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JP6465397B2 - 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 previously disclosed a novel method for producing a film-like silicon clathrate in Patent Document 1. 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

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、これら従来の膜状のクラスレートの製造方法は、ホスト原子の高純度な結晶からなる基板の表面にゲスト原子を供給して加熱することでクラスレートを製造する方法である。このため、膜状のクラスレートが基板と一体化している状態で各種のデバイスに用いようとした場合、基板の特性によって制約を受ける虞があった。   With the techniques disclosed in the above patents and patent applications, it has become possible to produce film-like silicon clathrate and germanium clathrate. However, these conventional film-like clathrate production methods are methods for producing clathrate by supplying guest atoms to the surface of a substrate made of high-purity crystals of host atoms and heating them. For this reason, when it was going to be used for various devices in a state where the film-like clathrate was integrated with the substrate, there was a risk of being restricted by the characteristics of the substrate.

本発明はこのような従来のクラスレートの製造方法の問題点に鑑みてなされたものであって、ホスト原子とは異なる材料の基板上に均質な膜状のクラスレートを製造できる新規な製造方法を提供することを、解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the problems of such a conventional clathrate production method, and is a novel production method capable of producing a homogeneous film-like clathrate on a substrate made of a material different from host atoms. Is a problem to be solved.

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、基板上に、ホスト原子となるIV族元素を膜状に積層する積層工程と、IV族元素の積層を有する前記基板とゲスト原子の結晶とを間隔をおいて反応容器内に収容する前処理工程と、反応容器を不活性ガスの雰囲気下で350℃以上650℃以下の温度により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、ゲスト原子と基板とが収容されている反応容器を冷却する冷却工程と、基板を10−2Pa以下の陰圧下で250℃以上450℃以下の温度により1時間以上24時間以下の加熱時間で加熱する第二加熱工程と、を備えていることを特徴とする。 The present invention relates to a method for producing a clathrate. The clathrate production method of the present invention includes a step of laminating a group IV element serving as a host atom in a film form on a substrate, and the substrate having a group IV element stack and a crystal of a guest atom are spaced from each other. And a first heating step of heating the reaction vessel at a temperature of 350 ° C. or more and 650 ° C. or less for a heating time of 0.5 hours or more and 24 hours or less in an inert gas atmosphere, A cooling step of cooling the reaction vessel containing the guest atoms and the substrate, and a heating time of 1 hour to 24 hours at a temperature of 250 ° C. to 450 ° C. under a negative pressure of 10 −2 Pa or less. And a second heating step for heating.

本発明のクラスレートの製造方法の積層工程は、スパッタ法によって基板上にホスト原子となるIV族元素を積層することが好ましい。   In the laminating step of the clathrate production method of the present invention, a group IV element that becomes a host atom is preferably laminated on the substrate by sputtering.

さらに本発明のクラスレートの製造方法は、ホスト原子をゲルマニウムとし、且つゲスト原子をナトリウムとして、ゲルマニウムクラスレートを製造することが好ましい。ゲルマニウムは、IV族元素の中では比較的低温の熱処理によりクラスレートを製造することが可能であり、容易に膜状のクラスレートを得ることができる。   Furthermore, in the method for producing a clathrate according to the present invention, it is preferable to produce a germanium clathrate using germanium as a host atom and sodium as a guest atom. Germanium can produce a clathrate by heat treatment at a relatively low temperature among group IV elements, and can easily obtain a film-like clathrate.

本発明のクラスレートの製造方法は、基板上にホスト原子となるIV族元素を膜状に積層し、ゲスト原子と共に加熱することで、膜状のクラスレートを製造することが可能となる。基板を形成している物質とホスト原子とが基本的に同一であった従来の製造方法と比較すると、任意の基板の上に膜状のクラスレートを製造することが可能となるため、クラスレートの用途を広げることができる。そして、多様なデバイス構造を作製することが可能になる。また、製造したクラスレートの物性評価方法の選択肢が広がり、精密な電子物性評価が可能になる。   The clathrate production method of the present invention makes it possible to produce a film-like clathrate by laminating a group IV element serving as a host atom on a substrate in a film shape and heating it together with guest atoms. Compared to the conventional manufacturing method in which the substance forming the substrate and the host atoms are basically the same, it is possible to manufacture a film-like clathrate on an arbitrary substrate. Can be expanded. Various device structures can be manufactured. In addition, the options for evaluating the physical properties of the manufactured clathrate are widened, and precise electronic physical properties can be evaluated.

本発明のクラスレートの製造方法は、ホスト原子とは異なる物質で形成した基板を使用することができるため、高価なホスト原子を用いたクラスレートを、従来よりも安価に製造することができる。また、積層する物質の組成比の制御が容易になるため、合金によるクラスレートの製造またはドーピングが従来よりも容易になる。   The clathrate production method of the present invention can use a substrate formed of a material different from the host atom, so that a clathrate using an expensive host atom can be produced at a lower cost than conventional ones. In addition, since it becomes easy to control the composition ratio of the materials to be laminated, the production or doping of clathrate with an alloy becomes easier than before.

一方で、本発明のクラスレートの製造方法は、基板とホスト原子との特定の組み合わせを選択することによって、基板の影響を受けたエピタキシャル成長を行って、これまでにないクラスレートを製造することが可能となる。   On the other hand, the method for producing a clathrate of the present invention can produce an unprecedented clathrate by performing epitaxial growth affected by the substrate by selecting a specific combination of the substrate and the host atom. It becomes possible.

さらに本発明のクラスレートの製造方法は、ホスト原子をゲルマニウムとすることで、好適なゲルマニウムクラスレートを製造することができる。ゲルマニウムは高価である一方、IV族元素の中では比較的低温で熱処理を行うことが可能であり、本発明によって従来よりも容易且つ安価に膜状のクラスレートを製造することができる。   Furthermore, the method for producing a clathrate of the present invention can produce a suitable germanium clathrate by using germanium as the host atom. While germanium is expensive, among group IV elements, heat treatment can be performed at a relatively low temperature, and a film-like clathrate can be produced by the present invention more easily and at a lower cost.

図1は、本発明の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 producing a clathrate according to the present invention. 図2は、実施例1の冷却工程終了後のゲルマニウム膜のX線回折パターンを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the germanium film after completion of the cooling process of Example 1. 図3は、実施例1の冷却工程終了後のゲルマニウム膜の図面代用写真である。FIG. 3 is a drawing-substituting photograph of the germanium film after completion of the cooling step of Example 1. 図4は、実施例1で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを示す図である。4 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the film-like germanium clathrate produced in Example 1. FIG. 図5は、実施例1で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートの図面代用写真である。FIG. 5 is a drawing-substituting photograph of the film-like germanium clathrate produced in Example 1. 図6は、実施例2で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを示す図である。6 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a film-like germanium clathrate produced in Example 2. FIG. 図7は、実施例2の冷却工程終了後のゲルマニウム膜の図面代用写真である。FIG. 7 is a drawing-substituting photograph of the germanium film after completion of the cooling step of Example 2. 図8は、実施例2で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートの図面代用写真である。FIG. 8 is a drawing-substituting photograph of the film-like germanium clathrate produced in Example 2. 図9は、実施例3の積層工程でサファイア基板の表面に堆積したゲルマニウム膜の図面代用写真である。FIG. 9 is a drawing-substituting photograph of the germanium film deposited on the surface of the sapphire substrate in the laminating process of Example 3. 図10は、実施例3で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a film-like germanium clathrate produced in Example 3. 図11は、実施例3で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートの断面の電子顕微鏡による図面代用写真である。FIG. 11 is a drawing-substituting photograph of the cross section of the film-like germanium clathrate produced in Example 3 using an electron microscope. 図12は、比較例で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a film-like germanium clathrate produced in a comparative example. 図13は、比較例で製造した膜状のゲルマニウムクラスレートの図面代用写真である。FIG. 13 is a drawing-substituting photograph of the film-like germanium clathrate produced in the comparative example.

以下、本発明を、ホスト原子にゲルマニウムを用い、ゲスト原子としてナトリウムを用いて、膜状のゲルマニウム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、積層工程と、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, an embodiment in which the present invention is embodied as a manufacturing method for manufacturing a film-like germanium clathrate using germanium 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 laminating process, a pretreatment process, a first heating process, a cooling process, and a second heating process.

図1のステップ1(S1)に示す積層工程では、好ましくはスパッタ法によって、基板上にホスト原子であるゲルマニウムを薄膜状に積層する。好適なスパッタリングの条件は、投入電力が200W、アルゴン流量が50sccm、圧力が1.0Paである。また、成膜時間は、必要な膜厚に応じて、15分以上60分以下に設定する。   In the laminating process shown in Step 1 (S1) of FIG. 1, germanium, which is a host atom, is laminated in a thin film on a substrate, preferably by sputtering. Suitable sputtering conditions are an input power of 200 W, an argon flow rate of 50 sccm, and a pressure of 1.0 Pa. The film formation time is set to 15 minutes or more and 60 minutes or less according to the required film thickness.

基板上にゲルマニウムを積層する方法として、スパッタ法の他に、化学蒸着法(CVD)または蒸着法を適用することが可能である。   As a method for stacking germanium on the substrate, a chemical vapor deposition method (CVD) or a vapor deposition method can be applied in addition to the sputtering method.

ゲルマニウムを積層する基板の種類は、第一加熱工程と第二加熱工程での変質が少なく、且つゲスト原子であるナトリウムとの反応性が低い基板であることが条件となる。また、エピタキシャル成長させる場合には、製造されるIV族クラスレートと基板の界面において、それぞれの原子間隔および配列が近いことが好ましい。ゲルマニウムを積層するための好適な基板の例としては、シリコン基板、サファイア基板、または無水合成石英基板を含む種々のガラス基板が挙げられる。   The type of the substrate on which germanium is laminated is that the substrate is a substrate that has little alteration in the first heating step and the second heating step and has low reactivity with sodium as a guest atom. In the case of epitaxial growth, it is preferable that the atomic spacing and arrangement are close at the interface between the manufactured group IV clathrate and the substrate. Examples of suitable substrates for laminating germanium include various glass substrates including silicon substrates, sapphire substrates, or anhydrous synthetic quartz substrates.

図1のステップステップ2(S2)に示す前処理工程では、ゲルマニウムを積層した基板とナトリウムの結晶とを、間隔をおいて反応容器内に配置する。基板とナトリウムの結晶との好適な間隔は、5mm以上15mm以下である。ゲルマニウム基板は、水平に配置することが好ましい。   In the pretreatment step shown in step 2 (S2) of FIG. 1, a substrate on which germanium is laminated and a crystal of sodium are placed in a reaction container with an interval therebetween. A suitable distance between the substrate and the sodium crystal is 5 mm or more and 15 mm or less. The germanium substrate is preferably arranged horizontally.

図1のステップ3(S3)に示す第一加熱工程では、反応容器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、350℃以上650℃以下の温度で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、基板上のゲルマニウムの表面にナトリウムの蒸気が供給される。350℃未満の加熱ではその後の工程を行ってもゲルマニウム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、350℃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 3 (S3) of FIG. 1, the silicon substrate 2 and the sodium-containing vessel 3 accommodated in the reaction vessel are heated at a temperature of 350 ° C. or higher and 650 ° C. or lower for 0.5 hour or longer and 24 hours or shorter. Heat during. In the first heating process of this embodiment, sodium vapor is supplied to the surface of germanium on the substrate. It has been confirmed that the heating at a temperature of less than 350 ° C. does not generate a germanium clathrate even if the subsequent steps are performed. In the first heating step, it is necessary to perform a treatment at a temperature of 350 ° C. or higher.

図1のステップ4(S4)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、基板を収容した状態で、反応容器全体を5℃/hr以上20℃/hr以下の速度で冷却するか、または自然降温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、結露して基板状のゲルマニウムと反応すると推定される工程である。   In the cooling step shown in Step 4 (S4) of FIG. 1, preferably slow cooling is performed. When performing slow cooling, it is preferable to cool the whole reaction vessel at a rate of 5 ° C./hr or more and 20 ° C./hr or less, or naturally cool the substrate while the substrate is accommodated. 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 substrate-like germanium.

図1のステップ5(S5)に示す第二加熱工程では、ここまでの工程でゲルマニウムクラスレートの前駆体が形成されている基板を、10−2Pa以下の陰圧下で250℃以上450℃以下の温度に加熱する。加熱時間は1時間以上24時間以内に設定される。第二加熱工程の間に、基板上のゲルマニウムクラスレートの前駆体が、ナトリウムを内包するゲルマニウムクラスレートに変化する。 In the second heating step shown in Step 5 (S5) of FIG. 1, the substrate on which the germanium clathrate precursor has been formed in the steps up to here is 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower under a negative pressure of 10 −2 Pa or lower. Heat to the temperature of. The heating time is set within 1 hour and within 24 hours. During the second heating step, the germanium clathrate precursor on the substrate changes to a germanium clathrate containing sodium.

本実施形態のゲルマニウムクラスレートの製造方法では、基板の表面に、スパッタ法によってゲルマニウムの薄膜を積層し、この薄膜をナトリウムと高温で反応させることによって、ゲルマニウムクラスレートを製造する。この製造方法により、種々の基板の上に薄膜状のゲルマニウムクラスレートを製造することができるので、従来にないデバイスへの適用が可能となる。   In the method for producing a germanium clathrate according to the present embodiment, a germanium clathrate is produced by laminating a germanium thin film on the surface of a substrate by sputtering and reacting the thin film with sodium at a high temperature. With this manufacturing method, a thin film-like germanium clathrate can be manufactured on various substrates, so that it can be applied to an unprecedented device.

以下に、本実施形態をより具体化し、種々の基板上にゲルマニウムクラスレートを形成した実施例1から3と、従来の製造方法によってゲルマニウム基板上にゲルマニウムクラスレートを製造した比較例とを示す。   Hereinafter, Examples 1 to 3 in which the present embodiment is further embodied and germanium clathrate is formed on various substrates, and a comparative example in which germanium clathrate is manufactured on a germanium substrate by a conventional manufacturing method are shown.

(実施例1)
本実施例では、(111)面が表面に現れているシリコン基板を用いて、ゲルマニウムクラスレートを製造した。最初に、ステップ1(S1)で、スパッタ法によってゲルマニウム膜を成膜した。本実施例のスパッタリングの条件は、投入電力が200W、アルゴン流量が50sccm、圧力が1.0Pa、成膜時間が30分である。X線回折によって、これらの基板上のゲルマニウム膜がアモルファス構造を有していることが確認された。
Example 1
In this example, a germanium clathrate was manufactured using a silicon substrate having a (111) plane appearing on the surface. First, in Step 1 (S1), a germanium film was formed by sputtering. The sputtering conditions in this example are as follows: input power is 200 W, argon flow rate is 50 sccm, pressure is 1.0 Pa, and film formation time is 30 minutes. X-ray diffraction confirmed that the germanium films on these substrates had an amorphous structure.

ステップ2(S2)の前処理工程では、スパッタ法によってゲルマニウム膜が形成された基板を金属ナトリウム片と共に反応容器に収容した。次に、ステップ3(S3)の第一加熱工程では、アルゴン雰囲気下で、圧力10Pa、処理温度400℃、処理時間3時間の加熱処理を行った。反応容器内では、基板上のゲルマニウム膜とナトリウムの蒸気とが反応した。さらに、ステップ4(S4)の冷却工程で、反応容器を自然降温で冷却した。冷却工程が完了した時点での、シリコン基板上に形成されているゲルマニウム膜のX線回折パターンを図2に示す。このとき、ゲルマニウム膜はナトリウムと反応してゲルマニウムクラスレートの前駆体となっている。図3に、X線回折による解析を行ったシリコン基板上のゲルマニウムクラスレートの前駆体の光学写真を示す。 In the pretreatment step of Step 2 (S2), the substrate on which the germanium film was formed by the sputtering method was accommodated in the reaction vessel together with the metal sodium piece. Next, in the first heating step of Step 3 (S3), heat treatment was performed in an argon atmosphere at a pressure of 10 5 Pa, a treatment temperature of 400 ° C., and a treatment time of 3 hours. In the reaction vessel, the germanium film on the substrate and sodium vapor reacted. Further, in the cooling process of Step 4 (S4), the reaction vessel was cooled by natural temperature drop. FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of the germanium film formed on the silicon substrate when the cooling process is completed. At this time, the germanium film reacts with sodium to become a precursor of germanium clathrate. FIG. 3 shows an optical photograph of a germanium clathrate precursor on a silicon substrate analyzed by X-ray diffraction.

ステップ5(S5)の第二加熱工程として、ゲルマニウムクラスレートの前駆体が形成されている基板を、圧力10−2Pa、温度300℃の条件で12時間加熱した。その後、自然降温で冷却した。冷却後の、シリコン基板上に形成されているゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを図4に示す。この解析結果から、形成されたゲルマニウムクラスレート膜はII型であり、(111)配向および(022)配向を有していることが確認された。図5に、製造されたシリコン基板上のゲルマニウムクラスレートの光学写真を示す。図5に示すとおり、膜状のゲルマニウムクラスレートが製造された。 As the second heating step of Step 5 (S5), the substrate on which the germanium clathrate precursor was formed was heated for 12 hours under the conditions of a pressure of 10 −2 Pa and a temperature of 300 ° C. Then, it cooled by natural temperature fall. FIG. 4 shows an X-ray diffraction pattern of germanium clathrate formed on the silicon substrate after cooling. From this analysis result, it was confirmed that the formed germanium clathrate film was of type II and had (111) orientation and (022) orientation. FIG. 5 shows an optical photograph of germanium clathrate on the produced silicon substrate. As shown in FIG. 5, a film-like germanium clathrate was produced.

本実施例の製造方法によって、ゲルマニウムクラスレートをシリコン基板の上に製造することが可能となった。シリコン基板は、従来ゲルマニウムクラスレートを製造するために用いられてきたゲルマニウム基板よりも安価であり、本実施例の製造方法によって、従来よりも安価に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。また、(111)配向および(022)配向は、(111)面が表面に現れているシリコン基板を用いたクラスレートの製造方法によって得られる特有の構造であり、基板の影響を受けてエピタキシャル成長したゲルマニウムクラスレートを製造することができた。   According to the manufacturing method of the present embodiment, germanium clathrate can be manufactured on a silicon substrate. The silicon substrate is cheaper than the germanium substrate that has been conventionally used for producing germanium clathrate, and the production method of this embodiment makes it possible to produce germanium clathrate at a lower cost than before. . The (111) orientation and (022) orientation are unique structures obtained by a clathrate manufacturing method using a silicon substrate with the (111) plane appearing on the surface, and are epitaxially grown under the influence of the substrate. Germanium clathrate could be produced.

(実施例2)
本実施例では、ガラス基板を用いて、ゲルマニウムクラスレートを製造した。使用した基板は、Corning Incorporated製のEAGLE XG(登録商標)ガラス基板と、無水合成石英基板(以下、単に石英基板とも言う)である。
(Example 2)
In this example, a germanium clathrate was produced using a glass substrate. The substrates used were a Corning Incorporated EAGLE XG (registered trademark) glass substrate and an anhydrous synthetic quartz substrate (hereinafter also simply referred to as a quartz substrate).

ステップ1(S1)で、スパッタ法によってゲルマニウム膜を成膜した。スパッタリングの条件は、投入電力が200W、アルゴン流量が50sccm、圧力が1.0Paである。本実施例では、成膜時間を15分から60分まで変化させて、積層されるゲルマニウム膜の膜厚を変化させて、製造されるゲルマニウムクラスレートの特性を検証した。実施例1と同様に、X線回折によって、基板上にアモルファス構造のゲルマニウム膜が形成されていることが確認された。   In step 1 (S1), a germanium film was formed by sputtering. The sputtering conditions are an input power of 200 W, an argon flow rate of 50 sccm, and a pressure of 1.0 Pa. In this example, the characteristics of the manufactured germanium clathrate were verified by changing the film formation time from 15 minutes to 60 minutes and changing the thickness of the deposited germanium film. As in Example 1, it was confirmed by X-ray diffraction that an amorphous germanium film was formed on the substrate.

本実施例では、ステップ2(S2)の前処理工程からステップ5(S5)の第二加熱工程までは、実施例1と同一の条件で、加熱と冷却を行った。図6に、石英基板上に形成されているゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを示す。この解析結果から、形成されたゲルマニウムクラスレート膜はII型であることが確認された。また、Raman分光法によっても、同様に、II型のゲルマニウムクラスレートに対応するピークが検出されて、ゲルマニウムクラスレートが基板上に形成されたことが検証された。図7に、冷却工程終了後の、ゲルマニウムクラスレートの前駆体が形成されている石英基板の光学写真を示す。図8に、X線回折に用いた、石英基板上のゲルマニウムクラスレートの光学写真を示す。図8に示すとおり、膜状のゲルマニウムクラスレートが製造された。同様に、EAGLE XG(登録商標)ガラス基板でも膜状のゲルマニウムクラスレートを製造することができた。   In this example, heating and cooling were performed under the same conditions as in Example 1 from the pretreatment process of Step 2 (S2) to the second heating process of Step 5 (S5). FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern of germanium clathrate formed on a quartz substrate. From this analysis result, it was confirmed that the formed germanium clathrate film was type II. Similarly, Raman spectroscopy detected a peak corresponding to type II germanium clathrate and verified that the germanium clathrate was formed on the substrate. FIG. 7 shows an optical photograph of the quartz substrate on which the germanium clathrate precursor is formed after the cooling step. FIG. 8 shows an optical photograph of germanium clathrate on a quartz substrate used for X-ray diffraction. As shown in FIG. 8, a film-like germanium clathrate was produced. Similarly, a film-like germanium clathrate could be produced using an EAGLE XG (registered trademark) glass substrate.

本実施例では、ステップ1の積層工程でスパッタリングを行う時間を15分から60分まで変えることで、積層するゲルマニウム膜の厚さを変化させた。そして、ゲルマニウム膜の厚さに対応して第一加熱工程の加熱時間を変化させて、ゲルマニウムクラスレートの収率を向上させる試みを行った。しかしながら、石英基板はナトリウムとの反応性があり、第一加熱工程で24時間以上の長時間の加熱処理を行うと、ゲルマニウム膜と基板との界面の変色が始まる。このため、ガラス基板を用いた場合の、第一加熱工程の好ましい処理時間は24時間以内であることが明らかとなった。   In this example, the thickness of the germanium film to be stacked was changed by changing the sputtering time in the stacking process of Step 1 from 15 minutes to 60 minutes. Then, an attempt was made to improve the yield of germanium clathrate by changing the heating time of the first heating step corresponding to the thickness of the germanium film. However, the quartz substrate is reactive with sodium, and discoloration at the interface between the germanium film and the substrate starts when the heat treatment for 24 hours or longer is performed in the first heating step. For this reason, when the glass substrate was used, it became clear that the preferable processing time of a 1st heating process is less than 24 hours.

本実施例のクラスレートの製造方法では、ガラス基板を用いたことで透明な基板上にゲルマニウムクラスレートを製造することを可能とした。透明な基板上のクラスレートは、太陽電池などの光学デバイスへの広い用途を有する。   In the clathrate production method of the present example, germanium clathrate can be produced on a transparent substrate by using a glass substrate. The clathrate on a transparent substrate has wide application to optical devices such as solar cells.

(実施例3)
本実施例では、サファイア基板を用いて、ゲルマニウムクラスレートを製造した。ステップ1からステップ5までの製造方法と製造条件は、実施例1と同一であり、重複説明を割愛する。
図9に、ステップ2の積層工程でサファイア基板の表面に堆積させたゲルマニウムが膜となっている状態を撮影した光学写真を示す。図10に、サファイア基板上に形成されているゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを示す。この解析結果から、形成されたゲルマニウムクラスレート膜はII型であることが確認された。また、Raman分光法によっても、同様に、II型のゲルマニウムクラスレートに対応するピークが検出されて、ゲルマニウムクラスレートが基板上に形成されたことが検証された。図11に、製造されたサファイア基板上のゲルマニウムクラスレートの断面電子顕微鏡写真を示す。図11に示すとおり、膜状のゲルマニウムクラスレートが製造された。
(Example 3)
In this example, a germanium clathrate was manufactured using a sapphire substrate. The manufacturing method and the manufacturing conditions from Step 1 to Step 5 are the same as those in the first embodiment, and a duplicate description is omitted.
FIG. 9 shows an optical photograph of a state in which germanium deposited on the surface of the sapphire substrate in the layering process in step 2 is a film. FIG. 10 shows an X-ray diffraction pattern of germanium clathrate formed on the sapphire substrate. From this analysis result, it was confirmed that the formed germanium clathrate film was type II. Similarly, Raman spectroscopy detected a peak corresponding to type II germanium clathrate and verified that the germanium clathrate was formed on the substrate. FIG. 11 shows a cross-sectional electron micrograph of germanium clathrate on the produced sapphire substrate. As shown in FIG. 11, a film-like germanium clathrate was produced.

本実施例で用いたサファイア基板はナトリウムとの反応性がガラス基板よりも弱く、第一加熱工程で24時間加熱処理を行った場合であっても、ゲルマニウム膜と基板との界面の変色は認められなかった。サファイア基板を用いることで、より多様な膜厚を有するゲルマニウムクラスレートの製造が可能となる。   The sapphire substrate used in this example is less reactive with sodium than the glass substrate, and even when the heat treatment is performed for 24 hours in the first heating step, discoloration of the interface between the germanium film and the substrate is recognized. I couldn't. By using a sapphire substrate, germanium clathrate having various film thicknesses can be manufactured.

(比較例)
比較例として、ゲルマニウム基板とナトリウムとを原料とし、発明者が特許文献3に開示した従来技術を適用して製造したゲルマニウムクラスレートの特性を示す。この比較例では、ゲルマニウム基板とナトリウムの結晶とを間隔をおいて反応容器内に配置し、第一加熱工程ではアルゴン雰囲気下の圧力10Pa、温度400℃で3時間加熱し、自然降温した。さらに第二加熱工程では、前駆体が形成されているゲルマニウム基板を、10−2Pa以下、温度300℃で12時間加熱し、自然冷却してゲルマニウムクラスレートを製造している。
(Comparative example)
As a comparative example, the characteristics of a germanium clathrate manufactured by applying the conventional technique disclosed in Patent Document 3 by the inventors using a germanium substrate and sodium as raw materials are shown. In this comparative example, a germanium substrate and a sodium crystal were placed in a reaction vessel at an interval. In the first heating step, the temperature was naturally lowered by heating at a pressure of 10 5 Pa in an argon atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 3 hours. . Further, in the second heating step, the germanium substrate on which the precursor is formed is heated at 10 −2 Pa or less and a temperature of 300 ° C. for 12 hours, and is naturally cooled to produce a germanium clathrate.

図12の下段に、比較例の第一加熱工程終了時の、ゲルマニウム基板上に形成されたゲルマニウムとナトリウムとからなる前駆体のX線回折パターンを示す。図12の上段に、比較例で第二加熱工程の終了時の、ゲルマニウム基板上に形成されたゲルマニウムクラスレートのX線回折パターンを示す。この解析結果から、前駆体はナトリウムゲルマナイドが(101)および(200)配向しており、形成されたゲルマニウムクラスレート膜は(111)配向していることが確認された。図13に、ゲルマニウム基板上のゲルマニウムクラスレートの光学写真を示す。この比較例のゲルマニウムクラスレートと、実施例1から実施例3のゲルマニウムクラスレートとの間に外観上の大きな差異はなく、いずれも均一な膜状のクラスレートが形成されている。   The lower part of FIG. 12 shows an X-ray diffraction pattern of a precursor composed of germanium and sodium formed on a germanium substrate at the end of the first heating step of the comparative example. The upper part of FIG. 12 shows an X-ray diffraction pattern of a germanium clathrate formed on a germanium substrate at the end of the second heating step in the comparative example. From this analysis result, it was confirmed that sodium germanide was (101) and (200) oriented in the precursor, and the formed germanium clathrate film was (111) oriented. FIG. 13 shows an optical photograph of germanium clathrate on a germanium substrate. There is no significant difference in appearance between the germanium clathrate of this comparative example and the germanium clathrate of Example 1 to Example 3, and a uniform film-like clathrate is formed in both cases.

比較例のゲルマニウムクラスレート膜は(111)配向しているのに対して、実施例1のシリコン基板上に製造したゲルマニウムクラスレートは、図4に示したとおり(111)配向と(022)配向とを有している。本発明のクラスレートの製造方法が、ホスト原子を堆積する基板の構造に対応して、多様なクラスレートを製造可能であることが、この比較例と実施例1との対比からも明らかである。   The germanium clathrate film of the comparative example is (111) oriented, whereas the germanium clathrate produced on the silicon substrate of Example 1 has (111) orientation and (022) orientation as shown in FIG. And have. It is also clear from the comparison between this comparative example and Example 1 that the clathrate manufacturing method of the present invention can manufacture various clathrates corresponding to the structure of the substrate on which the host atoms are deposited. .

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、第二加熱工程の温度を300℃としたときについて詳細な説明を行ったが、一旦前駆体が形成されているゲルマニウムとナトリウムの化合物は、250℃以上450℃以下の温度で加熱処理を行うことでクラスレートの製造を行うことができる。また実施例ではゲルマニウム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 examples, a detailed description was given of the case where the temperature of the second heating step was 300 ° C., but the germanium and sodium compound once formed with the precursor has a temperature of 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower The clathrate can be produced by performing the heat treatment at. Further, in the examples, the clathrate was produced using germanium and sodium, but the clathrate can be produced by the method of this example also using other group IV elements as host atoms.

本発明のクラスレートの製造方法は、好適な膜状のゲルマニウムクラスレートおよび他のIV族元素をホスト原子とする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 germanium clathrate and a clathrate having another group IV element as a host atom. 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、
基板上に、ホスト原子となるIV族元素を積層する積層工程と、
IV族元素の積層を有する前記基板とゲスト原子の結晶とを間隔をおいて反応容器内に収容する前処理工程と、
当該反応容器を、不活性ガスの雰囲気下で350℃以上650℃以下の温度により、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、
ゲスト原子と前記基板とが収容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250℃以上450℃以下の温度により1時間以上24時間以下の加熱時間で加熱する第二加熱工程と、
を備えており、
ホスト原子がゲルマニウムであり、且つゲスト原子がナトリウム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 laminating step of laminating a group IV element serving as a host atom on a substrate;
A pretreatment step of accommodating the substrate having a stack of group IV elements and a crystal of a guest atom in a reaction container at an interval;
A first heating step of heating the reaction vessel at a temperature of 350 ° C. or more and 650 ° C. or less in an inert gas atmosphere for a heating time of 0.5 hours or more and 24 hours or less;
A cooling step of cooling a reaction vessel in which guest atoms and the substrate are accommodated;
A second heating step of heating the substrate under a negative pressure of 10 −2 Pa or less at a temperature of 250 ° C. or more and 450 ° C. or less for a heating time of 1 hour or more and 24 hours or less;
Equipped with a,
A method for producing a clathrate, wherein the host atom is germanium and the guest atom is sodium .
前記積層工程が、スパッタ法によって基板上にホスト原子となるIV族元素を積層す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。   2. The method for producing a clathrate according to claim 1, wherein in the laminating step, a group IV element serving as a host atom is laminated on the substrate by a sputtering method.
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