gas and water vapor. It becomes a mixed gas.

図18は、前記貯蔵タンク63の概略的構成を示す。   FIG. 18 shows a schematic configuration of the storage tank 63.

図18を参照するに、貯蔵タンク63はピストン63Aとシリンダ63Bを有し、前記シリンダ65Bには前記切換バルブ15に連結されるポート63bが形成されている。そこで前記ピストン63Aをシリンダ63B中において空気圧や油圧により駆動することにより、貯蔵タンク63の内容積Vを最小値Vminと最大値Vmaxの間で変化させる。その際前記体積Vの変化幅ΔVが前記処理容器11の容積よりも大きくなるように設計するのが好ましい。   Referring to FIG. 18, the storage tank 63 has a piston 63A and a cylinder 63B, and a port 63b connected to the switching valve 15 is formed in the cylinder 65B. Therefore, the internal volume V of the storage tank 63 is changed between the minimum value Vmin and the maximum value Vmax by driving the piston 63A in the cylinder 63B by air pressure or hydraulic pressure. At this time, it is preferable that the change width ΔV of the volume V is designed to be larger than the volume of the processing vessel 11.

そこで前記水素ガスを前記貯蔵タンク63に貯蔵する場合、前記バルブ15により前記ガス取り出しポート11Cを前記貯蔵タンク63に接続し、この状態で前記ピストン63Aを駆動して前記体積Vを膨張させることにより、前記処理容器11内の水素ガスと水蒸気を含む雰囲気を前記シリンダ63B中に吸引することができる。   Therefore, when storing the hydrogen gas in the storage tank 63, the gas take-out port 11C is connected to the storage tank 63 by the valve 15, and the volume V is expanded by driving the piston 63A in this state. The atmosphere containing hydrogen gas and water vapor in the processing vessel 11 can be sucked into the cylinder 63B.

その後、前記バルブ15を閉じて前記処理容器11を貯蔵タンク63から切り離し、前記バルブ13を開いて前記処理容器11中の処理空間110を排気し減圧する。さらに前記ヒータ11Hを駆動して前記基板Wを100℃〜1000℃の温度に加熱することにより、前記基板Wの表面において酸素欠損を充填していた酸素原子を脱離させ、系外に排出する。これにより、当初の酸素欠損が前記基板Wにおいて回復される。なおこの段階で、パージを促進するためArなどの不活性ガスを処理容器11中に導入してもよい。   Thereafter, the valve 15 is closed to disconnect the processing container 11 from the storage tank 63, and the valve 13 is opened to evacuate and decompress the processing space 110 in the processing container 11. Further, the heater 11H is driven to heat the substrate W to a temperature of 100 ° C. to 1000 ° C., thereby desorbing oxygen atoms filled with oxygen vacancies on the surface of the substrate W and discharging them out of the system. . Thereby, the initial oxygen deficiency is recovered in the substrate W. At this stage, an inert gas such as Ar may be introduced into the processing container 11 in order to promote purging.

次に前記切換バルブ15を操作して前記貯蔵タンク63を前記処理容器11に、前記処理容器11に形成されたガスフィードバックポート11Dを介して接続し、前記貯蔵タンク63中のガスを前記処理容器11中の処理空間110にフィードバックさせる。   Next, the storage tank 63 is connected to the processing container 11 via a gas feedback port 11D formed in the processing container 11 by operating the switching valve 15, and the gas in the storage tank 63 is connected to the processing container 11 11 is fed back to the processing space 110 in the system 11.

このようにしてフィードバックされたガスは、水素と水蒸気を含んでおり、水蒸気は先の場合と同様に前記基板Wの酸素欠損に酸素原子が捕獲されることで前記基板Wに吸着される。   The gas fed back in this manner contains hydrogen and water vapor, and the water vapor is adsorbed on the substrate W by capturing oxygen atoms in the oxygen vacancies of the substrate W as in the previous case.

そこで先のプロセスを繰り返すことにより、前記処理容器11中の処理空間110にさらに水蒸気の解離により水素ガスが放出され、前記処理容器中の処理空間110において水素ガス濃度が上昇する。   Therefore, by repeating the previous process, hydrogen gas is further released into the processing space 110 in the processing container 11 by dissociation of water vapor, and the hydrogen gas concentration is increased in the processing space 110 in the processing container.

前記切換バルブ15の操作は、図示していないコンピュータなどの制御装置によりなされる。   The switching valve 15 is operated by a control device such as a computer (not shown).

このようにして濃縮された水素ガスは、前記切換バルブ15から水素分子フィルタ62を通って外部へと取り出される。ここで前記水素分子フィルタ62としては、カーボンナノチューブを使うことができる。また前記水分子フィルタ61としては、コールドトラップを使うことができる。   The hydrogen gas thus concentrated is taken out from the switching valve 15 through the hydrogen molecular filter 62 to the outside. Here, as the hydrogen molecular filter 62, carbon nanotubes can be used. As the water molecule filter 61, a cold trap can be used.

図19は、図17の水素ガス発生装置60を使って行う水素ガス発生のフローチャートを、また図20は、前記図19のフローチャートに対応した、前記バルブ15の切換動作を示す。ただし図19中、先に説明したステップには同一の符号を付し、説明を省略する。   19 shows a flowchart of hydrogen gas generation using the hydrogen gas generator 60 of FIG. 17, and FIG. 20 shows the switching operation of the valve 15 corresponding to the flowchart of FIG. However, in FIG. 19, the steps described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図19を参照するに、前記ステップ2の後、ステップ33において前記処理容器11中の処理空間110に水蒸気が、前記基板を室温に保持した状態で導入され、先に説明したメカニズム、すなわち前記水分子の酸素原子が前記基板Wの酸素欠損に捕獲されることにより、前記水蒸気分子の前記基板W上への吸着がなされる。   Referring to FIG. 19, after step 2, in step 33, water vapor is introduced into the processing space 110 in the processing vessel 11 while keeping the substrate at room temperature, and the mechanism described above, ie, the water The oxygen atoms of the molecules are trapped by oxygen vacancies in the substrate W, whereby the water vapor molecules are adsorbed onto the substrate W.

さらにステップ34において前記基板Wの温度を、前記ヒータ11Hを駆動することにより600K〜800Kの温度に上昇させることにより、前記水分子を解離させて前記処理容器11中の前記処理空間110に水素ガスを生成する。   Further, in step 34, the temperature of the substrate W is raised to a temperature of 600K to 800K by driving the heater 11H, thereby dissociating the water molecules and supplying hydrogen gas into the processing space 110 in the processing container 11. Is generated.

このステップ34では、生成された水素ガスを含む前記処理容器11中、処理空間110の雰囲気が、前記切換バルブ15を介して前記貯蔵タンク63へと送られる。   In this step 34, the atmosphere of the processing space 110 in the processing container 11 containing the generated hydrogen gas is sent to the storage tank 63 via the switching valve 15.

さらにステップ35において前記処理容器11中の処理空間110が前記排気ポート11Aおよびバルブ13を介して排気され、減圧される。さらに前記ヒータ11Hが駆動され、前記基板Wが100℃〜1000℃の温度に加熱される。これにより、前記処理空間110の酸素分圧が低下し、前記基板Wの表面において酸素欠損を充填していた酸素原子が放出され、酸素ガスの形で系外に排出される。すなわちステップ35においては、前記処理空間110から酸素がパージされ、その結果、前記基板Wの表面には再び酸素欠損が形成され、次のステップ34における水素ガス生成工程に備えて前記基板Wの表面が整えられる。   Further, in step 35, the processing space 110 in the processing container 11 is exhausted through the exhaust port 11A and the valve 13 and depressurized. Further, the heater 11H is driven, and the substrate W is heated to a temperature of 100 ° C. to 1000 ° C. As a result, the oxygen partial pressure in the processing space 110 is lowered, and oxygen atoms filled with oxygen vacancies on the surface of the substrate W are released and discharged out of the system in the form of oxygen gas. That is, in step 35, oxygen is purged from the processing space 110, and as a result, oxygen vacancies are formed again on the surface of the substrate W, and the surface of the substrate W is prepared for the hydrogen gas generation step in the next step 34. Is arranged.

図20Bに示すように、前記ステップ35においては前記切換バルブ15は、前記貯蔵タンク63およびフィルタ62を、前記処理容器11から切り離し、従って前記ステップ35において前記貯蔵タンク63中のガスが処理容器11に還流し、排気ポート11Aから排気されてしまうことはない。   As shown in FIG. 20B, in the step 35, the switching valve 15 disconnects the storage tank 63 and the filter 62 from the processing container 11, and accordingly, in the step 35, the gas in the storage tank 63 is changed to the processing container 11. The exhaust gas is not exhausted from the exhaust port 11A.

なおこのステップ35の工程において、前記バルブ12dおよびポート11dよりArなどの不活性ガスを前記処理容器11中の処理空間110に導入し、上記の酸素パージを促進してもよい。   In the step 35, an inert gas such as Ar may be introduced into the processing space 110 in the processing container 11 from the valve 12d and the port 11d to promote the oxygen purge.

ステップ35の後、前記ガス取り出しポート11Cから取り出された水素ガスと水蒸気よりなる混合ガスは前記切換バルブ15およびガスフィードバックポート11Dを介して、図20Cに示すように、前記処理容器11中の処理空間110にフィードバックされる。   After step 35, the mixed gas composed of hydrogen gas and water vapor taken out from the gas take-out port 11C is processed in the processing vessel 11 through the switching valve 15 and the gas feedback port 11D as shown in FIG. 20C. Feedback is made to the space 110.

さらにステップ33〜35を繰り返すことにより、図17の水素ガス発生装置60を繰り返し運転することができる。   Furthermore, by repeating Steps 33 to 35, the hydrogen gas generator 60 of FIG. 17 can be operated repeatedly.

最後に、前記処理容器11中の処理空間110の雰囲気中の水素ガス濃度が十分に増大すると、図20Dに示すように、前記切換バルブ15は前記処理容器11中のガスを前記フィルタ62へと流し、前記フィルタ62より、高純度の水素ガスが得られる。   Finally, when the hydrogen gas concentration in the atmosphere of the processing space 110 in the processing container 11 is sufficiently increased, the switching valve 15 causes the gas in the processing container 11 to flow to the filter 62 as shown in FIG. 20D. As a result, high purity hydrogen gas is obtained from the filter 62.

本実施形態においても、前記基板Wとして、先に図8,図11A,11B、さらには図12,13で説明したものを使うことができる。   Also in this embodiment, as the substrate W, those described above with reference to FIGS. 8, 11A and 11B, and FIGS. 12 and 13 can be used.

なお図19のフローチャートにおいて、前記ステップ36のフィードバック工程の後、プロセスを、破線で示すように前記ステップ33に戻し、水蒸気を処理容器11中の処理空間110に導入することも可能である。   In the flowchart of FIG. 19, after the feedback step of Step 36, the process can be returned to Step 33 as indicated by a broken line, and water vapor can be introduced into the processing space 110 in the processing vessel 11.

なお、図17の水素ガス発生装置60において、前記フィルタ61を前記図10で説明したフィルタ16Aに置き換え、フィルタ62を前記図10で説明したフィルタ16Bに置き換えることにより、図17の水素ガス発生装置は、一酸化炭素ガス発生装置としても使うことができるのは明らかである。   In the hydrogen gas generator 60 of FIG. 17, the filter 61 is replaced with the filter 16A described with reference to FIG. 10, and the filter 62 is replaced with the filter 16B described with reference to FIG. It can be clearly used as a carbon monoxide gas generator.

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。   Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.

本国際出願は2009年5月15日に出願した国際出願PCT/JP2009/059078号に基づく優先権を主張するものであり、PCT/JP2009/059078号の全内容を本国際出願に援用する。   This international application claims priority based on the international application PCT / JP2009 / 059078 filed on May 15, 2009, and the entire contents of PCT / JP2009 / 059078 are incorporated herein by reference.

10,20,40 一酸化炭素ガス発生装置
11 処理容器
11A 排気ポート
11B 基板保持台
11C ガス取り出しポート
11D ガスフィードバックポート
11H ヒータ
11a 酸素ガス供給ポート
11b 水素ガス供給ポート
11c 原料ガス供給ポート
11d パージガス供給ポート
12a〜12d,13 バルブ
14 質量分析計
15 切換バルブ
16A CO分子フィルタ
16B CO分子フィルタ
40H ヒータ
40I 絶縁膜
40P ペロブスカイト構造金属酸化物膜
40Q,40R 支持基板
40S スリット
40T 櫛歯部
40W 基板
40ad 密着層
400 積層構造
400A,400B 支柱
60 水素ガス発生装置
61 水分子フィルタ
62 水素分子フィルタ
63 貯蔵タンク
63A ピストン
63B シリンダ
63b ポート
110 処理空間
10, 20, 40 Carbon monoxide gas generator 11 Processing vessel 11A Exhaust port 11B Substrate holder 11C Gas extraction port 11D Gas feedback port 11H Heater 11a Oxygen gas supply port 11b Hydrogen gas supply port 11c Raw material gas supply port 11d Purge gas supply port 12a to 12d, 13 Valve 14 Mass spectrometer 15 Switching valve 16A CO 2 molecular filter 16B CO molecular filter 40H Heater 40I Insulating film 40P Perovskite structure metal oxide film 40Q, 40R Support substrate 40S Slit 40T Comb portion 40W Substrate 40ad Adhesion layer 400 Laminated structure 400A, 400B Prop 60 Hydrogen gas generator 61 Water molecular filter 62 Hydrogen molecular filter 63 Storage tank 63A Piston 63B Cylinder 63b Doo 110 processing space

Claims (9)

処理空間を画成し、前記処理空間中に支持体を保持した処理容器と、
前記処理容器に結合され前記処理空間を排気する排気系と、
前記支持体上に形成され、酸素欠陥を含んだペロブスカイト構造の金属酸化物膜と、
前記処理空間に二酸化炭素または水よりなる原料化合物の分子を含む原料ガスを供給する原料ガス供給ポートと、
前記処理空間から、前記原料化合物から酸素原子を除去した製品化合物の分子を含む製品ガスを排出するガス取り出しポートと、
前記支持体を加熱する加熱部と、を含み,
前記金属酸化物膜は、BaSrO 3−δ ,Ba(Sr,Ti)O 3−δ ,BaTiO x−δ ,SrTiO 3−δ ,Pb(Zr,Ti)O 3−δ ,CaTiO x, PbTiO よりなる群から選ばれるガス発生装置。
A processing vessel defining a processing space and holding a support in the processing space;
An exhaust system coupled to the processing vessel and exhausting the processing space;
A metal oxide film having a perovskite structure and oxygen defects formed on the support;
A raw material gas supply port for supplying a raw material gas containing molecules of a raw material compound consisting of carbon dioxide or water to the processing space;
A gas extraction port for discharging a product gas containing molecules of a product compound obtained by removing oxygen atoms from the raw material compound from the processing space;
Look including a heating unit for heating the substrate,
The metal oxide film, BaSrO 3-δ, Ba ( Sr, Ti) O 3-δ, BaTiO x-δ, SrTiO 3-δ, Pb (Zr, Ti) O 3-δ, CaTiO x, from PbTiO x A gas generator selected from the group consisting of:
前記金属酸化物膜は一般に式ABO3−δで表される組成を有し、組成パラメータδは1以上で2.8以下である請求項1記載のガス発生装置。 The gas generator according to claim 1, wherein the metal oxide film generally has a composition represented by the formula ABO 3-δ , and the composition parameter δ is 1 or more and 2.8 or less. 前記支持体は複数の支持部材を含み、前記複数の支持部材の各々は、前記金属酸化膜を担持する請求項1記載のガス発生装置。 It said support includes a plurality of support members, each of said plurality of support members, the gas generator of claim 1, wherein the carrying the metal oxide film. 前記複数の支持部材は、互いに離間して、上下に積層されている請求項記載のガス発生装置。 The gas generator according to claim 3 , wherein the plurality of support members are separated from each other and stacked one above the other. さらに前記ガス取り出しポートに接続され、前記製品ガスの経路を切り換える切換バルブと、前記切換バルブに接続され、前記製品ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、前記切換バルブに接続され、前記ガス取り出しポートから得られた前記製品ガスを純化し、前記製品化合物を取り出す出力側フィルタと、前記切換バルブに接続され、前記ガス取り出しポートから得られた前記製品ガスを前記処理容器に戻すフィードバックポートとが設けられている請求項1記載のガス発生装置。   Further, a switching valve connected to the gas extraction port for switching the path of the product gas; a storage tank connected to the switching valve for storing the product gas; and connected to the switching valve; obtained from the gas extraction port. An output-side filter for purifying the product gas and extracting the product compound; and a feedback port connected to the switching valve and returning the product gas obtained from the gas extraction port to the processing container. The gas generator according to claim 1. 前記切換バルブは、前記製品ガスを前記貯蔵タンクに供給する第1の状態と、前記ガス取り出しポートと前記フィードバックポートと前記貯蔵タンクと、前記出力側フィルタとの接続が遮断された第2の状態と、前記貯蔵タンクを前記フィードバックポートに接続する第3の状態と、前記ガス取り出しポートを前記出力側フィルタに接続する第4の状態との間で状態を順次切り替えることを特徴とする請求項記載のガス発生装置。 The switching valve has a first state in which the product gas is supplied to the storage tank, and a second state in which the connection between the gas take-out port, the feedback port, the storage tank, and the output side filter is cut off. When, according to claim, characterized a third state connecting said storage tank to said feedback port, sequentially switches that the state between the fourth state for connecting the gas extraction port to the output side filter 5 The gas generator described. 処理空間を画成し、前記処理空間中に支持体を保持した処理容器と、前記支持体上に形成され、酸素欠陥を含んだペロブスカイト構造の金属酸化物膜と、前記処理容器に設けられ、前記処理空間に前記処理容器の外部から二酸化炭素または水よりなる原料化合物分子含む原料ガスを供給する原料ガス供給ポートと、前記処理容器に設けられ、前記金属酸化物膜の表面で発生した、前記原料化合物から酸素原子が除去された製品化合物を分子の形で含む製品ガスを前記処理空間から取り出すガス取り出しポートと、前記支持体を熱する加熱部と、を含むガス発生装置を使ったガス発生方法であって、
前記金属酸化物膜は、BaSrO 3−δ ,Ba(Sr,Ti)O 3−δ ,BaTiO x−δ ,SrTiO 3−δ ,Pb(Zr,Ti)O 3−δ ,CaTiO x, PbTiO よりなる群から選ばれ,
(A)前記処理空間を排気する工程と、
(B)前記処理空間中に前記原料ガス供給ポートを介して前記原料ガスを導入し、前記原料化合物を前記金属酸化物膜により前記製品化合物に解離させる工程と、
(C)前記製品ガスを、前記処理空間から前記処理容器の外へ、前記ガス取り出しポートから取り出す工程と、を含み、
さらに(D)前記工程(A)〜(C)の後、前記支持体を加熱して前記金属酸化物膜から酸素を放出させる工程を含むガス発生方法。
A processing space is defined, a processing container holding a support in the processing space, a metal oxide film having a perovskite structure including oxygen defects formed on the support, and provided in the processing container. a raw material gas supply ports for supplying a raw material gas containing a molecule of external consisting of carbon dioxide or water from the starting compound of the process vessel into the processing space, provided in the processing container, generated on the surface of the metal oxide film And a gas generator including a gas take-out port for taking out a product gas containing molecules of the product compound from which oxygen atoms have been removed from the raw material compound from the processing space, and a heating unit for heating the support. A gas generation method,
The metal oxide film, BaSrO 3-δ, Ba ( Sr, Ti) O 3-δ, BaTiO x-δ, SrTiO 3-δ, Pb (Zr, Ti) O 3-δ, CaTiO x, from PbTiO x Selected from the group
(A) exhausting the processing space;
(B) introducing the source gas into the processing space via the source gas supply port, and dissociating the source compound into the product compound by the metal oxide film;
(C) extracting the product gas from the processing space to the outside of the processing container from the gas extraction port,
And (D) a gas generation method including a step of heating the support and releasing oxygen from the metal oxide film after the steps (A) to (C).
前記工程(D)は、前記工程(A)〜(C)が複数回繰り返された後、実行される請求項記載のガス発生方法。 The gas generation method according to claim 7, wherein the step (D) is performed after the steps (A) to (C) are repeated a plurality of times. さらに前記ガス発生装置は前記ガス取り出しポートに接続され、前記製品ガスの経路を切り換える切換バルブと、前記切換バルブに接続され、前記製品ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、前記切換バルブに接続され、前記ガス取り出しポートから得られた前記製品ガスを純化し、前記製品化合物を取り出す出力側フィルタと、前記切換バルブに接続され、前記ガス取り出しポートから得られた前記製品ガスを前記処理容器に戻すフィードバックポートとを備え、
前記工程(A)では前記切換バルブは、前記ガス取り出しポートと前記フィードバックポートと前記貯蔵タンクと前記出力側フィルタとの接続が遮断された第1の状態をとり、
前記工程(B)では前記切換バルブは、前記貯蔵タンクを前記フィードバックポートに接続する第2の状態をとり、
前記工程(C)では前記切換バルブは、前記製品ガスを前記貯蔵タンクに供給する第3の状態をとり、
前記工程(D)では前記切換バルブは、前記ガス取り出しポートと前記フィードバックポートと前記貯蔵タンクと前記出力側フィルタとの接続が遮断された前記第1の状態をとり、
前記工程(A)〜前記工程(D)が複数回繰り返された後、前記切換バルブは、前記ガス取り出しポートを前記出力側フィルタに接続する請求項記載のガス発生方法。
Further, the gas generator is connected to the gas take-out port, and is connected to the switching valve for switching the path of the product gas, the switching valve, a storage tank for storing the product gas, and the switching valve, An output filter for purifying the product gas obtained from the gas take-out port and taking out the product compound, and a feedback port connected to the switching valve and returning the product gas obtained from the gas take-out port to the processing vessel And
In the step (A), the switching valve takes a first state in which the connection between the gas take-out port, the feedback port, the storage tank, and the output filter is cut off,
In the step (B), the switching valve takes a second state in which the storage tank is connected to the feedback port;
In the step (C), the switching valve takes a third state of supplying the product gas to the storage tank,
In the step (D), the switching valve takes the first state in which the connection between the gas extraction port, the feedback port, the storage tank, and the output side filter is cut off,
The gas generation method according to claim 7 , wherein after the steps (A) to (D) are repeated a plurality of times, the switching valve connects the gas extraction port to the output filter.
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