JP2006082182A

JP2006082182A - 微粒子配列薄膜の作製方法

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Publication number: JP2006082182A
Application number: JP2004269856A
Authority: JP
Inventors: Jinko Kitamoto; 仁孝北本; Kazuya Kuroishi; 和哉黒石
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】ナノ粒子が単層で規則性をもって配列した大面積の薄膜を作製する方法を提供する。
【解決手段】微粒子が配列した薄膜を作製する方法において、（ａ）微粒子が分散した溶液に両親媒性の有機分子を混合し、（ｂ）上記混合溶液を水面上に滴下して単層の微粒子薄膜を形成し、（ｃ）上記溶液中の溶媒を蒸発させながら微粒子を配列させ、（ｄ）上記微粒子配列薄膜を基板に写し取ることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、ナノサイズの粒子、例えば、磁気特性に優れた磁性体の微粒子が配列した薄膜を作製する方法に関する。

近年、ＩＴ社会の発達と共に、より多くの情報をよりコンパクトなスペースに記録する技術の開発が強く求められ、磁気記録媒体を中心に、記録容量の高密度化が進められてきた。

この高密度化に対しては、磁性粉（磁気記録媒体）を微粒子化することが大きく貢献するが、磁性粉の微粒子化を進めていくと、熱揺らぎに伴う磁化の不安定性が顕在化し、時間経過と共に記録情報が消滅するという致命的な欠陥が現出する。

このように、従来型の磁性粉を用いる磁気記録媒体の開発がほぼ限界に近づいている中で、磁化反転のエネルギー障壁を高くして、磁化の不安定性を解消するという観点から、結晶磁気異方性が高く、かつ、保磁力の大きいＦｅ−Ｐｔ規則合金が、今後の記録媒体用磁性材料として注目されている。

そこで、本発明者は、粒径がナノオーダーのＦｅ−Ｐｔ合金微粒子の一段合成方法を提案した（特許文献１、参照）。しかし、上記Ｆｅ−Ｐｔ合金微粒子を電子・光デバイス分野において有効に利用するためには、該微粒子が、電子・光デバイスを構成する要素となり得るのに充分な大面積で、整然と配列した薄膜を作製する必要がある。

例えば、図１の（ｂ）に示すように、大きさにばらつきのある磁気粒子４が集積した薄膜においては、磁化方向２が異なる磁区（情報を記録した磁区）の境界３が相互に入り組み、この境界の入り組みが原因で、記録情報を磁気ヘッドで読み込む時、ノイズが発生する。

しかし、図１の（ａ）に示すように、磁性ナノ粒子１’が配列した薄膜においては、磁化方向２が異なる磁区の境界３が直線状となるので、記録情報を磁気ヘッドで読み込む時、ノイズの発生が抑制される。

したがって、上記Ｆｅ−Ｐｔ合金微粒子、さらに、該微粒子に限らず、他の磁性ナノ粒子を、電子・光デバイス分野において有効に利用するためには、磁性ナノ粒子が、電子・光デバイスを構成する要素となり得るのに充分な大面積で配列した薄膜を作製する必要がある。

ナノ粒子の配列膜を作製する方法としては、溶媒の蒸発により自己組織化を図る移流集積法が知られているが、この方法において大面積の膜を形成するのは難しい。また、上記作製する方法としてスピンコート法が知られているが、この方法においてナノ粒子は整然と配列し難い。

Langmuir-Blodgett法（ＬＢ法）が、上記課題を解決する方法として期待されている（非特許文献１、２及び３、参照）。しかし、ＬＢ法において、ナノ粒子は、図２に示すように、粒子表面に疎水基５を有し、親水基を有しないので、水面７上で凝集してしまい、ナノ粒子１が配列した単層膜は形成され難い。

また、ナノ粒子の単層膜が形成されたとしても、図３に示すように、粒子が凝集しているだけで、粒子配列は、規則性が低いものとなる（図中、黒斑点、参照）。結局、ＬＢ法を用いて、ナノ粒子が規則性をもって配列した単層膜を得ることは困難である。

また、ＬＢ法と異なる方法で、水層と油性有機溶液層の間に粒子単層膜を形成する方法が提案されている（非特許文献４、参照）。しかし、上記方法においては、粒子単層膜を水−油性有機溶液の界面から取り出すことができない。結局、上記方法は、学問的な価値はあっても実用的でない。

このように、現在のところ、ナノ粒子が単層で規則性をもって配列した大面積の薄膜を作製する方法は見あたらない。

特願２００４−１１８０２４号土屋裕子ほか、日本応用磁気学会誌、Vol.27、No.4、pp.332-335(2003) Shujuan Huang,et.al., J.Vac.Sci.Technol.B 19(6),Nov/Dec,pp.2045-2049(2001) Sergey A.Iakovenko,et.al., Adv.Mater.,11,No.5,pp.388-392(1999) Gunter Schmid,et.al., Eur.J.Inorg.Chem., pp.835-837(2000)

前述したように、粒径がナノオーダーのＦｅ−Ｐｔ合金微粒子を電子・光デバイス分野において有効に利用するためには、該微粒子が、電子・光デバイスを構成する要素となり得るのに充分な大面積で、整然と配列した薄膜を作製する必要がある。

しかし、現在のところ、ナノ粒子が単層で規則性をもって配列した大面積の薄膜を作製する方法は見あたらない。そこで、本発明は、ナノ粒子が単層で規則性をもって配列した大面積の薄膜を作製する方法を提供することを目的とする。

従来のＬＢ法においては、ナノ粒子の周りの疎水基と水面との間の界面エネルギーが高いので、ナノ粒子の表面積を低減して、この高い界面エネルギーを低減するため、疎水基同士がくっついて、ナノ粒子が凝集する。

そして、疎水基同士のくっつきによるナノ粒子の凝集に規則性はないから、ナノ粒子の単層膜は形成され難く、また、形成されたとしても、ナノ粒子の配列に規則性を期待することはできない。

そこで、本発明者は、水−粒子間の界面エネルギーに着目し、まず、その低減を図ることを、直径約３ｎｍのＦｅ−Ｐｔナノ粒子を用いて鋭意研究した。

その結果、両親媒性（親水基と疎水基を有する）の有機分子の層を水面上に中間層として導入すると、水−ナノ粒子間の界面エネルギーを低減でき、ナノ粒子が規則的に配列した単層の薄膜を、μｍ²のオーダーの面積で形成できることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）微粒子が配列した薄膜を作製する方法において、
（ａ）微粒子が分散した溶液に両親媒性の有機分子を混合し、
（ｂ）上記混合溶液を水面上に滴下して単層の微粒子薄膜を形成し、
（ｃ）上記溶液中の溶媒を蒸発させながら微粒子を配列させ、
（ｄ）上記微粒子配列薄膜を基板に写し取る
ことを特徴とする微粒子配列薄膜の作製方法。

（２）前記微粒子が、ナノメートルサイズの微粒子（ナノ粒子）であることを特徴とする前記（１）に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（３）前記微粒子が、ナノメートルサイズ以上の微粒子であることを特徴とする前記（１）に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（４）前記微粒子が、界面活性剤で覆われていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（５）前記微粒子が、Ｆｅ−Ｐｔ合金の微粒子であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（６）前記両親媒性の有機分子が、長鎖脂肪酸であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（７）前記長鎖脂肪酸が、ｎが１１以上の脂肪酸であることを特徴とする前記（６）に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（８）前記配列に際し、微粒子薄膜を水平方向に加圧・圧縮することを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（９）前記基板を水平にして微粒子配列薄膜に付着させ、該薄膜を写し取ることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（１０）前記基板を垂直に水中に浸漬し微粒子配列薄膜を写し取ることを特徴とする前記（１）〜（９）のいずれかに記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

（１１）前記写し取りを１回以上行うことを特徴とする前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の微粒子配列薄膜の作製方法。

本発明によれば、マイクロメートルに及ぶ範囲で微粒子が規則性をもって配列した単層又は複層の微粒子配列薄膜を作製することができる。そして、水、有機分子、微粒子、及び、有機溶媒、それぞれの界面相互作用により、微粒子の配列を制御することができるので、有機分子及び有機溶媒の組み合せを最適化することで、微粒子配列の規則性の向上と大面積化を実現できる。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明は、ＬＢ法を基本法とするものであるが、水面上に滴下する微粒子分散溶液に両親媒性（疎水基と親水基を有する）の有機分子を混合することが特徴であり、この点で、従来のＬＢ法と顕著に異なるものである。

本発明者は、有機金属化合物を使用して化学的に合成した直径約３ｎｍのＦｅ−Ｐｔナノ粒子とミリスチン酸（両親媒性の飽和脂肪酸、Ｃ₁₄Ｈ₂₈Ｏ₂）を有機溶媒（ヘキサン）中に分散させ、この分散溶液を純水表面に滴下して展開させ、有機溶媒を蒸発させつつ、一定の表面圧力（５〜２０ｍＮ／ｍ）で水平方向に圧縮して、面積１００ｃｍ²以上の粒子単層薄膜を水面上に形成した。

上記薄膜は、Ｆｅ−Ｐｔナノ粒子が高い規則性をもって配列した約１μｍ²の領域が、領域間で僅かに配列方向を変えて接して形成されている。

上記粒子単層膜をカーボングリッド（基板）上に、水平付着法で転写し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で粒子の配列態様を観察した結果を、図４に示す。図から、Ｆｅ−Ｐｔナノ粒子（図中、黒斑点、参照）が、高い規則性をもって配列していることが分かる。

ここで、本発明において、ナノ粒子が高い規則性をもって配列する理由について説明する。

微粒子分散溶液に両親媒性の有機分子を混合すると、ナノ粒子の表面に親水基が付着し、疎水基が外に向く（図５、参照）。このことが、ナノ粒子の配列において高い規則性を得るうえで重要なことである。なお、ナノ粒子と有機分子の親水基との付着性が良好でない場合には、ナノ粒子分散溶液に、ナノ粒子の表面を保護する別の界面活性剤（表面保護剤）を混合し、ナノ粒子の表面を被覆してもよい。

両親媒性の有機分子を混合した粒子分散溶液を水面上に滴下すると、図５に示すように、水面上に疎水基５を上にして有機分子の単分子層（膜）８が形成され、その上に、ナノ粒子１の単層薄膜が形成される。

上記単分子層（膜）が、バッファー層（膜）として作用し、水とナノ粒子間の界面エネルギーを低減する。その結果、ナノ粒子は、水面上の単層薄膜において、凝集することなく、流動性を保ちつつ安定に存在することができる。そして、ナノ粒子分散溶液中の溶媒を蒸発させながら粒子を配列させる。

流動性のあるナノ粒子を配列させる際、水面上の単層薄膜を水平に加圧して圧縮してもよい。この加圧・圧縮で、規則性の高いナノ粒子配列を得ることができる。加圧力は、大きすぎると配列の規則性を乱すので２〜２０ｍＮ／ｍが好ましい。より好ましくは１０〜２０ｍＮ／ｍである。

最後に、ナノ粒子配列薄膜を基板に写し取る。ナノ粒子配列膜の写し取りは、例えば、図６に示すように、基板９（例えば、カーボングリッド）を水平にしてナノ粒子配列薄膜に密着させて持ち上げることにより行うことができる。また、基板を垂直にして水中に浸漬して持ち上げ、基板の両面にナノ粒子配列薄膜を付着させることもできる。

なお、ナノ粒子配列膜の写し取りは、適宜、複数回行ってもよい。この複数回の写し取りにより、電子・光デバイスを構成する要素として必要な厚みを確保することができる。

これまで、ナノメートルサイズの微粒子（ナノ粒子）について説明したが、本発明は、水面上に形成される両親媒性有機分子の単分子層（膜）がバッファー層（膜）として機能し、微粒子の単層薄膜が形成される限りにおいて、微粒子は、ナノメートルサイズ以上の微粒子でもよい。

微粒子は、所要の磁気特性を有する磁性体の微粒子であればよく、特定の磁性体の微粒子に限定されないが、微粒子の単層薄膜を記録媒体用磁性材料として使用することを考慮すると、結晶磁気異方性が高く、かつ、保磁力の大きい磁性体の微粒子、例えば、Ｆｅ−Ｐｔ規則合金の微粒子が好ましい。

微粒子分散溶液に混合する両親媒性の有機分子は、親水基と疎水基を備えていればよく、特定の有機分子に限定されるものではない。ただし、疎水基が長鎖であれば、それだけ水に溶け難く、微粒子を水面上で流動性を保ちつつ安定に維持できるので、長鎖の有機分子、例えば、長鎖脂肪酸が好ましい。

本発明の両親媒性の有機分子は、微粒子を水面上で流動性を保ちつつ安定に維持し得るものであれば、短鎖の有機分子、例えば、短鎖脂肪酸でもよく、また、その他の脂肪酸でもよい。

微粒子を、確実に、より流動性を保ちつつ安定に維持するためには、特に、ｎが１１以上の脂肪酸が好ましい。ｎが１１以上の脂肪酸として、例えば、ラウリン酸（Ｃ₁₂）、ミリスチン酸（Ｃ₁₄）、パルミチン酸（Ｃ₁₆）、ステアリン酸（Ｃ₁₈）、アラキジン酸（Ｃ₂₀）が挙げられるが、本発明は、これらの酸に限定されるものではない。

なお、脂肪酸は、飽和脂肪酸でも、不飽和脂肪酸でもよいし、また、各種の長鎖脂肪酸を混合して使用してもよい。

微粒子分散溶液に混合する上記有機分子の混合量は、多すぎると、微粒子配列薄膜に微粒子が存在しない部分が生じるし、また、少なすぎると、微粒子が不規則に凝集した薄膜が形成されるので、上記溶液に含まれる微粒子の量（濃度）を考慮して決定する。

その際、上記混合量は、微粒子の量（濃度）に対する比で決めるのが好ましいが、この比（混合比）は、微粒子と有機分子の占有面積に依存する、すなわち、有機分子の種類、粒径、粒子の表面保護剤の種類に依存するので、一義的には定まらない。本発明においては、これら依存要素を考慮して、上記混合比を決定する。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
直径３〜４ｎｍのＦｅ−Ｐｔナノ粒子と、ミリスチン酸、アラキジン酸、及び、デカン酸を、それぞれ混合した溶液を作製し、本発明の工程順に従い、ナノ粒子配列薄膜を作製した。作製時のナノ粒子の濃度、ナノ粒子と有機分子の混合比率、用いた溶媒、膜作製時の表面圧力を表１に示す。

実施例１〜８において、Ｆｅ−Ｐｔ粒子が規則性をもって配列した薄膜を作製することができた。なお、実施例６及び７で作製した薄膜は、配列の規則性が実施例１〜５及び８に比べ劣っていた。

前述したように、本発明によれば、マイクロメートルに及ぶ範囲（大面積）で微粒子が規則性をもって配列し、電子・光デバイスを構成する要素とし利用できる微粒子配列薄膜を作製することができる。したがって、本発明は、情報産業の発展に寄与するもので、利用可能性の大きいものである。

磁区の境界の態様を示す図である。（ａ）は、直線上の場合、（ｂ）は、入り組んだ場合を示す。水面上でナノ粒子が凝集した状態を示す図である。規則性が低い粒子配列を示す図である。Ｆｅ−Ｐｔナノ粒子が高い規則性を持って配列した状態を示す図である。水面上に形成された単粒子層（膜）の態様を示す図である。微粒子配列薄膜を写し取る一態様を示す図である。

符号の説明

１ナノ粒子
１’ 磁性ナノ微粒子
２磁化方向
３磁区の境界
４磁性粒子
５疎水基
６親水基
７水面
８単分子層（膜）
９基板

Claims

微粒子が配列した薄膜を作製する方法において、
（ａ）微粒子が分散した溶液に両親媒性の有機分子を混合し、
（ｂ）上記混合溶液を水面上に滴下して単層の微粒子薄膜を形成し、
（ｃ）上記溶液中の溶媒を蒸発させながら微粒子を配列させ、
（ｄ）上記微粒子配列薄膜を基板に写し取る
ことを特徴とする微粒子配列薄膜の作製方法。
前記微粒子が、ナノメートルサイズの微粒子（ナノ粒子）であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記微粒子が、ナノメートルサイズ以上の微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記微粒子が、界面活性剤で覆われていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記微粒子が、Ｆｅ−Ｐｔ合金の微粒子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記両親媒性の有機分子が、長鎖脂肪酸であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記長鎖脂肪酸が、ｎが１１以上の脂肪酸であることを特徴とする請求項６に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記配列に際し、微粒子薄膜を水平方向に加圧・圧縮することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記基板を水平にして微粒子配列薄膜に付着させ、該薄膜を写し取ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記基板を垂直に水中に浸漬し微粒子配列薄膜を写し取ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。
前記写し取りを１回以上行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の微粒子配列薄膜の作製方法。