JP2006315933A - Organic inorganic hybrid thin film and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electroconductive organic inorganic hybrid thin film mainly composed of molybdenum oxide (MoO<SB>3</SB>) and formed on a silicon substrate, a manufacturing method of the thin film, and a sensor member etc., utilizing the electroconductive organic inorganic hybrid thin film. <P>SOLUTION: This electroconductive organic inorganic hybrid thin film is an organic inorganic hybrid thin film formed on a silicon substrate, which is less expensive compared with a metal oxide single crystal, through an appropriate buffer layer of a metal oxide formed on the substrate, and its manufacturing method is also provided. This chemical sensor member uses the electroconductive organic inorganic hybrid thin film made by the method as a sensor element, and it responds highly sensitively to a gas of VOC, etc. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、有機無機ハイブリッド薄膜、その製造方法及び応用に関するものであり、更に詳しくは、シリコン単結晶基板上へ有機無機ハイブリッド薄膜を製膜した有機無機ハイブリッド薄膜素子に関するものである。本発明は、有機化合物と無機化合物をナノレベルで複合化した高機能性ハイブリッド材料を用いたガスセンサの技術分野において、従来のハイブリッド薄膜では、高価な金属酸化物単結晶基板が必要であるという問題があることを踏まえ、シリコン単結晶基板上に金属酸化物からなるバッファー層を介在させることにより、安価なシリコン単結晶基板上へ有機無機ハイブリッド薄膜を製膜する技術を確立したものである。本発明は、シリコン基板上にエレクトロデバイス材料として使用し得る高品質の導電性有機無機ハイブリッド薄膜を製造することを可能とする新規導電性有機無機ハイブリッド薄膜、その製造方法、及びその製品、特に、導電性部材、化学センサ部材、を提供するものである。   The present invention relates to an organic-inorganic hybrid thin film, a method for producing the same, and an application thereof. More specifically, the present invention relates to an organic-inorganic hybrid thin film element in which an organic-inorganic hybrid thin film is formed on a silicon single crystal substrate. In the technical field of a gas sensor using a high-performance hybrid material in which an organic compound and an inorganic compound are combined at a nano level, the present invention has a problem that an expensive metal oxide single crystal substrate is required for a conventional hybrid thin film. In view of the above, the present inventors have established a technique for forming an organic-inorganic hybrid thin film on an inexpensive silicon single crystal substrate by interposing a buffer layer made of a metal oxide on the silicon single crystal substrate. The present invention relates to a novel conductive organic-inorganic hybrid thin film capable of producing a high-quality conductive organic-inorganic hybrid thin film that can be used as an electronic device material on a silicon substrate, a production method thereof, and a product thereof, An electroconductive member and a chemical sensor member are provided.

有機無機ハイブリッド材料は、無機化合物の持つ、優れた耐熱性及び機械的強度と、有機化合物の持つ、優れた化学的特性を併せ持つ、従来にはない新しい材料であり、光学的特性、電気的特性、あるいは機械的特性等に特徴ある機能を有するため、このハイブリッド材料は、様々な分野への応用が期待されている。その中で、電気伝導性を示す有機無機ハイブリッド材料は、例えば、発光素子、トランジスタ、電池、化学センサ等への応用に高いポテンシャルを持つことが報告されている。   Organic-inorganic hybrid material is an unprecedented new material that combines the excellent heat resistance and mechanical strength of inorganic compounds with the excellent chemical properties of organic compounds. Optical and electrical properties In addition, the hybrid material is expected to be applied to various fields because it has a characteristic function in mechanical characteristics and the like. Among them, an organic-inorganic hybrid material exhibiting electrical conductivity has been reported to have high potential for application to, for example, light-emitting elements, transistors, batteries, chemical sensors, and the like.

上記有機無機ハイブリッド材料の、特に、化学センサへの応用に関しては、分子認識機能を持つ有機化合物と検知対象ガスの有無という化学的情報を電気的な信号に変換して外部に出力できる機能を持つ無機化合物を、ナノレベルで複合化したハイブリッド材料を用いることが、ガス選択性の向上に有効であることが報告されている(非特許文献1)。そして、具体的な事例として、層状構造を持つ酸化モリブデン(MoO)を主成分とし、酸化モリブデン層間に、有機化合物が挿入したインターカレーション型有機無機ハイブリッド材料において、当該材料が揮発性有機化合物(VOC)に対して、抵抗値が変化することで応答すると共に、トルエン、ベンゼンにはほとんど応答しないのに対して、アルデヒド、アルコール、塩素系ガスに対して選択的に応答を示すという、優れたガス選択性を有することを利用して、当該材料から成る化学センサ素子が提案されている(特許文献1)。 The organic / inorganic hybrid material has a function that can convert chemical information, such as the presence or absence of an organic compound having a molecular recognition function and a gas to be detected, into an electrical signal and output it to the outside. It has been reported that the use of a hybrid material in which an inorganic compound is compounded at a nano level is effective in improving gas selectivity (Non-patent Document 1). As a specific example, in an intercalation type organic-inorganic hybrid material in which molybdenum oxide (MoO 3 ) having a layered structure is a main component and an organic compound is inserted between molybdenum oxide layers, the material is a volatile organic compound. Responds to (VOC) by changing the resistance value, and hardly responds to toluene and benzene, whereas it selectively responds to aldehydes, alcohols, and chlorine-based gases. A chemical sensor element made of the material has been proposed by utilizing the gas selectivity (Patent Document 1).

有機無機ハイブリッド材料の素子への応用には、薄膜化技術の開発が必要不可欠であるが、上記インターカレーション型有機無機ハイブリッド材料については、既に、(1)層状構造を持つ無機化合物の高配向薄膜を作製する、(2)上記高配向薄膜に水和ナトリウムイオンをインターカレートする、(3)これを有機化合物と置換する、ことを特徴とする方法により、高品質薄膜の製造方法が開発されており(特許文献2)、上記薄膜が、VOCガスセンサとして機能することも報告されている(特許文献3、及び非特許文献2、3)。しかしながら、上記薄膜の製造には、高価なLaAlO等の金属酸化物単結晶基板が必要であり、当技術分野においては、上記ハイブリッド材料のセンサデバイスへの応用を実現するために、安価なシリコン基板上への薄膜製造技術の開発が急務の課題となっている。 Development of thin film technology is indispensable for the application of organic-inorganic hybrid materials to devices. However, the intercalation-type organic-inorganic hybrid materials are already (1) highly oriented inorganic compounds with a layered structure. A method for producing a high-quality thin film has been developed by a method characterized in that a thin film is produced, (2) hydrated sodium ions are intercalated in the highly oriented thin film, and (3) this is replaced with an organic compound. It has been reported (Patent Document 2) that the thin film functions as a VOC gas sensor (Patent Document 3 and Non-Patent Documents 2 and 3). However, the production of the thin film requires an expensive metal oxide single crystal substrate such as LaAlO 3. In this technical field, in order to realize the application of the hybrid material to a sensor device, inexpensive silicon Development of thin film manufacturing technology on a substrate is an urgent issue.

特開2004−271482号公報JP 2004-271482 A 特願2003−422141号Japanese Patent Application No. 2003-422141 特願2004−140528号Japanese Patent Application No. 2004-140528 化学センサ,vol.20,No.3,106(2004)Chemical sensor, vol. 20, no. 3,106 (2004) Proc. MRS 2003 Fall Meeting,785,D14.9.1−6(2004)Proc. MRS 2003 Fall Meeting, 785, D14.9.1-6 (2004) Chem. Mater.,Vol.17,349(2005)Chem. Mater. , Vol. 17, 349 (2005)

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、酸化モリブデンを主成分とする導電性の有機無機ハイブリッド薄膜をシリコン基板上に製造する方法を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、酸化モリブデンと格子定数が類似した金属酸化物をバッファー層とし、この上にCVD法で作製した酸化モリブデンの高配向膜に、まず、水和ナトリウムイオンをインターカレートし、更に、導電性ポリマーあるいは有機イオンと置換する方法により、有機無機ハイブリッド薄膜を得ることができること、そして、得られた薄膜は、金属酸化物単結晶基板を用いた場合と同様に、VOCガスに対して抵抗値が変化することで応答すること、を見出し、本発明を完成するに至った。   Under such circumstances, the present inventors have aimed at developing a method for producing a conductive organic-inorganic hybrid thin film mainly composed of molybdenum oxide on a silicon substrate in view of the above-described conventional technology. As a result of extensive research, a metal oxide with a lattice constant similar to that of molybdenum oxide was used as the buffer layer, and then a highly oriented film of molybdenum oxide prepared by CVD was first intercalated with hydrated sodium ions. Furthermore, an organic-inorganic hybrid thin film can be obtained by a method of substituting with a conductive polymer or organic ions, and the obtained thin film is converted into a VOC gas as in the case of using a metal oxide single crystal substrate. On the other hand, the present inventors have found that it responds by changing the resistance value, and completed the present invention.

本発明は、エレクトロデバイス材料として使用し得る導電性有機無機ハイブリッド薄膜、該ハイブリッド薄膜を製造することを可能とする導電性有機無機ハイブリッド薄膜の製造方法、及びその応用製品、特に、導電性部材、高感度化学センサ部材をそれぞれ提供することを目的とするものである。   The present invention relates to a conductive organic-inorganic hybrid thin film that can be used as an electro device material, a method for producing a conductive organic-inorganic hybrid thin film that enables the production of the hybrid thin film, and applied products thereof, in particular, conductive members, An object of the present invention is to provide a high-sensitivity chemical sensor member.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)シリコン単結晶基板と該基板上に金属酸化物からなるバッファー層を介在させて製膜した有機無機ハイブリッド薄膜から成ることを特徴とする有機無機ハイブリッド薄膜。
(2)有機無機ハイブリッド薄膜が、層状構造を持つ無機化合物の高配向薄膜に、水和アルカリ金属イオンをインターカレートし、更に、これを有機化合物と置換したものである前記(1)記載の有機無機ハイブリッド薄膜。
(3)有機無機ハイブリッド薄膜が、酸化モリブデンを主成分としている前記(1)に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。
(4)有機無機ハイブリッド薄膜が、導電性ポリマーを含んでいる前記(1)又は(2)に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。
(5)有機無機ハイブリッド薄膜が、有機イオンを含んでいる前記(1)又は(2)に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。
(6)バッファー層が、酸化モリブデンと格子常数が類似した金属酸化物である前記(1)に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。
(7)シリコン単結晶基板上に有機無機ハイブリッド薄膜を製膜した有機無機ハイブリッド薄膜を製造する方法において、シリコン単結晶基板上に、金属酸化物からなるバッファー層を介在させて有機無機ハイブリッド薄膜を成長させることを特徴とする有機無機ハイブリッド薄膜の製造方法。
(8)層状構造を持つ無機化合物の高配向薄膜に、水和アルカリ金属イオンをインターカレートし、更に、これを有機化合物と置換した有機無機ハイブリッド膜を成長させる前記(7)に記載の有機無機ハイブリッド薄膜の製造方法。
(9)前記(1)から(6)のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド薄膜を構成要素として含むことを特徴とする導電性部材。
(10)前記(1)から(6)のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド薄膜をセンサ素子として含むことを特徴とする化学センサ部材。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) An organic-inorganic hybrid thin film comprising a silicon single crystal substrate and an organic-inorganic hybrid thin film formed on the substrate with a metal oxide buffer layer interposed therebetween.
(2) The organic-inorganic hybrid thin film is obtained by intercalating a hydrated alkali metal ion into a highly oriented thin film of an inorganic compound having a layered structure, and further substituting it with an organic compound. Organic inorganic hybrid thin film.
(3) The organic-inorganic hybrid thin film according to (1), wherein the organic-inorganic hybrid thin film is mainly composed of molybdenum oxide.
(4) The organic-inorganic hybrid thin film according to (1) or (2), wherein the organic-inorganic hybrid thin film contains a conductive polymer.
(5) The organic-inorganic hybrid thin film according to (1) or (2), wherein the organic-inorganic hybrid thin film contains organic ions.
(6) The organic-inorganic hybrid thin film according to (1), wherein the buffer layer is a metal oxide having a lattice constant similar to molybdenum oxide.
(7) In a method of manufacturing an organic-inorganic hybrid thin film in which an organic-inorganic hybrid thin film is formed on a silicon single crystal substrate, the organic-inorganic hybrid thin film is interposed on the silicon single crystal substrate with a buffer layer made of a metal oxide. A method for producing an organic-inorganic hybrid thin film characterized by growing.
(8) The organic material according to (7), wherein a highly oriented thin film of an inorganic compound having a layered structure is intercalated with a hydrated alkali metal ion and further substituted with an organic compound to grow an organic-inorganic hybrid film. Manufacturing method of inorganic hybrid thin film.
(9) A conductive member comprising the organic-inorganic hybrid thin film according to any one of (1) to (6) as a constituent element.
(10) A chemical sensor member comprising the organic-inorganic hybrid thin film according to any one of (1) to (6) as a sensor element.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、上述のように、酸化モリブデンと格子定数が類似した金属酸化物をバッファー層として備えたシリコン単結晶基板上に、CVD法により高配向酸化モリブデン薄膜を形成し、水和アルカリ金属イオンをインターカレートした後、更に、これを有機化合物と置換することにより、導電性インターカレート型有機無機ハイブリッド薄膜を製造することを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
As described above, the present invention forms a highly oriented molybdenum oxide thin film by a CVD method on a silicon single crystal substrate provided with a metal oxide having a lattice constant similar to that of molybdenum oxide as a buffer layer. After intercalating, a conductive intercalated organic-inorganic hybrid thin film is produced by substituting this with an organic compound.

本発明において、上述の特定の構成を採用することで、安価なシリコン単結晶基板上に有機無機ハイブリッド薄膜を製造することが可能となる。本発明は、シリコン単結晶基板上に、有機無機ハイブリッドの無機成分である酸化モリブデンと格子常数が類似した金属酸化物をバッファー層とすることにより達成される。バッファー層を持たないシリコン単結晶基板を用いた場合、CVD法により作製した酸化モリブデン薄膜に水和アルカリ金属イオンをインターカレートする工程において、薄膜が基板から剥離するという問題がある   In the present invention, an organic-inorganic hybrid thin film can be manufactured on an inexpensive silicon single crystal substrate by employing the above-described specific configuration. The present invention is achieved by using a metal oxide having a lattice constant similar to molybdenum oxide, which is an inorganic component of an organic-inorganic hybrid, as a buffer layer on a silicon single crystal substrate. When a silicon single crystal substrate without a buffer layer is used, there is a problem that the thin film is peeled off from the substrate in the process of intercalating hydrated alkali metal ions to the molybdenum oxide thin film produced by the CVD method.

金属酸化物単結晶基板を用いた場合は、このような問題は発生しないことから、シリコン単結晶基板上に適切な金属酸化物のバッファー層を形成し、この上に上記プロセスにより有機無機ハイブリッド薄膜を形成すれば、剥離の問題が回避できるものと考えられる。バッファー層として採用する金属酸化物は、無機層である酸化モリブデンと格子常数が類似したものであることが望ましい。   When a metal oxide single crystal substrate is used, such a problem does not occur. Therefore, an appropriate metal oxide buffer layer is formed on a silicon single crystal substrate, and an organic-inorganic hybrid thin film is formed thereon by the above process. It is considered that the problem of peeling can be avoided if formed. It is desirable that the metal oxide employed as the buffer layer has a lattice constant similar to that of molybdenum oxide, which is an inorganic layer.

層状構造を持つ酸化モリブデンに有機物をインターカレートする工程において、酸化モリブデンの層間距離が増加する。このため、酸化モリブデン薄膜は層方向(ac面)が基板面と平行であるように配向している必要がある(b軸配向)。このような配向性が実現されていない酸化モリブデン薄膜にインターカレートを行うと、層間距離の増加により発生する歪みのため、膜が基板から剥離する。b軸配向を実現するには、斜方晶である酸化モリブデンのa軸とc軸の平均軸長が基板の格子常数と類似することが望ましい。実際、金属酸化物単結晶基板として用いられるLaAlOの(100)面との格子常数のミスマッチは約1%程度となっている。 In the step of intercalating an organic substance into molybdenum oxide having a layered structure, the interlayer distance of molybdenum oxide increases. For this reason, the molybdenum oxide thin film needs to be oriented so that the layer direction (ac surface) is parallel to the substrate surface (b-axis orientation). When intercalation is performed on a molybdenum oxide thin film in which such orientation is not realized, the film is peeled off from the substrate due to distortion caused by an increase in interlayer distance. In order to realize the b-axis orientation, it is desirable that the average axial length of the a-axis and the c-axis of molybdenum oxide that is orthorhombic is similar to the lattice constant of the substrate. Actually, the lattice constant mismatch with the (100) plane of LaAlO 3 used as the metal oxide single crystal substrate is about 1%.

以上のことから、バッファー層として採用される金属酸化物としては、例えば、LaAlO等ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物、蛍石型構造を有するCeO等の金属酸化物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。以上の様に、本発明においては、バッファー層は、元来、酸化モリブデンとの格子定数のマスマッチが大きく、配向した酸化モリブデン薄膜が形成されにくいシリコン基板表面上に形成されることで、配向した酸化モリブデン薄膜が成長するためのテンプレートの役割を果たし、その結果、ハイブリッド薄膜が剥離することなくシリコン基板上に形成されることを可能とするものである。 From the above, examples of the metal oxide employed as the buffer layer include metal oxides having a perovskite structure such as LaAlO 3 and metal oxides such as CeO 2 having a fluorite structure. It is not limited to. As described above, in the present invention, the buffer layer is originally oriented by being formed on the surface of the silicon substrate having a large lattice constant mass match with molybdenum oxide and being difficult to form an oriented molybdenum oxide thin film. It serves as a template for growing the molybdenum oxide thin film, and as a result, the hybrid thin film can be formed on the silicon substrate without peeling.

バッファー層の成膜方法は、シリコン単結晶基板上に緻密で均質な膜が得られる方法であれば特に限定されるものではないが、本発明では、溶液法及びスパッタリング法を採用した。溶液法による詳しいバッファー層の製膜工程を以下に示す。LaAlOをバッファー層とする場合、市販のLa溶液及びAl溶液をLa:Al=1:1になるように混合し、十分に攪拌する。全金属イオン濃度は、0.05M/L程度とする。この溶液をシリコン単結晶基板上にスピンコーティングする。スピンコーティングの条件は、均一な膜が形成されれば特に限定されるものではないが、一例として、2000rpmで30秒である。 The method for forming the buffer layer is not particularly limited as long as a dense and homogeneous film can be obtained on the silicon single crystal substrate. In the present invention, a solution method and a sputtering method are employed. A detailed buffer layer forming process by the solution method is shown below. When LaAlO 3 is used as a buffer layer, a commercially available La solution and Al solution are mixed so that La: Al = 1: 1 and sufficiently stirred. The total metal ion concentration is about 0.05 M / L. This solution is spin-coated on a silicon single crystal substrate. The conditions for spin coating are not particularly limited as long as a uniform film is formed, but as an example, it is 30 seconds at 2000 rpm.

次に、溶液をコーティングした基板を、空気中で熱処理する。熱処理温度は、通常800〜1100℃、好ましくは900〜1000℃である。熱処理時間は、通常10〜60分、好ましくは20〜40分である。CeOをバッファー層とする場合は、市販のCe溶液を上記と同様の方法でスピンコートし、熱処理を行う。溶液中のCeイオン濃度は、0.05M/L程度とする。熱処理温度は、通常500〜800℃、好ましくは600〜700℃である。熱処理時間は、通常10〜60分、好ましくは20〜40分である。 Next, the substrate coated with the solution is heat-treated in air. The heat treatment temperature is usually 800 to 1100 ° C, preferably 900 to 1000 ° C. The heat treatment time is usually 10 to 60 minutes, preferably 20 to 40 minutes. When CeO 2 is used as the buffer layer, a commercially available Ce solution is spin-coated by the same method as described above, and heat treatment is performed. The Ce ion concentration in the solution is about 0.05 M / L. The heat treatment temperature is usually 500 to 800 ° C, preferably 600 to 700 ° C. The heat treatment time is usually 10 to 60 minutes, preferably 20 to 40 minutes.

上記した条件で作製したバッファー層のX線回折パターンにおいて観察される回折ピークは、すべて目的とする金属酸化物相に起因するものであることが確認できる。更に、走査型電子顕微鏡観察から、当該バッファー層の膜厚は50〜100nmであり、バッファー層が基板全体に均一にかつ緻密に形成されていることが確認できる。   It can be confirmed that all diffraction peaks observed in the X-ray diffraction pattern of the buffer layer produced under the above-described conditions are attributed to the target metal oxide phase. Furthermore, from the observation with a scanning electron microscope, the buffer layer has a thickness of 50 to 100 nm, and it can be confirmed that the buffer layer is uniformly and densely formed on the entire substrate.

上記バッファー層上に有機無機ハイブリッド薄膜を製造するに際し、(1)酸化モリブデン(MoO)の高配向薄膜の作製、(2)酸化モリブデン薄膜への水和アルカリイオンのインターカレート、(3)水和アルカリイオンと導電性ポリマーあるいは有機イオンとの置換反応、の3段階の工程を経る。以下、それぞれの工程について詳しく述べる。 When producing an organic-inorganic hybrid thin film on the buffer layer, (1) preparation of highly oriented thin film of molybdenum oxide (MoO 3 ), (2) intercalation of hydrated alkali ions into the molybdenum oxide thin film, (3) A three-step process of substitution reaction between hydrated alkali ions and conductive polymer or organic ions is performed. Hereinafter, each process will be described in detail.

工程(1)における酸化モリブデンの製膜方法は、高配向膜が得られる方法であれば、特に限定されるものではないが、本発明では、好適には、CVD法が採用される。CVD法におけるモリブデンソースについては、本発明では、好適には、ヘキサカルボニルモリブデンMo(CO)が採用される。 The method for forming molybdenum oxide in the step (1) is not particularly limited as long as a highly oriented film can be obtained. In the present invention, a CVD method is preferably employed. For the molybdenum source in the CVD method, hexacarbonyl molybdenum Mo (CO) 6 is preferably used in the present invention.

次に、工程(2)で、酸化モリブデン薄膜への水和アルカリイオンのインターカレートを行う。蒸留水を10分程度アルゴンガスでバブリングした後、亜ジチオン酸ナトリウム(Na)及びモリブデン酸ナトリウム(NaMoO)を添加し、攪拌することでこれらを溶解する。ここへ工程(1)で作製した、酸化モリブデン配向薄膜を浸漬する。浸漬時間は、通常5〜120秒、好ましくは10〜60秒程度である。この間、無色の酸化モリブデン薄膜は青色に変化し、酸化モリブデンが還元されると共に、水和ナトリウムイオンがインターカレートしたことが確認できる。 Next, in step (2), hydrated alkali ions are intercalated into the molybdenum oxide thin film. After bubbling distilled water with argon gas for about 10 minutes, sodium dithionite (Na 2 S 2 O 4 ) and sodium molybdate (Na 2 MoO 4 ) are added and dissolved by stirring. The molybdenum oxide oriented thin film produced in step (1) is immersed here. The immersion time is usually about 5 to 120 seconds, preferably about 10 to 60 seconds. During this time, the colorless molybdenum oxide thin film turns blue, and it can be confirmed that molybdenum oxide is reduced and hydrated sodium ions are intercalated.

浸漬後、薄膜を蒸留水ですばやく洗浄し、乾燥することで、酸化モリブデン層間に水和ナトリウムイオンがインターカレートした[Na(HO)MoO薄膜が得られる。インターカレーション反応の進行は、X線回折パターンから確認できる。水和ナトリウムイオンのインターカレーションにより、酸化モリブデンの層間が広がり、このため、(0k0)に指数付けされる回折ピークは低角度側にシフトする。 After immersion, the thin film is quickly washed with distilled water and dried to obtain a [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film in which hydrated sodium ions are intercalated between the molybdenum oxide layers. The progress of the intercalation reaction can be confirmed from the X-ray diffraction pattern. Due to the intercalation of hydrated sodium ions, the molybdenum oxide layer spreads, and the diffraction peak indexed at (0k0) shifts to the lower angle side.

次に、工程(3)で、水和アルカリイオンと導電性ポリマーあるいは有機イオンとの置換反応を行う。代表的な導電性ポリマーである、ポリピロール(PPy)との置換反応では、まず蒸留水にピロールを加え、超音波ホモジナイザーを用いて十分に攪拌混合した後、酸化剤を添加し、更に攪拌する。ここへ工程(2)で作製した[Na(HO)MoO薄膜を浸漬する。浸漬時間は、通常3秒〜5分、好ましくは10〜60秒程度である。薄膜を取り出し、洗浄、乾燥することで(PPy)MoO薄膜が得られる。 Next, in step (3), a substitution reaction between the hydrated alkali ion and the conductive polymer or organic ion is performed. In a substitution reaction with polypyrrole (PPy), which is a typical conductive polymer, pyrrole is first added to distilled water, and after sufficiently stirring and mixing using an ultrasonic homogenizer, an oxidizing agent is added and further stirred. The [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film prepared in the step (2) is immersed here. The immersion time is usually 3 seconds to 5 minutes, preferably about 10 to 60 seconds. The (PPy) x MoO 3 thin film is obtained by taking out the thin film, washing and drying.

ここで用いる酸化剤は、ピロールを酸化させ得るものであれば特に制限されず、塩化鉄、ペルオキソ2硫酸アンモニウム、硝酸鉄などを例示することができる。ピロールの添加量は、[Na(HO)MoOに対して、通常50〜200倍当量、好ましくは100〜150倍当量である。酸化剤の添加量は、[Na(HO)MoOに対して、通常1〜3倍当量、好ましくは1.5〜2倍当量である。 The oxidizing agent used here is not particularly limited as long as it can oxidize pyrrole, and examples thereof include iron chloride, ammonium peroxodisulfate, and iron nitrate. The amount of pyrrole added is usually 50 to 200 times equivalent, preferably 100 to 150 times equivalent to [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 . The addition amount of the oxidizing agent is usually 1 to 3 times equivalent, preferably 1.5 to 2 times equivalent to [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 .

有機イオンとの置換反応においては、例えば、有機イオンとしてブチルアンモニウムイオン(CNH )を用いる場合、まず、ブチルアンモニウムクロライド(CNHCl)を蒸留水に溶解し、ここに、[Na(HO)MoO薄膜を浸漬する。浸漬時間は、通常3秒〜10分、好ましくは5〜60秒程度である。薄膜を取り出し、洗浄、乾燥することで、(CNHMoO薄膜が得られる。CNHClの添加量は、[Na(HO)MoOに対して、通常1〜10倍当量、好ましくは2〜7倍当量である。 In the substitution reaction with organic ions, for example, when butyl ammonium ions (C 4 H 9 NH 3 + ) are used as organic ions, first, butyl ammonium chloride (C 4 H 9 NH 3 Cl) is dissolved in distilled water. Here, the [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film is immersed. The immersion time is usually about 3 seconds to 10 minutes, preferably about 5 to 60 seconds. The (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film is obtained by taking out the thin film, washing and drying. The addition amount of C 4 H 9 NH 3 Cl is usually 1 to 10 times equivalent, preferably 2 to 7 times equivalent to [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 .

あらかじめバッファー層上に金電極を蒸着したシリコン単結晶基板を用いて、上記プロセスを経ることで、作製したセンサ素子のVOCガスに対するセンサ特性を評価した。通常、VOCガスに対して、既存のn型半導体酸化物からなる抵抗変化型のセンサは、抵抗値が低下することで応答する。しかしながら、本発明によって得られた、インターカレーション型有機無機ハイブリッド薄膜センサは、有機物として導電性ポリマーから構成されるもの、有機物として有機イオンから構成されるもの、のいずれの試料においても、VOCガスに対してセンサ抵抗が増加することで応答する。   Using the silicon single crystal substrate on which the gold electrode was previously deposited on the buffer layer, the sensor characteristics of the produced sensor element with respect to the VOC gas were evaluated through the above process. Usually, a resistance change type sensor made of an existing n-type semiconductor oxide responds to a VOC gas when the resistance value decreases. However, the intercalation type organic / inorganic hybrid thin film sensor obtained by the present invention has a VOC gas in any sample including those composed of a conductive polymer as an organic substance and those composed of an organic ion as an organic substance. Responds by increasing the sensor resistance.

本発明の、バッファー層を持つシリコン単結晶基板上への有機無機ハイブリッド薄膜の製造方法では、上記酸化モリブデン、及びポリピロール、あるいはブチルアンモニウムイオンを用いた場合と同様の方法を、酸化モリブデン及びポリピロール、あるいはブチルアンモニウムイオン以外の層状無機化合物、及び導電性ポリマー、あるいは有機イオンにも適用することができる。   In the method for producing an organic-inorganic hybrid thin film on a silicon single crystal substrate having a buffer layer according to the present invention, the same method as that in the case of using the above molybdenum oxide and polypyrrole or butylammonium ion, molybdenum oxide and polypyrrole, Alternatively, the present invention can also be applied to layered inorganic compounds other than butylammonium ions, conductive polymers, or organic ions.

有機無機ハイブリッド薄膜によるガスセンサを形成できる層状無機化合物としては、例えば、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化ニオブ、塩化ルテニウム、酸塩化鉄、硫化モリブデン等が、また、導電性ポリマーとしては、例えば、ポリアニリン、ポリチオール、ポリエチレンオキサイド等が、また、有機イオンとしては、例えば、テトラブチルアンモニウムイオン、ドデシルトリメチルアンモニウムイオン等が挙げられるが、これらに制限されるものではなく、これらと同効あるいは類似のものであれば、同様に使用することができる。   Examples of the layered inorganic compound that can form a gas sensor using an organic-inorganic hybrid thin film include tungsten oxide, vanadium oxide, niobium oxide, ruthenium chloride, iron oxychloride, molybdenum sulfide, and the like, and examples of the conductive polymer include polyaniline, Polythiol, polyethylene oxide, etc., and organic ions include, for example, tetrabutylammonium ion, dodecyltrimethylammonium ion, etc., but are not limited thereto, and may be the same or similar to these. Can be used as well.

本発明により、(1)シリコン基板上に適切なバッファー層を形成することで、導電性の有機無機ハイブリッド薄膜を安価なシリコン基板上に製造することが可能となる、(2)それにより、有機無機ハイブリッドセンサ素子の製造コストを格段に低下させることができる、(3)シリコン半導体分野で確立された技術を適用でき、センサ素子の小型化が可能となる、(4)シリコンウェハー上に素子形成することで、大量生産が可能となる、という格別の効果が奏される。   According to the present invention, (1) it is possible to manufacture a conductive organic-inorganic hybrid thin film on an inexpensive silicon substrate by forming an appropriate buffer layer on the silicon substrate. The manufacturing cost of the inorganic hybrid sensor element can be significantly reduced. (3) The technology established in the silicon semiconductor field can be applied, and the sensor element can be miniaturized. (4) The element is formed on the silicon wafer. By doing so, the special effect that mass production becomes possible is produced.

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

(1)溶液法によるCeOバッファー層の形成
市販のCe溶液のCeイオン濃度を0.05M/Lに調整した。この溶液を約10mm角のシリコン単結晶基板表面にスピンコート法によりコーティングした。スピンコートの条件は、2000rpmで30秒とした。溶液をコーティングした基板を、空気中、700℃で30分間熱処理した。得られたバッファー層のX線回折パターンを図1(a)に示す。CeO相の(200)ピークのみが観測され、配向したCeO膜が形成されていることが確認できた。CeOバッファー層表面の電子顕微鏡写真を図2に示す。緻密で均質な膜であることが分かる。膜厚は70nmであった。
(1) Formation of CeO 2 buffer layer by solution method The Ce ion concentration of a commercially available Ce solution was adjusted to 0.05 M / L. This solution was coated on the surface of a silicon single crystal substrate of about 10 mm square by spin coating. The spin coating conditions were 2000 rpm and 30 seconds. The substrate coated with the solution was heat-treated at 700 ° C. for 30 minutes in air. The X-ray diffraction pattern of the obtained buffer layer is shown in FIG. Only the (200) peak of the CeO 2 phase was observed, and it was confirmed that an oriented CeO 2 film was formed. An electron micrograph of the CeO 2 buffer layer surface is shown in FIG. It can be seen that the film is dense and homogeneous. The film thickness was 70 nm.

(2)MoO薄膜の成膜
MoO薄膜の作製には、CVD法を用いた。基板を、加熱用ヒーターを持つホルダーにセットした。モリブデンソースであるヘキサカルボニルモリブデン(Mo(CO))0.2gを石英ガラスボートに入れ、ソース室にセットし、ソース室を40℃にした。試料室及びソース室を含む系全体に酸素ガス(150ml/min)流し、試料室部分を電気炉により460℃に加熱し、更に、基板加熱用ヒーターにより基板温度を500℃にした。基板温度が安定した後、系全体を真空ポンプで排気し、真空度0.8Torrに調整した。15分間製膜した後、系全体を大気圧に戻した。これにより、ソースの揮発が抑制され、製膜が終了した。得られたバッファー層及びMoO薄膜のX線回折パターンを図1(b)に示す。観測される回折ピークは、基板からのピークを除けば、層状構造を持つMoOの(0k0)に指数付けが可能であり、MoOのb軸配向膜が成長していることが分かる。
(2) The production of film forming MoO 3 thin MoO 3 film, CVD is used. The substrate was set in a holder having a heater for heating. A molybdenum source, 0.2 g of hexacarbonylmolybdenum (Mo (CO) 6 ), was placed in a quartz glass boat, set in a source chamber, and the source chamber was brought to 40 ° C. Oxygen gas (150 ml / min) was passed through the entire system including the sample chamber and the source chamber, the sample chamber portion was heated to 460 ° C. by an electric furnace, and the substrate temperature was further raised to 500 ° C. by a substrate heating heater. After the substrate temperature was stabilized, the entire system was evacuated with a vacuum pump, and the degree of vacuum was adjusted to 0.8 Torr. After film formation for 15 minutes, the entire system was returned to atmospheric pressure. Thereby, volatilization of the source was suppressed and film formation was completed. The X-ray diffraction patterns of the obtained buffer layer and MoO 3 thin film are shown in FIG. Except for the peak from the substrate, the observed diffraction peak can be indexed to (0k0) of MoO 3 having a layered structure, and it can be seen that the b-axis alignment film of MoO 3 has grown.

(3)水和ナトリウムイオンのインターカレーション
蒸留水25mlを20分間アルゴンガスでバブリングした後、亜ジチオン酸ナトリウムNa(0.4g,2.2mmol)及びモリブデン酸ナトリウムNaMoO2HO(6g,24.8mmol)を添加し、攪拌することで、これらを溶解した。ここへ、上記(2)で得られたMoO薄膜を40秒間浸漬した。この間、無色の三酸化モリブデン薄膜は青色に変化した。浸漬後、薄膜を蒸留水で洗浄し、空気中85℃で約30分間乾燥した。
(3) Intercalation of hydrated sodium ions After 25 ml of distilled water was bubbled with argon gas for 20 minutes, sodium dithionite Na 2 S 2 O 4 (0.4 g, 2.2 mmol) and sodium molybdate Na 2 MoO 4 2H 2 O (6 g, 24.8 mmol) was added and dissolved by stirring. Here, the MoO 3 thin film obtained in the above (2) was immersed for 40 seconds. During this time, the colorless molybdenum trioxide thin film turned blue. After immersion, the thin film was washed with distilled water and dried in air at 85 ° C. for about 30 minutes.

この薄膜試料のX線回折パターンを図1(c)に示す。(0k0)で指数付けされるピークが観測されるが、これらのピークは、MoOに比較して低角度側にシフトしており、層間距離が増加していることが分かる。図1(c)から求めた層間距離は、0.97nmであり、MoOの層間距離(0.69nm)に比べて0.28nm増加している。この層間距離の広がりは、水和ナトリウムイオンNa(HO)がインターカレーションした場合に相当することから、[Na(HO)MoO薄膜が生成していることが確認できた。 The X-ray diffraction pattern of this thin film sample is shown in FIG. Peaks indexed at (0k0) are observed, but these peaks are shifted to a lower angle side compared to MoO 3 , and it can be seen that the interlayer distance is increased. The interlayer distance obtained from FIG. 1C is 0.97 nm, which is an increase of 0.28 nm compared to the interlayer distance of MoO 3 (0.69 nm). The spread of the interlayer distance corresponds to the case where the hydrated sodium ion Na (H 2 O) 2 is intercalated, so that a [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film is generated. It could be confirmed.

(4)(PPy)MoO薄膜の作製
蒸留水25mL中に、ピロール(2.0ml,28.9mmol)を加え、超音波ホモジナイザーで3分間処理した後、酸化剤として塩化鉄FeCl(0.086g,0.51mmol)を加え、室温で10分間攪拌した。ここへ、上記[Na(HO)MoO薄膜を2分間浸漬した。ここで薄膜を取り出し、蒸留水で洗浄し、空気中80℃で約20分間乾燥した。この薄膜試料のX線回折パターンを図1(d)に示す。
(4) (PPy) x to MoO 3 in the manufacturing of distilled water 25mL of thin, pyrrole (2.0 ml, 28.9 mmol) was added and after 3 minutes with an ultrasonic homogenizer, iron chloride FeCl 3 as an oxidizing agent (0 0.086 g, 0.51 mmol) was added, and the mixture was stirred at room temperature for 10 minutes. Here, the [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film was immersed for 2 minutes. Here, the thin film was taken out, washed with distilled water, and dried in air at 80 ° C. for about 20 minutes. The X-ray diffraction pattern of this thin film sample is shown in FIG.

(0k0)で指数付けされるピークが観測されるが、これらのピークは、[Na(HO)MoOに比較して低角度側にシフトしており、層間距離が増加していることが分かる。図1(d)から求めた層間距離は、1.31nmであり、MoOの層間距離(0.69nm)に比べて0.62nm増加している。この層間距離の広がりは、ポリピロールがインターカレーションした場合に相当することから、(PPy)MoO薄膜が生成していることが確認できた。 Peaks indexed at (0k0) are observed, but these peaks are shifted to a lower angle side than [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 , and the interlayer distance increases. I understand that The interlayer distance obtained from FIG. 1D is 1.31 nm, which is an increase of 0.62 nm compared to the interlayer distance of MoO 3 (0.69 nm). Since the spread of the interlayer distance corresponds to the case where polypyrrole is intercalated, it was confirmed that a (PPy) x MoO 3 thin film was formed.

(5)電気的特性及びセンサ特性の評価
(PPy)MoO薄膜センサのアセトアルデヒドガスに対するセンサ特性を、電気抵抗値の変化で評価した。図3に、30ppmのアセトアルデヒドガスに対する応答を示す。抵抗値が変化することで可逆的に応答することが確認できた。
(5) Evaluation of electrical characteristics and sensor characteristics The sensor characteristics of the (PPy) x MoO 3 thin film sensor with respect to acetaldehyde gas were evaluated by changes in electrical resistance values. FIG. 3 shows the response to 30 ppm acetaldehyde gas. It was confirmed that the response was reversible by changing the resistance value.

本実施例では、CeOバッファー層をCVD法で作製した。MoO薄膜、[Na(HO)MoO薄膜及び(PPy)MoO薄膜の作製は、実施例1の方法に準じて行った。図4に、CVD法で作製したCeOのX線回折パターンを示す。CeOの(200)及び(311)ピークが観測され、CeOが生成していることが確認できた。当該CeOバッファー層上に作製した[Na(HO)MoO薄膜及び(PPy)MoO薄膜のX線回折パターンを図5に示す。[Na(HO)MoO薄膜、及び(PPy)MoO薄膜の形成が確認できる。 In this example, a CeO 2 buffer layer was produced by a CVD method. The MoO 3 thin film, [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and (PPy) x MoO 3 thin film were produced according to the method of Example 1. FIG. 4 shows an X-ray diffraction pattern of CeO 2 produced by the CVD method. CeO 2 (200) and (311) peaks were observed, confirming the formation of CeO 2 . FIG. 5 shows X-ray diffraction patterns of the [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film and the (PPy) x MoO 3 thin film prepared on the CeO 2 buffer layer. Formation of a [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film and a (PPy) x MoO 3 thin film can be confirmed.

本実施例では、CeOバッファー層をスパッタリング法で作製した。基板温度150℃でスパッタリングを行い、その後、空気中800℃で30分間熱処理を行った。MoO薄膜、[Na(HO)MoO薄膜、及び(PPy)MoO薄膜の作製は、実施例1の方法に準じて行った。図6に、スパッタリング法で作製したCeO薄膜、MoO薄膜、[Na(HO)MoO薄膜、及び(PPy)MoO薄膜のX線回折パターンを示す。実施例1の場合と同様に、(PPy)MoO薄膜が生成していることが確認できた。 In this example, a CeO 2 buffer layer was produced by a sputtering method. Sputtering was performed at a substrate temperature of 150 ° C., and then heat treatment was performed in air at 800 ° C. for 30 minutes. Preparation of the MoO 3 thin film, [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and (PPy) x MoO 3 thin film was performed according to the method of Example 1. FIG. 6 shows X-ray diffraction patterns of CeO 2 thin film, MoO 3 thin film, [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and (PPy) x MoO 3 thin film prepared by sputtering. As in the case of Example 1, it was confirmed that a (PPy) x MoO 3 thin film was formed.

本実施例では、溶液法により作製したCeOバッファー層上に、有機イオンであるブチルアンモニウムイオン(CNH )がMoO層間にインターカレートした(CNHMoO薄膜を作製した。実施例1の方法に準じて、[Na(HO)MoO薄膜を作製した。更に、[Na(HO)MoO薄膜を、ブチルアンモニウムクロライド(CNHCl)0.13g(1.2mmol)を蒸留水20mlに溶解することで作製した水溶液中に1分間浸漬した。薄膜を取り出し、蒸留水で洗浄した後、空気中80℃で約15分間乾燥した。[Na(HO)MoO薄膜、及び(CNHMoO薄膜のX線回折パターンを図7に示す。 In this example, butylammonium ions (C 4 H 9 NH 3 + ), which are organic ions, were intercalated between MoO 3 layers on a CeO 2 buffer layer prepared by a solution method (C 4 H 9 NH 3 ). x A MoO 3 thin film was prepared. A [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film was produced according to the method of Example 1. Furthermore, in an aqueous solution prepared by dissolving [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, 0.13 g (1.2 mmol) of butylammonium chloride (C 4 H 9 NH 3 Cl) in 20 ml of distilled water. For 1 minute. The thin film was taken out, washed with distilled water, and dried in air at 80 ° C. for about 15 minutes. FIG. 7 shows the X-ray diffraction patterns of the [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film and the (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film.

(CNHMoO薄膜においても、(0k0)で指数付けされるピークが観測されるが、これらのピークは、[Na(HO)MoOに比較して低角度側にシフトしており、層間距離が大きくなっていることが分かる。図7(b)から求めた層間距離は、1.18nmであり、MoOの層間距離(0.69nm)に比べて0.49nm増加している。この層間距離の広がりは、ブチルアンモニウムイオンがインターカレーションした場合に相当することから、(CNHMoO薄膜が生成していることが確認できた。 In the (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film, a peak indexed by (0k0) is also observed, but these peaks are compared with [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3. It can be seen that the distance between the layers is shifted to a lower angle side, and the interlayer distance is increased. The interlayer distance obtained from FIG. 7B is 1.18 nm, which is an increase of 0.49 nm compared to the interlayer distance of MoO 3 (0.69 nm). Since the spread of the interlayer distance corresponds to the case where butylammonium ions are intercalated, it was confirmed that a (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film was formed.

(CNHMoO薄膜センサのホルムアルデヒドガスに対するセンサ特性を、電気抵抗値の変化で評価した(図8)。(CNHMoO薄膜センサにおいても、(PPy)MoO薄膜センサの場合と同様に、ホルムアルデヒドガスに対して抵抗値が増加することで応答した。 The sensor characteristics of the (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film sensor with respect to formaldehyde gas were evaluated by changes in the electrical resistance value (FIG. 8). The (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film sensor also responded by increasing the resistance value to formaldehyde gas, as in the case of the (PPy) x MoO 3 thin film sensor.

本実施例では、溶液法により作製したLaAlOバッファー層上に、(PPy)MoO薄膜を作製した。市販のAl溶液及びLa溶液を、La:Al=1:1の比になるように混合した。更に、溶液の金属イオン濃度を0.05M/Lに調整した。この溶液を約10mmの角シリコン単結晶基板表面にスピンコート法によりコーティングした。スピンコートの条件は、2000rpmで30秒とした。溶液をコーティングした基板を空気中、1000℃で30分間熱処理を行った。得られたバッファー層のSEM写真を図9に示す。均一な膜が形成されていることが分かる。膜厚は約70nmであった。 In this example, a (PPy) x MoO 3 thin film was produced on a LaAlO 3 buffer layer produced by a solution method. Commercially available Al solution and La solution were mixed so that the ratio of La: Al = 1: 1. Furthermore, the metal ion concentration of the solution was adjusted to 0.05 M / L. This solution was coated on the surface of a square silicon single crystal substrate of about 10 mm by spin coating. The spin coating conditions were 2000 rpm and 30 seconds. The substrate coated with the solution was heat-treated in air at 1000 ° C. for 30 minutes. An SEM photograph of the obtained buffer layer is shown in FIG. It can be seen that a uniform film is formed. The film thickness was about 70 nm.

溶液法により作製したLaAlOバッファー層上に、実施例1に準じた方法により、MoO薄膜、[Na(HO)MoO薄膜、及び(PPy)MoO薄膜を作製した。それぞれのX線回折パターンを図10に示す。それぞれの層間距離の大きさより、MoO薄膜、[Na(HO)MoO薄膜、及び(PPy)MoO薄膜が生成していることを確認した。 A MoO 3 thin film, a [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and a (PPy) x MoO 3 thin film were produced on the LaAlO 3 buffer layer produced by the solution method by the method according to Example 1. . Each X-ray diffraction pattern is shown in FIG. Than the size of each interlayer distance, MoO 3 film, it was confirmed that the generated is [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and (PPy) x MoO 3 thin film.

(PPy)MoO薄膜センサのアセトアルデヒドガスに対するセンサ特性を、電気抵抗値の変化で評価した。図11に、6ppmのアセトアルデヒドガスに対する応答を示す。抵抗値が変化することで可逆的に応答することが確認できた。 The sensor characteristics of the (PPy) x MoO 3 thin film sensor with respect to acetaldehyde gas were evaluated by changes in the electric resistance value. FIG. 11 shows the response to 6 ppm acetaldehyde gas. It was confirmed that the response was reversible by changing the resistance value.

本実施例では、溶液法により作製したLaAlOバッファー層上に、有機イオンであるブチルアンモニウムイオン(CNH )がMoO層間にインターカレートした(CNHMoO薄膜を作製した。実施例5の方法に準じて、LaAlOバッファー層を、実施例1の方法に準じてMoO薄膜、[Na(HO)MoO薄膜を、実施例4の方法に準じて、(CNHMoO薄膜をそれぞれ作製した。当該LaAlOバッファー層上に作製した[Na(HO)MoO薄膜、及び(CNHMoO薄膜のX線回折パターンを図12に示す。[Na(HO)MoO薄膜、及び(CNHMoO薄膜の形成が確認できた。 In this example, butylammonium ions (C 4 H 9 NH 3 + ), which are organic ions, were intercalated between MoO 3 layers on a LaAlO 3 buffer layer prepared by a solution method (C 4 H 9 NH 3 ). x A MoO 3 thin film was prepared. In accordance with the method of Example 5, the LaAlO 3 buffer layer was formed in accordance with the method of Example 1, and the MoO 3 thin film and [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film were formed in accordance with the method of Example 4. , (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin films were respectively prepared. FIG. 12 shows X-ray diffraction patterns of the [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film and the (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film prepared on the LaAlO 3 buffer layer. Formation of [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film and (C 4 H 9 NH 3 ) x MoO 3 thin film was confirmed.

本実施例では、溶液法により作製したLaAlOバッファー層上に、高分子であるポリアニリン(PANI)がMoO層間にインターカレートした(PANI)MoO薄膜を作製した。実施例5の方法に準じて、LaAlOバッファー層を、実施例1の方法に準じて、MoO薄膜、及び[Na(HO)MoO薄膜を作製した。PANIのインターカレーションは、以下の方法により行った。 In this example, a polyaniline (PANI), which is a polymer, was intercalated between MoO 3 layers on a LaAlO 3 buffer layer produced by a solution method, and a (PANI) x MoO 3 thin film was produced. A LaAlO 3 buffer layer was prepared in accordance with the method of Example 5, and a MoO 3 thin film and a [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film were prepared in accordance with the method of Example 1. PANI intercalation was performed by the following method.

アルゴンガスでバブリングした蒸留水15mL中にアニリン(1.5ml)を加え、塩酸を用いてpHを1.0に調整した。更に、ここに、重合開始剤である(NH を0.05g加え、30分間攪拌した。ここへ、上記[Na(HO)MoO薄膜を30秒間浸漬させた後、蒸留水及びアセトンで洗浄し、80℃で約30分間乾燥した。当該LaAlOバッファー層上に作製した[Na(HO)MoO薄膜、及び(PANI)MoO薄膜のX線回折パターンを図13に示す。[Na(HO)MoO薄膜、及び(PANI)MoO薄膜の形成が確認できた。 Aniline (1.5 ml) was added to 15 mL of distilled water bubbled with argon gas, and the pH was adjusted to 1.0 with hydrochloric acid. Further, here, a polymerization initiator (NH 4) 2 S 2 O 8 was added 0.05 g, was stirred for 30 minutes. The above [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film was immersed therein for 30 seconds, washed with distilled water and acetone, and dried at 80 ° C. for about 30 minutes. FIG. 13 shows X-ray diffraction patterns of the [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film and the (PANI) x MoO 3 thin film prepared on the LaAlO 3 buffer layer. Formation of [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film and (PANI) x MoO 3 thin film was confirmed.

以上詳述したように、本発明は、有機無機ハイブリッド薄膜及びその製造方法に係るものであり、本発明により、シリコン基板上に、適切な金属酸化物のバッファー層を形成することで、導電性の有機無機ハイブリッド薄膜を安価なシリコン基板上に製造することが可能となる。それにより、本発明では、シリコン半導体分野で確立された技術を適用でき、センサ素子の小型化が可能となり、有機無機ハイブリッドセンサ素子の製造コストを格段に低下させることができる。また、本発明は、シリコンウェハー上に素子形成することが可能であり、それにより、大量生産が可能となる。本発明は、例えば、VOCに対して優れた選択性を示す、化学センサを広く普及するための新技術を提供するものとして有用である。   As described above in detail, the present invention relates to an organic-inorganic hybrid thin film and a method for producing the same, and according to the present invention, by forming a suitable metal oxide buffer layer on a silicon substrate, the conductivity is improved. The organic-inorganic hybrid thin film can be manufactured on an inexpensive silicon substrate. Thereby, in the present invention, a technology established in the silicon semiconductor field can be applied, the sensor element can be downsized, and the manufacturing cost of the organic-inorganic hybrid sensor element can be significantly reduced. Further, according to the present invention, elements can be formed on a silicon wafer, thereby enabling mass production. The present invention is useful, for example, as providing a new technology for widely spreading chemical sensors that exhibit excellent selectivity for VOCs.

実施例1に示す、(a)CeOバッファー層、(b)MoO薄膜、(c)[Na(HO)MoO薄膜、及び(d)(PPy)MoO薄膜、のX線回折パターンを示す図である。(A) CeO 2 buffer layer, (b) MoO 3 thin film, (c) [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and (d) (PPy) x MoO 3 thin film shown in Example 1 It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of. 実施例1に示すCeOバッファー層表面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。3 is a diagram showing a scanning electron micrograph of the CeO 2 buffer layer surface shown in Example 1. FIG. 実施例1に示す(PPy)MoO薄膜の30ppmのホルムアルデヒドガスに対するセンサ応答を示す図である。It is a diagram showing the sensor response to 30ppm formaldehyde gas (PPy) x MoO 3 film shown in Example 1. 実施例2に示すCeOバッファー層のX線回折パターンを示す図である。6 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a CeO 2 buffer layer shown in Example 2. FIG. 実施例2に示す、(a)[Na(HO)MoO薄膜、及び(b)(PPy)MoO薄膜、のX線回折パターンを示す図である。Shown in Example 2, a diagram illustrating the (a) [Na (H 2 O) 2] x MoO 3 thin film, and (b) (PPy) x MoO 3 film, the X-ray diffraction pattern. 実施例3に示す、(a)CeOバッファー層、(b)MoO薄膜、(c)[Na(HO)MoO薄膜、及び(d)(PPy)MoO薄膜、のX線回折パターンを示す図である。Example 3 (a) CeO 2 buffer layer, (b) MoO 3 thin film, (c) [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and (d) (PPy) x MoO 3 thin film, It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of. 実施例4に示す、(a)[Na(HO)MoO薄膜、及び(b)(CNHMoO薄膜、のX線回折パターンを示す図である。Shown in Example 4, is a diagram showing (a) [Na (H 2 O) 2] x MoO 3 thin film, and (b) (C 4 H 9 NH 3) x MoO 3 film, the X-ray diffraction pattern . 実施例4に示す(CNHMoO薄膜の50ppmのホルムアルデヒドガスに対するセンサ応答を示す図である。Is a diagram showing the sensor response for Example 4 are shown (C 4 H 9 NH 3) x MoO 3 film of 50ppm of formaldehyde gas. 実施例5に示すLaAlOバッファー層表面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。6 is a view showing a scanning electron micrograph of the surface of the LaAlO 3 buffer layer shown in Example 5. FIG. 実施例5に示す、(a)LaAlOバッファー層、(b)MoO薄膜、(c)[Na(HO)MoO薄膜、及び(d)(PPy)MoO薄膜、のX線回折パターンを示す図である。Example 5 (a) LaAlO 3 buffer layer, (b) MoO 3 thin film, (c) [Na (H 2 O) 2 ] x MoO 3 thin film, and (d) (PPy) x MoO 3 thin film, It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of. 実施例5に示す(PPy)MoO薄膜の6ppmのアセトアルデヒドガスに対するセンサ応答を示す図である。Is a diagram showing the sensor response to acetaldehyde gas 6ppm of Example 5 are shown (PPy) x MoO 3 thin film. 実施例6に示す、(a)[Na(HO)MoO薄膜、及び(b)(CNHMoO薄膜、のX線回折パターンを示す図である。Shown in Example 6, is a diagram showing (a) [Na (H 2 O) 2] x MoO 3 thin film, and (b) (C 4 H 9 NH 3) x MoO 3 film, the X-ray diffraction pattern . 実施例7に示す、(a)[Na(HO)MoO薄膜、及び(b)(PANI)MoO薄膜、のX線回折パターンを示す図である。Shown in Example 7, a diagram illustrating the (a) [Na (H 2 O) 2] x MoO 3 thin film, and (b) (PANI) x MoO 3 film, the X-ray diffraction pattern.

Claims (10)

シリコン単結晶基板と該基板上に金属酸化物からなるバッファー層を介在させて製膜した有機無機ハイブリッド薄膜から成ることを特徴とする有機無機ハイブリッド薄膜。   An organic-inorganic hybrid thin film comprising a silicon single crystal substrate and an organic-inorganic hybrid thin film formed on the substrate with a metal oxide buffer layer interposed therebetween. 有機無機ハイブリッド薄膜が、層状構造を持つ無機化合物の高配向薄膜に、水和アルカリ金属イオンをインターカレートし、更に、これを有機化合物と置換したものである請求項1記載の有機無機ハイブリッド薄膜。   2. The organic-inorganic hybrid thin film according to claim 1, wherein the organic-inorganic hybrid thin film is obtained by intercalating a hydrated alkali metal ion into a highly oriented thin film of an inorganic compound having a layered structure and further substituting the organic compound. . 有機無機ハイブリッド薄膜が、酸化モリブデンを主成分としている請求項1に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。   The organic-inorganic hybrid thin film according to claim 1, wherein the organic-inorganic hybrid thin film is mainly composed of molybdenum oxide. 有機無機ハイブリッド薄膜が、導電性ポリマーを含んでいる請求項1又は2に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。   The organic-inorganic hybrid thin film according to claim 1 or 2, wherein the organic-inorganic hybrid thin film contains a conductive polymer. 有機無機ハイブリッド薄膜が、有機イオンを含んでいる請求項1又は2に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。   The organic-inorganic hybrid thin film according to claim 1 or 2, wherein the organic-inorganic hybrid thin film contains organic ions. バッファー層が、酸化モリブデンと格子常数が類似した金属酸化物である請求項1に記載の有機無機ハイブリッド薄膜。   The organic-inorganic hybrid thin film according to claim 1, wherein the buffer layer is a metal oxide having a lattice constant similar to that of molybdenum oxide. シリコン単結晶基板上に有機無機ハイブリッド薄膜を製膜した有機無機ハイブリッド薄膜を製造する方法において、シリコン単結晶基板上に、金属酸化物からなるバッファー層を介在させて有機無機ハイブリッド薄膜を成長させることを特徴とする有機無機ハイブリッド薄膜の製造方法。   In a method of manufacturing an organic-inorganic hybrid thin film obtained by forming an organic-inorganic hybrid thin film on a silicon single crystal substrate, the organic-inorganic hybrid thin film is grown on the silicon single crystal substrate with a buffer layer made of a metal oxide interposed. A method for producing an organic-inorganic hybrid thin film. 層状構造を持つ無機化合物の高配向薄膜に、水和アルカリ金属イオンをインターカレートし、更に、これを有機化合物と置換した有機無機ハイブリッド膜を成長させる請求項7に記載の有機無機ハイブリッド薄膜の製造方法。   The organic-inorganic hybrid thin film according to claim 7, wherein a highly oriented thin film of an inorganic compound having a layered structure is intercalated with a hydrated alkali metal ion and further substituted with an organic compound to grow an organic-inorganic hybrid film. Production method. 請求項1から6のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド薄膜を構成要素として含むことを特徴とする導電性部材。   A conductive member comprising the organic-inorganic hybrid thin film according to claim 1 as a constituent element. 請求項1から6のいずれかに記載の有機無機ハイブリッド薄膜をセンサ素子として含むことを特徴とする化学センサ部材。
A chemical sensor member comprising the organic-inorganic hybrid thin film according to claim 1 as a sensor element.
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