JP4674279B2 - Method for producing columnar nanocrystal - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンからなるナノサイズの柱状結晶体の製造方法に関する。 The present invention relates to the production how the columnar crystals of silicon down or Ranaru nanosized.
近年、電子材料や触媒材料等の幅広い分野に応用可能なナノサイズの材料としてカーボンナノチューブが注目されており、例えば特開2001−89117号公報にはレーザーアブレーション法を利用してカーボンナノチューブを製造する方法が開示されている。しかしながら、同公報に記載のような従来のレーザーアブレーション法を利用したカーボンナノチューブの製造方法においてはその工程において雰囲気を数百℃の高温に加熱する必要があり、より効率の良い製造方法の開発が望まれていた。 In recent years, carbon nanotubes have been attracting attention as nano-sized materials that can be applied to a wide range of fields such as electronic materials and catalyst materials. A method is disclosed. However, in the manufacturing method of carbon nanotubes using the conventional laser ablation method as described in the same publication, it is necessary to heat the atmosphere to a high temperature of several hundred degrees Celsius in the process, and development of a more efficient manufacturing method has been developed. It was desired.
一方、カーボンナノチューブと同様に電子材料や触媒材料等への応用が可能なナノサイズの材料としてシリコンが考えられており、例えば特開平10−214995号公報にはレーザーアブレーション法を利用してシリコンからなる光電子材料を製造する方法が開示されている。しかしながら、同公報に記載のような従来のレーザーアブレーション法を利用した方法で製造可能なシリコン材料はいずれも球状の微結晶体であり、その他如何なる方法によっても従来はシリコンの柱状結晶体を得ることはできなかった。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、シリコンからなるナノサイズの柱状結晶体を効率良くかつ確実に製造することが可能な方法を提供することを目的とする。 The present invention, the has been made in view of the problems of the prior art, aims to provide a way capable of producing a columnar crystal of silicon down or Ranaru nanosized efficiently and reliably And
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、従来のレーザーアブレーション法で用いられていたレーザー光より遥かに照射強度の高いパルスレーザー光を用いると、驚くべきことにアブレートされた飛散粒子が結合する際に柱状に結晶成長し、シリコンからなるナノサイズの柱状結晶が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors surprisingly ablated when using pulsed laser light having a much higher irradiation intensity than the laser light used in the conventional laser ablation method. crystals grown in a columnar when scattered particles are attached, found that columnar crystals of silicon down or Ranaru nanosized obtained, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の柱状ナノ結晶体の製造方法は、シリコン元素を含有する材料からなるターゲットに照射強度が1015W/cm2〜1021W/cm2であるパルスレーザー光を照射して前記元素の飛散粒子を発生させ、前記元素の飛散粒子が結合してなる前記元素の柱状ナノ結晶体を形成せしめることを特徴とする方法である。 That is, in the method for producing a columnar nanocrystal of the present invention, the target made of a material containing a silicon element is irradiated with a pulse laser beam having an irradiation intensity of 10 15 W / cm 2 to 10 21 W / cm 2. It is a method characterized by generating scattered particles of elements and forming columnar nanocrystals of the elements formed by combining the scattered particles of the elements.
このような本発明の柱状ナノ結晶体の製造方法において用いる前記パルスレーザー光は、パルス幅が1ピコ秒以下であり、波長が200nm〜1μmであり、フルエンスが102J/cm2〜1011J/cm2であることが好ましい。 The pulse laser beam used in the method for producing the columnar nanocrystal of the present invention has a pulse width of 1 picosecond or less, a wavelength of 200 nm to 1 μm, and a fluence of 10 2 J / cm 2 to 10 11. J / cm 2 is preferred.
なお、上記本発明によってシリコンの柱状ナノ結晶体が形成されるようになる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、シリコン元素を含有する材料からなるターゲットに照射強度が1015W/cm2〜1021W/cm2であるパルスレーザー光が照射されると、ターゲットを構成する材料がプラズマ化してシリコン元素の中性原子及びイオンとなる。この時のプラズマ温度は従来のレーザーアブレーションの際に発生するプラズマの温度より10倍から1000倍以上高い100万℃を超える。このプラズマが膨張して冷却する過程で中性原子及びイオンのうちのいくつかが結合して形成されたクラスタが高いエネルギーをもって音速の数倍以上の高速で飛散する。本発明においてはパルスレーザー光の照射強度が1015W/cm2〜1021W/cm2と極めて高いため106V/m〜1010V/m程度の高い電場が形成される。この電圧がイオン化した前記飛散粒子に負荷されることにより結晶成長の方向性が揃えられる。そのため、上記飛散粒子が結合する際に柱状結晶を形成するように結晶成長し、前記元素のナノサイズの柱状結晶体が形成されるものと本発明者らは推察する。 The reason why the columnar nanocrystals of silicon are formed by the present invention is not necessarily clear, but the present inventors infer as follows. That is, when a target made of a material containing silicon element is irradiated with pulsed laser light having an irradiation intensity of 10 15 W / cm 2 to 10 21 W / cm 2 , the material constituting the target is turned into plasma, and silicon element Become neutral atoms and ions. The plasma temperature at this time exceeds 1 million ° C., which is 10 to 1000 times higher than the temperature of the plasma generated during conventional laser ablation. In the process of expansion and cooling of the plasma, clusters formed by combining some of neutral atoms and ions are scattered at a high speed of several times the sound speed with high energy . In the present invention, since the irradiation intensity of the pulse laser beam is as high as 10 15 W / cm 2 to 10 21 W / cm 2 , a high electric field of about 10 6 V / m to 10 10 V / m is formed. By applying this voltage to the ionized scattered particles, the direction of crystal growth is aligned. Therefore, the present inventors infer that the crystal grows so as to form columnar crystals when the scattered particles are combined, and nano-sized columnar crystals of the element are formed.
前記本発明の柱状ナノ結晶体の製造方法においては、容器内での10−3Torr以下の真空状態(特に好ましくは10−4Torr以下の真空状態)下において前記ターゲットに前記パルスレーザー光を照射することが好ましい。このように内部が10−3Torr以下の真空状態(特に好ましくは10−4Torr以下の真空状態)となっている容器を用いると、放電によるエネルギーの吸収が十分に抑制され、柱状ナノ結晶体がより効率良く得られるようになる傾向にある。 In the method for producing a columnar nanocrystal of the present invention, the target is irradiated with the pulsed laser light in a vacuum state of 10 −3 Torr or less (particularly preferably, a vacuum state of 10 −4 Torr or less) in a container. It is preferable to do. As described above, when a container having a vacuum state of 10 −3 Torr or less (particularly preferably, a vacuum state of 10 −4 Torr or less) is used, the absorption of energy due to discharge is sufficiently suppressed, and the columnar nanocrystal Tends to be obtained more efficiently.
本発明によれば、製造装置内の雰囲気を特に加熱等することなく、シリコンからなるナノサイズの柱状結晶体を効率良くかつ確実に製造することが可能となる。 According to the present invention, without particular heating or the like the atmosphere in the manufacturing apparatus, it is possible to produce a columnar crystal of nano-sized made of silicon efficiently and reliably.
以下、本発明の柱状ナノ結晶体の製造方法について、その好適な実施形態に即して詳細に説明する。 Hereinafter, about the production how the columnar nano-crystals of this invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.
図1は、本発明に好適な柱状ナノ結晶体の製造装置の好適な一実施形態の基本構成を示す模式図であり、図1に示す柱状ナノ結晶体の製造装置はいわゆるレーザーアブレーション装置1として構成されている。すなわち、図1に示すレーザーアブレーション装置1はレーザー光源2を備えており、処理容器3の内部にレーザー光源2と、レーザー光源2から発せられたレーザー光Lが照射されるターゲット4と、得られた柱状ナノ結晶体5を捕集するための基板6とが配置されている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a preferred embodiment of a columnar nanocrystal production apparatus suitable for the present invention. The columnar nanocrystal production apparatus shown in FIG. 1 is a so-called laser ablation apparatus 1. It is configured. That is, the laser ablation apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a laser light source 2, and a laser light source 2 and a target 4 to which a laser beam L emitted from the laser light source 2 is irradiated are obtained. A substrate 6 for collecting the columnar nanocrystals 5 is disposed.
レーザー光源2は、集光レンズ7等の光学系によって集光してターゲット4に対して照射強度が1015W/cm2〜1021W/cm2(より好ましくは1015W/cm2〜1018W/cm2)であるパルスレーザー光Lを照射することができるレーザー光発生装置であればよく、特に制限されないが、フェムト秒レーザー発振装置によって構成されることが好ましい。また、パルスレーザー光Lがターゲット4に照射された際にターゲット4の表面から飛散粒子(ターゲットを構成する材料の中性原子、イオン、クラスタ等)aが効率的に発生するように、パルスレーザー光Lの光路の途中に鏡8等の光学系を適宜配置してパルスレーザー光Lの照射角度が調整されている。 The laser light source 2 is condensed by an optical system such as a condenser lens 7 and the irradiation intensity with respect to the target 4 is 10 15 W / cm 2 to 10 21 W / cm 2 (more preferably, 10 15 W / cm 2 to Any laser beam generator that can irradiate the pulsed laser beam L of 10 18 W / cm 2 ) may be used, and the laser beam generator is not particularly limited, but is preferably configured by a femtosecond laser oscillator. Further, when the target 4 is irradiated with the pulse laser beam L, the pulse laser is used so that scattered particles (neutral atoms, ions, clusters, etc. of the material constituting the target) a are efficiently generated from the surface of the target 4. The irradiation angle of the pulse laser beam L is adjusted by appropriately arranging an optical system such as a mirror 8 in the middle of the optical path of the light L.
処理容器3は、上記の構成要素を内部に収容するための容器(例えばステンレス鋼製の容器)であり、処理容器3には真空ポンプ(例えば、ロータリーポンプやターボモレキュラーポンプ)9が配管10を介して接続されており、処理容器3の内部を所定圧力の真空状態に維持することが可能となっている。このように内部が真空状態となる処理容器3を用いると、放電によるエネルギーの吸収が十分に抑制され、柱状ナノ結晶体5がより効率良く得られるようになる。なお、容器3の内部を真空状態に維持する際の圧力としては、10−3Torr以下の真空状態となる圧力が好ましく、10−4Torr以下の真空状態となる圧力が特に好ましい。 The processing container 3 is a container (for example, a stainless steel container) for housing the above-described components therein, and a vacuum pump (for example, a rotary pump or a turbomolecular pump) 9 is connected to the piping 10 in the processing container 3. And the inside of the processing vessel 3 can be maintained in a vacuum state at a predetermined pressure. Thus, when the processing container 3 in which the inside is in a vacuum state is used, energy absorption due to discharge is sufficiently suppressed, and the columnar nanocrystal body 5 can be obtained more efficiently. In addition, as a pressure at the time of maintaining the inside of the container 3 in a vacuum state, the pressure which becomes a vacuum state below 10 < -3 > Torr is preferable, and the pressure which becomes a vacuum state below 10 < -4 > Torr is especially preferable.
ターゲット4は、前述のパルスレーザー光Lの照射によりシリコン元素の飛散粒子(中性原子、イオン、クラスタ等)aを発生する材料(ターゲット材料)からなるものであり、シリコン元素を含有する材料からなるものである。ターゲット4を構成する材料は、光電子材料等への応用が期待でき、環境負荷を与えない等の観点からシリコン(ケイ素)元素を含有するものである。さらに、ターゲット4を構成する材料はシリコンのみからなるものであることが好ましいが、柱状ナノ結晶体の形成に影響を及ぼさない他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としてはリン、アンチモン等が挙げられ、このような他の成分を含む場合はその含有量は5重量%以下であることが好ましい。なお、ターゲット4の形状等は特に制限されず、板状、ロッド状等に成形された前記ターゲット材料からなるバルク材や、前記ターゲット材料をテープ上に塗布、蒸着、貼着等によって形成したテープ状ターゲット等を用いることができる。 The target 4 is made of a material (target material) that generates silicon element scattering particles (neutral atoms, ions, clusters, etc.) a by irradiation with the pulse laser beam L described above, and is made of a material containing a silicon element. It will be . The material constituting the data Getto 4 can expect applications to optoelectronic materials and the like, those containing silicon (silicon) element from the viewpoint of not giving environmental impact. Et al is, it is preferable the material for the target 4 is made of only the silicon, may contain other ingredients which do not affect the formation of the columnar nanocrystals. Examples of such other components include phosphorus and antimony. When such other components are included, the content is preferably 5% by weight or less. The shape of the target 4 is not particularly limited, and a bulk material made of the target material formed into a plate shape, a rod shape, or the like, or a tape formed by applying, evaporating, or sticking the target material on a tape. A shaped target or the like can be used.
基板6は、その表面及び/又は内部に得られた柱状ナノ結晶体5を捕集することができるものであればよく、特に制限されないが、例えばカーボンメッシュ、カーボンフィルム、シリコン基板、樹脂基板、無機結晶、金属板等が好適に用いられる。また、このような基板6の形状や大きさや厚さも特に制限されず、捕集しようとする柱状ナノ結晶体5等に応じてフィルム状、板状等のものが適宜選択される。 The substrate 6 is not particularly limited as long as it can collect the columnar nanocrystals 5 obtained on the surface and / or inside thereof. For example, a carbon mesh, a carbon film, a silicon substrate, a resin substrate, Inorganic crystals, metal plates and the like are preferably used. Further, the shape, size, and thickness of the substrate 6 are not particularly limited, and a film shape, a plate shape, or the like is appropriately selected according to the columnar nanocrystal 5 to be collected.
上述の基板6とターゲット4との位置的関係は特に限定されず、基板6の表面にターゲット4の表面から発生した飛散粒子a並びに柱状ナノ結晶体5が効率良く捕集されるようにターゲット4に対して基板6が適宜配置され、図1においてはレーザー光Lの照射方向に対する基板6の法線方向の角度Θが45°となる位置に基板6が配置されている。また、ターゲット4にはターゲット駆動装置(例えばターゲット回転台)11が接続され、レーザー光Lの照射位置にターゲットの新鮮な面(レーザー光未照射面)が順次繰り出されるようになっている。 The positional relationship between the substrate 6 and the target 4 is not particularly limited, and the target 4 is efficiently collected on the surface of the substrate 6 so that the scattered particles a and the columnar nanocrystals 5 generated from the surface of the target 4 are collected. In FIG. 1, the substrate 6 is disposed at a position where the angle Θ in the normal direction of the substrate 6 with respect to the irradiation direction of the laser light L is 45 °. In addition, a target driving device (for example, a target turntable) 11 is connected to the target 4, and a fresh surface of the target (laser light non-irradiated surface) is sequentially fed out to the irradiation position of the laser light L.
以上、本発明に好適な柱状ナノ結晶体の製造装置の一実施形態について説明したが、本発明に好適な装置は上記実施形態に限定されるものではない。すなわち、例えば、上記実施形態では製造装置の全ての構成要素が処理容器3の内部に配置されているが、処理容器3の外部に配置したレーザー光源2から窓(例えば石英製の窓)を介してレーザー光Lが容器3内に導入されるようにしてもよい。 As mentioned above, although one Embodiment of the manufacturing apparatus of the columnar nanocrystal suitable for this invention was described, the apparatus suitable for this invention is not limited to the said embodiment. That is, for example, in the above-described embodiment, all the components of the manufacturing apparatus are arranged inside the processing container 3, but from the laser light source 2 arranged outside the processing container 3 through a window (for example, a quartz window). Then, the laser beam L may be introduced into the container 3.
更に、上記実施形態では前記角度Θが45°となる位置に基板6が配置されているが、このような位置関係に特に限定されるものではなく、角度Θが10°〜60°程度の範囲となる位置に基板6が配置されていてもよい。また、例えば基板6としてレーザー光Lを透過可能なものを用い、基板6を集光レンズ7とターゲット4との間にターゲット4に対して対向配置せしめ、基板6を透過したレーザー光Lがターゲット4に照射されるようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, the substrate 6 is disposed at a position where the angle Θ is 45 °, but the positional relationship is not particularly limited, and the angle Θ is in the range of about 10 ° to 60 °. The board | substrate 6 may be arrange | positioned in the position used as. Further, for example, a substrate 6 that can transmit the laser light L is used, the substrate 6 is disposed opposite to the target 4 between the condenser lens 7 and the target 4, and the laser light L transmitted through the substrate 6 is the target. 4 may be irradiated.
次に、本発明の柱状ナノ結晶体の製造方法の好適な一実施形態について、図1を参照しつつ説明する。 Then, with the one preferred form status of the manufacturing method of the columnar nano-crystals of this invention will be described with reference to FIG.
本発明の柱状ナノ結晶体の製造方法においては、前述のターゲット4に照射強度が1015W/cm2〜1021W/cm2(特に好ましくは1015W/cm2〜1018W/cm2)であるパルスレーザー光Lがレーザー光源2から照射される。すると、ターゲット4の表面に非常に高温のプラズマPが形成され、プラズマP中のシリコンの中性原子、イオン、並びに前記の中性原子及びイオンのうちのいくつかが膨張・冷却時に結合して形成されたクラスタが高いエネルギーをもって非常に高速で飛散する。なお、ターゲット4に照射されるパルスレーザー光Lの照射強度が1015W/cm2未満では、飛散粒子aが結合する際に球状の微結晶若しくはアモルファスとなってしまい、ナノサイズの柱状結晶体が得られない。他方、照射強度が1021W/cm2を超えると、プラズマが強電磁場により発散し、結晶を構成すべき原子、イオンも分散して結晶を形成できなくなる。 In the method for producing a columnar nanocrystal of the present invention, the irradiation intensity of the target 4 is 10 15 W / cm 2 to 10 21 W / cm 2 (particularly preferably 10 15 W / cm 2 to 10 18 W / cm. 2 ) is irradiated from the laser light source 2. Then, a very high temperature plasma P is formed on the surface of the target 4, and the silicon neutral atoms and ions in the plasma P and some of the neutral atoms and ions are combined during expansion and cooling. The formed clusters scatter very quickly with high energy. If the irradiation intensity of the pulsed laser light L applied to the target 4 is less than 10 15 W / cm 2 , the scattered particles a become spherical microcrystals or amorphous when combined, and a nano-sized columnar crystal body. Cannot be obtained. On the other hand, when the irradiation intensity exceeds 10 21 W / cm 2 , the plasma diverges due to the strong electromagnetic field, and the atoms and ions that constitute the crystal are also dispersed so that the crystal cannot be formed.
また、上記本発明にかかるパルスレーザー光Lは、パルス幅が1ピコ秒以下(より好ましくは10フェムト秒〜500フェムト秒)であり、波長が200nm〜1μm(より好ましくは400nm〜800nm)であり、フルエンスが102J/cm2〜1011J/cm2(より好ましくは102J/cm2〜105J/cm2)であることが好ましい。前記パルス幅が1ピコ秒を超えるとプラズマの形成、加熱プロセスが遅延し、強電磁場が影響を受けにくくなってしまう傾向にある。また、前記波長が1μmを超えるとターゲットがレーザー光を吸収する効率が低くなり、プラズマの形成、加熱プロセスが遅延する傾向にあり、他方、200nm未満ではターゲットの最長面だけで吸収が起こり、結晶を形成するのに十分な密度のプラズマ量が得られない傾向にある。さらに、前記フルエンスが102J/cm2未満では結晶を構成する原子の源となるプラズマが不足する傾向にあり、他方、1011J/cm2を超えるとプラズマサイズが強電磁場の付与される領域よりも大きくなり過ぎ、異方性を有する結晶ができなくなる傾向にある。 The pulse laser beam L according to the present invention has a pulse width of 1 picosecond or less (more preferably 10 femtoseconds to 500 femtoseconds) and a wavelength of 200 nm to 1 μm (more preferably 400 nm to 800 nm). The fluence is preferably 10 2 J / cm 2 to 10 11 J / cm 2 (more preferably 10 2 J / cm 2 to 10 5 J / cm 2 ). When the pulse width exceeds 1 picosecond, the plasma formation and heating processes are delayed, and the strong electromagnetic field tends to be less affected. In addition, when the wavelength exceeds 1 μm, the efficiency of the target to absorb laser light decreases, and plasma formation and the heating process tend to be delayed. On the other hand, when the wavelength is less than 200 nm, absorption occurs only on the longest surface of the target. There is a tendency that an amount of plasma having a sufficient density to form the film cannot be obtained. Further, if the fluence is less than 10 2 J / cm 2 , the plasma that becomes the source of atoms constituting the crystal tends to be insufficient, whereas if it exceeds 10 11 J / cm 2 , the plasma size is imparted with a strong electromagnetic field. There is a tendency that crystals having anisotropy cannot be formed because the crystal becomes too larger than the region.
そして、このようにパルスレーザー光Lの照射によりターゲット4の表面から発生した微細な飛散粒子(アブレータ)aは、高速で飛散している過程で他の飛散粒子aとの衝突を繰り返して柱状に結晶成長して柱状ナノ結晶体5が形成され、基板6の表面及び/又は内部に捕集される。また、基板6の表面及び/又は内部には飛散粒子aも捕集され、そこに堆積する際にも他の飛散粒子a又は柱状ナノ結晶体5と結合して柱状に結晶成長して柱状ナノ結晶体5が形成される。 The fine scattered particles (ablator) a generated from the surface of the target 4 by the irradiation of the pulse laser beam L in this way are repeatedly collided with other scattered particles a in the process of being scattered at high speed to form a columnar shape. Crystal growth causes columnar nanocrystals 5 to be formed and collected on the surface and / or inside of the substrate 6. Further, scattered particles a are also collected on the surface and / or inside of the substrate 6, and when they are deposited there, they are combined with other scattered particles a or columnar nanocrystals 5 to grow into columnar crystals. Crystal 5 is formed.
なお、上述の本発明の柱状ナノ結晶体の製造方法においては、処理容器3内の雰囲気を特に高温に加熱する必要はなく、処理容器3内の温度は一般的には0〜30℃程度であればよい。 In addition, in the manufacturing method of the columnar nanocrystal of the present invention described above, it is not necessary to heat the atmosphere in the processing container 3 to a particularly high temperature, and the temperature in the processing container 3 is generally about 0 to 30 ° C. I just need it.
このようにして得られる柱状ナノ結晶体は、用いたターゲット材料に応じてシリコンからなるナノサイズの柱状結晶体であり、前記本発明の製造方法によれば平均直径が1〜20nm(より好ましくは5〜15nm)でかつ平均アスペクト比が10以上というナノサイズの針状の結晶体を得ることも可能である。このような柱状ナノ結晶体は、ナノサイズで異方性を有しているため、電磁気特性、光特性等において従来の材料にない特性を有するものであり、電子材料、発光素子、光電素子、燃料電池の電極等の幅広い用途に対して非常に有望な材料である。 The columnar nanocrystal obtained in this way is a nano-sized columnar crystal made of silicon according to the target material used. According to the production method of the present invention, the average diameter is 1 to 20 nm (more preferably It is also possible to obtain nano-sized needle-like crystals having an average aspect ratio of 10 or more. Since such a columnar nanocrystal has nano-size anisotropy, it has characteristics that are not found in conventional materials in terms of electromagnetic characteristics, optical characteristics, etc., and includes electronic materials, light-emitting elements, photoelectric elements, It is a very promising material for a wide range of applications such as fuel cell electrodes.
また、特にターゲット材料としてシリコンを用いて得たシリコンからなるナノサイズの柱状結晶体であって、平均直径が1〜20nm(より好ましくは5〜15nm)であり、かつ、平均アスペクト比が10以上であるものが本発明のシリコン柱状ナノ結晶体の製造方法によって得られる。このようなシリコン柱状ナノ結晶体は、以下に説明する発光素子や、光電素子、燃料電池の電極等の幅広い用途に対して非常に有望な材料である。すなわち、一般に金属表面に強い電界がかかると、金属内の自由電子が量子力学的トンネル効果で真空中に放出されることが知られており(電界電子放出)、電子顕微鏡等の分野に応用されている。そして、このような電界電子放出を生じさせるためには、1cm当たり数10MV(メガボルト)の高電界が必要であるが、このような高電界を発生させるためには非常に細い先端を持つ金属針が要求される。上記シリコン柱状ナノ結晶体は、その先端が1〜20nm(より好ましくは5〜15nm)と非常に小さいものであるため、上記の電界電子放出を生じさせるための針として非常に適しており、例えばこれを電極に使った発光素子では電子放出効率が向上して少しの電流量で強い発光を得ることが可能となる。 In particular, it is a nano-sized columnar crystal made of silicon obtained using silicon as a target material, having an average diameter of 1 to 20 nm (more preferably 5 to 15 nm), and an average aspect ratio of 10 or more. Is obtained by the method for producing a silicon columnar nanocrystal of the present invention. Such divorced columnar nanocrystals may or light emitting device to be described below, it is a very promising material for a wide range of applications photoelectric elements, fuel cells such as electrodes. In other words, it is generally known that when a strong electric field is applied to the metal surface, free electrons in the metal are emitted into the vacuum due to the quantum mechanical tunneling effect (field electron emission). ing. In order to generate such field electron emission, a high electric field of several tens of MV (megavolt) per 1 cm is necessary. To generate such a high electric field, a metal needle having a very thin tip is used. Is required. Upper carboxymethyl silicon columnar nanocrystals, because the tip is very small and 1 to 20 nm (more preferably 5 to 15 nm), are very suitable as a needle for generating an electric field electron emission of the For example, in a light emitting device using this as an electrode, the electron emission efficiency is improved, and strong light emission can be obtained with a small amount of current.
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
レーザー光源2としてフェムト秒レーザー発振装置(ピーク出力550TW、最短パルス幅33フェムト秒、日本原子力研究所関西研究所光量子科学研究センター所有)、処理容器3として真空容器(ステンレス鋼製、容量約100リットル)、ターゲット4としてシリコン板(直径3mm、厚さ0.1mm)、基板6としてカーボンフィルム(直径3mm、厚さ0.001mm)を用いて図1に示す柱状ナノ結晶体の製造装置を作製した。なお、基板6は角度Θが30°となる位置に配置し、基板6とターゲット4との間の距離(ターゲット4のレーザー光照射位置と基板6の中心との間の距離)は300mmとした。
Example 1
Femtosecond laser oscillator as laser light source 2 (peak output 550 TW, shortest pulse width 33 femtosecond, owned by Japan Atomic Energy Research Institute Kansai Research Center for Photon Science), vacuum container (made of stainless steel, capacity of about 100 liters) ), Using a silicon plate (diameter 3 mm, thickness 0.1 mm) as the target 4 and a carbon film (diameter 3 mm, thickness 0.001 mm) as the substrate 6, the columnar nanocrystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1 was produced. . The substrate 6 is disposed at a position where the angle Θ is 30 °, and the distance between the substrate 6 and the target 4 (the distance between the laser light irradiation position of the target 4 and the center of the substrate 6) is 300 mm. .
次に、作製された装置を用い、処理容器3の内部を圧力が5.5×10−5Torrの真空状態とし、ターゲット4をX−Yテーブルにて平行移動させた状態で、レーザー光源2からターゲット4上のレーザー光照射面積がφ20μmとなるようにしてパルスレーザー光L{波長800nm、照射強度8.3×1016W/cm2、パルス幅40フェムト秒、1パルスあたりのエネルギー10mJ、フルエンス104J/cm2}をターゲット4にシングルショットで20回照射した。容器3内部が真空状態のためパルスレーザー光Lは放電によりエネルギーが吸収されることなくターゲット4に到達し、ターゲット4の表面には高温のプラズマPが形成され、ターゲット4の表面からシリコンの中性原子、イオン、クラスタ等の微細な飛散粒子(アブレータ)aが高速で飛散した。そして、飛散粒子aは、高速で飛散している過程で他の飛散粒子aとの衝突を繰り返して柱状に結晶成長して柱状ナノ結晶体5が形成され、基板6の表面及び内部に捕集された。また、基板6の表面及び内部に到達した飛散粒子aもそこで他の飛散粒子a又は柱状ナノ結晶体5と結合して柱状に結晶成長して柱状ナノ結晶体5が形成された。なお、照射時間は10秒とし、容器内温度は約25℃であった。 Next, using the manufactured apparatus, the inside of the processing vessel 3 is brought into a vacuum state at a pressure of 5.5 × 10 −5 Torr, and the target 4 is translated on an XY table, and then the laser light source 2 To a laser beam irradiation area on the target 4 of φ20 μm so that the pulse laser beam L {wavelength 800 nm, irradiation intensity 8.3 × 10 16 W / cm 2 , pulse width 40 femtoseconds, energy 10 mJ per pulse, The target 4 was irradiated 20 times with a single shot at a fluence of 10 4 J / cm 2 }. Since the inside of the container 3 is in a vacuum state, the pulsed laser light L reaches the target 4 without absorbing energy due to discharge, and a high-temperature plasma P is formed on the surface of the target 4, and from the surface of the target 4 into the silicon. Fine scattering particles (ablators) a such as sex atoms, ions and clusters were scattered at high speed. The scattered particles a repeatedly collide with other scattered particles a in the process of being scattered at a high speed to grow into a columnar crystal to form columnar nanocrystals 5, which are collected on the surface and inside of the substrate 6. It was. Further, the scattered particles a that reached the surface and inside of the substrate 6 were also bonded to other scattered particles a or the columnar nanocrystals 5 to grow into a columnar shape, thereby forming the columnar nanocrystals 5. The irradiation time was 10 seconds, and the temperature inside the container was about 25 ° C.
基板6に捕集された柱状ナノ結晶体5を透過型電子顕微鏡により観察したところ、図2に示すように直径が5〜15nm程度(平均直径約10nm)、長さが100〜1000nm程度(平均長さ約500nm)、平均アスペクト比が約50のナノサイズの柱状形状(針状)であることが確認された。 When the columnar nanocrystals 5 collected on the substrate 6 were observed with a transmission electron microscope, the diameter was about 5 to 15 nm (average diameter about 10 nm) and the length was about 100 to 1000 nm (average) as shown in FIG. It was confirmed to be a nano-sized columnar shape (needle shape) having a length of about 500 nm and an average aspect ratio of about 50.
また、基板6に捕集された柱状ナノ結晶体5を電子線回折装置により撮影したところ、図3に示すように明瞭なリング状の回折が観察され、このことより柱状のシリコン組織が結晶化していることが確認された。 Further, when the columnar nanocrystals 5 collected on the substrate 6 were photographed with an electron beam diffractometer, clear ring-shaped diffraction was observed as shown in FIG. 3, and this caused the columnar silicon structure to crystallize. It was confirmed that
さらに、レーザー照射後のシリコンターゲット4の表面を光学顕微鏡で観察したところ、図4に示すようにφ20μmの照射痕が観察され、照射強度が目標とする値になっていることが確認され、さらに照射痕の近傍においても柱状ナノ結晶体が形成されていることが確認された。 Furthermore, when the surface of the silicon target 4 after laser irradiation was observed with an optical microscope, an irradiation mark of φ20 μm was observed as shown in FIG. 4, and it was confirmed that the irradiation intensity was a target value. It was confirmed that columnar nanocrystals were also formed in the vicinity of the irradiation mark.
(比較例1)
パルスレーザー光Lの照射条件を波長532nm、照射強度1×109W/cm2、パルス幅7ナノ秒、1パルスあたりのエネルギー1J、フルエンス102J/cm2、周波数10Hzとした以外は実施例1と同様にして試験を行なった。
(Comparative Example 1)
Implemented except that the irradiation conditions of the pulsed laser beam L were set to a wavelength of 532 nm, an irradiation intensity of 1 × 10 9 W / cm 2 , a pulse width of 7 nanoseconds, an energy per pulse of 1 J, a fluence of 10 2 J / cm 2 , and a frequency of 10 Hz. The test was conducted in the same manner as in Example 1.
基板6に捕集された物質を透過型電子顕微鏡により観察したところ、図5に示すように微小球状のアモルファスシリコンであった。 When the substance collected on the substrate 6 was observed with a transmission electron microscope, it was minute spherical amorphous silicon as shown in FIG.
以上説明したように、本発明によれば、製造装置内の雰囲気を特に加熱等することなく、シリコンからなるナノサイズの柱状結晶体を効率良くかつ確実に製造することが可能となる。 As described above, according to the present invention, without particular heating or the like the atmosphere in the manufacturing apparatus, it is possible to produce a columnar crystal of nano-sized made of silicon efficiently and reliably.
そして、本発明の製造方法により得られる柱状ナノ結晶体は電子材料、発光素子、光電素子、燃料電池の電極等の幅広い用途に対して非常に有望な材料であり、中でも本発明の製造方法により得られるシリコン柱状ナノ結晶体によれば発光素子の電子放出効率を向上させることが可能となる。 Then, columnar nanocrystals obtained by the production method of the present invention is an electronic material, the light-emitting element, a photoelectric element, a very promising material for a wide range of applications of the electrode of the fuel cell, among others by the production method of the present invention According to the obtained silicon columnar nanocrystal, the electron emission efficiency of the light emitting device can be improved.
1…柱状ナノ結晶体の製造装置、2…レーザー光源、3…処理容器、4…ターゲット、5…柱状ナノ結晶体、6…基板、7…集光レンズ、8…鏡、9…真空ポンプ、10…配管、11…ターゲット駆動装置、L…パルスレーザー光、a…飛散粒子、P…プラズマ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Manufacturing apparatus of columnar nanocrystal body, 2 ... Laser light source, 3 ... Processing container, 4 ... Target, 5 ... Columnar nanocrystal body, 7 ... Substrate, 7 ... Condensing lens, 8 ... Mirror, 9 ... Vacuum pump, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Pipe, 11 ... Target drive device, L ... Pulse laser beam, a ... Scattering particle | grains, P ... Plasma.
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