JP2013170092A - 単結晶酸化すずワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ特性を有さず、大きな曲げに対する柔軟性と強度を持つ安価な材料よりなるワイヤを提供する。
【解決手段】ワイヤ全体がルチル構造の単結晶であり、ピエゾ特性を有さないことを特徴とする単結晶酸化すずワイヤであって、直径が０．０２〜３μｍ、長さが０．００１〜１０ｍｍ程度である。また、この単結晶酸化すずワイヤは、応力を加えて大きく屈曲させた後に、応力を取り除くと再びまっすぐな状態に戻る形状復元性を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、単結晶酸化すずワイヤに関するものである。

ワイヤを用いたデバイスは、これまで多く研究されている。例えば、酸化亜鉛ワイヤを用いたデバイスが非特許文献１に提案されている。この文献に開示されているデバイスは、機械的に曲げて電気特性が変化する現象を利用するものである。このような現象を利用するものの多くは、ワイヤを構成する材料の持つピエゾ特性に起因するものである。つまり、このピエゾ特性は、ワイヤを曲げることによってワイヤの伸びた部分と縮んだ部分に異なる符号の電圧が誘起され、その電圧によってキャリアがトラップされて電流が流れにくくなる現象である。

一方、微小な電気機械システム（ＭＥＭＳ）という研究分野があり、ここでもワイヤを用いたデバイスが使用されている。ワイヤを用いたデバイスでは、その用途により、上記のようなピエゾ特性を有さず、大きな曲げに対する柔軟性と強度を持つ安価な材料の利用が望まれる。ピエゾ特性を示さない酸化金属材料としては、酸化すずが非特許文献２に報告されている。

また、酸化すずは、ガス（水素、エタノール、メタン、ブタンなど）センサーとして知られた材料である（非特許文献３）。

Nano Letters, Vol. 8, No. 11, 3973 (2008) Japan Journal of Applied Physics, Vol. 37, 963 (1998) セラミック 43, No．5，421 (2008)

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、ピエゾ特性を有さず、大きな曲げに対する柔軟性と強度を持つ安価な材料よりなるワイヤを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、第１には、ワイヤ全体がルチル構造の単結晶であり、ピエゾ特性を有さないことを特徴とする単結晶酸化すずワイヤを提供する。

第２には、上記第１の発明において、直径が０．０２〜３μｍ、長さが０．００１〜１０ｍｍ程度であることを特徴とする単結晶酸化すずワイヤを提供する。

第３には、上記第１又は第２の発明において、応力を加えて屈曲させた後に、応力を取り除くと再びまっすぐな状態に戻る形状復元性を有することを特徴とする単結晶酸化すずワイヤを提供する。

第４には、上記第１から第３のいずれかの単結晶酸化すずワイヤを用い、該ワイヤを屈曲させて表面応力を付与することにより、被検査対象ガスの吸着量を制御したことを特徴とするガスセンサー用検知素子を提供する。

本発明によれば、ピエゾ特性を有さず、大きな曲げに対する柔軟性と強度を持つ安価な材料よりなるワイヤを提供することが可能となる。

（ａ）は気相成長法を用い、電気炉で単結晶酸化すずワイヤを製造する装置の概念図、（ｂ）の成長した単結晶酸化すずワイヤの光学顕微鏡像を示す図である。 （ａ）は単結晶酸化すずワイヤの電子顕微鏡像を示す図、（ｂ）は単結晶酸化すずワイヤのＸ線回折パターンを示す図である。 （ａ）、（ｂ）は曲げた単結晶酸化すずワイヤの光学顕微鏡像を示す図、（ｃ）は応力を取り除いて、元のまっすぐな状態に戻った単結晶酸化すずワイヤの光学顕微鏡像を示す図である。 大きな弾性を示す単結晶酸化すずワイヤをフレキシブル基板上に取り付け、温度制御用のヒーターを配したガスセンサーを模式的に示す図である。

以下、本発明の単結晶酸化すずワイヤについて詳細に説明する。

本発明の単結晶酸化すずワイヤは、ワイヤ全体がルチル構造の単結晶であり、ピエゾ特性を有さないことを特徴とする。

本発明の単結晶酸化すずワイヤは、簡易な気相成長法を用いて作製することができる。その製造に用いた装置の概念図を図１（ａ）に示す。材料である酸化すず粉末と炭素粉末を１：１の比で混合し、アルミナボートに入れた。アルミナボートを電気炉に挿入した石英管の中央付近に置いた。キャリアガスとしてアルゴンガス（流量：２０ＳＣＣＭ）と酸素ガス（０．８ＳＣＣＭ）を用いた。電気炉中の温度を９９０℃に約３０分保持して酸化すずワイヤをアルミナボートの両側面に成長させた。ワイヤを成長させるための触媒は使用していない。図１（ｂ）はアルミナボートの側面に成長した酸化すずワイヤの光学顕微鏡像である。アルミナボートの側面に高密度で成長している。図の右下に見える白い部分はアルミナボートの側面である。ワイヤの長さは０．００１〜１０ｍｍ程度であり、径は０．００２〜３μｍ程度であった。この範囲の寸法の単結晶酸化すずワイヤは、前記のＭＥＭＳ等に好ましく利用できる。

この方法で作製した酸化すずワイヤは、試料全体が単結晶である。この単結晶酸化すずワイヤは、ピエゾ特性を有さず、大きな曲げに対する柔軟性と強度を持つため、安価で柔軟な材料の素材として利用できる。

成長した単結晶酸化すずワイヤの走査電子顕微鏡像を図２（ａ）に示す。正方晶の形状であり、平坦な側面を持つ。単結晶酸化すずワイヤのＸ線回折パターンを図２（ｂ）に示す。ワイヤ方向に沿ってｃ軸配向しているおり、ワイヤ全体が単結晶であり、バルクの酸化すずと同じルチル構造をとり、バルクの酸化すずと同じ格子定数を持つことを確認した。図２（ｂ）に示すＸ線のスポットサイズが約２００μｍであることから、少なくとも２００μｍにわたって結晶のｃ軸の方位のずれがなく、まっすぐに成長していることを確認した。

酸化すずワイヤは、曲げに対する柔軟性と、応力を加えて曲げた後に応力を取り除くと再びまっすぐな状態に戻る形状復元性や弾力性を持つことを確認した。図３はワイヤの右端を接着剤で固定し、左端を直径０．２ｍｍの金属棒で応力を加えて曲げた際の光学顕微鏡像である。図３（ｂ）に見られるように小さな極率半径まで曲げることが可能であり、応力を取り除くと図３（ｃ）に見られるように元のまっすぐな状態に復元する。酸化すずは、ピエゾ効果を示さない物質であり（前記非特許文献２）、ワイヤに応力を加えてもワイヤの伸びた部分と、縮んだ部分とにピエゾ効果による正・負電位を生じない。

単結晶の酸化すずワイヤを作製するための条件としては、アルゴンガス流量が１０ＳＣＣＭ〜４０ＳＣＣＭ、酸素ガス流量が０．１ＳＣＣＭ〜２ＳＣＣＭ、成長温度Ｔが８５０℃〜１０５０℃程度である。触媒は必要ない。

酸化すずは安価、安全で、強い強度を持つ材料である。図３に示す大きな柔軟性を持つため、酸化すずワイヤ自身、または、酸化すずワイヤを織り込んだシート状の材料は大きな柔軟性を持つと同時に初期状態に戻る形状保持機能、すなわち形状復元性を有する素材となる。また、酸化すずワイヤを混入した材料も同様の柔軟性と形状復元性を有する素材となる。結晶の配向方向はワイヤに沿ってｃ軸成長したものであるが、別の（１１３）方向や（００１）に配向して成長した単結晶酸化すずワイヤに関しても同様の効果が見られた。したがって、単結晶であれば同様の機械特性を持つと考えられる。

本発明の単結晶酸化すずワイヤは上記したように大きな弾性特性を有するため、ガスセンサーの検知素子として好ましく用いることができる。図４に、その構成例を模式的に示す。このガスセンサーは、下方から応力を加えて屈曲させたフレキシブル基板上に単結晶酸化すずワイヤを配置し、両端に電極を設けて構成される。単結晶酸化すずワイヤは、その曲げ具合に応じて表面応力が変化し、気体ガスの吸着量が変わる性質を有する。この性質を利用して、単結晶酸化すずワイヤに適切な表面応力を加えた状態で気体ガスの検知素子として用いる。この場合、検知素子としての検知感度を向上させるために、ヒーターで検知部を３００〜４５０℃程度に加熱することが好ましい。

Claims (4)

1. ワイヤ全体がルチル構造の単結晶であり、ピエゾ特性を有さないことを特徴とする単結晶酸化すずワイヤ。
2. 直径が０．０２〜３μｍ、長さが０．００１〜１０ｍｍ程度であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶酸化すずワイヤ。
3. 応力を加えて屈曲させた後に、応力を取り除くと再びまっすぐな状態に戻る高い剛性と形状復元性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の単結晶酸化すずワイヤ。
4. 請求項１から３のいずれかの単結晶酸化すずワイヤを用い、該ワイヤを屈曲させて表面応力を付与することにより、被検査対象ガスの吸着量を制御したことを特徴とするガスセンサー用検知素子。