JP2009088340A - 金属ナノ粒子焼結体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルキルアミンで表面を被覆した平均粒子径1〜100nmの金属ナノ粒子を、沸点100℃以上の有機溶媒中に分散した分散液を、塗布した後、1.5気圧〜10気圧の加圧雰囲気下、100℃〜200℃の温度で加熱処理することで、金属ナノ粒子の表面を被覆するアルキルアミンを効率的に離脱させ、金属ナノ粒子焼結体を形成させる。
【選択図】なし
Description
基板上に、微細な配線パターン形状を有する、金属ナノ粒子焼結体層を製造する方法であって、
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択する、金属ナノ粒子を含有する分散液を用いて、目的とする微細な配線パターン形状を有する塗布層を基板上に描画する工程と、
前記塗布層中に含まれる金属ナノ粒子の焼成処理を行って、金属ナノ粒子焼結体層を形成する工程を有し、
前記分散液中に含有される、金属ナノ粒子は、該金属ナノ粒子表面の金属原子に対して、アミノ基の窒素原子上の孤立電子対を利用して配位的な結合が可能なアルキルアミンにより、表面を被覆されており、
前記アルキルアミンにより表面を被覆されている金属ナノ粒子は、沸点100℃以上の有機溶媒中に分散されており、
該分散液中に、前記沸点100℃以上の有機溶媒は、金属ナノ粒子100質量部当たり、10質量部〜100質量部の範囲で含有されており;
前記金属ナノ粒子の焼成処理は、
加熱温度を、100℃以上、200℃以下の範囲に選択して、
加熱時の周辺雰囲気の圧力を、1.5気圧〜10気圧の範囲に選択される加圧条件下で実施する
ことを特徴とする金属ナノ粒子相互の焼結体の製造方法である。
金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムの金属種の群から選択される、一種の金属からなるナノ粒子、または、二種以上の金属種からなる合金のナノ粒子が利用できる。
還元能を有する気体または化合物の蒸気からなる還元性雰囲気、または、不活性気体中に、還元能を有する気体または化合物の蒸気を含有する混合気体からなる還元性雰囲気であることが好ましい。
金属ナノ粒子の焼成処理における周辺雰囲気は、
水素ガスまたは、不活性気体中に水素ガスを含有する混合気体からなる還元性雰囲気であり、
該還元性雰囲気中における水素ガスの含有率は、1体積%〜100体積%の範囲に選択されている形態を採用することができる。
金属ナノ粒子の焼成処理における周辺雰囲気は、
前記アルコール化合物、あるいはそれらの二種以上の混合物の蒸気からなる還元性雰囲気、または、不活性気体中に、前記アルコール化合物またはそれらの二種以上の混合物の蒸気を含有する混合気体からなる還元性雰囲気であり、
該還元性雰囲気中における前記アルコール化合物の蒸気の含有率は、1体積%〜100体積%の範囲に選択されている形態を採用することができる。
沸点200℃以下の第一級アルコール、エチレングリコール(1,2−エタンジオール)、プロピレングリコール(1,2−プロパンジオール)、1,3−プロパンジオールのいずれかであることが好ましい。
窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、あるいは、それらの二種以上を混合したものであることが望ましい。
不活性気体雰囲気、または、不活性気体中に酸素分子を含有する混合気体の雰囲気であり、
該雰囲気中における酸素分子の含有率は、0体積%〜20体積%の範囲に選択されている形態を採用することもできる。
前記焼成処理は、前記加圧下、密閉容器内において加熱を行うことができる。
分散溶媒として機能する、沸点100℃以上の炭化水素が、金属ナノ粒子100質量部当たり、20質量部〜70質量部の範囲で含有されていることが好ましい。
分散溶媒として機能し、且つ、加熱した際、水素原子の供給源としての機能を有する、沸点100℃以上の炭化水素が、金属ナノ粒子100質量部当たり、20質量部〜70質量部の範囲で含有されている形態を採用できる。その際、分散溶媒として機能し、且つ、加熱した際、水素原子の供給源としての機能を有する、前記沸点100℃以上の炭化水素として、テトラリン(1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン)、または、デカリン(デカヒドロキシナフタレン)を選択すると好ましい。
分散溶媒として機能する、沸点150℃以上、300℃以下の脂肪族アルコールが、金属ナノ粒子100質量部当たり、20質量部〜70質量部の範囲で含有されている形態を採用できる。
Cabsorb(T)/Csol(T)=Kabsorb・exp{ΔEabsorb/(kT)}
で近似的に記述可能な平衡状態となっている。
Ceq。(T)/Ceq。(T0)=exp{−ΔEsol./(kT)}/exp{−ΔEsol./(kT0)}
で記述可能な温度依存性を示す。
Csol(T)/Csol(T0)={Pvapor(T)/Pvapor(T0)}・exp{ΔEvol./(kT)}/exp{ΔEvol./(kT0)}
で記述可能な温度依存性を示す。
まず、ステップ(i)では、金属酸化物:MOのOに対して、テトラリン上、環上のメチレン基(−CH2−)のaxicial配置の水素原子が、>C(H)−H…Oの水素結合型の相互作用を介して、配位する。
その後、以下の部分還元が進行する。
さらに、生成したラジカル種[>C・(H)]に、隣接するメチレン基(−CH2−)から水素原子が供与されて、還元反応が完了する。
また、デカリン上、例えば、9位、ならびに10位の炭素原子は、>CH−のメチン構造となっている。例えば、cis−デカリンでは、9位、ならびに10位の炭素原子上の水素原子二つを利用して、金属酸化物:MOの還元反応を進めることが可能である。
まず、ステップ(i)では、金属酸化物:MOのOに対して、デカリン上、9位の炭素原子のメチン基(>CH−)の水素原子が、>C(CH<)−H…Oの水素結合型の相互作用を介して、配位する。
その後、以下の部分還元が進行する。
さらに、生成したラジカル種[>C・(CH<)]に隣接するメチン基(−CH<)から、水素原子が供与されて、還元反応が完了する。
加えて、アルキルナフテン系炭化水素、例えば、C6H11−CH2−Rは、シクロヘキサン環上にアルキル基:−CH2−Rが連結される炭素原子は、メチン構造:>CH−となっている。このメチン構造:>CH−の水素原子と、隣接するアルキル基:−CH2−Rのメチレン構造:−CH2−の水素原子とを利用して、金属酸化物:MOの還元反応を進めることが可能である。
まず、ステップ(i’)では、金属酸化物:MOのOに対して、シクロアルキル環上のメチン水素(>CH−CH2−R)が、>C(−CH2−R)−H…Oの水素結合型の相互作用を介して、配位する。
その後、以下の部分還元が進行する。
さらに、生成したラジカル種[>C・(−CH2−R)]から、隣接するアルキル基(−CH2−R)のメチレン(−CH2−)から水素原子が供与されて、還元反応が完了する。
その他、水素原子の供給源として機能を有する、沸点100℃以上の炭化水素として、プロピルシクロヘキサン(沸点:156.8℃)、ジシクロヘキサン(沸点:320℃)、ならびに、ライトサイクルオイル(沸点:220〜240℃)等も挙げることができる。
Pmin=(460/T)4 (式1)
一方、金属ナノ粒子相互の融着が進み、全体として、金属ナノ粒子の緻密な焼結体が形成された後、その焼結体内部の隙間空間には、分散溶媒が残余しない状態とする。すなわち、焼成処理が完了した時点では、不要な分散溶媒は、加圧条件下、かかる加熱処理温度において、気化し、蒸散がなされる分散溶媒であることが必要となる。
下記の手順に従って、高流動性ペースト状の銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を調製する。
実施例1で調製される高流動性ペースト状の銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を利用して、基板上に、インクジェット装置を用いて、該銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を塗布し、配線パターンを描画する。描画される配線パターンにおいて、最小の配線線幅は、50μmであり、この描画直後、銀ナノ粒子分散液の塗布層の層厚は、約20μmであった。
実施例1で調製される高流動性ペースト状の銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を利用して、基板上に、インクジェット装置を用いて、該銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を塗布し、配線パターンを描画する。描画される配線パターンにおいて、最小の配線線幅は、50μmであり、この描画直後、銀ナノ粒子分散液の塗布層の層厚は、約20μmであった。
実施例1で調製される高流動性ペースト状の銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を利用して、基板上に、インクジェット装置を用いて、該銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を塗布し、配線パターンを描画する。描画される配線パターンにおいて、最小の配線線幅は、50μmであり、この描画直後、銀ナノ粒子分散液の塗布層の層厚は、約20μmであった。
実施例1で調製される高流動性ペースト状の銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)に対して、その炭化水素溶媒をテトラデカンからデカリンまたはデカノールに変更して、それ以外は、同じ条件、組成を選択して、銀ナノ粒子分散液(銀ナノ粒子インク)を調製した。
Claims (13)
- 基板上に、微細な配線パターン形状を有する、金属ナノ粒子焼結体層を製造する方法であって、
平均粒子径を1〜100nmの範囲に選択する、金属ナノ粒子を含有する分散液を用いて、目的とする微細な配線パターン形状を有する塗布層を基板上に描画する工程と、
前記塗布層中に含まれる金属ナノ粒子の焼成処理を行って、金属ナノ粒子焼結体層を形成する工程を有し、
前記分散液中に含有される、金属ナノ粒子は、該金属ナノ粒子表面の金属原子に対して、アミノ基の窒素原子上の孤立電子対を利用して配位的な結合が可能なアルキルアミンにより、表面を被覆されており、
前記アルキルアミンにより表面を被覆されている金属ナノ粒子は、沸点100℃以上の有機溶媒中に分散されており、
該分散液中に、前記沸点100℃以上の有機溶媒は、金属ナノ粒子100質量部当たり、10質量部〜100質量部の範囲で含有されており;
前記金属ナノ粒子の焼成処理は、
加熱温度を、100℃以上、200℃以下の範囲に選択して、
加熱時の周辺雰囲気の圧力を、1.5気圧〜10気圧の範囲に選択される加圧条件下で実施する
ことを特徴とする金属ナノ粒子相互の焼結体の製造方法。 - 分散液中に含有される、金属ナノ粒子が、
金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムの金属種の群から選択される、一種の金属からなるナノ粒子、または、二種以上の金属種からなる合金のナノ粒子である
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記金属ナノ粒子の焼成処理における周辺雰囲気は、
還元能を有する気体または化合物の蒸気からなる還元性雰囲気、または、不活性気体中に、還元能を有する気体または化合物の蒸気を含有する混合気体からなる還元性雰囲気である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。 - 前記還元能を有する気体は、水素ガスであり、
金属ナノ粒子の焼成処理における周辺雰囲気は、
水素ガスまたは、不活性気体中に水素ガスを含有する混合気体からなる還元性雰囲気であり、
該還元性雰囲気中における水素ガスの含有率は、1体積%〜100体積%の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 前記還元能を有する化合物は、酸化によってオキソ基(=O)またはホルミル基(−CHO)へと変換可能なヒドロキシ基を有するアルコール化合物あるいは、それらの二種以上を混合したものであり、
金属ナノ粒子の焼成処理における周辺雰囲気は、
前記アルコール化合物、あるいはそれらの二種以上の混合物の蒸気からなる還元性雰囲気、または、不活性気体中に、前記アルコール化合物またはそれらの二種以上の混合物の蒸気を含有する混合気体からなる還元性雰囲気であり、
該還元性雰囲気中における前記アルコール化合物の蒸気の含有率は、1体積%〜100体積%の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 前記アルコール化合物は、
沸点200℃以下の第一級アルコール、エチレングリコール(1,2−エタンジオール)、プロピレングリコール(1,2−プロパンジオール)、1,3−プロパンジオールのいずれかである
ことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 前記不活性気体中に水素分子を含有する混合気体において、利用される前記不活性気体は、
窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、あるいは、それらの二種以上を混合したものである
ことを特徴とする請求項3に記載の方法。 - 前記金属ナノ粒子の焼成処理における周辺雰囲気は、
不活性気体雰囲気、または、不活性気体中に酸素分子を含有する混合気体の雰囲気であり、
該雰囲気中における酸素分子の含有率は、0体積%〜20体積%の範囲に選択されている
ことを特徴とする請求項1また2に記載の方法。 - 前記焼成処理は、前記加圧下、密閉容器内において加熱を行う
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。 - 前記分散液中には、分散溶媒として機能する、沸点100℃以上の炭化水素が、金属ナノ粒子100質量部当たり、20質量部〜70質量部の範囲で含有されている
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。 - 前記分散液中には、分散溶媒として機能し、且つ、加熱した際、水素原子の供給源としての機能を有する、沸点100℃以上の炭化水素が、金属ナノ粒子100質量部当たり、20質量部〜70質量部の範囲で含有されている
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。 - 分散溶媒として機能し、且つ、加熱した際、水素原子の供給源としての機能を有する、前記沸点100℃以上の炭化水素が、テトラリン(1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン)、または、デカリン(デカヒドロキシナフタレン)である
ことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 前記分散液中には、分散溶媒として機能する、沸点150℃以上、300℃以下の脂肪族アルコールが、金属ナノ粒子100質量部当たり、20質量部〜70質量部の範囲で含有されている
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
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