(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導対象物を含むプラズマ流を発生するプラズマ流発生室と、該プラズマ流発生室の下流側に設置されてプラズマ流にフラーレンを導入するフラーレン導入部と、該フラーレン導入部の下流側のプラズマ流を囲むように配置された回収用円筒を持つ誘導フラーレン蓄積室とを有することを特徴とする誘導フラーレン製造装置。
【請求項２】
プラズマ流発生室で発生したプラズマ流から高温プラズマ流を形成する高温プラズマ流形成室を有することを特徴とする請求項１記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項３】
前記高温プラズマ流形成室で電子エネルギー10〜50eVの高温プラズマ流が形成されることを特徴とする請求項２記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項４】
前記プラズマ流発生室又は前記高温プラズマ流形成室で、誘導対象物の正イオンと電子を含むプラズマ流が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項５】
前記フラーレン導入部の上流側に電子エネルギー制御手段が設けられ、フラーレン導入部から導入したフラーレンにエネルギー制御された電子が付着することにより、負のフラーレンイオンが形成されることを特徴とする請求項４記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項６】
前記電子エネルギー制御手段は、電子のエネルギーを0.5〜15eVに制御することを特徴とする請求項５記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項７】
前記誘導対象物は窒素ガス、又はホウ素化合物のガスであり、ガス分子置換フラーレン、ガス原子置換ヘテロフラーレン、ガス分子内包フラーレン、ガス原子内包フラーレンが製造されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項８】
前記誘導対象物は水素ガスであり、水素化フラーレン、水素分子内包フラーレン、水素原子内包フラーレンが製造されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項９】
前記プラズマ流発生室又は前記高温プラズマ流形成室で、誘導対象物の負イオンを含むプラズマ流が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１０】
フラーレン導入部から導入したフラーレンに高温プラズマ流中の電子が衝突することにより、電子を放出して正のフラーレンイオンが生成されることを特徴とする請求項９記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１１】
前記誘導対象物はハロゲンであり、ハロゲン化フラーレン、ハロゲン分子内包フラーレン、ハロゲン原子内包フラーレンが製造されることを特徴とする請求項９又は１０記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１２】
前記誘導フラーレン蓄積室は、プラズマ流の末端に配置された電位体と、前記フラーレン導入部と該電位体の間に配置されてプラズマ流に接触する前記回収用円筒とを有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１３】
前記フラーレン導入部又は前記誘導フラーレン蓄積室は磁界発生手段を有し、磁界を発生していないときのプラズマ流の半径をR、磁界を発生しているときのプラズマ流中のフラーレンのラーモア半径をRLとして、前記回収用円筒の半径はRとR+2RLの間にあることを特徴とする請求項１２記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１４】
前記回収用円筒は接地されていることを特徴とする請求項１２又は１３記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１５】
前記回収用円筒は前記電位体近辺にも配置されていることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１６】
プラズマ流中の誘導対象物のイオンと同極性の電圧を前記電位体に供給することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１７】
プラズマ流中の誘導対象物のイオンと逆極性の電圧を前記電位体に供給することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１８】
前記電位体に正電圧、負電圧からなるパルス状の電圧を供給することを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項１９】
誘導対象物を含むプラズマ流を発生するプラズマ流発生室と、該プラズマ流から高温プラズマ流を形成する高温プラズマ流形成室と、該高温プラズマ流形成室にフラーレンを導入するフラーレン導入部と、該高温プラズマ流形成室の下流側のプラズマ流を囲むように配置された回収用円筒を持つ誘導フラーレン蓄積室とを有することを特徴とする誘導フラーレン製造装置。
【請求項２０】
前記誘導フラーレン蓄積室は、プラズマ流の末端に配置された電位体と、前記フラーレン導入部と該電位体の間に配置されてプラズマ流に接触する前記回収用円筒とを有することを特徴とする請求項１９記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項２１】
前記誘導フラーレン蓄積室は磁界発生手段を有し、磁界を発生していないときのプラズマ流の半径をR、磁界を発生しているときのプラズマ流中のフラーレンのラーモア半径をRLとして、前記回収用円筒の半径はRとR+2RLの間にあることを特徴とする請求項２０記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項２２】
前記回収用円筒は前記電位体近辺にも配置されていることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項２３】
プラズマ流中の誘導対象物のイオンと同極性の電圧を前記電位体に供給することを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項２４】
プラズマ流中の誘導対象物のイオンと逆極性の電圧を前記電位体に供給することを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項２５】
前記電位体に正電圧、負電圧からなるパルス状の電圧を供給することを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれか１項記載の誘導フラーレン製造装置。
【請求項２６】
誘導対象物からプラズマ流を発生する工程と、該プラズマ流にフラーレンを導入することにより誘導フラーレンを生成して、プラズマ流を囲むように配置された回収用円筒に該誘導フラーレンを蓄積する工程とを有することを特徴とする誘導フラーレン製造方法。
【請求項２７】
発生させたプラズマ流から高温プラズマ流を形成する工程を有し、該高温プラズマ流にフラーレンを導入することを特徴とする請求項２６記載の誘導フラーレン製造方法。
【請求項２８】
前記誘導対象物は窒素ガス、又はホウ素化合物のガスであり、ガス分子置換ヘテロフラーレン、ガス原子置換ヘテロフラーレン、ガス分子内包フラーレン、ガス原子内包フラーレンを製造することを特徴とする請求項２６又は２７記載の誘導フラーレン製造方法。
【請求項２９】
前記誘導対象物は水素ガスであり、水素化フラーレン、水素分子内包フラーレン、水素原子内包フラーレンを製造することを特徴とする請求項２６又は２７記載の誘導フラーレン製造方法。
【請求項３０】
前記プラズマ流中に導入されたフラーレンにエネルギーを制御した電子を衝突させることにより、負のフラーレンイオンを生成することを特徴とする請求項２８又は２９記載の誘導フラーレン製造方法。
【請求項３１】
前記プラズマ流中の電子エネルギーを0.5〜15eVに制御することを特徴とする請求項３０記載の誘導フラーレン製造方法。
【請求項３２】
前記誘導対象物はハロゲンであり、ハロゲン化フラーレン、ハロゲン分子内包フラーレン、ハロゲン原子内包フラーレンを製造することを特徴とする請求項２６又は２７記載の誘導フラーレン製造方法。
【請求項３３】
前記高温プラズマ流中に導入されたフラーレンに、高温プラズマ流中の電子が衝突することにより、電子を放出して正のフラーレンイオンが生成されることを特徴とする請求項３２記載の誘導フラーレン製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導材料、非線型光学材料、量子コンピュータなどへの応用が期待されるヘテロフラーレン、内包フラーレンなどの誘導フラーレンの製造装置及び製造方法並びに誘導フラーレンに関する。特にプラズマ流に接触する堆積基板を設けることにより、高収率に製造しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導フラーレンの一つである内包フラーレンの製造方法として、プラズマ法を用いる方法がある。すなわち、内包対象ガス原子を含む高温プラズマ流を形成し、そこにフラーレン蒸気を噴射することにより内包フラーレンを生成する。そしてプラズマ流の下流に配置した堆積基板に内包フラーレンを堆積させる方法である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このように高温プラズマ流を発生させ、その中で互いに逆極性にイオン化されたガス原子とフラーレンを反応させるようにしている。しかし堆積基板から回収される内包フラーレンの収率は、極めて低いという問題がある。【０００４】
本発明の目的は、高収率に誘導フラーレンを製造する装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の誘導フラーレン製造装置は、誘導対象物を含むプラズマ流を発生するプラズマ流発生室と、該プラズマ流発生室の下流側に設置されてプラズマ流にフラーレンを導入するフラーレン導入部と、該フラーレン導入部の下流側のプラズマ流を囲むように配置された回収用円筒を持つ誘導フラーレン蓄積室とを有することを特徴とする。【０００６】
請求項１９記載の誘導フラーレン製造装置は、誘導対象物を含むプラズマ流を発生するプラズマ流発生室と、該プラズマ流から高温プラズマ流を形成する高温プラズマ流形成室と、該高温プラズマ流形成室にフラーレンを導入するフラーレン導入部と、該高温プラズマ流形成室の下流側のプラズマ流を囲むように配置された回収用円筒を持つ誘導フラーレン蓄積室とを有することを特徴とする。【０００７】
請求項２６記載の誘導フラーレン製造方法は、誘導対象物からプラズマ流を発生する工程と、該プラズマ流にフラーレンを導入することにより誘導フラーレンを生成して、プラズマ流を囲むように配置された回収用円筒に該誘導フラーレンを蓄積する工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１、１９、２６によれば、誘導対象物のプラズマ流中にフラーレンを導入している。プラズマ流中で、誘導対象物とフラーレンは互いに逆極性のイオンになって相互作用する。またフラーレン導入部の下流側に、プラズマ流に接触するように回収用円筒を配置する。相互作用により、フラーレンの炭素原子の一部が誘導対象物に置換したヘテロフラーレン、誘導対象物が炭素ゲージ内に入り込んだ内包フラーレンなどが生成される。これらの誘導フラーレンは、上記円筒に堆積させることにより、高収率に回収される。【０００９】
請求項２、３、２７によれば、高温プラズマ流を形成して、そこにフラーレンを導入している。高温プラズマ流中では誘導対象物が解離して原子イオンとなり、それがフラーレンと相互作用する。従って誘導対象原子置換ヘテロフラーレン、誘導対象原子内包フラーレンなどの誘導フラーレンが生成される。【００１０】
請求項５、６によれば、フラーレン導入部の上流側に電子エネルギー制御手段を設けてプラズマ流中の電子エネルギーを制御している。電子エネルギーを0.5〜15eVに制御することにより、フラーレン導入部から導入したフラーレンに電子が付着して、負のフラーレンイオンが生成される。また請求項５、６では、プラズマ流中の誘導対象物は正イオンになっている。すなわち、誘導対象物とフラーレンは互いに逆極性のイオンになっているので、電気的な引力で引き寄せられて衝突し、誘導フラーレンを生成しやすくなる。【００１１】
請求項１６、２３によれば、プラズマ流の末端に設けられた電位体に、誘導対象物のイオンと同極性の電圧を供給する。そのことにより、プラズマ流中の誘導対象物のイオンとフラーレンの相対速度を小さくしている。従って２種類のイオンの間にクーロン力が働いて電気的な引力で衝突しやすくなり、誘導フラーレン生成の収率を向上させることができる。【００１２】
請求項１７、２４によれば、プラズマ流の末端に設けられた電位体に、誘導対象物のイオンと逆極性の電圧を供給する。逆極性の電圧を供給して誘導対象物のイオンの移動速度を加速することにより、高エネルギーでフラーレンイオンに衝突させることができる。従って内包化されたフラーレンの生成を促進させることができる。【００１３】
請求項１８、２５によれば、プラズマ流の末端に設けられた電位体に、誘導対象物のイオンと同極性、逆極性のパルス状の電圧を供給している。同極性の電圧を供給したとき、逆極性のイオンになっているフラーレンが電位体に吸着する。この状態で電位体に供給している電圧を逆極性に切り換えたとき、誘導対象物が電位体に引き寄せられる。そして電位体に吸着しているフラーレンと相互作用することにより、誘導フラーレンが生成される。【００１４】
請求項１３，２１によれば、誘導フラーレン蓄積部に入ってきたプラズマ流は、該プラズマ流に接触している回収用円筒に、順次堆積する。すなわち蓄積部内のプラズマ流は低密度状態に保たれるので、一度生成された誘導フラーレンがプラズマ流中で相互作用を繰り返す確率が少なくなる。従って高収率に誘導フラーレンが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一実施例による誘導フラーレン製造装置の断面図である。
【図２】図１の回収用円筒に堆積したものを質量分析したグラフである。
【図３】本発明の第三実施例による誘導フラーレン製造装置の断面図である。
【図４】本発明による誘導フラーレン製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００１６】
１０１：マイクロ波発振器
１０２：ガス導入口
１０３：電磁石
１０４：磁力線
１０５：グリッド
１０６、１１１：電圧源
１０７：フラーレン昇華用オーブン
１０８：昇華用円筒
１０９：電磁石
１１０：電位体
１１２：回収用円筒
３０１：フラーレン導入口
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、詳細に本発明について説明する。
（誘導フラーレン製造方法）
図４に本発明によるガス原子誘導フラーレン製造方法のフローチャートを示す。【００１８】
まずステップS401でプラズマ流を生成する。例えば高周波コイル中を、ガスを通過させる。このとき、ガスは電離してイオン化され、プラズマ流が生成される。このガスには誘導対象となる分子、原子が含まれている。【００１９】
ステップS402でプラズマ流を高温化する。例えばプラズマ流の入力側、出力側に磁力線を発生させることによりプラズマ流を束縛する。更に束縛されている部分に、磁力線で束縛されている電子の回転運動に共鳴するマイクロ波を入力して、電子サイクロトロン共鳴加熱により高温化する。またプラズマ流の高温化により、誘導対象物は解離して単原子イオンになる。
ステップ４０３で単原子イオン化されたプラズマ流にフラーレンを導入する。導入されたフラーレンは、プラズマ流中の電子によりイオン化される。誘導対象物の原子イオンとフラーレンイオンが互いに逆極性のイオンになっているので、クーロン力により引き寄せられて衝突し、誘導フラーレンを生成する。そしてプラズマ流を囲むように配置されている円筒に、順次堆積する。【００２０】
ステップS401で誘導対象物の分子又は原子イオンが、誘導フラーレンを生成するのに十分な量で得られる場合は、ステップS402は省略してもよい。
（誘導フラーレン製造装置１）
図１に本発明の第一実施例による誘導フラーレン製造装置の断面図を示す。この製造装置は、プラズマ流発生室と、高温プラズマ流形成室と、フラーレン導入部と、誘導フラーレン蓄積室とにより構成される。プラズマ流発生室と高温プラズマ流形成室で、窒素ガスを含む高温プラズマ流を生成する。フラーレン導入部からは、単原子イオン化されたプラズマ流中にフラーレンを導入する。そのことにより炭素原子の一部が窒素原子、窒素分子に置換したヘテロフラーレン、炭素ケージ内部に窒素原子、窒素分子が入り込んだ内包フラーレンなどを製造するものである。【００２１】
プラズマ流発生室では、マイクロ波発振器１０１から、例えば2.45GHzのマイクロ波を入力する。またガス導入口１０２から窒素ガスを導入する。導入された窒素分子は、マイクロ波によりイオン化される。そして主に窒素分子イオンN2+と電子e−からなるプラズマ流を発生する。【００２２】
高温プラズマ流形成室では、プラズマ流の入力側と出力側に一対ずつ電磁石１０３を配置する。電磁石１０３に直流電流を供給して、磁力線１０４を発生させる。プラズマ流発生室から供給されたプラズマ流中のイオンと電子は、磁力線１０４に沿って移動する。また、電子の回転運動に共鳴する例えば2.45GHzのマイクロ波を発振器１０１から入射することにより、イオン、電子のエネルギーは高められて、高温プラズマ流が形成される。10〜50eVのプラズマ流を形成することにより、イオン化されなかった窒素分子N2が解離して単原子Nになると共に、窒素原子イオンN+になる。すなわち、高温プラズマ流形成室で、窒素分子イオンN2+、窒素原子イオンN+、電子e−からなるプラズマ流が形成される。【００２３】
フラーレン導入部では、単原子イオン化されたプラズマ流中にフラーレンを導入する。例えばフラーレン昇華用オーブン１０７からフラーレンを昇華させることにより、導入する。またフラーレン昇華用オーブン１０７の上流側に、グリッド１０５を設け、このグリッド１０５に電圧源１０６から負の電圧を供給する。そのことにより、プラズマ流中の電子のエネルギーは低下する。例えば電子のエネルギーを0.5〜15eVに低下させることにより、フラーレン昇華用オーブン１０７で昇華したフラーレンに電子が付着して、負のフラーレンイオンC60−が生成される。またフラーレン昇華用オーブン１０７近傍には、昇華用円筒１０８を設けている。昇華用円筒１０８は、フラーレンが再昇華可能な温度に加熱しておくことが好ましい。プラズマ流中でイオン化されないで再昇華円筒１０８に付着したフラーレンは、再昇華される。【００２４】
誘導フラーレン蓄積室は、回収用円筒１１２、電位体１１０により構成される。回収用円筒１１２は、フラーレン昇華用オーブン１０７と電位体１１０との間で、プラズマ流に接触するように配置される。電位体１１０に電圧源１１１から正の電圧を供給して単原子窒素イオンN+の移動速度を小さくすることにより、フラーレンイオンC60−との相対速度を小さくする。このとき、両イオンの間のクーロン相互作用が大きくなり、互いに引き寄せ合う。【００２５】
フラーレン導入部又は誘導フラーレン蓄積室の外周に、電磁石１０９を配置してもよい。このとき、磁力線が一様に電位体１１０の方向に向いた磁界が発生し、プラズマ流はこの磁界に沿って移動する。【００２６】
回収用円筒１１２の半径は、RとR+2RLの範囲に設計することが好ましい。ここで、Rは高温プラズマ流から形成室から出力されるプラズマ流の半径、すなわち、電磁石１０９が動作していないときのプラズマ流の半径である。RLは、電磁石１０９が動作しているときに、プラズマ流に沿って移動しているフラーレンのラーモア半径である。すなわち、電磁石１０９が動作しているときのプラズマ流の半径は、R+RLとなる。【００２７】
電磁石１０９の代わりに、永久磁石を用いてもよい。【００２８】
回収用円筒１１２の半径をR+2RLとしたとき、フラーレンイオンC60−が回収用円筒１１２に接触する。回収用円筒１１２を接地しているとき、フラーレンイオンC60−は電子を放出して、電気的に中性のフラーレンC60となって堆積する。そこに窒素原子イオンN+、電気的に中性になった窒素原子N等が接触する。そして、一個以上の炭素原子が窒素原子に置換したヘテロフラーレンC60-XNXが生成される。【００２９】
またプラズマ流に沿って移動しているフラーレンイオンC60−と窒素原子イオンN+がクーロン力により互いに引き寄せあって衝突し、ヘテロフラーレンC60-xNxを生成する。それも回収用円筒１１２に堆積する。回収用円筒１１２の近くを移動しているフラーレンイオンC60−に衝突する窒素原子イオンN+のエネルギーを高めるために、回収用円筒１１２に負の電圧、例えば-10〜-50Vを供給するようにしてもよい。【００３０】
ラーモア半径RLは、磁界強度Bに反比例する。例えばB=0.3T、プラズマ温度800℃の条件では、フラーレンのラーモア半径はRL≒4mmと見積もることができる。【００３１】
図2に、回収用円筒１１２に堆積したものを質量分析したグラフを示す。これは回収用円筒１１２に堆積したものをトルエン又は二硫化炭素に溶解したときに、沈殿したものを質量分析した結果である。横軸は一分子に含まれる質量数、縦軸は検出強度である。【００３２】
炭素原子の一つが窒素原子に置換されたヘテロフラーレンC59Nに対応する質量数は722であるが、その近傍の721.97に最大のピークがある。また721.00にピークがあるが、フラーレンC60を構成している炭素原子の一つが質量数13の同位体に置き換わったものと考えられる。【００３３】
自然界に存在する、質量数12と13の炭素同位体の原子数の比率は0.9893：0.0107である。質量数14の炭素原子もわずかに存在するが、その比率は無視できる。質量数12と13の炭素同位体の原子数の比率から、質量数の異なるフラーレンC60同位体の分子数の比率を計算すると、表１になる。ただし質量数720の分子数を1.0としたときの比率である。【００３４】
【表１】
0005065681.tif 000002
窒素原子にも質量数13と14の同位体が存在するが、その原子数の比率は1.0e-5：0.99999であり、質量数13の方は無視できる。質量数12と13の炭素同位体の原子数の比率から、質量数の異なるヘテロフラーレンC59N、C58N2同位体の分子数の比率を計算すると、それぞれ表２、表３になる。但し各表において、質量数722のC59N、質量数724のC58N2の分子数を1.0としたときの比率である。【００３５】
【表２】
0005065681.tif 000003
【００３６】
【表３】
0005065681.tif 000004
表４に、図２の質量分析のグラフに、補正を施した結果を示す。【００３７】
【表４】
0005065681.tif 000005
例えばC59N、C58N2の測定強度は式１、式２のように補正した。
（式１）C59Nの測定強度の補正【００３８】
C59Nの測定強度 − C60の測定強度 × C60の質量数722での分子数比率
= 100.00 − 53.92 × 0.207
= 88.84
（式２）C58N2の測定強度の補正【００３９】
C58N2の測定強度 − C60の測定強度 × C60の質量数724での分子数比率
− C59Nの補正後の強度 × C59Nの質量数724での分子数比率
= 66.45 − 53.92 × 0.007 − 88.84 × 0.2001
= 48.31
すなわち、各測定強度から各同位体に依存する強度を除去しても、721.97、723.97、72６.02に大きいピークが残る。これらのピークは、質量数がそれぞれ722、724、726のヘテロフラーレンC59N、C58N2、C57N3に対応する。複数個の炭素原子が窒素原子に置換されたヘテロフラーレンが形成されていることが分かる。【００４０】
回収用円筒１１２に堆積したものについて、Ｘ線光電子分光分析した。その測定結果は、炭素原子間、炭素原子のSP2軌道と窒素原子間、炭素原子のSP3軌道と窒素原子間の結合エネルギーに対応する信号強度の和になっている。すなわち、炭素原子と窒素原子からなる分子ができていることが分かる。【００４１】
ホウ素原子誘導フラーレン、水素原子誘導フラーレンを製造する場合は、それぞれの原子を含むガス、例えばフッ化ホウ素ガスBF3、水素ガスH2をガス導入口１０２から導入すればよい。【００４２】
内包化フラーレンの生成を促進するために、フラーレンイオンと窒素イオンとの衝突エネルギーを増加させる方法もある。そのために電位体１１０に負の電圧、例えば-30Vを供給して、窒素イオンの移動速度を加速することにより、衝突エネルギーを増加させるようにしてもよい。【００４３】
ホウ素原子を含むガスを導入した場合は、高温プラズマ形成室ではホウ素イオンB3+が生成される。これが回収用円筒１１２に堆積しているフラーレンに接触したり、プラズマ流に沿って移動しているフラーレンイオンに引き寄せられて衝突したりする。そして炭素分子の一部がホウ素原子、ホウ素分子に置換したヘテロフラーレン、炭素ケージ内部にホウ素原子、ホウ素分子が入り込んだ内包フラーレンなどが生成される。【００４４】
水素原子を含むガスを導入した場合は、高温プラズマ形成室では水素イオンH+が生成される。これが回収用円筒１１２に堆積しているフラーレンに接触したり、プラズマ流に沿って移動しているフラーレンイオンに引き寄せられて衝突したりする。そして炭素原子の一部に水素原子が付着した水素化フラーレン、炭素ケージ内部に水素原子、水素分子が入り込んだ内包フラーレンなどが生成される。【００４５】
ハロゲン原子誘導フラーレンを製造する場合は、ハロゲン原子を含むガスをガス導入口１０２から導入すればよい。例えばフッ素原子誘導フラーレンを製造する場合は、四フッ化炭素CF4を用いる。四フッ化炭素CF4はプラズマ流発生室で２つのイオンCF3＋、F−に電離し、高温プラズマ流形成室で高温プラズマ流が形成される。ハロゲン原子誘導フラーレンを製造する場合は、グリッド１０５は浮遊状態にする。また電位体１１０に負の電圧を供給してハロゲン原子とフラーレンの相対速度を小さくする。このとき高温プラズマ流から放出された電子は、10〜50eVの高エネルギーのまま、フラーレン昇華用オーブン１０７で昇華したフラーレンに衝突する。そしてフラーレンから電子が放出されて、正のフラーレンイオンC60+を生成する。【００４６】
回収用円筒１１２を接地している場合、フラーレンイオンC60+が回収用円筒１１２に接触したときに、電気的に中性のフラーレンC60となって堆積する。そこにフッ素イオンF−、電気的に中性になったフッ素原子F等が接触する。そして、炭素原子の一部にフッ素が付着したフッ化フラーレン、炭素ケージ内部にフッ素が入り込んだフッ素内包フラーレンなどの誘導フラーレンが生成される。【００４７】
またプラズマ流に沿って移動しているフラーレンイオンC60+にフッ素イオンF−がクーロン力により互いに引き寄せあって衝突し、誘導フラーレンを生成して、回収用円筒１１２に堆積する。回収用円筒１１２の近くを移動しているフラーレンイオンC60+に衝突するフッ素イオンF−のエネルギーを高めるために、回収用円筒１１２に正の電圧を供給するようにしてもよい。【００４８】
誘導フラーレンを製造中、回収用円筒１１２は冷却するのが好ましい。例えば回収用円筒１１２の外周に冷水管を巻き付け、そこに水を流すことにより冷却する。200℃以下に冷却することが好ましい。100℃以下に冷却することが特に好ましい。回収用円筒１１２を冷却することにより、フラーレンの再昇華を防ぎ、回収されないフラーレン量を低減させることができる。
（誘導フラーレン製造装置２）
図１において、回収用円筒１１２を電位体１１０の近傍まで延長してもよい。電位体１１０近辺ではイオン同士の衝突も発生する。衝突を繰り返すことにより、相対速度が小さく、互いに逆極性のイオンも発生する。そのイオン間にクーロン相互作用が働いて電気的に引き寄せあって衝突し、ヘテロフラーレン、内包フラーレンなどが生成される。電位体１１０に-20V、-40Vの電圧を供給して製造したとき、電位体１１０近傍の回収用円筒１１２に、ヘテロフラーレンC59N、C58N2、C57N3、…が多量に検出された。
電位体１１０に正の電圧と負の電圧を交互に供給するようにしてもよい。正の電圧を供給したとき、負のイオンになっているフラーレンが電位体１１０に吸着する。この状態で電位体１１０に負の電圧を供給するように切り換えたとき、窒素分子イオンN2+、窒素原子イオンN+が引き寄せられる。そして電位体１１０に吸着しているフラーレンと相互作用することにより、誘導フラーレンが生成される。【００４９】
このとき、窒素イオンと逆極性である負の電圧を供給する時間を長くすることが好ましい。すなわち、電位体１１０に吸着しているフラーレンに窒素イオンが降り注いで、相互作用している時間が長くなり、誘導フラーレンの収率を向上させることができる。【００５０】
負の電圧を供給するとき、強めの電圧を供給することが好ましい。強めの電圧を供給することにより、加速された高エネルギーの窒素イオンがフラーレンに衝突することで、内包化を促進することができる。また加速による反動のために、電位体１１０に吸着している誘導フラーレン、未反応のフラーレン等がはがれ落ちて、回収用円筒１１２に回収される。【００５１】
第一実施例、第二実施例において、プラズマ流発生室で誘導対象物の分子又は原子イオンが、誘導フラーレンを生成するのに十分な量で得られる場合は、高温プラズマ流形成室は設けなくてもよい。【００５２】
またプラズマ流発生室は、図１のものに限定されない。高周波誘導コイルを用いて、誘導対象物のプラズマを発生させるようにしてもよい。またアルカリ金属から誘導フラーレンを製造する場合は、アルカリ金属の蒸気を高温の金属板に吹き付けることにより、プラズマを発生させるようにしてもよい。このことは、以下に説明する実施例３、実施例４でも同じである。
（誘導フラーレン製造装置）
図３に本発明の第三実施例による誘導フラーレン製造装置の断面図を示す。図１と同じものは、同一符号で示す。【００５３】
本実施例では、フラーレンをフラーレン導入口301から高温プラズマ流形成室に導入している。フラーレンは、高温プラズマ流形成室内で電子と衝突を繰り返してイオン化される。イオン化されたフラーレンは、プラズマ流に沿って移動し、回収用円筒１１２に堆積する。そこに誘導対象物のイオン、中性原子等が衝突し、ヘテロフラーレン、内包フラーレンなどの誘導フラーレンが生成される。またプラズマ流に沿って移動しているフラーレンイオンに、誘導対象物のイオンが衝突して、誘導フラーレンが生成され、回収用円筒１１２に堆積する。【００５４】
実施例１と同様に、フラーレンイオンと内包対象物のイオンをクーロン力により引き寄せて誘導フラーレンを製造する場合は、誘導対象物のイオンと同極性の電圧を電位体１１０に供給する。衝突エネルギーを高めて内包化フラーレンの生成を促進する場合は、内包対象物イオンと逆極性の電圧を電位体１１０に供給する。
（誘導フラーレン製造装置４）
図３においても、回収用円筒１１２を電位体１１０の近傍まで延長してもよい。このときも、一部のフラーレンイオンと誘導対象物のイオンが電位体１１０近辺まで飛んで衝突を繰り返すことにより、誘導フラーレンを生成する。【００５５】
実施例２と同様に、電位体１１０に正の電圧と負の電圧を交互に供給するようにしてもよい。そのことにより、電位体１１０上で誘導フラーレンを生成したり、それを回収用円筒１１２に回収したりすることができる。【００５６】
上記の各実施例で窒素原子／分子置換ヘテロフラーレン、窒素原子／分子内包フラーレンを製造するとき、ガス導入口１０２から窒素と不活性ガスの混合ガスを導入するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
請求項１、１９、２６によれば、誘導対象物のプラズマ流中にフラーレンを導入している。プラズマ流中で、誘導対象物とフラーレンは互いに逆極性のイオンになって相互作用する。またフラーレン導入部の下流側に、プラズマ流に接触するように回収用円筒を配置する。相互作用により、フラーレンの炭素原子の一部が誘導対象物に置換したヘテロフラーレン、誘導対象物が炭素ゲージ内に入り込んだ内包フラーレンなどが生成される。これらの誘導フラーレンは、上記円筒に堆積させることにより、高収率に回収される。【００５８】
請求項２、３、２７によれば、高温プラズマ流を形成して、そこにフラーレンを導入している。高温プラズマ流中では誘導対象物が解離して原子イオンとなり、それがフラーレンと相互作用する。従って誘導対象原子置換ヘテロフラーレン、誘導対象原子内包フラーレンなどの誘導フラーレンが生成される。【００５９】
請求項５、６によれば、フラーレン導入部の上流側に電子エネルギー制御手段を設けてプラズマ流中の電子エネルギーを制御している。電子エネルギーを0.5〜15eVに制御することにより、フラーレン導入部から導入したフラーレンに電子が付着して、負のフラーレンイオンが生成される。また請求項５、６では、プラズマ流中の誘導対象物は正イオンになっている。すなわち、誘導対象物とフラーレンは互いに逆極性のイオンになっているので、電気的な引力で引き寄せられて衝突し、誘導フラーレンを生成しやすくなる。【００６０】
請求項１６、２３によれば、プラズマ流の末端に設けられた電位体に、誘導対象物のイオンと同極性の電圧を供給する。そのことにより、プラズマ流中の誘導対象物のイオンとフラーレンの相対速度を小さくしている。従って２種類のイオンの間にクーロン力が働いて電気的な引力で衝突しやすくなり、誘導フラーレン生成の収率を向上させることができる。【００６１】
請求項１７、２４によれば、プラズマ流の末端に設けられた電位体に、誘導対象物のイオンと逆極性の電圧を供給する。逆極性の電圧を供給して誘導対象物のイオンの移動速度を加速することにより、高エネルギーでフラーレンイオンに衝突させることができる。従って内包化されたフラーレンの生成を促進させることができる。【００６２】
請求項１８、２５によれば、プラズマ流の末端に設けられた電位体に、誘導対象物のイオンと同極性、逆極性のパルス状の電圧を供給している。同極性の電圧を供給したとき、逆極性のイオンになっているフラーレンが電位体に吸着する。この状態で電位体に供給している電圧を逆極性に切り換えたとき、誘導対象物が電位体に引き寄せられる。そして電位体に吸着しているフラーレンと相互作用することにより、誘導フラーレンが生成される。【００６３】
請求項１３，２１によれば、誘導フラーレン蓄積部に入ってきたプラズマ流は、該プラズマ流に接触している回収用円筒に、順次堆積する。すなわち蓄積部内のプラズマ流は低密度状態に保たれるので、一度生成された誘導フラーレンがプラズマ流中で相互作用を繰り返す確率が少なくなる。従って高収率に誘導フラーレンが得られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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