粉末材料の合成や分離や精製のための方法
本発明は、プラズマ処理と、プラズマ処理済み粉末に対する超音波処理と、を組み合わせたような、粉末の球状化焼鈍や高密度化や精製のためのプロセスに関するものである。超音波処理により、プラズマによって溶融して部分的に蒸発した粉末から、『煤塵』とも称されるような、ナノサイズの凝結粉末を分離することができる。また、このプロセスを使用することにより、ナノ粉末を合成することができる。この場合、供給材料を部分的に蒸発させ、その後に、蒸気クラウドの迅速な凝縮を行い、これにより、ナノ粉末からなる微細エアロゾルを生じさせる。後者の場合、超音波処理ステップは、部分的に蒸発した材料から、形成されたナノ粉末を分離するように作用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料の合成や分離や精製のためのプロセスに関するものである。より詳細には、本発明は、プラズマ条件下での材料変質を備えたプロセスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ条件下で個々の粒子を浮遊させつつ融解しその後に成形済み小滴の凝固を行うという粉末材料の処理プロセスは、従来より公知であって、粉末の形状とされた材料を高密度化したり球状化焼鈍したりするための手段として、注目を集めている。一般に粉末の球状化焼鈍として公知のプロセスにより、それら粉末の取扱い時や輸送時における流動特性と摩耗耐性とを著しく改良することができる。
【０００３】
さらに、粉末の球状化焼鈍プロセスは、粉末材料の化学的組成の適切な制御のための有効な手段としても、また、新しい材料や複合混合物の合成のための有効な手段としても、認識されている。
【０００４】
また、処理のための熱源として、誘導結合型のラジオ周波数（ｒ．ｆ．）の無電極放電を使用することにより、処理対象をなす粉末の高度な精製を、いくつかの不純物の部分的放散によって行い得ることが観測された。これは、溶融した小滴からの不純物の、単純な蒸発ステップの結果、あるいは、不純物の反応的蒸発の結果、のうちのどちらかである。前者の場合、粒子マトリクスの沸点よりも低い沸点の不純物が、優先的に蒸発し、この場合には、ガス状不純物が、粒子マトリクスから放散することとなる。後者の場合、不潔は、処理環境との接触によって溶融小滴の表面のところで化学的に変性し、その後、形成された合成物が蒸発することとなる。生じる化学反応は、限定するものではないけれども、例えば、プラズマフロー中の酸素との接触による不純物の酸化とすることができる。この処理により、粉末内における不純物レベルが実質的に低減する、すなわち、精製される。
【０００５】
しかしながら、そのような状況で生じる問題点は、不純物によって形成された蒸気クラウドが、元素の形態であろうがあるいは化合物の形態であろうが、精製済みの粉末を輸送しているプラズマガスと混合したままであることである。プラズマ流の全体が、含有粉末と一緒に冷却される際に、不純物も、また、非常に微細な煤塵の形態として凝集し、反応チャンバ内のすべての表面上に堆積する可能性がある。そのような表面には、処理済みのつまり精製済みの表面も、含まれる。よって、一旦は除去された同じ不純物によって、精製済み表面が、再び汚染されることとなる。金属粉末の場合には、この煤塵は、非常に微細な金属粒子から構成される。このような金属粒子は、周囲エアに対して接触することによって、酸化を受けやすい。この酸化反応により、粉末の酸素含有量が著しく増大する。
【０００６】
他の状況においては、粉末の誘導プラズマ処理をうまく使用することにより、供給前駆体の浮遊状態での加熱と溶融と蒸発とによって、金属ナノ粉末やセラミックナノ粉末の合成が行われ、その後に、形成された蒸気の急速なクエンチが行われ、これにより、蒸気クラウドの一様な凝集のために、ナノ粉末からなる微細エアロゾルが形成される。しかしながら、そのような場合には、形成されたナノ粉末エアロゾルは、供給材料の残余部分と混合されて部分的に蒸発し、これにより、幅広い粒径分布を有した混合粉末が形成されてしまう。動作条件に依存して、収集された粉末は、多くの場合、二峰性の粒径分布を有し、このことは、大部分のナノ粉末応用に際して、そのような粉末の受入に際しての主要な制限事項を呈する。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、粉末材料の合成のための改良されたプロセスを提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、粉末材料の分離および／または精製のための改良されたプロセスを提供することである。
【０００９】
本発明は、プラズマ処理と、プラズマ処理済み粉末に対する超音波処理と、を組み合わせたような、粉末の球状化焼鈍や高密度化や精製のためのプロセスに関するものである。超音波処理により、プラズマによって溶融して部分的に蒸発した粉末から、『煤塵』とも称されるような、ナノサイズの凝結粉末を分離することができる。また、このプロセスを使用することにより、ナノ粉末を合成することができる。この場合、供給材料を部分的に蒸発させ、その後に、蒸気クラウドの迅速な凝縮を行い、これにより、ナノ粉末からなる微細エアロゾルを生じさせる。後者の場合、超音波処理ステップは、部分的に蒸発した材料から、形成されたナノ粉末を分離するように作用する。
【００１０】
より詳細には、本発明の第１見地においては、材料を精製するための方法であって、
不純物を含有している材料からなる粉末粒子を準備し；
材料からなる粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させ、これにより、蒸気相内へと不純物を放出させ、これにより、プラズマ流内において混合された材料からなる溶融粒子小滴と、蒸発した不純物と、を生成し；
プラズマ流内において混合された材料からなる溶融粒子小滴と、蒸発した不純物と、を冷却し、これにより、材料からなる精製済み粉末粒子と、煤塵と、からなる混合物を生成し；
材料からなる精製済み粉末粒子と煤塵とからなる混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、音響媒体内において精製済み粉末粒子と煤塵とを分離させ；
材料からなる精製済み粉末粒子を、煤塵から分離させた状態で音響媒体内から回収する；
という方法が提供される。
【００１１】
本発明の第２見地においては、粗い粉末に対して混合したナノ粉末を分離するための方法であって、粗い粉末に対して混合したナノ粉末に対して、音響処理媒体内において、超音波振動を印加するという方法が提供される。
【００１２】
本発明の第３見地においては、材料からなるナノ粉末を合成するための方法であって、
ｉ）粉末という形態でもって材料を準備し；
ｉｉ）材料からなる粉末をプラズマ流によって加熱して溶融させて蒸発させ、これにより、材料を、プラズマ流内において、部分的に蒸発した粒子と混合された蒸気相とし；
ｉｉｉ）プラズマ流内において、部分的に蒸発した粒子と混合された蒸気相とされた材料を、クエンチ流の中を通過させ、これにより、材料から形成されたナノ粉末と、残余の粗い材料粉末と、からなる混合物を形成し；
ｉｖ）材料から形成されたナノ粉末と残余の粗い材料粉末とからなる混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、ナノ粉末粒子と粗い材料粉末とを分離させる；
という方法が提供される。
【００１３】
本発明による材料の合成方法または精製方法によれば、例えば太陽電池やスパッタリングターゲットといったような高純度材料の製造のために、粉末材料の精製を行うことができる。
【００１４】
本発明によるナノ粉末の合成方法によれば、本発明において音響処理プロセスとして特定されるような強力な超音波作用の印加により、残余の部分的に蒸発した前駆体材料から、合成されたナノ粉末を、分離させることができる。
【００１５】
本発明による方法によれば、広範囲の材料粉末を精製したり合成したりまた分離したりすることができる。例えば、限定するものではないけれども、セラミクスや、合金や、複合体や、限定するものではないけれどもシリコンやクロミウムやモリブデンやタングステンやタンタルやルテニウム等の純粋な金属、といったような材料の粉末を、精製したり合成したりまた分離したりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の他の目的や特徴点や利点は、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。
【００１７】
さて、本発明の例示としての一実施形態による材料の精製プロセス１００について、図１を参照して説明する。
【００１８】
ステップ１０２においては、材料を、生の粉末の形態として準備する。その後、粉末粒子を、誘導結合型のラジオ周波数のプラズマ流の中心内へと、軸方向に挿入する。
【００１９】
ステップ１０４においては、図２に示す誘導結合型のラジオ周波数（ｒ．ｆ．）のプラズマ反応チャンバ１０の中心内へと注入することに基づいて、材料の粉末粒子を加熱して溶融させる。
【００２０】
実際、個々の粉末粒子がプラズマ流に接触した際には、それら粉末粒子は、数ミリ秒といった程度の比較的短時間でもって加熱されて溶融する。これにより、材料からなる溶融粒子小滴が、プラズマ流内において混合される。材料粒子の溶融に加えて、ステップ１０２においては、さらに、粒子をなす材料自体の部分的蒸発と、粒子をなす材料内におけるすべての不純物の部分的な蒸発と、の一方または双方が引き起こされる。また、粒子内に閉じ込められた不純物は、溶融ステップ時には、表面張力の影響によって、粒子の表面へと到達する。
【００２１】
プラズマ反応チャンバに関しては、プラズマガスの組成は、処理対象をなす材料の化学的特性に応じて、および、存在する不純物に応じて、不活性雰囲気、あるいは、酸化雰囲気、あるいは、還元雰囲気、とされる。
【００２２】
動作圧力は、大気圧、あるいは、減圧、あるいは、『ソフトな真空』、あるいは、雰囲気圧力よりも大きな圧力、とされる。蒸発は、粒子材料の単純な蒸発の結果とすることができる、あるいは、いかなる化学的変性をも伴うことなく蒸気相内における粒子からの不純物の分離の結果とすることができる。また、粒子材料とプラズマガスとの相互作用に基づく粒子材料の化学的変性を伴うような、あるいは、存在する不純物とプラズマガスとの相互作用に基づく不純物の化学的変性を伴うような、反応性蒸発とすることができる。その後、形成された化合物は、蒸発する。
【００２３】
そのようなｒ．ｆ．プラズマ反応が、当業者には周知であるので、それ以上の詳細な説明を省略する。ここで、粉末粒子の加熱および溶融に際しては、例えば直流（ｄ．ｃ．）プラズマジェットや容量結合型ｒ．ｆ．プラズマやマイクロ波プラズマといったような他のタイプのプラズマ反応を使用し得ることに注意されたい。
【００２４】
ステップ１０６においては、プラズマ流との混合の結果として形成された溶融粒子小滴が冷却され、これにより、精製済み材料からなる溶融粒子小滴が、凝固して球状化焼鈍され、ナノサイズのエアロゾルの形態とされた輸送蒸気が凝集する。凝集物は、プラズマ反応チャンバ１０のすべての利用可能な表面上にも、および、輸送される凝固粒子小滴の表面にも、成膜する。後者の場合は、煤塵状材料が、精製済み粉末と混合される。
【００２５】
図３Ａは、プロセス１００のステップ１０２〜１０６によって凝固した粒子小滴に関し、シリコン上に凝縮した凝集ナノ粉末煤塵の例を示しており、図３Ｂは、ルテニウム上に凝縮した凝集ナノ粉末煤塵の例を示している。
【００２６】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ステップ１０６は、プラズマステップの際に得られた精製操作の損失となる。
【００２７】
凝固した粒子小滴から煤塵状ナノ粉末粒子を分離し得るよう、したがって、精製を行い得るよう、材料粉末粒子と煤塵材料粉末粒子とからなる得られた混合物に対して、音響媒体内において強力な超音波振動を印加する（ステップ１０８）。音響媒体の容積に応じてまたパワー導入レベルに応じて、音響処理の必要な強度は、１００Ｗ〜数ｋＷとすることができる。分離は、強力なコヒーレント振動に応答して設定された複数の定在波からなるファラデー波パターンによって、得られる。ファラデー波パターンは、当業者には周知であるので、これ以上の説明を省略する。
【００２８】
ステップ１０８を実行するに際して使用し得る超音波アセンブリ２０の一例が、図４に示されている。このアセンブリ２０は、小さな水冷されたガラスビーカー２２を備えている。このガラスビーカー２２は、ステップ１０２〜１０６に起因する材料粉末粒子と煤塵材料粉末粒子との混合物が充填されており、例えば、限定するものではないけれども、水やアセトンやアルコールといったような適切な音響処理液体内への懸濁液（図４において符号２４によって全体的に示されている）として充填されている。
【００２９】
アセンブリ２０は、さらに、超音波生成プローブ２６を備えている。超音波生成プローブ２６の先端２８が、懸濁液２４内へと含浸され、粉末に対して強力な振動を印加し、比較的大きな精製済み粉末粒子あるいは部分蒸発粉末粒子の表面から、ナノサイズの「煤塵」粒子の離脱を引き起こす。
【００３０】
ステップ１０８が音響処理液体内において実行するものとして図示されているけれども、このステップは、また、例えばエアといったような他の音響媒体内において実行することもできる。
【００３１】
当然のことながら、他のタイプの容器を使用することによって、懸濁液２４を運ぶことができる。音響媒体は、既に、プラズマ反応チャンバ１０のプラズマ処理収集チャンバ内に設けることができる（図２を参照）。また、アセンブリ２０は、煤塵状ナノサイズ粒子と凝固粒子小滴とからなる混合物に対して超音波を印加し得るような他の任意の様々な形態とすることができる。
【００３２】
超音波プローブが当業者に周知であることにより、ここではさらなる説明を省略する。
【００３３】
次なるステップ１１０においては、音響媒体から精製済み材料粉末粒子を回収する。
【００３４】
ステップ１１０においては、まず最初に、２つの粒子種類（分離された粉末と、ナノサイズの煤塵）の分離を行う。この分離は、通常の重力下における湿式の分級処理あるいは差分的体積によって、あるいは、重力の数倍という大きさの強力な遠心分離によって、行う。その後、分離された粉末および／またはナノサイズの煤塵を、ステップ１０８を液体媒体内において行うときには濾過を行いその後に蒸発乾燥操作を行うことにより、さらに必要であれば真空パッキング操作を行うことにより、音響媒体から回収する。
【００３５】
これに代えて、精製済み粉末材料に関する他の回収プロセスを、使用することもできる。
【００３６】
粉末処理プロセス１００においては、粉末のフロー特性を改良することができる。実際、プロセス１００の後に、ホール（Hall）テストを、球状化焼鈍粉末粒子に対して行った。例えば、図５Ａに示すような生のＷＣ（タングステンカーバイド）粉末が、５４．３ｓ／２０ｃｍ３ というホールフロー値を有していること、一方、図５Ｂおよび図５Ｃに示すような、プロセス１００の後に球状化焼鈍になったＷＣ粉末が、それぞれ３２．５および３４．３ｓ／２０ｃｍ３ というホールフロー値を有していることが、測定された。
【００３７】
以下においては、装置１０，２０を使用したプロセス１００の特定の応用例について、説明する。特定の例は、本発明による精製プロセスに関する追加的な特徴点および利点を示している。
【００３８】
「ソーラーグレードのシリコン応用のためのシリコン粉末の精製」
第１の例は、ソーラーグレードのシリコン応用のためのシリコン粉末の精製に関するものである。この第１の例においては、中程度の純度のシリコン粉末を、プロセス１００のステップ１０２〜１０６に基づき大気圧近傍で動作するアルゴン／水素の誘導結合プラズマ放電内へと導入することにより、溶融させた。
【００３９】
収集した粉末は、表面上に凝結した凝集ナノサイズ煤塵粒子のネットワークに対して混合した個々の球状化焼鈍粒子から構成される。
【００４０】
プロセス１００のステップ１０８に後に、煤塵を、アセトンバス内における強力な音響処理により、精製済みシリコン粒子から分離した。その後、プロセス１００のステップ１１０に対応して、質量差に基づく堆積、および、ろ過、および、乾燥操作を行った。
【００４１】
プラズマ処理後のシリコン粒子に関し、および、強力な音響処理ステップ１０８の前後におけるシリコン粒子に関し、電子顕微鏡写真を、それぞれ、図６Ａ〜図６Ｄおよび図７Ａ〜図７Ｄに示す。粉末のＢＥＴ（Brunauer Emmett Teller）比表面積分析に対応する値を、表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
露光時間を同じとした場合に、超音波に関する所定の２つの強度（１７Ｗおよび１００Ｗ）において得られた結果は、より良好な結果が、少なくとも最小パワーでの音響処理ステップによって得られることを示した。より詳細には、およそ、５０〜１００Ｗという範囲のパワーでの音響処理ステップによって得られることを示した。表１に示された結果は、比表面積の急激な低下によって実証されているように、粉末粒子の表面上における煤塵成膜度合いの明らかな低減を示している。
【００４４】
「電子応用のためのルテニウムの精製」
第２の例は、電子的な応用のためのルテニウムの精製に関するものである。この例においては、ルテニウム粉末が、大気圧近傍の圧力でもって、アルゴン／ヘリウム誘導結合プラズマに対して曝される。この場合、個々の粒子が加熱溶融し、プロセス１００のステップ１０４〜１０６に基づくような、球状化焼鈍処理が行われる。ステップ１０４〜１０６においては、さらに、粒子表面からの、粒子表面上に存在する不純物の蒸発が、引き起こされる。その後、処理済み粉末は、ステップ１０８において、１００Ｗの超音波ホーンジェネレータ２６を使用して、強力な超音波振動に曝される。ジェネレータ２６の先端２８は、アセトン内における２５０ｇという処理済み粉末の１００ｍｌの懸濁液の中に、含浸される。
【００４５】
プラズマ処理済みルテニウム粉末の電子顕微鏡写真が、図８Ａ〜図８Ｅに示されている。図８Ａは、音響処理ステップ１０８の開始（ｔ＝０）を示しており、図８Ｂ〜図８Ｅは、音響処理に関する様々な時間後（３０、６０、９０および１２０ｍｉｎ）における様子を示している。図８Ａ〜図８Ｅは、ルテニウム粒子の表面からの煤塵粒子の除去により、粉末が徐々にかつ着実に精製されている様子を示している。精製効果は、また、音響処理時間（ステップ１０８）の関数として図９に図示されたような、粉末内における酸素濃度分析によって確認される。この結果は、この実験で使用された１００Ｗという音響処理パワーレベルに関しては、最初の６０分を超えた処理時間において、粉末の残留酸素濃度が急激に減少していることを、明確に示している。
【００４６】
「ナノサイズのタングステン粉末の合成」
第３の例は、プロセス１００を使用したナノサイズ粉末の合成に関するものである。この例においては、プロセス１００を使用することにより、例えばタングステンといったような耐火金属のナノ粉末が合成される。この場合、大気圧近傍の圧力においてアルゴン／水素の誘導結合プラズマ内における微細金属タングステン粉末の部分的な蒸発と；その後の、プラズマガスの急速なクエンチ、および、生成された金属蒸気の急速なクエンチと；が行われる（ステップ１０４〜１０６）。急速なクエンチは、冷たいガス流を注入することによって、得られる。急速なクエンチは、また、霧化液体流によっても、また、プラズマガスが冷たい表面に対して接触することによっても、得ることができる。
【００４７】
形成されたタングステンナノ粉末と、残余の部分的に蒸発したタングステン粉末と、からなる収集混合物は、強力な音響処理ステップ１０８を受け、これにより、より大きなタングステン粒子から、ナノ粉末を分離することができる。図１０Ａは、プラズマ反応チャンバのクエンチ領域の出口（図２を参照）のところで収集されたような、粗いタングステン粉末とナノサイズのタングステン粉末との混合物に関する電子顕微鏡写真を示している。
【００４８】
音響処理流体としてアセトンをした場合における強力な音響処理によって得られた粗い粉末粒子と微細な粉末粒子とに関する電子顕微鏡写真は、それぞれ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示されている。混合粉末に関しての粒子サイズ分布が、図１１Ａに示されており、音響処理後に分離された粗い粉末に関しての粒子サイズ分布が、図１１Ｂに示されており、音響処理後に分離された微細な粉末に関しての粒子サイズ分布が、図１１Ｃに示されている。
【００４９】
本発明につき、本発明の例示としての実施形態を参照して説明したけれども、上記実施形態は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、特許請求の範囲内において、任意に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一例をなす実施形態による粉末材料の精製プロセスを示すフローチャートである。
【図２】図１のプロセスにおける最初の部分を行うためのプラズマ反応チャンバを概略的に示す図である。
【図３Ａ】図１のプロセスにおけるステップ１０４〜１０６の後に得られたような、プラズマによって球状化焼鈍されたシリコン粉末粒子を示す電子顕微鏡写真であり、粉末粒子上に凝集した凝結ナノ粉末煤塵からなるウェブを示している。
【図３Ｂ】図１のプロセスにおけるステップ１０４〜１０６の後に得られたような、プラズマによって球状化焼鈍されたルテニウム粉末粒子を示す電子顕微鏡写真であり、粉末粒子上に凝集した凝結ナノ粉末煤塵からなるウェブを示している。
【図４】図１のプロセスにおける第２の部分を行うための音響処理アセンブリを概略的に示す図である。
【図５Ａ】生のＷＣ粉末粒子を示す電子顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】図１のプロセスを経て得られたような、球状化焼鈍されたＷＣ粉末粒子の一例を示す電子顕微鏡写真である。
【図５Ｃ】図１のプロセスを経て得られたような、球状化焼鈍されたＷＣ粉末粒子の他の例を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ａ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ｃ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ｄ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ａ】図６Ａに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】図６Ｂに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｃ】図６Ｃに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｄ】図６Ｄに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図８Ａ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｂ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｃ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｄ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｅ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図９】図８Ａ〜図８Ｅに示すルテニウム粉末に関し、残留酸素濃度を示すグラフである。
【図１０Ａ】プラズマ処理後における、なおかつ、音響処理前における、タングステン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図１０Ｂ】プラズマ処理後における、なおかつ、音響処理後における、粗い粒子を示す電子顕微鏡写真である。
【図１０Ｃ】プラズマ処理後における、なおかつ、音響処理後における、微細な粒子を示す電子顕微鏡写真である。
【図１１Ａ】図１０Ａに示すタングステン粉末に関し、粒子サイズの分布を示すグラフである。
【図１１Ｂ】図１０Ｂに示すタングステン粉末に関し、粒子サイズの分布を示すグラフである。
【図１１Ｃ】図１０Ｃに示すタングステン粉末に関し、粒子サイズの分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１０ プラズマ反応チャンバ
２０ 超音波アセンブリ
２６ 超音波生成プローブ
１００ 精製プロセス、粉末処理プロセス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料の合成や分離や精製のためのプロセスに関するものである。より詳細には、本発明は、プラズマ条件下での材料変質を備えたプロセスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ条件下で個々の粒子を浮遊させつつ融解しその後に成形済み小滴の凝固を行うという粉末材料の処理プロセスは、従来より公知であって、粉末の形状とされた材料を高密度化したり球状化焼鈍したりするための手段として、注目を集めている。一般に粉末の球状化焼鈍として公知のプロセスにより、それら粉末の取扱い時や輸送時における流動特性と摩耗耐性とを著しく改良することができる。
【０００３】
さらに、粉末の球状化焼鈍プロセスは、粉末材料の化学的組成の適切な制御のための有効な手段としても、また、新しい材料や複合混合物の合成のための有効な手段としても、認識されている。
【０００４】
また、処理のための熱源として、誘導結合型のラジオ周波数（ｒ．ｆ．）の無電極放電を使用することにより、処理対象をなす粉末の高度な精製を、いくつかの不純物の部分的放散によって行い得ることが観測された。これは、溶融した小滴からの不純物の、単純な蒸発ステップの結果、あるいは、不純物の反応的蒸発の結果、のうちのどちらかである。前者の場合、粒子マトリクスの沸点よりも低い沸点の不純物が、優先的に蒸発し、この場合には、ガス状不純物が、粒子マトリクスから放散することとなる。後者の場合、不潔は、処理環境との接触によって溶融小滴の表面のところで化学的に変性し、その後、形成された合成物が蒸発することとなる。生じる化学反応は、限定するものではないけれども、例えば、プラズマフロー中の酸素との接触による不純物の酸化とすることができる。この処理により、粉末内における不純物レベルが実質的に低減する、すなわち、精製される。
【０００５】
しかしながら、そのような状況で生じる問題点は、不純物によって形成された蒸気クラウドが、元素の形態であろうがあるいは化合物の形態であろうが、精製済みの粉末を輸送しているプラズマガスと混合したままであることである。プラズマ流の全体が、含有粉末と一緒に冷却される際に、不純物も、また、非常に微細な煤塵の形態として凝集し、反応チャンバ内のすべての表面上に堆積する可能性がある。そのような表面には、処理済みのつまり精製済みの表面も、含まれる。よって、一旦は除去された同じ不純物によって、精製済み表面が、再び汚染されることとなる。金属粉末の場合には、この煤塵は、非常に微細な金属粒子から構成される。このような金属粒子は、周囲エアに対して接触することによって、酸化を受けやすい。この酸化反応により、粉末の酸素含有量が著しく増大する。
【０００６】
他の状況においては、粉末の誘導プラズマ処理をうまく使用することにより、供給前駆体の浮遊状態での加熱と溶融と蒸発とによって、金属ナノ粉末やセラミックナノ粉末の合成が行われ、その後に、形成された蒸気の急速なクエンチが行われ、これにより、蒸気クラウドの一様な凝集のために、ナノ粉末からなる微細エアロゾルが形成される。しかしながら、そのような場合には、形成されたナノ粉末エアロゾルは、供給材料の残余部分と混合されて部分的に蒸発し、これにより、幅広い粒径分布を有した混合粉末が形成されてしまう。動作条件に依存して、収集された粉末は、多くの場合、二峰性の粒径分布を有し、このことは、大部分のナノ粉末応用に際して、そのような粉末の受入に際しての主要な制限事項を呈する。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、粉末材料の合成のための改良されたプロセスを提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、粉末材料の分離および／または精製のための改良されたプロセスを提供することである。
【０００９】
本発明は、プラズマ処理と、プラズマ処理済み粉末に対する超音波処理と、を組み合わせたような、粉末の球状化焼鈍や高密度化や精製のためのプロセスに関するものである。超音波処理により、プラズマによって溶融して部分的に蒸発した粉末から、『煤塵』とも称されるような、ナノサイズの凝結粉末を分離することができる。また、このプロセスを使用することにより、ナノ粉末を合成することができる。この場合、供給材料を部分的に蒸発させ、その後に、蒸気クラウドの迅速な凝縮を行い、これにより、ナノ粉末からなる微細エアロゾルを生じさせる。後者の場合、超音波処理ステップは、部分的に蒸発した材料から、形成されたナノ粉末を分離するように作用する。
【００１０】
より詳細には、本発明の第１見地においては、材料を精製するための方法であって、
不純物を含有している材料からなる粉末粒子を準備し；
材料からなる粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させ、これにより、蒸気相内へと不純物を放出させ、これにより、プラズマ流内において混合された材料からなる溶融粒子小滴と、蒸発した不純物と、を生成し；
プラズマ流内において混合された材料からなる溶融粒子小滴と、蒸発した不純物と、を冷却し、これにより、材料からなる精製済み粉末粒子と、煤塵と、からなる混合物を生成し；
材料からなる精製済み粉末粒子と煤塵とからなる混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、音響媒体内において精製済み粉末粒子と煤塵とを分離させ；
材料からなる精製済み粉末粒子を、煤塵から分離させた状態で音響媒体内から回収する；
という方法が提供される。
【００１１】
本発明の第２見地においては、粗い粉末に対して混合したナノ粉末を分離するための方法であって、粗い粉末に対して混合したナノ粉末に対して、音響処理媒体内において、超音波振動を印加するという方法が提供される。
【００１２】
本発明の第３見地においては、材料からなるナノ粉末を合成するための方法であって、
ｉ）粉末という形態でもって材料を準備し；
ｉｉ）材料からなる粉末をプラズマ流によって加熱して溶融させて蒸発させ、これにより、材料を、プラズマ流内において、部分的に蒸発した粒子と混合された蒸気相とし；
ｉｉｉ）プラズマ流内において、部分的に蒸発した粒子と混合された蒸気相とされた材料を、クエンチ流の中を通過させ、これにより、材料から形成されたナノ粉末と、残余の粗い材料粉末と、からなる混合物を形成し；
ｉｖ）材料から形成されたナノ粉末と残余の粗い材料粉末とからなる混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、ナノ粉末粒子と粗い材料粉末とを分離させる；
という方法が提供される。
【００１３】
本発明による材料の合成方法または精製方法によれば、例えば太陽電池やスパッタリングターゲットといったような高純度材料の製造のために、粉末材料の精製を行うことができる。
【００１４】
本発明によるナノ粉末の合成方法によれば、本発明において音響処理プロセスとして特定されるような強力な超音波作用の印加により、残余の部分的に蒸発した前駆体材料から、合成されたナノ粉末を、分離させることができる。
【００１５】
本発明による方法によれば、広範囲の材料粉末を精製したり合成したりまた分離したりすることができる。例えば、限定するものではないけれども、セラミクスや、合金や、複合体や、限定するものではないけれどもシリコンやクロミウムやモリブデンやタングステンやタンタルやルテニウム等の純粋な金属、といったような材料の粉末を、精製したり合成したりまた分離したりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の他の目的や特徴点や利点は、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。
【００１７】
さて、本発明の例示としての一実施形態による材料の精製プロセス１００について、図１を参照して説明する。
【００１８】
ステップ１０２においては、材料を、生の粉末の形態として準備する。その後、粉末粒子を、誘導結合型のラジオ周波数のプラズマ流の中心内へと、軸方向に挿入する。
【００１９】
ステップ１０４においては、図２に示す誘導結合型のラジオ周波数（ｒ．ｆ．）のプラズマ反応チャンバ１０の中心内へと注入することに基づいて、材料の粉末粒子を加熱して溶融させる。
【００２０】
実際、個々の粉末粒子がプラズマ流に接触した際には、それら粉末粒子は、数ミリ秒といった程度の比較的短時間でもって加熱されて溶融する。これにより、材料からなる溶融粒子小滴が、プラズマ流内において混合される。材料粒子の溶融に加えて、ステップ１０２においては、さらに、粒子をなす材料自体の部分的蒸発と、粒子をなす材料内におけるすべての不純物の部分的な蒸発と、の一方または双方が引き起こされる。また、粒子内に閉じ込められた不純物は、溶融ステップ時には、表面張力の影響によって、粒子の表面へと到達する。
【００２１】
プラズマ反応チャンバに関しては、プラズマガスの組成は、処理対象をなす材料の化学的特性に応じて、および、存在する不純物に応じて、不活性雰囲気、あるいは、酸化雰囲気、あるいは、還元雰囲気、とされる。
【００２２】
動作圧力は、大気圧、あるいは、減圧、あるいは、『ソフトな真空』、あるいは、雰囲気圧力よりも大きな圧力、とされる。蒸発は、粒子材料の単純な蒸発の結果とすることができる、あるいは、いかなる化学的変性をも伴うことなく蒸気相内における粒子からの不純物の分離の結果とすることができる。また、粒子材料とプラズマガスとの相互作用に基づく粒子材料の化学的変性を伴うような、あるいは、存在する不純物とプラズマガスとの相互作用に基づく不純物の化学的変性を伴うような、反応性蒸発とすることができる。その後、形成された化合物は、蒸発する。
【００２３】
そのようなｒ．ｆ．プラズマ反応が、当業者には周知であるので、それ以上の詳細な説明を省略する。ここで、粉末粒子の加熱および溶融に際しては、例えば直流（ｄ．ｃ．）プラズマジェットや容量結合型ｒ．ｆ．プラズマやマイクロ波プラズマといったような他のタイプのプラズマ反応を使用し得ることに注意されたい。
【００２４】
ステップ１０６においては、プラズマ流との混合の結果として形成された溶融粒子小滴が冷却され、これにより、精製済み材料からなる溶融粒子小滴が、凝固して球状化焼鈍され、ナノサイズのエアロゾルの形態とされた輸送蒸気が凝集する。凝集物は、プラズマ反応チャンバ１０のすべての利用可能な表面上にも、および、輸送される凝固粒子小滴の表面にも、成膜する。後者の場合は、煤塵状材料が、精製済み粉末と混合される。
【００２５】
図３Ａは、プロセス１００のステップ１０２〜１０６によって凝固した粒子小滴に関し、シリコン上に凝縮した凝集ナノ粉末煤塵の例を示しており、図３Ｂは、ルテニウム上に凝縮した凝集ナノ粉末煤塵の例を示している。
【００２６】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ステップ１０６は、プラズマステップの際に得られた精製操作の損失となる。
【００２７】
凝固した粒子小滴から煤塵状ナノ粉末粒子を分離し得るよう、したがって、精製を行い得るよう、材料粉末粒子と煤塵材料粉末粒子とからなる得られた混合物に対して、音響媒体内において強力な超音波振動を印加する（ステップ１０８）。音響媒体の容積に応じてまたパワー導入レベルに応じて、音響処理の必要な強度は、１００Ｗ〜数ｋＷとすることができる。分離は、強力なコヒーレント振動に応答して設定された複数の定在波からなるファラデー波パターンによって、得られる。ファラデー波パターンは、当業者には周知であるので、これ以上の説明を省略する。
【００２８】
ステップ１０８を実行するに際して使用し得る超音波アセンブリ２０の一例が、図４に示されている。このアセンブリ２０は、小さな水冷されたガラスビーカー２２を備えている。このガラスビーカー２２は、ステップ１０２〜１０６に起因する材料粉末粒子と煤塵材料粉末粒子との混合物が充填されており、例えば、限定するものではないけれども、水やアセトンやアルコールといったような適切な音響処理液体内への懸濁液（図４において符号２４によって全体的に示されている）として充填されている。
【００２９】
アセンブリ２０は、さらに、超音波生成プローブ２６を備えている。超音波生成プローブ２６の先端２８が、懸濁液２４内へと含浸され、粉末に対して強力な振動を印加し、比較的大きな精製済み粉末粒子あるいは部分蒸発粉末粒子の表面から、ナノサイズの「煤塵」粒子の離脱を引き起こす。
【００３０】
ステップ１０８が音響処理液体内において実行するものとして図示されているけれども、このステップは、また、例えばエアといったような他の音響媒体内において実行することもできる。
【００３１】
当然のことながら、他のタイプの容器を使用することによって、懸濁液２４を運ぶことができる。音響媒体は、既に、プラズマ反応チャンバ１０のプラズマ処理収集チャンバ内に設けることができる（図２を参照）。また、アセンブリ２０は、煤塵状ナノサイズ粒子と凝固粒子小滴とからなる混合物に対して超音波を印加し得るような他の任意の様々な形態とすることができる。
【００３２】
超音波プローブが当業者に周知であることにより、ここではさらなる説明を省略する。
【００３３】
次なるステップ１１０においては、音響媒体から精製済み材料粉末粒子を回収する。
【００３４】
ステップ１１０においては、まず最初に、２つの粒子種類（分離された粉末と、ナノサイズの煤塵）の分離を行う。この分離は、通常の重力下における湿式の分級処理あるいは差分的体積によって、あるいは、重力の数倍という大きさの強力な遠心分離によって、行う。その後、分離された粉末および／またはナノサイズの煤塵を、ステップ１０８を液体媒体内において行うときには濾過を行いその後に蒸発乾燥操作を行うことにより、さらに必要であれば真空パッキング操作を行うことにより、音響媒体から回収する。
【００３５】
これに代えて、精製済み粉末材料に関する他の回収プロセスを、使用することもできる。
【００３６】
粉末処理プロセス１００においては、粉末のフロー特性を改良することができる。実際、プロセス１００の後に、ホール（Hall）テストを、球状化焼鈍粉末粒子に対して行った。例えば、図５Ａに示すような生のＷＣ（タングステンカーバイド）粉末が、５４．３ｓ／２０ｃｍ３ というホールフロー値を有していること、一方、図５Ｂおよび図５Ｃに示すような、プロセス１００の後に球状化焼鈍になったＷＣ粉末が、それぞれ３２．５および３４．３ｓ／２０ｃｍ３ というホールフロー値を有していることが、測定された。
【００３７】
以下においては、装置１０，２０を使用したプロセス１００の特定の応用例について、説明する。特定の例は、本発明による精製プロセスに関する追加的な特徴点および利点を示している。
【００３８】
「ソーラーグレードのシリコン応用のためのシリコン粉末の精製」
第１の例は、ソーラーグレードのシリコン応用のためのシリコン粉末の精製に関するものである。この第１の例においては、中程度の純度のシリコン粉末を、プロセス１００のステップ１０２〜１０６に基づき大気圧近傍で動作するアルゴン／水素の誘導結合プラズマ放電内へと導入することにより、溶融させた。
【００３９】
収集した粉末は、表面上に凝結した凝集ナノサイズ煤塵粒子のネットワークに対して混合した個々の球状化焼鈍粒子から構成される。
【００４０】
プロセス１００のステップ１０８に後に、煤塵を、アセトンバス内における強力な音響処理により、精製済みシリコン粒子から分離した。その後、プロセス１００のステップ１１０に対応して、質量差に基づく堆積、および、ろ過、および、乾燥操作を行った。
【００４１】
プラズマ処理後のシリコン粒子に関し、および、強力な音響処理ステップ１０８の前後におけるシリコン粒子に関し、電子顕微鏡写真を、それぞれ、図６Ａ〜図６Ｄおよび図７Ａ〜図７Ｄに示す。粉末のＢＥＴ（Brunauer Emmett Teller）比表面積分析に対応する値を、表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
露光時間を同じとした場合に、超音波に関する所定の２つの強度（１７Ｗおよび１００Ｗ）において得られた結果は、より良好な結果が、少なくとも最小パワーでの音響処理ステップによって得られることを示した。より詳細には、およそ、５０〜１００Ｗという範囲のパワーでの音響処理ステップによって得られることを示した。表１に示された結果は、比表面積の急激な低下によって実証されているように、粉末粒子の表面上における煤塵成膜度合いの明らかな低減を示している。
【００４４】
「電子応用のためのルテニウムの精製」
第２の例は、電子的な応用のためのルテニウムの精製に関するものである。この例においては、ルテニウム粉末が、大気圧近傍の圧力でもって、アルゴン／ヘリウム誘導結合プラズマに対して曝される。この場合、個々の粒子が加熱溶融し、プロセス１００のステップ１０４〜１０６に基づくような、球状化焼鈍処理が行われる。ステップ１０４〜１０６においては、さらに、粒子表面からの、粒子表面上に存在する不純物の蒸発が、引き起こされる。その後、処理済み粉末は、ステップ１０８において、１００Ｗの超音波ホーンジェネレータ２６を使用して、強力な超音波振動に曝される。ジェネレータ２６の先端２８は、アセトン内における２５０ｇという処理済み粉末の１００ｍｌの懸濁液の中に、含浸される。
【００４５】
プラズマ処理済みルテニウム粉末の電子顕微鏡写真が、図８Ａ〜図８Ｅに示されている。図８Ａは、音響処理ステップ１０８の開始（ｔ＝０）を示しており、図８Ｂ〜図８Ｅは、音響処理に関する様々な時間後（３０、６０、９０および１２０ｍｉｎ）における様子を示している。図８Ａ〜図８Ｅは、ルテニウム粒子の表面からの煤塵粒子の除去により、粉末が徐々にかつ着実に精製されている様子を示している。精製効果は、また、音響処理時間（ステップ１０８）の関数として図９に図示されたような、粉末内における酸素濃度分析によって確認される。この結果は、この実験で使用された１００Ｗという音響処理パワーレベルに関しては、最初の６０分を超えた処理時間において、粉末の残留酸素濃度が急激に減少していることを、明確に示している。
【００４６】
「ナノサイズのタングステン粉末の合成」
第３の例は、プロセス１００を使用したナノサイズ粉末の合成に関するものである。この例においては、プロセス１００を使用することにより、例えばタングステンといったような耐火金属のナノ粉末が合成される。この場合、大気圧近傍の圧力においてアルゴン／水素の誘導結合プラズマ内における微細金属タングステン粉末の部分的な蒸発と；その後の、プラズマガスの急速なクエンチ、および、生成された金属蒸気の急速なクエンチと；が行われる（ステップ１０４〜１０６）。急速なクエンチは、冷たいガス流を注入することによって、得られる。急速なクエンチは、また、霧化液体流によっても、また、プラズマガスが冷たい表面に対して接触することによっても、得ることができる。
【００４７】
形成されたタングステンナノ粉末と、残余の部分的に蒸発したタングステン粉末と、からなる収集混合物は、強力な音響処理ステップ１０８を受け、これにより、より大きなタングステン粒子から、ナノ粉末を分離することができる。図１０Ａは、プラズマ反応チャンバのクエンチ領域の出口（図２を参照）のところで収集されたような、粗いタングステン粉末とナノサイズのタングステン粉末との混合物に関する電子顕微鏡写真を示している。
【００４８】
音響処理流体としてアセトンをした場合における強力な音響処理によって得られた粗い粉末粒子と微細な粉末粒子とに関する電子顕微鏡写真は、それぞれ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示されている。混合粉末に関しての粒子サイズ分布が、図１１Ａに示されており、音響処理後に分離された粗い粉末に関しての粒子サイズ分布が、図１１Ｂに示されており、音響処理後に分離された微細な粉末に関しての粒子サイズ分布が、図１１Ｃに示されている。
【００４９】
本発明につき、本発明の例示としての実施形態を参照して説明したけれども、上記実施形態は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、特許請求の範囲内において、任意に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一例をなす実施形態による粉末材料の精製プロセスを示すフローチャートである。
【図２】図１のプロセスにおける最初の部分を行うためのプラズマ反応チャンバを概略的に示す図である。
【図３Ａ】図１のプロセスにおけるステップ１０４〜１０６の後に得られたような、プラズマによって球状化焼鈍されたシリコン粉末粒子を示す電子顕微鏡写真であり、粉末粒子上に凝集した凝結ナノ粉末煤塵からなるウェブを示している。
【図３Ｂ】図１のプロセスにおけるステップ１０４〜１０６の後に得られたような、プラズマによって球状化焼鈍されたルテニウム粉末粒子を示す電子顕微鏡写真であり、粉末粒子上に凝集した凝結ナノ粉末煤塵からなるウェブを示している。
【図４】図１のプロセスにおける第２の部分を行うための音響処理アセンブリを概略的に示す図である。
【図５Ａ】生のＷＣ粉末粒子を示す電子顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】図１のプロセスを経て得られたような、球状化焼鈍されたＷＣ粉末粒子の一例を示す電子顕微鏡写真である。
【図５Ｃ】図１のプロセスを経て得られたような、球状化焼鈍されたＷＣ粉末粒子の他の例を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ａ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ｃ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図６Ｄ】図１のプロセスにおける最初のステップに基づくプラズマ処理の後に得られたような、かつ、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行う前の時点で得られたような、シリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ａ】図６Ａに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】図６Ｂに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｃ】図６Ｃに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図７Ｄ】図６Ｄに対応するものであるものの、図１のプロセスにおける音響処理ステップを行った後におけるシリコン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図８Ａ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｂ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｃ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｄ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図８Ｅ】図１のプロセスによって得られたプラズマ処理済みルテニウム粉末を示す電子顕微鏡写真であって、所定の音響処理時間後の状況を示している。
【図９】図８Ａ〜図８Ｅに示すルテニウム粉末に関し、残留酸素濃度を示すグラフである。
【図１０Ａ】プラズマ処理後における、なおかつ、音響処理前における、タングステン粉末を示す電子顕微鏡写真である。
【図１０Ｂ】プラズマ処理後における、なおかつ、音響処理後における、粗い粒子を示す電子顕微鏡写真である。
【図１０Ｃ】プラズマ処理後における、なおかつ、音響処理後における、微細な粒子を示す電子顕微鏡写真である。
【図１１Ａ】図１０Ａに示すタングステン粉末に関し、粒子サイズの分布を示すグラフである。
【図１１Ｂ】図１０Ｂに示すタングステン粉末に関し、粒子サイズの分布を示すグラフである。
【図１１Ｃ】図１０Ｃに示すタングステン粉末に関し、粒子サイズの分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１０ プラズマ反応チャンバ
２０ 超音波アセンブリ
２６ 超音波生成プローブ
１００ 精製プロセス、粉末処理プロセス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を精製するための方法であって、
不純物を含有している材料からなる粉末粒子を準備し；
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させ、これにより、蒸気相内へと前記不純物を放出させ、これにより、前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる溶融粒子小滴と、蒸発した不純物と、を生成し；
前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる前記溶融粒子小滴と、前記蒸発した前記不純物と、を冷却し、これにより、前記材料からなる精製済み粉末粒子と、煤塵と、からなる混合物を生成し；
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子と前記煤塵とからなる前記混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、前記音響媒体内において前記精製済み粉末粒子と前記煤塵とを分離させ；
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子を、前記煤塵から分離させた状態で前記音響媒体内から回収する；
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記音響処理媒体を、水、アセトン、アルコール、および、エア、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子を前記煤塵から分離させた状態で前記音響媒体内から回収するに際しては、前記材料からなる前記精製済み粉末粒子と前記煤塵とを、湿潤分級、あるいは、通常の重力下での質量差に基づく堆積作用、あるいは、強力な遠心分離、によって行うことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子を前記音響媒体内から回収するに際しては、前記音響処理媒体の濾過を行うことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、キャリアガスを使用することによって、誘導結合型のラジオ周波数のプラズマ流内へと、前記粉末粒子を注入することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、大気圧、減圧、『ソフトな真空』、および、雰囲気圧力よりも大きな圧力、からなるグループの中から選択された圧力下で行うことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、
前記プラズマ流を、不活性雰囲気、酸化雰囲気、および、還元雰囲気、からなるグループの中から選択された状況下で行うことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子を、生の形態で準備することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、
前記超音波振動を、１００Ｗ〜１０ｋＷという範囲の強度を有することによって特徴づけられた超音波ジェネレータを使用して、生成することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、
前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる前記溶融粒子小滴の冷却に際しては、前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる前記溶融粒子小滴の急速なクエンチングを行うことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、
前記急速なクエンチングに際しては、冷たいガス流の注入、あるいは、霧化液体流の注入、あるいは、冷たい表面との接触、を行うことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、
前記材料を、セラミック、純粋な金属、合金、および、複合物、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、
前記金属を、シリコン、クロミウム、モリブデン、タングステン、タンタル、および、ルテニウム、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法において、
前記粉末材料のフロー特性を改良することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１に記載された方法の使用方法であって、
前記粉末粒子の酸素含有量を低下させるために使用することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１記載の方法において、
太陽電池あるいはスパッタリングターゲットの製造のために、前記粉末材料の前記精製を行うことを特徴とする方法。
【請求項１７】
粗い粉末に対して混合したナノ粉末を分離するための方法であって、
前記粗い粉末に対して混合した前記ナノ粉末に対して、音響処理媒体内において、超音波振動を印加することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、
前記音響処理媒体を、水、アセトン、アルコール、および、エア、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７記載の方法において、
前記超音波振動を、１００Ｗ〜１０ｋＷという範囲の強度を有することによって特徴づけられた超音波ジェネレータを使用して、生成することを特徴とする方法。
【請求項２０】
材料からなるナノ粉末を合成するための方法であって、
ｉ）粉末という形態でもって前記材料を準備し；
ｉｉ）前記材料からなる前記粉末をプラズマ流によって加熱して溶融させて蒸発させ、これにより、前記材料を、前記プラズマ流内において、部分的に蒸発した粒子と混合された蒸気相とし；
ｉｉｉ）前記プラズマ流内において、前記部分的に蒸発した粒子と混合された前記蒸気相とされた前記材料を、クエンチ流の中を通過させ、これにより、前記材料から形成されたナノ粉末と、残余の粗い材料粉末と、からなる混合物を形成し；
ｉｖ）前記材料から形成された前記ナノ粉末と前記残余の粗い材料粉末とからなる前記混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、前記ナノ粉末粒子と前記粗い材料粉末とを分離させる；
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、
さらに、
ｖ）前記材料からなる前記ナノ粉末粒子を前記残余の粗い材料粉末とのうちの分離された少なくとも一方を回収することを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、
前記ステップｖ）を行うに際しては、前記材料からなる前記ナノ粉末粒子と前記材料からなる前記粗い粉末とを、湿潤分級、あるいは、通常の重力下での質量差に基づく堆積作用、あるいは、強力な遠心分離、によって行うことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、
前記ステップｖ）を行うに際しては、前記音響処理媒体の濾過を行うことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２０記載の方法において、
前記音響処理媒体を、水、アセトン、アルコール、および、エア、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２０記載の方法において、
前記超音波振動を、１００Ｗ〜１０ｋＷという範囲の強度を有することによって特徴づけられた超音波ジェネレータを使用して、生成することを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２０記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、キャリアガスを使用することによって、誘導結合型のラジオ周波数のプラズマ流内へと、前記粉末を注入することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、大気圧、減圧、『ソフトな真空』、および、雰囲気圧力よりも大きな圧力、からなるグループの中から選択された圧力下で行うことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２６記載の方法において、
前記プラズマ流を、不活性雰囲気、酸化雰囲気、および、還元雰囲気、からなるグループの中から選択された状況下で行うことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２０記載の方法において、
前記材料を、セラミック、純粋な金属、合金、および、複合物、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項１】
材料を精製するための方法であって、
不純物を含有している材料からなる粉末粒子を準備し；
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させ、これにより、蒸気相内へと前記不純物を放出させ、これにより、前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる溶融粒子小滴と、蒸発した不純物と、を生成し；
前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる前記溶融粒子小滴と、前記蒸発した前記不純物と、を冷却し、これにより、前記材料からなる精製済み粉末粒子と、煤塵と、からなる混合物を生成し；
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子と前記煤塵とからなる前記混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、前記音響媒体内において前記精製済み粉末粒子と前記煤塵とを分離させ；
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子を、前記煤塵から分離させた状態で前記音響媒体内から回収する；
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記音響処理媒体を、水、アセトン、アルコール、および、エア、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子を前記煤塵から分離させた状態で前記音響媒体内から回収するに際しては、前記材料からなる前記精製済み粉末粒子と前記煤塵とを、湿潤分級、あるいは、通常の重力下での質量差に基づく堆積作用、あるいは、強力な遠心分離、によって行うことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記精製済み粉末粒子を前記音響媒体内から回収するに際しては、前記音響処理媒体の濾過を行うことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、キャリアガスを使用することによって、誘導結合型のラジオ周波数のプラズマ流内へと、前記粉末粒子を注入することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、大気圧、減圧、『ソフトな真空』、および、雰囲気圧力よりも大きな圧力、からなるグループの中から選択された圧力下で行うことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、
前記プラズマ流を、不活性雰囲気、酸化雰囲気、および、還元雰囲気、からなるグループの中から選択された状況下で行うことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子を、生の形態で準備することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、
前記超音波振動を、１００Ｗ〜１０ｋＷという範囲の強度を有することによって特徴づけられた超音波ジェネレータを使用して、生成することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、
前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる前記溶融粒子小滴の冷却に際しては、前記プラズマ流内において混合された前記材料からなる前記溶融粒子小滴の急速なクエンチングを行うことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、
前記急速なクエンチングに際しては、冷たいガス流の注入、あるいは、霧化液体流の注入、あるいは、冷たい表面との接触、を行うことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、
前記材料を、セラミック、純粋な金属、合金、および、複合物、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、
前記金属を、シリコン、クロミウム、モリブデン、タングステン、タンタル、および、ルテニウム、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法において、
前記粉末材料のフロー特性を改良することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１に記載された方法の使用方法であって、
前記粉末粒子の酸素含有量を低下させるために使用することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１記載の方法において、
太陽電池あるいはスパッタリングターゲットの製造のために、前記粉末材料の前記精製を行うことを特徴とする方法。
【請求項１７】
粗い粉末に対して混合したナノ粉末を分離するための方法であって、
前記粗い粉末に対して混合した前記ナノ粉末に対して、音響処理媒体内において、超音波振動を印加することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、
前記音響処理媒体を、水、アセトン、アルコール、および、エア、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７記載の方法において、
前記超音波振動を、１００Ｗ〜１０ｋＷという範囲の強度を有することによって特徴づけられた超音波ジェネレータを使用して、生成することを特徴とする方法。
【請求項２０】
材料からなるナノ粉末を合成するための方法であって、
ｉ）粉末という形態でもって前記材料を準備し；
ｉｉ）前記材料からなる前記粉末をプラズマ流によって加熱して溶融させて蒸発させ、これにより、前記材料を、前記プラズマ流内において、部分的に蒸発した粒子と混合された蒸気相とし；
ｉｉｉ）前記プラズマ流内において、前記部分的に蒸発した粒子と混合された前記蒸気相とされた前記材料を、クエンチ流の中を通過させ、これにより、前記材料から形成されたナノ粉末と、残余の粗い材料粉末と、からなる混合物を形成し；
ｉｖ）前記材料から形成された前記ナノ粉末と前記残余の粗い材料粉末とからなる前記混合物を、音響処理媒体内において超音波振動に対して曝し、これにより、前記ナノ粉末粒子と前記粗い材料粉末とを分離させる；
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、
さらに、
ｖ）前記材料からなる前記ナノ粉末粒子を前記残余の粗い材料粉末とのうちの分離された少なくとも一方を回収することを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、
前記ステップｖ）を行うに際しては、前記材料からなる前記ナノ粉末粒子と前記材料からなる前記粗い粉末とを、湿潤分級、あるいは、通常の重力下での質量差に基づく堆積作用、あるいは、強力な遠心分離、によって行うことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、
前記ステップｖ）を行うに際しては、前記音響処理媒体の濾過を行うことを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２０記載の方法において、
前記音響処理媒体を、水、アセトン、アルコール、および、エア、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２０記載の方法において、
前記超音波振動を、１００Ｗ〜１０ｋＷという範囲の強度を有することによって特徴づけられた超音波ジェネレータを使用して、生成することを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２０記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、キャリアガスを使用することによって、誘導結合型のラジオ周波数のプラズマ流内へと、前記粉末を注入することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６記載の方法において、
前記材料からなる前記粉末粒子をプラズマ流によって加熱して溶融させるに際しては、大気圧、減圧、『ソフトな真空』、および、雰囲気圧力よりも大きな圧力、からなるグループの中から選択された圧力下で行うことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２６記載の方法において、
前記プラズマ流を、不活性雰囲気、酸化雰囲気、および、還元雰囲気、からなるグループの中から選択された状況下で行うことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２０記載の方法において、
前記材料を、セラミック、純粋な金属、合金、および、複合物、からなるグループの中から選択することを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【公表番号】特表２００７−５０３９７３（Ｐ２００７−５０３９７３Ａ）
【公表日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２４１８５（Ｐ２００６−５２４１８５）
【出願日】平成１６年８月１９日（２００４．８．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／００１５２５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２１１４８
【国際公開日】平成１７年３月１０日（２００５．３．１０）
【出願人】（５０３３８９６１１）テクナ・プラズマ・システムズ・インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月１９日（２００４．８．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００４／００１５２５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２１１４８
【国際公開日】平成１７年３月１０日（２００５．３．１０）
【出願人】（５０３３８９６１１）テクナ・プラズマ・システムズ・インコーポレーテッド (10)
【Ｆターム（参考）】
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