JP2596310B2 - フラーレン系インターカレーション化合物薄膜の形成方法 - Google Patents

フラーレン系インターカレーション化合物薄膜の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、球形状炭素クラスタ分
子であるフラーレン物質のインターカレーション薄膜の
形成方法に関するものであり、エレクトロニクスなどの
電子産業に利用されるものである。
【0002】
【従来の技術】フラーレンは、1985年にクロト等
(ネイチャー(Nature),1985年,318
巻,p.162)により発見された新しい炭素物質で、
その特徴は5角形と6角形だけで構成された閉殻電子構
造を有するnmサイズの物質である。この物質は、19
90年にクラッチマー等(ネイチャー(Natur
e),1990年,347巻,p.354)によりその
大量合成法が発見されてからその実用化への道が大きく
開かれた。この物質は、単独では固体として真性半導体
であるが、キャリヤとして電子あるいはホールを注入す
ると導電体あるいは磁性体となることが期待される等、
ナノ領域の次世代電子材料として多くの注目を集めてい
る。実際に、アルカリ金属をフラーレン固体にインター
カレーションの形で導入すると、フラーレン固体は導電
体になることが1991年にハドン(ネイチャー(Na
ture),1991年,350巻,p.320)によ
り報告されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ここまで述べてきたフ
ラーレンの物性を電子素子として活用するためには、均
一性のよいインターカレーションの薄膜を作ることが必
要である。従来報告されている方法によれば、フラーレ
ン薄膜を成膜した後に、その表面にアルカリ金属あるい
はアルカリ土類金属を蒸着して熱拡散する方法が行われ
ていた。しかしこのような方法では、特に膜の深さ方向
に濃度変化が生じて均一な導電体薄膜を形成することが
できなかった。
【0004】本発明はこのような従来の事情に対処して
なされたもので、フラーレンのインターカレーションを
利用した電子素子を作る基礎となる、フラーレンインタ
ーカレーション薄膜を高品質で均一に作る方法を提供す
ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、数分子層のフ
ラーレン薄膜と、数分子層の別の元素薄膜とを交互に蒸
着してフラーレン薄膜と異元素薄膜の超格子構造を形成
し、次いで加熱・拡散させることを特徴とするフラーレ
ン系インターカレーション化合物薄膜の形成方法であ
る。本発明のフラーレン系インターカレーション化合物
薄膜の形成方法においては、超格子構造において、基板
との境界面から膜の表面方向にいくにしたがってフラー
レンとインターカレーションさせる異元素との組成比が
異元素の比を大きくするようにフラーレン薄膜厚および
/または異元素薄膜厚が制御されていることを好適とす
る。また、本発明における異元素をアルカリ金属とし、
形成されたフラーレン系インターカレーション化合物薄
膜のアルカリ金属とフラーレンの量論比が3:1である
ようにすると、得られるフラーレン系インターカレーシ
ョン化合物薄膜は超伝導を示すものとなる。
【0006】
【作用】フラーレンを母体とするインターカレーション
では、数種類の構造が平衡する。例えば、フラーレンで
代表的なC60のアルカリ金属のインターカレーション
は、インターカレーションする元素の数によって面心立
方構造のA3C60、体心正方構造のA4C60、なら
びに体心立方構造のA6C60が平衡して存在してい
る。従って従来の方法で、C60薄膜を形成して後、ア
ルカリ金属を蒸着して熱拡散により安定相を作ると、膜
の深さ方向での不均一性によりこれらの相が混在した不
均一なC60インターカレーション膜ができてしまう。
均一な膜にするためには、数カ月という長期間熱処理を
続けなければならなかった。
【0007】発明者等は、この問題点を解決して容易に
均一なフラーレン薄膜を形成できるようにするために鋭
意研究を進めた結果、フラーレンとインターカレーショ
ンさせる元素との超格子構造を作って後、熱処理する方
法を見い出した。実際には、C60などのフラーレンを
数分子層蒸着する工程とインターカレーションさせる元
素を数分子層蒸着させる工程とを交互に繰り返し超格子
構造を形成する。この場合に周期構造における2種類の
膜厚を制御することにより非常に精度よく定量的に組成
を制御することができる。その後、熱処理することによ
り、所望の構造を有するフラーレンインターカレーショ
ン化合物の薄膜が得られる。
【0008】このような超格子構造の構成において、発
明者等はさらに検討した結果、フラーレンとインターカ
レーションさせる異元素の層関係を基板との境界面から
膜面の表面の方向にフラーレンに対する異元素の比を多
くするようにそれぞれの膜厚を制御し、超格子構造を形
成すると、形成される膜の均一性がさらに向上すること
を見い出した。これは、熱処理の際、膜の表面から異元
素が再離脱する現象による組成比の変化を、濃度勾配を
超格子構造に付与することで防ぐことができたためと考
えられる。
【0009】熱処理は、超格子を作る間に同時に行って
もよいが、完全に超格子構造を形成した後に行う方が望
ましい。これは、超格子を作りながら熱処理をすると蒸
着中に生じる脱離現象のためにフラーレンとインターカ
レーションさせる元素との量論的関係が乱れるからであ
る。また、超格子構造での各々の成分の層数は2から1
0層が望ましい。なぜならば、1層であると膜欠陥のた
めにインターカレーション化合物の生成が阻害されるこ
とがあり、また10層を超えるとインターカレーション
化合物を生成する際のフラーレンと異元素との相互作用
が困難になるからである。熱処理する温度は、フラーレ
ンの種類と異元素の種類により異なるが、例えば代表的
なフラーレンであるC60とアルカリ金属の1種である
ルビジウムとのインターカレーション化合物の場合、1
50℃が望ましい。これは従来の手法の場合と比較して
かなりの低温処理である。これは、超格子構造を採用し
ているために、2成分の相互作用により電荷の授受を含
む混合反応が容易に生じるためであると考えられる。ま
た、インジウム元素のように、従来の方法ではフラーレ
ンとのインターカレーション薄膜を形成することができ
なかった元素でも、本方法を用いればインターカレーシ
ョン化合物の薄膜をつくることができる。これは、超格
子構造という特別の構造のために2成分の界面が極めて
活性化されており、このような界面の全体に占める割合
が多いためと理解される。
【0010】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。 実施例1 図1は、本発明の方法の説明図であり、図1(a)は加
熱・拡散前、図1(b)は加熱・拡散後の積層膜の状態
および装置構成を示している。同図に基づいて以下の実
施例を説明する。セル4より膜厚モニター5で膜厚を確
認しながら、蒸着基板1上にC60薄膜(フラーレン薄
膜)2を50オングストローム蒸着し、その上にセル6
より膜厚モニター7で膜厚を確認しながらカリウム薄膜
(異元素薄膜)3を20オングストローム蒸着し、さら
にC60薄膜とカリウム薄膜を同膜厚で交互に積層して
いき、C60薄膜とカリウム薄膜が10層ずつの超格子
構造を有する積層膜を作製した。次いで、基板温度を1
00℃にして、カリウムをC60薄膜中へ加熱・拡散さ
せた。これにより、カリウムとC60の量論比が4:1
の体心正方構造のフラーレン系インターカレーション化
合物薄膜9が得られた。
【0011】実施例2 セル4より膜厚モニター5で膜厚を確認しながら、蒸着
基板1上にC60薄膜(フラーレン薄膜)2を50オン
グストローム蒸着し、その上にセル6より膜厚モニター
7で膜厚を確認しながらカリウム薄膜(異元素薄膜)3
を15オングストローム蒸着し、さらにC60薄膜とカ
リウム薄膜を同膜厚で交互に積層していき、C60薄膜
とカリウム薄膜が10層ずつの超格子構造を有する積層
膜を作製した。次いで、基板温度を100℃にしてカリ
ウムをC60薄膜中へ加熱・拡散させた。これにより、
カリウムとC60の量論比が3:1の面心立方構造のフ
ラーレン系インターカレーション化合物薄膜9が得られ
た。
【0012】実施例3 セル4より膜厚モニター5で膜厚を確認しながら、蒸着
基板1上にC60薄膜(フラーレン薄膜)2を50オン
グストローム蒸着し、その上にセル6より膜厚モニター
7で膜厚を確認しながらナトリウム薄膜(異元素薄膜)
3を8オングストローム蒸着し、さらにC60薄膜とナ
トリウム薄膜を同膜厚で交互に積層していき、C60薄
膜とナトリウム薄膜が10層ずつの超格子構造を有する
積層膜を作製した。次いで、基板温度を150℃にして
ナトリウムをC60薄膜中へ加熱・拡散させた。これに
より、ナトリウムとC60の量論比が3:1の面心立方
構造のフラーレン系インターカレーション化合物薄膜9
が得られた。
【0013】実施例4 セル4より膜厚モニター5で膜厚を確認しながら、蒸着
基板1上にC60薄膜(フラーレン薄膜)2を50オン
グストローム蒸着し、その上にセル6より膜厚モニター
7で膜厚を確認しながらインジウム薄膜(異元素薄膜)
3を5オングストローム蒸着し、さらにC60薄膜とイ
ンジウム薄膜を同膜厚で交互に積層していき、C60薄
膜とインジウム薄膜が10層ずつの超格子構造を有する
積層膜を作製した後、基板温度を170℃にしてインジ
ウムをC60薄膜中へ加熱・拡散させた。これにより、
インジウムとC60の量論比が3:1の面心立方構造の
フラーレン系インターカレーション化合物薄膜9が得ら
れた。
【0014】実施例5 セル4より膜厚モニター5で膜厚を確認しながら、蒸着
基板1上にC70薄膜(フラーレン薄膜)2を50オン
グストローム蒸着し、その上にセル6より膜厚モニター
7で膜厚を確認しながらインジウム薄膜(異元素薄膜)
3を5オングストローム蒸着し、さらにC70薄膜とイ
ンジウム薄膜を同膜厚で交互に積層していき、C70薄
膜とインジウム薄膜が10層ずつの超格子構造を有する
積層膜を作製した。次いで、基板温度を200℃にして
インジウムをC70薄膜中へ加熱・拡散させた。これに
より、インジウムとC70の量論比が3:1の面心立方
構造のフラーレン系インターカレーション化合物薄膜9
が得られた。
【0015】実施例6 実施例2と同様の実験をC60とカリウムの組成比が膜
厚を制御することにより平均で基板の下端から膜の上端
に約10%の濃度勾配で上端にいくに従いC60に対す
るカリウムの組成比が増加する超格子構造に関して行っ
た。できた膜質の比較は導電性および超伝導転移点を測
定することにより行った。その結果、濃度勾配を有する
超格子構造から作製した膜は導電性で1.5倍(700
Scm-1)、超伝導転移点の変化が極めて急峻になるな
ど、均一なK3C60の金属/超伝導薄膜ができている
ことが確認された。
【0016】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の方法を用い
れば、均一なフラーレン系インターカレーション化合物
薄膜を簡単かつ精度良く作製することができる。この方
法によると、従来の方法ではフラーレンとインターカレ
ーション化合物を作ることができなかった元素でもイン
ターカレーション化合物を作ることが可能であり、また
超格子構造の層数の組み合わせを選択することにより、
組成を自由に制御できる。フラーレンはインターカレー
トする物質により超伝導物性を示すなど、その工業的応
用が非常に期待されており、本方法を用いると均一なイ
ンターカレーション化合物薄膜を簡単かつ精度良く作製
できるので、その意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法の説明図である。
【符号の説明】
1 蒸着基板 2 フラーレン薄膜 3 異元素薄膜 4 セル 5 膜厚モニター 6 セル 7 膜厚モニター 8 加熱ヒーター 9 フラーレン系インターカレーション化合物薄膜

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 数分子層のフラーレン薄膜と、数分子層
    の別の元素薄膜とを交互に蒸着してフラーレン薄膜と異
    元素薄膜の超格子構造を形成し、次いで加熱・拡散させ
    ることを特徴とするフラーレン系インターカレーション
    化合物薄膜の形成方法。
  2. 【請求項2】 超格子構造において、基板との境界面か
    ら膜の表面方向にいくにしたがってフラーレンとインタ
    ーカレーションさせる異元素との組成比が異元素の比を
    大きくするようにフラーレン薄膜厚および/または異元
    素薄膜厚が制御されている請求項1記載のフラーレン系
    インターカレーション化合物薄膜の形成方法。
  3. 【請求項3】 異元素がアルカリ金属である請求項1ま
    たは2に記載のフラーレン系インターカレーション化合
    物薄膜の形成方法。
  4. 【請求項4】 形成されたフラーレン系インターカレー
    ション化合物薄膜のアルカリ金属とフラーレンの量論比
    が3:1である請求項3記載のフラーレン系インターカ
    レーション化合物薄膜の形成方法。
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JPH03116791A (ja) * 1989-09-28 1991-05-17 Nec Corp 半導体受光素子の製造方法
JPH03173186A (ja) * 1989-12-01 1991-07-26 Canon Inc 2次元量子井戸構造または3次元量子井戸構造の作製方法
JPH05238885A (ja) * 1992-02-28 1993-09-17 Sumitomo Electric Ind Ltd 炭素クラスター電導体膜の製造方法

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