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JP4456442B2 - Method for producing carbon nitride - Google Patents
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Description

本発明は、窒化炭素(炭化窒素と呼ばれることもある。)の製造方法に関し、より詳細には、容易かつ安価に高性能な窒化炭素(CN)を製造することができる製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing carbon nitride (sometimes referred to as nitrogen carbide), and more particularly, to a method for producing high-performance carbon nitride (CN x ) easily and inexpensively.

窒化炭素(CN)は、その硬質性から研磨材や、半導体性から電子素子(例えば、ナノエレクトロニクスと呼ばれているような分野)等へ用いられ得ることから、窒化炭素(CN)の製造方法は様々研究されてきた。
かかる窒化炭素(CN)の製造方法としては、イオン打ち込み、スパッタリング、プラズマ合成法等が既に知られている。
Since carbon nitride (CN x ) can be used for abrasives due to its rigidity, and for electronic devices (for example, fields called nanoelectronics) due to its semiconductivity, carbon nitride (CN x ) Various manufacturing methods have been studied.
As such a method for producing carbon nitride (CN x ), ion implantation, sputtering, plasma synthesis, and the like are already known.

例えば、特許文献1には、「真空容器内にグラファイトよりなる電極対を収納し、前記電極対の間隙に窒素ガスを流した状態でピンチプラズマを発生させ、このピンチプラズマによって窒化炭素化合物を基板上に成膜させることを特徴とする窒化炭素化合物の製造方法」により、基板の材質を問わず窒化炭素化合物の膜を該基板上に形成することが開示されている(特許文献1参照)。   For example, Patent Document 1 states that “a pair of graphite electrodes is housed in a vacuum vessel, and a pinch plasma is generated in a state where nitrogen gas is allowed to flow through the gap between the pair of electrodes. It is disclosed that a carbon nitride compound film is formed on a substrate regardless of the material of the substrate by “a method for producing a carbon nitride compound characterized by being formed on top” (see Patent Document 1).

そして、特許文献2には、「シアン化臭素、シアン化ヨウ素等のシアン化合物を含む原料ガス7をプラズマ10化することにより活性化し、該プラズマ中またはプラズマ化されたガス20の下流に置かれ負電圧にバイアスされた基体5上に窒化炭素膜21を合成する。バイアスは高周波16による自己バイアス、直流電圧6によるバイアスまたはその両者の重畳である。あるいは、原料ガスの水素原子の比率が5%以下、又は、水分含有率が1%以下、又は一部または全部を吸湿剤8,8’を通して反応槽1,2内へ供給する。希ガス11、窒素含有ガスのプラズマの下流に原料ガスを混合する。また、シアン化合物ガスの流量の全ガス流量に対する比は1〜100%であり、かつ窒素ガスと希ガスの流量比が0〜80%とする。」ことにより、基体上に窒化炭素膜を合成することが開示されている(特許文献2参照)。   Patent Document 2 states that “a raw material gas 7 containing a cyanide compound such as brominated cyanide and iodine cyanide is activated by turning it into a plasma 10 and placed in the plasma or downstream of the gasified gas 20. The carbon nitride film 21 is synthesized on the base 5 biased to a negative voltage, which is a self-bias by the high frequency 16 and / or a bias by the DC voltage 6. Alternatively, the ratio of hydrogen atoms in the source gas is 5 % Or less, or a part or all of the moisture content is supplied into the reaction tanks 1 and 2 through the moisture absorbents 8 and 8. The source gas is provided downstream of the rare gas 11 and the nitrogen-containing gas plasma. Further, the ratio of the flow rate of the cyanide gas to the total gas flow rate is 1 to 100%, and the flow rate ratio of nitrogen gas and rare gas is 0 to 80%. Discloses the synthesizing carbon nitride film on the substrate (see Patent Document 2).

さらに、非特許文献1には、グラファイト中への窒素原子の注入(室温下)によって、グラファイト中に小粒径の窒化炭素を生成させることが開示されている。   Further, Non-Patent Document 1 discloses that carbon nitride having a small particle diameter is generated in graphite by injecting nitrogen atoms into the graphite (at room temperature).

特開2001−59156号公報(請求項1、段落番号0009)JP 2001-59156 A (Claim 1, paragraph number 0009) 特開2002−38269号公報(要約中の解決手段)JP 2002-38269 A (Solution means in summary) 山本和弘、古賀義紀、八瀬清志、藤原修三、久保田正明(Kazuhiro Yamamoto,Yoshinori Koga,Kiyoshi Yase,Shuzo Fujiwara and Masaaki Kubota)、グラファイトへの低エネルギー窒素インプランテーション法による立方晶窒化炭素の形成(Formation of Cubic Phase Carbon Nitride Solid by Low Energy Nitrogen Implantation into Graphite)、応用物理学会欧文誌 36巻、L230−L233頁、1997年(Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L230−L233 Part2,No.2B,15 February 1997)Kazuhiro Yamamoto, Yoshinori Koga, Kiyoshi Yase, Shuzo Fujiwara, Masaaki Kubota (Kazuhiro Yamamoto, Yoshiri Kaga, Kiyoshi Yase, Shuzo Fujiwara and Masaaki Kubota) of Cubic Phase Carbon Nitride Solid by Low Energy Nitrogen Implantation into Graphite, European Journal of Applied Physics 36, L230-L233, 1997 (Jpn. J. Appl. Ph. L. Part 2, No. 2B, 15 February 997)

しかしながら、特許文献1、特許文献2及び非特許文献1に示されるような従来の窒化炭素の製造方法では、薄膜状の窒化炭素が得られたり(特許文献1、特許文献2)、窒化炭素以外のマトリックス中に担持された状態(即ち、物理的に一体をなすものの一部が窒化炭素であるもののその他の部分(該一部以外の部分)は窒化炭素でないもののような状態である。非特許文献1に開示の発明では、窒化炭素以外であるグラファイトのマトリックス中に小粒径の窒化炭素が担持された状態である。)で窒化炭素が得られるものの、窒化炭素の粉体を得ることはできない。
とりわけ窒化炭素を上記したような用途(研磨材、半導体等のような電子素子)等へ用いる場合、窒化炭素以外のマトリックス中に担持された状態ではない粉体(粉末)の窒化炭素(即ち、粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素により形成されるもの)の方が使用や取扱が容易であるので、かかる粉体の窒化炭素の製造方法が求められている。
However, in the conventional carbon nitride manufacturing methods as shown in Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1, thin-film carbon nitride can be obtained (Patent Document 1, Patent Document 2), or other than carbon nitride. In a state of being supported in the matrix (that is, a part of what is physically integrated is carbon nitride, but the other part (part other than the part) is not carbon nitride.) In the invention disclosed in Document 1, carbon nitride having a small particle size is supported in a graphite matrix other than carbon nitride.) Although carbon nitride is obtained, it is possible to obtain a powder of carbon nitride. Can not.
In particular, when carbon nitride is used for the above-mentioned uses (electronic devices such as abrasives and semiconductors), etc., carbon nitride of powder (powder) that is not supported in a matrix other than carbon nitride (ie, Since one powder constituting the powder is made of carbon nitride), it is easier to use and handle, so a method for producing carbon nitride of such powder is required.

そこで、本発明においては、窒化炭素以外のマトリックス中に担持された状態ではない粉体(粉末)の窒化炭素(即ち、粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素(不可避的な不純物を含む)により形成されるもの)の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, in the present invention, carbon nitride of a powder (powder) that is not in a state of being supported in a matrix other than carbon nitride (that is, the entire powder of one powder constituting the powder contains carbon nitride (inevitable impurities). It is an object of the present invention to provide a manufacturing method of

本発明の窒化炭素の製造方法(以下、「本方法」という。)は、窒素ガスに所定のマイクロ波を放射して発生させた窒素プラズマに、炭素を含有する炭素含有材を接触させることを特徴とする、窒化炭素の製造方法である。   The method for producing carbon nitride of the present invention (hereinafter referred to as “the present method”) comprises bringing a carbon-containing material containing carbon into contact with nitrogen plasma generated by radiating a predetermined microwave to nitrogen gas. This is a method for producing carbon nitride.

また、本方法には、以下(1)〜(9)の態様が含まれる。
(1)前記窒素プラズマを発生させる前に、アルゴンガスに所定のマイクロ波を放射してアルゴンプラズマを発生させ、該アルゴンガスを前記窒素ガスに置換することで前記窒素プラズマを発生させるものである、上記製造方法。
(2)前記アルゴンプラズマの発生を助ける火花放電を、前記アルゴンプラズマの発生時に前記アルゴンガス内で生じさせるものである、上記(1)の製造方法。
(3)前記窒素プラズマ中にて前記炭素含有材の表面から火花放電を生じさせるものである、上記製造方法。
(4)前記炭素含有材がグラファイトによって形成されるものである、上記製造方法。
(5)前記炭素含有材が棒状部材によって形成されるものである、上記製造方法。
(6)流動する窒素ガスを前記窒素プラズマに変換してゆくものであり、窒素ガスの体積速度が、0.1〜3.0リットル/(分・mm)である、上記製造方法。
(7)生成した窒化炭素を表面に付着させて収集する収集部材を前記流動する窒素ガスの下流側に配置するものである、上記(6)の製造方法。
(8)生成した窒化炭素を表面に付着させて収集する収集部材を前記炭素含有材の下方に配置するものである、上記製造方法。
(9)前記所定のマイクロ波が、0.8〜100GHzの周波数である、上記製造方法。
In addition, the method includes the following aspects (1) to (9).
(1) Before generating the nitrogen plasma, a predetermined microwave is emitted to the argon gas to generate the argon plasma, and the nitrogen gas is replaced with the nitrogen gas to generate the nitrogen plasma. The above manufacturing method.
(2) The manufacturing method according to (1), wherein a spark discharge that assists generation of the argon plasma is generated in the argon gas when the argon plasma is generated.
(3) The said manufacturing method which produces a spark discharge from the surface of the said carbon containing material in the said nitrogen plasma.
(4) The said manufacturing method whose said carbon containing material is formed with a graphite.
(5) The said manufacturing method whose said carbon containing material is formed with a rod-shaped member.
(6) The said manufacturing method which converts flowing nitrogen gas into the said nitrogen plasma, and the volume velocity of nitrogen gas is 0.1-3.0 liter / (min * mm < 2 >).
(7) The manufacturing method according to (6), wherein a collecting member that collects the produced carbon nitride by adhering to the surface is disposed on the downstream side of the flowing nitrogen gas.
(8) The said manufacturing method which arrange | positions the collection member which makes the produced carbon nitride adhere to the surface, and is arrange | positioned under the said carbon containing material.
(9) The said manufacturing method whose said predetermined microwave is a frequency of 0.8-100 GHz.

そして、本発明は、粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素及び不可避的な不純物により形成され、平均粒径が1マイクロメートル以下である、粉状の窒化炭素を提供する。   Then, the present invention provides powdery carbon nitride in which the whole of one powder constituting the powder is formed of carbon nitride and inevitable impurities, and the average particle size is 1 micrometer or less.

本発明の窒化炭素の製造方法(以下、「本方法」という。)は、窒素ガスに所定のマイクロ波を放射して発生させた窒素プラズマに、炭素を含有する炭素含有材を接触させることを特徴とする、窒化炭素の製造方法である。
窒素プラズマ(原子状)は、窒素ガスに所定のマイクロ波を放射して発生させる。マイクロ波を窒素ガスに放射することで窒素プラズマを発生させることは既知の技術であるのでここでは詳しい説明を省略する。
このように発生させた窒素プラズマに炭素含有材を接触させることによって、本方法においては、窒化炭素以外のマトリックス中に担持された状態ではない粉体(粉末)の窒化炭素(即ち、粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素及び不可避的な不純物により形成されるもの)を製造することができる。
なお、このようにして本方法により製造された窒化炭素は、従来の窒化炭素と同様、その硬質性から研磨材として用いることができ、さらに半導体性から電子素子(例えば、ナノエレクトロニクスと呼ばれているような分野)等へ用いられ得る。
The method for producing carbon nitride of the present invention (hereinafter referred to as “the present method”) comprises bringing a carbon-containing material containing carbon into contact with nitrogen plasma generated by radiating a predetermined microwave to nitrogen gas. This is a method for producing carbon nitride.
Nitrogen plasma (atomic form) is generated by radiating a predetermined microwave to nitrogen gas. Since generating a nitrogen plasma by radiating a microwave to nitrogen gas is a known technique, a detailed description is omitted here.
By bringing the carbon-containing material into contact with the nitrogen plasma generated in this manner, in this method, carbon nitride (that is, powder) of powder (powder) that is not supported in a matrix other than carbon nitride is used. The whole powder of the constituent 1 is formed of carbon nitride and inevitable impurities).
The carbon nitride produced by this method can be used as an abrasive due to its hardness as in the case of conventional carbon nitride, and it can be used as an abrasive due to its semiconductivity (for example, called nanoelectronics). Field).

前記窒素プラズマを発生させる前に、アルゴンガスに所定のマイクロ波を放射してアルゴンプラズマを発生させ、該アルゴンガスを前記窒素ガスに置換することで前記窒素プラズマを発生させるもの(以下、「アルゴンプラズマ事前発生法」という。)であってもよい。
このように窒素プラズマを発生させる前に、アルゴンガスに所定のマイクロ波を放射してアルゴンプラズマを発生させた後、アルゴンガスを窒素ガスに置換すれば、窒素プラズマを安定して発生させることができることから、本方法を容易かつ安定的に実施することができる。
Before generating the nitrogen plasma, a predetermined microwave is emitted to the argon gas to generate the argon plasma, and the nitrogen gas is replaced with the nitrogen gas to generate the nitrogen plasma (hereinafter referred to as “argon”). It may be referred to as “a plasma pre-generation method”.
Before the nitrogen plasma is generated in this way, a predetermined microwave is radiated to the argon gas to generate the argon plasma, and then the nitrogen gas is replaced with the nitrogen gas, so that the nitrogen plasma can be generated stably. Therefore, the present method can be carried out easily and stably.

アルゴンプラズマ事前発生法の場合、前記アルゴンプラズマの発生を助ける火花放電を、前記アルゴンプラズマの発生時に前記アルゴンガス内で生じさせるものであってもよい。
こうすることでアルゴンプラズマの発生時に必要なエネルギーを火花放電によってアルゴンガスに与えることができるので、アルゴンプラズマを容易かつ安定して発生させることができることから、一層、本方法を容易かつ安定的に実施することができる。
なお、アルゴンプラズマの発生時にアルゴンガス内で火花放電を生じさせる方法は、いかなるものであってもよく何ら限定されるものではないが、例えば、一時的に電極に高電圧を印加することで放電を生じさせるようなもの(通称「イグナイター」等と称される。)を例示的に挙げることができる。
In the case of the argon plasma pre-generation method, a spark discharge that assists the generation of the argon plasma may be generated in the argon gas when the argon plasma is generated.
By doing this, the energy necessary for the generation of the argon plasma can be given to the argon gas by spark discharge, so that the argon plasma can be generated easily and stably, making the method easier and more stable. Can be implemented.
The method for generating a spark discharge in the argon gas when the argon plasma is generated may be any method and is not limited in any way. For example, the discharge may be performed by temporarily applying a high voltage to the electrode. (For example, “igniter” or the like) can be exemplified.

前記窒素プラズマ中にて前記炭素含有材の表面から火花放電を生じさせるものであってもよい。
このように窒素プラズマ中にて炭素含有材の表面から火花放電を生じさせることにより、窒化炭素を安定して円滑に製造することができる。
かかる窒素プラズマ中における炭素含有材の表面からの火花放電は、いかなる方法によって形成されてもよく何ら限定されるものではないが、例えば、窒素プラズマを形成するために窒素ガスに放射される所定のマイクロ波(とりわけ炭素含有材の表面付近に放射される所定のマイクロ波)の出力や周波数等を調節することによってなされてもよい。
なお、窒素プラズマ中にて炭素含有材の表面から火花放電を生じさせることによって窒化炭素の製造を安定化等させることができる理由は、必ずしも定かではないが、かかる火花放電が窒化炭素の微細な核生成を促す(即ち、核生成に要するエネルギーをかかる火花放電が与える)ためではないかと推定される(なお、その生成した核は、その後、成長し最終的な窒化炭素となる。)。
A spark discharge may be generated from the surface of the carbon-containing material in the nitrogen plasma.
Thus, by generating spark discharge from the surface of the carbon-containing material in nitrogen plasma, carbon nitride can be produced stably and smoothly.
The spark discharge from the surface of the carbon-containing material in the nitrogen plasma may be formed by any method, but is not limited in any way. For example, a predetermined discharge radiated to nitrogen gas to form the nitrogen plasma is possible. You may make by adjusting the output, frequency, etc. of a microwave (especially the predetermined microwave radiated | emitted near the surface of a carbon containing material).
The reason why the production of carbon nitride can be stabilized by generating a spark discharge from the surface of the carbon-containing material in the nitrogen plasma is not necessarily clear, but such a spark discharge is not a fine carbon nitride. It is presumed that the nucleation is promoted (that is, the spark discharge gives the energy required for nucleation) (the generated nuclei are then grown to become the final carbon nitride).

炭素含有材は、炭素を含有するものであれば、特に制限されることなく種々のものが用いられてよく何ら限定されるものではないが、製造される窒化炭素に不純物等が混入することを防止又は減少させ、窒化炭素を安定して円滑に製造することからは、炭素の含有率が高い方が好ましい。とりわけ前記炭素含有材がグラファイトによって形成されるものであれば、これら不純物等の混入防止又は減少や、安定的な製造が可能になることから好ましい。   The carbon-containing material is not particularly limited as long as it contains carbon, and any carbon-containing material may be used without limitation. In order to prevent or reduce and to produce carbon nitride stably and smoothly, a higher carbon content is preferable. In particular, if the carbon-containing material is formed of graphite, it is preferable because these impurities can be prevented or reduced, and stable production can be achieved.

前記炭素含有材が棒状部材によって形成されるものであってもよい。
ここに棒状部材とは、線分に沿ってのびる部分を有する部材をいい、かかる棒状部材によって形成される炭素含有材を用いることで、窒化炭素を安定して円滑に製造することができる。
なお、棒状部材によって形成される炭素含有材を用いることで、窒化炭素を安定して円滑に製造することができる理由は、必ずしも定かではないが、窒素プラズマを形成するために窒素ガスに放射される所定のマイクロ波と、棒状部材たる炭素含有材と、の何らかの相互作用に基づくものと思われる。
The carbon-containing material may be formed of a rod-shaped member.
Here, the rod-shaped member refers to a member having a portion extending along a line segment, and carbon nitride can be stably and smoothly manufactured by using a carbon-containing material formed by the rod-shaped member.
The reason why carbon nitride can be produced stably and smoothly by using a carbon-containing material formed by a rod-shaped member is not necessarily clear, but is emitted to nitrogen gas to form nitrogen plasma. This is considered to be based on some interaction between the predetermined microwave and the carbon-containing material as the rod-shaped member.

流動する窒素ガスを前記窒素プラズマに変換してゆくものであり、窒素ガスの体積速度が、0.1〜3.0リットル/(分・mm)であってもよい(以下、「流動窒素法」という。)。
流動する窒素ガスを窒素プラズマに変換してゆく(即ち、流動する窒素ガスを用いて窒素プラズマを生成させる。)ことで、窒化炭素を生成するための窒素を充分与えることができるので、窒化炭素を安定して円滑に製造することができる。そして、窒素ガスの体積速度を0.1〜3.0リットル/(分・mm)とすることで、窒化炭素を生成するために要する窒素を与えることができると共に、該体積速度をかかる範囲にて変化させれば、製造される窒化炭素(CN)のxをほぼ0.1〜2の範囲内にて変化させることができる(無論、該体積速度を増加させればxが増加し、該体積速度を減少させればxが減少する。)。ここにxは理論的には1.33(C)であるが、窒化炭素の硬度を充分高くするにはxが0.8より大きくされることが好ましく(x>0.8)、より好ましくは0.9より大きくされる(x>0.9)(xは1.33以下である。)。なお、xを0.8より大きくするためには(x>0.8)、通常、体積速度を1.0リットル/(分・mm)以上としてもよい。
なお、該体積速度は、窒素ガスが流動する方向に対して垂直な面を考え、該面の単位面積(mm)単位時間(1分)あたり窒素ガスが流れる体積(0℃、1気圧の標準状態換算の体積流量リットル)をいう。
The flowing nitrogen gas is converted into the nitrogen plasma, and the volume velocity of the nitrogen gas may be 0.1 to 3.0 liters / (min · mm 2 ) (hereinafter referred to as “flowing nitrogen”). Law ").
By converting the flowing nitrogen gas into nitrogen plasma (that is, generating nitrogen plasma using the flowing nitrogen gas), sufficient nitrogen can be provided to generate carbon nitride. Can be manufactured stably and smoothly. And by setting the volume velocity of nitrogen gas to 0.1 to 3.0 liters / (min · mm 2 ), it is possible to give nitrogen required to produce carbon nitride, and the volume velocity is within this range. Can change the x of the produced carbon nitride (CN x ) within the range of about 0.1 to 2 (of course, increasing the volume velocity will increase x. X decreases if the volume velocity is decreased.) Here, x is theoretically 1.33 (C 3 N 4 ), but x is preferably larger than 0.8 in order to sufficiently increase the hardness of carbon nitride (x> 0.8). , More preferably larger than 0.9 (x> 0.9) (x is 1.33 or less). In order to make x larger than 0.8 (x> 0.8), the volume velocity may be usually 1.0 liter / (min · mm 2 ) or more.
The volume velocity is a volume perpendicular to the direction in which the nitrogen gas flows, and the volume (0 ° C., 1 atm) of the nitrogen gas flowing per unit area (mm 2 ) unit time (1 minute) of the surface. Volume flow liter in standard state).

流動窒素法の場合、生成した窒化炭素を表面に付着させて収集する収集部材を前記流動する窒素ガスの下流側に配置するものであってもよい。
本方法により製造される窒化炭素は、通常細かい粉体(通常、平均粒径が1ナノメートル乃至1マイクロメートル)であるので、窒素プラズマを生成させるために流動される窒素ガスによって搬送され得る。このため流動する窒素ガスの下流側(炭素含有材よりも下流側)に収集部材を配設しておけば、収集部材の表面に生成した窒化炭素を付着させて収集することができる。
また、収集部材の該表面の温度を所定温度(例えば、20〜1000℃)に保つようにしておけば、該表面に付着した窒化炭素をアニーリングすることができ窒化炭素の結晶性を改善することができる。
In the case of the flowing nitrogen method, a collecting member for collecting the collected carbon nitride on the surface and collecting it may be disposed on the downstream side of the flowing nitrogen gas.
Since the carbon nitride produced by this method is usually a fine powder (usually having an average particle size of 1 nanometer to 1 micrometer), it can be transported by flowing nitrogen gas to generate a nitrogen plasma. For this reason, if the collecting member is disposed on the downstream side of the flowing nitrogen gas (downstream side of the carbon-containing material), the generated carbon nitride can be attached and collected on the surface of the collecting member.
Further, if the temperature of the surface of the collecting member is kept at a predetermined temperature (for example, 20 to 1000 ° C.), the carbon nitride attached to the surface can be annealed, and the crystallinity of the carbon nitride is improved. Can do.

生成した窒化炭素を表面に付着させて収集する収集部材を前記炭素含有材の下方に配置するものであってもよい。
こうすることで本方法により製造される窒化炭素が、重力によって下方に移動されることで、炭素含有材の下方に配置された収集部材の表面に窒化炭素を付着させて収集することができる。
また、この場合も、収集部材の該表面の温度を所定温度(例えば、20〜1000℃)に保つようにしておけば、該表面に付着した窒化炭素をアニーリングすることができ窒化炭素の結晶性を改善することができる。
A collecting member for collecting and collecting the generated carbon nitride on the surface may be arranged below the carbon-containing material.
By doing so, the carbon nitride produced by the present method is moved downward by gravity, so that the carbon nitride can be attached to the surface of the collecting member disposed below the carbon-containing material and collected.
Also in this case, if the temperature of the surface of the collecting member is kept at a predetermined temperature (for example, 20 to 1000 ° C.), the carbon nitride adhering to the surface can be annealed, and the crystallinity of the carbon nitride Can be improved.

窒素プラズマを形成するために窒素ガスに放射される所定のマイクロ波は、安定的に窒素プラズマを形成し窒化炭素を安定して円滑に製造することができればいかなるもの(例えば、周波数や出力等)であってもよく何ら限定されるものではないが、例示的には概ね次のようなものを用いてもよい。
所定のマイクロ波の周波数は、あまり低いと安定的に窒素プラズマを形成し窒化炭素を安定して円滑に製造することができず、あまり高いとマイクロ波を生じさせるために大きなエネルギーや設備を要するため経済的でないのでこれら両条件が満足される範囲とされることが好ましく、下限として、好ましくは0.8GHz以上、より好ましくは1.5GHz以上、最も好ましくは2.0GHz以上、上限として、好ましくは100GHz以下、最も好ましくは20GHz以下である。
所定のマイクロ波の出力は、あまり小さいと安定的に窒素プラズマを形成し窒化炭素を安定して円滑に製造することができず、あまり大きいとマイクロ波を生じさせるために大きなエネルギーや設備を要するため経済的でないのでこれら両条件が満足される範囲とされることが好ましく、とりわけ該両条件が満足される範囲内でも、窒化炭素の収量(該出力に略比例して増加するものと考えられる。)を多くすることからは該出力は大きい方が好ましい。
The predetermined microwave radiated to the nitrogen gas in order to form the nitrogen plasma is not limited as long as the nitrogen plasma can be stably formed and the carbon nitride can be manufactured stably and smoothly (for example, frequency and output). Although not limited at all, for example, the following may be generally used.
If the predetermined microwave frequency is too low, nitrogen plasma can be stably formed and carbon nitride cannot be produced stably and smoothly. If it is too high, a large amount of energy and equipment are required to generate microwaves. Therefore, it is preferable that the both conditions are satisfied, so that the lower limit is preferably 0.8 GHz or more, more preferably 1.5 GHz or more, and most preferably 2.0 GHz or more, and the upper limit is preferable. Is 100 GHz or less, and most preferably 20 GHz or less.
If the predetermined microwave output is too small, nitrogen plasma can be stably formed and carbon nitride cannot be produced stably and smoothly. If it is too large, a large amount of energy and equipment are required to generate microwaves. Therefore, it is preferable that the both conditions be satisfied, and it is considered that the yield of carbon nitride (which increases substantially in proportion to the output) even within the range where both conditions are satisfied. The larger the output, the better.

本方法により製造される窒化炭素(以下、「本窒化炭素」という。)は、窒化炭素以外のマトリックス中に担持された状態ではない粉体(粉末)の窒化炭素(即ち、粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素及び不可避的な不純物により形成されるもの)であり、従来の窒化炭素と同様、その硬質性から研磨材として、さらに半導体性から電子素子(例えば、ナノエレクトロニクスと呼ばれているような分野)として、用いることができる。そして、本窒化炭素は、通常、平均粒径が1ナノメートル乃至1マイクロメートルである。そして、該1の粉の全体に対する窒化炭素の割合(該1の粉の全体に含有される窒化炭素の質量をw1とし、該全体に含有される不可避的な不純物の質量をw2とすると、w1/(w1+w2)にて計算される。)は、通常、0.5以上であり、好ましくは0.7以上であり、より好ましくは0.9以上であり、最も好ましくは0.95以上である(無論、1以下である。)。なお、粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素のみにより形成されてよいことは言うまでもない。
なお、本発明にいう「粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素及び不可避的な不純物により形成される」とは、粉体を構成する粉の全てが窒化炭素及び不可避的な不純物により形成されることを要するものではなく、粉体を構成する少なくとも1の粉の全体が窒化炭素及び不可避的な不純物により形成されるものであればよい(即ち、窒化炭素及び不可避的な不純物により全体が形成された1の粉を粉体が含めばよい。例えば、粉体の中に、本方法で用いる炭素含有材の粉や粒が混入したものでもよい。)。なお、粉体の全体に対する窒化炭素の割合(粉体の全体の質量をm2とし、該全体に含有される窒化炭素の質量をm1とすると、m1/m2にて計算される。)は、通常、0.5以上であり、好ましくは0.7以上であり、より好ましくは0.9以上であり、最も好ましくは0.95以上である(無論、1以下である。)。
また、前述のように、製造される窒化炭素(CN)のxは、窒化炭素の硬度を充分高くして使用性能を向上させることからは、0.8より大きくされることが好ましく(x>0.8)、より好ましくは0.9より大きくされる(x>0.9)(なお、いずれもxは1.33以下である。)。
The carbon nitride produced by this method (hereinafter referred to as “the present carbon nitride”) is a carbon nitride (that is, a powder) that is not supported in a matrix other than carbon nitride (that is, a powder). The whole powder of 1 is formed by carbon nitride and inevitable impurities), and like conventional carbon nitride, it is hard as an abrasive, and it is semiconducting so as to be an electronic device (eg, nanoelectronics). Field). The carbon nitride usually has an average particle size of 1 nanometer to 1 micrometer. The ratio of carbon nitride to the whole of the one powder (w1 is the mass of carbon nitride contained in the whole of the one powder, and w2 is the mass of unavoidable impurities contained in the whole of the one powder. / (W1 + w2)) is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more, and most preferably 0.95 or more. (Of course, it is 1 or less.) Needless to say, the entire powder constituting the powder may be formed of only carbon nitride.
In the present invention, “the whole of one powder constituting the powder is formed of carbon nitride and inevitable impurities” means that all of the powder constituting the powder is composed of carbon nitride and inevitable impurities. It is not required to be formed, and it is sufficient that at least one powder constituting the powder is formed by carbon nitride and unavoidable impurities (that is, the whole is formed by carbon nitride and unavoidable impurities). For example, the powder may include the powder or particles of the carbon-containing material used in the present method. The ratio of carbon nitride to the entire powder (calculated as m1 / m2 where m2 is the total mass of the powder and m1 is the mass of the carbon nitride contained in the entire powder) is usually. 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more, and most preferably 0.95 or more (of course, 1 or less).
Further, as described above, x of the produced carbon nitride (CN x ) is preferably set to be larger than 0.8 in order to improve the use performance by sufficiently increasing the hardness of the carbon nitride (x > 0.8), more preferably greater than 0.9 (x> 0.9) (wherein x is 1.33 or less).

以下、本発明を具体的に説明するために、実施例を挙げる。しかしながら、これら実施例によって、本発明は何ら制限されるものではない。   Examples are given below in order to specifically describe the present invention. However, the present invention is not limited by these examples.

図1は、本発明の窒化炭素の製造方法(本方法)を実施するための製造装置(以下、「本装置」という。)11を示す概略図である。図2は、後述の導波管59と反応器21との状態を示す断面図(反応器21が形成する直円筒の軸を含む平面による断面を示している。図1中、矢印Hによって示した部分を示している。)であり、図3は図2のJ−J断面図である。図1乃至図3を参照して、本装置11について説明する。なお、図1及び図2中、鉛直上方向を矢印Aにて、そして鉛直下方向を矢印Bにて、それぞれ示した。
本装置11は、大まかにいうと、有蓋無底の中空円筒形状をした反応器21と、反応器21の上端部に支持された電極23(本発明にいう炭素含有材)と、反応器21の内部において火花放電を起こすイグナイター25と、反応器21にアルゴンガスを導入するためのアルゴンガス導入部30と、反応器21に窒素ガスを導入するための窒素ガス導入部40(なお、アルゴンガス導入部30及び窒素ガス導入部40からのアルゴンガス及び窒素ガスは、導管22を経て反応器21の内部空間21cへ導かれる。)と、反応器21の内部にマイクロ波を照射するマイクロ波照射部50と、反応器21の下方に配設された基板61(本発明にいう収集部材)と、を有してなる。
FIG. 1 is a schematic view showing a production apparatus (hereinafter referred to as “the present apparatus”) 11 for carrying out the carbon nitride production method (the present process) of the present invention. 2 is a cross-sectional view showing a state of a waveguide 59 and a reactor 21 which will be described later (showing a cross section by a plane including the axis of a right cylinder formed by the reactor 21. In FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line JJ of FIG. The apparatus 11 will be described with reference to FIGS. 1 to 3. 1 and 2, the vertical upward direction is indicated by an arrow A, and the vertical downward direction is indicated by an arrow B.
Roughly speaking, the present apparatus 11 includes a reactor 21 having a hollow cylindrical shape with a lid and a bottom, an electrode 23 (carbon-containing material according to the present invention) supported on the upper end of the reactor 21, and a reactor 21. Igniter 25 that causes spark discharge inside, argon gas introduction part 30 for introducing argon gas into reactor 21, and nitrogen gas introduction part 40 for introducing nitrogen gas into reactor 21 (note that argon gas Argon gas and nitrogen gas from the introduction part 30 and the nitrogen gas introduction part 40 are led to the internal space 21c of the reactor 21 through the conduit 22.) and microwave irradiation for irradiating the inside of the reactor 21 with microwaves And a substrate 61 (collecting member according to the present invention) disposed below the reactor 21.

反応器21は、中空の直円筒形状をしたガラス管(ここでは反応器21の内部空間21cは、直径8.03mm×高さ152.7mmの直円柱形状を有している。)によって形成されており、その管の上端21aは閉じられているが、その管の下端21bは開放(反応器21の内部空間21cは下端21bを経て外部71と連通している。)されている(有蓋無底)。反応器21の上端21aには、後で詳述する棒状の電極23が貫通するように支持されている。棒状の電極23の軸(電極23は直円柱形状をしており、該直円柱の軸をいう。)は、反応器21が形成する該直円筒の軸(以下、「反応器21の軸」という。)と一直線上に略存するように、電極23は反応器21の上端21aにより支持されている。
ここでは反応器21の軸が鉛直方向に略向くように、反応器21は、図示しない支持スタンドによって支持されている。
また、反応器21は、導管22が接続される第1ノズル21n1と、イグナイター25の放電電極25aが嵌入される第2ノズル21n2と、を有している。第1ノズル21n1は、導管22からのアルゴンガス及び窒素ガスを反応器21の内部空間21cへ導くものである。そして、第2ノズル21n2は、放電電極25aの先端を反応器21の内部空間21cへ位置させ、放電電極25aと電極23との間と、電極23と導波管59との間と、の両間で火花放電を生じさせるためのものである(導波管59の外壁59aはアースされており、そしてイグナイター25は、イグナイター25の放電電極25aとアースとの間に高電圧を印加できるようになっているので、イグナイター25が放電電極25aとアースとの間に高電圧を印加すれば、放電電極25aから電極23を経由して導波管59へ放電する。)。
The reactor 21 is formed by a hollow right cylindrical glass tube (in this case, the internal space 21c of the reactor 21 has a right cylindrical shape with a diameter of 8.03 mm and a height of 152.7 mm). The upper end 21a of the tube is closed, but the lower end 21b of the tube is open (the internal space 21c of the reactor 21 communicates with the outside 71 via the lower end 21b) (without lid). bottom). A rod-shaped electrode 23, which will be described in detail later, is supported by the upper end 21a of the reactor 21 so as to penetrate therethrough. The axis of the rod-shaped electrode 23 (the electrode 23 has a right cylinder shape, which is the axis of the right cylinder) is the axis of the right cylinder formed by the reactor 21 (hereinafter referred to as “reactor 21 axis”). The electrode 23 is supported by the upper end 21a of the reactor 21.
Here, the reactor 21 is supported by a support stand (not shown) so that the axis of the reactor 21 is substantially oriented in the vertical direction.
Moreover, the reactor 21 has the 1st nozzle 21n1 to which the conduit | pipe 22 is connected, and the 2nd nozzle 21n2 in which the discharge electrode 25a of the igniter 25 is inserted. The first nozzle 21n1 guides the argon gas and nitrogen gas from the conduit 22 to the internal space 21c of the reactor 21. The second nozzle 21n2 positions the tip of the discharge electrode 25a into the internal space 21c of the reactor 21, and both between the discharge electrode 25a and the electrode 23 and between the electrode 23 and the waveguide 59. The outer wall 59a of the waveguide 59 is grounded, and the igniter 25 can apply a high voltage between the discharge electrode 25a of the igniter 25 and the ground. Therefore, when the igniter 25 applies a high voltage between the discharge electrode 25a and the ground, the discharge electrode 25a discharges to the waveguide 59 via the electrode 23).

炭素含有材たる電極23は、ここではグラファイトを直円柱(直径3.0mm×高さ100mm)形状に切削加工することで形成されたものであり、電極23の上端は反応器21の外部に位置すると共に、電極23の下端は反応器21の内部空間21cに位置する。なお、ここでは電極23の下端と、反応器21の下端21bと、の間の距離(図1中、距離C)は、36.6mmとされている。また、ここでは第1ノズル21n1と電極23の下端との間の距離(図1中、距離E)は58.4mmとされると共に、第2ノズル21n2と電極23の下端との間の距離(図1中、距離F)は58.9mmとされている。
そして、ここでは図示していない電源装置によって、電極23と基板61との間に0〜±3KVの直流電圧を自由に印加することができるようになっているが、ここでは電圧の印加は行っていない(即ち、電極23は電気的にはいずれのものともつながっておらず中立である)。
The electrode 23 which is a carbon-containing material is formed by cutting graphite into a shape of a right cylinder (diameter: 3.0 mm × height: 100 mm), and the upper end of the electrode 23 is positioned outside the reactor 21. In addition, the lower end of the electrode 23 is located in the internal space 21 c of the reactor 21. Here, the distance between the lower end of the electrode 23 and the lower end 21b of the reactor 21 (distance C in FIG. 1) is set to 36.6 mm. Here, the distance between the first nozzle 21n1 and the lower end of the electrode 23 (distance E in FIG. 1) is 58.4 mm, and the distance between the second nozzle 21n2 and the lower end of the electrode 23 ( In FIG. 1, the distance F) is 58.9 mm.
A DC voltage of 0 to ± 3 KV can be freely applied between the electrode 23 and the substrate 61 by a power supply device not shown here, but the voltage is applied here. (That is, the electrode 23 is not electrically connected to anything and is neutral).

イグナイター25は、前述のように、イグナイター25の放電電極25aと、アースと、の間に規則的なパルス状の電圧を加えることができ、パルス状の電圧周期と加える電圧とを自由に変化させることができる。   As described above, the igniter 25 can apply a regular pulse voltage between the discharge electrode 25a of the igniter 25 and the ground, and freely changes the pulse voltage cycle and the applied voltage. be able to.

アルゴンガス導入部30は、ここでは高圧のアルゴンガスが充填されたアルゴンガスボンベ31と、アルゴンガスボンベ31からのアルゴンガス流量を制御するアルゴンガス弁33と、アルゴンガスボンベ31から反応器21へのアルゴンガス流量を測定するアルゴンガス流量計35と、アルゴンガス流量計35から反応器21へアルゴンガスを導く導管22と、を含んでなる。このためアルゴンガス弁33を操作することで、アルゴンガスボンベ31から反応器21へ導入するアルゴンガス流量をアルゴンガス流量計35により測定しつつ自由に変化させることができる(アルゴンガス弁33により、アルゴンガスボンベ31から反応器21へのアルゴンガス導入を断続することもできる。)。   Here, the argon gas introduction unit 30 includes an argon gas cylinder 31 filled with high-pressure argon gas, an argon gas valve 33 that controls an argon gas flow rate from the argon gas cylinder 31, and an argon gas from the argon gas cylinder 31 to the reactor 21. An argon gas flow meter 35 for measuring the flow rate and a conduit 22 for introducing argon gas from the argon gas flow meter 35 to the reactor 21 are included. Therefore, by operating the argon gas valve 33, the argon gas flow rate introduced into the reactor 21 from the argon gas cylinder 31 can be freely changed while being measured by the argon gas flow meter 35 (the argon gas valve 33 allows the argon gas flow rate to be reduced). The introduction of argon gas from the gas cylinder 31 to the reactor 21 can be interrupted).

同様に、窒素ガス導入部40は、ここでは高圧の窒素ガスが充填された窒素ガスボンベ41と、窒素ガスボンベ41からの窒素ガス流量を制御する窒素ガス弁43と、窒素ガスボンベ41から反応器21への窒素ガス流量を測定する窒素ガス流量計45と、窒素ガス流量計45から反応器21へ窒素ガスを導く導管22と、を含んでなる。このため窒素ガス弁43を操作することで、窒素ガスボンベ41から反応器21へ導入する窒素ガス流量を窒素ガス流量計45により測定しつつ自由に変化させることができる(窒素ガス弁43により、窒素ガスボンベ41から反応器21への窒素ガス導入を断続することもできる。)。   Similarly, the nitrogen gas introduction unit 40 includes a nitrogen gas cylinder 41 filled with high-pressure nitrogen gas, a nitrogen gas valve 43 that controls the flow rate of nitrogen gas from the nitrogen gas cylinder 41, and the nitrogen gas cylinder 41 to the reactor 21. A nitrogen gas flow meter 45 for measuring the nitrogen gas flow rate, and a conduit 22 for introducing the nitrogen gas from the nitrogen gas flow meter 45 to the reactor 21. Therefore, by operating the nitrogen gas valve 43, the nitrogen gas flow rate introduced into the reactor 21 from the nitrogen gas cylinder 41 can be freely changed while being measured by the nitrogen gas flow meter 45 (the nitrogen gas valve 43 allows the nitrogen gas flow rate to be changed). It is also possible to intermittently introduce nitrogen gas from the gas cylinder 41 into the reactor 21).

マイクロ波照射部50は、2.45GHzのマイクロ波を発生させるマイクロ波電源51と、アイソレータ53と、パワーモニタ55と、整合器57と、これらの機器間と整合器57から反応器21までの間とにマイクロ波を導く導波管59と、を有してなる。
マイクロ波電源51は、周波数2.45GHzのマイクロ波を定常的に発生させており、該発生されたマイクロ波は導波管59を経てアイソレータ53へ導かれる。
アイソレータ53においては、アイソレータ53が有する2の端子のうち一方から他方へのマイクロ波の通過に伴う第1減衰率が、該2の端子のうち該他方から該一方へのマイクロ波の通過に伴う第2減衰率に比して極めて大きくなるようにされており、これによって進行波をうまく通過させる一方、反射波が通過することを減少させるものである。ここではマイクロ波電源51からパワーモニタ55へマイクロ波(進行波)をうまく通過(該第2減衰率)させる一方、パワーモニタ55からマイクロ波電源51へマイクロ波(反射波)が通過することを減少させる(該第1減衰率)。
The microwave irradiation unit 50 includes a microwave power source 51 that generates a microwave of 2.45 GHz, an isolator 53, a power monitor 55, a matching unit 57, and between these devices and from the matching unit 57 to the reactor 21. And a waveguide 59 for guiding the microwave between them.
The microwave power source 51 constantly generates a microwave having a frequency of 2.45 GHz, and the generated microwave is guided to the isolator 53 through the waveguide 59.
In the isolator 53, the first attenuation factor associated with the passage of the microwave from one of the two terminals of the isolator 53 to the other is accompanied by the passage of the microwave from the other of the two terminals to the one of the two terminals. It is designed to be extremely large compared to the second attenuation rate, thereby allowing the traveling wave to pass well while reducing the passage of the reflected wave. Here, the microwave (traveling wave) is successfully passed from the microwave power source 51 to the power monitor 55 (second attenuation factor), while the microwave (reflected wave) is passed from the power monitor 55 to the microwave power source 51. Decrease (the first attenuation factor).

また、パワーモニタ55は、アイソレータ53から整合器57へのマイクロ波(進行波)の出力と、整合器57からアイソレータ53へのマイクロ波(反射波)の出力と、を測定する。
整合器57は、整合器57の一端側(パワーモニタ55が取り付けられている側)と、整合器57の他端側(反応器21が取り付けられている側)と、の間のインピーダンスを整合させるためのものであり、かかるインピーダンスの整合の具合によって、マイクロ波電源51から反応器21へのマイクロ波(進行波)の出力と、反応器21からマイクロ波電源51方向へのマイクロ波(反射波)の出力と、の割合が変化する。即ち、整合器57によってインピーダンスの整合を調節することで、反応器21へ照射されるマイクロ波の出力を変化させることができる。
The power monitor 55 measures the output of the microwave (traveling wave) from the isolator 53 to the matching unit 57 and the output of the microwave (reflected wave) from the matching unit 57 to the isolator 53.
The matching unit 57 matches the impedance between one end side of the matching unit 57 (side on which the power monitor 55 is attached) and the other end side (side on which the reactor 21 is attached) of the matching unit 57. The output of the microwave (traveling wave) from the microwave power source 51 to the reactor 21 and the microwave (reflection) from the reactor 21 toward the microwave power source 51 are determined by the impedance matching. The ratio of the output to the wave changes. That is, the output of the microwave irradiated to the reactor 21 can be changed by adjusting the impedance matching by the matching unit 57.

なお、上述した通り、マイクロ波電源51とアイソレータ53との間と、アイソレータ53とパワーモニタ55との間と、パワーモニタ55と整合器57との間と、そして整合器57と反応器21(外面)との間と、は導波管59によってマイクロ波が自由に移動することができるようになっている。なお、ここでは導波管59は、図2及び図3に示すように中空の内部空間59b(該内部空間をマイクロ波が通過する。マイクロ波が進行する方向(図2及び図3中、矢印Kにより示した。)に対して垂直な断面は略長方形(該略長方形の一辺を図2中、矢印Nにより示し、他の一辺を図3中、矢印Mにより示した。)である。このマイクロ波が進行する方向(矢印K)に対して垂直な内部空間59bの断面形状は、いずれの位置もほぼ同じ大きさ及び形状である。)と、内部空間59bを取り囲むように設けられた外壁59a(アルミニウム製であり電気的にアースされている。)と、を有してなる。外壁59aには反応器21が少しの隙間を有して遊嵌されるような嵌入穴59c(特に、図2及び図3を参照されたい。)が穿設されており、嵌入穴59cには反応器21が遊嵌され貫通している。内部空間59bを通過する反応器21の部分には電極23が存在しており、このため整合器57から放射されたマイクロ波は、導波管59の内部空間59bを通り、電極23が存する反応器21の部分に放射される。   As described above, between the microwave power source 51 and the isolator 53, between the isolator 53 and the power monitor 55, between the power monitor 55 and the matching device 57, and between the matching device 57 and the reactor 21 ( With respect to the outer surface), the microwave can move freely by the waveguide 59. Here, as shown in FIGS. 2 and 3, the waveguide 59 has a hollow inner space 59b (the microwave passes through the inner space. The direction in which the microwave travels (arrows in FIGS. 2 and 3). The section perpendicular to K.) is substantially rectangular (one side of the substantially rectangular shape is indicated by an arrow N in FIG. 2, and the other side is indicated by an arrow M in FIG. 3). The cross-sectional shape of the internal space 59b perpendicular to the direction in which the microwave travels (arrow K) has almost the same size and shape at all positions) and the outer wall provided so as to surround the internal space 59b 59a (made of aluminum and electrically grounded). The outer wall 59a is provided with a fitting hole 59c (in particular, see FIGS. 2 and 3) in which the reactor 21 is loosely fitted with a small gap, and the fitting hole 59c has a fitting hole 59c. The reactor 21 is loosely fitted and penetrated. The electrode 23 exists in the part of the reactor 21 that passes through the internal space 59b. Therefore, the microwave radiated from the matching device 57 passes through the internal space 59b of the waveguide 59 and the reaction in which the electrode 23 exists. Radiated to the portion of the vessel 21.

基板61は、ここではシリコンによって形成された両主表面が平面をした板状部材であり、ここでは該主表面が水平になるように反応器21の下方に支持されている。また、ここでは図示していないが、基板61の両主表面のうち下面から基板61を加熱するヒータが配設されている。この図示しないヒータによって、基板61の両主表面のうちの上面61aを20℃〜1000℃の任意の温度にすることができる。なお、ここでは窒素プラズマ81が生じる熱によって、基板61の上面61aは約800℃に保たれている。ここに基板61の両主表面のうちの上面61aと、反応器21の下端21bと、の間の距離(図1中、距離D)は、ここでは10mmとされている。このように基板61の両主表面のうちの上面61aと、反応器21の下端21bと、の間には充分な隙間があり、反応器21の内部空間21cは大気圧(常圧:1気圧)に保たれている。   Here, the substrate 61 is a plate-like member in which both main surfaces formed of silicon are planar, and here, the substrate 61 is supported below the reactor 21 so that the main surfaces are horizontal. Although not shown here, a heater for heating the substrate 61 from the lower surface of both main surfaces of the substrate 61 is provided. With this heater (not shown), the upper surface 61a of both main surfaces of the substrate 61 can be brought to an arbitrary temperature of 20 ° C. to 1000 ° C. Here, the upper surface 61 a of the substrate 61 is kept at about 800 ° C. by the heat generated by the nitrogen plasma 81. Here, the distance (the distance D in FIG. 1) between the upper surface 61a of both main surfaces of the substrate 61 and the lower end 21b of the reactor 21 is 10 mm here. Thus, there is a sufficient gap between the upper surface 61a of both main surfaces of the substrate 61 and the lower end 21b of the reactor 21, and the internal space 21c of the reactor 21 is at atmospheric pressure (normal pressure: 1 atm). ).

このような図1に示した本装置11を使用して窒化炭素を製造する方法を説明する(以下、第1〜第6に分けて説明するが、第1〜第6のそれぞれの手順を第1手順〜第6手順という。)。
第1に、アルゴンガス弁33を操作して、アルゴンガスボンベ31から反応器21へ10リットル(標準状態、即ち、0℃、1気圧換算)/分の体積流量にてアルゴンガスを継続的に導入する(流量は、アルゴンガス流量計35により測定する。)。
第2に、マイクロ波電源51を起動した後、整合器57を調節することで、反応器21へ継続的に照射されるマイクロ波の出力を300Wにする(出力は、パワーモニタ55により測定する。)。
A method for producing carbon nitride using the apparatus 11 shown in FIG. 1 will be described (hereinafter, it will be described separately in the first to sixth steps. 1 procedure to 6 procedures).
First, the argon gas valve 33 is operated to continuously introduce argon gas from the argon gas cylinder 31 to the reactor 21 at a volume flow rate of 10 liters (standard state, ie, 0 ° C., converted to 1 atm) / min. (The flow rate is measured by an argon gas flow meter 35).
Secondly, after the microwave power source 51 is started, the matching unit 57 is adjusted so that the microwave output continuously irradiated to the reactor 21 is set to 300 W (the output is measured by the power monitor 55). .)

第3に、イグナイター25を起動し、放電電極25aと電極23との間と、電極23と導波管59との間と、の両間で、規則的(ここでは約1/120秒に1回程度の頻度)な火花放電を継続的に起こす。なお、これにより反応器21の内部空間21cに、アルゴンプラズマが生じる。
第4に、再び整合器57を調節することで、反応器21へ継続的に照射されるマイクロ波の出力を500Wにする(出力は、パワーモニタ55により測定する。)。
Third, the igniter 25 is activated and regularly between the discharge electrode 25a and the electrode 23 and between the electrode 23 and the waveguide 59 (in this case, 1 in about 1/120 second). The spark discharge is frequently generated. As a result, argon plasma is generated in the internal space 21 c of the reactor 21.
Fourth, by adjusting the matching unit 57 again, the output of the microwave continuously irradiated to the reactor 21 is set to 500 W (the output is measured by the power monitor 55).

第5に、アルゴンガス弁33を閉じつつ、窒素ガス弁43を徐々に開ける。最終的には、反応器21へ導入されるガスは、アルゴンガスが0リットル(標準状態。即ち、0℃、1気圧換算)/分とし(即ち、アルゴンガスの導入を止める。)、窒素ガスが10リットル(標準状態。即ち、0℃、1気圧換算)/分となるようにする(流量は、窒素ガス流量計45により測定する。)。窒素ガスの流量は、反応器21の内部空間21cの断面積(窒素ガスが内部空間21c中を流れる方向に対して垂直な断面の面積)当たり2.4リットル(標準状態。即ち、0℃、1気圧換算)/(分・mm)であった。
なお、アルゴンガス弁33を閉じつつ、窒素ガス弁43を徐々に開ける作業は略0.5分かけて行い、該作業中は反応器21へ導入される合計ガス量(即ち、アルゴンガスと窒素ガスとの合計量)が10リットル(標準状態)/分を保つよう行った。なお、これにより反応器21の内部空間21cに、窒素プラズマが生じる。
第6に、電極23の下端に火花放電が生じるよう、反射波が最低になるように再度、整合器57を調節する。なお、該火花放電は断続的におきるが、この断続的に火花放電が起きている状態を約15分保持する。この断続的に火花放電が起きているときの出力はパワーモニタ55によれば、ほぼ600W程度である。
Fifth, the nitrogen gas valve 43 is gradually opened while the argon gas valve 33 is closed. Eventually, the gas introduced into the reactor 21 is 0 liters of argon gas (standard condition, that is, converted to 0 ° C. and 1 atm) / minute (that is, the introduction of argon gas is stopped), and nitrogen gas. Is 10 liters (standard state, that is, converted to 0 ° C. and 1 atm) / minute (the flow rate is measured by the nitrogen gas flow meter 45). The flow rate of nitrogen gas is 2.4 liters (standard state, that is, 0 ° C.) per cross-sectional area of the internal space 21c of the reactor 21 (area of a cross section perpendicular to the direction in which nitrogen gas flows in the internal space 21c). 1 atm conversion) / (min · mm 2 ).
The operation of gradually opening the nitrogen gas valve 43 while closing the argon gas valve 33 is performed over approximately 0.5 minutes. During this operation, the total amount of gas introduced into the reactor 21 (that is, argon gas and nitrogen) The total amount with gas) was kept at 10 liters (standard state) / min. As a result, nitrogen plasma is generated in the internal space 21 c of the reactor 21.
Sixth, the matching unit 57 is adjusted again so that the reflected wave is minimized so that a spark discharge is generated at the lower end of the electrode 23. The spark discharge occurs intermittently, but the state where the spark discharge is intermittently maintained is maintained for about 15 minutes. According to the power monitor 55, the output when the spark discharge is intermittently occurring is approximately 600W.

上記した第5により反応器21の内部空間21cに形成される窒素プラズマと、第6により生じる火花放電と、を継続させることで、基板61の上面61aに窒化炭素粉が徐々に堆積する。
このようにして得られた窒化炭素粉は、これまでの窒化炭素のように粒の一部が窒化炭素であるもののその他の部分(該粒のうち該一部以外の部分)は窒化炭素でないようなものではなく、粉全てが窒化炭素(ここでは窒化炭素以外の不純物は実質的には含まれていなかった。1の粉の全体に対する窒化炭素の割合(1の粉の全体に含有される窒化炭素の質量をw1とし、該全体に含有される不可避的な不純物の質量をw2とすると、w1/(w1+w2))は約1であった。)である(即ち、このようにして得られた窒化炭素は、マトリックス中に担持されておらず、独立した窒化炭素粉である。)。このようにして得られた粉体は、それを構成する1の粉の全体が窒化炭素及び不可避的な不純物(ここでは実質的に含まれていなかった。)により形成されており、非特許文献1に示されたもののようにグラファイト中に窒化炭素部分が存するようなものではなく、窒化炭素(不可避的な不純物含む)のみによって形成された独立した粉として得られた。また、得られた粉体の全体に対する窒化炭素の割合(粉体の全体の質量をm2とし、該全体に含有される窒化炭素の質量をm1とすると、m1/m2にて計算される。)は、約1であった。
By continuing the nitrogen plasma formed in the internal space 21c of the reactor 21 by the fifth and the spark discharge generated by the sixth, carbon nitride powder is gradually deposited on the upper surface 61a of the substrate 61.
The carbon nitride powder obtained in this way does not appear to be carbon nitride in other parts (parts other than the part of the grains) of which part of the grains is carbon nitride like conventional carbon nitride. However, all the powder was carbon nitride (in this case, impurities other than carbon nitride were not substantially contained. The ratio of carbon nitride to the whole of one powder (nitriding contained in the whole of one powder) When the mass of carbon is w1 and the mass of inevitable impurities contained in the whole is w2, w1 / (w1 + w2)) is about 1. Carbon nitride is not supported in the matrix and is an independent carbon nitride powder.) In the powder thus obtained, the whole of one powder constituting the powder is formed of carbon nitride and unavoidable impurities (not substantially contained here). The carbon nitride portion was not present in the graphite as shown in Fig. 1, and it was obtained as an independent powder formed only by carbon nitride (including unavoidable impurities). Further, the ratio of carbon nitride to the whole obtained powder (calculated as m1 / m2 where m2 is the total mass of the powder and m1 is the mass of carbon nitride contained in the whole). Was about 1.

得られた窒化炭素を走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察した。
走査型電子顕微鏡(SEM)としては、日本電子製の型番JSM−890を用いた。
窒化炭素が堆積した基板61の上面61a部分を3×5mmに切断し、該切断した試料を導電性テープ(カーボンテープ)により試料台に保持した。そして試料表面に白金蒸着を行い(蒸着装置:日本電子製、型番JUCー5000)、白金蒸着された試料(試料台)を分析装置に導入した。
電子線源の運転を開始し(加速電圧10kV)、軸合わせ及び非点収差の補正を行い、250000倍の倍率でピントをあわせた後、200000倍の倍率に調整し観察及び撮影を行った。
このようにして撮影された走査型電子顕微鏡(SEM)写真を図4に示す。図4に示したように、得られた窒化炭素粉の粒径(平均粒径)は、ほぼ80ナノメートル程度であることが明らかになった。
The obtained carbon nitride was observed with a scanning electron microscope (SEM).
As a scanning electron microscope (SEM), model number JSM-890 manufactured by JEOL Ltd. was used.
The upper surface 61a portion of the substrate 61 on which carbon nitride was deposited was cut into 3 × 5 mm, and the cut sample was held on a sample table with a conductive tape (carbon tape). Then, platinum vapor deposition was performed on the sample surface (vapor deposition apparatus: JEOL, model number JUC-5000), and the platinum vapor deposited sample (sample stage) was introduced into the analyzer.
The operation of the electron beam source was started (acceleration voltage 10 kV), axis alignment and astigmatism correction were performed, the focus was adjusted at a magnification of 250,000 times, and then the magnification was adjusted to 200000 times for observation and photographing.
A scanning electron microscope (SEM) photograph taken in this manner is shown in FIG. As shown in FIG. 4, it was revealed that the obtained carbon nitride powder had a particle size (average particle size) of about 80 nanometers.

得られた窒化炭素をX線光電子分光(XPS)により分析した。
X線光電子分光(XPS)としては、島津/KRATPS製の型番AXISーHS(励起X線:MgKα線(加速電圧15kV、電流10mA))を用いた。
窒化炭素が堆積した基板61の上面61a部分を5×5mmに切断し、該切断した試料を導電性テープ(カーボンテープ)により試料台に保持した。そして試料(試料台)を分析装置に導入した。
X線源(MgKα)の運転を開始し(加速電圧15kV、電流10mA)、テスト分析を行い、試料が帯電しているかどうかを確認した。試料が帯電している場合、中和銃で電子を試料に供給し適切な中和条件(ピークの位置、幅、高さ、対照性が最もよくなる条件)で帯電補正を行った。
定性分析における条件は次の通りである。即ち、分析エネルギー範囲:0〜1154eV、パスエネルギー:80eV(低分解能)、エネルギーステップ:1eV、分析面積:約0.7×0.3mmである。かかる測定条件で分析後、得られたスペクトルから元素同定を行った。
また、状態分析における条件は次の通りである。即ち、単色X線源への切り替え(加速電圧15kV、電流5mA)、分析エネルギー範囲C1s:280〜300eV、N1s:390〜410eV、O1s:523〜543eV、パスエネルギー:40eV(中分解能)、エネルギーステップ:0.05eV、積算回数:50回、分析面積:約0.7×0.3mmである。かかる測定条件で分析後、得られたスペクトルから結合状態の同定を行った。
以上のようにして得られたX線光電子分光(XPS)の結果を図5に示す。N1s、C1sいずれも、sp型混成結合が主であることが明らかになった。そして、得られた窒化炭素を化学式CNにて示した際のxは約1であった(x=約1.0>0.9>0.8。そしてxは1.33以下である。)。
The obtained carbon nitride was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
As X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), model number AXIS-HS (excitation X-ray: MgKα ray (acceleration voltage 15 kV, current 10 mA)) manufactured by Shimadzu / KRATPS was used.
A portion of the upper surface 61a of the substrate 61 on which carbon nitride was deposited was cut into 5 × 5 mm, and the cut sample was held on a sample table with a conductive tape (carbon tape). A sample (sample stage) was introduced into the analyzer.
The operation of the X-ray source (MgKα) was started (acceleration voltage 15 kV, current 10 mA), and test analysis was performed to check whether the sample was charged. When the sample was charged, electrons were supplied to the sample with a neutralizing gun, and charge correction was performed under appropriate neutralization conditions (conditions that provide the best peak position, width, height, and contrast).
The conditions in the qualitative analysis are as follows. That is, the analysis energy range is 0 to 1154 eV, the pass energy is 80 eV (low resolution), the energy step is 1 eV, and the analysis area is about 0.7 × 0.3 mm. After analysis under such measurement conditions, element identification was performed from the obtained spectrum.
The conditions in the state analysis are as follows. That is, switching to a monochromatic X-ray source (acceleration voltage 15 kV, current 5 mA), analysis energy range C1s: 280-300 eV, N1s: 390-410 eV, O1s: 523-543 eV, pass energy: 40 eV (medium resolution), energy step : 0.05 eV, integration number: 50 times, analysis area: about 0.7 × 0.3 mm. After analysis under such measurement conditions, the binding state was identified from the obtained spectrum.
The results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) obtained as described above are shown in FIG. It became clear that both N1s and C1s are mainly sp 3 type hybrid bonds. When the obtained carbon nitride was represented by the chemical formula CN x , x was about 1 (x = about 1.0>0.9> 0.8, and x was 1.33 or less. ).

以上のように、本実施例にて示した窒化炭素CNの製造方法は、窒素ガス(第5手順にて、窒素ガス導入部40により反応器21の内部空間21cに導入される。)に所定のマイクロ波(第2手順及び第4手順により、マイクロ波照射部50により放射される。)を放射して発生させた窒素プラズマ(反応器21の内部空間21cに発生させた窒素プラズマ)に、炭素を含有する炭素含有材たる電極23を接触させることを特徴とする。
そして、ここでは前記窒素プラズマを発生させる前に、アルゴンガス(第1手順により、アルゴンガス導入部30により反応器21の内部空間21cに導入される。)に所定のマイクロ波(第2手順により、マイクロ波照射部50により放射される。)を放射してアルゴンプラズマ(反応器21の内部空間21cに発生させたアルゴンプラズマ)を発生させ、該アルゴンガスを前記窒素ガスに置換すること(第5手順)で前記窒素プラズマを発生させるものである。
さらに、前記アルゴンプラズマの発生を助ける火花放電を、第3手順により、前記アルゴンプラズマの発生時に前記アルゴンガス内で生じさせるものである。
As described above, the method for producing carbon nitride CN x shown in the present embodiment is introduced into nitrogen gas (introduced into the internal space 21c of the reactor 21 by the nitrogen gas introduction unit 40 in the fifth procedure). Nitrogen plasma (nitrogen plasma generated in the internal space 21c of the reactor 21) generated by radiating a predetermined microwave (radiated by the microwave irradiation unit 50 by the second procedure and the fourth procedure). The electrode 23 which is a carbon-containing material containing carbon is brought into contact.
Here, before the nitrogen plasma is generated, argon gas (introduced into the internal space 21c of the reactor 21 by the argon gas introduction unit 30 by the first procedure) is introduced into a predetermined microwave (by the second procedure). Are emitted by the microwave irradiation unit 50) to generate argon plasma (argon plasma generated in the internal space 21c of the reactor 21), and the argon gas is replaced with the nitrogen gas (first). The nitrogen plasma is generated in 5 steps).
Furthermore, a spark discharge that assists the generation of the argon plasma is generated in the argon gas when the argon plasma is generated by the third procedure.

加えて、第6手順において、前記窒素プラズマ中にて前記炭素含有材たる電極23の表面から火花放電を生じさせるものである。
また、前記炭素含有材たる電極23は、グラファイト製の棒状部材(前述の通り、電極23が形成する直円柱形状の該直円柱の軸である線分に沿ってのびる部分を有する部材である。なお、ここでは線分に沿ってのびる部分のみからなる部材である。)によって形成されている。そして、前記炭素含有材たる電極23を形成する棒状部材が有する線分に沿ってのびる部分の該線分(電極23が形成する直円柱形状の該直円柱の軸)と、窒素プラズマを形成するために窒素ガスに放射される所定のマイクロ波の放射方向(図2及び図3中、矢印Kにより示した。)と、がなす角(該放射方向に平行な直線(矢印Kに平行な直線)を該線分(電極23が形成する直円柱形状の該直円柱の軸)に交わるように平行移動させ、該平行移動された直線と該線分とがなす2の角のうち小さい方の角をいう。)は、ほぼ90度である。
そして、ここでは窒素ガス導入部40により反応器21の内部空間21cに連続的に導入される流動する窒素ガスを前記窒素プラズマに変換してゆくものであり、窒素ガスの体積速度が、0.1〜3.0リットル/(分・mm)である(具体的には、2.4リットル(標準状態。即ち、0℃、1気圧換算)/(分・mm))。
In addition, in the sixth procedure, spark discharge is generated from the surface of the electrode 23 as the carbon-containing material in the nitrogen plasma.
The electrode 23 as the carbon-containing material is a graphite rod-shaped member (as described above, a member having a portion extending along a line segment that is an axis of the right circular cylinder formed by the electrode 23. Here, it is a member composed of only a portion extending along the line segment). Then, a nitrogen plasma is formed with the line segment (the axis of the right circular cylinder formed by the electrode 23) of the portion extending along the line segment of the rod-shaped member forming the electrode 23 which is the carbon-containing material. Therefore, an angle formed by a predetermined microwave radiation direction (indicated by an arrow K in FIGS. 2 and 3) radiated to the nitrogen gas (a straight line parallel to the radiation direction (a straight line parallel to the arrow K)). ) In parallel with the line segment (the axis of the right circular cylinder formed by the electrode 23), and the smaller one of the two angles formed by the parallel line and the line segment. The angle is about 90 degrees.
Here, the flowing nitrogen gas continuously introduced into the internal space 21c of the reactor 21 by the nitrogen gas introduction unit 40 is converted into the nitrogen plasma, and the volume velocity of the nitrogen gas is set to 0. 0. 1 to 3.0 liters / (min · mm 2 ) (specifically, 2.4 liters (standard state, ie, 0 ° C., converted to 1 atm) / (min · mm 2 )).

また、収集部材たる基板61が、生成した窒化炭素を上面61aに付着させて収集するために、炭素含有材たる電極23よりも前記流動する窒素ガスの下流側に配置されている。(窒素ガスは、反応器21の内部空間21cを上方から下方に向けて流通するものであり、炭素含有材たる電極23よりも下流側たる下方に収集部材たる基板61が配設されている。)。
そして、収集部材たる基板61が、生成した窒化炭素を上面61aに付着させて収集するために、前記炭素含有材たる電極23の下方に配置されている。
In addition, a substrate 61 as a collecting member is disposed on the downstream side of the flowing nitrogen gas with respect to the electrode 23 as a carbon-containing material in order to collect and collect the generated carbon nitride on the upper surface 61a. (Nitrogen gas circulates in the internal space 21c of the reactor 21 from the upper side to the lower side, and a substrate 61, which is a collecting member, is disposed below the electrode 23, which is a carbon-containing material. ).
A substrate 61 serving as a collecting member is disposed below the electrode 23 serving as a carbon-containing material in order to collect the generated carbon nitride by attaching it to the upper surface 61a.

窒素プラズマを形成するために窒素ガスに放射される前記所定のマイクロ波は、0.8〜100GHz(具体的には2.45GHz)の周波数である。
また、本実施例の製造方法にて得られた窒化炭素CNは、粉体を構成する1の粉の全体が窒化炭素及び不可避的な不純物により形成され、平均粒径が1ナノメートル乃至1マイクロメートル(具体的には、ほぼ80ナノメートル)である。
The predetermined microwave radiated to nitrogen gas to form nitrogen plasma has a frequency of 0.8 to 100 GHz (specifically, 2.45 GHz).
In addition, the carbon nitride CN x obtained by the manufacturing method of this example is formed of carbon nitride and unavoidable impurities as a whole of one powder constituting the powder, and has an average particle size of 1 nanometer to 1 Micrometer (specifically, approximately 80 nanometers).

本発明の窒化炭素の製造方法(本方法)を実施するための製造装置(本装置)を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing apparatus (this apparatus) for enforcing the manufacturing method (this method) of the carbon nitride of this invention. 導波管と反応器との状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of a waveguide and a reactor. 図2のJ−J断面図である。It is JJ sectional drawing of FIG. 本方法により得られた窒化炭素粉の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the carbon nitride powder obtained by this method. 本方法により得られた窒化炭素のX線光電子分光(XPS)分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of the carbon nitride obtained by this method.

符号の説明Explanation of symbols

11 本装置
21 反応器
21a 上端
21b 下端
21c 内部空間
21n1 第1ノズル
21n2 第2ノズル
22 導管
23 電極
25 イグナイター
25a 放電電極
30 アルゴンガス導入部
31 アルゴンガスボンベ
33 アルゴンガス弁
35 アルゴンガス流量計
40 窒素ガス導入部
41 窒素ガスボンベ
43 窒素ガス弁
45 窒素ガス流量計
50 マイクロ波照射部
51 マイクロ波電源
53 アイソレータ
55 パワーモニタ
57 整合器
59 導波管
59a 外壁
59b 内部空間
59c 嵌入穴
61 基板
61a 上面61a
71 外部
81 窒素プラズマ
11 Apparatus 21 Reactor 21a Upper end 21b Lower end 21c Internal space 21n1 First nozzle 21n2 Second nozzle 22 Conduit 23 Electrode 25 Igniter 25a Discharge electrode 30 Argon gas introduction part 31 Argon gas cylinder 33 Argon gas valve 35 Argon gas flow meter 40 Nitrogen gas Introduction part 41 Nitrogen gas cylinder 43 Nitrogen gas valve 45 Nitrogen gas flow meter 50 Microwave irradiation part 51 Microwave power supply 53 Isolator 55 Power monitor 57 Matching device 59 Waveguide 59a Outer wall 59b Internal space 59c Insertion hole 61 Substrate 61a Upper surface 61a
71 External 81 Nitrogen plasma

Claims (7)

窒素ガスにマイクロ波を放射して大気圧にて発生させた窒素プラズマに、炭素を含有する炭素含有材を接触させることを特徴とする、粉状の窒化炭素の製造方法。     A method for producing powdery carbon nitride, comprising bringing a carbon-containing material containing carbon into contact with nitrogen plasma generated at atmospheric pressure by radiating a microwave to nitrogen gas. 前記マイクロ波が、0.8〜100GHzの周波数である、請求項1に記載の製造方法。     The manufacturing method according to claim 1, wherein the microwave has a frequency of 0.8 to 100 GHz. 前記窒素プラズマ中にて前記炭素含有材の表面から火花放電を生じさせるものである、請求項1又は2に記載の製造方法。     The manufacturing method of Claim 1 or 2 which produces a spark discharge from the surface of the said carbon containing material in the said nitrogen plasma. 流動する窒素ガスを前記窒素プラズマに変換してゆくものであり、
窒素ガスの体積速度が、0.1〜3.0リットル/(分・mm)である、請求項1〜3のいずれか1に記載の製造方法。
The flowing nitrogen gas is converted into the nitrogen plasma,
The manufacturing method of any one of Claims 1-3 whose volume velocity of nitrogen gas is 0.1-3.0 liter / (min * mm < 2 >).
生成した窒化炭素を表面に付着させて収集する収集部材を前記流動する窒素ガスの下流側に配置するものである、請求項4に記載の製造方法。     The manufacturing method according to claim 4, wherein a collecting member that collects the produced carbon nitride by adhering to the surface is disposed downstream of the flowing nitrogen gas. 生成した窒化炭素を表面に付着させて収集する収集部材を前記炭素含有材の下方に配置するものである、請求項1乃至5のいずれか1に記載の製造方法。     The manufacturing method according to claim 1, wherein a collecting member that collects the produced carbon nitride by attaching to the surface is disposed below the carbon-containing material. 請求項1乃至6のいずれか1に記載の製造方法により製造される、粉状の窒化炭素。     Powdered carbon nitride produced by the production method according to claim 1.
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