專利名稱：氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置、制造方法以及氣體原子內(nèi)包富勒烯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體原子內(nèi)包富勒烯(fullerene)的制造裝置、制造方法以及氣體原子內(nèi)包富勒烯。這里所述的氣體原子除了常溫下為氣體的氫、氮、氟等以外，還包括常溫下為固體或液體而高溫處理能呈氣體的鈉、鉀等。
背景技術(shù)：
內(nèi)包富勒烯的制造技術(shù)已見于非專利文獻(xiàn)1(《等離子體、核融合學(xué)雜志》第75卷第8號第927～933頁(1999年8月))附圖7所示的技術(shù)。
該技術(shù)是通過在真空容器內(nèi)向內(nèi)包對象原子的等離子體流噴射富勒烯，并使內(nèi)包富勒烯堆積在等離子體流的下游配置的堆積板上來制造內(nèi)包富勒烯。
根據(jù)該技術(shù)，低溫條件下就能制造高收率的內(nèi)包富勒烯。
但是，這種技術(shù)存在的問題是在堆積板的中心部內(nèi)包率不良。即內(nèi)包富勒烯基本堆積在等離子體流的半徑方向外側(cè)的部分，在等離子體流的半徑方向內(nèi)側(cè)基本沒有堆積內(nèi)包富勒烯。
另外，現(xiàn)在，內(nèi)包富勒烯的各種有用性引人注目，希望有能制造收率更高的內(nèi)包富勒烯的技術(shù)。
此外，上述技術(shù)涉及金屬內(nèi)包富勒烯，現(xiàn)在還沒有涉及氣體原子內(nèi)包富勒烯的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能制造收率更高的氣體原子內(nèi)包富勒烯的內(nèi)包富勒烯的制造裝置、制造方法和氣體原子內(nèi)包富勒烯。
本發(fā)明的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置的特征在于，具有用于產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生室和真空容器，所述等離子體發(fā)生室?guī)в杏糜趯⒑袃?nèi)包對象原子的氣體導(dǎo)入內(nèi)部的氣體導(dǎo)入口，所述真空容器與前述等離子體發(fā)生室連通以形成等離子體流，并能把富勒烯導(dǎo)入該等離子體流中，用于控制等離子體流中電子的能量的機(jī)構(gòu)設(shè)置在該真空容器內(nèi)的等離子體發(fā)生室一側(cè)，同時，在下游側(cè)設(shè)置有電位體，該電位體通過調(diào)整內(nèi)包對象原子離子的速度使其與富勒烯離子結(jié)合形成內(nèi)包富勒烯。
在制造氫內(nèi)包富勒烯、氮內(nèi)包富勒烯、堿金屬原子內(nèi)包富勒烯等內(nèi)包離子化成正電位的原子的富勒烯的情況下，把含有內(nèi)包對象原子的氣體從氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入。這時，在等離子體發(fā)生室內(nèi)產(chǎn)生由帶正電位的內(nèi)包對象原子的離子和電子組成的等離子體。單向控制該等離子體的流動以形成等離子體流的同時，在電子能量控制機(jī)構(gòu)上施加負(fù)電壓以降低電子的速度。往該等離子體流中導(dǎo)入富勒烯時，富勒烯獲取電子而帶負(fù)電位。通過對電位體施加正電壓，而使帶正電位的內(nèi)包對象原子的離子速度降低到富勒烯離子的移動速度，使得容易與富勒烯離子結(jié)合，形成內(nèi)包富勒烯。
制造鹵素氣體內(nèi)包富勒烯的情況下，從氣體導(dǎo)入口導(dǎo)入鹵素氣體的化合物(例如CF4)或?qū)臌u素氣體和惰性氣體。這時等離子體發(fā)生室內(nèi)產(chǎn)生由帶正電位的化合物的離子(例如CF3+)或惰性氣體的離子和帶負(fù)電位的鹵離子組成的等離子體。單向控制該等離子體的流動以形成等離子體流，使電子能量控制機(jī)構(gòu)處于漂置狀態(tài)。通過往該等離子體流中導(dǎo)入富勒烯，使富勒烯的電子撞擊出來，獲得帶正電位的富勒烯離子。通過對電位體施加負(fù)電壓，而使帶負(fù)電位的鹵離子的速度降低到富勒烯離子的移動速度，使得容易與富勒烯結(jié)合，形成內(nèi)包富勒烯。
本發(fā)明的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法的特征在于，其包括以下工序把含有內(nèi)包對象原子的氣體導(dǎo)入等離子體發(fā)生室的工序；在該等離子體發(fā)生室內(nèi)產(chǎn)生等離子體的工序；單向控制該等離子體的流動以形成等離子體流的工序；在等離子體流中導(dǎo)入富勒烯以使該富勒烯離子化的工序；使內(nèi)包對象原子離子和富勒烯離子結(jié)合以形成內(nèi)包富勒烯的工序。
在制造氫原子內(nèi)包富勒烯、氮原子內(nèi)包富勒烯等內(nèi)包離子化成正電位的原子的富勒烯的情況下，通過控制構(gòu)成等離子體流的電子的速度使之附著在導(dǎo)入的富勒烯上，從而形成帶負(fù)電位的富勒烯離子。
在制造鹵原子內(nèi)包富勒烯等內(nèi)包離子化成負(fù)電位的原子的富勒烯的情況下，通過在將富勒烯導(dǎo)入等離子體流中時，由高速化的等離子體流撞擊出富勒烯的電子來形成帶正電位的富勒烯離子。
本發(fā)明的氣體原子內(nèi)包富勒烯的特征在于，在富勒烯的內(nèi)部內(nèi)包有氫離子、氮離子、堿金屬原子離子或鹵素氣體離子。


圖1是本發(fā)明的實施方案的內(nèi)包富勒烯的制造裝置示意圖。
圖2是表示等離子體發(fā)生室內(nèi)線圈卷繞方向的示例的圖。
圖3是表示等離子體發(fā)生室內(nèi)線圈另一卷繞方向的示例的圖。
圖4是表示由基體構(gòu)成的電位體的示例的圖。
圖5是表示由網(wǎng)狀體構(gòu)成電位體的示例的圖。
圖6是內(nèi)包富勒烯的收容容器的示意圖。
圖7是以往的金屬內(nèi)包富勒烯的制造裝置的示意圖。
標(biāo)號說明4等離子體發(fā)生室，6、6a、6b、16、17線圈，5a、5b、5c分割電位體，7a、7b、7c偏壓施加機(jī)構(gòu)，10排氣泵，602線圈，603、608磁場發(fā)生機(jī)構(gòu)，604能量控制機(jī)構(gòu)，606原料容器，607筒，609電位體(基體)，610真空容器，611等離子體發(fā)生室，621、622高頻率電源，630含有內(nèi)包對象原子的氣體，641電源，650氣體導(dǎo)入口，651富勒烯，652富勒烯導(dǎo)入口，660等離子體流，680電位體(網(wǎng)狀體)，690收容容器。
具體實施例方式
實施方案1圖1是表示本發(fā)明的實施方案的內(nèi)包富勒烯的制造裝置。
該裝置具有用于產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生室611和真空容器610，所述等離子體發(fā)生室611具有用于把含有內(nèi)包對象原子的氣體630導(dǎo)入內(nèi)部的氣體導(dǎo)入口650，所述真空容器610與前述等離子體發(fā)生室連通，能向等離子體流660中把富勒烯651導(dǎo)入內(nèi)部，用于控制前述等離子體中電子的能量的機(jī)構(gòu)(能量控制機(jī)構(gòu))604設(shè)置在該真空容器610內(nèi)的等離子體發(fā)生室611一側(cè)，使得電子具有能附著前述富勒烯651的能量。另外，在制造常溫下為固體或液體的堿金屬原子等的內(nèi)包富勒烯的情況下，氣體發(fā)生裝置設(shè)置在氣體導(dǎo)入口650的前段，可以由該氣體發(fā)生裝置使堿金屬等成為氣體并從氣體導(dǎo)入口650導(dǎo)入。
下面進(jìn)行更詳細(xì)說明。
在本示例中，等離子體發(fā)生室611是由絕緣材料(例如石英)構(gòu)成的。并且在等離子體發(fā)生室的外周卷繞有線圈602。該線圈602例如由兩條構(gòu)成，各自從高頻電源621、622流入高頻電流。
線圈的卷繞方法如圖2所示，一對線圈6a、6b卷繞成螺旋狀，優(yōu)選在該對線圈6a、6b中流過位相不同的RF1、RF2電流。
根據(jù)本示例，按照例如相位錯開180°的方式對第一線圈元件6a和第二線圈元件6b供給高頻電力，所以在雙方線圈元件6a、6b間產(chǎn)生更大的電場差。如果只卷繞一條線圈，則電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的熱會散發(fā)到外側(cè)，浪費(fèi)能量。通過象本示例那樣設(shè)置成無感應(yīng)卷繞，可以防止感應(yīng)加熱所致的能量散發(fā)，其能量能集中用于等離子體的發(fā)生。所以，在等離子體發(fā)生室611內(nèi)產(chǎn)生的等離子體在整個區(qū)域成為更高密度，從而能進(jìn)一步提高離子或自由基等發(fā)生物的發(fā)生效率，真空容器610內(nèi)富勒烯上附著的電子數(shù)增多。
或者，如圖3所示，形成一對放電線圈的第一線圈元件16和第二線圈元件17以并列狀態(tài)卷繞成螺旋狀態(tài)，第一及第二線圈元件也可以各自施加相位相互不同的高頻電力。
根據(jù)本示例，由于一側(cè)的線圈16和另一側(cè)的線圈17被各自供給高頻電力，所以在雙方放電線圈16、17間產(chǎn)生大的電場差，等離子體發(fā)生室4內(nèi)的中央部產(chǎn)生的等離子體的密度變得更高。進(jìn)而能防止感應(yīng)加熱所致的不必要的能量消耗。
由這種結(jié)構(gòu)能獲得1017/cm3或以上的高密度等離子體流。容易產(chǎn)生電子溫度20eV或以下甚至10eV或以下的等離子體。并且，容易獲得形狀比更高的等離子體。也就是說，真空容器內(nèi)能獲得持續(xù)的等離子體流。
作為RF1、RF2，例如可以使用1kHz～200MHz的電力，也可以使用0.1kW或以上的電力。
在圖2、3中，等離子體發(fā)生室4的外周卷繞的線圈元件數(shù)并不局限于兩條，也可以卷繞三條或更多條線圈元件并施加相互位相不同的高頻電力。
真空容器610連接到等離子體發(fā)生室611上。
在真空容器610的等離子體發(fā)生室611一側(cè)設(shè)置有用于產(chǎn)生磁場B1的機(jī)構(gòu)(電磁線圈)603。產(chǎn)生的等離子體沿著由電磁線圈603形成的均勻磁場(B＝2～7kG)被封在真空容器610內(nèi)的軸方向，從而形成高密度的等離子體流660。
在真空容器610上設(shè)置有收容富勒烯的容器606。例如，可在坩堝內(nèi)收容富勒烯，通過升華導(dǎo)入富勒烯651。
在富勒烯的導(dǎo)入口和等離子體發(fā)生室611之間設(shè)置有用于控制等離子體中的電子能量的機(jī)構(gòu)604。能量控制機(jī)構(gòu)604上設(shè)置有由導(dǎo)線以網(wǎng)狀的形式連接而成的柵極(grid)，對該柵極604可以賦予負(fù)電位。柵極604上連接有電源641。該電位也可以是可變的。另外，也可以測定柵極604的下游側(cè)(圖面上右側(cè))的電子的能量，并根據(jù)該能量自動或手動控制電位。
柵極604利用在內(nèi)包那些在等離子體中放出電子而成為帶正電位的離子的氣體如氫、氮、堿金屬等原子的時候。通過對柵極604賦予負(fù)電位而使等離子體流中的電子的速度降低到被導(dǎo)入等離子體流中的富勒烯的速度，從而電子附著在富勒烯上，形成帶負(fù)電位的富勒烯離子。
柵極604的下游側(cè)的電子的能量優(yōu)選10eV或以下，更優(yōu)選5eV或以下。通過施加到柵極上的電位進(jìn)行控制，可以獲得所期望的電子的能量。通過形成這種電子能量，等離子體流中的電子容易附著在富勒烯651上。因此，能獲得高濃度的負(fù)的富勒烯離子。另外，考慮到控制的困難性，下限優(yōu)選為0.5eV。并且，如果超過20eV，等離子體流中的電子反而會撞擊出富勒烯中的電子。
向等離子體流中的惰性氣體等供給電子以形成帶負(fù)電位的離子的鹵素氣體等的情況下，可以使柵極604處于漂置狀態(tài)。通過保持等離子體流在高能量，能從導(dǎo)入的富勒烯中撞擊出電子，形成帶正電位的富勒烯離子。
在等離子體流660的下游側(cè)，設(shè)置有作為電位體的基板609。在該電位體609上優(yōu)選施加與等離子體流中內(nèi)包對象原子離子所帶的電位同極性的偏壓。一旦施加上該偏壓，富勒烯離子和被內(nèi)包對象原子離子的相對速度變小。通過使相對速度變小，兩離子間產(chǎn)生庫侖相互作用，被內(nèi)包對象原子進(jìn)入到富勒烯的內(nèi)部。
優(yōu)選在真空容器610內(nèi)設(shè)置等離子體測定用的探頭，在檢測富勒烯離子和被包對象原子離子的速度的同時，圖謀內(nèi)包化。優(yōu)選控制施加在電位體609上的電壓使相對速度變小。
等離子體發(fā)生室611的半徑大致是等離子體流660的半徑。從而通過改變等離子體發(fā)生室611的半徑，就能使等離子體流660的半徑與裝置的大小等對應(yīng)來任意選擇適宜的大小。此外，通過改變由磁場發(fā)生機(jī)構(gòu)603、608形成的均勻磁場B1、B2的磁場強(qiáng)度也能夠調(diào)整等離子體流660的半徑。
另外，在真空容器610的外周設(shè)置有冷卻機(jī)構(gòu)(未圖示出來)。由冷卻機(jī)構(gòu)使真空容器610的內(nèi)壁冷卻，可以將中性氣體分子捕集在真空容器610的內(nèi)壁上。通過將中性氣體分子捕集在內(nèi)壁上，可以形成不含雜質(zhì)的等離子體流，電位體609上可以獲得純度高的內(nèi)包富勒烯。特別是在設(shè)置筒607的情況下，優(yōu)選至少冷卻從該筒607的下游側(cè)端至電位體609之間的真空容器610的內(nèi)壁。真空容器610的內(nèi)壁溫度優(yōu)選在室溫或以下，更優(yōu)選在0℃或以下。通過設(shè)置成這種溫度，容易進(jìn)行中性分子的捕集，可以高效獲得更高純度的內(nèi)包富勒烯。
在本示例中，在等離子體流660的中途設(shè)置銅制的筒607以罩住等離子體流660，該筒607上設(shè)有孔，從該孔將富勒烯導(dǎo)入等離子體流660中。這時，筒607優(yōu)選加熱到可再升華的溫度，優(yōu)選為400～650℃。被導(dǎo)入筒607后，等離子體中沒被離子化而是附著在內(nèi)面的富勒烯被再次升華。在筒607的溫度低于400℃的情況下，不能有效地進(jìn)行再升華。在高于650℃的情況下，因C60更多地再升華，不能用于與氣體原子反應(yīng)而得到內(nèi)包富勒烯的C60會增加，存在不能有效地利用C60的問題。因此，筒607的溫度優(yōu)選在400～650℃。
更優(yōu)選在480～620℃。在低于480℃的情況下，富勒烯離子的密度變低，內(nèi)包富勒烯的收率降低。而超過620℃時，沒被離子化的中性富勒烯的量增多，內(nèi)包化率下降。
筒607的內(nèi)徑優(yōu)選設(shè)定為等離子體流660的直徑的2.5～3.0倍，更優(yōu)選為2.7～2.8倍。不足2.5倍時，等離子體流660和筒607的相互作用變大，等離子體流的保持性降低，進(jìn)爾內(nèi)包富勒烯的收率降低。在超過3.0倍時，等離子體的持續(xù)時間變短，進(jìn)爾內(nèi)包富勒烯的收率降低。
在非專利文獻(xiàn)1所示的裝置中，每個裝置的收率是不同的。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了筒的內(nèi)徑影響收率。特別是發(fā)現(xiàn)收率依賴于等離子體流660的直徑和筒607的直徑間的關(guān)系，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)在限定為2.5～3.0倍的范圍內(nèi)時收率顯著提高。
在筒607上設(shè)置有富勒烯導(dǎo)入口652。富勒烯導(dǎo)入口652處的導(dǎo)入角度的擴(kuò)展角度θ優(yōu)選為90～120°。通過將θ設(shè)定在這個范圍可以高效地向等離子體流660中導(dǎo)入富勒烯651，提高內(nèi)包富勒烯的收率。另外，要改變θ時，例如改變富勒烯的導(dǎo)入噴嘴徑和長度之比即可。
在圖1所示的示例中，富勒烯是從圖的上下方導(dǎo)入，但也可以從圖的側(cè)面導(dǎo)入，此外也可以從前述的兩個方向同時進(jìn)行導(dǎo)入。
另外，筒607整體也可以不是同直徑的。例如富勒烯導(dǎo)入口652位置處的直徑可以為等離子體流的3.0倍，下游側(cè)的直徑可以為2.5倍，這樣向著下游方向直徑減小，這種結(jié)構(gòu)能防止等離子體流的擴(kuò)大，能提高內(nèi)包富勒烯的收率。
富勒烯的導(dǎo)入速度也可以通過富勒烯升華用爐溫的上升率來進(jìn)行控制。溫度上升率優(yōu)選為100℃/分或以上。作為上限，以不產(chǎn)生突然沸騰的溫度上升率為準(zhǔn)。
真空容器610內(nèi)也可以設(shè)置用于測定電位體609之前的離子分布的離子測定用探頭。探頭發(fā)出的信號被傳送給探頭電路及計算機(jī)，根據(jù)該信號就能控制施加給電位體609的偏壓。
在本示例中，電位體609被分割成圖4所示的同心圓狀。在圖4所示的示例中，被分割成三個電位體5a、5b、5c。即中心部的電位體5a是圓形，在該電位體5a的外周配置有與電位體5a電絕緣的環(huán)狀電位體5b、5c。另外，電位體的數(shù)目不局限于三個。在各電位體5a、5b、5c上設(shè)置有偏壓施加機(jī)構(gòu)7a、7b、7c，可以獨(dú)立地施加偏壓。此外，電位體的形狀如果不受真空容器610的形狀的限制的話，則不局限于圓形乃至圓環(huán)狀，也可以是方形乃至方形環(huán)狀或其它形狀。
以等離子體發(fā)生室半徑為R、內(nèi)包對象原子的拉莫爾半徑為RL，則中心部的電位體5a的半徑優(yōu)選設(shè)置在R+2RL至R+3RL的范圍。
從筒607的孔導(dǎo)入而沒被離子化的富勒烯沿著等離子體流移動，附著在中心部的電位體5a上。另外，被離子化的內(nèi)包對象原子受磁場的影響沿螺旋狀路線移動，通過對附著在中心部的電位體5a上的沒被離子化的富勒烯進(jìn)行碰撞，生成內(nèi)包富勒烯。沿螺旋狀路線移動著的內(nèi)包對象原子離子的拉莫爾半徑為RL時，等離子體流的半徑相對等離子體發(fā)生室的半徑會增大2RL。
拉莫爾半徑RL與磁場強(qiáng)度B成反比，例如B＝0.3T、等離子體溫度為2500℃的條件下，可估計氫原子為RL＝0.27mm、氮原子為RL＝1.0mm，鈉原子為RL＝1.1mm。
此外，拉莫爾半徑RL與內(nèi)包對象原子的移動速度v成比例。從磁場強(qiáng)度等導(dǎo)出的內(nèi)包對象原子的標(biāo)準(zhǔn)移動速度為v0時，從統(tǒng)計力學(xué)來看，移動速度v在0.5v0～1.5v0范圍的概率在0.5或以上。也就是說，中心部的電位體5a的半徑為R+3RL時，5成或以上的內(nèi)包對象原子碰撞電位體5a。因此，中心部電位體5a的半徑優(yōu)選設(shè)置在R+2RL和R+3RL的范圍。
在中心部電位體5a中富勒烯離子優(yōu)選成為在等離子體流660的中心具有其濃度峰值的分布，由此能提高內(nèi)包率。為此可以控制偏壓。最適合的偏壓根據(jù)內(nèi)包對象原子、富勒烯種類等其它成膜條件而變化，可以預(yù)先通過試驗來把握。
例如，內(nèi)包對象原子使用氫或氮而富勒烯使用C60時，中心部的電位體5a上優(yōu)選施加-5V＜φap＜+20V的偏壓。特別優(yōu)選施加0V≤φap≤+18V。內(nèi)包對象原子使用鹵素氣體的情況下，中心部電位體5a上優(yōu)選施加-20V或以下的負(fù)偏壓。內(nèi)包對象原子使用鈉氣體或鉀氣體的情況下，中心部電位體5a上優(yōu)選分別施加+70V或以上、+80V或以上的偏壓。
另外，即使在不分割電位體609而使電位體整面成為同一偏壓的情況下，也可通過使堆積條件最優(yōu)化來形成內(nèi)包富勒烯。
進(jìn)而即使中心部電位體5a上不施加偏壓而設(shè)置成漂置狀態(tài)的情況下，也可通過使堆積條件最優(yōu)化來形成內(nèi)包富勒烯。
與中心部電位體5a一樣，外側(cè)的電位體5b、5c也可以設(shè)定為漂置電位狀態(tài)或偏壓施加狀態(tài)的任一種。即使外側(cè)電位體5b、5c雙方都成為漂置狀態(tài)，也會在電位體5b上堆積與以往同樣量的內(nèi)包富勒烯。因此，中心部的電位體5a的收率增高的部分使得整體的收率變高。
不用說，根據(jù)成膜條件的變動，在與電位體5b對應(yīng)部分的富勒烯密度降低的情況下，也可以對電位體5b施加偏壓以提高富勒烯離子的密度?？梢允褂秒x子測定用探頭在成膜中不斷地測定離子的分布，并利用計算機(jī)自動控制施加給電位體5b、5c的偏壓。同樣也可以自動控制施加給電位體5a的偏壓。
真空容器610上設(shè)置有排氣泵10，可以把真空容器610內(nèi)排氣成真空。真空容器610內(nèi)的初期真空度優(yōu)選在10-4Pa或以下。更優(yōu)選在10-6Pa或以下。在比10-6Pa低真空的情況下，內(nèi)包富勒烯的外部附著有一個OH-基，附著了OH-基的內(nèi)包富勒烯具有化學(xué)穩(wěn)定性。因此，保存性良好。另一方面，在比10-6Pa高真空的情況下，獲得未附著OH-基的富勒烯。這種內(nèi)包富勒烯的內(nèi)包原子是離子原子，其原因不明確。
另外，真空容器610乃至筒607的表面優(yōu)選形成由鉻氧化膜構(gòu)成的鈍態(tài)膜(實質(zhì)上不含有鐵氧化膜的鈍態(tài)膜)，特別優(yōu)選只使用鉻氧化膜。從而水分附著少，即使附著也容易吹掉。此外，優(yōu)選形成氧或水分附著少，并且即使附著也容易脫附的膜。
還有，導(dǎo)入的氣體中的雜質(zhì)(特別是水分、氧)的濃度優(yōu)選在10ppb或以下。更優(yōu)選1ppb或以下，進(jìn)一步優(yōu)選100ppt或以下。
作為本發(fā)明的富勒烯，例如Cn中可列舉出n＝60、70、74、82、84、…。
從前述筒607的下游側(cè)端至前述電位體609的距離Id和筒長度Ic的關(guān)系為Id≥2Ic的情況下，電位體上堆積的膜中的中性富勒烯濃度可以進(jìn)一步降低。即膜中的內(nèi)包富勒烯的濃度可以進(jìn)一步提高。
實施方案2圖5表示第二種實施方案。
在第一種實施方案中，電位體是基板。在本示例中電位體使用網(wǎng)狀體680。優(yōu)選分割使用這一點(diǎn)等方面與第一種實施方案相同。
在第一種實施方案中，內(nèi)包富勒烯在基板上堆積。與此相對應(yīng)，在本示例中，內(nèi)包富勒烯將通過網(wǎng)狀電位體680。在電位體680下游側(cè)設(shè)置有圖6所示的收容容器690的話，能使內(nèi)包富勒烯收容在收容容器690內(nèi)。
在第一種實施方案中，基板上堆積的量是有限度的。因此，由于該限度就必須更換基板，連續(xù)操作受到限制。與此相對應(yīng)，本方案中收容容器690充滿前可以連續(xù)操作。若收容容器690使用任意大小的話，則在圖1所示的原料容器606內(nèi)的富勒烯用完之前可以連續(xù)作業(yè)。并且，還可設(shè)計成能給原料容器606補(bǔ)充富勒烯。
另外，收容容器690的直徑優(yōu)選設(shè)置為第一實施方案的電位體5a的直徑。此外收容容器690也可以是雙層結(jié)構(gòu)或三層結(jié)構(gòu)。各自的直徑也可以分別與第一實施方案的電位體5a、5b、5c的直徑相同。
使獲得的內(nèi)包富勒烯附著OH基等化學(xué)修飾基，就能獲得各種效果。例如可以獲得下述效果通過對那些因電不穩(wěn)定性而不能獲得所期待的效果的內(nèi)包富勒烯附著修飾基而使其穩(wěn)定作業(yè)；利用于結(jié)合多個內(nèi)包富勒烯分子而使它們聚合化。
實施例實施例1用圖1所示的裝置形成了氫內(nèi)包含C60富勒烯(記載為「H@C60」)。
在本實施例中，真空容器610是由表面形成有由鉻氧化物構(gòu)成的鈍態(tài)膜的不銹鋼結(jié)構(gòu)。尺寸使用直徑為100mm、長度為1200mm。
另外，等離子體發(fā)生室611使用ф20mm的石英。按圖2所示卷繞線圈，施加了相位差180°的13.56MHz的高頻率。
氣體使用了雜質(zhì)濃度為10ppb或以下的氫氣。并且，真空容器610內(nèi)的真空度為1×10-4Pa，磁場強(qiáng)度B為B＝0.3T。
在等離子體流660的中途設(shè)置帶孔的不銹鋼制的筒607。筒607的內(nèi)徑為55mm。筒607被加熱到約400℃。
隨后從筒607的孔導(dǎo)入富勒烯。
另外，電位體609使用三分割類型。中心部的電位體5a直徑為14mm，其外側(cè)的電位體5b的直徑為32mm，更外側(cè)的電位體5c的直徑為50mm。
在中心部的電位體5a上，作為偏壓Δφap(＝φap-φs)施加了Δφap＝5V。電位體5b、5c為漂置電位狀態(tài)。另外，φap是直流電壓，φs是等離子體空間電位。
由離子測定用探頭測定的成膜途中離子分布情況表明，獲得了C60-集中到中心區(qū)域的結(jié)果。
成膜30分鐘后，分析了電位體上堆積的內(nèi)包富勒烯(在本實施例中為H@C60)含有薄膜。中心部電位體5a上形成了含有率高的內(nèi)包富勒烯。并且，確認(rèn)了在中心部的外側(cè)電位體5b上的含有內(nèi)包富勒烯的堆積膜。
對獲得的內(nèi)包富勒烯在沒有暴露于大氣中的條件下進(jìn)行了分析，結(jié)果富勒烯的外側(cè)附有一個OH基。只附著一個OH基，則認(rèn)為是內(nèi)包富勒烯處于一價正離子狀態(tài)，處于正離子狀態(tài)表示內(nèi)包的H原子是H+。不過因OH基附著，內(nèi)包富勒烯整體是中性的。
實施例2在本實施例中，調(diào)查筒607的直徑的影響。
筒607的內(nèi)徑D設(shè)為30mm、40mm、48mm、50mm、60mm、70mm、80mm、100mm，進(jìn)行與實施例1相同的成膜，調(diào)查內(nèi)包富勒烯的收率。
如果將實施例1時(Dc＝55mm時)的中心部電位體上的收率定為1，則獲得以下收率。此外，括號內(nèi)的數(shù)字是指與等離子體發(fā)生室的內(nèi)徑之比。
30mm(1.5)0.640mm(2.0)0.748mm(2.4)0.850mm(2.5)0.9555mm(2.8)1
60mm(3.0)0.9570mm(3.5)0.780mm(4.0)0.5100mm(5.0) 0.5與等離子體發(fā)生室內(nèi)徑之比在2.5～3.0的范圍內(nèi)的情況與其它范圍內(nèi)的情況相比較，可以看出收率非常良好。
實施例3在本實施例中使用網(wǎng)狀電位體。
即使在本實施例中，也獲得了與實施例2相同的良好收率，并且還能連續(xù)操作。
實施例4在本實施例中，真空容器610內(nèi)的真空度為10-6Pa。
對獲得的內(nèi)包富勒烯在沒有暴露于大氣中的條件下進(jìn)行分析，結(jié)果富勒烯的外側(cè)沒有附著OH基，并且，也沒有其它修飾基。雖然在實施例1中附著有OH基，但認(rèn)為該OH基是因制造過程中環(huán)境氣體中存在的水分或氧所致。
實施例5作為各個導(dǎo)電性高分子中的摻雜劑，分別添加了非內(nèi)包富勒烯(內(nèi)部不含有原子的富勒烯)和實施例1制造的內(nèi)包富勒烯、實施例4制造的內(nèi)包富勒烯。
該導(dǎo)電性高分子設(shè)置成層狀，進(jìn)而形成電極而制造了電子元件。另外，按照實施例4所采用的步驟，在10-6Pa的真空中制造了電子元件。
調(diào)查該電子元件的特性，作為特性，調(diào)查了(光電流)/(暗電流)。
①添加非內(nèi)包富勒烯；②添加實施例1的內(nèi)包富勒烯；③添加實施例4的內(nèi)包富勒烯；在②的情況下，與①的情況相比，獲得約1.5倍的(光電流)/(暗電流)值。
在③的情況下，與①的情況相比，獲得約2倍的(光電流)/(暗電流)值。
因此，②、③情況下的電子元件可以有效地用作太陽電池、光傳感器。
實施例6等離子體發(fā)生室的線圈卷繞方向按照圖3所示的方法進(jìn)行。
其它點(diǎn)與實施例1相同。
在本實施例中，與實施例1的情況相比，獲得了更高的內(nèi)包富勒烯收率。
實施例7在本實施例中，代替氫氣而使用氮?dú)?，獲得的結(jié)果與實施例1大致相同。
根據(jù)本發(fā)明，能高收率地獲得氣體原子內(nèi)包富勒烯。這些氣體原子內(nèi)包富勒烯中特別是內(nèi)包氮離子的富勒烯，由于氮原子具有的特征性的電子結(jié)構(gòu)而被期待應(yīng)用于自旋電子設(shè)備、量子計算機(jī)中。
權(quán)利要求
1.一種氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，該裝置具有以下部分帶有可將含有內(nèi)包對象原子的氣體導(dǎo)入內(nèi)部的氣體導(dǎo)入口并用于產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生室；與該等離子體發(fā)生室連通以形成等離子體流，并將富勒烯導(dǎo)入該等離子體流中，使至少一部分富勒烯離子化的真空容器；以及使被離子化的內(nèi)包對象原子和富勒烯結(jié)合以形成氣體原子內(nèi)包富勒烯的機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述氣體含有在等離子體中電離成電子和帶正電位的內(nèi)包對象原子離子的內(nèi)包對象原子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，用于控制所述等離子體流中電子的能量的機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述真空容器內(nèi)的所述等離子體發(fā)生室一側(cè)，通過能量被控制了的電子附著在導(dǎo)入真空容器的所述富勒烯上而形成帶負(fù)電位的富勒烯離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述電子能量控制在10eV或以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求3記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述電子的能量控制在5eV或以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述內(nèi)包對象原子是氫原子或氮原子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述氣體含有在等離子體中電離成帶負(fù)電位的內(nèi)包對象原子離子的內(nèi)包對象原子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，通過把所述富勒烯導(dǎo)入所述等離子體流中，富勒烯中的電子被撞擊出來而形成帶正電位的富勒烯離子。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述內(nèi)包對象原子是鹵素氣體的原子。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，使被離子化的內(nèi)包對象原子和富勒烯結(jié)合形成氣體原子內(nèi)包富勒烯的機(jī)構(gòu)是被施加了與內(nèi)包對象原子離子所帶電的電位同極性的偏壓的電位體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述電位體在半徑方向是被分割的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述被分割的電位體分別被施加不同的電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述電位體是基體。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至12任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述電位體是網(wǎng)狀體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，在所述網(wǎng)狀體的下游側(cè)設(shè)置有用于收容形成的氣體內(nèi)包富勒烯的收容容器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述收容容器是可自由裝卸的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述等離子體發(fā)生室由絕緣材料制成，并且在其外周部卷繞有線圈，使得該線圈中流過高頻電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，多個線圈中流過相互位相不同的RF電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求17記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，在所述等離子體發(fā)生室的外周部的一部分上螺旋狀地卷繞有第一線圈，在另一部分上螺旋狀地卷繞有第二線圈，所述第一、第二線圈中流過位相不同的RF電流。
20.根據(jù)權(quán)利要求10至19任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述偏壓是可變的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，使-100V＜Δφap＜+100V的偏壓Δφap施加到配置在被分割的電位體的中心部的部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求11至21記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，當(dāng)所述等離子體發(fā)生室的半徑為R，內(nèi)包對象原子的拉莫爾半徑為RL時，配置在中心部的電位體的半徑在R+2RL～R+3RL的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求10至22任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，在所述電位體之前設(shè)置有用于測定等離子體流中的富勒烯離子和內(nèi)包對象原子離子的分布的機(jī)構(gòu)，并根據(jù)來自該機(jī)構(gòu)的信號控制所施加的偏壓。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，在所述真空容器內(nèi)，在所述等離子體流中的途中設(shè)置有其內(nèi)徑為該等離子體流直徑的2.5～3.0倍的筒。
25.根據(jù)權(quán)利要求24記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，從所述筒的下游側(cè)端至所述電位體的距離Id與所述筒的長度c的關(guān)系為Id≥2Ic。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，設(shè)置有用于對至少從所述筒的下游側(cè)端至下游側(cè)的所述真空容器的壁進(jìn)行冷卻的機(jī)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1至26任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置，其特征在于，所述等離子體發(fā)生室乃至真空容器的內(nèi)面是由以鉻氧化物為主成分的鈍態(tài)膜構(gòu)成。
28.一種氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，利用權(quán)利要求1至27任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造裝置。
29.一種氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，其包括以下工序把含有內(nèi)包對象原子的氣體導(dǎo)入至等離子體發(fā)生室的工序；在該等離子體發(fā)生室內(nèi)產(chǎn)生等離子體的工序；從產(chǎn)生的等離子體形成等離子體流的工序；在等離子體流中導(dǎo)入富勒烯以使該富勒烯離子化的工序；使內(nèi)包對象原子離子和富勒烯離子結(jié)合以形成內(nèi)包富勒烯的工序。
30.根據(jù)權(quán)利要求29記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述氣體含有在等離子體中電離成電子和帶正電位的內(nèi)包對象原子離子的內(nèi)包對象原子。
31.根據(jù)權(quán)利要求30記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，還包括控制所述等離子體流中電子的能量以使該電子附著在所述富勒烯上，形成帶負(fù)電位的富勒烯離子的工序。
32.根據(jù)權(quán)利要求31記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述電子的能量控制在10eV或以下。
33.根據(jù)權(quán)利要求31記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述電子的能量控制在5eV或以下。
34.根據(jù)權(quán)利要求29記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述氣體含有在等離子體中電離成帶負(fù)電位的內(nèi)包對象原子離子的內(nèi)包對象原子。
35.根據(jù)權(quán)利要求34記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，還包括通過把所述富勒烯導(dǎo)入所述等離子體流中來撞擊出富勒烯中的電子而形成帶正電位的富勒烯離子的工序。
36.根據(jù)權(quán)利要求29至35任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述等離子體發(fā)生室由絕緣材料制成，并且在其外周部卷繞有線圈，使得該線圈中流過高頻電流。
37.根據(jù)權(quán)利要求36記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，螺旋狀地卷繞有一對線圈，該對線圈中流過位相不同的RF電流。
38.根據(jù)權(quán)利要求36記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，在所述等離子體發(fā)生室的外周部的一部分上螺旋狀地卷繞有第一線圈，在另一部分上螺旋狀地卷繞有第二線圈，所述第一、第二線圈中流過位相不同的RF電流。
39.根據(jù)權(quán)利要求29至38任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，在所述真空容器內(nèi)的等離子體流的下游側(cè)，使富勒烯離子和內(nèi)包對象原子離子的相對速度變小。
40.根據(jù)權(quán)利要求39記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，在所述真空容器內(nèi)的等離子體流的下游側(cè)設(shè)置有電位體，通過對該電位體施加與等離子體流中的內(nèi)包對象原子離子所帶的電位同極性的偏壓來降低內(nèi)包對象原子離子的速度。
41.根據(jù)權(quán)利要求29至40任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，使富勒烯離子的濃度成為在等離子體流中心具有其峰值的分布。
42.根據(jù)權(quán)利要求40記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述電位體在半徑方向上被分割，并對被分割的電位體各自施加不同的電壓。
43.根據(jù)權(quán)利要求40至42任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述電位體是基體。
44.根據(jù)權(quán)利要求40至42任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述電位體是網(wǎng)狀體。
45.根據(jù)權(quán)利要求44記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，用于收容形成的氣體原子內(nèi)包富勒烯的收容容器設(shè)置在所述網(wǎng)狀體的下游側(cè)。
46.根據(jù)權(quán)利要求29至45任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯的制造方法，其特征在于，所述真空容器的初期真空度在10-4Pa或以下。
47.一種氣體原子內(nèi)包富勒烯，其特征在于，是利用權(quán)利要求29至46任一項記載的方法制造的。
48.一種氣體原子內(nèi)包富勒烯，其特征在于，在富勒烯的內(nèi)部內(nèi)包有氫離子、氮離子或鹵素氣體離子。
49.根據(jù)權(quán)利要求48記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯，其特征在于，外部沒有附著修飾基。
50.根據(jù)權(quán)利要求48記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯，其特征在于，外部附著有修飾基。
51.一種電子元件，其特征在于，在導(dǎo)電性高分子中含有權(quán)利要求47至50任一項記載的氣體原子內(nèi)包富勒烯。
52.根據(jù)權(quán)利要求51記載的電子元件，其特征在于，所述電子元件是太陽電池或光傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供了能高收率地制造的氣體內(nèi)包富勒烯的內(nèi)包富勒烯制造方法和制造裝置。該裝置具有用于產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生室(611)和真空容器(610)，所述等離子體發(fā)生室(611)具有用于把含有內(nèi)包對象原子的氣體(630)導(dǎo)入內(nèi)部的氣體導(dǎo)入口(650)，所述真空容器(610)與前述等離子體發(fā)生室(611)連通以形成等離子體流(660)，且能向該等離子體流(660)中導(dǎo)入富勒烯(651)，該真空容器(610)內(nèi)的等離子體發(fā)生室(611)一側(cè)設(shè)置有用于控制等離子體流中電子的能量的機(jī)構(gòu)(能量控制機(jī)構(gòu))(604)，同時在下游側(cè)設(shè)置有電位體(609)，該電位體通過調(diào)整內(nèi)包對象原子離子的速度而使其與富勒烯離子結(jié)合形成內(nèi)包富勒烯。
文檔編號H05H1/46GK1771194SQ200480009329
公開日2006年5月10日 申請日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月7日
發(fā)明者畠山力三, 平田孝道, 笠間泰彥, 表研次 申請人:理想星株式會社