JP2007269599A - Metal-ceramic complex, method for producing the same, electron injection type refractive index change element and method for producing the same - Google Patents

Metal-ceramic complex, method for producing the same, electron injection type refractive index change element and method for producing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal-ceramic complex suitable for an optical element. <P>SOLUTION: The metal-ceramic complex comprises a first oxide phase (1) containing one component selected from SiO<SB>2</SB>, B<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, TiO<SB>2</SB>, ZrO<SB>2</SB>, Na<SB>2</SB>O, CaO and SrO, metal particles (2) formed at the grain boundaries of the first oxide phase and containing one metal selected from Au, Ag, Cu, Pt, Pb and Pd, and a second oxide phase (3) formed at the grain boundaries of the first oxide phase (1) and containing ZnO, In<SB>2</SB>O<SB>3</SB>or one component selected from SiO<SB>2</SB>, B<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, TiO<SB>2</SB>, ZrO<SB>2</SB>, Na<SB>2</SB>O, CaO and SrO and different from the component of the first oxide phase (1) and the same metal as the metal particles (2). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は金属とセラミックの複合体、電子注入型屈折率変化素子、及びこれらの製造方法に関するものであり、特に光学素子に用いる金属とセラミックの複合体に関する。   The present invention relates to a composite of metal and ceramic, an electron injection type refractive index changing element, and a method of manufacturing the same, and more particularly to a composite of metal and ceramic used for an optical element.

量子ドット−所謂ナノ粒子はその“寸法効果”によりバルク材料とは異なる物性を示す。その為、光学、磁気、電子、触媒等の分野において新しい物性の発現が期待されている。電子デバイスの分野においては、近年、直径2nm以下のいわゆる「量子ドット」と見なせる自己組織化した金ナノ粒子を用いて、「クーロンブロケイド現象」による「クーロン階段」の発現が観察されている(例えば、非特許文献1参照)。   Quantum dots—so-called nanoparticles exhibit physical properties that differ from bulk materials due to their “size effects”. Therefore, new physical properties are expected in the fields of optics, magnetism, electrons, catalysts and the like. In the field of electronic devices, the expression of the “Coulomb staircase” due to the “Coulomb brocade phenomenon” has recently been observed using self-organized gold nanoparticles that can be regarded as “quantum dots” with a diameter of 2 nm or less ( For example, refer nonpatent literature 1).

また、ゲル膜の加水分解を用いて半導体や金属のナノ粒子を分散させたガラスも、その大きな3次の非線形光学効果が期待されている(例えば、特許文献1参照)。特に、Au粒子をSiO2母相に分散させたナノコンポジット膜は、近接場記録材料として、その単純な記録ヘッド構造、機械的損傷の受けにくさ、より高速の記録速度等の優れた特性が期待されている(例えば、非特許文献2参照)。 In addition, a glass in which semiconductor or metal nanoparticles are dispersed using hydrolysis of a gel film is also expected to have a large third-order nonlinear optical effect (see, for example, Patent Document 1). In particular, nanocomposite films in which Au particles are dispersed in SiO 2 matrix have excellent characteristics such as simple recording head structure, resistance to mechanical damage, and higher recording speed as near-field recording materials. It is expected (see, for example, Non-Patent Document 2).

また、量子ドットに電子を注入することにより、その電子オービタルを変化させ、複合体素子の屈折率を任意に変化させる例がある。(例えば特許文献2)。
Advanced Power Technol.16(2),137-144(2005) Proceedings of SPIE vol.5646(2005)555-562 特開昭61-156007号公報 特開2005-156922公報
Further, there is an example in which an electron orbital is changed by injecting electrons into the quantum dots, and the refractive index of the composite element is arbitrarily changed. (For example, patent document 2).
Advanced Power Technol. 16 (2), 137-144 (2005) Proceedings of SPIE vol.5646 (2005) 555-562 JP-A-61-156007 JP 2005-156922 A

これらの諸特性は、量子ドットであるナノ粒子の寸法の影響を強く受ける。特に、量子ドットと言われるナノ複合体においては、数nm、可能ならば2nm以下に直径を揃えることが好ましい。しかし、量子ドットの寸法を数nm以下に揃えることは非常に難しい。   These various characteristics are strongly influenced by the size of the nanoparticle which is a quantum dot. In particular, in a nanocomposite called a quantum dot, it is preferable to make the diameter uniform to several nm, preferably 2 nm or less. However, it is very difficult to align the quantum dot dimensions to a few nanometers or less.

また、絶縁体マトリクスに多数分散させた量子ドット全てに同じ電荷を注入することは、クーロン反発により容易ではない。電位差を用いて無理に電子を注入するべく、素子に高電圧を負荷した場合には、素子そのものが破壊に至る危険性がある。   In addition, it is not easy to inject the same charge into all the quantum dots dispersed in the insulator matrix due to Coulomb repulsion. When a high voltage is applied to the device to forcefully inject electrons using a potential difference, the device itself may be destroyed.

本発明は、多数の小さな直径の量子ドットを、絶縁体と見なせるセラミックの複合体中に具備する金属とセラミックの複合体、これを用いた電子注入型屈折率変化素子、及びこれら製造方法に関する。   The present invention relates to a metal-ceramic composite comprising a large number of small-diameter quantum dots in a ceramic composite that can be regarded as an insulator, an electron injection type refractive index change element using the same, and a method of manufacturing the same.

本発明の第一は、SiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つの材料を含む酸化物第1相と、酸化物第1相の粒界に形成された、Au, Ag, Cu, Pt, Pb及びPdの中から選ばれた少なくとも1つの金属を含む金属粒子と、酸化物第1相の粒界に形成された酸化物第2相であって、前記金属粒子と同種の金属と、ZnO, In2O3または前記酸化物第1相の成分とは異なるSiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つの材料と、を含む酸化物第2相、を備えた金属とセラミックの複合体を提供する。 The first aspect of the present invention is an oxide first phase containing at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO. And metal particles containing at least one metal selected from Au, Ag, Cu, Pt, Pb and Pd formed at the grain boundaries of the oxide first phase, and the grain boundaries of the oxide first phase SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 , which is a second phase of the oxide formed on the metal and is different from the metal of the same type as the metal particles, and ZnO, In 2 O 3 or the component of the first phase of the oxide. Provided is a metal-ceramic composite comprising an oxide second phase comprising at least one material selected from O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO.

このような金属とセラミックの複合体は、金属粒子への電子注入による屈折率の変化を利用する屈折率変化素子に用いることができる。この他にも、非線形導波回路、光スイッチ、リミッタ、あるいは光論理素子等に用いることができる。   Such a composite of metal and ceramic can be used for a refractive index changing element that utilizes a change in refractive index caused by electron injection into metal particles. In addition, it can be used for a nonlinear waveguide circuit, an optical switch, a limiter, an optical logic element, or the like.

本発明の第二は、SiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つの成分を含む第1の材料と、Au, Ag, Cu, Pt, Pb及びPdの中から選ばれた少なくとも1つの金属を含む第2の材料と、ZnO, In2O3または第1の材料とは異なるSiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つを含む第3の材料を用いて、ゲル膜を作製する工程と、ゲル膜を不活性雰囲気中で熱処理し、第1の材料の粒界に、第2の材料および前記第3の材料を析出させる工程と、第3の材料を酸化する工程とを備えた金属とセラミックの複合体の製造方法を提供する。 The second of the present invention is a first material containing at least one component selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO; SiO 2 , B 2 O different from ZnO, In 2 O 3 or the first material, and a second material containing at least one metal selected from Au, Ag, Cu, Pt, Pb and Pd 3 , a step of producing a gel film using a third material containing at least one selected from Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO; A metal / ceramic composite comprising a step of heat-treating in an inert atmosphere to precipitate the second material and the third material at grain boundaries of the first material, and a step of oxidizing the third material A method for manufacturing a body is provided.

本発明の第三は、SiO2, B2O3, Al2O3, Na2O, CaO及びSrOから選ばれた少なくとも1つの材料からなる酸化物第1相と、酸化物第1相の粒界に形成された、Au, Pt, Ag, Cu, Pu及びPbから選ばれた少なくとも1つの金属を含む金属粒子と、酸化物第1相の粒界に形成された、ZnO, TiO2及びWO3から選ばれた少なくとも1つの材料を含む酸化物第2相とを具備する金属とセラミックの複合体を提供する。 According to a third aspect of the present invention, an oxide first phase composed of at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Na 2 O, CaO and SrO, and an oxide first phase Metal particles containing at least one metal selected from Au, Pt, Ag, Cu, Pu and Pb formed at the grain boundaries, and ZnO, TiO 2 formed at the grain boundaries of the oxide first phase, and Provided is a metal / ceramic composite comprising an oxide second phase comprising at least one material selected from WO 3 .

本発明の第四は、SiO2, B2O3, Al2O3, Na2O, CaO 及びSrOから選ばれた少なくとも1つの材料からなる酸化物第1相と、酸化物第1相の粒界に形成された、Au, Pt, Ag, Cu, Pu及びPbから選ばれた少なくとも1つの金属を含む金属粒子と、酸化物第1相の粒界に形成された、ZnO, TiO2及びWO3から選ばれた少なくとも1つの材料を含む酸化物第2相とを具備する金属とセラミックの複合体に、電場付与、熱処理、または光照射のいずれか一つ、もしくは複数を組み合わせた処理を行う電子注入型屈折率変化素子の製造方法を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an oxide first phase composed of at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Na 2 O, CaO and SrO, and an oxide first phase. Metal particles containing at least one metal selected from Au, Pt, Ag, Cu, Pu and Pb formed at the grain boundaries, and ZnO, TiO 2 formed at the grain boundaries of the oxide first phase, and A metal / ceramic composite comprising an oxide second phase containing at least one material selected from WO 3 is subjected to a treatment in which any one of electric field application, heat treatment, or light irradiation, or a combination thereof is combined. Provided is a method for manufacturing an electron injection type refractive index changing element.

本発明の金属とセラミックの複合体等によれば、酸化物第1相中に微小な金属粒子が存在することで顕著な寸法効果(「いわゆる量子サイズ効果」)を実現することが期待できる。また、本発明の金属とセラミックの複合体の製造方法等によれば、酸化物母相(第1相)の粒界に、微小な金属粒子と、これと同じ金属材料を含有した、第1相と異なる酸化物よりなる第3相を形成し、三者が一体化した金属とセラミックの複合体を提供することができる。   According to the composite of metal and ceramic of the present invention, it can be expected that a remarkable size effect (“so-called quantum size effect”) is realized by the presence of minute metal particles in the oxide first phase. In addition, according to the method for producing a composite of metal and ceramic according to the present invention, the first metal particle containing fine metal particles and the same metal material at the grain boundary of the oxide matrix (first phase). A third phase composed of an oxide different from the phase is formed, and a composite of metal and ceramic integrated by the three can be provided.

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通する構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、参照する各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、図面表示の便宜上、形状や寸法、寸法比等は実際の方法と異なる個所がある。以下の説明及び図面表示の内容は、適宜なわれる変更を排除するものではない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to the structure which is common throughout embodiment and an Example, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each drawing to be referred to is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention. For convenience of drawing display, the shape, dimensions, dimensional ratio, and the like are different from the actual method. The contents of the following description and the drawings are not intended to exclude any appropriate changes.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る金属とセラミックの複合体について、図面を用いて説明する。
(First embodiment)
A composite of metal and ceramic according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態の金属とセラミックの複合体の断面を示す模式図である。   FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of a composite of metal and ceramic according to the present embodiment.

本実施形態による金属とセラミックの複合体は、酸化物第1相(母相)1と、金属粒子2、及び酸化物第2相3を含有する。図1からわかるように、金属粒子及び酸化物第2相は酸化物第1相の粒界に存在している。   The composite of metal and ceramic according to the present embodiment includes an oxide first phase (parent phase) 1, metal particles 2, and an oxide second phase 3. As can be seen from FIG. 1, the metal particles and the oxide second phase are present at the grain boundaries of the oxide first phase.

酸化物第1相は、SiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つの材料を含む。これらの材料は、少なくとも可視光に対して透明であることから、本実施の形態の金属とセラミックの複合体を光学材料として用いる際に好適である。セラミックスによる酸化物第1相は、一般に非晶質の形態をとる。本実施形態でも、非晶質を用いることができる。 The first oxide phase includes at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO. Since these materials are transparent to at least visible light, they are suitable when the metal-ceramic composite of this embodiment is used as an optical material. The first oxide oxide phase is generally amorphous. Also in this embodiment, amorphous can be used.

酸化物第1相は、SiO2のゲルあるいはガラスであることが好ましい。これらの材料は、光ファイバーに用いられるように減衰率が最も低い材料であり、また、金属とセラミックの複合体の製造の際に、金属アルコキシドとして安価に入手することができるためである。 The oxide first phase is preferably SiO 2 gel or glass. This is because these materials have the lowest attenuation rate as used in optical fibers, and can be obtained at low cost as metal alkoxides in the production of a composite of metal and ceramic.

金属粒子は、Au, Ag, Cu, Pt, Pb及びPdの中から選ばれた少なくとも1つの金属を含む。これらの金属は、電子の入りやすい量子ドットとして好適である。中でも、酸化しにくい所謂“貴な”金属あるいは酸化しても容易に還元できる材料(Au, Ag, Pt等)が望ましい。   The metal particles include at least one metal selected from Au, Ag, Cu, Pt, Pb, and Pd. These metals are suitable as quantum dots that are easy for electrons to enter. Among them, so-called “noble” metals that are difficult to oxidize or materials that can be easily reduced even when oxidized (Au, Ag, Pt, etc.) are desirable.

金属粒子としては、Auが好ましい。Auは、Ptについで最も酸化されにくい貴金属であり、かつ融点が比較的高い為に、粒子同士が凝集しにくい特性を有するからである。   As the metal particles, Au is preferable. This is because Au is a noble metal that is most difficult to oxidize after Pt and has a characteristic that particles are less likely to aggregate due to a relatively high melting point.

金属粒子はアモルファスであっても結晶であっても良い。 The metal particles may be amorphous or crystalline.

金属粒子の平均直径は、数nm、可能ならば2nm以下に揃えることが望ましい。   The average diameter of the metal particles is preferably set to several nm, preferably 2 nm or less.

酸化物第2相は、ZnO, In2O3及び第1相と異なるSiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO,及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つの材料を含んでいる。また、酸化物第2相は、さらに、金属粒子2と同じ金属材料を含む。酸化物第2相中の金属材料は第2相の酸化物に微細に析出あるいは固溶している。 The oxide second phase is selected from ZnO, In 2 O 3 and SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO, and SrO different from the first phase. At least one material. The oxide second phase further contains the same metal material as that of the metal particles 2. The metal material in the oxide second phase is finely precipitated or dissolved in the oxide of the second phase.

酸化物第2相は、金属とセラミックの複合体の光学材料への応用を考慮すると、少なくとも可視光に対して透明であることが望ましい。すなわち光の散乱を考えれば、酸化物相3に若干の着色があったとしても、そのサイズが100nm以下であるならば、可視光に対して散乱を起こすことがない。   The oxide second phase is desirably transparent to at least visible light in consideration of application to an optical material of a composite of metal and ceramic. That is, considering light scattering, even if the oxide phase 3 is slightly colored, if the size is 100 nm or less, no scattering occurs for visible light.

以上のような材料からなる金属とセラミックの複合体は無機材料として機能する。   A composite of metal and ceramic made of the above materials functions as an inorganic material.

金属粒子2にAuを用いる場合は、酸化物第2相にZnOを用いるのが望ましい。これは、ZnがAuに対して広い固溶限を有していること、酸化物であるZnOもAuをある程度固溶できること等による。   When Au is used for the metal particles 2, it is desirable to use ZnO for the second oxide phase. This is because Zn has a wide solid solubility limit with respect to Au, ZnO which is an oxide can also dissolve Au to some extent, and the like.

本実施の形態の金属とセラミックの複合体は、酸化物第1相の粒界に、金属粒子と、金属粒子と同じ金属を含有した酸化物第2相とが存在することで、量子ドット(金属粒子)が透明セラミックスと一体化した複合体を提供することが出来る。例えば、SiO2 / Au / ZnO系においては、2nm以下の非常に微細な量子ドットが絶縁体中に分散した複合体が出来る。 In the composite of metal and ceramic according to the present embodiment, the presence of the metal particles and the oxide second phase containing the same metal as the metal particles at the grain boundary of the oxide first phase allows the quantum dot ( It is possible to provide a composite in which (metal particles) are integrated with transparent ceramics. For example, in the SiO 2 / Au / ZnO system, a composite in which very fine quantum dots of 2 nm or less are dispersed in an insulator can be formed.

このような透明な金属とセラミックの複合体は、例えば、屈折率変化素子として使用することができる。屈折率変化素子では、外部電場や光照射により金属からなる量子ドットに電子を注入することができ、1%を越える巨大屈折率を示す電子注入型屈折率変化素子を実現することが可能である。   Such a transparent metal / ceramic composite can be used, for example, as a refractive index changing element. The refractive index changing element can inject electrons into quantum dots made of metal by external electric field or light irradiation, and can realize an electron injection type refractive index changing element exhibiting a giant refractive index exceeding 1%. .

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態では、金属とセラミックの複合体の製造方法について説明する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment of the present invention, a method for producing a composite of metal and ceramic will be described.

透明セラミックスマトリクスの出発原料としては、金属アルコキシドや、金属のアセチルアセトナート、酢酸塩、シュウ酸塩などのカルボン酸塩、硝酸塩や塩化物、オキシ塩化物などの金属無機化合物、微粒子酸化物などが挙げられる。   Starting materials for transparent ceramic matrices include metal alkoxides, metal acetylacetonates, acetates, carboxylates such as oxalates, metal inorganic compounds such as nitrates, chlorides and oxychlorides, and particulate oxides. Can be mentioned.

M(OR)nの一般式で表せる金属アルコキシドを出発原料とする場合は、この一般式中の
Mは、Si, B, Al, Ti, Zr, Na, Ca, 及びSrの単一元素、あるいは複数元素であり、Rはメチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基であり、nは金属元素の酸化数とする。ORの一部がRであってもよい。
When a metal alkoxide represented by the general formula of M (OR) n is used as a starting material,
M is a single element or multiple elements of Si, B, Al, Ti, Zr, Na, Ca, and Sr, R is an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, and a propyl group, and n is a metal The oxidation number of the element. A part of OR may be R.

このような金属アルコキシドをメタノール、エタノール等のアルコールに溶解し、混合溶液とする。金属アルコキシドの加水分解には水が必要になるので、水を加える必要がある。加水分解の触媒として塩酸、硫酸、硝酸、酢酸等の酸やアンモニア等のアルカリを加える。膜が収縮により破壊しやすい場合には、フォルムアミド、ジメチルフォルムアミド等の乾燥制御剤を添加する。   Such a metal alkoxide is dissolved in an alcohol such as methanol or ethanol to obtain a mixed solution. Since water is required for hydrolysis of the metal alkoxide, it is necessary to add water. Acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and acetic acid and alkalis such as ammonia are added as a catalyst for hydrolysis. When the film is easily broken by shrinkage, a drying control agent such as formamide or dimethylformamide is added.

第2相は、Au, Ag, Cu, Pt, Pb及びPdの中から選ばれた少なくとも1つの金属を含む。また、第3相は、ZnO, In2O3または前記酸化物第1相の成分とは異なるSiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つの材料とを含む。 The second phase includes at least one metal selected from Au, Ag, Cu, Pt, Pb and Pd. In addition, the third phase is composed of ZnO, In 2 O 3 or SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and different from the components of the oxide first phase. And at least one material selected from SrO.

第2相及び第3相の出発原料は塩化塩や硝酸塩、酢酸塩等の金属塩の有機溶液であることが好ましい。金属塩が水溶性であれば、水溶液でもよい。第2相及び第3相を金属に還元する為にホルマリン(HCHO)や水酸化硼素ナトリウム(NaBH4)等の還元剤を加えてもよい。このようにして作製した前駆体は必要に応じて室温から150℃で適当な時間放置し、加水分解および縮重合反応を進めてもよい。 The starting materials for the second and third phases are preferably organic solutions of metal salts such as chlorides, nitrates and acetates. If the metal salt is water-soluble, an aqueous solution may be used. A reducing agent such as formalin (HCHO) or sodium boron hydroxide (NaBH 4 ) may be added to reduce the second and third phases to metal. The precursor prepared in this manner may be allowed to stand at room temperature to 150 ° C. for an appropriate time as necessary to proceed with hydrolysis and polycondensation reaction.

薄膜を形成する場合には、得られた前駆体を適当な時間反応させ粘度を調整した後にディップコーティングあるいはスピンコーティング等により基板に塗布する。基板としてはSi, GaAs等の半導体単結晶や多結晶、ガラス等を使用することができ、適切な基板を選択することで目的とする素子の形成が可能となる。塗布はローラー塗布法やドクターブレード法、ローラーコーティング法等でも良い。   In the case of forming a thin film, the obtained precursor is reacted for an appropriate time to adjust the viscosity, and then applied to the substrate by dip coating or spin coating. As the substrate, a semiconductor single crystal such as Si or GaAs, polycrystal, glass, or the like can be used, and a desired element can be formed by selecting an appropriate substrate. Application may be performed by a roller application method, a doctor blade method, a roller coating method, or the like.

基板に塗布した前駆体を加熱することにより、第1相ゲルのガラス化および第2相・第3相の材料の第1相の粒界への析出が起こる。加熱温度は一般に200℃以上1200℃以下である。第2相及び第3相の凝集による粗大化を防ぐ為に200℃以上500℃以下で熱処理することが好ましい。第2相及び第3相の酸化を防ぐためにはAr, N2等の不活性雰囲気で行う。第2相及び第3相が酸化しなければ、大気中で熱処理してもよい。 By heating the precursor applied to the substrate, vitrification of the first phase gel and precipitation of the second and third phase materials at the grain boundaries of the first phase occur. The heating temperature is generally 200 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. In order to prevent coarsening due to aggregation of the second phase and the third phase, it is preferable to perform heat treatment at 200 ° C. or more and 500 ° C. or less. In order to prevent oxidation of the second phase and the third phase, it is performed in an inert atmosphere such as Ar, N 2 or the like. If the second phase and the third phase are not oxidized, heat treatment may be performed in the atmosphere.

引き続き第2相を第3相へ均質に固溶させる為の熱処理を不活性雰囲気で行う。この熱処理により第2相を、酸化物第1相の粒界に析出した金属粒子とすることができる。第2相が希望とする直径になるよう熱処理温度・時間を選定する。材料系によっては、熱処理温度は前工程の前駆体加熱より高温で行ってもよい。   Subsequently, heat treatment for homogeneously dissolving the second phase into the third phase is performed in an inert atmosphere. By this heat treatment, the second phase can be made into metal particles precipitated at the grain boundaries of the oxide first phase. Select the heat treatment temperature and time so that the second phase has the desired diameter. Depending on the material system, the heat treatment temperature may be higher than the precursor heating in the previous step.

さらに第3相を酸化し光学材料に適した透明材料とするための酸化を行う。この酸化により、酸化物第2相を形成することができる。この酸化は大気中でもよいが、用いる材料系の必要性に応じて酸素分圧をコントロールして行う場合もありうる。材料系によっては、熱処理温度は前工程よりも高温で行ってもよい。   Further, oxidation is performed to oxidize the third phase to obtain a transparent material suitable for the optical material. By this oxidation, an oxide second phase can be formed. This oxidation may be performed in the air, but may be performed by controlling the oxygen partial pressure according to the necessity of the material system to be used. Depending on the material system, the heat treatment temperature may be higher than that in the previous step.

以上は、第1の実施形態に係る金属とセラミックの複合体をゾルゲル法により作成した例であるが、第1の実施形態の金属とセラミックの複合体は、スパッタ法やイオンプレーティング法により、製造することができる。   The above is an example in which the composite of metal and ceramic according to the first embodiment is created by a sol-gel method, but the composite of metal and ceramic of the first embodiment is obtained by sputtering or ion plating, Can be manufactured.

(第3の実施の形態)
本実施の形態では、素子に高電圧を負荷することなく金属量子ドットに電荷を注入することが可能な金属とセラミックの複合体について説明する。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a composite of metal and ceramic capable of injecting charges into metal quantum dots without applying a high voltage to the element will be described.

図2は、本実施形態の金属とセラミックの複合体の断面模式図である。SiO2, B2O3, Al2O3, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれた少なくとも1つの材料からなる酸化物第1相1(透明セラミックスマトリックス)に、Au, Pt, Ag, Cu, Pu及びPbの中から選ばれた少なくとも1つの金属からなる金属粒子2(無機量子ドット)と、ZnO, TiO2及びWO3等から選ばれた少なくとも1つの成分からなる酸化物第2相3(電荷発生材)を分散させた金属とセラミックの複合体である。無機粒子ドット2と電荷発生材3は、透明セラミックスマトリックスの粒界において、可能な限り隣接して形成されている。これはキャリアの授受を円滑に行う為である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the composite of metal and ceramic according to the present embodiment. The oxide first phase 1 (transparent ceramic matrix) made of at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Na 2 O, CaO and SrO is mixed with Au, Pt, Ag Metal particles 2 (inorganic quantum dots) made of at least one metal selected from Cu, Pu, Pb, and oxide second made of at least one component selected from ZnO, TiO 2 and WO 3 This is a composite of metal and ceramic in which phase 3 (charge generation material) is dispersed. The inorganic particle dots 2 and the charge generation material 3 are formed as close as possible at the grain boundary of the transparent ceramic matrix. This is to facilitate the transfer of careers.

透明セラミックスマトリックスは、少なくとも可視光に対して透明であることが望ましい。マトリクスが最終形態として透明であることは、光学材料として用いるためには望ましい。また、透明セラミックスマトリックスが絶縁体であることが、量子ドットに注入した電子が量子ドットに留まり続ける為に好ましい。   The transparent ceramic matrix is desirably transparent at least to visible light. It is desirable for the matrix to be transparent as a final form for use as an optical material. In addition, it is preferable that the transparent ceramic matrix is an insulator because electrons injected into the quantum dots remain in the quantum dots.

量子ドットの直径は、約2nm以下であることが望ましい。これは本実施の形態の金属とセラミックの複合体が量子ドットに電子を注入することにより、そのエネルギー準位を変化させることで発現する物理現象を利用するためである。あまりに多数の電子が存在する場合には、電荷注入の影響が相対的に低いものとなり、期待される物理現象が明瞭に発現されなくなる。   The diameter of the quantum dot is desirably about 2 nm or less. This is because the metal-ceramic composite of the present embodiment uses physical phenomena that are manifested by injecting electrons into the quantum dots and changing their energy levels. When there are too many electrons, the influence of charge injection is relatively low, and the expected physical phenomenon is not clearly expressed.

電荷発生材としては、光を照射することによりキャリアを発生できる任意の材料を用いることが出来る。かかる材料としてZnO, TiO2, WO3の中から選ばれた少なくとも1つの材料からなる粒子を利用することが望ましい。またSeおよびSe合金(CdSe, CdSSe, AsSe)及びアモルファスシリコン等の無機光半導体なども挙げられる。これら電荷発生材は単独であっても2種類以上を使用しても良い。散乱等を起こさない為に、直径は50nm以下とすることが望ましい。 As the charge generation material, any material that can generate carriers by irradiating light can be used. As such a material, it is desirable to use particles made of at least one material selected from ZnO, TiO 2 and WO 3 . In addition, Se and Se alloys (CdSe, CdSSe, AsSe), inorganic optical semiconductors such as amorphous silicon, and the like are also included. These charge generation materials may be used alone or in combination of two or more. In order not to cause scattering or the like, the diameter is desirably 50 nm or less.

この金属とセラミックの複合体に光を照射すると、電荷発生材3にキャリアが生成する。生成したキャリアは金属からなる量子ドット2へ移動する。このように高電位を負荷することなく、金属とセラミックの複合体内のほぼ全ての量子ドットにキャリアを注入することが可能となる。   When the composite of metal and ceramic is irradiated with light, carriers are generated in the charge generating material 3. The generated carriers move to the quantum dots 2 made of metal. Thus, it is possible to inject carriers into almost all quantum dots in a metal-ceramic composite without applying a high potential.

本実施形態の金属とセラミックの複合体を製造する方法は、真空蒸着法やスパッタリング法、CVD法などを用いることが可能である。キャリアの授受を円滑に行う為には、量子ドットと電荷発生材を隣接して配置させることが好ましい。その為には、所謂sol-gel法が最も適切な作製方法である。   As a method of manufacturing the composite of metal and ceramic according to this embodiment, a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like can be used. In order to transfer and receive carriers smoothly, it is preferable that the quantum dots and the charge generating material are arranged adjacent to each other. For that purpose, the so-called sol-gel method is the most suitable production method.

(第4の実施の形態)
本実施の形態では、第3の実施の形態による金属とセラミックの複合体について、脱トラップ処理することで、円滑なキャリア注入を可能とする電子注入型屈折率変化素子の製造方法について説明する。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, a method of manufacturing an electron injection type refractive index change element that enables smooth carrier injection by performing a detrapping process on the metal-ceramic composite according to the third embodiment will be described.

第3の実施の形態に係る金属とセラミックの複合体をsol-gel法で作製する場合には、マトリックスの重合や、量子ドットおよび電荷発生材を形成する為の原材料の分解等、化学反応を進める為に、熱処理が必須となる。この熱処理により複数の準位のトラップに熱キャリアが捕獲される現象が起こることが確認された。この場合、0Vに保持しても電流が流れるなど、コントロール不可能な複数の脱トラップが生じる。このために、先に述べたような光励起による量子ドットへの均一なキャリア注入を行うことが不可能になる。そこで、円滑な量子ドットへのキャリア注入を可能とする為の活性化処理が必要となる。初期化する為には、熱処理して作製した金属とセラミックの複合体を可能な限り完全に脱トラップ処理する。具体的には、電場や熱処理、あるいは光を金属とセラミックの複合体に単独あるいは複数組み合わせて脱トラップ処理を行う。   When the composite of metal and ceramic according to the third embodiment is produced by the sol-gel method, chemical reactions such as matrix polymerization and decomposition of raw materials for forming quantum dots and charge generation materials are performed. In order to proceed, heat treatment is essential. It was confirmed that this heat treatment causes a phenomenon that thermal carriers are trapped in a plurality of level traps. In this case, a plurality of traps that cannot be controlled occur, such as a current flowing even if the voltage is held at 0V. For this reason, it becomes impossible to perform uniform carrier injection into the quantum dots by light excitation as described above. Therefore, an activation process is required to enable smooth carrier injection into the quantum dots. For initialization, the metal-ceramic composite produced by heat treatment is detrapped as completely as possible. Specifically, an electric field, heat treatment, or light is removed from the metal / ceramic composite alone or in combination to perform a detrapping process.

透明セラミックスマトリクスの出発原料としては、金属アルコキシドや、金属のアセチルアセトナート、酢酸塩、シュウ酸塩などのカルボン酸塩、硝酸塩や塩化物、オキシ塩化物などの金属無機化合物、微粒子酸化物などが挙げられる。   Starting materials for transparent ceramic matrices include metal alkoxides, metal acetylacetonates, acetates, carboxylates such as oxalates, metal inorganic compounds such as nitrates, chlorides and oxychlorides, and particulate oxides. Can be mentioned.

金属アルコキシドは、一般式M(OR)n (M=Si, B, Al, Ti, Zr, Na, Ca及びSrのうちの単一元素もしくは複数元素)で表される。この金属アルコキシドが最も簡単に金属−酸素の結合からなる重合体を生成することが出来る。Mは金属元素であり単一でも二金属でもよい。Rはメチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基であり、nは金属元素の酸化数である。ORの一部がRであってもよい。   The metal alkoxide is represented by the general formula M (OR) n (M = Si, B, Al, Ti, Zr, Na, Ca, and Sr, a single element or a plurality of elements). This metal alkoxide can most easily form a polymer composed of a metal-oxygen bond. M is a metal element and may be single or bimetallic. R is an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, or a propyl group, and n is the oxidation number of the metal element. A part of OR may be R.

以下、金属アルコキシドを用いた金属とセラミックの複合体、電子注入型屈折率変化素子の製造方法について説明する。   Hereinafter, a method for producing a composite of metal and ceramic using a metal alkoxide and an electron injection type refractive index changing element will be described.

金属アルコキシドをメタノール、エタノール等の有機溶媒に溶解し混合溶液とする。金属アルコキシド以外の上記金属化合物を溶解する為には、エチレングリコールやエチレンオキシド、トリエタノールアミン、キシレン等も使われる。   A metal alkoxide is dissolved in an organic solvent such as methanol or ethanol to obtain a mixed solution. In order to dissolve the above metal compounds other than the metal alkoxide, ethylene glycol, ethylene oxide, triethanolamine, xylene and the like are also used.

金属アルコキシドの加水分解には水が必要になる。量子ドットと電荷発生材の出発原料が水溶液系でない場合には、別途水を加える必要がある。加水分解の触媒として塩酸、硫酸、硝酸、酢酸等の酸やアンモニア等のアルカリを加えることもある。膜が収縮により破壊しやすい場合には、フォルムアミド、ジメチルフォルムアミド等の乾燥制御剤を添加する。   Water is required for hydrolysis of the metal alkoxide. When the starting material of the quantum dot and the charge generation material is not an aqueous solution system, it is necessary to add water separately. An acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid or acetic acid or an alkali such as ammonia may be added as a catalyst for hydrolysis. When the film is easily broken by shrinkage, a drying control agent such as formamide or dimethylformamide is added.

量子ドットと電荷発生材の出発原料は、塩化塩や硝酸塩、酢酸塩等の金属塩を有機溶媒に溶解した溶液系であることが好ましい。金属塩が水溶性であれば、水溶液系でもよい。これは相溶性を利用して、量子ドットと電荷発生材をマトリクスではなく粒界に優先的に析出させる為である。量子ドットを金属に還元する為にホルマリン(HCHO)や水酸化硼素ナトリウム(NaBH4)等の還元剤を加えてもよい。   The starting material for the quantum dots and the charge generating material is preferably a solution system in which a metal salt such as a chloride, nitrate or acetate is dissolved in an organic solvent. If the metal salt is water-soluble, an aqueous solution system may be used. This is because the quantum dots and the charge generating material are preferentially precipitated not at the matrix but at the grain boundaries using the compatibility. In order to reduce the quantum dots to metal, a reducing agent such as formalin (HCHO) or sodium boron hydroxide (NaBH4) may be added.

このようにして作製した前駆体溶液は、必要に応じて室温から150℃で適当な時間維持し、加水分解および縮重合反応等の化学反応を進める。   The precursor solution thus prepared is maintained at room temperature to 150 ° C. for an appropriate time as necessary, and a chemical reaction such as hydrolysis and polycondensation reaction proceeds.

金属とセラミックの複合体膜を形成する場合には、適当な時間だけ反応させ粘度を調整した後にディップコーティングあるいはスピンコーティング等により、支持体となる基板に膜を塗布する。その他ローラー塗布法やドクターブレード法、ローラーコーティング法等でも良い。   In the case of forming a composite film of metal and ceramic, after reacting for an appropriate time to adjust the viscosity, the film is applied to a substrate serving as a support by dip coating or spin coating. In addition, a roller coating method, a doctor blade method, a roller coating method, or the like may be used.

基板としてはSi, GaAs等の半導体単結晶や多結晶、ガラス等を使用することができ、適切な基板を選択することで目的とする素子の形成が可能となる。電極は支持体たる電極表面や、金属とセラミックの複合体の側面や支持体の対面等、素子として利用しやすい面に作製する。この時、金属とセラミックの複合体への光照射が確実に出来るような幾何学的条件を満たす必要がある。   As the substrate, a semiconductor single crystal such as Si or GaAs, polycrystal, glass, or the like can be used, and a desired element can be formed by selecting an appropriate substrate. The electrode is prepared on a surface that can be easily used as an element, such as an electrode surface as a support, a side surface of a composite of metal and ceramic, or a facing surface of the support. At this time, it is necessary to satisfy a geometrical condition so that light irradiation to the metal-ceramic composite can be reliably performed.

基板に塗布した前駆体を加熱することによりマトリクスとなるゲルのガラス化および量子ドットと電荷発生材の結晶粒界への析出が起こる。熱処理は一般に200℃〜1200℃で行うが、量子ドットと電荷発生材の凝集による粗大化を防ぐ為に500℃以下で熱処理することが好ましい。熱処理は、必要に応じてAr, N2等の不活性雰囲気で行うが、通常は大気中でよい。 By heating the precursor applied to the substrate, vitrification of the gel as a matrix and precipitation of the quantum dots and the charge generating material on the crystal grain boundaries occur. The heat treatment is generally performed at 200 ° C. to 1200 ° C., but it is preferable to perform the heat treatment at 500 ° C. or lower in order to prevent coarsening due to aggregation of the quantum dots and the charge generating material. The heat treatment is performed in an inert atmosphere such as Ar, N 2 or the like as necessary, but is usually in the air.

以上sol-gel法による作成例を述べたが、第3の実施形態において説明した透明な金属とセラミックの複合体を作製できればその方法は問わない。   Although the preparation example by the sol-gel method has been described above, the method is not limited as long as the transparent metal-ceramic composite described in the third embodiment can be manufactured.

このようにして作製した金属とセラミックの複合体に対して、光キャリアを生成する為の光照射を行う前に、脱トラップ処理となる初期化処理を行う。この処理は、(1)電場、(2)熱処理、(3)光照射を単独あるいは複数組み合わせて行う。このような処理は、電流値が0Aに近い値となるまで行う。   The composite of metal and ceramic produced in this manner is subjected to an initialization process that is a detrapping process before light irradiation for generating photocarriers. This treatment is performed by (1) electric field, (2) heat treatment, and (3) light irradiation alone or in combination. Such processing is performed until the current value becomes close to 0A.

例えば、電場をかけながら焼成温度よりも低い温度まで加熱し、必要に応じてその温度保持し、電流が低い値でかつ変化が無くなるまで行う。あるいは、光を金属とセラミックの複合体にその電流が低い値でかつ変化が無くなるまで照射する。あるいはまた、コロナチャージで金属とセラミックの複合体表面に正または負の電荷を降らせ外部電場を形成し、かつ試料の下部より昇温することで、効率よい初期化が可能になる。   For example, heating is performed to a temperature lower than the firing temperature while applying an electric field, and the temperature is maintained as necessary, until the current has a low value and there is no change. Alternatively, light is applied to the composite of metal and ceramic until the current is low and there is no change. Alternatively, a positive or negative charge is dropped on the surface of the composite of metal and ceramic by corona charge to form an external electric field, and the temperature is raised from the lower part of the sample, thereby enabling efficient initialization.

上記のように初期化された金属とセラミックの複合体に光を照射することで、電荷発生材にキャリアが生成し、隣接する量子ドットに均一に電荷注入することが可能となる。   By irradiating the composite of metal and ceramic initialized as described above with light, carriers are generated in the charge generation material, and charge can be uniformly injected into adjacent quantum dots.

このようにして電荷注入された金属とセラミックの複合体を、屈折率変化素子として使用することが出来る。量子ドットに電荷を注入することで、1%を越える巨大な屈折率を示す屈折率変化素子とすることが可能である。   Thus, the composite of the metal and ceramic into which the charge is injected can be used as a refractive index changing element. By injecting charges into the quantum dots, it is possible to obtain a refractive index changing element exhibiting a huge refractive index exceeding 1%.

(実施例1)
本発明の第1及び第2の実施形態に係る実施例を説明する。
Example 1
Examples according to the first and second embodiments of the present invention will be described.

第1相である透明母相の原料となるテトラエトキシシラン(以下、TEOSと記す)にエタノール、水、乾燥制御剤のジメチルフォルムアミドおよび触媒の塩酸を加え、室温で4時間混合した。ついで、HAuCl4・4H2Oをエタノールに溶解した溶液、ZnCl2をエタノールに溶解した溶液、および還元剤のホルマリンを添加し、室温で30分混合した。AuおよびZnの添加量は、最終的にAu:Zn=1:4(mol比)となるようにした。またAu量は最終的に0.5vol%となるようにした。比較材として、ZnCl2を添加せずその他は同じ組成の混合溶液を作製した。 Ethanol, water, dimethylformamide as a drying control agent, and hydrochloric acid as a catalyst were added to tetraethoxysilane (hereinafter referred to as TEOS), which is a raw material for the transparent matrix that is the first phase, and mixed at room temperature for 4 hours. Next, a solution in which HAuCl 4 · 4H 2 O was dissolved in ethanol, a solution in which ZnCl 2 was dissolved in ethanol, and a reducing agent formalin were added and mixed at room temperature for 30 minutes. The added amounts of Au and Zn were finally set to Au: Zn = 1: 4 (mol ratio). The Au amount was finally set to 0.5 vol%. As a comparative material, a mixed solution having the same composition was prepared without adding ZnCl 2 .

この混合溶液および比較材混合液をスピンコーターで厚さ1mmのSiO2基板上に塗布した。塗布条件は1000rpm-30sであった。引き続き、試料の熱処理を行った。Arを2l/min.フローした横型電気炉を300℃に維持し、ここに石英ボートに乗せた該試料を挿入した。試料を300℃で30分間保持した後、ArからAirにフローガスを切り替えた。Air流量はAr同様2l/min.とした。この状態で15min.保持したあと、試料を電気炉から取り出した。同じ熱処理を比較材にも行った。 The mixed solution and the comparative material mixed solution were applied onto a 1 mm thick SiO 2 substrate with a spin coater. The application condition was 1000 rpm-30 s. Subsequently, the sample was heat-treated. A horizontal electric furnace in which Ar was flowed at 2 l / min. Was maintained at 300 ° C., and the sample placed on a quartz boat was inserted therein. After holding the sample at 300 ° C. for 30 minutes, the flow gas was switched from Ar to Air. The air flow rate was 2 l / min. After maintaining for 15 minutes in this state, the sample was removed from the electric furnace. The same heat treatment was performed on the comparative material.

試料が室温に冷えた後、吸光光度分析を行った。結果を図3に示す。比較材の結果も併せて示す。比較材では矢印で示したように、530nm付近で表面プラズモンに起因する吸収ピークが認められるが、本実施例の試料には、このようなピークは認められなかった。Auが直径2nm以下になると530/nm付近での表面プラズモンに起因する吸収はなくなるといわれており、上記結果は、微小なAu粒子が形成できたことを示すと考えられる。   After the sample had cooled to room temperature, spectrophotometric analysis was performed. The results are shown in FIG. The result of the comparative material is also shown. In the comparative material, as indicated by an arrow, an absorption peak due to surface plasmon was observed at around 530 nm, but such a peak was not observed in the sample of this example. It is said that the absorption due to surface plasmons near 530 / nm disappears when the Au diameter is 2 nm or less, and the above results are considered to indicate that fine Au particles could be formed.

また、試料のTEMによる断面組織観察も行ったところ、図1に模式的に示した組織が形成されていることが確認された。すなわち非晶質のSiO2 母相に、平均直径1.5nmの金粒子と、これに隣接して平均直径6nmのZnO粒子が観察された。 Further, when the cross-sectional structure of the sample was also observed by TEM, it was confirmed that the structure schematically shown in FIG. 1 was formed. That is, gold particles having an average diameter of 1.5 nm and ZnO particles having an average diameter of 6 nm were observed adjacent to the amorphous SiO 2 matrix.

(実施例2)
本発明の第1及び第2の実施形態に係る実施例を説明する。
(Example 2)
Examples according to the first and second embodiments of the present invention will be described.

第1相である透明母相の原料となるTi(OC3H7)4,i-C3H7OH, 水、触媒のNH(CH2CH2OH)2を加え、室温で3時間混合した。 Ti (OC 3 H 7 ) 4 , iC 3 H 7 OH, water, and catalyst NH (CH 2 CH 2 OH) 2 as raw materials for the transparent mother phase as the first phase were added and mixed at room temperature for 3 hours.

この混合液に、AgNO3をi-C3H7OHに溶解した溶液、およびZn(NO3)2・6H2Oをエタノールに溶解した溶液を添加し、室温で30分混合した。AgおよびZnの添加量は、最終的にAg:Zn=2:3(mol比)となるようにした。またAg量は最終的に0.5vol%となるようにした。比較材として、Zn(NO3)2・6H2O を添加せずその他は本発明と同じ組成の混合溶液を作製した。 A solution in which AgNO 3 was dissolved in iC 3 H 7 OH and a solution in which Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O was dissolved in ethanol were added to this mixed solution, and mixed at room temperature for 30 minutes. The addition amount of Ag and Zn was finally set to Ag: Zn = 2: 3 (mol ratio). The Ag amount was finally set to 0.5 vol%. As a comparative material, a mixed solution having the same composition as that of the present invention was prepared except that Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O was not added.

本実施例の混合溶液および比較材混合液をスピンコーターで厚さ1mmのSiO2基板上に塗布した。塗布条件は1000rpm-30sであった。引き続き該試料の熱処理を行った。Arを2l/min.フローした横型電気炉を300℃に維持し、ここに石英ボートに乗せた該試料を挿入した。試料を300℃で30分間保持した後、ArからAirにフローガスを切り替えた。Air流量はAr同様2l/min.とした。この状態で15min.保持したあと、試料を電気炉から取り出した。同じ熱処理を比較材にも行った。 The mixed solution of this example and the comparative material mixed solution were applied on a SiO 2 substrate having a thickness of 1 mm using a spin coater. The application condition was 1000 rpm-30 s. Subsequently, the sample was heat-treated. A horizontal electric furnace in which Ar was flowed at 2 l / min. Was maintained at 300 ° C., and the sample placed on a quartz boat was inserted therein. After holding the sample at 300 ° C. for 30 minutes, the flow gas was switched from Ar to Air. The air flow rate was 2 l / min. After maintaining for 15 minutes in this state, the sample was removed from the electric furnace. The same heat treatment was performed on the comparative material.

試料が室温に冷えた後、吸光光度分析を行った。比較材では表面プラズモンに起因する吸収ピークが580nmに認められるが、本実施例の試料には、このようなピークは認められなかった。   After the sample had cooled to room temperature, spectrophotometric analysis was performed. In the comparative material, an absorption peak due to surface plasmon was observed at 580 nm, but such a peak was not observed in the sample of this example.

(実施例3)
本発明の第3及び第4の実施の形態に係る実施例を説明する。
(Example 3)
Examples according to the third and fourth embodiments of the present invention will be described.

透明マトリックスの原料となるテトラエトキシシラン(以下TEOSと記す)にエタノール、水、乾燥制御剤のジメチルフォルムアミドおよび触媒の塩酸を加え、室温で4時間混合した。ついでHAuCl4・4H2Oをエタノールに溶解した溶液およびZnCl2をエタノールに溶解した溶液を添加し、室温で30分混合した。Au量は最終的に1vol%となるようにした。比較材として、ZnCl2を添加せずその他は同じ組成の混合溶液を作製した。 Ethanol, water, dimethylformamide as a drying control agent and hydrochloric acid as a catalyst were added to tetraethoxysilane (hereinafter referred to as TEOS) as a raw material for the transparent matrix, and mixed at room temperature for 4 hours. Subsequently, a solution in which HAuCl 4 · 4H 2 O was dissolved in ethanol and a solution in which ZnCl 2 was dissolved in ethanol were added and mixed at room temperature for 30 minutes. The Au amount was finally set to 1 vol%. As a comparative material, a mixed solution having the same composition was prepared without adding ZnCl 2 .

本実施例の混合溶液および比較材混合液をスピンコーターで厚さ1mmのSiO2基板上に塗布した。塗布条件は1000rpm-30sであった。引き続き該試料の熱処理を行った。横型電気炉を300℃に維持し、石英ボートに乗せた該試料を挿入した。試料を300℃で30分間保持した後、試料を電気炉から取り出した。同様の熱処理を比較材にも行った。 The mixed solution of this example and the comparative material mixed solution were applied on a SiO 2 substrate having a thickness of 1 mm using a spin coater. The application condition was 1000 rpm-30 s. Subsequently, the sample was heat-treated. The horizontal electric furnace was maintained at 300 ° C., and the sample placed on a quartz boat was inserted. After holding the sample at 300 ° C. for 30 minutes, the sample was removed from the electric furnace. The same heat treatment was performed on the comparative material.

この試料をTEMで断面組織観察した。図2に模式的に示した組織が形成されていることが確認された。すなわち非晶質のSiO2 マトリックスに、平均直径約1.5nmのAu粒子と、これに隣接して平均直径約5nmのZnO粒子が多数観察された。 The cross-sectional structure of this sample was observed with TEM. It was confirmed that the structure schematically shown in FIG. 2 was formed. That is, a large number of Au particles having an average diameter of about 1.5 nm and a large number of ZnO particles having an average diameter of about 5 nm were observed adjacent to the amorphous SiO 2 matrix.

本実施例の試料および比較材に対して、初期化を行った。出力10mW/cm2の光源から波長700nmの光を照射した。かつ試料下部より200℃で加熱処理を行った。初期化処理は、電流の変化が無くなるまで行った。 Initialization was performed on the sample and comparative material of this example. Light having a wavelength of 700 nm was irradiated from a light source having an output of 10 mW / cm 2 . And heat treatment was performed at 200 ° C. from the lower part of the sample. The initialization process was performed until there was no change in current.

次に図6に示す構成で電気測定を行った。出力10mW/cm2の光源より白色光を本実施例の試料に照射したところ、3pA程度の光電流を生じたが、比較材では全く電流を検知することが無かった。 Next, electrical measurements were performed with the configuration shown in FIG. When the sample of this example was irradiated with white light from a light source with an output of 10 mW / cm 2 , a photocurrent of about 3 pA was generated, but the comparative material did not detect any current at all.

(実施例4)
本発明の第3及び第4の実施形態に係る実施例を説明する。
Example 4
Examples according to the third and fourth embodiments of the present invention will be described.

透明マトリックスの原料となるAl(OC3H7)4,i-C3H7OH, 水を加え、室温で2時間混合した。ついでAgNO3をi-C3H7OHに溶解した溶液および30% 硫酸チタン(IV)溶液を添加し、室温で1時間混合した。Ag量は最終的に3vol%となるようにした。 Al (OC 3 H 7 ) 4 , iC 3 H 7 OH, and water as raw materials for the transparent matrix were added and mixed at room temperature for 2 hours. Then, a solution of AgNO 3 dissolved in iC 3 H 7 OH and a 30% titanium (IV) sulfate solution were added and mixed at room temperature for 1 hour. The Ag amount was finally set to 3 vol%.

本実施例の混合溶液をスピンコーターで、表面にITO電極を作製してある厚さ1mmのSiO2基板上に塗布した。電極が表に出るよう、溶液を一部除去した。引き続き該試料の焼成処理を行った。横型大気炉を400℃に維持し、ここに石英ボートに乗せた該試料を挿入した。試料を400℃で30分間保持した後、試料を電気炉から取り出した。試料は同条件で、2個作製した。さらに試料表面にAu蒸着を行い、対面電極を形成した。 The mixed solution of this example was applied by a spin coater onto a 1 mm thick SiO 2 substrate having an ITO electrode formed on the surface. Part of the solution was removed so that the electrode came out. Subsequently, the sample was fired. A horizontal atmospheric furnace was maintained at 400 ° C., and the sample placed on a quartz boat was inserted therein. After holding the sample at 400 ° C. for 30 minutes, the sample was removed from the electric furnace. Two samples were produced under the same conditions. Further, Au deposition was performed on the sample surface to form a facing electrode.

引き続き第4の実施の形態に記述した初期化処理を1試料に行った。その構成を図5に示す。100Vの電圧を3時間負荷し、電流値に変化が認められなくなるまで処理した。もう1試料は、初期化処理を行わなかった。   Subsequently, the initialization process described in the fourth embodiment was performed on one sample. The configuration is shown in FIG. A voltage of 100 V was applied for 3 hours, and the treatment was continued until no change was observed in the current value. The other sample was not initialized.

引き続き図6に示す構成で電荷注入試験を行った。本実施例の試料は、光を照射しない場合には電流が検出されず、出力10mW/cm2の光源より白色光を照射することで、初めて5pA程度の電流が検出された。これに対して、初期化処理を行わなかった比較材では、光を照射しなくともサブμA オーダーの電流が流れ続けた。 Subsequently, a charge injection test was performed with the configuration shown in FIG. In the sample of this example, no current was detected when no light was irradiated, and a current of about 5 pA was detected for the first time when white light was irradiated from a light source with an output of 10 mW / cm 2 . On the other hand, in the comparative material that was not subjected to the initialization process, a current on the order of sub-μA continued to flow without irradiating light.

(実施例5)
透明マトリックスの原料となるテトラエトキシシラン(以下TEOSと記す)にエタノール、水、乾燥制御剤のジメチルフォルムアミドおよび触媒の塩酸を加え、室温で4時間混合した。ついでHAuCl4・4H2Oをエタノールに溶解した溶液およびZnCl2をエタノールに溶解した溶液を添加し、室温で30分混合した。Au量は最終的に3vol%となるようにした。比較材として、HAuCl4・4H2Oを添加せずその他は本実施例と同じ組成の混合溶液を作製した。
(Example 5)
Ethanol, water, dimethylformamide as a drying control agent and hydrochloric acid as a catalyst were added to tetraethoxysilane (hereinafter referred to as TEOS) as a raw material for the transparent matrix, and mixed at room temperature for 4 hours. Subsequently, a solution in which HAuCl 4 · 4H 2 O was dissolved in ethanol and a solution in which ZnCl 2 was dissolved in ethanol were added and mixed at room temperature for 30 minutes. The amount of Au was finally set to 3 vol%. As a comparative material, a mixed solution having the same composition as in this example was prepared except that HAuCl 4 .4H 2 O was not added.

本実施例の混合溶液および比較材混合液をスピンコーターで厚さ1mmのSiO2基板上に塗布した。引き続き該試料の熱処理を行った。横型電気炉を300℃に維持し、石英ボートに乗せた該試料を挿入した。試料を300℃で30分間保持した後、試料を電気炉から取り出した。同じ熱処理を比較材にも行った。 The mixed solution of this example and the comparative material mixed solution were applied on a SiO 2 substrate having a thickness of 1 mm using a spin coater. Subsequently, the sample was heat-treated. The horizontal electric furnace was maintained at 300 ° C., and the sample placed on a quartz boat was inserted. After holding the sample at 300 ° C. for 30 minutes, the sample was removed from the electric furnace. The same heat treatment was performed on the comparative material.

本実施例および比較材に対して、まず電場による初期化を行った。コロナチャージャーで-6kV負荷し試料表面に外部電場を形成した。かつ試料下部より200℃で加熱処理を行った。初期化処理は、電流値に変化が無くなるまで行った。   Initialization with an electric field was first performed on this example and the comparative material. An external electric field was formed on the sample surface by applying -6kV with a corona charger. And heat treatment was performed at 200 ° C. from the lower part of the sample. The initialization process was performed until there was no change in the current value.

実施例および比較材に、出力10mW/cm2の光源を用いて白色光を照射した。引き続き、図5に示すような構成でR.T.〜200℃の範囲で熱刺激電流測定を行った。Au量子ドットを含む本発明の試料では最大7pA程の電流が検出されたが、比較材では全く電流を検知することが無かった。 Examples and comparative materials were irradiated with white light using a light source with an output of 10 mW / cm 2 . Subsequently, the thermal stimulation current measurement was performed in the range of RT to 200 ° C. with the configuration shown in FIG. In the sample of the present invention containing Au quantum dots, a current of about 7 pA at the maximum was detected, but the current was not detected at all in the comparative material.

本発明の第1の実施形態に係るセラミック複合体の断面模式図1 is a schematic cross-sectional view of a ceramic composite according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係るセラミック複合体の断面模式図Sectional schematic diagram of the ceramic composite body concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第1及び第2の実施形態に係る実施例1における吸光光度分析結果Absorbance analysis results in Example 1 according to the first and second embodiments of the present invention 本発明の第3及び第4の実施形態に係る実施例4の初期化処理概略図Initialization process schematic diagram of Example 4 according to the third and fourth embodiments of the present invention 本発明の第2、第3及び第4の実施形態に係る実施例4の電気測定の概略図Schematic of electrical measurement of Example 4 according to the second, third and fourth embodiments of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1.SiO2(酸化物第1相)
2.Au粒子
3.ZnO(酸化物第2相)
1. SiO 2 (oxide first phase)
2. 2. Au particles ZnO (oxide second phase)

Claims (7)

SiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれる少なくとも1つの材料を含む酸化物第1相と、
前記酸化物第1相の粒界に形成された、Au, Ag, Cu, Pt, Pb及びPdの中から選ばれる少なくとも1つの金属を含む金属粒子と、
前記酸化物第1相の粒界に形成された酸化物第2相であって、前記金属粒子と同種の金属と、ZnO, In2O3または前記酸化物第1相の成分とは異なるSiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれる少なくとも1つの材料とを含む酸化物第2相と、を備えた金属とセラミックの複合体。
A first oxide phase containing at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO;
Metal particles containing at least one metal selected from Au, Ag, Cu, Pt, Pb and Pd, formed at the grain boundaries of the oxide first phase;
A second oxide phase formed at a grain boundary of the first oxide phase, wherein the same kind of metal as the metal particles is different from ZnO, In 2 O 3 or a component of the first oxide phase. A metal and ceramic comprising an oxide second phase comprising at least one material selected from 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO Complex.
前記酸化物第1相が、SiO2のゲルあるいはガラスであり、前記金属がAuであり、前記酸化物第2相がAuを含有したZnOである請求項1記載の金属とセラミックの複合体。 2. The metal-ceramic composite according to claim 1, wherein the first oxide phase is SiO 2 gel or glass, the metal is Au, and the second oxide phase is ZnO containing Au. 3. 前記金属粒子への電子注入による屈折率の変化を利用する、請求項1または2に記載の金属とセラミックの複合体を用いた電子注入型屈折率変化素子。 The electron injection type refractive index changing element using a composite of metal and ceramic according to claim 1 or 2, wherein a change in refractive index due to electron injection into the metal particles is utilized. SiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれる少なくとも1つの成分を含む第1の材料と、Au, Ag, Cu, Pt, Pb及びPdの中から選ばれる少なくとも1つの金属を含む第2の材料と、ZnO, In2O3または第1の材料とは異なるSiO2, B2O3, Al2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, CaO及びSrOの中から選ばれる少なくとも1つを含む第3の材料を用いて、ゲル膜を作製する工程と、
前記ゲル膜を不活性雰囲気中で熱処理し、前記第1の材料の粒界に、前記第2の材料および前記第3の材料を析出させる工程と、
前記第3の材料を酸化する工程とを備えた金属とセラミックの複合体の製造方法。
A first material containing at least one component selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO; and Au, Ag, Cu, Pt SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 different from ZnO, In 2 O 3 or the first material, and a second material containing at least one metal selected from Pb, Pb and Pd Forming a gel film using a third material containing at least one selected from ZrO 2 , Na 2 O, CaO and SrO;
Heat-treating the gel film in an inert atmosphere, and precipitating the second material and the third material at grain boundaries of the first material;
A method for producing a composite of metal and ceramic, comprising the step of oxidizing the third material.
SiO2, B2O3, Al2O3, Na2O, CaO及びSrOから選ばれる少なくとも1つの材料からなる酸化物第1相と、
前記酸化物第1相の粒界に形成された、Au, Pt, Ag, Cu, Pu及びPbから選ばれる少なくとも1つの金属を含む金属粒子と、
前記酸化物第1相の粒界に形成された、ZnO, TiO2, WO3, Se, Se合金及びアモルファスSiから選ばれる少なくとも1つの材料を含む酸化物第2相とを具備する金属とセラミックの複合体。
An oxide first phase composed of at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Na 2 O, CaO and SrO;
Metal particles containing at least one metal selected from Au, Pt, Ag, Cu, Pu and Pb formed at the grain boundary of the oxide first phase;
Metal and ceramic comprising at least one material selected from ZnO, TiO 2 , WO 3 , Se, Se alloy and amorphous Si formed at the grain boundary of the oxide first phase Complex.
前記金属粒子への電子注入による屈折率の変化を利用する、請求項5記載の金属とセラミックの複合体を用いた電子注入型屈折率変化素子。 6. The electron injection type refractive index change element using a composite of metal and ceramic according to claim 5, wherein a change in refractive index due to electron injection into the metal particles is utilized. SiO2, B2O3, Al2O3, Na2O, CaO 及びSrOから選ばれる少なくとも1つの材料からなる酸化物第1相と、前記酸化物第1相の粒界に形成された、Au, Pt, Ag, Cu, Pu及びPbから選ばれる少なくとも1つの金属を含む金属粒子と、前記酸化物第1相の粒界に形成された、ZnO, TiO2及びWO3から選ばれる少なくとも1つの材料を含む酸化物第2相とを具備する金属とセラミックの複合体に、電場付与、熱処理、および光照射のいずれか一つ、もしくは電場付与、熱処理、および光照射のなかの複数を組み合わせた処理を行う電子注入型屈折率変化素子の製造方法。

An oxide first phase composed of at least one material selected from SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 , Na 2 O, CaO and SrO, and a grain boundary of the oxide first phase; Metal particles containing at least one metal selected from Au, Pt, Ag, Cu, Pu and Pb, and at least one selected from ZnO, TiO 2 and WO 3 formed at the grain boundary of the oxide first phase. A composite of a metal and a ceramic having an oxide second phase containing one material, and any one of electric field application, heat treatment, and light irradiation, or a combination of electric field application, heat treatment, and light irradiation. Of manufacturing an electron injection type refractive index changing element.

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