JPH07133103A - プラズマアーク法によるc3n4の合成方法 - Google Patents
プラズマアーク法によるc3n4の合成方法Info
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- JPH07133103A JPH07133103A JP30229093A JP30229093A JPH07133103A JP H07133103 A JPH07133103 A JP H07133103A JP 30229093 A JP30229093 A JP 30229093A JP 30229093 A JP30229093 A JP 30229093A JP H07133103 A JPH07133103 A JP H07133103A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温の熱プラズマを用いて、反応により黒鉛
を気化させ、短時間に多量のC3N4を生成する。 【構成】 C3N4合成方法としてプラズマアーク炉ステ
ンレス反応容器1内の水冷アノード2上に分光分析用黒
鉛棒3を置き、密閉した反応容器1系内を一度排気し10
-1Paとした後、アルゴン−窒素(1:1)混合ガスをプラ
ズマトーチ4を通して導入し、反応容器1系内を1気圧
とした。次に1気圧の反応容器1系内においてアルゴン
−窒素(1:1)混合ガスを作動ガスとしてプラズマアー
クを発生させ、水冷アノード2上に配置させた黒鉛棒3
に衝撃して、黒鉛をCNとして蒸発させてステンレス反
応容器1内部の内壁に取り付けたシリコンウエハー5上
に析出させた。
を気化させ、短時間に多量のC3N4を生成する。 【構成】 C3N4合成方法としてプラズマアーク炉ステ
ンレス反応容器1内の水冷アノード2上に分光分析用黒
鉛棒3を置き、密閉した反応容器1系内を一度排気し10
-1Paとした後、アルゴン−窒素(1:1)混合ガスをプラ
ズマトーチ4を通して導入し、反応容器1系内を1気圧
とした。次に1気圧の反応容器1系内においてアルゴン
−窒素(1:1)混合ガスを作動ガスとしてプラズマアー
クを発生させ、水冷アノード2上に配置させた黒鉛棒3
に衝撃して、黒鉛をCNとして蒸発させてステンレス反
応容器1内部の内壁に取り付けたシリコンウエハー5上
に析出させた。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、C3N4の合成方法に関
するものである。さらに詳しくは、炭素と窒素よりなる
共有結合体であるC3N4が非常に高い硬さを有すること
から、研磨材,研削砥粒,切断工具等の部分材料とし
て、またコーティング処理による硬質保護膜として応用
できるものである。
するものである。さらに詳しくは、炭素と窒素よりなる
共有結合体であるC3N4が非常に高い硬さを有すること
から、研磨材,研削砥粒,切断工具等の部分材料とし
て、またコーティング処理による硬質保護膜として応用
できるものである。
【0002】
【従来の技術および課題】一般に、炭素と窒素の間で形
成される仮想的な共有結合性固体(α-C3N4およびβ-
C3N4)は、非常に高い硬度を有すると推測されてい
る。これらC3N4の合成方法としては従来、窒素雰囲気
における炭素のスパッタによってゲルマニウムまたはシ
リコン基板上へC3N4を析出する方法、つまり窒素雰囲
気中における炭素ターゲットのスパッタリング処理によ
り合成,製造されていたが、これら方法においてはC3
N4の合成速度が遅く、実用的な量の合成方法には不向
きであり、量産性その他の問題が多かった。このため、
産業上実用性のある高速度のC3N4合成方法が従来から
の課題となっていた。
成される仮想的な共有結合性固体(α-C3N4およびβ-
C3N4)は、非常に高い硬度を有すると推測されてい
る。これらC3N4の合成方法としては従来、窒素雰囲気
における炭素のスパッタによってゲルマニウムまたはシ
リコン基板上へC3N4を析出する方法、つまり窒素雰囲
気中における炭素ターゲットのスパッタリング処理によ
り合成,製造されていたが、これら方法においてはC3
N4の合成速度が遅く、実用的な量の合成方法には不向
きであり、量産性その他の問題が多かった。このため、
産業上実用性のある高速度のC3N4合成方法が従来から
の課題となっていた。
【0003】
【課題を解決するための手段】これら課題、及び問題に
対し発明者らは、これまでにすでに行ったプラズマアー
ク法によって発生したアルゴン−ヘリウム混合プラズマ
によって炭素を加熱蒸発させて、フラーレンを含む炭素
を析出させ生成した成果、及び遷移金属酸化物−グラフ
ァイト混合物を窒素プラズマアークと反応させて種々の
金属窒化物を生成した成果に基づき鋭意研究を行った結
果、グラファイトを窒素を含むプラズマアークと反応さ
せて気相中においてCNを生成し、これを冷却してプラ
ズマアーク炉の壁面上に取り付けたシリコン基板上にC
3N4を析出させることが可能であると考えた。以下、本
発明の内容を詳しく説明する。
対し発明者らは、これまでにすでに行ったプラズマアー
ク法によって発生したアルゴン−ヘリウム混合プラズマ
によって炭素を加熱蒸発させて、フラーレンを含む炭素
を析出させ生成した成果、及び遷移金属酸化物−グラフ
ァイト混合物を窒素プラズマアークと反応させて種々の
金属窒化物を生成した成果に基づき鋭意研究を行った結
果、グラファイトを窒素を含むプラズマアークと反応さ
せて気相中においてCNを生成し、これを冷却してプラ
ズマアーク炉の壁面上に取り付けたシリコン基板上にC
3N4を析出させることが可能であると考えた。以下、本
発明の内容を詳しく説明する。
【0004】本発明のC3N4合成方法において、まず第
一に炭素を気化するための加熱用と同時に、反応ガスの
生成用としてプラズマトーチを用い、作動ガスとしてア
ルゴンと窒素を用いた。ここでのアルゴンは放電を安定
的に出すために用いられ、窒素は炭素と反応してC3N4
を生成するためのものである。またプラズマジェットは
高エネルギー、高温度のガス流を発生することができ、
化学反応に利用することができるものであり、反応生成
物は反応炉の内壁等に付着、又は収集フィルター等によ
り回収されることになる。
一に炭素を気化するための加熱用と同時に、反応ガスの
生成用としてプラズマトーチを用い、作動ガスとしてア
ルゴンと窒素を用いた。ここでのアルゴンは放電を安定
的に出すために用いられ、窒素は炭素と反応してC3N4
を生成するためのものである。またプラズマジェットは
高エネルギー、高温度のガス流を発生することができ、
化学反応に利用することができるものであり、反応生成
物は反応炉の内壁等に付着、又は収集フィルター等によ
り回収されることになる。
【0005】C3N4の生成プロセスは、プラズマアーク
の発光分光分析の結果から表1のように推測される。
の発光分光分析の結果から表1のように推測される。
【表1】
【0006】
【実施例】図1に本発明のC3N4合成に用いられたプラ
ズマアーク炉の概略図を示す。図において1はプラズマ
アーク炉のステンレス反応容器、2は反応容器系内に位
置する銅製の水冷アノード、3は水冷アノード2上に配
置する黒鉛棒、4はプラズマトーチ、5は反応容器内部
の内壁に取り付けたシリコンウエハーをそれぞれ示して
いる。
ズマアーク炉の概略図を示す。図において1はプラズマ
アーク炉のステンレス反応容器、2は反応容器系内に位
置する銅製の水冷アノード、3は水冷アノード2上に配
置する黒鉛棒、4はプラズマトーチ、5は反応容器内部
の内壁に取り付けたシリコンウエハーをそれぞれ示して
いる。
【0007】C3N4合成方法としてプラズマアーク炉ス
テンレス反応容器1内の水冷アノード2上に分光分析用
黒鉛棒3(φ6mm)を置き、密閉した反応容器1系内を
一度排気し10-1Paとした後、アルゴン−窒素(1:1)混
合ガスをプラズマトーチ4を通して導入し、反応容器1
系内を1気圧とした。次に1気圧の反応容器1系内にお
いてアルゴン−窒素(1:1)混合ガスを作動ガスとして
プラズマアークを発生させ、水冷アノード2上に配置さ
せた黒鉛棒3に衝撃して、黒鉛をCNとして蒸発させて
ステンレス反応容器1内部の内壁に取り付けたシリコン
ウエハー5上に析出させた。
テンレス反応容器1内の水冷アノード2上に分光分析用
黒鉛棒3(φ6mm)を置き、密閉した反応容器1系内を
一度排気し10-1Paとした後、アルゴン−窒素(1:1)混
合ガスをプラズマトーチ4を通して導入し、反応容器1
系内を1気圧とした。次に1気圧の反応容器1系内にお
いてアルゴン−窒素(1:1)混合ガスを作動ガスとして
プラズマアークを発生させ、水冷アノード2上に配置さ
せた黒鉛棒3に衝撃して、黒鉛をCNとして蒸発させて
ステンレス反応容器1内部の内壁に取り付けたシリコン
ウエハー5上に析出させた。
【0008】シリコンウエハー5上及び反応容器1内部
内壁の黒褐色の析出付着物をXPS測定で同定した結
果、C1s電子のスペクトルの半値幅は2.8eVと広く、こ
れをガウス分割すると3本のピークが得られ、Eb=28
6.4eVにC−N結合に起因する強いピークが認められ
た。また、N1s電子に基づくスペクトルにおいてもEb
=400eVにピークを持ち、半値幅が2.0eVであることか
ら、C−N結合に起因するもののみが含まれていると認
められた。
内壁の黒褐色の析出付着物をXPS測定で同定した結
果、C1s電子のスペクトルの半値幅は2.8eVと広く、こ
れをガウス分割すると3本のピークが得られ、Eb=28
6.4eVにC−N結合に起因する強いピークが認められ
た。また、N1s電子に基づくスペクトルにおいてもEb
=400eVにピークを持ち、半値幅が2.0eVであることか
ら、C−N結合に起因するもののみが含まれていると認
められた。
【0009】さらに同析出付着物をFTIRスペクトル
測定した結果、V=2100cm-1付近に−C≡N伸縮振動に
起因するピークが認められ、析出物中にC−N結合の存
在が確認された。またさらに、XRD測定でX線回析を
行った結果、2θ=57°(d=1.59〜1.61)にSi(3 1
1)に相当する回析線が認められるのみであり、析出物
に基づく回析線は認められなかったが、これは析出物が
非晶質であるか、あるいは析出物の膜厚が薄いかのいず
れかによるものであり、したがってより詳しく同定する
ため反応容器内部の内壁の析出付着物を集め、粉末回析
法によって同定を行った。この結果、グラファイトに基
づく回析線のほかに表2に示すβ-C3N4と一致する回
析ピークが認められた。
測定した結果、V=2100cm-1付近に−C≡N伸縮振動に
起因するピークが認められ、析出物中にC−N結合の存
在が確認された。またさらに、XRD測定でX線回析を
行った結果、2θ=57°(d=1.59〜1.61)にSi(3 1
1)に相当する回析線が認められるのみであり、析出物
に基づく回析線は認められなかったが、これは析出物が
非晶質であるか、あるいは析出物の膜厚が薄いかのいず
れかによるものであり、したがってより詳しく同定する
ため反応容器内部の内壁の析出付着物を集め、粉末回析
法によって同定を行った。この結果、グラファイトに基
づく回析線のほかに表2に示すβ-C3N4と一致する回
析ピークが認められた。
【0010】
【表2】
【0011】また、黒鉛衝撃中のプラズマジェットの発
光スペクトルを、反応容器横の窓を通して測定した結
果、波長430nm〜330nmにおけるスペクトルについて特徴
的な点が得られた。まず第一に358nmにおけるN2分子の
C3ΠU−B3Πg(0-0)バンドの強度が著しく弱く、第
二に411nmにおけるN原子の2p2(1D)3p’−2p2
(3P)3s線が強く、第三に488nm〜485nmにおけるC
N分子のB2Σ−X2Σ(0-0)、(1-1)、(2-2)、(3-
3)、(4-4)バンドのスペクトルが強く認められること
の3点であり、以上の結果からグラファイトと窒素を含
むプラズマアークとの反応によってC3N4の生成が確認
された。
光スペクトルを、反応容器横の窓を通して測定した結
果、波長430nm〜330nmにおけるスペクトルについて特徴
的な点が得られた。まず第一に358nmにおけるN2分子の
C3ΠU−B3Πg(0-0)バンドの強度が著しく弱く、第
二に411nmにおけるN原子の2p2(1D)3p’−2p2
(3P)3s線が強く、第三に488nm〜485nmにおけるC
N分子のB2Σ−X2Σ(0-0)、(1-1)、(2-2)、(3-
3)、(4-4)バンドのスペクトルが強く認められること
の3点であり、以上の結果からグラファイトと窒素を含
むプラズマアークとの反応によってC3N4の生成が確認
された。
【0012】
【発明の効果】高温の熱プラズマ(数万度)を用いた反
応により、黒鉛を容易に気化することができ、短時間に
多量のC3N4を生成することができた。
応により、黒鉛を容易に気化することができ、短時間に
多量のC3N4を生成することができた。
【図1】本発明に用いた反応用プラズマアーク炉の概略
図。
図。
1 ステンレス反応容器 2 銅製水冷アノード 3 黒鉛棒 4 プラズマトーチ 5 シリコンウエハー
Claims (1)
- 【請求項1】 アルゴン−窒素混合ガス雰囲気中で、グ
ラファイト又はタングステンのカソードチップ、および
水冷銅アノードを電極として熱プラズマを発生させ、そ
のアルゴン−窒素混合熱プラズマにより、カソードチッ
プと対向するように配設した水冷銅アノード上に配置し
たグラファイトを昇華又は溶融,気化させ、反応させる
ことを特徴とするプラズマアーク法によるC3N4の合成
方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30229093A JP3476232B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | プラズマアーク法によるc3n4の合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30229093A JP3476232B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | プラズマアーク法によるc3n4の合成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07133103A true JPH07133103A (ja) | 1995-05-23 |
JP3476232B2 JP3476232B2 (ja) | 2003-12-10 |
Family
ID=17907217
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP30229093A Expired - Fee Related JP3476232B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | プラズマアーク法によるc3n4の合成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3476232B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006069856A (ja) * | 2004-09-03 | 2006-03-16 | Kakei Gakuen | 窒化炭素の製造方法 |
CN104944392A (zh) * | 2014-03-25 | 2015-09-30 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法 |
CN106378173A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-02-08 | 阜阳师范学院 | 一种模板法制备的cn光催化剂及其制备方法 |
CN106430125A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-02-22 | 浙江大学 | 多孔g‑C3N4棒的制备方法 |
-
1993
- 1993-11-08 JP JP30229093A patent/JP3476232B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006069856A (ja) * | 2004-09-03 | 2006-03-16 | Kakei Gakuen | 窒化炭素の製造方法 |
CN104944392A (zh) * | 2014-03-25 | 2015-09-30 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种宏量制备石墨相氮化碳纳米片的方法 |
CN106430125A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-02-22 | 浙江大学 | 多孔g‑C3N4棒的制备方法 |
CN106378173A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-02-08 | 阜阳师范学院 | 一种模板法制备的cn光催化剂及其制备方法 |
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP3476232B2 (ja) | 2003-12-10 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20030901 |
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