(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面に形成された、グラファイト薄膜において、
前記基体表面を覆うように形成された平面薄膜部と、
前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とから構成され、
前記垂直方向の膜厚が１μｍ程度であること
を特徴とするグラファイト薄膜。
【請求項２】
基体表面に形成された、グラファイト薄膜において、
前記基体表面を覆うように形成された平面薄膜部と、
前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とから構成され、
前記平面薄膜部及び前記起立薄膜部は、
炭素を含む化合物ガスあるいは前記化合物ガスと水素またはハロゲンガスとの混合ガスがプラズマ励起され、生成されたプラズマガスが、所望の温度に加熱せしめられ且つ減圧下におかれた基体の表面に導かれることによって形成されたこと
を特徴とするグラファイト薄膜。
【請求項３】
真空チャンバ内に被処理基体を設置し、当該被処理基体を所望の温度に加熱せしめる被処理基体加熱工程と、
前記真空チャンバ内を真空排気し、当該真空チャンバ内の圧力を減圧するチャンバ減圧工程と、
原料ガスとして、ＣＨ4とＨ2との混合ガスを、プラズマ励起してガスプラズマを生成するプラズマ生成工程と、
前記ガスプラズマを音速よりも大きい流速をもつように加速するプラズマ加速工程と、
所望の温度に加熱せしめられ且つ減圧下におかれた前記被処理基体の表面に前記ガスプラズマを導き、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなるグラファイト薄膜を形成する薄膜形成工程と、を有すること
を特徴とするグラファイト薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記被処理基体加熱工程で、前記被処理基体を８００℃程度まで加熱し、
前記チャンバ減圧工程で、前記真空チャンバ内の圧力を０．１Torr程度まで減圧すること
を特徴とする請求項３記載のグラファイト薄膜の製造方法。
【請求項５】
基体表面に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上層に形成されたイオン伝導体材料と、このイオン伝導体材料の上層に形成された第２の電極とから構成され、
前記第１の電極が、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなる膜厚１μｍ程度のグラファイト薄膜で構成されていること
を特徴とする二次電池。
【請求項６】
電解液を含浸させたセパレータを挟んで多数の内部電極を形成した電気二重層コンデンサにおいて、
前記内部電極が、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなる膜厚１μｍ程度のグラファイト薄膜で構成されていること
を特徴とするコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グラファイト薄膜、グラファイト薄膜の製造方法およびこれを用いた二次電池およびコンデンサに係り、特に、新規な結晶構造をもつグラファイト薄膜に関する。
【０００２】
【従来技術】
現在充放電可能な電池（二次電池）としては、鉛蓄電池が最もポピュラーであり、この他、特にリチウム電池、ニッケル電池、マンガン電池などがあげられる。電池は電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積する装置であり、正極・活物質／電解質／活物質・負極の組み合わせで構成される。そしてこの正極・負極には電子伝導性材料、電解質にはイオン伝導性材料、正極活物質には酸化剤、負極活物質には還元剤が用いられる。
【０００３】
しかしながらいずれも化学反応を利用するものであるが、蓄えようとするエネルギーに応じて相応の容積と重量は免れ得ず、電気自動車やソーラーカーへの利用を考えるときには小型化への要求が極めて高くなる。
【０００４】
例えば、従来、図１６に示すように、内底面に正極集電体１０２が取り付けられ、絶縁パッキン１０８が載置された正極缶１０１に正極１０３を圧着し、さらに微多孔性ポリプロピレンのセパレータ１０７を載置し、電解液を含浸させる一方、この上に、負極缶１０４の内面に負極集電体１０５を取り付けると共に負極１０６を圧着してなるものを、絶縁パッキン１０８を介してかしめ込むことにより形成されたコイン型リチウム電池が提案されている（特開平６ー３２５７５３号）。負極としてはグラファイトが用いられているが、黒鉛化度が高く表面積の高いものを用いる必要がある。
【０００５】
また、正極材料として、繊維状グラファイトを用いた例も提案されている（炭素ＴＡＮＳＯ１９９１（Ｎｏ．１５０）ｐ．３１９−３２７）。しかしながらグラファイトファイバーを負極板として成形しなければならず、依然として、電解液との接触面積が十分に大きいとはいえず、有効利用可能な部分が小さく、特に比表面積が小さいという問題があった。
【０００６】
一方、同じエネルギーを従来の積層型セラミックコンデンサに蓄えようとする試みもなされているが、十分なエネルギーを得ることができなかった。
【０００７】
蓄積エネルギーの増大をはかるには、イオン伝導性材料からなる電解質および電極物質の改良のほかに、電極物質とイオン伝導性材料との接触面積の増大も大きな要素となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、二次電池の蓄積エネルギーの増大への要求は高まっているにもかかわらず、十分な蓄積エネルギーを得ることのできるものではなかった。
【０００９】
そこで、電極材料としては、表面積が大きく伝導性の高い材料が求められていた。
【００１０】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、このような電池の電極物質等に用いられる表面積が極めて大きく、まったく新規な構造のグラファイト薄膜を提供することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、 エネルギー密度が飛躍的に高く、コンパクトな電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は、基体表面に形成された、グラファイト薄膜において、前記基体表面を覆うように形成された平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とから構成され、前記垂直方向の膜厚が１μｍ程度であることである。望ましくは、前記基体はモリブデンまたは単結晶シリコン基板であることを特徴とする。
本発明の第２の特徴は、基体表面に形成された、グラファイト薄膜において、前記基体表面を覆うように形成された平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とから構成され、前記平面薄膜部及び前記起立薄膜部は、炭素を含む化合物ガスあるいは前記化合物ガスと水素またはハロゲンガスとの混合ガスがプラズマ励起され、生成されたプラズマガスが、所望の温度に加熱せしめられ且つ減圧下におかれた基体の表面に導かれることによって形成されたことである。
【００１６】
本発明の第３の特徴は、真空チャンバ内に被処理基体を設置し、当該被処理基体を所望の温度に加熱せしめる被処理基体加熱工程と、前記真空チャンバ内を真空排気し、当該真空チャンバ内の圧力を減圧するチャンバ減圧工程と、原料ガスとして、ＣＨ4とＨ2との混合ガスを、プラズマ励起してガスプラズマを生成するプラズマ生成工程と、前記ガスプラズマを音速よりも大きい流速をもつように加速するプラズマ加速工程と、所望の温度に加熱せしめられ且つ減圧下におかれた前記被処理基体の表面に前記ガスプラズマを導き、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなるグラファイト薄膜を形成する薄膜形成工程と、を有することである。
さらなる特徴は、前記被処理基体加熱工程で、前記被処理基体を８００℃程度まで加熱し、前記チャンバ減圧工程で、前記真空チャンバ内の圧力を０．１Torr程度まで減圧することである。
【００１７】
本発明の第４の特徴は、基体表面に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上層に形成されたイオン伝導体材料と、このイオン伝導体材料の上層に形成された第２の電極とから構成され、前記第１の電極が、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなる膜厚１μｍ程度のグラファイト薄膜で構成されいるようにしたことを特徴とするリチウム二次電池にある。
【００１８】
本発明の第５の特徴は、電解液を含浸させたセパレータを挟んで多数の内部電極を形成した電気二重層コンデンサにおいて、前記内部電極が、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなる膜厚１μｍ程度のグラファイト薄膜で構成したことを特徴とする。ところで、インダクションプラズマ法やＤＣプラズマジェット法により、ガスをプラズマ化して、活性化し反応性を高めた状態で、このプラズマ化されたガスを被処理基体表面に向けて高速で噴射させることにより、薄膜形成、エッチングあるいは表面改質などの表面処理を行うという技術は既に公知であり、半導体薄膜の形成あるいはエッチング、あるいは酸化、窒化などの表面改質処理等に広く利用されている。
【００１９】
本発明者等は、プラズマジェット法を用いて、種々の実験を重ねいろいろな薄膜を形成した結果、表面積が非常に大きく、膜特性が極めて良好でまったく新規な構造のグラファイト薄膜を発見した。
【００２０】
本発明によれば、極めて安定で再現性良く得ることができ、表面積が非常に大きいものとなる。
【００２１】
本発明によれば、プラズマジェットを吹きつけることによって、被処理基体表面に、膜質が良好で信頼性の高いグラファイト薄膜を形成することができる。
【００２２】
本発明によれば、プラズマジェットを吹きつけることにより、被処理基体表面に、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなるグラファイト薄膜を形成することができる。
【００２３】
本発明によれば、第１の電極を、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなるグラファイト薄膜で構成しているため、この上層に形成されたイオン伝導体材料との接触面積を極めて大きくとることができ、高効率の二次電池を得ることが可能となる。
【００２４】
本発明によれば、内部電極を、平面薄膜部と、前記平面薄膜部に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなるグラファイト薄膜で構成しているため、電解液との接触面積を極めて大きくとることができ、大容量のコンデンサを得ることが可能となる。
【００２５】
なおここで原料ガスの供給は、キャリアガスとして、アルゴンなどの不活性ガスと共に行うようにしてもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２７】
本発明実施例のグラファイト薄膜は、図１に断面説明図を示すと共に、図２乃至図６に電子顕微鏡で撮影した結晶構造の写真を示すように、ｎ+型の単結晶シリコン基板１１の表面に形成された平面薄膜部１２と、この平面薄膜部１２に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部１３とからなるものであることを特徴とする。
【００２８】
ここで図２は、１０ｋ倍、図３は３０ｋ倍の平面拡大写真、図４は傾斜角４０度の方向からとった３０ｋ倍の拡大写真、図５は垂直方向からとった３０ｋ倍の拡大写真、図６は垂直方向からとった５０ｋ倍の拡大写真である。
【００２９】
図７はこのグラファイト薄膜のラマンスペクトルを示す図である。
【００３０】
次に、このグラファイト薄膜を形成する装置について説明する。
【００３１】
この装置は、プラズマジェット法を用いたもので、図８に示すように、誘導コイル１に高周波電源２から１３．５６ＭＨｚの高周波電流を印加し、石英製のラバールノズル３内を流れる原料ガスをプラズマ励起して、ガスプラズマを生成し、これを真空チャンバー４内に設置された ｎ+型の単結晶シリコン基板１１の表面に超音速で導くことにより、グラファイト薄膜を形成するようにしたものである。ここで被処理基体としての基板は基板支持台に設けられたヒータ６によって所望の温度に維持できるように構成されており、熱電対８によって温度を検出しながら温度コントローラ９によってヒータ用電源７のヒータへの供給電圧を制御している。
【００３２】
ラバールノズル（末広ノズルともいう）では、ノズル内を通過する原料ガスが断熱膨張せしめられてノズル出口３ｅから音速 aよりも大きい流速ｕで噴射されるように、後述する条件の下で、超音速ノズルであるラバールノズル３が構成されている。
【００３３】
ラバールノズル３は、中細のノズルであり、被処理基体である線材の表面に噴射すべき原料ガスを供給するガス導入口３ａ（２０ｍｍΦ）と、ガス進行に伴い断面積が徐々に小さくなるよう構成されたガス導入管３ｂと、ノズル全体で最小の断面積Ａ1（直径ｄ1：１０ｍｍΦ）をなすスロート部３ｃとこのスロート部から所定の広がり角をもって断面積が徐々に拡大せしめられ、最大断面積Ａ2 （直径ｄ2：２２ｍｍΦ ）のガス噴射口３ｅからプラズマ流Ｐが噴射されるガス噴射管３ｄとから構成されている。そして、スロート部３ｃの外側には、プラズマ生成手段として誘導コイル１（コイル径：１６ｍｍ、コイル巻き数：５）が巻回されており、該誘導コイル１に高周波電流が通電されるとスロート部３ｃ内に誘導電磁場が形成され、スロート部３ｃを通過するガスがプラズマ励起される。このようにして、最小の断面積Ａ1 をもつスロート部３ｃで、良好にプラズマ化される。そして、基板に向けて、ラバールノズル３の噴射口３ｅからプラズマ流Ｐが噴射されるように構成されている。
【００３４】
次にこの装置を用いたグラファイト薄膜の形成方法について説明する。
まず、被処理基体５として ｎ+型の単結晶シリコン基板１１を基板支持台に設置し、温度コントローラ９によって温度制御を行いながら、基板温度が８００℃を維持するように制御する。
【００３５】
そして真空チャンバー４内を真空ポンプ（図示せず）を用いて真空排気し、圧力を０．１Torr とし、原料ガスとして、ＣＨ4：50cc/min.とＨ2：500cc/min.の混合ガスをガス導入口３ａからラバールノズル３に供給する。
【００３６】
そして、スロート部３ｃにおいては、高周波電源２がオン状態に設定され、誘導コイル１に高周波電流（１ｋＷ、１３．５６ＭＨｚ）が流れると、管内に誘導電磁場が発生し、この場のエネルギーによって高密度のガスが、加熱励起され、プラズマ化される。
【００３７】
そして、プラズマ化された高密度ガスは、下流側のガス噴出管３ｄによるノズルの広がりのために膨張加速され、ガス噴射口３ｅから超音速のプラズマ流Ｐとなって噴射される。このプラズマ流Ｐを超音速で被処理基体５上に導き、１時間の成膜処理により、図１に断面構造を示すと共に、図２乃至図６にいろいろな角度および倍率で撮影した電子顕微鏡写真を示すように、平面薄膜部１２と、この平面薄膜部１２に対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部１３とからなるグラファイト薄膜Ｇが形成される。
【００３８】
ところで、気体力学の理論によれば、たとえば２原子気体の場合、導入された原料ガス６のよどみ圧Ｐ0と噴射口４ａの下流の圧力Ｐ1との比Ｐ1／Ｐ0が、約０．５２以下、スロート部３ｃの断面積Ａ1と噴射口３ｅの断面積Ａ2の比（末広比）Ａ2／Ａ1が１を越える場合に、ガスが断熱膨張されて、噴射流速が超音速、つまり音速ａよりも大きい流速ｕとなる。
【００３９】
また、スロート部３ｃの前後の広がり角は、あまり大きいと壁面で境界層の剥離が発生するので、適切な大きさ、たとえば１５°程度とする必要がある。
【００４０】
しかしながら、ラバールノズル１は、上述するように内部を通過する原料ガスが断熱膨張せしめられるように設計されているため、この断熱膨張過程において急冷され、被処理基体表面に達するまでには被処理基体の劣化を生じない程度の適切な温度になる。このときの温度は、上記末広比Ａ2／Ａ1（この例では０．４）によって決まるので、ノズル１の設計条件によって任意の温度を得ることができる。
【００４１】
さらに、プラズマ流は、超音速をもつため、被処理基体に到達するまでの時間が極めて短く、被処理基体に到達するまでに、加熱、プラズマ化によって励起された状態が元の状態に戻ってしまうことがない。このように、いわゆる励起状態を維持したまま温度を適温まで下げることができる。したがって、膜質を向上させることができる。また、短時間で噴射が終了するため、成膜速度が高まり、作業効率も向上することとなる。
【００４２】
以上説明した現象は、一次元流体力学の理論により次のように説明される。
【００４３】
すなわち、完全気体の断熱流れにおける流体温度と流速の関係は次式により表される。
【００４４】
Ｔ0＝Ｔ＋（１／２）・｛（γ―１）／（γ・Ｒ）｝・（ｕ）2  …（１）
あるいは、
Ｔ0／Ｔ＝１＋｛（γ―１）／２｝・（Ｍ）2  …（２）
ここに、
Ｔ0：流れの全温度（加熱部であるスロート部３の温度にほぼ等しい）
Ｔ：流れの静温度（いわゆる温度）
γ：ガスの比熱比
Ｒ：ガス定数
ｕ：流れの流速
Ｍ：マッハ数
である。
【００４５】
上記（２）式は、上記（１）式をマッハ数（ｕ／ａ、ａ：音速）を用いて書き換えたものである。また、マッハ数 Ｍは、末広比 Ａ2／Ａ1の関数として一義的に決定される。
【００４６】
上記（１)式より断熱膨張過程では、全温度Ｔ0の値が一定に保たれるため、流速ｕの増加ととともに、静温度Ｔの低下が起こることがわかる。つまり、流れの速度が大きいほど、急速な温度低下が起こる。
【００４７】
また、上記（２）式より、温度比 Ｔ0／Ｔの値は、マッハ数Ｍの２乗に比例して増加する。たとえば、２原子気体（γ＝１．４）の場合、マッハ数Ｍ＝５のとき、温度比 Ｔ0／Ｔ＝６となる。すなわち、高温に加熱された反応性プラズマをラバールノズル１を用いて高マッハ数まで断熱膨張加速させることにより、プラズマ温度Ｔを被処理基体である単結晶シリコン基板１１に適する温度まで下げることができるのがわかる。  また、このときプラズマ粒子は極めて高速に加速されるため（たとえば、Ｔ＝１５００（Ｋ）、γ＝１．４、Ｒ＝５００（Ｊ／ｋｇＫ）、Ｍ＝５の場合、ｕ＝５１２３（ｍ／ｓ）となる）、被処理基体に到達するまでの時間が非常に短く、プラズマは初期活性状態をほぼ維持したまま低温で被処理基体に到達することができる。
【００４８】
なお前記実施例では基板として単結晶シリコン基板を用いた例について説明したが、単結晶シリコンに限定されることなく、他の材料を用いるようにしてもよく、またＭｏ，Ｎｉ，Ｆｅなどの金属基板あるいは絶縁性基板上にも形成可能である。
【００４９】
図９乃至図１１にＭｏ基板上に前記実施例と同一条件でグラファイト薄膜を形成した場合の電子顕微鏡写真を示す。ここで図９は、３０ｋ倍の平面拡大写真、図１０は傾斜角４０度の方向からとった３０ｋ倍の拡大写真、図１１は傾斜角４０度の方向からとった５０ｋ倍の拡大写真である。これらの写真からわかるようにＭｏ基板上にも同様に平面薄膜部とこれに対して垂直方向に起立せしめられ、規則的に配列された多角形網面構造をもつ起立薄膜部とからなるグラファイト薄膜が形成されていることがわかる。
【００５０】
ここで条件は種々変更可能であるが、プラズマ励起に際して投入電力を８００〜１０００ｗ程度と大きくする必要ある。また、温度についても６００〜８００℃とするのが望ましい。さらに真空チャンバーの圧力は０．１以下とするのが望ましい。
【００５１】
また、実施例では、誘導コイルによってガスを、プラズマ励起しているが、プラズマ励起に際しては、ＥＣＲプラズマ、ヘリコンプラズマ等、他のプラズマ励起手段を使用してもよい。
【００５２】
このようにして得られたグラファイト薄膜を負極として用い、図１２に示すようなボタン型構造のリチウム二次電池を形成した場合、３０００ｍＡｈ／ｋｇ以上の容量と１００％放電深度で、１５００サイクル以上の寿命を達成することができた。これはスポンジのような微細なグラファイト構造を有する負極１４を用いたことによる電極面積の大幅な向上と、高い黒鉛化度のためであると考えられる。ここで負極に本発明のグラファイト薄膜を用いた他は図１６に示した従来例のリチウム二次電池と同様であり、微多孔性ポリプロピレンのセパレータ１０７に電解液を含浸させこれを正極１０３とで挟むように構成したものである。なお、図１６で示したリチウム二次電池の構成要素と同一の要素には同一符号を付し、説明は省略した。
【００５３】
また、本発明のグラファイト膜は金属箔上に直接形成することができ、結着剤が不溶となり、蓄電容量を向上することができる。また、製造が容易であり、また畜電容量の向上もグラファイト膜付き負極とセパレータ正極を単純に積層するだけで極めて容易に形成可能である。
【００５４】
ちなみに従来は、天然黒鉛と酸化第二銅と結着剤を混合して金属箔や金属メッシュ、三次元多孔体等に塗布して乾燥、熱処理後プレスして、さらに減圧乾燥して水分除去を行うことによって形成され、製造工程が極めて複雑であるという問題があった。また、結着材が９０：１より大きくなければ結着力が発揮されず黒鉛などの脱落が発生するため、結着材が必要不可欠であり、結着材の体積分黒鉛量が少なく、蓄積容量を十分に大きくすることができないという問題があった。これに対し、本発明のリチウム二次電池によれば、上述したような問題は解決され、小型で蓄積容量の大きい二次電池を得ることができる。また本発明はこのほか円筒型構造のリチウム二次電池にも適用可能である。
【００５５】
また図１３に示すように、このグラファイト薄膜を電気二重層コンデンサの内部電極２４として用いた場合にも大容量化を図ることが可能となる。ここで２５は微多孔性ポリプロピレン製セパレータであり、２６は電極である。
【００５６】
ここで、内部電極２４は直径２０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの銅板の表面に Ｈ2流量５００ｓｃｃｍ、 ＣＨ4流量５０ｓｃｃｍ、高周波出力１ｋｗ、加熱温度８００℃の条件にて片面１時間づつ厚さ１μｍの本発明のグラファイト薄膜を形成したものを用いた。また（Ｃ2Ｈ5）4ＰＢＦ4の０．５Ｍプロピレンカボネート溶液を電解液として微多孔性ポリプロピレン製セパレータを間に挟んだ電極板を１００層積層し、交互に負極、正極とする。
【００５７】
このようにして形成した電気二重層コンデンサに充電電圧を３Ｖにて充電を行い容量密度を計測したところ３０〜４０Ｗｈ／Ｌを得た。また、充放電サイクルを１０万回以上くり返し実施して容量密度の低下を測定したが５％以下の容量密度低下しかなく、極めて長寿命であった。
【００５８】
また、その他、本発明のグラファイト薄膜は、触媒担体として用いることにより広大な接触面積を提供することができる。図１４に示すように基体３１の表面および裏面に平面薄膜部３２と起立薄膜部３３とからなるグラファイト薄膜Ｇを形成することにより、極めて表面積の大きい触媒担体を構成することができる。例えばこの触媒担体に、Ｌｉ、Ｋ、ＨーＨｇ、ＫーＦｅＣｌ3、Ｂｒ2、Ｈ2ＳＯ4、Ｆｅをインターカレーションして、有機反応の触媒として使用した場合従来に比べて１０倍以上の速度で反応を進行することができた。
【００５９】
また、本発明のグラファイト薄膜は、水素吸蔵材料としても有効である。図１５に示すように、所望の粒径のグラファイトからなる粒子４１の表面に平面薄膜部４２と起立薄膜部３とからなるグラファイト薄膜Ｇを形成することにより、極めて表面積の大きい水素吸蔵材料を構成することができる。グラファイト薄膜は、カリウムにより層間化合物を形成することで、水素吸蔵、放出を繰り返すが、本発明のグラファイト薄膜を用いルことにより、水素吸蔵、放出速度が従来に比べ１０倍以上になった。またサイクル寿命を１００００サイクルに高めることができた。
【００６０】
さらにまた、図８で示した装置を用いたグラファイト薄膜の形成に際し基板をモリブデンおよびシリコンとした場合にそれぞれＣＨ４ガス流量と濃度とを変化させ、グラファイト膜を顕微鏡写真で判定した。その結果本発明の良好なグラファイト薄膜が形成されるのは次表のようにメタン濃度が所定量以上である時であり、またモリブデン基板を用いた場合の方がシリコン基板に比べて良好な高比表面積グラファイト薄膜を形成することができることがわかる。
【００６１】
0003874208.tif 000002
ここで高周波出力は１ｋｗ基板温度は８００℃とした。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、表面積が極めて大きく、黒鉛度の高いグラファイト薄膜を得ることができ、これはリチウム二次電池の電極材料など種々の素子材料として極めて有効である。また本発明の方法によれば極めて容易に再現性良くグラファイト薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のグラファイト薄膜を示す模式的断面図
【図２】同グラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図３】同グラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図４】同グラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図５】同グラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図６】同グラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図７】同グラファイト薄膜のラマンスペクトルを示す図
【図８】同グラファイト薄膜を形成するため成膜装置を示す図
【図９】本発明の他の実施例のグラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図１０】同グラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図１１】同グラファイト薄膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真
【図１２】本発明実施例のグラファイト薄膜を用いたリチウム二次電池を示す図
【図１３】本発明実施例のグラファイト薄膜を用いた電気多重層コンデンサを示す図
【図１４】本発明実施例のグラファイト薄膜を用いた触媒担体を示す図
【図１５】本発明実施例のグラファイト薄膜を用いた水素吸蔵材料を示す図
【図１６】通常のリチウム二次電池を示す図
【符号の説明】
１    誘導コイル
２    高周波電源
３   ラバールノズル
３ｂ  ガス導入管
３ａ  ガス導入口
３ｃ  スロート部（喉部）
３ｄ  ガス噴射管
３ｅ  ガス噴射口
４    真空チャンバー
５    被処理基体
６    ヒータ
７    ヒータ用電源
８    熱電対
９    温度コントローラ
P  プラズマ流
１１  単結晶シリコン基板
１２  平面薄膜部
１３  起立薄膜部
１４  負極
２４  内部電極
２５  セパレータ
２６  電極
３１  基体
３２  平面薄膜部
３３  起立薄膜部
４１  粒子
４２  平面薄膜部
４３  起立薄膜部
Ｇ    グラファイト薄膜
１０１  正極缶
１０２  正極集電体
１０３  正極
１０４  負極缶
１０５  負極集電体
１０６  負極
１０７  セパレータ
１０８  絶縁パッキン
【図１】
0003874208.tif 000003
【図２】
0003874208.tif 000004
【図３】
0003874208.tif 000005
【図４】
0003874208.tif 000006
【図５】
0003874208.tif 000007
【図６】
0003874208.tif 000008
【図７】
0003874208.tif 000009
【図８】
0003874208.tif 000010
【図９】
0003874208.tif 000011
【図１０】
0003874208.tif 000012
【図１１】
0003874208.tif 000013
【図１２】
0003874208.tif 000014
【図１３】
0003874208.tif 000015
【図１４】
0003874208.tif 000016
【図１５】
0003874208.tif 000017
【図１６】
0003874208.tif 000018