IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 株式会社IHIの特許一覧

<>
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図1
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図2
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図3
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図4
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図5
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図6
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図7
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図8
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図9
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図10
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図11
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図12
  • 特許-材料製造方法、および、材料 図13
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-28
(45)【発行日】2023-12-06
(54)【発明の名称】材料製造方法、および、材料
(51)【国際特許分類】
   C01B 32/18 20170101AFI20231129BHJP
【FI】
C01B32/18
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2019193257
(22)【出願日】2019-10-24
(65)【公開番号】P2021066632
(43)【公開日】2021-04-30
【審査請求日】2022-09-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社IHI
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】秋久保 一馬
(72)【発明者】
【氏名】藏田 真太郎
(72)【発明者】
【氏名】河口 紀仁
【審査官】青木 千歌子
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-215351(JP,A)
【文献】特開2018-123031(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C01B 32/00-32/991
B82Y 30/00,40/00
C23C 16/27
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板から立設する複数の突出部とを有し、前記突出部は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、前記突出部間に形成される間隙の大きさが、100nm以上300nm以下である基体の前記突出部にカーボンナノウォールを形成する工程と、
前記突出部を溶解する溶媒に前記基体を浸漬して、前記突出部を除去する工程と、
を含む材料製造方法。
【請求項2】
基板と、前記基板から立設する複数の突出部とを有し、前記突出部は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、前記突出部間に形成される間隙の大きさが、100nm以上300nm以下である基体の前記突出部にカーボンナノウォールを形成する工程を含み、
前記突出部は、金属または金属酸化物で構成される材料製造方法。
【請求項3】
前記カーボンナノウォールを樹脂で包埋する工程を含む請求項1または2に記載の材料製造方法。
【請求項4】
基板と、前記基板から立設する複数の突出部とを有し、前記突出部は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、前記突出部間に形成される間隙の大きさが、100nm以上300nm以下である基体と、
前記突出部に設けられたカーボンナノウォールと、
を備え
前記突出部は、金属または金属酸化物で構成される材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、材料製造方法、および、材料に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、金属ナノロッド、および、金属酸化物ナノロッド等のナノ構造体は、従来の材料が有する特性を飛躍的に向上させた特性を備えていたり、従来の材料にはない特性を備えていたりする。このため、ナノ構造体は、電磁波吸収材料、電池の電極材料、触媒材料、半導体材料、電子放出素子材料、光学材料、および、強度補強材料等の次世代の機能材料として期待されている。
【0003】
このようなナノ構造体の製造方法として、担体および有機金属錯体を液中に分散させた後、有機金属錯体を熱分解させて、金属粒子を担体の表面に析出させる方法が開示されている(例えば、特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2008-149280号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記したように、ナノ構造体は、次世代の機能材料として期待されているため、ナノ構造体を含む新規の材料の開発が希求されている。
【0006】
本開示は、新規の材料を製造することが可能な材料製造方法、および、材料を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る材料製造方法は、基板と、基板から立設する複数の突出部とを有し、突出部は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、突出部間に形成される間隙の大きさが、100nm以上300nm以下である基体の突出部にカーボンナノウォールを形成する工程と、突出部を溶解する溶媒に基体を浸漬して、突出部を除去する工程と、を含む。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る他の材料製造方法は、基板と、基板から立設する複数の突出部とを有し、突出部は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、突出部間に形成される間隙の大きさが、100nm以上300nm以下である基体の突出部にカーボンナノウォールを形成する工程を含み、
突出部は、金属または金属酸化物で構成される。
【0008】
また、材料製造方法は、カーボンナノウォールを樹脂で包埋する工程を含んでもよい。
【0012】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る材料は、基板と、基板から立設する複数の突出部とを有し、突出部は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、突出部間に形成される間隙の大きさが、100nm以上300nm以下である基体と、突出部に設けられたカーボンナノウォールと、を備え、突出部は、金属または金属酸化物で構成される。

【発明の効果】
【0013】
本開示によれば、新規の材料を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】実施形態にかかる材料製造方法の流れを説明するフローチャートである。
図2】材料製造装置の具体的な構成を説明する図である。
図3図3Aは、グラフェンシートを説明する図である。図3Bは、カーボンナノウォールを説明する第1の図である。図3Cは、カーボンナノウォールを説明する第2の図である。図3Dは、カーボンナノウォールを説明する第3の図である。
図4】前駆体を説明する図である。
図5】基体製造工程によって製造された基体を説明する図である。
図6】CNW形成工程によって製造された材料を説明する図である。
図7】包埋工程によって製造された材料を説明する図である。
図8】除去工程によって製造された材料を説明する図である。
図9図9Aは、前駆体の観察結果を示す第1の図である。図9Bは、前駆体の観察結果を示す第2の図である。
図10図10Aは、500℃で加熱した基体の観察結果を示す図である。図10Bは、600℃で加熱した基体の観察結果を示す図である。図10Cは、700℃で加熱した基体の観察結果を示す図である。
図11】材料の観察結果を説明する図である。
図12】剥離物の観察結果を説明する図である。
図13】変形例の材料製造装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0016】
[材料製造方法]
図1は、本実施形態にかかる材料製造方法の流れを説明するフローチャートである。図1に示すように、本実施形態にかかる材料製造方法は、前駆体製造工程S110と、基体製造工程S120と、CNW形成工程S130と、包埋工程S140と、除去工程S150とを含む。以下、各工程について詳述する。
【0017】
[前駆体製造工程S110]
前駆体製造工程S110は、材料製造装置10を用いて、基板S上にカーボンナノウォールを形成させつつ、カーボンナノウォールにドープ元素をドープし、前駆体100を製造する工程である。
【0018】
図2は、材料製造装置10の具体的な構成を説明する図である。図2に示すように、材料製造装置10は、所謂プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置である。材料製造装置10は、チャンバ20と、基板ホルダ30と、ターゲット保持部40と、プラズマ銃50とを含む。
【0019】
チャンバ20には、ガス供給口22が形成される。ガス供給口22を介して、チャンバ20の内部に反応ガスが供給される。反応ガスは、メタン(CH)等のカーボンナノウォールを形成することができるガスである。また、チャンバ20には、不図示の真空ポンプが接続されている。真空ポンプは、チャンバ20の内部を所定の圧力に維持する。
【0020】
基板ホルダ30は、チャンバ20内に配される。基板ホルダ30は、基板Sを保持する。基板Sは、炭化物を形成しやすい元素を含む。基板Sは、例えばシリコン(Si)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)等の元素を含む。
【0021】
ターゲット保持部40は、チャンバ20内に配される。ターゲット保持部40は、スパッタリングターゲットTを保持する。スパッタリングターゲットTは、リチウム(Li)、ベリリウム(Be)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カリウム(K)、カルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ルビジウム(Rb)、ストロンチウム(Sr)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、インジウム(In)、スズ(Sn)、セシウム(Cs)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、水銀(Hg)、タリウム(Tl)、鉛(Pb)、および、ビスマス(Bi)の群から選択される1の金属(ドープ元素)、または、複数の合金で構成される。スパッタリングターゲットTは、好ましくは、Be、Co、Cr、Fe、Mn、および、Niの群から選択される1の金属、または、複数の合金で構成される。
【0022】
また、ターゲット保持部40は、スパッタリングターゲットTに所定の周波数でパルス電流(DC)を流す。
【0023】
プラズマ銃50は、チャンバ20内にプラズマ流PF(シートプラズマ)を放出する。プラズマ銃50は、既存の様々な技術(例えば、特開2008-056546号公報)を利用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。プラズマ流PFが放出されると、プラズマ流PFを構成するプラズマが、反応ガスを分解するとともに、スパッタリングターゲットTに衝突する。そうすると、基板S上にカーボンナノウォールが形成されるとともに、スパッタリングターゲットTを構成する原子が、スパッタリングターゲットTから放出され(スパッタ)、カーボンナノウォールにドープされる。
【0024】
材料製造装置10を用いて前駆体100を製造する場合、まず、基板Sを基板ホルダ30に保持させるとともに、ガス供給口22を通じて反応ガスをチャンバ20内に供給する。そして、ターゲット保持部40による、スパッタリングターゲットTへのパルス電流の供給と同時に、プラズマ銃50が駆動される。つまり、基板Sへのカーボンナノウォールの形成の開始と同時に、カーボンナノウォールへのドープ元素のドープが行われる。そうすると、ドープ元素がドープされたカーボンナノウォール(カーボンナノウォールをテンプレートとしてなる構造体)が基板S上に形成されることとなる。
【0025】
図3は、カーボンナノウォールを説明する図である。図3Aは、グラフェンシートを説明する図である。図3Bは、カーボンナノウォールを説明する第1の図である。図3Cは、カーボンナノウォールを説明する第2の図である。図3Dは、カーボンナノウォールを説明する第3の図である。
【0026】
カーボンナノウォールは、図3Aに示すグラフェンシート(図3A中、炭素原子(C)を白丸で示す)が、図3Bに示すように、基板Sの表面上から立設したもの(垂直状に成長したもの)である。カーボンナノウォールが基板S上に形成される際には、図3C図3Dに示すように、まず、基板Sの表面に、グラファイト層またはアモルファスカーボン層が形成される。グラファイト層またはアモルファスカーボン層は、基板Sの表面の面内方向に沿って、基板Sの表面に形成される。例えば、グラファイト層またはアモルファスカーボン層は、基板Sの表面の面内方向に平行に、基板Sの表面に形成される。
【0027】
そして、カーボンナノウォールは、グラファイト層またはアモルファスカーボン層を介して、基板Sの表面に対して垂直方向(図3B図3D中、Y軸方向)に延在(延伸)するように複数形成される。ここで、カーボンナノウォールにおける基板Sと平行な方向(図3B中、X軸方向)の厚み(短手方向の長さ、幅)は、1nm以上100nm以下である。カーボンナノウォールの図3B中、Z軸方向の長さ(長手方向の長さ)は、300nm以上2000nm以下である。カーボンナノウォール間に形成される間隙の大きさは、100nm以上300nm以下である。
【0028】
なお、カーボンナノウォールは自己組織化機能を有している。このため、材料製造装置10において反応ガスの雰囲気中でプラズマを発生させるだけで、複数のカーボンナノウォールの間に、100nm以上300nm以下の間隙(空隙)を形成しながら、カーボンナノウォールが基板Sの表面に対して垂直方向(図3中、Y軸方向)に延伸するように成長する。
【0029】
そして、材料製造装置10は、基板Sへのカーボンナノウォールの形成の開始と同時に、カーボンナノウォールへのドープ元素のドープを行う。
【0030】
図4は、前駆体100を説明する図である。図4に示すように、前駆体100は、基板Sと、下地層110と、CNW層120とを含む。下地層110は、基板Sの表面の面内方向に沿って形成された層である。下地層110は、ドープ元素がドープされたグラファイト(または、ドープ元素がドープされたアモルファスカーボン)で構成される。CNW層120は、ドープ元素がドープされたカーボンナノウォール122を複数有する。カーボンナノウォール122は、下地層110から、基板Sの表面(面内方向)に対して垂直方向(図4中、Y軸方向)に延伸したものである。また、CNW層120において、カーボンナノウォール122は、隣り合うカーボンナノウォール122との間に、100nm以上300nm以下の間隙122aを維持して下地層110から延在している。
【0031】
上記したように、材料製造装置10は、基板Sへのカーボンナノウォール122の形成の開始と同時に、カーボンナノウォール122へのドープ元素のドープを行う。これにより、CNW層120のみならず、下地層110にドープ元素をドープすることができる。したがって、基板Sを構成する元素とドープ元素とが結合することになり、下地層110(CNW層120)と基板Sとの結合を強くすることが可能となる。例えば、基板Sとしてシリコン基板を採用し、ドープ元素として鉄を採用した場合、Fe-Siとなり、CNW層120(下地層110)と、基板Sとの結合を強固なものとすることができる。
【0032】
こうして、基板Sと、下地層110(薄膜)と、下地層110から立設した複数のカーボンナノウォール122(CNW層120)とを備える前駆体100が製造される。
【0033】
[基体製造工程S120]
基体製造工程S120は、前駆体100から炭素を除去する工程である。本実施形態において、基体製造工程S120は、前駆体100を所定の雰囲気中で加熱する工程である。ここで、所定の雰囲気は、少なくとも酸素を含んだ雰囲気である。所定の雰囲気は、例えば、大気(空気)雰囲気である。
【0034】
また、基体製造工程S120における雰囲気の圧力は、大気圧以上である。これにより、基体製造工程S120は、前駆体100からの炭素の脱離効率(低減効率)を向上させることができる。
【0035】
また、基体製造工程S120における雰囲気の温度(以下、「雰囲気温度」と称する)は、400℃以上800℃以下であり、好ましくは、500℃以上700℃以下であり、より好ましくは、600℃である。雰囲気温度が400℃未満であると、前駆体100から炭素を除去することができない。一方、雰囲気温度が800℃を上回ると、CNW層120がナノ構造を維持できなくなる。
【0036】
基体製造工程S120を実行することにより、前駆体100から炭素を除去することができる。
【0037】
図5は、基体製造工程S120によって製造された基体200を説明する図である。前駆体製造工程S110で製造された前駆体100に対し、基体製造工程S120を実行すると、図5に示すように、基体200が製造される。基体200は、基板Sと、下地層210と、ナノ構造層220とを含む。
【0038】
下地層210は、上記下地層110から炭素が除去された層(薄膜)である。したがって、下地層210は、ドープ元素(またはドープ元素の酸化物(金属酸化物))で構成され、基板Sの表面の面内方向に沿って形成された層である。
【0039】
ナノ構造層220は、上記CNW層120から炭素が除去された層である。つまり、ナノ構造層220は、ドープ元素(またはドープ元素の酸化物(金属酸化物))がカーボンナノウォール形状に構成された突出部222(カーボンナノウォールをテンプレートとしてなる構造体)を複数有する層である。具体的に説明すると、ナノ構造層220は、基板Sの表面に対して垂直方向(図5中、Y軸方向)に延在(立設)した突出部222を複数有する。突出部222は、所定の高さ(図5中、Y軸方向の長さ)であり、長手方向の長さ(図5中、Z軸方向の長さ)が300nm以上2000nmである。また、突出部222における短手方向の長さ(図5中、X軸方向の長さ)は、1nm以上1μm以下(例えば、1nm以上10nm以下)である。突出部222間に形成される間隙222aの大きさ(図5中、X軸方向の距離)は、100nm以上300nm以下である。
【0040】
また、上記したように、前駆体100は、基板Sを構成する元素と下地層110のドープ元素とが結合している。このため、基体製造工程S120を実行しても、下地層110と基板Sとの結合は維持されることとなる。つまり、基体200は、下地層210と基板Sとが結合したものとなる。換言すれば、ナノ構造層220は、下地層210を介して基板Sと結合する。
【0041】
こうして、基板Sと、下地層210と、下地層210(基板S)から立設する複数の突出部222とを有する基体200が製造される。
【0042】
[CNW形成工程S130]
CNW形成工程S130は、上記材料製造装置10を用いて、基体200の突出部222上にカーボンナノウォールを形成する工程である。材料製造装置10を用いて突出部222上にカーボンナノウォールを形成する場合、まず、基体200を基板ホルダ30に保持させるとともに、ガス供給口22を通じて反応ガスをチャンバ20内に供給する。そして、プラズマ銃50が駆動される。なお、この際、ターゲット保持部40による、スパッタリングターゲットTへのパルス電流の供給は行わない。そうすると、基体200の突出部222上にカーボンナノウォールが形成された材料300が製造されることとなる。
【0043】
図6は、CNW形成工程S130によって製造された材料300を説明する図である。基体製造工程S120で製造された基体200に対し、CNW形成工程S130を実行すると、図6に示すように、材料300が製造される。材料300は、基板Sと、下地層210と、ナノ構造層220と、CNW層320とを含む。
【0044】
CNW層320は、複数のカーボンナノウォール322で構成される。カーボンナノウォール322は、突出部222から、基板Sの表面(面内方向)に対して垂直方向(図6中、Y軸方向)に立設する。上記したように、突出部222の短手方向の長さは、1nm以上1μm以下である。このため、突出部222上に形成されるカーボンナノウォール322の短手方向の長さ(厚み)も、1nm以上1μm以下となる。また、突出部222の長手方向の長さは、300nm以上2000nm以下である。このため、突出部222上に形成されるカーボンナノウォール322の長手方向の長さも、300nm以上2000nm以下となる。また、隣り合う突出部222間に形成される間隙222aの大きさは、100nm以上300nm以下である。このため、突出部222上に形成されるカーボンナノウォール322間に形成される間隙322aの大きさも、100nm以上300nm以下となる。
【0045】
こうして、基板Sと、基板Sから立設する複数の突出部222とを有し、突出部222は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、突出部222間に形成される間隙の大きさが、100nm以上300nm以下である基体200と、突出部222に設けられたカーボンナノウォール322と、を備える材料300が製造される。
【0046】
[包埋工程S140]
包埋工程S140は、材料300を構成するCNW層320(カーボンナノウォール322)を樹脂で包埋する工程である。樹脂は、例えば、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、および、エポキシ樹脂のいずれか1または複数である。
【0047】
図7は、包埋工程S140によって製造された材料400を説明する図である。CNW形成工程S130で製造された材料300に対し、包埋工程S140を実行すると、図7に示すように、材料400が製造される。材料400は、基板Sと、下地層210と、ナノ構造層220と、CNW層320と、囲繞部410とを含む。
【0048】
囲繞部410は、樹脂で構成される。囲繞部410は、カーボンナノウォール322を囲繞する。囲繞部410は、カーボンナノウォール322間の間隙322aに充填される。なお、包埋工程S140では、材料300のCNW層320(カーボンナノウォール322)を樹脂(または樹脂の前駆体)に浸漬する。上記したように、カーボンナノウォール322間に形成される間隙322aの大きさは、100nm以上300nm以下と短い。したがって、樹脂は、間隙322aの内部、つまり、ナノ構造層220まで浸透しない。このため、囲繞部410は、CNW層320(カーボンナノウォール322)の先端部を囲繞する。
【0049】
[除去工程S150]
除去工程S150は、材料400から突出部222を除去する工程である。本実施形態において、除去工程S150は、溶媒に材料400を浸漬する工程である。溶媒は、カーボンナノウォール322および囲繞部410を溶解せず、突出部222を溶解する溶媒である。本実施形態において、溶媒は、カーボンナノウォール322および囲繞部410(樹脂)を溶解せず、突出部222を構成する金属または金属酸化物を溶解する溶媒である。溶媒は、例えば、塩酸、硫酸、および、硝酸の群から選択される1または複数である。
【0050】
図8は、除去工程S150によって製造された材料500を説明する図である。包埋工程S140で製造された材料400に対し、除去工程S150を実行すると、下地層210およびナノ構造層220(突出部222)が溶媒に溶解される。そうすると、基板SとCNW層320とが離隔する。これにより、図8に示すように、材料500が製造される。材料500は、CNW層320と、囲繞部410とを含む。
【0051】
以上説明したように、本実施形態にかかる材料製造方法は、CNW形成工程S130を含む。したがって、本実施形態にかかる材料製造方法は、新規の材料、すなわち、基体200と、CNW層320とを備える材料300、および、基体200と、CNW層320と、囲繞部410とを備える材料400を製造することができる。
【0052】
ところで、カーボンナノウォールは、可飽和吸収素子として利用できる。しかし、基板S上に直接カーボンナノウォールを成長させると、図3および図4に示すように、基板Sとカーボンナノウォールとの間に、基板S全面に亘ってグラファイト層が形成される。グラファイト層は、可飽和吸収素子の性能を低下させてしまう。
【0053】
そこで、従来の可飽和吸収素子の製造方法は、カーボンナノウォール成長工程と、包埋工程と、剥離工程と、エッチング工程とを含んでいた。従来のカーボンナノウォール成長工程は、基板S上にカーボンナノウォールを成長させる工程である。従来の包埋工程は、基板S上に形成されたカーボンナノウォールおよびグラファイト層を樹脂で包埋する工程である。剥離工程は、樹脂に包埋されたカーボンナノウォールおよびグラファイト層(包埋体)を基板Sから剥離させる工程である。エッチング工程は、包埋体を酸素プラズマでエッチングしてグラファイト層を除去する工程である。つまり、従来の可飽和吸収素子の製造方法は、酸素プラズマでエッチングすることによりグラファイト層を取り除いていた。
【0054】
このため、従来の可飽和吸収素子の製造方法は、エッチングに要する時間がかかるという問題があった。また、従来の可飽和吸収素子は、酸素プラズマによってカーボンナノウォールが損傷し、性能が低下するおそれがあった。
【0055】
これに対し、本実施形態の材料製造方法は、ナノ構造層220(突出部222)上にカーボンナノウォール322を成長させる。これにより、本実施形態の材料製造方法では、突出部222の上面にのみグラファイト層が形成される。また、本実施形態にかかる材料製造方法は、包埋工程S140および除去工程S150を含む。したがって、CNW層320(カーボンナノウォール322)と、囲繞部410とを含む材料500を製造することができる。つまり、材料500は、従来の包埋体と比較して、グラファイト層の面積を著しく低減させることが可能となる。したがって、本実施形態の材料製造方法は、エッチング工程を省略、または、短縮しても、高性能の可飽和吸収素子(材料500)を製造することが可能となる。材料500は、例えば、フェムト秒レーザーの発振器として利用できる。
【0056】
また、上記したように、除去工程S150は、材料400を溶媒に浸漬するだけである。これにより、本実施形態の材料製造方法は、材料500を容易に製造することが可能となる。
【0057】
[第1の実施例]
前駆体製造工程S110として、材料製造装置10を用いて、基板S上にカーボンナノウォールを形成させつつ、カーボンナノウォールにFeをドープし、前駆体100を製造した。そして、前駆体100を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。
【0058】
図9は、前駆体100の観察結果を説明する図である。図9Aは、前駆体100の観察結果を示す第1の図である。図9Bは、前駆体100の観察結果を示す第2の図である。図9A図9Bに示すように、Feがドープされたカーボンナノウォール122が基板Sに形成されたことが確認された。また、カーボンナノウォール122の短手方向の長さは、1nm以上100nm以下であり、長手方向の長さは、300nm以上2000nm以下であり、高さは、2μm程度であることが確認された。さらに、カーボンナノウォール122間に形成される間隙122aの大きさは、100nm以上300nm以下であることが確認された。
【0059】
続いて、基体製造工程S120として、前駆体100を大気中で500℃に加熱した基体200、前駆体100を大気中で600℃に加熱した基体200、前駆体100を大気中で700℃に加熱した基体200を製造した。そして、基体200を走査型電子顕微鏡で観察した。
【0060】
図10は、基体200の観察結果を説明する図である。図10Aは、500℃で加熱した基体200の観察結果を示す図である。図10Bは、600℃で加熱した基体200の観察結果を示す図である。図10Cは、700℃で加熱した基体200の観察結果を示す図である。図10A図10Cに示すように、基体200は、粒径40nm以上50nm以下の酸化鉄の粒子で構成された突出部222を複数有することが確認された。また、突出部222の短手方向の長さは、40nm以上100nm以下であり、長手方向の長さは、300nm以上2000nm以下であり、高さは、2μm程度であることが確認された。さらに、突出部222間に形成される間隙222aの大きさは、100nm以上300nm以下であることが確認された。
【0061】
続いて、CNW形成工程S130として、上記材料製造装置10を用いて、基体200の突出部222上にカーボンナノウォールを形成した。そして、材料300を走査型電子顕微鏡で観察した。
【0062】
図11は、材料300の観察結果を説明する図である。図11に示すように、突出部222の上にカーボンナノウォール322が形成されていることが確認された。
【0063】
続いて、材料300のCNW層320(カーボンナノウォール322)に粘着テープを貼付し、粘着テープごと、突出部222(ナノ構造層220)と、下地層210とを剥離させた。そして、剥離物を走査型電子顕微鏡で観察した。
【0064】
図12は、剥離物の観察結果を説明する図である。図12に示すように、カーボンナノウォール322は、突出部222上に成長していることが確認された。また、突出部222とカーボンナノウォール322との間に、グラファイト層がほとんどないことが確認された。
【0065】
[第2の実施例]
第1の実施例で製造した材料300を構成するCNW層320(カーボンナノウォール322)をポリイミドで包埋して材料400を製造した。そして、材料400を0.1mol/Lの塩酸に21時間浸漬した。その結果、撹拌せずとも、基板Sから材料500が剥離したことが確認された。
【0066】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。
【0067】
例えば、上述した実施形態では、材料製造装置10が電子ビーム励起プラズマを発生させる構成を例に挙げた。しかし、材料製造装置10は、プラズマを発生させることができれば構成に限定はない。材料製造装置10は、例えば、RFプラズマ、または、表面波プラズマを発生させてもよい。
【0068】
また、上記実施形態において、材料製造装置10がプラズマCVD装置である場合を例に挙げて説明した。しかし、前駆体製造工程S110、および、CNW形成工程S130は、CVD装置を用いてカーボンナノウォールを成長させてもよい。
【0069】
また、上記実施形態において、基板Sが炭化物を形成しやすい元素を含む構成を例に挙げて説明した。しかし、基板の材質に限定はない。
【0070】
また、上記実施形態では、前駆体製造工程S110において、ドープ元素をスパッタでカーボンナノウォールにドープする構成を例に挙げて説明した。しかし、ドープ元素のドープは、スパッタに限らず、有機金属を利用した蒸着処理や、金属を加熱して蒸着させる処理、CVD処理、有機金属系ガス(トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム等)や塩化金属ガス(塩化ガリウムガス等)と反応させる処理、インターカレーション処理(カーボンナノウォールを、金属を含む溶液中に浸漬する処理)を用いて実行してもよい。
【0071】
また、上記実施形態において、突出部222が基板Sの表面から垂直方向に立設する構成を例に挙げて説明した。しかし、突出部222は、基板Sから立設していればよく、角度に限定はない。
【0072】
また、上記実施形態において、突出部222が金属または金属酸化物で構成される場合を例に挙げた。しかし、突出部222は、カーボンナノウォール322が剥離しやすい材質であればよい。突出部222は、例えば、ガラス、または、樹脂であってもよい。
【0073】
また、上記実施形態において、基体200が自己組織化したナノ構造体(突出部222)を備える場合を例に挙げた。しかし、基体200は、ナノ構造体が表面に加工された基板であってもよい。基体200は、例えば、ナノインプリント基板であってもよい。ナノインプリント基板のパターンは、例えば、ラインスペース(回折格子)型、マルチパターン型、または、ピラー型である。例えば、ラインスペース型のナノインプリント基板を基体200として用いた場合、ラインのエッジに沿ってカーボンナノウォール322が成長すると考えられる。また、ピラー型のナノインプリント基板を基体200として用いた場合、管形状(チューブ形状)のカーボンナノウォール322が成長すると考えられる。このように、基体200としてナノインプリント基板を用いた場合、パターンに沿った形状のカーボンナノウォール322を形成できると考えられる。いずれにせよ、基体200は、基板Sと、基板Sから立設する複数の突出部222とを有し、突出部222は、所定の高さであり、長手方向の長さが300nm以上2000nm以下であり、突出部222間に形成される間隙222aの大きさが、100nm以上300nm以下であれば構成に限定はない。
【0074】
また、上記実施形態において基体製造工程S120が前駆体100を加熱する工程である場合を例に挙げた。しかし、基体製造工程S120は、前駆体100から炭素を除去できれば処理に限定はない。例えば、基体製造工程S120は、所定のプラズマ雰囲気中に、前駆体100を曝す工程であってもよい。ここで、所定のプラズマ雰囲気は、例えば、水素(H)プラズマ、窒素(N)プラズマ、酸素プラズマである。プラズマ雰囲気の圧力は、10Pa以上100Pa以下(ECRプラズマ処理や、RFプラズマ処理の際の真空度と同程度)である。プラズマ雰囲気の温度(以下、「プラズマ雰囲気温度」と称する)は、室温(例えば、25℃)以上800℃以下であり、好ましくは、500℃以上700℃以下であり、より好ましくは、600℃である。プラズマ雰囲気温度が室温未満であると、前駆体100から炭素を除去することができない。プラズマ雰囲気温度が800℃を上回ると、CNW層120(カーボンナノウォール122)がナノ構造を維持できなくなる。
【0075】
また、上記実施形態において、除去工程S150が材料400を溶媒に浸漬する工程である場合を例に挙げた。しかし、除去工程S150は、材料400から突出部222を除去することができれば処理に限定はない。
【0076】
また、材料500のカーボンナノウォール322をさらに樹脂で包埋してもよい。これにより、材料500を可飽和吸収素子等の光学素子として利用する場合、光学素子の性能低下を抑制することができる。また、材料500においてカーボンナノウォール322を保護することができる。さらに、カーボンナノウォール322に突出部222が付着していても、光学素子としての性能低下を抑制することが可能となる。
【0077】
また、上記実施形態において、材料製造装置10は、1のスパッタリングターゲットTを保持するターゲット保持部40を備える構成を例に挙げた。しかし、材料製造装置10は、複数のターゲット保持部40を備えてもよい。図13は、変形例の材料製造装置60を説明する図である。図13に示すように、材料製造装置60は、チャンバ20と、基板ホルダ30と、ターゲット保持部40と、プラズマ銃50と、シャッタ70とを含む。なお、上記材料製造装置10と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0078】
材料製造装置60は、ターゲット保持部40を複数備える点、および、シャッタ70を備える点が材料製造装置10と異なる。
【0079】
材料製造装置60は、ターゲット保持部40を複数備える。複数のターゲット保持部40は、それぞれ異なるスパッタリングターゲットTを保持する。複数のスパッタリングターゲットTは、それぞれ異なる1のドープ元素で構成される。複数のターゲット保持部40は、プラズマ流PF(シートプラズマ)とスパッタリングターゲットTとが対向するようにスパッタリングターゲットTを保持する。
【0080】
これにより、材料製造装置60は、複数のスパッタリングターゲットTに対し、実質的に同時にプラズマを衝突させることができる。したがって、材料製造装置60は、複数のドーピング元素をカーボンナノウォールにドーピングすることが可能となる。
【0081】
材料製造装置10を用いて、複数のドーピング元素をドーピングする場合、複数のドーピング元素(合金)で構成されたスパッタリングターゲットTを製造する必要がある。また、カーボンナノウォールへドーピングされる複数のドーピング元素が予め設定された組成となるように、スパッタ率を考慮してスパッタリングターゲットTを製造する必要がある。スパッタ率は、プラズマを構成するイオン1個がスパッタリングターゲットTに衝突したときにスパッタリングターゲットTから放出される原子数である。スパッタ率は、ドーピング元素ごとに異なる。このため、スパッタリングターゲットTの製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【0082】
そこで、材料製造装置60は、複数のターゲット保持部40を備える。これにより、材料製造装置60を用いる場合、合金で構成されたスパッタリングターゲットTを製造する必要がなくなる。換言すれば、材料製造装置60は、単一のターゲット元素(金属)で構成されたスパッタリングターゲットTを1または複数製造すればよい。したがって、材料製造装置60は、スパッタリングターゲットTの製造コストを低減することが可能となる。
【0083】
また、材料製造装置60は、複数のスパッタリングターゲットTに印加する電圧(パルス電流の周波数およびパルス幅)をそれぞれ独立して制御することで、各スパッタリングターゲットTのスパッタ率を制御することができる。したがって、材料製造装置60は、電圧を制御するだけで、複数のドーピング元素を予め設定された組成でカーボンナノウォールにドーピングすることが可能となる。
【0084】
また、シャッタ70は、プラズマ流PFとスパッタリングターゲットTとの間に設けられる。シャッタ70を備える構成により、材料製造装置60は、スパッタリングターゲットTへのカーボンの付着を抑制することができる。また、材料製造装置60は、スパッタリングターゲットTの酸化を抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【0085】
本開示は、材料製造方法、および、材料に利用することができる。
【符号の説明】
【0086】
S 基板
S130 CNW形成工程
S140 包埋工程
S150 除去工程
200 基体
222 突出部
300 材料
322 カーボンナノウォール
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13