JP2007093589A - 超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜、同薄膜を用いた高感度分子検出用基板及び同薄膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁性物質と貴金属又は磁性金属を同時スパッタリングすることにより、基板上に貴金属又は磁性金属ナノ粒子が互いに10nm以下の距離で絶縁性物質により隔てられ、かつ該貴金属又は磁性金属ナノ粒子の数密度が10000個/μm2以上である超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
【選択図】 図1
Description
一方、Au/SiO2ナノコンポジットにおいて、その光学的性質が検討されてきた(非特許文献3−9参照)。
このように基板上で分子の電導性を直接測ろうとする試みは、特殊な実験システムを必要とし、非常に限られているのが現状である。
しかし、この従来技術では、貴金属の分散量は原子数比にして高々5〜10%程度にしかすぎない。
これまでに、さまざまな手法(主として有機化学的手法)により貴金属ナノ粒子間の距離を有機分子鎖長により制御し、ナノ粒子配列基板として用いようとする報告があった。
しかし、この場合、貴金属ナノ粒子表面は、既に有機分子により被覆されているので、さらなる反応や計測への応用には不適当である
このように、融合を押さえかつ分子電導測定などの応用を考え、絶縁性無機物質を貴金属又は磁性金属ナノ粒子間に介在させることを課題とする。すなわち貴金属又は磁性金属ナノ粒子が絶縁性無機物質中に、高濃度に分散したナノコンポジット基板をいかにして作成するかという課題に還元される。本願発明は、これを達成しようとするものである。
また、ナノ粒子間距離が2nm以下になる割合を十分高め、貴金属ナノ粒子が互いに接近していることによって生じる光増強電場を利用することを可能とする。さらに、ナノコンポジット基板の生成において、通常センチメートル四方の大きさのものを得、光増強電場を薄膜全体に均一に分布させた、面状単一分子検出器あるいは位置敏感単一分子検出器の、基本部品として利用する。
磁性金属ナノ粒子分散コンポジット基板の利用については、例えば分散している磁性金属を予め磁化させておき、この磁性金属ナノ粒子分散コンポジット上に分子を自立的に配向させることができる。
この場合、貴金属又は磁性金属ナノ粒子が互いに10nm以下の距離に隔てられていることが必要であり、さらに2nm以下の距離で隔てられていることが、より望ましい。本願発明はこれらを達成することができる。粒子間距離をより狭くすることに制限はない。但し、上限値を10nmとすることが効率良く表面増強ラマン信号を得るためあるいは分子電導を測定するための要件である。
また、分子電導測定のためには貴金属又は磁性金属ナノ粒子の平均直径が2nm以上であることが良く、さらには、表面増強ラマン信号を得るためには貴金属又は磁性金属ナノ粒子の平均直径が10nm以上であることが良い。粒子径を500nm程度にすることは容易である。粒子径の上限に制限が必要でないことは理解されるべきである。しかし、粒子径が大きくなる場合には、粒子間の距離の調整は難しくなる傾向にある。
粒子間の距離がより小さく、ナノ粒子サイズが10〜50nmの場合に表面増強ラマン信号を効率良く得ることができる。
本発明は、ナノ粒子として分散している貴金属又は磁性金属の原子数を絶縁性物質中に含まれる金属又は半金属若しくは金属性非金属の原子数で割った値が0.3以上である上記超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜を提供することができる。この上記超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜は、高感度分子検出用基板材料として有用である。
したがって、本願発明は、上記超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜を用いた高感度分子検出用基板を提供するものである。
本発明の方法により、ナノ粒子として分散している貴金属又は磁性金属の原子数を絶縁性物質中に含まれる金属又は半金属若しくは金属性非金属の原子数で割った値が0.3以上である超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜を効率良く製造することができる。
また、貴金属ナノ粒子が互いに接近しているために生じる光増強電場を利用することが可能になる。そして、センチメートル四方の大きさのナノコンポジット基板が容易に得られるため、光増強電場が薄膜全体に均一に分布させた面状単一分子検出器あるいは位置敏感単一分子検出器の基本部品として利用が可能となるという優れた効果を有する。
通常の方法では、分子の集合体に圧力を加えたり、流れを与えたりすることにより、このような分子の集合体に配向を与えているが、この場合、分子同士はお互いに隙間無く充填されていることが必要となる。
しかし、本発明の磁性金属ナノ粒子分散コンポジット基板を用いると、上記のように隙間無く充填する必要はなく、分子を特定の方向に配向させることができるという著しい特徴を有する。
貴金属としては、金、白金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、オスミウム又はこれらの金属を基とする合金などを使用することができる。これらの貴金属は、超高密度貴金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の使用目的に応じて選択できる。
また、磁性金属としては、鉄、コバルト、ニッケルなど又はこれらの金属を基とする合金などを使用することができる。これらの磁性金属も、超高密度磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の使用目的に応じて、任意に選択できる。さらに、前記貴金属と磁性金属の複合体として使用することも容易に理解されるであろう。本願発明は、これらを全て含むものである。
このようにして得られた超高密度貴金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜は、高感度分子検出用基板に特に有用である。
絶縁性物質中の貴金属又は磁性金属の粒子の成長は、目的とするナノ粒子の形成に反するものである。これが、従来、超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜を形成するためにスパッタリング法の利用の着想が生まれなかった原因と言える。
これによって、基板上に貴金属又は磁性金属ナノ粒子が互いに10nm以下の距離で絶縁性物質により隔てられ、かつ該貴金属又は磁性金属ナノ粒子の数密度が10000個/μm2以上である耐久性に富む超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜を製作することが可能となる。
また、以下に説明するように、貴金属又は磁性金属を均一に分散させ、その結晶粒成長を押さえるための条件選択が重要である。また、貴金属又は磁性金属ナノ粒子の数密度を高く保つため短時間のプロセスが有利である。また、ナノコンポジット基板には、ある程度の平滑性が必要である。
これは、超高密度貴金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜を、高感度分子検出用基板、高感度分子センサ用基板、その他化学物質や湿度などの環境センサ用基板、大面積面状単一分子検出器および位置敏感単一分子検出器等として使用する場合に、超高密度貴金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜中のナノ粒子が絶縁相によって隔てられてはいるがナノ粒子間の距離が十分に接近している状態を実現する上で、好適となる条件である。
以下の例では、分散しているナノ粒子として金、絶縁性物質として酸化ケイ素を用いた例について説明してあるが、他の組み合わせを用いる場合にも、貴金属又は磁性金属の原子数を、該絶縁性物質を構成する物質である金属又は半金属若しくは金属性非金属の原子数で割った値を、上記の比に調整することにより、当然ながら同等の効果を生むものであることは知るべきである。
単層のAu/SiO2ナノコンポジット薄膜を同時スパッタリング法により調製した。スパッタはRFマグネトロンスパッタ装置を使用し、アルゴン圧力は4mTorr、投入電力25W、スパッタ時間は2〜10分の間で実施した。
シリカ(SiO2)ターゲット上に48本の金線(直径:0.5 mm、長さ:10 mm )を対称に配置し、SiO2とAuを同時にアルゴンプラズマ中でスパッタ蒸着した。ナノコンポジットを蒸着する基板は、p型のSiウェファー(100)面を用いた。この時のAuの割合は、Au/Si比にして約0.77であった。
2分間、5分間、10分間の蒸着により得られたAu/SiO2ナノコンポジット基板の表面形態を電界放射型走査型顕微鏡により分析した。その結果、図1に示すように、白い点で表される金のナノ粒子が、灰色で表されるシリカ中に均一に分散している様子を観察することができた。
2分間の蒸着により得られた金ナノ粒子の平均サイズは2.6nmであり、サイズ分布幅は小さかった。蒸着時間を増やすと5分間で3.7nm、10分間で4.6nmとなった。 金粒子の成長速度約0.3nm/minであった。
金のナノ粒子を○で表し、近くの別の金ナノ粒子との間の関係をVoronoi 解析という手法で表したものが図2である。図中で○を線で結んであるものは隣の粒子との距離を表したものである。
個々の金粒子は、それぞれ平均5.95個の金粒子に隣接していることが明らかになり、ほぼ面内最密充填をしていることがわかる。しかも、その間にはシリカ相が介在していた。
図3は、平均粒子間距離を計算したもので、金粒子の中心間距離と金粒子の縁から縁までを計算したものである。金と金の間は10nm以下になっていることがわかる。スパッタ時間を増加させると金のナノ粒子の数が増加し粒子間距離が減少することが期待されるが、実際はこの予想とは逆の傾向を示した。
本ナノコンポジット基板を分子の導電性の評価に利用するためには、粒子間距離が分布をもつことから、ある長さ以下の粒子間距離をもつ割合を見積もることが重要である。図5は、2nm、2.4nm、3nm、4nm以下の距離をもつ粒子間の割合をプロットしたものである。図5中、□は2分間、○は5分間、△は10分間スパッタした結果である。
例えば、2.4nm以下の鎖長の分子を本ナノコンポジット基板上に化学的に結合させたとき10分間スパッタした基板では、約20%の粒子間を分子がつなぐことができることがわかる。
スパッタ条件を変化させることで、粒子間距離を最適化することができる。
図7は、その1例であり、シリカ(SiO2)ターゲット上に金線36本を乗せ、Si基板上に同時スパッタ(100W、1分間)し、これによって得られたナノコンポジット基板の表面形態を示す図である。
この場合、金粒子の平均粒径4.5nm、粒子間距離7.5nm、数密度16000個/μm2のものが得られている。この時のAuの割合は、Au/Si比にして約0.59であった。
図14に、その一例を示す。図14では、径がおよそ3nm〜20nmの粒子が2nm〜10nmの距離に隔てられて、多数存在しているのが確認できる。粒子間の距離と粒子サイズは、基板材料の選択、貴金属又は磁性金属の選択、スパッタ条件の厳密な調整により調整することができる。本願発明は、これらを全て包含するものである。
Si基板上にナノコンポジット薄膜を形成させたときの表面電導を計測した。その結果、Si基板上にナノコンポジット薄膜を形成させたとき(図8中□)はSi基板を通して電流が流れてしまうが、高絶縁性の熱酸化Si基板を用いたとき(図8中■)は基板を通して電流が全く流れず、高濃度にAuが分散しているにも関わらずナノコンポジット薄膜は絶縁性を保っている。この状態を利用すれば、分子電導の測定が可能であることを示している。
図9はナノコンポジット基板上にフッ素原子を含む分子を結合させたときの、光電子スペクトルの変化を示す図である。基板の成分や表面の汚れ以外に、分子中に含まれるフッ素が表面から検出された。
この結果から明らかなように、得られたナノコンポジット基板は、金が10nm以下の粒子サイズで表面に露出しており、かつSiO2のような絶縁層で隔てられた状況であるが、分子が直接金と結合を形成できることが分かる。
これにより、本発明のナノコンポジット基板は、分子を結合させることにより分子の導電性を直接測定できることを示している。
図10は、金ナノ粒子がシリカ中に分散したナノコンポジット基板上に、両端にチオール(−SH)基をもつ導電性分子を接合させ、金ナノ粒子同士を導電性分子で繋ぐことにより数百ナノメートルの距離をもつ電極間(図11のような構造)の電導特性を測定した結果である。
分子を接合させる前と比べて105倍の電流値が得られ、ナノコンポジット基板を使うことにより分子電導の測定が可能であることを示している。走査型トンネル分光法によるほぼ同じ構造の電導性分子の電導特性と、上記の結果から計算される1分子の平均電導特性はほぼ一致したことからもこの手法の有効性がわかる。
図12は分子を吸着させる前のナノコンポジット基板[b]、及び両端に金ナノ粒子と接合できる官能基を有する分子で導電性を持つ分子[c]と、持たない分子[a]を接合させた時のナノコンポジット基板の透過スペクトルである。導電性分子が接合した分子のみが長波長側にピークシフトしたことから、分子の導電性を簡便に検出できることがわかる。
図13に示すように、ナノコンポジット基板を用いることで、表面増強ラマン信号の検出に成功した。金/シリカナノコンポジット基板に銅フタロシアニンを蒸着し、これにレーザー光を照射することで得られる表面増強ラマン信号(b)は、ナノコンポジット基板なしの場合(c)と比較して約100倍の信号強度が得られている。現状では、従来法の結果(a)と比べて約1/4〜5であるが最適化により大幅な改良が可能である。
本手法で得られるナノ粒子は従来法で得られるナノ粒子と比べて、安定性が極めて高いことから、ナノ粒子の分布構造を最適化することで実用的に安定であり使用法が容易な基板が得られる。
ナノ粒子・ナノコンポジット応用技術、単分子電導性計測、単一分子分光計測用基板、面状分子計測素子などである。具体的には、高感度分子検出用基板として、高感度分子センサ用基板、その他化学物質や湿度などの環境センサ用基板、大面積面状単一分子検出器および位置敏感単一分子検出器等に最適である。
さらに、磁性金属ナノ粒子分散コンポジット基板については、例えば該基板中に分散している磁性金属を予め磁化させておき、この上に特定の分子の皮膜を形成し、この分子の皮膜を特定の方向に自立的に配向させることにより、配向を調整した分子の皮膜を形成することに利用できる。
Claims (16)
- 貴金属又は磁性金属ナノ粒子が互いに10nm以下の距離で絶縁性物質により隔てられ、かつ該貴金属又は磁性金属ナノ粒子の数密度が10000個/μm2以上であることを特徴とする超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜。
- 貴金属又は磁性金属ナノ粒子が互いに2nm以下の距離で隔てられていることを特徴とする請求項1記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜。
- 貴金属又は磁性金属ナノ粒子の平均直径が2nm以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜。
- 貴金属又は磁性金属ナノ粒子の平均直径が10nm以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜。
- 絶縁性物質がセラミックスであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜。
- 絶縁性物質が酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化硼素、窒化珪素であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜。
- ナノ粒子として分散している貴金属又は磁性金属の原子数を絶縁性物質中に含まれる金属又は半金属若しくは金属性非金属の原子数で割った値が0.3以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜。
- 請求項1〜7の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜を用いた高感度分子検出用基板。
- 絶縁性物質と貴金属又は磁性金属を同時スパッタリングすることにより、基板上に貴金属又は磁性金属ナノ粒子が互いに10nm以下の距離で絶縁性物質により隔てられ、かつ該貴金属又は磁性金属ナノ粒子の数密度が10000個/μm2以上である超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
- 貴金属又は磁性金属ナノ粒子が互いに2nm以下の距離で隔てられていることを特徴とする請求項9記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
- 貴金属又は磁性金属ナノ粒子の平均直径が2nm以上であることを特徴とする請求項9又は10記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
- 貴金属又は磁性金属ナノ粒子の平均直径が10nm以上であることを特徴とする請求項9又は10記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
- 絶縁性物質上に貴金属又は磁性金属の線を載せ、同時スパッタリングすることを特徴とする請求項9〜12のいずれかに記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
- 絶縁性物質がセラミックスであることを特徴とする請求項9〜13のいずれかに記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
- 絶縁性物質が酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化硼素、窒化珪素であることを特徴とする請求項9〜13のいずれかに記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
- ナノ粒子として分散している貴金属又は磁性金属の原子数を絶縁性物質中に含まれる金属又は半金属若しくは金属性非金属の原子数で割った値が0.3以上であることを特徴とする請求項9〜15のいずれかに記載の超高密度貴金属又は磁性金属ナノ粒子分散コンポジット薄膜の製造方法。
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