機能材料およびその製造方法ならびに高重力場発生装置用ロータ
【課題】従来の方法では製造の困難であった機能材料も製造することの可能な機能材料の製造方法およびその製造方法によって製造された機能材料を提供する。
【解決手段】互いに接触する固相材料２１，２２（図１には図示されていない）からなる試料２０をロータ１０の内部空間１０Ｂ内に配置（固定）する。次に、固相材料２１の温度が、固相材料２１の再結晶温度以上であって、かつ固相材料２１が固相状態を保つことの可能な温度以下となるように試料２０を加熱する。その状態で、ロータ１０を高速に回転駆動し、１万ｇ以上の遠心力を試料２０に対して印加する。これにより、比重相当量の大きな原子が遠心力方向に移動し、原子の沈降（重力誘起の拡散）が生じる。また、それに付随して、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォースによる結晶歪みにより、原子空孔が固相材料２１内に多数発生し、固相材料２１内で原子空孔を介在した拡散が起こる。
【解決手段】互いに接触する固相材料２１，２２（図１には図示されていない）からなる試料２０をロータ１０の内部空間１０Ｂ内に配置（固定）する。次に、固相材料２１の温度が、固相材料２１の再結晶温度以上であって、かつ固相材料２１が固相状態を保つことの可能な温度以下となるように試料２０を加熱する。その状態で、ロータ１０を高速に回転駆動し、１万ｇ以上の遠心力を試料２０に対して印加する。これにより、比重相当量の大きな原子が遠心力方向に移動し、原子の沈降（重力誘起の拡散）が生じる。また、それに付随して、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォースによる結晶歪みにより、原子空孔が固相材料２１内に多数発生し、固相材料２１内で原子空孔を介在した拡散が起こる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固相材料もしくは液相材料に対して高重力場処理を施すことにより形成された機能材料およびその製造方法、ならびに固相材料もしくは液相材料に対して高重力を印加するのに適した高重力場発生装置用ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の応用として最もよく用いられる不純物半導体では、不純物元素をドーピングしたｎ型およびｐ型の半導体が用いられる。ドーピングの方法としては、固体−固体の熱拡散や、液体−固体の熱拡散、不純物元素雰囲気によるガス−固体の熱拡散、量子ビーム打ち込み、化学反応などが用いられる。ガス−固体の熱拡散によるドーピングでは、蒸着、レーザーアブレーション、スパッタリングなどによって不純物雰囲気が作られる。
【０００３】
半導体材料としては、単体ではＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃなどがある。また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体としてはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮなどがあり、ＩＩ−ＶＩ族半導体としてはＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅなどがある。
【０００４】
ここで、上記したＺｎＯは安価で広く応用されている物質であるが、そのままでは欠陥などによりｎ型になり易い。これは、強いイオン結合に起因して自己補償効果（欠陥を生成してアクセプタを補償する効果）が強いからである。そのため、ｐ型ＺｎＯを作製することが難しく、未だｐ型ＺｎＯは実用化されていない。具体的には、ＺｎＯでは、Ｎ、Ｐまたはアルカリ金属のドープが試みられているが、Ｎのドープが基板温度傾斜法によるレーザを用いたコンビナトリアル合成法によって成功しているのみである。
【０００５】
また、ダイヤモンドは、最高の硬度、熱伝達率、高い絶縁耐圧、広い光透過波長帯域、高い化学安定性などすぐれた性質を持つ。これらにより、Ｓｉ半導体の１万倍、ＳｉＣ半導体の１０倍のパワー素子能力が期待され、また、発光素子としては２３５ｎｍの紫外光を発することができる。しかし、ｎ型ダイヤモンドの作製は極めて難しく、これまで（１１１）面上では成功していたが、（００１）面上ではこれまでに１例だけ成功しているだけであり、未だ、ｎ型ダイヤモンドは実用化されていない。これが、ｎ型ダイヤモンドを用いたデバイス開発のネックとなっている。ダイヤモンドの（１１１）面は（００１）面に比べて非常に硬い。そのため、（１１１）面では、研磨が困難であり、平坦な基板が得られにくく、（００１）面に比べて基板を大面積化することが難しい。これらが、デバイス作製のパターニング、エッチングなど微細加工に関わり、製品化のコストに大きな影響を及ぼす。これまで、ダイヤモンドでは、Ｐのドープは（１１１）面において成功していたが、実用化に必要な（００１）面において難しく、マイクロ波プラズマ化学気相合成法によって実現されているだけであり、未だ、（００１）面でのＰドープは実用化には至っていない。
【０００６】
有機物半導体としては、低分子ではテチラセン、ペンタセンなどのアセン族、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリシン誘導体などのジアミン誘導体がある。高分子では、ポリ（３‐アルキルチオフェン）などポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミンなどが挙げられる。
【０００７】
熱電能物質では、不純物をドープしたり、組成を変化させたりすることにより特性を向上させることができる。熱電能材料としては、全率固溶型ビスマス（Ｂｉ）−アンチモン（Ｓｂ）合金、カドミウム（Ｃｄ）−アンチモン系金属間化合物、ビスマス−テルル（Ｔｅ）系半導体化合物（Ｂｉ２Ｔｅ３）、または全率固溶型セレン（Ｓｅ）−テルル系半導体固溶体などが挙げられる。例えば、セレン（Ｓｅ）の７６Ｓｅ，７８Ｓｅ，８０Ｓｅおよび８２Ｓｅ、テルル（Ｔｅ）の１２５Ｔｅ、１２６Ｔｅ、１２８Ｔｅおよび１３０Ｔｅ、シリコン（Ｓｉ）の２８Ｓｉ、２９Ｓｉおよび３０Ｓｉなどが挙げられる。ＭｘＣｏ４Ｓｂ１２(Ｍ＝Ｇｅ、ＳｂまたはＰｂ)などのクッテルダイト型化合物も挙げられる。
【０００８】
ＩＩＩ−Ｖ族元素の合金や、遷移元素化合物、窒化物、または遷移金属酸化物などの半導体では、遷移元素や希土類元素をドーピングすることによって、強磁性体になることが知られている。この強磁性体は、希薄磁性半導体と呼ばれるものであり、この系には、Ｉｎ−Ａｓ、Ｇａ−Ａｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２などがある。ここで、希薄磁性半導体は、半導体を構成するイオンの一部を磁性元素で置換した物質であり、磁気特性と伝導・光学特性とが強く結びついた性質を示し、産業上有用である。希薄磁性半導体を作製するに際して、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。また、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。
【０００９】
また、ペロブスカイト構造の強相関化合物や、銅酸化物超伝導体、鉄系酸化物超伝導体（ＬｎＯＭＰｎ（Ｌｎ＝ランタン系元素、Ｍ＝遷移金属、Ｐｎ＝Ｐ、ＡｓまたはＳｂ）系化合物）、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物では、不純物の添加によってその物性が著しく変化することが知られている。銅酸化物超伝導体には、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなどのＹ系、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０などのＢｉ系、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４などのＴｌ系、ＨｇＢａＣａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４＋δなどのＨｇ系がある。また、鉄系酸化物超伝導体には、Ｌａ（Ｏ１−ｘＦｘ）ＦｅＡｓ（ランタン、酸素、フッ素、鉄、ヒ素)などがある。これらの物質を作製するに際しても、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。また、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。
【００１０】
なお、ＺｎＯに関する文献としては、例えば、以下に示した特許文献１、非特許文献１，２などがある。また、ダイヤモンドに関する文献としては、例えば、以下に示した特許文献２、非特許文献３などがある。また、希薄磁性半導体に関する文献としては、例えば、以下に示した非特許文献４などがある。
【特許文献１】特開２００５−２２３２１９号公報
【特許文献２】特開２００６−２４０９８３号公報
【非特許文献１】ZnO青色発光ダイオード．［応用物理,74(10),(2005),1359-1364、］塚崎敦,大友明,川崎雅司
【非特許文献２】“Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO,” A. Tsukazaki, A. Ohtomo, T. Onuma, M. Ohtani, T. Makino, M. Sumiya, K. Ohtani, S. F. Chichibu, S. Fuke, Y. Segawa, H. Ohno, H. Koinuma and M. Kawasaki, Nature Mater. 4, 42-46 (2005).
【非特許文献３】H.Kato, S. Yamazaki, Y. Okushi, Appl. Phys. Lett. 86 222111 (2005).
【非特許文献４】Science 287, 1019 (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、半導体に不純物をドープする方法に関しては、以下の問題があった。熱拡散を用いる方法では、半導体と不純物元素の組み合わせによって拡散が極めて困難でドーピングが難しい系があることが知られている。特に、ＺｎＯではｐ型半導体の作成が難しく、ダイヤモンドではｎ型半導体の作製が難しく、これらは未だに実用化されていない。一方、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法では、母体の半導体が損傷したり、結晶性が劣化したりするので、良好な半導体を得ることが難しかった。また、希薄磁性半導体や、価数が代わる不定比性化合物では、作製に際して、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが難しかった。また、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることも難しかった。
【００１２】
このように、従来の方法では、不純物をドープしたり、組成を変えたりするなどして、高性能な材料を製造することが容易ではないことがあった。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、従来の方法では製造の困難であった機能材料も製造することの可能な機能材料の製造方法およびその製造方法によって製造された機能材料、ならびにその製造方法で用いられる高重力場発生装置用ロータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の機能材料の製造方法は、薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素物質またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、第一の材料および第二の材料に対して、第一の材料のうち第二の材料との接触面と交差する方向に高重力をかける高重力場処理を行うものである。
【００１５】
本発明の機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料である。この機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素物質またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、第一の材料および第二の材料に対して、第一の材料のうち所定の元素物質またはそれを含む物質との接触面と交差する方向に高重力をかけることにより形成されたものである。
【００１６】
本発明の機能材料およびその製造方法では、第一の材料および第二の材料に対して高重力場処理が施される。これにより、重力誘起の拡散が生じ、所定の元素物質が第一の材料内に沈降する。ここで、重力誘起の拡散速度は、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い。また、第一の材料に対して所定の元素物質が熱拡散し難い場合であっても、重力誘起の拡散では、第一の材料に対して所定の元素物質を、結晶性を劣化させずに、容易に拡散させることが可能である。
【００１７】
ところで、上記の高重力場処理を行うことにより、重力誘起の拡散に付随して、例えば、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォース（体積力）により原子空孔を固相材料もしくは液相材料内に発生させ、固相材料もしくは液相材料内で原子空孔を介在した拡散を起こさせることも可能である。そのようにした場合には、所定の元素物質の、固相材料もしくは液相材料内における拡散速度を著しく大きくすることができる。
【００１８】
また、所定の元素物質の、原子の比重に相当する第一の量（原子量／原子容）が、第一の材料の、原子の比重に相当する第二の量（原子量／原子容）よりも大きい場合には、第一の材料との関係で、第二の材料を重力方向とは反対側に配置することが好ましい。また、上記第一の量が上記第二の量よりも小さい場合には、第一の材料との関係で、第二の材料を重力方向側に配置することが好ましい。そのようにした場合には、所定の元素物質を第一の材料に効率的に拡散させることができる。
【００１９】
また、第一の材料として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅもしくはＣの単体を用いることが可能である。なお、Ｃの単体としては、例えば、ダイヤモンド、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーンまたはグラファイトが含まれる。また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体としてはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮなどがあり、ＩＩ−ＶＩ族半導体としてはＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅなどがある。また、第一の材料として、ゼオライト、層間化合物、層状化合物を用いることも可能である。
【００２０】
また、第一の材料としてダイヤモンドを用い、所定の元素物質として、Ｖ族、ＶＩ族もしくはＶＩＩ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いたり、Ｉ族、ＩＩ族、またはＩＩＩ族の元素物質を用いたりすることが可能である。また、第一の材料としてＺｎＯを用い、所定の元素物質として、Ｉ族、ＩＩ族、ＩＩＩ族、ＩＶ族もしくはＶ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いることも可能である。
【００２１】
また、高重力場処理において、第一の材料の再結晶温度以上であって、かつ第一の材料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内で、少なくとも１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を、第一の材料および第二の材料に対して印加することが好ましい。これにより、重力誘起の拡散を生じさせることが可能となる。また、上記重力加速度については、１０万ｇ以上であることがより好ましい。これにより、多くの種類の材料において、重力誘起の拡散を生じさせることができる。なお、再結晶温度は、通常、融点（ケルビン）の半分程度の温度である。
【００２２】
また、高重力場処理において、第一の材料および第二の材料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、第一の材料および第二の材料に対して印加することが可能である。このとき、ロータ内に、回転軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平面を複数設け、各平面を、第一の材料を設置（固定）する設置面（固定面）として用いることも可能である。これにより、第一の材料に対して、その表面と直交もしくは交差する方向に容易に重力をかけることが可能となる。また、上記ロータ内に多くの第一の材料を設置（固定）することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能である。
【００２３】
また、上記したようなロータを用いた場合には、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって加熱されたロータを介して、第一の材料および第二の材料を加熱することも可能である。また、上記したようなロータを用いるか否かに拘わらず、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって、第一の材料および第二の材料を直接、加熱することも可能である。
【００２４】
また、高重力場処理において、拡散係数を大きくするために、第一の材料の温度を当該第一の材料の再結晶温度に近い温度にしてもよいし、当該第一の材料の融点温度に近い温度にしてもよい。また、高重力場処理において、第一の材料に対して加熱または冷却を行うようにしてもよい。また、高重力場処理を行ったのち、第一の材料をアニールすることも可能である。アニールを行うことにより、第一の材料の結晶状態を改善させることができ、高機能材料の特性を向上させることができる。
【００２５】
本発明の高重力場発生装置用ロータは、一の軸と直交する面内において前記軸を中心として点対称の形状となっており、かつ軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間を有している。
【００２６】
本発明の高重力場発生装置用ロータでは、ロータ内に、軸（回転軸）との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間が設けられている。これにより、平坦面に試料を設置（固定）したのち、ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、試料に対して印加することが可能である。ここで、本発明の高重力場発生装置用ロータでは、試料を設置する部位が平坦面となっている。そのため、円筒状の試料カプセルを用いた従来のロータよりも、大きな試料を処理することができ、また、一度に大量の試料を処理することが可能である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の機能材料およびその製造方法によれば、第一の材料および第二の材料に対して高重力場処理を行うようにしたので、重力誘起の拡散によって、所定の元素物質を第一の材料内に沈降させることができる。これにより、所定の元素物質が第一の材料に熱拡散し難い場合であっても、所定の元素物質を第一の材料内に拡散させることができるので、所定の機能材料を作成することができる。しかも、熱拡散の速度よりも速い速度で所定の元素物質を拡散させることができるので、所定の機能材料を短時間で作成することができる。
【００２８】
また、本発明の機能材料およびその製造方法では、拡散現象を用いているので、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法において生じるような損傷を第一の材料に対して生じさせる可能性は小さく、量子ビーム打ち込みなどのような結晶状態の乱れが生じる可能性は無い。また、重力誘起の拡散によって、例えば、希薄磁性半導体や、ペロブスカイト構造の強相関化合物、銅酸化物超伝導体、鉄系酸化物超伝導体、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物などを製造する際に、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが可能である。また、重力誘起の拡散によって、上で例示したものを製造する際に、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることも可能である。
【００２９】
以上のことから、本発明の機能材料およびその製造方法では、従来の方法で製造可能な機能材料だけでなく、従来の方法では製造の困難であった機能材料をも製造することが可能である。
【００３０】
また、本発明の高重力場発生装置用ロータによれば、ロータ内に、軸（回転軸）との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間を設けたので、従来よりも、大きな試料を処理することができ、また、一度に大量の試料を処理することができる。従って、本発明の高重力場発生装置用ロータでは、生産性が高く、生産コストを大幅に低減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という）について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（固相材料−固相材料のケース、ロータ）
２．変形例（固相材料−液相材料のケース）
３．変形例（固相材料−気相材料またはプラズマ状態の材料のケース）
４．変形例（液相材料−液相材料のケース）
５．変形例（液相材料−気相材料またはプラズマ状態の材料のケース）
６．変形例（他のロータ）
７．実施例（固相材料−固相材料のケース）
【００３２】
図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る機能材料の製造方法に用いられる高重力場発生装置の断面構成の一例を表したものである。図１（Ｂ）は、図１の高重力場発生装置のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例を表したものである。
【００３３】
［高重力場発生装置］
まず、高重力場発生装置について説明する。この高重力場発生装置は、板状試料用に好適に適用可能なものであり、一の軸ＡＸを中心として長時間安定的に高速回転することの可能なロータ１０と、ロータ１０を、軸ＡＸを中心として高速回転させる駆動部（図示せず）とを備えている。ロータ１０は、軸ＡＸと直交する面内において軸ＡＸを中心として点対称の形状となっており、例えば、図１（Ａ）に示したような釣鐘状の形状となっている。ロータ１０の底面には、ロータ１０内に設けられた内部空間１０Ｂとロータ１０の外部空間とを連通する開口１０Ａが設けられている。内部空間１０Ｂは、例えば、図１（Ａ），（Ｂ）に示したように、軸ＡＸと平行な平坦面（設置面１０Ｃ）を複数有する多面体の側面によって囲まれている。この内部空間１０Ｂは、さらに、軸ＡＸと直交するかまたは設置面１０Ｃと鋭角で交差する平坦面を有する底面１０Ｄと、底面１０Ｄおよび開口１０Ａと所定の間隙を介して対向する上面１０Ｅとによって囲まれており、多角柱状の空間となっている。設置面１０Ｃは、試料２０を設置する面であり、ロータ１０を回転させた際に試料２０に対して印加される遠心力の向きを規定する役割を有している。また、底面１０Ｄは、試料２０を設置面１０Ｃに設置した際に、ロータ１０の停止時や回転時に、試料２０が設置面１０Ｃから脱落したり、滑って外部に飛び出したりするのを防ぐ役割を有している。従って、この高重力場発生装置は、内部空間１０Ｂの所定の位置に試料２０を設置（固定）し、ロータ１０を、軸ＡＸを中心軸として高速回転させることにより、試料２０に対して所定の方向（例えば、軸ＡＸと直交もしくは交差する方向）に遠心力を印加する機能を有している。なお、図１（Ａ）には、底面１０Ｄが軸ＡＸと直交する平坦面を有している場合が例示されているが、底面１０Ｄが設置面１０Ｃと鋭角で交差する平坦面を有していてもよい。また、例えば、底面１０Ｄに、試料２０が設置面１０Ｃから脱落したり、滑って飛び出したりするのを積極的に防止する突起などの構造物が設けられていてもよい。
【００３４】
この高重力場発生装置は、試料２０に対し、少なくとも１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を印加することが可能であり、１０万ｇ、１００万ｇ程度の重力加速度を印加することも可能である。つまり、この高重力場発生装置は、多くの種類の材料において、後述の重力誘起の拡散や原子空孔を介在した拡散を生じさせることができるようになっている。また、この高重力場発生装置は、図１（Ｂ）に示したように、ロータ１０の各設置面１０Ｃに試料２０を設置（固定）することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能となっている。
【００３５】
また、この高重力場発生装置は、図示しないが、ロータ１０および試料２０の少なくとも一方を、回転時および非回転時のいずれの場合においても加熱（例えば、接触加熱、輻射加熱、レーザ加熱など）することの可能なヒータを備えている。ここで、ロータ１０自身がヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータ１０は、ロータ１０の熱を試料２０に伝達することの可能な材料（例えば、インコネル（高温に強い材料）などの鉄鋼材料、Ｔｉ（チタン）−６Ａｌ（アルミニウム）−４Ｖ（バナジウム）合金など）によって構成されている。また、試料２０そのものがヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータ１０は、ヒータから発せられたエネルギーが試料２０に直接、伝達されるような機構を備えている。なお、このロータ１０は、ヒータの他に、ロータ１０および試料２０の少なくとも一方を冷却するクーラなどを備えていてもよい。
【００３６】
［試料２０］
次に、試料２０について説明する。図２（Ａ），（Ｂ）は、ロータ１０内に置かれた試料２０の断面構成の一例を表したものである。なお、図２（Ａ），（Ｂ）には、試料２０が内部空間１０Ｂの側面（設置面１０Ｃ）と、底面１０Ｄとに接するように配置（固定）されている場合が例示されている。試料２０は、図２（Ａ），（Ｂ）示したように、材料の互いに異なる固相材料２１，２２を互いに接触させたものである。固相材料２１と固相材料２２との接触面２０Ａは、ロータ１０の軸ＡＸと平行となっており、ロータ１０の回転面と直交している。
【００３７】
固相材料２１は、固相材料２２を利用して組成を変えたり、不純物をドープしたりする被加工対象物であり、薄膜状、板状もしくはバルク状となっている。この固相材料２１は、被加工対象物となり得る材料であればどのような材料であってもよく、例えば、半導体、共有結合化合物、イオン化合物、有機物、熱電能物質などによって構成されている。また、この固相材料２１は、例えば、単結晶、多結晶、アモルファス、高分子、ゼオライト、層間化合物、層状化合物などによって構成されている。
【００３８】
ここで、半導体としては、例えば、ＩＩＩ、ＩＶまたはＶ族の元素の単体や、ＩＩＩ−Ｖ族元素の合金、遷移元素化合物、窒化物、または遷移金属酸化物などがある。共有結合化合物やイオン化合物としては、例えば、銅酸化物超伝導体、酸化物巨大磁気抵抗物質などの強相関物質、ペロブスカイト酸化物、最近の鉄系酸化物超伝導体（ＬｎＯＭＰｎ（Ｌｎ＝ランタン系元素、Ｍ＝遷移金属、Ｐｎ＝Ｐ、ＡｓまたはＳｂ）系化合物）、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物などがある。
【００３９】
半導体としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅもしくはＣの単体が挙げられる。なお、Ｃの単体には、ダイヤモンドの他、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーン、グラファイトなどが含まれるが、これらに不純物を入れると、特異な半導体特性や、超伝導特性、光触媒特性、電池などの機能を示すことが知られている。その他の半導体としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＮを主に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体や、ＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅもしくはＺｅＳｅを主に含むＩＩ−ＶＩ族半導体が挙げられる。
【００４０】
有機物半導体としては、低分子ではテチラセン、ペンタセンなどのアセン族、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリシン誘導体などのジアミン誘導体がある。高分子では、ポリ（３‐アルキルチオフェン）などポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミンなどが挙げられる。
【００４１】
熱電能物質では、不純物をドープしたり、組成を変化させたりすることにより特性を向上させることができる。熱電能材料としては、全率固溶型ビスマス（Ｂｉ）−アンチモン（Ｓｂ）合金、カドミウム（Ｃｄ）−アンチモン系金属間化合物、ビスマス−テルル（Ｔｅ）系半導体化合物（Ｂｉ２Ｔｅ３）、または全率固溶型セレン（Ｓｅ）−テルル系半導体固溶体などが挙げられる。例えば、セレン（Ｓｅ）の７６Ｓｅ，７８Ｓｅ，８０Ｓｅおよび８２Ｓｅ、テルル（Ｔｅ）の１２５Ｔｅ、１２６Ｔｅ、１２８Ｔｅおよび１３０Ｔｅ、シリコン（Ｓｉ）の２８Ｓｉ、２９Ｓｉおよび３０Ｓｉなどが挙げられる。ＭｘＣｏ４Ｓｂ１２(Ｍ＝Ｇｅ、ＳｂまたはＰｂ)などのクッテルダイト型化合物も挙げられる。
【００４２】
希薄磁性半導体としては、例えば、Ｉｎ−Ａｓ、Ｇａ−Ａｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２などが挙げられる。銅酸化物超伝導体としては、例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなどのＹ系、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０などのＢｉ系、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４などのＴｌ系、ＨｇＢａＣａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４＋δなどのＨｇ系が挙げられる。また、鉄系酸化物超伝導体には、Ｌａ（Ｏ１−ｘＦｘ）ＦｅＡｓ（ランタン、酸素、フッ素、鉄、ヒ素)などが挙げられる。
【００４３】
また、固相材料２１として用いられる層状化合物としては、無機層状化合物、有機層状化合物、または無機有機層状化合物などがある。層状化合物の中には、その二次元構造を保持したままで、内部に原子、分子、イオンなどを取り込むことの可能な化合物が存在する。そのような化合物に、原子、分子、イオンなどを取り込ませることにより、耐熱性や強度をはじめとする材料特性を向上させたり、新機能を発現させたりすることが可能である。また、層状化合物の構造によっては、層状化合物の積層面内方向に重力（遠心力）を印加したときに、内部に原子、分子、イオンなどを拡散させ易くなる場合がある。
【００４４】
固相材料２２は、被加工対象物である固相材料２１の組成を変えたり、固相材料２１に不純物をドープしたりするのに必要な所定の元素物質からなるか、またはその所定の元素物質を含む物質によって構成されている。
【００４５】
例えば、固相材料２１としてダイヤモンドを用いる場合には、所定の元素物質として、Ｖ族（例えばＰ、Ａｓ）、ＶＩ族もしくはＶＩＩ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いたり、Ｉ族、ＩＩ族またはＩＩＩ族（例えばＢ）の元素物質を用いたりすることが可能である。
【００４６】
なお、ダイヤモンドは、ホウ素(Ｂ)をドープすることによって、超伝導を示す。超伝導の臨界温度はMcMillianの式によるとデバイ温度に比例するが、ダイヤモンドのデバイ温度は非常に高いので、ダイヤモンドは有力な高温超伝導候補物質である。ダイヤモンドにＢやＡｌなどをドープするとアクセプタが導入されｐ型半導体になる。また、青色ダイヤモンドとなり宝石としての価値も高まる。また、Ｐ、Ｎ、Ｓなどをドープするとン型半導体になる。ホウ素をドープしたダイヤモンドは金属化し、超伝導を示すことがわかっている。また、フラーレンやグラファイトも超伝導を示し、不純物で臨界温度も変化する。
【００４７】
また、例えば、固相材料２１としてＺｎＯを用いる場合には、所定の元素物質として、Ｉ族（例えばＮａ）、ＩＩ族（例えばＭｇ、Ｂｅ）、ＩＩＩ族（例えばＢ）、ＩＶ族（例えばＣ）もしくはＶ族（例えばＮ）の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いることが可能である。
【００４８】
ここで、所定の元素物質の、原子の比重に相当する第一の量（原子量／原子容）が、固相材料２１の、原子の比重に相当する第二の量（原子量／原子容）よりも大きい場合には、例えば、図２（Ａ）に示したように、固相材料２１との関係で、固相材料２２は遠心力方向とは反対側に配置されることが好ましい。また、上記第一の量が上記第二の量よりも小さい場合には、例えば、図２（Ｂ）に示したように、固相材料２１との関係で、固相材料２２は遠心力方向側に配置されることが好ましい。そのようにした場合には、後述する重力誘起の拡散の原理によって、所定の元素物質を固相材料２１に効率的に拡散させることができる。
【００４９】
次に、上述した「重力誘起の拡散」と、「原子空孔を介在した拡散」の２種類の拡散の原理について、試料２０の加工手順と併せて説明する。図３（Ａ），（Ｂ）は、重力誘起の拡散の原理について説明するための模式図であり、図４は、原子空孔を介在した拡散の原理について説明するための模式図である。なお、以下の説明では、図３（Ａ）に例示したように、固相材料２１が、比重相当量（上記の第一の量）の小さな原子（細線の丸）によって構成され、固相材料２２が、比重相当量（上記の第二の量）の大きな原子（太線の丸）によって構成されているものとする。
【００５０】
［重力誘起の拡散］
まず、図２（Ａ）に示したように、固相材料２１が設置面１０Ｃ側（遠心力方向側）に、固相材料２２が設置面１０Ｃとは反対側（遠心力方向とは反対側）にそれぞれ配置されるように、試料２０をロータ１０の内部空間１０Ｂ内に配置（固定）する。
【００５１】
次に、ロータ１０を高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、試料２０に対して印加する。このとき、遠心力の方向は、試料２０の接触面２０Ａと交差（直交）する方向を向いている。また、重力加速度は、少なくとも１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２ ）以上であることが必要であり、１０万ｇ以上であることが好ましい。これにより、高重力場下では、圧力場下において原子の種類に関係なく均等に圧力を受ける場合とは異なり、原子量の大きさの違いによって、原子には選択的かつ直接的に、異なるボディフォース（体積力）が印加される。
【００５２】
例えば、図３（Ａ）に示したように、遠心力Ｆが印加されている高重力場下において、原子量の大きな原子（太線の丸）には遠心力Ｆと同一方向にボディフォースＦ１が印加され、原子量の小さな原子（細線の丸）には遠心力Ｆと反対方向にボディフォースＦ２が印加される。なお、図３（Ａ）では、見やすさを優先して、原子量の大きな原子（太線の丸）のうちの１つにだけボディフォースＦ１に相当する矢印を記載し、原子量の小さな原子（細線の丸）のうちの１つにだけボディフォースＦ２に相当する矢印を記載した。
【００５３】
更に、長時間、高重力場処理を行った際に、ある原子の重力ポテンシャルと、その周囲の平均化された重力ポテンシャルとの差が大きくなると、例えば、図３（Ｂ）の矢印Ｄ１で示したように、比重相当量の大きな原子（太線の丸）が重力（遠心力）方向に移動するようになる。このとき、比重相当量の小さな原子（細線の丸）は、例えば、図３（Ｂ）の矢印Ｄ２で示したように、重力（遠心力）とは反対方向に移動するようになる。そして、重力ポテンシャルと、その周囲の平均化された重力ポテンシャルとの差が、化学ポテンシャルと比較して、同等か、それ以上となると、極めて多数の原子が移動するようになる。つまり、高重力場下では、原子の沈降（重力誘起の拡散）が生じ、それによって、重力（遠心力）方向に沿って方位が揃うように結晶成長すると同時に、組成傾斜構造が形成されたり、不純物元素がドープされたりする。
【００５４】
なお、ボディフォースＦ１，Ｆ２により、原子量の大きな原子（太線の丸）は原子量の小さな原子（細線の丸）よりもより強い重力（遠心力）を受けて、原子量の大きな原子（太線の丸）が一軸方向に変位する。これにより、試料２０の結晶は一次元格子歪みを有する特殊な結晶状態となって結晶欠陥が生じることがある。その結果、そこから、ニュークリエーションが起こり、それによって再結晶が多数起こり、微細化が生じることがある。
【００５５】
なお、上述の高重力場処理に伴って、試料２０を加熱または冷却することが好ましい。例えば、固相材料２１の温度が、当該固相材料２１の再結晶温度以上であって、かつ固相材料２１が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内となるように、試料２０を加熱することが好ましい。また、固相材料２１の温度は、固相材料２１の再結晶温度に近い温度であってもよいし、固相材料２１の融点温度に近い温度であってもよい。試料２０の加熱は、ヒータによる直接的な加熱であってもよいし、ヒータによって温められたロータ１０を介した間接的な加熱であってもよい。
【００５６】
［原子空孔を介在した拡散］
上記の高重力場処理を行っていると、重力誘起の拡散に付随して、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォースによる結晶歪みにより、例えば、図４に示したように、原子空孔Ｈが固相材料２１内に多数発生し、固相材料２１内で原子空孔Ｈを介在した拡散が起こる。これにより、固相材料２２内の所定の元素物質の、固相材料２１内における拡散速度を著しく大きくすることができる。その結果、固相材料２１の組成を変えたり、固相材料２１に不純物をドープしたりする速度が極めて高速になり、熱拡散などよりも大幅に処理時間を短縮することができる。なお、固相材料２１内に原子空孔Ｈが多数生じると、固相材料２１の結晶性が若干悪くなるが、その程度は、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法によって生じる結晶性の劣化や結晶破壊などとは比べものにならないくらい小さなものである。また、重力（遠心力）の大きさを適切に制御することにより、組成の均一な材料や、不純物濃度の均一な材料を作製することも可能である。従って、既存の技術には無い高性能かつ高品質な材料を作製することが可能である。
【００５７】
なお、上述した重力誘起の拡散速度は、高重力場下では、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い。これは、重力の大きさに比例して移動速度（ドリフト速度）が速くなったり、空孔が多数発生することによって拡散係数が大きくなったりするからである。また、高重力場下では、現在まだ解明されていないメカニズムによっても拡散が起こっているものと思われ、その影響によっても重力誘起の拡散速度が速くなっているものと思われる。また、固相材料２１に対して固相材料２２内の所定の元素物質が熱拡散し難い場合であっても、重力誘起の拡散では、固相材料２１に対して固相材料２２内の所定の元素物質を容易に拡散させることが可能である。
【００５８】
なお、固相材料２１として、厚さ２ｍｍ以下の単層もしくは多層構造の薄板材または薄膜材を用いてもよいし、厚さ１００μｍ以下の薄膜材を用いてもよい。固相材料２１としてこのようなものを用いた場合には、高重力場処理による原子の沈降が定常状態に達するのに必要な時間を大幅に短縮することができるので、固相材料２１全体の結晶成長および組成傾斜を相対的に短い時間で達成することができる。なお、固相材料２１として、バルク材（典型的には２ｍｍを超える厚さを有する材料）を用いることももちろん可能である。
【００５９】
ところで、上記の高重力場処理を行ったのち、必要に応じて、試料２０（固相材料２１）をアニールすることが好ましい。アニールによって、固相材料２１の結晶状態を改善させることができ、固相材料２１の特性を向上させることができる。
【００６０】
このように、本実施の形態の機能材料の製造方法では、試料２０に対して高重力場処理が施される。これにより、重力誘起の拡散が生じるので、固相材料２２内の所定の元素物質を固相材料２１内に拡散させることができる。これにより、固相材料２２内の所定の元素物質が固相材料２１に熱拡散し難い場合であっても、固相材料２２内の所定の元素物質を固相材料２１内に拡散させることができるので、所定の機能材料を作成することができる。しかも、熱拡散の速度よりも速い速度で固相材料２２内の所定の元素物質を拡散させることができるので、所定の機能材料を短時間で作成することができる。
【００６１】
また、本実施の形態では、拡散現象を用いているので、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法において生じるような損傷を固相材料２１に対して生じさせる可能性はない。また、重力誘起の拡散によって、例えば、希薄磁性半導体や、ペロブスカイト構造の強相関化合物、銅酸化物超伝導体、鉄系酸化物超伝導体、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物などを製造する際に、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが可能である。また、重力誘起の拡散によって、上で例示したものを製造する際に、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることも可能である。
【００６２】
以上のことから、本実施の形態では、従来の方法で製造可能な機能材料だけでなく、従来の方法では製造の困難であった機能材料をも製造することが可能である。
【００６３】
また、本実施の形態の製造方法において用いられた高重力場発生装置では、試料２０を設置する部位（設置面１０Ｃ）が平坦面となっている。そのため、円筒状の試料カプセルを用いた従来の装置よりも、大きな試料を処理することができ、また、一度に大量の試料を処理することが可能である。従って、この高重力場発生装置を用いることにより、高い生産性が得られ、また、生産コストを大幅に低減することができる。
【００６４】
［変形例］
上記実施の形態では、被加工対象物である固相材料２１の組成を変えたり、固相材料２１に不純物をドープしたりするのに必要な所定の元素物質の供給源が、固相材料（固相材料２１）によって構成されていたが、液相材料、気相材料またはプラズマ状態によって構成されていてもよい。また、上記した所定の元素物質の供給源が、固相状態、液相状態および気相状態の少なくとも１つの状態となっていればよく、単一の相状態となっている必要はない。なお、上記した所定の元素物質またはそれを含む物質が、液相状態となっている場合には、ロータ１０は、液相状態の材料をロータ１０内で保持することの可能な構造物を備えていることが好ましい。例えば、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、底面１０Ｄの開口１０Ａ側の端部に壁１０Ｆを設け、液相状態の材料が開口１０Ａから漏れ出さないようにすることが可能である。また、上記した所定の元素物質またはそれを含む物質が、気相状態またはプラズマ状態となっている場合には、ロータ１０は、気相状態またはプラズマ状態の材料がロータ１０内の固相材料２１の表面に十分に到達するような機構を備えていることが好ましい。
【００６５】
また、上記実施の形態では、被加工対象物（固相材料２１）が固相材料によって構成されていたが、液相材料によって構成されていてもよい。また、被加工対象物（固相材料２１）が固相状態および液相状態の少なくとも１つの状態となっていればよく、単一の相状態となっている必要はない。なお、被加工対象物の全体または一部が、液相状態となっている場合には、ロータ１０は、その被加工対象物をロータ１０内で保持する機構を備えていることが好ましい。また、被加工対象物の全体または一部が、液相状態となっている場合に、上記した所定の元素物質の供給源が、液相材料または気相材料によって構成されていてもよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では、ロータ１０の設置面１０Ｃが軸ＡＸ１（回転軸）と平行な平面となっていたが、軸ＡＸ１（回転軸）との関係で所定の角度だけ傾いた傾斜面となっていてもよい。また、上記実施の形態では、試料２０に対して高重力場処理を施すために、図１（Ａ）に示したようなロータ１０を用いたが、それ以外の装置（例えば、特開２００３−１０３１９９号公報や、特開平９−２９０１７８号公報などに記載されているような、従来から用いられている一般的な装置）を用いてもよい。
【００６７】
また、上記実施の形態では、ロータ１０の開口１０Ａが鉛直下側に向いている場合が例示されていたが、開口１０Ａが鉛直上側に向いていてもかまわないし、横に向いていてもかまわない。ただし、開口１０Ａが鉛直上側に向いている場合には、上記実施の形態における上面１０Ｅが底面として機能し、開口１０Ａが横に向いている場合には、上記実施の形態における側面（設置面１０Ｃ）が底面として機能する。
【００６８】
［実施例］
以下、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００６９】
本実施例では、固相材料２１として、GIRMET Ltd, (Russia)社の５０．８ｍｍφ×０．４５ｍｍＴのＩｎＳｂ(１００)単結晶ウェハ半導体試料を用いた。
【００７０】
まず、上記単結晶ウェハから３ｍｍ角のチップを切り出す。次に、ＰＶＤ蒸着法を用いて、この試料の鏡面研磨面に、１μｍ厚のゲルマニウム（Ｇｅ）薄膜を固相材料２２として作成した。Ｇｅ薄膜の成膜条件は、基盤温度１００℃、約５．０×１０−５Ｐａとした。なお、このＧｅが、後に固相材料２１のドーパント不純物となる。
【００７１】
ここで、固相材料２１としてＩｎＳｂを選択したのは、ＩｎＳｂが、ＩｎＳｂの融点が５２５℃と半導体の中では比較的低融点な材料であり、重力による効果が見込まれる再結晶温度以上での実験を行うことができるからである。また、固相材料２２としてＧｅを選択したのは、Ｇｅが、ＩｎＳｂのドーパントとして一般に用いられており、また、Ｇｅの融点がＩｎＳｂの融点よりも高く、固相拡散による不純物濃度変化を観測することが可能だからである。
【００７２】
次に、固相材料２２が遠心力（重力）方向側に配置されるように、ロータ１０内に試料２０を入れた。Ｇｅの比重相当量（原子量／原子容）がＩｎ、Ｓｂの双方の原子の比重相当量（原子量／原子容）よりも小さく、重力誘起の拡散によって、軽いＧｅが遠心力方向とは逆の方向に沈降していくからである。
【００７３】
(実施例１)
次に、作製した試料２０（出発材料）を、出発材料の融点（約５２５℃）よりも低い４００℃±２℃の温度に加熱して固相状態に保ちつつ、重力加速度５９．４万ｇ以上５８．６万ｇ以下の重力場、約２０Ｐａの減圧下で６０時間の重力場処理を施した。減圧は遠心回転の安定化を目的としたものである。重力場処理を施した後の材料について、回転軸を有する面から材料を切断し、表面研磨したあと、組織観察およびＳＩＭＳ（二次イオン質量測定法）による７４Ｇｅの不純物侵入深さと、７４Ｇｅの濃度とを測定した。また、出発材料を、約２０Ｐａ下で４００℃、６０時間熱拡散させることにより得られた材料についても、比較のため同様の測定を行った。
【００７４】
図６は、ＳＩＭＳによる７４Ｇｅ不純物侵入深さおよび７４Ｇｅ濃度の測定結果である。図６から、７４Ｇｅの侵入深さが通常の熱処理の４倍以上の約１５μｍであることを確認できた。なお、ＥＰＭＡ（電子線プローブ微小分析）でも濃度分布分析を行ったが、非常に少量の原子量であったためＧｅの観察は不可能であった。
【００７５】
同様に、Ｍｎ薄膜またはＺｎ薄膜を有するＩｎＳｂチップを用い、同じく４００℃±２℃、重力加速度５９．４万ｇ以上５８．６万ｇ以下の重力場、約２０Ｐａの減圧下で６０時間の重力場処理を施した。不純物Ｍｎは希薄磁性半導体作成を目的とし、Ｚｎはより深いｎ型準位の形成を目的として選んだ。その結果、ＳＩＭＳ測定により深さ方向の各原子濃度を測定した結果、深さ方向に化学反応を伴った拡散による周期的な波型の増減をもつ原子濃度変化が得られた。
【００７６】
また、これらの材料についてＥＰＭＡで面分析したところ、化学反応や析出を駆動力として、不純物原子がＧｅのＥＰＭＡ観察結果よりも高濃度で侵入し、１０μｍ以上の原子移動を確認できた（図７参照）。また、Ｍｎ、Ｚｎは遷移金属であり、Ｓｂと積極的な化学反応（高親和性）をするので、Ｉｎとは薄膜表面から反発に近い高速拡散を確認できた。化学反応拡散は方向性を持たないので、重力方向に依存性の少ないランダムな縞状の層状組織が形成されているのを確認できた。
【００７７】
なお、図７において、左側の４つの図がＭｎ薄膜の結果を、右側の４つの図がＺｎ薄膜の結果をそれぞれ表している。左側の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下はＭｎ濃度を、右下の図は電子顕微像をそれぞれ表している。右側の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下はＺｎ濃度を、右下の図は電子顕微像をそれぞれ表している。色が明るいほど高濃度であることを示している。重力方向は下方向となっている。
【００７８】
(実施例２)
続いて、単結晶ＩｎＳｂ出発試料（試料Ａ）と、高遠心処理（約４０万Ｇ、４００度、５０時間）した単結晶ＩｎＳｂ試料（試料Ｂ）について、ホール効果測定によりキャリア移動度とホール密度を測定した。
【００７９】
図８は試料Ａ，Ｂのキャリア移動度とホール密度の測定結果である。図８から、試料Ｂにおいて、試料Ａと比べて、キャリア移動度が１／２、キャリア濃度が2倍になった。
【００８０】
ＩｎＳｂはノンドープでもＳｂの欠陥によってｎ型の半導体特性を示し、その移動度はＧａＡｓに匹敵するほど高い。通常、不純物によるキャリア濃度の増加を行うと、キャリア移動度とキャリア濃度は比例関係にある。しかし、今回は、遠心処理によって結晶性が崩れたため移動度が下がり、高重力場により空孔(欠陥)が導入されため「空孔ドープ」によるキャリア濃度の増加が生じた。
【００８１】
(実施例３)
本実施例では、固相材料２１として全率固溶型ビスマス−アンチモン（７Ｂｉ−３Ｓｂ）合金を用いた。
【００８２】
まず、ビスマス（Ｂｉ）とアンチモン（Ｓｂ）とを所定の混合比で混合した混合物を真空雰囲気中で溶融法を用いて溶解させたのち、炉冷で凝固させることにより、モル比においてＢｉ：Ｓｂ＝７：３である７Ｂｉ−３Ｓｂ合金（以下、これを出発材料と呼ぶ。）を作製した。表面研磨したあと、組織観察および面領域の組成分析を行った。７Ｂｉ−３Ｓｂ合金は樹枝状結晶になりやすく、今回得られた試料にも図９に示すように、それに伴った組成の偏析が見えた。なお、図９の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下は電子顕微像を、右下の図は任意横軸領域での濃度グラフをそれぞれ表している。色が明るいほど高濃度であることを示している。大きな濃度偏析を確認できた。
【００８３】
次に、作製した出発材料を、以下に実験条件１，２として示したように、出発材料（７Ｂｉ−３Ｓｂ合金）の融点（約３００℃）よりも低い温度に加熱して固相状態に保ちつつ、重力場処理を施した。また、アニール(２００度、２４時間のアニール)のみ行った材料についても、回転軸を有する面から材料を切断し、表面研磨したあと、組織観察および面領域の組成分析を行った。
＜実験条件１＞２４０℃、重力加速度１８万ｇの重力場で１０時間
＜実験条件２＞２５０℃、重力加速度８５万ｇの重力場で５時間
【００８４】
図１０は熱処理のみの材料の結果であり、図１１は＜実験条件１＞の材料の結果であり、図１２は＜実験条件２＞の材料の結果である。図１０、図１１、図１２から、２４時間程度のアニールでは組成の均一化は確認できなかったが、遠心処理では比較的早い時間で高いアニールの効果が見られ、５時間、１０時間と時間が延びるにつれて組成の均一性が増し、重力加速度も１０万G以上と比較的小さな値で十分効果が見られた。図１１からは、５時間という短時間でも偏析が改善されている様子が分かる。
【００８５】
なお、図１０、図１１のそれぞれにおける４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下は電子顕微像を、右下の図は任意横軸領域での濃度グラフをそれぞれ表している。図１２の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下は任意横軸領域での濃度グラフを、右下の図は電子顕微像をそれぞれ表している。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る製造方法に用いられるロータの一構成例を表した断面図である。
【図２】図１の試料の一構成例を表した断面図である。
【図３】重力誘起拡散について説明するための模式図である。
【図４】原子空孔を介在した拡散について説明するための模式図である。
【図５】図１のロータの他の構成例を表した断面図である。
【図６】実施例１および比較例におけるＧｅ拡散深さのＳＩＭＳ計測値を示した図である。
【図７】実施例１でのＭｎ薄膜またはＺｎ薄膜を有するＩｎＳｂチップにおける面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図８】実施例２での試料Ａ，Ｂにおけるホール濃度およびキャリア移動度の計測値を示した図である。
【図９】実施例３でのＢｉＳｂ出発材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図１０】実施例３でのアニールのみ行った材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図１１】実施例３での実験条件１の材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図１２】実施例３での実験条件２の材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０…ロータ、１０Ａ…開口、１０Ｂ…内部空間、１０Ｃ…設置面、１０Ｄ…底面、１０Ｅ…上面、２０…試料、２０Ａ…接触面、２１，２２…固体材料、ＡＸ…軸、Ｆ…遠心力、Ｆ１，Ｆ２…ボディフォース、Ｈ…原子空孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固相材料もしくは液相材料に対して高重力場処理を施すことにより形成された機能材料およびその製造方法、ならびに固相材料もしくは液相材料に対して高重力を印加するのに適した高重力場発生装置用ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の応用として最もよく用いられる不純物半導体では、不純物元素をドーピングしたｎ型およびｐ型の半導体が用いられる。ドーピングの方法としては、固体−固体の熱拡散や、液体−固体の熱拡散、不純物元素雰囲気によるガス−固体の熱拡散、量子ビーム打ち込み、化学反応などが用いられる。ガス−固体の熱拡散によるドーピングでは、蒸着、レーザーアブレーション、スパッタリングなどによって不純物雰囲気が作られる。
【０００３】
半導体材料としては、単体ではＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃなどがある。また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体としてはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮなどがあり、ＩＩ−ＶＩ族半導体としてはＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅなどがある。
【０００４】
ここで、上記したＺｎＯは安価で広く応用されている物質であるが、そのままでは欠陥などによりｎ型になり易い。これは、強いイオン結合に起因して自己補償効果（欠陥を生成してアクセプタを補償する効果）が強いからである。そのため、ｐ型ＺｎＯを作製することが難しく、未だｐ型ＺｎＯは実用化されていない。具体的には、ＺｎＯでは、Ｎ、Ｐまたはアルカリ金属のドープが試みられているが、Ｎのドープが基板温度傾斜法によるレーザを用いたコンビナトリアル合成法によって成功しているのみである。
【０００５】
また、ダイヤモンドは、最高の硬度、熱伝達率、高い絶縁耐圧、広い光透過波長帯域、高い化学安定性などすぐれた性質を持つ。これらにより、Ｓｉ半導体の１万倍、ＳｉＣ半導体の１０倍のパワー素子能力が期待され、また、発光素子としては２３５ｎｍの紫外光を発することができる。しかし、ｎ型ダイヤモンドの作製は極めて難しく、これまで（１１１）面上では成功していたが、（００１）面上ではこれまでに１例だけ成功しているだけであり、未だ、ｎ型ダイヤモンドは実用化されていない。これが、ｎ型ダイヤモンドを用いたデバイス開発のネックとなっている。ダイヤモンドの（１１１）面は（００１）面に比べて非常に硬い。そのため、（１１１）面では、研磨が困難であり、平坦な基板が得られにくく、（００１）面に比べて基板を大面積化することが難しい。これらが、デバイス作製のパターニング、エッチングなど微細加工に関わり、製品化のコストに大きな影響を及ぼす。これまで、ダイヤモンドでは、Ｐのドープは（１１１）面において成功していたが、実用化に必要な（００１）面において難しく、マイクロ波プラズマ化学気相合成法によって実現されているだけであり、未だ、（００１）面でのＰドープは実用化には至っていない。
【０００６】
有機物半導体としては、低分子ではテチラセン、ペンタセンなどのアセン族、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリシン誘導体などのジアミン誘導体がある。高分子では、ポリ（３‐アルキルチオフェン）などポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミンなどが挙げられる。
【０００７】
熱電能物質では、不純物をドープしたり、組成を変化させたりすることにより特性を向上させることができる。熱電能材料としては、全率固溶型ビスマス（Ｂｉ）−アンチモン（Ｓｂ）合金、カドミウム（Ｃｄ）−アンチモン系金属間化合物、ビスマス−テルル（Ｔｅ）系半導体化合物（Ｂｉ２Ｔｅ３）、または全率固溶型セレン（Ｓｅ）−テルル系半導体固溶体などが挙げられる。例えば、セレン（Ｓｅ）の７６Ｓｅ，７８Ｓｅ，８０Ｓｅおよび８２Ｓｅ、テルル（Ｔｅ）の１２５Ｔｅ、１２６Ｔｅ、１２８Ｔｅおよび１３０Ｔｅ、シリコン（Ｓｉ）の２８Ｓｉ、２９Ｓｉおよび３０Ｓｉなどが挙げられる。ＭｘＣｏ４Ｓｂ１２(Ｍ＝Ｇｅ、ＳｂまたはＰｂ)などのクッテルダイト型化合物も挙げられる。
【０００８】
ＩＩＩ−Ｖ族元素の合金や、遷移元素化合物、窒化物、または遷移金属酸化物などの半導体では、遷移元素や希土類元素をドーピングすることによって、強磁性体になることが知られている。この強磁性体は、希薄磁性半導体と呼ばれるものであり、この系には、Ｉｎ−Ａｓ、Ｇａ−Ａｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２などがある。ここで、希薄磁性半導体は、半導体を構成するイオンの一部を磁性元素で置換した物質であり、磁気特性と伝導・光学特性とが強く結びついた性質を示し、産業上有用である。希薄磁性半導体を作製するに際して、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。また、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。
【０００９】
また、ペロブスカイト構造の強相関化合物や、銅酸化物超伝導体、鉄系酸化物超伝導体（ＬｎＯＭＰｎ（Ｌｎ＝ランタン系元素、Ｍ＝遷移金属、Ｐｎ＝Ｐ、ＡｓまたはＳｂ）系化合物）、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物では、不純物の添加によってその物性が著しく変化することが知られている。銅酸化物超伝導体には、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなどのＹ系、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０などのＢｉ系、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４などのＴｌ系、ＨｇＢａＣａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４＋δなどのＨｇ系がある。また、鉄系酸化物超伝導体には、Ｌａ（Ｏ１−ｘＦｘ）ＦｅＡｓ（ランタン、酸素、フッ素、鉄、ヒ素)などがある。これらの物質を作製するに際しても、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。また、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが重要である。
【００１０】
なお、ＺｎＯに関する文献としては、例えば、以下に示した特許文献１、非特許文献１，２などがある。また、ダイヤモンドに関する文献としては、例えば、以下に示した特許文献２、非特許文献３などがある。また、希薄磁性半導体に関する文献としては、例えば、以下に示した非特許文献４などがある。
【特許文献１】特開２００５−２２３２１９号公報
【特許文献２】特開２００６−２４０９８３号公報
【非特許文献１】ZnO青色発光ダイオード．［応用物理,74(10),(2005),1359-1364、］塚崎敦,大友明,川崎雅司
【非特許文献２】“Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO,” A. Tsukazaki, A. Ohtomo, T. Onuma, M. Ohtani, T. Makino, M. Sumiya, K. Ohtani, S. F. Chichibu, S. Fuke, Y. Segawa, H. Ohno, H. Koinuma and M. Kawasaki, Nature Mater. 4, 42-46 (2005).
【非特許文献３】H.Kato, S. Yamazaki, Y. Okushi, Appl. Phys. Lett. 86 222111 (2005).
【非特許文献４】Science 287, 1019 (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、半導体に不純物をドープする方法に関しては、以下の問題があった。熱拡散を用いる方法では、半導体と不純物元素の組み合わせによって拡散が極めて困難でドーピングが難しい系があることが知られている。特に、ＺｎＯではｐ型半導体の作成が難しく、ダイヤモンドではｎ型半導体の作製が難しく、これらは未だに実用化されていない。一方、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法では、母体の半導体が損傷したり、結晶性が劣化したりするので、良好な半導体を得ることが難しかった。また、希薄磁性半導体や、価数が代わる不定比性化合物では、作製に際して、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが難しかった。また、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることも難しかった。
【００１２】
このように、従来の方法では、不純物をドープしたり、組成を変えたりするなどして、高性能な材料を製造することが容易ではないことがあった。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、従来の方法では製造の困難であった機能材料も製造することの可能な機能材料の製造方法およびその製造方法によって製造された機能材料、ならびにその製造方法で用いられる高重力場発生装置用ロータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の機能材料の製造方法は、薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素物質またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、第一の材料および第二の材料に対して、第一の材料のうち第二の材料との接触面と交差する方向に高重力をかける高重力場処理を行うものである。
【００１５】
本発明の機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料である。この機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素物質またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、第一の材料および第二の材料に対して、第一の材料のうち所定の元素物質またはそれを含む物質との接触面と交差する方向に高重力をかけることにより形成されたものである。
【００１６】
本発明の機能材料およびその製造方法では、第一の材料および第二の材料に対して高重力場処理が施される。これにより、重力誘起の拡散が生じ、所定の元素物質が第一の材料内に沈降する。ここで、重力誘起の拡散速度は、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い。また、第一の材料に対して所定の元素物質が熱拡散し難い場合であっても、重力誘起の拡散では、第一の材料に対して所定の元素物質を、結晶性を劣化させずに、容易に拡散させることが可能である。
【００１７】
ところで、上記の高重力場処理を行うことにより、重力誘起の拡散に付随して、例えば、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォース（体積力）により原子空孔を固相材料もしくは液相材料内に発生させ、固相材料もしくは液相材料内で原子空孔を介在した拡散を起こさせることも可能である。そのようにした場合には、所定の元素物質の、固相材料もしくは液相材料内における拡散速度を著しく大きくすることができる。
【００１８】
また、所定の元素物質の、原子の比重に相当する第一の量（原子量／原子容）が、第一の材料の、原子の比重に相当する第二の量（原子量／原子容）よりも大きい場合には、第一の材料との関係で、第二の材料を重力方向とは反対側に配置することが好ましい。また、上記第一の量が上記第二の量よりも小さい場合には、第一の材料との関係で、第二の材料を重力方向側に配置することが好ましい。そのようにした場合には、所定の元素物質を第一の材料に効率的に拡散させることができる。
【００１９】
また、第一の材料として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅもしくはＣの単体を用いることが可能である。なお、Ｃの単体としては、例えば、ダイヤモンド、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーンまたはグラファイトが含まれる。また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体としてはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮなどがあり、ＩＩ−ＶＩ族半導体としてはＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅなどがある。また、第一の材料として、ゼオライト、層間化合物、層状化合物を用いることも可能である。
【００２０】
また、第一の材料としてダイヤモンドを用い、所定の元素物質として、Ｖ族、ＶＩ族もしくはＶＩＩ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いたり、Ｉ族、ＩＩ族、またはＩＩＩ族の元素物質を用いたりすることが可能である。また、第一の材料としてＺｎＯを用い、所定の元素物質として、Ｉ族、ＩＩ族、ＩＩＩ族、ＩＶ族もしくはＶ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いることも可能である。
【００２１】
また、高重力場処理において、第一の材料の再結晶温度以上であって、かつ第一の材料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内で、少なくとも１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を、第一の材料および第二の材料に対して印加することが好ましい。これにより、重力誘起の拡散を生じさせることが可能となる。また、上記重力加速度については、１０万ｇ以上であることがより好ましい。これにより、多くの種類の材料において、重力誘起の拡散を生じさせることができる。なお、再結晶温度は、通常、融点（ケルビン）の半分程度の温度である。
【００２２】
また、高重力場処理において、第一の材料および第二の材料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、第一の材料および第二の材料に対して印加することが可能である。このとき、ロータ内に、回転軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平面を複数設け、各平面を、第一の材料を設置（固定）する設置面（固定面）として用いることも可能である。これにより、第一の材料に対して、その表面と直交もしくは交差する方向に容易に重力をかけることが可能となる。また、上記ロータ内に多くの第一の材料を設置（固定）することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能である。
【００２３】
また、上記したようなロータを用いた場合には、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって加熱されたロータを介して、第一の材料および第二の材料を加熱することも可能である。また、上記したようなロータを用いるか否かに拘わらず、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって、第一の材料および第二の材料を直接、加熱することも可能である。
【００２４】
また、高重力場処理において、拡散係数を大きくするために、第一の材料の温度を当該第一の材料の再結晶温度に近い温度にしてもよいし、当該第一の材料の融点温度に近い温度にしてもよい。また、高重力場処理において、第一の材料に対して加熱または冷却を行うようにしてもよい。また、高重力場処理を行ったのち、第一の材料をアニールすることも可能である。アニールを行うことにより、第一の材料の結晶状態を改善させることができ、高機能材料の特性を向上させることができる。
【００２５】
本発明の高重力場発生装置用ロータは、一の軸と直交する面内において前記軸を中心として点対称の形状となっており、かつ軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間を有している。
【００２６】
本発明の高重力場発生装置用ロータでは、ロータ内に、軸（回転軸）との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間が設けられている。これにより、平坦面に試料を設置（固定）したのち、ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、試料に対して印加することが可能である。ここで、本発明の高重力場発生装置用ロータでは、試料を設置する部位が平坦面となっている。そのため、円筒状の試料カプセルを用いた従来のロータよりも、大きな試料を処理することができ、また、一度に大量の試料を処理することが可能である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の機能材料およびその製造方法によれば、第一の材料および第二の材料に対して高重力場処理を行うようにしたので、重力誘起の拡散によって、所定の元素物質を第一の材料内に沈降させることができる。これにより、所定の元素物質が第一の材料に熱拡散し難い場合であっても、所定の元素物質を第一の材料内に拡散させることができるので、所定の機能材料を作成することができる。しかも、熱拡散の速度よりも速い速度で所定の元素物質を拡散させることができるので、所定の機能材料を短時間で作成することができる。
【００２８】
また、本発明の機能材料およびその製造方法では、拡散現象を用いているので、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法において生じるような損傷を第一の材料に対して生じさせる可能性は小さく、量子ビーム打ち込みなどのような結晶状態の乱れが生じる可能性は無い。また、重力誘起の拡散によって、例えば、希薄磁性半導体や、ペロブスカイト構造の強相関化合物、銅酸化物超伝導体、鉄系酸化物超伝導体、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物などを製造する際に、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが可能である。また、重力誘起の拡散によって、上で例示したものを製造する際に、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることも可能である。
【００２９】
以上のことから、本発明の機能材料およびその製造方法では、従来の方法で製造可能な機能材料だけでなく、従来の方法では製造の困難であった機能材料をも製造することが可能である。
【００３０】
また、本発明の高重力場発生装置用ロータによれば、ロータ内に、軸（回転軸）との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間を設けたので、従来よりも、大きな試料を処理することができ、また、一度に大量の試料を処理することができる。従って、本発明の高重力場発生装置用ロータでは、生産性が高く、生産コストを大幅に低減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という）について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（固相材料−固相材料のケース、ロータ）
２．変形例（固相材料−液相材料のケース）
３．変形例（固相材料−気相材料またはプラズマ状態の材料のケース）
４．変形例（液相材料−液相材料のケース）
５．変形例（液相材料−気相材料またはプラズマ状態の材料のケース）
６．変形例（他のロータ）
７．実施例（固相材料−固相材料のケース）
【００３２】
図１（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る機能材料の製造方法に用いられる高重力場発生装置の断面構成の一例を表したものである。図１（Ｂ）は、図１の高重力場発生装置のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例を表したものである。
【００３３】
［高重力場発生装置］
まず、高重力場発生装置について説明する。この高重力場発生装置は、板状試料用に好適に適用可能なものであり、一の軸ＡＸを中心として長時間安定的に高速回転することの可能なロータ１０と、ロータ１０を、軸ＡＸを中心として高速回転させる駆動部（図示せず）とを備えている。ロータ１０は、軸ＡＸと直交する面内において軸ＡＸを中心として点対称の形状となっており、例えば、図１（Ａ）に示したような釣鐘状の形状となっている。ロータ１０の底面には、ロータ１０内に設けられた内部空間１０Ｂとロータ１０の外部空間とを連通する開口１０Ａが設けられている。内部空間１０Ｂは、例えば、図１（Ａ），（Ｂ）に示したように、軸ＡＸと平行な平坦面（設置面１０Ｃ）を複数有する多面体の側面によって囲まれている。この内部空間１０Ｂは、さらに、軸ＡＸと直交するかまたは設置面１０Ｃと鋭角で交差する平坦面を有する底面１０Ｄと、底面１０Ｄおよび開口１０Ａと所定の間隙を介して対向する上面１０Ｅとによって囲まれており、多角柱状の空間となっている。設置面１０Ｃは、試料２０を設置する面であり、ロータ１０を回転させた際に試料２０に対して印加される遠心力の向きを規定する役割を有している。また、底面１０Ｄは、試料２０を設置面１０Ｃに設置した際に、ロータ１０の停止時や回転時に、試料２０が設置面１０Ｃから脱落したり、滑って外部に飛び出したりするのを防ぐ役割を有している。従って、この高重力場発生装置は、内部空間１０Ｂの所定の位置に試料２０を設置（固定）し、ロータ１０を、軸ＡＸを中心軸として高速回転させることにより、試料２０に対して所定の方向（例えば、軸ＡＸと直交もしくは交差する方向）に遠心力を印加する機能を有している。なお、図１（Ａ）には、底面１０Ｄが軸ＡＸと直交する平坦面を有している場合が例示されているが、底面１０Ｄが設置面１０Ｃと鋭角で交差する平坦面を有していてもよい。また、例えば、底面１０Ｄに、試料２０が設置面１０Ｃから脱落したり、滑って飛び出したりするのを積極的に防止する突起などの構造物が設けられていてもよい。
【００３４】
この高重力場発生装置は、試料２０に対し、少なくとも１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を印加することが可能であり、１０万ｇ、１００万ｇ程度の重力加速度を印加することも可能である。つまり、この高重力場発生装置は、多くの種類の材料において、後述の重力誘起の拡散や原子空孔を介在した拡散を生じさせることができるようになっている。また、この高重力場発生装置は、図１（Ｂ）に示したように、ロータ１０の各設置面１０Ｃに試料２０を設置（固定）することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能となっている。
【００３５】
また、この高重力場発生装置は、図示しないが、ロータ１０および試料２０の少なくとも一方を、回転時および非回転時のいずれの場合においても加熱（例えば、接触加熱、輻射加熱、レーザ加熱など）することの可能なヒータを備えている。ここで、ロータ１０自身がヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータ１０は、ロータ１０の熱を試料２０に伝達することの可能な材料（例えば、インコネル（高温に強い材料）などの鉄鋼材料、Ｔｉ（チタン）−６Ａｌ（アルミニウム）−４Ｖ（バナジウム）合金など）によって構成されている。また、試料２０そのものがヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータ１０は、ヒータから発せられたエネルギーが試料２０に直接、伝達されるような機構を備えている。なお、このロータ１０は、ヒータの他に、ロータ１０および試料２０の少なくとも一方を冷却するクーラなどを備えていてもよい。
【００３６】
［試料２０］
次に、試料２０について説明する。図２（Ａ），（Ｂ）は、ロータ１０内に置かれた試料２０の断面構成の一例を表したものである。なお、図２（Ａ），（Ｂ）には、試料２０が内部空間１０Ｂの側面（設置面１０Ｃ）と、底面１０Ｄとに接するように配置（固定）されている場合が例示されている。試料２０は、図２（Ａ），（Ｂ）示したように、材料の互いに異なる固相材料２１，２２を互いに接触させたものである。固相材料２１と固相材料２２との接触面２０Ａは、ロータ１０の軸ＡＸと平行となっており、ロータ１０の回転面と直交している。
【００３７】
固相材料２１は、固相材料２２を利用して組成を変えたり、不純物をドープしたりする被加工対象物であり、薄膜状、板状もしくはバルク状となっている。この固相材料２１は、被加工対象物となり得る材料であればどのような材料であってもよく、例えば、半導体、共有結合化合物、イオン化合物、有機物、熱電能物質などによって構成されている。また、この固相材料２１は、例えば、単結晶、多結晶、アモルファス、高分子、ゼオライト、層間化合物、層状化合物などによって構成されている。
【００３８】
ここで、半導体としては、例えば、ＩＩＩ、ＩＶまたはＶ族の元素の単体や、ＩＩＩ−Ｖ族元素の合金、遷移元素化合物、窒化物、または遷移金属酸化物などがある。共有結合化合物やイオン化合物としては、例えば、銅酸化物超伝導体、酸化物巨大磁気抵抗物質などの強相関物質、ペロブスカイト酸化物、最近の鉄系酸化物超伝導体（ＬｎＯＭＰｎ（Ｌｎ＝ランタン系元素、Ｍ＝遷移金属、Ｐｎ＝Ｐ、ＡｓまたはＳｂ）系化合物）、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物などがある。
【００３９】
半導体としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅもしくはＣの単体が挙げられる。なお、Ｃの単体には、ダイヤモンドの他、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーン、グラファイトなどが含まれるが、これらに不純物を入れると、特異な半導体特性や、超伝導特性、光触媒特性、電池などの機能を示すことが知られている。その他の半導体としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＮを主に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体や、ＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅもしくはＺｅＳｅを主に含むＩＩ−ＶＩ族半導体が挙げられる。
【００４０】
有機物半導体としては、低分子ではテチラセン、ペンタセンなどのアセン族、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリシン誘導体などのジアミン誘導体がある。高分子では、ポリ（３‐アルキルチオフェン）などポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミンなどが挙げられる。
【００４１】
熱電能物質では、不純物をドープしたり、組成を変化させたりすることにより特性を向上させることができる。熱電能材料としては、全率固溶型ビスマス（Ｂｉ）−アンチモン（Ｓｂ）合金、カドミウム（Ｃｄ）−アンチモン系金属間化合物、ビスマス−テルル（Ｔｅ）系半導体化合物（Ｂｉ２Ｔｅ３）、または全率固溶型セレン（Ｓｅ）−テルル系半導体固溶体などが挙げられる。例えば、セレン（Ｓｅ）の７６Ｓｅ，７８Ｓｅ，８０Ｓｅおよび８２Ｓｅ、テルル（Ｔｅ）の１２５Ｔｅ、１２６Ｔｅ、１２８Ｔｅおよび１３０Ｔｅ、シリコン（Ｓｉ）の２８Ｓｉ、２９Ｓｉおよび３０Ｓｉなどが挙げられる。ＭｘＣｏ４Ｓｂ１２(Ｍ＝Ｇｅ、ＳｂまたはＰｂ)などのクッテルダイト型化合物も挙げられる。
【００４２】
希薄磁性半導体としては、例えば、Ｉｎ−Ａｓ、Ｇａ−Ａｓ、ＺｎＴｅ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２などが挙げられる。銅酸化物超伝導体としては、例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘなどのＹ系、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０などのＢｉ系、Ｔｌ２Ｂａ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４などのＴｌ系、ＨｇＢａＣａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４＋δなどのＨｇ系が挙げられる。また、鉄系酸化物超伝導体には、Ｌａ（Ｏ１−ｘＦｘ）ＦｅＡｓ（ランタン、酸素、フッ素、鉄、ヒ素)などが挙げられる。
【００４３】
また、固相材料２１として用いられる層状化合物としては、無機層状化合物、有機層状化合物、または無機有機層状化合物などがある。層状化合物の中には、その二次元構造を保持したままで、内部に原子、分子、イオンなどを取り込むことの可能な化合物が存在する。そのような化合物に、原子、分子、イオンなどを取り込ませることにより、耐熱性や強度をはじめとする材料特性を向上させたり、新機能を発現させたりすることが可能である。また、層状化合物の構造によっては、層状化合物の積層面内方向に重力（遠心力）を印加したときに、内部に原子、分子、イオンなどを拡散させ易くなる場合がある。
【００４４】
固相材料２２は、被加工対象物である固相材料２１の組成を変えたり、固相材料２１に不純物をドープしたりするのに必要な所定の元素物質からなるか、またはその所定の元素物質を含む物質によって構成されている。
【００４５】
例えば、固相材料２１としてダイヤモンドを用いる場合には、所定の元素物質として、Ｖ族（例えばＰ、Ａｓ）、ＶＩ族もしくはＶＩＩ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いたり、Ｉ族、ＩＩ族またはＩＩＩ族（例えばＢ）の元素物質を用いたりすることが可能である。
【００４６】
なお、ダイヤモンドは、ホウ素(Ｂ)をドープすることによって、超伝導を示す。超伝導の臨界温度はMcMillianの式によるとデバイ温度に比例するが、ダイヤモンドのデバイ温度は非常に高いので、ダイヤモンドは有力な高温超伝導候補物質である。ダイヤモンドにＢやＡｌなどをドープするとアクセプタが導入されｐ型半導体になる。また、青色ダイヤモンドとなり宝石としての価値も高まる。また、Ｐ、Ｎ、Ｓなどをドープするとン型半導体になる。ホウ素をドープしたダイヤモンドは金属化し、超伝導を示すことがわかっている。また、フラーレンやグラファイトも超伝導を示し、不純物で臨界温度も変化する。
【００４７】
また、例えば、固相材料２１としてＺｎＯを用いる場合には、所定の元素物質として、Ｉ族（例えばＮａ）、ＩＩ族（例えばＭｇ、Ｂｅ）、ＩＩＩ族（例えばＢ）、ＩＶ族（例えばＣ）もしくはＶ族（例えばＮ）の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を用いることが可能である。
【００４８】
ここで、所定の元素物質の、原子の比重に相当する第一の量（原子量／原子容）が、固相材料２１の、原子の比重に相当する第二の量（原子量／原子容）よりも大きい場合には、例えば、図２（Ａ）に示したように、固相材料２１との関係で、固相材料２２は遠心力方向とは反対側に配置されることが好ましい。また、上記第一の量が上記第二の量よりも小さい場合には、例えば、図２（Ｂ）に示したように、固相材料２１との関係で、固相材料２２は遠心力方向側に配置されることが好ましい。そのようにした場合には、後述する重力誘起の拡散の原理によって、所定の元素物質を固相材料２１に効率的に拡散させることができる。
【００４９】
次に、上述した「重力誘起の拡散」と、「原子空孔を介在した拡散」の２種類の拡散の原理について、試料２０の加工手順と併せて説明する。図３（Ａ），（Ｂ）は、重力誘起の拡散の原理について説明するための模式図であり、図４は、原子空孔を介在した拡散の原理について説明するための模式図である。なお、以下の説明では、図３（Ａ）に例示したように、固相材料２１が、比重相当量（上記の第一の量）の小さな原子（細線の丸）によって構成され、固相材料２２が、比重相当量（上記の第二の量）の大きな原子（太線の丸）によって構成されているものとする。
【００５０】
［重力誘起の拡散］
まず、図２（Ａ）に示したように、固相材料２１が設置面１０Ｃ側（遠心力方向側）に、固相材料２２が設置面１０Ｃとは反対側（遠心力方向とは反対側）にそれぞれ配置されるように、試料２０をロータ１０の内部空間１０Ｂ内に配置（固定）する。
【００５１】
次に、ロータ１０を高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、試料２０に対して印加する。このとき、遠心力の方向は、試料２０の接触面２０Ａと交差（直交）する方向を向いている。また、重力加速度は、少なくとも１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２ ）以上であることが必要であり、１０万ｇ以上であることが好ましい。これにより、高重力場下では、圧力場下において原子の種類に関係なく均等に圧力を受ける場合とは異なり、原子量の大きさの違いによって、原子には選択的かつ直接的に、異なるボディフォース（体積力）が印加される。
【００５２】
例えば、図３（Ａ）に示したように、遠心力Ｆが印加されている高重力場下において、原子量の大きな原子（太線の丸）には遠心力Ｆと同一方向にボディフォースＦ１が印加され、原子量の小さな原子（細線の丸）には遠心力Ｆと反対方向にボディフォースＦ２が印加される。なお、図３（Ａ）では、見やすさを優先して、原子量の大きな原子（太線の丸）のうちの１つにだけボディフォースＦ１に相当する矢印を記載し、原子量の小さな原子（細線の丸）のうちの１つにだけボディフォースＦ２に相当する矢印を記載した。
【００５３】
更に、長時間、高重力場処理を行った際に、ある原子の重力ポテンシャルと、その周囲の平均化された重力ポテンシャルとの差が大きくなると、例えば、図３（Ｂ）の矢印Ｄ１で示したように、比重相当量の大きな原子（太線の丸）が重力（遠心力）方向に移動するようになる。このとき、比重相当量の小さな原子（細線の丸）は、例えば、図３（Ｂ）の矢印Ｄ２で示したように、重力（遠心力）とは反対方向に移動するようになる。そして、重力ポテンシャルと、その周囲の平均化された重力ポテンシャルとの差が、化学ポテンシャルと比較して、同等か、それ以上となると、極めて多数の原子が移動するようになる。つまり、高重力場下では、原子の沈降（重力誘起の拡散）が生じ、それによって、重力（遠心力）方向に沿って方位が揃うように結晶成長すると同時に、組成傾斜構造が形成されたり、不純物元素がドープされたりする。
【００５４】
なお、ボディフォースＦ１，Ｆ２により、原子量の大きな原子（太線の丸）は原子量の小さな原子（細線の丸）よりもより強い重力（遠心力）を受けて、原子量の大きな原子（太線の丸）が一軸方向に変位する。これにより、試料２０の結晶は一次元格子歪みを有する特殊な結晶状態となって結晶欠陥が生じることがある。その結果、そこから、ニュークリエーションが起こり、それによって再結晶が多数起こり、微細化が生じることがある。
【００５５】
なお、上述の高重力場処理に伴って、試料２０を加熱または冷却することが好ましい。例えば、固相材料２１の温度が、当該固相材料２１の再結晶温度以上であって、かつ固相材料２１が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内となるように、試料２０を加熱することが好ましい。また、固相材料２１の温度は、固相材料２１の再結晶温度に近い温度であってもよいし、固相材料２１の融点温度に近い温度であってもよい。試料２０の加熱は、ヒータによる直接的な加熱であってもよいし、ヒータによって温められたロータ１０を介した間接的な加熱であってもよい。
【００５６】
［原子空孔を介在した拡散］
上記の高重力場処理を行っていると、重力誘起の拡散に付随して、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォースによる結晶歪みにより、例えば、図４に示したように、原子空孔Ｈが固相材料２１内に多数発生し、固相材料２１内で原子空孔Ｈを介在した拡散が起こる。これにより、固相材料２２内の所定の元素物質の、固相材料２１内における拡散速度を著しく大きくすることができる。その結果、固相材料２１の組成を変えたり、固相材料２１に不純物をドープしたりする速度が極めて高速になり、熱拡散などよりも大幅に処理時間を短縮することができる。なお、固相材料２１内に原子空孔Ｈが多数生じると、固相材料２１の結晶性が若干悪くなるが、その程度は、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法によって生じる結晶性の劣化や結晶破壊などとは比べものにならないくらい小さなものである。また、重力（遠心力）の大きさを適切に制御することにより、組成の均一な材料や、不純物濃度の均一な材料を作製することも可能である。従って、既存の技術には無い高性能かつ高品質な材料を作製することが可能である。
【００５７】
なお、上述した重力誘起の拡散速度は、高重力場下では、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い。これは、重力の大きさに比例して移動速度（ドリフト速度）が速くなったり、空孔が多数発生することによって拡散係数が大きくなったりするからである。また、高重力場下では、現在まだ解明されていないメカニズムによっても拡散が起こっているものと思われ、その影響によっても重力誘起の拡散速度が速くなっているものと思われる。また、固相材料２１に対して固相材料２２内の所定の元素物質が熱拡散し難い場合であっても、重力誘起の拡散では、固相材料２１に対して固相材料２２内の所定の元素物質を容易に拡散させることが可能である。
【００５８】
なお、固相材料２１として、厚さ２ｍｍ以下の単層もしくは多層構造の薄板材または薄膜材を用いてもよいし、厚さ１００μｍ以下の薄膜材を用いてもよい。固相材料２１としてこのようなものを用いた場合には、高重力場処理による原子の沈降が定常状態に達するのに必要な時間を大幅に短縮することができるので、固相材料２１全体の結晶成長および組成傾斜を相対的に短い時間で達成することができる。なお、固相材料２１として、バルク材（典型的には２ｍｍを超える厚さを有する材料）を用いることももちろん可能である。
【００５９】
ところで、上記の高重力場処理を行ったのち、必要に応じて、試料２０（固相材料２１）をアニールすることが好ましい。アニールによって、固相材料２１の結晶状態を改善させることができ、固相材料２１の特性を向上させることができる。
【００６０】
このように、本実施の形態の機能材料の製造方法では、試料２０に対して高重力場処理が施される。これにより、重力誘起の拡散が生じるので、固相材料２２内の所定の元素物質を固相材料２１内に拡散させることができる。これにより、固相材料２２内の所定の元素物質が固相材料２１に熱拡散し難い場合であっても、固相材料２２内の所定の元素物質を固相材料２１内に拡散させることができるので、所定の機能材料を作成することができる。しかも、熱拡散の速度よりも速い速度で固相材料２２内の所定の元素物質を拡散させることができるので、所定の機能材料を短時間で作成することができる。
【００６１】
また、本実施の形態では、拡散現象を用いているので、イオンビームなどの量子ビーム打ち込み法において生じるような損傷を固相材料２１に対して生じさせる可能性はない。また、重力誘起の拡散によって、例えば、希薄磁性半導体や、ペロブスカイト構造の強相関化合物、銅酸化物超伝導体、鉄系酸化物超伝導体、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物などを製造する際に、結晶状態を乱さないで組成を変えたり、不純物をドープしたりすることが可能である。また、重力誘起の拡散によって、上で例示したものを製造する際に、構造や欠陥状態をあまり変えないで、組成を変えたり、不純物をドープしたりすることも可能である。
【００６２】
以上のことから、本実施の形態では、従来の方法で製造可能な機能材料だけでなく、従来の方法では製造の困難であった機能材料をも製造することが可能である。
【００６３】
また、本実施の形態の製造方法において用いられた高重力場発生装置では、試料２０を設置する部位（設置面１０Ｃ）が平坦面となっている。そのため、円筒状の試料カプセルを用いた従来の装置よりも、大きな試料を処理することができ、また、一度に大量の試料を処理することが可能である。従って、この高重力場発生装置を用いることにより、高い生産性が得られ、また、生産コストを大幅に低減することができる。
【００６４】
［変形例］
上記実施の形態では、被加工対象物である固相材料２１の組成を変えたり、固相材料２１に不純物をドープしたりするのに必要な所定の元素物質の供給源が、固相材料（固相材料２１）によって構成されていたが、液相材料、気相材料またはプラズマ状態によって構成されていてもよい。また、上記した所定の元素物質の供給源が、固相状態、液相状態および気相状態の少なくとも１つの状態となっていればよく、単一の相状態となっている必要はない。なお、上記した所定の元素物質またはそれを含む物質が、液相状態となっている場合には、ロータ１０は、液相状態の材料をロータ１０内で保持することの可能な構造物を備えていることが好ましい。例えば、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、底面１０Ｄの開口１０Ａ側の端部に壁１０Ｆを設け、液相状態の材料が開口１０Ａから漏れ出さないようにすることが可能である。また、上記した所定の元素物質またはそれを含む物質が、気相状態またはプラズマ状態となっている場合には、ロータ１０は、気相状態またはプラズマ状態の材料がロータ１０内の固相材料２１の表面に十分に到達するような機構を備えていることが好ましい。
【００６５】
また、上記実施の形態では、被加工対象物（固相材料２１）が固相材料によって構成されていたが、液相材料によって構成されていてもよい。また、被加工対象物（固相材料２１）が固相状態および液相状態の少なくとも１つの状態となっていればよく、単一の相状態となっている必要はない。なお、被加工対象物の全体または一部が、液相状態となっている場合には、ロータ１０は、その被加工対象物をロータ１０内で保持する機構を備えていることが好ましい。また、被加工対象物の全体または一部が、液相状態となっている場合に、上記した所定の元素物質の供給源が、液相材料または気相材料によって構成されていてもよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では、ロータ１０の設置面１０Ｃが軸ＡＸ１（回転軸）と平行な平面となっていたが、軸ＡＸ１（回転軸）との関係で所定の角度だけ傾いた傾斜面となっていてもよい。また、上記実施の形態では、試料２０に対して高重力場処理を施すために、図１（Ａ）に示したようなロータ１０を用いたが、それ以外の装置（例えば、特開２００３−１０３１９９号公報や、特開平９−２９０１７８号公報などに記載されているような、従来から用いられている一般的な装置）を用いてもよい。
【００６７】
また、上記実施の形態では、ロータ１０の開口１０Ａが鉛直下側に向いている場合が例示されていたが、開口１０Ａが鉛直上側に向いていてもかまわないし、横に向いていてもかまわない。ただし、開口１０Ａが鉛直上側に向いている場合には、上記実施の形態における上面１０Ｅが底面として機能し、開口１０Ａが横に向いている場合には、上記実施の形態における側面（設置面１０Ｃ）が底面として機能する。
【００６８】
［実施例］
以下、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００６９】
本実施例では、固相材料２１として、GIRMET Ltd, (Russia)社の５０．８ｍｍφ×０．４５ｍｍＴのＩｎＳｂ(１００)単結晶ウェハ半導体試料を用いた。
【００７０】
まず、上記単結晶ウェハから３ｍｍ角のチップを切り出す。次に、ＰＶＤ蒸着法を用いて、この試料の鏡面研磨面に、１μｍ厚のゲルマニウム（Ｇｅ）薄膜を固相材料２２として作成した。Ｇｅ薄膜の成膜条件は、基盤温度１００℃、約５．０×１０−５Ｐａとした。なお、このＧｅが、後に固相材料２１のドーパント不純物となる。
【００７１】
ここで、固相材料２１としてＩｎＳｂを選択したのは、ＩｎＳｂが、ＩｎＳｂの融点が５２５℃と半導体の中では比較的低融点な材料であり、重力による効果が見込まれる再結晶温度以上での実験を行うことができるからである。また、固相材料２２としてＧｅを選択したのは、Ｇｅが、ＩｎＳｂのドーパントとして一般に用いられており、また、Ｇｅの融点がＩｎＳｂの融点よりも高く、固相拡散による不純物濃度変化を観測することが可能だからである。
【００７２】
次に、固相材料２２が遠心力（重力）方向側に配置されるように、ロータ１０内に試料２０を入れた。Ｇｅの比重相当量（原子量／原子容）がＩｎ、Ｓｂの双方の原子の比重相当量（原子量／原子容）よりも小さく、重力誘起の拡散によって、軽いＧｅが遠心力方向とは逆の方向に沈降していくからである。
【００７３】
(実施例１)
次に、作製した試料２０（出発材料）を、出発材料の融点（約５２５℃）よりも低い４００℃±２℃の温度に加熱して固相状態に保ちつつ、重力加速度５９．４万ｇ以上５８．６万ｇ以下の重力場、約２０Ｐａの減圧下で６０時間の重力場処理を施した。減圧は遠心回転の安定化を目的としたものである。重力場処理を施した後の材料について、回転軸を有する面から材料を切断し、表面研磨したあと、組織観察およびＳＩＭＳ（二次イオン質量測定法）による７４Ｇｅの不純物侵入深さと、７４Ｇｅの濃度とを測定した。また、出発材料を、約２０Ｐａ下で４００℃、６０時間熱拡散させることにより得られた材料についても、比較のため同様の測定を行った。
【００７４】
図６は、ＳＩＭＳによる７４Ｇｅ不純物侵入深さおよび７４Ｇｅ濃度の測定結果である。図６から、７４Ｇｅの侵入深さが通常の熱処理の４倍以上の約１５μｍであることを確認できた。なお、ＥＰＭＡ（電子線プローブ微小分析）でも濃度分布分析を行ったが、非常に少量の原子量であったためＧｅの観察は不可能であった。
【００７５】
同様に、Ｍｎ薄膜またはＺｎ薄膜を有するＩｎＳｂチップを用い、同じく４００℃±２℃、重力加速度５９．４万ｇ以上５８．６万ｇ以下の重力場、約２０Ｐａの減圧下で６０時間の重力場処理を施した。不純物Ｍｎは希薄磁性半導体作成を目的とし、Ｚｎはより深いｎ型準位の形成を目的として選んだ。その結果、ＳＩＭＳ測定により深さ方向の各原子濃度を測定した結果、深さ方向に化学反応を伴った拡散による周期的な波型の増減をもつ原子濃度変化が得られた。
【００７６】
また、これらの材料についてＥＰＭＡで面分析したところ、化学反応や析出を駆動力として、不純物原子がＧｅのＥＰＭＡ観察結果よりも高濃度で侵入し、１０μｍ以上の原子移動を確認できた（図７参照）。また、Ｍｎ、Ｚｎは遷移金属であり、Ｓｂと積極的な化学反応（高親和性）をするので、Ｉｎとは薄膜表面から反発に近い高速拡散を確認できた。化学反応拡散は方向性を持たないので、重力方向に依存性の少ないランダムな縞状の層状組織が形成されているのを確認できた。
【００７７】
なお、図７において、左側の４つの図がＭｎ薄膜の結果を、右側の４つの図がＺｎ薄膜の結果をそれぞれ表している。左側の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下はＭｎ濃度を、右下の図は電子顕微像をそれぞれ表している。右側の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下はＺｎ濃度を、右下の図は電子顕微像をそれぞれ表している。色が明るいほど高濃度であることを示している。重力方向は下方向となっている。
【００７８】
(実施例２)
続いて、単結晶ＩｎＳｂ出発試料（試料Ａ）と、高遠心処理（約４０万Ｇ、４００度、５０時間）した単結晶ＩｎＳｂ試料（試料Ｂ）について、ホール効果測定によりキャリア移動度とホール密度を測定した。
【００７９】
図８は試料Ａ，Ｂのキャリア移動度とホール密度の測定結果である。図８から、試料Ｂにおいて、試料Ａと比べて、キャリア移動度が１／２、キャリア濃度が2倍になった。
【００８０】
ＩｎＳｂはノンドープでもＳｂの欠陥によってｎ型の半導体特性を示し、その移動度はＧａＡｓに匹敵するほど高い。通常、不純物によるキャリア濃度の増加を行うと、キャリア移動度とキャリア濃度は比例関係にある。しかし、今回は、遠心処理によって結晶性が崩れたため移動度が下がり、高重力場により空孔(欠陥)が導入されため「空孔ドープ」によるキャリア濃度の増加が生じた。
【００８１】
(実施例３)
本実施例では、固相材料２１として全率固溶型ビスマス−アンチモン（７Ｂｉ−３Ｓｂ）合金を用いた。
【００８２】
まず、ビスマス（Ｂｉ）とアンチモン（Ｓｂ）とを所定の混合比で混合した混合物を真空雰囲気中で溶融法を用いて溶解させたのち、炉冷で凝固させることにより、モル比においてＢｉ：Ｓｂ＝７：３である７Ｂｉ−３Ｓｂ合金（以下、これを出発材料と呼ぶ。）を作製した。表面研磨したあと、組織観察および面領域の組成分析を行った。７Ｂｉ−３Ｓｂ合金は樹枝状結晶になりやすく、今回得られた試料にも図９に示すように、それに伴った組成の偏析が見えた。なお、図９の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下は電子顕微像を、右下の図は任意横軸領域での濃度グラフをそれぞれ表している。色が明るいほど高濃度であることを示している。大きな濃度偏析を確認できた。
【００８３】
次に、作製した出発材料を、以下に実験条件１，２として示したように、出発材料（７Ｂｉ−３Ｓｂ合金）の融点（約３００℃）よりも低い温度に加熱して固相状態に保ちつつ、重力場処理を施した。また、アニール(２００度、２４時間のアニール)のみ行った材料についても、回転軸を有する面から材料を切断し、表面研磨したあと、組織観察および面領域の組成分析を行った。
＜実験条件１＞２４０℃、重力加速度１８万ｇの重力場で１０時間
＜実験条件２＞２５０℃、重力加速度８５万ｇの重力場で５時間
【００８４】
図１０は熱処理のみの材料の結果であり、図１１は＜実験条件１＞の材料の結果であり、図１２は＜実験条件２＞の材料の結果である。図１０、図１１、図１２から、２４時間程度のアニールでは組成の均一化は確認できなかったが、遠心処理では比較的早い時間で高いアニールの効果が見られ、５時間、１０時間と時間が延びるにつれて組成の均一性が増し、重力加速度も１０万G以上と比較的小さな値で十分効果が見られた。図１１からは、５時間という短時間でも偏析が改善されている様子が分かる。
【００８５】
なお、図１０、図１１のそれぞれにおける４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下は電子顕微像を、右下の図は任意横軸領域での濃度グラフをそれぞれ表している。図１２の４つの図のうち左上の図はＩｎ濃度を、右上の図はＳｂ濃度を、左下は任意横軸領域での濃度グラフを、右下の図は電子顕微像をそれぞれ表している。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る製造方法に用いられるロータの一構成例を表した断面図である。
【図２】図１の試料の一構成例を表した断面図である。
【図３】重力誘起拡散について説明するための模式図である。
【図４】原子空孔を介在した拡散について説明するための模式図である。
【図５】図１のロータの他の構成例を表した断面図である。
【図６】実施例１および比較例におけるＧｅ拡散深さのＳＩＭＳ計測値を示した図である。
【図７】実施例１でのＭｎ薄膜またはＺｎ薄膜を有するＩｎＳｂチップにおける面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図８】実施例２での試料Ａ，Ｂにおけるホール濃度およびキャリア移動度の計測値を示した図である。
【図９】実施例３でのＢｉＳｂ出発材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図１０】実施例３でのアニールのみ行った材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図１１】実施例３での実験条件１の材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【図１２】実施例３での実験条件２の材料の面領域組成のＥＰＭＡ計測値を示した図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０…ロータ、１０Ａ…開口、１０Ｂ…内部空間、１０Ｃ…設置面、１０Ｄ…底面、１０Ｅ…上面、２０…試料、２０Ａ…接触面、２１，２２…固体材料、ＡＸ…軸、Ｆ…遠心力、Ｆ１，Ｆ２…ボディフォース、Ｈ…原子空孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素物質またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、前記第一の材料および前記第二の材料に対して、前記第一の材料のうち前記第二の材料との接触面と交差する方向に高重力をかける高重力場処理を行う
ことを特徴とする機能材料の製造方法。
【請求項２】
前記第二の材料は、固相状態、液相状態、気相状態およびプラズマ状態の少なくとも１つの状態となっている
ことを特徴とする請求項１に記載の機能材料の製造方法。
【請求項３】
前記高重力場処理を行うことにより、前記第一の材料内で重力誘起の拡散を起こさせる
ことを特徴とする請求項１に記載の機能材料の製造方法。
【請求項４】
前記高重力場処理を行うことにより、前記重力誘起の拡散に付随して、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォースにより原子空孔を前記第一の材料内に発生させ、前記第一の材料内で前記原子空孔を介在した拡散を起こさせる
ことを特徴とする請求項３に記載の機能材料の製造方法。
【請求項５】
前記所定の元素物質の、原子の比重に相当する第一の量（原子量／原子容）が、前記第一の材料の、原子の比重に相当する第二の量（原子量／原子容）よりも大きい場合には、前記第一の材料との関係で、前記第二の材料が重力方向とは反対側に配置され、前記第一の量が前記第二の量よりも小さい場合には、前記第一の材料との関係で、前記第二の材料が重力方向側に配置される
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項６】
前記第一の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅもしくはＣの単体であるか、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＮを主に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体であるか、またはＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅもしくはＺｅＳｅを主に含むＩＩ−ＶＩ族半導体である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項７】
前記Ｃの単体は、ダイヤモンド、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーンまたはグラファイトである
ことを特徴とする請求項６に記載の機能材料の製造方法。
【請求項８】
前記第一の材料は、ゼオライト、層間化合物、層状化合物である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項９】
前記第一の材料は、ダイヤモンドであり、
前記第二の材料は、Ｖ族、ＶＩ族もしくはＶＩＩ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１０】
前記第一の材料は、ダイヤモンドであり、
前記第二の材料は、Ｉ族、ＩＩ族、またはＩＩＩ族の元素物質を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１１】
前記第一の材料は、ＺｎＯであり、
前記第二の材料は、Ｉ族、ＩＩ族、ＩＩＩ族、ＩＶ族もしくはＶ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１２】
前記高重力場処理において、前記第一の材料および前記第二の材料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、前記ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、前記第一の材料および前記第二の材料に対して印加する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１３】
前記高重力場処理において、前記第一の材料の再結晶温度以上であって、かつ前記第一の材料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内で、１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を、前記第一の材料および前記第二の材料に対して印加する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１４】
前記高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって加熱された前記ロータを介して、前記第一の材料および前記第二の材料を加熱する
ことを特徴とする請求項１２に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１５】
前記高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって、前記第一の材料および前記第二の材料を直接、加熱する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１６】
前記高重力場処理において、前記第一の材料の温度を当該第一の材料の再結晶温度に近い温度にする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１７】
前記高重力場処理において、前記第一の材料の温度を当該第一の材料の融点温度に近い温度にする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１８】
前記高重力場処理において、前記第一の材料に対して加熱または冷却を行う
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１９】
前記高重力場処理を行ったのち、前記第一の材料をアニールする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２０】
前記第一の材料としてバルク材を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２１】
前記第一の材料として、厚さ２ｍｍ以下の単層もしくは多層構造の薄板材または薄膜材を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２２】
前記第一の材料として、１００μｍ以下の薄膜材を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２３】
薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料であって、
前記機能材料は、
薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、前記第一の材料および前記第二の材料に対して、前記第一の材料のうち前記所定の元素物質またはそれを含む物質との接触面と交差する方向に高重力をかけることにより形成されたものである
ことを特徴とする機能材料。
【請求項２４】
一の軸と直交する面内において前記軸を中心として点対称の形状となっており、かつ前記軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間を有する
ことを特徴とする高重力場発生装置用ロータ。
【請求項１】
薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素物質またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、前記第一の材料および前記第二の材料に対して、前記第一の材料のうち前記第二の材料との接触面と交差する方向に高重力をかける高重力場処理を行う
ことを特徴とする機能材料の製造方法。
【請求項２】
前記第二の材料は、固相状態、液相状態、気相状態およびプラズマ状態の少なくとも１つの状態となっている
ことを特徴とする請求項１に記載の機能材料の製造方法。
【請求項３】
前記高重力場処理を行うことにより、前記第一の材料内で重力誘起の拡散を起こさせる
ことを特徴とする請求項１に記載の機能材料の製造方法。
【請求項４】
前記高重力場処理を行うことにより、前記重力誘起の拡散に付随して、重力場下の原子レベルで与えられるボディフォースにより原子空孔を前記第一の材料内に発生させ、前記第一の材料内で前記原子空孔を介在した拡散を起こさせる
ことを特徴とする請求項３に記載の機能材料の製造方法。
【請求項５】
前記所定の元素物質の、原子の比重に相当する第一の量（原子量／原子容）が、前記第一の材料の、原子の比重に相当する第二の量（原子量／原子容）よりも大きい場合には、前記第一の材料との関係で、前記第二の材料が重力方向とは反対側に配置され、前記第一の量が前記第二の量よりも小さい場合には、前記第一の材料との関係で、前記第二の材料が重力方向側に配置される
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項６】
前記第一の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅもしくはＣの単体であるか、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＮを主に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体であるか、またはＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅもしくはＺｅＳｅを主に含むＩＩ−ＶＩ族半導体である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項７】
前記Ｃの単体は、ダイヤモンド、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーンまたはグラファイトである
ことを特徴とする請求項６に記載の機能材料の製造方法。
【請求項８】
前記第一の材料は、ゼオライト、層間化合物、層状化合物である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項９】
前記第一の材料は、ダイヤモンドであり、
前記第二の材料は、Ｖ族、ＶＩ族もしくはＶＩＩ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１０】
前記第一の材料は、ダイヤモンドであり、
前記第二の材料は、Ｉ族、ＩＩ族、またはＩＩＩ族の元素物質を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１１】
前記第一の材料は、ＺｎＯであり、
前記第二の材料は、Ｉ族、ＩＩ族、ＩＩＩ族、ＩＶ族もしくはＶ族の元素物質、遷移金属、または希土類元素物質を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１２】
前記高重力場処理において、前記第一の材料および前記第二の材料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、前記ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、前記第一の材料および前記第二の材料に対して印加する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１３】
前記高重力場処理において、前記第一の材料の再結晶温度以上であって、かつ前記第一の材料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内で、１万ｇ（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）以上の重力加速度を、前記第一の材料および前記第二の材料に対して印加する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１４】
前記高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって加熱された前記ロータを介して、前記第一の材料および前記第二の材料を加熱する
ことを特徴とする請求項１２に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１５】
前記高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって、前記第一の材料および前記第二の材料を直接、加熱する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１６】
前記高重力場処理において、前記第一の材料の温度を当該第一の材料の再結晶温度に近い温度にする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１７】
前記高重力場処理において、前記第一の材料の温度を当該第一の材料の融点温度に近い温度にする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１８】
前記高重力場処理において、前記第一の材料に対して加熱または冷却を行う
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項１９】
前記高重力場処理を行ったのち、前記第一の材料をアニールする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２０】
前記第一の材料としてバルク材を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２１】
前記第一の材料として、厚さ２ｍｍ以下の単層もしくは多層構造の薄板材または薄膜材を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２２】
前記第一の材料として、１００μｍ以下の薄膜材を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の機能材料の製造方法。
【請求項２３】
薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料であって、
前記機能材料は、
薄膜状、板状もしくはバルク状の固相材料もしくは液相材料からなる第一の材料と、所定の元素またはそれを含む物質からなる第二の材料とを互いに接触させた状態で、前記第一の材料および前記第二の材料に対して、前記第一の材料のうち前記所定の元素物質またはそれを含む物質との接触面と交差する方向に高重力をかけることにより形成されたものである
ことを特徴とする機能材料。
【請求項２４】
一の軸と直交する面内において前記軸を中心として点対称の形状となっており、かつ前記軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平坦面を複数有する側面によって囲まれた内部空間を有する
ことを特徴とする高重力場発生装置用ロータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−９９５９９（Ｐ２０１０−９９５９９Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７４０３４（Ｐ２００８−２７４０３４）
【出願日】平成２０年１０月２４日（２００８．１０．２４）
【出願人】（５０８３１９３１４）
【出願人】（５９１２４５１８５）丸和電機株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２４日（２００８．１０．２４）
【出願人】（５０８３１９３１４）
【出願人】（５９１２４５１８５）丸和電機株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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