JP7767733B2 - Material manufacturing method and photocatalyst - Google Patents
Material manufacturing method and photocatalystInfo
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Description
特許法第30条第2項適用 令和2年12月17日にJapanese Journal of Applied Physics,Volume 60,Number 1,010903(2021)にて発明を公開 令和3年3月24日に横浜市立大学生命ナノシステム科学研究科物質システム科学専攻博士後期課程本審査にて発明を公開The invention was published in the Japanese Journal of Applied Physics, Volume 60, Number 1, 010903 (2021) on December 17, 2020, subject to Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. The invention was published in the final examination of the doctoral program in the Department of Materials Systems Science, Graduate School of Nanobioscience, Yokohama City University on March 24, 2021.
本開示は、材料製造方法、および、光触媒に関する。 This disclosure relates to a material manufacturing method and a photocatalyst.
近年、金属ナノロッドや、金属酸化物ナノロッド等のナノ構造体は、従来の材料が有する特性を飛躍的に向上させた特性を備えていたり、従来の材料にはない特性を備えていたりする。このため、ナノ構造体は、電磁波吸収材料、電池の電極材料、触媒材料、半導体材料、電子放出素子材料、光学材料、強度補強材料等の次世代の機能材料として期待されている。 In recent years, nanostructures such as metal nanorods and metal oxide nanorods have been found to possess properties that dramatically improve upon those of conventional materials, or even possess properties not found in conventional materials. For this reason, nanostructures are expected to be used as next-generation functional materials, including electromagnetic wave absorbing materials, battery electrode materials, catalyst materials, semiconductor materials, electron emitter materials, optical materials, and strength-reinforcing materials.
このようなナノ構造体の製造方法として、例えば、特許文献1には、担体および有機金属錯体を液中に分散させた後、有機金属錯体を熱分解させて、金属粒子を担体の表面に析出させることで、粒径1nm以下の金属粒子を担体表面に担持させる触媒の製造方法が記載されている。 As a method for producing such nanostructures, for example, Patent Document 1 describes a method for producing a catalyst in which a support and an organometallic complex are dispersed in a liquid, and then the organometallic complex is thermally decomposed to precipitate metal particles on the surface of the support, thereby supporting metal particles with a particle size of 1 nm or less on the support surface.
上記したように、ナノ構造体は、次世代の機能材料として期待されているため、ナノ構造体を含む新規の材料の開発が希求されている。 As mentioned above, nanostructures are expected to be next-generation functional materials, and there is a demand for the development of new materials that include nanostructures.
本開示は、新規の材料を製造することが可能な材料製造方法、および、光触媒を提供することを目的としている。 The purpose of this disclosure is to provide a material production method that can produce new materials, and a photocatalyst.
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る材料製造方法は、チャンバと、チャンバ内に設けられ、所定の元素で構成されるスパッタリングターゲットと、チャンバ内にプラズマ流を放出するプラズマ放出部とを有し、プラズマ放出部によって放出されたプラズマ流を構成するプラズマが、スパッタリングターゲットに衝突するプラズマCVD装置において、少なくとも炭素化合物のガスを含む反応ガスをチャンバ内に供給し、チャンバ内にプラズマ流を放出して、チャンバ内に設けられた基板上に、カーボンナノウォールを形成させつつ、カーボンナノウォールに所定の元素をドープする工程と、ドープする工程を実行した後、プラズマ流の放出を維持したまま、反応ガスのチャンバ内への供給を停止する工程と、を含み、所定の元素は、鉄よりもスパッタレートが低い元素である。 In order to solve the above problem, a material manufacturing method according to one embodiment of the present disclosure is a plasma CVD apparatus having a chamber, a sputtering target provided in the chamber and composed of a predetermined element, and a plasma discharge unit that discharges a plasma flow into the chamber , wherein the plasma constituting the plasma flow discharged by the plasma discharge unit collides with the sputtering target, the method comprising the steps of: supplying a reactive gas containing at least a carbon compound gas into the chamber; discharging a plasma flow into the chamber; and doping the carbon nanowalls with the predetermined element while forming carbon nanowalls on a substrate provided in the chamber; and, after performing the doping step, stopping the supply of the reactive gas into the chamber while maintaining the discharge of the plasma flow , wherein the predetermined element is an element having a lower sputtering rate than iron .
また、停止する工程を実行した後、所定の元素がドープされたカーボンナノウォールから炭素を低減する工程をさらに含んでもよい。 Furthermore, after performing the stopping step, the method may further include a step of reducing carbon from the carbon nanowalls doped with the specified element.
新規の材料を製造することが可能となる。 It will become possible to manufacture new materials.
以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。 One embodiment of the present disclosure will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Dimensions, materials, and other specific values shown in this embodiment are merely examples to facilitate understanding and, unless otherwise specified, do not limit the present disclosure. Note that in this specification and drawings, elements that have substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals to avoid redundant explanation, and elements not directly related to this disclosure are not shown.
[材料製造方法]
図1は、本実施形態にかかる材料製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図1に示すように、本実施形態にかかる材料製造方法は、形成工程S110と、スパッタリング工程S120と、炭素低減工程S130とを含む。以下、形成工程S110、スパッタリング工程S120、炭素低減工程S130の詳細について説明する。
[Material manufacturing method]
1 is a flowchart illustrating the process flow of a material production method according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the material production method according to this embodiment includes a formation step S110, a sputtering step S120, and a carbon reduction step S130. Details of the formation step S110, the sputtering step S120, and the carbon reduction step S130 will be described below.
[形成工程S110]
形成工程S110は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置100を用いて、基板上にカーボンナノウォールを形成させつつ、カーボンナノウォールに所定の元素(以下、「ドープ元素」という)をドープする工程である。
[Formation step S110]
The forming step S110 is a step of forming carbon nanowalls on a substrate using a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus 100 and doping the carbon nanowalls with a predetermined element (hereinafter referred to as a "dope element").
図2は、プラズマCVD装置100の具体的な構成を説明する図である。図2に示すように、プラズマCVD装置100は、チャンバ110と、基板ホルダ120と、ターゲット保持部130と、プラズマ銃140とを含む。 Figure 2 is a diagram illustrating the specific configuration of the plasma CVD apparatus 100. As shown in Figure 2, the plasma CVD apparatus 100 includes a chamber 110, a substrate holder 120, a target holder 130, and a plasma gun 140.
チャンバ110には、ガス供給口112が形成されている。反応ガスおよび不活性ガスは、ガス供給口112を介して、チャンバ110の内部に供給される。反応ガスは、少なくとも炭素化合物のガス(例えば、メタン(CH4))を含む。なお、反応ガスは、炭素化合物のガスに加えて水素(H2)を含んでいてもよい。不活性ガスは、例えば、アルゴン(Ar)である。 The chamber 110 is formed with a gas supply port 112. A reactive gas and an inert gas are supplied into the chamber 110 through the gas supply port 112. The reactive gas contains at least a carbon compound gas (e.g., methane ( CH4 )). The reactive gas may contain hydrogen ( H2 ) in addition to the carbon compound gas. The inert gas is, for example, argon (Ar).
チャンバ110内に供給される炭素化合物のガスの流量は、例えば、5sccm(standard cc/min)以上20sccm以下(例えば、10sccm)である。また、チャンバ110内に供給される水素の流量は、例えば、0sccm以上40sccm以下(例えば、10sccm)である。また、チャンバ110内に供給される不活性ガスの流量は、60sccm以上90sccm以下(例えば、80sccm)である。 The flow rate of the carbon compound gas supplied into the chamber 110 is, for example, 5 sccm (standard cc/min) or more and 20 sccm or less (e.g., 10 sccm). The flow rate of the hydrogen supplied into the chamber 110 is, for example, 0 sccm or more and 40 sccm or less (e.g., 10 sccm). The flow rate of the inert gas supplied into the chamber 110 is, for example, 60 sccm or more and 90 sccm or less (e.g., 80 sccm).
また、チャンバ110には、不図示の真空ポンプが接続されている。真空ポンプは、チャンバ110内の圧力を所定の圧力(例えば、3.0E-3Torr以上8.0E-3Torr以下)に維持する。 A vacuum pump (not shown) is also connected to chamber 110. The vacuum pump maintains the pressure inside chamber 110 at a predetermined pressure (e.g., 3.0E-3 Torr or higher and 8.0E-3 Torr or lower).
また、チャンバ110には、不図示の加熱器が設けられている。加熱器は、チャンバ110内の温度を、450℃以上750℃以下、好ましくは、500℃以上650℃以下に維持する。これにより、プラズマCVD装置100は、カーボンナノウォールを効率よく形成させることができる。 The chamber 110 is also equipped with a heater (not shown). The heater maintains the temperature inside the chamber 110 at 450°C or higher and 750°C or lower, preferably 500°C or higher and 650°C or lower. This allows the plasma CVD apparatus 100 to efficiently form carbon nanowalls.
基板ホルダ120は、チャンバ110内に設けられる。基板ホルダ120は、基板Sを保持する。基板Sは、例えばケイ素(Si)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ジルコン(Zr)、ニオブ(Nb)等の炭化物を形成しやすい元素を含む。 The substrate holder 120 is provided within the chamber 110. The substrate holder 120 holds the substrate S. The substrate S contains elements that easily form carbides, such as silicon (Si), titanium (Ti), tantalum (Ta), zirconium (Zr), and niobium (Nb).
ターゲット保持部130は、チャンバ110内に設けられる。ターゲット保持部130は、スパッタリングターゲットTを保持する。また、ターゲット保持部130は、スパッタリングターゲットTに所定の周波数で電圧(DC)を連続的に(常時)印加する。 The target holder 130 is provided within the chamber 110. The target holder 130 holds the sputtering target T. The target holder 130 also continuously (always) applies a voltage (DC) at a predetermined frequency to the sputtering target T.
本実施形態において、スパッタリングターゲットTは、鉄よりもスパッタレートの低い金属元素で構成される。アルゴンプラズマ下、照射エネルギー600eV(以下、「スパッタ条件」という)の場合、鉄のスパッタレートは、1.26である。スパッタリングターゲットTは、例えば、アルミニウム(Al、上記スパッタ条件におけるスパッタレート1.24)、イリジウム(Ir、上記スパッタ条件におけるスパッタレート1.17)、オスミウム(Os、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.95)、モリブデン(Mo、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.93)、レニウム(Re、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.91)、ハフニウム(Hf、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.83)、ベリリウム(Be、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.80)、ジルコニウム(Zr、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.75)、バナジウム(V、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.70)、ニオブ(Nb、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.65)、タングステン(W、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.62)、タンタル(Ta、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.62)、および、チタン(Ti、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.58)の群から選択される1の金属元素(ドープ元素)、または、複数の金属元素の合金で構成される。 In this embodiment, the sputtering target T is composed of a metal element with a lower sputtering rate than iron. Under argon plasma with an irradiation energy of 600 eV (hereinafter referred to as "sputtering conditions"), the sputtering rate of iron is 1.26. The sputtering target T may be composed of, for example, aluminum (Al, sputtering rate 1.24 under the above sputtering conditions), iridium (Ir, sputtering rate 1.17 under the above sputtering conditions), osmium (Os, sputtering rate 0.95 under the above sputtering conditions), molybdenum (Mo, sputtering rate 0.93 under the above sputtering conditions), rhenium (Re, sputtering rate 0.91 under the above sputtering conditions), hafnium (Hf, sputtering rate 0.83 under the above sputtering conditions), or beryllium (Be, sputtering rate 0.94 under the above sputtering conditions). It is composed of one metal element (doping element) selected from the group consisting of 0.80), zirconium (Zr, sputtering rate 0.75 under the above sputtering conditions), vanadium (V, sputtering rate 0.70 under the above sputtering conditions), niobium (Nb, sputtering rate 0.65 under the above sputtering conditions), tungsten (W, sputtering rate 0.62 under the above sputtering conditions), tantalum (Ta, sputtering rate 0.62 under the above sputtering conditions), and titanium (Ti, sputtering rate 0.58 under the above sputtering conditions), or an alloy of multiple metal elements.
プラズマ銃140(プラズマ放出部)は、チャンバ110内にプラズマ流PFを放出する。プラズマ銃140は、既存の様々な技術(例えば、特開2008-056546号公報)を利用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。プラズマ銃140がプラズマ流PFを放出することにより、プラズマ流PFを構成するプラズマが、反応ガスを分解するとともに、スパッタリングターゲットTに衝突する。そうすると、基板S上にカーボンナノウォールが形成されるとともに、スパッタリングターゲットTを構成する原子が、スパッタリングターゲットTから放出され(スパッタ)、カーボンナノウォールにドープされる。 The plasma gun 140 (plasma emission unit) emits a plasma flow PF into the chamber 110. The plasma gun 140 can utilize various existing technologies (e.g., JP 2008-056546 A), so a detailed description will be omitted here. When the plasma gun 140 emits the plasma flow PF, the plasma that constitutes the plasma flow PF decomposes the reactive gas and collides with the sputtering target T. As a result, carbon nanowalls are formed on the substrate S, and the atoms that constitute the sputtering target T are ejected (sputtered) from the sputtering target T and doped into the carbon nanowalls.
以下、形成工程S110として実行し得る3つの処理パターンについて説明する。 Below, we will explain three processing patterns that can be performed as part of the formation process S110.
[形成工程S110の第1の処理パターン]
第1の処理パターンでは、まず、基板Sを基板ホルダ120に保持させるとともに、ガス供給口112を通じて反応ガスをチャンバ110内に供給する。そして、ターゲット保持部130による、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加と同時に、プラズマ銃140を駆動する。つまり、基板Sへのカーボンナノウォールの形成の開始と同時に、カーボンナノウォールへのドープ元素のドープを行う。そうすると、ドープ元素がドープされたカーボンナノウォールが基板S上に形成される。
[First processing pattern of forming step S110]
In the first processing pattern, first, the substrate S is held by the substrate holder 120, and a reactive gas is supplied into the chamber 110 through the gas supply port 112. Then, the plasma gun 140 is driven simultaneously with the application of a voltage to the sputtering target T by the target holder 130. In other words, the doping of the doping element into the carbon nanowalls is carried out simultaneously with the start of the formation of the carbon nanowalls on the substrate S. As a result, the carbon nanowalls doped with the doping element are formed on the substrate S.
図3は、カーボンナノウォールを説明する図である。図3Aは、カーボンナノウォールを説明する第1の図である。図3Bは、カーボンナノウォールを説明する第2の図である。図3Cは、カーボンナノウォールを説明する第3の図である。図3Dは、カーボンナノウォールを説明する第4の図である。なお、本実施形態の図3B、図3Dでは、垂直に交わるX軸、Y軸、Z軸を図示の通り定義している。 Figure 3 is a diagram illustrating a carbon nanowall. Figure 3A is a first diagram illustrating a carbon nanowall. Figure 3B is a second diagram illustrating a carbon nanowall. Figure 3C is a third diagram illustrating a carbon nanowall. Figure 3D is a fourth diagram illustrating a carbon nanowall. Note that in Figures 3B and 3D of this embodiment, the perpendicularly intersecting X-axis, Y-axis, and Z-axis are defined as shown.
カーボンナノウォールは、図3Aに示すようなグラフェンシート(図3A中、炭素原子(C)を白丸で示す)が、図3Bに示すように、基板Sの表面上から立設したもの(垂直状に成長したもの)である。カーボンナノウォールが基板S上に形成される際には、図3C、図3Dに示すように、まず、基板Sの表面に、グラファイト層またはアモルファスカーボン層が形成される。グラファイト層またはアモルファスカーボン層は、基板Sの表面の面内方向に沿って、基板Sの表面に形成される。例えば、グラファイト層またはアモルファスカーボン層は、基板Sの表面の面内方向に平行に、基板Sの表面に形成される。 Carbon nanowalls are graphene sheets (carbon atoms (C) are indicated by white circles in Figure 3A) as shown in Figure 3A, which stand upright (grown vertically) on the surface of a substrate S as shown in Figure 3B. When carbon nanowalls are formed on a substrate S, a graphite layer or amorphous carbon layer is first formed on the surface of the substrate S, as shown in Figures 3C and 3D. The graphite layer or amorphous carbon layer is formed on the surface of the substrate S along the in-plane direction of the surface of the substrate S. For example, the graphite layer or amorphous carbon layer is formed on the surface of the substrate S parallel to the in-plane direction of the surface of the substrate S.
そして、カーボンナノウォールは、グラファイト層またはアモルファスカーボン層を介して、基板Sの表面に対して垂直方向(図3B、図3D中、Y軸方向)に延在(延伸)するように複数形成される。ここで、カーボンナノウォールにおける基板Sと平行な方向(図3B中、X軸方向)の厚みは、1nm以上100nm以下である。また、カーボンナノウォール間の図3B中、X軸方向の距離は、1nm以上10μm以下である。 The carbon nanowalls are formed so that they extend (stretch) in a direction perpendicular to the surface of the substrate S (the Y-axis direction in Figures 3B and 3D) via a graphite layer or amorphous carbon layer. The thickness of the carbon nanowalls in the direction parallel to the substrate S (the X-axis direction in Figure 3B) is 1 nm or more and 100 nm or less. The distance between the carbon nanowalls in the X-axis direction in Figure 3B is 1 nm or more and 10 μm or less.
なお、カーボンナノウォールは自己組織化機能を有している。このため、プラズマCVD装置100において反応ガスの雰囲気中でプラズマを発生させるだけで、複数のカーボンナノウォールの間にナノメートルサイズの空隙(間隙)を形成しながら、カーボンナノウォールが、基板Sの表面に対して垂直方向(図3B、図3D中、Y軸方向)に延伸するように成長する。ここで、ナノメートルサイズとは1nm以上10μm以下のことを示す。 Carbon nanowalls have a self-organizing function. Therefore, simply by generating plasma in a reactive gas atmosphere in the plasma CVD apparatus 100, the carbon nanowalls grow so that they extend in a direction perpendicular to the surface of the substrate S (the Y-axis direction in Figures 3B and 3D), forming nanometer-sized voids (gaps) between them. Here, nanometer size refers to a size between 1 nm and 10 μm.
そして、第1の処理パターンでは、基板Sへのカーボンナノウォールの形成の開始と同時に、カーボンナノウォールへのドープ元素のドープを行う。 In the first processing pattern, the carbon nanowalls are doped with a doping element at the same time as the formation of carbon nanowalls on the substrate S begins.
図4は、形成工程S110で製造された材料200を説明する図である。図4Aは、第1の処理パターンの形成工程S110で製造された材料200を説明する図である。図4Bは、第2の処理パターンの形成工程S110で製造された材料200を説明する図である。図4Cは、第3の処理パターンの形成工程S110で製造された材料200を説明する図である。また、本実施形態の図4A、図4B、図4Cでは、垂直に交わるX軸、Y軸、Z軸を図示の通り定義している。 Figure 4 is a diagram illustrating the material 200 produced in the formation process S110. Figure 4A is a diagram illustrating the material 200 produced in the first processing pattern formation process S110. Figure 4B is a diagram illustrating the material 200 produced in the second processing pattern formation process S110. Figure 4C is a diagram illustrating the material 200 produced in the third processing pattern formation process S110. In addition, in Figures 4A, 4B, and 4C of this embodiment, the perpendicular X-axis, Y-axis, and Z-axis are defined as shown.
図4Aに示すように、第1の処理パターンで製造された材料200(以下、材料200Aで示す)は、基板Sと、下地層210と、CNW層220とを含む。下地層210は、基板Sの表面の面内方向に沿って形成された層である。下地層210は、ドープ元素がドープされたグラファイト(または、ドープ元素がドープされたアモルファスカーボン)で構成される。CNW層220は、複数のドープ元素含有カーボンナノウォール222で構成される。ドープ元素含有カーボンナノウォール222は、ドープ元素がドープされたカーボンナノウォールである。ドープ元素含有カーボンナノウォール222は、下地層210から、基板Sの表面(面内方向)に対して垂直方向(図4A中、Y軸方向)に延在したものである。また、CNW層220において、ドープ元素含有カーボンナノウォール222は、隣り合うドープ元素含有カーボンナノウォール222との間に、ナノメートルサイズの間隙222aを維持して下地層210から延在している。 As shown in FIG. 4A, the material 200 (hereinafter referred to as material 200A) produced by the first processing pattern includes a substrate S, an underlayer 210, and a CNW layer 220. The underlayer 210 is a layer formed along the in-plane direction of the surface of the substrate S. The underlayer 210 is composed of graphite doped with a doping element (or amorphous carbon doped with a doping element). The CNW layer 220 is composed of a plurality of doping element-containing carbon nanowalls 222. The doping element-containing carbon nanowalls 222 are carbon nanowalls doped with a doping element. The doping element-containing carbon nanowalls 222 extend from the underlayer 210 in a direction perpendicular to the surface (in-plane direction) of the substrate S (the Y-axis direction in FIG. 4A). Furthermore, in the CNW layer 220, the doped-element-containing carbon nanowalls 222 extend from the underlayer 210, maintaining nanometer-sized gaps 222a between adjacent doped-element-containing carbon nanowalls 222.
第1の処理パターンで形成工程S110を実行することにより、CNW層220のみならず、下地層210にドープ元素をドープすることができる。これにより、基板Sを構成する元素とドープ元素とが結合することになり、下地層210(CNW層220)と基板Sとの結合を強くすることが可能となる。例えば、基板Sとしてシリコン基板を採用し、ドープ元素としてチタンを採用した場合、Ti-Siとなり、CNW層220(下地層210)と、基板Sとの結合を強固なものとすることができる。 By performing the formation process S110 with the first processing pattern, it is possible to dope not only the CNW layer 220 but also the underlayer 210 with a doping element. This causes the elements that make up the substrate S to bond with the doping element, strengthening the bond between the underlayer 210 (CNW layer 220) and the substrate S. For example, if a silicon substrate is used as the substrate S and titanium is used as the doping element, the result will be Ti-Si, which will strengthen the bond between the CNW layer 220 (underlayer 210) and the substrate S.
こうして、下地層210(薄膜)と、厚みが1nm以上10nm以下であり、互いに50nm以上1μm以下の離隔距離を維持して、下地層210から立設した複数のドープ元素含有カーボンナノウォール222とを備える材料200Aが製造される。 In this way, a material 200A is produced, comprising an underlayer 210 (thin film) and a plurality of doping-element-containing carbon nanowalls 222 standing upright from the underlayer 210, each having a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less and spaced apart from each other by a distance of 50 nm or more and 1 μm or less.
なお、形成工程S110の実行時間、つまり、反応ガスの供給時間、プラズマ銃140の駆動時間、および、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加時間は、3分以上24時間以下であり、好ましくは、10分以上360分以下である。 The execution time of the formation process S110, i.e., the time for supplying the reactive gas, the time for driving the plasma gun 140, and the time for applying voltage to the sputtering target T, is from 3 minutes to 24 hours, and preferably from 10 minutes to 360 minutes.
形成工程S110の実行時間が3分未満の範囲では、ドープ元素含有カーボンナノウォール222が形成されない。また、形成工程S110の実行時間が24時間超の範囲では、不要に時間を要してしまう。 If the execution time of the formation process S110 is less than 3 minutes, the doping element-containing carbon nanowalls 222 will not be formed. Furthermore, if the execution time of the formation process S110 is more than 24 hours, it will take an unnecessary amount of time.
そこで、プラズマCVD装置100は、形成工程S110の実行時間を3分以上24時間以下とすることにより、効率よくドープ元素含有カーボンナノウォール222を形成させることが可能となる。 Therefore, by setting the execution time of the formation step S110 in the plasma CVD apparatus 100 to between 3 minutes and 24 hours, it becomes possible to efficiently form doping element-containing carbon nanowalls 222.
[形成工程S110の第2の処理パターン]
まず、基板Sを基板ホルダ120に保持させる。そして、第2の処理パターンでは、ガス供給口112を通じて反応ガスをチャンバ110内に供給し、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加を行わずに、プラズマ銃140を駆動する。プラズマ銃140の駆動開始から第1所定時間経過した後に、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加を開始してスパッタを行う。つまり、基板Sへのカーボンナノウォールの形成を開始した後、第1所定時間経過した後に、カーボンナノウォールへのドープ元素のドープを行う。ここで、第1所定時間は、基板Sにグラファイト層、または、アモルファスカーボン層が形成される時間であって、カーボンナノウォールが形成されるまでの時間である。そうすると、ドープ元素がドープされたカーボンナノウォールが、基板S上、詳細には、グラファイト層(またはアモルファスカーボン層)上に形成される。
[Second processing pattern of forming step S110]
First, the substrate S is held by the substrate holder 120. Then, in the second processing pattern, a reactive gas is supplied into the chamber 110 through the gas supply port 112, and the plasma gun 140 is driven without applying a voltage to the sputtering target T. After a first predetermined time has elapsed since the start of driving the plasma gun 140, the application of a voltage to the sputtering target T is started to perform sputtering. That is, after the start of formation of carbon nanowalls on the substrate S, the carbon nanowalls are doped with a doping element after the first predetermined time has elapsed. Here, the first predetermined time is the time required for a graphite layer or an amorphous carbon layer to be formed on the substrate S, i.e., the time required for the carbon nanowalls to be formed. Then, carbon nanowalls doped with the doping element are formed on the substrate S, specifically, on the graphite layer (or amorphous carbon layer).
具体的に説明すると、図4Bに示すように、第2の処理パターンで製造された材料200(以下、材料200Bで示す)は、基板Sと、下地層230と、CNW層220とを含む。下地層230は、基板Sの表面の面内方向に沿って形成された層である。下地層230は、材料200Aとは異なり、ドープ元素を含まないグラファイト(または、アモルファスカーボン)で構成される。 Specifically, as shown in FIG. 4B, material 200 (hereinafter referred to as material 200B) manufactured using the second processing pattern includes a substrate S, an underlayer 230, and a CNW layer 220. The underlayer 230 is a layer formed along the in-plane direction of the surface of the substrate S. Unlike material 200A, the underlayer 230 is composed of graphite (or amorphous carbon) that does not contain any doping elements.
第2の処理パターンで形成工程S110を実行することにより、カーボンナノウォールのみにドープ元素がドープされた材料200Bを製造することができる。 By performing the formation process S110 with the second processing pattern, it is possible to produce material 200B in which only the carbon nanowalls are doped with the doping element.
[形成工程S110の第3の処理パターン]
まず、基板Sを基板ホルダ120に保持させる。そして、ガス供給口112を通じて反応ガスをチャンバ110内に供給して、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加を行わずに、プラズマ銃140を駆動する。第3の処理パターンでは、プラズマ銃140の駆動開始から第2所定時間経過した後に、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加を開始してスパッタを行う。つまり、基板Sへのカーボンナノウォールの形成を開始した後、第2所定時間経過した後に、カーボンナノウォールへのドープ元素のドープを行う。ここで、第2所定時間は、基板Sへのカーボンナノウォールの形成が開始した後の所定の時間である。そうすると、ドープ元素がドープされたカーボンナノウォールが、カーボンナノウォール上に形成される。
[Third Processing Pattern of Forming Step S110]
First, the substrate S is held by the substrate holder 120. Then, a reactive gas is supplied into the chamber 110 through the gas supply port 112, and the plasma gun 140 is driven without applying a voltage to the sputtering target T. In the third processing pattern, after a second predetermined time has elapsed since the plasma gun 140 was started to be driven, a voltage is applied to the sputtering target T to perform sputtering. That is, after the formation of carbon nanowalls on the substrate S is started, the doping of the doping element into the carbon nanowalls is performed after the second predetermined time has elapsed. Here, the second predetermined time is a predetermined time after the formation of carbon nanowalls on the substrate S is started. Then, carbon nanowalls doped with the doping element are formed on the carbon nanowalls.
具体的に説明すると、図4Cに示すように、第3の処理パターンで製造された材料200(以下、材料200Cで示す)は、基板Sと、下地層230と、CNW層240とを含む。CNW層240は、材料200A、200BのCNW層220とは異なり、一部(先端部)が、ドープ元素でドープされたカーボンナノウォール242で構成される。具体的に説明すると、図4Cに示すように、カーボンナノウォール242は、基端部(下地層230側の端部)から所定位置までは、ドープ元素がドープされておらず、所定位置から先端部までドープ元素がドープされている。CNW層240は、第1層244と、第2層246とを含む。第1層244は、下地層230上に形成される。第1層244は、ドープ元素を含まないカーボンナノウォール244aで構成される。第2層246は、第1層244上に形成される。第2層246は、第1層244に連続する。第2層246は、ドープ元素含有カーボンナノウォール246aで構成される。ドープ元素含有カーボンナノウォール246aは、ドープ元素がドープされたカーボンナノウォールである。 Specifically, as shown in FIG. 4C, material 200 (hereinafter referred to as material 200C) manufactured using the third processing pattern includes a substrate S, an underlayer 230, and a CNW layer 240. Unlike the CNW layer 220 of materials 200A and 200B, the CNW layer 240 is partially (tip) composed of carbon nanowalls 242 doped with a doping element. Specifically, as shown in FIG. 4C, the carbon nanowalls 242 are not doped with a doping element from the base end (the end on the underlayer 230 side) to a predetermined position, but are doped with a doping element from the predetermined position to the tip. The CNW layer 240 includes a first layer 244 and a second layer 246. The first layer 244 is formed on the underlayer 230. The first layer 244 is composed of carbon nanowalls 244a that do not contain a doping element. The second layer 246 is formed on the first layer 244. The second layer 246 is continuous with the first layer 244. The second layer 246 is composed of doped element-containing carbon nanowalls 246a. The doped element-containing carbon nanowalls 246a are carbon nanowalls doped with a doped element.
なお、カーボンナノウォール242は、材料200Bと同様に、下地層230から、基板Sの表面(面内方向)に対して垂直方向(図4C中、Y軸方向)に延在したものである。また、CNW層240において、カーボンナノウォール242は、ナノメートルサイズの間隙242aを維持して下地層230から延在している。 Note that, similar to material 200B, the carbon nanowalls 242 extend from the underlayer 230 in a direction perpendicular to the surface (in-plane direction) of the substrate S (Y-axis direction in Figure 4C). Furthermore, in the CNW layer 240, the carbon nanowalls 242 extend from the underlayer 230 while maintaining nanometer-sized gaps 242a.
第3の処理パターンで形成工程S110を実行することにより、カーボンナノウォールの一部にのみにドープ元素がドープされた材料200Cを製造することができる。 By performing the formation process S110 with the third processing pattern, it is possible to produce material 200C in which only a portion of the carbon nanowalls are doped with the doping element.
[スパッタリング工程S120]
スパッタリング工程S120は、形成工程S110を実行した後、プラズマ流の放出(プラズマ銃140の駆動)、および、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加を維持したまま、反応ガスのチャンバ110内への供給を停止する工程である。なお、スパッタリング工程S120は、スパッタリングターゲットTにパルス電圧を印加する。
[Sputtering step S120]
The sputtering step S120 is a step of stopping the supply of the reactive gas into the chamber 110 after the formation step S110 is performed, while maintaining the emission of the plasma flow (driving the plasma gun 140) and the application of a voltage to the sputtering target T. Note that in the sputtering step S120, a pulse voltage is applied to the sputtering target T.
スパッタリング工程S120を実行することにより、材料200におけるドープ元素が含まれる部分に、さらにドープ元素をドープすることができる。例えば、上記第1の処理パターンで製造された材料200Aでは、下地層210およびドープ元素含有カーボンナノウォール222に、ドープ元素がさらにドープされる。また、上記第2の処理パターンで製造された材料200Bでは、ドープ元素含有カーボンナノウォール222にドープ元素がさらにドープされ、下地層230にはドープ元素がほとんどドープされない。また、上記第3の処理パターンで製造された材料200Cでは、第2層246(ドープ元素含有カーボンナノウォール246a)にドープ元素がさらにドープされ、下地層230および第1層244(カーボンナノウォール244a)にはドープ元素がほとんどドープされない。 By performing the sputtering step S120, the portion of the material 200 containing the doping element can be further doped with the doping element. For example, in the material 200A produced by the first processing pattern, the base layer 210 and the doping-element-containing carbon nanowalls 222 are further doped with the doping element. In the material 200B produced by the second processing pattern, the doping-element-containing carbon nanowalls 222 are further doped with the doping element, while the base layer 230 is hardly doped with the doping element. In the material 200C produced by the third processing pattern, the second layer 246 (the doping-element-containing carbon nanowalls 246a) is further doped with the doping element, while the base layer 230 and the first layer 244 (the carbon nanowalls 244a) are hardly doped with the doping element.
つまり、形成工程S110において、ドープ元素がドープされた、カーボンナノウォール、グラファイトまたはアモルファスカーボンには、スパッタリング工程S120を実行することにより、さらにドープ元素がドープされる。一方、形成工程S110において、ドープ元素がドープされていない、カーボンナノウォール、グラファイトまたはアモルファスカーボンには、スパッタリング工程S120を実行しても、ドープ元素はドープされない。 In other words, carbon nanowalls, graphite, or amorphous carbon that has been doped with a doping element in the formation process S110 is further doped with the doping element by performing the sputtering process S120. On the other hand, carbon nanowalls, graphite, or amorphous carbon that has not been doped with a doping element in the formation process S110 will not be doped with the doping element even if the sputtering process S120 is performed.
なお、スパッタリング工程S120の実行時間、つまり、プラズマ銃140の駆動時間、および、スパッタリングターゲットTへの電圧の印加時間は、ドープ元素がチタンである場合、4分以上200分以下であり、好ましくは、5分以上60分以下である。 Note that the execution time of the sputtering step S120, i.e., the operating time of the plasma gun 140 and the application time of voltage to the sputtering target T, is from 4 minutes to 200 minutes, preferably from 5 minutes to 60 minutes, when the doping element is titanium.
スパッタリング工程S120の実行時間が4分未満の範囲では、ドープ元素がドープされた、カーボンナノウォール、グラファイトまたはアモルファスカーボンへの、さらなるドープが不十分となる。この場合、後述する炭素低減工程S130を実行すると、金属酸化物のナノウォールが形成されなくなってしまう。 If the sputtering step S120 is performed for less than 4 minutes, further doping of the carbon nanowalls, graphite, or amorphous carbon doped with the doping element will be insufficient. In this case, performing the carbon reduction step S130 described below will result in the formation of metal oxide nanowalls.
一方、スパッタリング工程S120の実行時間が200分超の範囲では、ドープ元素含有カーボンナノウォール222間の間隙222a、または、ドープ元素含有カーボンナノウォール246a間の間隙242aが、ドープ元素で埋まってしまう。この場合、炭素低減工程S130を実行すると、互いに離隔した金属酸化物のナノウォールが形成されなくなってしまう。 On the other hand, if the sputtering step S120 is performed for more than 200 minutes, the gaps 222a between the doping-element-containing carbon nanowalls 222 or the gaps 242a between the doping-element-containing carbon nanowalls 246a will be filled with the doping element. In this case, when the carbon reduction step S130 is performed, metal oxide nanowalls that are spaced apart from each other will no longer be formed.
そこで、プラズマCVD装置100は、スパッタリング工程S120の実行時間を4分以上200分以下とすることにより、炭素低減工程S130を実行した際に、互いに離隔した金属酸化物のナノウォールを製造することが可能となる。 Therefore, by setting the execution time of the sputtering process S120 in the plasma CVD apparatus 100 to between 4 minutes and 200 minutes, it becomes possible to produce metal oxide nanowalls that are spaced apart when the carbon reduction process S130 is performed.
なお、ドープ元素がチタン以外の元素である場合、スパッタリング工程S120の実行時間は、下記式(1)から算出される時間Tmin(分)以上、下記式(2)から算出される時間Tmax(分)以下となる。
Tmin={4×(SRFe-SRX)}/(SRFe-SRTi) …式(1)
Tmax={200×(SRFe-SRX)}/(SRFe-SRTi) …式(2)
上記式(1)、式(2)において、SRFeは、鉄のスパッタレート(つまり、上記スパッタ条件におけるスパッタレート1.26)である。SRTiは、チタンのスパッタレート(つまり、上記スパッタ条件におけるスパッタレート0.58)である。SRXは、チタン以外のドープ元素のスパッタレート(上記スパッタ条件におけるスパッタレート)である。例えば、ドープ元素がアルミニウムの場合、SRXは1.24となる。
In addition, when the doping element is an element other than titanium, the execution time of the sputtering process S120 is equal to or longer than the time Tmin (minutes) calculated from the following formula (1) and equal to or shorter than the time Tmax (minutes) calculated from the following formula (2).
Tmin={4×(SRFe-SRX)}/(SRFe-SRTi)...Formula (1)
Tmax={200×(SRFe-SRX)}/(SRFe-SRTi)...Formula (2)
In the above formulas (1) and (2), SRFe is the sputtering rate of iron (i.e., the sputtering rate of 1.26 under the above sputtering conditions). SRTi is the sputtering rate of titanium (i.e., the sputtering rate of 0.58 under the above sputtering conditions). SRX is the sputtering rate of a doping element other than titanium (the sputtering rate under the above sputtering conditions). For example, if the doping element is aluminum, SRX is 1.24.
また、スパッタリング工程S120におけるチャンバ110内の温度は、25℃以上750℃以下、好ましくは、500℃以上650℃以下に維持される。これにより、プラズマCVD装置100は、ドープ元素がドープされた、カーボンナノウォール、グラファイトまたはアモルファスカーボンへの、さらなるドープを効率よく行うことができる。 Furthermore, the temperature inside the chamber 110 during the sputtering step S120 is maintained at 25°C or higher and 750°C or lower, preferably 500°C or higher and 650°C or lower. This allows the plasma CVD apparatus 100 to efficiently further dope the carbon nanowalls, graphite, or amorphous carbon that has already been doped with the doping element.
なお、スパッタリング工程S120におけるチャンバ110内の圧力は、形成工程S110と実質的に等しい。また、スパッタリング工程S120において、チャンバ110の内部に、反応ガスは供給されないものの、不活性ガスは供給される。チャンバ110内に供給されるアルゴンの流量は、形成工程S110と実質的に等しい。 Note that the pressure inside the chamber 110 during the sputtering process S120 is substantially the same as that during the formation process S110. Furthermore, during the sputtering process S120, no reactive gas is supplied to the interior of the chamber 110, but an inert gas is. The flow rate of argon supplied into the chamber 110 is substantially the same as that during the formation process S110.
[炭素低減工程S130]
炭素低減工程S130は、ドープ元素がドープされた、カーボンナノウォール、グラファイトまたはアモルファスカーボンから炭素を低減する工程である。本実施形態において、炭素低減工程S130は、材料200を所定の雰囲気中で加熱する工程である。ここで、所定の雰囲気は、少なくとも酸素を含んだ雰囲気(酸化雰囲気)であり、例えば、大気(空気)である。
[Carbon reduction step S130]
The carbon reduction step S130 is a step of reducing carbon from carbon nanowalls, graphite, or amorphous carbon doped with a doping element. In this embodiment, the carbon reduction step S130 is a step of heating the material 200 in a predetermined atmosphere. Here, the predetermined atmosphere is an atmosphere containing at least oxygen (oxidizing atmosphere), such as air.
また、炭素低減工程S130における雰囲気の圧力は、大気圧以上である。これにより、材料200からの炭素の脱離効率(低減効率)を向上させることができる。 In addition, the atmospheric pressure during the carbon reduction step S130 is equal to or higher than atmospheric pressure. This improves the efficiency of carbon desorption (reduction efficiency) from the material 200.
また、炭素低減工程S130における雰囲気の温度(以下、「雰囲気温度」と称する)は、400℃以上1400℃以下であり、好ましくは、400℃以上750℃以下である。雰囲気温度が400℃未満の範囲では、材料200から炭素を除去することができない。一方、雰囲気温度が1400℃超の範囲では、構造体(CNW層220、CNW層240)がナノ構造を維持できなくなる。 Furthermore, the ambient temperature in the carbon reduction step S130 (hereinafter referred to as "ambient temperature") is 400°C or higher and 1400°C or lower, and preferably 400°C or higher and 750°C or lower. If the ambient temperature is below 400°C, carbon cannot be removed from the material 200. On the other hand, if the ambient temperature is above 1400°C, the structures (CNW layer 220, CNW layer 240) will no longer be able to maintain their nanostructure.
また、炭素低減工程S130の実行時間は、10分以上24時間以下であり、好ましくは、6分以上1200℃以下である。炭素低減工程S130の実行時間が10分未満の範囲では炭素を十分に除去することができず、また、ドープ元素を十分に酸化させることができない。一方、炭素低減工程S130の実行時間が24時間超の範囲では、実行時間が24時間の場合と比較して、炭素の除去率およびドープ元素の酸化率がほとんど増加しない。例えば、ドープ元素がチタンである場合、炭素低減工程S130の実行時間が10分以上24時間以下の場合と、実行時間が24時間超の場合とでは、IPCE(光電変換効率)にほとんど差はない。 The execution time of the carbon reduction step S130 is from 10 minutes to 24 hours, preferably from 6 minutes to 1200°C. If the execution time of the carbon reduction step S130 is less than 10 minutes, carbon cannot be sufficiently removed, and the doping element cannot be sufficiently oxidized. On the other hand, if the execution time of the carbon reduction step S130 is more than 24 hours, there is almost no increase in the carbon removal rate or the doping element oxidation rate compared to when the execution time is 24 hours. For example, when the doping element is titanium, there is almost no difference in IPCE (photoelectric conversion efficiency) between when the execution time of the carbon reduction step S130 is from 10 minutes to 24 hours and when the execution time is more than 24 hours.
炭素低減工程S130を実行することにより、材料200から炭素を除去する(材料200中の炭素を低減する)ことができる。 By performing the carbon reduction process S130, carbon can be removed from material 200 (the carbon in material 200 can be reduced).
図5は、炭素低減工程S130で製造された材料300を説明する図である。本実施形態の図5では、垂直に交わるX軸、Y軸、Z軸を図示の通り定義している。 Figure 5 is a diagram illustrating the material 300 produced in the carbon reduction process S130. In Figure 5 of this embodiment, the perpendicularly intersecting X-axis, Y-axis, and Z-axis are defined as shown.
上記第1の処理パターンの形成工程S110で製造された材料200Aに対し、炭素低減工程S130を実行すると、図5に示すように、基板Sと、下地層310と、ナノ構造層320とを含む材料300(以下、材料300Aで示す)が製造される。 When the carbon reduction process S130 is performed on the material 200A produced in the first processing pattern formation process S110, a material 300 (hereinafter referred to as material 300A) including a substrate S, an underlayer 310, and a nanostructure layer 320 is produced, as shown in Figure 5.
下地層310は、上記下地層210から炭素が除去された層(薄膜)である。したがって、下地層310は、ドープ元素の酸化物(金属酸化物)で構成され、基板Sの表面の面内方向に沿って形成された層である。 The underlayer 310 is a layer (thin film) in which carbon has been removed from the underlayer 210. Therefore, the underlayer 310 is composed of an oxide (metal oxide) of the doped element, and is a layer formed along the in-plane direction of the surface of the substrate S.
ナノ構造層320は、上記CNW層220から炭素が除去された層である。したがって、ナノ構造層320は、ドープ元素の酸化物(金属酸化物)がナノウォール形状に構成された構造体322で構成された層である。つまり、構造体322は、カーボンナノウォール形状の金属酸化物のである。具体的に説明すると、ナノ構造層320は、基板Sの表面に対して垂直方向(図5中、Y軸方向)に延在(立設)した構造体322を複数含む。なお、構造体322における基板Sと平行な方向(図5中、X軸方向)の厚みは、1nm以上1μm以下(例えば、1nm以上10nm以下)であり、構造体322間(間隙322a)の図5中、X軸方向の距離は、50nm以上1μm以下である。 The nanostructure layer 320 is a layer in which carbon has been removed from the CNW layer 220. Therefore, the nanostructure layer 320 is a layer composed of structures 322 in which oxides (metal oxides) of doping elements are arranged in the shape of nanowalls. In other words, the structures 322 are metal oxides in the shape of carbon nanowalls. Specifically, the nanostructure layer 320 includes multiple structures 322 extending (standing) in a direction perpendicular to the surface of the substrate S (the Y-axis direction in FIG. 5). The thickness of the structures 322 in a direction parallel to the substrate S (the X-axis direction in FIG. 5) is 1 nm to 1 μm (e.g., 1 nm to 10 nm), and the distance between the structures 322 (gaps 322a) in the X-axis direction in FIG. 5 is 50 nm to 1 μm.
また、上記したように、材料200Aは、基板Sを構成する元素と下地層210のドープ元素とが結合している。このため、炭素低減工程S130を実行しても、下地層310と基板Sとの結合は維持される。つまり、材料300Aは、下地層310(ナノ構造層320)と基板Sとが結合したものとなる。 Furthermore, as described above, material 200A is formed by bonding the elements that make up substrate S with the doped elements of underlayer 210. Therefore, even when carbon reduction step S130 is performed, the bond between underlayer 310 and substrate S is maintained. In other words, material 300A is formed by bonding underlayer 310 (nanostructure layer 320) and substrate S.
こうして、下地層310(薄膜)と、厚みが1nm以上10nm以下であり、互いに50nm以上1μm以下の離隔距離を維持して、下地層310から立設した複数の構造体322とを備える材料300Aが製造される。 In this way, material 300A is produced, comprising an underlayer 310 (thin film) and a plurality of structures 322 extending upright from underlayer 310, each having a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less and spaced apart from each other by a distance of 50 nm or more and 1 μm or less.
また、炭素低減工程S130では、雰囲気温度、雰囲気圧力、加熱時間を制御することにより、炭素の低減率を調整することができる。つまり、炭素低減工程S130において、雰囲気温度、雰囲気圧力、加熱時間を制御することにより、材料200から炭素をすべて除去することもでき、また、材料200から一部(所定量)の炭素を除去することもできる。 Furthermore, in the carbon reduction process S130, the carbon reduction rate can be adjusted by controlling the atmospheric temperature, atmospheric pressure, and heating time. In other words, by controlling the atmospheric temperature, atmospheric pressure, and heating time in the carbon reduction process S130, it is possible to remove all of the carbon from the material 200, or it is also possible to remove a portion (a predetermined amount) of the carbon from the material 200.
このように製造された、材料300Aは、光触媒として利用することができる。つまり、形成工程S110、スパッタリング工程S120、炭素低減工程S130を実行することにより、金属酸化物を少なくとも含む、ナノウォール形状の構造体322を備える光触媒(材料300A)が製造される。 The material 300A produced in this manner can be used as a photocatalyst. That is, by performing the formation step S110, the sputtering step S120, and the carbon reduction step S130, a photocatalyst (material 300A) having nanowall-shaped structures 322 containing at least a metal oxide is produced.
以上説明したように、本実施形態にかかる材料製造方法は、新規の材料、例えば、ナノウォール形状の金属酸化物(金属酸化物ナノウォール)を製造することができる。 As described above, the material production method according to this embodiment can produce novel materials, such as nanowall-shaped metal oxides (metal oxide nanowalls).
また、本実施形態にかかる材料製造方法は、形成工程S110に加えて、スパッタリング工程S120を実行する。金属元素は、触媒機能を有する。このため、鉄よりもスパッタレートの低い金属元素をドープする場合、スパッタリング工程S120を実行せずに、形成工程S110および炭素低減工程S130を実行しても、ナノウォール形状の金属酸化物を製造することができない。そこで、鉄よりもスパッタレートの低い金属元素をドープする場合、形成工程S110に加えて、スパッタリング工程S120を実行する。これにより、鉄よりもスパッタレートの低い金属元素であっても、ナノウォール形状の金属酸化物を製造することが可能となる。 The material production method according to this embodiment also performs a sputtering step S120 in addition to the formation step S110. Metal elements have catalytic properties. Therefore, when doping with a metal element having a lower sputtering rate than iron, performing the formation step S110 and carbon reduction step S130 without performing the sputtering step S120 will not produce a nanowall-shaped metal oxide. Therefore, when doping with a metal element having a lower sputtering rate than iron, the sputtering step S120 is performed in addition to the formation step S110. This makes it possible to produce a nanowall-shaped metal oxide even when using a metal element having a lower sputtering rate than iron.
[第1変形例]
上記実施形態において、酸化雰囲気中で材料200を加熱する炭素低減工程S130について説明した。しかし、炭素低減工程S130は、ドープ元素がドープされた、カーボンナノウォール、グラファイトまたはアモルファスカーボンから炭素を低減できればよい。
[First Modification]
In the above embodiment, the carbon reduction step S130 is described as heating the material 200 in an oxidizing atmosphere. However, the carbon reduction step S130 may be any step as long as it can reduce carbon from carbon nanowalls, graphite, or amorphous carbon doped with a doping element.
例えば、炭素低減工程S130は、材料200を還元雰囲気中で加熱する工程であってもよい。この場合、ドープ元素(金属)で構成され、基板Sの表面の面内方向に沿って形成された下地層と、ドープ元素(金属)がナノウォール形状に構成された構造体で構成されたナノ構造層とを含む材料が製造できる。また、ドープ元素(金属)がナノウォール形状に構成された構造体(ナノウォール形状の金属)が製造できる。 For example, the carbon reduction process S130 may be a process of heating the material 200 in a reducing atmosphere. In this case, a material can be produced that includes a base layer composed of a doping element (metal) and formed along the in-plane direction of the surface of the substrate S, and a nanostructure layer composed of a structure in which the doping element (metal) is configured in a nanowall shape. Also, a structure in which the doping element (metal) is configured in a nanowall shape (nanowall-shaped metal) can be produced.
このように製造された、ナノウォール形状の金属の構造体は、表面プラズモン効果を利用した、センサ、イメージングデバイス、光学デバイス等に利用することができる。 The nanowall-shaped metal structures produced in this way can be used in sensors, imaging devices, optical devices, and other devices that utilize the surface plasmon effect.
[第2変形例]
上記実施形態および第1変形例において、所定の雰囲気中で材料200を加熱する炭素低減工程S130について説明した。しかし、炭素低減工程S130は、ドープ元素がドープされた、カーボンナノウォール、グラファイトまたはアモルファスカーボンから炭素を低減できればよい。
[Second Modification]
In the above embodiment and the first modified example, the carbon reduction step S130 is described, in which the material 200 is heated in a predetermined atmosphere. However, the carbon reduction step S130 may be any step as long as it can reduce carbon from carbon nanowalls, graphite, or amorphous carbon doped with a doping element.
例えば、炭素低減工程S130は、所定のプラズマ雰囲気中に、材料200を曝す工程であってもよい。ここで、所定のプラズマ雰囲気は、例えば、水素(H2)プラズマ、窒素(N2)プラズマ、酸素プラズマである。 For example, the carbon reduction step S130 may be a step of exposing the material 200 to a predetermined plasma atmosphere. Here, the predetermined plasma atmosphere is, for example, hydrogen (H 2 ) plasma, nitrogen (N 2 ) plasma, or oxygen plasma.
また、プラズマ雰囲気の圧力は、10Pa以上100Pa以下(ECRプラズマ処理や、RFプラズマ処理の際の真空度と同程度)である。 The pressure of the plasma atmosphere is between 10 Pa and 100 Pa (similar to the degree of vacuum during ECR plasma processing and RF plasma processing).
また、プラズマ雰囲気の温度(以下、「プラズマ雰囲気温度」と称する)は、室温(例えば、25℃)以上800℃以下であり、好ましくは、500℃以上700℃以下であり、より好ましくは、600℃である。プラズマ雰囲気温度が室温未満であると、材料200から炭素を除去することができない。プラズマ雰囲気温度が800℃を上回ると、構造体(CNW層220、CNW層240)がナノ構造を維持できなくなる。 Furthermore, the temperature of the plasma atmosphere (hereinafter referred to as the "plasma atmosphere temperature") is from room temperature (e.g., 25°C) to 800°C, preferably from 500°C to 700°C, and more preferably 600°C. If the plasma atmosphere temperature is below room temperature, carbon cannot be removed from material 200. If the plasma atmosphere temperature exceeds 800°C, the structure (CNW layer 220, CNW layer 240) will no longer be able to maintain its nanostructure.
プラズマ雰囲気中に材料200を曝すことにより、材料200から炭素を除去することができる。なお、プラズマ雰囲気中に材料200を曝す場合、基板Sの反対側、すなわち、CNW層220の先端部側、第2層246の先端部側から酸素プラズマ処理を施すとよい。これにより、CNW層220の先端部側、第2層246の先端部側から、炭素に対して酸化処理が行われる。 By exposing material 200 to a plasma atmosphere, carbon can be removed from material 200. When exposing material 200 to a plasma atmosphere, it is advisable to perform oxygen plasma treatment from the opposite side of substrate S, i.e., from the tip side of CNW layer 220 and the tip side of second layer 246. This allows oxidation treatment of carbon from the tip side of CNW layer 220 and the tip side of second layer 246.
図6は、第2変形例で製造された材料300を説明する図である。図6Aは、第2変形例で製造された材料300を説明する第1の図である。図6Bは、第2変形例で製造された材料300を説明する第2の図である。本実施形態の図6A、図6Bでは、垂直に交わるX軸、Y軸、Z軸を図示の通り定義している。 Figure 6 is a diagram illustrating a material 300 manufactured according to the second modified example. Figure 6A is a first diagram illustrating a material 300 manufactured according to the second modified example. Figure 6B is a second diagram illustrating a material 300 manufactured according to the second modified example. In Figures 6A and 6B of this embodiment, the perpendicularly intersecting X-axis, Y-axis, and Z-axis are defined as shown.
上記第2の処理パターンの形成工程S110で製造された材料200Bを、プラズマ雰囲気中に曝すと、図6Aに示すように、基板Sと、下地層230と、ナノ構造層320とを含む材料300(以下、材料300Bで示す)が製造される。 When the material 200B produced in the second processing pattern formation step S110 is exposed to a plasma atmosphere, a material 300 (hereinafter referred to as material 300B) including a substrate S, an underlayer 230, and a nanostructure layer 320 is produced, as shown in FIG. 6A.
また、上記第3の処理パターンの形成工程S110で製造された材料200Cを、プラズマ雰囲気中に曝すと、図6Bに示すように、基板Sと、下地層230と、ナノ構造層340とを含む材料300(以下、材料300Cで示す)が製造される。 Furthermore, when the material 200C produced in the third processing pattern formation step S110 is exposed to a plasma atmosphere, a material 300 (hereinafter referred to as material 300C) including a substrate S, an underlayer 230, and a nanostructure layer 340 is produced, as shown in Figure 6B.
ナノ構造層340は、上記CNW層240から炭素が除去された層である。ナノ構造層340は、基板Sの表面に対して垂直方向(図6B中、Y軸方向)に延在(立設)した構造体342を複数含む。なお、構造体342における基板Sと平行な方向(図6B中、X軸方向)の厚みは、1nm以上10nm以下であり、構造体342間(間隙342a)の図6B中、X軸方向の距離は、50nm以上1μm以下である。 The nanostructure layer 340 is a layer in which carbon has been removed from the CNW layer 240. The nanostructure layer 340 includes multiple structures 342 that extend (stand) perpendicular to the surface of the substrate S (Y-axis direction in Figure 6B). The thickness of the structures 342 in the direction parallel to the substrate S (X-axis direction in Figure 6B) is 1 nm or more and 10 nm or less, and the distance between the structures 342 (gaps 342a) in the X-axis direction in Figure 6B is 50 nm or more and 1 μm or less.
具体的に説明すると、ナノ構造層340は、一部(先端部)がドープ元素(金属)で構成され、他部(基端部)がカーボンナノウォール244aで構成されたナノウォール形状の構造体342で構成された層である。換言すれば、ナノ構造層340は、第1層244と、第2層346とで構成される。第2層346は、ナノウォール形状のドープ元素で構成された構造体346aを含む。 Specifically, the nanostructure layer 340 is a layer composed of nanowall-shaped structures 342, one part (tip end) of which is composed of a doped element (metal) and the other part (base end) of which is composed of carbon nanowalls 244a. In other words, the nanostructure layer 340 is composed of a first layer 244 and a second layer 346. The second layer 346 includes nanowall-shaped structures 346a composed of a doped element.
このように製造された材料300Cは、デバイスとして利用することが考えられる。具体的に説明すると、第2層346に光が照射されると、構造体346aが励起され電子が放出される。そして、放出された電子は、第1層244(カーボンナノウォール244a)を介して下地層230に流れることになる。したがって、材料300Cを、光を検知するデバイスとして利用することができる。 The material 300C manufactured in this manner can be used as a device. Specifically, when light is irradiated onto the second layer 346, the structures 346a are excited and electrons are emitted. The emitted electrons then flow to the base layer 230 via the first layer 244 (carbon nanowalls 244a). Therefore, the material 300C can be used as a device that detects light.
また、材料300Cは、水分解により水素を発生させるデバイス(例えば、Ji-Wook Jang et al., Enabling unassisted solar water splitting by iron oxide and silicon, Nature Communications 6 (2015))における光アノード(Photoanode)として利用することもできる。 Material 300C can also be used as a photoanode in devices that generate hydrogen through water splitting (e.g., Ji-Wook Jang et al., Enabling unassisted solar water splitting by iron oxide and silicon, Nature Communications 6 (2015)).
また、プラズマ雰囲気温度、プラズマ雰囲気圧力、プラズマ処理時間を制御することにより、炭素の低減率を調整することができる。つまりプラズマ雰囲気温度、プラズマ雰囲気圧力、プラズマ処理時間を制御することにより、材料200から炭素をすべて除去することもでき、また、材料200から一部(所定量)の炭素を除去することもできる。 In addition, the carbon reduction rate can be adjusted by controlling the plasma atmosphere temperature, plasma atmosphere pressure, and plasma treatment time. In other words, by controlling the plasma atmosphere temperature, plasma atmosphere pressure, and plasma treatment time, it is possible to remove all of the carbon from material 200, or it is also possible to remove a portion (a predetermined amount) of the carbon from material 200.
[第1実施例]
基板Sとしてシリコン基板を採用し、ドープ元素としてチタンを採用して、プラズマCVD装置100を用いて材料を製造した。
[First Example]
A silicon substrate was used as the substrate S, titanium was used as the doping element, and the material was manufactured using a plasma CVD apparatus 100 .
実施例Aは、形成工程S110の実行時間を360分とし、スパッタリング工程S120の実行時間を30分とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の実行時間を1時間とした。また、実施例Aは、形成工程S110およびスパッタリング工程S120におけるチャンバ110内の温度を600℃とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の雰囲気温度を500℃とした。 In Example A, the execution time of the formation process S110 was 360 minutes, the execution time of the sputtering process S120 was 30 minutes, and the execution time of the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was 1 hour. Furthermore, in Example A, the temperature inside the chamber 110 during the formation process S110 and sputtering process S120 was 600°C, and the ambient temperature during the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was 500°C.
比較例は、形成工程S110の実行時間を360分とし、スパッタリング工程S120を実行せず、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の実行時間を1時間とした。また、比較例は、形成工程S110におけるチャンバ110内の温度を600℃とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の雰囲気温度を500℃とした。 In the comparative example, the formation process S110 was performed for 360 minutes, the sputtering process S120 was not performed, and the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was performed for 1 hour. In addition, in the comparative example, the temperature inside the chamber 110 during the formation process S110 was set to 600°C, and the ambient temperature during the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was set to 500°C.
そして、実施例Aにおけるスパッタリング工程S120の実行後であって炭素低減工程S130の実行前、実施例Aにおける炭素低減工程S130の実行後、比較例における形成工程S110の実行後であって炭素低減工程S130の実行前、および、比較例における炭素低減工程S130の実行後に材料を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。 The material was then observed with a scanning electron microscope (SEM) after the sputtering step S120 in Example A but before the carbon reduction step S130, after the carbon reduction step S130 in Example A, after the formation step S110 in the comparative example but before the carbon reduction step S130, and after the carbon reduction step S130 in the comparative example.
図7は、第1実施例のSEM画像を示す図である。図7Aは、実施例Aにおけるスパッタリング工程S120の実行後であって炭素低減工程S130の実行前のSEM画像を示す図である。図7Bは、実施例Aにおける炭素低減工程S130の実行後のSEM画像を示す図である。図7Cは、比較例における形成工程S110の実行後であって炭素低減工程S130の実行前のSEM画像を示す図である。図7Dは、比較例における炭素低減工程S130の実行後のSEM画像を示す図である。 Figure 7 shows SEM images of Example 1. Figure 7A shows an SEM image of Example A after the sputtering step S120 and before the carbon reduction step S130. Figure 7B shows an SEM image of Example A after the carbon reduction step S130. Figure 7C shows an SEM image of Example A after the formation step S110 and before the carbon reduction step S130. Figure 7D shows an SEM image of Example A after the carbon reduction step S130.
図7Aに示すように、実施例Aでは、スパッタリング工程S120の実行後、炭素低減工程S130の実行前において、チタンがドープされたカーボンナノウォールが確認された。また、図7Bに示すように、実施例Aでは、炭素低減工程S130の実行後において、ナノウォール形状の酸化チタン(TiO2)が確認できた。 As shown in Fig. 7A, titanium-doped carbon nanowalls were confirmed in Example A after the sputtering step S120 and before the carbon reduction step S130. Also, as shown in Fig. 7B, nanowall-shaped titanium oxide (TiO 2 ) was confirmed in Example A after the carbon reduction step S130.
一方、図7Cに示すように、比較例では、形成工程S110の実行後、炭素低減工程S130の実行前において、チタンがドープされたカーボンナノウォールが確認された。しかし、図7Dに示すように、比較例では、炭素低減工程S130の実行後において、ナノウォール形状の酸化チタンが確認できなかった。 On the other hand, as shown in Figure 7C, in the comparative example, titanium-doped carbon nanowalls were confirmed after the formation process S110 and before the carbon reduction process S130. However, as shown in Figure 7D, in the comparative example, no nanowall-shaped titanium oxide was confirmed after the carbon reduction process S130.
したがって、形成工程S110に加えて、スパッタリング工程S120を実行することで、チタンが補強され、炭素低減工程S130の実行後に、ナノウォール形状の酸化チタンを製造できることが確認された。つまり、スパッタリング工程S120を実行せずに、形成工程S110のみを実行しただけでは、炭素低減工程S130の実行後に、ナノウォール形状の酸化チタンを製造できないことが確認された。 Therefore, it was confirmed that by performing the sputtering process S120 in addition to the formation process S110, the titanium is reinforced and nanowall-shaped titanium oxide can be produced after the carbon reduction process S130 is performed. In other words, it was confirmed that performing only the formation process S110 without performing the sputtering process S120 would not allow nanowall-shaped titanium oxide to be produced after the carbon reduction process S130 is performed.
また、実施例Aにおける炭素低減工程S130の実行後の材料を、XPS(X線光電分光法)、および、ラマン分光で分析した。 In addition, the material after carbon reduction step S130 in Example A was analyzed using XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) and Raman spectroscopy.
図8は、XPSによる分析結果を示す図である。図8中、横軸は、XPS分析におけるスパッタリング深さ[nm]を示す。図8中、縦軸は、原子含有率[AT%(原子%)]を示す。また、図8中、四角は、酸素(O)を示す。図8中、三角は、チタン(Ti)を示す。図8中、丸は、炭素(C)を示す。 Figure 8 shows the results of XPS analysis. In Figure 8, the horizontal axis represents the sputtering depth [nm] in the XPS analysis. In Figure 8, the vertical axis represents the atomic content [AT% (atomic %)]. In Figure 8, squares represent oxygen (O). In Figure 8, triangles represent titanium (Ti). In Figure 8, circles represent carbon (C).
図8に示すように、実施例Aによって製造された材料は、構造体の深さ方向全域にわたって、チタンおよび酸素が含まれ、炭素がほとんど含まれないことが確認された。 As shown in Figure 8, the material produced by Example A was confirmed to contain titanium and oxygen throughout the entire depth of the structure, with almost no carbon.
また、ラマン分光による結晶構造評価の結果、実施例Aでは、アナターゼ構造の酸化チタンが製造されることが確認された。 In addition, crystal structure evaluation using Raman spectroscopy confirmed that titanium oxide with an anatase structure was produced in Example A.
また、実施例Aを用いて光電気化学測定を行った。具体的に説明すると、カウンター電極として実施例Aを貼付したFTO(フッ素ドープ錫)膜を利用した3極式電気化学測定セルを用いて実験を行った、なお、3極式電気化学測定セルの作用電極として白金ワイヤを用いた。また、電解液として0.1M硫酸ナトリウム水溶液(pH6.4)を用いた。また、電位を20mV/sで走査した。 Photoelectrochemical measurements were also performed using Example A. Specifically, experiments were performed using a three-electrode electrochemical measurement cell that utilized an FTO (fluorine-doped tin) film with Example A attached as the counter electrode. A platinum wire was used as the working electrode of the three-electrode electrochemical measurement cell. A 0.1 M aqueous sodium sulfate solution (pH 6.4) was used as the electrolyte. The potential was scanned at 20 mV/s.
そして、波長254nm、光強度0.83mW/cm2の紫外線(UV)をONまたはOFFして、作用電極とカウンター電極との間に流れる電流値を測定した。 Then, ultraviolet (UV) light with a wavelength of 254 nm and a light intensity of 0.83 mW/cm 2 was turned on and off to measure the current flowing between the working electrode and the counter electrode.
図9は、実施例Aを用いた光電気化学測定の結果を示す図である。図9中、横軸は、参照電極に対する電圧値[V]を示す。図9中、縦軸は、電流密度[μA/cm2]を示す。 Fig. 9 shows the results of photoelectrochemical measurement using Example A. In Fig. 9, the horizontal axis represents the voltage value [V] relative to the reference electrode, and the vertical axis represents the current density [µA/cm 2 ].
図9に示すように、紫外線が照射されていない場合、電流密度は、0[μA/cm2]である、つまり、電流が流れないことが分かった。一方、紫外線が照射されている間、電流密度は、0[μA/cm2]超となる、つまり、電流が流れることが確認された。 9, when no ultraviolet light was irradiated, the current density was 0 μA/cm 2 , meaning that no current flowed. On the other hand, when ultraviolet light was irradiated, the current density exceeded 0 μA/cm 2 , meaning that current flowed.
以上の結果から、実施例Aで製造された、ナノウォール形状の酸化チタンは、光触媒として機能することが確認できた。 These results confirm that the nanowall-shaped titanium oxide produced in Example A functions as a photocatalyst.
[第2実施例]
基板Sとしてシリコン基板を採用し、ドープ元素としてチタンを採用して、プラズマCVD装置100を用いて材料を製造した。
[Second Example]
A silicon substrate was used as the substrate S, titanium was used as the doping element, and the material was manufactured using a plasma CVD apparatus 100 .
実施例Bは、形成工程S110の実行時間を10分とし、スパッタリング工程S120の実行時間を5分とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の実行時間を60分とした。また、実施例Bは、形成工程S110およびスパッタリング工程S120におけるチャンバ110内の温度を650℃とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の雰囲気温度を500℃とした。 In Example B, the formation process S110 was performed for 10 minutes, the sputtering process S120 for 5 minutes, and the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) for 60 minutes. Furthermore, in Example B, the temperature inside the chamber 110 during the formation process S110 and sputtering process S120 was set to 650°C, and the ambient temperature during the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was set to 500°C.
実施例Cは、形成工程S110の実行時間を60分とし、スパッタリング工程S120の実行時間を60分とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の実行時間を60分とした。また、実施例Cは、形成工程S110およびスパッタリング工程S120におけるチャンバ110内の温度を500℃とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の雰囲気温度を500℃とした。 In Example C, the formation process S110 was performed for 60 minutes, the sputtering process S120 was performed for 60 minutes, and the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was performed for 60 minutes. Furthermore, in Example C, the temperature inside the chamber 110 during the formation process S110 and sputtering process S120 was set to 500°C, and the ambient temperature during the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was set to 500°C.
実施例Dは、形成工程S110の実行時間を360分とし、スパッタリング工程S120の実行時間を30分とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の実行時間を60分とした。また、実施例Dは、形成工程S110およびスパッタリング工程S120におけるチャンバ110内の温度を600℃とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の雰囲気温度を600℃とした。 In Example D, the formation process S110 was performed for 360 minutes, the sputtering process S120 for 30 minutes, and the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) for 60 minutes. Furthermore, in Example D, the temperature inside the chamber 110 during the formation process S110 and sputtering process S120 was set to 600°C, and the ambient temperature during the carbon reduction process S130 (in an air atmosphere) was set to 600°C.
なお、実施例B~実施例Dの形成工程S110において、チャンバ110内に供給されるメタンの流量を10sccmとし、水素の流量を10sccmとし、アルゴンの流量を80sccmとした。 In the formation step S110 of Examples B to D, the flow rate of methane supplied into the chamber 110 was 10 sccm, the flow rate of hydrogen was 10 sccm, and the flow rate of argon was 80 sccm.
そして、実施例B~実施例Dで製造した材料を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。 The materials produced in Examples B to D were then observed using a scanning electron microscope (SEM).
図10は、第2実施例のSEM画像を示す図である。図10Aは、実施例BのSEM画像を示す図である。図10Bは、実施例CのSEM画像を示す図である。図10Cは、実施例DのSEM画像を示す図である。 Figure 10 shows an SEM image of Example 2. Figure 10A shows an SEM image of Example B. Figure 10B shows an SEM image of Example C. Figure 10C shows an SEM image of Example D.
図10A~図10Cに示すように、実施例B~実施例Dは、いずれもナノウォール形状の酸化チタン(TiO2)を製造できることが確認された。 As shown in FIGS. 10A to 10C, it was confirmed that nanowall-shaped titanium oxide (TiO 2 ) could be produced in all of Examples B to D.
[第3実施例]
基板Sとしてシリコン基板を採用し、ドープ元素としてチタンを採用して、プラズマCVD装置100を用いて材料を製造した。第3実施例では、形成工程S110の実行時間を30分とし、スパッタリング工程S120の実行時間を360分とし、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の実行時間を1時間または10時間とした。
[Third Example]
A silicon substrate was used as the substrate S, titanium was used as the doping element, and the material was manufactured using the plasma CVD apparatus 100. In the third example, the execution time of the formation step S110 was set to 30 minutes, the execution time of the sputtering step S120 was set to 360 minutes, and the execution time of the carbon reduction step S130 (in the air atmosphere) was set to 1 hour or 10 hours.
また、第3実施例では、炭素低減工程S130(大気雰囲気下)の雰囲気温度による、酸化チタンの結晶構造について、ラマン分光を用いて分析した。 In addition, in the third example, the crystalline structure of titanium oxide depending on the ambient temperature during the carbon reduction step S130 (in air) was analyzed using Raman spectroscopy.
炭素低減工程S130の雰囲気温度が400℃以上450℃以下であり、実行時間が1時間である場合、構造体には、アナターゼ構造の酸化チタンおよびグラファイトが含まれることが確認された。つまり、雰囲気温度400℃以上450℃以下の炭素低減工程S130(大気雰囲気下)を実行することにより、酸化チタンを含むカーボンナノウォールを製造できることが確認された。 It was confirmed that when the ambient temperature of the carbon reduction step S130 is between 400°C and 450°C and the execution time is one hour, the structure contains titanium oxide and graphite with an anatase structure. In other words, it was confirmed that carbon nanowalls containing titanium oxide can be produced by performing the carbon reduction step S130 (in air) at an ambient temperature of between 400°C and 450°C.
また、炭素低減工程S130の雰囲気温度が600℃以上750℃以下であり、実行時間が10時間である場合、構造体には、アナターゼ構造およびルチル構造の酸化チタンが含まれることが確認された。つまり、雰囲気温度600℃以上750℃以下の炭素低減工程S130(大気雰囲気下)を実行することにより、炭素を含まない、ナノウォール形状の酸化チタンを製造できることが確認された。また、雰囲気温度が高いほど、アナターゼ構造の酸化チタンが少なくなり、ルチル構造の酸化チタンが多くなることが確認された。 It was also confirmed that when the ambient temperature of the carbon reduction step S130 was between 600°C and 750°C and the execution time was 10 hours, the structure contained titanium oxide with both anatase and rutile structures. In other words, it was confirmed that by performing the carbon reduction step S130 (in air) at an ambient temperature of between 600°C and 750°C, it was possible to produce carbon-free, nanowall-shaped titanium oxide. It was also confirmed that the higher the ambient temperature, the less titanium oxide with anatase structure there was and the more titanium oxide with rutile structure there was.
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。 Although the embodiments have been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present disclosure is not limited to such embodiments. It is clear that a person skilled in the art could conceive of various modifications or alterations within the scope of the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope.
例えば、上述した実施形態では、ドープ元素が、鉄よりもスパッタレートが低い金属元素である場合を例に挙げた。しかし、ドープ元素は、鉄よりもスパッタレートが低い非金属元素(半金属元素を含む)であってもよい。例えば、ドープ元素は、ケイ素(Si)、および、ゲルマニウム(Ge)のいずれか一方または両方であってもよい。この場合、非金属元素で構成されたナノウォール形状の構造体が製造される。 For example, in the above-described embodiment, the doping element is a metal element with a sputtering rate lower than that of iron. However, the doping element may also be a non-metal element (including a metalloid element) with a sputtering rate lower than that of iron. For example, the doping element may be either or both of silicon (Si) and germanium (Ge). In this case, a nanowall-shaped structure composed of a non-metal element is produced.
また、ドープ元素は、鉄以上のスパッタレートを有する元素(金属元素、非金属元素)であってもよい。 The doping element may also be an element (metal element or non-metal element) that has a sputtering rate equal to or higher than that of iron.
また、ドープ元素は、2種類以上の金属元素であってもよい。この場合、2種類以上の金属元素を含む合金で構成されたナノウォール形状の構造体が製造される。また、ドープ元素は、金属元素および非金属元素であってもよい。この場合、金属元素および非金属元素を含むナノウォール形状の構造体が製造される。 The doping element may also be two or more types of metal elements. In this case, a nanowall-shaped structure composed of an alloy containing two or more types of metal elements is produced. The doping element may also be a metal element and a non-metal element. In this case, a nanowall-shaped structure containing a metal element and a non-metal element is produced.
また、上記実施形態において、構造体322が基板Sの表面から垂直方向に立設する構成を例に挙げて説明した。しかし、構造体322は、基板Sから立設していればよく、角度に限定はない。 Furthermore, in the above embodiment, an example was described in which the structures 322 stand upright vertically from the surface of the substrate S. However, the structures 322 may stand upright from the substrate S, and there is no limitation on the angle.
また、上記実施形態において、炭素低減工程S130で完全に炭素を除去する構成を例に挙げて説明した。しかし、炭素低減工程S130では、所望する量の炭素を残留させてもよい。なお、炭素低減工程S130において、材料200B、200Cに対し、完全に炭素を除去する処理を実行すると、ナノウォール形状に構成された構造体322のみが製造される。また、炭素低減工程S130において、材料200B、200Cに対し、ある程度炭素を残留させる処理を実行すると、材料200B、200Cよりも炭素が少ない材料が製造される。 In the above embodiment, a configuration in which carbon is completely removed in the carbon reduction process S130 has been described as an example. However, a desired amount of carbon may be left behind in the carbon reduction process S130. Note that if the carbon is completely removed from materials 200B and 200C in the carbon reduction process S130, only nanowall-shaped structures 322 are produced. Furthermore, if the carbon reduction process S130 involves leaving a certain amount of carbon in materials 200B and 200C, materials with less carbon than materials 200B and 200C are produced.
また、上記実施形態において、炭素低減工程S130を実行する場合を例に挙げた。しかし、炭素低減工程S130は必須の構成ではない。形成工程S110およびスパッタリング工程S120を実行することにより、新規の材料200A、200B、200Cを製造することができる。 Furthermore, in the above embodiment, an example was given in which the carbon reduction process S130 was performed. However, the carbon reduction process S130 is not a required component. By performing the formation process S110 and the sputtering process S120, new materials 200A, 200B, and 200C can be manufactured.
また、上記実施形態において、ナノウォール形状の金属酸化物で構成される構造体322を製造する場合を例に挙げた。しかし、ナノウォール形状の構造体は、金属酸化物に加えて、添加物を含んでいてもよい。添加物は、水素(H)、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ラドン(Rn)を除くすべての元素のうちのいずれか1または複数である。ナノウォール形状の構造体が、金属酸化物に加えて、添加物を含むことにより、光触媒機能を向上させることができる。 Furthermore, in the above embodiment, an example was given of manufacturing a structure 322 composed of a nanowall-shaped metal oxide. However, the nanowall-shaped structure may contain an additive in addition to the metal oxide. The additive is any one or more of all elements except hydrogen (H), helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), and radon (Rn). When the nanowall-shaped structure contains an additive in addition to the metal oxide, the photocatalytic function can be improved.
また、上記実施形態において、ターゲット保持部130は、形成工程S110において、電圧を常時印加し、スパッタリング工程S120において、パルス電圧を印加する場合を例に挙げた。しかし、ターゲット保持部130は、形成工程S110およびスパッタリング工程S120において電圧を常時印加してもよいし、形成工程S110およびスパッタリング工程S120においてパルス電圧を印加してもよいし、形成工程S110において、パルス電圧を印加し、スパッタリング工程S120において、電圧を常時印加してもよい。 In the above embodiment, the target holding unit 130 applies a constant voltage during the formation process S110 and a pulse voltage during the sputtering process S120. However, the target holding unit 130 may apply a constant voltage during both the formation process S110 and the sputtering process S120, may apply a pulse voltage during both the formation process S110 and the sputtering process S120, or may apply a pulse voltage during the formation process S110 and the sputtering process S120, or may apply a pulse voltage during the formation process S110 and a constant voltage during the sputtering process S120.
本開示は、例えば、持続可能な開発目標(SDGs)の目標6「すべての人々に水と衛生へのアクセスを確保する」および目標7「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することができる。 This disclosure can contribute, for example, to Sustainable Development Goal (SDG) Goal 6, "Ensure access to water and sanitation for all," and Goal 7, "Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy."
T スパッタリングターゲット
S110 形成工程
S120 スパッタリング工程
S130 炭素低減工程
100 プラズマCVD装置
110 チャンバ
140 プラズマ銃(プラズマ放出部)
300A 材料(光触媒)
322 構造体
T: Sputtering target S110: Forming step S120: Sputtering step S130: Carbon reduction step 100: Plasma CVD apparatus 110: Chamber 140: Plasma gun (plasma emission part)
300A Material (Photocatalyst)
322 Structure
Claims (2)
前記ドープする工程を実行した後、前記プラズマ流の放出を維持したまま、前記反応ガスの前記チャンバ内への供給を停止する工程と、
を含み、
前記所定の元素は、鉄よりもスパッタレートが低い元素である材料製造方法。 In a plasma CVD apparatus having a chamber, a sputtering target provided in the chamber and composed of a predetermined element, and a plasma discharger for discharging a plasma flow into the chamber, wherein the plasma constituting the plasma flow discharged by the plasma discharger collides with the sputtering target, the apparatus comprises: supplying a reactive gas containing at least a carbon compound gas into the chamber; discharging the plasma flow into the chamber; and doping the carbon nanowalls with the predetermined element while forming carbon nanowalls on a substrate provided in the chamber;
After performing the doping step, stopping the supply of the reaction gas into the chamber while maintaining the emission of the plasma flow;
Including,
A material manufacturing method, wherein the predetermined element is an element having a lower sputtering rate than iron.
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