【手続補正書】
【提出日】平成15年7月2日(2003.7.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】炭素原子クラスターイオン生成装置及び炭素原子クラスターイオンの生成方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】炭素原子クラスターイオン生成装置において、
（ａ）電気的に絶縁された加熱装置と、
（ｂ）該加熱装置によって真空雰囲気で加熱されるカーボンナノチューブと、
（ｃ）引出電極とを備え、
（ｄ）前記カーボンナノチューブに所望の正の加速電圧を印加し、前記引出電極に負の電圧を印加し、炭素原子がクラスターの状態で電界蒸発して、該電界蒸発した炭素原子クラスターは、イオン化され、イオンビームとして真空中に放出されるように構成したことを特徴とする炭素原子クラスターイオン生成装置。
【請求項２】請求項１記載の炭素原子クラスターイオン生成装置において、前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブであることを特徴とする炭素原子クラスターイオン生成装置。
【請求項３】請求項１記載の炭素原子クラスターイオン生成装置において、前記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブであることを特徴とする炭素原子クラスターイオン生成装置。
【請求項４】炭素原子クラスターイオンの生成方法において、
イオン放出電極にカーボンナノチューブを用い、真空雰囲気での前記カーボンナノチューブの電界蒸発現象を利用し、サイズの揃った炭素クラスターイオンを生成することを特徴とする炭素原子クラスターイオンの生成方法。
【請求項５】請求項４記載の炭素原子クラスターイオンの生成方法において、前記カーボンナノチューブとして多層カーボンナノチューブを用いることを特徴とする炭素原子クラスターイオンの生成方法。
【請求項６】請求項４記載の炭素原子クラスターイオンの生成方法において、前記カーボンナノチューブとして単層カーボンナノチューブを用いることを特徴とする炭素原子クラスターイオンの生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子線源に係り、特に炭素原子クラスターイオン生成装置及び炭素原子クラスターイオンの生成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のクラスターイオン源は、クラスター材料を加熱して発生した蒸気を過冷却してクラスターを生成し、その後、電子線を照射してイオン化するように構成されていた（例えば、「電子・イオンビーム工学」、高木俊宜著  電気学会発行、「３．２．３  クラスターイオン源」参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のクラスターイオン源は、熱蒸発によるクラスター生成と、生成されたクラスターのイオン化の２つの過程を経てクラスターイオンが生成されるため、
（１）高融点・低蒸気圧である炭素のクラスターイオンは生成困難である。
【０００４】
（２）サイズの揃ったクラスターを効率良く生成することが困難である。
【０００５】
（３）イオン源本体はクラスター生成部およびイオン化部の二体構造となり、複雑かつ大型である。
【０００６】
（４）クラスター生成中はクラスター材料を加熱しておく必要があるため、消費電力が大きい。
【０００７】
などの問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を除去し、カーボンナノチューブの電界蒸発現象を利用して、クラスターイオンを直接生成することにより、サイズの揃った炭素クラスターイオンを効率よく生成させるとともに、小型で消費電力の小さい炭素クラスターイオン生成装置及び炭素原子クラスターイオンの生成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕炭素原子クラスターイオン生成装置において、電気的に絶縁された加熱装置と、この加熱装置によって真空雰囲気で加熱されるカーボンナノチューブと、引出電極とを備え、前記カーボンナノチューブに所望の正の加速電圧を印加し、前記引出電極に負の電圧を印加し、炭素原子がクラスターの状態で電界蒸発して、この電界蒸発した炭素原子クラスターは、イオン化され、イオンビームとして真空中に放出されるように構成したものである。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の炭素原子クラスターイオン生成装置において、前記カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブであることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載の炭素原子クラスターイオン生成装置において、前記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブであることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕炭素原子クラスターイオンの生成方法において、イオン放出電極にカーボンナノチューブを用い、真空雰囲気での前記カーボンナノチューブの電界蒸発現象を利用し、サイズの揃った炭素クラスターイオンを生成するようにしたものである。
【００１３】
〔５〕上記〔４〕記載の炭素原子クラスターイオンの生成方法において、前記カーボンナノチューブとして多層カーボンナノチューブを用いることを特徴とする。
【００１４】
〔６〕上記〔４〕記載の炭素原子クラスターイオンの生成方法において、前記カーボンナノチューブとして単層カーボンナノチューブを用いることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施例を示す炭素原子クラスターイオン源の構造図である。
【００１７】
図１において、１は電気的に絶縁された加熱装置、２は単層または多層カーボンナノチューブ、３は引出電極、４は加速電源、５は加熱電源、６は引出電源、７は真空チャンバー、Ｅ１は加速電源の電圧、Ｅ２は引出電源の電圧、Ｅ３は加熱電源の電圧である。
【００１８】
図１において、炭素原子クラスターイオン源を真空チャンバー７にセットし、真空チャンバー７を真空排気後に、加熱装置１に通電し、カーボンナノチューブ２を加熱してカーボンナノチューブ表面の不純物を除去する。次に、カーボンナノチューブ２に所望の加速電源４の加速電圧＋Ｅ１を印加し、引出電極３に引出電源６の電圧−Ｅ２を印加すると、カーボンナノチューブ２と引出電極３の間の電位差はＥ１＋Ｅ２となる。  カーボンナノチューブ２の形状因子をβとすると、カーボンナノチューブ２の先端近傍の電界Ｆは
Ｆ＝β（Ｅ１＋Ｅ２）
となる。Ｅ２を増加し、Ｆが炭素原子クラスターの蒸発電界に達すると、カーボンナノチューブ２を構成する炭素原子がクラスターの状態で電界蒸発する。電界蒸発した炭素原子クラスターは、既にイオン化しており、イオンビームとして真空中に放出される。
【００１９】
図２は本発明の実施例を示す多層カーボンナノチューブから生成された炭素原子クラスターイオンの質量スペクトルを示す図であり、試料：ＭＷＮＴ（多層ナノチューブ）、電界強度１７Ｖ／ｎｍ、圧力３×１０−７Ｔｏｒｒ、横軸に質量数（ａ．ｍ．ｕ）、縦軸にイオン強度が示されている。
【００２０】
図２から明らかなように、炭素クラスターイオン（Ｃ５  、Ｃ２０、Ｃ２６）が生成されているのが分かる。酸素（Ｏ）および酸素と炭素の化合物（ＣＯ，ＣＯ２  ）などの炭素以外の不純物イオンは僅かである。
【００２１】
すなわち、詳細に述べると、真空中で約８００℃、５秒間フラッシングしたＭＷＮＴ（多層ナノチューブ）から得られた質量スペクトルである。低質量数域では、Ｃ５  に対応する質量数６０に微小なピークが見られる他は、カーボンからの電界蒸発で従来報告されているＣ３  ，Ｃ７  及び多価イオンクラスターのピークは認められなかった。
【００２２】
一方、高質量数域ではＣ２０に対応する質量数２４０に明瞭なピークが観測された。Ｃ２０の蒸発開始電界は、約１０Ｖ／ｎｍであった。ＳＷＮＴ（図３参照）においても、同様の結果が得られた。現在のところＣ２０の分子構造は不明であるが、もし中空籠型構造を持つならば、五員環のみで構成された正１２面体、すなわち最小のフラーレンが生成されたことになる。
【００２３】
図３は本発明の実施例を示す単層カーボンナノチューブから生成された炭素原子クラスターイオンの質量スペクトルを示す図であり、試料：ＳＷＮＴ（単層ナノチューブ）、電界強度１８．５Ｖ／ｎｍ、圧力３×１０−６Ｔｏｒｒ、横軸に質量数（ａ．ｍ．ｕ）、縦軸にイオン強度が示されている。
【００２４】
図３から明らかなように、前述の図２で示した多層カーボンナノチューブに対する質量スペクトルと同様に、炭素原子クラスターＣ２０が優勢的に生成されるのが分かる。また、炭素以外の不純物イオンは、図２と同様に僅かである。
【００２５】
図中に、Ｃ２０のピークを高分解能測定したスペクトルも併せて示している。高分解能測定すると、Ｃ２０のピークは質量数２４０と２４１の２つのピークに分離できるが、分離したピークの強度比は炭素の同位体存在比を考慮した二項分布で説明できることから、Ｃ２０が間違いなく炭素原子２０個で構成されていることを示している。
【００２６】
図４は本発明で優勢的に生成される炭素原子クラスターＣ２０の予想される種々の構造モデルである。ここでは、図４（ａ）にリニアチェーン、図４（ｂ）にリング、図４（ｃ）にコランニュレン（Ｃｏｒａｎｎｕ１ｅｎｅ）、図４（ｄ）に１２個の五員環で構成された正１２面体構造（Ｄｏｄｅｃａｈｅｄｒｏｎ）をそれぞれ示している。
【００２７】
上記したように、本発明によれば、イオン放出電極に多層または単層カーボンナノチューブを用いて、この電界蒸発現象を利用することにより、サイズの揃った炭素クラスターイオンを効率よく生成できるとともに、小型で消費電力の小さい炭素クラスターイオン源が実現できる。
【００２８】
このような炭素原子クラスターイオン源は、サイズの揃った炭素クラスターの生成に利用される。特に応用が期待されるのは、以下の分野である。
【００２９】
（１）新規材料分野
現在のＣ６０などのフラーレンのように、その物性を活かした応用を期待することができる。具体的には、二次電池電極材料、水素ガス貯蔵材料、燃料電池、スーパーキャパシタなどである。
【００３０】
（２）イオンビームによる超微細加工、薄膜作製、表面改質の分野
本発明の炭素原子クラスターイオン源は、集束イオンビーム技術（ＦＩＢ：サブミクロンのビーム径まで集束させたイオンビームを用いて、局所的な“イオン打ち込み”や“超微細加工”を行なう技術）に応用可能なイオン源である。ＦＩＢにより炭素クラスタービームを集束させて、半導体や金属試料の超微細加工を行なえる他、局所的に炭化物あるいはダイアモンドを形成させる等の表面改質を期待することができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００３３】
電気的に絶縁された加熱装置と、それに取り付けられた単層または多層カーボンナノチューブと、引出電極を有しており、カーボンナノチューブからの電界蒸発現象を利用して、高融点・低蒸気圧である炭素のサイズの揃ったクラスターイオンが生成できる。
【００３４】
電界蒸発によって生じたクラスターは、既にイオン化しているため、新たにイオン化部を設ける必要がなく、簡易な二極管構造で構成できるため、小型化を図ることができる。
【００３５】
さらに、電界蒸発現象は室温またはそれ以下の低温でも生じるため、炭素原子クラスターイオン生成中はナノチューブの加熱を継続する必要がなく、消費電力を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す炭素原子クラスターイオン源の構造図である。
【図２】本発明の実施例を示す多層カーボンナノチューブから生成された炭素原子クラスターイオンの質量スペクトルを示す図である。
【図３】本発明の実施例を示す単層カーボンナノチューブから生成された炭素原子クラスターイオンの質量スペクトルを示す図である。
【図４】本発明で優勢的に生成される炭素原子クラスターＣ２０の予想される種々の構造モデル図である。
【符号の説明】
１    電気的に絶縁された加熱装置
２    単層または多層カーボンナノチューブ
３    引出電極
４    加速電源
５    加熱電源
６    引出電源
７    真空チャンバー
Ｅ１    加速電源の加速電圧
Ｅ２    引出電源の引出電圧
Ｅ３    加熱電源の電圧