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JP6432032B2 - Group IV clathrate production method - Google Patents
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Description

本発明は、ゲルマニウム、シリコン等のIV族元素をホスト原子としたIV族クラスレートを効率よく製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for efficiently producing a group IV clathrate using a group IV element such as germanium or silicon as a host atom.

クラスレート(包摂化合物)は、ホスト原子によって形成される三次元的な籠状の構造の中にゲスト原子が内包されている化合物であり、従来の結晶構造物とは異なる特性を備えている。クラスレートは、その三次元的な構造の違いによって、I型(構造1、Type Iとも言う)からVIII型(構造8、TypeVIIIとも言う)に分類される。   A clathrate (inclusion compound) is a compound in which guest atoms are encapsulated in a three-dimensional cage-like structure formed by host atoms, and has characteristics different from those of conventional crystal structures. The clathrate is classified from type I (structure 1, also referred to as Type I) to type VIII (also referred to as structure 8, Type VIII), depending on its three-dimensional structure.

例えば、ホスト原子がシリコンであるシリコンクラスレートが、ナトリウムをゲスト原子として内包している場合、ナトリウムを多く含有するシリコンクラスレートは金属的性質を持つが、ナトリウムの含有量を低減したシリコンクラスレートは、半導体としてのバンドギャップ特性を明確に示すことが知られている。ナトリウムを内包するシリコンクラスレートを製造した場合には、主にI型とII型(構造2、TypeIIとも言う)の混合物からなるクラスレートが生成される。I型のシリコンクラスレートは、十二面体構造であるシリコン20と、十四面体構造であるシリコン24とで構成される立方晶構造を有している。II型のシリコンクラスレートは、十二面体構造であるシリコン20と、十六面体構造であるシリコン28とで構成される立方晶構造を有している。I型のシリコンクラスレートは、ナトリウム原子を一旦内包すると、その後の工程でナトリウム原子がほとんど除去されないという特性がある。これに対してII型のシリコンクラスレートは、加熱処理等を行うことによって、ナトリウムを除去して含有量を低減できることが知られている。そこで、半導体としての利便性を高めるために、II型のシリコンクラスレートを、膜状に高効率で製造する技術が求められている。 For example, when a silicon clathrate whose host atom is silicon contains sodium as a guest atom, a silicon clathrate containing a large amount of sodium has metallic properties, but a silicon clathrate with a reduced sodium content Is known to clearly show band gap characteristics as a semiconductor. When a silicon clathrate containing sodium is produced, a clathrate mainly composed of a mixture of type I and type II (structure 2, also referred to as Type II) is generated. The I-type silicon clathrate has a cubic structure composed of silicon 20 having a dodecahedron structure and silicon 24 having a tetrahedral structure. The type II silicon clathrate has a cubic structure composed of silicon 20 having a dodecahedron structure and silicon 28 having a hexahedral structure. Type I silicon clathrate has a characteristic that once sodium atoms are included, sodium atoms are hardly removed in subsequent steps. On the other hand, it is known that the type II silicon clathrate can remove sodium and reduce the content by heat treatment or the like. Therefore, in order to improve convenience as a semiconductor, a technique for manufacturing a II-type silicon clathrate in a film shape with high efficiency is required.

また、ホスト原子がゲルマニウムで構成されているクラスレートは、ガリウムヒ素に近い特性を示すことから、太陽電池用の光吸収材料への応用が期待されている。その他にも、II型のIV族系クラスレートの中には、直接遷移型半導体として機能し、合金化により赤外から可視光領域において光の吸収特性を変化させることが可能なクラスレートが存在する。したがって、膜状のIV族クラスレートを効率よく製造することのできる、汎用性の高い技術が求められている。   In addition, since the clathrate in which the host atom is composed of germanium exhibits characteristics close to that of gallium arsenide, application to a light absorbing material for solar cells is expected. In addition, some type II group IV clathrates function as direct transition semiconductors and can change light absorption characteristics from infrared to visible light by alloying. To do. Therefore, a highly versatile technique that can efficiently produce a film-like group IV clathrate is required.

発明者は、これまで、膜状のシリコンクラスレートを製造する新規な方法を特許文献1に開示している。また、シリコンとゲルマニウムとをホスト原子とするII型クラスレートを製造する新規な方法を特許文献2に開示している。さらに、ゲルマニウムクラスレートを製造する新規な方法を特許文献3に開示している。   The inventor has disclosed a novel method for producing a film-like silicon clathrate in Patent Document 1 so far. Patent Document 2 discloses a novel method for producing a type II clathrate having silicon and germanium as host atoms. Furthermore, Patent Document 3 discloses a novel method for producing germanium clathrate.

特許第5626896号公報Japanese Patent No. 5626896 特許第5641481号公報Japanese Patent No. 5641481 特開第2014−43599号公報JP 2014-43599 A

発明者によって上記特許および特許出願に開示された技術によって、膜状のシリコンクラスレートおよびゲルマニウムクラスレートを製造することが可能となった。しかしながら、時として、製造されるクラスレートが粉末状となり、膜状のクラスレートが製造できない場合があった。本発明はこのような従来の製造方法の問題点に鑑みてなされたものであって、均質な膜状のクラスレートをより安定して製造できる製造方法の提供を、解決すべき課題としている。   The techniques disclosed in the above patents and patent applications by the inventors have made it possible to produce film-like silicon clathrate and germanium clathrate. However, sometimes the produced clathrate is in a powder form, and a film-like clathrate may not be produced. The present invention has been made in view of such problems of the conventional manufacturing method, and an object to be solved is to provide a manufacturing method capable of more stably manufacturing a homogeneous film-like clathrate.

本発明は、クラスレートの製造方法に関する。本発明のクラスレートの製造方法は、ゲスト原子を収容した開口部を有する容器と、IV族元素のホスト原子からなる基板と、を反応容器内に配置し、不活性ガスの雰囲気下で500℃以上の温度により0.5時間以上24時間以下の加熱時間で加熱する第一加熱工程と、ゲスト原子を収容した容器とホスト原子からなる基板とが配置されている反応容器を冷却する冷却工程と、前記基板を10−2Pa以下の陰圧下で300℃以上450℃以下の温度により1時間以上加熱する第二加熱工程と、を備えている。本発明のクラスレートの製造方法は、第一加熱工程において、ホスト原子からなる基板を、前記容器の開口部よりも低い位置に配置することを特徴とする。 The present invention relates to a method for producing a clathrate. The method for producing a clathrate according to the present invention comprises a container having an opening containing guest atoms and a substrate made of a host atom of a group IV element placed in a reaction container and heated to 500 ° C. in an inert gas atmosphere. A first heating step of heating at a heating time of 0.5 hours to 24 hours at the above temperature; a cooling step of cooling a reaction vessel in which a container containing guest atoms and a substrate made of host atoms are arranged; And a second heating step of heating the substrate at a temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower for 1 hour or longer under a negative pressure of 10 −2 Pa or lower. The clathrate production method of the present invention is characterized in that, in the first heating step, a substrate composed of host atoms is disposed at a position lower than the opening of the container.

本発明は、クラスレートの製造方法に関する。本発明のクラスレートの製造方法は、ゲスト原子を収容した開口部を有する容器と、IV族元素のホスト原子からなる基板と、を反応容器内に配置し、不活性ガスの雰囲気下で500℃以上の温度により0.5時間以上24時間以下の加熱時間で加熱する第一加熱工程と、ゲスト原子を収容した容器とホスト原子からなる基板とが配置されている反応容器を冷却する冷却工程と、前記基板を10−2Pa以下の陰圧下で300℃以上450℃以下の温度により1時間以上加熱する第二加熱工程と、を備えている。本発明のクラスレートの製造方法は、第一加熱工程において、ゲスト原子を収容した前記容器の開口部が当該容器の上面に設けられており、ホスト原子からなる基板を、前記容器の開口部よりも低い位置に配置することを特徴とする。 The present invention relates to a method for producing a clathrate. The method for producing a clathrate according to the present invention comprises a container having an opening containing guest atoms and a substrate made of a host atom of a group IV element placed in a reaction container and heated to 500 ° C. in an inert gas atmosphere. A first heating step of heating at a heating time of 0.5 hours to 24 hours at the above temperature; a cooling step of cooling a reaction vessel in which a container containing guest atoms and a substrate made of host atoms are arranged; And a second heating step of heating the substrate at a temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower for 1 hour or longer under a negative pressure of 10 −2 Pa or lower. In the clathrate production method of the present invention, in the first heating step, the opening of the container containing guest atoms is provided on the upper surface of the container, and the substrate made of host atoms is removed from the opening of the container. It is also characterized by being arranged at a lower position.

さらに本発明のクラスレートの製造方法は、冷却工程が徐冷工程であり、この徐冷工程の冷却速度が5℃/hr以上20℃/hr以下であることが好ましい。5℃/hr以上20℃/hr以下という冷却速度は、通常の自然冷却よりも有意に遅い冷却速度であって、この間に好ましい構造のクラスレートの前駆体が形成される。   Furthermore, in the clathrate production method of the present invention, the cooling step is preferably a slow cooling step, and the cooling rate of this slow cooling step is preferably 5 ° C./hr or more and 20 ° C./hr or less. The cooling rate of 5 ° C./hr or more and 20 ° C./hr or less is a significantly lower cooling rate than normal natural cooling, during which a clathrate precursor having a preferred structure is formed.

本発明のクラスレートの製造方法は、ホスト原子がシリコンであり、ゲスト原子がナトリウムであり、製造されるクラスレートがシリコンクラスレートであることが、特に好ましい。   In the clathrate production method of the present invention, it is particularly preferred that the host atom is silicon, the guest atom is sodium, and the clathrate produced is a silicon clathrate.

本発明のクラスレートの製造方法は、第一加熱工程において、ホスト原子の基板を、ゲスト原子を収容した容器の開口部よりも低い位置に配置することで、ゲスト原子の蒸気とホスト原子とをより確実に反応させることができる。本発明の第一加熱工程に引き続き、第二加熱工程を行うことで、従来よりもクラスレートを膜状に安定して製造することが可能となる。   In the clathrate production method of the present invention, in the first heating step, the host atom vapor and the host atoms are disposed by arranging the host atom substrate at a position lower than the opening of the container containing the guest atoms. It can be made to react more reliably. By performing the second heating step subsequent to the first heating step of the present invention, the clathrate can be more stably produced in a film form than before.

さらに本発明のクラスレートの製造方法は、第一加熱工程と第二加熱工程との間の冷却工程を、冷却速度が5℃/hr以上20℃/hr以下である徐冷工程とすることで、膜状のクラスレートの製造が一層確実に行われる。   Furthermore, the manufacturing method of the clathrate of this invention makes the cooling process between a 1st heating process and a 2nd heating process the slow cooling process whose cooling rate is 5 degreeC / hr or more and 20 degrees C / hr or less. Further, the production of the film-like clathrate is more reliably performed.

本発明のクラスレートの製造方法によれば、膜状でII型の構造を有するクラスレートを、大量に製造することが可能となる。   According to the method for producing clathrate of the present invention, it is possible to produce a large amount of clathrate having a film-like and II-type structure.

本発明のクラスレートの製造方法は、ホスト原子をシリコンとし、ゲスト原子をナトリウムとすることで、シリコンクラスレートを安定して製造することができる。   In the clathrate production method of the present invention, the silicon atom can be stably produced by using silicon as the host atom and sodium as the guest atom.

図1は、クラスレートの好適な製造方法を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing a preferred method for manufacturing a clathrate. 図2は、実施例で用いられるクラスレートの製造装置の縦断面図である。FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the clathrate manufacturing apparatus used in the embodiment. 図3は、実施例1と比較例の製造方法によって製造したシリコンクラスレートのX線回折パターンを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing X-ray diffraction patterns of silicon clathrate manufactured by the manufacturing methods of Example 1 and Comparative Example. 図4(a)は比較例の製造方法で製造したシリコンクラスレートの表面を撮影した図面代用写真であり、図4(b)は実施例1の製造方法で製造したシリコンクラスレートの表面を光学顕微鏡によって撮影した結果を示す図面代用写真である。4A is a drawing-substituting photograph in which the surface of the silicon clathrate manufactured by the manufacturing method of the comparative example is photographed, and FIG. 4B is an optical view of the surface of the silicon clathrate manufactured by the manufacturing method of Example 1. It is a drawing substitute photograph which shows the result image | photographed with the microscope. 図5は、実施例2の第一加熱工程と冷却工程の温度条件を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the temperature conditions of the first heating process and the cooling process of Example 2. 図6は、実施例2の製造方法で製造したシリコンクラスレートをラマン分光法によって解析した結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the results of analyzing the silicon clathrate produced by the production method of Example 2 by Raman spectroscopy. 図7(a)は、実施例2の20℃/hrの冷却条件で製造したシリコンクラスレートの表面を撮影した図面代用写真であり、図7(b)は、10℃/hrの冷却条件で製造したシリコンクラスレートの表面を撮影した図面代用写真である。FIG. 7A is a drawing-substituting photograph in which the surface of the silicon clathrate produced under the cooling condition of 20 ° C./hr in Example 2 is photographed, and FIG. 7B is a cooling condition of 10 ° C./hr. It is the drawing substitute photograph which image | photographed the surface of the manufactured silicon clathrate. 図8は、実施例3の製造方法で製造したシリコンクラスレートをラマン分光法によって解析した結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the results of analyzing the silicon clathrate produced by the production method of Example 3 by Raman spectroscopy. 図9は、実施例3の製造方法で製造したシリコンクラスレートの表面を光学顕微鏡によって撮影した結果を示す図面代用写真である。FIG. 9 is a drawing-substituting photograph showing the result of photographing the surface of the silicon clathrate produced by the production method of Example 3 with an optical microscope.

以下、本発明を、ホスト原子にシリコンを用い、ゲスト原子としてナトリウムを用いて、膜状のシリコンクラスレートを製造する製造方法として具体化した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1は、膜状のシリコンクラスレートを製造する好適な製造方法を示すフローチャートである。図1に示すように、本実施形態の好適なクラスレートの製造方法は、前処理工程と、第一加熱工程と、冷却工程と、第二加熱工程とを備えている。   Hereinafter, embodiments of the present invention embodied as a manufacturing method for manufacturing a film-like silicon clathrate using silicon as a host atom and sodium as a guest atom will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart showing a preferred manufacturing method for manufacturing a film-like silicon clathrate. As shown in FIG. 1, the preferred clathrate manufacturing method of the present embodiment includes a pretreatment process, a first heating process, a cooling process, and a second heating process.

図1のステップ1(S1)に示す前処理工程では、最初に、シリコン基板の洗浄と、開口部を有する容器へのナトリウムの収容が行われる。好適な実施形態として、ナトリウムの蒸気が効率よく反応容器内に供給されるために、開口部は容器の上面全体となっている。以下においては、ナトリウムを収容している開口部を有する容器のことを、ナトリウム入り容器とも言う。洗浄されたシリコン基板と、ナトリウム入り容器とは、反応容器に収容される。   In the pretreatment process shown in Step 1 (S1) of FIG. 1, first, the silicon substrate is cleaned and sodium is accommodated in a container having an opening. In a preferred embodiment, the opening is the entire top surface of the vessel so that sodium vapor is efficiently fed into the reaction vessel. In the following, a container having an opening accommodating sodium is also referred to as a sodium-containing container. The cleaned silicon substrate and the sodium-containing container are accommodated in the reaction container.

図2に、シリコン基板2とナトリウム入り容器3とを収容した反応容器1の断面図を示す。シリコン基板2は、反応容器1内のナトリウム入り容器3の上面の開口部5よりも低い位置となるよう、反応容器1の底面付近に配置される。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of the reaction vessel 1 containing the silicon substrate 2 and the sodium-containing vessel 3. The silicon substrate 2 is disposed in the vicinity of the bottom surface of the reaction vessel 1 so as to be positioned lower than the opening 5 on the upper surface of the sodium-containing vessel 3 in the reaction vessel 1.

図1のステップ2(S2)に示す第一加熱工程では、反応容器1に収容されたシリコン基板2とナトリウム入り容器3とを、500℃以上の温度で0.5時間以上24時間以下の間加熱する。本実施形態の第一加熱工程によって、シリコン基板2の表面にナトリウムの蒸気が供給される。500℃未満の加熱ではその後の工程を行ってもクラスレートが生成されないことが確認されており、第一加熱工程では、500℃以上の温度による処理を行うことが必要である。   In the first heating step shown in Step 2 (S2) of FIG. 1, the silicon substrate 2 and the sodium-containing container 3 accommodated in the reaction vessel 1 are heated at a temperature of 500 ° C. or higher for 0.5 hours to 24 hours. Heat. Sodium vapor is supplied to the surface of the silicon substrate 2 by the first heating step of the present embodiment. It has been confirmed that the clathrate is not generated even if the subsequent steps are performed at a temperature of less than 500 ° C., and it is necessary to perform the treatment at a temperature of 500 ° C. or higher in the first heating step.

図1のステップ3(S3)に示す冷却工程では、好ましくは徐冷が行われる。徐冷を行う場合、シリコン基板2とナトリウム入り容器3とを収容した状態で、反応容器1全体を5℃/hr以上20℃/hr以下の速度で冷却することが好ましい。この冷却工程は、第一加熱工程で蒸気となったナトリウムが、結露してシリコン基板と反応すると推定される工程である。しかしながら、シリコン基板2上にナトリウムが適量供給された場合、この冷却工程は徐冷ではなく通常の自然冷却工程とすることが可能である。   In the cooling step shown in Step 3 (S3) of FIG. 1, preferably slow cooling is performed. When performing slow cooling, it is preferable to cool the whole reaction vessel 1 at a rate of 5 ° C./hr or more and 20 ° C./hr or less while containing the silicon substrate 2 and the sodium-containing vessel 3. This cooling process is a process in which it is estimated that the sodium which has become vapor in the first heating process is condensed and reacts with the silicon substrate. However, when an appropriate amount of sodium is supplied onto the silicon substrate 2, this cooling process can be a normal natural cooling process, not slow cooling.

図1のステップ4(S4)に示す第二加熱工程では、ここまでの工程によってクラスレートの前駆体が生成されているシリコン基板2を、10−2Pa以下の陰圧下で300℃以上450℃以下の温度に加熱する。加熱時間は1時間以上48時間以内に設定される。第二加熱工程の間に、シリコン基板2上の前駆体がナトリウムを内包するシリコンクラスレートに変化する。また第二加熱工程では、常に真空ポンプによる吸引を行って圧力を維持するために、ゲスト原子としてシリコンクラスレートに内包されていたナトリウム原子の一部または全部が除去される。その結果、ナトリウムの含有量が低減されたか、あるいはナトリウムが除去された、シリコンクラスレートが製造される。 In the second heating step shown in Step 4 (S4) of FIG. 1, the silicon substrate 2 on which the clathrate precursor has been generated by the steps up to here is 300 ° C. or higher and 450 ° C. under a negative pressure of 10 −2 Pa or lower. Heat to the following temperature. The heating time is set within 1 hour and within 48 hours. During the second heating step, the precursor on the silicon substrate 2 changes to a silicon clathrate containing sodium. In the second heating step, a part or all of the sodium atoms contained in the silicon clathrate as guest atoms are removed in order to always maintain the pressure by performing suction with a vacuum pump. As a result, a silicon clathrate is produced in which the sodium content is reduced or the sodium is removed.

本実施形態のシリコンクラスレートの製造方法では、シリコン基板2を反応容器1内のナトリウム入り容器3の開口5よりも低い位置に配置し、且つ第一加熱工程と第二加熱工程との間に徐冷工程を設けることで、基板のほぼ全ての面上でII型の構造を有するシリコンクラスレートを製造することが可能となっている。   In the method for producing a silicon clathrate according to the present embodiment, the silicon substrate 2 is disposed at a position lower than the opening 5 of the sodium-containing container 3 in the reaction vessel 1 and between the first heating step and the second heating step. By providing the slow cooling step, it is possible to manufacture a silicon clathrate having a II-type structure on almost all surfaces of the substrate.

以下に、本実施形態をより具体化した実施例1、2と、シリコン基板2をナトリウム入り容器3の開口部5よりも上に配置して実施例1と同一の加熱条件でシリコンクラスレートを製造した比較例とを示す。   In the following, Examples 1 and 2 in which the present embodiment is made more concrete, and the silicon substrate 2 is disposed above the opening 5 of the container 3 containing sodium, and the silicon clathrate is formed under the same heating conditions as in Example 1. The manufactured comparative example is shown.

(実施例1)
本実施例では、結晶面が111のシリコン基板2と、金属ナトリウム片とを用いて、シリコンクラスレートを製造した。ステップ1の前処理工程として、シリコン基板2の表面酸化膜を取り除いた。金属ナトリウム片は、上面全体が開口部5となっている容器3に収容した。そして、シリコン基板2とナトリウム入り容器3とを反応容器1に収容した。このときシリコン基板2は、ナトリウム入り容器3の開口部5よりも低い位置に配置されるように、反応容器1の底面に接するように配置された。
Example 1
In this example, a silicon clathrate was manufactured using the silicon substrate 2 having a crystal plane of 111 and a metal sodium piece. As a pretreatment step of Step 1, the surface oxide film of the silicon substrate 2 was removed. The metal sodium piece was accommodated in a container 3 having an opening 5 on the entire upper surface. Then, the silicon substrate 2 and the sodium-containing container 3 were accommodated in the reaction container 1. At this time, the silicon substrate 2 was disposed so as to be in contact with the bottom surface of the reaction container 1 so as to be disposed at a position lower than the opening 5 of the sodium-containing container 3.

ステップ2の第一加熱工程として、アルゴン雰囲気中で反応容器1を密閉し、温度575℃、処理時間は48時間、圧力10Pa以上の条件で加熱を行った。ステップ3の冷却工程では、徐冷を実施せず、シリコン基板2とナトリウム入り容器3とを収容した状態で反応容器1を自然に降温させた。自然降温には約6時間を要した。ステップ4の第二加熱工程として、シリコン基板2を、温度400℃、処理時間3時間、圧力10−2Pa以下で加熱したあと、自然に降温させた。 As the first heating step of Step 2, the reaction vessel 1 was sealed in an argon atmosphere, and heating was performed under conditions of a temperature of 575 ° C., a treatment time of 48 hours, and a pressure of 10 5 Pa or more. In the cooling process of Step 3, the temperature of the reaction vessel 1 was naturally lowered in a state in which the silicon substrate 2 and the sodium-containing vessel 3 were accommodated without performing slow cooling. It took about 6 hours for the natural temperature to fall. As the second heating step of Step 4, the silicon substrate 2 was heated at a temperature of 400 ° C., a processing time of 3 hours, and a pressure of 10 −2 Pa or less, and then naturally cooled.

(比較例)
実施例1と同一の、結晶面が111のシリコン基板2と、金属ナトリウム片とを原料として、シリコンクラスレートを製造した。比較例では、シリコン基板2とナトリウム入り容器3とを反応容器1に収容するときに、図示されない支持部材を用いることで、シリコン基板2をナトリウム入り容器3の開口部5よりも相対的に高い位置に配置した。その後、ステップ2の第一加熱工程からステップ4の第二加熱工程まで、実施例1と同一の条件を適用して、シリコンクラスレートを製造した。
(Comparative example)
A silicon clathrate was produced using a silicon substrate 2 having the same crystal face as in Example 1 and metal sodium pieces as raw materials. In the comparative example, when the silicon substrate 2 and the sodium-containing container 3 are accommodated in the reaction container 1, the silicon substrate 2 is relatively higher than the opening 5 of the sodium-containing container 3 by using a support member (not shown). Placed in position. Then, the same conditions as Example 1 were applied from the 1st heating process of Step 2 to the 2nd heating process of Step 4, and the silicon clathrate was manufactured.

(実施例1で製造されたシリコンクラスレートと比較例のシリコンクラスレートの対比)
図3の上段(上から一段目のチャート)に、比較例の製造方法で製造したシリコン基板2上の化合物のX線回折パターンを示す。図3の中段(上から二段目のチャート)に、実施例1の製造方法で製造したシリコン基板2上の化合物のX線回折パターンを示す。図3の下部に示された棒グラフは、II型のシリコンクラスレートと、ダイヤモンド型シリコン(c−シリコン)の理論的なX線回折パターンである。実施例1の化合物からは、II型のシリコンクラスレートに由来する強いX線回折パターンが確認され、実施例1の化合物がIIの型シリコンクラスレートであることが確認された。また、実施例1の化合物では、原料のシリコン基板に由来する回折パターンが大幅に弱くなっているのに対して、比較例の製造方法で製造した化合物からは、原料であるシリコン基板のダイヤモンド構造に由来する回折パターンのピークが強く検出されており、実施例1のシリコン基板2の表面は、II型シリコンクラスレートによって比較例よりも厚く覆われていることが、定量的に明らかとなった。
(Contrast of silicon clathrate manufactured in Example 1 and silicon clathrate of comparative example)
3 shows an X-ray diffraction pattern of the compound on the silicon substrate 2 manufactured by the manufacturing method of the comparative example. The X-ray diffraction pattern of the compound on the silicon substrate 2 manufactured by the manufacturing method of Example 1 is shown in the middle stage (second chart from the top) in FIG. The bar graph shown at the bottom of FIG. 3 is a theoretical X-ray diffraction pattern of type II silicon clathrate and diamond type silicon (c-silicon). From the compound of Example 1, a strong X-ray diffraction pattern derived from a type II silicon clathrate was confirmed, and it was confirmed that the compound of Example 1 was a type II silicon clathrate. Further, in the compound of Example 1, the diffraction pattern derived from the raw material silicon substrate is significantly weaker, whereas from the compound manufactured by the comparative manufacturing method, the diamond structure of the raw silicon substrate is used. It was quantified that the peak of the diffraction pattern derived from the sample was strongly detected, and that the surface of the silicon substrate 2 of Example 1 was covered with a type II silicon clathrate thicker than the comparative example. .

図4(a)に、比較例の方法で製造されたシリコンクラスレートの表面を光学顕微鏡によって撮影した結果を示す。図4(b)に、実施例1の方法で製造されたシリコンクラスレートの表面を光学顕微鏡によって撮影した結果を示す。実施例1の製造方法によって得られたシリコンクラスレートが、膜状に均一に形成されていることが図面代用写真によっても確認された。一方で、比較例の製造方法で得られたシリコンクラスレートが、基板上で不均一になっている部分があり、歩留りが実施例1と比較して低いことが判明した。   FIG. 4A shows a result of photographing the surface of the silicon clathrate produced by the method of the comparative example with an optical microscope. FIG. 4B shows the result of photographing the surface of the silicon clathrate produced by the method of Example 1 with an optical microscope. It was also confirmed by a drawing substitute photograph that the silicon clathrate obtained by the production method of Example 1 was uniformly formed in a film shape. On the other hand, the silicon clathrate obtained by the production method of the comparative example has a portion that is non-uniform on the substrate, and it has been found that the yield is lower than that of the first embodiment.

実施例1の第一加熱工程では、反応容器1の底部に、上部よりも高密度なナトリウム蒸気が存在していたことが推定される。また、実施例1の冷却工程では、一旦蒸気となったナトリウムが結露して降下することによって、シリコン基板1とより効率よく反応したと考えられる。この結果、ナトリウム入り容器3の開口部5よりも下にシリコン基板2を配置した実施例1は、ナトリウム入りの容器3の開口部5よりも上にシリコン基板2を配置した比較例よりも、より効率よくシリコンクラスレートを製造することができたと考えられる。   In the first heating step of Example 1, it is presumed that sodium vapor having a higher density was present at the bottom of the reaction vessel 1 than at the top. Further, in the cooling process of Example 1, it is considered that the sodium once turned into vapor condenses and descends to react more efficiently with the silicon substrate 1. As a result, Example 1 in which the silicon substrate 2 is disposed below the opening 5 of the sodium-containing container 3 is more than the comparative example in which the silicon substrate 2 is disposed above the opening 5 of the sodium-containing container 3. It is considered that the silicon clathrate could be manufactured more efficiently.

(実施例2)
本実施例によるクラスレートの製造方法では、ナトリウム入り容器3の開口部5よりも下にシリコン基板2を配置して第一加熱工程を行い、さらに冷却工程を徐冷工程とすることで、より安定してシリコンクラスレートを製造するための最適条件を特定した。本実施例のステップ1の前処理工程とステップ4の第二加熱工程とは実施例1と同一の構成であるので、重複説明を割愛する。
(Example 2)
In the clathrate manufacturing method according to the present embodiment, the silicon substrate 2 is disposed below the opening 5 of the sodium-containing container 3 to perform the first heating step, and the cooling step is further set as a slow cooling step. The optimum conditions for producing silicon clathrate stably were identified. Since the pretreatment process of Step 1 and the second heating process of Step 4 of the present embodiment have the same configuration as that of Embodiment 1, duplicate description is omitted.

ステップ2の第一加熱工程では、反応容器1を温度600℃まで1時間で昇温し、さらに600℃で1時間反応を行った。このときの圧力は10Pa以上とした。ステップ3の冷却工程を徐冷工程として、冷却速度を10℃/hrと20℃/hrの2段階に設定して反応容器1を100℃まで冷却して、より好ましいクラスレート製造条件を特定した。ここで、反応容器1を100℃まで冷却した後は、自然冷却を行っている。その後、ステップ4の第二加熱工程を行った。第二加熱工程の後は、シリコンクラスレートを自然に降温させた。 In the first heating step of Step 2, the temperature of the reaction vessel 1 was increased to 600 ° C. over 1 hour, and the reaction was further performed at 600 ° C. for 1 hour. The pressure at this time was 10 5 Pa or more. The cooling process of Step 3 was a slow cooling process, the cooling rate was set to two stages of 10 ° C./hr and 20 ° C./hr, and the reaction vessel 1 was cooled to 100 ° C. to specify more preferable clathrate production conditions. . Here, after cooling the reaction vessel 1 to 100 ° C., natural cooling is performed. Then, the 2nd heating process of step 4 was performed. After the second heating step, the silicon clathrate was naturally cooled.

図5に、本実施例の第一加熱工程と冷却工程で行った温度と時間との関係を示す。図6に、本実施例の製造方法で製造した化合物のラマン分光法による解析結果を示す。図6に示すように、冷却工程に、10℃/hrのより遅い冷却条件を適用して製造した化合物に、より強くII型のシリコンクラスレートに対応するピークが確認され、化合物がII型のシリコンクラスレートであることが確認された。また、20℃/hrのより速い冷却条件を適用して製造した化合物にもII型のシリコンクラスレートに対応するピークが確認された。この結果、本実施例の製造方法によってII型のシリコンクラスレートを製造することができることと、シリコンクラスレートを製造するための冷却工程の好ましい条件は、冷却速度が5℃/hr以上20℃/hr以下の場合であって、より好ましくは10℃/hrであることが確認された。   In FIG. 5, the relationship between the temperature and time which were performed at the 1st heating process and cooling process of a present Example is shown. In FIG. 6, the analysis result by the Raman spectroscopy of the compound manufactured with the manufacturing method of a present Example is shown. As shown in FIG. 6, a peak corresponding to the type II silicon clathrate was confirmed more strongly in the compound produced by applying a slower cooling condition of 10 ° C./hr to the cooling step, and the compound was of type II. The silicon clathrate was confirmed. A peak corresponding to the type II silicon clathrate was also confirmed in the compound produced by applying a faster cooling condition of 20 ° C./hr. As a result, the type II silicon clathrate can be produced by the production method of this example, and preferable conditions for the cooling step for producing the silicon clathrate are a cooling rate of 5 ° C./hr or more and 20 ° C. / It was confirmed that it was less than hr, more preferably 10 ° C./hr.

図7に、本実施例の2段階の徐冷速度で製造したそれぞれのシリコンクラスレート表面を光学顕微鏡によって撮影した図面代用写真を示す。図7(a)は、20℃/hrのより速い冷却条件で製造したシリコンクラスレートの表面を撮影した写真である。図7(b)は、10℃/hrのより遅い冷却条件で製造したシリコンクラスレートの表面を撮影した写真である。10℃/hrのより遅い冷却条件によって得られたシリコンクラスレートのほうが、20℃/hrのより速い冷却条件によって得られたシリコンクラスレートよりもより均一な膜状であった。一方で、20℃/hrの冷却条件で得られたシリコンクラスレートは、基板上で一部不均一になっている部分があるものの、膜状になっている領域は従来よりも広いことが確認された。すなわち、従来は、膜状に合成したシリコンクラスレートに加えて、粉末状シリコンクラスレートもしくは、アモルファス物質がまばらに生成した。一方で20℃/hrの冷却条件で得られたシリコンクラスレートは、膜状の部分に加えて、アモルファス物質が合成されたが、膜状になっている領域は従来よりも広いことが確認された。また、10℃/hrのより遅い冷却条件によって得られたシリコンクラスレートは20℃/hrの冷却条件で得られたシリコンクラスレートと比較して膜状合成されたシリコンクラスレートの領域が増加した。なお5℃/hrのさらに遅い冷却条件によって得られたシリコンクラスレートは、膜状シリコンクラスレートの領域が従来よりも広いことが確認されたが、従来の方法で合成されたシリコンクラスレートに類似して、粉末状シリコンクラスレートおよびアモルファス物質が確認された。   FIG. 7 shows a photo, which substitutes for a drawing, in which the surface of each silicon clathrate produced at a two-step slow cooling rate in this example is photographed with an optical microscope. FIG. 7A is a photograph of the surface of a silicon clathrate produced under a faster cooling condition of 20 ° C./hr. FIG. 7B is a photograph of the surface of a silicon clathrate produced under slower cooling conditions of 10 ° C./hr. The silicon clathrate obtained by the slower cooling condition of 10 ° C./hr was more uniform in film form than the silicon clathrate obtained by the faster cooling condition of 20 ° C./hr. On the other hand, the silicon clathrate obtained under the cooling condition of 20 ° C./hr is confirmed to have a wider film-like region than the conventional one, although there are some non-uniform portions on the substrate. It was done. That is, conventionally, in addition to the silicon clathrate synthesized in a film shape, powdery silicon clathrate or an amorphous substance is sparsely formed. On the other hand, in the silicon clathrate obtained under the cooling condition of 20 ° C./hr, an amorphous material was synthesized in addition to the film-like portion, but it was confirmed that the film-like region was wider than before. It was. In addition, the silicon clathrate obtained under the slower cooling condition of 10 ° C./hr increased the region of the silicon clathrate synthesized in a film form as compared with the silicon clathrate obtained under the cooling condition of 20 ° C./hr. . The silicon clathrate obtained under slower cooling conditions of 5 ° C / hr was confirmed to have a wider film-like silicon clathrate region, but similar to the silicon clathrate synthesized by the conventional method. Thus, a powdery silicon clathrate and an amorphous substance were confirmed.

実施例2の冷却工程では、徐冷を行うことで一旦蒸気となったナトリウムが結露し、その状態を維持して長時間シリコン基板2とより効率よく反応したと考えられる。冷却工程を徐冷工程とすることで、より均一な薄膜状のシリコンクラスレートを製造することが可能となっている。   In the cooling step of Example 2, it is considered that sodium that once became vapor by performing slow cooling was condensed and reacted with the silicon substrate 2 more efficiently for a long time while maintaining that state. By making the cooling process a slow cooling process, it is possible to produce a more uniform thin-film silicon clathrate.

(実施例3)
冷却工程の短縮を目的として、本実施例によるクラスレートの製造方法では、冷却工程の冷却速度をより速くしてシリコンクラスレートを製造した。ステップ1の前処理工程およびステップ4の第二加熱工程は実施例1および2と同一なので、重複説明を割愛する。ステップ2の第一加熱工程として、アルゴン雰囲気中で反応容器1を密閉し、温度580℃、処理時間は48時間、圧力10Pa以上の条件で加熱を行った。ステップ3の冷却工程では、シリコン基板2とナトリウム入り容器3とを収容した状態で反応容器1を2時間で室温まで急冷した。
Example 3
For the purpose of shortening the cooling process, in the clathrate manufacturing method according to the present example, the silicon clathrate was manufactured by increasing the cooling rate of the cooling process. Since the pretreatment process in step 1 and the second heating process in step 4 are the same as those in the first and second embodiments, redundant description is omitted. As the first heating step in Step 2, the reaction vessel 1 was sealed in an argon atmosphere, and heating was performed under conditions of a temperature of 580 ° C., a treatment time of 48 hours, and a pressure of 10 5 Pa or more. In the cooling process of Step 3, the reaction vessel 1 was rapidly cooled to room temperature in 2 hours in a state where the silicon substrate 2 and the sodium-containing vessel 3 were accommodated.

図8に、本実施例の急冷条件で製造した化合物のラマン分光法による解析結果を示す。500cm−1に、クラスレートに対応するピークが検出されており、ステップ2の冷却工程で急冷を行った場合であってもクラスレートが製造されたことが確認された。図9に本実施例の方法で製造したシリコンクラスレートを光学顕微鏡によって撮影した結果を示す。一部が粉末状となっているが、シリコンクラスレートの結晶が確認された。 In FIG. 8, the analysis result by the Raman spectroscopy of the compound manufactured on the rapid cooling conditions of a present Example is shown. A peak corresponding to the clathrate was detected at 500 cm −1 , and it was confirmed that the clathrate was produced even when quenching was performed in the cooling process of step 2. FIG. 9 shows the result of photographing the silicon clathrate produced by the method of this example with an optical microscope. Part of the powder was in the form of powder, but silicon clathrate crystals were confirmed.

以上、実施例において本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば実施例では、冷却工程を10℃/hrと20℃/hrの2水準で実施する場合について説明したが、実施例2で説明したとおり、5℃/hrで行うと、膜状のシリコンクラスレートが得られることが確認されている。また、本実施例では、シリコン基板とナトリウムを用いてクラスレートを製造したが、他のIV族元素をホスト原子としても、本実施例の方法によってクラスレートの製造が可能である。   As mentioned above, although the specific example of this invention was described in detail in the Example, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. For example, in the example, the case where the cooling process is performed at two levels of 10 ° C./hr and 20 ° C./hr has been described. However, as described in Example 2, when the cooling process is performed at 5 ° C./hr, a film-like silicon class It has been confirmed that a rate can be obtained. In this embodiment, the clathrate is produced using a silicon substrate and sodium. However, the clathrate can be produced by the method of this embodiment even when other group IV elements are used as host atoms.

本発明のクラスレートの製造方法は、好適な膜状のシリコンクラスレートを製造することができる。その結果得られたクラスレートは、太陽電地、熱電素子、超伝導材料として利用可能である。   The clathrate production method of the present invention can produce a suitable film-like silicon clathrate. The resulting clathrate can be used as a solar electric field, a thermoelectric element, or a superconducting material.

Claims (2)

クラスレートの製造方法であって、
ゲスト原子を収容した開口部を有する容器と、IV族元素のホスト原子からなる基板と、を反応容器内に配置し、不活性ガスの雰囲気下で500℃以上の温度により0.5時間以上24時間以下の加熱時間で加熱する第一加熱工程と、
ゲスト原子を収容した前記容器とホスト原子からなる前記基板とが配置されている反応容器を冷却する冷却工程と、
前記基板を、10−2Pa以下の陰圧下で300℃以上450℃以下の温度により1時間以上加熱する第二加熱工程と、
を備えており、
第一加熱工程において、ゲスト原子を収容した前記容器の開口部が当該容器の上面に設けられており、ホスト原子からなる前記基板を、前記容器の開口部よりも低い位置に配置しており、
ホスト原子がシリコンであり、ゲスト原子がナトリウムであり、製造されるクラスレートがシリコンクラスレートであることを特徴とするクラスレートの製造方法。
A method of manufacturing a clathrate,
A container having an opening containing guest atoms and a substrate made of a group IV element host atom are placed in a reaction container, and the temperature is 500 ° C. or higher in an inert gas atmosphere. A first heating step of heating with a heating time of less than or equal to hours;
A cooling step of cooling the reaction vessel in which the vessel containing guest atoms and the substrate made of host atoms are disposed;
A second heating step of heating the substrate for 1 hour or more at a temperature of 300 ° C. or more and 450 ° C. or less under a negative pressure of 10 −2 Pa or less;
With
In the first heating step, an opening of the container containing guest atoms is provided on the upper surface of the container, and the substrate made of host atoms is disposed at a position lower than the opening of the container ,
A method for producing a clathrate, wherein the host atom is silicon, the guest atom is sodium, and the clathrate produced is a silicon clathrate .
前記冷却工程が徐冷工程であり、
当該徐冷工程の冷却速度が5℃/hr以上20℃/hr以下であることを特徴とする請求項1記載のクラスレートの製造方法。
The cooling step is a slow cooling step,
The method for producing a clathrate according to claim 1, wherein a cooling rate in the slow cooling step is 5 ° C / hr or more and 20 ° C / hr or less.
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