(57)【要約】【課題】本発明は、短時間かつ低コストで水素吸蔵機能を有する金属材の表面にナノメートルオーダーの微細加工を施す方法を提供し、高効率水素吸蔵金属材の簡便な製造方法を提供する。【解決手段】本発明の高効率水素吸蔵金属材の製造方法は、水素吸蔵機能を有する金属材の表面にフェムト秒レーザを照射し、該照射によって水素吸蔵機能を有する金属材の表面に微細周期構造を形成させるものである。水素吸蔵機能を有する金属材の表面に微細周期構造が形成されることにより、効率的に大量の水素を貯蔵することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素吸蔵機能を有する金属材の表面にフェムト秒レーザを照射し、
前記照射によって前記水素吸蔵機能を有する金属材の表面に微細周期構造を形成することを特徴とする高効率水素吸蔵金属材の製造方法。
【請求項２】
前記水素吸蔵機能を有する金属材がパラジウムであることを特徴とする請求項１に記載の高効率水素吸蔵金属材の製造方法。
【請求項３】
前記微細周期構造の周期が１ｎｍ〜８００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜２いずれか１項に記載の高効率水素吸蔵金属材の製造方法。
【請求項４】
水素吸蔵機能を有する金属材の表面に微細周期構造が形成されていることを特徴とする高効率水素吸蔵金属材。
【請求項５】
前記水素吸蔵機能を有する金属材がパラジウムであることを特徴とする請求項４に記載の高効率水素吸蔵金属材。
【請求項６】
前記微細周期構造の周期が１ｎｍ〜８００ｎｍであることを特徴とする請求項４〜５いずれか１項に記載の高効率水素吸蔵金属材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高効率水素吸蔵金属材およびその製造方法に関し、特に、フェムト秒レーザを用いた高効率水素吸蔵金属材の有利な製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低環境負荷なエネルギーシステムとして水素を用いたエネルギーシステムが注目されており、小は水素電池から大は水素を燃やす内燃機関まで、幅広い研究が遂行されている。水素エネルギーを有効に利用するためには、水素を効率よく貯蔵する技術が必要不可欠であり、その一翼を担っているのが水素吸蔵機能を有する材料である。
【０００３】
水素を用いたエネルギーシステムに関する従来の技術では、水素吸蔵機能を有する材料としてバルク材を用いている（特許文献１および２参照）。水素吸蔵機能を有する材料としてバルク材を用いた場合は水素吸蔵量に限界（水素吸蔵機能を有する材料の格子間間隙数の８０％程度）がある。これに対し、水素吸蔵機能を有する材料としてナノ粒子を用いることによって、水素吸蔵量を格子間間隙数の４００％程度にまで高める方法が提案されている（非特許文献１および２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３３４１号公報
【特許文献２】特開２００３−３０３６１６号公報
【非特許文献１】Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ  ｏｆ  Ｐｙｃｎｏｄｅｕｔｅｒｉｕｍ−ｌｕｍｐｓ  ａｎｄ  Ｉｎｔｅｎｓｅ  Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｆｕｓｉｏｎ  ｉｎ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ  Ｎａｎｏ−ｐａｒｔｉｃｌｅｓ, 固体物理, ３８−１ （２００３） ８３．
【非特許文献２】Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ  ｏｆ  ｓｏｌｉｄ  ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ  ｎｕｃｌｅａｒ  ｆｕｓｉｏｎ  ｏｆ  ｐｙｃｎｏｄｅｕｔｅｒｉｕｍ−ｌｕｍｐｓ  ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ  ｌｏｃａｌｌｙ  ｗｉｔｈｉｎ  ｎａｎｏ−ｐｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ, 高温学会誌, ２９−２（２００３）６８．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素吸蔵機能を有する材料としてナノ粒子を用いることが水素吸蔵量の観点から効果的であるのは上述の通りであるが、ナノ粒子は製法が複雑であり、大量生産が困難である。また、ナノ粒子が極めて高コストであることが実用化にとって大きな障害となっている。
【０００６】
ここで、水素吸蔵機能を有するバルク材の表面をナノ構造化することができれば、該バルク材の水素吸蔵量を大幅に増加させることができるものと思われる。しかしながら、水素吸蔵機能を有するバルク材の表面を簡便にナノ構造化する技術は未だ確立されていないのが現状である。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、フェムト秒レーザを利用して、短時間かつ低コストで水素吸蔵機能を有する金属材の表面にナノメートルオーダーの微細加工を施す方法を提供するものであり、高効率水素吸蔵金属材の簡便な製造方法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】
【０００８】
本発明の高効率水素吸蔵金属材の製造方法は、水素吸蔵機能を有する金属材の表面にフェムト秒レーザを照射し、該照射によって水素吸蔵機能を有する金属材の表面に微細周期構造を形成させるものである。水素吸蔵機能を有する金属材としてはパラジウムを用いることが好ましく、微細周期構造の周期は１ｎｍ〜８００ｎｍであることが好ましい。
【０００９】
本発明の高効率水素吸蔵金属材は、水素吸蔵機能を有する金属材の表面に微細周期構造が形成されているものである。水素吸蔵機能を有する金属材はパラジウムであることが好ましく、微細周期構造の周期は１ｎｍ〜８００ｎｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の高効率水素吸蔵金属材の製造方法は、水素吸蔵機能を有する金属材のレーザ誘起構造変化を利用しているため、短時間、低コストで水素吸蔵機能を有する金属材の表面に微細周期構造を形成することができる。また、本発明の高効率水素吸蔵金属材は、表面にナノメートルオーダーの微細周期構造を有しているため、効率的に水素を吸蔵することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明の高効率水素吸蔵金属材の製造方法の概略図である。フェムト秒レーザ発振器１０で発生したフェムト秒レーザは減衰器１２、反射ミラー１４、シャッター１６を経由して、プロセスチャンバー３０に入射される。プロセスチャンバー３０に入射したフェムト秒レーザはハーフミラー１８で二つに分けられ、一方のフェムト秒レーザはレンズ２０によってＸＹステージ２４に固定された水素吸蔵能を有する金属材２２の表面に集光される。他方のフェムト秒レーザは反射ミラー１４を経由して、モニタリングシステム２６に入射される。なお、プロセスチャンバー３０内はロータリーポンプ等により、適当な減圧状態となっている。
【００１２】
水素吸蔵能を有する金属材２２の表面は集光したフェムト秒レーザパルスによって加工され、微細周期構造が形成される。水素吸蔵能を有する金属材２２の位置は適宜ＸＹステージ２４によって制御されるため、水素吸蔵能を有する金属材２２の必要な領域に微細周期構造を形成することができる。また、フェムト秒レーザの状況は随時モニタリングシステム２６によって観測される。
【００１３】
フェムト秒レーザパルスの照射によって生じる、水素吸蔵能を有する金属材２２の表面のアブレーションおよび原子配列構造変化等により、該表面に微細周期構造が形成される。微細周期構造の形状および周期は、照射に用いるフェムト秒レーザの波長、フルエンスおよびパルス数等によって制御することができる。なお、微細周期構造の周期は、照射するフェムト秒レーザの波長と同程度になることが知られており、ナノメートルオーダーの波長を有するフェムト秒レーザを用いることで、ナノメートルオーダーの微細周期構造を得ることができる。
【００１４】
フェムト秒レーザを用いた微細周期構造の形成に関し、原子番号、原子量、比熱、融点等が近い金属については、ほぼ同一のレーザ条件で同様の加工が達成される。例えば、１６６８℃の融点を有するチタンと１５５５℃の融点を有するパラジウムとは、ほぼ同一のレーザ条件で同様の周期構造が形成されることが予想される。
【００１５】
水素吸蔵能を有する金属材２２としては、種々の水素吸蔵合金を用いることができる。水素吸蔵合金にはＡＢ２型（チタン、マンガン、ジルコニウム、ニッケル等の遷移元素の合金をベースとしたもの）、ＡＢ５型（希土類元素、ニオブ、ジルコニウム１に対して触媒効果を持つ遷移元素（ニッケル、コバルト、アルミニウムなど）５を含む合金をベースとしたもの）、チタン−鉄系、バナジウム系、マグネシウム合金、パラジウム系、カルシウム系合金等が知られているが、パラジウムを用いることが好ましい。
【００１６】
従来、パラジウム固体内への水素原子の侵入は、パラジウム格子間に０．８個が入るとされていた。これに対し、パラジウム材がナノメートルオーダーの形状を有している場合、２個以上の水素原子がパラジウム格子間に入り、水素吸収効率が圧倒的に高くなることが報告されている。つまり、パラジウム材の表面にナノメートルオーダーの微細周期構造を形成することができれば、高効率な水素吸蔵材を得ることができる。なお、効率的な水素の吸蔵および放出の観点から、水素吸蔵能を有する金属材２２の表面に形成させる微細周期構造の周期は１ｎｍ〜８００ｎｍであることが好ましい。
【００１７】
以下に本発明の実施例及び比較例を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
フェムト秒レーザの発振子としてチタン：サファイヤを用いたフェムト秒レーザ加工システムを使用し、チタン板材の表面に微細周期構造を形成させた（チタン板材は高価なパラジウム板材の代替として用いた）。フェムト秒レーザの波長、パルス長、繰り返し速度、ビーム径はそれぞれ８００ｎｍ、１００ｆｓｅｃ、１ｋＨｚ、４ｍｍとした。フェムト秒レーザは焦点距離が１００ｍｍのレンズによって、チタン板材の表面に集光された。被加工材として用いたチタン板材の厚さは１００μｍ、表面粗さは０．０５μｍである。チタン板材の表面におけるフェムト秒レーザのフルエンスは減衰器によって制御され、０．２５、０．７５、１．５Ｊ／ｃｍ２とし、加工には１０パルスを用いた。なお、加工は１３．３ｐａの減圧下で行った。
【００１８】
図２および図３にフルエンス０．２５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（低倍率）およびフルエンス０．２５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（高倍率）を示す。約７００ｎｍの周期を有する微細周期構造が形成されていることが確認された。
【００１９】
図４および図５にフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（低倍率）およびフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（高倍率）を示す。図４において、異なった形状を有する２つの領域（中心部および外側部）が確認できる。図５は図４の中心部の拡大であるが、微細周期構造に対して垂直方向に、より大きな周期を有する周期構造が形成されている。
【００２０】
図６および図７にフルエンス１．５０Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（低倍率）およびフルエンス１．５０Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（高倍率）を示す。図６において、異なった形状を有する３つの領域（中心部、中間部、外側部）が確認できる。外側部には微細周期構造、中間部には微細周期構造および微細周期構造に対して垂直方向に形成されたより大きな周期を有する周期構造が確認される。図７は図６の中心部の拡大であるが、微細周期構造が形成されていない。
【００２１】
図２〜図７より、フェムト秒レーザの照射によって、チタン板材の表面にナノメートルオーダーの周期を有する微細周期構造が形成されることが明らかとなった。また、照射するフェムト秒レーザのフルエンスを変化させることによって、材料表面に形成される微細周期構造を制御し得ることが確認された。
【００２２】
実施例２
フェムト秒レーザの発振子としてチタン：サファイヤを用いたフェムト秒レーザ加工システムを使用し、チタン板材の表面に微細周期構造を形成させた（チタン板材は高価なパラジウム板材の代替として用いた）。フェムト秒レーザの波長、パルス長、繰り返し速度、ビーム径はそれぞれ８００ｎｍ、１００ｆｓｅｃ、１ｋＨｚ、４ｍｍとした。フェムト秒レーザは焦点距離が１００ｍｍのレンズによって、チタン板材の表面に集光された。被加工材として用いたチタン板材の厚さは１００μｍ、表面粗さは０．０５μｍである。チタン板材の表面におけるフェムト秒レーザのフルエンスは減衰器によって０．７５Ｊ／ｃｍ２に制御し、加工には１０〜１１０パルスを用いた。なお、加工は１３．３ｐａの減圧下で行った。
【００２３】
図８にフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真を示す。微細周期構造および微細周期構造に対して垂直方向に形成されたより大きな周期を有する周期構造が確認される。
【００２４】
図９にフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ２５パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真を示す。微細周期構造および微細周期構造に対して垂直方向に形成されたより大きな周期を有する周期構造が確認される。
【００２５】
図１０にフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ５０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真を示す。微細周期構造および微細周期構造に対して垂直方向に形成されたより大きな周期を有する周期構造が確認されるが、より大きな周期を有する周期構造を構成する凸部には微細周期構造が存在しない。また、該凸部に小さな球形の領域が形成されている。
【００２６】
図１１にフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ７０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真を示す。微細周期構造および微細周期構造に対して垂直方向に形成された、より大きな周期を有する周期構造が確認されるが、より大きな周期を有する周期構造を構成する凸部には微細周期構造が存在しない。また、該凸部に小さな球形の領域が形成されており、該球形の領域同士が連結されている領域も存在する。
【００２７】
図１２にフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ９０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真を示す。微細周期構造および微細周期構造に対して垂直方向に形成されたより大きな周期を有する周期構造が確認されるが、より大きな周期を有する周期構造を構成する凸部には微細周期構造が存在しない。また、該凸部に小さな球形の領域が形成されており、該球形の領域同士が連結されている領域が多く存在する。
【００２８】
図１３にフルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真を示す。微細周期構造および微細周期構造に対して垂直方向に形成されたより大きな周期を有する周期構造が確認されるが、より大きな周期を有する周期構造を構成する凸部には微細周期構造が存在しない。また、該凸部に小さな球形の領域およびより大きな球形の領域が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の高効率水素吸蔵金属材の製造方法の概略図である。
【図２】フルエンス０．２５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（低倍率）である。
【図３】フルエンス０．２５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（高倍率）である。
【図４】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（低倍率）である。
【図５】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（高倍率）である。
【図６】フルエンス１．５０Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（低倍率）である。
【図７】フルエンス１．５０Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真（高倍率）である。
【図８】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真である。
【図９】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ２５パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真である。
【図１０】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ５０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真である。
【図１１】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ７０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真である。
【図１２】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ９０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真である。
【図１３】フルエンス０．７５Ｊ／ｃｍ２のフェムト秒レーザ１１０パルスで形成した微細周期構造のＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…フェムト秒レーザ発振器
１２…減衰器
１４…反射ミラー
１６…シャッター
１８…ハーフミラー
２０…レンズ
２２…水素吸蔵機能を有する金属材
２４…ＸＹステージ
２６…モニタリングシステム
３０…プロセスチャンバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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