(57)【要約】【課題】  電子デバイスや光学デバイスとして有用であり、化学的に不活性な二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤー及びその製造方法を提供する。【解決手段】  インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末の混合物を、不活性ガス気流中で、１２００〜１６００℃の温度範囲において、０．３〜２時間加熱することにより、厚さ８ｎｍの二酸化珪素膜で被覆された長さ数十μｍ、直径約２００ｎｍのインジウムナノワイヤーの先端と長さ数μｍ、直径約２００ｎｍの珪素ナノワイヤーの先端同士が接合した複合ナノワイヤーを製造する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとからなる複合ナノワイヤーであって、
上記インジウムナノワイヤーの先端と珪素ナノワイヤーの先端とが接合していて、さらに、上記インジウムナノワイヤー及び珪素ナノワイヤーが、二酸化珪素膜で被覆されていることを特徴とする、二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤー。
【請求項２】
前記インジウムナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍであり、その長さが数十μｍであり、前記珪素ナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍであり、その長さが数μｍであり、前記二酸化珪素膜の厚さが８ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤー。
【請求項３】
インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末との混合物を不活性ガス気流中で加熱処理して、
二酸化珪素膜で被覆されたインジウムナノワイヤーの先端と、二酸化珪素膜で被覆された珪素ナノワイヤーの先端と、が接合している複合ナノワイヤーを形成することを特徴とする、二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの製造方法。
【請求項４】
前記インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末とのモル比は、０．２：１〜３：１の範囲であることを特徴とする、請求項３に記載の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの製造方法。
【請求項５】
前記加熱処理の温度は、１２００〜１６００℃の範囲であることを特徴とする、請求項３に記載の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの製造方法。
【請求項６】
前記加熱処理の時間は、０．３〜２時間の範囲であることを特徴とする、請求項３又は５に記載の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの製造方法。
【請求項７】
前記不活性ガスとして、アルゴンガスを使用することを特徴とする、請求項３に記載の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの製造方法。
【請求項８】
前記不活性ガスの流量は、２００〜３０００ｓｃｃｍの範囲であることを特徴とする、請求項３又は７に記載の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイスや光学デバイスの小型化に際して有用な、それぞれが二酸化珪素膜で被覆されたインジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとからなり、これらのナノワイヤーの先端同士が接合している、二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
珪素ナノワイヤーは、集積回路の小型化を図るために重要な材料である。この珪素ナノワイヤーは、金粒子を触媒として、水素中でシランを加熱する方法（例えば、非特許文献１参照）、アルカンチオールと反応させた金粒子を触媒としてジフェニルシランを加熱分解する方法（例えば、非特許文献２参照）、珪素粉末と二酸化珪素粉末の混合物をエキシマレーザーで加熱する方法（例えば、非特許文献３参照）及び珪素粉末と活性炭粉末を高温で加熱する方法（例えば、非特許文献４参照）などにより製造されている。
【０００３】
また、ニオブなどの金属のナノワイヤーは、カーボンナノチューブ上にニオブをスパッタ処理することにより製造されている（例えば、非特許文献５参照）。
【０００４】
さらに、金属ナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとの接合は、金属−半導体接合となり、電子デバイスや光学デバイスの小型化に際して有用な複合ナノワイヤーとしてその実現が期待されている材料である。
【０００５】
【非特許文献１】Y. Wu 他, Nano Lett., 4 巻, 433 頁,2004 年
【非特許文献２】J. D．Holmes  他, Science, 287巻, 1471頁, 2000年
【非特許文献３】S. T．Lee 他, J. Mater. Res., 14巻, 4503頁, 1999年
【非特許文献４】G. Gundiah  他, Chem. Phys．Lett., 381巻, 579 頁, 2003年
【非特許文献５】A. Rogachev 他, Appl．Phys．Lett., 83 巻, 512 頁, 2003年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の製造方法においては、金属ナノワイヤーと珪素ナノワイヤーを別々に製造しており、金属ナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとが接合した複合ナノワイヤーは容易に得られないという課題がある。
さらに、金属ナノワイヤー及び珪素ナノワイヤーのように極端に寸法の小さい材料は、体積に対する表面積が著しく大きいため、化学的に反応活性が大きい。そのため、極端にサイズの小さい材料は酸化などの化学反応を受けやすく、その性状が初期値から急激に劣化するという課題を有している。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、酸化等の劣化を防止し、化学的に不活性で性状が劣化しにくい、二酸化珪素膜で被覆され、かつ、その先端同士が接合した二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーを提供することを第１の目的とする。さらに本発明は、この二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーを、１回の反応で容易に製造することができる製造方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記第１の目的を達成するために、本発明は、インジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとからなる複合ナノワイヤーであって、インジウムナノワイヤーの先端と珪素ナノワイヤーの先端とが接合していて、さらに、インジウムナノワイヤー及び珪素ナノワイヤー
が、二酸化珪素膜で被覆されていることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、インジウムナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍ（ナノメートル）であり、その長さは数十μｍ（マイクロメートル）であり、珪素ナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍであり、その長さが数μｍであり、二酸化珪素膜の厚さが８ｎｍである。
この構成によれば、金属であるインジウムナノワイヤーと半導体である珪素ナノワイヤーとの先端同士が接合しているので、金属−半導体接合を有する複合ナノワイヤーを提供することができる。さらに、複合ナノワイヤーが化学的に安定な二酸化珪素膜で被覆されているので、インジウムナノワイヤー及び珪素ナノワイヤーの酸化を防止し、化学的に安定しており、性状が劣化し難い。
【０００９】
上記第２の目的を達成するために、本発明の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの製造方法は、インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末との混合物を不活性ガス気流中で加熱処理して、二酸化珪素膜で被覆されたインジウムナノワイヤーの先端と、二酸化珪素膜で被覆された珪素ナノワイヤーの先端とが接合している複合ナノワイヤーを形成することを特徴とする。
上記方法において、インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末とのモル比は、好ましくは、０．２：１〜３：１の範囲である。上記加熱処理の温度は、好ましくは、１２００〜１６００℃の範囲である。加熱処理の時間は、好ましくは、０．３〜２時間の範囲である。
また、上記不活性ガスとして、好ましくは、アルゴンガスを使用する。不活性ガスの流量は、好ましくは、２００〜３０００ｓｃｃｍの範囲である。
この方法によれば、一段の操作で、インジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとからなる複合ナノワイヤーが得られ、これらの複合ワイヤーの先端同士が接合していて、さらに、複合ワイヤーの表面には化学的に不活性な二酸化珪素膜が被覆されている。
この複合ナノワイヤーは厚さ８ｎｍの二酸化珪素膜が被覆された状態で、上記した好ましい条件の下で、インジウムナノワイヤーの直径が約２００ｎｍ、その長さが数十μｍ、珪素ナノワイヤーの直径が約２００ｎｍ、その長さが数μｍの寸法を有している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーによれば、先端同士が接合したインジウムナノワイヤー及び珪素ナノワイヤーからなる複合ナノワイヤーを、化学的に不活性な二酸化珪素膜で層状に被覆することで、複合ナノワイヤーの高い反応性に起因する性状の劣化を防止することができる。
また、この製造方法によれば、上記複合ナノワイヤーを、インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末との混合物を不活性ガス気流中で加熱処理するという一段の反応により容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーを製造する装置の一例を示す模式図である。この装置を例に製造方法を説明する。
図において、縦型高周波誘導加熱装置１は、反応管２と、反応管２の周囲に配設される誘導加熱コイル３と、反応管２内に配設される誘導加熱円筒管４と、この誘導加熱円筒管４に収容される坩堝５と、を有している。誘導加熱コイル３に対向する位置に配置される坩堝５には、インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末とからなる混合物６が収容され、誘導加熱コイル３により加熱される。また、矢印７は反応管２に供給される不活性ガス気流を表している。
縦型高周波誘導加熱装置１は縦型に限らず横型でもよい。また、加熱方法は、高周波誘導加熱に限らず、坩堝５を所定の温度に加熱できるランプ加熱や抵抗加熱による加熱装置でもよい。
【００１２】
図１の装置を用いて本発明の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーを製造する方法を説明する。
最初に、インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末の混合物６をグラファイト製の坩堝５に入れる。
次に、この坩堝５を、断熱材となる炭素繊維で覆われたグラファイト製の誘導加熱円筒管４に入れて、縦型高周波誘導加熱装置１の中央部に設置する。
反応管２内を減圧した後、アルゴンガスなどの不活性ガス７を流しながら、１２００〜１６００℃で０．３〜２時間加熱する。
【００１３】
この際、インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末のモル比は０．２：１〜３：１の範囲が好ましい。この範囲よりもインジウム粉末のモル数が多いと、インジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとの接合が形成されないで、単独のインジウムナノワイヤーや微粒子が生成するので好ましくない。逆に、この好ましい範囲よりもインジウム粉末のモル数が少ないと、二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーの収量が低下してしまう。
【００１４】
上記坩堝５の合成温度、すなわち、不活性ガスを流しながら坩堝５を加熱する温度は、１２００〜１６００℃の範囲が好ましい。加熱温度が１６００℃よりも高いと珪素粉末やインジウム粉末が生成するので、これ以上温度を上げる必要はない。逆に、加熱温度が１２００℃よりも低いと、二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーが殆ど得られない。また、このときの加熱時間は０．３〜２時間の範囲が好ましく、２時間で反応が完結するのでこれ以上の時間をかける必要はない。逆に、０．３時間未満の加熱時間では収量が低下するので好ましくない。
【００１５】
不活性ガスの流量は２００〜３０００ｓｃｃｍの範囲が好ましい。ｓｃｃｍ(standard cubic cm per minute)は、ｃｍ3 ／分で、０℃において、１０１３ｈＰａに換算した場合の流量を表す単位である。不活性ガスの流量は、上記の好ましい範囲を外れると生成物の堆積場所が広くなるため、目的物を採取する操作が困難になるので好ましくない。
【００１６】
このような操作を施すことにより、グラファイト製の誘導加熱円筒管４の出口に灰色の粉末が堆積する。
上記の製造方法によれば、一段の反応で、インジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとからなる複合ナノワイヤーが得られる。これらの複合ワイヤーの先端同士が接合していて、さらに、複合ワイヤーの表面には化学的に不活性な二酸化珪素膜が被覆されている。この二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーは、後述するように、一例として厚さ８ｎｍの二酸化珪素膜が被覆された状態で、インジウムナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍであり、その長さが数十μｍであり、珪素ナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍであり、その長さが数μｍの寸法を有している。化学的に活性なインジウムナノワイヤー及び珪素ナノワイヤーの表面を二酸化珪素膜で被覆することにより、これらのナノワイヤーの酸化などを防止することができ、性状劣化を防止できる。
【実施例】
【００１７】
次に、実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
インジウム粉末（高純度化学研究所製、純度９９％）１．１５ｇと一酸化ケイ素粉末（高純度化学研究所製、純度９９．９９％）０．４４ｇとの混合物６をグラファイト製の坩堝５に入れ、この坩堝５を断熱材の炭素繊維で覆われたグラファイト製の誘導加熱円筒管４に挿入し、縦型高周波誘導加熱装置１の中央部に取り付けた。
【００１８】
そして、縦型高周波誘導加熱装置１の反応管２内を１０-3Ｐａまでに減圧した後、アルゴンガスを１０００ｓｃｃｍの流量で流しながら、１４００℃で１時間加熱した。
その後、縦型高周波誘導加熱装置１を室温に冷却した。加熱時に約９００℃になっていた誘導加熱円筒管４の出口に灰色の粉末が０．１ｇ堆積した。
【００１９】
図２は、実施例で合成した灰色粉末の粉末Ｘ線回折パターンを示す図である。図の縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）であり、横軸は角度（°）、すなわちＸ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度である。図２から明らかなように、実施例で合成された灰色粉末には、立方晶系の珪素と正方晶系のインジウムが共存していることが分かった。
【００２０】
図３は、（ａ）が実施例で合成した灰色粉末の透過型電子顕微鏡像を示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）が（ａ）の透過型電子顕微鏡像の各部におけるエネルギー分散型Ｘ線分析（EDX:Energy-Dispersive X-ray Analysis) による測定結果を示す図である。
図３（ａ）において、下部Ａに示す灰色部分のナノワイヤーの長さは数μｍであり、その上部Ｂに示す黒色のナノワイヤーの長さは数十μｍであり、両方とも直径は２００ｎｍであることが分かった。そして、灰色部分のナノワイヤーの先端とその上部にある黒色のナノワイヤーとは接合していることが分かる（図３（ａ）の矢印Ｄ参照）。さらに、一番上部Ｃに示すのは、中空ナノチューブである。
【００２１】
図３（ｂ）〜（ｄ）に示すＸ線分析結果は、それぞれ、図３（ａ）のＣ，Ｂ，Ａの中央部の丸印（○）の箇所に対応している。図の縦軸はＸ線強度（任意目盛り）を示し、横軸はＸ線のエネルギー（ｋｅＶ）を示している。
図３（ｂ）から明らかなように、一番上部Ｃに示す中空ナノチューブの組成分析の結果、酸素及び珪素が、それぞれ、６８．６原子％、３１．４原子％との原子成分比であることが分かった。これから、中空ナノチューブは二酸化珪素からなることが分かった。この二酸化珪素膜の厚さは８ｎｍであった。
【００２２】
図３（ｃ）は、図３（ａ）において黒色に写っている部分Ｂのエネルギー分散型Ｘ線分析の結果を示している。図３（ｃ）から明らかなように、黒色に写っている部分Ｂは、インジウムからなることが判明した。さらに、図における珪素及び酸素の信号は、インジウムナノワイヤーを被覆している二酸化珪素に由来している。
【００２３】
図３（ｄ）は、図３（ａ）において灰色に写っている部分Ａのエネルギー分散型Ｘ線分析の結果を示している。図３（ｄ）から明らかなように、灰色に写っている部分Ａは珪素からなることが判明した。さらに、図における酸素の信号は、珪素ナノワイヤーを被覆している二酸化珪素に由来している。
なお、図３（ｂ）〜（ｄ）において、銅と炭素の信号が観察されるが、これは試料を取り付ける治具として用いた炭素膜を被覆した銅グリッドに由来している。
【００２４】
以上の分析結果から、実施例で合成した灰色の堆積物は、インジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとからなる複合ナノワイヤーであり、これらの複合ワイヤーの先端同士が接合していて、さらに、複合ワイヤーの表面には、化学的に不活性な厚さ８ｎｍの二酸化珪素膜が被覆されていることが分かった。そして、インジウムナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍであり、その長さが数十μｍであり、珪素ナノワイヤーは、その直径が約２００ｎｍであり、その長さが数μｍの寸法を有していることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、化学的に不活性な二酸化珪素膜で被覆され、その先端同士が接合しているインジウムナノワイヤーと珪素ナノワイヤーとからなる複合ナノワイヤーを得ることができるので、例えば電子デバイスや光学デバイスへの応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の二酸化珪素膜で被覆された複合ナノワイヤーを製造する装置の一例を示す模式図である。
【図２】実施例で合成した灰色粉末の粉末Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図３】（ａ）は実施例で合成した灰色粉末の透過型電子顕微鏡像を示す図、（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）の透過型電子顕微鏡像の各部におけるエネルギー分散型Ｘ線分析（EDX:Energy-Dispersive X-ray Analysis) による測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：縦型高周波誘導加熱装置
２：反応管
３：誘導加熱コイル
４：誘導加熱円筒管
５：坩堝
６：インジウム粉末と一酸化ケイ素粉末とからなる混合物
７：不活性ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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