JP2017024931A - Apatite type lanthanum silicate precursor thin film, manufacturing method therefor and apatite type lanthanum silicate thin film - Google Patents

Apatite type lanthanum silicate precursor thin film, manufacturing method therefor and apatite type lanthanum silicate thin film Download PDF

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茂雄 堀
藤田 悟
Satoru Fujita
悟 藤田
谷 俊彦
Toshihiko Tani
俊彦 谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apatite type lanthanum silicate precursor thin film capable of being used for efficiently manufacturing lanthanum silicate thin film having an apatite type crystal structure and sufficiently high in c axis orientation property.SOLUTION: There is provided an apatite type lanthanum silicate precursor consisting of a thin film which consists of an aggregate of composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements, has volume fraction of gaps of fine pores with fine pore diameter of 16 nm or more of 1% or less based on total volume of the thin film, where the composite oxide particles consist of amorphous oxide and the composite oxide particles containing lanthanum and silicon are precipitated by heating a raw material solution containing a salt of lanthanum and alkoxysilane with ratio of lanthanum and silicate (La:Si) of 4:3 to 5:3 and having pH of 3.5 to 7 under a temperature condition of 350 to 600°C.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、アパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜、その製造方法、並びに、アパタイト型ランタンシリケート薄膜に関する。   The present invention relates to an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film, a method for producing the same, and an apatite-type lanthanum silicate thin film.

従来より、アパタイト型の結晶構造を有しかつc軸配向性を有する複合金属酸化物は、酸化物イオン伝導体等として、酸素センサや固体酸化物形燃料電池等への活用が検討されてきた。   Conventionally, composite metal oxides having an apatite-type crystal structure and c-axis orientation have been studied for use in oxygen sensors, solid oxide fuel cells, etc. as oxide ion conductors and the like. .

このようなアパタイト型の結晶構造を有しかつc軸配向性を有する複合金属酸化物の製造方法としては種々の方法が知られており、例えば、特開2003−267800号公報(特許文献1)においては、モル比でRe:M(但し、ReはLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb及びDyの少なくとも1種、MはSi及びGeの少なくとも1種を示す。)が8.00〜11.00:6.00である組成を有する酸化物粉末を成形した後、得られた成形体又はその焼結体を1000〜1900℃で熱処理して結晶成長させることにより、複合金属酸化物を製造する方法が開示されている。   Various methods are known as a method for producing a composite metal oxide having such an apatite-type crystal structure and having c-axis orientation, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-267800 (Patent Document 1). In Re, M is a molar ratio of Re: M (where Re represents at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb and Dy, and M represents at least one of Si and Ge). After forming an oxide powder having a composition of 8.00 to 11.00: 6.00, the obtained molded body or a sintered body thereof is heat-treated at 1000 to 1900 ° C. to grow crystals, thereby forming a composite. A method for producing a metal oxide is disclosed.

また、特開2004−244282号公報(特許文献2)においては、元素Aおよび酸素Oを構成元素として有する物質の粉末と、元素Bおよび酸素Oを構成元素として有する物質の粉末とを、A1.5X+12(ただし、8≦X≦10)が生成される割合で混合して混合粉末を得る工程と、前記混合粉末を熱処理して前記混合粉末を反応させることにより組成式がA1.5X+12(ただし、8≦X≦10)で表される複合酸化物とする工程と、前記複合酸化物を溶媒に添加してスラリーとした後、磁場の存在下で前記スラリーを固化させて成形体とする工程と、前記成形体を焼結することにより、複合酸化物を得る工程とを含む複合金属酸化物の製造方法が開示されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-244282 (Patent Document 2), a powder of a substance having element A and oxygen O as constituent elements, and a powder of a substance having element B and oxygen O as constituent elements are described as A X B 6 O 1.5X + 12 (where 8 ≦ X ≦ 10) is mixed to obtain a mixed powder, and the mixed powder is subjected to heat treatment to cause the mixed powder to react with the composition formula A A step of forming a composite oxide represented by X B 6 O 1.5X + 12 (where 8 ≦ X ≦ 10), and adding the composite oxide to a solvent to form a slurry; then, the slurry in the presence of a magnetic field There is disclosed a method for producing a composite metal oxide, comprising a step of solidifying a compact to form a compact and a step of obtaining a composite oxide by sintering the compact.

また、特開2011−037662号公報(特許文献3)においては、ランタノイドの酸化物粉末とSi又はGeの少なくとも一方の酸化物粉末とを含む酸化物原料を混合する酸化物原料混合工程と、混合した前記酸化物原料を加熱溶融させて液体状態とし、これをキャストした後、急冷してガラス状物を得る溶融ガラス化工程と、前記ガラス状物を800〜1400℃で熱処理して結晶化させる結晶化工程とを有する複合金属酸化物の製造方法が開示されている。   Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-037662 (Patent Document 3), an oxide raw material mixing step of mixing an oxide raw material containing a lanthanoid oxide powder and at least one oxide powder of Si or Ge, and mixing The molten oxide raw material is melted by heating to a liquid state, casted, and then rapidly cooled to obtain a glassy material, and the glassy material is heat-treated at 800 to 1400 ° C. for crystallization. A method for producing a composite metal oxide having a crystallization step is disclosed.

さらに、特開2013−064194号公報(特許文献4)においては、3価のA元素と、4価のB元素と、酸素Oとを含有し、組成式がA1.5X+12(ただし、6≦X≦30)で表される複合金属酸化物の製造方法であって、基板上に、前記A元素又は前記B元素のいずれか一方を含む第1の原料を供給した後、酸化剤を供給することで前記A元素又は前記B元素のいずれか一方の酸化物からなる第1膜を形成し、次いで、前記B元素又は前記A元素の残余の一方を含む第2の原料を供給した後、酸化剤を供給することで前記B元素又は前記A元素のいずれか一方の酸化物からなる第2膜を形成する第1工程と、前記第1工程を繰り返すことによって、前記第1膜及び前記第2膜をそれぞれ複数層積層して積層体を得る第2工程と、前記基板及び前記積層体に対して熱処理を施し、Ax61.5X+12(ただし、6≦X≦30)からなる複合金属酸化物膜を形成する第3工程とを有し、前記第1工程での前記第1の原料と前記第2の原料の供給回数比によって、前記複合金属酸化物膜中の前記A元素及び前記B元素の組成比を制御する複合金属酸化物の製造方法が開示されており、その具体的な方法として、いわゆるアトミックレイヤーディポジション(ALD)装置を利用した方法(アトミックレイヤーディポジション(ALD)法)が説明されている。 Furthermore, in JP2013-064194 (Patent Document 4), a trivalent A element, a tetravalent B element, and oxygen O are contained, and the composition formula is A x B 6 O 1.5X + 12 ( However, in the method for producing a composite metal oxide represented by 6 ≦ X ≦ 30), after supplying the first raw material containing either the A element or the B element onto the substrate, oxidation is performed. A first film made of an oxide of either the A element or the B element is formed by supplying an agent, and then a second raw material containing one of the B element or the remaining A element is supplied. Then, the first film is formed by repeating the first process and the first process of forming a second film made of an oxide of either the B element or the A element by supplying an oxidizing agent. And a second layer obtained by laminating a plurality of the second films. Yes and step, subjected to a heat treatment to the substrate and the laminate, A x B 6 O 1.5X + 12 ( although, 6 ≦ X ≦ 30) and a third step of forming a composite metal oxide film made of And a composite metal oxide that controls a composition ratio of the A element and the B element in the composite metal oxide film according to a ratio of the number of times of supply of the first raw material and the second raw material in the first step. As a specific method, a method using a so-called atomic layer deposition (ALD) apparatus (atomic layer deposition (ALD) method) is described.

また、2006年発行のJournal of Alloys and Compounds,Vol.408−412の641頁〜644頁に記載された論文「Preparation of apatite−type La9.33(SiO oxide ion conductor by alcoxide−hydrolysis(非特許文献1)」においては、酸化ランタンを硝酸に溶解した後、テトラエトキシシラン(TEOS)を添加し、得られた溶液を還流し、還流後の溶液を基板上に塗布して焼成することによりランタンシリケートの膜を得る方法が開示されている。なお、非特許文献1に記載された前記溶液(還流前の溶液)のpHは硝酸の量等から1未満であることは明らかである。 Also published in Journal of Alloys and Compounds, Vol. 408-412, pages 641 to 644, “Preparation of apatite-type La 9.33 (SiO 4 ) 6 O 2 oxide ion conductor-hydride lysis (non-patent document 1)”. Is disclosed in which a solution of lanthanum silicate is obtained by adding tetraethoxysilane (TEOS) to the solution after the solution is dissolved in nitric acid, refluxing the obtained solution, applying the solution on the substrate to the substrate and baking the solution. ing. In addition, it is clear that the pH of the solution described in Non-Patent Document 1 (solution before reflux) is less than 1 due to the amount of nitric acid and the like.

特開2003−267800号公報JP 2003-267800 A 特開2004−244282号公報JP 2004-244282 A 特開2011−037662号公報JP 2011-037662 A 特開2013−064194号公報JP 2013-064194 A

Yuji Masubuchiら,“Preparation of apatite−type La9.33(SiO4)6O2 oxide ion conductor by alcoxide−hydrolysis”,Journal of Alloys and Compounds,2006,Vol.408−412,pp.641−644Yuji Masubuchi et al., "Preparation of apatite-type La9.33 (SiO4) 6O2 oxidion-conductor-by-alloyd-hydroids, Journal of Alloys, Vs. 408-412, pp. 641-644

しかしながら、上述のような特許文献1〜2に記載のような従来のアパタイト型の結晶構造を有しかつc軸配向性を有する複合金属酸化物の製造方法は、酸化物の粉末を成形して成形体を形成した後に複合金属酸化物を製造する方法であるため、膜厚が10000nm以下となるような薄膜の製造に応用することは困難であり、薄膜を必ずしも効率よく製造することができなかった。また、特許文献2に記載のような複合金属酸化物の製造方法においては、強磁場を発生させるために特別な装置が必要であり、簡便に複合金属酸化物を製造するといった点において必ずしも十分なものではなかった。更に、前記特許文献3に記載のような複合金属酸化物の製造方法は、上述のような溶融ガラス化工程を利用するため、複合金属酸化物の組成比を所望の範囲に制御することが困難であり、アパタイト型の結晶構造を有する複合金属酸化物を効率よく製造することができなかった。また、特許文献4において説明されているようなアトミックレイヤーディポジション(ALD)法では、一原子層ずつ成長を行って複合金属酸化物を製造するため、その製造に多大な時間を要し、複合金属酸化物の薄膜を必ずしも効率よく製造することはできなかった。更に、非特許文献1に記載ような方法では、製造に用いる基板の表面に対して垂直な方向に、アパタイト型の結晶構造のc軸が十分に配向するように、十分に均一に結晶を成長させることが困難であった。   However, a method for producing a composite metal oxide having a conventional apatite-type crystal structure and having c-axis orientation as described in Patent Documents 1 and 2 described above is obtained by molding an oxide powder. Since it is a method of producing a composite metal oxide after forming a molded body, it is difficult to apply it to the production of a thin film having a film thickness of 10,000 nm or less, and the thin film cannot always be produced efficiently. It was. In addition, in the method for producing a composite metal oxide as described in Patent Document 2, a special apparatus is required to generate a strong magnetic field, which is not necessarily sufficient in that the composite metal oxide is easily produced. It was not a thing. Furthermore, since the method for producing a composite metal oxide as described in Patent Document 3 uses the above-described molten vitrification step, it is difficult to control the composition ratio of the composite metal oxide within a desired range. Thus, a complex metal oxide having an apatite type crystal structure could not be produced efficiently. In addition, in the atomic layer deposition (ALD) method as described in Patent Document 4, a complex metal oxide is produced by growing one atomic layer at a time. Metal oxide thin films could not always be produced efficiently. Furthermore, in the method described in Non-Patent Document 1, crystals are grown sufficiently uniformly so that the c-axis of the apatite-type crystal structure is sufficiently oriented in the direction perpendicular to the surface of the substrate used for manufacturing. It was difficult to make.

このように、従来の複合金属酸化物の製造方法等を応用しても、アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートの薄膜は必ずしも効率よく製造することができず、また、かかる薄膜を基板の表面に対して垂直な方向にc軸が十分に配向した膜(c軸配向性の十分に高い膜)とすることもできなかった。   As described above, even if a conventional method for producing a composite metal oxide is applied, a lanthanum silicate thin film having an apatite-type crystal structure cannot always be produced efficiently, and such a thin film is applied to the surface of a substrate. It was also impossible to obtain a film in which the c-axis was sufficiently oriented in a direction perpendicular to the film (a film having a sufficiently high c-axis orientation).

本発明は、前記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、アパタイト型の結晶構造を有しかつc軸配向性が十分に高いランタンシリケートの薄膜を効率よく製造するために用いることが可能なアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を提供すること、そのようなアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を効率よくかつ確実に製造することを可能とするアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法を提供すること、並びに、結晶を成長させる際に基板を用いる場合に用いた基板の表面に対して垂直な方向にc軸を十分に配向させることができ、十分に高いc軸配向性を有するアパタイト型ランタンシリケート薄膜を提供すること、を目的とする。   The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and is used for efficiently producing a lanthanum silicate thin film having an apatite type crystal structure and sufficiently high c-axis orientation. To provide a possible apatite-type lanthanum silicate precursor thin film, and to provide a method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film capable of efficiently and reliably producing such an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film In addition, the apatite lanthanum can sufficiently align the c-axis in a direction perpendicular to the surface of the substrate used when the substrate is used for growing a crystal, and has a sufficiently high c-axis orientation. An object is to provide a silicate thin film.

本発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる薄膜の前駆体である、アパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子の集合体からなるものとし、更に、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率を該薄膜の全体積に対して1%以下とすることにより、これを利用して、アパタイト型の結晶構造を有しかつc軸配向性が十分に高いランタンシリケートの薄膜を効率よく製造することが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have obtained an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film, which is a precursor of a thin film made of lanthanum silicate having an apatite-type crystal structure, as a main metal element. As a composite oxide particle containing lanthanum and silicon, and the volume fraction of pores with pore diameters of 16 nm or more is 1% or less with respect to the total volume of the thin film. By using this, it has been found that a lanthanum silicate thin film having an apatite-type crystal structure and sufficiently high c-axis orientation can be efficiently produced, and the present invention is completed. It came to.

すなわち、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、主な金属元素としてランタン(La)とケイ素(Si)とを含有する複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であることを特徴とするものである。   That is, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is a thin film made of an aggregate of composite oxide particles containing lanthanum (La) and silicon (Si) as main metal elements, and has a pore size of The volume fraction of voids in the pores of 16 nm or more is 1% or less with respect to the total volume of the thin film.

上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜においては、前記複合酸化物粒子が非晶質酸化物からなることが好ましい。   In the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, the composite oxide particles are preferably made of an amorphous oxide.

また、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜においては、前記薄膜の厚みが50〜3000nmであることが好ましい。   Moreover, in the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, the thickness of the thin film is preferably 50 to 3000 nm.

さらに、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法は、ランタンとケイ素のモル比(La:Si)が4:3〜5:3となる割合でランタンの塩とテトラアルコキシシランとを含有しかつpHが3.5〜7である原料溶液を、350〜600℃の温度条件で加熱し、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させることにより、
該複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得ることを特徴とする方法である。
Furthermore, the method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention contains a lanthanum salt and a tetraalkoxysilane in a molar ratio of lanthanum to silicon (La: Si) of 4: 3 to 5: 3. And heating the raw material solution having a pH of 3.5 to 7 under a temperature condition of 350 to 600 ° C. to precipitate composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements,
An apatite-type lanthanum silicate precursor, which is a thin film composed of an aggregate of the composite oxide particles, and has a volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more with respect to the total volume of the thin film It is a method characterized by obtaining a body thin film.

また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、主な金属元素としてランタン(La)とケイ素(Si)とを含有しかつアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなり、
該ランタンシリケートをX線回折により測定した場合に、(002)面のピークの強度と、(00l)面以外(ただし「l(エル)」は1以上の整数を示す。)の他の面のピークの強度との比の最小値が10以上であること、
を特徴とするものである。
The apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention comprises lanthanum silicate containing lanthanum (La) and silicon (Si) as main metal elements and having an apatite-type crystal structure,
When the lanthanum silicate is measured by X-ray diffraction, the peak intensity of the (002) plane and other planes other than the (001) plane (where “l” represents an integer of 1 or more). The minimum value of the ratio to the peak intensity is 10 or more,
It is characterized by.

また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜においては、該アパタイト型ランタンシリケート薄膜が基板上に積層されており、
該薄膜中のアパタイト型の結晶構造のc軸と、前記基板の垂線との成す角の平均値が15°以下であり、かつ、
前記薄膜の体積の70%以上の領域において該薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っていること、
が好ましい。
Further, in the apatite type lanthanum silicate thin film of the present invention, the apatite type lanthanum silicate thin film is laminated on the substrate,
The average angle formed by the c-axis of the apatite-type crystal structure in the thin film and the normal of the substrate is 15 ° or less, and
The crystal orientation is aligned from one surface of the thin film to the other surface in a region of 70% or more of the volume of the thin film;
Is preferred.

なお、本発明によって、上記目的を達成できる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、先ず、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を焼成することによりアパタイト型ランタンシリケートの薄膜を製造する場合には、薄膜の表面で結晶の核が形成され、膜厚方向に異方的に結晶成長するため、c軸が膜厚方向に配向した結晶構造が十分に均一に形成され、結晶を成長させる際に基板を用いる場合には、その用いた基板の表面に対して十分に垂直な方向に、結晶のc軸が十分に配向した膜(基板の表面に対して垂直な方向に十分にc軸配向性の高い膜)を形成することが可能である。また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、細孔径が16nm以上となるような粗大な細孔の空隙の体積分率が、該薄膜の全体積に対して1%以下と十分に小さい。このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、結晶の成長を阻害するような大きな細孔の割合が少ないため、結晶をより効率よく成長させることが可能である。このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、ランタンシリケートの前駆体である複合酸化物粒子の集合体の粒子間に結晶の成長を阻害するような大きな細孔の存在割合が少ないことから、比較的低温の焼成温度であっても、十分に高い配向性を有するように結晶を成長させることが可能となり、十分に高い配向性を有するランタンシリケートの薄膜を効率よく形成できる。そのため、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を利用することで、アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートの薄膜を効率よく製造することが可能となるばかりか、結晶構造をX線回折により測定した場合に、(002)面のピークの強度と(00l)面(ただし、lは1以上の整数を示す。)以外の他の面のピークの強度との比の最小値が10以上となるような、基板の表面に対して垂直な方向に結晶のc軸が十分に配向し、十分に高いc軸配向性を有するランタンシリケートの薄膜を得ることも可能となるものと本発明者らは推察する。また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、上述のような原料溶液を350〜600℃の温度条件で加熱して、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させることで製造できる。そのため、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、その製造に際して特殊な設備等が不要であり、かかる観点からコスト面や生産面の点でも有利であるといえる。更に、かかるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、上述のように比較的低温の温度条件で焼成することで、アパタイト型ランタンシリケートの薄膜を製造できることから、アパタイト型ランタンシリケート薄膜を製造するまでの全工程において特殊で高価な設備等を別途設ける必要がない。このように高価な設備を必要としないとの観点からも、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、アパタイト型ランタンシリケートの薄膜の生産性に十分に優れる材料であるということができる。このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜によれば、アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートの薄膜を十分に効率よく製造することが可能となるものと本発明者らは推察する。   In addition, although the reason which can achieve the said objective by this invention is not necessarily certain, the present inventors guess as follows. That is, first, when an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is baked to produce an apatite-type lanthanum silicate thin film, crystal nuclei are formed on the surface of the thin film and anisotropic in the film thickness direction. Therefore, when the substrate is used for growing the crystal, the crystal structure with the c-axis oriented in the film thickness direction is sufficiently uniform and sufficiently perpendicular to the surface of the substrate used. In such a direction, a film in which the c-axis of the crystal is sufficiently oriented (a film having a sufficiently high c-axis orientation in a direction perpendicular to the surface of the substrate) can be formed. In addition, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has a sufficiently small volume fraction of voids of coarse pores having a pore diameter of 16 nm or more and 1% or less with respect to the total volume of the thin film. . Thus, since the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has a small proportion of large pores that inhibit the crystal growth, it is possible to grow the crystal more efficiently. Thus, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has a small proportion of large pores that inhibit crystal growth between the aggregates of the composite oxide particles that are the precursors of the lanthanum silicate. Therefore, even at a relatively low firing temperature, crystals can be grown so as to have sufficiently high orientation, and a lanthanum silicate thin film having sufficiently high orientation can be efficiently formed. Therefore, by using the apatite type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, it becomes possible not only to efficiently produce a lanthanum silicate thin film having an apatite type crystal structure, but also to measure the crystal structure by X-ray diffraction. In this case, the minimum value of the ratio between the peak intensity of the (002) plane and the peak intensity of other planes other than the (001) plane (where l is an integer of 1 or more) is 10 or more. As described above, the present inventors can obtain a lanthanum silicate thin film in which the c-axis of the crystal is sufficiently oriented in a direction perpendicular to the surface of the substrate and has a sufficiently high c-axis orientation. I guess. The apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is obtained by heating the raw material solution as described above under a temperature condition of 350 to 600 ° C. to obtain composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements. It can manufacture by making it precipitate. For this reason, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention does not require special equipment or the like for its production, and it can be said that it is advantageous from the viewpoint of cost and production. Further, since the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film can be manufactured by firing at a relatively low temperature condition as described above, an apatite-type lanthanum silicate thin film can be manufactured. There is no need to provide special and expensive equipment in the process. From the viewpoint of not requiring such expensive equipment, it can be said that the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is a material that is sufficiently excellent in the productivity of the apatite-type lanthanum silicate thin film. Thus, the present inventors speculate that according to the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, a lanthanum silicate thin film having an apatite-type crystal structure can be produced sufficiently efficiently. .

本発明によれば、アパタイト型の結晶構造を有しかつc軸配向性が十分に高いランタンシリケートの薄膜を効率よく製造するために用いることが可能なアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を提供すること、そのようなアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を効率よくかつ確実に製造することを可能とするアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法を提供すること、並びに、結晶を成長させる際に基板を用いる場合に用いた基板の表面に対して垂直な方向にc軸を十分に配向させることができ、十分に高いc軸配向性を有するアパタイト型ランタンシリケート薄膜を提供すること、が可能となる。   According to the present invention, there is provided an apatite type lanthanum silicate precursor thin film that can be used for efficiently producing a lanthanum silicate thin film having an apatite type crystal structure and sufficiently high c-axis orientation. , To provide a method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film capable of efficiently and reliably producing such an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film, and to use a substrate when growing a crystal The c-axis can be sufficiently oriented in a direction perpendicular to the surface of the substrate used in the case, and an apatite-type lanthanum silicate thin film having a sufficiently high c-axis orientation can be provided.

実施例1で得られた薄膜のXRDパターン(任意単位の強度と角度(2θ)との関係)を示すグラフである。It is a graph which shows the XRD pattern (The relationship between an arbitrary unit intensity | strength and angle (2 (theta))) of the thin film obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた薄膜の断面を示す走査型電子顕微鏡写真(薄膜の断面SEM像)である。2 is a scanning electron micrograph (cross-sectional SEM image of a thin film) showing a cross section of the thin film obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた薄膜の細孔サイズ(半径:単位nm)と、細孔の相対体積率(体積分布:f(R))との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pore size (radius: unit nm) of the thin film obtained in Example 1, and the relative volume ratio (volume distribution: f (R)) of a pore. 実施例2で得られた薄膜のXRDパターン(任意単位の強度と角度(2θ)との関係)を示すグラフである。It is a graph which shows the XRD pattern (The relationship between an arbitrary unit intensity | strength and angle (2 (theta))) of the thin film obtained in Example 2. FIG. 実施例2で得られた薄膜の断面を示す透過型電子顕微鏡写真(薄膜の断面TEM像)である。4 is a transmission electron micrograph (cross-sectional TEM image of a thin film) showing a cross section of the thin film obtained in Example 2. FIG. 実施例2で得られた薄膜の表面側の領域の制限視野電子線回折像(電子顕微鏡写真)である。4 is a limited-field electron beam diffraction image (electron micrograph) of the surface side region of the thin film obtained in Example 2. FIG. 実施例2で得られた薄膜の基板側の領域の制限視野電子線回折像(電子顕微鏡写真)である。4 is a limited-field electron beam diffraction image (electron micrograph) of a region on the substrate side of the thin film obtained in Example 2. FIG. 比較例1で得られた薄膜の断面を示す走査型電子顕微鏡写真(薄膜の断面SEM像)である。2 is a scanning electron micrograph (cross-sectional SEM image of a thin film) showing a cross section of the thin film obtained in Comparative Example 1. FIG. 比較例1で得られた薄膜の細孔サイズ(半径:単位nm)と、細孔の相対体積率(体積分布:f(R))との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pore size (radius: unit nm) of the thin film obtained by the comparative example 1, and the relative volume ratio (volume distribution: f (R)) of a pore. 比較例2で得られた薄膜のXRDパターン(任意単位の強度と角度(2θ)との関係)を示すグラフである。It is a graph which shows the XRD pattern (The relationship between the intensity | strength of arbitrary units, and an angle (2 (theta))) of the thin film obtained in the comparative example 2. 実施例4で得られた薄膜のXRDパターン(任意単位の強度と角度(2θ)との関係)を示すグラフである。It is a graph which shows the XRD pattern (The relationship between an arbitrary unit intensity | strength and angle (2 (theta))) of the thin film obtained in Example 4. FIG. 比較例3で得られた薄膜の断面を示す走査型電子顕微鏡写真(薄膜の断面SEM像)である。It is a scanning electron micrograph (cross-sectional SEM image of a thin film) which shows the cross section of the thin film obtained by the comparative example 3. 比較例4で得られた薄膜のXRDパターン(任意単位の強度と角度(2θ)との関係)を示すグラフである。It is a graph which shows the XRD pattern (The relationship between the intensity | strength of arbitrary units, and an angle (2 (theta))) of the thin film obtained by the comparative example 4.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.

[アパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜]
本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であることを特徴とするものである。
[Apatite-type lanthanum silicate precursor thin film]
The apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is a thin film made of an aggregate of composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements, and pores having a pore diameter of 16 nm or more. The volume fraction is 1% or less of the total volume of the thin film.

このような薄膜を形成する前記複合酸化物粒子は、主な金属元素としてランタン(La)とケイ素(Si)とを含有する。このような酸化物粒子中の主な金属元素として含有されるランタンとケイ素の総量(合計量)は、酸化物粒子中の全金属元素に対して95at%以上であることが好ましく、99at%以上であることがより好ましく、99.9〜100at%であることが特に好ましい。このようなランタン及びケイ素の含有量の条件を満たす場合には、ランタン及びケイ素が、前記複合酸化物粒子を形成する金属元素の主成分(主な金属元素)であるといえる。   The composite oxide particles forming such a thin film contain lanthanum (La) and silicon (Si) as main metal elements. The total amount (total amount) of lanthanum and silicon contained as main metal elements in such oxide particles is preferably 95 at% or more with respect to all metal elements in the oxide particles, and 99 at% or more. It is more preferable that it is 99.9-100 at%. When satisfying such lanthanum and silicon content conditions, it can be said that lanthanum and silicon are the main components (main metal elements) of the metal elements forming the composite oxide particles.

また、このような複合酸化物粒子において、ランタンとケイ素の含有比は、モル比(La:Si)で4:3〜5:3であることが好ましく、9.33:6〜9.5:6であることがより好ましい。このようなランタンの含有比率が前記下限未満では、その薄膜を焼成して得られるランタンシリケート膜中に、正方晶型ランタンシリケート(LaSi)や単斜晶型ランタンシリケート(LaSiO)が含まれ、十分にc軸配向性の高いアパタイト型ランタンシリケートの薄膜を形成することが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、その薄膜を焼成して得られるランタンシリケート膜中に、単斜晶型のランタンシリケート(LaSiO)が含まれ、十分にc軸配向性の高いアパタイト型ランタンシリケートの薄膜を形成することが困難となる傾向にある。 In such composite oxide particles, the content ratio of lanthanum and silicon is preferably 4: 3 to 5: 3 in terms of molar ratio (La: Si), and 9.33: 6 to 9.5: 6 is more preferable. When the content ratio of lanthanum is less than the lower limit, tetragonal lanthanum silicate (La 2 Si 2 O 7 ) or monoclinic lanthanum silicate (La 2 ) is contained in the lanthanum silicate film obtained by firing the thin film. SiO 5) contains sufficiently tends to be difficult to form a thin film of c-axis oriented highly apatitic lanthanum silicate, whereas if it exceeds the upper limit, obtained by firing the thin lanthanum Monoclinic lanthanum silicate (La 2 SiO 5 ) is contained in the silicate film, and it tends to be difficult to form an apatite lanthanum silicate thin film with sufficiently high c-axis orientation.

また、前記複合酸化物粒子は、主な金属元素としてランタン(La)とケイ素(Si)とを含有するものであり、La及びSi以外の他の金属元素も含有し得る。このような他の金属元素を含有する複合酸化物粒子においては、イオン価数の観点から、複合酸化物粒子中のLaの一部がPr、Nd、Sr等のアルカリ土類金属元素や希土類元素に置換されていてもよく、複合酸化物粒子中のSiの一部がAl、Ge等の3B族、4B族、5B族に置換されていてもよく、複合酸化物粒子中のLa及びSiの双方の一部が、前述のような金属元素に置換されていてもよい。このように、前記複合酸化物粒子においては、Laの一部及び/又はSiの一部が他の金属元素に置換されていてもよく、かかる他の金属元素はイオン価数の観点か適宜好適なものを選択して利用できる。   The composite oxide particles contain lanthanum (La) and silicon (Si) as main metal elements, and may contain other metal elements other than La and Si. In such composite oxide particles containing other metal elements, from the viewpoint of ionic valence, a part of La in the composite oxide particles is an alkaline earth metal element such as Pr, Nd, Sr or a rare earth element. And a part of Si in the composite oxide particle may be substituted with 3B group, 4B group, 5B group such as Al, Ge, etc., and La and Si in the composite oxide particle may be substituted. A part of both may be substituted with the metal element as described above. Thus, in the composite oxide particles, a part of La and / or a part of Si may be substituted with another metal element, and the other metal element is suitably suitable from the viewpoint of ionic valence. You can select and use anything.

なお、ここにいう「複合酸化物」とは、少なくともランタンの酸化物及びケイ素の酸化物を含む複数の金属酸化物からなり、かつ、それらの金属酸化物が少なくとも一部において固溶していることを意味し、複数の金属酸化物の単純な物理混合物は含まない。また、このような複合酸化物の状態は、X線回折測定により得られるX線回折パターン(XRDパターン)において、角度(2θ)が28°付近(28°±2°)と45°付近(45°±2°)の位置におけるブロードなピーク(ハロー)の存在の有無により確認することができる。このように、本発明においては、角度(2θ)が28°付近(28°±2°)と45°付近(45°±2°)の位置において、ブロードなピーク(ハロー)が存在する場合、ランタンの酸化物及びケイ素の酸化物が少なくとも一部が固溶した複合酸化物であるものと判断する。なお、ここにいうブロードなピーク(ハロー)とは、半値幅が5°を超えるようなピークをいう。   The “composite oxide” referred to here is composed of a plurality of metal oxides including at least a lanthanum oxide and a silicon oxide, and these metal oxides are at least partially dissolved. This means that a simple physical mixture of metal oxides is not included. Further, the state of such a complex oxide is such that, in an X-ray diffraction pattern (XRD pattern) obtained by X-ray diffraction measurement, an angle (2θ) is around 28 ° (28 ° ± 2 °) and around 45 ° (45 This can be confirmed by the presence or absence of a broad peak (halo) at a position of ± 2 °. Thus, in the present invention, when there is a broad peak (halo) at a position where the angle (2θ) is around 28 ° (28 ° ± 2 °) and around 45 ° (45 ° ± 2 °), The lanthanum oxide and the silicon oxide are judged to be a composite oxide in which at least a part thereof is in solid solution. Note that the broad peak (halo) referred to here is a peak having a half-value width exceeding 5 °.

また、このような複合酸化物粒子を構成する複合酸化物は、非晶質のものであることが好ましい。すなわち、前記複合酸化物粒子は非晶質酸化物からなることが好ましい。ここにいう「非晶質酸化物」とは、X線回折(XRD)装置(例えばリガク社製の商品名「RINT−TTR(Cu−Kα線)」)を用いて、前記複合酸化物粒子の1gを測定試料としてX線回折測定した場合に、得られたX線回折パターン(XRDパターン)において、半値幅が2°以下となるようなピーク(シャープなピーク)が存在しないことを確認できるものをいう。このように、本発明においては、XRDパターンに基づいて、シャープなピークの存在の有無により、前記複合酸化物粒子が「非晶質」であるか否かを判断する。   Further, the composite oxide constituting such composite oxide particles is preferably amorphous. That is, the composite oxide particles are preferably made of an amorphous oxide. The “amorphous oxide” referred to here is an X-ray diffraction (XRD) apparatus (for example, trade name “RINT-TTR (Cu—Kα line)” manufactured by Rigaku Corporation). When X-ray diffraction measurement is performed using 1 g as a measurement sample, it can be confirmed that there is no peak (sharp peak) in which the half-value width is 2 ° or less in the obtained X-ray diffraction pattern (XRD pattern) Say. Thus, in the present invention, based on the XRD pattern, whether or not the composite oxide particles are “amorphous” is determined based on the presence or absence of a sharp peak.

さらに、このような複合酸化物粒子の平均粒子径は特に制限されないが、50nm以下であることが好ましく、20nm以下(更に好ましくは1〜20nm)であることがより好ましい。このような平均粒子径が前記下限未満では、粒子の製造が困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、細孔径が16nm以上となるような細孔の空隙の体積分率が増加する傾向にある。なお、このような平均粒子径は、複合酸化物粒子の任意の100個以上の粒子(少なくとも100個以上の任意の粒子)に対して、走査型電子顕微鏡像に基づいて直径を測定して平均値を算出することにより求めることができる。より具体的には、複合酸化物粒子の任意の100個以上の粒子(少なくとも100個以上の任意の粒子)を電子顕微鏡(走査型電子顕微鏡)により測定し、得られた電子顕微鏡像(走査型電子顕微鏡像)に閾値を設定して、画像中の粒子の縁(淵)を明確にし、各粒子の縁の形状を円に近似することにより直径を測定して、平均値を算出することにより求めることができる。ここにおいて「閾値」は、前記電子顕微鏡像中の粒子と、それ以外の箇所とを明確に区別すべく2値化するために設定するものであり、例えば、最大輝度の80%に設定することができる。また、ここにいう「各粒子の縁の形状を円に近似することにより直径を測定」とは、粒子の投影面積に相当する円の直径(Heywod径)を各粒子の「粒子径」とみなして、直径を測定することをいう。すなわち、粒子が真の球体ではない場合には、円に近似すべく、粒子の投影面積に基づいて、同じ面積の円に相当する円の直径を求め、かかる直径(Heywod径)を各粒子の「粒子径」として採用する。なお、このような平均粒子径の計算は、例えば、測定装置として走査型電子顕微鏡(例えば、日立ハイテクノロジー社製の走査型電子顕微鏡:商品名「S−5500」等)を用い、画像解析ソフトとしてアメリカ国立衛生研究所の「ImageJ」を用いて、自動計算させることにより求めることができる。   Furthermore, the average particle diameter of such composite oxide particles is not particularly limited, but is preferably 50 nm or less, more preferably 20 nm or less (more preferably 1 to 20 nm). If the average particle size is less than the lower limit, the production of particles tends to be difficult. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the volume fraction of pore voids such that the pore size is 16 nm or more increases. Tend to. In addition, such an average particle diameter is an average obtained by measuring a diameter based on a scanning electron microscope image for any 100 or more particles (at least 100 or more arbitrary particles) of the composite oxide particles. It can be obtained by calculating the value. More specifically, any 100 or more particles (at least 100 or more arbitrary particles) of the composite oxide particles are measured with an electron microscope (scanning electron microscope), and the obtained electron microscope image (scanning type) By setting a threshold value in the electron microscope image), clarifying the edge (淵) of the particle in the image, measuring the diameter by approximating the shape of the edge of each particle to a circle, and calculating the average value Can be sought. Here, the “threshold value” is set in order to binarize the particles in the electron microscope image and other portions so as to be clearly distinguished, and is set to 80% of the maximum luminance, for example. Can do. The term “measure the diameter by approximating the shape of the edge of each particle to a circle” here refers to the diameter (Heywood diameter) of the circle corresponding to the projected area of the particle as the “particle diameter” of each particle. And measuring the diameter. That is, when the particle is not a true sphere, the diameter of the circle corresponding to the circle of the same area is obtained based on the projected area of the particle in order to approximate the circle, and the diameter (Heywood diameter) of each particle is calculated. Adopted as “particle diameter”. The average particle diameter is calculated using, for example, a scanning electron microscope (for example, a scanning electron microscope manufactured by Hitachi High-Technology Corporation: trade name “S-5500”) as a measuring device, and image analysis software. As “ImageJ” of the National Institutes of Health.

また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、前記複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜である。このような複合酸化物粒子の集合状態(集合体であるか否か)は、走査型電子顕微鏡による断面観察、あるいは、開気孔の確認(BET吸着等温線のヒステリスの有無)により確認することができる。また、このような薄膜の厚みとしては、50〜3000nmであることがより好ましく、100〜800nmであることが更に好ましい。このような薄膜の厚みが前記下限未満では、かかる前駆体薄膜を焼成して得られるランタンシリケートの薄膜のc軸配向度が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、基板上に薄膜を形成した場合に、基板からの剥離が起き易くなる傾向にある。なお、このような薄膜の厚みとしては、少なくとも任意の3視野以上(なお、1視野は、少なくとも薄膜の両面が含まれるような領域(基板上に薄膜が形成されている場合には、前記断面の基板から膜の表面を含む領域)であり、膜が該視野の縦40%以上を占めるとともに、該視野内の膜の横幅が膜厚の1.5倍以上の長さとなるように、膜を含む領域とすることが好ましい。)において、測定試料の断面を走査型電子顕微鏡により測定して、得られた各視野の走査型電子顕微鏡像における膜の両面間の距離を膜厚として求めて、平均した値を採用する。なお、各視野における膜の両面間の距離は、例えば、膜の片面(一方の表面)の縁に対して最小二乗法により近似直線(以下、場合により、「第一の直線」という。)を引いた後、もう片方の面(もう一方の面)に対して、後述のようにして前記近似直線(第一の直線)と平行な直線(以下、場合により「第二の直線」)という。)を引いて、2直線の距離を求め、かかる2直線の距離を膜の両面間の距離としてそれぞれ測定することができる。なお、このような第二の直線(後から引く直線)は、先ず、各視野において、画像処理により視野内の膜の面積を求めて、その面積と、2直線と視野の端とで形成される平行四辺形の面積とが一致するように引く。また、基板上に薄膜が形成されているような場合には、先に、前記第一の直線の代わりに基板表面に対して近似直線を引き、その直線を第一の直線とみなして、前述のようにして第二の直線を引いて、2直線の距離を求め、かかる2直線の距離を膜の両面間の距離として測定してもよい。ただし、前記基板がSi(100)基板等のシリコン基板(Si基板)や石英基板であり、膜の表面の凹部と凸部との距離が、求める膜厚の2%以下の大きさを有するような場合には、先に、前記第一の直線の代わりに、基板表面と視野の端の2つの交点を結ぶ直線を引き、次いで、前記第二の直線の代わりに、その直線と平行な膜表面の直線を引き(なお、かかる膜表面の直線は、膜表面の凹部の最下点と、膜表面の凸部の頂点とから、それぞれ等しい距離となるような位置に引く。)、これらの直線間の距離を求め、これらの直線間の距離を膜の両面間の距離として測定してもよい。そして、このようにして、任意の3視野以上において、膜の両面間の距離を求め、平均化した値を、前記薄膜の厚みの値(膜厚)として採用する。   The apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is a thin film made of an aggregate of the composite oxide particles. Such an aggregate state of composite oxide particles (whether or not they are aggregates) can be confirmed by cross-sectional observation with a scanning electron microscope or confirmation of open pores (presence or absence of BET adsorption isotherm hysteris). it can. Moreover, as thickness of such a thin film, it is more preferable that it is 50-3000 nm, and it is still more preferable that it is 100-800 nm. If the thickness of such a thin film is less than the lower limit, the c-axis orientation of the lanthanum silicate thin film obtained by firing the precursor thin film tends to decrease, whereas if the upper limit is exceeded, a thin film is formed on the substrate. When the film is formed, peeling from the substrate tends to occur easily. Note that the thickness of such a thin film is at least three or more fields of view (in addition, one field of view includes a region including at least both surfaces of the thin film (if the thin film is formed on the substrate, the cross section The region from the substrate to the region including the surface of the film), the film occupies 40% or more of the vertical length of the field of view, and the lateral width of the film in the field of view is 1.5 times or more the film thickness. In this case, the cross section of the measurement sample is measured with a scanning electron microscope, and the distance between both surfaces of the film in the obtained scanning electron microscope image of each field of view is obtained as the film thickness. The average value is adopted. The distance between both surfaces of the film in each field of view is, for example, an approximate straight line (hereinafter, referred to as “first straight line” in some cases) by the least square method with respect to the edge of one surface (one surface) of the film. After drawing, the other surface (the other surface) is referred to as a straight line (hereinafter sometimes referred to as a “second straight line”) parallel to the approximate straight line (first straight line) as described later. ) To obtain the distance between the two straight lines, and the distance between the two straight lines can be measured as the distance between both surfaces of the film. Such a second straight line (straight line to be drawn later) is first formed for each visual field by obtaining the area of the film in the visual field by image processing, the two straight lines, and the edge of the visual field. Draw so that the area of the parallelogram matches. In the case where a thin film is formed on the substrate, first, an approximate straight line is drawn with respect to the substrate surface instead of the first straight line, and the straight line is regarded as the first straight line. As described above, the distance between the two straight lines may be obtained by drawing the second straight line, and the distance between the two straight lines may be measured as the distance between both surfaces of the film. However, the substrate is a silicon substrate (Si substrate) such as a Si (100) substrate or a quartz substrate, and the distance between the concave and convex portions on the surface of the film has a size of 2% or less of the desired film thickness. In this case, instead of the first straight line, a straight line connecting the two intersections of the substrate surface and the edge of the field of view is drawn first, and then the film parallel to the straight line instead of the second straight line. A straight line on the surface is drawn (note that the straight line on the film surface is drawn at a position where the distance is equal to the lowest point of the concave portion on the film surface and the apex of the convex portion on the film surface). The distance between the straight lines may be obtained, and the distance between these straight lines may be measured as the distance between both surfaces of the film. In this way, the distance between both surfaces of the film is obtained in any three or more visual fields, and the averaged value is adopted as the thickness value (film thickness) of the thin film.

また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(体積の割合)が該薄膜の全体積に対して1%以下のものである。このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、細孔径が16nm以上となる比較的大きな細孔の存在割合が十分に低いものである。このような細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が前記上限を超えると、粒子間の空隙が大きくなり、結晶成長させる際に、他の粒子との間隔が大きいことに起因して十分に均一に結晶を成長させることが困難となり、その前駆体薄膜を焼成しても配向性の十分に高い結晶構造を効率よく製造することが困難となる。また、同様の観点から、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(体積の割合)としては、前記薄膜の全体積に対して0.5%以下であることがより好ましく、0.1%以下であることが更に好ましい。なお、細孔径が16nm未満となるような細孔であれば、焼成時に結晶成長を阻害しないため、その前駆体薄膜を焼成した場合に十分に高い配向性を有するアパタイト型の結晶構造の薄膜を、より効率よく製造することが可能である。   Further, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has a volume fraction (volume ratio) of pores having a pore diameter of 16 nm or more with respect to the total volume of the thin film of 1% or less. . As described above, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has a sufficiently low ratio of relatively large pores having a pore diameter of 16 nm or more. When the volume fraction of pore voids having such pore diameters of 16 nm or more exceeds the above upper limit, the voids between the particles increase, and the crystal growth causes a large interval with other particles. Thus, it becomes difficult to grow a crystal sufficiently uniformly, and it becomes difficult to efficiently produce a crystal structure having a sufficiently high orientation even when the precursor thin film is fired. Further, from the same viewpoint, the volume fraction of the voids of the pores having a pore diameter of 16 nm or more (volume ratio) is more preferably 0.5% or less with respect to the total volume of the thin film, More preferably, it is 0.1% or less. If the pore diameter is less than 16 nm, crystal growth is not hindered during firing. Therefore, when the precursor thin film is fired, an apatite crystal structure thin film having sufficiently high orientation is obtained. It is possible to manufacture more efficiently.

ここで、このような細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率は、以下のようにして算出することができる。すなわち、先ず、走査型電子顕微鏡(SEM)により、薄膜の断面について任意の4視野以上の測定領域(かかる測定領域は、膜の両表面が含まれるような、縦:475nm、横:635nmの領域(測定視野)とすることが好ましい。)を測定し、16nm以上の細孔の各視野(断面の測定領域)辺りの面積割合(測定面(測定視野)内の膜中における16nm以上の細孔部分の面積割合)を求め、得られた測定領域(断面)ごとの面積割合を平均化することにより算出することができる。なお、体積は面の積分により求められることから、かかる断面測定により求められる16nm以上の細孔の各視野辺りの面積割合の平均値(%)は、結果として、体積分率(%)と擬制することができるため、上述のような算出方法により求められる16nm以上の細孔の各視野辺りの面積割合の平均値は、そのまま細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率とみなして利用することができる。このように、上述のような算出方法により、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率を算出することができる。なお、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率を測定する際に、各視野において確認される細孔の断面が円ではない場合(断面において細孔が円状に測定されない場合)には、該細孔の断面面積に相当する面積をもつ円の直径を細孔径として採用する。   Here, the volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more can be calculated as follows. That is, first, with a scanning electron microscope (SEM), a measurement region having four or more fields of view with respect to the cross section of the thin film (the measurement region is a region of vertical: 475 nm, horizontal: 635 nm, including both surfaces of the film) (Measurement field of view is preferable.) Is measured, and the area ratio around each field of view (cross-section measurement region) of pores of 16 nm or more (pores of 16 nm or more in the film within the measurement surface (measurement field of measurement)) It is possible to calculate by averaging the area ratio for each measurement region (cross section) obtained. Since the volume is obtained by integration of the surface, the average value (%) of the area ratio around each visual field of pores of 16 nm or more obtained by such cross-sectional measurement is, as a result, volume fraction (%) and pseudo control. Therefore, the average value of the area ratio around each visual field of pores of 16 nm or more obtained by the calculation method as described above is regarded as the volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more as it is. Can be used. Thus, the volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more can be calculated by the calculation method as described above. When measuring the volume fraction of pore voids with a pore diameter of 16 nm or more, if the cross section of the pores confirmed in each field of view is not a circle (if the pores are not measured in a circular shape in the cross section) ), The diameter of a circle having an area corresponding to the cross-sectional area of the pore is adopted as the pore diameter.

また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜においては、平均細孔径が1〜16nmであることが好ましく、1〜10nmであることがより好ましい。このような平均細孔径が前記下限未満では膜の剥離が起き易くなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、十分に配向性の高い膜を得ることが困難となる傾向にある。このような平均細孔径としては、小角X線回折測定装置(例えば、リガク社製の商品名「NANO−Viewer」等)を用いて、小角X線散乱法によりX線の散乱パターン(散乱強度パターン)を求めて、解析ソフト(例えば、Argonne National Laboratory[アルゴンヌ国立研究所]のJ.Ilavskyが開発したソフト「Irena」)を用いて求められる値を採用できる。   Moreover, in the apatite type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, the average pore diameter is preferably 1 to 16 nm, and more preferably 1 to 10 nm. When the average pore diameter is less than the lower limit, peeling of the film tends to occur. On the other hand, when the average pore diameter exceeds the upper limit, it tends to be difficult to obtain a film having sufficiently high orientation. As such an average pore diameter, an X-ray scattering pattern (scattering intensity pattern) is obtained by a small-angle X-ray scattering method using a small-angle X-ray diffractometer (for example, trade name “NANO-Viewer” manufactured by Rigaku Corporation). ), And a value obtained using analysis software (for example, software “Irena” developed by J. Ilavsky of Argonne National Laboratory [Argonne National Laboratory]) can be employed.

なお、このようなアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を製造するための方法は特に制限されないが、後述の本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法を好適に利用することができる。   The method for producing such an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film is not particularly limited, but the method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention described later can be suitably used.

また、このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、これを比較的低温(例えば800〜1200℃)の焼成温度で焼成した場合においても、c軸が膜厚方向に十分に配向した、十分に配向性の高いアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる薄膜を製造することが可能である。すなわち、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を用いることで、c軸が膜厚方向に十分に配向したランタンシリケート薄膜を、800〜1200℃といった比較的低温の焼成温度で得ることが可能である。そのため、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、酸化物イオン伝導体として利用するためのアパタイト型ランタンシリケート薄膜を形成するための材料等として特に有用である。   In addition, in the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, the c-axis is sufficiently oriented in the film thickness direction even when the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film is fired at a relatively low firing temperature (for example, 800 to 1200 ° C.). It is possible to manufacture a thin film made of lanthanum silicate having an apatite type crystal structure with sufficiently high orientation. That is, by using the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, it is possible to obtain a lanthanum silicate thin film in which the c-axis is sufficiently oriented in the film thickness direction at a relatively low firing temperature of 800 to 1200 ° C. is there. Therefore, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is particularly useful as a material for forming an apatite-type lanthanum silicate thin film for use as an oxide ion conductor.

以上、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜について説明したが、以下、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法について説明する。   The apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has been described above. Hereinafter, the method for producing the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention will be described.

[アパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法]
本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法は、ランタンとケイ素のモル比(La:Si)が4:3〜5:3となる割合でランタンの塩とテトラアルコキシシランとを含有しかつpHが3.5〜7である原料溶液を、350〜600℃の温度条件で加熱し、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させることにより、
該複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得ることを特徴とする方法である。
[Method for producing apatite-type lanthanum silicate precursor thin film]
The method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention comprises a lanthanum salt and tetraalkoxysilane in a molar ratio of lanthanum to silicon (La: Si) of 4: 3 to 5: 3, and By heating a raw material solution having a pH of 3.5 to 7 under a temperature condition of 350 to 600 ° C., and depositing composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements,
An apatite-type lanthanum silicate precursor, which is a thin film composed of an aggregate of the composite oxide particles, and has a volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more with respect to the total volume of the thin film It is a method characterized by obtaining a body thin film.

このようなアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法においては、ランタンの塩とテトラアルコキシシランとを含有する原料溶液を用いる。このようなランタンの塩としては特に制限されず、例えば、硝酸塩(La(NO)、硫酸塩、酢酸塩、ハロゲン化物、クエン酸塩等を適宜利用することができる。このようなランタンの塩の中でも、アニオン元素の混入を抑止するといった観点からは、硝酸塩(La(NO)、酢酸塩を用いることが好ましく、硝酸塩(La(NO)がより好ましい。なお、このような塩としては水和物を利用してもよく、また、市販品を利用してもよい。 In such a method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film, a raw material solution containing a lanthanum salt and tetraalkoxysilane is used. Such a lanthanum salt is not particularly limited, and for example, nitrates (La (NO 3 ) 3 ), sulfates, acetates, halides, citrates and the like can be used as appropriate. Among such lanthanum salts, nitrate (La (NO 3 ) 3 ) and acetate are preferably used, and nitrate (La (NO 3 ) 3 ) is more preferable from the viewpoint of suppressing the mixing of anionic elements. preferable. In addition, as such a salt, a hydrate may be utilized and a commercial item may be utilized.

また、前記テトラアルコキシシランとしては特に制限されないが、4つのアルコキシ基の炭素数がいずれも1〜10(より好ましくは1〜6、更に好ましくは1〜3)であるテトラアルコキシシランが好ましい。このような炭素数が前記上限を超えると熱分解による体積の収縮が大きくなり、細孔径が16nm以上となる細孔の体積分率が増加する傾向にある。更に、このようなテトラアルコキシシランとしては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等が挙げられるが、熱分解時の体積収縮をより低減させるといった観点からはアルコキシ基がより小さなものが望ましく、中でも、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシランがより好ましく、テトラエトキシシランが更に好ましい。   Moreover, although it does not restrict | limit especially as said tetraalkoxysilane, The tetraalkoxysilane whose carbon number of four alkoxy groups is all 1-10 (more preferably 1-6, still more preferably 1-3) is preferable. When the number of carbons exceeds the upper limit, volume shrinkage due to thermal decomposition increases, and the volume fraction of pores having a pore diameter of 16 nm or more tends to increase. Furthermore, examples of such tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane, and the like, which further reduce volume shrinkage during thermal decomposition. From the viewpoint, those having smaller alkoxy groups are desirable, among which tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, and tetrapropoxysilane are more preferable, and tetraethoxysilane is still more preferable.

また、このような原料溶液は溶媒を含有するものであることが好ましい。このような溶媒としては、水、アルコール及びこれらの混合溶媒等を好適に利用することができる。このようなアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−プロパノール、エチレングリコール、グリセリン、ブタノール又はこれらの混合物が挙げられる。また、このような溶媒としては、溶媒の元素の混入抑止及び揮発性の観点から、水とアルコールとの混合溶媒であることが好ましい。このような水とアルコールとの混合溶媒に含有させるアルコールの量としては特に制限されないが、溶媒の全量に対して50〜100容量%とすることが好ましい。このようなアルコールの含有量が前記下限未満では、テトラアルコキシシランの溶解が困難となる傾向にある。   Moreover, it is preferable that such a raw material solution contains a solvent. As such a solvent, water, alcohol, a mixed solvent thereof or the like can be preferably used. Examples of such alcohols include methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, ethylene glycol, glycerin, butanol, or a mixture thereof. Moreover, as such a solvent, it is preferable that it is a mixed solvent of water and alcohol from a viewpoint of suppression of mixing of the element of a solvent, and volatility. The amount of alcohol contained in the mixed solvent of water and alcohol is not particularly limited, but is preferably 50 to 100% by volume with respect to the total amount of the solvent. If the content of such an alcohol is less than the lower limit, the tetraalkoxysilane tends to be difficult to dissolve.

また、このような原料溶液においては、ランタンの塩とテトラアルコキシシランとを、ランタンとケイ素のモル比(La:Si)が4:3〜5:3(より好ましくは4.665:3〜4.750:3)となる割合で含有させる。このようなランタンに対するケイ素の比率が前記下限未満では、その前駆体薄膜を焼成した場合に正方晶型ランタンシリケート(LaSi)や単斜晶型ランタンシリケート(LaSiO)が副生成されて、c軸方向の配向性が十分に高いランタンシリケート薄膜を得ることができなくなり、他方、前記上限を超えると、その前駆体薄膜を焼成した場合に単斜晶型ランタンシリケート(LaSiO)が副生成されて、c軸方向の配向性が十分に高いランタンシリケート薄膜を得ることができなくなる。 In such a raw material solution, a lanthanum salt and tetraalkoxysilane are mixed in a molar ratio of lanthanum to silicon (La: Si) of 4: 3 to 5: 3 (more preferably 4.665: 3 to 4). 750: 3). When the ratio of silicon to lanthanum is less than the lower limit, tetragonal lanthanum silicate (La 2 Si 2 O 7 ) or monoclinic lanthanum silicate (La 2 SiO 5 ) is produced when the precursor thin film is fired. A lanthanum silicate thin film that is by-produced and has a sufficiently high c-axis orientation cannot be obtained. On the other hand, when the upper limit is exceeded, monoclinic lanthanum silicate (La) is produced when the precursor thin film is fired. 2 SiO 5 ) is by-produced, and a lanthanum silicate thin film with sufficiently high orientation in the c-axis direction cannot be obtained.

さらに、このような原料溶液においては、ランタンの塩の含有量が0.01〜0.40mol/Lであることが好ましく、0.05〜0.167mol/Lであることがより好ましい。このようなランタンの塩の含有量(濃度)が前記下限未満では膜厚を増加させる際に時間がかかる傾向にあり、他方、前記上限を超えると細孔径が16nm以上となる細孔が増加する傾向にある。   Furthermore, in such a raw material solution, the content of the lanthanum salt is preferably 0.01 to 0.40 mol / L, and more preferably 0.05 to 0.167 mol / L. When the content (concentration) of such a lanthanum salt is less than the lower limit, it tends to take time to increase the film thickness. On the other hand, when the upper limit is exceeded, pores having a pore diameter of 16 nm or more increase. There is a tendency.

また、テトラアルコキシシランの含有量は0.01〜0.3mol/Lであることが好ましく、0.05〜0.1mol/Lであることがより好ましい。このようなテトラアルコキシシランの含有量(濃度)が前記下限未満では、膜厚を増加させる際に時間がかかる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、細孔径が16nm以上となる細孔が増加する傾向にある。   Moreover, it is preferable that content of tetraalkoxysilane is 0.01-0.3 mol / L, and it is more preferable that it is 0.05-0.1 mol / L. When the tetraalkoxysilane content (concentration) is less than the lower limit, it tends to take time to increase the film thickness. On the other hand, when the upper limit is exceeded, pores having a pore diameter of 16 nm or more are present. It tends to increase.

さらに、このような原料溶液はpHが3.5〜7である必要がある。このようなpHの値が前記下限未満では、細孔径が16nm以上となる細孔が増加し、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得ることができなくなり、他方、前記上限を超えるとランタンイオンが水酸化ランタンとして析出するため、前駆体薄膜を焼成した際に、LaやLaSiが副生成されて、c軸方向の配向性が十分に高いランタンシリケート薄膜を得ることが困難となる。また、このような原料溶液のpHとしては、同様の観点から、3.5〜6.0であることがより好ましく、4.5〜6.0であることが更に好ましい。 Furthermore, such a raw material solution needs to have a pH of 3.5-7. When such a pH value is less than the lower limit, the number of pores having a pore diameter of 16 nm or more increases, and the volume fraction of pores having a pore diameter of 16 nm or more is 1 with respect to the total volume of the thin film. % Of apatite-type lanthanum silicate precursor thin film cannot be obtained. On the other hand, when the upper limit is exceeded, lanthanum ions are precipitated as lanthanum hydroxide, so when the precursor thin film is baked, La 2 O 3 and La 2 Si 2 O 7 is by-produced, and it becomes difficult to obtain a lanthanum silicate thin film with sufficiently high orientation in the c-axis direction. Moreover, as pH of such a raw material solution, it is more preferable that it is 3.5-6.0 from the same viewpoint, and it is still more preferable that it is 4.5-6.0.

また、このような原料溶液の調製方法は特に制限されず、例えば、前記溶媒中に各原料(ランタンの塩及びテトラアルコキシシラン)を添加し、混合する方法(以下、場合により簡便に「方法(A)」という。)等、前記原料溶液を調製することが可能な方法であれば適宜利用することができる。このような方法(A)としては、例えば、前記溶媒中にランタンの塩を添加した後、テトラアルコキシシランを添加し、混合する方法を採用してもよく、また、水中にランタンの塩を添加して混合液を得た後、そこにアルコールを添加し、その後、テトラアルコキシシランを添加して、混合する方法を採用してもよい。なお、ランタンの塩やテトラアルコキシシランを添加する順序等は特に制限されないが、テトラアルコキシシランを含んだ状態で原料溶液の温度が上昇すること(例えば、テトラアルコキシシランを含んだ状態でアルコールと水とを混合した時に温度が上昇すること等が考えられる。)を、より十分に防止するといった観点からは、先ず、ランタンの塩を含む溶液(混合液)を調製した後、そこにテトラアルコキシシランを添加して混合することが好ましい。   Moreover, the preparation method of such a raw material solution is not particularly limited. For example, each raw material (lanthanum salt and tetraalkoxysilane) is added to the solvent and mixed (hereinafter referred to as “method” in some cases). Any method can be used as long as it is a method capable of preparing the raw material solution. As such a method (A), for example, after adding a lanthanum salt in the solvent, tetraalkoxysilane may be added and mixed, or a lanthanum salt may be added in water. Then, after obtaining a mixed solution, an alcohol may be added thereto, and then tetraalkoxysilane may be added and mixed. The order of adding the lanthanum salt and tetraalkoxysilane is not particularly limited, but the temperature of the raw material solution increases in a state containing tetraalkoxysilane (for example, alcohol and water in a state containing tetraalkoxysilane). From the standpoint of more sufficiently preventing the temperature from increasing when the lanthanum is mixed, first, a solution (mixture) containing a lanthanum salt is prepared, and then tetraalkoxysilane is added thereto. It is preferable to add and mix.

また、このような原料溶液の調製の際の混合工程は特に制限されず、公知の撹拌用の装置(例えば、マグネチックスターラ等)を適宜利用してもよい。更に、このような原料溶液の調製に際しては、原料溶液の使用前にテトラアルコキシシランの加水分解や重合が進行しないように、1〜40℃(より好ましくは1〜25℃)の温度条件下において、溶媒中に各原料(ランタンの塩及びテトラアルコキシシラン)を添加し、混合することが好ましい。このような温度が前記下限未満では溶媒が凝固するため、原料溶液の調製が困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、溶媒中においてテトラアルコキシシランの加水分解や重合が容易に進行してしまい、原料溶液中にケイ素酸化物の粗大な粒子が形成され易くなる。そして、そのような粗大な粒子を含む原料溶液を用いて薄膜を形成した場合には、そのような粗大な粒子に起因して、薄膜中に大きな空隙(空孔)が生じてしまい、かかる薄膜を焼成しても十分に効率よく結晶化を図ることができず、配向性の十分に高いアパタイト型ランタンシリケート薄膜を得ることができない傾向にある。なお、前記原料溶液の調製時の温度条件は、用いるテトラアルコキシシランの種類や、使用するまでの時間(保管する時間)等に応じて、テトラアルコキシシランの加水分解や重合の進行を十分に抑制できるような温度を適宜選択すればよい。   Moreover, the mixing process in the case of preparation of such a raw material solution is not restrict | limited, You may utilize suitably the apparatus for stirring (for example, magnetic stirrer etc.) suitably. Furthermore, when preparing such a raw material solution, the temperature and temperature of 1 to 40 ° C. (more preferably 1 to 25 ° C.) are used so that the hydrolysis and polymerization of the tetraalkoxysilane do not proceed before using the raw material solution. The raw materials (lanthanum salt and tetraalkoxysilane) are preferably added to the solvent and mixed. If the temperature is lower than the lower limit, the solvent is solidified, so that the preparation of the raw material solution tends to be difficult. On the other hand, if the upper limit is exceeded, hydrolysis and polymerization of the tetraalkoxysilane easily proceed in the solvent. As a result, coarse particles of silicon oxide are easily formed in the raw material solution. When a thin film is formed using a raw material solution containing such coarse particles, a large void (hole) is generated in the thin film due to such coarse particles, and the thin film Even if calcined, crystallization cannot be achieved sufficiently efficiently, and an apatite-type lanthanum silicate thin film having a sufficiently high orientation tends not to be obtained. In addition, the temperature conditions at the time of preparation of the raw material solution are sufficient to suppress the progress of hydrolysis and polymerization of tetraalkoxysilane depending on the type of tetraalkoxysilane used and the time until use (storage time). What is necessary is just to select suitably the temperature which can be performed.

このように、前記原料溶液としては、1〜40℃(より好ましくは1〜25℃)の温度条件下において調製されたものであることが好ましい。また、前記原料溶液は、原料溶液中においてテトラアルコキシシランの加水分解や重合が進行することを十分に抑制するとの観点から、調製後できるだけ早期に(調製後時間を置かずに)利用することが好ましい。例えば、テトラアルコキシシランとしてテトラエトキシシランを利用し、室温で前記原料溶液を調製した場合においては、2時間以内に利用することが好ましい。なお、このような原料溶液の調製後、使用するまでの時間に関して、アレニウスの式に従えば、より低温であるほど、原料溶液中においてテトラアルコキシシランの加水分解や重合の進行を十分に抑制できることが分かる。   Thus, the raw material solution is preferably prepared under a temperature condition of 1 to 40 ° C. (more preferably 1 to 25 ° C.). In addition, the raw material solution may be used as soon as possible after preparation (without any time after preparation) from the viewpoint of sufficiently suppressing the hydrolysis and polymerization of tetraalkoxysilane in the raw material solution. preferable. For example, when tetraethoxysilane is used as tetraalkoxysilane and the raw material solution is prepared at room temperature, it is preferably used within 2 hours. Regarding the time to use after preparation of such a raw material solution, according to the Arrhenius equation, the lower the temperature, the more sufficiently the hydrolysis and polymerization of tetraalkoxysilane can be suppressed in the raw material solution. I understand.

また、このような原料溶液は、使用前(後述の350〜600℃の温度条件で加熱する処理を施す前)に、還流処理等の他の処理を施すことなく、そのまま利用することが好ましい。上記非特許文献1に記載のように、熱処理を施す前に、原料溶液に還流処理等の他の処理を施した場合には、テトラアルコキシシランの加水分解や重合が著しく進行するため、細孔径が16nm以上となる粗大な空孔の生成を十分に抑制することが困難となる。そのため、前記原料溶液は、調製後、350〜600℃の温度条件で加熱する処理を施す前(粒子を析出させる前)に、還流処理等の他の処理を施すことなく、そのまま利用することが好ましい。   Further, such a raw material solution is preferably used as it is without being subjected to other treatments such as a reflux treatment before being used (before being heated at a temperature condition of 350 to 600 ° C. described later). As described in Non-Patent Document 1, when the raw material solution is subjected to other treatment such as reflux treatment before the heat treatment, hydrolysis and polymerization of the tetraalkoxysilane proceed remarkably. It is difficult to sufficiently suppress the generation of coarse pores having a diameter of 16 nm or more. Therefore, the raw material solution can be used as it is without being subjected to other treatments such as a reflux treatment before preparation (before the particles are precipitated) after the preparation and before the treatment for heating at a temperature of 350 to 600 ° C. preferable.

このように、前記原料溶液を使用する前に該溶液中においてテトラアルコキシシランの加水分解や重合が進行することを十分に抑制するといった観点からは、前記原料溶液を1〜40℃(より好ましくは1〜25℃)の温度条件下において調製した後、できるだけ早期(より好ましくは調製後2時間以内、更に好ましくは調製後1時間以内、特に好ましくは調製後0.5時間以内、最も好ましくは調製後すぐに)に、そのまま利用して(よりフレッシュな状態のままで利用して)、かかる溶液からランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させるために350〜600℃の温度条件で加熱する処理を施すことが好ましい。このように、前記原料溶液としては、テトラアルコキシシランの加水分解や重合が進行していない状態の原料溶液を使用することが好ましい。このように、テトラアルコキシシランの加水分解や重合が進行していない状態の原料溶液を使用することにより、薄膜形成時にケイ素酸化物の粗大な粒子が生じることを十分に抑制でき、16nm以上の大きな細孔が生成されることをより十分に抑制することができる。   Thus, from the viewpoint of sufficiently suppressing the progress of hydrolysis and polymerization of tetraalkoxysilane in the solution before using the raw material solution, the raw material solution is 1 to 40 ° C. (more preferably After preparation under temperature conditions of 1 to 25 ° C., as early as possible (more preferably within 2 hours after preparation, more preferably within 1 hour after preparation, particularly preferably within 0.5 hour after preparation, most preferably preparation) Immediately thereafter, it is used as it is (used in a fresher state) at a temperature of 350 to 600 ° C. in order to precipitate composite oxide particles containing lanthanum and silicon from such a solution. It is preferable to perform a heating treatment. Thus, as the raw material solution, it is preferable to use a raw material solution in a state where hydrolysis or polymerization of tetraalkoxysilane does not proceed. Thus, by using the raw material solution in a state where hydrolysis or polymerization of tetraalkoxysilane has not progressed, it is possible to sufficiently suppress the generation of coarse particles of silicon oxide at the time of thin film formation, and a large size of 16 nm or more. The generation of pores can be more sufficiently suppressed.

また、本発明においては、上述のような原料溶液を用いて、該原料溶液を350〜600℃の温度条件で加熱することにより、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させて、該複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得る。   Further, in the present invention, a composite oxide particle containing lanthanum and silicon as main metal elements by heating the raw material solution at a temperature of 350 to 600 ° C. using the raw material solution as described above. And a volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more is 1% or less with respect to the total volume of the thin film. An apatite-type lanthanum silicate precursor thin film is obtained.

このように、本発明においては、前記原料溶液から前記複合酸化物粒子を析出させるための加熱の温度条件を350〜600℃とする必要がある。このような加熱の温度としては、ランタンの塩とテトラアルコキシシランとを熱分解してランタンの酸化物及びケイ素の酸化物を析出させ、少なくとも一部を固溶させることができるような、前記複合酸化物粒子を析出させることが可能な温度であって、かつ、析出した複合酸化物粒子が熱により結晶化しないような温度とするといった観点から、上記温度範囲(350〜600℃)の中から、用いる原料に応じて好適な温度を適宜採用すればよい。なお、このような加熱の温度条件が前記下限未満ではランタンの塩の熱分解が不十分となり、複合酸化物からなる粒子を十分に形成できなくなり、他方、前記上限を超えると、析出した複合酸化物粒子が結晶化してしまい、非晶質の前駆体薄膜が得られなくなって、かかる前駆体薄膜を焼成した場合に、c軸が十分に配向した(c軸配向度が十分に高い)ランタンシリケートの薄膜を形成できなくなる。また、このような複合酸化物粒子を析出させるための加熱の温度条件は、用いる原料化合物(ランタンの塩及びテトラアルコキシシラン)の種類によっても異なるものであるため、必ずしも一概に言えるものではないが、作業の容易さの観点から、350〜500℃であることがより好ましく、400〜500℃であることが更に好ましい。   Thus, in the present invention, the heating temperature condition for precipitating the composite oxide particles from the raw material solution needs to be 350 to 600 ° C. The heating temperature is such that the lanthanum salt and tetraalkoxysilane are thermally decomposed to precipitate lanthanum oxide and silicon oxide, so that at least a part thereof can be dissolved. From the standpoint that the oxide particles can be deposited at a temperature at which the deposited composite oxide particles are not crystallized by heat, the temperature range (350 to 600 ° C.) is selected. A suitable temperature may be appropriately adopted depending on the raw material to be used. If the temperature condition of such heating is less than the above lower limit, the thermal decomposition of the lanthanum salt becomes insufficient, and it becomes impossible to sufficiently form particles made of the composite oxide. When the precursor particles are crystallized and an amorphous precursor thin film cannot be obtained and the precursor thin film is baked, the c-axis is sufficiently oriented (the degree of c-axis orientation is sufficiently high). The thin film cannot be formed. In addition, the heating temperature condition for precipitating such composite oxide particles varies depending on the type of raw material compounds (lanthanum salt and tetraalkoxysilane) used, and therefore cannot always be said. From the viewpoint of ease of work, 350 to 500 ° C is more preferable, and 400 to 500 ° C is still more preferable.

また、このような原料溶液を用いて、より効率よく薄膜を形成するといった観点からは、前記原料溶液を基板上に塗布した後に前記温度条件(350〜600℃)で加熱する工程(I)を採用することが好ましい。このような基板としては特に制限されないが、複合酸化物からなる薄膜を形成する際に用いることが可能な公知の基板を適宜利用することができ、例えば、Si(100)基板、石英ガラスからなる基板、Niを用いた基板(Ni板等)、多孔質NiO等が挙げられ、中でも、平坦な表面を持つ薄膜をより作製し易いといった観点から、Si(100)基板、石英ガラス基板が好ましい。なお、このような石英ガラス基板、Si(100)基板(その表面が(100)面であるシリコン基板)としては、市販のものを適宜利用することができる。   In addition, from the viewpoint of forming a thin film more efficiently using such a raw material solution, the step (I) of heating at the temperature condition (350 to 600 ° C.) after applying the raw material solution on the substrate is performed. It is preferable to adopt. Such a substrate is not particularly limited, but a known substrate that can be used when forming a thin film made of a complex oxide can be used as appropriate. For example, the substrate is made of Si (100) substrate or quartz glass. Examples include a substrate, a substrate using Ni (Ni plate or the like), porous NiO, and the like. Among these, a Si (100) substrate and a quartz glass substrate are preferable from the viewpoint that a thin film having a flat surface can be more easily produced. In addition, as such a quartz glass substrate and Si (100) substrate (a silicon substrate whose surface is a (100) plane), commercially available products can be used as appropriate.

また、このような基板上に前記原料溶液を塗布する方法(塗布方法)は特に制限されず、公知の塗布方法を適宜利用でき、例えば、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法等が挙げられる。なお、このような塗布方法において採用する好適な条件(例えばスピンコートを採用する場合の回転数や秒数の条件等)は、特に制限されず、基板の形状や大きさ、溶液中の原料の濃度、基板表面の溶液に対する濡れ性等に基づいて、十分に薄い均一な塗膜となるように、適切な条件を適宜採用すればよい。   Further, a method (coating method) for applying the raw material solution on such a substrate is not particularly limited, and a known coating method can be appropriately used, and examples thereof include a spin coating method, a dip coating method, and a spray coating method. It is done. In addition, suitable conditions (for example, conditions for the number of rotations and the number of seconds when spin coating is employed) used in such a coating method are not particularly limited, and the shape and size of the substrate, the raw material in the solution Based on the concentration, wettability of the substrate surface to the solution, and the like, appropriate conditions may be appropriately adopted so that a sufficiently thin uniform coating film is obtained.

また、工程(I)を採用する場合、製造する薄膜の設計に応じて、工程(I)を複数回繰り返し実施することにより、その製造する薄膜の厚みを所望の厚みにすることも可能である。   In addition, when adopting the step (I), it is possible to make the thickness of the thin film to be manufactured to a desired thickness by repeatedly performing the step (I) according to the design of the thin film to be manufactured. .

また、工程(I)を複数回繰り返し実施する場合、例えば、工程(I)を実施するごとに、前記温度条件(350〜600℃)で加熱した後の基板を1〜40℃の冷却温度に冷却(より好ましくは10〜40℃、更に好ましくは室温(25℃)程度に冷却)することが好ましい。すなわち、工程(I)を複数回繰り返し実施する場合、各工程(I)を実施する前の段階において、基板が1〜40℃(より好ましくは10〜40℃、更に好ましくは10〜25℃)に冷却されていることが好ましい。このような冷却温度が前記下限未満では、原料溶液を塗布する際に溶媒が凝固してしまう傾向にあり、他方、前記上限を超えると原料溶液を塗布する際に溶媒の沸騰、揮発により均一な膜が得られなくなる傾向にある。   When step (I) is repeated a plurality of times, for example, each time step (I) is performed, the substrate after heating at the temperature condition (350 to 600 ° C.) is set to a cooling temperature of 1 to 40 ° C. It is preferable to cool (more preferably 10 to 40 ° C, more preferably about room temperature (25 ° C)). That is, when the step (I) is repeated a plurality of times, the substrate is 1 to 40 ° C. (more preferably 10 to 40 ° C., more preferably 10 to 25 ° C.) in the stage before each step (I) is performed. It is preferable to be cooled. When the cooling temperature is lower than the lower limit, the solvent tends to solidify when the raw material solution is applied. On the other hand, when the upper limit is exceeded, the solvent is uniform due to boiling and volatilization when the raw material solution is applied. There is a tendency that a film cannot be obtained.

また、原料溶液を350〜600℃の温度条件で加熱する工程を実施する際に採用し得る雰囲気条件としては、対アニオンや炭化物の酸化分解を促進し、特別な設備を必要としないという観点から、例えば、大気条件下(大気中)とすることができる。このように、大気中における加熱といった簡便な工程により、効率よく薄膜を製造することが可能である。   In addition, as an atmospheric condition that can be adopted when the step of heating the raw material solution at a temperature of 350 to 600 ° C. is performed, from the viewpoint of accelerating the oxidative decomposition of counter anions and carbides and requiring no special equipment. For example, it can be under atmospheric conditions (in the atmosphere). Thus, a thin film can be efficiently produced by a simple process such as heating in the atmosphere.

このようにして、前記原料溶液を用いて、該原料溶液を350〜600℃の温度条件で加熱し、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させることにより、該複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得ることができる。なお、このような薄膜(その膜を構成する複合酸化物粒子や特定の細孔径を有する細孔の空隙の体積分率の条件等)は、前述の本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜において説明したものと同様のものである(その好適なものも同様である。)。また、このような薄膜を構成する複合酸化物粒子に、前述のようなランタン及びケイ素以外の他の金属元素を含有させる場合には、前記原料溶液に、前記他の金属元素の塩を適宜含有させればよい。このように、本発明においては、得られるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜が、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜と同様のものとなる。   Thus, by using the raw material solution, heating the raw material solution at a temperature of 350 to 600 ° C., and precipitating composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements, An apatite-type lanthanum silicate precursor, which is a thin film composed of an aggregate of composite oxide particles, and the volume fraction of pores having a pore diameter of 16 nm or more is 1% or less with respect to the total volume of the thin film A thin film can be obtained. Such a thin film (such as the composite oxide particles constituting the film and the volume fraction of pores having a specific pore diameter) is the above-mentioned apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention. It is the same as that described (the preferred one is also the same). Further, when the composite oxide particles constituting such a thin film contain a metal element other than lanthanum and silicon as described above, the raw material solution appropriately contains a salt of the other metal element. You can do it. Thus, in the present invention, the obtained apatite type lanthanum silicate precursor thin film is the same as the apatite type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention.

なお、このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法によって、前記複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得ることが可能となる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法においては、先ず、前記原料溶液を加熱(このような加熱に際しては、例えば、前記原料溶液を前記基板に塗布した後に加熱してもよい。)により、金属酸化物の粒子を析出させる。このような粒子の析出時に、前記原料溶液から350〜600℃の比較的低温の加熱により粒子を析出させるため、より効率よく、非晶質の複合酸化物粒子とすることも可能であり、ランタンの酸化物の粒子とケイ素の酸化物の粒子とがナノスケールで十分に混合、分散された状態で析出されるとともに、それらの粒子間において、少なくとも一部が固溶されて複合酸化物の微細な粒子の集合体となって、薄膜が形成される。このように複合酸化物の微細な粒子の集合体とすることができることから、得られる薄膜を、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(体積の割合)が該薄膜の全体積に対して1%以下のものとすることが可能となる。なお、このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法において、例えば、原料溶液を基板に塗布する場合、塗布膜の厚みを適宜制御することによって、析出する酸化物粒子の大きさを、より効率よく微細な状態に制御することが可能である。このように、原料溶液の塗布膜の厚みを適宜制御することによって析出する粒子の大きさを制御した場合にいは、基板上に、より均一に、微細な酸化物粒子を析出させることも可能となり、より効率よく、前記複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜を細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(体積の割合)が該薄膜の全体積に対して1%以下のものとすることが可能となるものと本発明者らは推察する。   It should be noted that the volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more, which is a thin film comprising an aggregate of the composite oxide particles, by the method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention. The reason why it is possible to obtain an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film having a rate of 1% or less with respect to the total volume of the thin film is not necessarily clear, but the present inventors infer as follows. That is, in such a method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, first, the raw material solution is heated (for example, the raw material solution is heated after being applied to the substrate. To deposit metal oxide particles. At the time of precipitation of such particles, the particles are precipitated from the raw material solution by heating at a relatively low temperature of 350 to 600 ° C. Therefore, it is possible to more efficiently form amorphous composite oxide particles. Oxide particles and silicon oxide particles are deposited in a well-mixed and dispersed state at the nanoscale, and at least a part of these particles is dissolved to form a fine composite oxide. As a result, a thin film is formed. Since the composite oxide can be made into an aggregate of fine particles in this way, the obtained thin film has a pore volume fraction (volume ratio) of pores having a pore diameter of 16 nm or more. It can be 1% or less of the product. In addition, in such a method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, for example, when a raw material solution is applied to a substrate, the size of the oxide particles to be deposited is appropriately controlled by controlling the thickness of the applied film. Can be more efficiently controlled to a fine state. Thus, when the size of the deposited particles is controlled by appropriately controlling the thickness of the coating film of the raw material solution, fine oxide particles can be deposited more uniformly on the substrate. Thus, the volume fraction (volume ratio) of the pore voids having a pore diameter of 16 nm or more in the thin film composed of the composite oxide particle aggregate is less than 1% with respect to the total volume of the thin film. The present inventors speculate that it is possible to make this.

このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法によれば、得られるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を、上述の本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜と同様のものとすることができる。そのため、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法は、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を製造するための方法として好適に採用できる。また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法は、前記原料溶液を用いて加熱するといった簡便な工程により、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を製造することができるため、コスト面等を含めた生産性の点で有利な方法であるといえる。   Thus, according to the method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, the obtained apatite-type lanthanum silicate precursor thin film is the same as the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention described above. be able to. Therefore, the method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention can be suitably employed as a method for producing the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention. Further, the method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention can produce the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention by a simple process such as heating using the raw material solution. It can be said that this is an advantageous method in terms of productivity including cost.

以上、本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法について説明したが、以下、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜について説明する。   The manufacturing method of the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has been described above. Hereinafter, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention will be described.

[アパタイト型ランタンシリケート薄膜]
本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、主な金属元素としてランタン(La)とケイ素(Si)とを含有しかつアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなり、
該ランタンシリケートをX線回折により測定した場合に、(002)面のピークの強度と、(00l)面以外(ただしlは1以上の整数を示す。)の他の面のピークの強度との比の最小値が10以上であること、
を特徴とするものである。
[Apatite-type lanthanum silicate thin film]
The apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention comprises lanthanum silicate containing lanthanum (La) and silicon (Si) as main metal elements and having an apatite-type crystal structure,
When the lanthanum silicate is measured by X-ray diffraction, the peak intensity of the (002) plane and the peak intensity of other planes other than the (001) plane (where l is an integer of 1 or more) The minimum ratio is 10 or more,
It is characterized by.

このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる。このようなランタンシリケートは、主な金属元素としてランタン(La)とケイ素(Si)とを含有するものである。このようなランタンシリケート中のランタンとケイ素の総量(合計量)は、酸化物粒子中の全金属元素に対して95at%以上であることが好ましく、99at%以上であることがより好ましく、99.9〜100at%であることが更に好ましく、100at%であることが特に好ましい。なお、このようなランタン及びケイ素の含有量の条件を満たす場合には、ランタン及びケイ素が、前記複合酸化物粒子を形成する金属元素の主成分(主な金属元素)であるといえる。   Such an apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention comprises a lanthanum silicate having an apatite-type crystal structure. Such a lanthanum silicate contains lanthanum (La) and silicon (Si) as main metal elements. The total amount (total amount) of lanthanum and silicon in such a lanthanum silicate is preferably 95 at% or more, more preferably 99 at% or more, based on all metal elements in the oxide particles. More preferably, it is 9-100 at%, and it is especially preferable that it is 100 at%. In addition, when satisfy | filling the conditions of content of such lanthanum and silicon, it can be said that lanthanum and silicon are the main components (main metal element) of the metal element which forms the said composite oxide particle.

また、このようなアパタイト型のランタンシリケートにおいて、ランタンとケイ素の含有比は、モル比(La:Si)で4:3〜5:3であることが好ましく、4.665:3〜4.75:3であることがより好ましい。このようなランタンの含有比率が前記下限未満では、正方晶型ランタンシリケート(LaSi)や単斜晶型ランタンシリケート(LaSiO)が含まれたものとなり、(002)面のピークの強度と、(00l)面以外(ただしlは1以上の整数を示す。)の他の面のピークの強度との比の最小値が10未満となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、膜中に単斜晶型のランタンシリケート(LaSiO)が含まれ、やはり、(002)面のピークの強度と、(00l)面以外(ただしlは1以上の整数を示す。)の他の面のピークの強度との比の最小値が10未満となる傾向にある。 In such apatite-type lanthanum silicate, the content ratio of lanthanum and silicon is preferably 4: 3 to 5: 3 in terms of molar ratio (La: Si), and 4.665: 3 to 4.75. : 3 is more preferable. When the content ratio of lanthanum is less than the lower limit, tetragonal lanthanum silicate (La 2 Si 2 O 7 ) and monoclinic lanthanum silicate (La 2 SiO 5 ) are included, and (002) plane The minimum value of the ratio between the intensity of the peak and the intensity of the peak of the other face other than the (00l) face (where l is an integer of 1 or more) tends to be less than 10, while the upper limit Is included, monoclinic lanthanum silicate (La 2 SiO 5 ) is included in the film, and the peak intensity on the (002) plane and other than the (00l) plane (where l is an integer of 1 or more) The minimum value of the ratio to the peak intensity on the other surface tends to be less than 10.

また、このようなランタンシリケートとしては、組成式:LaSi12+1.5x[式中、xは8以上10以下の数値を示す(言い換えると、xは、条件:8≦x≦10を満たす数値である。)]。)で表されるものであることが好ましい。このような組成式中のxの値が前記下限未満では、正方晶型ランタンシリケート(LaSi)や単斜晶型ランタンシリケート(LaSiO)が含まれたものとなり、(002)面のピークの強度と、(00l)面以外(ただしlは1以上の整数を示す。)の他の面のピークの強度との比の最小値が10未満となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、膜中に単斜晶型のランタンシリケート(LaSiO)が含まれ、やはり、(002)面のピークの強度と、(00l)面以外(ただしlは1以上の整数を示す。)の他の面のピークの強度との比の最小値が10未満となる傾向にある。このような組成はエネルギー分散型X線分光法、二次イオン質量分析、原子吸光等により確認できる。 In addition, as such a lanthanum silicate, a composition formula: La x Si 6 O 12 + 1.5x [wherein x represents a numerical value of 8 or more and 10 or less (in other words, x represents a condition: 8 ≦ x ≦ 10) It is a numerical value that meets.)]. ) Is preferable. When the value of x in such a composition formula is less than the lower limit, tetragonal lanthanum silicate (La 2 Si 2 O 7 ) and monoclinic lanthanum silicate (La 2 SiO 5 ) are included, The minimum value of the ratio between the peak intensity of the (002) plane and the peak intensity of other planes other than the (001) plane (where l represents an integer of 1 or more) tends to be less than 10, while When the above upper limit is exceeded, monoclinic lanthanum silicate (La 2 SiO 5 ) is contained in the film, and the peak intensity on the (002) plane and other than the (001) plane (where l is 1 or more) The minimum value of the ratio to the intensity of the peak on the other surface tends to be less than 10. Such a composition can be confirmed by energy dispersive X-ray spectroscopy, secondary ion mass spectrometry, atomic absorption and the like.

また、前記ランタンシリケートが有するアパタイト型の結晶構造は、結晶学的には六方晶系に属し、a(b)面とc面の二つの結晶面を持つ結晶構造である。本発明において、前記ランタンシリケートが有するアパタイト型の結晶構造は、X線回折(XRD)パターンにおいて、六方晶アパタイト構造の主たる相(空間群:P6/m)が確認される結晶構造であればよい。すなわち、ここにいう「アパタイト型の結晶構造」は、X線回折パターンにおいて、JCPDSカード 49−0443等とピーク位置の一致が確認される構造であればよい。このような結晶構造のX線回折による測定方法(X線回折パターンの測定方法)は、特に制限されないが、X線回折(XRD)装置(例えばリガク社製の商品名「RINT−TTR」)を用いて、ブラッグ・ブレンターノ光学系の条件で、X線回折することにより測定する方法を採用できる。 The apatite type crystal structure possessed by the lanthanum silicate belongs to the hexagonal system in terms of crystallography, and has two crystal faces, a (b) face and c face. In the present invention, the apatite-type crystal structure of the lanthanum silicate is a crystal structure in which the main phase of the hexagonal apatite structure (space group: P6 3 / m) is confirmed in the X-ray diffraction (XRD) pattern. Good. That is, the “apatite-type crystal structure” here may be a structure in which the peak position coincides with the JCPDS card 49-0443 in the X-ray diffraction pattern. The measurement method (X-ray diffraction pattern measurement method) of such a crystal structure by X-ray diffraction is not particularly limited, but an X-ray diffraction (XRD) apparatus (for example, trade name “RINT-TTR” manufactured by Rigaku Corporation) is used. It is possible to employ a method of measuring by X-ray diffraction under the conditions of the Bragg-Brentano optical system.

また、本発明において、前記ランタンシリケート(薄膜)は、X線回折(XRD)により測定した場合に、得られるXRDパターンにおいて、(002)面のピークの強度と、(00l)面(ただし、lは1以上の整数を示す。)以外の他の面のピークの強度との比(この比(強度比)は、[(002)面のピークの強度]/[他の面のピークの強度]を計算して求められる値である。)の最小値が10以上となるものである。このように、前記ランタンシリケートは、c軸に対して垂直な面である(002)面のピークが、c軸に対しては垂直以外の角度となる他の面のピーク((00l)面以外の他の面(例えば(100)面、(110)面等)のピーク)に対して、10倍以上の強度を有する。このようなランタンシリケートは、上記強度比からc軸配向性が高いといえ、十分に配向性が高い薄膜といえる。また、このようなc軸配向の指標である前記強度比([(002)面のピークの強度]/[他の面のピークの強度])の最小値が前記下限未満の薄膜は、c軸配向性が低いものである。   In the present invention, when the lanthanum silicate (thin film) is measured by X-ray diffraction (XRD), the peak intensity of the (002) plane and the (001) plane (where l Is a ratio with the peak intensity of other surfaces other than (the ratio (intensity ratio) is [(002) plane peak intensity] / [other plane peak intensity]). The minimum value obtained by calculating the above is 10 or more. Thus, in the lanthanum silicate, the peak of the (002) plane, which is a plane perpendicular to the c-axis, has a peak other than the plane (other than the (00l) plane) at an angle other than perpendicular to the c-axis. It has an intensity of 10 times or more with respect to the other surface (for example, peak of (100) surface, (110) surface, etc.). Such a lanthanum silicate can be said to have a high c-axis orientation from the above strength ratio, and can be said to be a thin film having a sufficiently high orientation. A thin film having a minimum value of the intensity ratio ([(002) plane peak intensity] / [other plane peak intensity]), which is an index of such c-axis orientation, is less than the lower limit, The orientation is low.

また、基板上に前記アパタイト型ランタンシリケート薄膜を形成した場合に、より高度に基板に対して垂直な方向にc軸が配向した結晶からなる薄膜となるといった観点から、(002)面のピークの強度と、(00l)面(ただし、lは1以上の整数を示す。)以外の他の面のピークの強度との比([(002)面のピークの強度]/[他の面のピークの強度])の最小値は、25以上であることがより好ましく、60以上であることが更に好ましい。なお、本発明において、(002)面のピークの強度を基準とするのは、かかる面のピーク((002)面のピーク)が、薄膜の(002)面が基板と平行になる程度を表すもの、および、膜中の結晶のうち(002)面が基板と平行となっているものの割合を示すものであることから、c軸配向の指標(薄膜が基板の表面に対して、より平行な面となっていることの指標等)として、好適に利用できるためである。なお、ここにいう、(002)面のピークの強度や、(00l)面(ただし、lは1以上の整数を示す。)以外の他の面のピークの強度は、前述の結晶構造のX線回折(XRD)による測定方法と同様の方法を採用して、前記ランタンシリケート(薄膜)をX線回折により測定することで求めることができる。すなわち、ランタンシリケート薄膜を構成するランタンシリケートの結晶構造をX線回折により測定してXRDパターンを求めることで、前記強度比を求めることができる。   In addition, when the apatite-type lanthanum silicate thin film is formed on the substrate, the peak of the (002) plane is obtained from the viewpoint that the thin film is made of a crystal whose c axis is oriented in a direction highly perpendicular to the substrate. Ratio of intensity to peak intensity of other planes other than (001) plane (where l is an integer of 1 or more) ([(002) plane peak intensity] / [peak of other planes) The minimum value of the intensity]) is more preferably 25 or more, and still more preferably 60 or more. In the present invention, the intensity of the peak of the (002) plane is used as a reference for the peak of the plane (peak of the (002) plane) to indicate the extent that the (002) plane of the thin film is parallel to the substrate. And the ratio of the crystals in the film whose (002) plane is parallel to the substrate, the index of c-axis orientation (thin film is more parallel to the surface of the substrate) This is because it can be suitably used as an index of being a surface. The intensity of the peak on the (002) plane and the intensity of peaks on the other planes other than the (001) plane (where l represents an integer of 1 or more) are X of the crystal structure described above. It can be determined by measuring the lanthanum silicate (thin film) by X-ray diffraction by adopting the same method as that by X-ray diffraction (XRD). That is, the intensity ratio can be obtained by measuring the crystal structure of the lanthanum silicate constituting the lanthanum silicate thin film by X-ray diffraction to obtain the XRD pattern.

また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜としては、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を800〜1200℃(より好ましくは850〜1200、更に好ましくは900〜1200)の温度条件で焼成することにより得られる薄膜であることが好ましい。   As the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is baked at a temperature condition of 800 to 1200 ° C. (more preferably 850 to 1200, more preferably 900 to 1200). It is preferable that it is a thin film obtained by this.

また、このような強度比([(002)面のピークの強度]/[他の面のピークの強度])の最小値が10以上(より好ましは25以上、更に好ましくは60以上)となるような、十分に高度なc軸配向性をより効率よく達成するといった観点からは、前記アパタイト型ランタンシリケート薄膜の製造に用いる、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を、石英ガラス基板またはSi(100)基板上に形成したものとすることが好ましい。このように、石英ガラス基板またはSi(100)基板上に形成した前記前駆体薄膜を用いて、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を製造した場合には、基板の表面が平坦な平面となるため、より均一でより平坦な表面を有する膜をより効率よく製造することが可能となり、c軸配向性をより高度なものとすることができ、より効率よく前記強度比を達成することが可能となる。   Further, the minimum value of such intensity ratio ([(002) plane peak intensity] / [other plane peak intensity]) is 10 or more (more preferably 25 or more, more preferably 60 or more). From the viewpoint of achieving a sufficiently high c-axis orientation more efficiently, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention used for the production of the apatite-type lanthanum silicate thin film is formed on a quartz glass substrate. Alternatively, it is preferably formed on a Si (100) substrate. Thus, when the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention is manufactured using the precursor thin film formed on the quartz glass substrate or the Si (100) substrate, the surface of the substrate becomes a flat plane. The film having a more uniform and flat surface can be more efficiently produced, the c-axis orientation can be enhanced, and the intensity ratio can be achieved more efficiently. Become.

また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜においては、該アパタイト型ランタンシリケート薄膜が基板上に積層されており、該薄膜中のアパタイト型の結晶構造のc軸と、前記基板の垂線(基板の表面に対して垂直な線)との成す角の平均値が15°以下(より好ましくは10°以下、更に好ましくは5°以下)であることが好ましい。このような該薄膜中のアパタイト型の結晶構造のc軸と、前記基板の垂線との成す角(以下、かかる角を場合により単に「角度A」という。)の平均値が前記上限を超えると酸化物イオン伝導度が低くなる傾向にある。なお、このような角度Aの平均値は、アパタイト型ランタンシリケート薄膜中の任意の断面において、測定装置として透過型電子顕微鏡(例えば、日本電子社製の商品名「JEM−2100F」)を用いて、制限視野しぼり内に単一の柱状粒子が観測される条件で、制限視野電子線回折像を測定して、晶帯軸を求め、基板に対する垂線と晶帯軸とのなす角度をそれぞれ算出して求めた後、任意の3点以上の晶帯軸において算出された該角度の平均値を算出することにより求めることができる。   Further, in the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention, the apatite-type lanthanum silicate thin film is laminated on the substrate, and the c-axis of the apatite-type crystal structure in the thin film and the perpendicular of the substrate (surface of the substrate) It is preferable that the average value of the angle formed with a line perpendicular to the angle is 15 ° or less (more preferably 10 ° or less, still more preferably 5 ° or less). When the average value of the angle formed between the c-axis of the apatite-type crystal structure in the thin film and the perpendicular of the substrate (hereinafter, this angle is sometimes simply referred to as “angle A”) exceeds the upper limit. The oxide ion conductivity tends to be low. In addition, such an average value of the angle A is obtained by using a transmission electron microscope (for example, trade name “JEM-2100F” manufactured by JEOL Ltd.) as a measuring device in an arbitrary cross section in the apatite-type lanthanum silicate thin film. Then, under the condition that a single columnar particle is observed in the restricted field squeeze, the restricted field electron diffraction image is measured to obtain the crystal zone axis, and the angle between the perpendicular to the substrate and the crystal zone axis is calculated. Then, it can be obtained by calculating the average value of the angles calculated for any three or more zone axes.

さらに、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜においては、該アパタイト型ランタンシリケート薄膜が基板上に積層されており、前記薄膜の体積の70%以上(より好ましくは80%以上、更に好ましくは90%以上)の領域において、該薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っていることが好ましい。このような結晶方位が揃っている領域の体積割合が前記下限未満では酸化物イオン伝導度が低下する傾向にある。なお、このような結晶方位が揃っている領域は、以下のようにして求めることができる。先ず、OIM結晶方位解析装置(例えば、TSLソリューションズ社製のもの等)を備えた走査型電子顕微鏡(例えば日本電子社製の商品名「JSM−7000F」)を用いて、薄膜の表面に対して電子線後方散乱回折法(加速電圧15kV、倍率15000倍、測定領域5μm×5μm、測定ステップ30nmとする条件を採用)により、電子線後方散乱回折パターン(EBSDパターン)を求めて、アパタイト型ランタンシリケートを示す(001)面が確認される領域が膜の表面の70%以上(より好ましくは80%以上、更に好ましくは95%以上)であることを確認する。次に、測定装置として透過型電子顕微鏡(例えば、日本電子社製の商品名「JEM2100F」)を用いて、明視野像を観察する条件で、柱状粒子の存在を確認し、任意の2個以上の柱状粒子に対して、薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置の測定領域(表面側の領域:測定範囲は半径60nmの円形とし、円の中心が薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置となるようにする。)と、該薄膜のもう一方の表面から膜厚方向に70nmの位置の測定領域(もう一方の表面側の領域:測定範囲は半径60nmの円形とし、円の中心が薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置となるようにする。)とにおいて、それぞれ制限視野電子線回折像を求めて、同一の柱状粒子の各表面側の制限視野電子線回折像同士を比較して、回折パターンが一致するか否かを確認し、いずれの柱状粒子においても制限視野電子線回折像の回折パターンが一致する場合には、各柱状粒子の結晶方位が揃っているものとみなすことができる。ここにおいて、柱状粒子は電子線後方散乱回折パターン(EBSDパターン)の測定結果から、70%以上(より好ましくは80%以上、更に好ましくは95%以上)が同一の結晶からなる粒子であるものとみなすことができる。そのため、電子線後方散乱回折パターン(EBSDパターン)の測定結果から、表面の面積の70%以上で同一の結晶からなる粒子により膜が形成されていることが確認されること、及び、任意の2個以上の柱状粒子に関して、同一の柱状粒子内の各測定領域(表面側の測定領域及びもう一方の表面側の測定領域)における制限視野電子線回折像が一致することを確認して、任意の2個以上の柱状粒子において膜の一方の表面から他の表面まで結晶方位が揃っていることが確認されること、をもって、前記薄膜の体積の70%以上の領域において、該薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っていると判断することができ、これに基づいて前記体積の割合を求める。すなわち、任意の2個以上の柱状粒子において膜の一方の表面から他の表面まで結晶方位が揃っている場合、アパタイト型ランタンシリケートを示す(001)面が確認される領域が膜の表面の70%以上であることをもって、前記薄膜の体積の70%以上の領域において、該薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っているものと判定する。   Furthermore, in the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention, the apatite-type lanthanum silicate thin film is laminated on a substrate, and is 70% or more (more preferably 80% or more, more preferably 90% or more) of the volume of the thin film. ), The crystal orientation is preferably aligned from one surface of the thin film to the other surface. If the volume ratio of the region where the crystal orientations are aligned is less than the lower limit, the oxide ion conductivity tends to decrease. In addition, the area | region where such crystal orientation is equal can be calculated | required as follows. First, using a scanning electron microscope (for example, trade name “JSM-7000F” manufactured by JEOL Ltd.) equipped with an OIM crystal orientation analyzer (for example, manufactured by TSL Solutions, Inc.), the surface of the thin film is applied. Electron beam backscatter diffraction pattern (EBSD pattern) is obtained by electron beam backscatter diffraction method (acceleration voltage 15 kV, magnification 15000 times, measurement area 5 μm × 5 μm, measurement step 30 nm is adopted), and apatite lanthanum silicate. It is confirmed that the region where the (001) plane showing is 70% or more (more preferably 80% or more, still more preferably 95% or more) of the surface of the film. Next, using a transmission electron microscope (for example, trade name “JEM2100F” manufactured by JEOL Ltd.) as a measuring device, the presence of columnar particles is confirmed under the condition of observing a bright field image, and any two or more The measurement region at a position of 70 nm in the film thickness direction from the surface of the thin film (surface side region: the measurement range is a circle with a radius of 60 nm, and the center of the circle is 70 nm in the film thickness direction from the surface of the thin film. And a measurement region at a position of 70 nm in the film thickness direction from the other surface of the thin film (region on the other surface side: the measurement range is a circle with a radius of 60 nm, and the center of the circle is In this case, a limited-field electron diffraction image is obtained from each surface of the thin film, and the limited-field electron diffraction images on the surface side of the same columnar particle are compared with each other. And the diffraction pattern is Check matches or not, the case where the diffraction pattern of the selected-area electron beam diffraction image is matched in either of the columnar particles can be regarded as the crystal orientation of the columnar grains is uniform. Here, from the measurement result of the electron beam backscatter diffraction pattern (EBSD pattern), the columnar particles are particles that are 70% or more (more preferably 80% or more, more preferably 95% or more) of the same crystal. Can be considered. Therefore, from the measurement result of the electron beam backscatter diffraction pattern (EBSD pattern), it is confirmed that a film is formed of particles made of the same crystal in 70% or more of the surface area, and any two Confirm that the limited-field electron diffraction images in each measurement region (the measurement region on the surface side and the measurement region on the other surface side) in the same columnar particle match for one or more columnar particles. It is confirmed that the crystal orientation is uniform from one surface of the film to the other surface in two or more columnar particles, and in one region of the thin film in a region of 70% or more of the volume of the thin film It can be determined that the crystal orientation is aligned from the surface to the other surface, and the volume ratio is obtained based on this. That is, in any two or more columnar particles, when the crystal orientation is aligned from one surface of the film to the other surface, a region where the (001) plane showing apatite-type lanthanum silicate is confirmed is 70 on the surface of the film. % Or more, it is determined that the crystal orientation is aligned from one surface of the thin film to the other surface in a region of 70% or more of the volume of the thin film.

なお、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を焼成して、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を調製した場合においては、基本的に、焼成時に薄膜の表面で結晶の核が形成され、膜厚方向に異方的に結晶を成長させることができるため、膜の表面の結晶の方位と、膜のもう一方の表面の結晶の方位とが一致するものとなる。そのため、電子線後方散乱回折パターン(EBSDパターン)を求めて、アパタイト型ランタンシリケートを示す(001)面が確認される領域が、薄膜の表面の70%以上にあることを測定することで、薄膜の表面の70%以上の領域において結晶が均一に製造されているものと判断でき、任意の2個の柱状粒子において、薄膜の一方の表面の近傍の領域と、該膜のもう一方の表面の近傍の領域との結晶の方位が揃っているか否かを測定し、その方位が揃っている場合には、アパタイト型ランタンシリケートを示す(001)面が観測された領域の全域において、膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶の方位が揃っているものと擬制することができる。   When the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is fired to prepare the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention, basically, crystal nuclei are formed on the surface of the thin film during firing. Since crystals can be grown anisotropically in the film thickness direction, the crystal orientation on the surface of the film coincides with the crystal orientation on the other surface of the film. Therefore, by obtaining an electron beam backscatter diffraction pattern (EBSD pattern) and measuring that the area where the (001) plane showing apatite-type lanthanum silicate is confirmed is 70% or more of the surface of the thin film, It can be judged that the crystal is uniformly produced in a region of 70% or more of the surface of the film, and in any two columnar particles, the region in the vicinity of one surface of the thin film and the other surface of the film It is measured whether or not the crystal orientation with the neighboring region is aligned. If the orientation is aligned, one of the films is observed in the entire region where the (001) plane showing the apatite lanthanum silicate is observed. It can be assumed that the crystal orientation is uniform from one surface to the other.

このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜においては、アパタイト型ランタンシリケート薄膜が基板上に積層されており、該薄膜中のアパタイト型の結晶構造のc軸と、前記基板の垂線との成す角の平均値が15°以下であり、かつ、前記薄膜の体積の70%以上の領域において該薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っていることが好ましい。このように、薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っている領域においては、酸化物イオン伝導性の優れるc軸方向に結晶方位が変化するような粒界が存在しないこととなるため、より優れた酸化物イオン伝導性を得ることが可能となる。   Thus, in the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention, the apatite-type lanthanum silicate thin film is laminated on the substrate, and the c-axis of the apatite-type crystal structure in the thin film and the perpendicular of the substrate are formed. It is preferable that the average value of the angles is 15 ° or less, and the crystal orientation is uniform from one surface of the thin film to the other surface in a region of 70% or more of the volume of the thin film. Thus, in the region where the crystal orientation is aligned from one surface of the thin film to the other surface, there is no grain boundary that changes the crystal orientation in the c-axis direction with excellent oxide ion conductivity. Therefore, it becomes possible to obtain more excellent oxide ion conductivity.

また、このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜においては、薄膜の厚みが3000nm以下であることが好ましい。また、このような薄膜の厚みとしては50〜3000nmであることがより好ましく、50〜1000nmであることが更に好ましい。このような薄膜の厚みが前記下限未満では、強度が低下してピンホールが発生してしまう傾向にあり、他方、前記上限を超えると、酸化物イオン電導度が低下する傾向にある。なお、このような薄膜の厚みとしては、少なくとも任意の3視野以上(なお、1視野は、少なくとも薄膜の両面が含まれるような領域(基板上に薄膜が形成されている場合には、前記断面の基板から膜の表面を含む領域)であり、膜が該視野の縦40%以上を占めるとともに、該視野内の膜の横幅が膜厚の1.5倍以上の長さとなるようにして、その視野内に膜を含む領域とすることが好ましい。)において、測定試料の断面を走査型電子顕微鏡により測定して、得られた各視野の走査型電子顕微鏡像における膜の両面間の距離を膜厚として求めて、平均した値を採用する。なお、各視野における膜の両面間の距離は、例えば、膜の片面(一方の表面)の縁に対して最小二乗法により近似直線(以下、場合により、「第一の直線」という。)を引いた後、もう片方の面(もう一方の面)に対して、後述のようにして前記近似直線(第一の直線)と平行な直線(以下、場合により「第二の直線」)という。)を引いて、2直線の距離を求め、かかる2直線の距離を膜の両面間の距離としてそれぞれ測定することができる。なお、このような第二の直線(後から引く直線)は、先ず、各視野において、画像処理により視野内の膜の面積を求めて、その面積と、2直線と視野の端とで形成される平行四辺形の面積とが一致するように引く。また、基板上に薄膜が形成されているような場合には、先に、前記第一の直線の代わりに基板表面に対して近似直線を引き、その直線を第一の直線とみなして、前述のようにして第二の直線を引いて、2直線の距離を求め、かかる2直線の距離を膜の両面間の距離として測定してもよい。ただし、前記基板がSi(100)基板等のシリコン基板(Si基板)や石英基板であり、膜の表面の凹部と凸部との距離が、求める膜厚の2%以下の大きさを有するような場合には、先に、前記第一の直線の代わりに、基板表面と視野の端の2つの交点を結ぶ直線を引き、次いで、前記第二の直線の代わりに、その直線と平行な膜表面の直線を引き(なお、かかる膜表面の直線は、膜表面の凹部の最下点と、膜表面の凸部の頂点とから、それぞれ等しい距離となるような位置に引く。)、これらの直線間の距離を求め、これらの直線間の距離を膜の両面間の距離として測定してもよい。そして、このようにして、任意の3視野以上において、膜の両面間の距離を求め、平均化した値を、前記薄膜の厚みの値(膜厚)として採用する。   Moreover, in such an apatite type lanthanum silicate thin film of the present invention, the thickness of the thin film is preferably 3000 nm or less. Moreover, as thickness of such a thin film, it is more preferable that it is 50-3000 nm, and it is still more preferable that it is 50-1000 nm. If the thickness of such a thin film is less than the lower limit, the strength tends to decrease and pinholes tend to occur. On the other hand, if the thickness exceeds the upper limit, the oxide ion conductivity tends to decrease. Note that the thickness of such a thin film is at least three or more fields of view (in addition, one field of view includes a region including at least both surfaces of the thin film (if the thin film is formed on the substrate, the cross section The region including the surface of the film from the substrate), the film occupies 40% or more of the vertical length of the field of view, and the width of the film in the field of view is 1.5 times the length of the film thickness, In the field of view, the region including the film is preferable.) In the scanning electron microscope, the cross section of the measurement sample is measured, and the distance between both surfaces of the film in the obtained scanning electron microscope image of each field of view is calculated. Obtained as the film thickness, the average value is adopted. The distance between both surfaces of the film in each field of view is, for example, an approximate straight line (hereinafter, referred to as “first straight line” in some cases) by the least square method with respect to the edge of one surface (one surface) of the film. After drawing, the other surface (the other surface) is referred to as a straight line (hereinafter sometimes referred to as a “second straight line”) parallel to the approximate straight line (first straight line) as described later. ) To obtain the distance between the two straight lines, and the distance between the two straight lines can be measured as the distance between both surfaces of the film. Such a second straight line (straight line to be drawn later) is first formed for each visual field by obtaining the area of the film in the visual field by image processing, the two straight lines, and the edge of the visual field. Draw so that the area of the parallelogram matches. In the case where a thin film is formed on the substrate, first, an approximate straight line is drawn with respect to the substrate surface instead of the first straight line, and the straight line is regarded as the first straight line. As described above, the distance between the two straight lines may be obtained by drawing the second straight line, and the distance between the two straight lines may be measured as the distance between both surfaces of the film. However, the substrate is a silicon substrate (Si substrate) such as a Si (100) substrate or a quartz substrate, and the distance between the concave and convex portions on the surface of the film has a size of 2% or less of the desired film thickness. In this case, instead of the first straight line, a straight line connecting the two intersections of the substrate surface and the edge of the field of view is drawn first, and then the film parallel to the straight line instead of the second straight line. A straight line on the surface is drawn (note that the straight line on the film surface is drawn at a position where the distance is equal to the lowest point of the concave portion on the film surface and the apex of the convex portion on the film surface). The distance between the straight lines may be obtained, and the distance between these straight lines may be measured as the distance between both surfaces of the film. In this way, the distance between both surfaces of the film is obtained in any three or more visual fields, and the averaged value is adopted as the thickness value (film thickness) of the thin film.

なお、このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を製造するための方法は特に制限されないが、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を利用して、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を800〜1200℃(より好ましくは850〜1200、更に好ましくは900〜1200)の温度条件で焼成することにより、アパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を構成する複合酸化物粒子を結晶化して、パタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる薄膜を形成することにより製造する方法を採用することが好ましい。このような観点から、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を製造するための方法としては、ランタンとケイ素のモル比(La:Si)が4:3〜5:3となる割合でランタンの塩とテトラアルコキシシランとを含有しかつpHが3.5〜7である原料溶液を、350〜600℃の温度条件で加熱し、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させることにより、該複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得る工程(i)と、
前記アパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を800〜1200℃(より好ましくは850〜1200、更に好ましくは900〜1200)の温度条件で焼成することにより、アパタイト型ランタンシリケート薄膜を得る工程(ii)と、
を備える方法を採用することが好ましい。なお、このような工程(i)及び(ii)を採用する方法においては、原料溶液の加熱及びその後の前駆体薄膜の焼成といった簡便な方法で本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を得ることができ、高価な設備を別途設けることを必要とせずに、アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートの薄膜を生成性高く、十分に効率よく製造することが可能である。
The method for producing the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention is not particularly limited, but the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is used to produce the apatite-type lanthanum silicate precursor of the present invention. The composite oxide particles constituting the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film are crystallized by firing the body thin film at a temperature of 800 to 1200 ° C. (more preferably 850 to 1200, more preferably 900 to 1200), It is preferable to employ a method of manufacturing by forming a thin film made of lanthanum silicate having a patite type crystal structure. From this point of view, the method for producing the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention includes a lanthanum salt at a molar ratio of lanthanum to silicon (La: Si) of 4: 3 to 5: 3. A raw material solution containing tetraalkoxysilane and having a pH of 3.5 to 7 is heated under a temperature condition of 350 to 600 ° C. to precipitate composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements. The apatite is a thin film made of an aggregate of the composite oxide particles, and the volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more is 1% or less with respect to the total volume of the thin film. A step (i) of obtaining a type lanthanum silicate precursor thin film;
A step (ii) of obtaining an apatite-type lanthanum silicate thin film by firing the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film at a temperature of 800 to 1200 ° C. (more preferably 850 to 1200, more preferably 900 to 1200);
It is preferable to employ a method comprising: In the method employing such steps (i) and (ii), the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention can be obtained by a simple method such as heating of the raw material solution and subsequent firing of the precursor thin film. Further, it is possible to produce a lanthanum silicate thin film having an apatite-type crystal structure with high productivity and sufficiently efficiently without requiring separate provision of expensive equipment.

このような工程(i)は、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法と同様の方法である(その好適な条件も同様である。)。また、このような工程(ii)等における、前記アパタイト型ランタンシリケート薄膜の焼成の際の好適な温度条件が前記下限未満では、結晶化に非常に時間が掛かってしまい、効率よく薄膜を製造することができなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると高価な設備が必要となり、コストが増加する傾向にある。なお、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を利用することで、焼成時に結晶の成長が十分に効率よく行うことができ、800〜1200℃といった比較的低温の焼成温度においても、アパタイト型のランタンシリケートの結晶を十分に均一に成長させることができ、十分に高い配向性を持った膜(配向膜)として、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を十分に効率よく製造することができる。   Such step (i) is the same method as the method for producing the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention (the preferred conditions are also the same). In addition, when the suitable temperature condition for firing the apatite-type lanthanum silicate thin film in such step (ii) is less than the lower limit, crystallization takes a very long time, and the thin film is efficiently produced. On the other hand, if the upper limit is exceeded, expensive equipment is required, and the cost tends to increase. In addition, by using the apatite type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, the crystal growth can be performed sufficiently efficiently at the time of firing, and even at a relatively low firing temperature of 800 to 1200 ° C. Thus, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention can be produced sufficiently efficiently as a film (alignment film) having a sufficiently high orientation.

また、このような焼成の際の雰囲気条件としては、特に制限されず、製造コストの低減や膜の十分な酸化の観点から、大気条件下(大気中)とすることができる。このように、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を利用することで、大気中における焼成といった簡便な工程により、効率よく本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を製造することが可能である。   In addition, the atmospheric conditions for such firing are not particularly limited, and may be atmospheric conditions (in the atmosphere) from the viewpoint of reducing the manufacturing cost and sufficient oxidation of the film. Thus, by using the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention can be efficiently produced by a simple process such as firing in the atmosphere.

なお、このように、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を利用して、これを800〜1200℃の温度条件で焼成することにより、(002)面のピークの強度と、(00l)面(ただし、lは1以上の整数を示す。)以外の他の面のピークの強度との比([(002)面のピークの強度]/[他の面のピークの強度])の最小値が10以上となるようなc軸配向性が十分に高いアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる薄膜を効率よく得ることができる。このように、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を800〜1200℃の温度条件で焼成することにより、c軸配向性が十分に高い本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜をより効率よく製造することが可能となる。これは、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、16nm以上の大きな細孔の膜全体に対する体積分率が1%以下と十分に小さいものであるため、比較的低温の800〜1200℃の温度条件で焼成した場合においても、ランタンシリケートの前駆体である複合酸化物粒子からなる膜の間に結晶の成長を阻害するような大きな細孔の割合が少なく、結晶をより効率よく成長させることが可能であるとともに、そもそも、その焼成時に薄膜の表面で結晶の核が形成され、膜厚方向に異方的に結晶を成長させることもできることから、(002)面のピークの強度と、(00l)面(ただし、lは1以上の整数を示す。)以外の他の面のピークの強度との比([(002)面のピークの強度]/[他の面のピークの強度])の最小値が10以上となるような、c軸配向性が十分に高いアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる薄膜を、効率よく形成することができることに起因するものと本発明者らは推察する。このように、上記本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を利用することで、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜を効率よく形成することができる。   In this way, by using the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention and firing it at a temperature of 800 to 1200 ° C., the (002) plane peak intensity and (001) The minimum of the ratio ([(002) plane peak intensity] / [other plane peak intensity]) with respect to the peak intensity of other planes other than the plane (where l represents an integer of 1 or more) A thin film made of lanthanum silicate having an apatite type crystal structure with sufficiently high c-axis orientation such that the value is 10 or more can be obtained efficiently. Thus, the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention is baked at a temperature of 800 to 1200 ° C., whereby the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention having sufficiently high c-axis orientation can be produced more efficiently. It becomes possible to do. This is because the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention has a sufficiently small volume fraction of 1% or less with respect to the entire film having large pores of 16 nm or more, so that the relatively low temperature of 800 to 1200 ° C. Even when fired under the above temperature conditions, the ratio of large pores that inhibit the growth of crystals is small between the films made of composite oxide particles that are precursors of lanthanum silicate, and the crystals are grown more efficiently. In the first place, crystal nuclei are formed on the surface of the thin film at the time of firing, and the crystal can be grown anisotropically in the film thickness direction. Therefore, the intensity of the (002) plane peak, Ratio ([(002) plane peak intensity] / [other plane peak intensity] with respect to the peak intensity of other planes other than the (00l) plane (where l represents an integer of 1 or more) ) The present inventors speculate that this is because a thin film made of lanthanum silicate having an apatite-type crystal structure with sufficiently high c-axis orientation such that the minimum value is 10 or more can be formed efficiently. To do. Thus, the apatite type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention can be used to efficiently form the apatite type lanthanum silicate thin film of the present invention.

また、一般に、アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートは、単位格子のc軸方向の酸化物イオン伝導性が大きなものである。これは、結晶構造がアパタイト型構造となる化合物の晶系が、通常、六方晶系に属し、かかる結晶構造中において、2aサイトに存在する酸化物イオン(O2−)が移動することに伴って酸化物イオン伝導が起こり、その移動方向に沿う酸化物イオン伝導度が大きくなることに起因するものと推察される。すなわち、六方晶系に属するアパタイト型構造では、酸化物イオン(O2−)がc軸に沿って移動することに伴って酸化物イオン伝導が発現すると考えられ、その結晶をc軸方向に指向して配向させることにより酸化物イオン伝導度がより大きくなるものと考えられる。 In general, lanthanum silicate having an apatite type crystal structure has a large oxide ion conductivity in the c-axis direction of the unit cell. This is because the crystal system of a compound having a crystal structure of an apatite type structure usually belongs to the hexagonal system, and the oxide ions (O 2− ) existing at the 2a site move in the crystal structure. It is assumed that the oxide ion conduction occurs and the oxide ion conductivity along the moving direction increases. That is, in the apatite structure belonging to the hexagonal system, it is considered that oxide ion conduction is developed as the oxide ions (O 2− ) move along the c-axis, and the crystal is oriented in the c-axis direction. Thus, it is considered that the oxide ion conductivity is increased by the orientation.

ここにおいて、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、(002)面のピークの強度(c軸と垂直な面(結晶面)のピーク強度の指標として採用)と、(00l)面(ただし、lは1以上の整数を示す。)以外の他の面(c軸と垂直な結晶面以外の結晶面)のピークの強度との比(強度比:[(002)面のピークの強度]/[他の面のピークの強度])の最小値が10以上となるような、膜面に対して垂直な方向にc軸が十分に配向したアパタイト型ランタンシリケートからなる薄膜(このような薄膜においては膜面が基板に対して十分に平行なものとなる。)からなる。そのため、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、その配向性により膜厚方向により高度なイオン伝導率を示し、膜厚方向にイオン伝導させるための酸化物イオン伝導体(例えば、固体電解質の薄膜)として好適に利用することが可能となる。そして、このようなアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、その十分に高い配向性に起因して、比較的低温(500℃程度)の温度条件下においてもc軸方向(膜厚方向)に、十分に高度なイオン伝導性を示すものとなることから、例えば、これを固体酸化物型燃料電池に利用した場合には、より低温で作動する電池を得ることができる。このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、配向により膜厚方向へ高いイオン伝導率を示す固体電解質薄膜とすることができ、これを固体酸化物型燃料電池に利用することで、電池の低温作動を可能とする。   Here, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention has a (002) plane peak intensity (adopted as an index of peak intensity of a plane perpendicular to the c-axis (crystal plane)) and a (00l) plane (provided that l Is an integer greater than or equal to 1. Ratio to the intensity of the peak of other planes (crystal planes other than the crystal plane perpendicular to the c-axis) (intensity ratio: [peak intensity of (002) plane] / [ A thin film made of apatite-type lanthanum silicate with the c-axis sufficiently oriented in the direction perpendicular to the film surface so that the minimum value of the peak intensity of the other surface is 10 or more (in such a thin film) The film surface is sufficiently parallel to the substrate. Therefore, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention exhibits a higher ionic conductivity in the film thickness direction due to its orientation, and an oxide ion conductor (for example, a solid electrolyte thin film) for conducting ions in the film thickness direction. It can be suitably used as. Such an apatite-type lanthanum silicate thin film is sufficiently high in the c-axis direction (film thickness direction) even under relatively low temperature conditions (about 500 ° C.) due to its sufficiently high orientation. For example, when this is used for a solid oxide fuel cell, a battery operating at a lower temperature can be obtained. Thus, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention can be a solid electrolyte thin film showing high ionic conductivity in the film thickness direction due to orientation, and by using this for a solid oxide fuel cell, the battery Enables low temperature operation.

また、このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、c軸が膜厚方向に対して平行(c軸が基板の表面に垂直)となるように配向した結晶が十分に均一に形成されており、その薄膜が、その配向性に由来してc軸方向(膜厚方向)に十分に高いイオン伝導性を示すものとなるため、例えば、前述のような固体酸化物型燃料電池用の固体電解質膜として用途の他、酸素分離膜、排気浄化デバイス、酸素センサ等の用途にも好適に利用することができる。このように、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、固体酸化物型燃料電池用の固体電解質膜、酸素分離膜、排気浄化デバイス、酸素センサ等に利用する薄膜として特に有用である。   In addition, as described above, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention has a sufficiently uniform crystal oriented so that the c-axis is parallel to the film thickness direction (c-axis is perpendicular to the surface of the substrate). Since the thin film exhibits sufficiently high ion conductivity in the c-axis direction (film thickness direction) due to its orientation, for example, for a solid oxide fuel cell as described above In addition to its use as a solid electrolyte membrane, it can be suitably used for applications such as oxygen separation membranes, exhaust purification devices, and oxygen sensors. Thus, the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention is particularly useful as a thin film used for a solid electrolyte membrane, an oxygen separation membrane, an exhaust purification device, an oxygen sensor and the like for a solid oxide fuel cell.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
室温(25℃)の温度条件下、硝酸ランタン六水和物(La(NO・6HO)1.371g(0.3166mmol)を、pHが7である水10mLに溶解させた後、更に、エタノール10mLを加え混合して混合液を得た。次に、室温(25℃)の温度条件下、前記混合液に対してテトラエトキシシラン(TEOS)0.417g(2mmol)を加えて、マグネティックスターラーにより5分間撹拌することによりテトラエトキシシラン(TEOS)を溶解せしめ、原料溶液(pH:4.8)を得た。
Example 1
After dissolving 1.371 g (0.3166 mmol) of lanthanum nitrate hexahydrate (La (NO 3 ) 3 .6H 2 O) in 10 mL of water having a pH of 7 at room temperature (25 ° C.) Furthermore, 10 mL of ethanol was added and mixed to obtain a mixed solution. Next, under a temperature condition of room temperature (25 ° C.), 0.417 g (2 mmol) of tetraethoxysilane (TEOS) is added to the mixed solution, and the mixture is stirred with a magnetic stirrer for 5 minutes, thereby tetraethoxysilane (TEOS). Was dissolved to obtain a raw material solution (pH: 4.8).

このようにして得られた原料溶液をそのまま塗工液として用い、Si(100)基板(縦:35、横:35、厚み:0.5mm)の一方の表面((100)面)上に、回転数:2000rpm、時間:20sの条件のスピンコート法により、前記塗工液(前記原料溶液)を塗布した(塗布工程)。次に、前記原料溶液の塗布により形成された塗膜を、400℃の温度条件で2分加熱する熱処理を行い、基板上に粒子を析出させた(熱処理工程)。次いで、粒子の析出した基板を室温(25℃)まで冷却した(冷却工程)。その後、このような塗布工程、前記熱処理工程及び前記冷却工程を実施した基板上の一方の面(冷却後の基板の表面)に対して、前記塗布工程、前記熱処理工程及び前記冷却工程を順次9回繰り返し実施し、前記粒子の集合体からなる薄膜を得た(各工程の実施回数はそれぞれ10回となる。)。なお、このような各回の塗布工程に用いる原料溶液はそれぞれ、基板に塗布する前に溶液中においてTEOSの加水分解、重合が進行しないように、室温(25℃)の条件下において調製した後、2時間以内にそのまま使用した。   Using the raw material solution thus obtained as a coating solution as it is, on one surface ((100) surface) of the Si (100) substrate (length: 35, width: 35, thickness: 0.5 mm), The said coating liquid (the said raw material solution) was apply | coated with the spin coat method of rotation speed: 2000rpm and time: 20s (application | coating process). Next, the coating film formed by applying the raw material solution was subjected to a heat treatment for 2 minutes under a temperature condition of 400 ° C. to deposit particles on the substrate (heat treatment step). Next, the substrate on which the particles were deposited was cooled to room temperature (25 ° C.) (cooling step). Thereafter, the coating step, the heat treatment step, and the cooling step are sequentially performed on one surface (surface of the substrate after cooling) on the substrate on which the coating step, the heat treatment step, and the cooling step are performed. Repeatedly, a thin film composed of the aggregate of the particles was obtained (the number of times each step was performed was 10 times). In addition, after preparing each raw material solution used for such each application | coating process on the conditions of room temperature (25 degreeC) so that hydrolysis and superposition | polymerization of TEOS may not advance in a solution, before apply | coating to a board | substrate, Used as is within 2 hours.

<XRD測定>
上述のようにして基板上に形成された薄膜に対して、X線回折(XRD)装置(リガク社製の商品名「RINT−TTR」)を用いて、ブラッグ・ブレンターノ光学系の条件でXRD測定を行った。
<XRD measurement>
XRD measurement of the thin film formed on the substrate as described above using an X-ray diffraction (XRD) apparatus (trade name “RINT-TTR” manufactured by Rigaku Corporation) under the conditions of the Bragg-Brentano optical system. Went.

図1に、薄膜のXRDパターンを示す。図1に示すXRDパターンからも明らかなように、2θが28°付近と45°付近とにおいてハロー(半値幅5°以上のピーク)が確認されたことから、薄膜を形成する粒子は、ランタンの酸化物とケイ素の酸化物が一部固溶したものからなり、ランタンとケイ素を含有する複合酸化物からなるものであることが分かった。また、図1に示すXRDパターンから28°付近と45°付近にブロードなピーク(ハロー)が確認され、シャープなピーク(半値幅2°以下)が確認されないことから、得られた薄膜を構成する複合酸化物は、非晶質のものであることが確認された。   FIG. 1 shows an XRD pattern of a thin film. As is apparent from the XRD pattern shown in FIG. 1, since halos (peaks having a half-value width of 5 ° or more) were observed when 2θ was around 28 ° and around 45 °, the particles forming the thin film were lanthanum It was found that the oxide and silicon oxide were partly dissolved, and were composed of a composite oxide containing lanthanum and silicon. Further, broad peaks (halo) are confirmed around 28 ° and 45 ° from the XRD pattern shown in FIG. 1, and no sharp peak (half-value width of 2 ° or less) is confirmed. Thus, the obtained thin film is formed. The composite oxide was confirmed to be amorphous.

<SEM測定>
上述のようにして基板上に形成された薄膜を走査型電子顕微鏡(SEM:日立ハイテクノロジーズ社製の商品名「S−5500」)により測定した。図2に、基板上に形成された薄膜の断面の走査型電子顕微鏡写真(薄膜の断面SEM像)を示す。
<SEM measurement>
The thin film formed on the substrate as described above was measured with a scanning electron microscope (SEM: trade name “S-5500” manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). FIG. 2 shows a scanning electron micrograph (cross-sectional SEM image of the thin film) of the cross section of the thin film formed on the substrate.

図2に示すSEM像からも明らかなように、基板上に形成された薄膜はランタンとケイ素を含有する複合酸化物の微細な粒子の集合体からなるものであることが確認された。なお、このような薄膜の膜厚(厚みの平均値)は、上述のような走査型電子顕微鏡による測定(任意の3視野[各測定視野の範囲は、それぞれ、少なくとも薄膜の両面が含まれるような領域であり、膜が該視野の縦80%以上を占めるとともに、該視野内の膜の横幅が膜厚の1.5倍以上(2.2倍とした。)の長さとなるようにして、膜を含む領域とした。]において測定)により、270nmであることが分かった(なお、薄膜の厚みの測定法としては、基板がシリコン基板(Si基板)であり、膜の表面の凹部と凸部との距離が求める膜厚の2%以下の大きさを有するような場合に採用する上述の測定方法を採用した。)。   As is clear from the SEM image shown in FIG. 2, it was confirmed that the thin film formed on the substrate was composed of an aggregate of fine particles of a complex oxide containing lanthanum and silicon. In addition, the film thickness (average value of the thickness) of such a thin film is measured by a scanning electron microscope as described above (arbitrary three visual fields [the range of each measurement visual field includes at least both surfaces of the thin film, respectively). The film occupies 80% or more of the vertical length of the visual field, and the lateral width of the film in the visual field is 1.5 times or more (2.2 times) the film thickness. , The region including the film was measured), and was found to be 270 nm (in addition, as a method for measuring the thickness of the thin film, the substrate was a silicon substrate (Si substrate), The measurement method described above was employed when the distance from the convex portion was 2% or less of the desired film thickness.

また、上述のようにして基板上に形成された薄膜の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM:日立ハイテクノロジーズ社製の商品名「S−5500」)により、1視野の大きさを縦475nm、横635nmとして、4視野測定して、各視野における断面内において、16nm以上の細孔径を有する細孔の空隙の膜全体に対する割合([空隙の体積]/[膜全体の体積]×100:単位%)をそれぞれ求め、平均化したところ、平均値は0.3%であった。なお、体積は面の積分により求められることから、かかる平均値は、16nm以上の細孔径を有する細孔の空隙の体積の薄膜の全体積に対する割合と擬制することができ、本実施例においては、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が薄膜の全体積に対して0.3%であることが分かった。   In addition, the cross section of the thin film formed on the substrate as described above was measured with a scanning electron microscope (SEM: trade name “S-5500” manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), and the size of one field of view was 475 nm in length, The ratio of pores having pore diameters of 16 nm or more with respect to the entire film in a cross section in each field of view was measured at a horizontal of 635 nm ([volume of void] / [volume of entire film] × 100: unit) %) Were obtained and averaged, and the average value was 0.3%. Since the volume is obtained by integration of the surface, the average value can be assumed to be a ratio of the volume of the voids of the pores having a pore diameter of 16 nm or more to the total volume of the thin film. In this example, It was found that the volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more was 0.3% with respect to the total volume of the thin film.

<小角X線散乱法による測定>
X線回折(XRD)装置(Buruker社製の商品名「NANOSTAR」等)を用い、入射角0.24°、薄膜と検出器との間の距離が1077mmとなる条件で小角X線散乱法によりX線の散乱パターン(散乱強度パターン)を求め、その後、解析ソフト(Argonne National Laboratory[アルゴンヌ国立研究所]のJ.Ilavskyが開発したソフト「Irena」)を用いて、サイズに分布がある球状空孔モデルでフィッティングすることにより、自動計算させて、細孔の相対体積率(体積分布:f(R))を測定した。このような測定により求められた薄膜中の細孔サイズ(半径)と、細孔の相対体積率(体積分布:f(R))との関係を示すグラフを図3に示す。 上述のようなXRD測定やSEM測定等の結果からも明らかなように、実施例1においては、ランタンとケイ素とを含有する非晶質の複合酸化物(複合酸化物中の全金属元素に対するLaとSiの総量は、仕込み量から100at%であることが分かる。)の粒子の集合体からなる薄膜であって、かつ、細孔径(直径)が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(薄膜の全体積に対する比率)が0.3%となる薄膜が得られたことが分かった。
<Measurement by small angle X-ray scattering method>
Using an X-ray diffraction (XRD) apparatus (trade name “NANOSTAR” manufactured by Burker, etc.) with an incident angle of 0.24 ° and a distance of 1077 mm between the thin film and the detector, An X-ray scattering pattern (scattering intensity pattern) is obtained, and then a spherical sky having a size distribution using analysis software (software “Irena” developed by J. Ilavsky of Argonne National Laboratory [Argonne National Laboratory]) By fitting with a pore model, the relative volume ratio (volume distribution: f (R)) of the pores was measured automatically. A graph showing the relationship between the pore size (radius) in the thin film obtained by such measurement and the relative volume fraction of the pores (volume distribution: f (R)) is shown in FIG. As is clear from the results of the XRD measurement and SEM measurement as described above, in Example 1, the amorphous composite oxide containing lanthanum and silicon (La for all metal elements in the composite oxide). The total volume of Si and Si is 100 at% from the charged amount.) And the volume fraction of pore voids having a pore diameter (diameter) of 16 nm or more. It was found that a thin film (ratio to the total volume of the thin film) was 0.3% was obtained.

(実施例2)
実施例1で得られた薄膜(基板上に形成された薄膜)を空気中において900℃の温度条件で2時間焼成することにより、前記薄膜を構成する粒子の結晶化を行って、焼成後の薄膜を得た。
(Example 2)
The thin film obtained in Example 1 (thin film formed on the substrate) was fired in air at a temperature of 900 ° C. for 2 hours to crystallize the particles constituting the thin film. A thin film was obtained.

このようにして得られた焼成後の薄膜に対して実施例1と同様にしてXRD測定を行った。このような測定結果として焼成後の薄膜のXRDパターンを図4に示す。このようなXRD測定の結果(図4に示す結果を含む。)からも明らかなように、XRDパターンにおいてJCPDSカード 49−0443のピークと、角度2θが一致するピークが確認され、焼成後の薄膜は、空間群がP6/mのアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなることが分かった。また、図4に示すXRDパターンからも明らかなように、XRDパターンにおいて(00l)面のピークが強く現れており、c軸が基板と垂直な方向に十分に配向しており、十分に高度な配向性があることが確認された。また、図4に示すXRDパターンからも明らかなように、(002)面のピーク強度と、(00l)面以外の他の面のピーク強度の比([(002)面のピーク強度]/[(00l)面以外の他の面のピーク強度])の最小値は62.5であった。このような強度比の結果から、焼成後の薄膜(アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる薄膜:アパタイト型ランタンシリケート薄膜)においては、c軸が基板と垂直な方向に十分に配向しており、膜面が基板の表面と十分に平行な状態となっていることが確認された。 XRD measurement was performed on the fired thin film thus obtained in the same manner as in Example 1. FIG. 4 shows the XRD pattern of the fired thin film as such a measurement result. As is clear from the results of such XRD measurement (including the results shown in FIG. 4), the peak of the JCPDS card 49-0443 and the peak having the same angle 2θ were confirmed in the XRD pattern, and the thin film after firing Was found to be composed of lanthanum silicate having an apatite-type crystal structure with a space group of P6 3 / m. Further, as is apparent from the XRD pattern shown in FIG. 4, the (001) plane peak appears strongly in the XRD pattern, and the c-axis is sufficiently oriented in the direction perpendicular to the substrate, so that it is sufficiently advanced. It was confirmed that there was orientation. As is clear from the XRD pattern shown in FIG. 4, the ratio of the peak intensity of the (002) plane to the peak intensity of other planes other than the (001) plane ([peak intensity of (002) plane] / [ The minimum value of the peak intensity of other surfaces other than the (00l) surface]) was 62.5. From these strength ratio results, in the thin film after firing (thin film made of lanthanum silicate having an apatite type crystal structure: apatite type lanthanum silicate thin film), the c-axis is sufficiently oriented in the direction perpendicular to the substrate. It was confirmed that the film surface was sufficiently parallel to the surface of the substrate.

また、このようにして得られた焼成後の薄膜に対して実施例1と同様にしてSEM測定を行ったところ、膜厚(平均膜厚)は240nmであることが確認された。   Moreover, when the SEM measurement was performed like Example 1 with respect to the thin film after baking obtained in this way, it was confirmed that a film thickness (average film thickness) is 240 nm.

<後方散乱電子回折法による測定>
OIM結晶方位回折装置(TSIソリューションズ社製)を備えた走査型電子顕微鏡(SEM:日本電子社製の商品名「JSM−7000F」)を用いて、加速電圧15kV、倍率15000倍、測定領域5μm×5μm、測定ステップ30nmとする条件を採用する電子線後方散乱回折法によって、実施例2で得られた薄膜の表面の後方散乱電子回折像(電子線後方散乱回折パターン:EBSDパターン)を求めた。このような後方散乱電子回折像の結果から、薄膜の表面には、c軸配向したアパタイト型ランタンシリケートであることを示す(001)面が薄膜の面積の80%の領域に存在することが確認された。
<Measurement by backscattered electron diffraction method>
Using a scanning electron microscope (SEM: trade name “JSM-7000F” manufactured by JEOL Ltd.) equipped with an OIM crystal orientation diffractometer (manufactured by TSI Solutions), an acceleration voltage of 15 kV, a magnification of 15000 times, a measurement region of 5 μm × A backscattered electron diffraction image (electron beam backscattering diffraction pattern: EBSD pattern) of the surface of the thin film obtained in Example 2 was obtained by an electron beam backscattering diffraction method employing conditions of 5 μm and a measurement step of 30 nm. From the results of such backscattered electron diffraction images, it was confirmed that the surface of the thin film had a (001) plane in the region of 80% of the thin film area indicating c-axis oriented apatite-type lanthanum silicate. It was done.

<TEM測定>
上述のようにして基板上に形成された薄膜の断面を、透過型電子顕微鏡(TEM:日本電子社製の商品名「JEM−2100F」)により測定した。得られた透過型電子顕微鏡写真を図5に示す。図5に示す結果から、薄膜中において、幅(柱状粒子の外縁に引いた基板と垂直な2つの辺と接する最小の円の直径)が100〜200nm程度、長さ(膜厚方向の長さ)が240nm程度の柱状粒子が並んでいることが確認された。
<TEM measurement>
The cross section of the thin film formed on the substrate as described above was measured with a transmission electron microscope (TEM: trade name “JEM-2100F” manufactured by JEOL Ltd.). The obtained transmission electron micrograph is shown in FIG. From the results shown in FIG. 5, in the thin film, the width (the diameter of the smallest circle in contact with the two sides perpendicular to the substrate drawn on the outer edge of the columnar particles) is about 100 to 200 nm, and the length (the length in the film thickness direction). ) Was confirmed to be aligned with columnar particles of about 240 nm.

なお、後方散乱電子回折法による測定結果を併せ勘案すれば、TEM測定により確認された柱状粒子はc軸配向したアパタイト型ランタンシリケートの結晶からなる粒子であることが分かった。   Taking into account the measurement result by the backscattered electron diffraction method, it was found that the columnar particles confirmed by the TEM measurement were particles made of c-axis oriented apatite-type lanthanum silicate crystals.

また、前記TEM測定により確認された、薄膜を構成する任意の2個の柱状粒子に対して、前記透過型電子顕微鏡を用いて、それぞれ、薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置の測定領域(表面側の領域:測定範囲は半径60nmの円形とし、円の中心が薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置となるようにする。)と、該薄膜のもう一方の表面(基板側の表面)から膜厚方向に70nmの位置の測定領域(基板側の領域:測定範囲は半径60nmの円形とし、円の中心が薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置となるようにする。)とにおいて、それぞれ制限視野電子線回折像を求めた。なお、図5中の同一の1個の柱状粒子に関して、点線で示した表面側の領域A内の前記測定領域(薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置の測定領域)の制限視野電子線回折像を図6に示し、図5中に点線で示した基板側の領域B内の前記測定領域(薄膜のもう一方の表面から膜厚方向に70nmの位置の測定領域)の制限視野電子線回折像を図7に示す。   Further, with respect to any two columnar particles constituting the thin film confirmed by the TEM measurement, a measurement region at a position of 70 nm in the film thickness direction from the surface of the thin film, respectively, using the transmission electron microscope. (Surface side region: The measurement range is a circle with a radius of 60 nm, and the center of the circle is positioned 70 nm in the film thickness direction from the surface of the thin film) and the other surface of the thin film (on the substrate side) Measurement area at a position of 70 nm from the surface to the film thickness direction (area on the substrate side: the measurement range is a circle with a radius of 60 nm, and the center of the circle is located at a position of 70 nm from the surface of the thin film in the film thickness direction.) In each of the above, a limited-field electron diffraction image was obtained. In addition, regarding the same single columnar particle in FIG. 5, the limited field electron beam in the measurement region (measurement region at a position 70 nm from the surface of the thin film in the film thickness direction) in the region A on the surface side indicated by the dotted line A diffraction image is shown in FIG. 6, and a limited-field electron beam in the measurement region (measurement region at a position of 70 nm in the film thickness direction from the other surface of the thin film) in the region B on the substrate side indicated by a dotted line in FIG. A diffraction image is shown in FIG.

図6及び図7に示す結果からも明らかなように、柱状粒子の基板付近(基板側の測定領域)の制限視野電子線回折像と、表面付近(表面側の測定領域)の制限視野電子線回折像をが一致することが確認された。このような結果から、測定した柱状粒子においては、上端から下端まで結晶方位が揃っていることが確認された。また、他の任意のもう1個の柱状粒子においても同様に、柱状粒子の基板付近(薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置の基板側の測定領域)の制限視野電子線回折像と、表面付近(薄膜の表面から膜厚方向に70nmの位置の表面側の測定領域)の制限視野電子線回折像とが一致し、上端から下端まで結晶方位が揃っていることが確認された。このような結果から、各柱状粒子は上端から下端まで、結晶方位が揃っているものとみなすことができる。   As is clear from the results shown in FIGS. 6 and 7, the limited-field electron diffraction image of the columnar particles near the substrate (substrate-side measurement region) and the limited-field electron beam near the surface (surface-side measurement region). It was confirmed that the diffraction images matched. From these results, it was confirmed that the measured columnar particles had the same crystal orientation from the upper end to the lower end. Similarly, in any other columnar particles, a limited-field electron diffraction image near the substrate of the columnar particles (measurement region on the substrate side at a position of 70 nm in the film thickness direction from the surface of the thin film) It was confirmed that the limited-field electron beam diffraction image in the vicinity of the surface (the measurement region on the surface side at a position of 70 nm in the film thickness direction from the surface of the thin film) coincided and the crystal orientation was aligned from the upper end to the lower end. From these results, it can be considered that each columnar particle has a uniform crystal orientation from the upper end to the lower end.

このような制限視野電子線回折像の測定結果と、後方散乱電子回折法による測定結果とを併せて考慮すれば、前記薄膜の体積の80%の領域において、該薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っていることが分かった。   Considering the measurement result of the limited field electron diffraction image and the measurement result by the backscattering electron diffraction method, in the region of 80% of the volume of the thin film, the surface of the thin film is It was found that the crystal orientation was aligned up to the surface.

また、前記透過型電子顕微鏡(日本電子社製の商品名「JEM−2100F」)を用いて、薄膜中の任意の断面において、制限視野しぼり内に単一の柱状粒子が観測されるようにする条件で、制限視野電子線回折像を測定して、晶帯軸を求めて、基板に対する垂線と、晶帯軸とのなす角度をそれぞれ算出し、任意の3点で(任意の3点の晶帯軸において)算出された前記角度の平均値を計算することにより、薄膜中のアパタイト型の結晶構造(柱状粒子を構成する結晶)のc軸と、前記基板の垂線との成す角の平均値を求めたところ、3.9°であることが確認された。このような結果からも、十分に高度な水準で、c軸が基板に対して垂直な方向に配向していることが分かった。   In addition, by using the transmission electron microscope (trade name “JEM-2100F” manufactured by JEOL Ltd.), single columnar particles are observed in the limited field of view in an arbitrary cross section in the thin film. Under the conditions, the limited-field electron diffraction image is measured to obtain the zone axis, and the angle between the perpendicular to the substrate and the zone axis is calculated, and at any 3 points (any 3 points of crystal By calculating the average value of the calculated angles (in the band axis), the average value of the angles formed by the c-axis of the apatite type crystal structure (crystals forming the columnar particles) in the thin film and the normal of the substrate Was found to be 3.9 °. From these results, it was found that the c-axis was oriented in a direction perpendicular to the substrate at a sufficiently high level.

(比較例1)
前記塗工液として前記原料溶液をそのまま用いる代わりに、前記原料溶液を調製した後に、該溶液に対して70℃の温度条件で24時間還流を行う還流工程を施し、得られた還流後の溶液を前記塗工液として用いた以外は、実施例1と同様にして、基板上に粒子の集合体からなる薄膜を得た。
(Comparative Example 1)
Instead of using the raw material solution as it is as the coating solution, after preparing the raw material solution, the solution is subjected to a refluxing step of refluxing at a temperature condition of 70 ° C. for 24 hours, and the obtained solution after refluxing A thin film made of an aggregate of particles on a substrate was obtained in the same manner as in Example 1 except that was used as the coating liquid.

なお、このようにして比較例1で得られた薄膜に対して実施例1と同様にしてXRD測定を行ったところ、薄膜を形成する粒子は、ランタンの酸化物とケイ素の酸化物が一部固溶したものからなり、ランタンとケイ素を含有する複合酸化物からなるものであることが分かった。また、このようにして比較例1で得られた薄膜に対して実施例1と同様にしてSEM測定を行った。図8に、比較例1において基板上に形成された薄膜の断面の走査型電子顕微鏡写真(薄膜の断面SEM像)を示す。図8に示す結果からも明らかなように、比較例1において得られた薄膜においては、粗大な粒子が散見され、16nm以上の細孔径を有する粗大な細孔が多数確認された。   The XRD measurement was performed on the thin film thus obtained in Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1. As a result, the particles forming the thin film were partially lanthanum oxide and silicon oxide. It was found to be composed of a solid solution and composed of a complex oxide containing lanthanum and silicon. In addition, SEM measurement was performed on the thin film obtained in Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1. FIG. 8 shows a scanning electron micrograph (cross-sectional SEM image of the thin film) of the cross section of the thin film formed on the substrate in Comparative Example 1. As is clear from the results shown in FIG. 8, in the thin film obtained in Comparative Example 1, coarse particles were scattered, and many coarse pores having a pore diameter of 16 nm or more were confirmed.

また、実施例1と同様に、比較例1で得られた薄膜の断面についても、走査型電子顕微鏡(SEM:日立ハイテクノロジーズ社製の商品名「S−5500」)により、1視野の大きさを縦475nm、横635nmとして、4視野測定して、各視野における断面内において、16nm以上の細孔径を有する細孔の空隙の膜全体に対する割合([空隙の体積]/[膜全体の体積]×100:単位%)をそれぞれ求め、平均化したところ、平均値は4.4%であった。このような結果から、比較例1で得られた薄膜は、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が薄膜の全体積に対して4.4%であることが分かった。   Similarly to Example 1, the cross section of the thin film obtained in Comparative Example 1 was also measured with a scanning electron microscope (SEM: trade name “S-5500” manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). The ratio of the pores having pore diameters of 16 nm or more to the entire film in the cross section in each field ([volume of void] / [volume of entire film]) × 100: unit%) was obtained and averaged, and the average value was 4.4%. From these results, the thin film obtained in Comparative Example 1 was found to have a volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more of 4.4% with respect to the total volume of the thin film.

また、このようにして比較例1で得られた薄膜に対して実施例1と同様にして小角X線散乱法による測定を行って、細孔の相対体積率(体積分布:f(R))を求めた。このような測定により求められた薄膜中の細孔サイズと細孔の相対体積率(体積分布:f(R))との関係を示すグラフを図9に示す。   Further, the thin film obtained in Comparative Example 1 was measured by the small angle X-ray scattering method in the same manner as in Example 1, and the relative volume fraction of pores (volume distribution: f (R)) Asked. A graph showing the relationship between the pore size in the thin film and the relative volume fraction of the pores (volume distribution: f (R)) obtained by such measurement is shown in FIG.

なお、実施例1で得られた薄膜の小角X線散乱法により求められた体積分布の結果(図3)と、比較例1で得られた薄膜の小角X線散乱法により求められた体積分布の結果(図9)とを比較して、体積分布のグラフから細孔径(直径)が16nm以上の細孔の面積をそれぞれ求めて、面積比を求めたところ、実施例1の体積分布のグラフの16nm以上の細孔の面積が、比較例1の体積分布のグラフの16nm以上の細孔の面積と比較して11%({[実施例1(前記面積)]/[比較例1(前記面積)]}×100)となっていることが分かった。このように、小角X線散乱法による求めた体積分布のグラフの面積比からも、実施例1で得られた薄膜は、比較例1と比べて16nm以上の細孔の存在比率が十分に低くなることが確認できた。   The results of the volume distribution obtained by the small angle X-ray scattering method of the thin film obtained in Example 1 (FIG. 3) and the volume distribution of the thin film obtained in Comparative Example 1 obtained by the small angle X-ray scattering method. The results of FIG. 9 (FIG. 9) were compared, the area of pores having a pore diameter (diameter) of 16 nm or more was determined from the volume distribution graph, and the area ratio was determined. The area of the pores of 16 nm or more was 11% ({[Example 1 (the area)] / [Comparative Example 1 (the above) Area)]} × 100). Thus, from the area ratio of the volume distribution graph obtained by the small-angle X-ray scattering method, the thin film obtained in Example 1 has a sufficiently low ratio of pores having a size of 16 nm or more as compared with Comparative Example 1. It was confirmed that

(比較例2)
比較例1で得られた薄膜(基板上に形成された薄膜)を空気中において、900℃の温度条件で2時間焼成することにより、前記薄膜を構成する粒子の結晶化を行って、焼成後の薄膜を得た。
(Comparative Example 2)
After firing the thin film obtained in Comparative Example 1 (thin film formed on the substrate) in air at 900 ° C. for 2 hours to crystallize the particles constituting the thin film, after firing A thin film was obtained.

このようにして得られた焼成後の薄膜に対して実施例1と同様にしてXRD測定を行った。このような測定結果として焼成後の薄膜のXRDパターンを図10に示す。このようなXRD測定の結果(図10に示す結果を含む。)からも明らかなように、XRDパターンにおいてJCPDSカード 49−0443のピークと、角度2θが一致するピークが確認され、焼成後の薄膜は、空間群がP6/mのアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなるものであることが分かった。しかしながら、図10に示す結果からも明らかなように、XRDパターンににおいて、(00l)面のピークの他にも多数の強いピークが確認され、(002)面のピーク強度と、(00l)面以外の他の面のピーク強度の比([(002)面のピーク強度]/[(00l)面以外の他の面のピーク強度])の最小値は1.1であった。 XRD measurement was performed on the fired thin film thus obtained in the same manner as in Example 1. FIG. 10 shows the XRD pattern of the thin film after firing as such a measurement result. As is clear from the results of such XRD measurement (including the results shown in FIG. 10), the peak of the JCPDS card 49-0443 and the peak having the same angle 2θ were confirmed in the XRD pattern, and the thin film after firing Was found to be composed of lanthanum silicate having an apatite type crystal structure with a space group of P6 3 / m. However, as is clear from the results shown in FIG. 10, in the XRD pattern, in addition to the (001) plane peak, a large number of strong peaks were confirmed. The (002) plane peak intensity and the (001) plane The minimum value of the ratio of the peak intensities of other surfaces ([peak intensity of (002) plane] / [peak intensities of other surfaces other than (001) plane]) was 1.1.

[実施例2及び比較例2で得られた薄膜の対比結果]
実施例2においては、得られたアパタイト型ランタンシリケート薄膜において、(002)面のピーク強度と、(00l)面以外の他の面のピーク強度との強度比([(002)面のピーク強度]/[(00l)面以外の他の面のピーク強度])が、62.5となっており、c軸が基板と垂直となるような結晶が、十分に均一に形成されていることが分かり、基板と垂直な方向に十分に高い配向性を示すことが分かった。このような結果から、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜(実施例2)は、c軸が基板と垂直な方向に十分に配向した薄膜であり、その薄膜を構成するランタンシリケートの結晶構造及びその配向性から、c軸方向(膜厚方向)に十分に高いイオン伝導性を示すものであることが分かる。これに対して、比較例2で得られたアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、前記強度比が1.1となっており、基板と垂直な方向に十分に高度な配向性を示すものではなかった。
[Contrast results of thin films obtained in Example 2 and Comparative Example 2]
In Example 2, in the obtained apatite-type lanthanum silicate thin film, the intensity ratio between the peak intensity of the (002) plane and the peak intensity of other planes other than the (001) plane (the peak intensity of the [(002) plane) ] / [Peak intensity of other planes other than (001) plane]) is 62.5, and a crystal whose c-axis is perpendicular to the substrate is sufficiently uniform. As can be seen, it was found that the orientation was sufficiently high in the direction perpendicular to the substrate. From these results, the apatite-type lanthanum silicate thin film (Example 2) of the present invention is a thin film in which the c-axis is sufficiently oriented in the direction perpendicular to the substrate, and the crystal structure of the lanthanum silicate constituting the thin film and its From the orientation, it can be seen that the ion conductivity is sufficiently high in the c-axis direction (film thickness direction). In contrast, the apatite-type lanthanum silicate thin film obtained in Comparative Example 2 had a strength ratio of 1.1 and did not exhibit a sufficiently high degree of orientation in the direction perpendicular to the substrate.

なお、上述の図3と図9とからも求められる結果から、前述のように、実施例1の体積分布のグラフの16nm以上の細孔の面積が、比較例1の体積分布のグラフの16nm以上の細孔の面積の約11%となっていることが確認された。また、実施例1で得られた薄膜は、細孔径(直径)が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(薄膜の全体積に対する比率)が0.3%であったのに対して、比較例1で得られた薄膜は、かかる細孔の空隙の体積分率が4.4%であった。このような結果と、前記強度比の結果とを併せ勘案すれば、比較例2においては、粗大な細孔により結晶化の際に、一定方向への結晶の成長が阻害されたものと推察することができる。   From the results obtained from FIG. 3 and FIG. 9 described above, as described above, the area of pores of 16 nm or more in the volume distribution graph of Example 1 is 16 nm of the volume distribution graph of Comparative Example 1. It was confirmed that it was about 11% of the area of the above pores. In addition, the thin film obtained in Example 1 had a pore volume fraction (ratio to the total volume of the thin film) of 0.3% of the pores having a pore diameter (diameter) of 16 nm or more. The thin film obtained in Comparative Example 1 had a void volume fraction of 4.4%. Considering these results together with the result of the intensity ratio, in Comparative Example 2, it is inferred that the growth of crystals in a certain direction was inhibited during crystallization by coarse pores. be able to.

(実施例3)
前記原料溶液の調製時に硝酸を適量添加することにより、前記原料溶液のpHを3.7に調整(変更)した以外は、実施例1と同様にして、基板上に粒子の集合体からなる薄膜を得た。このようにして実施例3で得られた薄膜に対して、実施例1と同様にしてXRD測定を行ったところ、かかる薄膜は、ランタンとケイ素を含有する非晶質の複合酸化物からなることが確認された。また、かかる薄膜に対して、実施例1と同様にしてSEM測定を行ったところ、基板上に形成された薄膜は、ランタンとケイ素を含有する複合酸化物の微細な粒子の集合体からなるものであることが確認された。また、実施例3で得られた薄膜について、細孔径(直径)が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(薄膜の全体積に対する比率)を実施例1と同様にして求めたところ、かかる体積分率は0.9%であることが分かった。
(Example 3)
A thin film made of an aggregate of particles on a substrate in the same manner as in Example 1 except that the pH of the raw material solution was adjusted (changed) to 3.7 by adding an appropriate amount of nitric acid during preparation of the raw material solution. Got. Thus, when the XRD measurement was performed like Example 1 with respect to the thin film obtained in Example 3, this thin film should consist of an amorphous complex oxide containing lanthanum and silicon. Was confirmed. Moreover, when SEM measurement was performed on the thin film in the same manner as in Example 1, the thin film formed on the substrate was composed of an aggregate of fine particles of a complex oxide containing lanthanum and silicon. It was confirmed that. For the thin film obtained in Example 3, the volume fraction of pore voids (ratio to the total volume of the thin film) having a pore diameter (diameter) of 16 nm or more was determined in the same manner as in Example 1. The volume fraction was found to be 0.9%.

(実施例4)
実施例3で得られた薄膜(基板上に形成された薄膜)を空気中において、900℃の温度条件で2時間焼成することにより、前記薄膜を構成する粒子の結晶化を行って、焼成後の薄膜を得た。
Example 4
After firing the thin film obtained in Example 3 (thin film formed on the substrate) in air at a temperature of 900 ° C. for 2 hours to crystallize the particles constituting the thin film, A thin film was obtained.

このようにして得られた焼成後の薄膜に対して実施例1と同様にしてXRD測定を行った。このような測定結果として焼成後の薄膜のXRDパターンを図11に示す。このようなXRD測定の結果(図11に示す結果を含む。)からも明らかなように、XRDパターンにおいてJCPDSカード 49−0443のピークと、角度2θが一致するピークが確認され、焼成後の薄膜は、空間群がP6/mのアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなることが分かった。また、図11に示すXRDパターンからも明らかなように、焼成後の薄膜は、XRDパターンにおいて(00l)面のピークが十分に強く現れており、c軸が基板と垂直な方向に十分に配向しており、十分に高度な配向性があることが確認された。また、図11に示すXRDパターンから、(002)面のピーク強度と、(00l)面以外の他の面のピーク強度の比([(002)面のピーク強度]/[(00l)面以外の他の面のピーク強度])の最小値は26.8であった。このような強度比の結果から、(00l)面のピーク強度が十分に大きいことが確認され、焼成後の薄膜(アパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなる薄膜:アパタイト型ランタンシリケート薄膜)においては、c軸が基板と垂直な方向に十分に配向していることが確認された。 XRD measurement was performed on the fired thin film thus obtained in the same manner as in Example 1. FIG. 11 shows an XRD pattern of the fired thin film as such a measurement result. As is clear from the results of such XRD measurement (including the results shown in FIG. 11), the peak of the JCPDS card 49-0443 and the peak at the angle 2θ are confirmed in the XRD pattern, and the thin film after firing Was found to be composed of lanthanum silicate having an apatite-type crystal structure with a space group of P6 3 / m. In addition, as apparent from the XRD pattern shown in FIG. 11, the fired thin film has a (001) plane peak sufficiently strong in the XRD pattern, and the c-axis is sufficiently oriented in the direction perpendicular to the substrate. It was confirmed that there was a sufficiently high degree of orientation. Further, from the XRD pattern shown in FIG. 11, the ratio of the peak intensity of the (002) plane to the peak intensity of other planes other than the (001) plane ([peak intensity of [(002) plane] / [other than (001) plane) The minimum value of the peak intensity of the other surface]) was 26.8. From the result of such an intensity ratio, it was confirmed that the peak intensity of the (001) plane was sufficiently large, and in the thin film after firing (thin film made of lanthanum silicate having an apatite type crystal structure: apatite type lanthanum silicate thin film) It was confirmed that the c-axis was sufficiently oriented in the direction perpendicular to the substrate.

(比較例3)
前記原料溶液の調製時に硝酸を添加することにより、前記原料溶液のpHを2.2に調整(変更)した以外は、実施例1と同様にして、基板上に粒子の集合体からなる薄膜を得た。このようにして比較例3で得られた薄膜に対して、実施例1と同様にしてXRD測定を行ったところ、かかる薄膜は、ランタンとケイ素を含有する非晶質の複合酸化物からなることが確認された。また、かかる薄膜に対して、実施例1と同様にしてSEM測定を行った。図12に、比較例3で得られた薄膜の断面の走査型電子顕微鏡写真(薄膜の断面SEM像)を示す。このようなSEM測定の結果(図12等)からも明らかなように、基板上に形成された薄膜はランタンとケイ素を含有する複合酸化物の粒子の集合体からなるものであることが確認されるとともに、細孔径が16nm以上の粗大な細孔が多数確認された。また、比較例3で得られた薄膜について、細孔径(直径)が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率(薄膜の全体積に対する比率)を実施例1と同様にして求めたところ、かかる体積分率は11.1%であることが分かった。
(Comparative Example 3)
A thin film composed of an aggregate of particles on a substrate was prepared in the same manner as in Example 1 except that nitric acid was added during preparation of the raw material solution to adjust (change) the pH of the raw material solution to 2.2. Obtained. The XRD measurement was performed on the thin film thus obtained in Comparative Example 3 in the same manner as in Example 1. As a result, the thin film was composed of an amorphous complex oxide containing lanthanum and silicon. Was confirmed. Further, SEM measurement was performed on the thin film in the same manner as in Example 1. FIG. 12 shows a scanning electron micrograph (cross-sectional SEM image of the thin film) of the cross section of the thin film obtained in Comparative Example 3. As is clear from the results of such SEM measurement (FIG. 12 and the like), it was confirmed that the thin film formed on the substrate was composed of an aggregate of composite oxide particles containing lanthanum and silicon. In addition, a large number of coarse pores having a pore diameter of 16 nm or more were confirmed. Further, for the thin film obtained in Comparative Example 3, the volume fraction of pore voids (ratio to the total volume of the thin film) having a pore diameter (diameter) of 16 nm or more was determined in the same manner as in Example 1. The volume fraction was found to be 11.1%.

(比較例4)
比較例3で得られた薄膜(基板上に形成された薄膜)を空気中において、900℃の温度条件で2時間焼成することにより、前記薄膜を構成する粒子の結晶化を行って、焼成後の薄膜を得た。
(Comparative Example 4)
After firing the thin film obtained in Comparative Example 3 (thin film formed on the substrate) in air at a temperature condition of 900 ° C. for 2 hours, the particles constituting the thin film are crystallized. A thin film was obtained.

このようにして得られた焼成後の薄膜に対して実施例1と同様にしてXRD測定を行った。このような測定結果として焼成後の薄膜のXRDパターンを図13に示す。このようなXRD測定の結果(図13に示す結果を含む。)からも明らかなように、XRDパターンにおいてJCPDSカード 49−0443のピークと、角度2θが一致するピークが確認され、焼成後の薄膜は、空間群がP6/mのアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなるものであることが分かった。しかしながら、図13に示す結果からも明らかなように、XRDパターンににおいて、(00l)面のピークの他にも多数の強いピークが確認され、(002)面のピーク強度と、(00l)面以外の他の面のピーク強度の比([(002)面のピーク強度]/[(00l)面以外の他の面のピーク強度])の最小値は0.5であった。このように、比較例4で得られた薄膜は、(00l)面のピーク強度比は小さく、十分に高度な配向性を有するものとはならなかった。 XRD measurement was performed on the fired thin film thus obtained in the same manner as in Example 1. FIG. 13 shows an XRD pattern of the thin film after firing as such a measurement result. As is clear from the results of such XRD measurement (including the results shown in FIG. 13), the peak of the JCPDS card 49-0443 and the peak having the same angle 2θ were confirmed in the XRD pattern, and the thin film after firing Was found to be composed of lanthanum silicate having an apatite type crystal structure with a space group of P6 3 / m. However, as is clear from the results shown in FIG. 13, in the XRD pattern, in addition to the (001) plane peak, a large number of strong peaks were confirmed. The (002) plane peak intensity and the (001) plane The minimum value of the ratio of the peak intensities of other surfaces ([peak intensity of (002) plane] / [peak intensities of other surfaces other than (001) plane)) was 0.5. As described above, the thin film obtained in Comparative Example 4 had a small (001) plane peak intensity ratio and did not have a sufficiently high degree of orientation.

[実施例4及び比較例4で得られた薄膜の対比結果]
実施例4においては、得られたアパタイト型ランタンシリケート薄膜において、前記強度比([(002)面のピーク強度]/[(00l)面以外の他の面のピーク強度])が26.8となっており、c軸が基板と垂直となるような結晶が十分に均一に形成されていることが分かり、基板と垂直な方向に十分に高度な配向性を示すことが分かった。このような結果から、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜(実施例4)は、c軸が基板と垂直な方向に十分に配向した薄膜であり、その薄膜を構成するランタンシリケートの結晶構造及びその配向性から、c軸方向(膜厚方向)に十分に高いイオン伝導性を示すものであることが分かる。これに対して、比較例4で得られたアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、前記強度比が0.5となっており、基板と垂直な方向に十分に高度な配向性を示すものではなかった。
[Contrast results of thin films obtained in Example 4 and Comparative Example 4]
In Example 4, in the obtained apatite-type lanthanum silicate thin film, the intensity ratio ([peak intensity of (002) plane] / [peak intensity of other planes other than (001) plane)) was 26.8. Thus, it was found that crystals having a c-axis perpendicular to the substrate were formed sufficiently uniformly, and a sufficiently high orientation was exhibited in the direction perpendicular to the substrate. From these results, the apatite-type lanthanum silicate thin film (Example 4) of the present invention is a thin film in which the c-axis is sufficiently oriented in the direction perpendicular to the substrate, and the crystal structure of the lanthanum silicate constituting the thin film and its From the orientation, it can be seen that the ion conductivity is sufficiently high in the c-axis direction (film thickness direction). In contrast, the apatite-type lanthanum silicate thin film obtained in Comparative Example 4 had a strength ratio of 0.5 and did not exhibit a sufficiently high degree of orientation in the direction perpendicular to the substrate.

このような実施例4及び比較例4で得られたアパタイト型ランタンシリケート薄膜について、調製方法を比較すると、焼成前の薄膜(実施例3及び比較例3で得られた薄膜)を製造する際に利用した原料溶液のpHのみが異なり、pHが2.2となるような条件を採用した場合(比較例3)には、焼成後に、基板と垂直な方向に十分に高度な配向性を示す薄膜が得られないことが分かった。なお、実施例3及び比較例3で得られた薄膜の細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率の結果から、pHが3.5未満となるような原料溶液を用いた場合には、膜全体の体積に対する細孔径が16nm以上となる細孔の体積の比率が1%を超えるものとなり、十分に高度な配向性を示す薄膜が得られないものと推察される。   When the preparation methods of the apatite-type lanthanum silicate thin films obtained in Example 4 and Comparative Example 4 are compared, a thin film before firing (thin films obtained in Example 3 and Comparative Example 3) is produced. In the case where only the pH of the raw material solution used is different and the condition that the pH is 2.2 is adopted (Comparative Example 3), the thin film exhibits sufficiently high orientation in the direction perpendicular to the substrate after firing. It was found that could not be obtained. In the case of using a raw material solution having a pH of less than 3.5 based on the results of the volume fraction of pore voids where the pore diameter of the thin film obtained in Example 3 and Comparative Example 3 is 16 nm or more In this case, the ratio of the volume of the pores having a pore diameter of 16 nm or more to the total volume of the film exceeds 1%, and it is assumed that a thin film having a sufficiently high degree of orientation cannot be obtained.

以上説明したように、本発明によれば、アパタイト型の結晶構造を有しかつc軸配向性が十分に高いランタンシリケートの薄膜を効率よく製造するために用いることが可能なアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を提供すること、そのようなアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を効率よくかつ確実に製造することを可能とするアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法を提供すること、並びに、結晶を成長させる際に基板を用いる場合に用いた基板の表面に対して垂直な方向にc軸を十分に配向させることができ、十分に高いc軸配向性を有するアパタイト型ランタンシリケート薄膜を提供すること、が可能となる。   As described above, according to the present invention, an apatite-type lanthanum silicate precursor that can be used for efficiently producing a lanthanum silicate thin film having an apatite-type crystal structure and sufficiently high c-axis orientation. A thin film of apatite, a method for producing an apatite lanthanum silicate precursor thin film that enables efficient and reliable production of such apatite lanthanum silicate precursor thin film, and growth of crystals Providing an apatite-type lanthanum silicate thin film capable of sufficiently orienting the c-axis in a direction perpendicular to the surface of the substrate used when the substrate is used, and having a sufficiently high c-axis orientation; Is possible.

このような本発明のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜は、比較的低温の焼成温度でアパタイト型ランタンシリケート薄膜を製造できることから、固体酸化物型燃料電池用の固体電解質膜、酸素分離膜、排気浄化デバイス、酸素センサ等に利用するためのアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートの薄膜を製造するための材料等として特に有用である。また、本発明のアパタイト型ランタンシリケート薄膜は、特にc軸方向へのイオン伝導性に優れるものとなることから、固体酸化物型燃料電池用の固体電解質膜、酸素分離膜、排気浄化デバイス、酸素センサ等に利用する薄膜として特に有用である。   Since the apatite-type lanthanum silicate precursor thin film of the present invention can produce an apatite-type lanthanum silicate thin film at a relatively low firing temperature, a solid electrolyte membrane for an oxide fuel cell, an oxygen separation membrane, and exhaust purification It is particularly useful as a material for producing a lanthanum silicate thin film having an apatite type crystal structure for use in devices, oxygen sensors and the like. In addition, since the apatite-type lanthanum silicate thin film of the present invention is particularly excellent in ion conductivity in the c-axis direction, the solid electrolyte membrane, the oxygen separation membrane, the exhaust purification device, the oxygen purification device for the solid oxide fuel cell, the oxygen It is particularly useful as a thin film used for sensors and the like.

Claims (6)

主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であることを特徴とするアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜。   It is a thin film composed of an aggregate of composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements, and the volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more is smaller than the total volume of the thin film. 1% or less of an apatite type lanthanum silicate precursor thin film. 前記複合酸化物粒子が非晶質酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜。   The apatite-type lanthanum silicate precursor thin film according to claim 1, wherein the composite oxide particles are made of an amorphous oxide. 前記薄膜の厚みが50〜3000nmであることを特徴とする請求項1又は2に記載のアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜。   The apatite-type lanthanum silicate precursor thin film according to claim 1 or 2, wherein the thin film has a thickness of 50 to 3000 nm. ランタンとケイ素のモル比(La:Si)が4:3〜5:3となる割合でランタンの塩とテトラアルコキシシランとを含有しかつpHが3.5〜7である原料溶液を、350〜600℃の温度条件で加熱し、主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有する複合酸化物粒子を析出させることにより、
該複合酸化物粒子の集合体からなる薄膜であり、かつ、細孔径が16nm以上となる細孔の空隙の体積分率が該薄膜の全体積に対して1%以下であるアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜を得ることを特徴とするアパタイト型ランタンシリケート前駆体薄膜の製造方法。
A raw material solution containing a lanthanum salt and tetraalkoxysilane at a ratio of the lanthanum to silicon molar ratio (La: Si) of 4: 3 to 5: 3 and having a pH of 3.5 to 7 is 350 to By heating at 600 ° C. and precipitating composite oxide particles containing lanthanum and silicon as main metal elements,
An apatite-type lanthanum silicate precursor, which is a thin film composed of an aggregate of the composite oxide particles, and has a volume fraction of pore voids having a pore diameter of 16 nm or more with respect to the total volume of the thin film A method for producing an apatite-type lanthanum silicate precursor thin film, characterized in that a body thin film is obtained.
主な金属元素としてランタンとケイ素とを含有しかつアパタイト型の結晶構造を有するランタンシリケートからなり、
該ランタンシリケートをX線回折により測定した場合に、(002)面のピークの強度と、(00l)面以外(ただしlは1以上の整数を示す。)の他の面のピークの強度との比の最小値が10以上であること、
を特徴とするアパタイト型ランタンシリケート薄膜。
It is composed of lanthanum silicate containing lanthanum and silicon as main metal elements and having an apatite type crystal structure,
When the lanthanum silicate is measured by X-ray diffraction, the peak intensity of the (002) plane and the peak intensity of other planes other than the (001) plane (where l is an integer of 1 or more) The minimum ratio is 10 or more,
Apatite-type lanthanum silicate thin film characterized by
前記アパタイト型ランタンシリケート薄膜が基板上に積層されており、
該薄膜中のアパタイト型の結晶構造のc軸と、前記基板の垂線との成す角の平均値が15°以下であり、かつ、
前記薄膜の体積の70%以上の領域において該薄膜の一方の表面からもう一方の表面まで結晶方位が揃っていること、
を特徴とする請求項5に記載のアパタイト型ランタンシリケート薄膜。
The apatite-type lanthanum silicate thin film is laminated on a substrate,
The average angle formed by the c-axis of the apatite-type crystal structure in the thin film and the normal of the substrate is 15 ° or less, and
The crystal orientation is aligned from one surface of the thin film to the other surface in a region of 70% or more of the volume of the thin film;
The apatite-type lanthanum silicate thin film according to claim 5.
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