JP6657429B2 - 窒化ホウ素ナノ材料の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は無機ナノ材料の技術分野に属し、窒化ホウ素材料の製造方法に関し、具体的に窒化ホウ素ナノ材料、その製造方法及び応用に関する。
窒化ホウ素ナノ材料は高い機械強度、高い熱伝導係数、広いダイレクトバンドギャップ、良好な化学的に不活性（耐食、高温酸化防止性能）及び大きい比表面積等を含む優れた物理化学性質を有するので、電子素子、デイープ紫外線発光、結合材、放熱材、摩擦材、薬剤担体、触媒担体等の様々な分野で広い応用展望が期待されている。
例えば、窒化ホウ素ナノシート（ＢＮＮＳ）はグラフェンに類似な6員環平面構造を有し、グラフェンと最も適合な格子定数を有する「白グラフェン」と呼ばれるが、それは優れた電気絶縁性、高い熱伝導係数、広いダイレクトバンドギャップ、及び良好な化学的に不活性（耐食、高温酸化防止性能）、良好な生物親和性、及び大きい比表面積等を有する。今まで、ＢＮＮＳの合成方法には「トップダウン法」及び「ダウントップ法」等を含む。「トップダウン法」とは、ミクロンオーダーのＢＮ粒子を1層ごと剥離するによってＢＮナノシートを得る方法である。「トップダウン法」とは液相剥離法、機械剥離法、液相−機械接合剥離、溶融アルカリ剥離、溶融塩剥離等を含むが、これらの方法はコストが低いものの、生産周期が長く、プロセスが複雑で効率が低く、生産率が産業要求に満たさない。
他には、例えば「化学バブリング」法においては、置換法等も殆ど高コストで量産に寄与しなく、生産率が低く、生成物品質が低いなどの欠点がある。「ダウントップ法」には、化学気相成長法（ＣＶＤ）等を含む。ＣＶＤ法ではホウ素及び窒素元素を含有するガス（例えばＢＦ３及びＮＨ３）を高温下で反応させ、又は同時にホウ素及び窒素元素を含有するガス分子（例えばＢ３Ｎ３Ｈ６）を高温下で分解させ、触媒活性を有する基板（例えば銅、ニッケル、ルテニウム等の金属基板）の表面に成長させることによって、窒化ホウ素ナノシート（又は連続膜）を得る。該方法で合成された窒化ホウ素ナノシートは良い結晶品質及び大きいシート層サイズを有し、原子レベルの平坦表面を有し、高品質グラフェン、遷移金属二硫化物等の材料の理想的な基板材料であり、電子素子の点で広い応用展望を有する。しかしながら、従来のＣＶＤ法で製造されたＢＮＮＳがシリコン基板上に転送することだけで素子の製造が可能になり、且つその生産率が低く、合成プロセスが複雑であり、結合材、放熱材、摩擦材、薬剤担体、触媒担体等の分野での応用に競争力がない。なお、シリコン基板上に窒化ホウ素ナノシートを合成する方法も提案されていたが、該方法ではシリコン基板に１層の金属を触媒として成長させる必要があり、成長の後シリコン基板と窒化ホウ素ナノシートの間に金属が存在し、直接にシリコンウエハとともに素子に用いることができない。
また、例えば、窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）はその特別な管状構造及び大きいアスペクト比及び圧電効果等を有するので、結合材の補強体、触媒担体、及び新規な圧力センサー等としてもよく、小分子の転送チャンネルとしてその転送機制の研究に用いてもよい。今まで提案されていた窒化ホウ素ナノチューブの合成方法は電弧放電法、レーザアブレーション法、ボールミルアニール法、化学気相成長法、テンプレート法等が挙げられる。しかしながら以上の方法ではＢＮＮＴの管径及び層数に対する制御はまだ解決していない難題の一つであり、この難題に起因してＢＮＮＴの量産を実現することができない。
また例えば、窒化ホウ素ナノリボン（ＢＮＮＲ）はストライブ状の窒化ホウ素ナノシートと見なし、その幅がナノサイズである。その特別なマージンテープ構造によって、豊富な不飽和結合及び改質性を有し、特別な物理性能、例えば幅によって調整される狭いバンドギャップ及び特別な磁気性能等が示され、ナノ電子素子、スピン電子素子、光電子素子、センサー、結合材等の分野で広い応用展望を有する。そして結合材での応用において、その特別なマージン構造によってもＢＮＮＲと基体の境界結合がＢＮＮＴとＢＮＮＳより顕著な補強效果を有する。
現在、窒化ホウ素ナノリボンの製造方法では、主にプラズマ、又はアルカリ金属蒸気を利用して窒化ホウ素ナノチューブを軸方向に切断してナノリボンを得るのが一般的である。しかしながらこれらの方法では装置に対する要求が高く、又は条件が過酷で一定の危険性があり、及び生産率が非常に低い。なお、例えばｉｎ−ｓｉｔｕ反応によってＢＮＮＲを生成する方法等では生産率が低い等の欠点が存在する。
従来の窒化ホウ素ナノ材料の生産技術を見て、高いコストと低い効率が科学研究及び実際応用のさらなる進歩の大きな制約になる。新規な窒化ホウ素材料の低コスト、高効率の製造技術を開発することは非常に重要な現実意義がある。
本発明は、従来技術の欠点を解決するために、窒化ホウ素ナノ材料、その製造方法及び応用を提供することを主な目的とする。
前記の発明の目的を実現するために、本発明では以下のような技術手段を含む。
本発明の実施例では、前駆体を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、前記窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、前記前駆体は、ホウ素元素及び少なくとも１種の金属元素及び／又はホウ素元素以外の少なくとも１種の非金属元素を含み、前記金属元素がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種であり、前記非金属元素が珪素を含む、窒化ホウ素ナノ材料の製造方法である。
ある実施形態において、前記の製造方法は、固体ホウ素源を前記前駆体として使用し、固体ホウ素源を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護性雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を取得し、そして前記粗生成物に対して後処理を行って、窒化ホウ素ナノシート粉体を取得することを含み、前記固体ホウ素源がホウ酸塩であり、前記ホウ素源がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有するホウ酸塩である。
ある実施形態において、前記の製造方法は、前記前駆体は基板上に被覆される前駆体薄膜であり、前記前駆体薄膜を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、保温して反応させ、窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を取得することを含み、前記前駆体薄膜は少なくとも３種の元素を含み、その内の２種の元素がそれぞれホウ素、酸素元素であり、他の元素がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタン及び珪素からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せである。
ある実施形態において、前記製造方法は、一次元ホウ酸塩前駆体を前記前駆体として使用し、前記一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を取得し、そして前記粗生成物に対して後処理を行い、一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、前記一次元ホウ酸塩前駆体がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有する一次元ホウ酸塩材料である。
本発明の実施例では、さらに前記方法によって製造される窒化ホウ素ナノシート粉体、窒化ホウ素ナノシート連続薄膜、一次元窒化ホウ素ナノ材料等の複数種類の窒化ホウ素ナノ材料を提供する。
本発明の実施例では、さらに前記方法によって製造される複数種類の窒化ホウ素ナノ材料の用途を提供する。
従来技術に比べて、本発明が提供した窒化ホウ素ナノ材料の製造方法は簡単で制御しやすく、コストが低く、原料が安価で得られ、且つ転化率が高く、量産の実現に便利であると共に、得られた各種類の窒化ホウ素ナノ材料は、さらに品質が良く、形状が制御可能等の利点を有するので、電子素子、デイープ紫外線発光、結合材、放熱材、摩擦材、薬剤担体、触媒担体等の様々な分野でも、非常に良い応用展望を有する。
図１は本実施例１では得られたＢＮナノシート粉体の実物の写真である。 図２は本実施例１では得られたＢＮＮＳ粉体のＴＥＭ形状図である。 図３は本実施例２では得られたＢＮナノシートのＳＥＭ図である。 図４は本実施例２では得られたＢＮＮＳのＸＲＤ図である。 図５は本実施例２では得られた生成物のＴＥＭ図である。 図６は本実施例３で得られたＢＮＮＳのラマンスペクトルである。 図７は本実施例４で得られたＢＮＮＳのＴＥＭ図である。 図８は本実施例２０では得られたＢＮＮＴのＳＥＭ図である。 図９は本実施例２０では得られたＢＮＮＴのＴＥＭ図である。 図１０は本実施例２０では得られたＢＮＮＴのＸＲＤ図である。 図１１は本実施例２０では得られたＢＮＮＴのラマン図である。 図１２は本実施例２１では得られたＢＮＮＴのＳＥＭ図である。 図１３は本実施例２１で得られたＢＮＮＴのラマンスペクトルである。
以下、本発明の目的、技術手段及び利点をより明らかにするために、本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。本発明の実施形態は例示的なもので、かつ本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
本発明の実施例が提供した窒化ホウ素ナノ材料の製造方法は、前駆体を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、前記窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、前記前駆体はホウ素元素及び少なくとも１種の金属元素及び／又はホウ素元素以外の少なくとも１種の非金属元素を含み、前記金属元素がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種であり、前記非金属元素は珪素を含む。
さらに、本願発明者らは、長期間の研究及び大量の実験を試みた結果、リチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含むホウ酸塩を、高温条件下でアンモニアガス、窒素ガス等の窒素源と反応させた場合に、高い生産率で高品質の二次元窒化ホウ素ナノシートを取得することができるのを発現した。
これに対して、本発明のある実施形態において、前記製造方法は、固体ホウ素源を前記前駆体として使用し、固体ホウ素源を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護性雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を取得し、そして前記粗生成物に対して後処理を行って、窒化ホウ素ナノシート粉体を取得することを含み、前記固体ホウ素源がホウ酸塩であり、前記ホウ素源がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有するホウ酸塩である。
前記実施形態における前記固体ホウ素源は、ホウ酸カルシウム（ＣａＢ４Ｏ７、Ｃａ２Ｂ２Ｏ５、Ｃａ３Ｂ２Ｏ６）、ホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ４Ｏ７、ＭｇＢ２Ｏ５、Ｍｇ３Ｂ２Ｏ６）、ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）若しくはアルミニウム、亜鉛等の金属のホウ酸塩、又はそれらの混合物であることが好ましく、且つこれらのホウ酸塩の大部分の結晶型が、本発明の前記実施形態においても適用される。
好ましくは、前記製造方法は、さらにホウ素源を反応雰囲気で１２５０℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、保温して反応させることを含む。
より好ましくは、前記製造方法はさらにホウ素源を反応雰囲気で１２５０℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、０．５時間以上、例えば０．５時間〜５時間保温して反応させることを含む。
前記実施形態における窒素含有反応雰囲気としては、アンモニアガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、又は、アンモニアガス及び窒素ガス雰囲気の中の少なくとも１種と、アルゴンガスとで形成された混合雰囲気が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
前記実施形態における保護性雰囲気は窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気又は窒素ガス−アルゴンガス混合雰囲気からなる群より選択されるものであることが好ましいが、これらに限定されるものではない。
前記実施形態において、前記後処理は、前記粗生成物を酸溶液で洗浄・濾過し、そして６０〜８０℃で１時間〜１２時間乾燥させることによって、前記窒化ホウ素ナノシートを取得することであってもよい。
前記実施形態における粗生成物は、窒化ホウ素ナノシートと対応の金属酸化物の結合・混合体であってもよく、そのうち酸化物は酸で除去可能な副生成物である。
例えば、前記酸溶液に含まれる酸は、前記粗生成物中の副生成物と反応して可溶性物質を形成することができ、前記酸溶液の濃度は任意であるが、例えば０．１ｍｏｌ／Ｌを超えることが好ましい。
前記実施形態において、前記後処理は具体的には、酸溶液で前記粗生成物を十分に洗浄し、撹拌又はボールミルを含む配合機械方法をさらに含んでもよい。該洗浄過程と配合機械方法との協力によって、徹底的に洗浄を行うことができる。
前記実施形態において、前記製造方法は具体的には、前記の後処理で前記粗生成物の副生成物と洗浄用酸溶液との反応によって形成した可溶性副生成物を収集して、前記ホウ素源の合成に用いることをさらに含んでもよい。例えば、副生成物ＭｇＯを酸で洗浄して対応の塩の溶液（ＭｇＣｌ２、Ｍｇ（ＮＯ３）２、ＭｇＳＯ４等溶液）を形成し、結晶を抽出してから、原料として再度ホウ酸マグネシウムの合成に用いることができるので、環境に優しい合成方法である。
前記実施形態で製造された窒化ホウ素ナノシート粉体は純度が９９％以上の六方晶窒化ホウ素ナノシートであり、前記六方晶窒化ホウ素ナノシートの厚さが１〜２０原子層であり、径方向サイズが１〜２０μｍである。
本発明のある典型的な実施形態において、低コストで窒化ホウ素ナノシート粉体を量産する窒化ホウ素ナノ材料の製造方法を提供し、それは以下のステップを含む。
（１）ホウ素源をアンモニアガス含有雰囲気で１０００〜１５００℃（好ましくは１２５０℃を超え１５００℃以下）まで加熱し、時間０．５〜５時間保温し、窒素ガス又はアルゴンガスの保護下で室温まで降温させることによって、白い粗生成物を取得する。
（２）ステップ（１）で得られた粗生成物に対して純化、濾過、乾燥させ、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得る。
前記の方法によれば、前駆体の量及び装置体積によって、ロットごとの生産率がグラムオーター以上に達する。良い合成条件下で、純生産率（ホウ素当量で計算）が８５％と高い。
より具体的には、前記実施形態にかかる化学反応（アンモニアガスで３種の成分のホウ酸マグネシウムを反応させる例）は、以下のとおりである。
Figure 0006657429
好ましくは、前記ステップ（１）は、ホウ素源をアンモニアガス含有雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、０．５〜４時間保温し、窒素ガス又はアルゴンガスの保護下で室温まで降温させて、白い粗生成物を得る。例えば、そのうちの１種の反応式は、以下の通りである。
Figure 0006657429
好ましくは、前記ステップ（２）では、前記の純化には３〜５回の水洗を含む。水洗、濾過等の操作によって、効果的に反応副生成物を除去し、高い純度のＢＮナノシートを得ることができる。
好ましくは、前記ステップ（２）では前記の乾燥には６０〜８０℃下で６時間〜１２時間乾燥することを含む。
前記実施形態、特に前記典型的な実施形態で製造された六方晶窒化ホウ素の二次元極薄ナノシート（六方晶窒化ホウ素ナノシート）の厚さが１〜２０原子層であり、大きさが１〜２０μｍであり、マクロ的に粉体を形態を呈する。
前記実施形態で製造された六方晶窒化ホウ素の二次元極薄ナノシートがデイープ紫外線発光、結合材、放熱材、摩擦材、薬剤担体、触媒担体等の様々な分野で適用される。
本発明の他の実施形態において、前記の製造方法は、前記前駆体は基板上に被覆される前駆体薄膜であり、前記前駆体薄膜を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、保温して反応させ、窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を取得することを含み、前記前駆体薄膜は少なくとも３種の元素を含み、その内の２種の元素がそれぞれホウ素、酸素元素であり、他の元素がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタン及び珪素からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せである。
さらに、前記前駆体薄膜の成分は（ＭｘＯｙ）ｍ・（Ｂ２Ｏ３）ｎとして示される。ただし、ｍ／ｎが１：１０〜１０００：１であり、Ｍが１価金属イオン（例えばリチウム等）である場合にｘ＝２ｙ、Ｍが２価金属イオン（例えばベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、亜鉛等）である場合、ｘ＝ｙであり、Ｍが３価金属イオン（例えばアルミニウム、ガリウム、インジウム、チタン等）である場合、２ｙ＝３ｘであり、Ｍが４価珪素イオンである場合、ｙ＝２ｘである。
好ましくは、前記実施形態における前駆体薄膜は直接に前記基板の表面に形成される。
好ましくは、前記実施形態における前駆体薄膜に含まれる前駆体は（Ａｌ２Ｏ３）ｍ・（Ｂ２Ｏ３）ｎ（ただしｍ／ｎが１：１〜１０００：１）である。
好ましくは、前記実施形態における前駆体薄膜に含まれる前駆体は（ＳｉＯ２）ｍ・（Ｂ２Ｏ３）ｎ（ただしｍ／ｎが１：１〜１０００：１）である。
前記の実施形態において、前記製造方法は具体的に
（１）基板上に１層の前駆体薄膜を成長させるステップと、
（２）アンモニアガス及び／又は窒素ガス含有雰囲気で高温反応を行って前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を得るステップとを含む。
ある好適な実施形態では、前記製造方法はマグネトロンスパッタリング法によって、基板上に厚さ１〜５００ｎｍの１層のＢｘＳｉ１−ｘＯ前駆体薄膜を成長させることと、そしてアンモニアガス含有雰囲気で高温反応を行い、前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を得ることとを含んでもよい。
ある好適な実施形態では、前記の製造方法は基板上に前記前駆体薄膜を被覆させ、その後窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、１０分以上、例えば１０分〜３００分保温し反応させることによって、前記基板の表面に前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を形成することを含んでもよい。
ある好適な実施形態では、前記の製造方法は基板（例えばシリコン基板）上に前記前駆体薄膜を被覆させ、その後窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、保温して反応させることによって、前記基板の表面に前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を形成することを含んでもよく、前記基板及び窒化ホウ素ナノシート連続薄膜上に金属酸化物層又は酸化珪素層等の絶縁媒体層を形成することによって、邪魔にならず後工程の素子の設計及び製造に寄与する。
前記の複数の実施形態において、代表的な反応方程式は以下の通りである。
Figure 0006657429
前記の複数の実施形態において、前記の製造方法はマグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、熱蒸着、パルスレーザ成長、分子線エピタキシー及び原子層成長中の少なくとも１つの方式によって前記基板の表面に前記前駆体薄膜を成長させ形成することをさらに含んでもよい。
好ましくは、前記実施形態における前駆体薄膜の厚さが１〜５００ｎｍである。
好ましくは、前記実施形態における窒素含有反応雰囲気は、アンモニアガス及び／又は窒素ガス、アンモニアガス及び／又は窒素ガスと、希釈ガスとで形成される混合雰囲気であってもよく、前記希釈ガスには不活性ガス（例えばアルゴンガス）が含まれるが、これらに限定されるものではない。
好ましくは、前記実施形態における基板はシリコン（Ｓｉ）基板又は酸化珪素（Ｓｉ／ＳｉＯ２）基板を含むが、ここに限定されるものではない。
好ましくは、前記実施形態における窒化ホウ素ナノシート連続薄膜と基板の間に金属触媒層が存在しない。
より好ましくは、前記実施形態における窒化ホウ素ナノシート連続薄膜が直接に前記基板の表面に成長させる。
前記実施形態で製造された窒化ホウ素ナノシート連続薄膜はサイズが１〜５０μｍの六方晶窒化ホウ素ナノシート単結晶が凝集（多結晶連結のように、粒界あり）されてなるもので、薄膜の厚さが１〜１００原子層である。
本発明の実施例では前記実施形態で製造された窒化ホウ素ナノシート連続薄膜の用途、例えば二次元ナノ材料又は二次元ナノ材料を含む素子の製造用途をさらに提供する。
前記二次元ナノ材料にはグラフェン等を含むが、ここに限定されるものではない。
ある典型的な実施形態において、転送プロセスが一切必要せず、シリコン基板上に直接前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を合成することができる。そして前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜がそのままグラフェン成長の基板としてグラフェン素子の基板及び／又はゲートを構成することができ、プロセスが簡単で制御しやすく、グラフェン素子の点から見て巨大な応用展望を有し、量産を実現することができる。
さらに、本願発明者らは長期間の研究及び大量の実験を試みた結果、リチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む一次元ホウ酸塩前駆体を、高温条件下でアンモニアガス、窒素ガス等の窒素源と反応させた場合に、高い生産率で高品質の一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得することができるのを発現した。
これに対して、本発明のある実施形態において、前記製造方法は、一次元ホウ酸塩前駆体を前記前駆体として使用し、前記一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を取得し、そして前記粗生成物に対して後処理を行って、一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含む製造方法であり、前記一次元ホウ酸塩前駆体は、リチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む一次元ホウ酸塩材料である。
前記実施形態における前記一次元ホウ酸塩材料は、ホウ酸塩ウイスカ、ホウ酸塩ナノ棒、ホウ酸塩ナノワイヤ、ホウ酸塩ナノリボン等から選択されるものであり、これらに限定されるものではない。
好ましくは、前記の製造方法は、前記一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１２００℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、保温して反応させることを含む。
より好ましくは、前記製造方法は、前記一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１２００℃を超え１３００℃以下の温度まで加熱し、一定時間、例えば０．５時間以上、好ましくは０．５時間〜５時間保温し、反応させることを含む。
前記実施形態における前記窒素含有反応雰囲気は、アンモニアガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、又は、アンモニアガス及び窒素ガス雰囲気の中の少なくとも１種と、アルゴンガス形成の混合雰囲気を含むが、これらに限定されるものではない。
前記実施形態における前記保護性雰囲気は窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気又は窒素ガス−アルゴンガス雰囲気を含むが、ここに限定されるものではない。
ある実施形態において、前記後処理は前記粗生成物を酸溶液で洗浄、濾過、乾燥することによって、前記一次元窒化ホウ素ナノ材料を得ることを含む。
より具体的な実施形態において、前記後処理は前記粗生成物を酸溶液で洗浄、濾過し、そして６０〜８０℃で１〜１２時間乾燥させることによって前記一次元窒化ホウ素ナノ材料を得ることを含む。
さらに、前記酸溶液に含まれる酸は、前記粗生成物中の副生成物と反応して可溶性物質を形成することができ、前記酸溶液の濃度は０．１〜６ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。
好ましくは、前記の製造方法は、前記の後処理で前記粗生成物の副生成物と洗浄用酸溶液との反応によって形成した可溶性副生成物を収集して、前記一次元ホウ酸塩前駆体の合成に用いることをさらに含んでもよい。
本発明のある典型的な実施形態において、前記の製造方法は、
（１）ホウ素源をアンモニアガス含有雰囲気で１０００〜１５００℃（好ましくは１２００を超え１３００℃以下）まで加熱し、０．５〜５時間保温し、窒素ガス又はアルゴンガスの保護雰囲気で室温まで降温させ、白い粗生成物を得るステップと、
（２）ステップ（１）で得られた粗生成物を純化、濾過、乾燥し、純度が９９％以上の一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得するステップとを含む。
前記方法によれば、前駆体の量及び装置体積によって、ロットごとの生産率がグラムオーター以上に達し、良い合成条件下で、純生産率（ホウ素当量で計算）が８５％と高い。
前記実施形態における方法で製造された一次元窒化ホウ素ナノ材料は窒化ホウ素ナノチューブ、窒化ホウ素ナノリボン等を含み、前記一次元窒化ホウ素ナノ材料の構造、形状等が前駆体の形状及び構造によって決定される。
さらに、前記窒化ホウ素ナノチューブ壁の厚さが単原子層〜多原子層の範囲に含まれ、その長さ及び直径が使用する前駆体ウイスカ又はナノワイヤの長さ及び直径によって決定される。
さらに、前記窒化ホウ素ナノリボンの厚さが単原子層〜多原子層の範囲に含まれ、幅及び長さが使用するホウ酸塩ナノリボンの幅及び長さによって決定される。
前記実施形態における方法で製造された前記一次元窒化ホウ素ナノ材料はデイープ紫外線発光、結合材、放熱材、摩擦材、薬剤担体、触媒担体等の様々な分野に応用され得る。
以下、図面及びいくつかの実施例を参照して本発明の技術手段を詳細に説明する。
（実施例１）
２ｇのＣａＢ４Ｏ７を、開放酸化アルミニウム坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、２００標準ｍｌ／分（ｓｃｃｍ）でＮＨ３を吹き込み、１２５０℃まで昇温させる。１２５０℃で１８０分恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＮ２を吹き込み、Ｎ２雰囲気で室温まで降温させ、取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物を超音波で５時間水洗し、濾過、乾燥させることによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得る。本実施例では９５％の目標生成物生産率を得ることができる。図１は本実施例で製造されて得るＢＮナノシート粗生成物の実物の写真である。図２は本実施例で得られたＢＮＮＳ粉体のＴＥＭ形状図であり、そのサイズがミクロンオーダであることがわかる。
（実施例２）
２ｇのＭｇ２Ｂ２Ｏ５を開放酸化アルミニウム坩堝中に入れ、そして管状炉に置く。１０００標準ｍｌ／分（ｓｃｃｍ）のＡｒを吹き込んで炉管内の空気を排出する。そして２００ｓｃｃｍ Ａｒ及び２００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１３００℃まで昇温させる。１３００℃で４時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、５００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物に対して３ｍｏｌ／Ｌ硝酸を使用して、超音波で１時間酸洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得ることができる。本実施例では８５％の目標生成物生産率を得る。図３は本実施例で得られたＢＮナノシートのＳＥＭ図であり、鱗片状のＢＮナノシートが観察された。図４は本実施例で得られたＢＮＮＳのＸＲＤ図であり、得られた生成物が単一位相の六方晶ＢＮであることが確認された。図５は本実施例で得られた生成物のＴＥＭ図であり、生成物がナノシートであって、シート層サイズがミクロンオーダーであることが確認された。
（実施例３）
Ａｌ４Ｂ２Ｏ９を開放酸化アルミニウム坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１５００℃まで昇温させる。１５００℃で１２０分恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物を３ｍｏｌ／Ｌ硝酸を利用して超音波で５時間酸洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得る。本実施例では９５％の目標生成物生産率を得ることができる。図６は本実施例で得られたＢＮＮＳのラマンスペクトルであり、１３６７．９ｃｍ−１のピークによれば六方晶構造ＢＮであると判定することができる。
（実施例４）
適量のＺｎＢ４Ｏ７を開放の窒化ホウ素坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１３００℃まで昇温させる。１３００℃で２時間恒温反応させた後、２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物を超音波で２時間水洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得る。本実施例では８０％の目標生成物生産率を得ることができる。図７は本実施例で得られたＢＮＮＳのＴＥＭ図であり、図から見てそのナノシートの厚さが約１５個原子層であることがわかる。
（実施例５）
適量のＬｉＯＨ及びＢ２Ｏ３を１：１の割合で混合させ、開放の窒化ホウ素坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ Ａｒで８００℃まで昇温させ１時間保温し反応させ、ホウ酸リチウムＬｉ２Ｂ４Ｏ７を生成させる。そして再度１３００℃まで昇温させ、Ａｒの吹き込みを停止しＮＨ３を吹き込んで、１３００℃で３時間恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物を機械撹拌の方式で５時間水洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得る。本実施例では８０％の目標生成物生産率を得ることができる。
（実施例６）
適量のＭｇＯ及びＢ２Ｏ３を２：１の割合で混合させ、開放の窒化ホウ素坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ Ａｒで１０００℃まで昇温させ、３時間保温し反応させ、ホウ酸マグネシウムを生成させる。そして再度１４００℃まで昇温させ、Ａｒの吹き込みを停止し、ＮＨ３を吹き込んで、１４００℃で３時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出し粗生成物を得る。そして得られた生成物を機械撹拌の方式で５時間水洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得る。本実施例では８５％の目標生成物生産率を得る。
（実施例７）
適量のＡｌ（ＯＨ）３及びＨ３ＢＯ３を９：２の割合で混合させ、開放の窒化ホウ素坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ Ａｒで１０００℃まで昇温させ、３時間保温し反応させ、ホウ酸アルミニウムを生成する。そして再度１５００℃まで昇温させ、Ａｒの吹き込みを停止し、ＮＨ３を吹き込み、１５００℃で３時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出し粗生成物を得る。そして得られた生成物を機械撹拌の方式で５時間水洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノシート粉体を得る。本実施例では９０％の目標生成物生産率を得る。
前述の実施形態１〜７は、本発明におけるいくつかの実施形態の中核的な内容のみを例として示しているが、これらの実施形態の核心は、前駆体としてホウ酸塩を使用することである。しかしながら、実際の製造において、実質的反応物としてのホウ酸塩は、いくつかの反応プロセスにおいて隠されており、容易には認識されない。例えば、実施例５では、Ｂ２Ｏ３とＬｉＯＨとの前駆体としての窒化ホウ素の調製を例にとると、実際に加熱プロセスにおいて２つの化学反応が起こる：一つはＬｉＯＨ及びＢ２Ｏ３からホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、Ｌｉ３ＢＯ３、ＬｉＢＯ２等）を生成する反応であり、もう一つは、ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、Ｌｉ３ＢＯ３、ＬｉＢＯ２等）とアンモニアガスとの反応である。本質的には、反応に関与する成分はホウ酸リチウムであるが、その化学的本質は、一段階操作の過程で隠されている。実施例6および7も同様である。上記のホウ酸塩のいずれかが生成され、ＢＮＮＳの合成反応に関与する限り、それは本開示の範囲内に入ることが理解されるべきである。
前記実施例１〜７から分かるように、本発明のある実施形態で提供した窒化ホウ素ナノシート粉体の低コスト量産方法によれば、安価で固体金属ホウ酸塩を原料として入手しやすく、ホウ酸塩を窒素化させＢＮＮＳを合成するプロセスが１段では完成でき、プロセスが簡単で、コストが低く、原料反応効率が８５％と高い、純化後の生成物純度が９９％と高い、ロットごとの反応でグラムオーター以上の窒化ホウ素ナノシート粉体が製造され、量産を実現することができる。また、プロセス過程に生成した酸洗生成物を結晶純化によって対応の塩素化物副生成物を得るとともに、さらに原材料としてホウ酸塩前躯体を合成することができ、循環利用を実現できるので、環境に優しい。
（実施例８）
マグネトロンスパッタリング法によって、シリコン基板に約１００ｎｍ厚のＡｌ１８ Ｂ ４Ｏ３３（即ち９Ａｌ２Ｏ３・２Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、まず１０００標準ｍｌ／分（ｓｃｃｍ）のＡｒを吹き込んで炉管内の空気を排出し、そして２００ｓｃｃｍ Ａｒ及び２００ｓｃｃｍ ＮＨ３雰囲気で１３００℃まで昇温させ且つ４時間恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に５００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得し、赤外線、ラマン等の方式で該窒化ホウ素ナノシート連続膜を分析した結果、窒化ホウ素であることが確認された。さらに、ＴＥＭ、ＳＥＭ等の方式で該窒化ホウ素ナノシート連続膜を観察した結果、それはサイズ１〜５０μｍの六方晶窒化ホウ素ナノシート単結晶から凝集して形成され、厚さが１〜１００原子層であることが確認された。
（実施例９）
電子ビーム蒸着法で、４インチのシリコン基板に約５００ｎｍ厚のＢドープドＳｉＯ２薄膜（ただしＢのドーピング量が５ａｔ％）を成長させ、そして管状炉に置いて１０−３Ｐａまで真空吸引させ、そして２００ｓｃｃｍ Ａｒ及び２００ｓｃｃｍ ＮＨ３雰囲気で１１００℃まで昇温させ、２時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に５００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、長さ・幅サイズが４インチの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１０）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に２００ｎｍ Ｃａ３Ｂ２Ｏ６（即ち３ＣａＯ・Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１４００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１１）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に２００ｎｍ Ｍｇ３Ｂ２Ｏ６（即ち３ＭｇＯ・Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引させ、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１３００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１２）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に１００ｎｍ ＺｎＢ４Ｏ７薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引させ、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１３００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１３）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に２００ｎｍＬｉ２Ｂ４Ｏ７薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１２００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１４）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に２００ｎｍ ＧａＢＯ３（即ちＧａ２Ｏ３・Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１２５０℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１５）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に３００ｎｍＩｎＢＯ３（即ちＩｎ２Ｏ３・Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１２００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１６）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に２００ｎｍ Ｈ２ＢｅＢ４Ｏ８薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引させ、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１２００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１７）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に１００ｎｍ Ｂａ３Ｂ２Ｏ６（即ち３ＢａＯ・Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１２５０℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１８）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に１００ｎｍ Ｓｒ３Ｂ２Ｏ６（即ち３ＳｒＯ・Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１３００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
（実施例１９）
電子ビーム蒸着法で、シリコン基板に２００ｎｍ ＴｉＢＯ３（即ちＴｉ２Ｏ３・Ｂ２Ｏ３）薄膜を成長させ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１４００℃まで昇温させ、１時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、最後に２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、シリコンウエハサイズの窒化ホウ素ナノシート連続膜を取得する。
前記実施例８〜１９から分かるように、本発明のある実施形態で提供した窒化ホウ素ナノシート連続薄膜の製造方法によれば、直接に基板（例えばシリコン基板）上に窒化ホウ素連続ナノシート（即ち窒化ホウ素ナノシート連続薄膜）を合成することができ、金属触媒の関与も何らかの転送プロセスも一切必要せず、プロセスが簡単で制御しやすく、コストが低い。これらの窒化ホウ素ナノシート連続薄膜は直接にグラフェン等の二次元ナノ材料の成長基板として用いられ、さらにグラフェン素子の基板及び／又はゲート等を形成することに寄与し、巨大な応用展望を有し、量産を実現することができる。
（実施例２０）
直径が約５０ｎｍ、長さが約１０μｍのＭｇ２Ｂ２Ｏ５ウイスカ２ｇを開放酸化アルミニウム坩堝中に入れ、そして管状炉中に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引し、２００標準ｍｌ／分（ｓｃｃｍ）のＮＨ３を吹き込んで１３００℃まで昇温させる。１３００℃で１８０分恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＮ２を吹き込み、Ｎ２雰囲気で室温まで降温させ、取り出して粗生成物を取得する。そして得られた生成物を超音波で５時間水洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノチューブを得る。得られたナノチューブの直径が約５００ｎｍで、長さが１０μｍである。本実施例では９５％の目標生成物生産率を得る。図８は本実施例で製造されて得るＢＮＮＴ（窒化ホウ素ナノチューブ）のＳＥＭ図である。図９は本実施例で得られたＢＮＮＴのＴＥＭ形状図である。図１０及び図１１はそれぞれ本実施形態で得られたＢＮＮＴのＸＴＤ図及びラマンスペクトルである。
（実施例２１）
Ａｌ４Ｂ２Ｏ９ナノウイスカ２ｇを開放酸化アルミニウム坩堝中に入れ、そして管状炉に置く。１０００標準ｍｌ／分（ｓｃｃｍ）のＡｒを吹き込んで炉管内の空気を排出する。そして２００ｓｃｃｍ Ａｒ及び２００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１３００℃まで昇温させる。１３００℃で４時間恒温反応させた後、ＮＨ３の吹き込みを停止し、５００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物を３ｍｏｌ／Ｌ硝酸を利用して、超音波で１時間酸洗し、濾過、乾燥することによって、純度が９９％以上の窒化ホウ素ナノチューブを得る。本実施例では９０％の目標生成物生産率を得る。図１２は本実施例で得られたＢＮＮＴのＳＥＭ図であり、該ＢＮＮＴナノチューブの平均直径が約２０ｎｍであることが観察された。図１３は本実施例で得られたＢＮＮＴのラマン図である。
（実施例２３）
幅１００ｎｍ、長さ１０μｍのＭｇ３Ｂ２Ｏ６ナノリボンを開放酸化アルミニウム坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１４００℃まで昇温させる。１４００℃である１２０分恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物を３ｍｏｌ／Ｌ硝酸を利用して、超音波で５時間酸洗し、濾過、乾燥することによって、幅１００ｎｍ、長さ１０μｍの窒化ホウ素ナノリボンを得て、その純度が９９％以上である。本実施例では８５％の目標生成物生産率を得る。
（実施例２４）
幅２００ｎｍ、長さ１００μｍのＣａ３Ｂ２Ｏ６ナノリボンを適量に開放窒化ホウ素坩堝中に入れ、そして管状炉に置き、１０−３Ｐａまで真空吸引する。そして３００ｓｃｃｍ ＮＨ３で１２５０℃まで昇温させる。１２５０℃で２時間恒温反応させた後ＮＨ３の吹き込みを停止し、２００ｓｃｃｍのＡｒを吹き込んで室温まで降温させ、坩堝から取り出して粗生成物を得る。そして得られた生成物を超音波で２時間水洗し、濾過、乾燥することによって、幅２００ｎｍ、長さ１００μｍの窒化ホウ素ナノリボンを得て、純度が９９％以上である。本実施例では８０％の目標生成物生産率を得る。
同様に、前述の実施形態２０〜２４は、本開示におけるいくつかの実施形態の中核的内容のみを例として示している。これらの実施形態の核心は、前駆体としてホウ酸塩を使用することである。しかしながら、実際の製造において、反応物としてのホウ酸塩の本質は、いくつかの反応プロセスにおいて隠されており、容易には認識されない。例えば、前駆体としてのホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）および水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）を有する窒化ホウ素ナノチューブの調製を例にとると、加熱プロセスでは２つの化学反応が実際に起こる。一方はＨ３ＢＯ３とＡｌ（ＯＨ）３との反応によりホウ酸アルミニウムナノウィスカが生成され、他方はホウ酸リチウムナノウィスカとアンモニアとの反応により窒化ホウ素ナノチューブが生成されることである。本質としては、反応に関与する成分はホウ酸アルミニウムであるが、その化学的本質は、１段階操作の過程で隠されている。一次元ホウ酸塩が生成され、ＢＮＮＴまたはＢＮＮＳの合成反応に関与する限り、それは本開示の範囲内に入ることが理解されるべきである。
前記実施例２０〜２４から分かるように、本発明の前記実施形態で提供した一次元窒化ホウ素ナノ材料の製造プロセスが簡単で制御しやすく、原料が安価で入手しやすく、原料転化率が８５％と高い、純化後の目標生成物純度が９９％と高く、且つロットごとの反応でグラムオーター以上の一次元窒化ホウ素ナノ材料が製造され、量産を実現することができるとともに、得られた一次元窒化ホウ素ナノ材料は品質が良く、形状が制御可能（例えば窒化ホウ素ナノチューブ（ＢＮＮＴ）の管径及び層数が制御可能）であり、安全、エコ、低コストのロット化生産（特に窒化ホウ素ナノリボンの低コスト、高効率、エコの生産）ができる。これらの一次元窒化ホウ素ナノ材料がデイープ紫外線発光、結合材、放熱材、摩擦材、薬剤担体、触媒担体等の様々な分野に広く応用され得る。
前記の実施例は本発明の技術思想及び特徴を説明する例示的なものに過ぎず、その目的は、当業者が本発明の内容を理解して実施できることであるが、本発明の保護範囲がこれらに制限されるものではない。本発明の精神・実質に基づく変更や改善もすべて本発明の保護範囲内に含まれる。
（付記）
（付記１）
前駆体を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、前記前駆体はホウ素元素及び少なくとも１種の金属元素及び／又はホウ素元素以外の少なくとも１種の非金属元素を含み、前記金属元素がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種であり、前記非金属元素が珪素を含む、ことを特徴とする窒化ホウ素ナノ材料の製造方法。
（付記２）
固体ホウ素源を前記前駆体として使用し、固体ホウ素源を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護性雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を取得し、そして前記粗生成物に対して後処理を行って、窒化ホウ素ナノシート粉体を取得することを含み、前記固体ホウ素源がホウ酸塩であり、前記ホウ素源がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有するホウ酸塩である、ことを特徴とする付記１に記載の製造方法。
（付記３）
前記固体ホウ素源はホウ酸カルシウム、ホウ酸マグネシウム、ホウ酸リチウム、アルミニウムのホウ酸塩、亜鉛のホウ酸塩からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せである、ことを特徴とする付記２に記載の製造方法。
（付記４）
前記固体ホウ素を窒素含有反応雰囲気で１２５０℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、保温して反応させることを含む、ことを特徴とする付記２に記載の製造方法。
（付記５）
前記固体ホウ素源を、窒素含有反応雰囲気で１２５０℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、０．５時間以上保温する、ことを特徴とする付記４に記載の製造方法。
（付記６）
前記窒素含有反応雰囲気は、アンモニアガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、又は、アンモニアガス及び窒素ガス雰囲気と、アルゴンガスとで形成される混合雰囲気である、ことを特徴とする付記２に記載の製造方法。
（付記７）
前記保護性雰囲気は窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気又は窒素ガス−アルゴンガス混合雰囲気である、ことを特徴とする付記２に記載の製造方法。
（付記８）
前記後処理は前記粗生成物を酸溶液で洗浄、濾過し、そして６０〜８０℃で１時間〜１２時間乾燥させることを含み、前記酸溶液に含まれる酸が前記粗生成物中の副生成物と反応して可溶性物質を形成することができ、前記酸溶液の濃度が０．１〜６ｍｏｌ／Ｌである、ことを特徴とする付記２に記載の製造方法。
（付記９）
前記後処理で前記粗生成物の副生成物と洗浄用酸溶液との反応によって形成した可溶性副生成物を収集して、前記ホウ素源の合成に用いることをさらに含む、ことを特徴とする付記２又は８に記載の窒化ホウ素ナノシート粉体の低コスト量産方法。
（付記１０）
前記後処理は撹拌又はボールミルを含む配合機械又は超音波方法によって、酸溶液で前記粗生成物を十分洗浄することを含む、ことを特徴とする付記２又は８に記載の製造方法。
（付記１１）
前記前駆体は基板上に被覆される前駆体薄膜であり、前記前駆体薄膜を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、保温して反応させ、窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を取得することを含み、前記前駆体薄膜は少なくとも３種の元素を含み、その内の２種の元素がそれぞれホウ素、酸素であり、他の元素がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタン及び珪素からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せである、ことを特徴とする付記１に記載の製造方法。
（付記１２）
前記前駆体薄膜が直接に前記基板の表面に形成される、ことを特徴とする付記１１に記載の製造方法。
（付記１３）
前記前駆体薄膜に含まれる前駆体の成分は（ＭｘＯｙ）ｍ・（Ｂ２Ｏ３）ｎ（ただし、Ｍがリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタン及び珪素からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せであり、ｍ／ｎ=１：１０〜１０００：１、Ｍが１価金属イオンである場合にｘ=２ｙ、Ｍが２価金属イオンである場合にｘ=ｙ、Ｍが３価金属イオンである場合に２ｙ=３ｘ、Ｍが４価Ｓｉイオンである場合にｙ=２ｘ）である、ことを特徴とする付記１１に記載の製造方法。
（付記１４）
基板上に前記前駆体薄膜を被覆させ、その後窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、保温して反応させることによって、前記基板の表面に前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を形成することと、前記基板及び窒化ホウ素ナノシート連続薄膜上に金属酸化物層又は酸化珪素層を形成することと、を含む、ことを特徴とする付記１１又は１３に記載の製造方法。
（付記１５）
マグネトロンスパッタリング、電子ビーム蒸着、熱蒸着、パルスレーザ成長、分子線エピタキシー及び原子層成長からなる群より選択される少なくとも１種の方式によって前記基板の表面に前記前駆体薄膜を成長し形成することを含む、ことを特徴とする付記１１に記載の製造方法。
（付記１６）
前記前駆体薄膜の厚さが１〜５００ｎｍである、ことを特徴とする付記１１に記載の製造方法。
（付記１７）
前記窒素含有反応雰囲気はアンモニアガス及び／又は窒素ガス、又はアンモニアガス及び／又は窒素ガスと希釈ガスとで形成される混合雰囲気であり、前記希釈ガスには不活性ガスを含み、及び／又は前記基板はシリコン基板又は酸化珪素基板を含む、ことを特徴とする付記１１に記載の製造方法。
（付記１８）
前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜と基板の間に金属触媒層が存在しない、ことを特徴とする付記１１に記載の製造方法。
（付記１９）
一次元ホウ酸塩前駆体を前記前駆体として、一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を得てから、前記粗生成物に対して後処理を行うことによって、一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、前記一次元ホウ酸塩前駆体はリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有する一次元ホウ酸塩材料である、ことを特徴とする付記１に記載の製造方法。
（付記２０）
前記一次元ホウ酸塩材料はホウ酸塩ウイスカ、ホウ酸塩ナノ棒、ホウ酸塩ナノワイヤ、ホウ酸塩ナノリボン中のいずれか１種を含む、ことを特徴とする付記１９に記載の製造方法。
（付記２１）
前記一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１２００℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、保温して反応させることを含む、ことを特徴とする付記１９に記載の製造方法。
（付記２２）
前記一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１２００℃を超え１３００℃以下の温度まで加熱し、保温して反応させることを含む、ことを特徴とする付記２１に記載の製造方法。
（付記２３）
前記窒素含有反応雰囲気にはアンモニアガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、又はアンモニアガス及び窒素ガス雰囲気中の少なくとも１種とアルゴンガスで形成される混合雰囲気を含む、ことを特徴とする付記１９に記載の製造方法。
（付記２４）
前記保護性雰囲気には窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気又は窒素ガス−アルゴンガス混合雰囲気を含む、ことを特徴とする付記１９に記載の製造方法。
（付記２５）
前記後処理は前記粗生成物を酸溶液で洗浄、濾過し、６０〜８０℃で１時間〜１２時間乾燥させることによって、前記一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、前記酸溶液に含まれる酸が、前記粗生成物中の副生成物と反応して可溶性物質を形成し、前記酸溶液の濃度が０．１〜６ｍｏｌ／Ｌである、ことを特徴とする付記１９に記載の製造方法。
（付記２６）
前記後処理で前記粗生成物の副生成物と洗浄用酸溶液との反応によって形成した可溶性副生成物を収集して、前記一次元ホウ酸塩前駆体の合成に用いることをさらに含む、ことを特徴とする付記１９又は２５に記載の製造方法。
（付記２７）
純度が９９％以上の六方晶窒化ホウ素ナノシートであって、前記六方晶窒化ホウ素ナノシートの厚さが１〜２０原子層であり、径方向サイズが１〜２０μｍである、ことを特徴とする付記２〜１０のいずれか一つに記載の方法で製造された窒化ホウ素ナノシート粉体。
（付記２８）
前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜はサイズが１〜５０μｍの六方晶窒化ホウ素ナノシート単結晶で凝集されてなり、且つ前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜の厚さが１〜１００原子層である付記１１〜１８のいずれか一つに記載の方法で製造された窒化ホウ素ナノシート連続薄膜。
（付記２９）
付記２８に記載の窒化ホウ素ナノシート連続薄膜のグラフェン又は遷移金属二硫化物を含む二次元ナノ材料又は二次元ナノ材料を含む素子の製造での用途。
（付記３０）
付記１９〜２６のいずれか一つに記載の方法で製造された窒化ホウ素ナノチューブ又は窒化ホウ素ナノリボンを含む一次元窒化ホウ素ナノ材料。
（付記３１）
前記窒化ホウ素ナノチューブの管壁の厚さが単原子層〜多原子層であり、長さ及び直径が使用する前駆体によって決定され、又は、前記窒化ホウ素ナノリボンの厚さが単原子層〜多原子層であり、その幅及び長さが使用する前駆体の幅及び長さによって決定される、ことを特徴とする付記３０に記載の一次元窒化ホウ素ナノ材料。

Claims (13)

  1. 固体ホウ素源を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護性雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を取得し、そして前記粗生成物に対して後処理を行って、窒化ホウ素ナノシート粉体を取得することを含み、
    前記固体ホウ素源がホウ酸塩であり、前記ホウ酸塩がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有するホウ酸塩であり、
    前記窒素含有反応雰囲気は、アンモニアガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、又は、アンモニアガス及び窒素ガス雰囲気と、アルゴンガスとで形成される混合雰囲気である、ことを特徴とする窒化ホウ素ナノ材料の製造方法。
  2. 前記固体ホウ素源はホウ酸カルシウム、ホウ酸マグネシウム、ホウ酸リチウム、アルミニウムのホウ酸塩、亜鉛のホウ酸塩からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せである、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記固体ホウ素源を窒素含有反応雰囲気で１２５０℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、保温して反応させることを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  4. 前記保護性雰囲気は窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気又は窒素ガス−アルゴンガス混合雰囲気である、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  5. 前記後処理は前記粗生成物を酸溶液で洗浄、濾過し、そして６０〜８０℃で１時間〜１２時間乾燥させることを含み、前記酸溶液に含まれる酸が前記粗生成物中の副生成物と反応して可溶性物質を形成することができ、前記酸溶液の濃度が０．１〜６ｍｏｌ／Ｌである、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
  6. 基板上に被覆される前駆体薄膜を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、保温して反応させ、窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を取得することを含み、前記前駆体薄膜は少なくとも３種の元素を含み、その内の２種の元素がそれぞれホウ素元素、酸素であり、他の元素がリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタン及び珪素からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せであり、
    前記窒素含有反応雰囲気は、アンモニアガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、又は、アンモニアガス及び窒素ガス雰囲気と、アルゴンガスとで形成される混合雰囲気である、ことを特徴とする窒化ホウ素ナノ材料の製造方法。
  7. 前記前駆体薄膜が直接に前記基板の表面に形成され、及び／又は、
    前記前駆体薄膜の厚さが１〜５００ｎｍであり、及び／又は、
    前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜と基板の間に金属触媒層が存在せず、及び／又は、
    前記前駆体薄膜に含まれる前駆体の成分は（ＭｘＯｙ）ｍ・（Ｂ２Ｏ３）ｎ（ただし、Ｍがリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタン又は珪素であり、ｍ／ｎ＝１：１０〜１０００：１、Ｍが１価金属イオンである場合にｘ＝２ｙ、Ｍが２価金属イオンである場合にｘ＝ｙ、Ｍが３価金属イオンである場合に２ｙ＝３ｘ、Ｍが４価Ｓｉイオンである場合にｙ＝２ｘ）で表される化合物からなる群より選択されるいずれか１種又は２種以上の組合せである、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
  8. 基板上に前記前駆体薄膜を被覆させ、その後窒素含有反応雰囲気で１０００〜１４００℃まで加熱し、保温して反応させることによって、前記基板の表面に前記窒化ホウ素ナノシート連続薄膜を形成することと、前記基板及び窒化ホウ素ナノシート連続薄膜上に金属酸化物層又は酸化珪素層を形成することと、を含む、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
  9. 前記窒素含有反応雰囲気はアンモニアガス及び／又は窒素ガス、又はアンモニアガス及び／又は窒素ガスと不活性ガスとで形成される混合雰囲気であり、及び／又は前記基板はシリコン基板又は酸化珪素基板を含む、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
  10. 一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有反応雰囲気で１０００〜１５００℃まで加熱し、保温して反応させ、その後保護性雰囲気で室温まで降温させ、粗生成物を得てから、前記粗生成物に対して後処理を行うことによって、一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、
    前記一次元ホウ酸塩前駆体はリチウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、チタンからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有する一次元ホウ酸塩材料であり、
    前記一次元ホウ酸塩材料はホウ酸塩ウイスカ、ホウ酸塩ナノ棒、ホウ酸塩ナノワイヤ、ホウ酸塩ナノリボンの中のいずれか１種を含み、
    前記窒素含有反応雰囲気は、アンモニアガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、又は、アンモニアガス及び窒素ガス雰囲気と、アルゴンガスとで形成される混合雰囲気である、ことを特徴とする窒化ホウ素ナノ材料の製造方法。
  11. 前記一次元ホウ酸塩前駆体を窒素含有雰囲気で１２００℃を超え１５００℃以下の温度まで加熱し、保温して反応させることを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
  12. 前記保護性雰囲気には窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気又は窒素ガス−アルゴンガス混合雰囲気を含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
  13. 前記後処理は前記粗生成物を酸溶液で洗浄、濾過し、６０〜８０℃で１時間〜１２時間乾燥させることによって、前記一次元窒化ホウ素ナノ材料を取得することを含み、前記酸溶液に含まれる酸が、前記粗生成物中の副生成物と反応して可溶性物質を形成し、前記酸溶液の濃度が０．１〜６ｍｏｌ／Ｌである、ことを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
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