処理板及び処理方法
【課題】二酸化炭素を効率よく還元することができる処理板及び処理方法を提供する。
【解決手段】二酸化炭素の処理板１は、基板２と、基板２上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜３とを備える。処理膜３は二酸化炭素を吸着し、加熱により還元する属性を有している。基板２は、（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウム、（０００１）面を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアのいずれか一つにより構成される。
【解決手段】二酸化炭素の処理板１は、基板２と、基板２上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜３とを備える。処理膜３は二酸化炭素を吸着し、加熱により還元する属性を有している。基板２は、（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウム、（０００１）面を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアのいずれか一つにより構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理板及び処理方法に関する。特に、二酸化炭素吸着用の処理板、二酸化炭素還元用の処理板及び二酸化炭素を処理する処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化マグネシウム（以下「ＭｇＯ」ともいう）は、薄膜成長のための基板として用いられることがある。成長基板としてＭｇＯを用いる場合には、成長薄膜の格子定数に対するＭｇＯ基板の格子定数のマッチングが考慮される。例えば、薄膜を成長させるＭｇＯの結晶面として、面方位が（１００）である面が用いられる。ＭｇＯの（１００）面は、陽イオンであるＭｇ２＋及び陰イオンであるＯ２−が等量露出しており、静電的に安定している。
【０００３】
また、ＭｇＯは、単体又は貴金属等と組み合わせることにより、触媒能を有することが知られている。例えば、非特許文献１には、ＭｇＯを用いて二酸化炭素を一酸化炭素に還元する方法が記載されている。この方法では、紫外線照射下においてＭｇＯ上の水素を還元剤として用いて二酸化炭素を還元している。すなわち、表面に水素を有するＭｇＯに紫外線を照射することにより、ＭｇＯの表面のギ酸イオンを介して二酸化炭素の還元処理を行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Y.Kohno et al., Phys. Chem. Chem. Phys.3 1108, 2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１に記載された方法では、ＭｇＯ上に水素が存在している必要がある。また、二酸化炭素を一酸化炭素に還元するために紫外線の照射が必要であり、紫外線照射に伴う多量のエネルギーが必要である。このため、当技術分野では二酸化炭素を効率的に吸着及び還元することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る処理板は、基板と、基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素吸着用の処理膜と、を備える。
【０００７】
この処理板は、二酸化炭素を吸着するための処理膜を備えている。この処理膜は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる。酸化マグネシウムの（１１１）面は、陽イオンであるＭｇ２＋のみが露出した面、或いは陰イオンであるＯ２−のみが露出した面である。このため、処理膜の表面は静電的に不安定であるので、二酸化炭素を効率よく吸着する属性を有する。
【０００８】
また、本発明の他の側面に係る処理板は、基板と、基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素還元用の処理膜と、を備える。
【０００９】
この処理板は、二酸化炭素を還元するための処理膜を備えている。この処理膜は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる。このため、処理膜の表面は静電的に不安定であるので、例えば加熱することで二酸化炭素を効率よく還元する属性を有する。
【００１０】
一実施形態では、基板は、結晶構造を有する無機材料により形成されていることが好ましい。このような基板によれば、基板上に（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜が形成された処理板を好適に得ることができる。
【００１１】
一実施形態では、基板の結晶構造は、処理膜が形成される主面における法線に沿った方向に関して３回対称性又は６回対称性を有することが好ましい。このような基板によれば、基板上に（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜が形成された処理板を好適に得ることができる。
【００１２】
一実施形態では、基板は、（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウム、（０００１）面を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアのいずれか一つにより構成されていてもよい。このような材料によれば、基板の主面上に（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜が形成された処理板を好適に得ることができる。
【００１３】
本発明のさらに他の側面に係る処理方法は、基板、及び基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜を備える処理板を用いて、処理膜に二酸化炭素を吸着させる吸着工程を備える。
【００１４】
この処理方法は、二酸化炭素を吸着するための処理板を用いている。この処理板は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜を有する。このため、処理膜の表面は静電的に不安定であるので、二酸化炭素を効率よく吸着することができる。
【００１５】
一実施形態では、吸着工程の後、処理膜を加熱して処理膜に吸着された二酸化炭素を還元する還元工程をさらに備えてもよい。この還元工程では、静電的に不安定な表面を有する処理膜を加熱することで、二酸化炭素を効率よく還元することができる。
【００１６】
一実施形態では、還元工程において処理膜の温度を５０℃以上に加熱してもよい。これによれば、処理膜の温度を５０℃以上にすることにより、表面に吸着した二酸化炭素の還元を生じさせることができる。
【００１７】
一実施形態では、吸着工程の前に、処理膜を加熱することにより表面上の付着物を除去する除去工程をさらに備えてもよい。これによれば、付着物を除去することにより、異物の付着により低下した二酸化炭素の吸着特性を回復させることが可能となる。従って、処理膜の表面に二酸化炭素をさらに効率よく吸着させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、二酸化炭素を効率的に吸着及び還元する処理板及び処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】処理板の構成を説明するための図である。
【図２】ＭｇＯの結晶構造を模式的に示す図である。
【図３】製造装置の主な構成を説明するための図である。
【図４】還元装置の主な構成を説明するための図である。
【図５】処理方法の一例を示すフロー図である。
【図６】実施例に係る処理膜のＸＲＤ回折パターンである。
【図７】（ａ）は実施例に係る処理膜の特性を説明するための図であり、（ｂ）は比較例に係る処理膜の特性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２１】
本実施形態に係る処理板の構成について説明する。図１は、処理板１の構成を説明するための図である。処理板１は、基板２と処理膜３とを備えている。この処理膜３は二酸化炭素吸着用の処理膜であると共に、二酸化炭素還元用の処理膜である。
【００２２】
基板２とは、無機材料により形成される板状物であり、好ましくはチタン酸ストロンチウム、サファイア、又はイットリア安定化ジルコニア等の１種以上で形成される結晶、又は非結晶構造物である。この基板２の好ましい結晶構造は、主面２ａの法線に沿った方向に関して３回対称性又は６回対称性を有する。基板２として、例えば、（１１１）面を表面とするチタン酸ストロンチウム（以下「ＳｒＴｉＯ３」ともいう）、（０００１）面を表面とするサファイア（以下「Ａｌ２Ｏ３」ともいう）、又は（１１１）面を表面とするイットリア安定化ジルコニア（以下「ＹＳＺ」ともいう）などが用いられる。
【００２３】
ＳｒＴｉＯ３は、三酸化チタン（IV）ストロンチウムとも呼ばれ、複合酸化物でありペロブスカイト型の結晶構造を有する。さらに、基板２を構成するＳｒＴｉＯ３等には不純物がドープされてもよい。不純物がドープされた基板２では、基板２に電圧を印加すると電流が流れるため、抵抗発熱により基板が加熱される。よって、基板に印加する電圧を制御することにより処理膜の温度を制御することが可能となるので、還元を容易に制御することができる。不純物としては、例えばニオブ（以下「Ｎｂ」ともいう）が用いられる。不純物であるＮｂのドープ量は、例えば０．０１〜０．５重量パーセントである。また、基板２は、例えば、面方位が（１１１）に配向された主面２ａを有する。
【００２４】
処理膜３は、基板２の主面２ａ上に形成されている。処理膜３は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる表面３ａを有している。処理膜３の厚さは、例えば０．５〜１００ｎｍであり、好ましくは５〜２０ｎｍである。さらに好ましい処理膜３の厚さは７〜１５ｎｍである。
【００２５】
ここで、一般的なＭｇＯの結晶構造を説明する。図２は、ＭｇＯの結晶構造を模式的に示す図である。ＭｇＯは、立方晶系である塩化ナトリウム型の結晶構造を有し、天然に存在するＭｇＯの表面は面方位は（１００）である。原子スケールで平坦化されたＭｇＯの（１００）面は、陽イオンであるＭｇ２＋と、陰イオンであるＯ２−とが等量露出した面であり、電気的に中性であるために安定な面である。
【００２６】
一方、本実施形態に係る処理膜３は、面方位が（１１１）である結晶面ＣＦからなる表面３ａを有する。この結晶面ＣＦには、陽イオンであるＭｇ２＋のみが露出した面、又は陰イオンであるＯ２−のみが露出した面が露出している。このために、結晶面ＣＦは、電気的にプラス又はマイナスに帯電しており、静電的に不安定な面である。このような結晶面ＣＦは二酸化炭素（以下「ＣＯ２」ともいう）を吸着し、加熱により還元する属性を有している。
【００２７】
なお、処理膜３の表面３ａは原子レベルで平坦である必要はない。結晶面が原子スケールで平坦化されているとは、結晶面が完全に平坦な場合のみに限定されない。すなわち、実際に原子レベルで平坦化された結晶面を作成した場合、原子レベルで見ると結晶の表面は微小に傾いている。このとき、結晶の表面には原子層に相当するステップ構造が形成されているが、このような場合も結晶面が原子レベルで平坦である場合に含まれる。
【００２８】
次に、処理板１の製造方法について説明する。処理板１の製造には、例えばレーザアブレーション法を用いることが可能である。レーザアブレーション法によれば、比較的広い成膜条件下において処理板１を製造することができる。
【００２９】
図３は、製造装置１０の構成を説明するための図である。製造装置１０は、チャンバ１１、基板２及びターゲット１２を備えている。なお、基板２の材料として、ここではＳｒＴｉＯ３を用いた例を説明する。
【００３０】
チャンバ１１は、基板２及びターゲット１２を収容する内部領域１１ａを有している。さらに、このチャンバ１１には、窓１３、排気装置１４、レーザ光源１５、加熱装置１６及びガス導入装置１８を備えている。チャンバ１１は密閉された容器であり、真空排気可能に構成されている。
【００３１】
窓１３は、チャンバ１１の側壁に設けられている。窓１３は光学的に透明に構成されており、この窓１３を介してレーザ光Ｌがチャンバ１１の内部領域１１ａに導光される。排気装置１４は、チャンバ１１の内部領域１１ａを減圧するために用いられる。この排気装置１４は、所定の真空ポンプである、例えばターボ分子ポンプや油拡散ポンプ等を用いることができる。レーザ光源１５は、チャンバ１１の外部に配置され、ターゲット１２に照射されるレーザ光Ｌを発生する。加熱装置１６は、ランプ光源１７を備えている。このランプ光源１７からの光は、基板２に集光される。ガス導入装置１８は、チャンバ１１の内部領域１１ａに所定のガスを導入するための装置である。所定のガスは例えば酸素ガスである。ガス導入装置１８は、ガス源１９、及び弁２０を含んでいる。
【００３２】
ターゲット１２は、チャンバ１１の内部領域１１ａに配置されている。このターゲット１２が、基板２の主面２ａ上に形成される処理膜３の原料である。本実施形態では、ターゲット１２にはＭｇＯ焼結体又はＭｇＯ単結晶が用いられる。本実施形態においてターゲット１２は、基板２に対して鉛直下向きの方向に、基板２から離間して配置されている。ターゲット１２と基板２との距離は任意であるが、製造装置１０の規模に応じて適宜選択する。
【００３３】
続いて、処理板１を製造する工程について説明する。まず、チャンバ１１内に基板２及びターゲット１２を配置する。チャンバ１１内に基板２及びターゲット１２を配置した後に、チャンバ１１の内部を１０−５〜１０−７Ｐａ程度に減圧する。続いて、ガス導入装置１８を用いて外部から酸素ガスを注入し、酸素分圧を例えば１０−２〜１０−５Ｐａ程度に設定する。次に、ランプ光源１７からランプ光を基板２に集光させて、基板２を所定の温度まで加熱する。所定の温度は、例えば４００〜７００℃である。
【００３４】
次に、チャンバ１１の窓１３からレーザ光Ｌをチャンバ１１内に照射する。このレーザ光Ｌはパルスレーザ光であって、高いエネルギー密度を有し、ターゲット１２に照射される。例えば、このレーザ光Ｌは波長が２４８ｎｍであるＫｒＦエキシマレーザ（フッ化クリプトンエキシマレーザ）である。チャンバ１１内に導入されるレーザ光Ｌの総エネルギーは、５０〜１５０ｍＪ程度である。ターゲット１２の表面１２ａにレーザ光Ｌが照射されると、ターゲット１２の表面１２ａにあるＭｇＯが剥離される。剥離されたＭｇＯは、基板２の主面２ａに堆積し、処理膜３を形成する。以上の工程により、ＳｒＴｉＯ３からなる基板２の主面２ａの上に処理膜３が形成された処理板１が製造される。以下、ＭｇＯからなる処理膜及び基板を含めて処理板という。
【００３５】
次に、基板２の材料としてＹＳＺを用いた例を説明する。まず、超平坦化した単結晶基板である（１１１）面を有するＹＳＺの上にＮｉＯ単結晶薄膜を堆積する。堆積方法には、パルスレーザ蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法等を用いることができる。堆積時の基板の温度は、例えば０〜１００℃に設定される。なお、堆積時の基板温度は１０〜５０℃に設定されることが好ましい。また、基板表面の二乗平均粗さＲＲＭＳは、１．０ｎｍ以下であることが好ましい。ＲＲＭＳは、原子間力顕微鏡を用いることにより、例えば、一辺が１μｍの領域を走査することにより算出される。
【００３６】
上記ＹＳＺからなる基板に堆積したＮｉＯ薄膜は、三次元的に堆積された粒子が確認されるのみである。原子スケールで平坦なテラスと分子層ステップの構造は確認されないが、これを高温でアニールする。アニール温度は６００〜１５００℃に設定されることが好ましい。
【００３７】
アニールする場合、ＮｉＯ薄膜表面を、ＹＳＺからなる基板などで覆うことが好ましい。また、ＮｉＯ薄膜を堆積した基板を２枚用いて、ＮｉＯ薄膜表面を内側に挟み込むように２枚を重ねてアニールしてもよい。アニール中の雰囲気は大気又は酸素ガスであることが好ましい。次に、２枚重ねた場合には剥がして１枚の基板にする。これによれば、原子スケールで表面が平坦である単結晶ＮｉＯの（１１１）面（以下「ＮｉＯ（１１１）／ＹＳＺ（１１１）」ともいう）が形成される。
【００３８】
次に、ＮｉＯ（１１１）／ＹＳＺ（１１１）の上に、ＭｇＯをレーザアブレーション法を用いて堆積する。堆積時の基板温度は、５００〜９００℃に設定されることが好ましい。酸素分圧は１０−４〜１Ｐａに設定される。この方法により、単結晶の研磨では存在しない原子スケールで表面が平坦なＭｇＯの（１１１）面を有する処理膜が得られる。以上の工程により、ＹＳＺからなる基板２の上にＮｉＯ薄膜を介して処理膜３が形成された処理板１が製造される。
【００３９】
次に、処理板１を用いたＣＯ２の処理方法について説明する。まず、処理装置５について説明する。図４は、処理装置５の構成を説明するための図である。処理装置５は、チャンバ２１、処理板１を備えている。
【００４０】
チャンバ２１は、処理板１を収容する領域２１ａを有している。さらに、このチャンバ２１は、排気装置１４Ａ、及びガス導入装置（導入手段）２２、及び加熱装置（加熱手段）２５を備えている。チャンバ２１は密閉された容器であり、真空排気可能に構成されている。排気装置１４Ａは、製造装置１０が有する排気装置１４と同様の構成を有する。ガス導入装置２２は、チャンバ２１の内部領域２１ａにＣＯ２ガスを導入するための装置である。ガス導入装置２２は、ガス源２３、及び弁２４を含んでいる。加熱装置２５は、チャンバ２１内に配置された端子２６、２７と、チャンバ２１の外部に配置された電源２８とを有する。この端子２６、２７の一端は電源２８に接続されている。端子２６、２７の他端は基板２に電気的に接続されている。
【００４１】
次に、処理板１を用いてＣＯ２を吸着させる処理方法について説明する。この処理方法では、ＣＯ２の吸着工程Ｓ１２が実施される。ここで、吸着工程Ｓ１２とは、処理板１の処理膜３の表面３ａにＣＯ２を吸着させる工程をいう。
【００４２】
処理板１をチャンバ２１の内部領域２１ａに配置する。次に、例えば３．０×１０−８Ｐａの真空度になるようにチャンバ２１を減圧する。続いて、ガス導入装置２２を用いて、チャンバ２１内にＣＯ２ガスを導入する。例えば、ＣＯ２分圧は１．０×１０−６Ｐａに設定され、その分圧において処理膜３を５分間晒す。
【００４３】
処理膜３の表面３ａは、ＭｇＯの（１１１）面であるため、ＣＯ２の吸着特性が高い。よって、処理膜３がＣＯ２ガスを含む雰囲気中に晒されている間に表面３ａにＣＯ２が吸着される。なお、ＣＯ２ガスを導入する時間は５分に限定されるものではない。ＣＯ２ガスを導入する時間には特に制限はなく、任意の時間としてよい。また、チャンバ２１の内部領域２１ａを減圧してから、ＣＯ２ガスを導入するまでの時間には特に制限はなく、任意の時間としてよい。以上の工程により、処理板１を用いてＣＯ２を吸着させる処理方法が実施される。
【００４４】
続いて、処理板１を用いてＣＯ２を還元する処理方法について説明する。この処理方法では、ＣＯ２の還元工程Ｓ１４が実施される。ここで、還元工程Ｓ１４とは、処理膜３を加熱することにより処理膜３の表面３ａに吸着されたＣＯ２を還元する工程をいう。
【００４５】
この工程では、まず、ＣＯ２が吸着された処理板１を準備する。ＣＯ２が吸着された処理板１を準備する方法として、上述した処理板１を用いてＣＯ２を吸着させる処理方法を用いてもよい。
【００４６】
次に、ＣＯ２が吸着された処理膜３を加熱する。端子２６、２７を介して電源２８から基板２に電圧を印加する。基板２に電流が流れると、抵抗発熱により基板２が発熱する。これにより処理膜３が加熱される。処理膜３は、例えば毎秒５℃の速度で加熱される。処理膜３の温度は５０℃以上であればよいが、処理膜３の温度は１００〜２００℃の範囲であることがさらに好ましい。なお、処理膜３の温度には特に上限はない。加熱することにより、処理膜３に吸着したＣＯ２が還元され、一酸化炭素（以下「ＣＯ」ともいう）が発生する。以上の工程により、処理板１を用いてＣＯ２を還元する処理方法が実施される。
【００４７】
なお、上述した実施形態は本発明に係る処理板及び処理方法の一例を示すものである。本発明に係る処理板及び処理方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施形態に係る処理板及び処理方法を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４８】
例えば、上述した実施形態では、不純物がドープされている基板２を例に説明したが、これに限定されることはない。基板２として、不純物がドープされていないＳｒＴｉＯ３等を用いてもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態において、処理方法は吸着工程Ｓ１２及び還元工程Ｓ１４以外の所望の工程をさらに備えていてもよい。例えば、吸着工程Ｓ１２を実施する前に、表面３ａ上に付着した付着物を除去する除去工程Ｓ１０を実施してもよい。除去工程Ｓ１０では、処理膜３を加熱することにより、処理膜３の表面３ａに付着した付着物を除去する。まず、図４に示された処理装置５のチャンバ２１内に処理板１を配置する。次に、排気装置１４Ａを用いてチャンバ２１の内部領域２１ａを減圧する。チャンバ２１の内部領域２１ａは、例えば、３．０×１０−８Ｐａの真空度になるように減圧される。続いて、端子２６、２７を介して電源２８から基板２に電圧を印加する。基板２に電流が流れると、抵抗発熱により基板２が発熱する。これにより、基板２の主面２ａ上に形成されている処理膜３が加熱され、処理膜３の表面３ａの付着物が除去される。このとき処理膜３は、例えば７００℃になるように加熱される。なお、図５に示されるように、除去工程Ｓ１０、吸着工程Ｓ１２、還元工程Ｓ１４を一連の工程として実施してもよい。
【００５０】
また、上述した実施形態では、処理板１の製造装置１０と、処理板１を用いた処理方法の実施に用いられる処理装置５とが別の装置である場合を例に説明したが、これに限定されることはない。例えば、処理膜３を形成するための要素であるターゲット１２、レーザ光源１５、加熱装置１６等をさらに備えた処理装置により、処理板１を製造して、処理方法における吸着工程Ｓ１２と還元工程Ｓ１４とを実施してもよい。これによれば、処理板１の製造から処理方法の還元工程Ｓ１４までを同一の装置で実施することができる。
【００５１】
また、処理方法を実施する度に新たな処理板１を製造する必要はなく、予め形成された処理膜３を有する処理板１を用いて、ＣＯ２の処理方法を実施してもよい。
【００５２】
また、上述した実施形態では、処理板１の製造工程において基板２をランプ光源１７からの光により加熱する方法を例に説明したが、これに限定されることはない。基板２の加熱には種々の方法を用いることができる。例えば、ランプ光源１７からの光に代えて、赤外線レーザを用いてもよい。
【００５３】
また、上述した実施形態では、還元工程Ｓ１４において基板２上の処理膜３を抵抗加熱により加熱する方法を例に説明したが、これに限定されることはない。処理膜３の加熱には種々の方法を用いることができる。例えば、ランプ光源１７からの光により加熱してもよいし、赤外線レーザを用いてもよい。
【実施例】
【００５４】
以下、上記効果を説明すべく本発明者が実施した実施例及び比較例について述べる。
【００５５】
（実施例１）
図３に示す製造装置１０を用いて実施例１に係る処理板を作成した。この処理板の作成では、基板の主面に（１１１）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜を形成した。なお、基板はＮｂがドープされた（１１１）面を表面に持つＳｒＴｉＯ３からなる。Ｎｂのドープ量は０．５重量パーセントである。
【００５６】
（比較例１）
図３に示す製造装置１０を用いて比較例１に係る処理板を作成した。この処理板の作成では、基板の表面に（１００）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜を形成した。なお、基板はＮｂがドープされた（１００）面を表面に持つＳｒＴｉＯ３からなる。Ｎｂのドープ量は０．５重量パーセントである。
【００５７】
（構造評価）
実施例１に係る処理膜３の構造評価を行った。図６は、実施例１に係る処理膜のＸ線回折パターンを示す。図６において、グラフＧ１は基板の温度が４００℃であるときに形成された処理膜のパターンであり、グラフＧ２は基板の温度が５００℃であるときに形成された処理膜のパターンである。さらに、図６において、グラフＧ３は基板の温度が６００℃であるときに形成された処理膜のパターンであり、グラフＧ４は基板の温度が７００℃であるときに形成された処理膜のパターンである。また、これらの処理膜は、酸素分圧が１×１０−３Ｐａの環境下において形成された。グラフＧ１〜グラフＧ４を参照すると、いずれの温度条件下においても、ＭｇＯの（１１１）面を示す箇所Ｄ１、及び（２２２）面を示す箇所Ｄ２にピークが現れることが確認された。これにより、基板の温度が４００〜７００℃の範囲において、（１１１）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜が形成されることが確認された。
【００５８】
（吸着特性評価及び還元特性評価）
実施例１に係る処理板１、及び比較例１に係る処理板の吸着特性及び還元特性を評価した。この評価では、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を測定することにより、ＣＯ２の吸着特性を評価した。また、ＣＯのガス昇温脱離特性を測定することにより、ＣＯ２の還元特性を評価した。ガス昇温脱離特性は、四重極質量分析法を用いて測定した。四重極質量分析法は、高周波電圧が印加された４つの電極管にイオンを通過させることによりイオンに摂動を付加し、所望のイオンのみを通過させて、通過したイオンの質量を測定する方法である。この評価では、実施例１として基板の温度が６５０℃の状態において作成された厚さが５０ｎｍの処理膜を備える処理板を用いた。また、比較例１として基板の温度が６５０℃の状態において作成された厚さが５ｎｍの処理膜を備える処理板を用いた。
【００５９】
図７（ａ）は、実施例１に係る処理板のＣＯ２及びＣＯのガス昇温脱離特性を示す。図７（ａ）において、グラフＧ５は、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を示し、グラフＧ６はＣＯのガス昇温脱離特性を示す。グラフＧ５を参照すると、５０℃付近から表面３ａからＣＯ２の脱離が生じていることが確認された。また、グラフＧ６を参照すると、５０℃付近から表面３ａにおけるＣＯ２が還元されてＣＯが発生し、さらに、１００℃付近から多量のＣＯが生じていることが確認された。従って、処理膜３を用いたＣＯ２の還元方法では、紫外線などを照射することなく、ＣＯ２の還元が表面３ａにおいて進行することが確認された。
【００６０】
図７（ｂ）は、比較例１に係る処理板のＣＯ２及びＣＯのガス昇温脱離特性を示す。図７（ｂ）において、グラフＧ７は、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を示し、グラフＧ８はＣＯのガス昇温脱離特性を示す。グラフＧ７を参照すると、５０℃付近から表面からＣＯ２の脱離が生じていることが確認された。一方、グラフＧ７を参照すると、ＣＯの発生量はほぼゼロであり、処理膜を加熱してもＣＯ２が還元されないため、ＣＯが生じないことが確認された。
【００６１】
そして、グラフＧ５とグラフＧ７とを比較すると、実施例１に係る処理膜からのＣＯ２の脱離量は、比較例１に係る処理膜からのＣＯ２の脱離量よりも多いことが確認された。従って、ＭｇＯの（１１１）面からなる表面を有する処理膜は、効率よくＣＯ２を吸着することができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
薄膜基板として天然に存在する（１００）面を表面とするＭｇＯ基板が用いられている。従来、薄膜成長の基板を選ぶときは、主に格子定数の整合が重視され基板表面における触媒能等は重視されていない。一方、第１実施形態に係る処理板１はＣＯ２の還元作用を有する。このため、薄膜等の結晶成長のための基板として、付加価値を有することが可能である。この処理板１は、例えば、ＭＯＣＶＤ等のように分子を反応させつつ基板に堆積させるプロセスを有する処理に用いることができる。
【００６３】
さらに、触媒として、プラチナ、パラジウムなどの貴金属或いは貴金属と酸化物のハイブリッドが用いられている。しかし、これらの物質は希少であり毒性を有する場合もある。一方、本実施形態に係るＣＯ２の処理板及び処理方法によれば、ＭｇＯを用いている。ＭｇＯはありふれた物質であると共に毒性を有していない。従って、本実施形態に係るＣＯ２の処理板及び処理方法は環境汚染を心配する必要がない。
【００６４】
そして、化石燃料の使用によりＣＯ２が増加し続けている。このＣＯ２は化学的に極めて安定であるため、大気圧、室温条件下では他の化学種へ改変することは容易ではない。このため、ＣＯ２を集めて閉じ込めたり、有効に利用する方法が研究されている。本実施形態に係る処理板によれば、ＣＯ２を効率よく吸着することができる。従って、ＣＯ２を容易に貯蔵することが可能となる。
【００６５】
さらに、本実施形態に係るＣＯ２の処理板及び処理方法によれば、ＣＯ２を処理膜に吸着させた後に処理膜を加熱することによりＣＯ２をＣＯに還元することが可能である。従って、容易にＣＯ２を還元することができるため、ＣＯ２を出発原料とした反応工程を実現することが可能となる。従って、ＣＯ２を有効に利用することができる。
【００６６】
また、本実施形態に係る処理膜は基板の上に形成されている。このため、処理板の取り回しを容易にすることができる。さらに基板を介して別の部材と結合させることができる。その上、例えば、不純物がドープされ導電性を有する基板であるとき、基板に印加する電圧を制御することにより処理膜の温度を容易に制御することが可能である。処理膜の温度制御により、処理膜におけるＣＯ２の吸着又は還元（脱離）を容易に制御することができる。また、例えば、黒みを帯びた色の基板等、光の透過率が低い基板であるとき、基板に太陽光が照射されると５０℃程度まで基板の温度が上昇することが考えられる。これによれば、人為的にエネルギーを注入することなく、処理板においてＣＯ２の吸着、還元（脱離）が行われる。そのため、処理板を用いて植物が夜間に吐き出したＣＯ２を吸着して蓄え、昼間に処理板からＣＯ２を脱離させて光合成の原料として用いることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１…処理板、２…基板、３…処理膜、５…処理装置、１０…製造装置、１１，２１…チャンバ、１２…ターゲット、１３…窓、１４，１４Ａ…排気装置、１５…レーザ光源、１６、２５…加熱装置、１７…ランプ光源、１８，２２…ガス導入装置、Ｇ１〜Ｇ８…グラフ、Ｌ…レーザ光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理板及び処理方法に関する。特に、二酸化炭素吸着用の処理板、二酸化炭素還元用の処理板及び二酸化炭素を処理する処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化マグネシウム（以下「ＭｇＯ」ともいう）は、薄膜成長のための基板として用いられることがある。成長基板としてＭｇＯを用いる場合には、成長薄膜の格子定数に対するＭｇＯ基板の格子定数のマッチングが考慮される。例えば、薄膜を成長させるＭｇＯの結晶面として、面方位が（１００）である面が用いられる。ＭｇＯの（１００）面は、陽イオンであるＭｇ２＋及び陰イオンであるＯ２−が等量露出しており、静電的に安定している。
【０００３】
また、ＭｇＯは、単体又は貴金属等と組み合わせることにより、触媒能を有することが知られている。例えば、非特許文献１には、ＭｇＯを用いて二酸化炭素を一酸化炭素に還元する方法が記載されている。この方法では、紫外線照射下においてＭｇＯ上の水素を還元剤として用いて二酸化炭素を還元している。すなわち、表面に水素を有するＭｇＯに紫外線を照射することにより、ＭｇＯの表面のギ酸イオンを介して二酸化炭素の還元処理を行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Y.Kohno et al., Phys. Chem. Chem. Phys.3 1108, 2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１に記載された方法では、ＭｇＯ上に水素が存在している必要がある。また、二酸化炭素を一酸化炭素に還元するために紫外線の照射が必要であり、紫外線照射に伴う多量のエネルギーが必要である。このため、当技術分野では二酸化炭素を効率的に吸着及び還元することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る処理板は、基板と、基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素吸着用の処理膜と、を備える。
【０００７】
この処理板は、二酸化炭素を吸着するための処理膜を備えている。この処理膜は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる。酸化マグネシウムの（１１１）面は、陽イオンであるＭｇ２＋のみが露出した面、或いは陰イオンであるＯ２−のみが露出した面である。このため、処理膜の表面は静電的に不安定であるので、二酸化炭素を効率よく吸着する属性を有する。
【０００８】
また、本発明の他の側面に係る処理板は、基板と、基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素還元用の処理膜と、を備える。
【０００９】
この処理板は、二酸化炭素を還元するための処理膜を備えている。この処理膜は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる。このため、処理膜の表面は静電的に不安定であるので、例えば加熱することで二酸化炭素を効率よく還元する属性を有する。
【００１０】
一実施形態では、基板は、結晶構造を有する無機材料により形成されていることが好ましい。このような基板によれば、基板上に（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜が形成された処理板を好適に得ることができる。
【００１１】
一実施形態では、基板の結晶構造は、処理膜が形成される主面における法線に沿った方向に関して３回対称性又は６回対称性を有することが好ましい。このような基板によれば、基板上に（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜が形成された処理板を好適に得ることができる。
【００１２】
一実施形態では、基板は、（１１１）面を主面とするチタン酸ストロンチウム、（０００１）面を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするイットリア安定化ジルコニアのいずれか一つにより構成されていてもよい。このような材料によれば、基板の主面上に（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜が形成された処理板を好適に得ることができる。
【００１３】
本発明のさらに他の側面に係る処理方法は、基板、及び基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜を備える処理板を用いて、処理膜に二酸化炭素を吸着させる吸着工程を備える。
【００１４】
この処理方法は、二酸化炭素を吸着するための処理板を用いている。この処理板は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜を有する。このため、処理膜の表面は静電的に不安定であるので、二酸化炭素を効率よく吸着することができる。
【００１５】
一実施形態では、吸着工程の後、処理膜を加熱して処理膜に吸着された二酸化炭素を還元する還元工程をさらに備えてもよい。この還元工程では、静電的に不安定な表面を有する処理膜を加熱することで、二酸化炭素を効率よく還元することができる。
【００１６】
一実施形態では、還元工程において処理膜の温度を５０℃以上に加熱してもよい。これによれば、処理膜の温度を５０℃以上にすることにより、表面に吸着した二酸化炭素の還元を生じさせることができる。
【００１７】
一実施形態では、吸着工程の前に、処理膜を加熱することにより表面上の付着物を除去する除去工程をさらに備えてもよい。これによれば、付着物を除去することにより、異物の付着により低下した二酸化炭素の吸着特性を回復させることが可能となる。従って、処理膜の表面に二酸化炭素をさらに効率よく吸着させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、二酸化炭素を効率的に吸着及び還元する処理板及び処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】処理板の構成を説明するための図である。
【図２】ＭｇＯの結晶構造を模式的に示す図である。
【図３】製造装置の主な構成を説明するための図である。
【図４】還元装置の主な構成を説明するための図である。
【図５】処理方法の一例を示すフロー図である。
【図６】実施例に係る処理膜のＸＲＤ回折パターンである。
【図７】（ａ）は実施例に係る処理膜の特性を説明するための図であり、（ｂ）は比較例に係る処理膜の特性を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２１】
本実施形態に係る処理板の構成について説明する。図１は、処理板１の構成を説明するための図である。処理板１は、基板２と処理膜３とを備えている。この処理膜３は二酸化炭素吸着用の処理膜であると共に、二酸化炭素還元用の処理膜である。
【００２２】
基板２とは、無機材料により形成される板状物であり、好ましくはチタン酸ストロンチウム、サファイア、又はイットリア安定化ジルコニア等の１種以上で形成される結晶、又は非結晶構造物である。この基板２の好ましい結晶構造は、主面２ａの法線に沿った方向に関して３回対称性又は６回対称性を有する。基板２として、例えば、（１１１）面を表面とするチタン酸ストロンチウム（以下「ＳｒＴｉＯ３」ともいう）、（０００１）面を表面とするサファイア（以下「Ａｌ２Ｏ３」ともいう）、又は（１１１）面を表面とするイットリア安定化ジルコニア（以下「ＹＳＺ」ともいう）などが用いられる。
【００２３】
ＳｒＴｉＯ３は、三酸化チタン（IV）ストロンチウムとも呼ばれ、複合酸化物でありペロブスカイト型の結晶構造を有する。さらに、基板２を構成するＳｒＴｉＯ３等には不純物がドープされてもよい。不純物がドープされた基板２では、基板２に電圧を印加すると電流が流れるため、抵抗発熱により基板が加熱される。よって、基板に印加する電圧を制御することにより処理膜の温度を制御することが可能となるので、還元を容易に制御することができる。不純物としては、例えばニオブ（以下「Ｎｂ」ともいう）が用いられる。不純物であるＮｂのドープ量は、例えば０．０１〜０．５重量パーセントである。また、基板２は、例えば、面方位が（１１１）に配向された主面２ａを有する。
【００２４】
処理膜３は、基板２の主面２ａ上に形成されている。処理膜３は、（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる表面３ａを有している。処理膜３の厚さは、例えば０．５〜１００ｎｍであり、好ましくは５〜２０ｎｍである。さらに好ましい処理膜３の厚さは７〜１５ｎｍである。
【００２５】
ここで、一般的なＭｇＯの結晶構造を説明する。図２は、ＭｇＯの結晶構造を模式的に示す図である。ＭｇＯは、立方晶系である塩化ナトリウム型の結晶構造を有し、天然に存在するＭｇＯの表面は面方位は（１００）である。原子スケールで平坦化されたＭｇＯの（１００）面は、陽イオンであるＭｇ２＋と、陰イオンであるＯ２−とが等量露出した面であり、電気的に中性であるために安定な面である。
【００２６】
一方、本実施形態に係る処理膜３は、面方位が（１１１）である結晶面ＣＦからなる表面３ａを有する。この結晶面ＣＦには、陽イオンであるＭｇ２＋のみが露出した面、又は陰イオンであるＯ２−のみが露出した面が露出している。このために、結晶面ＣＦは、電気的にプラス又はマイナスに帯電しており、静電的に不安定な面である。このような結晶面ＣＦは二酸化炭素（以下「ＣＯ２」ともいう）を吸着し、加熱により還元する属性を有している。
【００２７】
なお、処理膜３の表面３ａは原子レベルで平坦である必要はない。結晶面が原子スケールで平坦化されているとは、結晶面が完全に平坦な場合のみに限定されない。すなわち、実際に原子レベルで平坦化された結晶面を作成した場合、原子レベルで見ると結晶の表面は微小に傾いている。このとき、結晶の表面には原子層に相当するステップ構造が形成されているが、このような場合も結晶面が原子レベルで平坦である場合に含まれる。
【００２８】
次に、処理板１の製造方法について説明する。処理板１の製造には、例えばレーザアブレーション法を用いることが可能である。レーザアブレーション法によれば、比較的広い成膜条件下において処理板１を製造することができる。
【００２９】
図３は、製造装置１０の構成を説明するための図である。製造装置１０は、チャンバ１１、基板２及びターゲット１２を備えている。なお、基板２の材料として、ここではＳｒＴｉＯ３を用いた例を説明する。
【００３０】
チャンバ１１は、基板２及びターゲット１２を収容する内部領域１１ａを有している。さらに、このチャンバ１１には、窓１３、排気装置１４、レーザ光源１５、加熱装置１６及びガス導入装置１８を備えている。チャンバ１１は密閉された容器であり、真空排気可能に構成されている。
【００３１】
窓１３は、チャンバ１１の側壁に設けられている。窓１３は光学的に透明に構成されており、この窓１３を介してレーザ光Ｌがチャンバ１１の内部領域１１ａに導光される。排気装置１４は、チャンバ１１の内部領域１１ａを減圧するために用いられる。この排気装置１４は、所定の真空ポンプである、例えばターボ分子ポンプや油拡散ポンプ等を用いることができる。レーザ光源１５は、チャンバ１１の外部に配置され、ターゲット１２に照射されるレーザ光Ｌを発生する。加熱装置１６は、ランプ光源１７を備えている。このランプ光源１７からの光は、基板２に集光される。ガス導入装置１８は、チャンバ１１の内部領域１１ａに所定のガスを導入するための装置である。所定のガスは例えば酸素ガスである。ガス導入装置１８は、ガス源１９、及び弁２０を含んでいる。
【００３２】
ターゲット１２は、チャンバ１１の内部領域１１ａに配置されている。このターゲット１２が、基板２の主面２ａ上に形成される処理膜３の原料である。本実施形態では、ターゲット１２にはＭｇＯ焼結体又はＭｇＯ単結晶が用いられる。本実施形態においてターゲット１２は、基板２に対して鉛直下向きの方向に、基板２から離間して配置されている。ターゲット１２と基板２との距離は任意であるが、製造装置１０の規模に応じて適宜選択する。
【００３３】
続いて、処理板１を製造する工程について説明する。まず、チャンバ１１内に基板２及びターゲット１２を配置する。チャンバ１１内に基板２及びターゲット１２を配置した後に、チャンバ１１の内部を１０−５〜１０−７Ｐａ程度に減圧する。続いて、ガス導入装置１８を用いて外部から酸素ガスを注入し、酸素分圧を例えば１０−２〜１０−５Ｐａ程度に設定する。次に、ランプ光源１７からランプ光を基板２に集光させて、基板２を所定の温度まで加熱する。所定の温度は、例えば４００〜７００℃である。
【００３４】
次に、チャンバ１１の窓１３からレーザ光Ｌをチャンバ１１内に照射する。このレーザ光Ｌはパルスレーザ光であって、高いエネルギー密度を有し、ターゲット１２に照射される。例えば、このレーザ光Ｌは波長が２４８ｎｍであるＫｒＦエキシマレーザ（フッ化クリプトンエキシマレーザ）である。チャンバ１１内に導入されるレーザ光Ｌの総エネルギーは、５０〜１５０ｍＪ程度である。ターゲット１２の表面１２ａにレーザ光Ｌが照射されると、ターゲット１２の表面１２ａにあるＭｇＯが剥離される。剥離されたＭｇＯは、基板２の主面２ａに堆積し、処理膜３を形成する。以上の工程により、ＳｒＴｉＯ３からなる基板２の主面２ａの上に処理膜３が形成された処理板１が製造される。以下、ＭｇＯからなる処理膜及び基板を含めて処理板という。
【００３５】
次に、基板２の材料としてＹＳＺを用いた例を説明する。まず、超平坦化した単結晶基板である（１１１）面を有するＹＳＺの上にＮｉＯ単結晶薄膜を堆積する。堆積方法には、パルスレーザ蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法等を用いることができる。堆積時の基板の温度は、例えば０〜１００℃に設定される。なお、堆積時の基板温度は１０〜５０℃に設定されることが好ましい。また、基板表面の二乗平均粗さＲＲＭＳは、１．０ｎｍ以下であることが好ましい。ＲＲＭＳは、原子間力顕微鏡を用いることにより、例えば、一辺が１μｍの領域を走査することにより算出される。
【００３６】
上記ＹＳＺからなる基板に堆積したＮｉＯ薄膜は、三次元的に堆積された粒子が確認されるのみである。原子スケールで平坦なテラスと分子層ステップの構造は確認されないが、これを高温でアニールする。アニール温度は６００〜１５００℃に設定されることが好ましい。
【００３７】
アニールする場合、ＮｉＯ薄膜表面を、ＹＳＺからなる基板などで覆うことが好ましい。また、ＮｉＯ薄膜を堆積した基板を２枚用いて、ＮｉＯ薄膜表面を内側に挟み込むように２枚を重ねてアニールしてもよい。アニール中の雰囲気は大気又は酸素ガスであることが好ましい。次に、２枚重ねた場合には剥がして１枚の基板にする。これによれば、原子スケールで表面が平坦である単結晶ＮｉＯの（１１１）面（以下「ＮｉＯ（１１１）／ＹＳＺ（１１１）」ともいう）が形成される。
【００３８】
次に、ＮｉＯ（１１１）／ＹＳＺ（１１１）の上に、ＭｇＯをレーザアブレーション法を用いて堆積する。堆積時の基板温度は、５００〜９００℃に設定されることが好ましい。酸素分圧は１０−４〜１Ｐａに設定される。この方法により、単結晶の研磨では存在しない原子スケールで表面が平坦なＭｇＯの（１１１）面を有する処理膜が得られる。以上の工程により、ＹＳＺからなる基板２の上にＮｉＯ薄膜を介して処理膜３が形成された処理板１が製造される。
【００３９】
次に、処理板１を用いたＣＯ２の処理方法について説明する。まず、処理装置５について説明する。図４は、処理装置５の構成を説明するための図である。処理装置５は、チャンバ２１、処理板１を備えている。
【００４０】
チャンバ２１は、処理板１を収容する領域２１ａを有している。さらに、このチャンバ２１は、排気装置１４Ａ、及びガス導入装置（導入手段）２２、及び加熱装置（加熱手段）２５を備えている。チャンバ２１は密閉された容器であり、真空排気可能に構成されている。排気装置１４Ａは、製造装置１０が有する排気装置１４と同様の構成を有する。ガス導入装置２２は、チャンバ２１の内部領域２１ａにＣＯ２ガスを導入するための装置である。ガス導入装置２２は、ガス源２３、及び弁２４を含んでいる。加熱装置２５は、チャンバ２１内に配置された端子２６、２７と、チャンバ２１の外部に配置された電源２８とを有する。この端子２６、２７の一端は電源２８に接続されている。端子２６、２７の他端は基板２に電気的に接続されている。
【００４１】
次に、処理板１を用いてＣＯ２を吸着させる処理方法について説明する。この処理方法では、ＣＯ２の吸着工程Ｓ１２が実施される。ここで、吸着工程Ｓ１２とは、処理板１の処理膜３の表面３ａにＣＯ２を吸着させる工程をいう。
【００４２】
処理板１をチャンバ２１の内部領域２１ａに配置する。次に、例えば３．０×１０−８Ｐａの真空度になるようにチャンバ２１を減圧する。続いて、ガス導入装置２２を用いて、チャンバ２１内にＣＯ２ガスを導入する。例えば、ＣＯ２分圧は１．０×１０−６Ｐａに設定され、その分圧において処理膜３を５分間晒す。
【００４３】
処理膜３の表面３ａは、ＭｇＯの（１１１）面であるため、ＣＯ２の吸着特性が高い。よって、処理膜３がＣＯ２ガスを含む雰囲気中に晒されている間に表面３ａにＣＯ２が吸着される。なお、ＣＯ２ガスを導入する時間は５分に限定されるものではない。ＣＯ２ガスを導入する時間には特に制限はなく、任意の時間としてよい。また、チャンバ２１の内部領域２１ａを減圧してから、ＣＯ２ガスを導入するまでの時間には特に制限はなく、任意の時間としてよい。以上の工程により、処理板１を用いてＣＯ２を吸着させる処理方法が実施される。
【００４４】
続いて、処理板１を用いてＣＯ２を還元する処理方法について説明する。この処理方法では、ＣＯ２の還元工程Ｓ１４が実施される。ここで、還元工程Ｓ１４とは、処理膜３を加熱することにより処理膜３の表面３ａに吸着されたＣＯ２を還元する工程をいう。
【００４５】
この工程では、まず、ＣＯ２が吸着された処理板１を準備する。ＣＯ２が吸着された処理板１を準備する方法として、上述した処理板１を用いてＣＯ２を吸着させる処理方法を用いてもよい。
【００４６】
次に、ＣＯ２が吸着された処理膜３を加熱する。端子２６、２７を介して電源２８から基板２に電圧を印加する。基板２に電流が流れると、抵抗発熱により基板２が発熱する。これにより処理膜３が加熱される。処理膜３は、例えば毎秒５℃の速度で加熱される。処理膜３の温度は５０℃以上であればよいが、処理膜３の温度は１００〜２００℃の範囲であることがさらに好ましい。なお、処理膜３の温度には特に上限はない。加熱することにより、処理膜３に吸着したＣＯ２が還元され、一酸化炭素（以下「ＣＯ」ともいう）が発生する。以上の工程により、処理板１を用いてＣＯ２を還元する処理方法が実施される。
【００４７】
なお、上述した実施形態は本発明に係る処理板及び処理方法の一例を示すものである。本発明に係る処理板及び処理方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施形態に係る処理板及び処理方法を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４８】
例えば、上述した実施形態では、不純物がドープされている基板２を例に説明したが、これに限定されることはない。基板２として、不純物がドープされていないＳｒＴｉＯ３等を用いてもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態において、処理方法は吸着工程Ｓ１２及び還元工程Ｓ１４以外の所望の工程をさらに備えていてもよい。例えば、吸着工程Ｓ１２を実施する前に、表面３ａ上に付着した付着物を除去する除去工程Ｓ１０を実施してもよい。除去工程Ｓ１０では、処理膜３を加熱することにより、処理膜３の表面３ａに付着した付着物を除去する。まず、図４に示された処理装置５のチャンバ２１内に処理板１を配置する。次に、排気装置１４Ａを用いてチャンバ２１の内部領域２１ａを減圧する。チャンバ２１の内部領域２１ａは、例えば、３．０×１０−８Ｐａの真空度になるように減圧される。続いて、端子２６、２７を介して電源２８から基板２に電圧を印加する。基板２に電流が流れると、抵抗発熱により基板２が発熱する。これにより、基板２の主面２ａ上に形成されている処理膜３が加熱され、処理膜３の表面３ａの付着物が除去される。このとき処理膜３は、例えば７００℃になるように加熱される。なお、図５に示されるように、除去工程Ｓ１０、吸着工程Ｓ１２、還元工程Ｓ１４を一連の工程として実施してもよい。
【００５０】
また、上述した実施形態では、処理板１の製造装置１０と、処理板１を用いた処理方法の実施に用いられる処理装置５とが別の装置である場合を例に説明したが、これに限定されることはない。例えば、処理膜３を形成するための要素であるターゲット１２、レーザ光源１５、加熱装置１６等をさらに備えた処理装置により、処理板１を製造して、処理方法における吸着工程Ｓ１２と還元工程Ｓ１４とを実施してもよい。これによれば、処理板１の製造から処理方法の還元工程Ｓ１４までを同一の装置で実施することができる。
【００５１】
また、処理方法を実施する度に新たな処理板１を製造する必要はなく、予め形成された処理膜３を有する処理板１を用いて、ＣＯ２の処理方法を実施してもよい。
【００５２】
また、上述した実施形態では、処理板１の製造工程において基板２をランプ光源１７からの光により加熱する方法を例に説明したが、これに限定されることはない。基板２の加熱には種々の方法を用いることができる。例えば、ランプ光源１７からの光に代えて、赤外線レーザを用いてもよい。
【００５３】
また、上述した実施形態では、還元工程Ｓ１４において基板２上の処理膜３を抵抗加熱により加熱する方法を例に説明したが、これに限定されることはない。処理膜３の加熱には種々の方法を用いることができる。例えば、ランプ光源１７からの光により加熱してもよいし、赤外線レーザを用いてもよい。
【実施例】
【００５４】
以下、上記効果を説明すべく本発明者が実施した実施例及び比較例について述べる。
【００５５】
（実施例１）
図３に示す製造装置１０を用いて実施例１に係る処理板を作成した。この処理板の作成では、基板の主面に（１１１）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜を形成した。なお、基板はＮｂがドープされた（１１１）面を表面に持つＳｒＴｉＯ３からなる。Ｎｂのドープ量は０．５重量パーセントである。
【００５６】
（比較例１）
図３に示す製造装置１０を用いて比較例１に係る処理板を作成した。この処理板の作成では、基板の表面に（１００）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜を形成した。なお、基板はＮｂがドープされた（１００）面を表面に持つＳｒＴｉＯ３からなる。Ｎｂのドープ量は０．５重量パーセントである。
【００５７】
（構造評価）
実施例１に係る処理膜３の構造評価を行った。図６は、実施例１に係る処理膜のＸ線回折パターンを示す。図６において、グラフＧ１は基板の温度が４００℃であるときに形成された処理膜のパターンであり、グラフＧ２は基板の温度が５００℃であるときに形成された処理膜のパターンである。さらに、図６において、グラフＧ３は基板の温度が６００℃であるときに形成された処理膜のパターンであり、グラフＧ４は基板の温度が７００℃であるときに形成された処理膜のパターンである。また、これらの処理膜は、酸素分圧が１×１０−３Ｐａの環境下において形成された。グラフＧ１〜グラフＧ４を参照すると、いずれの温度条件下においても、ＭｇＯの（１１１）面を示す箇所Ｄ１、及び（２２２）面を示す箇所Ｄ２にピークが現れることが確認された。これにより、基板の温度が４００〜７００℃の範囲において、（１１１）面を表面とするＭｇＯからなる処理膜が形成されることが確認された。
【００５８】
（吸着特性評価及び還元特性評価）
実施例１に係る処理板１、及び比較例１に係る処理板の吸着特性及び還元特性を評価した。この評価では、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を測定することにより、ＣＯ２の吸着特性を評価した。また、ＣＯのガス昇温脱離特性を測定することにより、ＣＯ２の還元特性を評価した。ガス昇温脱離特性は、四重極質量分析法を用いて測定した。四重極質量分析法は、高周波電圧が印加された４つの電極管にイオンを通過させることによりイオンに摂動を付加し、所望のイオンのみを通過させて、通過したイオンの質量を測定する方法である。この評価では、実施例１として基板の温度が６５０℃の状態において作成された厚さが５０ｎｍの処理膜を備える処理板を用いた。また、比較例１として基板の温度が６５０℃の状態において作成された厚さが５ｎｍの処理膜を備える処理板を用いた。
【００５９】
図７（ａ）は、実施例１に係る処理板のＣＯ２及びＣＯのガス昇温脱離特性を示す。図７（ａ）において、グラフＧ５は、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を示し、グラフＧ６はＣＯのガス昇温脱離特性を示す。グラフＧ５を参照すると、５０℃付近から表面３ａからＣＯ２の脱離が生じていることが確認された。また、グラフＧ６を参照すると、５０℃付近から表面３ａにおけるＣＯ２が還元されてＣＯが発生し、さらに、１００℃付近から多量のＣＯが生じていることが確認された。従って、処理膜３を用いたＣＯ２の還元方法では、紫外線などを照射することなく、ＣＯ２の還元が表面３ａにおいて進行することが確認された。
【００６０】
図７（ｂ）は、比較例１に係る処理板のＣＯ２及びＣＯのガス昇温脱離特性を示す。図７（ｂ）において、グラフＧ７は、ＣＯ２のガス昇温脱離特性を示し、グラフＧ８はＣＯのガス昇温脱離特性を示す。グラフＧ７を参照すると、５０℃付近から表面からＣＯ２の脱離が生じていることが確認された。一方、グラフＧ７を参照すると、ＣＯの発生量はほぼゼロであり、処理膜を加熱してもＣＯ２が還元されないため、ＣＯが生じないことが確認された。
【００６１】
そして、グラフＧ５とグラフＧ７とを比較すると、実施例１に係る処理膜からのＣＯ２の脱離量は、比較例１に係る処理膜からのＣＯ２の脱離量よりも多いことが確認された。従って、ＭｇＯの（１１１）面からなる表面を有する処理膜は、効率よくＣＯ２を吸着することができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
薄膜基板として天然に存在する（１００）面を表面とするＭｇＯ基板が用いられている。従来、薄膜成長の基板を選ぶときは、主に格子定数の整合が重視され基板表面における触媒能等は重視されていない。一方、第１実施形態に係る処理板１はＣＯ２の還元作用を有する。このため、薄膜等の結晶成長のための基板として、付加価値を有することが可能である。この処理板１は、例えば、ＭＯＣＶＤ等のように分子を反応させつつ基板に堆積させるプロセスを有する処理に用いることができる。
【００６３】
さらに、触媒として、プラチナ、パラジウムなどの貴金属或いは貴金属と酸化物のハイブリッドが用いられている。しかし、これらの物質は希少であり毒性を有する場合もある。一方、本実施形態に係るＣＯ２の処理板及び処理方法によれば、ＭｇＯを用いている。ＭｇＯはありふれた物質であると共に毒性を有していない。従って、本実施形態に係るＣＯ２の処理板及び処理方法は環境汚染を心配する必要がない。
【００６４】
そして、化石燃料の使用によりＣＯ２が増加し続けている。このＣＯ２は化学的に極めて安定であるため、大気圧、室温条件下では他の化学種へ改変することは容易ではない。このため、ＣＯ２を集めて閉じ込めたり、有効に利用する方法が研究されている。本実施形態に係る処理板によれば、ＣＯ２を効率よく吸着することができる。従って、ＣＯ２を容易に貯蔵することが可能となる。
【００６５】
さらに、本実施形態に係るＣＯ２の処理板及び処理方法によれば、ＣＯ２を処理膜に吸着させた後に処理膜を加熱することによりＣＯ２をＣＯに還元することが可能である。従って、容易にＣＯ２を還元することができるため、ＣＯ２を出発原料とした反応工程を実現することが可能となる。従って、ＣＯ２を有効に利用することができる。
【００６６】
また、本実施形態に係る処理膜は基板の上に形成されている。このため、処理板の取り回しを容易にすることができる。さらに基板を介して別の部材と結合させることができる。その上、例えば、不純物がドープされ導電性を有する基板であるとき、基板に印加する電圧を制御することにより処理膜の温度を容易に制御することが可能である。処理膜の温度制御により、処理膜におけるＣＯ２の吸着又は還元（脱離）を容易に制御することができる。また、例えば、黒みを帯びた色の基板等、光の透過率が低い基板であるとき、基板に太陽光が照射されると５０℃程度まで基板の温度が上昇することが考えられる。これによれば、人為的にエネルギーを注入することなく、処理板においてＣＯ２の吸着、還元（脱離）が行われる。そのため、処理板を用いて植物が夜間に吐き出したＣＯ２を吸着して蓄え、昼間に処理板からＣＯ２を脱離させて光合成の原料として用いることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１…処理板、２…基板、３…処理膜、５…処理装置、１０…製造装置、１１，２１…チャンバ、１２…ターゲット、１３…窓、１４，１４Ａ…排気装置、１５…レーザ光源、１６、２５…加熱装置、１７…ランプ光源、１８，２２…ガス導入装置、Ｇ１〜Ｇ８…グラフ、Ｌ…レーザ光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素吸着用の処理膜と、を備える処理板。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素還元用の処理膜と、を備える処理板。
【請求項３】
前記基板は、結晶構造を有する無機材料により形成される請求項１又は２に記載の処理板。
【請求項４】
前記基板は、結晶構造を有するもので、前記処理膜が形成される主面における法線に沿った方向に関して３回対称性又は６回対称性を有する請求項１〜３の何れか一項に記載の処理板。
【請求項５】
前記基板は、（１１１）面を前記主面とするチタン酸ストロンチウム、（０００１）面を前記主面とするサファイア、又は（１１１）面を前記主面とするイットリア安定化ジルコニアのいずれか一つにより構成された請求項１〜４の何れか一項に記載の処理板。
【請求項６】
基板、及び前記基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜を備える処理板を用いて、前記処理膜に二酸化炭素を吸着させる吸着工程を備える処理方法。
【請求項７】
前記吸着工程の後、前記処理膜を加熱して前記処理膜に吸着された二酸化炭素を還元する還元工程をさらに備える請求項６記載の処理方法。
【請求項８】
前記還元工程では前記処理膜の温度を５０℃以上に加熱する、請求項７記載の処理方法。
【請求項９】
前記吸着工程の前に、前記処理膜を加熱することにより前記処理膜上の付着物を除去する除去工程をさらに備える、請求項６〜８の何れか一項に記載の処理方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素吸着用の処理膜と、を備える処理板。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる二酸化炭素還元用の処理膜と、を備える処理板。
【請求項３】
前記基板は、結晶構造を有する無機材料により形成される請求項１又は２に記載の処理板。
【請求項４】
前記基板は、結晶構造を有するもので、前記処理膜が形成される主面における法線に沿った方向に関して３回対称性又は６回対称性を有する請求項１〜３の何れか一項に記載の処理板。
【請求項５】
前記基板は、（１１１）面を前記主面とするチタン酸ストロンチウム、（０００１）面を前記主面とするサファイア、又は（１１１）面を前記主面とするイットリア安定化ジルコニアのいずれか一つにより構成された請求項１〜４の何れか一項に記載の処理板。
【請求項６】
基板、及び前記基板上に形成され（１１１）面を表面とする酸化マグネシウムからなる処理膜を備える処理板を用いて、前記処理膜に二酸化炭素を吸着させる吸着工程を備える処理方法。
【請求項７】
前記吸着工程の後、前記処理膜を加熱して前記処理膜に吸着された二酸化炭素を還元する還元工程をさらに備える請求項６記載の処理方法。
【請求項８】
前記還元工程では前記処理膜の温度を５０℃以上に加熱する、請求項７記載の処理方法。
【請求項９】
前記吸着工程の前に、前記処理膜を加熱することにより前記処理膜上の付着物を除去する除去工程をさらに備える、請求項６〜８の何れか一項に記載の処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−５６３２３（Ｐ２０１３−５６３２３Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７５６２（Ｐ２０１１−１９７５６２）
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 刊行物 ２０１１年春季 第５８回応用物理学関係連合講演会「講演予稿集」 発行日 平成２３年３月９日 発行者 社団法人応用物理学会 刊行物 ＪＯＩＮＴ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＦ ５ｔｈ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＦＯＲ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＣＥＲＡＭＩＣＳ （ＳＴＡＣ５） ａｎｄ ２ｎｄ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＮ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＡＮＤ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＶＥＬ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤ ＭＥＴＡＬＬＩＣ ＡＮＤ ＩＮＯＲＧＡＮＩＣ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ（ＡＭＤＩ２） ＰＲＯＧＲＡＭ先進セラミックスの科学と技術に関する第５回国際会議（ＳＴＡＣ５）、及び先端材料の開発と新しい構造金属材料と無機材料との融合に関する第２回国際会議（ＡＭＤＩ２）の合同会議 プログラム（冊子及びＵＳＢメモリ） 発行日 平成２３年６月２２日 発行者 Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｉｔｅｅ ｏｆ ＳＴＡＣ５−ＡＭＤＩ２先進セラミックスの科学と技術に関する第５回国際会議（ＳＴＡＣ５）、及び先端材料の開発と新しい構造金属材料と無機材料との融合に関する第２回国際会議（ＡＭＤＩ２）の合同会議の組織委員会 刊行物 ２０１１年秋季 第７２回応用物理学会学術講演会「講演予稿集」 発行日 平成２３年８月１６日 発行者 公益社団法人応用物理学会
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人科学技術振興機構さきがけ研究「革新的次世代デバイスを目指す材料とプロセス」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 刊行物 ２０１１年春季 第５８回応用物理学関係連合講演会「講演予稿集」 発行日 平成２３年３月９日 発行者 社団法人応用物理学会 刊行物 ＪＯＩＮＴ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＦ ５ｔｈ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＦＯＲ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＣＥＲＡＭＩＣＳ （ＳＴＡＣ５） ａｎｄ ２ｎｄ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＮ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＡＮＤ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＶＥＬ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤ ＭＥＴＡＬＬＩＣ ＡＮＤ ＩＮＯＲＧＡＮＩＣ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ（ＡＭＤＩ２） ＰＲＯＧＲＡＭ先進セラミックスの科学と技術に関する第５回国際会議（ＳＴＡＣ５）、及び先端材料の開発と新しい構造金属材料と無機材料との融合に関する第２回国際会議（ＡＭＤＩ２）の合同会議 プログラム（冊子及びＵＳＢメモリ） 発行日 平成２３年６月２２日 発行者 Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｉｔｅｅ ｏｆ ＳＴＡＣ５−ＡＭＤＩ２先進セラミックスの科学と技術に関する第５回国際会議（ＳＴＡＣ５）、及び先端材料の開発と新しい構造金属材料と無機材料との融合に関する第２回国際会議（ＡＭＤＩ２）の合同会議の組織委員会 刊行物 ２０１１年秋季 第７２回応用物理学会学術講演会「講演予稿集」 発行日 平成２３年８月１６日 発行者 公益社団法人応用物理学会
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人科学技術振興機構さきがけ研究「革新的次世代デバイスを目指す材料とプロセス」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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