JP2009167038A - ZnO SEED LAYER, ZnO WHISKER PATTERN AND METHOD FOR MANUFACTURING THEM - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ZnOシード層、ZnOウィスカーパターン及びそれらの作製方法等に関するものであり、更に詳しくは、本発明は、ZnO結晶を主成分(モル比50%以上)とするアスペクト比2以上のウィスカー形状粒子集積膜パターン、その作製方法及び用途に関するものである。本発明は、例えば、分子センサー、ガスセンサー、溶液センサーや、色素増感型太陽電池等として利用できるZnOウィスカーパターンを提供するものである。 The present invention relates to a ZnO seed layer, a ZnO whisker pattern, a manufacturing method thereof, and the like. More specifically, the present invention relates to a whisker having an aspect ratio of 2 or more containing a ZnO crystal as a main component (molar ratio of 50% or more). The present invention relates to a shaped particle integrated film pattern, a manufacturing method thereof, and an application. The present invention provides a ZnO whisker pattern that can be used as, for example, a molecular sensor, a gas sensor, a solution sensor, a dye-sensitized solar cell, and the like.
酸化亜鉛(ZnO)は、様々な分野において幅広く利用されてきたが、近年、特に、色素増感型太陽電池、分子センサーへの応用や、蛍光特性、透明導電性等への関心が高まっている。また、最近、低環境負荷プロセスへの移行や形態制御能の高さから、溶液プロセスによるZnO結晶の合成も活発に推進されている。 Zinc oxide (ZnO) has been widely used in various fields, but in recent years, in particular, interest in dye-sensitized solar cells, molecular sensors, fluorescence characteristics, transparent conductivity, etc. has increased. . In addition, recently, synthesis of ZnO crystals by a solution process has been actively promoted because of the shift to a low environmental load process and high morphology control ability.
これまでに、例えば、六角柱状ZnO粒子、楕円体ZnO粒子、多針体ZnO粒子の合成が報告されている(非特許文献1)。上記文献では、実験条件を示すと、50℃の酢酸亜鉛水溶液にアンモニア(28%水溶液)を加え、撹拌しながら50℃にて保持したこと、溶液中の酢酸亜鉛濃度、アンモニア濃度は、それぞれ15mM(酢酸亜鉛)、30,60又は90mM(アンモニア)であり、それらのモル比は、([NH3]/[Zn]=2.0,4.0又は6.0)に調整されていること、また、これら3条件でのpHは、それぞれ、pH=7.04,7.50又は8.93であったこと、等が示されている。 So far, for example, synthesis of hexagonal columnar ZnO particles, ellipsoidal ZnO particles, and multi-needle ZnO particles has been reported (Non-Patent Document 1). In the above document, when the experimental conditions are shown, ammonia (28% aqueous solution) was added to a 50 ° C. zinc acetate aqueous solution and kept at 50 ° C. with stirring, and the zinc acetate concentration and ammonia concentration in the solution were 15 mM each. (Zinc acetate), 30, 60, or 90 mM (ammonia), and the molar ratio thereof is adjusted to ([NH 3 ] / [Zn] = 2.0, 4.0, or 6.0). It is also shown that the pH under these three conditions was pH = 7.04, 7.50, or 8.93, respectively.
また、これまでに、ZnOウィスカー粒子の合成及びZnOの形態制御が報告されている(非特許文献2〜12)。また、ZnOウィスカー、ZnOウィスカー膜、酸化亜鉛粒子ならびに酸化亜鉛粒子膜、高c軸配向高比表面積ZnO結晶自立膜が提案されている(特許文献1〜3)。 So far, synthesis of ZnO whisker particles and morphology control of ZnO have been reported (Non-Patent Documents 2 to 12). In addition, ZnO whiskers, ZnO whisker films, zinc oxide particles, zinc oxide particle films, and high c-axis oriented high specific surface area ZnO crystal free-standing films have been proposed (Patent Documents 1 to 3).
最近、ZnOウィスカー膜の形成方法が提案されている。この方法では、酢酸亜鉛溶液を基板に塗布した後、350℃の高温条件にて大気加熱を行うことにより、ZnO多結晶のシード層を作製し、そのシード層を用いることにより、ZnOウィスカー膜を形成している(特許文献4)。 Recently, a method for forming a ZnO whisker film has been proposed. In this method, after a zinc acetate solution is applied to a substrate, a ZnO polycrystalline seed layer is formed by heating in the atmosphere under a high temperature condition of 350 ° C., and by using the seed layer, a ZnO whisker film is formed. (Patent Document 4).
しかし、シード層の形成のためには、350℃程度以上の高温での加熱処理が必要であり、従来、高温加熱処理を伴わないシード層形成については報告されていない。そのため、ポリマー基板等の低耐熱性基板上にZnOウィスカー膜を形成することができないという問題があった。 However, in order to form the seed layer, heat treatment at a high temperature of about 350 ° C. or higher is necessary, and conventionally, no seed layer formation without high temperature heat treatment has been reported. Therefore, there has been a problem that a ZnO whisker film cannot be formed on a low heat resistant substrate such as a polymer substrate.
また、FTOやITO基板上にシード層やZnOウィスカー膜を形成する際に、高温加熱処理に伴うFTO層あるいはITO層の抵抗増加が引き起こされていた。ZnOウィスカー膜を色素増感型太陽電池やセンサーとして使用する場合、FTOやITO層の抵抗増加は、デバイス特性の劣化に直結する大きな課題である。 Further, when a seed layer or a ZnO whisker film is formed on an FTO or ITO substrate, an increase in the resistance of the FTO layer or the ITO layer accompanying a high temperature heat treatment has been caused. When a ZnO whisker film is used as a dye-sensitized solar cell or a sensor, an increase in resistance of the FTO or ITO layer is a big problem that directly leads to deterioration of device characteristics.
また、これまで、室温以上の加熱処理及び乾燥処理を経ないシード層の形成は報告されていない。ZnOウィスカーの常温合成により、低耐熱性基板や複雑形状固体表面へのシード層形成、低温・低消費エネルギープロセス、開放系装置での合成、等を実現することが求められている。FTOコーティングガラス基板やITOコーティングガラス基板に代えて、導電膜コーティングポリマー等のポリマーフィルムを基板に用いることができれば、曲げられるフレキシブルデバイスの実現、軽量化、低コスト化、薄層化等を実現することができる。 Moreover, formation of the seed layer which does not pass through the heat treatment and drying treatment at room temperature or higher has not been reported so far. Realization of ZnO whiskers at room temperature requires the formation of a seed layer on a low heat resistant substrate or a complex solid surface, a low temperature / low energy consumption process, synthesis in an open system, and the like. If a polymer film such as a conductive film coating polymer can be used for the substrate instead of the FTO coated glass substrate or ITO coated glass substrate, it will be possible to realize a flexible device that can be bent, light weight, low cost, thin layer, etc. be able to.
また、これまで、ZnOウィスカーパターンの形成は報告されていない。デバイス作製のためには、基板全面へのZnOウィスカー形成ではなく、デバイスに合わせて、所定の箇所にのみZnOウィスカーを形成する必要がある。また、反応容器壁面などへのZnOウィスカーの形成は抑制する必要がある。 In addition, formation of a ZnO whisker pattern has not been reported so far. In order to fabricate a device, it is necessary to form ZnO whiskers only at predetermined locations in accordance with the device, not to form ZnO whiskers on the entire surface of the substrate. Moreover, it is necessary to suppress the formation of ZnO whiskers on the reaction vessel wall surface.
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、デバイス作製のために必要な所定の箇所のみにZnOウィスカーを作製したZnOウィスカーパターン化技術を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、パターン化シード層上にZnOウィスカーパターンを形成することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、上記従来の事情を鑑みてなされたものであり、光照射によりパターン化シード層を形成するとともに、パターン化シード層上に形成されたZnOウィスカーパターンを提供し、かつそれらの作製方法及び用途を提供することを目的とするものである。 Under such circumstances, the present inventors have set a goal of developing a ZnO whisker patterning technology in which ZnO whiskers are produced only at predetermined locations necessary for device production in view of the above-described conventional technology. As a result of intensive research, the present inventors have succeeded in forming a ZnO whisker pattern on the patterned seed layer, and completed the present invention. The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and forms a patterned seed layer by light irradiation, provides a ZnO whisker pattern formed on the patterned seed layer, and a method for producing them. And it aims at providing a use.
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)酸化亜鉛が析出する反応系で、パターン化されたシード層を介して基板上に析出させたZnOウィスカーパターンであって、基板表面上のシード層の上にZnOウィスカーが結晶成長した構造を有し、c軸方向に異方成長したZnOウィスカーが、基板に垂直及び/又は非垂直方向に直立して配向成長しており、シード層が、FE−SEM観察により、観察されない程度の薄さであり、多結晶ZnOシード層を有しないことを特徴とするZnOウィスカーパターン。
(2)酸化亜鉛が析出する反応系が、硝酸亜鉛溶液又は酢酸亜鉛溶液である、前記(1)に記載のZnOウィスカーパターン。
(3)基板が、FTO、ガラス、シリコン、金属、セラミックス、又はポリマーの基板である、前記(1)に記載のZnOウィスカーパターン。
(4)基板が、平板状、粒子、繊維、又は複雑形状の形態を有する、前記(1)に記載のZnOウィスカーパターン。
(5)シード層が、無水酢酸亜鉛シード層、ZnOナノ粒子シード層、又は単結晶ZnOシード層である、前記(1)に記載のZnOウィスカーパターン。
(6)ZnOウィスカーパターンを作製する方法であって、基板上に酢酸亜鉛水和物又は硝酸亜鉛水和物の層の領域と無水酢酸亜鉛又は無水硝酸亜鉛の層の領域を形成し、これを酸化亜鉛が析出する所定の温度の反応系に浸漬してシード層の無水酢酸亜鉛又は無水硝酸亜鉛の層をZnOナノ粒子又は単結晶の結晶層に変えるとともに、該ZnO結晶層の上にZnOウィスカーを結晶成長させることによりZnOウィスカーパターンを作製することを特徴とするZnOウィスカーパターンの作製方法。
(7)基板上に酢酸亜鉛水和物又は硝酸亜鉛水和物の層の領域を形成し、これにフォトマスクを介して光照射して、無水酢酸亜鉛又は無水硝酸亜鉛の層の領域を形成する、前記(6)に記載のZnOウィスカーパターンの作製方法。
(8)反応系の温度が0〜99℃である、前記(6)又は(7)に記載のZnOウィスカーパターンの作製方法。
(9)基板が、FTO、ガラス、シリコン、金属、セラミックス、又はポリマーの基板である、前記(6)から(8)のいずれかに記載のZnOウィスカーパターンの作製方法。
(10)基板が、平板状、粒子、繊維、又は複雑形状の形態を有する、前記(6)か(9)のいずれかに記載のZnOウィスカーパターンの作製方法。
(11)反応系の温度、原料濃度、及び/又はpH条件、あるいはシード層の緻密化の程度を調整することにより、ZnOウィスカーパターンの緻密の程度を調整する又はウィスカーの数密度を1−1000本/μm2に制御する、前記(6)から(10)のいずれかに記載のZnOウィスカーパターンの作製方法。
(12)前記(1)から(5)のいずれかに記載のZnOウィスカーパターンからなるナノ構造体を構成要素として含むことを特徴とする高導電性部材。
(13)部材が、分子センサー、ガスセンサー、又は色素増感型太陽電池である、前記(12)に記載の高導電性部材。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A ZnO whisker pattern deposited on a substrate through a patterned seed layer in a reaction system in which zinc oxide is deposited, and a structure in which ZnO whiskers are grown on the seed layer on the substrate surface ZnO whiskers grown anisotropically in the c-axis direction are oriented and grown upright in the vertical and / or non-vertical directions with respect to the substrate, and the seed layer is thin enough not to be observed by FE-SEM observation. A ZnO whisker pattern characterized by having no polycrystalline ZnO seed layer.
(2) The ZnO whisker pattern according to (1), wherein the reaction system in which zinc oxide is precipitated is a zinc nitrate solution or a zinc acetate solution.
(3) The ZnO whisker pattern according to (1), wherein the substrate is an FTO, glass, silicon, metal, ceramic, or polymer substrate.
(4) The ZnO whisker pattern according to (1), wherein the substrate has a form of a flat plate, a particle, a fiber, or a complex shape.
(5) The ZnO whisker pattern according to (1), wherein the seed layer is an anhydrous zinc acetate seed layer, a ZnO nanoparticle seed layer, or a single crystal ZnO seed layer.
(6) A method for producing a ZnO whisker pattern, wherein a layer region of zinc acetate hydrate or zinc nitrate hydrate and a region of anhydrous zinc acetate or anhydrous zinc nitrate layer are formed on a substrate. It is immersed in a reaction system at a predetermined temperature at which zinc oxide is deposited to convert the anhydrous zinc acetate or anhydrous zinc nitrate layer of the seed layer into a ZnO nanoparticle or single crystal crystal layer, and a ZnO whisker on the ZnO crystal layer. A method for producing a ZnO whisker pattern, characterized in that a ZnO whisker pattern is produced by crystal growth.
(7) A zinc acetate hydrate or zinc nitrate hydrate layer region is formed on a substrate, and this is irradiated with light through a photomask to form anhydrous zinc acetate or anhydrous zinc nitrate layer region. The manufacturing method of the ZnO whisker pattern as described in said (6).
(8) The method for producing a ZnO whisker pattern according to (6) or (7), wherein the temperature of the reaction system is 0 to 99 ° C.
(9) The method for producing a ZnO whisker pattern according to any one of (6) to (8), wherein the substrate is an FTO, glass, silicon, metal, ceramic, or polymer substrate.
(10) The method for producing a ZnO whisker pattern according to any one of (6) and (9), wherein the substrate has a form of flat plate, particle, fiber, or complex shape.
(11) Adjusting the degree of densification of the ZnO whisker pattern by adjusting the temperature, raw material concentration, and / or pH condition of the reaction system, or the degree of densification of the seed layer, or the number density of whiskers is 1-1000 controlled to the / [mu] m 2, the method for manufacturing a ZnO whisker pattern according to any one of (6) from (10).
(12) A highly conductive member comprising a nanostructure comprising the ZnO whisker pattern according to any one of (1) to (5) as a constituent element.
(13) The highly conductive member according to (12), wherein the member is a molecular sensor, a gas sensor, or a dye-sensitized solar cell.
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、光照射によりシード層を合成すること、及び該シード層の上にZnOウィスカーパターンを形成することを最も主要な特徴とする。本発明の方法では、光照射によりパターン化シード層を形成し、そのシード層を用いて、ZnOウィスカーパターンを形成することができる。ここで、ウィスカー状粒子(ひげ状粒子、針状粒子、棒状粒子、ロッド状粒子を含む。)とは、アスペクト比が2以上の異方性粒子を指す。アスペクト比とは、長さ/直径の比のことで、球状粒子や立方体粒子では1、針状粒子や棒状粒子やウィスカー状粒子では1以上となる。
Next, the present invention will be described in more detail.
The main feature of the present invention is to synthesize a seed layer by light irradiation and to form a ZnO whisker pattern on the seed layer. In the method of the present invention, a patterned seed layer is formed by light irradiation, and a ZnO whisker pattern can be formed using the seed layer. Here, whisker-like particles (including whisker-like particles, needle-like particles, rod-like particles, and rod-like particles) refer to anisotropic particles having an aspect ratio of 2 or more. The aspect ratio is a ratio of length / diameter, which is 1 for spherical particles and cubic particles, and 1 or more for needle-like particles, rod-like particles, and whisker-like particles.
また、光照射により、基板表面を処理することで、ZnOウィスカーの形成を促進あるいは抑制することができる。シード層とは、無水酢酸亜鉛シード層ならびにZnOナノ粒子シード層及び単結晶AnO層を指す他、ZnOウィスカーの形成を促進する層及び表面を指す。本発明の方法では、ZnOウィスカー形成のためのパターン化シード層形成を、350℃程度以上の高温加熱処理を経ずに合成することができる。シード層形成のための亜鉛含有溶液には、後記する実施例の酢酸亜鉛溶液の他、硝酸亜鉛溶液等の亜鉛含有溶液を用いることができる。また、亜鉛を含む溶液であれば、各種水溶液も用いることができる。 Moreover, the formation of ZnO whiskers can be promoted or suppressed by treating the substrate surface with light irradiation. The seed layer refers to an anhydrous zinc acetate seed layer, a ZnO nanoparticle seed layer and a single crystal AnO layer, as well as a layer and a surface that promote the formation of ZnO whiskers. In the method of the present invention, the formation of the patterned seed layer for forming the ZnO whisker can be synthesized without high-temperature heat treatment at about 350 ° C. or higher. As the zinc-containing solution for forming the seed layer, a zinc-containing solution such as a zinc nitrate solution can be used in addition to the zinc acetate solution of Examples described later. Various aqueous solutions can also be used as long as the solution contains zinc.
亜鉛あるいは亜鉛イオンを含む物質を基板表面に付着させることができるプロセスであれば、溶液の付着にとどまらず、硝酸亜鉛粉末を吹き付ける等の処理も用いることができる。溶液によるコーティングの場合、ディップコーティングやスピンコーティングの他、溶液を基板表面に付着させることができるプロセスであれば、引き上げ法や噴霧法等、各種の手法を用いることができる。 As long as it is a process capable of attaching zinc or a substance containing zinc ions to the substrate surface, not only the attachment of the solution but also a treatment such as spraying zinc nitrate powder can be used. In the case of coating with a solution, in addition to dip coating and spin coating, various methods such as a pulling method and a spraying method can be used as long as the process can attach the solution to the substrate surface.
亜鉛含有溶液の光照射は、ZnOウィスカー形成を促進するために用いており、照射ランプ波長、照射ランプ強度、温度や雰囲気・処理時間等の条件変更も可能である他、ZnOウィスカー形成を促進するシード層形成処理あるいは表面処理であれば、加熱処理や溶液処理も用いることができる。 The light irradiation of the zinc-containing solution is used to promote the formation of ZnO whiskers. Conditions such as irradiation lamp wavelength, irradiation lamp intensity, temperature, atmosphere and treatment time can be changed, and the formation of ZnO whiskers is promoted. Heat treatment or solution treatment can be used as long as it is a seed layer forming treatment or surface treatment.
亜鉛含有溶液の光照射によるシード層形成の他、ZnOウィスカー形成を促進するシード層形成処理あるいは表面処理であれば、水溶液からのZnO結晶の析出処理等も用いることができる。 In addition to the formation of a seed layer by light irradiation of a zinc-containing solution, a ZnO crystal precipitation treatment from an aqueous solution can be used as long as it is a seed layer formation treatment or surface treatment that promotes the formation of ZnO whiskers.
本プロセスで形成されるシード層に代えて、アモルファスZnOや、酢酸亜鉛等の亜鉛含有物質あるいはそれらの混合物を用いることもできる。本プロセスで形成されるZnOシード層に代えて、単結晶ZnO層を用いることもできる。 Instead of the seed layer formed in this process, amorphous ZnO, a zinc-containing material such as zinc acetate, or a mixture thereof can be used. Instead of the ZnO seed layer formed by this process, a single crystal ZnO layer can also be used.
本プロセスで形成されるZnOシード層に代えて、単結晶ZnO層等を用いることで、ウィスカーを同一方向に傾斜させたり、配向させることができる。本プロセスで形成されるZnOシード層に代えて、亜鉛を含まない他のシード層を用いることもできる。 By using a single crystal ZnO layer or the like instead of the ZnO seed layer formed in this process, the whiskers can be tilted or oriented in the same direction. Instead of the ZnO seed layer formed by this process, other seed layers not containing zinc can also be used.
溶液条件によって、本プロセスで形成されるZnOシード層に代えて、疎水性表面や親水性表面を用いることもできる。溶液条件によって、本プロセスで形成されるシード層以外の表面処理を用いることもできる。 Depending on the solution conditions, a hydrophobic surface or a hydrophilic surface can be used instead of the ZnO seed layer formed in this process. Depending on the solution conditions, a surface treatment other than the seed layer formed in this process can be used.
FTO基板以外に、ガラス、シリコン、金属、セラミックス、ポリマー等の種々の基板を用いることができる。また、平板状基板以外に、粒子基材、繊維基材、複雑形状の形態の基材も用いることができる。 In addition to the FTO substrate, various substrates such as glass, silicon, metal, ceramics, and polymer can be used. In addition to the flat substrate, a particle substrate, a fiber substrate, or a substrate having a complicated shape can also be used.
ZnOウィスカーパターン形成のための亜鉛含有水溶液には、後記する実施例の硝酸亜鉛溶液の他、酢酸亜鉛溶液等の亜鉛含有水溶液を用いることができる。また、酸化亜鉛が析出する反応系であれば、有機溶液等の、非水溶液反応系も用いることができる。 As the zinc-containing aqueous solution for forming the ZnO whisker pattern, a zinc-containing aqueous solution such as a zinc acetate solution can be used in addition to the zinc nitrate solution of Examples described later. In addition, a non-aqueous solution reaction system such as an organic solution can be used as long as it is a reaction system in which zinc oxide is deposited.
酸化亜鉛が析出する反応系であれば、水熱反応等も用いることができる。ヘキサメチレンテトラアミンに代えて、エチレンジアミンやアンモニア等を用いることができる。また、ヘキサメチレンテトラアミン等を添加せず、反応系の温度や原料濃度、pHを変化させて、ZnOを析出させることもできる。 A hydrothermal reaction or the like can also be used as long as it is a reaction system in which zinc oxide is precipitated. Instead of hexamethylenetetraamine, ethylenediamine, ammonia or the like can be used. Further, ZnO can be deposited by changing the temperature, raw material concentration, and pH of the reaction system without adding hexamethylenetetraamine or the like.
ポリエチレンイミンに代えて、アミノ基を有するポリマー、モノマー等の有機分子を用いることができる。また、ポリエチレンイミン等を添加せず、反応系の温度や原料濃度、pHを変化させて、ZnOを析出させることもできる。反応系の温度も、原料濃度、添加剤、pH等に合わせて、水溶液の凝固点以上、かつ沸点以下(およそ0−99℃)の範囲で適宜調整することができる。 Instead of polyethyleneimine, organic molecules such as amino group-containing polymers and monomers can be used. Further, ZnO can be deposited by changing the temperature, raw material concentration, and pH of the reaction system without adding polyethyleneimine or the like. The temperature of the reaction system can also be appropriately adjusted in the range of the freezing point of the aqueous solution and below the boiling point (approximately 0-99 ° C.) according to the raw material concentration, additives, pH and the like.
ウィスカーパターンの作製の際、FTO基板以外に、ガラス、シリコン、金属、セラミックス、ポリマー等の種々の基板を用いることができる。また、平板状基板以外に、粒子基材、繊維基材、複雑形状の形態の基材も用いることができる。 In producing the whisker pattern, various substrates such as glass, silicon, metal, ceramics, and polymer can be used in addition to the FTO substrate. In addition to the flat substrate, a particle substrate, a fiber substrate, or a substrate having a complicated shape can also be used.
ZnOウィスカーの下部に、緻密な層等の適宜の層を形成することもできる。この層により機械的強度が向上する。ZnOウィスカーの下部に、緻密な層等の層を形成しないこともできる。緻密な層がないことにより、ウィスカー下部まで、連続孔を形成できる。また、下地層による抵抗増加を抑制することができる。 An appropriate layer such as a dense layer can be formed below the ZnO whisker. This layer improves the mechanical strength. It is also possible not to form a layer such as a dense layer below the ZnO whisker. Since there is no dense layer, continuous holes can be formed up to the lower portion of the whisker. Further, an increase in resistance due to the underlayer can be suppressed.
平坦基板を使用する等により、ウィスカーを基板に垂直に成長させることができる。凹凸基板を使用する等により、ウィスカーを基板に非垂直に成長させることができる。このことにより、ウィスカー膜内での開気孔を増加させることもできる。基板処理の調整等により、基板に垂直なウィスカーと非垂直なウィスカーを混合して成長させることができる。 Whiskers can be grown perpendicular to the substrate, such as by using a flat substrate. Whiskers can be grown non-perpendicularly on the substrate, such as by using an uneven substrate. This can also increase the open pores in the whisker membrane. By adjusting the substrate processing or the like, whiskers perpendicular to the substrate and non-vertical whiskers can be mixed and grown.
溶液条件の調整やシード層の緻密化等で、単位基板面積当たりのウィスカーの数を増やすことができる。後記する実施例では、約100本/μm2である。溶液条件の調整やシード層の緻密化などで、ウィスカー膜ではなく、連続した緻密膜とすることができる。 The number of whiskers per unit substrate area can be increased by adjusting the solution conditions and densifying the seed layer. In an example described later, the number is about 100 / μm 2 . By adjusting the solution conditions and densifying the seed layer, a continuous dense film can be formed instead of a whisker film.
溶液条件の調整やシードをまばらに配置させる等の手法で、ウィスカー膜を粗な膜にしたり、ウィスカー1本だけを形成させることもできる。ウィスカーの数密度は、実施例では、約100本/μm2である。 The whisker film can be formed into a rough film or only one whisker can be formed by adjusting the solution conditions or arranging the seeds sparsely. The number density of whiskers is about 100 / μm 2 in the embodiment.
溶液条件の調整やシード層の緻密化、まばら配置等で、ウィスカーの数密度を、1−1000本/μm2で制御可能である。また、数密度の測定が困難なウィスカー連続体あるいは連続膜とすることも可能であり、多孔質膜や緻密膜も形成することもできる。 The number density of whiskers can be controlled at 1-1000 pieces / μm 2 by adjusting the solution conditions, densifying the seed layer, sparse arrangement, and the like. Moreover, it is also possible to use a whisker continuous body or a continuous film in which it is difficult to measure the number density, and it is also possible to form a porous film or a dense film.
溶液条件の調整等で、ウィスカーではなく、多針体ウィスカーや、螺旋、放射状粒子、等の様々な形の固体を析出あるいは付着させることができる。光照射には、低圧水銀ランプに代えて、エキシマランプ、電子線、真空紫外光、紫外光、可視光、赤外光、マイクロ波等の波長の光を用いることもできる。 By adjusting the solution conditions, various shaped solids such as multi-needle whiskers, spirals, and radial particles can be deposited or adhered instead of whiskers. For light irradiation, light of a wavelength such as an excimer lamp, electron beam, vacuum ultraviolet light, ultraviolet light, visible light, infrared light, or microwave can be used instead of the low-pressure mercury lamp.
本発明の方法では、パターン化シード層をもとに、ZnO結晶をウィスカー形状へと異方結晶成長させ、基板に垂直方向にZnOウィスカーが配向成長したZnOウィスカー膜を形成する。ウィスカー膜は、高い比表面積、高い導電率、ウィスカー間空間制御性を両立させることのできるナノ構造体であり、例えば、分子センサー、ガスセンサー、色素増感型太陽電池等において、高い特性を発現できるものと期待される。 In the method of the present invention, a ZnO crystal is anisotropically grown into a whisker shape on the basis of a patterned seed layer, and a ZnO whisker film in which ZnO whiskers are oriented and grown in a direction perpendicular to the substrate is formed. Whisker films are nanostructures that can achieve both high specific surface area, high electrical conductivity, and spatial controllability between whiskers. For example, they exhibit high characteristics in molecular sensors, gas sensors, dye-sensitized solar cells, etc. It is expected to be possible.
本発明では、光照射によりシード層の室温形成を実現しているため、低耐熱性基板や複雑形状固体表面へのシード層形成、低温・低消費エネルギープロセス、開放系装置での合成、等の利点を有している。また、溶液プロセスを用いてZnOウィスカーパターンの形成を実現しているため、低耐熱性基板や複雑形状固体表面へのウィスカー膜形成、低温・低消費エネルギープロセス、開放系装置での合成、等の利点を有している。 In the present invention, since the seed layer is formed at room temperature by light irradiation, the seed layer is formed on the surface of a low heat resistant substrate or a complex solid, a low temperature / low energy consumption process, synthesis in an open system, etc. Has advantages. In addition, the formation of ZnO whisker patterns using a solution process enables the formation of whisker films on low heat resistant substrates and complex-shaped solid surfaces, low temperature / low energy consumption processes, synthesis in open systems, etc. Has advantages.
本発明により、次のような効果が奏される。
(1)シード層を、光照射により形成することができる。特に、シード層を、光照射により、室温で形成することができる。
(2)そのため、従来必要とされていた、350℃程度以上での高温加熱処理を必要としない。そのため、ポリマー基板等の低耐熱性基板上にZnOウィスカーパターンを形成することができる。
(3)FTOコーティングガラス基板やITOコーティングガラス基板に代えて、導電膜コーティングポリマー等のポリマーフィルムを基板に用いた際、曲げられるフレキシブルデバイスの実現、軽量化、低コスト化、薄層化等を実現することができる。
(4)FTOやITO基板上にZnOウィスカー膜を形成する際、従来はシード層形成における高温加熱処理によりFTO層あるいはITO層の抵抗増加が引き起こされていたが、これらの抵抗増加を回避することができる。
(5)シード層及びZnO結晶の異方成長を用いて、ZnOウィスカーパターンを水溶液中において合成することができる。
(6)気相プロセスを用いていないため、簡便な装置で、低コストにて、平板及び複雑形状等の固体表面にウィスカー膜を作製することができる。
(7)水熱処理や高温・長時間のZnO結晶化処理を経ることなく、ウィスカーパターンを得ることができる。
(8)ウィスカー膜は、高い比表面積、高い導電率、ウィスカー間空間制御性を両立させることのできるナノ構造体であり、分子センサー、ガスセンサー、色素増感型太陽電池等において、高い特性を発現できるものと期待される。
The present invention has the following effects.
(1) The seed layer can be formed by light irradiation. In particular, the seed layer can be formed at room temperature by light irradiation.
(2) Therefore, high-temperature heat treatment at about 350 ° C. or higher, which has been conventionally required, is not required. Therefore, a ZnO whisker pattern can be formed on a low heat resistant substrate such as a polymer substrate.
(3) Instead of FTO coated glass substrate or ITO coated glass substrate, when a polymer film such as conductive film coating polymer is used for the substrate, realization of flexible device that can be bent, weight reduction, cost reduction, thinning, etc. Can be realized.
(4) When forming a ZnO whisker film on an FTO or ITO substrate, the resistance increase of the FTO layer or the ITO layer was conventionally caused by the high-temperature heat treatment in the seed layer formation. Can do.
(5) A ZnO whisker pattern can be synthesized in an aqueous solution using anisotropic growth of the seed layer and ZnO crystal.
(6) Since a vapor phase process is not used, a whisker film can be formed on a solid surface such as a flat plate or a complicated shape with a simple apparatus at low cost.
(7) A whisker pattern can be obtained without undergoing hydrothermal treatment or high-temperature / long-time ZnO crystallization treatment.
(8) The whisker film is a nanostructure that can achieve both high specific surface area, high electrical conductivity, and spatial controllability between whiskers, and has high characteristics in molecular sensors, gas sensors, dye-sensitized solar cells, and the like. Expected to be expressed.
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。尚、以下の実施例では、亜鉛含有溶液の65℃、24時間保持によりシード層を形成しているが、0−99℃の非高温加熱処理条件下でも同様にシード層を形成することができた。 EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples. In the following examples, the seed layer is formed by holding the zinc-containing solution at 65 ° C. for 24 hours. However, the seed layer can be similarly formed even under non-high temperature heat treatment conditions of 0-99 ° C. It was.
本実施例では、FTO基板上へコーティングした酢酸亜鉛二水和物水溶液層に、光照射を行うことで、シード層を形成した。また、この際、フォトマスクを介して露光することにより、露光領域のみを変性してパターン化シード層を形成した。更に、このパターン化シード層を、硝酸亜鉛等の溶解した水溶液に浸漬をすることにより、シード層領域にのみZnOウィスカーを形成し、ZnOウィスカーパターンを作製した。 In this example, the seed layer was formed by irradiating the zinc acetate dihydrate aqueous solution layer coated on the FTO substrate with light. At this time, the patterned seed layer was formed by modifying only the exposed region by exposing through a photomask. Furthermore, this patterned seed layer was immersed in an aqueous solution in which zinc nitrate or the like was dissolved to form ZnO whiskers only in the seed layer region, and a ZnO whisker pattern was produced.
その概要を説明すると、プロセス1として、酢酸亜鉛二水和物のエタノール溶液をFTO基板にコーティングして、FTO基板上に、酢酸亜鉛二水和物の層を形成した。次に、プロセス2として、フォトマスクを介して、FTO基板に光照射した。それにより、露光領域のみ、酢酸亜鉛二水和物が無水酢酸亜鉛に変性し、結晶水が除去され、FTO基板上に、無水酢酸亜鉛の領域と酢酸亜鉛二水和物の領域を形成した。 In brief, as Process 1, an ethanol solution of zinc acetate dihydrate was coated on an FTO substrate to form a layer of zinc acetate dihydrate on the FTO substrate. Next, as process 2, the FTO substrate was irradiated with light through a photomask. Thereby, only in the exposed area, zinc acetate dihydrate was denatured into anhydrous zinc acetate, crystal water was removed, and an area of anhydrous zinc acetate and an area of zinc acetate dihydrate were formed on the FTO substrate.
更に、プロセス3として、上記FTO基板を硝酸亜鉛水溶液に浸漬してZnOウィスカーパターンを形成した。それにより、無水酢酸亜鉛がZnOに変わることにより、ZnOナノ粒子シード層が生成され、ZnOナノ粒子シード層上にZnOウィスカーが結晶成長した。 Further, as process 3, the FTO substrate was immersed in an aqueous zinc nitrate solution to form a ZnO whisker pattern. Thereby, the anhydrous zinc acetate was changed to ZnO, thereby producing a ZnO nanoparticle seed layer, and ZnO whiskers were grown on the ZnO nanoparticle seed layer.
結晶構造は、XRD(XRD;RINT−2100V,Rigaku)にて評価した。結晶形態及び微細構造は、FE−SEM(FE−SEM;JSM−6335FM,JEOL Ltd.)及び透過型電子顕微鏡(TEM;H−9000UHR,300kV,Hitachi)にて観察した。 The crystal structure was evaluated by XRD (XRD; RINT-2100V, Rigaku). The crystal morphology and microstructure were observed with an FE-SEM (FE-SEM; JSM-6335FM, JEOL Ltd.) and a transmission electron microscope (TEM; H-9000UHR, 300 kV, Hitachi).
(1)シード層の作製
シード層の作製及び該シード層を用いたZnOウィスカーパターンの形成の概要を図1に示す。酢酸亜鉛二水和物(zinc acetate dihydrate(Zn(CH3COO)2・2H2O,99%))を無水エタノール中に溶解した。この時の酢酸亜鉛二水和物濃度は、0.01M(mol/L)であった。
(1) Production of Seed Layer FIG. 1 shows an outline of production of a seed layer and formation of a ZnO whisker pattern using the seed layer. Zinc acetate dihydrate (Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O, 99%)) was dissolved in absolute ethanol. The concentration of zinc acetate dihydrate at this time was 0.01M (mol / L).
洗浄したFTO基板上に、酢酸亜鉛二水和物溶液を4回スピンコーティングした。酢酸亜鉛二水和物溶液をスピンコーティングしたFTO基板に、フォトマスクを介して、下記の条件により、紫外線照射を1時間行った。
(照射条件)
フォトマスク:凸版印刷製、テストチャート
紫外線照射装置:低圧水銀ランプ、セン特殊光源製、SUV110GS−36、110W、low pressure UV lamp(SUV110GS−36,SEN Light Corporation)
大気、常圧条件下の照射距離(基板とランプの距離):2.0cm
A zinc acetate dihydrate solution was spin-coated four times on the cleaned FTO substrate. The FTO substrate on which the zinc acetate dihydrate solution was spin-coated was irradiated with ultraviolet rays for 1 hour through a photomask under the following conditions.
(Irradiation conditions)
Photomask: letterpress printing, test chart UV irradiation device: low pressure mercury lamp, manufactured by Sen Special Light Source, SUV110GS-36, 110W, low pressure UV lamp (SUV110GS-36, SEN Light Corporation)
Irradiation distance under atmospheric pressure and atmospheric pressure (distance between substrate and lamp): 2.0cm
この光照射により、露光領域の酢酸亜鉛二水和物中の結晶水が除去され、無水酢酸亜鉛に変化した。また、非露光領域は、酢酸亜鉛二水和物のままであった。 By this light irradiation, the water of crystallization in the zinc acetate dihydrate in the exposed area was removed and changed to anhydrous zinc acetate. Also, the unexposed areas remained as zinc acetate dihydrate.
(2)ZnOウィスカー膜の作製
硝酸亜鉛(zinc nitrate hexahydrate(Zn(NO3)2・6H2O,99%))0.1M、ヘキサメチレンテトラアミン(hexamethylenetetramine(HMT,C6H12N4,99%))0.1M、0.02Mのポリエチレンイミン(polyethylenimine(PEI,(C2H5N)n,branched mean molecular weight of 600,99%))の混合水溶液を、200ml調製した。
(2) Preparation of ZnO whisker film Zinc nitrate (zinc nitrate hexahydrate (Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O, 99%)) 0.1M, hexamethylenetetramine (HMT, C 6 H 12 N 4 , 99%)) 0.1M, 0.02M polyethylenimine (PEI, (C 2 H 5 N) n , branched mean molecular weight of 600, 99%)) was prepared in an amount of 200 ml.
パターン化シード層を形成したFTO基板を、反応溶液の入ったビーカーに斜め下向きに浸漬し、無撹拌にて30分間保持した。ZnOウィスカーパターンのSEM像を図2に示す。(a−d)は、ZnOウィスカーパターンである。(e)は、ZnOウィスカー形成領域の拡大像である。挿入図は、ZnOウィスカーの六角形先端部分である。(f)は、非露光領域基板表面である。 The FTO substrate on which the patterned seed layer was formed was immersed obliquely downward in a beaker containing the reaction solution, and held for 30 minutes without stirring. An SEM image of the ZnO whisker pattern is shown in FIG. (Ad) is a ZnO whisker pattern. (E) is an enlarged image of the ZnO whisker formation region. The inset is the hexagonal tip of the ZnO whisker. (F) is a non-exposed region substrate surface.
光露光領域に、ZnOウィスカーが形成された。一方の、非露光領域には、ZnOウィスカーは形成されなかった。これにより、領域選択的に、ZnOウィスカーを形成し、ZnOウィスカーパターンを作製した[図2(a−d)]。また、光露光領域に形成したZnOウィスカー膜は、緻密であった[図2(e)]。 ZnO whiskers were formed in the light exposure region. On the other hand, no ZnO whiskers were formed in the non-exposed areas. Thus, ZnO whiskers were formed selectively in a region, and a ZnO whisker pattern was produced [FIG. 2 (a-d)]. Moreover, the ZnO whisker film formed in the light exposure region was dense [FIG. 2 (e)].
ZnOウィスカー先端は、六角形であった[図2(e)挿入図]。ZnOが六角柱状のウィスカーであることを示している。ZnOの六方晶の結晶構造を反映して六角柱状に成長したものと考えられる。また、六方晶の結晶構造において、六角形の面は、c軸に垂直なc面である。このことから、ウィスカーの六角形の面も、ZnOのc面であると考えられる。更に、ウィスカーの長手方向は、c軸方向であると考えられる。 The tip of the ZnO whisker was a hexagon [FIG. 2 (e) inset]. ZnO is a hexagonal columnar whisker. It is thought that the hexagonal columnar crystal structure was grown reflecting the hexagonal crystal structure of ZnO. In the hexagonal crystal structure, the hexagonal plane is a c-plane perpendicular to the c-axis. From this, the hexagonal surface of the whisker is also considered to be the c-plane of ZnO. Furthermore, the longitudinal direction of the whisker is considered to be the c-axis direction.
一方、非露光領域には、ZnOウィスカーは成長しなかった[図2(f)]。これは、酢酸亜鉛二水和物がZnOウィスカーの成長を促進するシード層として機能しないことを示している。ZnOウィスカーパターンのXRD回折パターンを図3に示す。FTO基板表面のSnO2由来の回折線が見られる。 On the other hand, ZnO whiskers did not grow in the non-exposed areas [FIG. 2 (f)]. This indicates that zinc acetate dihydrate does not function as a seed layer that promotes the growth of ZnO whiskers. The XRD diffraction pattern of the ZnO whisker pattern is shown in FIG. A diffraction line derived from SnO 2 on the surface of the FTO substrate can be seen.
また、析出物由来ピークはZnOに帰属された(JCPDS card(36−1451)for the typical wurtzite−type ZnO crystal(hexagonal,P63mc))。また、無水酢酸亜鉛由来の回折ピークは観察されなかった。 In addition, the precipitate-derived peak was attributed to ZnO (JCPDS card (36-1451) for the typical wurtzite-type ZnO crystal (hexagonal, P6 3 mc)). Further, no diffraction peak derived from anhydrous zinc acetate was observed.
ZnOの各回折線の相対強度は、ランダム配向のZnOにおける相対強度とは異なるものであった。強い0002回折線と、弱い10−10、10−11、10−12、10−20、10−13の回折線が観察された。これは、c軸方向に異方成長したZnOウィスカーが、基板に垂直方向に直立して配向成長していることを示している。 The relative intensity of each diffraction line of ZnO was different from the relative intensity of randomly oriented ZnO. Strong 0002 diffraction lines and weak 10-10, 10-11, 10-12, 10-20, 10-13 diffraction lines were observed. This indicates that the ZnO whiskers grown anisotropically in the c-axis direction are oriented and grown upright in the direction perpendicular to the substrate.
無水酢酸亜鉛コーティング領域上に成長したZnO膜のTEM像を図4に示す。ZnOウィスカーが、FTO基板に対して、隙間を有さず密接して形成していることが示されている。ZnOウィスカーとFTO基板との間に、無水酢酸亜鉛は観察されなかった。これらは、無水酢酸亜鉛が溶解したことを示している。 FIG. 4 shows a TEM image of the ZnO film grown on the anhydrous zinc acetate coating region. It is shown that the ZnO whiskers are closely formed with no gap with respect to the FTO substrate. No anhydrous zinc acetate was observed between the ZnO whiskers and the FTO substrate. These indicate that anhydrous zinc acetate was dissolved.
また、無処理FTO基板上ではZnOウィスカーの形成が促進されないことを踏まえると、無水酢酸亜鉛が強制加水分解を受けて極薄いZnO結晶層(ナノ粒子層)を形成したものと考えられる。その極薄いZnO結晶層を基点としてZnOウィスカーが形成しているため、ZnOウィスカーとFTO基板間には、大きなZnO結晶粒子等は観察されないものと考えられる。 Further, in view of the fact that formation of ZnO whiskers is not promoted on the untreated FTO substrate, it is considered that anhydrous zinc acetate was subjected to forced hydrolysis to form an extremely thin ZnO crystal layer (nanoparticle layer). Since ZnO whiskers are formed based on the extremely thin ZnO crystal layer, it is considered that no large ZnO crystal particles or the like are observed between the ZnO whiskers and the FTO substrate.
本プロセスで形成したZnOウィスカー膜は、FTO基板との間に、多結晶ZnOシード層を有しないことが示されたが、これは、ZnOウィスカー膜とFTO基板との間に多結晶ZnOシード層を有する先行技術(特願2007−146232)のZnOウィスカー膜及びその作製方法とは明らかに異なるものである。 It has been shown that the ZnO whisker film formed by this process does not have a polycrystalline ZnO seed layer between the ZnO whisker film and the FTO substrate. This is clearly different from the ZnO whisker film of the prior art (Japanese Patent Application No. 2007-146232) and the manufacturing method thereof.
ZnOウィスカー膜とFTO基板との間に多結晶ZnOシード層を有しないため、ZnOシード層による抵抗増加、可視光透過率低下、付着力低下、機械的強度低下を抑制することができる。 Since there is no polycrystalline ZnO seed layer between the ZnO whisker film and the FTO substrate, it is possible to suppress an increase in resistance, a decrease in visible light transmittance, a decrease in adhesion, and a decrease in mechanical strength due to the ZnO seed layer.
無水酢酸亜鉛は、4つの酸素原子と四面体構造を形成している。この四面体が、酢酸基により連なっている。酢酸の配位子は二座配位ではない(文献:Capilla,A.V.;Aranda,R.A.Crystal Structure Communications 1979,8,795)。 Anhydrous zinc acetate forms a tetrahedral structure with four oxygen atoms. This tetrahedron is connected by acetic acid groups. The ligand for acetic acid is not bidentate (literature: Capilla, AV; Aranda, RA Crystal Structure Communications 1979, 8, 795).
酢酸亜鉛二水和物においては、亜鉛は、8面体である。いずれの酢酸基も二座配位である。基本構造体は、強い水素結合によりリンクしており、2次元シート構造を形成している。また、このシート間は、弱いファンデルワールス力により結合されているだけである(文献:Van NiekerK,J.N.;Schoening,F.R.L.;talbot,J.H.Acta Crystallographica 1953,6,720)。 In zinc acetate dihydrate, zinc is octahedral. All acetate groups are bidentate. The basic structure is linked by a strong hydrogen bond to form a two-dimensional sheet structure. In addition, the sheets are connected only by a weak van der Waals force (reference: Van Nieker K, JN; Schooning, FR, talbot, JH Actaloglographica 1953, 6,720).
また、酢酸亜鉛二水和物の水に対する溶解度(43%)に比べて、無水酢酸亜鉛の水に対する溶解度は23%と低いことが知られている(室温での溶解度)。そのため、硝酸亜鉛水溶液への基板浸漬の際に、酢酸亜鉛二水和物は容易に溶解してしまうのに対し、無水酢酸亜鉛は、容易には溶解せず、ZnOへ変化できたものと考えられる。 Further, it is known that the solubility of anhydrous zinc acetate in water is as low as 23% (solubility at room temperature) compared to the solubility of zinc acetate dihydrate in water (43%). For this reason, zinc acetate dihydrate easily dissolves when the substrate is immersed in an aqueous zinc nitrate solution, whereas anhydrous zinc acetate does not dissolve easily and can be converted to ZnO. It is done.
FTO基板及びZnOシードレイヤー形成後のFTO基板表面のFE−SEM像の観察によると、未処理FTO基板表面は、SnO2層によって被覆されているが、その表面は数十nm〜数百nmの凹凸を有していた。 According to the observation of the FE-SEM image of the FTO substrate and the FTO substrate surface after the formation of the ZnO seed layer, the untreated FTO substrate surface is covered with the SnO 2 layer, but the surface is several tens to several hundreds of nm. It had irregularities.
また、ZnOシード層形成処理により、その凹凸に沿って、表面を20nm以下のZnO粒子にて被覆した。シード層を形成しているZnOナノ粒子量がごくわずかであるため、シード層形成後のFTO基板のXRDからは、ZnOの回折線は観察されなかった。 Moreover, the surface was coat | covered with the ZnO particle | grains of 20 nm or less along the unevenness | corrugation by the ZnO seed layer formation process. Since the amount of ZnO nanoparticles forming the seed layer was very small, no ZnO diffraction line was observed from the XRD of the FTO substrate after the seed layer was formed.
シード層を形成したFTO基板を、硝酸亜鉛水溶液に浸積した後のSEM写真によると、直径30−150nmのZnOウィスカーが基板に垂直方向に成長し、FTO表面を緻密に被覆していた。また、そのウィスカー長(ウィスカー膜の膜厚)も均一であった。 According to the SEM photograph after the FTO substrate on which the seed layer was formed was immersed in an aqueous zinc nitrate solution, ZnO whiskers having a diameter of 30 to 150 nm grew in the direction perpendicular to the substrate, and the FTO surface was densely covered. The whisker length (whisker film thickness) was also uniform.
拡大像からは、ウィスカーが六角形の断面形状を有することが示されたが、これは、ZnOが六方晶の結晶構造を有すること及び生成したZnOが単結晶であることに起因している。 The enlarged image shows that the whisker has a hexagonal cross-sectional shape, which is due to the fact that ZnO has a hexagonal crystal structure and the generated ZnO is a single crystal.
ZnOウィスカー膜の断面像及び傾斜像によると、ディップコーティングより、シード層を形成した場合、単位基板面積当たりのウィスカーの数(数密度)は、100本/μm2であった。 According to the cross-sectional image and tilted image of the ZnO whisker film, when the seed layer was formed by dip coating, the number (number density) of whiskers per unit substrate area was 100 / μm 2 .
長さの揃ったZnOウィスカーがFTO表面から成長し、緻密なウィスカー膜を形成している様子が示された。また、FTO表面の凹凸に依存し、傾斜を持って成長しているウィスカーも多く見られた。断面SEMより見積もられるウィスカーの長さは、約900nmであった。 It was shown that ZnO whiskers with uniform lengths grew from the FTO surface and formed a dense whisker film. In addition, many whiskers were grown with an inclination depending on the unevenness of the FTO surface. The length of the whisker estimated from the cross section SEM was about 900 nm.
また、ディップコーティングに代えて、スピンコーティングによりZnOシード層の形成を行うことで、ZnOウィスカーの直径を揃えることにも成功した。また、溶液濃度0.025Mでは直径30−80nmのウィスカーが生成し、濃度0.1Mでは直径0.9−1.5μmのウィスカーが生成した。 Moreover, it succeeded also in equalizing the diameter of a ZnO whisker by forming a ZnO seed layer by spin coating instead of dip coating. In addition, whiskers having a diameter of 30 to 80 nm were generated at a solution concentration of 0.025M, and whiskers having a diameter of 0.9 to 1.5 μm were generated at a concentration of 0.1M.
この様に、広範囲の濃度条件において、ZnOウィスカー膜を形成させることが可能であり、溶液濃度の増加に伴い、ZnOウィスカーのサイズを増加させることも可能である。また、ZnOシード層を用いることにより、FTO、ITO、アモルファスガラス、シリコン等の様々な基板上にZnOウィスカー膜を形成させることができる。 In this manner, a ZnO whisker film can be formed under a wide range of concentration conditions, and the size of the ZnO whisker can be increased as the solution concentration increases. In addition, by using a ZnO seed layer, a ZnO whisker film can be formed on various substrates such as FTO, ITO, amorphous glass, and silicon.
高分解能TEM観察及び電子線回折像からは、ZnOウィスカーが単結晶ZnOであることが示された。また、ウィスカーはc軸方向((0001)方向)に異方成長していることも示された。 High-resolution TEM observation and electron diffraction images showed that the ZnO whiskers were single crystal ZnO. It was also shown that whiskers grew anisotropically in the c-axis direction ((0001) direction).
TEM像より見積もられた格子間隔は0.26nmであり、ZnOの(0002)面間隔と一致していた。SEM観察から見られる様に、ZnOウィスカー膜は、ナノサイズの開気孔を多く有していた。 The lattice spacing estimated from the TEM image was 0.26 nm, which coincided with the (0002) plane spacing of ZnO. As can be seen from SEM observation, the ZnO whisker film had many nano-sized open pores.
また、そのウィスカーはTEM観察から見られる様に、c軸方向に異方成長した単結晶ZnOであった。これらの単結晶ZnOは、非極性面で囲まれており、ZnO粉末においては、非極性面(−1010)はCOガスに対して高い吸着特性を示すことが報告されている(文献:Scarano,D.;Spoto,G.;Bordiga,S.;Zecchina,A.;Lamberti,C.Surf.Sci.1992,276,(1−3),281−298)。 The whiskers were single crystal ZnO grown anisotropically in the c-axis direction as seen from TEM observation. These single crystal ZnOs are surrounded by nonpolar faces, and in the ZnO powder, it has been reported that the nonpolar faces (−1010) exhibit high adsorption characteristics for CO gas (reference: Scarano, Spoto, G .; Bordiga, S .; Zecchina, A .; Lamberti, C. Surf. Sci. 1992, 276, (1-3), 281-298).
このことから、ZnOウィスカーも高い吸着特性を有すると考えられる。更に、単結晶であり、ウィスカー膜領域に粒界が存在しないことから、粒界による抵抗増加を回避することに成功している。ZnOウィスカー膜の有する、ナノサイズの開気孔、高表面積、高導電率、高吸着特性により、色素増感センサーあるいは色素増感型太陽電池としての高い特性が期待される。 From this, it is considered that ZnO whiskers also have high adsorption characteristics. Furthermore, since it is a single crystal and there is no grain boundary in the whisker film region, it has succeeded in avoiding an increase in resistance due to the grain boundary. High characteristics as a dye-sensitized sensor or dye-sensitized solar cell are expected due to the nano-sized open pores, high surface area, high conductivity, and high adsorption characteristics of the ZnO whisker film.
結晶成長のメカニズムについては、ZnOウィスカーは、とがった先端と、平坦な六角形面を、6枚の長方形でつないだ形状を有している。ウィスカー膜においては、基板から遠ざかるに従い、ウィスカー形は徐々に細くなり、針状の形状に近づいて行く。 Regarding the crystal growth mechanism, the ZnO whisker has a shape in which a sharp tip and a flat hexagonal surface are connected by six rectangles. In the whisker film, as the distance from the substrate is increased, the whisker shape gradually becomes thinner and approaches a needle-like shape.
一般的に、ウルツ鉱型ZnO結晶は六方晶系の結晶構造を有し、6つの非極性(10−10)面と、極性酸素面(000−1)及び極性亜鉛面(0001)により構成されている。表面に分極を有する極性面は、非極性面に比べて、熱力学的に安定性が低い。そのため、結晶の表面エネルギーを減少させるために、再配列が行われ、結晶成長速度が速くなる傾向がある。 Generally, a wurtzite ZnO crystal has a hexagonal crystal structure and is composed of six nonpolar (10-10) planes, a polar oxygen plane (000-1), and a polar zinc plane (0001). ing. Polar surfaces with polarization on the surface are thermodynamically less stable than nonpolar surfaces. Therefore, rearrangement is performed to reduce the surface energy of the crystal, and the crystal growth rate tends to increase.
良く知られている様に、結晶成長速度の速い結晶面は、より速く消失することになる。そのため、結晶は、遅い成長速度の結晶面で覆われた形態を示すことになる。水熱条件下における各結晶面の成長速度は、以下の様に報告されている。V(0001)>V(−101−1)>V(−1010)>V(−1011)>V(000−1)(文献:(1)Zhang,H.;Yang,D.;Ji,Y.J.;Ma,X.F.;X.,J.;Que,D.L.J.Phys.Chem.B 2004,108,3955−3958、(2)Laudies,R.A.;Ballman,A.A.J.Phys.Chem.1960,64,688−691)。 As is well known, crystal planes with a high crystal growth rate disappear faster. Therefore, the crystal exhibits a form covered with a crystal plane having a slow growth rate. The growth rate of each crystal plane under hydrothermal conditions has been reported as follows. V (0001)> V (-101-1)> V (-1010)> V (-1011)> V (000-1) (reference: (1) Zhang, H .; Yang, D .; Ji, Y Ma, X.F .; X., J.; Que, DLJ Phys.Chem.B 2004, 108, 3955-3958, (2) Ladies, RA; AA AJ Phys. Chem. 1960, 64, 688-691).
そのため、最も安定な形態は、c軸方向に延長した六角柱状である。本反応系の添加剤であるPEIは、その長い分子鎖の中に、多くのアミノ基を有している。これらのアミノ基は、特定結晶面に選択吸着して表面自由エネルギーや結晶成長速度に大きな影響を及ぼすことが知られている(文献:Sousa,V.C.;Segadaes,A.M.;Morelli,M.R.;Kiminami,R.Int.J.Inorg.Mater.1999,1,(3−4),235−241)。 Therefore, the most stable form is a hexagonal column extending in the c-axis direction. PEI which is an additive of this reaction system has many amino groups in its long molecular chain. These amino groups are known to selectively adsorb on specific crystal planes and have a large effect on surface free energy and crystal growth rate (reference: Sousa, VC; Segadas, AM; Morelli). Kiminami, R. Int. J. Inorg. Mater. 1999, 1, (3-4), 235-241).
そのため、本反応系においても、PEIが非極性面に吸着して結晶成長を抑制したことにより、極性面である(0001)と(000−1)の成長速度が高くなったものと考えられる。また、ZnOシード層上でのウィスカー成長の場合、シード層により不均一核生成が促進されてZnOシード上でのZnOウィスカー形成が行われ、その後、基板と接触している極性面は成長できないため、基板に垂直方向に異方成長が進行したものと考えられる。そのため、ZnOシード層と接触している面は、六角形面を呈し、成長端であるウィスカー先端は、とがった先端を有しているものと考えられる。 Therefore, also in this reaction system, it is considered that the growth rate of (0001) and (000-1), which are polar faces, is increased because PEI adsorbs to the nonpolar face and suppresses crystal growth. In addition, in the case of whisker growth on the ZnO seed layer, heterogeneous nucleation is promoted by the seed layer and ZnO whisker formation is performed on the ZnO seed, and thereafter, a polar surface in contact with the substrate cannot be grown. It is considered that anisotropic growth progressed in the direction perpendicular to the substrate. Therefore, it is considered that the surface in contact with the ZnO seed layer has a hexagonal surface, and the whisker tip that is the growth end has a sharp tip.
以上詳述したように、本発明は、ZnOシード層、ZnOウィスカーパターン及びそれらの作製方法に係るものであり、本発明により、シード層及びZnO結晶の異方成長を用いて、ZnOウィスカーパターンを水溶液中において合成することができる。そのため、従来必要とされていた、350℃程度以上での高温加熱処理を必要としない。そのため、ポリマー基板等の低耐熱性基板上にZnOウィスカーパターンを形成することができる。本発明により、FTOコーティングガラス基板やITOコーティングガラス基板に代えて、導電膜コーティングポリマー等のポリマーフィルムを基板に用いた際、曲げられるフレキシブルデバイスの実現、軽量化、低コスト化、薄層化等を実現することができる。また、FTOやITO基板上にZnOウィスカー膜を形成する際、従来はシード層形成における高温加熱処理によりFTO層あるいはITO層の抵抗増加が引き起こされていたが、これらの抵抗増加を回避することができる。本発明では、気相プロセスを用いていないため、簡便な装置で、低コストにて、平板及び複雑形状等の固体表面にウィスカー膜を作製することができる。本発明のウィスカー膜は、高い比表面積、高い導電率、ウィスカー間空間制御性を両立させることのできるナノ構造体であり、分子センサー、ガスセンサー、色素増感型太陽電池等において、高い特性を発現できるものとして有用である。 As described above in detail, the present invention relates to a ZnO seed layer, a ZnO whisker pattern, and a manufacturing method thereof. According to the present invention, a ZnO whisker pattern is formed using anisotropic growth of a seed layer and a ZnO crystal. It can be synthesized in an aqueous solution. Therefore, the high-temperature heat treatment at about 350 ° C. or higher, which has been conventionally required, is not required. Therefore, a ZnO whisker pattern can be formed on a low heat resistant substrate such as a polymer substrate. According to the present invention, when a polymer film such as a conductive film coating polymer is used for a substrate instead of an FTO coated glass substrate or an ITO coated glass substrate, a flexible device that can be bent, weight reduction, cost reduction, thinning, etc. Can be realized. In addition, when forming a ZnO whisker film on an FTO or ITO substrate, the resistance increase of the FTO layer or the ITO layer was conventionally caused by the high-temperature heat treatment in the seed layer formation, but this increase in resistance can be avoided. it can. In the present invention, since a vapor phase process is not used, a whisker film can be formed on a solid surface such as a flat plate or a complicated shape with a simple apparatus at low cost. The whisker film of the present invention is a nanostructure that can achieve both high specific surface area, high conductivity, and spatial controllability between whiskers, and has high characteristics in molecular sensors, gas sensors, dye-sensitized solar cells and the like. It is useful as something that can be expressed.
Claims (13)
The highly conductive member according to claim 12, wherein the member is a molecular sensor, a gas sensor, or a dye-sensitized solar cell.
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