(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素原子を含有する複数のターゲットを真空チェンバー内に配置する第１工程と、
パルスビームを、複数の前記ターゲットそれぞれに照射する第２工程と、
前記パルスビームが照射された複数の前記ターゲットのそれぞれから放出されるプルームプラズマを相互に交差衝突させることにより微細構造物質を生成する第３工程とを有し、
前記プルームプラズマ内の単原子イオンが前記プルームプラズマの交差衝突部空間を通過する距離である衝突通過距離に対して、前記単原子イオン同士の衝突平均自由行程が数分の１以下となるような密度と温度を持つ前記プルームプラズマが、前記第２工程における前記パルスビームの照射により生成され、前記第３工程によりカーボンナノチューブが生成される
ことを特徴とするプラズマ衝突によるカーボンナノチューブ生成捕集方法。
【請求項２】
前記第３工程で生成された前記カーボンナノチューブの真空中飛行経路上に、複数の網目が形成されたメッシュ部材を設置する
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ衝突によるカーボンナノチューブ生成捕集方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ衝突により周期的微細構造を有する物質を生成捕集する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンを含有する２つのターゲットを真空チェンバー内に収容し、この２つのターゲットにそれぞれレーザービームを同時照射して、２つのプルームプラズマを生成し、さらに２つのプルームプラズマを互いに衝突させることにより、カーボンナノ物質を生成する技術が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】IFSA2009,  San  Francisco,  The  Sixth  International  Conference  on  Inertial  Fusion  Sciences  &  Applications, September 6-11, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記非特許文献１に記載の技術では、現在、有用性が実証されている周期的な微細構造を有する物質（例えば、カーボンナノチューブ）を製造することができなかった。
【０００５】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、周期的微細構造を有する物質を高純度で生成することができる技術を提供すること、或いは、前記周期的微細構造物質にバンドギャップ等の量子特性を変調し以て巨視的特性としての電気抵抗等を変化させる置換型成分原子（例えば、カーボンナノチューブ中の炭素をホウ素に置換する）をドーピングする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載のプラズマ衝突によるカーボンナノチューブ生成捕集方法は、炭素原子を含有する複数のターゲットを真空チェンバー内に配置する第１工程と、パルスビームを、複数のターゲットそれぞれに照射する第２工程と、パルスビームが照射された複数のターゲットのそれぞれから放出されるプルームプラズマを相互に交差衝突させることによりカーボンナノチューブを生成する第３工程とを有する。
【０００７】
そして、このカーボンナノチューブ生成捕集方法では、プルームプラズマ内のイオンがプルームプラズマの交差衝突部空間を通過する距離である衝突通過距離に対して、単原子イオン同士の衝突平均自由行程が数分の１以下となるような密度と温度を持つプルームプラズマが、第２工程におけるパルスビームの照射により生成される。これにより、有限な体積を持つプルームの交差衝突部空間においてもプラズマ粒子同士の衝突平均自由行程が十分短くなる。つまり、プルームプラズマ粒子が交差衝突部空間を通過する間に十分な頻度で衝突が起る。それによって、先ずクラスター分子イオンが生成し、引き続いてそのクラスターを最小単位とするような周期的微細構造を持つ新物質を生成することができる。このとき、クラスター分子イオンが生成することで衝突頻度が、飛躍的に増大するため雪崩的にカーボンナノチューブの生成が起こる（クラスター化は分子の大型化を意味する）。
【０００８】
また、請求項１に記載のプラズマ衝突によるカーボンナノチューブ生成捕集方法においては、請求項２に記載のように、第３工程で生成されたカーボンナノチューブの真空中飛行経路上に、複数の網目が形成されたメッシュ部材を設置するようにすることで下記原理により効率的に生成したカーボンナノチューブを捕集することができる。
【０００９】
このように構成されたプラズマ衝突によるカーボンナノチューブ生成捕集方法によれば、メッシュ部材の目開きより大きいカーボンナノチューブをメッシュ部材上に捕集することができる一方、メッシュ部材の目開きより小さいカーボンナノチューブについてはメッシュ部材を通過させることができる。すなわち、メッシュ部材の目開きより大きいカーボンナノチューブと目開きより小さいカーボンナノチューブとを簡便に選別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】周期的微細構造物質生成捕集装置１の構成を示す模式図である。
【図２】ターゲットへのレーザー照射様式とプルームプラズマの放出挙動を説明する図である。
【図３】周期的微細構造物質生成捕集装置１で生成されたカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡像である。
【図４】周期的微細構造物質生成捕集装置１で生成されたクラスター分子イオンの質量分析結果を示す図である。
【図５】メッシュ５３ｂとカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１は周期的微細構造物質生成捕集装置１の構成を示す模式図である。図２（ａ）はターゲットへのレーザー照射様式を説明する図、図２（ｂ）はプルームプラズマの放出挙動を説明する図である。
【００１２】
周期的微細構造物質生成捕集装置１は、図１に示すように、レーザー光を生成するレーザー生成部２と、レーザー分割部３と、線集光部４と、ターゲット収納部５とを備える。
レーザー生成部２は、ＹＡＧレーザー（例えばパワー１Ｊ、パルス幅６ｎｓ、発振周波数１０Ｈｚ）を発生させた後に、固体による吸収率を上げるために３倍高調波（波長：３５５ｎｍ）に変換し、外部に出射する。
【００１３】
またレーザー分割部３は、ビームスプリッタ３１と、固定鏡３２，３３とを備える。これらのうちビームスプリッタ３１は、レーザー生成部２から照射されたレーザー光を２方向に向けて所望の強度比（本実施形態では等強度）に分割する。そして固定鏡３２は、ビームスプリッタ３１で２分割された一方のレーザー光をターゲット収納部５に向けて反射し、固定鏡３３は、ビームスプリッタ３１で２分割された他方のレーザー光をターゲット収納部５に向けて反射する。
【００１４】
また線集光部４は、シリンドリカルレンズ４１，４２を備える。シリンドリカルレンズ４１は、固定鏡３２とターゲット収納部５との間に配置され、固定鏡３２で反射されたレーザー光（以下、レーザー光ＬＬ１という）を線集光し、ターゲット収納部５に向けて照射する。またシリンドリカルレンズ４２は、固定鏡３３とターゲット収納部５との間に配置され、固定鏡３３で反射されたレーザー光（以下、レーザー光ＬＬ２という）を線集光し、ターゲット収納部５に向けて照射する。
【００１５】
またターゲット収納部５は、微細構造物質の原料原子（本実施形態では炭素）を含有する固体ターゲット５１，５２と、ターゲット収納部５内で生成されたナノ物質を捕集する捕集基板５３（図１では不図示。図２（ｂ）を参照）と、固体ターゲット５１，５２および捕集基板５３を収納する真空チェンバー５４とを備える。
【００１６】
固体ターゲット５１，５２は、図２（ａ）に示すように、湾曲面５１ａ，５２ａを有するように形成されている。そして固体ターゲット５１は、シリンドリカルレンズ４１からのレーザー光が湾曲面５１ａ上に照射されるように配置され、固体ターゲット５２は、シリンドリカルレンズ４２からのレーザー光が湾曲面５２ａ上に照射されるように配置される。
【００１７】
さらに固体ターゲット５１，５２はそれぞれ、線集光されたレーザー光ＬＬ１，ＬＬ２の集光方向ＦＤ１，ＦＤ２が湾曲面５１ａ，湾曲面５２ａの円周方向に沿うように配置される。
【００１８】
また固体ターゲット５１，５２はそれぞれ、図２（ｂ）に示すように、固体ターゲット５１，５２へのレーザー光により生成されたプルームプラズマＰＰ１，ＰＰ２が自己集光点ＣＰ１，ＣＰ２で自己集光するように、湾曲面５１ａ，５２ａの形状が設定されている。そして固体ターゲット５１，５２は、自己集光点ＣＰ１と自己集光点ＣＰ２とが重なるように配置されている。以下、自己集光点ＣＰ１と自己集光点ＣＰ２とが重なる点を衝突点ＩＰという。
【００１９】
また捕集基板５３は、図２（ｂ）に示すように、平板５３ａ上にメッシュ５３ｂを配置した二重構造である。メッシュ５３ｂの目開きは例えば１６μｍである。そして捕集基板５３は、プルームプラズマＰＰ１，ＰＰ２が合流した後に直進する方向Ｄ１（後述）に設置される。
【００２０】
また真空チェンバー５４は、例えばターボ分子ポンプで全圧力が１０-4Ｐａ台になるまで排気される。
このように構成された周期的微細構造物質生成捕集装置１では、まず、レーザー生成部２から照射されたレーザー光が、ビームスプリッタ３１でレーザー光ＬＬ１とレーザー光ＬＬ２に分割される。そしてレーザー光ＬＬ１，ＬＬ２はそれぞれ、シリンドリカルレンズ４１，４２により集光方向ＦＤ１，ＦＤ２に線集光され、固体ターゲット５１，５２の湾曲面５１ａ，５２ａ上に照射される。これにより、ターゲット物質のアブレーションが誘起され、固体ターゲット５１，５２の湾曲面５１ａ，５２ａからプルームプラズマＰＰ１，ＰＰ２が放出される。（なおアブレーションとは、極端に高いエネルギー流束に材料が曝されたときに熱蒸発を通り越して一気にプラズマ生成が起こり、表面層原子が放出される現象を言う。）
そして、プルームプラズマＰＰ１の自己集光点ＣＰ１とプルームプラズマＰＰ２の自己集光点ＣＰ２が重なるように配置されているため、プルームプラズマＰＰ１とプルームプラズマＰＰ２は湾曲の半径が交差する点ＩＰを含む有限体積を持つ真空中の空間で相互に交差衝突する。
【００２１】
この衝突により、カーボンナノ物質が生成される。なお、この衝突は真空中で発生するため、生成されるカーボンナノ物質は高純度である。そして、生成されたカーボンナノ物質は、プルームプラズマＰＰ１の速度ベクトルとプルームプラズマＰＰ２の速度ベクトルとの合成ベクトルの方向Ｄ１に向かって直進し、捕集基板５３に飛来捕捉される。
【００２２】
捕集基板５３に捕捉されるカーボンナノ物質のうち、メッシュ５３ｂの目開きより大きいものはメッシュ５３ｂに捕捉され、メッシュ５３ｂの目開きより小さいものは平板５３ａに捕捉される。これにより、メッシュ５３ｂの目開きより大きいカーボンナノ物質と目開きより小さいカーボンナノ物質とを簡便に選別することができる。
【００２３】
そして、レーザー生成部２から照射されるレーザー光の強度が１０8Ｗ／ｃｍ2台である場合に、上記カーボンナノ物質として、所謂ベンゼンリングに相当するもので周期的微細構造の最小単位であるＣ6+核生成をきっかけにしてそれを最小単位とするような周期的微細構造を持つカーボンナノチューブが生成された。なお、このときに放出されるプルームプラズマＰＰ１，ＰＰ２の密度は１０10［１／ｃｃ］台、イオン温度は０．１［ｅＶ］台である。そして本実施形態では、プルームプラズマの相互貫通距離は約２ｃｍ、イオン同士の衝突平均自由行程は約１ｃｍであった。
【００２４】
図３（ａ）は、周期的微細構造物質生成捕集装置１で生成されたカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡像である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の拡大像である。これは、前記のレーザー強度で約２時間の連続運転で生成されたカーボンナノチューブで、総延長が数キロに及ぶ。
【００２５】
図４は、周期的微細構造物質生成捕集装置１で生成されたクラスター分子イオンの質量分析結果を示す図である。図４に示すように、Ｃ+，Ｃ2+，Ｃ3+，Ｃ4+，Ｃ5+，Ｃ6+の生成が確認された。特にＣ6+は、上記周期的微細構造を構成するための最小単位として、その生成が必須である。
【００２６】
すなわち、プルームプラズマＰＰ１，ＰＰ２内のイオンがプルームプラズマの交差衝突部空間（すなわち、衝突点ＩＰ周辺の空間）を通過する距離（すなわち、上記の相互貫通距離）に対して、上記単原子イオン同士の衝突平均自由行程が数分の１以下となるイオン温度のプルームプラズマが、短パルス高エネルギービームの照射により生成される。この条件下であれば、プルームプラズマ中のイオンが有限な体積を持つ交差部空間を通過する間に十分な頻度で衝突が起る。それによって、先ずクラスターイオンが生成し、引き続いてそのクラスターを最小単位とするような周期的微細構造を持つ新物質が生成する。また、クラスターイオンの形成によりイオン同士の衝突頻度が飛躍的に増大し以て周期的微細構造物質の形成が加速度的に進行する（クラスター化は分子の大型化を意味する）。
【００２７】
図５は、メッシュ５３ｂとカーボンナノチューブの透過型電子顕微鏡像である。図５に示すように、カーボンナノチューブＣＮＴをメッシュ５３ｂ上に捕捉することができる。
以上説明した実施形態において、固体ターゲット５１，５２を真空チェンバー５４内に設置する工程は本発明における第１工程、レーザー光ＬＬ１，ＬＬ２を固体ターゲット５１，５２に等強度で照射する工程は本発明における第２工程、プルームプラズマＰＰ１とプルームプラズマＰＰ２とを衝突させる工程は本発明における第３工程、カーボンナノチューブは本発明における周期的微細構造物質、メッシュ５３ｂは本発明におけるメッシュ部材である。
【００２８】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態では、２つの固体ターゲットにレーザー光を照射するものを示したが、これに限定されず、３つ以上の固体ターゲットを用いてもよい。ターゲットの数を増やすことで周期的微細構造物質の生成速度が飛躍的に増大するものと考えられる。
【００２９】
また上記実施形態では、固体ターゲットの原料原子が炭素であるものを示したが、これに限定されず、その他の原料原子であってもよい。例えば、ホウ素が挙げられる。３つ目のターゲットとしてホウ素を用いることでカーボンナノチューブの炭素原子をホウ素で置換するようなドーピングが可能である。また、このことで局所的にバンドギャップ等の量子特性や巨視的特性としての周期的微細構造物質の電気抵抗を変化させることも可能である。
【００３０】
また上記実施形態では、短パルス高エネルギービームとしてレーザー光を用いたものを示したが、これに限定されず、例えばアブレーションプルームプラズマが上記のような密度・イオン温度を持てば、電子ビームであってもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１…微細構造物質生成装置、２…レーザー生成部、３…レーザー分割部、４…線集光部、５…ターゲット収納部、３１…ビームスプリッタ、３２，３３…固定鏡、４１，４２…シリンドリカルレンズ、５１，５２…固体ターゲット、５３…捕集基板、５３ａ…平板、５３ｂ…メッシュ、５４…真空チェンバー、ＬＬ１，ＬＬ２…レーザー光、ＰＰ１，ＰＰ２…プルームプラズマ
【図２】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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