JP3882077B2 - 酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高純度で、小径かつ無欠陥の窒化ホウ素ナノチューブを大量に製造することのできる酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素原子が筒状に並んだナノメートルサイズのチューブ状炭素物質、カーボンナノチューブが知られている。カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザー加熱法、化学的気相成長法等により合成されている。
【０００３】
窒化ホウ素は、炭素からなるグラファイトと構造的類似性があることから、窒化ホウ素ナノチューブもまたカーボンナノチューブと同様に合成されている。たとえば、ホウ化ニッケル（ＮｉＢ）を触媒に使用し、ボラジンを原料として窒化ホウ素を合成する方法（たとえば、非特許文献１参照）やカーボンナノチューブを鋳型として利用し、酸化ホウ素と窒素を高周波誘導加熱炉中で反応させて合成する方法（たとえば、特許文献１参照）等が提案されている。
【０００４】
【非特許文献１】
ケミカル・マテリアル(Chem. Mater.)，2000年，第１２巻，ｐ．１８０８
【特許文献１】
特開２０００−１０９３０６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ホウ素は、従来にない特性を有する半導体材料、エミッター材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等として利用が期待されている。
【０００６】
しかしながら、これまでの製造方法には、窒化ホウ素ナノチューブの収率が悪く、少量しか合成できず、また、炭素等の不純物が混入するという問題があり、半導体特性や強度等の物理的性質の測定を十分に行うことができない。
【０００７】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高純度で、小径かつ無欠陥の窒化ホウ素ナノチューブを大量に製造することのできる酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、ホウ素と酸化ガリウムの混合物を1000℃〜2100℃に加熱し反応させ、反応生成物を引き続いてアンモニアと反応させ、窒化ホウ素ナノチューブを製造することを特徴とする酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法（請求項１）を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、窒化ホウ素ナノチューブを基板上に堆積させ、基板の温度をホウ素と酸化ガリウムの反応温度より低くすること（請求項２）、基板がシリコンウエハーであること（請求項３）をそれぞれ一態様として提供する。
【００１０】
以下、実施例を示しつつこの出願の発明の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法では、上記のとおり、ホウ素と酸化ガリウムの混合物を1000℃〜2100℃に加熱し反応させ、反応生成物を引き続いてアンモニアと反応させ、窒化ホウ素ナノチューブを製造する。したがって、原料に炭素を含む化合物を使用しないため、炭素が不純物として混入することがなく、高純度の窒化ホウ素ナノチューブを製造することができる。しかも、反応により生成する金属ガリウムは、高温で触媒活性を失わないため、小径で欠陥のない窒化ホウ素ナノチューブを製造することができる。
【００１２】
加熱温度を1000℃未満とすると、反応が遅く、2100℃を超えると、蒸発速度が速くなり、基板への付着量が減少する。
【００１３】
この出願の発明の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法では、窒化ホウ素ナノチューブは基板上に堆積させることが好ましく、この場合、基板の温度をホウ素と酸化ガリウムの反応温度より低くすることが好ましい。これは、基板への窒化ホウ素ナノチューブの付着性、堆積性を考慮してのことである。また、基板には、好ましくはシリコンウエハーが使用される。
【００１４】
【実施例】
６：１のモル比でホウ素と酸化ガリウムの混合物２ｇをボールミルで６時間粉砕して微粉化した。シリコンウエハーをアセトンで洗浄し、さらに硝酸とフッ酸でエッチングして表面を清浄にした。このシリコンウエハーを基板として上記原料混合物とともに窒化ホウ素製の容器の中に離して配置した。窒化ホウ素製の容器を高周波誘導加熱炉の中に取り付けたグラファイト製の支持台上に起き、原料混合物を1550℃に加熱した。原料のホウ素と酸化ガリウムが反応して酸化ホウ素と金属ガリウムが生成した。この反応生成物をアルゴンガス（流速３０sccm）でシリコンウエハーに移送し、シリコンウエハーの温度が1100℃になった時、アンモニアガスを200sccmの流速で流した。３０分間この状態を保った後、アンモニアガスの導入を停止して高周波誘導加熱炉の温度を室温まで冷却した。シリコンウエハー上に無色の反応生成物が堆積した。
【００１５】
無色の反応生成物の結晶構造は、図１に示したＸ線回折パターンより、窒化ホウ素の六方晶系と菱面体晶系の混合相であることが確認され、また、ガリウムや酸化ガリウムが含まれていず、高純度であることも確認される。
【００１６】
図２は透過型電子顕微鏡像であるが、結晶は、直径１５nm〜８０nmであり、長さ数十ミクロンである。
【００１７】
図３（ａ）は高倍率の透過型電子顕微鏡像である。図３（ａ）から、直線状できれいに配列した欠陥のない窒化ホウ素ナノチューブであることが確認される。また、図３（ｂ）は電子エネルギー損失スペクトル分析のパターンである。図３（ｂ）から生成物はホウ素と窒素からなり、その組成はほぼ１：１であることが確認される。
【００１８】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、高純度で、小径かつ無欠陥の窒化ホウ素ナノチューブを大量に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で得られた反応生成物のＸ線回折のパターンである。
【図２】実施例で得られた反応生成物の低倍率の透過型電子顕微鏡像である。
【図３】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、実施例で得られた反応生成物の高倍率の透過型電子顕微鏡像、電子エネルギー損失スペクトル分析のパターンである。
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高純度で、小径かつ無欠陥の窒化ホウ素ナノチューブを大量に製造することのできる酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素原子が筒状に並んだナノメートルサイズのチューブ状炭素物質、カーボンナノチューブが知られている。カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザー加熱法、化学的気相成長法等により合成されている。
【０００３】
窒化ホウ素は、炭素からなるグラファイトと構造的類似性があることから、窒化ホウ素ナノチューブもまたカーボンナノチューブと同様に合成されている。たとえば、ホウ化ニッケル（ＮｉＢ）を触媒に使用し、ボラジンを原料として窒化ホウ素を合成する方法（たとえば、非特許文献１参照）やカーボンナノチューブを鋳型として利用し、酸化ホウ素と窒素を高周波誘導加熱炉中で反応させて合成する方法（たとえば、特許文献１参照）等が提案されている。
【０００４】
【非特許文献１】
ケミカル・マテリアル(Chem. Mater.)，2000年，第１２巻，ｐ．１８０８
【特許文献１】
特開２０００−１０９３０６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ホウ素は、従来にない特性を有する半導体材料、エミッター材料、耐熱性充填材料、高強度材料、触媒等として利用が期待されている。
【０００６】
しかしながら、これまでの製造方法には、窒化ホウ素ナノチューブの収率が悪く、少量しか合成できず、また、炭素等の不純物が混入するという問題があり、半導体特性や強度等の物理的性質の測定を十分に行うことができない。
【０００７】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高純度で、小径かつ無欠陥の窒化ホウ素ナノチューブを大量に製造することのできる酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、ホウ素と酸化ガリウムの混合物を1000℃〜2100℃に加熱し反応させ、反応生成物を引き続いてアンモニアと反応させ、窒化ホウ素ナノチューブを製造することを特徴とする酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法（請求項１）を提供する。
【０００９】
また、この出願の発明は、窒化ホウ素ナノチューブを基板上に堆積させ、基板の温度をホウ素と酸化ガリウムの反応温度より低くすること（請求項２）、基板がシリコンウエハーであること（請求項３）をそれぞれ一態様として提供する。
【００１０】
以下、実施例を示しつつこの出願の発明の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法では、上記のとおり、ホウ素と酸化ガリウムの混合物を1000℃〜2100℃に加熱し反応させ、反応生成物を引き続いてアンモニアと反応させ、窒化ホウ素ナノチューブを製造する。したがって、原料に炭素を含む化合物を使用しないため、炭素が不純物として混入することがなく、高純度の窒化ホウ素ナノチューブを製造することができる。しかも、反応により生成する金属ガリウムは、高温で触媒活性を失わないため、小径で欠陥のない窒化ホウ素ナノチューブを製造することができる。
【００１２】
加熱温度を1000℃未満とすると、反応が遅く、2100℃を超えると、蒸発速度が速くなり、基板への付着量が減少する。
【００１３】
この出願の発明の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法では、窒化ホウ素ナノチューブは基板上に堆積させることが好ましく、この場合、基板の温度をホウ素と酸化ガリウムの反応温度より低くすることが好ましい。これは、基板への窒化ホウ素ナノチューブの付着性、堆積性を考慮してのことである。また、基板には、好ましくはシリコンウエハーが使用される。
【００１４】
【実施例】
６：１のモル比でホウ素と酸化ガリウムの混合物２ｇをボールミルで６時間粉砕して微粉化した。シリコンウエハーをアセトンで洗浄し、さらに硝酸とフッ酸でエッチングして表面を清浄にした。このシリコンウエハーを基板として上記原料混合物とともに窒化ホウ素製の容器の中に離して配置した。窒化ホウ素製の容器を高周波誘導加熱炉の中に取り付けたグラファイト製の支持台上に起き、原料混合物を1550℃に加熱した。原料のホウ素と酸化ガリウムが反応して酸化ホウ素と金属ガリウムが生成した。この反応生成物をアルゴンガス（流速３０sccm）でシリコンウエハーに移送し、シリコンウエハーの温度が1100℃になった時、アンモニアガスを200sccmの流速で流した。３０分間この状態を保った後、アンモニアガスの導入を停止して高周波誘導加熱炉の温度を室温まで冷却した。シリコンウエハー上に無色の反応生成物が堆積した。
【００１５】
無色の反応生成物の結晶構造は、図１に示したＸ線回折パターンより、窒化ホウ素の六方晶系と菱面体晶系の混合相であることが確認され、また、ガリウムや酸化ガリウムが含まれていず、高純度であることも確認される。
【００１６】
図２は透過型電子顕微鏡像であるが、結晶は、直径１５nm〜８０nmであり、長さ数十ミクロンである。
【００１７】
図３（ａ）は高倍率の透過型電子顕微鏡像である。図３（ａ）から、直線状できれいに配列した欠陥のない窒化ホウ素ナノチューブであることが確認される。また、図３（ｂ）は電子エネルギー損失スペクトル分析のパターンである。図３（ｂ）から生成物はホウ素と窒素からなり、その組成はほぼ１：１であることが確認される。
【００１８】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、高純度で、小径かつ無欠陥の窒化ホウ素ナノチューブを大量に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で得られた反応生成物のＸ線回折のパターンである。
【図２】実施例で得られた反応生成物の低倍率の透過型電子顕微鏡像である。
【図３】（ａ）（ｂ）は、それぞれ、実施例で得られた反応生成物の高倍率の透過型電子顕微鏡像、電子エネルギー損失スペクトル分析のパターンである。
Claims (3)
- ホウ素と酸化ガリウムの混合物を1000℃〜2100℃に加熱し反応させ、反応生成物を引き続いてアンモニアと反応させ、窒化ホウ素ナノチューブを製造することを特徴とする酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法。
- 窒化ホウ素ナノチューブを基板上に堆積させ、基板の温度をホウ素と酸化ガリウムの反応温度より低くする請求項１記載の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法。
- 基板がシリコンウエハーである請求項２記載の酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法。
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| JP2002354427A Expired - Lifetime JP3882077B2 (ja) | 2002-12-05 | 2002-12-05 | 酸化ガリウムを触媒とする窒化ホウ素ナノチューブの製造方法 |
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2002
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