JP7309376B2 - 熱発生方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、水素を吸蔵する能力を有する構造体を用いた熱発生方法および熱発生装置に関する。
あるいは、本発明は、水素を吸蔵する能力を有する構造体およびその製造方法に関する。
あるいは、本発明は、水素を吸蔵する能力を有する構造体およびその製造方法に関する。
水素を貯蔵する手段として水素吸蔵金属または水素吸蔵合金が使用されうる。特許文献１には、水素吸蔵合金の製造方法が記載されている。この製造方法では、減圧した真空容器内にｒｆアークプラズマを形成し、該プラズマ中でＴｉおよびＣｕ、または、Ｔｉ、ＣｕおよびＳｉの蒸気を反応させてＴｉ－Ｃｕ合金またはＴｉ－Ｃｕ－Ｓｉ合金の微粉末を形成し回収する。特許文献１によれば、該製造方法によって製造される微粉末は、表面積が大きいために、従来の約１０～５０倍の水素吸蔵量が実現される。
水素吸蔵金属および水素吸蔵合金のように水素吸蔵金属元素を含む粒子は、水素を吸蔵するときに発熱しうる。特に、単位体積あたりの粒子の表面積を大きくするために該粒子の寸法を小さくしてゆくと、水素の吸蔵効率が向上するとともに、水素を吸蔵するときの発熱量も増加しうる。発熱量が大きくなると、粒子が凝集しうる。あるいは、粒子に対して外部から熱が加えられた場合においても、粒子が凝集しうる。粒子が凝集すると、水素吸蔵能力が低下しうる。
本発明は、水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子の凝集を抑制して熱を発生することを目的とする。
あるいは、本発明は、水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子の凝集を抑制することを目的とする。
あるいは、本発明は、水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子の凝集を抑制することを目的とする。
本発明の第１の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記固定部材が複数の微結晶を含み、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が酸化物および窒化物の少なくとも１つを含む、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第２の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が複数の微結晶を含み、前記複数の微結晶の粒界に不活性ガスが存在する、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第３の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材は、下地と、前記下地の上に配置された膜とを含み、前記膜は、複数の微結晶を含み、前記複数の粒子は、前記下地の表面に接触するように前記表面に沿って２次元状に配置された粒子を含み、前記２次元状に配置された粒子は、前記膜を介して相互に離隔して配置され、かつ、前記膜によって覆われている、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第４の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記固定部材を覆うように配置された被覆膜を有し、前記固定部材および前記被覆膜のそれぞれが複数の微結晶を含み、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれている、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第５の側面は、熱発生方法に係り、前記熱発生方法は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子を互いに離隔するように形成する第１工程と、前記複数の粒子を覆うように、複数の微結晶を含む膜を形成する第２工程と、前記複数の粒子の前記水素吸蔵金属元素に水素を吸蔵させ熱を発生させる第３工程と、を含み、前記第２工程では、前記複数の粒子が前記膜を含む固定部材によって固定され、かつ、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれるように前記膜が形成された構造が得られ、前記第３工程では、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子の前記水素吸蔵金属元素に水素を吸蔵させ熱を発生させる。
本発明の第６の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生装置に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように、複数の微結晶を含む固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が酸化物および窒化物の少なくとも１つを含む、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第２の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が複数の微結晶を含み、前記複数の微結晶の粒界に不活性ガスが存在する、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第３の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材は、下地と、前記下地の上に配置された膜とを含み、前記膜は、複数の微結晶を含み、前記複数の粒子は、前記下地の表面に接触するように前記表面に沿って２次元状に配置された粒子を含み、前記２次元状に配置された粒子は、前記膜を介して相互に離隔して配置され、かつ、前記膜によって覆われている、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第４の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記固定部材を覆うように配置された被覆膜を有し、前記固定部材および前記被覆膜のそれぞれが複数の微結晶を含み、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれている、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第５の側面は、熱発生方法に係り、前記熱発生方法は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子を互いに離隔するように形成する第１工程と、前記複数の粒子を覆うように、複数の微結晶を含む膜を形成する第２工程と、前記複数の粒子の前記水素吸蔵金属元素に水素を吸蔵させ熱を発生させる第３工程と、を含み、前記第２工程では、前記複数の粒子が前記膜を含む固定部材によって固定され、かつ、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれるように前記膜が形成された構造が得られ、前記第３工程では、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子の前記水素吸蔵金属元素に水素を吸蔵させ熱を発生させる。
本発明の第６の側面は、構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生装置に係り、前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように、複数の微結晶を含む固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が酸化物および窒化物の少なくとも１つを含む、という構造を有し、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる。
本発明の第４の側面は、構造体の製造方法に係り、前記製造方法は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子を互いに離隔するように形成する第１工程と、前記複数の粒子を覆うように膜を形成する第２工程とを含む。
本発明によれば、水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子の凝集が抑制されつつ熱が生成される。
あるいは、本発明によれば、水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子の凝集が抑制される。
あるいは、本発明によれば、水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子の凝集が抑制される。
以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。
[第１実施形態]
図１、図２には、本発明の第１実施形態の構造体１の模式的な断面図が示されている。ここで、図２は、図１のＡ－Ａ’線に沿った断面の一部の拡大図に相当する。構造体１は、複数の粒子３が相互に離隔されるように固定部材１０の中に配置された構造を有する。
図１、図２には、本発明の第１実施形態の構造体１の模式的な断面図が示されている。ここで、図２は、図１のＡ－Ａ’線に沿った断面の一部の拡大図に相当する。構造体１は、複数の粒子３が相互に離隔されるように固定部材１０の中に配置された構造を有する。
固定部材１０は、複数の粒子３を高温環境下においても相互に離隔した状態に保つ機能を果たすものであって、例えば複数の粒子３の位置を固定するように機能する。複数の粒子３の各々は、水素吸蔵金属元素を含む。固定部材１０は、例えば、下地２と、下地２の上に配置された膜４とを含みうる。複数の粒子３の各々は、その表面の全体が固定部材１０によって取り囲まれている。
粒子３は、水素吸蔵金属元素を含む材料で構成された粒子であり、例えば、水素吸蔵金属の粒子および水素吸蔵合金の粒子の少なくとも１つを含みうる。水素吸蔵金属元素は、例えば、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、希土類元素からなるグループから選択される少なくとも１つでありうる。水素吸蔵合金は、例えば、Ｐｄ／Ｎｉ合金、Ｐｄ／Ｃｕ合金、Ｍｇ／Ｚｎ合金、Ｚｒ／Ｎｉ合金、Ｚｒ／Ｎｉ／Ｍｎ合金、Ｔｉ／Ｆｅ合金、Ｔｉ／Ｃｏ合金、Ｌａ／Ｎｉ合金、Ｒｅ／Ｎｉ合金、Ｍｍ／Ｎｉ合金、Ｃａ／Ｎｉ合金、Ｔｉ／Ｖ合金、Ｔｉ／Ｃｒ合金、Ｔｉ／Ｃｒ／Ｖ合金、Ｍｇ／Ｎｉ合金、Ｍｇ／Ｃｕ合金からなるグループから選択される少なくとも１つでありうる。複数の粒子３の各々の寸法は、例えば、２ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下でありうる。複数の粒子３の総表面積を増加させる観点において、複数の粒子３の各々の寸法は、２ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下であることが更に好ましい。粒子３は、結晶であることが好ましく、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。
膜４は、高融点材料、例えば、融点が１４００℃以上の材料で構成されうる。膜４は、複数の微結晶を含みうるが、非晶質であってもよい。膜４は、例えば、酸化物（例えば、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＺｒＯ２・Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の少なくとも１つ）および窒化物（例えば、Ｓｉ３Ｎ４およびＡｌＮの少なくとも１つ）の少なくとも１つを含みうる。
下地２は、例えば、Ｓｉ基板、または、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ２膜が形成された下地でありうるが、他の材料（例えば、金属または絶縁体）で構成されてもよい。下地２は、例えば、１４００℃以上の融点を有する材料で構成されることが好ましい。下地２は、膜４と同一の材料で構成された膜等の部材であってもよいし、膜４とは異なる材料で構成された膜等の部材であってもよい。下地２は、自立した部材であってもよいし、他の部材によって支持された部材であってもよい。
複数の粒子３を相互に離隔させる高融点材料の膜４が存在しない場合、粒子３が水素を吸蔵して発熱する際に、その熱によって近傍に位置する２以上の粒子３が凝集しうる。これにより個々の粒子の寸法が大きくなり、水素吸蔵能力を低下させうる。複数の粒子３を相互に離隔させる高融点材料の膜４の存在は、粒子３が水素を吸蔵する際に発生する熱によって近傍に位置する２以上の粒子３が凝集することを抑制する。また、高融点材料の膜４の存在は、粒子３が水素を吸蔵する際に発生する熱に起因して粒子３と膜４の構成物質との合金が形成されることも抑制する。膜４に必要とされる耐熱性は、構造体１の発熱時に溶融しない程度の耐熱性である。構造体１の発熱時の温度は、粒子３の材料や粒子３の構造体１における密度、水素同位体ガス圧力等に依存するため、一律に規定することはできない。それゆえ、膜４の材料は、使用環境に応じて適宜選択することが望ましいが、例えば１４００℃以上の融点を有する材料である。 固定部材１０によって離隔されている複数の粒子３の間の距離は、１ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下が好ましい。離隔されている複数の粒子３の間の距離が増大すると、構造体１における水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の含有率が低下し、好ましくないからである。
複数の粒子３は、下地２の表面に接触するように下地２の表面に沿って２次元状に配置された粒子３’を含みうる。粒子３’は、膜４を介して相互に離隔して配置され、かつ、膜４によって覆われている。
構造体１の製造方法は、図３Ａに例示されるように、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子３を互いに離隔するように形成し、個々の粒子３を島状に配置する第１工程と、図３Ｂに例示されるように、複数の粒子３をそれぞれ覆うように膜４を形成する第２工程とを含みうる。ここで、第１工程および第２工程を含む処理を複数回にわたって実施することによって図３Ｃ、図３Ｄに例示されるように積層され、その結果、図１Ａに例示されるように、下地２の表面からの距離が互いに異なる複数の粒子３を有する構造体１を得ることができる。１つの例において、第１工程では、スパッタリング法によって複数の粒子３が形成され、第２工程では、個々の粒子３の表面を直接覆うようにスパッタリング法によって膜４が形成されうる。他の例では、第１工程および第２工程の少なくも一方は、スパッタリング法以外の堆積方法（例えば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、真空蒸着法、プラズマスプレー法）で実施されうる。特に、物理的な堆積法を用いて上記のような水素吸蔵材料を形成すると、水素吸蔵材料を溶液中で合成する場合や、溶融とその後の急速冷却により合成する場合（メルトスピニング法）と比べ、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金の粒子の寸法を制御すること、所望の寸法の粒子の含有率を高めること、粒子の結晶性を高めること、隣接する異なる材料への拡散を抑制することなども可能となる。
一例において、スパッタリング法によって複数の粒子３を形成する第１工程と、スパッタリング法によって膜４を形成する第２工程と、を含む処理が複数回にわたって繰り返されうる。また、下地２をスパッタリング装置に搬入した後、下地２をスパッタリング装置から搬出することなく、該スパッタリング装置において、第１工程および第２工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。例えば、下地２がスパッタリング装置の１つの処理チャンバーの中に配置された後、下地２が該処理チャンバーから取り出されることなく、第１工程および第２工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。あるいは、スパッタリング装置が複数の処理チャンバーを含む真空系を有する場合、下地２がスパッタリング装置の該真空系に搬入された後、下地２が該真空系から取り出されることなく、第１工程および第２工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。
上記の例において、第１工程は、チャンバー内の圧力が０．０２Ｐａ～５Ｐａの範囲内の圧力に維持され、水素吸蔵金属元素を含む粒子３の構成材料からなるターゲットに０．０５ｋＷ～５ｋＷの範囲内の直流電力が印加され、チャンバーにはスパッタリングガスとして不活性ガスが供給されうる。ターゲットは、水素吸蔵金属および水素吸蔵合金の少なくとも１つを含む。ターゲットは、純金属であっても、合金であってもよい。ターゲットは、例えば第１実施形態の冒頭において粒子３を構成する材料として列挙した水素吸蔵金属および水素吸蔵合金の少なくとも１つを含む。これにより相互に離隔して位置する複数の粒子３が形成されうる。また、第２工程では、チャンバー内の圧力が０．０２Ｐａ～５Ｐａの範囲内の圧力に維持され、膜４の構成材料からなるターゲットに０．１ｋＷ～２ｋＷの範囲内の電力が印加され、チャンバーには不活性ガスが供給されうる。
[実施例]
粒子３としてＣｕ粒子を形成し、膜４としてＭｇＯ膜を形成する実施例を説明する。本実施例では、凝集抑制効果を検証するにあたり、比較的凝集しやすい金属であり、かつ水素吸蔵合金の構成要素となりうるＣｕを粒子３の構成元素として選択した。
粒子３としてＣｕ粒子を形成し、膜４としてＭｇＯ膜を形成する実施例を説明する。本実施例では、凝集抑制効果を検証するにあたり、比較的凝集しやすい金属であり、かつ水素吸蔵合金の構成要素となりうるＣｕを粒子３の構成元素として選択した。
熱酸化によってＳｉＯ２膜が表面上に形成されたＳｉ基板（下地）を準備し、以下の第１工程および第２工程を交互にそれぞれ１０回にわたって繰り返し、その後に以下の第３工程においてＣｕ膜を形成することによって構造体１を完成させた。スパッタリング装置には、ＣｕターゲットおよびＭｇＯターゲットを装着し、下地をチャンバーから取り出すことなく、下地に対して、１０回にわたって、第１工程および第２工程を含む処理を繰り返した。
（第１工程）
第１工程では、チャンバー内の圧力を０．０２Ｐａに維持し、Ｃｕターゲットに０．１ｋＷの直流電力を供給し、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用した。
（第２工程）
第２工程では、チャンバー内の圧力を０．０５Ｐａに維持し、ＭｇＯターゲットに１．１ｋＷの高周波電力を供給し、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用した。
（第３工程）
第３工程では、チャンバー内の圧力を０．０２Ｐａに維持し、Ｃｕターゲットに０．１ｋＷの直流電力を供給し、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用した。
（第１工程）
第１工程では、チャンバー内の圧力を０．０２Ｐａに維持し、Ｃｕターゲットに０．１ｋＷの直流電力を供給し、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用した。
（第２工程）
第２工程では、チャンバー内の圧力を０．０５Ｐａに維持し、ＭｇＯターゲットに１．１ｋＷの高周波電力を供給し、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用した。
（第３工程）
第３工程では、チャンバー内の圧力を０．０２Ｐａに維持し、Ｃｕターゲットに０．１ｋＷの直流電力を供給し、スパッタガスとしてアルゴンガスを使用した。
図４Ａは、上記の実施例によって形成された構造体１の断面のＴＥＭ画像であり、図４Ｂは、図４Ａの一部の拡大図である。図５Ａは、上記の実施例によって形成された構造体１に対して４００℃、１０時間の熱処理を行った後の構造体１’の断面のＴＥＭ画像であり、図５Ｂは、図５Ａの一部の拡大図である。図６Ａは、図４Ａの構造体１のＥＤＸ分析の結果であり、図６Ｂは、図５Ａの構造体１’のＥＤＸ分析の結果である。図６Ａ、６Ｂにおいて、横軸は、構造体１、１’の表面からの距離を示し、縦軸は、Ｘ線の検出強度を示している。なお、構造体１’は、水素を吸蔵して発熱した後の構造体１の状態を推定するためのサンプルである。
構造体１に関する図６Ａにおいて、Ｃｕ元素を示すピークとピークとの間に、Ｍｇ元素およびＯ元素を示すピークがあり、Ｍｇ元素を示すピークの位置とＯ元素を示すピークの位置とが一致している。このことから、Ｃｕ粒子とＭｇＯ膜とが交互に存在していることが分かる。また、構造体１に関する図４Ｂから、寸法が約５ｎｍに制御されたＣｕ粒子がＭｇＯ膜によって取り囲まれていることが分かる。
構造体１を加熱した後の構造体１’に関する図６Ｂにおいて、図６Ａと同様に、Ｃｕ元素を示すピークとピークとの間に、Ｍｇ元素およびＯ元素を示すピークがあり、Ｍｇ元素を示すピークの位置とＯ元素を示すピークの位置とが一致している。このことから、加熱後においても、Ｃｕ粒子とＭｇＯ膜とが交互に存在し、Ｃｕ粒子が元の配置を維持していることが分かる。また、構造体１’に関する図５Ｂから、加熱後においても、Ｃｕ粒子がＭｇＯ膜によって取り囲まれており、Ｃｕ粒子の寸法は約５ｎｍで、加熱前の寸法を維持していることが分かる。また図５Ａおよび図５Ｂから、ＭｇＯによって取り囲まれていない最表面のＣｕは、加熱によって凝集したことが読み取れる。
[第２実施形態]
以下、図７を参照しながら本発明の第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態の構造体１において、不活性ガス７は、膜４（固定部材１０）に存在している。例えば、膜４における不活性ガス７の含有率は、例えば０．５原子％以上である。膜４は、複数の微結晶を含みうる。不活性ガス７は、例えば、該複数の微結晶の粒界に存在する。膜４の粒界に不活性ガスを積極的に取り込むことによって、粒界を通じて空気中の水分が構造体１の内部に侵入し、粒子３を酸化して、水素吸蔵能力を低下させることを抑制することができる。
以下、図７を参照しながら本発明の第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態の構造体１において、不活性ガス７は、膜４（固定部材１０）に存在している。例えば、膜４における不活性ガス７の含有率は、例えば０．５原子％以上である。膜４は、複数の微結晶を含みうる。不活性ガス７は、例えば、該複数の微結晶の粒界に存在する。膜４の粒界に不活性ガスを積極的に取り込むことによって、粒界を通じて空気中の水分が構造体１の内部に侵入し、粒子３を酸化して、水素吸蔵能力を低下させることを抑制することができる。
また、粒界に取り込んだ不活性ガス７を除去すると、通路（空間）を発生させることができる。この通路は、構造体１に水素を吸蔵させる際、水素の通り道として機能しうる。そこで、膜４に不活性ガス７を積極的に取り込ませ、膜４における粒界の数を増加させるほど、水素は構造体１の内部にまで到達しやすくなり、水素吸蔵能力を向上させることができる。
これらの理由から、構造体１に取り込まれた不活性ガス７は、構造体１（粒子３）に水素を吸蔵させる直前に除去されることが好ましい。不活性ガス７の除去は、例えば、構造体１を加熱することによってなされうる。
第２実施形態の構造体１の製造方法は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子３を互いに離隔するように形成する第１工程と、複数の粒子３を覆うように膜４を形成する第２工程とを含みうる。特に、第２の工程における圧力、放電電圧などの成膜条件を調節することによって、膜４の粒界に不活性ガス原子を積極的に取り込むことが可能となる。ここで、第１工程および第２工程を含む処理を複数回にわたって実施することによって、図７に例示されるように、下地２の表面からの距離が互いに異なる複数の粒子３を有する構造体１を得ることができる。１つの例において、第１工程では、スパッタリング法によって複数の粒子３が形成され、第２工程では、スパッタリング法によって膜４が形成されうる。他の例では、第１工程および第２工程の少なくも一方は、スパッタリング法以外の堆積方法（例えば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、真空蒸着法、プラズマスプレー法）で実施されうる。
一例において、スパッタリング法によって複数の粒子３を形成する第１工程と、スパッタリング法によって膜４を形成する第２工程と、を含む処理が複数回にわたって繰り返されうる。また、下地２をスパッタリング装置に搬入した後、下地２をスパッタリング装置から搬出することなく、該スパッタリング装置において、第１工程および第２工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。例えば、下地２がスパッタリング装置の１つの処理チャンバーの中に配置された後、下地２が該処理チャンバーから取り出されることなく、第１工程および第２工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。あるいは、スパッタリング装置が複数の処理チャンバーを含む真空系を有する場合、下地２がスパッタリング装置の該真空系に搬入された後、下地２が該真空系から取り出されることなく、第１工程および第２工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。
上記の例において、第１工程は、チャンバー内の圧力が０．０２Ｐａ～５Ｐａの範囲内の圧力に維持され、水素吸蔵金属元素を含む粒子３の構成材料からなるターゲットに０．０５ｋＷ～５ｋＷの範囲内の直流電力が印加され、チャンバーにはスパッタリングガスとして不活性ガスが供給されうる。これにより相互に離隔した複数の粒子３が形成されうる。また、第２工程では、チャンバー内の圧力は、膜４の材料などによって異なるため一律に規定することはできないが、プラズマが発生する圧力範囲内で低いほうが望ましく、例えば０．０２Ｐａ～５Ｐａの範囲内の圧力に維持される。これは、ターゲットに衝突して反射したスパッタリングガス原子（不活性ガス原子）が、膜形成対象（下地２）に到達する前に原子やイオンに衝突することなく、即ち、保有しているエネルギーをなるべく失わずに、膜形成対象に到達したほうが、膜４（固定部材１０）の表面から内部に打ち込まれやすくなり、膜４（固定部材１０）におけるスパッタリングガス（不活性ガス７）の含有量を高めることができるためである。
また、膜４の構成材料からなるターゲットに発生させる電圧（例えば高周波放電の場合にはセルフバイアス電圧）は、スパッタリング条件とスパッタリング空間構造が同一の場合には使用するターゲット材料に固有の電圧であり、スパッタに必要なエネルギー以上のエネルギーに相当する電圧でありうる。スパッタに必要なエネルギーに対して余剰となるエネルギーが大きいほど、ターゲットにて反射したスパッタリングガス原子（不活性ガス原子）の膜形成対象への入射エネルギーが大きくなり、膜４にスパッタリングガス原子（不活性ガス原子）が打ち込まれやすくなる。例えば、－１００Ｖ～－５００Ｖの範囲内のセルフバイアス電圧が膜４の構成材料からなるターゲットに発生するように供給電力が調整されうる。
[第３実施形態]
以下、図８を参照しながら本発明の第３実施形態を説明する。なお、第３実施形態として言及しない事項は、第１又は第２実施形態に従いうる。第３実施形態の構造体１は、膜４（固定部材１０）を覆うように被覆膜８を有し、被覆膜８が不活性ガス７を含有する。被覆膜８における不活性ガス７の含有率は、例えば、０．５原子％以上である。この例では、被覆膜８における不活性ガス７の含有率は、膜４（固定部材１０）における不活性ガス７の含有率よりも大きい。
以下、図８を参照しながら本発明の第３実施形態を説明する。なお、第３実施形態として言及しない事項は、第１又は第２実施形態に従いうる。第３実施形態の構造体１は、膜４（固定部材１０）を覆うように被覆膜８を有し、被覆膜８が不活性ガス７を含有する。被覆膜８における不活性ガス７の含有率は、例えば、０．５原子％以上である。この例では、被覆膜８における不活性ガス７の含有率は、膜４（固定部材１０）における不活性ガス７の含有率よりも大きい。
被覆膜８は、不活性ガス７を積極的に取り込むことを目的として設けられた膜である。そのため、被覆膜８を構成する元素および被覆膜８の成膜条件は、膜中に不活性ガス７を取り込むことを最優先に考えて設定することができる。被覆膜８の粒界に不活性ガスを積極的に取り込むことによって、粒界を通じて空気中の水分が構造体１の内部に侵入し、粒子３を酸化して、水素吸蔵能力を低下させることを抑制することができる。
また、粒界に取り込んだ不活性ガス７を除去すると、通路（空間）を発生させることができる。この通路は、構造体１に水素を吸蔵させる際、水素の通り道として機能しうる。そこで、被覆膜８に不活性ガス７を積極的に取り込ませ、被覆膜８における粒界の数を増加させるほど、水素は構造体１の内部にまで到達しやすくなり、水素吸蔵能力を向上させることができる。 これらの理由から、第２実施形態と同様に、不活性ガス７は、構造体１（粒子３）に水素を吸蔵させる直前に除去されることが好ましい。不活性ガス７の除去は、例えば、構造体１を加熱することによってなされうる。
被覆膜８は、原子量の大きな元素を含む材料であることが好ましい。言い換えると、被覆膜８を成膜するためのターゲットは、原子量の大きな元素を含む材料であることが好ましい。これは、以下の理由からである。一般的に、スパッタリングガス（即ち、不活性ガス７）のイオンはターゲット表面で加速され、ターゲットに衝突してターゲットを構成する原子をはじき出すと共に、一部のイオンは原子となり、まだある程度のエネルギーを保持したまま反射する。そこで、原子量の大きい元素を含有するターゲットを用いることによって、反射したスパッタリングガス原子が保有するエネルギーを大きくし、被覆膜８に打ち込まれやすくすることができる。言い換えると、膜４（固定部材１０）の原子量または分子量よりも大きな原子量または分子量を有する被覆膜８を構造体１に設けることによって、構造体１に取り込まれるスパッタリングガス（不活性ガス）の量をより多くすることができる。構造体１における不活性ガスの含有率の増加は、先に記載したように、粒子３の酸化抑制および水素を通過させるための空間の増加を可能にし、その結果、水素吸蔵能力の向上をもたらす。
尚、膜４（固定部材１０）と同様の理由から、被覆膜８は、高融点材料で構成される。被覆膜８が溶融して粒子３や膜４と合金を形成すると、粒子３の水素吸蔵能力が低下してしまうため、被覆膜８には粒子３が水素を吸蔵して発生した熱によって溶融しない程度の耐熱性が必要とされる。この耐熱性は、粒子３の材料や粒子３の構造体１における密度、水素同位体ガス圧力等に依存するため、被覆膜８の材料は、使用環境に応じて適宜選択することが望ましい。被覆膜８は、例えば、融点が１４００℃以上の材料で構成されうる。被覆膜８は、膜４を構成する材料と同じ材料で構成されてもよいし、他の材料で構成されてもよい。被覆膜８は、複数の微結晶を含みうるが、非晶質であってもよい。被覆膜８は、例えば、酸化物（例えば、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＺｒＯ２・Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＳｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３の少なくとも１つ）および窒化物（例えば、Ｓｉ３Ｎ４およびＡｌＮの少なくとも１つ）の少なくとも１つを含みうる。
第３実施形態の構造体１の製造方法は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子３を互いに離隔するように形成する第１工程と、複数の粒子３を覆うように膜４を形成する第２工程とを含みうる。ここで、第１工程および第２工程を含む処理を複数回にわたって実施し、その後に第３工程を実施することによって、図８に例示されるように、下地２の表面からの距離が互いに異なる複数の粒子３を有する構造体１を得ることができる。１つの例において、第１工程では、スパッタリング法によって複数の粒子３が形成され、第２工程では、スパッタリング法によって膜４が形成され、第３工程では、スパッタリング法によって被覆膜８が形成されうる。他の例では、第１工程、第２工程および第３工程の少なくも１つは、スパッタリング法以外の堆積方法（例えば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、真空蒸着法、プラズマスプレー法）で実施されうる。
一例において、第１工程、その後の第２工程、その後の第３工程を１つのサイクルとして、このサイクルが複数回にわたって繰り返されうる。別の例においては、第１工程、その後の第２工程、その後の第３工程、その後の第２工程を１つのサイクルとして、このサイクルが複数回にわたって繰り返えされうる。また、下地２をスパッタリング装置に搬入した後、下地２をスパッタリング装置から搬出することなく、該スパッタリング装置において、第１工程、第２工程および第３工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。あるいは、スパッタリング装置が複数の処理チャンバーを含む真空系を有する場合、下地２がスパッタリング装置の該真空系に搬入された後、下地２が該真空系から取り出されることなく、第１工程、第２工程および第３工程を含む処理の繰り返しが実行されうる。
上記の例において、第１工程は、チャンバー内の圧力が０．０２Ｐａ～５Ｐａの範囲内の圧力に維持され、水素吸蔵金属元素を含む粒子３の構成材料からなるターゲットに０．０５ｋＷ～５ｋＷの範囲内の直流電力が印加され、チャンバーにはスパッタリングガスとして不活性ガスが供給されうる。これにより相互に離隔した複数の粒子３が形成されうる。また、第２工程では、チャンバー内の圧力が０．０２Ｐａ～５Ｐａの範囲内の圧力に維持され、膜４の構成材料からなるターゲットに０．１ｋＷ～２ｋＷの範囲内の電力が印加され、チャンバーには不活性ガスが供給されうる。また、第３工程におけるチャンバー内の圧力はプラズマが発生する圧力範囲内で低いほうが望ましい。これは、ターゲットに衝突して反射したスパッタリングガス原子（不活性ガス原子）が、膜形成対象に到達する前に他の原子やイオンに衝突することなく、即ち、保有しているエネルギーをなるべく失わずに、膜形成対象に到達したほうが、被覆膜８の表面から内部に打ち込まれやすくなり、被覆膜８中のスパッタリングガス原子（不活性ガス原子）の濃度を高めることができるためである。第３工程におけるチャンバー内の圧力は、例えば、０．０２Ｐａ～５Ｐａの範囲内の圧力に維持されるように不活性ガスが供給される。
また、被覆膜８の構成材料からなるターゲットに発生させる電圧は、使用するターケット材料に固有の電圧であり、スパッタに必要なエネルギー以上のエネルギーに相当する電圧でありうる。これは、スパッタに必要なエネルギーに対して余剰となるエネルギーが大きいほど、ターゲットにて反射したスパッタリングガス原子（不活性ガス原子）の膜形成対象への入射エネルギーが大きくなり、被覆膜８にスパッタリングガス原子（不活性ガス原子）が取り込まれやすくなるためである。例えば、－１００Ｖ～－５００Ｖの範囲内のセルフバイアス電圧が被覆膜８の構成材料からなるターゲットに発生するように供給電力が調整されうる。
Claims (20)
- 構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法であって、
前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記固定部材が複数の微結晶を含み、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が酸化物および窒化物の少なくとも１つを含む、という構造を有し、
前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる、
ことを特徴とする熱発生方法。 - 構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法であって、
前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が複数の微結晶を含み、前記複数の微結晶の粒界に不活性ガスが存在する、という構造を有し、
前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる、
ことを特徴とする熱発生方法。 - 前記固定部材における前記不活性ガスの含有率は、０．５原子％以上である、
ことを特徴とする請求項２に記載の熱発生方法。 - 構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法であって、
前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材は、下地と、前記下地の上に配置された膜とを含み、前記膜は、複数の微結晶を含み、前記複数の粒子は、前記下地の表面に接触するように前記表面に沿って２次元状に配置された粒子を含み、前記２次元状に配置された粒子は、前記膜を介して相互に離隔して配置され、かつ、前記膜によって覆われている、という構造を有し、
前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる、
ことを特徴とする熱発生方法。 - 前記複数の粒子の各々は、前記膜の前記複数の微結晶の少なくとも１つに接している、
ことを特徴とする請求項４に記載の熱発生方法。 - 構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生方法であって、
前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように固定部材の中に配置されて構成され、前記固定部材を覆うように配置された被覆膜を有し、前記固定部材および前記被覆膜のそれぞれが複数の微結晶を含み、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれている、という構造を有し、
前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる、
ことを特徴とする熱発生方法。 - 前記被覆膜および前記固定部材のそれぞれは、不活性ガスを含み、
前記被覆膜の不活性ガスの含有率は、前記固定部材における不活性ガスの含有率よりも高い、
ことを特徴とする請求項６に記載の熱発生方法。 - 前記被覆膜の原子量または分子量は、前記固定部材の原子量または分子量よりも大きい
ことを特徴とする請求項６または７に記載の熱発生方法。 - 前記被覆膜の前記複数の微結晶の粒界に不活性ガスが存在する、
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の熱発生方法。 - 前記被覆膜における前記不活性ガスの含有率は、０．５原子％以上である、
ことを特徴とする請求項９に記載の熱発生方法。 - 前記複数の粒子の各々が１０００ｎｍ以下の寸法を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の熱発生方法。 - 前記複数の粒子の各々が１００ｎｍ以下の寸法を有する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の熱発生方法。 - 前記固定部材は、融点が１４００℃以上の材料で構成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の熱発生方法。 - 前記複数の粒子において、隣接する粒子の間の距離が、１ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の熱発生方法。 - 各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子を互いに離隔するように形成する第１工程と、
前記複数の粒子を覆うように、複数の微結晶を含む膜を形成する第２工程と、
前記複数の粒子の前記水素吸蔵金属元素に水素を吸蔵させ熱を発生させる第３工程と、を含み、
前記第２工程では、前記複数の粒子が前記膜を含む固定部材によって固定され、かつ、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれるように前記膜が形成された構造が得られ、
前記第３工程では、前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子の前記水素吸蔵金属元素に水素を吸蔵させ熱を発生させる、
ことを特徴とする熱発生方法。 - 前記第１工程では、スパッタリング法によって前記複数の粒子を形成し、前記第２工程では、スパッタリング法によって前記膜を形成する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の熱発生方法。 - 前記第１工程および前記第２工程を含む処理を繰り返す、
ことを特徴とする請求項１６に記載の熱発生方法。 - 前記第１工程では、スパッタリング法によって前記複数の粒子を形成し、前記第２工程では、スパッタリング法によって前記膜を形成し、
下地をスパッタリング装置に搬入した後、前記下地を前記スパッタリング装置から搬出することなく、前記下地に対して前記処理を繰り返す、
ことを特徴とする請求項１７に記載の熱発生方法。 - 前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材に接触しつつ前記固定部材によって取り囲まれている、
ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の熱発生方法。 - 構造体に水素を吸蔵させ熱を発生させる熱発生装置であって、
前記構造体は、各々が水素吸蔵金属元素を含む複数の粒子が相互に離隔されるように、複数の微結晶を含む固定部材の中に配置されて構成され、前記複数の粒子の各々の表面の全体が前記固定部材によって取り囲まれ、前記固定部材が酸化物および窒化物の少なくとも１つを含む、という構造を有し、
前記複数の粒子の凝集を前記構造によって抑制しながら、前記複数の粒子に水素を吸蔵させることによって前記複数の粒子を発熱させる、
ことを特徴とする熱発生装置。
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