JP2005139044A - 単結晶の珪素ナノチューブとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ナノスケールの半導体デバイス用材料として有用な単結晶の珪素ナノチューブの製造方法を提供する。
【解決手段】 硫化亜鉛粉末を不活性気流中で、１１５０〜１２５０℃に加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させ、その存在下に、一酸化ケイ素粉末を１２００〜１４００℃に不活性気流中で加熱することにより、硫化亜鉛・ケイ素コア・シェル構造のナノワイヤーを生成させた後に、このコア・シェルナノワイヤーを塩酸水溶液で処理して、珪素ナノチューブを製造する。
【選択図】図２
【解決手段】 硫化亜鉛粉末を不活性気流中で、１１５０〜１２５０℃に加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させ、その存在下に、一酸化ケイ素粉末を１２００〜１４００℃に不活性気流中で加熱することにより、硫化亜鉛・ケイ素コア・シェル構造のナノワイヤーを生成させた後に、このコア・シェルナノワイヤーを塩酸水溶液で処理して、珪素ナノチューブを製造する。
【選択図】図２
Description
この出願の発明は、単結晶の珪素ナノチューブとその製造方法に関するもので、さらに詳しくは、ナノスケールの半導体デバイス等に有用な単結晶の珪素ナノチューブの製造方法に関する。
従来より、珪素ナノワイヤーは、金属触媒を用いたレーザー加熱法（非特許文献１参照）や、珪素と珪素酸化物の加熱による方法（非特許文献２参照）、ジフェニルシランの高温熱分解による方法（非特許文献３参照）などによって製造されることが知られている。
A.M.Morales，ほか、サイエンス(Science) 279 巻、208頁、1998年 N.Wang，ほか、フィジカル・レビューＢ(Phys.Rev.B)58巻、R16024頁、1998年。 J.D.Holmes，ほか、サイエンス(Science) 287巻、1471頁、2000年
A.M.Morales，ほか、サイエンス(Science) 279 巻、208頁、1998年 N.Wang，ほか、フィジカル・レビューＢ(Phys.Rev.B)58巻、R16024頁、1998年。 J.D.Holmes，ほか、サイエンス(Science) 287巻、1471頁、2000年
上記のように、珪素ナノワイヤーは、すでにその製造方法が知られているが、珪素ナノチューブについては、そのバンド構造等が計算により予測されているものの、いまだ実際に製造されたことはない。そこで、この出願の発明は、単結晶の珪素ナノチューブとその製造方法を提供することを課題としている。
この出願の発明は上記の課題を解決するものとして、第１には、外径が１２０〜１８０ナノメートル、チューブ壁の厚さが４０〜６０ナノメートルである単結晶珪素ナノチューブを提供する。
また、この出願の発明は、第２には、硫化亜鉛粉末を不活性雰囲気で１１５０〜１２５０℃に加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させ、この硫化亜鉛ナノワイヤーを不活性雰囲気で一酸化珪素と１２００〜１４００℃で加熱反応させることを特徴とする単結晶珪素ナノチューブの製造方法を提供する。
さらに具体的には、この出願の発明は、第３には、たとえばグラファイト製るつぼ中に硫化亜鉛粉末を入れ、このるつぼを縦型高周波誘導加熱炉中のグラファイト製加熱円筒管の中央部に設置し、不活性気体を流しながら、１１５０〜１２５０℃に１〜２時間加熱して、硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させ、次に、グラファイト製るつぼの中に、一酸化ケイ素粉末を入れ、このるつぼを上記の加熱炉中のグライファイト製円筒管の中央部に設置し、不活性気体を流しながら、１２００〜１４００℃に、１〜２時間加熱し、加熱炉を室温に冷却した後、生成物を加熱炉から取り出し、塩酸で処理することにより、単結晶の珪素ナノチューブを製造する方法を提供する。
上記のとおりのこの出願の発明によって、マイクロエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス分野において、その応用が期待されている単結晶珪素ナノチューブが提供され、また硫化亜鉛、一酸化ケイ素を原料として加熱することにより単結晶珪素ナノチューブの製造が可能とされている。
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
より具体的な好適な形態について説明すると、この出願の発明の単結晶珪素ナノチューブの製造方法では、まず、加熱装置として、好適には石英管の内側に断熱材のカーボン繊維で覆われたグラファイト製の誘導加熱円筒管を有する縦型高周波誘導加熱炉を用いて、たとえば好ましくはグラファイト製るつぼの中に、硫化亜鉛粉末を入れ、このるつぼをグラファイト製の誘導加熱円筒管の中央部に設置する。アルゴンガスなどの不活性気体を流しながら、１１５０〜１２５０℃に、１〜２時間加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させる。この際、加熱温度は上記の範囲が好ましく、１２５０℃よりも加熱温度を高くすると、硫化亜鉛ナノワイヤーの直径が太くなり、１１５０℃よりも低いと、硫化亜鉛ナノワイヤーの収率が低下する。加熱時間は１〜２時間が好ましく、２時間で十分に原料の蒸発が終了する。１時間未満の場合には硫化亜鉛ナノワイヤーの生成量が減少する。
次に、グライファイト製るつぼの中に、一酸化ケイ素粉末を入れ、このるつぼをグラファイト製の誘導加熱円筒管の中央部に取り付け、不活性気体を流しながら、１２００〜１４００℃に、１〜２時間加熱した後、加熱炉を室温に冷却する。これによりナノワイヤー生成物が得られることになる。このナノワイヤー生成物は、硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造を有するものである。この生成したナノワイヤーを酸水溶液、たとえば塩酸、硫酸、塩素酸等の酸の水溶液、より好適には塩酸水溶液で処理することにより、単結晶の珪素ナノチューブを得ることができる。塩酸水溶液の場合には、その濃度を５〜２０％程度、より好適には１０％前後とすることが考慮される。
硫化亜鉛ナノワイヤーと一酸化珪素との加熱においては、硫化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末の重量比は１：１〜２：１が好ましく、これよりも一酸化ケイ素の量が多いと、最終生成物の中に、珪素ナノワイヤーが混入する。加熱温度は、１２００〜１４００℃が好ましく、これ以上の温度に上げても収量の向上は望めない。また、１２００℃よりも加熱温度が低いと、珪素の蒸気の発生が十分でなく、硫化亜鉛・珪素のコア・シェル構造のナノワイヤーが生成しない。加熱時間は１〜２時間が好ましく、２時間以上加熱しても収量の向上は望めないし、さらに長時間加熱すると、硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの表面に珪素ナノ粒子が付着してしまう。１時間未満だと硫化亜鉛・珪素コア・シェルナノワイヤーの収量が低下する。不活性ガスの流量は１００〜２００ｓｃｃｍが好ましく、２００ｓｃｃｍ以上流す必要はない。１００ｓｃｃｍ未満だと最終生成物の収量が低下する。
なお、上記いずれの場合の不活性気流については、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスの流通下であってよい。
そこで以下に実施例を説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
石英管の内側に断熱材のカーボン繊維で覆われたグラファイト製の誘導加熱円筒管を有する縦型高周波誘導加熱炉を反応装置として用い、グラファイト製るつぼの中に、シグマアルドリッチ社製の硫化亜鉛粉末（純度９９．９９％）１．５ｇを入れ、このるつぼを前記の誘導加熱円筒管の中央部に設置した。流量１２０ｓｃｃｍのアルゴンガスを流しながら、１２００℃に１．５時間加熱した。加熱炉を室温に冷却すると、カーボン繊維の表面に直径約５０ナノメートルの硫化亜鉛ナノワイヤーが成長した。
次に、グラファイト製るつぼの中に、シグマアルドリッチ社製の一酸化ケイ素粉末（３
２５メッシュ）１．０ｇを入れ、このるつぼを前記の誘導加熱円筒管の中央部に取り付けた。流量１２０ｓｃｃｍのアルゴンガスを流しながら、１３５０℃に１時間加熱した。加熱終了後、加熱炉を室温に冷却すると、カーボン繊維の表面に硫化亜鉛・ケイ素のコア・シェル構造のナノワイヤーが生成した。この生成したナノワイヤーを１０％塩酸水溶液で処理した後、蒸留水、エタノールで洗浄した。
２５メッシュ）１．０ｇを入れ、このるつぼを前記の誘導加熱円筒管の中央部に取り付けた。流量１２０ｓｃｃｍのアルゴンガスを流しながら、１３５０℃に１時間加熱した。加熱終了後、加熱炉を室温に冷却すると、カーボン繊維の表面に硫化亜鉛・ケイ素のコア・シェル構造のナノワイヤーが生成した。この生成したナノワイヤーを１０％塩酸水溶液で処理した後、蒸留水、エタノールで洗浄した。
図１に、得られた生成物のＸ線回折のパターンを示した。この回折図から格子定数ａ＝５．４２８Åを有する立方晶系の珪素であることが確認された。図２には、このナノチューブの透過型電子顕微鏡像の写真を示した。この写真から、ナノチューブの外径は１２０〜１８０ナノメートル、チューブ壁の厚さは４０〜６０ナノメートルで、ナノチューブの先端は開口していることがわかる。図３は、このナノチューブのＸ線エネルギー拡散スペクトルを示したものであるが、その化学組成は珪素からなることがわかる。この図３には、少量の酸素と銅のピークが見られるが、酸素は試料を作製するときに酸素に触れたために現れたもので、銅のピークは試料を作製するときに用いた銅グリッドから由来するものである。先のＸ線回折のパターンと合わせて考えると、このナノチューブは単結晶の珪素で構成されていることが理解される。
この出願の発明により、単結晶の珪素ナノチューブの製造が可能となり、ナノスケール領域における半導体デバイスへの応用が期待される。
Claims (3)
- 外径が１２０〜１８０ナノメートル、チューブ壁の厚さが４０〜６０ナノメートルである単結晶珪素ナノチューブ。
- 硫化亜鉛粉末を不活性雰囲気で１１５０〜１２５０℃に加熱して硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させ、この硫化亜鉛ナノワイヤーを不活性雰囲気で一酸化珪素と１２００〜１４００℃で加熱反応させることを特徴とする単結晶珪素ナノチューブの製造方法。
- 不活性気体を通じながら、硫化亜鉛粉末を縦型高周波誘導加熱炉中で１１５０〜１２５０℃に、１〜２時間加熱して、硫化亜鉛ナノワイヤーを生成させた後、一酸化ケイ素粉末を不活性気流中で、１２００〜１４００℃に、１〜２時間加熱反応させ、生成物を塩酸水溶液で処理することを特徴とする請求項２の単結晶珪素ナノチューブの製造方法。
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