JP2009538948A - Preparation and production of coating solutions - Google Patents

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Abstract

カチオン界面活性剤を含むマイクロエマルションを用いた加水分解反応を介して吸湿性前駆体溶液から製造され、場合によっては金属有機CSD−溶液を、酸化金属に対して50%未満の割合で混合した濃縮酸化ナノ粒子分散液から構成される緻密なメソスコープのセラミックス膜を作製するためのコーティング溶液。混合されたCSD−溶液の課題は、そのために必要な焼結温度も下げ、ナノスケールの不均質性またはドーピングを有する別の金属を組み合わせたセラミックス複合膜を使用することによっても生じ、密度も増大させることである。  Concentrated produced from a hygroscopic precursor solution via a hydrolysis reaction using a microemulsion containing a cationic surfactant, optionally mixed with a metal organic CSD-solution in a proportion of less than 50% with respect to the metal oxide Coating solution for producing a dense mesoscopic ceramic film composed of oxide nanoparticle dispersion. The challenge of mixed CSD-solutions also arises by lowering the sintering temperature required therefor, and also by using ceramic composite membranes combined with other metals with nanoscale inhomogeneities or doping, increasing density It is to let you.

Description

本発明は、特に緻密なセラミックス膜を得るためのコーティング用溶液の作製方法並びにその制作物に関する。   The present invention relates to a method for preparing a coating solution for obtaining a particularly dense ceramic film, and a product thereof.

エレクトロセラミックス薄膜の、コンデンサを超小型化するためのマイクロエレクトロニクス、メモリビルディングブロック(DRAM、FRAM)およびマイクロ波共振器への使用が増えている。この超小型化傾向は、これまでは膜厚約1〜100μmの「テープキャスティング(Tape Casting)」(箔引き抜き法)などの典型的な厚膜法で作製されてきた離散的多層コンデンサ(MLCC)などでも見られる。コンデンサのこの方式は、例えばチタン酸バリウムから成るセラミックス誘電膜と、交互に接合されたニッケルまたはパラジウムなどから成る金属電極膜とが、順に並んだ層により構成される。これまでに達成された、チタン酸バリウムから成る誘電体の膜厚下限値は、1μmの範囲で上下している。   Electroceramic thin films are increasingly being used in microelectronics, memory building blocks (DRAM, FRAM) and microwave resonators for miniaturizing capacitors. This trend toward ultra-miniaturization is due to the discrete multilayer capacitors (MLCC) that have been fabricated by typical thick film methods such as “Tape Casting” (foil drawing method) having a film thickness of about 1 to 100 μm. Etc. This type of capacitor is constituted by a layer in which a ceramic dielectric film made of, for example, barium titanate and a metal electrode film made of nickel, palladium, or the like, which are alternately joined, are arranged in order. The film thickness lower limit value of the dielectric made of barium titanate achieved so far has been raised and lowered in the range of 1 μm.

典型的な膜膜および厚膜間の範囲の膜厚を、約50nmから1μmのメソスコープ的な膜厚範囲へさらに減少させることは、追加の費用を要する。これは、特別な方法ではコア・シェル(Core−Shell)構造を有する所謂X7R−材料に関する(X7R:EIA、Electronic Industry Association規定)。この材料では、−55℃から125℃の温度範囲で−15%から+15%のεrの温度係数(Δεmax/εr(25℃))において、粒子内部に強誘電核(「コア」)が存在するために誘電率εrの高い値(例えばεr(25℃)≒3000)が生じ、これは、誘電表面層(「シェル」)を有する構造の非均質性の結果である。0.8〜1μm未満の範囲への、さらなる膜厚減少が要求される場合には、約100nmの小さい粒子の必要なコーティングは特に困難である。現在0.8μmの最も薄い膜が、日本のムラタにより作製されている。使用された100nm直径のチタン酸バリウム粒子は、日本のNCIにより製造されている。 Further reduction of the film thickness in the range between the typical film thickness and the thick film to a mesoscopic film thickness range of about 50 nm to 1 μm requires additional costs. This relates in a special way to so-called X7R-materials having a Core-Shell structure (X7R: EIA, Electronic Industry Association regulations). In this material, ferroelectric nuclei (“cores”) are present inside the particles with a temperature coefficient of −15% to + 15% ε r (Δε max / ε r (25 ° C.)) in the temperature range of −55 ° C. to 125 ° C. Presents a high value of the dielectric constant ε r (eg, ε r (25 ° C.) ≈3000), which is a result of the heterogeneity of the structure with a dielectric surface layer (“shell”). The required coating of small particles of about 100 nm is particularly difficult when further film thickness reduction to the range of 0.8-1 μm is required. Currently, the thinnest film of 0.8 μm is made by Murata of Japan. The 100 nm diameter barium titanate particles used are manufactured by NCI in Japan.

これまでの膜厚の減少以外に、誘電特性の温度安定性を保証することは、特別な挑戦である。しかしながら誘電率の、異なる温度経過を有する2つの相が、ナノメートルスケールで並んで存在している(ナノスケール非均質性)ナノ複合体を合目的に製造することによって、この要求を満たすことができるであろう。他方チタン酸バリウム(BT)製の機能性セラミックス薄膜(約3nmから300nm)は、その高い誘電率、その小さい誘電損およびその小さい漏れ電流のために、同時に長期的に安定な場合には好ましい材料であり、異なる方法によって非常に良好な品質で作製されている。R.W.シュバルツ(Schwartz),T.シュネラー(Schneller),およびR.ヴァーゼル(Waser)著、「電子酸化膜の化学溶解沈殿(Chemical Solution Deposition of Electronic Oxide Films)」、シー・アール・チミー(C.R.Chimie)7巻、2004年、p.433-461などから知られている、湿式化学の所謂「化学溶解沈殿(Chemical Solution Deposition)」(CSD)法は、その場合に、化学量論および比較的少ない投資費用に関して高いフレキシビリティを有することなど幾つかの長所を有する。目標とするメソスコープ的な範囲内に進出するためには、スラリー中の粒径を小さくすることによるテープキャスティング(Tape Casting)法での、非常に労を要する膜厚のさらなる減少以外に、CSD−法の使用が原理的には考えられる。後者は、文献R.ヴァーゼル(Waser),T.シュネラー(Schneller),S.ホフマン・エルフェルト(Hoffmann−Elfert),P.エールハルト(Ehrhart)著、「上級化学析出技術−調査から製造まで(Advanced Chemical Deposition Techniques−from Research to Production)」、集積強誘電体(Integrated Ferroelectrics)36巻、2001年、p.3-20から分かるように、ゾル・ゲルプロセスおよび有機金属析出(MOD)として知られている全ての方法を含む。その場合に反応方法は、分子前駆体を化学修飾することによって、2つの極端な事例である「ゾル・ゲル」および「MOD」間の広い限界内に調整することができる。   Ensuring the temperature stability of dielectric properties is a special challenge, besides the reduction in film thickness so far. However, this requirement can be fulfilled by purposely producing nanocomposites in which two phases with different temperature courses of dielectric constant are present side by side on the nanometer scale (nanoscale inhomogeneity). It will be possible. On the other hand, functional ceramic thin films (about 3 nm to 300 nm) made of barium titanate (BT) are preferred materials when they are stable at the same time for a long time due to their high dielectric constant, their small dielectric loss and their small leakage current. It is made with very good quality by different methods. R. W. Schwartz, T.W. Schneller, and R.C. From Waser, “Chemical Solution of Electronic Oxide Films”, C.R. Chimie, 2004, p. 433-461, etc. The known so-called “Chemical Solution Deposition” (CSD) method of wet chemistry has several advantages such as having high flexibility with respect to stoichiometry and relatively low investment costs. Have In order to advance into the target mesoscopic range, in addition to the further reduction of the film thickness, which is very laborious by the tape casting method by reducing the particle size in the slurry, CSD- The use of the law can be considered in principle. The latter is described in the literature R.I. Waser, T.W. Schneller, S.M. Hoffmann-Elfert, P.M. Ehrhart, “Advanced Chemical Deposition Techniques from Research to Production”, Integrated Ferroelectrics, Vol. 1, Integrated Ferroelectrics, Vol. 36, 200, pp. 36, 200. As can be seen, all methods known as sol-gel processes and metalorganic deposition (MOD) are included. In that case, the reaction method can be adjusted within the wide limits between the two extreme cases “sol-gel” and “MOD” by chemically modifying the molecular precursor.

先にすでに記述された長所以外に、CSD−法は他の方法に比較して、比較的小さい労力で大面積を被覆できるという長所を有する。その場合に比較的厚い膜の作製は、一方ではコーティング工程数を明確に増やすことによって達せられるが、これは比較的労を要し〔C.A.オーリー(Ohly)著、「ナノ結晶チタン酸アルカリ土類および酸素環境を変化させた、その電気伝導性(Nanoncrystalline Alkaline Earth Titanates and their Electrical Conductivity Characteristics under Changing Oxygen Ambients)」、IWE論文(Dissertation am IWE)、RWTHアーヘン、D82、2003年;J.バーボロスキ(Baborowski),P.ミューラルト(Muralt),N.リーダーマン(Ledermann),S.プチグランド(Petitgrand),A.ボセビーフ(Bosseboeuf),N.セッター(Setter),Ph.ゴーシェ(Gaucher)著、「微細機械超音波変換器用PZT被膜構造(PZT Coated Membrane Structures for Micromachined Ultrasonic Transducers)」、ISAF2002年、第13回強誘電体の利用のIEEE国際シンポジウム会報、奈良、日本、2002年5月28日〜6月1日*ピスカータウェー,ニュージャージー、USA、IEEE、2002年、p.483-486参照〕、他方では前駆溶液(抽出物および粘度上昇溶媒)を化学修飾することによって達せられる。 In addition to the advantages already described above, the CSD-method has the advantage that it can cover large areas with relatively little effort compared to other methods. In that case the production of a relatively thick film can be achieved on the one hand by explicitly increasing the number of coating steps, which is relatively laborious [C. A. OHLY, “Nanocrystalline Alkaline Earth Titanates and the Thermistors of the Electrical Conductors, and the Electrical Conductivity of the Environmental Conductors of the United States.” RWTH Aachen, D82, 2003; Baborowski, P.A. Muralt, N.M. Leadermann, S.M. Petit grand, A.M. Bosebeeuf, N.M. Setter, Ph. Gaucher, “PZT Coated Membrane Structured Micromachined Ultrasonic Transducers”, ISAF 2002, 13th Japan International Symposium on Ferroelectrics, ISAF 2002, IE Japan May 28-June 1 * Piscataway, New Jersey, USA, IEEE, 2002, p. 483-486], on the other hand, achieved by chemical modification of the precursor solution (extract and viscosity increasing solvent) .

化学修飾CSD−法は、超音波変換器およびその他の電子機械適用のための、Pb(Zrx,Ti1x)O3(PZT)などの鉛ベース系上に、比較的厚い圧電性セラミックス膜を作製するためにも使用される。 Chemical modification CSD- law, for the ultrasonic transducers and other electromechanical applications, Pb (Zr x, Ti 1 - x) O on the 3 (PZT) of lead-based system such as a relatively thick piezoelectric ceramics Also used to make membranes.

そのようにして、例えば1,2−エチレンジオール〔G.イー(Yi),Z.ウー(Wu),M.セイヤー(Sayer)著、「ゾル・ゲルプロセスによるPb(Zr,Ti)O3薄膜の作製;電気的、光学的および電子光学的物性(Preparation of Pb(Zr,Ti)O3 thin films by sol gel processing;Electrical,optical,and electro−optical properties)」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス64巻、2005年、p.2717-2724参照〕または1,3−プロパンジオール〔Y.L.ツー(Tu),S.J.ミルン(Milne)著、「エアー安定ゾル・ゲルルートにより作製されたフィルムの単層PZT(53/47)の特性(Characterization of single layer PZT(53/47)films prepared from an air−stable sol−gel route)」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ10巻、1995年、p.3222-3231参照〕などの多価アルコールを、通常使用される単純アルコールに置き換えることによって、1コーティング工程当たり1μmほどの比較的厚い膜を原理的に作製することができる。膜内の焼結有機物の含有量が比較的高いことによって、セラミックス膜の機能性の制限に結びつく比較的高い多孔性がしばしば見られる。さらに亀裂形成に注意しなければならない。 Thus, for example, 1,2-ethylenediol [G. Yi, Z. Wu, M.M. Thayer (Sayer) Author, Pb by "sol-gel process (Zr, Ti) O 3 thin film preparation of; electrical, optical and electro-optical properties (Preparation of Pb (Zr, Ti ) O 3 thin films by sol gel processing; Electrical, optical, and electro-optical properties), Journal of Applied Physics 64, 2005, p. 2717-2724] or 1,3-propanediol [Y. L. Two, Tu. J. et al. Milne, “Characterization of single layer PZT (53/47) films pre-prepared from the air-stable route, air-stable sol-gel route. ) ", Journal of Materials Research, Vol. 10, 1995, p. 3222-3231], by replacing polyhydric alcohols with commonly used simple alcohols, a comparison of about 1 μm per coating process In principle, a thick film can be produced. Due to the relatively high content of sintered organics in the film, there is often a relatively high porosity that leads to functional limitations of the ceramic film. In addition, care must be taken to crack formation.

その種の溶液を用いた多層コーティングによって、10μmまでの厚みの膜が得られる〔R.クルチャニア(Kurchania),S.J.ミルン(Milne)著、「0.25〜10μmの厚み範囲のゾル・ゲルPb(Zr0.53Ti0.47)O3膜の特性(Characterization of sol−gel Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 films in the thickness range 0.25−10μm)」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ14巻、1999年、p.1852-1858参照〕。主に使用されてきた白金メッキしたシリコン基板以外に、先に挙げられた膜厚範囲のPZT膜は、ハステロイ−金属薄板〔S.ゼルフェルト(Selfert),D.スポルン(Sporn),T.ハウケ(Hauke),G.ミュラー(Mueller),H.ベルゲ(Belge)著、「金属基板上のゾル・ゲル作製PZT薄膜の誘電性および電子機械性(Dielectric and electromecanical properties of sol−gel prepared PZT thin films on metallic substrates)」、ジャーナル・オブ・ジ・ヨーロピアン・セラミック・ソサイアティ24巻、2004年、p.2553-2566参照〕などの比較的安価な卑金属基板上にも塗布された。銅箔上には、さらにドーピング有りまたは無しのPZT膜が0.8〜1.2μmの厚み範囲で置かれた〔T.キム(Kim),A.I.クリンゴン(Klngon),J.−P−マリア(Maria),R.T.クロスウェル(Croswell)著、「銅箔上のニッケルをベースにしたCaドープされたチタン酸ジルコン酸鉛薄膜コンデンサ(Ca−doped lead zirconate titanate thin film capacitors on base nickel on copper foil)」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ19巻、2004年、p.2841-2848参照〕。 Multi-layer coating with such a solution can yield films up to 10 μm thick [R. Kurchania, S.A. J. et al. Milne, “Characterization of sol-gel Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 films in the thickness,” sol-gel Pb (Zr 0.53 Ti 0.47 ) O 3 film in a thickness range of 0.25 to 10 μm. range 0.25-10 μm) ”, Journal of Materials Research Vol. 14, 1999, p.1852-1858]. Besides the platinum-plated silicon substrate which has been mainly used, the PZT film having the above-mentioned film thickness range is a Hastelloy-metal thin plate [S. Seelfeld, D.C. Sporn, T .; Hauke, G .; Mueller, H.M. Belge, “Dielectric and electromechanical properties of sol-gel prepared PZT thin films on metallic subs. (See Ceramic Society, Vol. 24, 2004, p.2553-2566). On the copper foil, a PZT film with or without doping was further placed in a thickness range of 0.8 to 1.2 μm [T. Kim, A.A. I. Klingon, J.A. -P-Maria, R.M. T.A. By Croswell, "Ca-doped lead zirconate titanate thin base capacitors on base nickel on copper foil", Journal of -See Materials Research Vol. 19, 2004, p.2841-2848].

チタン酸アルカリ土類膜(SrTiO3,BaTiO3ないし相当する混合結晶)に関しては、同じくニッケル〔R.J.オング(Ong),J.T.ドーレイ(Dawley),P.G.クレム(Clem)著、「〈100〉Ni上の二軸配向[Ba,Sr]TiO3薄膜の化学溶液析出(Chemical solution deposition of biaxially oriented [Ba,Sr]TiO3thin films on〈100〉Ni)」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ18巻、2003年、p.2310-2317参照〕および銅電極〔J.F.イーレフェルト(Ihlefeld),A.I.クリンゴン(Klngon),W.ボアラント(Borland),J.−P.マリア(Maria)著、「埋め込まれた受動成分用誘電体のCu適合超高誘電率(Cu−compatible ultra−high permittivity dielectrics for embedded passive components)」、マテリアルズ・リサーチ・ソサイアティ・シンポジウム・プロシーディングス783巻、2004年、p.145-150参照〕上へのいくらかの作業が知られている。もっともこの場合に達成された膜厚(0.3〜1.2μm)は、大抵相当する多層コーティング〔J.T.ドーレイ(Dawley),P.G.クレム(Clem)著、「〈100〉ニッケルテープ上に作られた〈100〉にランダムに配向されたSrTiO3および[Ba,Sr]TiO3薄膜の誘電性(Dielectric properties of random an〈100〉oriented SrTiO3 and [Ba,Sr]TiO3 thin films fabricated on〈100〉nickel tapes)」、アプライド・フィジクス・レター81巻、2002年、p.3028-3030−0.8μm用8コーティングで報告〕によって得られる。ニッケル上のCSDに関する主な研究は、その場合YBa2Cu37-δ(YBCO)から成る高温超伝導体の第二世代、所謂「コーティングコンダクタ(coated conductors)」を作製するための、出来るだけ高い特殊加工緩衝膜に関する〔F.F.ランゲ(Lange)著、「化学溶液析出法による超伝導体エピタクシーの微細構造および機構(Microstructure and mechanics of superconductor epitaxy via the chemical solution deposition method)」、米国エネルギー省(U.S.Departments of Energy)の会議「電気系統に関する超伝導性2004年次論文審査(Superconductivity for Electric Systems 2004 Annual PeerReview)」における講演;C.ピタン(Pithan),D.ヘニングス(Hennings),R.ヴァーゼル(Waser)著、「MCLL用ナノ結晶BaTiO3粉末合成における進歩(Progress in the Synthesis of Nano−crystalline BaTiO3 Powders for MCLL)」、インターナショナル・ジャーナル・オブ・アプライド・セラミック・テクノロジー2巻、2005年、p.1-14;S.ホフマン(Hoffmann)およびR.ヴァーゼル(Waser)著、「CSD作製[Ba,Sr]TiO3薄膜の形態制御(Control of the morphology of CSD−prepared [Ba,Sr]TiO3 thin films)」、ジャーナル・オブ・ジ・ヨーロピアン・セラミック・ソサイアティ19巻、1999年、p.1339;T.ケイダノバ(Kaydanova),A.ミーダネル(Miedaner),C.カーティス(Curtis),J.アレマン(Alleman),J.D.パーキンズ(Perkins),D.S.ギンレイ(Ginley),L.センギュプタ(Sengupta),X.チャン(Zhang),S.ヒー(He),L.チュー(Chiu)著、「チタン酸バリウムストロンチウム複合薄膜の直接インクジェット印刷(Direct inkjet printing of composite thin barium strontium titanate films)」、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ18巻、2003年、p.2820;C.カーティス(Curtis),T.リブキン(Rivkin),A.ミーダネル(Miedaner),J.アレマン(Alleman),J.パーキンズ(Perkins),L.スミス(Smith),D.ギンレイ(Ginley)著、「直接書込インクジェット印刷における金属被覆(Metallizations by direct−write inkjet printing)」、プロシーディングス・NCPV・プログラム・リバイズド・ミーティング、レークウッド、CO、2001年、CD ROM参照〕。 Regarding alkaline earth titanate films (SrTiO 3 , BaTiO 3 or corresponding mixed crystals), nickel [R. J. et al. Ong, J.A. T.A. Dawley, P.M. G. Klemm (Clem) Author, "biaxially oriented on <100> Ni [Ba, Sr ] TiO 3 thin film chemical solution deposition (Chemical solution deposition of biaxially oriented [ Ba, Sr] TiO 3 thin films on <100> Ni) "Journal of Materials Research Vol. 18, 2003, p. 2310-2317] and copper electrodes [J. F. Ihlefeld, A.M. I. Klingon, W.M. Borland, J.A. -P. Maria, “Cu-compatible ultra-high permittivity for embedded passive components”, Materials Research Society 3 Symposium 78 Vol., 2004, p.145-150] Some work up is known. However, the film thickness achieved in this case (0.3 to 1.2 μm) is usually equivalent to a multilayer coating [J. T.A. Dawley, P.M. G. Clem, "Dielectric properties of random an <100> oriented SrTiO3 and <100> randomly oriented SrTiO3 and [Ba, Sr] TiO3 thin films made on <100> nickel tape. [Ba, Sr] TiO3 thin films fabricated on <100> nickel tapes) ", Applied Physics Letter 81, 2002, reported in 8 coatings for p. 3028-3030-0.8 μm]. The main research on CSD on nickel can then be done to make the second generation of high-temperature superconductors, so-called “coated conductors”, consisting of YBa 2 Cu 3 O 7- δ (YBCO) [F. F. Lange, “Microstructure and mechanisms of superconductor epitaxy via the chemical solution deposition. United States Ministry of Energy, United States Ministry of Energy, United States Ministry of Energy.” Lecture at the conference “Superconductivity for Electric Systems 2004 Annual Peer Review”; Pitan, D.C. Hennings, R.A. Vazeru (Waser) al., "Advances in MCLL for nano-crystal BaTiO 3 powder synthesis (Progress in the Synthesis of Nano- crystalline BaTiO 3 Powders for MCLL) ", International Journal of Applied Ceramic Technology, Volume 2, 2005 P. 1-14; Hoffmann and R.H. Vazeru (Waser) al., "CSD produced [Ba, Sr] TiO 3 thin film of form control (Control of the morphology of CSD- prepared [Ba, Sr] TiO 3 thin films) ", Journal of the European ceramic Society 19 (1999), p. 1339; Kaydanova, A.M. Miedaner, C.I. Curtis, J.M. Alleman, J.M. D. Perkins, D.C. S. Ginley, L.M. Sengupta, X. et al. Zhang, S.H. He, L. Chiu, “Direct ink jet printing of composite thin titanium titanate films,” Journal of Materials Research, Vol. 18, 2003, p. 2820; . Curtis, T.W. Rivkin, A.R. Miedaner, J.M. Alleman, J.M. Perkins, L.A. Smith, D.C. Ginley, “Metalizations by direct-write ink jet printing”, Proceedings NCPV Program Revised Meeting, Lakewood, CO, 2001, CD ROM.

総じて考えると、半貴金属上へ複合酸化金属膜を作製することで、例えばシートバー上の異なる位置の間に埋め込まれたコンデンサ、所謂「印刷配線盤(printed wiring boards)」(PWB)などの様々な応用に対する興味が増大する。   Generally speaking, by producing a composite metal oxide film on a semi-noble metal, various capacitors such as capacitors embedded between different positions on a sheet bar, so-called “printed wiring boards” (PWB), etc. Interest in new applications increases.

この電極材料をコーティングする場合に、入念に調整すべきパラメータは、常に酸素分圧である。これを高く調整し過ぎると、半貴金属のCuまたはNiが酸化することになり、一方酸素分圧を低くし過ぎると、酸化セラミックス膜の品質が損なわれる。古典的なCSD法以外に、セラミックス薄膜またはメソスコープ薄膜は、米国特許出願公開第2005/0194573号などから知られているように、基本的には100nm未満の分散一次粒径を有する複合ナノ粒子に相当するコロイド溶液を用いても作製することができる。   When coating this electrode material, the parameter to be carefully adjusted is always the oxygen partial pressure. If this is adjusted too high, the semi-noble metal Cu or Ni will be oxidized, while if the oxygen partial pressure is too low, the quality of the oxide ceramic film will be impaired. In addition to the classic CSD method, a ceramic thin film or a mesoscope thin film is basically formed into a composite nanoparticle having a dispersed primary particle size of less than 100 nm as known from US Patent Application Publication No. 2005/0194573. It can also be produced using a corresponding colloidal solution.

そのような分散液ないしコロイド溶液は、原理的には一連の様々な方法によって製造することができる。非常にエネルギーと費用を要する方法は、例えば高性能粉砕機を用いる、所謂混合酸化物プロセス〔C.ピタン(Pithan),D.ヘニングス(Hennings),R.ヴァーゼル(Waser)著、「MCLL用ナノ結晶BaTiO3粉末合成における進歩(Progress in the Synthesis of Nano−crystalline BaTiO3 Powders for MCLL)」、インターナショナル・ジャーナル・オブ・アプライド・セラミック・テクノロジー2巻、2005年、p.1-14参照〕にしたがって、有機分散媒使用下で得られる粒の粗い(>1μm)酸化セラミックス粉末の粉砕である。例えば高性能撹拌機または高性能粉砕機を用いる熱水ないしオキサレート法にしたがって、同じく有機安定剤添加下でのナノ粉末凝集体の再分散も知られている。この2つの方法では、通常その一次粒子が滅多に50nmより小さくはならない多分散粒度分布を有する懸濁液が得られる。そのような溶液を用いて、マイクロメートル範囲の膜厚のみ有する、使用可能な機能性セラミックス厚膜を作製することができる。 Such dispersions or colloidal solutions can in principle be produced by a series of different methods. A very energy and costly process is the so-called mixed oxide process [C. Pitan, D.C. Hennings, R.A. Vazeru (Waser) al., "Advances in MCLL for nano-crystal BaTiO 3 powder synthesis (Progress in the Synthesis of Nano- crystalline BaTiO 3 Powders for MCLL) ", International Journal of Applied Ceramic Technology, Volume 2, 2005 , P. 1-14], the coarsely grained (> 1 μm) oxide ceramic powder obtained using an organic dispersion medium. For example, redispersion of nanopowder aggregates with addition of organic stabilizers is also known according to hot water or oxalate methods using high performance stirrers or high performance grinders. These two methods usually give a suspension with a polydisperse size distribution whose primary particles rarely become smaller than 50 nm. Using such a solution, a usable functional ceramic thick film having only a film thickness in the micrometer range can be produced.

しかしながら、50〜1000nmの範囲の調整可能な膜厚を有するメソスコープのセラミックス膜を製造するためには、例えばマイクロエマルションの使用下で吸湿性前駆体を加水分解することによって得られるような、狭い粒度分布と、少なくとも50nm未満、特に好ましくは10nm未満の平均一次粒径を有するコロイド溶液が必要となる。マイクロエマルションとは、透明な、光学等方性の熱力学的に安定な液体−液体分散液である。マイクロエマルションは、典型的には<100nmの液滴またはドメインを有し、極性および無極性溶媒、典型的には水または油含有水性溶液から構成される。マイクロエマルションは、界面活性剤を添加することによって安定化し、この界面活性剤は、その両親媒性の性質(構造;親水基の頭の基に親油性CH−鎖)に基づいて、極性および無極性溶媒間の界面に有利に吸着し、その際界面張力を低下させる。形成されたナノドメインの大きさは、マイクロエマルションの組成以外に、温度および分離される界面活性フィルムの弾性の性質に関連する。それぞれ油と水の相対比率によって3つの型のマイクロエマルションに分けられ、それらは、低い油の含有量のオイル・イン・ウォーター・マイクロエマルション(o/w−マイクロエマルション)、ほぼ等しい割合の水と油の場合の両連続マイクロエマルション、並びに高い油含有量のウォーター・イン・オイル・マイクロエマルション(w/o−マイクロエマルション)である。異なる型の間の境界は流動的であり、系に関係する。オイルマティックス中に分散している、典型的には<50nmの球形ナノスコープの含水逆ミセルを含むw/o−マイクロエマルションの特殊な場合には、この水性液滴は、セラミックスナノ粒子合成の際に吸湿性化合物を加水分解するためのナノ反応器として働く。しかしながら海綿状構造を有し、その中に水がすでに連続媒体として存在する両連続マイクロエマルションもナノ粒子を合成するために使用できる。海綿構造の典型的な大きさは、100nmの範囲にある。   However, in order to produce mesoscopic ceramic films with adjustable film thicknesses in the range of 50-1000 nm, narrow particle sizes, such as obtained by hydrolyzing hygroscopic precursors in the use of microemulsions, are used. A colloidal solution with a distribution and an average primary particle size of at least less than 50 nm, particularly preferably less than 10 nm is required. A microemulsion is a transparent, optically isotropic, thermodynamically stable liquid-liquid dispersion. Microemulsions typically have <100 nm droplets or domains and are composed of polar and non-polar solvents, typically water or oil-containing aqueous solutions. The microemulsion is stabilized by the addition of a surfactant, which is polar and nonpolar based on its amphiphilic nature (structure; lipophilic CH-chain on the head of the hydrophilic group). It adsorbs favorably at the interface between the organic solvents, and the interfacial tension is lowered. The size of the formed nanodomains is related to the temperature and the elastic nature of the surface-active film to be separated, in addition to the composition of the microemulsion. Each is divided into three types of microemulsions according to the relative ratio of oil to water, which are oil-in-water microemulsions with low oil content (o / w-microemulsions), approximately equal proportions of water and Bicontinuous microemulsions in the case of oils, as well as water-in-oil microemulsions with high oil content (w / o-microemulsions). The boundary between different types is fluid and related to the system. In the special case of w / o-microemulsions containing hydrous reverse micelles of spherical nanoscopes typically <50 nm dispersed in oilmatics, the aqueous droplets are used to synthesize ceramic nanoparticles. It acts as a nanoreactor for hydrolyzing hygroscopic compounds. However, bicontinuous microemulsions having a spongy structure in which water is already present as a continuous medium can also be used to synthesize the nanoparticles. The typical size of the sponge structure is in the range of 100 nm.

そのような隔離された極小空間(ナノ反応器)内に反応を限定することによって、生じる球状ナノ粒子の核生成率を調整することができるので、50nm未満の粒径を有する単分散粒度分布が得られる。   By confining the reaction within such an isolated microspace (nanoreactor), the nucleation rate of the resulting spherical nanoparticles can be adjusted so that a monodisperse particle size distribution having a particle size of less than 50 nm can get.

例えばチタン酸バリウム・ナノ粒子を製造しようとする場合に、必要な吸湿性バリウム−チタン前駆体は、遊離バリウムをアルコールに溶解させ、化学量論的な量のチタンアルコラートを相応に添加することによって容易に生じ得る。その場合に生じた金属アルコラート分子は、マイクロエマルション液滴の水と反応し、その際チタン酸バリウム粒子が生じ、有機分子の残りがアルコールとして分離される。   For example, when trying to produce barium titanate nanoparticles, the necessary hygroscopic barium-titanium precursor is obtained by dissolving free barium in alcohol and adding a stoichiometric amount of titanium alcoholate accordingly. It can occur easily. The resulting metal alcoholate molecules react with the water in the microemulsion droplets, producing barium titanate particles, and the remainder of the organic molecules are separated as alcohol.

化学量論的な量の水を添加後に、まず最初に無水分散液、則ちオルガノゾルが得られ、この分散液のナノ粒子は20nm未満の直径を、しかしながらそれどころか10nm未満の直径をも有し、界面活性剤分子から成る覆いで囲まれている。この有機「被覆」は、ナノ粒子の溶液の性質の原因となっていて、使用されたマイクロエマルション中の界面活性剤の組成を選択することによって、一次構造面上に、ほぼ単分散粒度分布を有するほぼ無色透明の分散液が生じるように、溶媒の極性を適合させることができる。例外的な事例でこの適合が不可能な場合には、有機酸、アミンおよびケトンの形の分散媒をマイクロエマルション中または前駆体溶液中に添加することによっても溶媒中のナノ粒子のコロイド溶解性を上昇させることができる。   After the addition of a stoichiometric amount of water, first an anhydrous dispersion, ie an organosol, is obtained, the nanoparticles of which have a diameter of less than 20 nm, but even less than 10 nm, Surrounded by a cover made of surfactant molecules. This organic “coating” is responsible for the solution nature of the nanoparticles, and by selecting the composition of the surfactant in the microemulsion used, an almost monodisperse particle size distribution on the primary structure surface. The polarity of the solvent can be adapted to produce a substantially colorless and transparent dispersion having. If this is not possible in exceptional cases, the colloidal solubility of the nanoparticles in the solvent can also be achieved by adding a dispersion medium in the form of organic acids, amines and ketones into the microemulsion or into the precursor solution. Can be raised.

適量の固体含有量の、則ち高含有量のセラミックスナノ粒子を有する分散液の提供に成功した場合には、この溶液を用いて、遠心回転ないし浸漬または吹き付けによるなどの通常の方法によって、1プロセス工程で、原理的にメソスコープの均質で亀裂のない、50nmから1μmの膜厚範囲のフィルムを作製することができる。もっともこれは従来の技術では不可能である。したがって米国特許出願第2005/0194573号による固体含有量は、0.2重量%でしかない。このコロイド溶液の、対応する流動学上の性質を、目的とするコーティングの厚さに適合させることは、従来の技術によると不可能である。   If a dispersion having an appropriate amount of solid content, that is, a high content of ceramic nanoparticles is successfully provided, this solution can be used to obtain 1 by a conventional method such as centrifugal rotation, immersion or spraying. In the process step, a mesoscopic film with a film thickness range of 50 nm to 1 μm, which is homogeneous and free of cracks, can be produced. However, this is not possible with conventional technology. Thus, the solids content according to US Patent Application No. 2005/0194573 is only 0.2% by weight. It is impossible according to the prior art to adapt the corresponding rheological properties of this colloidal solution to the intended coating thickness.

従来技術にしたがって使用された溶液の粒子濃度は低いために、所望の膜厚に達するためには複数のコーティング工程が必要となる。そのことによってこのプロセスは、より労を要することになり、それによって費用がさらにかかる。米国特許出願公開第2005/0194573号から知られているように、1.5重量%の酸化ナノ粒子の最大質量比を有するコロイド溶液を使用する場合には、240nmの厚みの誘電膜を生成するために20コーティング工程までを必要とする。そこに記述されているコーティング分散液を製造するためには、同じくマイクロエマルションに依拠する合成が使用され、吸湿性前駆体溶液がマイクロエマルションに添加されたことで、その水滴がアニオンないし非イオン性界面活性剤によって安定化されたマイクロエマルションが用いられた。その場合に、最大1.5重量%の分散チタン酸バリウム−ナノ粒子の質量の割合と、0.11の、不揮発性有機成分(焼き鈍し有機物)に対する酸化ナノ粒子の質量比を有するコロイドコーティング分散液が生じた。   Due to the low particle concentration of the solutions used according to the prior art, multiple coating steps are required to reach the desired film thickness. This makes this process more laborious and thereby more expensive. As known from US 2005/0194573, a 240 nm thick dielectric film is produced when a colloidal solution having a maximum mass ratio of 1.5% by weight oxidized nanoparticles is used. This requires up to 20 coating steps. In order to produce the coating dispersions described there, a synthesis based on microemulsions was also used and the hygroscopic precursor solution was added to the microemulsion so that the water droplets were anionic or nonionic. A microemulsion stabilized with a surfactant was used. In that case, a colloid coating dispersion having a mass proportion of dispersed barium titanate nanoparticles of up to 1.5% by weight and a mass ratio of oxidized nanoparticles to non-volatile organic components (annealed organics) of 0.11 Occurred.

C.ベック(Beck),W.ヘルティー(Haerti),R.ヘンペルマン(Hempelmann)著、「供給されたナノ反応器のマイクロエマルション中でゾル・ゲル型加水分解することによるナノ結晶BaTiO3のサイズ調整合成法(Size−Controlled Synthesis of Nano−crystalline BaTiO3 by a Sol−Gel Type Hydrolysis in Microemulsion Provided Nanoreactors)」ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ13巻、1998年、p.3174-3180から、非イオン性界面活性剤としてノニルフェノールエトキシラートを含み、且つ比較的高い水分含有量および比較的有利な水/界面活性剤比のマイクロエマルションを使用することによって、不揮発性有機物質に対する酸化物の比率が比較的有利なナノ粒子分散液が知られている。最も有利な場合には(テルギトールNP−7に関しては)、水/界面活性剤の質量比は1:1で、酸化物/界面活性剤の質量比は4:1である。 C. Beck, W.M. Haerti, R.A. Henperuman (Hempelmann) Author, "Sizing synthesis of nanocrystalline BaTiO 3 due to the sol-gel type hydrolyzed in microemulsion feed nano reactor (Size-Controlled Synthesis of Nano- crystalline BaTiO 3 by a Sol -From Gel Type Hydrolysis in Provided Nanoreactors) Journal of Materials Research Vol. 13, 1998, p. 3174-3180, containing nonylphenol ethoxylate as a nonionic surfactant and relatively high water content By using a microemulsion of a quantity and a relatively advantageous water / surfactant ratio, acid to non-volatile organic substances Nanoparticle dispersions are known in which the ratio of the compounds is relatively advantageous. In the most advantageous case (for Tergitol NP-7), the water / surfactant mass ratio is 1: 1 and the oxide / surfactant mass ratio is 4: 1.

米国特許出願公開第2005/0194573号、段落[0018]に、高過ぎる界面活性剤含有量の分散液は不安定であることが記述されている。米国特許出願公開第2005/0194573号の実施例に記述されている非イオン性界面活性剤NP−10は、(とりわけ)C.ベック(Beck),W.ヘルティー(Haerti),R.ヘンペルマン(Hempelmann)著、「供給されたナノ反応器のマイクロエマルション中でゾル・ゲル型加水分解することによるナノ結晶BaTiO3のサイズ調整合成法(Size−Controlled Synthesis of Nano−crystalline BaTiO3 by a Sol−Gel Type Hydrolysis in Microemulsion Provided Nanoreactors)」ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ13巻、1998年、p.3174-3180でもマイクロエマルションを形成するために使用された。したがって米国特許出願公開第2005/0194573号では、記述されている界面活性剤を用いて、酸化物/界面活性剤比が0.11より大きく、チタン酸バリウム−ナノ粒子含有量が1.5重量%より大きい、加工に対して十分に安定な分散液を製造することができなかった。 US 2005/0194573, paragraph [0018] describes that dispersions with too high surfactant content are unstable. The nonionic surfactant NP-10 described in the examples of US Patent Application Publication No. 2005/0194573 is (among other things) C.I. Beck, W.M. Haerti, R.A. Henperuman (Hempelmann) Author, "Sizing synthesis of nanocrystalline BaTiO 3 due to the sol-gel type hydrolyzed in microemulsion feed nano reactor (Size-Controlled Synthesis of Nano- crystalline BaTiO 3 by a Sol -Gel Type Hydrolysis in Microprovisioned Nanoreactors) "Journal of Materials Research Vol. 13, 1998, p. 3174-3180, was also used to form microemulsions. Thus, in US 2005/0194573, using the described surfactants, the oxide / surfactant ratio is greater than 0.11 and the barium titanate-nanoparticle content is 1.5 wt. It was not possible to produce dispersions greater than% that were sufficiently stable to processing.

この技術的な短所を取り除くために、米国特許出願公開第2005/0194573号から同じく、そのようなコーティング分散液中の金属の質量濃度を、相応に合成されたCSD−溶液を用いて上昇させることが知られている。実施したコーティング試験と、それに続く10分間の700℃での焼き戻しから、(チタン酸バリウム質量に対して)1部の分散液と1部のCSD−溶液の混合比では、240nmのチタン酸バリウム膜厚を生成するために10コーティング工程が必要であることが判明した。6コーティング工程という最も少ない数は、生成した膜厚が等しい場合には、1部の分散液と30部のCSD−溶液の質量比で達せられた。1:30以上では、CSD−溶液が大過剰であるために、生成膜の結晶化度の欠如がセラミックス膜の機能性障害をおこすので、使用できる誘電セラミックス膜は得られなかった。1:1の比率以下では、結晶化度が十分な場合にはこの膜は、なるほど比較的高い誘電率を示した。しかしながら溶液の貯蔵安定性の欠如は、必要なコーティング工程数(20)と同様に技術プロセスには使用できなかった。   To remove this technical disadvantage, as in US 2005/0194573, the mass concentration of the metal in such a coating dispersion is increased using a correspondingly synthesized CSD-solution. It has been known. From the coating test carried out and subsequent tempering at 700 ° C. for 10 minutes, with a mixing ratio of 1 part dispersion to 1 part CSD-solution (relative to barium titanate mass), 240 nm barium titanate It has been found that 10 coating steps are required to produce the film thickness. The lowest number of 6 coating steps was achieved with a mass ratio of 1 part dispersion to 30 parts CSD-solution when the film thicknesses produced were equal. At 1:30 or more, since the CSD-solution is excessively large, the lack of crystallinity of the produced film causes the functional failure of the ceramic film, so that a usable dielectric ceramic film could not be obtained. Below a 1: 1 ratio, this film showed a relatively high dielectric constant when the crystallinity was sufficient. However, the lack of storage stability of the solution could not be used for technical processes as well as the required number of coating steps (20).

したがって1:1〜1:30の組成範囲は、生成セラミックス膜の機能性が十分な場合に、コーティング工程数を最小にするための妥協点を表している。しかしながら、報告された最も有利な1:30の混合比でも、まだ6プロセス工程が240nmのセラミックス膜を作製するために必要であることが判明した。   Therefore, a composition range of 1: 1 to 1:30 represents a compromise for minimizing the number of coating steps when the functionality of the resulting ceramic film is sufficient. However, it has been found that even the most advantageous reported 1:30 mixing ratio still requires six process steps to produce a 240 nm ceramic film.

C.ベック(Beck),W.ヘルティー(Haerti),R.ヘンペルマン(Hempelmann)著、ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ13巻、11号、1998年、p.3174-3180から、金属アルコキシドを、シクロヘキサン、水、ノニルフェノールエトキシラートの型の非イオン性界面活性剤および共同界面活性剤としての1−オクタノールから構成されるw/o−マイクロエマルションで加水分解することによって製造されたナノ粒子分散液が知られている。この分散液の安定性は、この物質が沈殿したために試験されなかった。酸化物/界面活性剤の質量比は、最大で4.1であった。   C. Beck, W.M. Haerti, R.A. Nonionic surfactants of the type cyclohexane, water, nonylphenol ethoxylate, from Hempelmann, Journal of Materials Research Vol. 13, No. 11, 1998, p. 3174-3180 Also known are nanoparticle dispersions prepared by hydrolysis with w / o-microemulsions composed of 1-octanol as co-surfactant. The stability of this dispersion was not tested due to precipitation of this material. The maximum oxide / surfactant mass ratio was 4.1.

米国特許出願公開第2005/0194573号には、アルコキシドを、水および界面活性剤の含有量が高過ぎるマイクロエマルションで加水分解する場合には、十分に安定な分散液は得られないことが記述されている。この印刷物に記述されている溶液は、最大1.5重量%のナノ粒子含有量と、最大0.11の酸化物/界面活性剤比を有する。   US Patent Application Publication No. 2005/0194573 describes that a sufficiently stable dispersion cannot be obtained if the alkoxide is hydrolyzed with a microemulsion with too high water and surfactant content. ing. The solution described in this print has a nanoparticle content of up to 1.5% by weight and an oxide / surfactant ratio of up to 0.11.

米国特許出願公開第2005/0194573号から、同じくナノ粒子分散液とCSD−溶液から成るハイブリッド溶液が知られている。その場合に全金属酸化物量におけるナノ粒子の割合は、最大50重量%で、最も少ないコーティング工程数でコーティングした場合には3.2重量%となる。   From US 2005/0194573 a hybrid solution is also known which consists of a nanoparticle dispersion and a CSD-solution. In that case, the proportion of nanoparticles in the total amount of metal oxide is 50% by weight at maximum, and 3.2% by weight when coating is performed with the smallest number of coating steps.

独国特許出願公開第10237915号は、コーティング分散液の製造方法を開示していて、それによると、溶媒としてアルコールを含む溶液が準備され、該溶液中には吸湿性金属化合物が少なくとも一部溶解していて、その場合にこの溶液は、分散液を製造するためのマイクロエマルションに混ぜ合わせられる。界面活性剤を残渣無しに熱分解によって取り除くことができるように、非イオン性界面活性剤を使用すべきである。この印刷物には、カチオン界面活性剤も考慮に入れられるであろうことが推測で述べられている。もっともこの印刷物は、そのような界面活性剤を用いて、5重量%を超える高い固体割合を有する十分に安定な分散液を得る方法は開示していない。またこれは、コーティング溶液の製造に関するものでもなく、高圧下で緻密なセラミックスへ焼結することができるナノ粒子粉末の製造に関するものである。   German Patent Application No. 10237915 discloses a method for producing a coating dispersion, whereby a solution containing alcohol as a solvent is prepared, in which a hygroscopic metal compound is at least partially dissolved. The solution is then mixed with the microemulsion for producing the dispersion. Nonionic surfactants should be used so that the surfactant can be removed by pyrolysis without residue. It is speculated that this printed matter will also take into account cationic surfactants. However, this printed matter does not disclose a method for obtaining a sufficiently stable dispersion having a high solid content exceeding 5% by weight using such a surfactant. This is not related to the production of a coating solution, but to the production of nanoparticle powders that can be sintered to dense ceramics under high pressure.

米国特許出願第5703002号は、ナノ粒子粉末の製造に携わっている。なるほどこの印刷物ではマイクロエマルションという概念が使用されている。もっともこの印刷物には、「マイクロエマルション」を製造するためには、超音波下で激しく撹拌すべきであると指示されている。これは、混合物が熱力学的に安定ではなく、したがって本発明の意味でのマイクロエマルションではないことへの第1の暗示を表している。第4欄、62〜67行に挙げられている水/界面活性剤の30:1の質量比も、これが本発明の意味でのマイクロエマルションではないことを示している。なぜならそのような比率は、極端に有効な界面活性剤を必要とするからである。しかしながら、この印刷物内で具体的に開示された界面活性剤は、むしろ有効でない。したがって米国特許出願第5703002号は、本出願の意味でのマイクロエマルションに実際に係わっているのではなく、所謂ミニエマルションに係わっている。ミニエマルションは、エネルギー供給下でのみ粒子合成での使用に対して運動力学上十分安定している。それに応じて水分含有量は少なく、0.5%未満である。カチオン界面活性剤は、このものから知られているエマルションを製造するための考えられ得る界面活性剤として挙げられている。もっともそれを用いて安定な分散液が得られる可能性は、実施例がないのでこの印刷物から読み取ることはできない。   US Patent Application No. 5703002 is involved in the production of nanoparticle powders. In fact, this printed matter uses the concept of microemulsion. However, this printed product indicates that in order to produce a “microemulsion”, it should be vigorously stirred under ultrasound. This represents the first suggestion that the mixture is not thermodynamically stable and therefore not a microemulsion in the sense of the present invention. The 30: 1 water / surfactant mass ratio listed in column 4, lines 62-67 also indicates that this is not a microemulsion in the sense of the present invention. Because such ratios require extremely effective surfactants. However, the surfactants specifically disclosed in this print are rather ineffective. Thus, US Pat. No. 5,703,002 is not really concerned with microemulsions in the sense of this application, but rather with so-called miniemulsions. Miniemulsions are kinematically stable enough for use in particle synthesis only under energy supply. Accordingly, the water content is low, less than 0.5%. Cationic surfactants are listed as possible surfactants for producing emulsions known from this. However, the possibility that a stable dispersion can be obtained using this material cannot be read from this printed matter because there is no example.

米国特許第5770172号は、ナノ粒子の製造に携わっている。そのために実施例にしたがって使用されたマイクロエマルションは、アニオン界面活性剤を含む。吸湿性金属化合物も少なくとも部分的にも溶解しておらず、ここに記述されている合成は常に金属塩溶液からの沈殿に基づくものである。常に明らかに水溶性金属化合物の話である。しかしながらこのプロセス方式は、出発化合物の溶解性が制限されるために、粒子に対して、水相(水+金属塩)の質量の一部分のみが置換されることになるので、一般に固体含有量の少ない分散液を招くものである。実施例にしたがって得られる粒子分散液が、コーティング溶液として使用できるほど十分に安定か否かは、この印刷物からは読み取ることができず、疑わしいと思われる。   US Pat. No. 5,770,172 is involved in the production of nanoparticles. To that end, the microemulsion used according to the examples contains an anionic surfactant. Neither the hygroscopic metal compound is at least partially dissolved, and the synthesis described here is always based on precipitation from a metal salt solution. Always talk about water-soluble metal compounds. However, this process mode generally limits the solubility of the starting compound, so that only a fraction of the mass of the aqueous phase (water + metal salt) is replaced for the particles, so generally the solid content This leads to a small dispersion. Whether the particle dispersion obtained according to the examples is sufficiently stable to be used as a coating solution cannot be read from this printed matter and appears to be questionable.

したがって本発明の課題は、50nmから1μmの膜厚範囲の、メソスコープの緻密なセラミックスフィルムないし膜を容易に作製できるようにする溶液を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solution that makes it possible to easily produce a dense ceramic film or film of a mesoscope having a film thickness range of 50 nm to 1 μm.

この課題を解決するために、溶媒としてアルコールを有する少なくとも1つの溶液が提供され、この溶液中には、少なくとも1つの吸湿性金属化合物が少なくとも一部溶解している。この溶液は、カチオン界面活性剤を含むマイクロエマルションと混ぜ合わせられる。そのようにして、狭い粒度分布の5〜10重量%の固体含有量を有する安定な分散液が製造される。粒度分布の最大値は、通常少なくとも50nm未満であり、それどころか大抵は10nm未満である。基板をこの分散液でコーティングして、続いて焼結すると、高い固体含有量のために50nmから1μmの膜厚の緻密なセラミックス膜が唯1つのコーティング工程で生じる。   In order to solve this problem, at least one solution having alcohol as a solvent is provided, and at least one hygroscopic metal compound is at least partially dissolved in the solution. This solution is mixed with a microemulsion containing a cationic surfactant. In that way, stable dispersions with a solids content of 5 to 10% by weight with a narrow particle size distribution are produced. The maximum value of the particle size distribution is usually at least less than 50 nm, on the contrary, usually less than 10 nm. When the substrate is coated with this dispersion and subsequently sintered, a dense ceramic film with a film thickness of 50 nm to 1 μm is produced in only one coating process due to the high solids content.

チタン酸バリウム膜の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of a barium titanate film.

金属化合物は、これを水と反応させる場合には吸湿性である。したがって溶解した金属化合物は、水を含むマイクロエマルションを添加することによって反応する。この溶液は基本的には水を含まないので、金属化合物は含水マイクロエマルションを添加後に初めて反応する。   The metal compound is hygroscopic when it is reacted with water. Therefore, the dissolved metal compound reacts by adding a microemulsion containing water. Since this solution is essentially free of water, the metal compound reacts only after the water-containing microemulsion is added.

ある専門家は、非イオン性界面活性剤から製造されたマイクロエマルションを、これが炭素、酸素および水素から構成されるので、コーティング溶液を準備するために使用した。望まれる膜を作製するために、これを600℃を超える温度で焼結する。炭素、酸素および水素は、この温度で空気を流入させると、残渣無しに二酸化炭素および水の形でセラミックス膜から取り除かれる。それに対してカチオン界面活性剤は、例えば臭化物または塩化物を対イオンとして含む。例えば塩素は、十分には取り除かれないので、膜は汚染されて機能が損なわれる。したがってこの専門家は、十分な固体含有量の十分に安定な分散液を手に入れるためにカチオン界面活性剤を考慮できるとは期待しなかった。
仮にある専門家がカチオン界面活性剤を本気で考慮したとしても、いずれにしてもこの専門家には、カチオン界面活性剤を含むマイクロエマルションを用いて5重量%を超える高濃度の十分に安定なコーティング分散液を手に入れる方法はわからない。
One expert used a microemulsion made from a nonionic surfactant to prepare the coating solution because it is composed of carbon, oxygen and hydrogen. This is sintered at a temperature in excess of 600 ° C. to produce the desired film. Carbon, oxygen and hydrogen are removed from the ceramic film in the form of carbon dioxide and water without residue when air is introduced at this temperature. In contrast, cationic surfactants include, for example, bromide or chloride as a counter ion. For example, chlorine is not sufficiently removed so that the membrane becomes contaminated and loses its function. The expert therefore did not expect to be able to consider cationic surfactants to obtain a sufficiently stable dispersion with sufficient solids content.
Even if an expert seriously considers a cationic surfactant, in any case, the expert should use a microemulsion containing a cationic surfactant and be sufficiently stable at a high concentration of over 5% by weight. I don't know how to get the coating dispersion.

カチオン界面活性剤としては、組成R1234+-のアルキルアンモニウム塩、ジアルキルアンモニウム塩、トリアルキルアンモニウム塩またはテトラアルキルアンモニウム塩を使用することができ、その場合にR1はアルキル残基を、およびR2、R3、R4はアルキル残基またはプロトンを、およびX-はアニオンを表す。このアニオンは多価でもあり得る。 As the cationic surfactant, an alkyl ammonium salt, dialkyl ammonium salt, trialkyl ammonium salt or tetraalkyl ammonium salt of the composition R 1 R 2 R 3 R 4 N + X can be used, in which case R 1 Represents an alkyl residue, R 2 , R 3 and R 4 represent an alkyl residue or a proton, and X represents an anion. This anion can also be multivalent.

市販で大量に使用可能なセチルトリメチルアンモニウムブロミド(ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド;CTAB)が、水分含有量の高いマイクロエマルション製造に関して特に有利な界面活性剤として立証された。適用事例では、チタン酸バリウム膜作製の際に、界面活性剤に臭素イオンが含まれるにもかかわらず、焼結セラミックスの十分に低い導電率が得られるので、誘電率が高いことが重要な機能性セラミックスを手に入れられる。その他の有利な界面活性剤は、ハロゲン化物イオンが所望の機能性をそれほど損なわない場合には、ジオクタデシルジメチルアンモニウムクロリドおよびヘキサデシルピリジニウムクロリドである。H,C,NおよびO以外の元素を含まない界面活性剤に関しては、酢酸ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、酢酸ヘキサデシルアンモニウム、プロピオン酸ヘキサデシルアンモニウムおよびサリチル酸ヘキサデシルピリジニウムがマイクロエマルションの製造に特に良好に適する。しかしながらカチオン界面活性剤の選択は、挙げられた化合物に限定されるものではない。   Commercially available in large quantities cetyltrimethylammonium bromide (hexadecyltrimethylammonium bromide; CTAB) has proven to be a particularly advantageous surfactant for the production of microemulsions with a high water content. In the application example, when the barium titanate film is produced, a sufficiently low conductivity of sintered ceramics can be obtained despite the inclusion of bromine ions in the surfactant. You can get ceramics. Other advantageous surfactants are dioctadecyldimethylammonium chloride and hexadecylpyridinium chloride if the halide ion does not significantly impair the desired functionality. For surfactants that do not contain elements other than H, C, N and O, hexadecyltrimethylammonium acetate, hexadecylammonium acetate, hexadecylammonium propionate and hexadecylpyridinium salicylate are particularly well suited for the production of microemulsions. . However, the selection of the cationic surfactant is not limited to the compounds mentioned.

メタノールは、十分に安定な所望の分散液を製造するのに特に良好に適する。専門家は、これらの金属ないし金属化合物の溶解性が、N.Y.タローヴァ(Turova),E.P.タレフスカヤ(Turevskaya) V.G.ケスラー(Kessler),M.I.ヤノフスカヤ(Yanovskaya)著、「金属アルコキシドの化学(The Chemistry of Metal Alkoxides)」クリューファー・アカデミック出版社、ドルドレヒト、オランダ、2002年などから知られているように、少なくともマイクロエマルションに依拠するナノ粒子合成が不可能であると思われるほど激しく制限されるので、メタノールは金属アルコキシド、特にアルカリ土類金属およびアルカリ土類アルコキシドに適した溶媒でなないと考えて、メタノールの使用を不可能だと判断した。   Methanol is particularly well suited for producing a sufficiently stable desired dispersion. Experts have shown that the solubility of these metals or metal compounds is N.I. Y. Tarova, E .; P. Turevskaya V.V. G. Kessler, M.C. I. Nanoparticle synthesis depending on at least microemulsion, as known from Yanovskaya, “The Chemistry of Metal Alkoxides” Klufer Academic Publishing, Dordrecht, The Netherlands, 2002, etc. Is considered to be impossible, so methanol is not considered a suitable solvent for metal alkoxides, especially alkaline earth metals and alkaline earth alkoxides, and it is judged impossible to use methanol. did.

したがって専門家は、例えば前駆体、則ち吸湿性金属化合物が完全に溶解している溶液から出発すべきであると考えた。このことから、例えば米国特許出願公開第2005/0194573号は、段落[0056]および[0057]で、バリウム−チタン前駆体の溶解性を向上させるために、溶媒にベンゼンを混合することを開示している。必要とされた説の基になる知識は、溶解性の度合は、目標とされる成果を損なう能力がないことにある。   The expert therefore thought that, for example, one should start with a solution in which the precursor, ie the hygroscopic metal compound, is completely dissolved. For this reason, for example, US Patent Application Publication No. 2005/0194573 discloses in paragraphs [0056] and [0057] that benzene is mixed into the solvent to improve the solubility of the barium-titanium precursor. ing. The knowledge underlying the needed theory is that the degree of solubility is not capable of compromising the desired outcome.

これまでに行った試験から判断すると、高級アルコールは、十分に安定な分散液を獲得するのに適さない。行った試験から判断するならば、イソプロパノールはすでに適さない。それに反してメタノールに溶解させると、膜の作製に必要となるような安定な分散液が生じる。多くの場合にエタノールも安定な分散液を獲得するのにまだ適している。   Judging from the tests done so far, higher alcohols are not suitable for obtaining a sufficiently stable dispersion. Judging from the tests performed, isopropanol is no longer suitable. On the other hand, when dissolved in methanol, a stable dispersion is produced that is necessary for the production of the membrane. In many cases, ethanol is still suitable for obtaining a stable dispersion.

このプロセスによって、例えばメソスコープのAl23−膜が使用に適するように作製され、その場合にそれから吸湿性アルミニウム化合物が溶解している溶液から出発する。 By this process, for example, a mesoscopic Al 2 O 3 -film is made suitable for use, in which case it then starts from a solution in which the hygroscopic aluminum compound is dissolved.

2種またはそれ以上の吸湿性金属化合物が溶解している溶液が準備される場合に、化学量論的な組成は、後のセラミックス内で望まれるように選択される。例えばメソスコープのBaTiO3−膜を作製しようとする場合には、溶液中に等しいモルの割合のバリウムとチタンが調整される。 When a solution is prepared in which two or more hygroscopic metal compounds are dissolved, the stoichiometric composition is selected as desired in the subsequent ceramic. For example, if a mesoscopic BaTiO 3 -film is to be made, an equal molar proportion of barium and titanium is prepared in the solution.

この溶液を準備するために、元素金属を好ましくは直接または金属アルコラートの形でアルコールに溶解させる。この方法で、望まれない物質が溶液内に達しないことが確証される。したがって、例えば元素バリウム並びにチタンアルコラートをアルコールに溶解させると、メソスコープのBaTiO3−膜が手に入る。 To prepare this solution, the elemental metal is dissolved in the alcohol, preferably directly or in the form of a metal alcoholate. In this way it is ensured that no unwanted material reaches the solution. Thus, for example, elemental barium as well as titanium alcoholate can be dissolved in alcohol to obtain mesoscopic BaTiO 3 -films.

製造した膜の磁気的、電気的または光学的性質を利用するために機能性セラミックス膜を作製しようとする場合には、特にカチオン界面活性剤の選択を顧慮すべきである。カチオン界面活性剤を、ハロゲン化物などの、水素、炭素、窒素および酸素以外の元素を含むアニオンと共に使用する場合には、作製した膜内にヘテロ元素が残ってしまうことになり、膜の機能性が損なわれ得る。そのようにして、電子セラミックス膜内の微量のハロゲン化物イオンでも、機能性が著しく損なわれるほど導電性を激しく上昇させ得る。しかしながら、実施例で挙げられたヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(セチルトリメチルアンモニウムブロミド、CTAB)に関しては驚くべきことに、導電性が許容し得る範囲にあることが判明した。したがって誘電膜も請求された方法にしたがって作製できる。   When making a functional ceramic film to take advantage of the magnetic, electrical, or optical properties of the produced film, the selection of a cationic surfactant should be taken into consideration. When a cationic surfactant is used together with an anion containing an element other than hydrogen, carbon, nitrogen and oxygen, such as a halide, a hetero element remains in the produced film, and the functionality of the film Can be damaged. In that way, even a trace amount of halide ions in the electronic ceramic film can increase the conductivity so much that the functionality is significantly impaired. However, for the hexadecyltrimethylammonium bromide (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) mentioned in the examples, it has surprisingly been found that the conductivity is in an acceptable range. Accordingly, the dielectric film can also be fabricated according to the claimed method.

ヘテロ元素が膜内に残ることによる、そのような機能性の侵害は、ある実施形態では、膜をか焼および焼結する際に気体の形で取り除かれる元素の水素、炭素、窒素および酸素のみ含むアニオンをカチオン界面活性剤内で使用することによって対処される。対応するカチオン界面活性剤は、第四級アンモニウム塩の場合には、適切な合成方法またはイオン交換によって製造することができる。アルキルアンモニウム塩、ジアルキルアンモニウム塩およびトリアルキルアンモニウム塩の場合には、この化合物は、アミンを相当する酸と混合するだけで製造することができる。その種のハロゲンを含まないカチオン界面活性剤の例は、アルキルアンモニウムイオン、ジアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルアンモニウムイオンまたはテトラアルキルアンモニウムイオンを含む硝酸塩およびカルボン酸塩である。しかしながら、考えられ得る選択は、挙げられた例に限定されるものではない。塩としては一般に、アジド、シアン化物、シアン酸塩、イソシアン酸塩、水酸化物などの、そのアニオンがH、C、NおよびOとは異なる元素を含まない全てのアルキルアンモニウム化合物、ジアルキルアンモニウム化合物、トリアルキルアンモニウム化合物またはテトラアルキルアンモニウム化合物が考えられ得る。アルキルアンモニウム塩、ジアルキルアンモニウム塩およびトリアルキルアンモニウム塩を酸と正確な混合比で混合することによって、マイクロエマルション中のpH−値を調整することができる。それによって粒子合成の際の加水分解速度を変えることができ、そのことで、粒度分布、組成および形態に関して変更された生成物を作ることができる。   Such functional infringement due to the heteroelements remaining in the film is, in one embodiment, only the elements hydrogen, carbon, nitrogen and oxygen that are removed in gaseous form when the film is calcined and sintered. This is addressed by using an anion containing in the cationic surfactant. Corresponding cationic surfactants, in the case of quaternary ammonium salts, can be prepared by suitable synthetic methods or ion exchange. In the case of alkylammonium, dialkylammonium and trialkylammonium salts, this compound can be prepared by simply mixing the amine with the corresponding acid. Examples of such halogen-free cationic surfactants are nitrates and carboxylates containing alkylammonium ions, dialkylammonium ions, trialkylammonium ions or tetraalkylammonium ions. However, possible choices are not limited to the examples given. In general, as the salt, all alkylammonium compounds and dialkylammonium compounds whose anion does not contain an element different from H, C, N and O, such as azide, cyanide, cyanate, isocyanate, hydroxide, etc. Trialkylammonium compounds or tetraalkylammonium compounds can be envisaged. The pH-value in the microemulsion can be adjusted by mixing the alkylammonium salt, dialkylammonium salt and trialkylammonium salt with the acid in the correct mixing ratio. Thereby, the rate of hydrolysis during particle synthesis can be changed, thereby making it possible to produce products that are altered with respect to particle size distribution, composition and morphology.

個々のアルキル鎖の鎖長は、使用されたカチオン界面活性剤に関しては通常C1とC20の間にある。アルキルアンモニウムイオン、ジアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルアンモニウムイオンまたは第四級アンモニウムイオンの全炭素数は、典型的にはC8(オクチルアンモニウム塩)とC38(ジステアリルジメチルアンモニウム塩)の間にある。前述のアルキルアンモニウム塩、ジアルキルアンモニウム塩、トリアルキルアンモニウム塩またはテトラアルキルアンモニウム塩の、非イオン性界面活性剤との混合物を使用することによって、マイクロエマルション中の液滴の大きさを合目的に変更することができる。カチオン界面活性剤CTABの10ないし25%を、非イオン性界面活性剤ルテンソル ON 110およびルテンソル ON 50(ルテンソルはBASF社の商標)に換えることによって、いくらか大きい液滴のマイクロエマルションとなる。   The chain length of the individual alkyl chains is usually between C1 and C20 for the cationic surfactant used. The total carbon number of the alkylammonium ion, dialkylammonium ion, trialkylammonium ion or quaternary ammonium ion is typically between C8 (octylammonium salt) and C38 (distearyldimethylammonium salt). Resize droplets in microemulsions to suit your needs by using a mixture of the aforementioned alkylammonium, dialkylammonium, trialkylammonium or tetraalkylammonium salts with nonionic surfactants can do. Replacing 10-25% of the cationic surfactant CTAB with the non-ionic surfactants Lutensol ON 110 and Lutensol ON 50 (Lutensol is a trademark of BASF) results in somewhat larger droplet microemulsions.

実施形態におけるマイクロエマルションは、好ましくは前駆体溶液に滴下される。前駆体溶液がマイクロエマルション中に滴下される、米国特許出願公開第2005/0194573号から周知の方法に対して、逆の順序は、合成の間前駆体溶液中に常に水が過少に存在しているので、金属水酸化物の形成に対抗するという長所を有する。この水酸化物は、コーティング後に生じたセラミックス膜の機能性を低下させるおそれがある。   The microemulsion in the embodiment is preferably added dropwise to the precursor solution. In contrast to the method known from US 2005/0194573, where the precursor solution is dropped into the microemulsion, the reverse sequence is always in the presence of an excess of water in the precursor solution during synthesis. Therefore, it has an advantage of countering the formation of metal hydroxide. This hydroxide may reduce the functionality of the ceramic film produced after coating.

ナノ粒子の完全な分散は、本発明のある実施形態では確実に改良され、その場合に、加水分解反応の実施後に、生じたナノ粒子表面に界面活性剤分子が吸着して、溶液の性質に重大な影響を及ぼすので、使用されたマイクロエマルション中のカチオン界面活性剤の種類および組成は、溶媒の極性に適合される。例えばセチルトリメチルアンモニウムブロミド CTABの使用が、安定なチタン酸バリウム分散液を製造する際の適切なカチオン界面活性剤であると実証された。この場合、一次構造面上に、その粒径最大値が50nm未満の単分散粒度分布を有する、分散されたナノ粒子を含む直接濃縮されたコロイド溶液が生じる。そのようにして、金属酸化物の質量濃度が5重量%を超えるコロイド溶液ないし分散液を容易に作ることができる。粘性が低い場合には、貯蔵安定性は少なくとも6ヶ月となる。米国特許出願公開第2005/0194573号に濃縮分散液に関して開示されているように、形成されたナノ粒子の凝集およびそれによる、例えば製造プロセス中または貯蔵期間内のチタン酸バリウム粉末の沈殿は起こらない。   Complete dispersion of the nanoparticles is definitely improved in certain embodiments of the present invention, in which case, after performing the hydrolysis reaction, surfactant molecules are adsorbed on the resulting nanoparticle surface, resulting in solution properties. The type and composition of the cationic surfactant in the microemulsion used is adapted to the polarity of the solvent as it has a significant effect. For example, the use of cetyltrimethylammonium bromide CTAB has proven to be a suitable cationic surfactant in producing stable barium titanate dispersions. This results in a directly concentrated colloidal solution containing dispersed nanoparticles having a monodisperse particle size distribution with a maximum particle size of less than 50 nm on the primary structure surface. As such, a colloidal solution or dispersion having a mass concentration of metal oxide exceeding 5% by weight can be easily prepared. If the viscosity is low, the storage stability is at least 6 months. As disclosed for concentrated dispersions in US Patent Application Publication No. 2005/0194573, no aggregation of the formed nanoparticles and thereby no precipitation of barium titanate powder, for example during the manufacturing process or during storage .

例外的な場合に濃縮コロイド溶液ないし分散液の十分な貯蔵安定性が達成されない場合には、最初に得られる分散液に、低分子の揮発性の有機酸、アミンまたはケトンの形の別の分散剤を添加することによって、この貯蔵安定性を保証することができるであろう。   In exceptional cases, if sufficient storage stability of the concentrated colloidal solution or dispersion is not achieved, the initial dispersion is further dispersed in the form of a low molecular volatile organic acid, amine or ketone. By adding an agent, this storage stability could be guaranteed.

マイクロエマルションは、好ましくはマイクロエマルション中に含まれる水が完全に置換されるまで、中に前駆体を含むアルコールに添加される。その後カチオン界面活性剤の割合を出来る限り少なく抑えて、それだけ一層改良されて、緻密なセラミックス膜が作製されることが保証されるように、マイクロエマルションのさらなる添加は停止される。   The microemulsion is preferably added to the alcohol containing the precursor therein until the water contained in the microemulsion is completely replaced. Thereafter, further addition of the microemulsion is stopped so as to ensure that the proportion of cationic surfactant is kept as low as possible and is further improved to produce a dense ceramic film.

界面活性剤の割合をさらに減らすために、米国特許出願公開第2005/0194573号から周知の従来技術とは異なって、水分の割合が多い、特に水分含有量が少なくとも5重量パーセントのマイクロエマルションが有利に使用される。それに対して米国特許出願公開第2005/0194573号による水分含有量は2〜3重量パーセントに過ぎない。10重量パーセントを超える水分含有量が適することが実証された。プロセスの機能性を保証するためには、水分含有量は15重量パーセントを超えるべきではない。   In order to further reduce the proportion of surfactant, unlike the prior art known from US 2005/0194573, microemulsions with a high water content, in particular with a water content of at least 5 percent by weight, are advantageous. Used for. In contrast, the moisture content according to US 2005/0194573 is only 2 to 3 percent by weight. A moisture content greater than 10 weight percent has proven suitable. In order to ensure process functionality, the moisture content should not exceed 15 weight percent.

界面活性剤含有量が少ないことで、ナノ粒子分散液中の、標準状態で無視できる蒸気圧を有する(揮発性有機物ではない)有機分子の割合も非常に低くなるという結果になる。酸化ナノ粒子の、カチオン界面活性剤に対する質量比は問題なく4.2より大きくなる。それどころか通常10より大きい。分散液を基板上に塗布し、続いて700℃以上で焼結すると、すぐに緻密で均質な厚みのメソスコープ膜が生じる。   The low surfactant content results in a very low proportion of organic molecules (not volatile organics) that have a negligible vapor pressure in the standard state in the nanoparticle dispersion. The mass ratio of oxidized nanoparticles to cationic surfactant is greater than 4.2 without problems. On the contrary, it is usually greater than 10. When the dispersion is applied onto a substrate and subsequently sintered at 700 ° C. or higher, a mesoscopic film having a dense and uniform thickness is immediately formed.

焼結温度が700℃未満の場合には、分散液から作製された膜にまだ残留多孔度が備わっていて、これがセラミックス膜の機能性を損なうという危険が生じる。   If the sintering temperature is less than 700 ° C., the membrane produced from the dispersion still has residual porosity, which creates the risk of impairing the functionality of the ceramic membrane.

700℃未満の焼結温度でも、直接緻密なメソスコープ膜を確実に得るためには、コロイド溶液に分子有機金属CSD−溶液を混ぜ合わせることが好ましいと立証された。この所謂ハイブリッド溶液は、1相の純粋な酸化金属膜を作製する場合に、金属酸化物全質量に対して50重量%未満の、等しい化学量論的な金属イオン組成のCSD−溶液の割合を含む。焼結温度の低下は、様々な長所につながる。とりわけ費用を節約することができる。   In order to reliably obtain a dense mesoscope film directly even at a sintering temperature of less than 700 ° C., it has been proved preferable to mix a molecular organometallic CSD-solution with a colloidal solution. This so-called hybrid solution has a proportion of CSD-solution of equal stoichiometric metal ion composition of less than 50% by weight relative to the total mass of the metal oxide when producing a one-phase pure metal oxide film. Including. Lowering the sintering temperature leads to various advantages. In particular, costs can be saved.

1相の純粋な酸化金属膜を作製する場合には、等しい化学量論的な金属イオン組成を有する、50重量%未満のCSD−溶液から成る金属酸化物の割合を使用することが好ましい。   When producing a one-phase pure metal oxide film, it is preferable to use a proportion of metal oxide consisting of a CSD-solution of less than 50% by weight having an equal stoichiometric metal ion composition.

このハイブリッド溶液を用いて、その物理的性質を制御しながら調整するためのナノスケール不均質性(コア−シェル状構造)を有する多相複合フィルムも、ナノ粒子分散液中とは異なる金属組成を有するCSD−溶液を使用することによって得られる。その場合にCSD−溶液の割合は、生じる酸化物の全金属質量に対して50重量%未満、好ましくは20重量%未満、特に好ましくは10重量%未満となり得る。しかしながらメソスコープ膜を作製するためにハイブリッド溶液を使用する場合には、特に容易な方法でドーピングすることも可能であり、その際混ぜ合わせられたCSD−溶液に関して1つまたは多数のドーピング剤が取り入れられる。このドーピングの割合は、酸化物の全質量に対して好ましくは5%未満で、特に好ましくは1%未満である。粒子と同じ金属および粒子とは異なる金属を含むCSD−溶液を同時に使用することも可能である。ドープされた均質または不均質な膜は、任意の前述のハイブリッド溶液にドーピング物質を添加することによっても生成することができる。   Using this hybrid solution, a multiphase composite film having nanoscale inhomogeneity (core-shell structure) for adjusting its physical properties while controlling it also has a metal composition different from that in the nanoparticle dispersion. Obtained by using a CSD-solution. In that case, the proportion of CSD solution can be less than 50% by weight, preferably less than 20% by weight, particularly preferably less than 10% by weight, based on the total metal mass of the resulting oxide. However, when using hybrid solutions to make mesoscopic membranes, it is also possible to dope in a particularly easy way, in which one or a number of doping agents are incorporated with respect to the mixed CSD-solution. . The proportion of this doping is preferably less than 5%, particularly preferably less than 1%, based on the total mass of the oxide. It is also possible to use simultaneously a CSD-solution containing the same metal as the particles and a metal different from the particles. Doped homogeneous or heterogeneous films can also be produced by adding doping substances to any of the aforementioned hybrid solutions.

このハイブリッド溶液を用いて、700℃の焼結温度以下でも、異なる基板上に緻密なメソスコープセラミックス薄膜を得ることができる。その場合にそれぞれ使用された、このハイブリッド溶液中の金属酸化物濃度は、生じる薄膜の目標とされた膜厚および優遇されたコーティング方法に適合される。例えば濃縮溶液を用いて、比較的容易な遠心技術を使用することによって、1プロセス工程で250nm未満のセラミックス薄膜を直接手に入れることができる。   Using this hybrid solution, a dense mesoscopic ceramic thin film can be obtained on a different substrate even at a sintering temperature of 700 ° C. or lower. The metal oxide concentration in this hybrid solution used in each case is adapted to the targeted film thickness and the preferred coating method of the resulting thin film. For example, with a concentrated solution, a ceramic film of less than 250 nm can be obtained directly in one process step by using a relatively easy centrifugation technique.

適切なCSD−溶液を製造するためには、カルボン酸塩、単純アルコキシド、メトキシエトキシドおよびアミノエトキシドを出発物質として使用することができる。これらは、単純アルコール、エーテルアルコール、アミノアルコールおよびカルボン酸ないし適切な混合物に単純に溶解させることによって、または還流および蒸留工程によって安定なCSD−前駆体溶液に変わる。さらに溶媒は、最適なコーティング挙動が結果として生じるように選択される。最適なコーティング挙動は、溶液が基板上の均質な分散を可能にする良好な湿潤挙動と、溶媒の急速過ぎない揮発挙動を有する場合に達成される。さらにマイクロエマルションとの化学適合性が保証される場合が好ましい。使用された金属アルコキシドを予定時点以前の加水分解および縮合に対して保護するために、β−ジケトン酸塩、多価アルコールまたはアミノエタノールなどのキレート錯化剤を安定剤として添加する。その場合に調整可能な溶液濃度は、それぞれ与えられた前駆物質の組合せに関する溶解度積によって上限が決められ、典型的には0.05〜1.5mol/lである。好ましくは0.1〜0.5mol/lの範囲の濃度の溶液が使用される。S.ホフマン(Hoffmann)およびR.ヴァーゼル(Waser)著、「CSD作製[Ba,Sr]TiO3薄膜の形態制御(Control of the morphology of CSD−prepared [Ba,Sr]TiO3 thin films)」、ジャーナル・オブ・ジ・ヨーロピアン・セラミック・ソサイアティ19巻、1999年、p.1339に示されているように、濃度を変えると、個々のコーティング工程あたりの膜厚の制御と同時に形態の調整がしばしば可能となる。 In order to produce a suitable CSD-solution, carboxylates, simple alkoxides, methoxy ethoxides and amino ethoxides can be used as starting materials. These are converted into stable CSD-precursor solutions by simple dissolution in simple alcohols, ether alcohols, amino alcohols and carboxylic acids or appropriate mixtures or by reflux and distillation steps. In addition, the solvent is selected such that optimal coating behavior results. Optimal coating behavior is achieved when the solution has good wetting behavior that allows for a homogeneous dispersion on the substrate and not too rapid volatilization behavior of the solvent. Furthermore, it is preferable that chemical compatibility with the microemulsion is guaranteed. In order to protect the metal alkoxide used against hydrolysis and condensation before the expected time, chelate complexing agents such as β-diketonates, polyhydric alcohols or aminoethanol are added as stabilizers. The upper limit of the solution concentration which can be adjusted in this case is determined by the solubility product for each given precursor combination and is typically 0.05 to 1.5 mol / l. A solution having a concentration in the range of 0.1 to 0.5 mol / l is preferably used. S. Hoffmann and R.H. Vazeru (Waser) al., "CSD produced [Ba, Sr] TiO 3 thin film of form control (Control of the morphology of CSD- prepared [Ba, Sr] TiO 3 thin films) ", Journal of the European ceramic As shown in Society Vol. 19, 1999, p. 1339, changing the concentration often allows for adjustment of the morphology as well as control of the film thickness per individual coating step.

コーティングのためには、遠心、浸漬および様々な形の吹き付けなどのCDS−技術で知られている全ての方法が基本的に適する。目標とされた用途ないし基板の形に関連して、この方法は選択される。単純な遠心法の場合には、決められた量の溶液を、場合によっては予定時点前の加水分解および遠心工程中の縮合反応を回避するために乾燥保護ガス環境下で、基板上に塗布し、1000〜6000U/minの回転速度で膜厚が一定になるまで遠心回転させる。その場合に達成可能な膜厚は、溶液の濃度、溶液の粘性、使用された溶媒の蒸気圧および回転速度に関連する。浸漬法の場合には、被覆すべき基板を溶液中に浸漬し、速度を調整しながら引き上げる。その場合に膜厚は、粘性および浸漬速度によって調整することができ、速度が比較的速いと一般に比較的厚い膜となり、一方ゆっくり浸漬することによって比較的薄い膜が得られる。吹き付けでは様々な方法が知られている。超音波噴霧器によって、溶液からマイクロメートル領域の小さい液滴を生成させて、続いて乾燥アルゴン流と共に基板上に導いてこの上に堆積させるか、または微細ノズルを介して溶液をエアロゾルに移行させるか、またはC.カーティス(Curtis),T.リブキン(Rivkin),A.ミーダネル(Miedaner),J.アレマン(Alleman),J.パーキンズ(Perkins),L.スミス(Smith),D.ギンレイ(Ginley)著、「直接書込インクジェット印刷における金属被覆(Metallizations by direct−write inkjet printing)」、プロシーディングス・NCPV・プログラム・リバイズド・ミーティング、レークウッド、CO、2001年、CD ROM)で公開されているように、溶液をインクジェット印刷法によって基板上に塗布する。後者の方法は、溶媒の粘性および蒸気圧を相応にした場合には、同時に膜の構造化を可能にする。メソスコープ膜をMCLL−技術に関して経済的に作製するためには、好ましくは原理的には中間金属化のためにも使用可能なインクジェット印刷法が適する〔C.カーティス(Curtis),T.リブキン(Rivkin),A.ミーダネル(Miedaner),J.アレマン(Alleman),J.パーキンズ(Perkins),L.スミス(Smith),D.ギンレイ(Ginley)著、「直接書込インクジェット印刷における金属被覆(Metallizations by direct−write inkjet printing)」、プロシーディングス・NCPV・プログラム・リバイズド・ミーティング、レークウッド、CO、2001年、CD ROM参照〕。   For coating, all methods known from the CDS-technique, such as centrifugation, dipping and various forms of spraying, are basically suitable. This method is selected in relation to the targeted application or the shape of the substrate. In the case of simple centrifugation, a defined amount of solution is applied onto the substrate, possibly in a dry protective gas environment, to avoid hydrolysis before the scheduled time and condensation reactions during the centrifugation process. , And centrifugally rotated at a rotational speed of 1000 to 6000 U / min until the film thickness becomes constant. The film thickness that can be achieved in that case is related to the concentration of the solution, the viscosity of the solution, the vapor pressure of the solvent used and the rotational speed. In the case of the dipping method, the substrate to be coated is dipped in the solution and pulled up while adjusting the speed. In that case, the film thickness can be adjusted by viscosity and dipping speed, with relatively high speeds generally resulting in a relatively thick film, while slow dipping results in a relatively thin film. Various methods are known for spraying. Whether the ultrasonic nebulizer produces small droplets in the micrometer range from the solution and then directs it onto the substrate with a dry argon stream and deposits on it, or transfers the solution to the aerosol through a fine nozzle Or C.I. Curtis, T.W. Rivkin, A.R. Miedaner, J.M. Alleman, J.M. Perkins, L.A. Smith, D.C. Published by Ginley, "Metalizations by direct-write ink jet printing", Proceedings NCPV Program Revised Meeting, Lakewood, CO, 2001, CD ROM) As is done, the solution is applied onto the substrate by inkjet printing. The latter method allows the structuring of the membrane at the same time if the viscosity and vapor pressure of the solvent are commensurate. In order to make mesoscopic membranes economically with respect to the MCLL-technology, preferably an ink jet printing method which is also usable in principle for intermediate metallization is suitable [C. Curtis, T.W. Rivkin, A.R. Miedaner, J.M. Alleman, J.M. Perkins, L.A. Smith, D.C. Ginley, “Metalizations by direct-write ink jet printing”, Proceedings NCPV Program Revised Meeting, Lakewood, CO, 2001, CD ROM.

実施例1
メソスコープのチタン酸バリウム膜を作製するための、6.25重量%の分散酸化ナノ粒子の質量濃度を有する本発明のコーティング溶液160gは、以下のようにして容易に合成することができる。
Example 1
160 g of the coating solution of the present invention having a mass concentration of 6.25 wt% dispersed oxide nanoparticles for producing a mesoscopic barium titanate film can be easily synthesized as follows.

5.888gの金属バリウムを、保護ガス下および室温で153mlのメタノールに溶解させ、12.187gのチタンイソプロポキシドを滴下して混合する。続く化学量論的な量の水での加水分解は、12.21重量%の1−ペンタノール、3.74重量%のCTAB(セチルトリメチルアンモニウムブロミド)、11.23重量%の水および72.82重量%のシクロヘキサンから構成されるカチオンマイクロエマルション20.634gをゆっくり滴下することによって行われる。マイクロエマルションを完全に添加後すぐに光学的に等方性のほぼ無色透明なチタン酸バリウム分散液が得られ、これは、実用的な単分散粒度分布および5nm±0.5nmの平均粒径(モールバーンゼータ分粒機を用いた動的光散乱により測定)、1.5mPa sの粘性および0.48重量%の不揮発性有機物の割合を有している。これは、カチオン界面活性剤に対するチタン酸バリウムナノ粒子の質量比13に相当する。   5.888 g of metal barium is dissolved in 153 ml of methanol under protective gas and at room temperature, and 12.187 g of titanium isopropoxide is added dropwise. Subsequent hydrolysis with a stoichiometric amount of water resulted in 12.21% by weight 1-pentanol, 3.74% by weight CTAB (cetyltrimethylammonium bromide), 12.23% by weight water and 72.% by weight. This is done by slowly dropping 20.634 g of a cationic microemulsion composed of 82% by weight of cyclohexane. Immediately after complete addition of the microemulsion, an optically isotropic, almost colorless and transparent barium titanate dispersion is obtained, which has a practical monodisperse particle size distribution and an average particle size of 5 nm ± 0.5 nm ( It has a viscosity of 1.5 mPa s and a proportion of non-volatile organic matter of 0.48 wt%. This corresponds to a mass ratio of 13 barium titanate nanoparticles to cationic surfactant.

このコーティング溶液を用いて、白金ケイ素基板上に3000U/minで単純遠心させ、および続いて700℃を超える温度で堆積させることによって、直接約200nmの厚さの緻密な結晶性チタン酸バリウム膜を得ることができる。   Using this coating solution, a simple crystalline barium titanate film with a thickness of about 200 nm is directly formed by simple centrifugation on a platinum silicon substrate at 3000 U / min and subsequent deposition at a temperature above 700 ° C. Obtainable.

実施例2
分子ZirO2−前駆体溶液およびチタン酸バリウムナノ粒子分散液から構成される本発明のハイブリッドコーティング溶液150mlは、以下のように製造できる。
Example 2
150 ml of the hybrid coating solution of the present invention composed of a molecular ZirO 2 -precursor solution and a barium titanate nanoparticle dispersion can be prepared as follows.

まず1.9487gのジルコニウムテトラブトキシドを保護ガス下で5mlのn−ブタノールに溶解させ、撹拌下で1.0158gに相当する2倍の物質量のアセチルアセトンをゆっくり滴下することによって透明な黄色溶液が形成されるまで混合する。続いて5%溶液となるまでブタノールで補充する。その後この20体積%に相当する30mlのCSD−溶液を、実施例1にしたがって製造された溶液120mlに混ぜ合わせると、全固体含有量5%の無色透明の光学的に等方性のハイブリッドコーティング溶液が生じる。このハイブリッド溶液を用いて、白金ケイ素基板上に3000U/minで単純遠心させ、および続いて700℃を超える温度で堆積させることによって、約570nmの厚さの結晶性の緻密なメソスコープ膜を作製することができる。   First, 1.9487 g of zirconium tetrabutoxide was dissolved in 5 ml of n-butanol under a protective gas, and a transparent yellow solution was formed by slowly dropping acetylacetone twice as much substance corresponding to 1.0158 g under stirring. Mix until done. Then replenish with butanol until a 5% solution is obtained. Then 30 ml of CSD-solution corresponding to 20% by volume is combined with 120 ml of the solution prepared according to Example 1 to produce a clear, colorless optically isotropic hybrid coating solution with a total solids content of 5%. Occurs. Using this hybrid solution, a crystalline dense mesoscope film with a thickness of about 570 nm is produced by simple centrifugation at 3000 U / min on a platinum silicon substrate and subsequent deposition at temperatures above 700 ° C. be able to.

実施例3
メソスコープの圧電セラミックスカリウム−ニオブ酸ナトリウム膜を作製するための、5重量%の分散酸化KNaNb26−ナノ粒子の質量濃度を有する本発明のコーティング溶液200gは、以下のようにして容易に合成することができる。
Example 3
200 g of the coating solution of the present invention having a mass concentration of 5 wt% dispersed oxidized KNaNb 2 O 6 -nanoparticles for producing a mesoscopic piezoelectric ceramic potassium-sodium niobate film is easily synthesized as follows. can do.

18.507gのニオブエトキシド、2.065gのカリウムメトキシドおよび1.570gのナトリウムメトキシドを、保護ガス下および室温で撹拌しながら137gのメタノールに溶解させる。続く化学量論的な量の水での加水分解は、12.21重量%の1−ペンタノール、3.74重量%のCTAB(セチルトリメチルアンモニウムブロミド)、11.23重量%の水および72.82重量%のシクロヘキサンから構成されるカチオンマイクロエマルション27.967gをゆっくり滴下することによって行われる。マイクロエマルションを完全に添加後すぐに光学的に等方性のオレンジ色のカリウム−ニオブ酸ナトリウム分散液が得られ、5.82gのアセチルアセトンと6.98gの無水酢酸を混合することによって、その貯蔵安定性を6ヶ月以上に向上させることができた。この分散液に関して、0.52重量%の不揮発性有機物の割合では、平均粒径が7nm±0.8nmの単分散粒度分布が算出された(モールバーンゼータ分粒機を用いた動的光散乱によって測定
)。これはカチオン界面活性剤に対するカリウム−ニオブ酸ナトリウムナノ粒子の質量比9.56に相当する。
18.507 g of niobium ethoxide, 2.065 g of potassium methoxide and 1.570 g of sodium methoxide are dissolved in 137 g of methanol under protective gas and at room temperature with stirring. Subsequent hydrolysis with a stoichiometric amount of water resulted in 12.21% by weight 1-pentanol, 3.74% by weight CTAB (cetyltrimethylammonium bromide), 12.23% by weight water and 72.% by weight. This is done by slowly dropping 27.967 g of a cationic microemulsion composed of 82% by weight of cyclohexane. An optically isotropic orange potassium-sodium niobate dispersion is obtained immediately after complete addition of the microemulsion and is stored by mixing 5.82 g acetylacetone and 6.98 g acetic anhydride. Stability could be improved over 6 months. With respect to this dispersion, a monodisperse particle size distribution with an average particle size of 7 nm ± 0.8 nm was calculated at a non-volatile organic matter ratio of 0.52% by weight (dynamic light scattering using a Malvern zeta sizer). Measured by). This corresponds to a mass ratio of potassium-sodium niobate nanoparticles to cationic surfactant of 9.56.

このコーティング溶液を用いて、例えば白金ケイ素基板上に3000U/minで単純遠心し、および続いて700℃を超える温度で堆積させることによって、直接約180nmの厚さの緻密な結晶性カリウム−ニオブ酸ナトリウム膜を得ることができる。   Using this coating solution, for example, by simple centrifugation at 3000 U / min on a platinum silicon substrate and subsequent deposition at a temperature in excess of 700 ° C., a dense crystalline potassium-niobic acid with a thickness of about 180 nm directly. A sodium membrane can be obtained.

実施例4
メソスコープの二酸化ジルコニウム膜を作製するための、2.5重量%の分散二酸化ジルコニウム−ナノ粒子の質量濃度を有する本発明のハロゲンを含まないコーティング溶液100gは、以下のようにして容易に合成することができる。
Example 4
100 g of the halogen-free coating solution of the present invention having a mass concentration of 2.5% by weight dispersed zirconium dioxide-nanoparticles for making a mesoscopic zirconium dioxide film can be easily synthesized as follows. Can do.

6.551gのジルコニウムテトライソプロポキシドを、保護ガス下および室温で78.815gの無水エタノールに溶解させ、加水分解のために、5.09%のオクタン酸セチルトリメチルアンモニウム(CTAO)、1.17%の酢酸、4.92%の水、77.06%のシクロヘキサンおよび11.76%のペンタノールから構成される、ハロゲンを含まないマイクロエマルション14.634gをゆっくり滴下することによって混合する。マイクロエマルションを完全に添加後すぐに、実用的な単分散粒度分布および4nm±0.8nmの平均粒径を有する、光学的に等方性のほぼ無色透明な二酸化ジルコニウム分散液が得られた(モールバーンゼータ分粒機を用いた動的光散乱によって測定)。   6.551 g of zirconium tetraisopropoxide was dissolved in 78.815 g of absolute ethanol under protective gas and at room temperature and, for hydrolysis, 5.09% cetyltrimethylammonium octoate (CTAO), 1.17. Mix slowly by dropwise addition of 14.634 g of a halogen-free microemulsion composed of 4% acetic acid, 4.92% water, 77.06% cyclohexane and 11.76% pentanol. Immediately after complete addition of the microemulsion, an optically isotropic, almost colorless and transparent zirconium dioxide dispersion with a practical monodisperse particle size distribution and an average particle size of 4 nm ± 0.8 nm was obtained ( (Measured by dynamic light scattering using a Moulburn zeta sizing machine).

このコーティング溶液を用いて、例えば白金ケイ素基板上に3000U/minで単純遠心させ、および続いて700℃を超える温度で堆積させることによって、直接約70nmの厚さの緻密な結晶性酸化ジルコニウム膜を得ることができる。   Using this coating solution, a dense crystalline zirconium oxide film with a thickness of about 70 nm is directly formed by, for example, simple centrifugation at 3000 U / min on a platinum silicon substrate and subsequent deposition at a temperature exceeding 700 ° C. Obtainable.

ハロゲンを含まない界面活性剤(CTAO)は、CTAB(セチルトリメチルアンモニウムブロミド)の臭素イオンを、イオン交換を用いてオクタン酸イオンで置換することによって容易に製造された。
これに関しては、塩化物形で1.2meq/mlのイオン交換容量を有するイオン交換体DOWEX(商標)1×8の100mlが入ったカラムに水をたっぷり入れた。2Mの苛性ソーダ溶液(266mmol)および38.4gのオクタン酸(266mmol)の混合物133mlをこのカラムに入れて、塩化物を定量的にオクタン酸塩に交換した。その後このカラムを、200mlの水および続いて200mlのメタノールで洗浄した。最後に14.3gのCTAB(39.2mmol)の100mlメタノール溶液をカラムに加えた。溶離液をフラクションで採取して、硝酸酸性の硝酸銀溶液を用いて臭素分析をした。採取した全てのフラクションで、臭素は検出されなかった。オクタン酸−N−セチル−N,N,N−トリメチルアンモニウム(CTAO)は、溶媒除去後に粘性ペーストとして沈殿した。臭素の残留量は、10ppmの検出限界未満であった。
Halogen-free surfactant (CTAO) was easily prepared by replacing the bromine ion of CTAB (cetyltrimethylammonium bromide) with octoate ion using ion exchange.
In this regard, plenty of water was placed in a column containing 100 ml of the ion exchanger DOWEX ™ 1 × 8 in chloride form with an ion exchange capacity of 1.2 meq / ml. 133 ml of a mixture of 2M caustic soda solution (266 mmol) and 38.4 g octanoic acid (266 mmol) was placed in the column and the chloride was quantitatively exchanged for octanoate. The column was then washed with 200 ml water followed by 200 ml methanol. Finally, 14.3 g of CTAB (39.2 mmol) in 100 ml methanol was added to the column. The eluent was collected in fractions and analyzed for bromine using an acidic silver nitrate solution. Bromine was not detected in all collected fractions. Octanoic acid-N-cetyl-N, N, N-trimethylammonium (CTAO) precipitated as a viscous paste after removal of the solvent. The residual amount of bromine was below the detection limit of 10 ppm.

ハインツ・レハーゲ(Heinz Rehage)の論文[「粘弾性界面活性溶液のレオロジー試験(Rheologische Untersuchungen an viskoelastischen Tensidloesungen)」バイロイト大学、1982年]によると、そのような有機酸の第四級アンモニウム塩は、ハロゲン化第四級アンモニウムを酸化銀で置換して、水酸化物を対応する有機酸で置換することによっても製造できる。このようにして、例えばヘキサデシルピリジニウムブロミドとサリチル酸からサリチル酸ヘキサデシルピリジニウム(CPySal)が製造された。   According to a paper by Heinz Rehage [Rheology of Unstugengen an viskoelastischen Tensidloesungen, Bayreuth University, 1982], quaternary ammonium salts of such organic acids It can also be produced by replacing quaternary ammonium chloride with silver oxide and replacing the hydroxide with the corresponding organic acid. Thus, for example, hexadecylpyridinium salicylate (CPySal) was produced from hexadecylpyridinium bromide and salicylic acid.

酸化ナノ粒子の質量の割合は、この実施例では5重量%未満である。使用された界面活性剤(CTAO)は、その他の実施例のもの(CTAB)とは区別されるので有利である。これは、好ましくは(主または副成分として)ハロゲンを含まない界面活性剤である。コーティング溶液は、ハロゲンを含まない。使用されたCTAOは、カルボン酸塩である。その製造は、記述されたイオン交換によって行う。   The mass fraction of oxidized nanoparticles is less than 5% by weight in this example. The surfactant used (CTAO) is advantageously distinguished from that of the other examples (CTAB). This is preferably a halogen-free surfactant (as main or subcomponent). The coating solution does not contain halogen. The CTAO used is a carboxylate. Its production takes place by the described ion exchange.

実施例5
固体質量比が1:4のメソスコープのBi23/SrTiO3−結合材料膜を作製するための、分子ビスマス前駆体溶液とチタン酸ストロンチウムナノ粒子分散液から構成される、本発明のハイブリッドコーティング溶液100gは、以下のように合成することができる。
Example 5
Hybrid coating of the present invention comprising a molecular bismuth precursor solution and a strontium titanate nanoparticle dispersion for making a mesoscopic Bi 2 O 3 / SrTiO 3 -binding material film with a solid mass ratio of 1: 4 100 g of the solution can be synthesized as follows.

5重量%のチタン酸ストロンチウムナノ粒子分散液80gを製造するために、まず1.909gのストロンチウム金属を、保護ガス下および室温で61.422gのメタノールに溶解させ、6.188gのチタンイソプロポキシドを滴下して混合する。続く化学量論的な量の水での加水分解は、12.21重量%の1−ペンタノール、3.74重量%のCTAB(セチルトリメチルアンモニウムブロミド)、11.23重量%の水および72.82重量%のシクロヘキサンから構成されるカチオンマイクロエマルション10.481gをゆっくり滴下することによって行われる。マイクロエマルションを完全に添加後すぐに、実用的な単分散粒度分布および5nmの平均粒径を有する、光学的に等方性のほぼ無色透明なチタン酸ストロンチウム分散液が得られる。   In order to produce 80 g of a 5% by weight strontium titanate nanoparticle dispersion, 1.909 g of strontium metal was first dissolved in 61.422 g of methanol under protective gas and at room temperature to give 6.188 g of titanium isopropoxide. Is mixed dropwise. Subsequent hydrolysis with a stoichiometric amount of water resulted in 12.21% by weight 1-pentanol, 3.74% by weight CTAB (cetyltrimethylammonium bromide), 12.23% by weight water and 72.% by weight. This is done by slowly dropping 10.481 g of a cationic microemulsion composed of 82% by weight cyclohexane. Immediately after complete addition of the microemulsion, an optically isotropic, almost colorless and transparent strontium titanate dispersion with a practical monodisperse particle size distribution and an average particle size of 5 nm is obtained.

この分散液に、無色の分子ビスマス前駆体溶液20gを添加する(含有量1gBi23当量)が、これは、予め0.828の酢酸ビスマスを撹拌しながら19.172gのプロピオン酸に溶解させ、穏やかに加熱することによって製造できる。 To this dispersion is added 20 g of a colorless molecular bismuth precursor solution (content 1 g Bi 2 O 3 equivalent), which is prepared by previously dissolving 0.828 bismuth acetate in 19.172 g propionic acid with stirring. Can be produced by gentle heating.

このハイブリッド溶液を用いて、特に白金ケイ素基板上に3000U/minで単純遠心させ、続いて600℃を超える温度で堆積させることによって、約240nmの厚さの緻密な結晶性Bi23/SrTiO3−結合材料膜が得られる。 Using this hybrid solution, in particular by simple centrifugation at 3000 U / min on a platinum silicon substrate, followed by deposition at a temperature above 600 ° C., a dense crystalline Bi 2 O 3 / SrTiO with a thickness of about 240 nm is obtained. 3- A binding material film is obtained.

実施例6
メソスコープのBaTiO3/PbTiO3−結合材料膜を作製するための、混合比60:40の、0.2モルのチタン酸鉛ナノ粒子分散液と0.2モルの分子チタン酸バリウム前駆体溶液から構成される、本発明のその他のハイブリッドコーティング溶液100mlは、以下のように合成することができる。
Example 6
From a 0.2 molar lead titanate nanoparticle dispersion and a 0.2 molar molecular barium titanate precursor solution with a mixing ratio of 60:40 to produce a mesoscopic BaTiO 3 / PbTiO 3 -binding material film The other 100 ml of the hybrid coating solution of the present invention that is constructed can be synthesized as follows.

0.2モルのチタン酸鉛分散液の、必要とされる60mlを製造するために、まず3.9033gの無水酢酸鉛と3.3107gのチタンイソプロポキシドを、保護ガス下でブタノールに溶解させる。続いて酢酸イソプロピルの形の生じる反応生成物を連続分留し、この反応混合物を乾燥するまで蒸発させる。そのようにして得られる白色固体を、53mlのメタノールに吸収させ、完全に加水分解させるために、12.21重量%の1−ペンタノール、3.74重量%のCTAB(セチルトリメチルアンモニウムブロミド)、11.23重量%の水および72.82重量%のシクロヘキサンから構成されるカチオンマイクロエマルション3.846gを滴下して混合する。添加終了後に、約4nmの平均粒径を有する光学的に等方性の黄色チタン酸鉛分散液が得られる。   In order to produce the required 60 ml of 0.2 mol lead titanate dispersion, first, 3.9033 g of anhydrous lead acetate and 3.3107 g of titanium isopropoxide are dissolved in butanol under protective gas. . The resulting reaction product in the form of isopropyl acetate is subsequently distilled off continuously and the reaction mixture is evaporated to dryness. In order for the white solid so obtained to be absorbed in 53 ml of methanol and fully hydrolyzed, 12.21 wt% 1-pentanol, 3.74 wt% CTAB (cetyltrimethylammonium bromide), 3.846 g of cationic microemulsion composed of 12.23 wt% water and 72.82 wt% cyclohexane is added dropwise and mixed. After the addition is complete, an optically isotropic yellow lead titanate dispersion having an average particle size of about 4 nm is obtained.

この分散液に、分子の0.2モルチタン酸バリウム溶液40mlを添加する。   To this dispersion is added 40 ml of a 0.2 molar barium titanate solution of molecules.

まず1.5786gの高純度炭酸バリウムを、8mlのプロピオン酸に数時間還流沸騰させることによって溶解させる。遊離した水を捕獲するために、1.0416gの無水プロピオン酸(反応後に遊離したプロピオン酸1.19mlに相当)を混合する。第2フラスコ内では、2.7189gのチタンテトラブトキシドを保護ガス下で5mlのn−ブタノールに溶解させ、撹拌しながら1.6019gに相当する2倍の物質量のアセチルアセトンを、透明な淡黄色溶液が形成されるまでゆっくり滴下することによって混合する。プロピオン酸およびn−ブタノールで相応に満たして40mlにした後に、完成したチタン酸バリウム前駆体溶液中のプロピオン酸/n−ブタノールに関する溶媒比が1:1.5となるように、予め製造されたプロピオン酸バリウム溶液を安定化されたチタンテトラブトキシド溶液に定量的に混合する。   First, 1.5786 g of high-purity barium carbonate is dissolved in 8 ml of propionic acid by reflux boiling for several hours. In order to capture the liberated water, 1.0416 g of propionic anhydride (corresponding to 1.19 ml of propionic acid liberated after the reaction) is mixed. In the second flask, 2.7189 g of titanium tetrabutoxide was dissolved in 5 ml of n-butanol under a protective gas, and with stirring, twice the amount of acetylacetone corresponding to 1.6019 g was added to a clear light yellow solution. Mix by slowly dropping until formed. Pre-manufactured so that the solvent ratio for propionic acid / n-butanol in the finished barium titanate precursor solution is 1: 1.5 after corresponding filling with propionic acid and n-butanol to 40 ml Quantitatively mix the barium propionate solution into the stabilized titanium tetrabutoxide solution.

このコーティング溶液を用いて、例えば白金ケイ素基板上に3000U/minで単純遠心させ、続いて700℃を超える温度で堆積させることによって、すぐに約320nmの厚さの緻密な結晶性BaTiO3/PbTiO3−膜が得られる。 With this coating solution, for example, by simple centrifugation at 3000 U / min on a platinum silicon substrate followed by deposition at a temperature above 700 ° C., the dense crystalline BaTiO 3 / PbTiO with a thickness of about 320 nm is immediately 3- A membrane is obtained.

「分散液」、「溶液」および「懸濁液」という概念を定義するために、レンプ化学事典、第9版、編集者:J.ファルベ(Falbe),M.レギッツ(Regitz),ゲオルクティーメ出版、シュトゥットガルト、1989年、ISBN:3−13−734609−6を参照にする。   To define the concepts of “dispersion”, “solution” and “suspension”, the Lemp Chemical Dictionary, 9th edition, editor: J. Am. Falbe, M .; Reference is made to Regitz, Georgtimeme Publishing, Stuttgart, 1989, ISBN: 3-13-734609-6.

分散液
DIN53900(1972年7月)によると、1つが持続して(分散媒)、および少なくとも1つがさらに細かく分散している(分散相、分散質)複数の相から成る1つの系(分散系)を表す名称
According to dispersion DIN 53900 (July 1972) one system (dispersion system) consisting of a plurality of phases, one persistent (dispersion medium) and at least one more finely dispersed (dispersion phase, dispersoid) ) Name

溶液
最も広範な意味において溶液は、異なる物質の均一な混合物であり、その場合にこの溶液の最も小さい部分容積も同様の組成を有している。狭い意味での溶液に関しては、少なくとも2つの成分から成る液体混合物と理解され、その中でパートナーは、異なる量比で分子的に分散して存在している。ゾル、懸濁液およびエマルションなどのコロイド溶液は、この真の溶液とは区別される。
Solution In the broadest sense, a solution is a homogeneous mixture of different substances, where the smallest partial volume of this solution has a similar composition. With respect to the solution in the narrow sense, it is understood as a liquid mixture of at least two components, in which the partners are present in molecular dispersion in different quantity ratios. Colloidal solutions such as sols, suspensions and emulsions are distinguished from this true solution.

懸濁液
液体中のコロイドの寸法(<10-5cm)までの粒径を有する不溶性の固体粒子の分散を表す名称…比較的粒の粗い懸濁液の場合、懸濁している粒子は遅かれ早かれ底に沈殿するが(沈積)、それに対して粒子がコロイド粒子の寸法に達している場合には、これは液中に漂っている。
A name representing the dispersion of insoluble solid particles having a particle size up to the size of colloids (<10 -5 cm) in the suspension liquid ... in the case of a relatively coarse suspension, the suspended particles are delayed If it settles to the bottom sooner (deposition), on the other hand, if the particle has reached the size of the colloidal particle, it is floating in the liquid.

基本的に懸濁液は、熱力学的に不安定である。しかしながら適当な解こう剤によって動力学的安定性を向上させることができるので、そのようなコロイド溶液は処理に対しては十分に安定である。マイクロエマルションでの合成の際に反応混合物中に存在する界面活性剤は、生じるナノ粒子の凝集またはアグロメレーションに対する安定化を引き起こす。したがってこの界面活性剤は、処理に対する十分な動力学的安定性を可能にし、この動力学的安定性は、場合によっては解こう剤を添加することによってさらに改良することができる。   Basically the suspension is thermodynamically unstable. However, such a colloidal solution is sufficiently stable to processing, as kinetic stability can be improved by a suitable peptizer. The surfactant present in the reaction mixture during synthesis in the microemulsion causes the resulting nanoparticles to stabilize against aggregation or agglomeration. The surfactant thus allows sufficient kinetic stability to the process, and this kinetic stability can optionally be further improved by adding a peptizer.

したがってマイクロエマルションを使用して十分に安定なコーティング分散液を得ることが可能である。この、場合によってCSD−溶液を添加して製造された(コロイド)コーティング溶液は、緻密なメソスコープ膜の製造に適している。   It is therefore possible to obtain a sufficiently stable coating dispersion using microemulsions. This (colloidal) coating solution, optionally added with a CSD-solution, is suitable for the production of dense mesoscopic membranes.

本発明の意味における安定な分散液は、特にそのようなコロイド溶液中の粒度分布が、少なくとも3日間、好ましくは少なくとも10日間、特に好ましくは少なくとも30日間変化しない場合に達成される。実施例にしたがって得られる分散液は、通常数ヶ月間保持される。   A stable dispersion in the sense of the present invention is achieved especially when the particle size distribution in such a colloidal solution does not change for at least 3 days, preferably at least 10 days, particularly preferably at least 30 days. The dispersion obtained according to the examples is usually kept for several months.

ナノ粒子を製造するための非常に多くの方法がある。実際の問題は、この粒子を用いて高い固体の割合の安定な分散液を作ることにある。このことは、本発明で成功した。かろうじて1工程で経済的にサブミクロン膜を作製することができる。   There are numerous ways to produce nanoparticles. The actual problem is to use this particle to make a stable dispersion with a high solids ratio. This was successful with the present invention. A submicron film can be produced economically in one step.

安定な分散液から成る純粋なコーティング溶液以外に、本発明によってハイブリッドコーティング溶液も製造することができ、これは、有機金属化合物の分散液への混入により構成される。このハイブリッド溶液の多大な長所は、それによってナノスケールの不均質性を有するメソスコープの結合材料膜が作製でき、セラミックスの機械的性質(膨張率など)および電気的性質(誘電率の温度経過など)を合目的に調整できることである。   In addition to a pure coating solution consisting of a stable dispersion, a hybrid coating solution can also be produced according to the invention, which consists of incorporation of an organometallic compound into the dispersion. The great advantage of this hybrid solution is that it makes it possible to fabricate mesoscopic bonding material films with nano-scale inhomogeneities, mechanical properties (such as expansion coefficient) and electrical properties (such as temperature course of dielectric constant) of ceramics Can be adjusted for the purpose.

ナノスケールの不均質性とは、分離膜を加熱(焼結)後に混入された有機金属化合物から形成されるものとは異なるセラミックス基質にナノ粒子が埋め込まれていることを意味する。   Nanoscale heterogeneity means that the nanoparticles are embedded in a different ceramic substrate than that formed from the organometallic compound mixed after heating (sintering) the separation membrane.

図は、プロセスにしたがって製造された、1000を超える誘電率を有するメソスコープのチタン酸バリウム膜の電子顕微鏡写真を示す。この膜は、唯1つの塗布工程でのみ作製されたので、この膜は焼結によって生じた境界がない。そのような膜が複数の塗布および焼結工程によって製造される場合には、電子顕微鏡で見ることができる境界が生じる。本発明の方法で1000を超える誘電率が達成された。比較可能な膜厚に関しては、米国特許出願公開第2005/0194573号から周知の方法では760の誘電率しか達成されなかった。したがって本発明によって作製された膜のみならず、この観点においても明らかに改良された。   The figure shows an electron micrograph of a mesoscopic barium titanate film produced according to the process and having a dielectric constant greater than 1000. Since this film was made with only one coating process, this film has no boundaries caused by sintering. When such a film is produced by multiple application and sintering processes, a boundary is created that can be seen with an electron microscope. A dielectric constant in excess of 1000 has been achieved with the method of the present invention. As regards comparable film thicknesses, only a dielectric constant of 760 has been achieved with the method known from US 2005/0194573. Therefore, not only the film produced according to the present invention but also clearly improved in this respect.

明細書冒頭で挙げられた、注目すべき膜の様々な適用例および単独での材料または互いに組合せた材料が本発明に属する。   The various membrane applications mentioned at the beginning of the specification and the materials alone or in combination with each other belong to the present invention.

Claims (21)

溶媒としてアルコールを含み、吸湿性金属化合物を少なくとも一部溶解している溶液を準備し、該溶液を、分散液を製造するためのマイクロエマルションと混合する、コーティング分散液の製造方法において、
マイクロエマルションがカチオン界面活性剤を含むことを特徴とする、コーティング分散液の製造方法。
In a method for producing a coating dispersion, a solution containing alcohol as a solvent and at least partially dissolving a hygroscopic metal compound is prepared, and the solution is mixed with a microemulsion for producing a dispersion.
A method for producing a coating dispersion, wherein the microemulsion comprises a cationic surfactant.
少なくとも5重量%の固体の割合を有する分散液が生じるように、吸湿性金属化合物の割合が選択される、請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the proportion of hygroscopic metal compound is selected so as to produce a dispersion having a proportion of solids of at least 5% by weight. 溶媒としてメタノールが使用される、請求項1または2記載の方法。   The process according to claim 1 or 2, wherein methanol is used as the solvent. 溶液がアルカリ土類金属を含む、前述の請求項の一項記載の方法。   A method according to one of the preceding claims, wherein the solution comprises an alkaline earth metal. 溶液を製造するために、金属を直接アルコールに溶解させるか、または金属アルコラートの形で溶解させる、前述の請求項の一項記載の方法。   The process according to one of the preceding claims, wherein the metal is dissolved directly in the alcohol or in the form of a metal alcoholate to produce the solution. 溶液を準備するために、バリウム並びにチタンアルコラートをメタノールに溶解させる、前述の請求項の一項記載の方法。   A process according to one of the preceding claims, wherein barium and titanium alcoholate are dissolved in methanol to prepare the solution. ハロゲンを含まないカチオン界面活性剤のみを使用するか、または臭素を含むカチオン界面活性剤を使用する、前述の請求項の一項記載の方法。   A process according to one of the preceding claims, wherein only cationic surfactants containing no halogen are used, or cationic surfactants containing bromine are used. 使用されたマイクロエマルション中のカチオン界面活性剤の種類および組成を溶媒の極性に適合させる、前述の請求項の一項記載の方法。   A method according to one of the preceding claims, wherein the type and composition of the cationic surfactant in the microemulsion used is adapted to the polarity of the solvent. マイクロエマルション中に存在する水が完全に置換されるまで、マイクロエマルションを吸湿性前駆体に滴下する、前述の請求項の一項記載の方法。   A method according to one of the preceding claims, wherein the microemulsion is dropped onto the hygroscopic precursor until the water present in the microemulsion is completely replaced. マイクロエマルションが、少なくとも5重量%の水分の割合を有する、前述の請求項の一項記載の方法。   A process according to one of the preceding claims, wherein the microemulsion has a water content of at least 5% by weight. カチオン界面活性剤として、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミドが選択される、前述の請求項の一項記載の方法。   A process according to one of the preceding claims, wherein hexadecyltrimethylammonium bromide is selected as the cationic surfactant. CSD−溶液が分散液に添加される、前述の請求項の一項記載の方法。   A method according to one of the preceding claims, wherein the CSD-solution is added to the dispersion. 添加されるCSD−溶液が、ナノ粒子と同じ化学量論的な金属組成を有し、その場合にこの分子有機金属化合物の金属質量の割合は、ハイブリッド溶液中の全金属質量の50重量%未満であるか、
または添加されるCSD−溶液が、ナノ粒子とは異なる金属組成を有し、その場合にこの金属有機化合物の金属質量の割合は、同じくハイブリッド溶液中の全金属質量の50重量%未満であるか、
または添加されるCSD−溶液が、金属有機化合物の形の1つまたは多数の金属を含み、その場合にドーピングのために考慮された金属の金属質量の割合は、ハイブリッド溶液中の全金属質量の5重量%未満である、前述の請求項記載の方法。
The added CSD-solution has the same stoichiometric metal composition as the nanoparticles, in which case the proportion of the metal mass of this molecular organometallic compound is less than 50% by weight of the total metal mass in the hybrid solution Or
Or the added CSD-solution has a metal composition different from the nanoparticles, in which case the metal mass proportion of this metal organic compound is also less than 50% by weight of the total metal mass in the hybrid solution ,
Or the added CSD-solution contains one or a number of metals in the form of metal organic compounds, in which case the percentage of metal mass of the metal considered for doping is the total metal mass in the hybrid solution The method of any preceding claim, wherein the method is less than 5% by weight.
前述の請求項の一項記載のコーティング分散液が製造され、このコーティング分散液が基板上に塗布され、続いて焼結される、膜の作製方法。   A method of making a film, wherein a coating dispersion according to one of the preceding claims is produced, the coating dispersion is applied onto a substrate and subsequently sintered. コーティング分散液が、印刷によって、好ましくはインクジェットプリンタを用いて基板上に塗布される、前述の請求項記載の方法。   A method according to the preceding claim, wherein the coating dispersion is applied to the substrate by printing, preferably using an ink jet printer. 50nmから1μmの厚さの膜が、唯1つの塗布工程で作製される、前述の2つの請求項の一項記載の方法。   A method according to one of the preceding two claims, wherein a film with a thickness of 50 nm to 1 μm is produced in only one application step. 不揮発性有機部分の燃焼およびメソスコープのセラミックス膜の圧縮を拡散−または高速焼き鈍し炉を用いて行う、前述の3つの請求項の一項記載の方法。   A method according to one of the preceding three claims, wherein the burning of the non-volatile organic part and the compression of the mesoscopic ceramic film are carried out using a diffusion- or fast annealing furnace. −有機溶媒中に分散した酸化金属ナノ粒子を有し、
−安定化のための分散液が、1つまたは多数のカチオン界面活性剤を含み、
−酸化ナノ粒子の質量の割合が5重量%を超える、且つ/またはコーティング溶液がハロゲンを含まない―以上の特徴を有する緻密なセラミックス膜、特に機能性セラミックス膜を作製するためのコーティング溶液。
-Having metal oxide nanoparticles dispersed in an organic solvent,
The dispersion for stabilization comprises one or many cationic surfactants,
A coating solution for producing a dense ceramic film, particularly a functional ceramic film having the above characteristics, wherein the mass ratio of the oxidized nanoparticles exceeds 5% by weight and / or the coating solution contains no halogen.
酸化ナノ粒子の、カチオン界面活性剤に対する質量比が4.2より大きい、前述の請求項記載の溶液。   The solution of any preceding claim, wherein the mass ratio of oxidized nanoparticles to cationic surfactant is greater than 4.2. 粒度分布の最大値が、少なくとも50nm未満、好ましくは10nm未満である、前述の2つの請求項の一項記載の溶液。   The solution according to one of the preceding two claims, wherein the maximum value of the particle size distribution is at least less than 50 nm, preferably less than 10 nm. 焼結によって生じ、電子顕微鏡で見ることができる境界を含まない、50nmから1μmの膜厚および1000を超える誘電率を有するチタン酸バリウム膜。   Barium titanate film having a film thickness of 50 nm to 1 μm and a dielectric constant greater than 1000, produced by sintering and not including the boundaries visible with an electron microscope.
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