JP2006525933A - 単結晶様物質 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単結晶様の特性を有し、複数の単結晶粒子が少なくとも1つの次元だけでなく、場合により2次元的または3次元的に整列し、結晶軸に沿って一緒に配列された、多結晶物質に関する。本発明はまた、本発明の多結晶物質を形成する方法に関する。
この必要性は本発明によって満足する。単結晶の欠点を解決し、一方ですべではなくても、いくつかの性能上の利点を得る、多結晶単層および複合物質を製造する費用効率の高い方法が開発された。本発明は単結晶の粒子を充填させ、1次元、2次元、または3次元に配列させ、大きな単結晶という少なくとも1つの重要な特性を有する、すべての実用的な目的のために、多結晶微細構造を形成する。
図1は、個々の立方体状単結晶粒子が1つの結晶方向に配列している、本発明の一つの実施形態による、多結晶複合物質の調製を示している;
図2は、個々の立方体状単結晶粒子が3つの結晶方向に配列している、本発明の一つの実施形態による、多結晶複合物質の調製を示している;および、
図3は、本発明の方法により作られた、粒子の側面に接触している、立方体状のPZTマイクロアレイを示している。
本発明の目的のために、「単結晶粒子」は、ミリメートルまたはそれより小さいフラクションのサイズスケールで制御されたサイズ、およびすべての粒子が実質的に同様の形状または傾向を有する制御されたモルフォロジーを有する単結晶粒子として定義される。さらに本発明の目的のために、「単結晶粒子」という用語はまた、多結晶の凝集体が実質的に単結晶の性質を示すような、凝集体の個々の単結晶粒子間で小傾角粒界を有する多結晶の凝集体を含む。それにもかかわらず、完璧な単結晶粒子が好ましい。制御されたモルフォロジーの用語によって、我々は、望ましい配列の方向に関して、単結晶粒子が好適な方向に、好ましくは垂直または平行に、単一の大きな(主要な)結晶面を有することを定義する。2つ以上の大きな結晶面が好ましく、これらの面が、対称的に等価であることが提供される。ある環境においては、2つ以上の結晶方向が好ましく、それゆえ、この場合、望ましい主要な結晶面を有する結晶の混合物が好ましい。円筒型の単結晶繊維などの主要な結晶面がない場合、必要とされる主要な方向は、繊維の長さ方向に沿っており、これらはまた、望ましい配列の方向でなければならない。
物質 用いられたすべての水は、ミリポア(MILLIPORE)システムを用いて精製した脱イオン水であった。硝酸および水酸化ナトリウムは分析用であり、入手後すぐに使用した。重量平均分子量が5100ダルトンであるポリアクリル酸ナトリウムは、フルカ社から購入し、精製せずにそのまま使用した。立方体状PZT粒子は、Cho,et al.“Hydrothemal Synthesis of Acircular Lead Zircornate Titanate(PZT)”,J.Cryst.Growth,226(2〜3),313〜326(2001)によって開示されている方法により、パール圧力反応器(PARR pressure reactor)を用いて合成された。
14、114 表面、
16、116 空間、
18、118 PZTナノ粒子、
20、120 アセンブリ、
22、122 粒界、
24、124 多結晶物質。
Claims (56)
- 自己志向を有し、共に結合して少なくとも1つの結晶方位に沿って配向を定める複数個の単結晶粒子を含む、多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が2次元的に整列している、請求項1に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が3次元的に整列している、請求項1に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が空間充填のモルフォロジーを有する、請求項1に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が、三角形、正方形、長方形、および六角形のプレートレット;三角形、正方形、長方形、および六角形の角柱;三角形、正方形、長方形、および六角形の円筒型繊維;からなる群より選択されるモルフォロジーを有する、請求項4に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が、4面体、立方体、および8面体からなる群より選択されるモルフォロジーを有する、請求項1に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が、結晶方位依存性を有する物質の粒子である、請求項1に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が圧電性物質の粒子である、請求項7に記載の多結晶物質。
- 前記圧電性物質がチタン酸ジルコン酸鉛である、請求項8に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が、チタン酸鉛でドープされた亜鉛ニオブ酸鉛、チタン酸鉛でドープされたマグネシウムニオブ酸鉛、バリウムおよびジルコニウムでドープされたチタン酸ビスマスナトリウムカリウム、チタン酸鉛でドープされたビスマスフェライト、ドープされたアルミナ(サファイア)、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、チタン酸ジルコン酸鉛ランタン、酸化亜鉛、ロジウムをドープしたチタン酸バリウム、窒化ガリウム、硫化カドミウム、チタニア、フッ化カルシウム、希土類をドープした塩化ランタン、希土類をドープしたフッ化ランタン、オルトリン酸イットリウム、リン酸テルビウム、マンガン亜鉛フェライト、ストロンチウムフェライト、バリウムフェライト、イットリウム鉄ガーネット、サマリウムコバルト合金、およびネオジウム−鉄−ホウ素合金からなる群より選択される物質の粒子である、請求項7に記載の多結晶物質。
- 固体拡散により一緒に結合している、小傾角粒界を有する前記単結晶粒子のモノリシックな集合を含む、請求項1に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子がポリマー相によって共に結合している、請求項1に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子がポリマーフィルムの表面に充填され整列している、請求項12に記載の多結晶物質。
- 前記ポリマーフィルムが柔軟性のあるポリマーフィルムである、請求項13に記載の多結晶物質。
- 前記柔軟性のあるポリマーフィルムが、ポリウレタンまたはポリフッ化ビニリデンのフィルムである、請求項14に記載の多結晶物質。
- 前記単結晶粒子が、焼結したまたは溶媒キャスト法によるポリマーバインダー中に充填され整列された、請求項12に記載の多結晶物質。
- 請求項1の多結晶物質の多層膜を含む、多結晶製品。
- 自己整列モルフォロジーを有する複数の単結晶粒子を充填すること、および少なくとも1つの結晶方向に沿った配列を定めるために前記粒子を結合させること、を含む多結晶物質の調製方法。
- 前記単結晶粒子が、2つの結晶方向に沿って粒子を配列させるために充填され、配列を定めるために結合される、請求項18に記載の方法。
- 前記単結晶粒子が、3つの結晶方向に沿って粒子を配列させるために充填され、配列を定めるために結合される、請求項18に記載の方法。
- 前記結合するステップは、前記単結晶粒子と共に結合する物質のナノ粒子で前記空間を満たし、前記ナノ粒子が隣接した単結晶粒子と共に結合するまで、前記ナノ粒子物質の固相拡散を引き起こすために少なくとも十分な温度まで、前記充填された結晶粒子を加熱すること、を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記加熱するステップの温度は、隣接した単結晶粒界の衝突がさらなる成長を防ぐまで、前記単結晶粒子が前記ナノ粒子物質の消費によって成長するように、粒界の移動性を引き起こすために十分である、請求項21に記載の方法。
- 前記単結晶粒子が、結晶方位依存性を有する物質の粒子である、請求項18に記載の方法。
- 前記物質が圧電性物質である、請求項23に記載の方法。
- 前記圧電性物質がチタン酸鉛ジルコニウムである、請求項24に記載の方法。
- 前記結合するステップは、溶媒キャスト法であるか、またはポリマー粉末を溶融もしくは加熱することによって形成されたポリマーバインダーで前記空間を満たすことを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記充填ステップが、前記単結晶粒子をポリマーフィルムの表面に充填させ整列させることを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記ポリマーフィルムが、ポリウレタンまたはポリフッ化ビニリデンの柔軟性のあるポリマーフィルムである、請求項27に記載の方法。
- 請求項8に記載の多結晶物質を含む、圧電素子。
- 振動子である、請求項29に記載の素子。
- 前記多結晶物質の厚さが約2ミクロン未満である、請求項1に記載の物質。
- 前記多結晶物質の厚さが10nmから2μmの間である、請求項31に記載の物質。
- 前記単結晶粒子が、物質の全次元によってできた空間の約65%を超えて満たす、請求項1に記載の物質。
- 前記単結晶粒子が、物質の全次元によってできた空間の約80%を超えて満たす、請求項33に記載の物質。
- 前記単結晶粒子が、物質の全次元によってできた空間の約90%を超えて満たす、請求項34に記載の物質。
- 柔軟性のある構造の形態である前記多結晶物質が、曲線状の表面を形成するために成形されるか、または曲線状の表面に沿って等角の様式で塗布される、請求項18に記載の方法により製造された製品。
- (A)不混和性の支持液の表面に、粒子分散液が接触するステップであり、粒子の分散液は、支持液よりも密度が低く、(1)分散液中に粒子が分散するのに役立ち、液分散の膜が支持液の表面に広がることを引き起こす拡散力を与える分散液、ならびに(2)粒子に作用して単層の粒子膜を形成させるキャピラリー液の混合物中で、支持液に濡れることなく浮かぶことができる粒子の分散液である;ならびに、
(B)支持液および粒子分散の界面で粒子単層を作るように、分散液を除去する除去するステップ、
を含む、粒子の単層を形成する方法。 - 前記粒子が、分散液の除去後に少なくとも<001>方向に配列する単結晶粒子である、請求項37に記載の方法。
- 前記分散液が蒸発によって除去される、請求項37に記載の方法。
- 前記分散液が揮発性である、請求項39に記載の方法。
- 前記接触ステップが、前記支持液の表面に前記粒子分散液を漸増的に加えることを含む、請求項37に記載の方法。
- 粒子の単層を固体基板の表面に移動させるステップをさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 粒子のサイズが約100ミクロン未満である、請求項37に記載の方法。
- 粒子のサイズが約1ミクロン未満である、請求項43に記載の方法。
- 前記単結晶粒子が立方体の形状である、請求項38に記載の方法。
- 請求項37に記載の方法によって調製される、粒子の単層。
- 前記粒子が少なくとも<001>方向に整列している単結晶粒子である、請求項46に記載の粒子の単層。
- 前記キャピラリー液が、重合したときにポリマー粒子のマトリックスを形成するモノマーを含む、請求項37に記載の方法。
- 前記分散液および前記キャピラリー液が、約30:70から約70:30の間の体積比である、請求項37に記載の方法。
- 前記支持液が水である、請求項37に記載の方法。
- 前記キャピラリー液が、鉱油、デカリン、デカン、ドデカン、およびヘキサンからなる群より選択される、請求項50に記載の方法。
- 前記分散液が極性有機溶媒である、請求項50に記載の方法。
- 前記極性有機溶媒がイソプロパノール、エタノール、およびアセトンからなる群より選択される、請求項52に記載の方法。
- 前記単結晶粒子が、三角形、正方形、長方形、および六角形のプレートレット;三角形、正方形、長方形、および六角形の角柱;三角形、正方形、長方形、および六角形の円筒型繊維;からなる群より選択されるモルフォロジーを有する、請求項38に記載の方法。
- 前記単結晶粒子が、4面体、立方体、および8面体からなる群より選択されるモルフォロジーを有する、請求項38に記載の方法。
- 前記単結晶粒子が、結晶方位依存性を有する物質の粒子である、請求項38に記載の方法。
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