JP6942359B2 - 内包フラーレン生成装置及び生成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、フラーレンの内部空間に多様な物質を内包させた内包フラーレンを製造する内包フラーレン生成装置及び生成方法に関する。
様々な産業分野において、ナノカーボンに関する研究が盛んに行われている。前記ナノカーボンの１つとしてフラーレンがある。前記フラーレンは、多数の炭素原子が球状に結合したもので、化学式がＣｎ（ｎ＝６０，７０，７６，７８，８０，８２・・・）で表され、特に炭素原子が６０個結合したものをＣ６０フラーレンと言う。このＣ６０フラーレンは、前記フラーレンを生成する際、最も高い割合で生成されるものである。
前記フラーレンの内部には真空の空間があり、この空間に対して金属及び非金属の原子、分子、イオンが内包された内包フラーレンは、従来の前記フラーレンには存在しない特性（半導体特性、超伝導体特性、スピン特性、及び磁性など）を有し、新規機能性材料として期待されている。
前記内包フラーレンの製造手法としては、アーク放電法、レーザ蒸発法、高周波放電法、高温高圧処理法等の物理的手法、及び化学的手法によるものが提案されている。具体的には、以下の様な製造手法が提案されている。
前記フラーレンの内部には真空の空間があり、この空間に対して金属及び非金属の原子、分子、イオンが内包された内包フラーレンは、従来の前記フラーレンには存在しない特性（半導体特性、超伝導体特性、スピン特性、及び磁性など）を有し、新規機能性材料として期待されている。
前記内包フラーレンの製造手法としては、アーク放電法、レーザ蒸発法、高周波放電法、高温高圧処理法等の物理的手法、及び化学的手法によるものが提案されている。具体的には、以下の様な製造手法が提案されている。
例えば、前記物理的手法によるものとして、炭素と金属をカーバイド化させた混合ロッドを原材料としてアーク放電又はレーザ蒸発を行い、生成した金属内包フラーレンを嫌気下で回収することが提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、この提案では、金属内包フラーレンの生成について言及されるものの、生成率が低い問題がある。即ち、前記フラーレンと前記内包させる金属とが混在する状態の前記混合ロッドに対して、前記アーク放電又は前記レーザ蒸発を行い、偶然の確率で前記金属を内包させた前記金属内包フラーレンの生成を期待するものであり、意図的に前記金属内包フラーレンを高効率で生成させることができない。また、生成物中に目的としない不純物（空のフラーレン等）も数多く発生し、かつ、前記不純物と前記金属内包フラーレンとを分離することが困難であるとの問題がある。
しかしながら、この提案では、金属内包フラーレンの生成について言及されるものの、生成率が低い問題がある。即ち、前記フラーレンと前記内包させる金属とが混在する状態の前記混合ロッドに対して、前記アーク放電又は前記レーザ蒸発を行い、偶然の確率で前記金属を内包させた前記金属内包フラーレンの生成を期待するものであり、意図的に前記金属内包フラーレンを高効率で生成させることができない。また、生成物中に目的としない不純物（空のフラーレン等）も数多く発生し、かつ、前記不純物と前記金属内包フラーレンとを分離することが困難であるとの問題がある。
また、前記物理的手法によるものとして、窒素ガスを原料としてプラズマ放電による窒素イオン及び窒素分子イオンを生成するとともに、フラーレンの堆積基板上に負のバイアス電圧を印加することで前記窒素イオン及び前記窒素分子イオンを前記堆積基板に向けて加速させて前記フラーレンと衝突させることにより窒素内包フラーレンを生成する手法が提案されている（特許文献２，３参照）。
しかしながら、この提案においても、生成率が１％以下にとどまり、依然として生成率が低い問題がある。更に、この提案によって前記フラーレン内に内包させる物質としては、窒素イオン及び窒素分子イオンに限られ、多種多様な物質に適応させることが困難であるという問題がある。
しかしながら、この提案においても、生成率が１％以下にとどまり、依然として生成率が低い問題がある。更に、この提案によって前記フラーレン内に内包させる物質としては、窒素イオン及び窒素分子イオンに限られ、多種多様な物質に適応させることが困難であるという問題がある。
また、前記物理的手法によるものとして、ニッケル金属に対し高いバイアス電圧を印加し電子ビームを照射してニッケルプラズマを生成させるとともに、フラーレンを堆積させた基板上に負のバイアス電圧を印加し前記ニッケルプラズマ中のニッケルイオンのみを前記基板に向けて加速させ、これを前記フラーレンと衝突させることでニッケル内包フラーレンを生成する手法が提案されている（特許文献４参照）。
しかしながら、この提案では、前記高エネルギーの電子ビーム生成のために、フィラメント電源５００Ｗ、ビーム電源１０００Ｗ（バイアス電圧５ｋ∨、エミッション電流２００ｍＡ）が必要であり、更に生成量を増加させる場合には、より多くの電流を必要とするため、前記ニッケル内包フラーレンの生成に必要な消費エネルギーが過大となる問題がある。
しかしながら、この提案では、前記高エネルギーの電子ビーム生成のために、フィラメント電源５００Ｗ、ビーム電源１０００Ｗ（バイアス電圧５ｋ∨、エミッション電流２００ｍＡ）が必要であり、更に生成量を増加させる場合には、より多くの電流を必要とするため、前記ニッケル内包フラーレンの生成に必要な消費エネルギーが過大となる問題がある。
前記化学的手法によるものとしては、例えば、高圧加熱合成法・気相合成法・プラズマ合成法を利用して、開口フラーレンにメタロセン（フェロセン等）を導入した後、酸化処理・可視光処理を行うことでメタロセンを内包化させたフラーレンを生成し、これを真空中で加熱することにより前記フラーレン中の前記メタロセンを分解して、分解物としての磁性金属原子が内包化されたフラーレンを生成することが提案されている（特許文献５参照）。
しかしながら、こうした化学的手法では、前記フラーレンに物質を内包させるための処理として、別途、溶媒中で前記フラーレンを開口させた開口フラーレンを合成する処理、及び、前記物質を内部に導入後、溶媒中で前記開口フラーレンの開口を封鎖する処理等が必要であることから、前記内包フラーレンの生成に多くの手間と時間を要する問題がある。また、前記フラーレンに内包させる物質が前記溶媒中で扱うことが可能なものに限定される問題がある。
しかしながら、こうした化学的手法では、前記フラーレンに物質を内包させるための処理として、別途、溶媒中で前記フラーレンを開口させた開口フラーレンを合成する処理、及び、前記物質を内部に導入後、溶媒中で前記開口フラーレンの開口を封鎖する処理等が必要であることから、前記内包フラーレンの生成に多くの手間と時間を要する問題がある。また、前記フラーレンに内包させる物質が前記溶媒中で扱うことが可能なものに限定される問題がある。
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、多種多様な物質を内包させることができ、省エネルギーで効率良く前記物質をフラーレン中に内包する内包フラーレンを生成可能な内包フラーレン生成装置及び生成方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 固体の内包用物質が支持される内包用物質支持部と、固体のフラーレンが導入される坩堝及び前記坩堝を加熱してフラーレン昇華体を前記坩堝から放散させる加熱部を有するフラーレン放散部と、前記フラーレン放散部から放散される前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積体として堆積させるフラーレン堆積基板と、前記内包用物質にレーザ光を照射して溶発させるとともに、前記内包用物質中の内包物質に対し前記フラーレンに内包させる運動エネルギーの全部又は一部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されるレーザ光照射部と、前記内包用物質支持部、前記フラーレン放散部及び前記フラーレン堆積基板が内部に配されるとともに、外部に配される前記レーザ光照射部から照射される前記レーザ光を前記内包用物質支持部に向けて導入可能とされる窓部が形成される真空容器と、を有し、溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の前記内包用物質を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記フラーレンに前記内包物質が内包された内包フラーレンを生成させることを特徴とする内包フラーレン生成装置。
＜２＞ フラーレン堆積基板が、フラーレン昇華体の固体相への相変化を促進させる冷却部を有する前記＜１＞に記載の内包フラーレン生成装置。
＜３＞ フラーレン放散部における坩堝が、フラーレン堆積基板に向けてフラーレン昇華体を放散させる案内管を有する前記＜１＞から＜２＞のいずれかの記載の内包フラーレン生成装置。
＜４＞ 案内管が、基端側からフラーレン昇華体を放散させる先端側に向けて拡開されるテーパ構造を有する前記＜３＞に記載の内包フラーレン生成装置。
＜５＞ フラーレン放散部における坩堝が、内部から外部へフラーレン昇華体を放散させる放散経路中にメッシュ構造を有する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜６＞ フラーレン堆積基板が電極材料で形成される電極部を有するとともに、前記電極部に電圧を印加する電圧印加部が配される前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜７＞ 溶発状態で拡散される内包用物質にマイクロ波を導入するマイクロ波導入部が真空容器内に配される前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜８＞ 真空容器に、溶発状態で拡散される内包用物質に向けてガスを導入するガス導入部が形成される前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜９＞ 溶発状態で拡散される内包用物質に対し補助レーザ光を照射して前記内包用物質中のバルク粒子を細粒子化させる補助レーザ光照射部が真空容器の外部に配されるとともに、前記真空容器に前記補助レーザ光照射部から照射される前記補助レーザ光を溶発状態で拡散される前記内包用物質に向けて導入可能とされる窓部が形成される前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜１０＞ 溶発状態で拡散される内包用物質中の荷電粒子の拡散軌道を制御可能とさせる磁場発生部が真空容器内に配される前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜１１＞ 固体のフラーレンを加熱してフラーレン昇華体を発生させるフラーレン昇華工程と、固体の内包用物質にレーザ光を照射して溶発させるとともに、前記内包用物質中の内包物質に対し前記フラーレンに内包させる運動エネルギーの全部又は一部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されるレーザ光照射工程と、前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積体としてフラーレン堆積基板上に堆積させるフラーレン堆積工程と、溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の前記内包用物質を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記フラーレンに前記内包物質が内包された内包フラーレンを生成させる内包フラーレン生成工程と、を含むことを特徴とする内包フラーレン生成方法。
＜１２＞ フラーレン堆積基板に電圧を印加する電圧印加工程を含む前記＜１１＞に記載の内包フラーレン生成方法。
＜１３＞ 溶発状態で拡散される内包用物質にマイクロ波を導入するマイクロ波導入工程を含む前記＜１１＞から＜１２＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成方法。
＜１＞ 固体の内包用物質が支持される内包用物質支持部と、固体のフラーレンが導入される坩堝及び前記坩堝を加熱してフラーレン昇華体を前記坩堝から放散させる加熱部を有するフラーレン放散部と、前記フラーレン放散部から放散される前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積体として堆積させるフラーレン堆積基板と、前記内包用物質にレーザ光を照射して溶発させるとともに、前記内包用物質中の内包物質に対し前記フラーレンに内包させる運動エネルギーの全部又は一部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されるレーザ光照射部と、前記内包用物質支持部、前記フラーレン放散部及び前記フラーレン堆積基板が内部に配されるとともに、外部に配される前記レーザ光照射部から照射される前記レーザ光を前記内包用物質支持部に向けて導入可能とされる窓部が形成される真空容器と、を有し、溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の前記内包用物質を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記フラーレンに前記内包物質が内包された内包フラーレンを生成させることを特徴とする内包フラーレン生成装置。
＜２＞ フラーレン堆積基板が、フラーレン昇華体の固体相への相変化を促進させる冷却部を有する前記＜１＞に記載の内包フラーレン生成装置。
＜３＞ フラーレン放散部における坩堝が、フラーレン堆積基板に向けてフラーレン昇華体を放散させる案内管を有する前記＜１＞から＜２＞のいずれかの記載の内包フラーレン生成装置。
＜４＞ 案内管が、基端側からフラーレン昇華体を放散させる先端側に向けて拡開されるテーパ構造を有する前記＜３＞に記載の内包フラーレン生成装置。
＜５＞ フラーレン放散部における坩堝が、内部から外部へフラーレン昇華体を放散させる放散経路中にメッシュ構造を有する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜６＞ フラーレン堆積基板が電極材料で形成される電極部を有するとともに、前記電極部に電圧を印加する電圧印加部が配される前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜７＞ 溶発状態で拡散される内包用物質にマイクロ波を導入するマイクロ波導入部が真空容器内に配される前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜８＞ 真空容器に、溶発状態で拡散される内包用物質に向けてガスを導入するガス導入部が形成される前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜９＞ 溶発状態で拡散される内包用物質に対し補助レーザ光を照射して前記内包用物質中のバルク粒子を細粒子化させる補助レーザ光照射部が真空容器の外部に配されるとともに、前記真空容器に前記補助レーザ光照射部から照射される前記補助レーザ光を溶発状態で拡散される前記内包用物質に向けて導入可能とされる窓部が形成される前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜１０＞ 溶発状態で拡散される内包用物質中の荷電粒子の拡散軌道を制御可能とさせる磁場発生部が真空容器内に配される前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
＜１１＞ 固体のフラーレンを加熱してフラーレン昇華体を発生させるフラーレン昇華工程と、固体の内包用物質にレーザ光を照射して溶発させるとともに、前記内包用物質中の内包物質に対し前記フラーレンに内包させる運動エネルギーの全部又は一部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されるレーザ光照射工程と、前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積体としてフラーレン堆積基板上に堆積させるフラーレン堆積工程と、溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の前記内包用物質を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記フラーレンに前記内包物質が内包された内包フラーレンを生成させる内包フラーレン生成工程と、を含むことを特徴とする内包フラーレン生成方法。
＜１２＞ フラーレン堆積基板に電圧を印加する電圧印加工程を含む前記＜１１＞に記載の内包フラーレン生成方法。
＜１３＞ 溶発状態で拡散される内包用物質にマイクロ波を導入するマイクロ波導入工程を含む前記＜１１＞から＜１２＞のいずれかに記載の内包フラーレン生成方法。
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、多種多様な物質を内包させることができ、省エネルギーで効率良く前記物質をフラーレン中に内包する内包フラーレンを生成可能な内包フラーレン生成装置及び生成方法を提供することができる。
（内包フラーレン生成装置及び内包フラーレン生成方法）
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図１に示すように、内包フラーレン生成装置１００は、主としてレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成される。
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図１に示すように、内包フラーレン生成装置１００は、主としてレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成される。
レーザ光照射部１は、内包用物質４にレーザ光を照射して溶発させるとともに、内包用物質４中の内包物質に対しフラーレンに内包させる運動エネルギーの全部又は一部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御される部であり、本例では、内包用物質４に対し前記運動エネルギーの全部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御される。
従来における前記物理的手法では、炭素と金属との混合ロッドを内包フラーレンの生成原料とし、これにレーザ光を照射して蒸発させることで、偶然の確率で前記金属を内包させた前記金属内包フラーレンが生成されることとしている。
これに対し、本発明に係る内包フラーレン生成装置では、前記内包物質に対し前記運動エネルギーを付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されることで、前記内包物質に対して前記フラーレンに内包させるのに適した前記運動エネルギーを付与し、前記フラーレンに対して意図的に前記内包物質を内包させることとする。
なお、本明細書において、「効率良く内包フラーレンを生成する」とは、前記レーザ光の照射エネルギーを制御することで、前記内包物質に対して前記フラーレンに内包させるのに適した前記運動エネルギーを付与した状態で、前記フラーレンに対し内包用物質４を内包させることを意味する。
従来における前記物理的手法では、炭素と金属との混合ロッドを内包フラーレンの生成原料とし、これにレーザ光を照射して蒸発させることで、偶然の確率で前記金属を内包させた前記金属内包フラーレンが生成されることとしている。
これに対し、本発明に係る内包フラーレン生成装置では、前記内包物質に対し前記運動エネルギーを付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されることで、前記内包物質に対して前記フラーレンに内包させるのに適した前記運動エネルギーを付与し、前記フラーレンに対して意図的に前記内包物質を内包させることとする。
なお、本明細書において、「効率良く内包フラーレンを生成する」とは、前記レーザ光の照射エネルギーを制御することで、前記内包物質に対して前記フラーレンに内包させるのに適した前記運動エネルギーを付与した状態で、前記フラーレンに対し内包用物質４を内包させることを意味する。
前記フラーレンに内包させるのに適した前記運動エネルギーとしては、量子分子動力学計算により求めることが可能である。具体的には、Ｂｏｒｎ−Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍｅｒ断熱近似を利用し、前記フラーレン中の炭素原子核と初期エネルギーが与えられた前記内包物質原子核のまわりを動くグランドカノニカル分布を持つ電子についての波動関数を解くことで、系の平衡状態を求める。このとき、前記電子のハミルトニアンＨは、下記式（１）で表される。
ここで、前記電子がフェルミ粒子であることを考慮すると、前記電荷密度ρ及び化学ポテンシャルμは、それぞれ下記式（２），（３）で与えられる。
前記フラーレン及び前記内包物質に含まれる、それぞれの電子について前記式（１）〜（３）を解き、それぞれの電子について温度一定の下で波動関数の平衡解を求めた後、前記炭素原子核及び前記内包物質原子核の各原子核について、ヘルマンファインマン力を考慮し、前記原子核の位置を修正することで系全体の平衡状態を時間ステップ毎に繰り返して求め、最終的な系の平衡状態を決定する。
この手法により、前記内包物質を前記フラーレンに内包するために必要な運動エネルギーを求めるために、前記内包物質の初期エネルギー（内包させるための運動エネルギー）を変化させ、その変化させた値のそれぞれの場合について、前記式（１)〜（３）を数値的に解くことで、各初期エネルギーでの最終的な系の状態が決定される。この手法により、前記内包物質の初期エネルギーを変化させ、最終的な平衡状態において、前記内包物質が前記フラーレン中に内包されるエネルギー、及び内包されないエネルギーの境界を調べることにより、前記内包物質を前記フラーレンに内包するために必要な前記運動エネルギーが求められる。
なお、前記手法については、下記参考文献１を参照することができる。
参考文献１：K. Ohno, Y. Maruyama, and Y. Kawazoe, Physical Review B, vol. 53, No. 7, pp. 4078-4082 (1996)
なお、前記手法については、下記参考文献１を参照することができる。
参考文献１：K. Ohno, Y. Maruyama, and Y. Kawazoe, Physical Review B, vol. 53, No. 7, pp. 4078-4082 (1996)
例えば、下記参考文献２では、前記内包物質としてのＢｅの２価イオンに対し５ｅＶの前記運動エネルギーを与えて前記フラーレン（Ｃ６０）に衝突させ、７Ｂｅ＠Ｃ６０が生成されることを前記手法により明らかにしている。
また、下記参考文献３では、前記内包物質としての１価のＬｉイオンに対し５ｅＶの前記運動エネルギーを与えて前記フラーレン（Ｃ６０）に衝突させ、Ｌｉ＠Ｃ６０が生成されることが示されている。
参考文献２：T. Ohtsuki, K. Matsumoto, K. Ohno, Y. Maruyama, Y. Kawazoe, K. Sueki, and k. Kikuchi, Physical Review Letters, vol. 77, No. 17, pp. 3522-3524 (1996)
参考文献３：K. Ohno, Y. Maruyama, K. Esfarjani, Y. Kawazoe, N. Sato, R. Hatakeyama, T. Hirata, and M. Niwano,, Physical Review Letters, vol. 76, No. 19, pp. 3590-3593 (1996)
また、下記参考文献３では、前記内包物質としての１価のＬｉイオンに対し５ｅＶの前記運動エネルギーを与えて前記フラーレン（Ｃ６０）に衝突させ、Ｌｉ＠Ｃ６０が生成されることが示されている。
参考文献２：T. Ohtsuki, K. Matsumoto, K. Ohno, Y. Maruyama, Y. Kawazoe, K. Sueki, and k. Kikuchi, Physical Review Letters, vol. 77, No. 17, pp. 3522-3524 (1996)
参考文献３：K. Ohno, Y. Maruyama, K. Esfarjani, Y. Kawazoe, N. Sato, R. Hatakeyama, T. Hirata, and M. Niwano,, Physical Review Letters, vol. 76, No. 19, pp. 3590-3593 (1996)
レーザ光照射部１としては、例えば、図示のようにレーザ光源１ａと集光するレンズ１ｂとで構成される。
前記レーザ光を用いることで、前記内包物質に対して内包に適した前記運動エネルギーを付与するための照射エネルギーの制御が容易とされるとともに、従来の電子ビームを用いる場合に比べて、大幅に省エネルギー化させることができる。
即ち、レーザ光源１ａの出力及びレンズ１ｂによる焦点距離の調整等を行うだけで、容易かつ省エネルギーに内包用物質４に対する前記運動エネルギーの付与を行うことができる。
なお、レーザ光源１ａ及びレンズ１ｂとしては、特に制限はなく、レーザ溶発装置等に用いられる公知のレーザ機器から適宜選択して用いることができる。また、レーザ光照射部１として、内包用物質４を溶発させること、前記内包物質に前記運動エネルギーを付与することができる限り、レーザ光源１ａ及びレンズ１ｂによる構成に代えて、他の公知のレーザ機器による構成を採用してもよい。
前記レーザ光を用いることで、前記内包物質に対して内包に適した前記運動エネルギーを付与するための照射エネルギーの制御が容易とされるとともに、従来の電子ビームを用いる場合に比べて、大幅に省エネルギー化させることができる。
即ち、レーザ光源１ａの出力及びレンズ１ｂによる焦点距離の調整等を行うだけで、容易かつ省エネルギーに内包用物質４に対する前記運動エネルギーの付与を行うことができる。
なお、レーザ光源１ａ及びレンズ１ｂとしては、特に制限はなく、レーザ溶発装置等に用いられる公知のレーザ機器から適宜選択して用いることができる。また、レーザ光照射部１として、内包用物質４を溶発させること、前記内包物質に前記運動エネルギーを付与することができる限り、レーザ光源１ａ及びレンズ１ｂによる構成に代えて、他の公知のレーザ機器による構成を採用してもよい。
好適に用いることのできるレーザ光源１ａとしては、パルスレーザが挙げられる。前記パルスレーザとしては、特に制限はないが、レーザエネルギー（レーザ出力）が１，０００ｍＪ／パルス以下であり、作動繰返し周波数が１Ｈｚ〜１，０００Ｈｚであり、パルス幅が６ｎｓ〜１５０ｎｓであるものが好ましい。これら条件を満たす前記パルスレーザを用いると、レーザエネルギー密度の最適化により、前記内包物質の内包化に適した前記運動エネルギー帯を生成し易く、また、集光レンズとしてのレンズ１ｂの位置を調整してレーザ光照射面積を最適化することで、４．５％以上の高生成率で前記内包フラーレンを生成することができる。
なお、本明細書において、前記内包フラーレンの生成率は、次のように定義される。
即ち、前記内包フラーレン生成装置を用いて前記内包フラーレンを生成後、前記内包フラーレン生成装置から回収される堆積物に対し、飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＡＳＳ）を用いた測定を行い、前記堆積物中に含まれる前記内包用物質が内包されていない空のフラーレンのピーク強度の合算値と前記内包用物質が内包された前記内包フラーレンのピーク強度の合算値とを算出する。これらの算出結果に基づき、前記生成率は、下記式（４）で与えられる。
即ち、前記内包フラーレン生成装置を用いて前記内包フラーレンを生成後、前記内包フラーレン生成装置から回収される堆積物に対し、飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＡＳＳ）を用いた測定を行い、前記堆積物中に含まれる前記内包用物質が内包されていない空のフラーレンのピーク強度の合算値と前記内包用物質が内包された前記内包フラーレンのピーク強度の合算値とを算出する。これらの算出結果に基づき、前記生成率は、下記式（４）で与えられる。
ただし、窒素内包フラーレンなど、不対電子を有する物質を前記フラーレンへ内包させた場合には、電子スピン共鳴法及びＵＶ／ｖｉｓ吸収スペクトル法により、前記生成率が次のように定義される。
即ち、前記内包フラーレン生成装置を用いて前記内包フラーレンを生成後、前記内包フラーレン生成装置から回収される前記堆積物には、前記内包フラーレン以外に前記空のフラーレンやヘテロフラーレンなどの不純物が含まれる。前記堆積物をトルエン等の溶媒に入れて、溶媒に溶けるものと、溶けないものに分離する。ここで、１種単独又は２種以上の溶媒を用いることによって、前記不純物と、前記空のフラーレン及び前記内包フラーレンとを分離する。分離後の溶媒には前記空のフラーレンと前記内包フラーレンとが溶解されている。
前記溶媒に溶解される試料に対し、前記電子スピン共鳴法による分析を行い、前記内包用物質の不対電子に対応した信号から強度を得る。このとき、予め、前記内包用物質の不対電子を有した状態を作成できる試薬を用いて前記電子スピン共鳴法によって得られる信号強度とモル濃度との関係性を表すグラフを作成しておけば、前記信号強度を前記グラフと照らし合わせることで前記内包フラーレンのモル濃度（ｍｏｌ／Ｌ）が算出される。
また、前記溶媒に溶解される試料に対し、前記ＵＶ／ｖｉｓ吸収スペクトル法を行い、前記フラーレンによって吸収される可視吸収スペクトル２２１ｎｍ、２７１ｎｍ、３４７ｎｍの吸収強度から前記空のフラーレンの含有モル濃度が算出される。
これらの算出結果に基づき、不対電子を有する物質を前記フラーレンへ内包させた場合の前記生成率は、下記式（５）により与えられる。
即ち、前記内包フラーレン生成装置を用いて前記内包フラーレンを生成後、前記内包フラーレン生成装置から回収される前記堆積物には、前記内包フラーレン以外に前記空のフラーレンやヘテロフラーレンなどの不純物が含まれる。前記堆積物をトルエン等の溶媒に入れて、溶媒に溶けるものと、溶けないものに分離する。ここで、１種単独又は２種以上の溶媒を用いることによって、前記不純物と、前記空のフラーレン及び前記内包フラーレンとを分離する。分離後の溶媒には前記空のフラーレンと前記内包フラーレンとが溶解されている。
前記溶媒に溶解される試料に対し、前記電子スピン共鳴法による分析を行い、前記内包用物質の不対電子に対応した信号から強度を得る。このとき、予め、前記内包用物質の不対電子を有した状態を作成できる試薬を用いて前記電子スピン共鳴法によって得られる信号強度とモル濃度との関係性を表すグラフを作成しておけば、前記信号強度を前記グラフと照らし合わせることで前記内包フラーレンのモル濃度（ｍｏｌ／Ｌ）が算出される。
また、前記溶媒に溶解される試料に対し、前記ＵＶ／ｖｉｓ吸収スペクトル法を行い、前記フラーレンによって吸収される可視吸収スペクトル２２１ｎｍ、２７１ｎｍ、３４７ｎｍの吸収強度から前記空のフラーレンの含有モル濃度が算出される。
これらの算出結果に基づき、不対電子を有する物質を前記フラーレンへ内包させた場合の前記生成率は、下記式（５）により与えられる。
なお、前記フラーレンの可視吸収スペクトルについては、下記参考文献４を参照することができる。
参考文献４：S. Kazaoui, R. Ross and N. Minami, Solid State Commun., 90, 623 (1994)
フラーレン堆積基板３は、坩堝６（フラーレン放散部）から放散されるフラーレン昇華体をフラーレン堆積体として堆積させるものであり、本例では、堆積板３ａと冷却板３ｂとを貼り合せた構成とされる。
堆積板３ａ及び冷却板３ｂの形成材料としては、必要な耐熱性を有する限り、特に制限はなく、公知の基板材料を用いることができる。
なお、本例では、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａと冷却板３ｂ）にレーザ光照射部１から内包用物質４に向けて照射される前記レーザ光を通過させるための通過孔が形成される。
堆積板３ａ及び冷却板３ｂの形成材料としては、必要な耐熱性を有する限り、特に制限はなく、公知の基板材料を用いることができる。
なお、本例では、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａと冷却板３ｂ）にレーザ光照射部１から内包用物質４に向けて照射される前記レーザ光を通過させるための通過孔が形成される。
冷却板３ｂは、前記フラーレン昇華体の固体相への相変化を促進させる冷却部としての役割を有する。即ち、冷却板３ｂとしては、例えば、冷却材導入管２ａ及び冷却材排出管２ｂから矢印Ａ及びＢの経路で導入及び排出される冷却材の循環経路を内部に有し、冷却制御が可能とされる。このような冷却制御により、真空容器９内に放散される前記フラーレン昇華体を堆積板３ａ上に吸着等させて効果的に堆積させることができる。
前記冷却材としては、水等の任意の液体やガスを用いることができる。
なお、冷却材導入管２ａ及び冷却材排出管２ｂとしては、一端側がチラー等の前記冷却材の温度を制御する公知の冷却装置（不図示）と接続され、他端側の冷却板３ｂとの接続を介して、フラーレン堆積基板３を真空容器９内で安定的に支持させることにも役立つ。
前記冷却材としては、水等の任意の液体やガスを用いることができる。
なお、冷却材導入管２ａ及び冷却材排出管２ｂとしては、一端側がチラー等の前記冷却材の温度を制御する公知の冷却装置（不図示）と接続され、他端側の冷却板３ｂとの接続を介して、フラーレン堆積基板３を真空容器９内で安定的に支持させることにも役立つ。
内包用物質支持部５は、固体の内包用物質４が支持されるように構成され、例えば、公知の蒸着装置におけるターゲット材支持部等と同様に構成することができる。
例えば、本例では、回転駆動可能な支持柱として構成される。このような構成とすることで、円盤状の内包用物質４を配したときに、回転する内包用物質４に対し前記レーザ光をトラック走査させて照射することができ、内包用物質４に対して効率的に前記レーザ光を照射することができる。
なお、内包用物質４としては、前記フラーレンに内包させる前記内包物質自体であってもよく、前記フラーレンに内包させる前記内包物質を一部に含む物質（例えば、前記内包物質としての原子を含む化合物等）であってもよい。後者の場合、前記内包物質に特有の前記運動エネルギーを付与することで、内包を目的としない他の物質と選別して前記内包物質を選択的に前記フラーレンに内包させることができる。
例えば、本例では、回転駆動可能な支持柱として構成される。このような構成とすることで、円盤状の内包用物質４を配したときに、回転する内包用物質４に対し前記レーザ光をトラック走査させて照射することができ、内包用物質４に対して効率的に前記レーザ光を照射することができる。
なお、内包用物質４としては、前記フラーレンに内包させる前記内包物質自体であってもよく、前記フラーレンに内包させる前記内包物質を一部に含む物質（例えば、前記内包物質としての原子を含む化合物等）であってもよい。後者の場合、前記内包物質に特有の前記運動エネルギーを付与することで、内包を目的としない他の物質と選別して前記内包物質を選択的に前記フラーレンに内包させることができる。
内包用物質４に前記レーザ光が照射されると、内包用物質４の溶発体としてのプルームＰが発生する。このプルームＰには、前記フラーレン内に内包させる前記内包物質が高密度に含まれる。本例では、プルームＰの拡散方向にフラーレン堆積基板３を配し、フラーレン堆積基板３上の前記フラーレン堆積体（気体状で吸着されるフラーレン、冷却により固体状とされるフラーレンを含む）及び前記フラーレン堆積基板３近傍に存する前記フラーレン昇華体とプルームＰとを衝突させ、前記運動エネルギーが付与された前記内包物質を前記フラーレン中に内包させる。
このような観点から、フラーレン堆積基板３と内包用物質４との間の距離は、短いことが好ましく、例えば、最短距離で２０ｍｍ〜７０ｍｍとされることが好ましい。
このような観点から、フラーレン堆積基板３と内包用物質４との間の距離は、短いことが好ましく、例えば、最短距離で２０ｍｍ〜７０ｍｍとされることが好ましい。
本例では、前記フラーレン放散部が、固体の前記フラーレンが導入される坩堝６、及び坩堝６を加熱して前記フラーレン昇華体を坩堝６から放散させる加熱部７を有して構成される。
坩堝６に導入される前記フラーレンとしては、例えば、市販のフラーレン粉末を用いることができる。
加熱部７としては、特に制限はなく、公知のヒータ装置を用いて構成することができる。
加熱部７における坩堝６の加熱温度としては、特に制限はないが、７５０℃〜１，０００℃が好ましい。
坩堝６に導入される前記フラーレンとしては、例えば、市販のフラーレン粉末を用いることができる。
加熱部７としては、特に制限はなく、公知のヒータ装置を用いて構成することができる。
加熱部７における坩堝６の加熱温度としては、特に制限はないが、７５０℃〜１，０００℃が好ましい。
坩堝６としては、特に制限はなく、公知の加熱装置に用いられる坩堝と同様のものを用いることができるが、図示のように、管の軸方向の延長上にフラーレン堆積基板３が配され、フラーレン堆積基板３に向けて前記フラーレン昇華体を放散させる案内管６ａを有することが好ましい。このような案内管６ａを有することで、前記フラーレン昇華体がフラーレン堆積基板３の外方に散逸することを抑制することができる。
また、同じく前記フラーレン昇華体がフラーレン堆積基板３の外方に散逸することを抑制する目的で、フラーレン堆積基板３と坩堝６（案内管６ａの放散口）との間の距離は、短いことが好ましく、例えば、最短距離で２０ｍｍ〜１００ｍｍとされることが好ましい。
また、同じく前記フラーレン昇華体がフラーレン堆積基板３の外方に散逸することを抑制する目的で、フラーレン堆積基板３と坩堝６（案内管６ａの放散口）との間の距離は、短いことが好ましく、例えば、最短距離で２０ｍｍ〜１００ｍｍとされることが好ましい。
また、坩堝６としては、特に制限はないが、図２に示す特徴の全部又は一部を有することが好ましい。なお、図２は、坩堝の好適な構成例を説明するための断面図である。
即ち、坩堝６から放散される前記フラーレン昇華体は、固体からの急激な相変化時に突沸等の不安定な挙動を示すことがあり、このような挙動は、フラーレン堆積基板３に向かう前記フラーレン昇華体の量が過剰となることに加えて、前記フラーレンの未昇華粉末がそのまま坩堝６外方に飛散し、昇華量の制御性を低減させる原因となる。
したがって、図２に示すように、坩堝６としては、案内管６ａ、前記フラーレン（固体原料）を収容する収容部６ｂに加え、開口径の調整により収容部６内の圧力を調整して前記フラーレン昇華体の突沸等を抑制する開口付き蓋部６ｃ、更には、内部から外部へ前記フラーレン昇華体を放散させる拡散経路中にメッシュ構造６ｄが形成されることが好ましい。なお、メッシュ構造６ｄを形成するメッシュ材としては、必要な耐熱性を有するものであれば特に制限はなく、公知のものから適宜選択して用いることができる。
また、案内管６ａとしては、収容部６ｂ側である基端側から前記フラーレン昇華体を放散させる先端側に向けて拡開されるテーパ構造を有することが好ましい。
これら特徴の全部又は一部を有すると、前記フラーレン昇華体の前記突沸等に基づく不安定な挙動が抑制され、安定的に前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積基板３に供給することができる。
即ち、坩堝６から放散される前記フラーレン昇華体は、固体からの急激な相変化時に突沸等の不安定な挙動を示すことがあり、このような挙動は、フラーレン堆積基板３に向かう前記フラーレン昇華体の量が過剰となることに加えて、前記フラーレンの未昇華粉末がそのまま坩堝６外方に飛散し、昇華量の制御性を低減させる原因となる。
したがって、図２に示すように、坩堝６としては、案内管６ａ、前記フラーレン（固体原料）を収容する収容部６ｂに加え、開口径の調整により収容部６内の圧力を調整して前記フラーレン昇華体の突沸等を抑制する開口付き蓋部６ｃ、更には、内部から外部へ前記フラーレン昇華体を放散させる拡散経路中にメッシュ構造６ｄが形成されることが好ましい。なお、メッシュ構造６ｄを形成するメッシュ材としては、必要な耐熱性を有するものであれば特に制限はなく、公知のものから適宜選択して用いることができる。
また、案内管６ａとしては、収容部６ｂ側である基端側から前記フラーレン昇華体を放散させる先端側に向けて拡開されるテーパ構造を有することが好ましい。
これら特徴の全部又は一部を有すると、前記フラーレン昇華体の前記突沸等に基づく不安定な挙動が抑制され、安定的に前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積基板３に供給することができる。
真空容器９は、堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６及び加熱部７を内部に配するように構成され、また、外部に配されるレーザ光照射部１から照射される前記レーザ光を内包用物質４に向けて導入可能とされる窓部１ｃと、排気（矢印Ｃ方向）により内部の圧力を調整するための排気部８とが形成される（図１参照）。
真空容器９としては、公知の真空容器を利用して構成することができる。
なお、前記内包フラーレン生成処理時における容器内の圧力（背景真空度）としては、特に制限はなく、例えば、１．０×１０−５Ｐａ〜１Ｐａとされる。
真空容器９としては、公知の真空容器を利用して構成することができる。
なお、前記内包フラーレン生成処理時における容器内の圧力（背景真空度）としては、特に制限はなく、例えば、１．０×１０−５Ｐａ〜１Ｐａとされる。
以上により構成される内包フラーレン生成装置１００では、次の操作により前記内包フラーレンを生成することができる。
先ず、坩堝６内に前記フラーレンが導入された状態で加熱部７による加熱を行い、前記フラーレン昇華体を発生させる（フラーレン昇華工程）。
また、内包用物質４に前記レーザ光を照射して溶発させる。この際、前記レーザ光の照射は、前記内包物質に対し、前記フラーレンに内包させる前記運動エネルギーの全部又は一部（本例では、全部）を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーを制御して行う（レーザ光照射工程）。
また、前記フラーレン昇華体を前記フラーレン堆積体としてフラーレン堆積基板３上に堆積させる（フラーレン堆積工程）。なお、この操作は、発生する前記フラーレン昇華体の放散先にフラーレン堆積基板３を配して行う。
また、溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の内包用物質４を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記内包物質が前記フラーレンに内包された内包フラーレンを生成させる（内包フラーレン生成工程）。なお、この操作は、溶発状態の内包用物質４のプルームＰの拡散先にフラーレン堆積基板３を配して行う。
なお、内包用物質４中の前記フラーレンに内包される前記内包物質が、昇華体、堆積体（気体状で吸着されるフラーレン、固体状とされるフラーレンを含む）のいずれの段階の前記フラーレンに内包されるかは定かではないが、前記内包フラーレンは、最終的にフラーレン堆積基板３に堆積される固体状のものとして回収される。
先ず、坩堝６内に前記フラーレンが導入された状態で加熱部７による加熱を行い、前記フラーレン昇華体を発生させる（フラーレン昇華工程）。
また、内包用物質４に前記レーザ光を照射して溶発させる。この際、前記レーザ光の照射は、前記内包物質に対し、前記フラーレンに内包させる前記運動エネルギーの全部又は一部（本例では、全部）を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーを制御して行う（レーザ光照射工程）。
また、前記フラーレン昇華体を前記フラーレン堆積体としてフラーレン堆積基板３上に堆積させる（フラーレン堆積工程）。なお、この操作は、発生する前記フラーレン昇華体の放散先にフラーレン堆積基板３を配して行う。
また、溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の内包用物質４を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記内包物質が前記フラーレンに内包された内包フラーレンを生成させる（内包フラーレン生成工程）。なお、この操作は、溶発状態の内包用物質４のプルームＰの拡散先にフラーレン堆積基板３を配して行う。
なお、内包用物質４中の前記フラーレンに内包される前記内包物質が、昇華体、堆積体（気体状で吸着されるフラーレン、固体状とされるフラーレンを含む）のいずれの段階の前記フラーレンに内包されるかは定かではないが、前記内包フラーレンは、最終的にフラーレン堆積基板３に堆積される固体状のものとして回収される。
したがって、内包フラーレン生成装置１００及び内包フラーレン生成装置１００を用いた内包フラーレン生成方法によれば、前記レーザ光により溶発可能なものを対象として多種多様な物質を前記フラーレンに内包させることができ、また、前記レーザ光を用いることで前記内包フラーレンの生成に必要なエネルギーを省エネルギー化することができ、更に、前記レーザ光の照射エネルギーの制御により内包させる物質が前記内包フラーレンに内包されるのに適した運動エネルギーを付与されるため、高効率に内包フラーレンが生成可能とされる。
内包フラーレン生成装置１００としては、図３に示す内包フラーレン生成装置１００’のように、レーザ光源１ａに代えて、複数のレーザ光源１ａ’で構成されたレーザ光源を用いて構成してもよい。なお、図３は、第１実施形態に係るフラーレン生成装置の変形例の構成を説明するための説明図である。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図４に示すように、内包フラーレン生成装置２００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、バイアス電源１０及びバイアス印加電極１１を有すること等が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
次に、本発明の第２実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図４に示すように、内包フラーレン生成装置２００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、バイアス電源１０及びバイアス印加電極１１を有すること等が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
内包フラーレン生成装置２００では、フラーレン堆積基板３における堆積板３ａが電極材料で形成され、堆積板３ａは、前記フラーレン堆積体を堆積させる役割に加え、電極部としての役割を有する。
堆積板３ａと対向して対をなす電極部として、内包用物質４を間に介在させるように、バイアス印加電極１１が真空容器９内に配される。
堆積板３ａ及びバイアス印加電極１１は、電圧印加部としてのバイアス電源１０に接続され、バイアス電源１０から印加される電圧により、堆積板３ａとバイアス印加電極１１との間に電位差が形成される。
なお、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）及びバイアス印加電極１１のそれぞれは、真空容器９と絶縁された状態で配される。
堆積板３ａと対向して対をなす電極部として、内包用物質４を間に介在させるように、バイアス印加電極１１が真空容器９内に配される。
堆積板３ａ及びバイアス印加電極１１は、電圧印加部としてのバイアス電源１０に接続され、バイアス電源１０から印加される電圧により、堆積板３ａとバイアス印加電極１１との間に電位差が形成される。
なお、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）及びバイアス印加電極１１のそれぞれは、真空容器９と絶縁された状態で配される。
溶発状態で拡散される内包用物質４、即ち、プルームＰには、原子等の中性粒子及びイオン等の荷電粒子等の粒子が含まれる。
したがって、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）に電圧を印加することで、前記中性粒子及び前記荷電粒子のいずれかを選択的に前記フラーレンに内包させ易い（電圧印加工程）。
即ち、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）に正又は負のバイアス電圧を印加することで、正負いずれかの電荷に応じた荷電粒子のみをフラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）側に誘引して前記フラーレンに内包させたり、正負いずれかの電荷に応じた荷電粒子をバイアス印加電極１１側に反発させて残りの粒子（中性粒子）を前記フラーレンに内包させることができる。
したがって、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）に電圧を印加することで、前記中性粒子及び前記荷電粒子のいずれかを選択的に前記フラーレンに内包させ易い（電圧印加工程）。
即ち、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）に正又は負のバイアス電圧を印加することで、正負いずれかの電荷に応じた荷電粒子のみをフラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）側に誘引して前記フラーレンに内包させたり、正負いずれかの電荷に応じた荷電粒子をバイアス印加電極１１側に反発させて残りの粒子（中性粒子）を前記フラーレンに内包させることができる。
特定の荷電粒子をフラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）側に誘引して前記フラーレンに内包させる場合、前記荷電粒子には、フラーレン堆積基板３（堆積板３ａ）側に向けて加速する運動エネルギーが付与される。
内包フラーレン生成装置２００では、レーザ光照射部１から照射される前記レーザ光の照射エネルギーを制御することに加え、電圧印加に伴う前記荷電粒子の加速エネルギーを制御して、前記フラーレンに内包させる前記荷電粒子に前記運動エネルギーを付与する。
なお、前記バイアス電圧の印加条件としては、特に制限はないが、−２，０００Ｖ〜＋２，０００Ｖとすることが好ましい。
内包フラーレン生成装置２００では、レーザ光照射部１から照射される前記レーザ光の照射エネルギーを制御することに加え、電圧印加に伴う前記荷電粒子の加速エネルギーを制御して、前記フラーレンに内包させる前記荷電粒子に前記運動エネルギーを付与する。
なお、前記バイアス電圧の印加条件としては、特に制限はないが、−２，０００Ｖ〜＋２，０００Ｖとすることが好ましい。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図５に示すように、内包フラーレン生成装置３００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、マイクロ波供給源１２とマイクロ波アンテナ１３とを有する点、真空容器９にガスを導入するガス供給部１４が接続される点が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
次に、本発明の第３実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図５に示すように、内包フラーレン生成装置３００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、マイクロ波供給源１２とマイクロ波アンテナ１３とを有する点、真空容器９にガスを導入するガス供給部１４が接続される点が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
マイクロ波供給源１２は、マイクロ波アンテナ１３と接続され、マイクロ波アンテナ１３にマイクロ波エネルギーを供給する。マイクロ波供給源１２としては、特に制限はなく、公知のマイクロ波アンテナ装置に適用されるものから適宜選択して用いることができる。
マイクロ波アンテナ１３は、マイクロ波導入部として真空容器９内に配され、溶発状態で拡散される内包用物質４、即ち、プルームＰにマイクロ波を導入する。マイクロ波アンテナ１３としては、特に制限はなく、公知のマイクロ波アンテナ装置に適用されるものから適宜選択して用いることができる。
マイクロ波アンテナ１３は、マイクロ波導入部として真空容器９内に配され、溶発状態で拡散される内包用物質４、即ち、プルームＰにマイクロ波を導入する。マイクロ波アンテナ１３としては、特に制限はなく、公知のマイクロ波アンテナ装置に適用されるものから適宜選択して用いることができる。
溶発状態で拡散される内包用物質４、即ち、プルームＰには、前述の通り、前記中性粒子及び前記荷電粒子等の粒子が含まれる。
このようなプルームＰにマイクロ波を導入すると、前記中性粒子が電離され、前記荷電粒子が形成される（マイクロ波導入工程）。
したがって、内包フラーレン生成装置３００では、前記荷電粒子を選択的に前記フラーレンに内包させ易い。また、内包フラーレン生成装置２００で説明した事項に基づく電圧印加を行うと、より一層、前記荷電粒子を選択的に前記フラーレンに内包させ易い。
なお、マイクロ波アンテナ１３から導入されるマイクロ波としては、特に制限はなく、内包させる物質の種類にもよるが、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚ程度が好ましい。
このようなプルームＰにマイクロ波を導入すると、前記中性粒子が電離され、前記荷電粒子が形成される（マイクロ波導入工程）。
したがって、内包フラーレン生成装置３００では、前記荷電粒子を選択的に前記フラーレンに内包させ易い。また、内包フラーレン生成装置２００で説明した事項に基づく電圧印加を行うと、より一層、前記荷電粒子を選択的に前記フラーレンに内包させ易い。
なお、マイクロ波アンテナ１３から導入されるマイクロ波としては、特に制限はなく、内包させる物質の種類にもよるが、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚ程度が好ましい。
ガス供給部１４は、ガス導入部として真空容器９に形成され、溶発状態で拡散される内包用物質、即ち、プルームＰに向けて前記ガスを導入する。
前記ガスとしては、特に制限はなく、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。
このような不活性ガスを導入させると、不純物ガスを含む雰囲気下における場合と比べ、電離に伴う前記中性粒子の荷電粒子化が促進され、より一層、前記荷電粒子を選択的に前記フラーレンに内包させることができる。また、このようなガス供給部１４としては、内包フラーレン生成装置２００に適用して、電圧印加に伴う諸粒子の方向制御を促進させることもできる。
前記ガスとしては、特に制限はなく、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。
このような不活性ガスを導入させると、不純物ガスを含む雰囲気下における場合と比べ、電離に伴う前記中性粒子の荷電粒子化が促進され、より一層、前記荷電粒子を選択的に前記フラーレンに内包させることができる。また、このようなガス供給部１４としては、内包フラーレン生成装置２００に適用して、電圧印加に伴う諸粒子の方向制御を促進させることもできる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図６は、本発明の第４実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図６に示すように、内包フラーレン生成装置４００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、補助レーザ光照射部１５が配される点が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
次に、本発明の第４実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図６は、本発明の第４実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図６に示すように、内包フラーレン生成装置４００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、補助レーザ光照射部１５が配される点が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
溶発状態で拡散される内包用物質４、即ち、プルームＰには、前記フラーレンへの内包に適さない粗大なバルク粒子が含まれることがある。
補助レーザ光照射部１５は、真空容器９の外部に配され、プルームＰに対し補助レーザ光を照射して前記バルク粒子を細粒子化させる。真空容器９は、窓部１ｃを通じて補助レーザ光照射部１５から照射される前記補助レーザをプルームＰに向けて導入可能とされる。
補助レーザ光照射部１５から照射される前記補助レーザ光の照射エネルギーとしては、前記バルク粒子を再溶発させる観点及び内包用物質４に対し過剰なエネルギーを付与することを避ける観点から、内包用物質４を溶発させるレーザ光照射部１から照射される前記レーザ光の照射エネルギーに対して、ジュール換算で０．１倍〜１０倍程度とされることが好ましい。
また、補助レーザ光照射部１５としては、特に制限はなく、レーザ溶発装置等に用いられる公知のレーザ機器から適宜選択して構成することができる。
なお、図中の符号１ｂ’は、集光するレンズを示す。
補助レーザ光照射部１５は、真空容器９の外部に配され、プルームＰに対し補助レーザ光を照射して前記バルク粒子を細粒子化させる。真空容器９は、窓部１ｃを通じて補助レーザ光照射部１５から照射される前記補助レーザをプルームＰに向けて導入可能とされる。
補助レーザ光照射部１５から照射される前記補助レーザ光の照射エネルギーとしては、前記バルク粒子を再溶発させる観点及び内包用物質４に対し過剰なエネルギーを付与することを避ける観点から、内包用物質４を溶発させるレーザ光照射部１から照射される前記レーザ光の照射エネルギーに対して、ジュール換算で０．１倍〜１０倍程度とされることが好ましい。
また、補助レーザ光照射部１５としては、特に制限はなく、レーザ溶発装置等に用いられる公知のレーザ機器から適宜選択して構成することができる。
なお、図中の符号１ｂ’は、集光するレンズを示す。
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図７は、本発明の第５実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。なお、図７では、内包フラーレン生成装置１００を上部から見た様子を示している。また、図中のＡ’，Ｂ’は、冷却板３ｂ’に対する冷却材の導入及び排出経路を示す。
該図７に示すように、内包フラーレン生成装置５００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、磁場発生部１７が配される点と、第２のフラーレン堆積基板及び第２のフラーレン放散部として、フラーレン堆積基板３’、坩堝６’及び加熱部７’が配される点が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
次に、本発明の第５実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図７は、本発明の第５実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。なお、図７では、内包フラーレン生成装置１００を上部から見た様子を示している。また、図中のＡ’，Ｂ’は、冷却板３ｂ’に対する冷却材の導入及び排出経路を示す。
該図７に示すように、内包フラーレン生成装置５００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、フラーレン堆積基板３、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、磁場発生部１７が配される点と、第２のフラーレン堆積基板及び第２のフラーレン放散部として、フラーレン堆積基板３’、坩堝６’及び加熱部７’が配される点が内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
磁場発生部１７は、溶発状態で拡散される内包用物質４中の前記荷電粒子の拡散軌道を制御可能とされる。
即ち、磁場発生部１７により発生させる磁場Ｍにより、前記荷電粒子の拡散軌道と、それ以外の拡散軌道とを分離可能とさせる。
したがって、前記荷電粒子の拡散軌道上に前記第２のフラーレン堆積基板及び前記第２のフラーレン放散部として、フラーレン堆積基板３’、坩堝６’及び加熱部７’を配することとすれば、フラーレン堆積基板３’上の前記荷電粒子の溶発体Ｉに基づき、前記荷電粒子のみを選択して前記フラーレンに内包させることができる。
また、フラーレン堆積基板３上の前記荷電粒子以外の粒子、即ち、前記中性粒子の溶発体Ｎに基づき、前記中性粒子のみを選択して前記フラーレンに内包させることができる。
即ち、磁場発生部１７により発生させる磁場Ｍにより、前記荷電粒子の拡散軌道と、それ以外の拡散軌道とを分離可能とさせる。
したがって、前記荷電粒子の拡散軌道上に前記第２のフラーレン堆積基板及び前記第２のフラーレン放散部として、フラーレン堆積基板３’、坩堝６’及び加熱部７’を配することとすれば、フラーレン堆積基板３’上の前記荷電粒子の溶発体Ｉに基づき、前記荷電粒子のみを選択して前記フラーレンに内包させることができる。
また、フラーレン堆積基板３上の前記荷電粒子以外の粒子、即ち、前記中性粒子の溶発体Ｎに基づき、前記中性粒子のみを選択して前記フラーレンに内包させることができる。
なお、フラーレン堆積基板３’、坩堝６’及び加熱部７’としては、第１実施形態について説明したフラーレン堆積基板３、坩堝６及び加熱部７と同様に構成することができる。
また、磁場発生部１７としては、必要な耐熱性を有する限り、特に制限はなく、公知の磁場コイル等を用いることができる。
また、磁場発生部１７により発生させる磁場Ｍの強度としては、前記荷電粒子の拡散軌道を制御可能な限り、特に制限はなく、例えば、０．００５Ｔ〜１Ｔ程度とされる。
また、磁場発生部１７としては、必要な耐熱性を有する限り、特に制限はなく、公知の磁場コイル等を用いることができる。
また、磁場発生部１７により発生させる磁場Ｍの強度としては、前記荷電粒子の拡散軌道を制御可能な限り、特に制限はなく、例えば、０．００５Ｔ〜１Ｔ程度とされる。
＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図８は、本発明の第６実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図８に示すように、内包フラーレン生成装置６００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、フラーレン堆積基板３に代えてフラーレン堆積基板３０が配される点、巻取ローラ１８ａ及び送出ローラ１８ｂが配される点で内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
次に、本発明の第６実施形態に係る内包フラーレン生成装置を図面を参照しつつ説明する。図８は、本発明の第６実施形態に係る内包フラーレン生成装置の概略構成を示す説明図である。
該図８に示すように、内包フラーレン生成装置６００は、内包フラーレン生成装置１００と同様にレーザ光照射部１、内包用物質支持部５、坩堝６、加熱部７及び真空容器９を有して構成され、フラーレン堆積基板３に代えてフラーレン堆積基板３０が配される点、巻取ローラ１８ａ及び送出ローラ１８ｂが配される点で内包フラーレン生成装置１００と異なる。
ここでは、内包フラーレン生成装置１００と共通する事項の説明を省略し、異なる事項について説明する。
フラーレン堆積基板３０は、堆積板３０ａと冷却板３０ｂとで構成され、冷却板３０ｂとしては、第１実施形態について説明した冷却板３ｂと同様に構成することができる。
堆積板３０ａは、シート状に形成され、冷却板３ｂと接触しつつ実施される、巻取ローラ１８ａ及び送出ローラ１８ｂによる巻取及び送出に基づき、前記フラーレン堆積体を堆積させる位置を変更させることができる。
堆積板３０ａとしては、必要な耐熱性を有する限り、特に制限はなく、公知のモリブデン等により構成することができる。
堆積板３０ａは、シート状に形成され、冷却板３ｂと接触しつつ実施される、巻取ローラ１８ａ及び送出ローラ１８ｂによる巻取及び送出に基づき、前記フラーレン堆積体を堆積させる位置を変更させることができる。
堆積板３０ａとしては、必要な耐熱性を有する限り、特に制限はなく、公知のモリブデン等により構成することができる。
このように構成される内包フラーレン生成装置６００によれば、フラーレン堆積基板３０の前記フラーレン堆積体を堆積させる領域を大面積化させることができ、連続した生成処理を通じて前記内包フラーレンを大量に生産することができる。
＜用途＞
以上のように、前記内包フラーレンとしては、様々な物質を内包させることができ、種々の分野への応用が期待できる。
本発明に係る内包フラーレン生成装置及び生成方法によれば、例えば、鉄、ニッケル、コバルトの様な磁性を有する原子を内包させた磁性内包フラーレンを高効率に生成することができ、前記磁性内包フラーレンとしては、ドラッグデリバリー材料として用いることができる。
また、本発明に係る内包フラーレン生成装置及び生成方法によれば、例えば、ボロン内包フラーレンやガドニウム内包フラーレンを高効率に生成することができ、前記ボロン内包フラーレンや前記ガドニウム内包フラーレンとしては、中性子線捕捉療法に使用できる中性子線捕捉製剤として用いることができる。
また、本発明に係る内包フラーレン生成装置及び生成方法によれば、例えば、窒素原子を内包させた窒素内包フラーレンを高効率に生成することができ、前記窒素内包フラーレンとしては、量子コンピュータへの応用が期待される。
また、前記窒素内包フラーレン、前記ボロン内包フラーレン、前記ガドニウム内包フラーレンとしては、磁気共鳴画像に使用できる造影剤として用いることができる。
以上のように、前記内包フラーレンとしては、様々な物質を内包させることができ、種々の分野への応用が期待できる。
本発明に係る内包フラーレン生成装置及び生成方法によれば、例えば、鉄、ニッケル、コバルトの様な磁性を有する原子を内包させた磁性内包フラーレンを高効率に生成することができ、前記磁性内包フラーレンとしては、ドラッグデリバリー材料として用いることができる。
また、本発明に係る内包フラーレン生成装置及び生成方法によれば、例えば、ボロン内包フラーレンやガドニウム内包フラーレンを高効率に生成することができ、前記ボロン内包フラーレンや前記ガドニウム内包フラーレンとしては、中性子線捕捉療法に使用できる中性子線捕捉製剤として用いることができる。
また、本発明に係る内包フラーレン生成装置及び生成方法によれば、例えば、窒素原子を内包させた窒素内包フラーレンを高効率に生成することができ、前記窒素内包フラーレンとしては、量子コンピュータへの応用が期待される。
また、前記窒素内包フラーレン、前記ボロン内包フラーレン、前記ガドニウム内包フラーレンとしては、磁気共鳴画像に使用できる造影剤として用いることができる。
以下では、本発明の内包フラーレン生成装置の実施例を詳細に説明するが、本発明の思想は、これに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示す態様で、実施例１に係る内包フラーレン生成装置を作製した。
具体的には、図１に示す真空容器９に対し、真空容器９内にレーザ光を導入する窓部１ｃと、水を冷却するチラー（不図示）と接続される冷却材導入管２ａ及び冷却材排出管２ｂと、堆積板３ａと冷却板３ｂとが接合されたフラーレン堆積基板３と、内包用物質支持部５と、加熱部７と、加熱部７上に配される坩堝６と、排気部８を配して、実施例１に係る内包フラーレン生成装置を作製した。
ここで、堆積板３ａ及び冷却板３ｂには、窓部１ｃから導入される前記レーザ光を通過させて、内包用物質支持部５上に配される内包用物質４に照射させるための直径５ｍｍの孔が連通されている。また、フラーレン堆積基板３は、冷却材導入管２ａ及び冷却材排出管２ｂを介して支持され、前記チラーにより冷却される。
なお、坩堝６の案内管６ａと堆積板３ａとの距離を最短距離で２０ｍｍ程度とし、内包用物質４と堆積板３ａとの距離を最短距離で３０ｍｍ程度とした。
図１に示す態様で、実施例１に係る内包フラーレン生成装置を作製した。
具体的には、図１に示す真空容器９に対し、真空容器９内にレーザ光を導入する窓部１ｃと、水を冷却するチラー（不図示）と接続される冷却材導入管２ａ及び冷却材排出管２ｂと、堆積板３ａと冷却板３ｂとが接合されたフラーレン堆積基板３と、内包用物質支持部５と、加熱部７と、加熱部７上に配される坩堝６と、排気部８を配して、実施例１に係る内包フラーレン生成装置を作製した。
ここで、堆積板３ａ及び冷却板３ｂには、窓部１ｃから導入される前記レーザ光を通過させて、内包用物質支持部５上に配される内包用物質４に照射させるための直径５ｍｍの孔が連通されている。また、フラーレン堆積基板３は、冷却材導入管２ａ及び冷却材排出管２ｂを介して支持され、前記チラーにより冷却される。
なお、坩堝６の案内管６ａと堆積板３ａとの距離を最短距離で２０ｍｍ程度とし、内包用物質４と堆積板３ａとの距離を最短距離で３０ｍｍ程度とした。
次に、実施例１に係る内包フラーレン生成装置を用いて、次のように内包フラーレンの生成試験を行った。
先ず、内包用物質支持部５上に内包用物質４として固体の窒化ボロンを配し、また、坩堝６内に昇華用材としてフラーレン（Ｃ６０又はＣ６０とＣ７０の混合）の粉末を配した。
次に、真空容器９内の圧力を４．０×１０−５Ｐａに調整した。
次に、冷却板３ｂに冷却水（約１６℃）を導入した。
次に、加熱部７により坩堝６を８００℃に加熱し、案内管６ａから放散される前記フラーレンの昇華体を堆積板３ａに堆積させるようにした。
同時に、レーザ光照射部１から照射される前記レーザ光を集光レンズ１ｂで焦点距離を変化させて窓部１ｃから真空容器９内に導入して前記窒化ボロンに照射し、前記窒化ボロンを溶発させた。溶発により生成された粒子群中には、それぞれ運動エネルギーを有したボロン原子、ボロンイオン、ボロンクラスター、窒素原子、窒素分子、窒素イオン、窒化ボロンクラスター、電子等が混在し、これら粒子群を密度が極めて高い状態（約１０２１ｍ−３）で前記フラーレンの昇華体ないし堆積板３ａに堆積された前記フラーレンの堆積体に衝突させた。
先ず、内包用物質支持部５上に内包用物質４として固体の窒化ボロンを配し、また、坩堝６内に昇華用材としてフラーレン（Ｃ６０又はＣ６０とＣ７０の混合）の粉末を配した。
次に、真空容器９内の圧力を４．０×１０−５Ｐａに調整した。
次に、冷却板３ｂに冷却水（約１６℃）を導入した。
次に、加熱部７により坩堝６を８００℃に加熱し、案内管６ａから放散される前記フラーレンの昇華体を堆積板３ａに堆積させるようにした。
同時に、レーザ光照射部１から照射される前記レーザ光を集光レンズ１ｂで焦点距離を変化させて窓部１ｃから真空容器９内に導入して前記窒化ボロンに照射し、前記窒化ボロンを溶発させた。溶発により生成された粒子群中には、それぞれ運動エネルギーを有したボロン原子、ボロンイオン、ボロンクラスター、窒素原子、窒素分子、窒素イオン、窒化ボロンクラスター、電子等が混在し、これら粒子群を密度が極めて高い状態（約１０２１ｍ−３）で前記フラーレンの昇華体ないし堆積板３ａに堆積された前記フラーレンの堆積体に衝突させた。
ここで、レーザ光照射部１による前記レーザ光を前記窒化ボロンに照射して付与する運動エネルギーについて説明する。
実施例１に係るフラーレン内包装置を用いて、レーザ光照射部１において発振される前記レーザ光のエネルギーと前記窒化ボロンの溶発で生成される前記粒子群内に存在する窒素原子及び窒素イオンの運動エネルギーとの関係を測定した。なお、前記運動エネルギーは、溶発領域のドップラー分光計測（焦点距離１ｍ、回折格子溝間隔２，４００ｇｒｏｏｖｅｓ／ｍｍ）により計測した。
実施例１に係るフラーレン内包装置を用いて、レーザ光照射部１において発振される前記レーザ光のエネルギーと前記窒化ボロンの溶発で生成される前記粒子群内に存在する窒素原子及び窒素イオンの運動エネルギーとの関係を測定した。なお、前記運動エネルギーは、溶発領域のドップラー分光計測（焦点距離１ｍ、回折格子溝間隔２，４００ｇｒｏｏｖｅｓ／ｍｍ）により計測した。
図９は、レーザ光照射部１から発振される前記レーザ光のエネルギーを変化させた場合における前記窒化ボロンの溶発で生成される前記粒子群内に存在する窒素原子及び窒素原子イオンの運動エネルギーのレーザエネルギー依存性を示す図である。なお、図９中の縦軸は、運動エネルギーを示し、横軸は、レーザ光照射部１から発振される前記レーザ光のエネルギーを示す。また、図９中の▲印のプロットは、窒素原子イオンに対応し、○印のプロットは、窒素原子に対応している。
該図９に示すように、溶発により生成される前記粒子群内に存在する窒素原子及び窒素原子イオンの各運動エネルギーは、前記レーザ光のエネルギーを０．３Ｊ〜０．８Ｊに変化させた場合に、窒素原子で４５ｅＶ〜６５ｅＶであり、窒素イオンで１５ｅＶ〜６５ｅＶであった。
一方、下記参考文献５によれば、窒素内包フラーレンを生成するために窒素原子が有すべき運動エネルギーは、４０ｅＶ〜８０ｅＶであることが量子分子動力学計算によって示されており、レーザ光照射部１の出力及び焦点距離を調節して前記窒化ボロン表面における前記レーザ光のエネルギーを制御すれば、前記粒子群中の窒素原子及び窒素原子イオンに対して、前記フラーレン中に内包させるための運動エネルギーを付与することができる。
なお、窒素以外の物質を内包させる場合の前記運動エネルギーは、前記式（１）〜（３）に基づく手法から求めることができる。
参考文献５：Keiichiro Shiga, Kaoru Ohno, Tsutomu Ohtsuki and Yoshiyuki Kawazoe, Materials Transaction, vol. 42, No. 11 pp. 2189-2193 (2001)
一方、下記参考文献５によれば、窒素内包フラーレンを生成するために窒素原子が有すべき運動エネルギーは、４０ｅＶ〜８０ｅＶであることが量子分子動力学計算によって示されており、レーザ光照射部１の出力及び焦点距離を調節して前記窒化ボロン表面における前記レーザ光のエネルギーを制御すれば、前記粒子群中の窒素原子及び窒素原子イオンに対して、前記フラーレン中に内包させるための運動エネルギーを付与することができる。
なお、窒素以外の物質を内包させる場合の前記運動エネルギーは、前記式（１）〜（３）に基づく手法から求めることができる。
参考文献５：Keiichiro Shiga, Kaoru Ohno, Tsutomu Ohtsuki and Yoshiyuki Kawazoe, Materials Transaction, vol. 42, No. 11 pp. 2189-2193 (2001)
実施例１における内包フラーレンの生成試験では、前記レーザ光のエネルギーを０．６Ｊとし、前記粒子群に約６５ｅＶの運動エネルギーを付与した状態で、前記粒子群を前記フラーレン昇華体ないし堆積板３ａに堆積された前記フラーレン堆積体に衝突させ、堆積板３ａ上の堆積物として内包フラーレンを得た。
図１０に、堆積板３ａ上の堆積物をトルエンで溶解し、ろ過処理を施したサンプルを電子スピン共鳴法で計測した結果を示す。なお、図１０中の縦軸は、電子スピン共鳴スペクトル強度を示し、横軸は、磁場の強度を示す。また、ＭＩは、核スピンを表す。
図１０では、窒素内包フラーレン特有の電子スピン共鳴スペクトルを確認することができる。よって、実施例１における内包フラーレンの生成試験により、前記窒素内包フラーレンを生成することができており、また、前記粒子群中の窒素原子及び窒素イオンに対し、前記レーザ光のエネルギーを調節し前記フラーレン中に内包させるのに適した運動エネルギーを付与して前記窒素内包フラーレンを生成するため、高効率に前記窒素内包フラーレンを生成させることができる。
したがって、実施例１に係る内包フラーレン生成装置では、前記レーザ光の照射エネルギーを制御することで、レーザを用いた省エネルギーの装置構成で、高効率に内包フラーレンを製造することができる。
図１０に、堆積板３ａ上の堆積物をトルエンで溶解し、ろ過処理を施したサンプルを電子スピン共鳴法で計測した結果を示す。なお、図１０中の縦軸は、電子スピン共鳴スペクトル強度を示し、横軸は、磁場の強度を示す。また、ＭＩは、核スピンを表す。
図１０では、窒素内包フラーレン特有の電子スピン共鳴スペクトルを確認することができる。よって、実施例１における内包フラーレンの生成試験により、前記窒素内包フラーレンを生成することができており、また、前記粒子群中の窒素原子及び窒素イオンに対し、前記レーザ光のエネルギーを調節し前記フラーレン中に内包させるのに適した運動エネルギーを付与して前記窒素内包フラーレンを生成するため、高効率に前記窒素内包フラーレンを生成させることができる。
したがって、実施例１に係る内包フラーレン生成装置では、前記レーザ光の照射エネルギーを制御することで、レーザを用いた省エネルギーの装置構成で、高効率に内包フラーレンを製造することができる。
（実施例２）
図５に示す態様で、実施例２に係る内包フラーレン生成装置を作製した。この実施例２に係る内包フラーレン生成装置は、マイクロ波供給源１２と接続されるマイクロ波アンテナ１３と、ガス供給源１４とを配したこと以外は、実施例１に係る内包フラーレン生成装置と同様に構成される。なお、マイクロ波アンテナ１３は、導入するマイクロ波の半波長の長さで形成され、内包用物質４における内包用物質支持部５が配される側と反対側の前記レーザ光が照射される側の近傍に配される。
図５に示す態様で、実施例２に係る内包フラーレン生成装置を作製した。この実施例２に係る内包フラーレン生成装置は、マイクロ波供給源１２と接続されるマイクロ波アンテナ１３と、ガス供給源１４とを配したこと以外は、実施例１に係る内包フラーレン生成装置と同様に構成される。なお、マイクロ波アンテナ１３は、導入するマイクロ波の半波長の長さで形成され、内包用物質４における内包用物質支持部５が配される側と反対側の前記レーザ光が照射される側の近傍に配される。
次に、実施例２に係る内包フラーレン生成装置を用いて、ガス供給源１４から真空容器９内の圧力が３０ｍＴｏｒｒとなるようにアルゴンガスを供給し、マイクロ波アンテナ１３からマイクロ波（２．４５ＧＨｚ，１５０Ｗ）を真空容器９内に導入し、回転支柱５上に内包用物質４として固体のボロンを配した状態でレーザ光照射部１から前記ボロンに前記レーザ光を０．６Ｊの照射エネルギーで照射して前記ボロンを溶発させ、生成される前記粒子群中のボロン原子及びボロンイオンの発光強度の測定試験を行った。なお、前記発光強度は、真空容器９外に分光器を配して、真空容器９に設置された石英窓を通して前記粒子群からの放射光を計測した。
（参考例１）
また、実施例２における発光強度の測定試験において、真空容器９内にマイクロ波電力を供給しないこと以外は、実施例２における発光強度の測定試験と同様にして、参考例１における発光強度の測定試験を行った。
また、実施例２における発光強度の測定試験において、真空容器９内にマイクロ波電力を供給しないこと以外は、実施例２における発光強度の測定試験と同様にして、参考例１における発光強度の測定試験を行った。
実施例２及び参考例１における各発光強度の測定試験の試験結果を図１１に示す。なお、図１１中、「マイクロ波有り」として表される実線が、実施例２における発光強度の測定試験の試験結果を示し、「マイクロ波無し」として表される破線が、参考例１における発光強度の測定試験の試験結果を示す。
図１１では、参考例１に比べて、実施例２の方がボロンのイオン及び中性粒子の発光強度が増大していることが確認される。発光強度は、中性粒子の状態よりもイオンの状態の方が高く検出される。つまり、前記マイクロ波の導入によりエネルギーを得た電子による衝突が、前記中性粒子の電離（イオン化）に寄与していると考えられる。
したがって、マイクロ波供給源１２及びマイクロ波アンテナ１３が配された、実施例２に係る内包フラーレン生成装置では、荷電粒子を高密度化させることが可能とされる。
なお、図１１では、導入したガスとしてのアルゴンガスに起因するアルゴンイオン及びアルゴン粒子による発光の強度も、参考例１に比べて、実施例２の方が増加していることが確認される。
図１１では、参考例１に比べて、実施例２の方がボロンのイオン及び中性粒子の発光強度が増大していることが確認される。発光強度は、中性粒子の状態よりもイオンの状態の方が高く検出される。つまり、前記マイクロ波の導入によりエネルギーを得た電子による衝突が、前記中性粒子の電離（イオン化）に寄与していると考えられる。
したがって、マイクロ波供給源１２及びマイクロ波アンテナ１３が配された、実施例２に係る内包フラーレン生成装置では、荷電粒子を高密度化させることが可能とされる。
なお、図１１では、導入したガスとしてのアルゴンガスに起因するアルゴンイオン及びアルゴン粒子による発光の強度も、参考例１に比べて、実施例２の方が増加していることが確認される。
１ レーザ光照射部
１ａ，１ａ’ レーザ光源
１ｂ，１ｂ’ レンズ
１ｃ，１ｄ 窓部
２ａ 冷却材導入管
２ｂ 冷却材排出管
３，３０ フラーレン堆積基板
３ａ，３０ａ 堆積板
３ｂ，３０ｂ 冷却板
４ 内包用物質
５ 内包用物質支持部
６ 坩堝
６ａ 案内管
６ｂ 収容部
６ｃ 蓋部
６ｄ メッシュ構造
７ 加熱部
８ 排気部
９ 真空容器
１０ バイアス電源
１１ バイアス印加電極
１２ マイクロ波供給源
１３ マイクロ波アンテナ
１４ ガス供給部
１５ 補助レーザ照射部
１７ 磁場発生部
１８ａ 巻取ローラ
１８ｂ 送出ローラ
１００，１００’，２００，３００，４００，５００，６００ 内包フラーレン生成装置
１ａ，１ａ’ レーザ光源
１ｂ，１ｂ’ レンズ
１ｃ，１ｄ 窓部
２ａ 冷却材導入管
２ｂ 冷却材排出管
３，３０ フラーレン堆積基板
３ａ，３０ａ 堆積板
３ｂ，３０ｂ 冷却板
４ 内包用物質
５ 内包用物質支持部
６ 坩堝
６ａ 案内管
６ｂ 収容部
６ｃ 蓋部
６ｄ メッシュ構造
７ 加熱部
８ 排気部
９ 真空容器
１０ バイアス電源
１１ バイアス印加電極
１２ マイクロ波供給源
１３ マイクロ波アンテナ
１４ ガス供給部
１５ 補助レーザ照射部
１７ 磁場発生部
１８ａ 巻取ローラ
１８ｂ 送出ローラ
１００，１００’，２００，３００，４００，５００，６００ 内包フラーレン生成装置
Claims (13)
- 固体の内包用物質が支持される内包用物質支持部と、
固体のフラーレンが導入される坩堝及び前記坩堝を加熱してフラーレン昇華体を前記坩堝から放散させる加熱部を有するフラーレン放散部と、
前記フラーレン放散部から放散される前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積体として堆積させるフラーレン堆積基板と、
前記内包用物質にレーザ光を照射して溶発させるとともに、前記内包用物質中の内包物質に対し前記フラーレンに内包させる運動エネルギーの全部又は一部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されるレーザ光照射部と、
前記内包用物質支持部、前記フラーレン放散部及び前記フラーレン堆積基板が内部に配されるとともに、外部に配される前記レーザ光照射部から照射される前記レーザ光を前記内包用物質支持部に向けて導入可能とされる窓部が形成される真空容器と、を有し、
溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の前記内包用物質を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記フラーレンに前記内包物質が内包された内包フラーレンを生成させることを特徴とする内包フラーレン生成装置。 - フラーレン堆積基板が、フラーレン昇華体の固体相への相変化を促進させる冷却部を有する請求項１に記載の内包フラーレン生成装置。
- フラーレン放散部における坩堝が、フラーレン堆積基板に向けてフラーレン昇華体を放散させる案内管を有する請求項１から２のいずれかの記載の内包フラーレン生成装置。
- 案内管が、基端側からフラーレン昇華体を放散させる先端側に向けて拡開されるテーパ構造を有する請求項３に記載の内包フラーレン生成装置。
- フラーレン放散部における坩堝が、内部から外部へフラーレン昇華体を放散させる放散経路中にメッシュ構造を有する請求項１から４のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
- フラーレン堆積基板が電極材料で形成される電極部を有するとともに、前記電極部に電圧を印加する電圧印加部が配される請求項１から５のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
- 溶発状態で拡散される内包用物質にマイクロ波を導入するマイクロ波導入部が真空容器内に配される請求項１から６のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
- 真空容器に、溶発状態で拡散される内包用物質に向けてガスを導入するガス導入部が形成される請求項１から７のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
- 溶発状態で拡散される内包用物質に対し補助レーザ光を照射して前記内包用物質中のバルク粒子を細粒子化させる補助レーザ光照射部が真空容器の外部に配されるとともに、前記真空容器に前記補助レーザ光照射部から照射される前記補助レーザ光を溶発状態で拡散される前記内包用物質に向けて導入可能とされる窓部が形成される請求項１から８のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
- 溶発状態で拡散される内包用物質中の荷電粒子の拡散軌道を制御可能とさせる磁場発生部が真空容器内に配される請求項１から９のいずれかに記載の内包フラーレン生成装置。
- 固体のフラーレンを加熱してフラーレン昇華体を発生させるフラーレン昇華工程と、
固体の内包用物質にレーザ光を照射して溶発させるとともに、前記内包用物質中の内包物質に対し前記フラーレンに内包させる運動エネルギーの全部又は一部を付与するように前記レーザ光の照射エネルギーが制御されるレーザ光照射工程と、
前記フラーレン昇華体をフラーレン堆積体としてフラーレン堆積基板上に堆積させるフラーレン堆積工程と、
溶発状態で拡散され、前記運動エネルギーが制御された状態の前記内包用物質を前記フラーレン昇華体及び前記フラーレン堆積体の少なくともいずれかと接触させ、前記フラーレンに前記内包物質が内包された内包フラーレンを生成させる内包フラーレン生成工程と、
を含むことを特徴とする内包フラーレン生成方法。 - フラーレン堆積基板に電圧を印加する電圧印加工程を含む請求項１１に記載の内包フラーレン生成方法。
- 溶発状態で拡散される内包用物質にマイクロ波を導入するマイクロ波導入工程を含む請求項１１から１２のいずれかに記載の内包フラーレン生成方法。
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