JP2002265223A - Titania ultrathin film and producing method therefor - Google Patents

Titania ultrathin film and producing method therefor

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JP2002265223A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that an ultrathin film made by laminating titania nanosheets and a polymer which is developed by this inventor previously is short of thermal stability, chemical stability and mechanical strength and has a fear of hindering a practical use depending on an application because the polymer is laminated within the thin film due to its role of a binder for the nanosheets, although the ultrathin film has an excellent characteristic such as highly efficient absorption for ultraviolet light. SOLUTION: The titania ultrathin film comprises a multi-layered structure of titania nanosheets consisting of ultrathin particles which are obtained by exfoliating laminar titanium oxide microcrystals and has no polymer interposing layer. By alternately laminating titania nanosheets consisting of ultrathin particles which are obtained by exfoliating laminar titanium oxide microcrystals and a cationic polymer on a substrate from liquid phases, respectively, the multi-layered structure film which is made by the titania ultrathin film and the polymer of interposed layer is once manufactured, but the polymer is removed from the film of the multi-layered structure film by heat treatment or electromagnetic irradiation such as ultraviolet rays and, thereby, the titania ultrathin film is produced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、層状チタン酸化物
微結晶を剥離して得られる薄片粒子からなるチタニアナ
ノシート(以下、適宜「チタニアナノシート」という)
の多層構造からなる超薄膜およびその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a titania nanosheet comprising flake particles obtained by exfoliating layered titanium oxide microcrystals (hereinafter referred to as "titania nanosheet" as appropriate).
And a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】通常、チタニア薄膜はチタン塩の加水分
解によるゾル・ゲル法や気相反応によるCVD法、スパ
ッター法、レーザーアブレーション法などによって作製
されている。この場合の膜厚は大部分がサブμm以上で
あるとともに、得られた薄膜は球状微粒子が密に集合し
たものである。
2. Description of the Related Art In general, a titania thin film is produced by a sol-gel method by hydrolysis of a titanium salt, a CVD method by a gas phase reaction, a sputtering method, a laser ablation method, or the like. In this case, the film thickness is mostly sub-μm or more, and the obtained thin film is a dense aggregate of spherical fine particles.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、先に、
チタニアナノシートとポリマーを液相から基板上にサブ
nm〜nmの厚みで交互に積層することにより得られる
チタニア多層超薄膜およびその製造方法について発明
し、特許出願(特願2000-083654)を行った。このチタ
ニア多層超薄膜およびその製造方法は、従来の酸化チタ
ン微粒子からなる薄膜と比べて微細組織、膜厚などの制
御性、光吸収性などの物性が大きく異なり、以下のよう
な優れた特徴を有する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventors have previously described
We invented a titania multilayer ultrathin film obtained by alternately laminating a titania nanosheet and a polymer from a liquid phase on a substrate to a thickness of sub-nm to nm and a method for producing the same, and filed a patent application (Japanese Patent Application No. 2000-083654). . This titania multilayer ultra-thin film and its manufacturing method are significantly different in physical properties such as fine structure, controllability of film thickness and the like, and light absorption, as compared with the conventional thin film composed of titanium oxide fine particles, and have the following excellent features. Have.

【0004】(1)サブnm〜nmの精度で厚みをコン
トロールできること。 (2)レイヤーバイレイヤーで製膜可能であり、薄膜の
組成、構造を自由度高く制御できること。 (3)液相から吸着・累積を行うため、低コスト、省エ
ネルギー、低環境負荷であること。 (4)分子レベルの薄さ、μmサイズの横幅という極め
て高い2次元異方性の高いナノシートを用いるため、従
来の球形超微粒子が密に集合した薄膜とは大きく異なる
物性を示すこと。例えば光吸収強度は従来の数十倍。
(1) The thickness can be controlled with an accuracy of sub-nm to nm. (2) The film can be formed layer-by-layer, and the composition and structure of the thin film can be controlled with a high degree of freedom. (3) Low cost, energy saving, and low environmental impact due to adsorption and accumulation from the liquid phase. (4) Due to the use of nanosheets having extremely high two-dimensional anisotropy with a molecular level of thinness and a width of μm, they exhibit properties significantly different from conventional thin films in which spherical ultrafine particles are densely assembled. For example, the light absorption intensity is several tens of times that of the conventional one.

【0005】以上のように、従来技術にはない数多くの
利点を持つ薄膜ではあるが、ポリマーがナノシートのバ
インダー的な役割で薄膜の中に積層されていることか
ら、熱的安定性、化学的安定性、機械的強度に欠けると
いう側面があり、用途によっては実用化の障害になりか
ねない問題点を有していた。
As described above, although a thin film has a number of advantages not found in the prior art, the polymer is laminated in the thin film as a binder of a nanosheet, so that the thermal stability and the chemical stability are improved. There is an aspect of lack of stability and mechanical strength, and there is a problem that it may hinder practical use depending on the application.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
有機ポリマーを除去することを発想し、鋭意努力の末、
紫外線などの電磁波照射または加熱処理によって上記の
長所を損なわず、安定性に優れた無機膜を作製すること
に成功した。すなわち、本発明は、層状チタン酸化物微
結晶を剥離して得られる薄片粒子からなるチタニアナノ
シートの多層構造からなりポリマー介在層を有しないこ
とを特徴とするチタニア超薄膜である。また、本発明
は、ナノシートが加熱処理によりアナターゼまたはルチ
ルに変換されたものであることを特徴とする上記のチタ
ニア超薄膜である。また、本発明は、薄片粒子が組成式
Ti1-dO2(0≦d≦0.5)で示されることを特徴とする上記の
超薄膜である。また、本発明は、波長300nm以下の紫
外光をモル吸光係数10000mol-1dm3cm-1以上の高効率で
吸収することを特徴とする上記の超薄膜である。また、
本発明は、紫外光下で超親水性を呈することを特徴とす
る上記の超薄膜である。
Means for Solving the Problems Accordingly, the present inventors have:
With the idea of removing organic polymers,
We succeeded in producing an inorganic film with excellent stability without impairing the above advantages by irradiation with electromagnetic waves such as ultraviolet rays or heat treatment. That is, the present invention is an ultrathin titania thin film having a multilayer structure of titania nanosheets composed of flake particles obtained by exfoliating layered titanium oxide microcrystals and having no polymer intervening layer. Further, the present invention is the ultrathin titania thin film, wherein the nanosheet is converted into anatase or rutile by a heat treatment. Further, the present invention provides a flake particle having a composition formula
The ultra thin film described above, which is represented by Ti 1-d O 2 (0 ≦ d ≦ 0.5). Further, the present invention is the above-mentioned ultrathin film, which absorbs ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less with high efficiency having a molar extinction coefficient of 10,000 mol -1 dm 3 cm -1 or more. Also,
The present invention is the above ultrathin film, which exhibits superhydrophilicity under ultraviolet light.

【0007】さらに、本発明は、層状チタン酸化物微結
晶を剥離して得られる薄片粒子とカチオン性ポリマーを
それぞれ液相から基板上に交互に積層してチタニアナノ
シートと介在層のポリマーが積層した多層構造の膜を作
製し、該多層構造の膜からポリマーを除去することを特
徴とする上記のチタニア超薄膜の製造方法である。ま
た、本発明は、多層構造の膜に加熱処理または電磁波照
射を行うことによってポリマーを除去することを特徴と
する上記のチタニア超薄膜の製造方法である。
Further, according to the present invention, the flaky particles obtained by peeling the layered titanium oxide microcrystals and the cationic polymer are alternately laminated on the substrate from the liquid phase, and the titania nanosheet and the polymer of the intervening layer are laminated. The method for producing an ultra-thin titania thin film according to the above, wherein a film having a multilayer structure is produced, and a polymer is removed from the film having the multilayer structure. Further, the present invention is the above-described method for producing a titania ultrathin film, wherein the polymer is removed by subjecting the film having a multilayer structure to heat treatment or electromagnetic wave irradiation.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明の製造方法においては、ま
ず、チタニアナノシートが懸濁したゾルとカチオン性ポ
リマー溶液に基板を交互に浸漬する操作を反復すること
により、基板上にナノシートとポリマーをそれぞれサブ
nm〜nmレベルの厚さに吸着させ、該成分が交互に繰
り返す多層膜を累積する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the production method of the present invention, first, an operation of alternately immersing a substrate in a sol in which a titania nanosheet is suspended and a cationic polymer solution is repeated, whereby the nanosheet and the polymer are deposited on the substrate. Each component is adsorbed to a thickness of the sub-nm to nm level, and a multilayer film in which the component is alternately repeated is accumulated.

【0009】実際の操作としては、基板を(1)チタニ
アゾル溶液に浸漬→(2)純水で洗浄→(3)有機ポリ
カチオン溶液に浸漬→(4)純水で洗浄するという一連
の操作を1サイクルとしてこれを必要回数分反復する。
有機ポリカチオンとしては、ボリジメチルジアリルアン
モニウム塩化物(PDDA)、ポリエチレンイミン(P
EI)、塩酸ポリアリルアミン(PAH)などが適当で
ある。
As a practical operation, a series of operations of (1) immersing a substrate in a titania sol solution → (2) washing with pure water → (3) immersing in an organic polycation solution → (4) washing with pure water. This is repeated as many times as necessary as one cycle.
Organic polycations include polydimethyldiallylammonium chloride (PDDA), polyethyleneimine (P
EI), polyallylamine hydrochloride (PAH) and the like are suitable.

【0010】チタニアナノシートは負電荷を持つため、
正電荷を持つポリマー(ポリジメチルジアリルアンモニ
ウム塩化物(PDDA)、ポリエチレンイミン(PEI)、塩
酸ポリアリルアミン(PAH)など)と組み合わせること
により、適当に処理した基板表面上に自己組織化的に交
互にそれぞれモノレイヤーとして吸着させることが可能
となる。この操作を反復することによりレイヤーバイレ
イヤーでチタニア超薄膜を構築することができる。
Since titania nanosheets have a negative charge,
By combining with positively charged polymers (polydimethyldiallylammonium chloride (PDDA), polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride (PAH), etc.), self-assembled alternately on the appropriately treated substrate surface Each can be absorbed as a monolayer. By repeating this operation, a titania ultrathin film can be constructed layer by layer.

【0011】基板上に交互に積層する原料となるチタニ
アナノシートは、レピドクロサイト型チタン酸塩(Csx
Ti2-x/4O4(ここで 0.5≦x≦1), AxTi2-x/3Lix/3O4(但
し、A= K, Rb, Cs;0.5≦x≦1)をはじめとして、三チタ
ン酸塩(Na2Ti37)、四チタン酸塩(K2Ti4O9)、五チ
タン酸塩(Cs2Ti5O11)などの層状チタン酸化物を水素
型(HxTi2-x/4O4・nH2O, H4x/3Ti2-x/3O4・nH2O, H2Ti3O7
・nH2O, H2Ti4O9・nH2O,H2Ti5O11・nH2O)に変換後、適当
なアミンなどの水溶液中で振盪して単層剥離することに
より得られる。
The titania nanosheet, which is a raw material alternately laminated on the substrate, is a lepidocrocite type titanate (Cs x
Ti 2-x / 4 O 4 (where 0.5 ≦ x ≦ 1), A x Ti 2-x / 3 Li x / 3 O 4 (where A = K, Rb, Cs; 0.5 ≦ x ≦ 1) First, layered titanium oxides such as trititanate (Na 2 Ti 3 O 7 ), tetratitanate (K 2 Ti 4 O 9 ), and pentatitanate (Cs 2 Ti 5 O 11 ) are converted to hydrogen type (H x Ti 2-x / 4 O 4・ nH 2 O, H 4x / 3 Ti 2-x / 3 O 4・ nH 2 O, H 2 Ti 3 O 7
・ NH 2 O, H 2 Ti 4 O 9・ nH 2 O, H 2 Ti 5 O 11・ nH 2 O) .

【0012】この水素型に変換する化学処理は、酸処理
とコロイド化処理を組み合わせた処理である。すなわ
ち、層状構造を有するチタン酸化物粉末に塩酸などの酸
水溶液を接触させ、生成物をろ過、洗浄後、乾燥させる
と処理前に層間に存在したアルカリ金属イオンがすべて
水素イオンに置き換わり、水素型物質が得られる。
The chemical treatment for converting to the hydrogen form is a combination of an acid treatment and a colloidal treatment. That is, when an acid aqueous solution such as hydrochloric acid is brought into contact with titanium oxide powder having a layered structure, and the product is filtered, washed, and dried, all the alkali metal ions present between the layers before the treatment are replaced with hydrogen ions, and the hydrogen type is formed. The substance is obtained.

【0013】次に得られた水素型物質をアミン等の水溶
液に入れ攪拌すると、コロイド化してゾル溶液となる。
このとき、層状構造を構成していた層が1枚1枚にまで
剥離することとなる。このゾル溶液中には母結晶を構成
していた層、すなわちナノシートが一枚ずつ水中に分散
している。ナノシートの厚みは、その出発母結晶の結晶
構造に依存するが、1nm前後と極めて薄い。一方、横
サイズはμmオーダーであり、非常に高い2次元異方性
を有する。
Next, when the obtained hydrogen-type substance is placed in an aqueous solution of an amine or the like and stirred, it is converted into a colloid to form a sol solution.
At this time, the layers constituting the layered structure are peeled off one by one. In this sol solution, layers constituting the mother crystal, that is, nanosheets are dispersed one by one in water. The thickness of the nanosheet depends on the crystal structure of the starting mother crystal, but is extremely thin, around 1 nm. On the other hand, the lateral size is on the order of μm and has a very high two-dimensional anisotropy.

【0014】基板は水溶液中で安定な固体物質であれば
基本的に問題な<、大きさも原理的に制限はない。石英
ガラス板、Siウエハー、マイカ板、グラファイト板、
アルミナ板等を例としてあげることができる。積層操作
の前に、基板表面を清浄にする。通常洗剤による洗浄、
有機溶剤による脱脂、濃硫酸などによる洗浄を行う。こ
れに引き続き、基板を有機ポリカチオン溶液に浸漬し
て、ポリカチオンを吸着させることにより、正電荷を基
板表面に導入する。これは、以後の積層を安定に進める
ために必要である。
The substrate is basically a problem as long as it is a solid substance stable in an aqueous solution. The size is not limited in principle. Quartz glass plate, Si wafer, mica plate, graphite plate,
An alumina plate or the like can be given as an example. Before the lamination operation, the substrate surface is cleaned. Washing with detergent,
Degreasing with an organic solvent, washing with concentrated sulfuric acid and the like are performed. Subsequently, the substrate is immersed in an organic polycation solution to adsorb the polycation, thereby introducing a positive charge to the substrate surface. This is necessary for stably performing the subsequent lamination.

【0015】上記吸着サイクルのプロセスパラメーター
のうち、溶液の濃度、pH、浸漬時間が、良質の超薄膜
を合成するうえで重要となる。チタニアゾルの濃度は5
wt%以下、特に0.1wt%以下であることが望まし
い。また、酸性側でナノシートは凝集する傾向があるの
でpHは5以上であることが必要で、安定した製膜には
7以上が望ましい。有機ポリカチオンの濃度は10wt
%以下、pHはチタニアゾルと同一に調整することが望
ましい。浸漬時間は10分以上の必要がある。これより
短いと基板表面が充分にナノシートまたはポリマーで吸
着・被覆されないおそれがある。以上の条件が満足され
ると、非常に安定に製膜を行うことができる。
Among the process parameters of the adsorption cycle, the concentration of the solution, the pH and the immersion time are important for synthesizing a high quality ultrathin film. The titania sol concentration is 5
It is desirable that the content be not more than 0.1% by weight, especially 0.1% by weight. Further, since the nanosheet tends to aggregate on the acidic side, the pH needs to be 5 or more, and 7 or more is desirable for stable film formation. Organic polycation concentration is 10wt
% Or less, and the pH is desirably adjusted to be the same as that of the titania sol. The immersion time needs to be 10 minutes or more. If it is shorter than this, the substrate surface may not be sufficiently adsorbed and covered with the nanosheet or polymer. When the above conditions are satisfied, the film can be formed very stably.

【0016】上記の操作で得られた多層超薄膜はナノシ
ートとポリマーがサブnmの厚みで繰り返しており、ポ
リマーが介在層となっている。次の工程でこのポリマー
層を除去する。このポリマー成分の除去は紫外線照射ま
たは加熱処理により行うことができる。紫外光源として
は各種高圧水銀ランプ、キセノンランプなどを用いるこ
とができる。照射による外観上の変化はなく、数十時間
照射後もサンプルは照射前と同様、高い透明性を示す。
In the multilayer ultrathin film obtained by the above operation, the nanosheet and the polymer are repeated with a sub-nm thickness, and the polymer is an intervening layer. This polymer layer is removed in the next step. The removal of the polymer component can be performed by ultraviolet irradiation or heat treatment. As the ultraviolet light source, various high-pressure mercury lamps, xenon lamps, and the like can be used. There is no change in appearance due to irradiation, and the sample shows high transparency after irradiation for several tens of hours, as before.

【0017】ポリマーの除去速度は薄膜の組成・構造、
紫外線強度などのパラメータに依存するが、代表的な薄
膜、すなわち、レピドクロサイト型チタン酸を剥離して
得たナノシートTi1-dO2とPDDAがそれぞれ10層交互に積
層した多層薄膜(総膜厚:14nm)を例にとると、波長30
0 nm以下の紫外線強度が1 mW cm-2の光を照射した場
合、約24時間でポリマー成分を分解・除去できる。その
際のX線回折データの変化は図1に示す通りである。図
1の2θ = 15〜30°のハロは石英ガラス基板によるもの
である。
The removal rate of the polymer depends on the composition and structure of the thin film,
Although it depends on parameters such as UV intensity, typical thin films, namely, multilayer thin films (total 10 layers) of nano-sheets Ti 1-d O 2 obtained by exfoliating lepidocrocite-type titanic acid and PDDA are alternately For example, a film thickness of 14 nm
When irradiated with light having an ultraviolet intensity of 1 mW cm -2 of 0 nm or less, the polymer component can be decomposed and removed in about 24 hours. The change in the X-ray diffraction data at that time is as shown in FIG. The halo at 2θ = 15 to 30 ° in FIG. 1 is due to the quartz glass substrate.

【0018】照射前サンプルはナノシートとポリマーの
繰り返し周期に相当する面間隔1.4nmの回折ピークを与
えるが、これに紫外線照射を行うと、面間隔が時間とと
もに縮小し、約1日で0.94 nmの一定値に達する(図
2)。この面間隔の縮小はポリマーがチタニアナノシー
トの光触媒作用により分解されたためと考えることがで
きる。また、回折線がシャープになるとともに、2次、
3次の反射が検出可能となることも、ナノシートの積層
秩序性が高くなったことを意味しており、構造の乱れに
よる回折線のブロードニングの原因となっていたポリマ
ーが除去されたことを間接的に示唆している。
The pre-irradiation sample gives a diffraction peak with a spacing of 1.4 nm corresponding to the repetition period of the nanosheet and the polymer. Irradiation with ultraviolet light reduces the spacing with time, resulting in a diffraction peak of 0.94 nm in about one day. It reaches a certain value (FIG. 2). This reduction in the interplanar spacing can be considered to be because the polymer was decomposed by the photocatalytic action of the titania nanosheet. Also, while the diffraction line becomes sharp,
The fact that the third-order reflection can be detected also means that the stacking order of the nanosheets has increased, and that the polymer that caused broadening of diffraction lines due to structural disorder has been removed. Indirectly suggests.

【0019】より直接的な証拠は、赤外吸収スペクトル
(図3)およびX線光電子分光データ(図4)により得
ることができる。照射前の赤外スペクトルは水分子およ
びポリマーの存在を明確に示すのに対して、照射後は大
きく変化して、ポリマーに由来する3000〜2800 cm-1
よび1500〜1350 cm-1の吸収バンドは消失する。代わっ
てNH4 +の存在を示すスペクトルが得られる。このこと
は、PDDAが光分解され、最後にナノシートの負電荷を補
償する陽イオンとしてNH4 +が生成したと説明することが
できる。
More direct evidence can be obtained from infrared absorption spectra (FIG. 3) and X-ray photoelectron spectroscopy data (FIG. 4). Infrared spectrum before irradiation whereas clearly indicates the presence of water molecules and the polymer, after the irradiation changes greatly, the absorption band of from 3,000 to 2,800 cm -1 and from 1,500 to 1,350 cm -1 derived from a polymer Disappears. Instead, a spectrum is obtained indicating the presence of NH 4 + . This can be explained by the photodegradation of PDDA and finally the generation of NH 4 + as a cation that compensates for the negative charge of the nanosheet.

【0020】また、X線光電子分光データでは照射によ
る炭素成分の大幅な減少が見られポリマーの除去が示唆
される。一方、窒素成分には大きな変化がないこと、そ
のケミカルシフト値もNH4 +のそれにほぼ一致し、赤外吸
収データと符合した。以上のことより、チタニアナノシ
ート/ポリマー多層超薄膜に紫外線を照射することで、
ポリマーが光分解され無機成分のみからなる超薄膜に変
換できることが裏付けられた。
In addition, X-ray photoelectron spectroscopy data shows a significant decrease in the carbon component due to irradiation, suggesting that the polymer has been removed. On the other hand, there was no significant change in the nitrogen component, and the chemical shift value almost coincided with that of NH 4 + , which coincided with the infrared absorption data. From the above, by irradiating the ultra-thin titania nanosheet / polymer multilayer thin film with ultraviolet light,
It was supported that the polymer could be photolyzed and converted to an ultrathin film consisting of only inorganic components.

【0021】一方、加熱処理によってもポリマーの分解
は可能である。ナノシート/ポリマー多層超薄膜を加熱
すると、200℃付近より面間隔の縮小が始まり、400℃で
は0.95 nmとなる。この値は本ナノシートの母結晶であ
るHxTi2-x/4O4・nH2Oの面間隔、すなわち、剥離前のホス
ト層間隔と一致することから、この温度でポリマーはほ
ぼ熱分解除去されたと考えられる。500℃では0.94 nmの
回折ピークも消失し、無定形状態の薄膜に変化する。さ
らに加熱を続けると、600℃以上でアナターゼ、900℃以
上ではルチルからなる薄膜を得ることができる。
On the other hand, the polymer can be decomposed by heat treatment. When the nanosheet / polymer multilayer ultrathin film is heated, the spacing decreases from around 200 ° C, and reaches 0.95 nm at 400 ° C. This value is the mother crystal of the present nanosheet H x Ti 2-x / 4 O 4 · nH 2 O spacing of, namely, since it matches the host layer interval before peeling, the polymer at this temperature almost pyrolyzed It is considered removed. At 500 ° C, the diffraction peak at 0.94 nm also disappears, and the film changes to an amorphous thin film. When heating is further continued, a thin film composed of anatase at 600 ° C. or more and rutile at 900 ° C. or more can be obtained.

【0022】チタニアナノシートはシャープで強い吸収
ピークを紫外域に示す。これは、ナノシートが酸化チタ
ン系で量子サイズ効果が発現するとされる領域である1n
m以下の分子レベルの薄さにまで微細化されていること
に主に起因していると考えられる。紫外線照射または加
熱処理(<400℃)によりポリマーが除去された薄膜はこ
のチタニアナノシートに特徴的な吸収スペクトルを与え
る(図5,図7参照)。
The titania nanosheet shows a sharp and strong absorption peak in the ultraviolet region. This is the region where the nanosheets are said to exhibit a quantum size effect in the titanium oxide system.
This is considered to be mainly due to the miniaturization to a molecular level of less than m. The thin film from which the polymer has been removed by ultraviolet irradiation or heat treatment (<400 ° C.) gives the titania nanosheet a characteristic absorption spectrum (see FIGS. 5 and 7).

【0023】レピドクロサイト型チタン酸化物HxTi
2-x/4O4・nH2Oを剥離して得られるチタニアナノシートを
累積した超薄膜の場合、ナノシート1レヤー当たりの吸
光度は0.14に及ぶ。ナノシートの厚みは 0.75 nmである
ことから、チタニア1nmあたりの吸光度は0.18を超え
る。これはモル吸光係数に換算すると24000mol-1dm3cm
-1に相当する。
Lepidocrocite type titanium oxide H x Ti
2-x / 4 O 4 · nH 2 when O super thin film obtained by accumulating the titania nanosheet obtained by peeling the absorbance per nanosheets 1 Reya spans 0.14. Since the thickness of the nanosheet is 0.75 nm, the absorbance per 1 nm of titania exceeds 0.18. This is 24000 mol -1 dm 3 cm in terms of molar extinction coefficient
Equivalent to -1 .

【0024】ちなみに、平均径 3 nmのチタニア超微粒
子を積層した薄膜について相当する吸光度として約0.00
5が報告されており(Liu et al. J. Phys. Chem. B, 10
1, 1385,1997)、本薄膜が極めて高効率の紫外光吸収能
を有していることがわかる。このような高効率の紫外光
吸収は、紫外線カットコーティング、太陽電池部材、フ
ォトルミネッセンス材料、センサーなどとしての用途に
も非常に有効であることを示唆する。
By the way, the equivalent absorbance of a thin film in which ultrafine titania particles having an average diameter of 3 nm are laminated is about 0.00.
5 (Liu et al. J. Phys. Chem. B, 10
1, 1385, 1997), indicating that this thin film has an extremely high efficiency of absorbing ultraviolet light. Such high-efficiency absorption of ultraviolet light suggests that it is very effective for use as an ultraviolet cut coating, a solar cell member, a photoluminescence material, a sensor, and the like.

【0025】一方、酸化チタンはその優れた光触媒能を
利用した環境浄化材、さらには光誘起超親水化を利用し
た各種コーティング材としての応用も大いに有望視され
ており、一部は実用化レベルに達している。チタニアナ
ノシートはその特異な構造、特性ゆえに、この分野への
展開に関しても、酸化チタン超微粒子などの従来型の素
材以上の高機能化も可能と期待される。
On the other hand, titanium oxide is expected to be used as an environmental purification material utilizing its excellent photocatalytic ability, and also as a coating material utilizing photo-induced superhydrophilization. Has been reached. Because of its unique structure and characteristics, titania nanosheets are expected to be more functional than conventional materials, such as ultrafine titanium oxide particles, even in this field.

【0026】実際、本発明のチタニア超薄膜は、図8に
示す通り、微弱な紫外線照射下短時間で水滴の接触角が
0°に近くなることが見いだされ、超親水性薄膜として
の有効性を示している。この光触媒、超親水性に関連す
る用途においてはポリマーが薄膜中に介在するとその変
性、分解などの観点からこれらの機能に悪影響を与える
ことが懸念されるところであるが、図8からも明らかな
通り、ポリマーが存在した薄膜では超親水化にかかる時
間が3倍程度必要なことがわかる。
In fact, as shown in FIG. 8, the ultrathin titania thin film of the present invention was found to have a water droplet contact angle close to 0 ° in a short time under irradiation of weak ultraviolet rays, and was effective as a superhydrophilic thin film. Is shown. In applications related to the photocatalyst and superhydrophilicity, there is a concern that the presence of a polymer in a thin film may adversely affect these functions from the viewpoints of denaturation, decomposition, and the like. It can be seen that the time required for superhydrophilization is about three times as long as the thin film containing the polymer.

【0027】よって、本発明により化学的に不安定なポ
リマーを除去して、ナノシートを主成分とする無機膜化
できたことは、チタニアナノシートの優れた特性をこの
方面に応用する道を拓くものとも言える。
Thus, the fact that the chemically unstable polymer was removed by the present invention to form an inorganic film containing nanosheets as a main component opened a way to apply the excellent properties of titania nanosheets to this field. It can also be said.

【0028】[0028]

【実施例】次に本発明の実施例を示す。 [実施例1]組成式CsxTi2-x/4O4(x〜0.7)で示されるレ
ピドクロサイト型層状チタン酸セシウムを酸処理して得
られる層状チタン酸粉末(HxTi2-x/4O4・nH2O)0.5gをテ
トラブチルアンモニウム水酸化物溶液100cm3に加えて室
温で1週間程度振盪(150 rpm)し、乳白色のチタニア
ゾルを得た。
Next, examples of the present invention will be described. [Example 1] formula Cs x Ti 2-x / 4 O 4 (x~0.7) lepidocrocite type layered cesium titanate to an acid treatment is obtained by layered titanate powder represented by (H x Ti 2- ( 0.5 g of x / 4O 4 .nH 2 O) was added to 100 cm 3 of the tetrabutylammonium hydroxide solution, and the mixture was shaken (150 rpm) at room temperature for about one week to obtain a milky white titania sol.

【0029】これを50倍に希釈した溶液と、2 wt%のポ
リジメチルジアリルアンモニウム(PDDA)塩化物水溶液
を調製し、そのpHを9に調整した。適当なサイズのSiウ
エハー板もしくは石英ガラス板を中性洗剤、メタノール
/塩酸(1:1)、濃硫酸で処理した後、Milli-Q純水で充
分に洗浄した。最後に、基板を濃度0.25wt%のポリエチ
レンイミン水溶液中に20分間浸漬し、水洗後乾燥した。
A 50-fold diluted solution thereof and a 2 wt% aqueous solution of polydimethyldiallylammonium (PDDA) chloride were prepared, and the pH was adjusted to 9. An appropriately sized Si wafer plate or quartz glass plate was treated with a neutral detergent, methanol / hydrochloric acid (1: 1) and concentrated sulfuric acid, and then sufficiently washed with Milli-Q pure water. Finally, the substrate was immersed in a 0.25 wt% aqueous solution of polyethyleneimine for 20 minutes, washed with water and dried.

【0030】このようにして洗浄・前処理を行った基板
を(1)上記のチタニアゾル溶液に浸漬する。(2)20
分経過後、Milli-Q純水で充分に洗浄し、アルゴン気流
を吹きつけて乾燥する。(3)次に、この基板をPDDA溶
液に20分間浸漬する。(4)続いて、Milli-Q純水で充
分に洗浄するという操作を反復することにより、チタニ
アナノシートとPDDAが交互に累積した多層超薄膜を合成
した。
The substrate thus cleaned and pre-treated is immersed in (1) the titania sol solution described above. (2) 20
After a lapse of minutes, the plate is sufficiently washed with Milli-Q pure water and dried by blowing an argon stream. (3) Next, the substrate is immersed in a PDDA solution for 20 minutes. (4) Subsequently, by repeating the operation of sufficiently washing with Milli-Q pure water, a multilayer ultrathin film in which titania nanosheets and PDDA were alternately accumulated was synthesized.

【0031】得られた薄膜試料に三栄電機製Xeランプ
(XEF-501S)を用いて紫外線照射を行った。ナノシートの
主な光吸収域である300 nm以下の紫外光強度は、サンプ
ルを紫外光源から15 cmの位置に置くことにより基板表
面で約1 mW cm-2とした。紫外線照射にともなって多層
膜のナノシートとポリマーの繰り返し周期を反映する回
折線が高角度側に徐々に移動し、図2に示すような面間
隔の減少が観測された。
An Xe lamp manufactured by Sanei Electric Co., Ltd.
(XEF-501S) was used to irradiate ultraviolet rays. The ultraviolet light intensity below 300 nm, which is the main light absorption region of the nanosheet, was set to about 1 mW cm -2 on the substrate surface by placing the sample at a position 15 cm from the ultraviolet light source. The diffraction line reflecting the repetition period of the nanosheet and the polymer of the multilayer film gradually moved toward the high angle side with the ultraviolet irradiation, and a decrease in the interplanar spacing as shown in FIG. 2 was observed.

【0032】照射後24時間で面間隔はほぼ一定値0.94 n
mに達し、回折線もシャープになると同時に高次反射ま
で検出可能となった(図1)。以上のデータはポリマー
がチタニアナノシートの光触媒作用により分解された結
果と解釈される。照射前後のFT-IRスペクトルを図3に
示す。照射前のスペクトルにおいて3500 cm-1を中心と
したブロードな吸収と、1630 cm-1付近のバンドは水分
子の伸縮振動および変角モードに帰属され、水和水の存
在が示唆された。
At 24 hours after irradiation, the surface spacing is almost constant 0.94 n
m, the diffraction line became sharper, and it was possible to detect even higher-order reflections (Fig. 1). The above data is interpreted as a result of the decomposition of the polymer by the photocatalytic action of the titania nanosheet. FIG. 3 shows FT-IR spectra before and after irradiation. In the spectrum before irradiation, the broad absorption centered at 3500 cm -1 and the band around 1630 cm -1 were assigned to stretching vibration and bending mode of water molecule, suggesting the presence of hydration water.

【0033】さらに、3024, 2959, 2926, 2853 cm-1
シグナルは-CH3, -CH2-の伸縮振動に、1468, 1356 cm-1
のバンドはそれらの変角振動と帰属でき、ポリマーの存
在を明瞭に確認することができた。これに対して、照射
後においてはポリマー成分に由来するピークが消失し、
その光分解が裏付けられるともに、NH4 +の生成を示唆す
るブロードなバンドが3190, 3035, 2847, 1420 cm-1
現れた。
Further, the signals at 3024, 2959, 2926, and 2853 cm -1 show the stretching vibration of -CH 3 and -CH 2- at 1468 and 1356 cm -1.
Can be assigned to those bending vibrations, and the presence of the polymer could be clearly confirmed. In contrast, after irradiation, the peak derived from the polymer component disappears,
A broad band at 3190, 3035, 2847, 1420 cm -1 was suggested, suggesting the formation of NH 4 + , while supporting the photolysis.

【0034】これは、PDDA中のNに由来するものであ
り、負電荷を帯びたナノシートの電荷補償の役割をにな
っていると考えられる。さらに、X線光電子スペクトル
を照射前後で測定した結果を図4に示す。照射前には多
層超薄膜を構成する元素C, N,Ti, Oのピークがすべて検
出された。
This is derived from N in PDDA, and is considered to play a role of charge compensation of the negatively charged nanosheet. FIG. 4 shows the results of measuring the X-ray photoelectron spectrum before and after the irradiation. Before the irradiation, all the peaks of the elements C, N, Ti, O constituting the multilayer ultra-thin film were detected.

【0035】一方、照射後ではN, Ti, Oのピーク強度は
ほぼ変わらないのに対して、C成分のみ顕著に減少し
た。各元素の感度をもとにモル比を計算すると、照射前
の Ti: C : N = 1 : 3 : 0.22から照射後は Ti : C : N
= 1 : 0.48 : 0.21となる。XPSがCに極めて鋭敏な感
度を有し、バックグランド炭素を通常感知することを考
慮すれば、本データはポリマーが実効的に除去されたと
解釈できる。
On the other hand, after irradiation, the peak intensities of N, Ti, and O remained almost unchanged, while only the C component was significantly reduced. Calculating the molar ratio based on the sensitivity of each element shows that Ti: C: N = 1: 3: 0.22 before irradiation and Ti: C: N after irradiation.
= 1: 0.48: 0.21 Given that XPS has a very sensitive sensitivity to C and usually senses background carbon, this data can be interpreted as an effective removal of the polymer.

【0036】以上のデータを総合して、ナノシート/ポ
リマー多層超薄膜は紫外線照射により、ナノシートがNH
4 +を間に挟む形で積層した無機薄膜に変換できたと結論
できた。得られた薄膜の紫外・可視吸収スペクトルは照
射前と変化なく、265 nmにピークをもつチタニアナノシ
ート由来のシャープで高強度のプロファイルを与えた
(図5)。
Based on the above data, the nanosheet / polymer multilayer ultra-thin film was irradiated with ultraviolet light,
4 + was concluded that can be converted into inorganic thin film formed by laminating in a manner sandwiching. The ultraviolet / visible absorption spectrum of the obtained thin film did not change from that before irradiation, and gave a sharp and high-intensity profile derived from titania nanosheet having a peak at 265 nm (FIG. 5).

【0037】[実施例2]実施例1と同様の手順でチタ
ニアナノシートとPDDAの多層超薄膜を合成した後、電気
炉中で加熱しポリマーの除去を試みた。加熱処理は100
℃刻みで1000℃までの各温度で1時間保持して行った。
Example 2 After synthesizing a multilayer ultrathin film of titania nanosheets and PDDA in the same procedure as in Example 1, heating was performed in an electric furnace to remove the polymer. Heat treatment is 100
The temperature was held at each temperature up to 1000 ° C. in increments of 1 ° C. for 1 hour.

【0038】多層超薄膜の加熱処理に伴う変化をX線回
折法で追跡したX線回折パターンを図6に示す。図6の
●、▲はアナターゼ、ルチルのピークを示す。2θ = 15
〜30°のハロは石英ガラス基板によるものである。図6
に示されるように、ナノシート/ポリマーの繰り返し周
期1.4 nmが200℃から縮小しはじめ、300℃で1.02 nm、4
00℃で0.95 nmとなった。この値は剥離前のHxTi2-x/4O4
・nH2Oのホスト層間隔0.94 nmとほぼ等しく、この時点で
PDDAが分解・除去されたことを示唆している。
FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern obtained by tracing a change accompanying the heat treatment of the multilayer ultra-thin film by an X-ray diffraction method. In FIG. 6, ● and ▲ indicate peaks of anatase and rutile. 2θ = 15
The halo of 3030 ° is due to the quartz glass substrate. FIG.
As shown in the figure, the nanosheet / polymer repetition period of 1.4 nm began to shrink from 200 ° C,
It became 0.95 nm at 00 ° C. This value is H x Ti 2-x / 4 O 4 before peeling
・ Approximately the host layer spacing of nH 2 O is 0.94 nm.
This suggests that PDDA has been degraded and removed.

【0039】500℃になると多層面間隔を示すブラッグ
ピークは消失しアモルファス状態となった。さらに加熱
を続けると600℃で2θ = 25°, 48°付近にピークが出
現し、アナターゼの結晶化が確認された。800℃になる
とアナターゼからルチルへの相転移が始まり、900℃で
はルチル単相となった。
When the temperature reached 500 ° C., the Bragg peak indicating the spacing between the multilayers disappeared, and the film became amorphous. When heating was further continued, peaks appeared at around 2θ = 25 ° and 48 ° at 600 ° C, and crystallization of anatase was confirmed. At 800 ° C, the phase transition from anatase to rutile started, and at 900 ° C, it became a rutile single phase.

【0040】本加熱過程での紫外・可視吸収スペクトル
の変化を図7に示した。400℃まではナノシートに由来
するシャープな吸収プロファイルに大きな変化は見られ
なかったが、500℃以上でブロード化するとともに、吸
収端の長波長側へのシフトが観測され、900℃ではバル
クのルチルのスペクトルとほぼ一致した。これは上記の
XRDデータにより得られた相転移の結果とよく符合し
た。
FIG. 7 shows the change in the ultraviolet / visible absorption spectrum during this heating process. No significant change was observed in the sharp absorption profile derived from the nanosheets up to 400 ° C, but broadening was observed above 500 ° C, and a shift to the longer wavelength side of the absorption edge was observed.At 900 ° C, bulk rutile was observed. Approximately matched the spectrum. This is
It was in good agreement with the results of the phase transition obtained by the XRD data.

【0041】実施例1および2で作製した薄膜試料(基
板:シリコン)に水滴をたらし、紫外光を照射した場合
の接触角の時間変化を測定した。接触角の測定には協和
界面科学製CA-XPを、紫外光源としては三栄電機製Xeラ
ンプ(XEF-501S)を用いその強度は0.6 mW cm-2とした。
Water droplets were dropped on the thin film samples (substrate: silicon) prepared in Examples 1 and 2, and the time change of the contact angle when ultraviolet light was irradiated was measured. The contact angle was measured using a Kyowa Interface Science CA-XP, and the ultraviolet light source was a Sanei Electric Xe lamp (XEF-501S) with an intensity of 0.6 mW cm -2 .

【0042】その結果、図8に示す通り、紫外光照射も
しくは加熱処理によりポリマーを除去した薄膜は5分前
後で接触角が5°以下となり、いわゆる超親水性を示す
ことが明らかになった。これに対して、処理前の薄膜、
すなわち、ポリマーとチタニアナノシートの多層膜では
超親水性の発現に15分以上を要し、大きな差があること
がわかった。
As a result, as shown in FIG. 8, it was revealed that the contact angle of the thin film from which the polymer was removed by ultraviolet light irradiation or heat treatment became 5 ° or less in about 5 minutes, and showed a so-called superhydrophilic property. In contrast, the thin film before processing,
In other words, it was found that it took 15 minutes or more for the superhydrophilicity to be exhibited in the multilayer film of the polymer and the titania nanosheet, indicating a large difference.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、チタニアナノシート/
ポリマー多層超薄膜を紫外線照射または加熱などの二次
処理によりポリマーを除去して無機膜に改質することに
より、ナノシート/ポリマーコンポジット薄膜の特徴
(nm精度の微細な膜厚の制御、ナノシートに由来した
極めて強い紫外線吸収特性など)を損なわず、より化学
的安定性に優れた薄膜を合成することができる。
According to the present invention, the titania nanosheet /
The characteristics of nanosheet / polymer composite thin film (fine-precision control of nano-thickness, derived from nanosheet) by removing polymer by secondary treatment such as ultraviolet irradiation or heating to modify polymer into inorganic film , Etc.), and a thin film having more excellent chemical stability can be synthesized.

【0044】本発明のチタニア超薄膜は紫外線を高効率
で吸収するため、窓材その他の紫外線遮蔽コーティング
用として利用できる。また、超親水性表面を有する薄
膜、光電変換用薄膜、フォトクロミック材料、光触媒薄
膜およびセンサーとしても期待される。さらに、高屈折
率を有することおよび膜厚を微細に制御できることによ
り干渉効果による発色が可能であり、各種着色材、塗料
となり得る。
The ultrathin titania thin film of the present invention absorbs ultraviolet rays with high efficiency, and can be used for window materials and other ultraviolet shielding coatings. It is also expected as a thin film having a superhydrophilic surface, a thin film for photoelectric conversion, a photochromic material, a photocatalytic thin film, and a sensor. Further, by having a high refractive index and being able to finely control the film thickness, it is possible to form a color by an interference effect, and it can be various coloring materials and paints.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、実施例1のチタニアナノシート/PDDA
多層超薄膜に対する紫外線照射効果を示すX線回折パタ
ーンである。
FIG. 1 shows titania nanosheet / PDDA of Example 1.
5 is an X-ray diffraction pattern showing an ultraviolet irradiation effect on a multilayer ultrathin film.

【図2】図2は、実施例1のチタニアナノシート/PDDA
多層超薄膜の多層面間隔と紫外光照射時間との関係を示
すグラフである。
FIG. 2 shows titania nanosheet / PDDA of Example 1.
4 is a graph showing a relationship between a multilayer plane interval of a multilayer ultrathin film and an ultraviolet light irradiation time.

【図3】図3は、実施例1のチタニアナノシート/PDDA
多層超薄膜の紫外光照射前後のFT-IR吸収スペクトルグ
ラフである。
FIG. 3 shows titania nanosheet / PDDA of Example 1.
4 is an FT-IR absorption spectrum graph of a multilayer ultrathin film before and after irradiation with ultraviolet light.

【図4】図4は、実施例1のチタニアナノシート/PDDA
多層超薄膜の紫外光照射前後のX線光電子スペクトルグ
ラフである。
FIG. 4 shows titania nanosheet / PDDA of Example 1.
It is an X-ray photoelectron spectrum graph before and after ultraviolet light irradiation of a multilayer ultra-thin film.

【図5】図5は、実施例1のチタニアナノシート/PDDA
多層超薄膜の紫外光照射前後の紫外・可視吸収スペクト
ルグラフである。
FIG. 5 shows titania nanosheet / PDDA of Example 1.
It is an ultraviolet-visible absorption spectrum graph before and after ultraviolet light irradiation of a multilayer ultra-thin film.

【図6】図6は、実施例2のチタニアナノシート/ PDDA
多層超薄膜の加熱処理に伴うX線回折パターンの変化を
示すグラフである。
FIG. 6 shows titania nanosheet / PDDA of Example 2.
4 is a graph showing a change in an X-ray diffraction pattern accompanying a heat treatment of a multilayer ultrathin film.

【図7】図7は、実施例2のチタニアナノシート/ PDDA
多層超薄膜の加熱処理に伴う紫外・可視吸収スペクトル
グラフである。
FIG. 7 shows the titania nanosheet / PDDA of Example 2.
It is an ultraviolet-visible absorption spectrum graph accompanying the heat treatment of a multilayer ultra-thin film.

【図8】図8は、実施例1および実施例2の水滴の接触
角と紫外線照射時間の関係を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a contact angle of a water drop and an ultraviolet irradiation time in Examples 1 and 2.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 潤 茨城県つくば市並木1丁目1番 文部科学 省無機材質研究所内 (72)発明者 渡辺 遵 茨城県つくば市並木1丁目1番 文部科学 省無機材質研究所内 Fターム(参考) 4G047 CA02 CB05 CD02  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Jun Suzuki 1-1-1, Namiki, Tsukuba, Ibaraki Pref., Japan Inorganic Materials Research Laboratories, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology 4G047 CA02 CB05 CD02

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 層状チタン酸化物微結晶を剥離して得ら
れる薄片粒子からなるチタニアナノシートの多層構造か
らなりポリマー介在層を有しないことを特徴とするチタ
ニア超薄膜。
1. An ultrathin titania thin film comprising a multilayer structure of titania nanosheets comprising flake particles obtained by exfoliating layered titanium oxide microcrystals and having no polymer intervening layer.
【請求項2】 ナノシートが加熱処理によりアナターゼ
またはルチルに変換されたものであることを特徴とする
請求項1記載のチタニア超薄膜。
2. The ultrathin titania thin film according to claim 1, wherein the nanosheet is converted into anatase or rutile by a heat treatment.
【請求項3】 薄片粒子が組成式Ti1-dO2(0≦d≦0.5)で
示されることを特徴とする請求項1または2記載の超薄
膜。
3. The ultra-thin film according to claim 1, wherein the flake particles are represented by a composition formula Ti 1-d O 2 (0 ≦ d ≦ 0.5).
【請求項4】 波長300nm以下の紫外光をモル吸光係
数10000mol-1dm3cm-1以上の高効率で吸収することを特
徴とする請求項1乃至3のいづれかに記載の超薄膜。
4. The ultra-thin film according to claim 1, wherein the ultra-thin film absorbs ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less with high efficiency having a molar extinction coefficient of 10,000 mol −1 dm 3 cm −1 or more.
【請求項5】 紫外光下で超親水性を呈することを特徴
とする請求項1乃至4のいづれかに記載の超薄膜。
5. The ultrathin film according to claim 1, which exhibits superhydrophilicity under ultraviolet light.
【請求項6】 層状チタン酸化物微結晶を剥離して得ら
れる薄片粒子からなるチタニアナノシートとカチオン性
ポリマーをそれぞれ液相から基板上に交互に積層してチ
タニア超薄膜と介在層のポリマーが積層した多層構造の
膜を作製し、該多層構造の膜からポリマーを除去するこ
とを特徴とする請求項1乃至5のいづれかに記載のチタ
ニア超薄膜の製造方法。
6. A titania nanosheet composed of flake particles obtained by exfoliating layered titanium oxide microcrystals and a cationic polymer are alternately laminated on a substrate from a liquid phase, respectively. The method for producing an ultrathin titania thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein a film having a multilayer structure is prepared, and a polymer is removed from the film having a multilayer structure.
【請求項7】 多層構造の膜に加熱処理または電磁波照
射を行うことによってポリマーを除去することを特徴と
する請求項6記載のチタニア超薄膜の製造方法。
7. The method for producing an ultra-thin titania thin film according to claim 6, wherein the polymer having a multilayer structure is subjected to heat treatment or electromagnetic wave irradiation to remove the polymer.
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