JP2008169053A - 高c軸配向高比表面積ZnO結晶自立膜及びその作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化亜鉛が析出する反応系を用いて、配向性ZnO結晶膜を製造する方法であって、酸化亜鉛が析出する反応系に、エチレンジアミン又はアンモニアを添加し、温度、時間及びpHを調整して保持した後、放冷又は冷却し、酸化亜鉛を析出させて、反応系の液面に浮遊した自立膜又は転写可能膜を形成させることを特徴とする配向性ZnO結晶膜の製造方法、その高c軸配向高比表面積ZnO結晶自立膜、及びZnOデバイス。
【選択図】図2
Description
(1)酸化亜鉛が析出する反応系で析出させた配向性ZnO結晶膜であって、1)自立膜又は転写可能膜であり、2)ZnOナノシートの集積体であり、該ナノシートのサイズは液相面に向かうに従って増加しており、3)気相面は平坦な表面を有し、4)液相面は、ラフネスの凹凸形状の表面を有している、ことを特徴とする配向性ZnO結晶膜。
(2)液相面が、気相面と比べて、ZnOナノシートにより囲まれた多くの微小空間を有し、比表面積の高い多孔体構造を有している、配向性高比表面積ZnO結晶膜である、前記(1)記載の配向性ZnO結晶膜。
(3)ZnO結晶のX線回折パターンが、無配向状態に比べて、c軸に垂直な面からの0002回折線(2θ=34.04°)の相対強度が高いことで特徴付けられる、前記(1)記載のc軸配向ZnO結晶膜。
(4)ZnO結晶のX線回折パターンが、c軸に垂直な面からの0002回折線(2θ=34.04°)以外は観察されないことで特徴付けられる、前記(1)記載の高c軸配向ZnO結晶膜。
(5)酸化亜鉛が析出する反応系を用いて、配向性ZnO結晶膜を製造する方法であって、酸化亜鉛が析出する反応系に、エチレンジアミン又はアンモニアを添加し、温度、時間及びpH条件を適宜調整して保持した後、放冷又は冷却し、酸化亜鉛を析出させて、反応系の液面に浮遊した自立膜又は転写可能膜を形成させることを特徴とする配向性ZnO結晶膜の製造方法。
(6)酸化亜鉛が析出する反応系が、亜鉛含有水溶液又は有機溶媒溶液である、前記(5)記載の配向性ZnO結晶膜の製造方法。
(7)上記反応系の組成及び濃度、温度、時間及びpH条件を適宜調整することにより、配向性ZnO結晶膜として、自立膜又は転写可能膜であって、配向性ZnO結晶膜、配向性高比表面積ZnO結晶膜、c軸配向ZnO結晶膜、又はc軸配向高比表面積ZnO結晶膜を製造する、前記(5)記載の配向性ZnO結晶膜の製造方法。
(8)反応系の温度を、0−99℃の範囲に調整する、前記(5)記載の配向性ZnO結晶膜の製造方法。
(9)前記(1)から(4)のいずれかに記載の配向性ZnO結晶膜からなることを特徴とするZnOデバイス。
本発明は、酸化亜鉛が析出する反応系で析出させた配向性ZnO結晶膜であって、自立膜又は転写可能膜であり、ZnOナノシートの集積体であり、該ナノシートのサイズは液相面に向かうに従って増加しており、気相面は平坦な表面を有し、液相面は、ラフネスの凹凸形状の表面を有し、条件によって、気相面にナノサイズの穴が形成されている、ことを特徴とするものである。
(1)本発明により、気液界面を用いることにより、高c軸配向ZnO結晶自立膜を合成し、提供することができる。
(2)本発明では、この反応において、水溶液からのZnイオンの供給により、ZnOナノシートが気液界面にて成長し、大きなZnO自立膜を形成することができる。
(3)本発明のZnO膜は、高い強度を有しており、自立膜として得ることが可能であり、また、高いc軸配向性を有しており、更に、気相面は平坦であり、液相面はナノシートの集積体から構成される比表面積の高い凹凸構造を有している。
(4)このZnO自立膜は、ポリマーフィルムや、ガラス基板等の任意の基板に転写することが可能であり、この手法により、高c軸配向ZnO自立膜が低温、低コストにて合成でき、また、低耐熱性ポリマーフィルム等へコーティングすることも可能である。
(5)太陽電池やセンサーにおいては、本発明のZnO自立膜を利用することにより、フレキシブル化や軽量化、低コスト化も可能となる。
本実施例では、高c軸配向高比表面積ZnO結晶自立膜を作製した。硝酸亜鉛(Zinc nitrate hexahydrate(Zn(NO3)2・6H2O,>99.0%,MW297.49,Kanto Chemical Co.,Inc.))、エチレンジアミン(ethylenediamine(H2NCH2CH2NH2,>99.0%,MW60.10,Kanto Chemical Co.,Inc.))を、それぞれ15mMとなるように60℃の蒸留水に溶解した。その後、水溶液を60℃で6時間、無撹拌で保持した後、waterbathの加熱をとめ、更に、42時間、waterbath中にて放冷した。この放冷により、数時間後には、水溶液の温度は、室温の25℃まで冷却された。
エチレンジアミンの添加直後、ZnO粒子の均一核生成により、溶液は白濁した。エチレンジアミンは、この反応系において、重要な役割を担っている。
ZnO粒子は、徐々に沈降して溶液底面を白く覆い、溶液は、1時間後には薄白色となり、6時間後には透明となった。溶液の過飽和度は、反応開始1時間程度は高い状態であり、その後、溶液色の変化とともに、減少したものと考えられる。析出時間にともない、気液界面には白色膜が形成し、時間とともに大きく成長した。生成膜は、ピンセット等での取り出し、あるいは基板上への転写に対して、十分な強度を有しており、PETフィルム、Si基板、ガラス基板上等の任意の基板上へ、すくい取り、転写することが可能であった。
(a1) ZnO膜の液相面
(a2) (a1)の拡大写真
(b1) ZnO膜の気相面
(b2) (b2)の拡大写真
(c1) ZnO膜の気相面から見た断面写真
(c2) (c1)の拡大写真
(図3の符号)
(a1) ZnO膜の気相面から見た断面写真
(a2) (a1)の拡大写真
(b1) ZnO膜の液相面から見た断面写真
(b2) (b2)の拡大写真
Claims (9)
- 酸化亜鉛が析出する反応系で析出させた配向性ZnO結晶膜であって、(1)自立膜又は転写可能膜であり、(2)ZnOナノシートの集積体であり、該ナノシートのサイズは液相面に向かうに従って増加しており、(3)気相面は平坦な表面を有し、(4)液相面は、ラフネスの凹凸形状の表面を有している、ことを特徴とする配向性ZnO結晶膜。
- 液相面が、気相面と比べて、ZnOナノシートにより囲まれた多くの微小空間を有し、比表面積の高い多孔体構造を有している、配向性高比表面積ZnO結晶膜である、請求項1記載の配向性ZnO結晶膜。
- ZnO結晶のX線回折パターンが、無配向状態に比べて、c軸に垂直な面からの0002回折線(2θ=34.04°)の相対強度が高いことで特徴付けられる、請求項1記載のc軸配向ZnO結晶膜。
- ZnO結晶のX線回折パターンが、c軸に垂直な面からの0002回折線(2θ=34.04°)以外は観察されないことで特徴付けられる、請求項1記載の高c軸配向ZnO結晶膜。
- 酸化亜鉛が析出する反応系を用いて、配向性ZnO結晶膜を製造する方法であって、酸化亜鉛が析出する反応系に、エチレンジアミン又はアンモニアを添加し、温度、時間及びpH条件を適宜調整して保持した後、放冷又は冷却し、酸化亜鉛を析出させて、反応系の液面に浮遊した自立膜又は転写可能膜を形成させることを特徴とする配向性ZnO結晶膜の製造方法。
- 酸化亜鉛が析出する反応系が、亜鉛含有水溶液又は有機溶媒溶液である、請求項5記載の配向性ZnO結晶膜の製造方法。
- 上記反応系の組成及び濃度、温度、時間及びpH条件を適宜調整することにより、配向性ZnO結晶膜として、自立膜又は転写可能膜であって、配向性ZnO結晶膜、配向性高比表面積ZnO結晶膜、c軸配向ZnO結晶膜、又はc軸配向高比表面積ZnO結晶膜を製造する、請求項5記載の配向性ZnO結晶膜の製造方法。
- 反応系の温度を、0−99℃の範囲に調整する、請求項5記載の配向性ZnO結晶膜の製造方法。
- 請求項1から4のいずれかに記載の配向性ZnO結晶膜からなることを特徴とするZnOデバイス。
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