JP2020189761A - Carbon nitride dispersion and method for forming carbon nitride film using the same - Google Patents

Carbon nitride dispersion and method for forming carbon nitride film using the same Download PDF

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Naoki Otani
直毅 大谷
貴大 渡辺
Takahiro Watanabe
貴大 渡辺
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Abstract

To provide a carbon nitride dispersion excellent in dispersibility of nano-amorphous layered carbon nitride for forming a film by a coating method, and to provide a method for forming a carbon nitride film using the carbon nitride dispersion.SOLUTION: A carbon nitride dispersion of the present invention comprises nano-amorphous layered carbon nitride dispersed in a dispersion medium. The dispersion medium is a strongly acidic oxo acid or a strong base. In the carbon nitride dispersion of the present invention, the nano-amorphous layered carbon nitride is dispersed in a dispersion medium, and the difference between a surface free energy of the nano-amorphous layered carbon nitride and a surface free energy of the dispersion medium is 15 mJ/m2 or less. A method for forming a carbon nitride film of the present invention is a method of electrostatically spraying the carbon nitride dispersion of the present invention.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、窒化炭素が分散媒中に分散された窒化炭素分散液及びこれを用いた窒化炭素膜の成膜方法に関する。 The present invention relates to a carbon nitride dispersion liquid in which carbon nitride is dispersed in a dispersion medium and a method for forming a carbon nitride film using the same.

電圧を印加することによって発光する現象をエレクトロルミネッセンス(Electro Luminescence:EL)という。
この現象を利用した発光素子として、発光ダイオード(Light−Emitting Diode:LED)が知られている。特に、有機物からなる発光ダイオードは、有機発光ダイオード(Organic Light−Emitting Diode:OLEDs)と言われる。
The phenomenon of emitting light by applying a voltage is called electroluminescence (EL).
A light emitting diode (Light-Emitting Diode: LED) is known as a light emitting element utilizing this phenomenon. In particular, light emitting diodes made of organic substances are referred to as organic light-emitting diodes (OLEDs).

OLEDsは、応答速度・高演色性・フレキシブル・自発光であるため、薄くて安価なデバイスが実現でき、新たなディスプレイや照明として現在研究されている。ただ、有機物の劣化による寿命の低下という問題があり、現在その劣化を防ぐための封止に関する研究も盛んに行われている。 Since OLEDs have a response speed, high color rendering properties, flexibility, and self-luminous light, thin and inexpensive devices can be realized, and are currently being researched as new displays and lighting. However, there is a problem that the life is shortened due to the deterioration of organic substances, and research on sealing to prevent the deterioration is currently being actively conducted.

また、一般的な発光ダイオードであるInGaN青色LEDはレアメタルであるインジウムを用いている。しかし、MOCVDによる結晶成長では有毒ガスが必要となり、サファイア基板は1000℃を超える加熱が必要となるため、環境への負荷の問題があるほか、高価であることも問題に挙げられる。 Further, the InGaN blue LED, which is a general light emitting diode, uses indium, which is a rare metal. However, crystal growth by MOCVD requires toxic gas, and the sapphire substrate needs to be heated to more than 1000 ° C., which causes a problem of environmental load and also a problem of being expensive.

これらの問題を解決できる可能性があるのが、ナノアモルファス層状窒化炭素(nano−amorphous graphitic carbon nitride;na−g−C34)である。この材料は、約2.7eVのエネルギーバンドギャップを持つ非金属半導体であり、約50nm程度のナノ粒子である。そして、グラファイトのようにファンデルワールス力で各層が積み重なった層状物質である。この物質は興味深い分子構造を持ち、高い熱安定性・化学安定性・生体適合性・可変なバンドギャップ、また地球上に豊富に存在する窒素と炭素のみから合成できるという特徴から非常に注目されている物質である。そのため、発光素子や光触媒、太陽電池、燃料電池、蛍光センシングなど、様々な可能性が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。 Nano-amorphous layered carbon nitride (na-g-C 3 N 4 ) has the potential to solve these problems. This material is a non-metal semiconductor having an energy bandgap of about 2.7 eV, and is nanoparticles of about 50 nm. And, like graphite, it is a layered substance in which each layer is stacked by Van der Waals force. This substance has an interesting molecular structure, and is attracting much attention because of its high thermal stability, chemical stability, biocompatibility, variable bandgap, and its ability to be synthesized only from nitrogen and carbon, which are abundant on the earth. It is a substance that exists. Therefore, various possibilities such as light emitting elements, photocatalysts, solar cells, fuel cells, and fluorescence sensing have been reported (see, for example, Non-Patent Document 1).

H. Tabuchi et al., Jpn. J. Appl. Phys.,46,1596 (2007)H. Tabuchi et al., Jpn. J. Appl. Phys., 46, 1596 (2007)

発光ダイオードを作製するには電極上に成膜を繰り返し、積層構造を形成する必要がある。
現在、OLEDs作製の際は真空蒸着法による成膜が主流である。これは、積層構造を容易に取り入れることができ、各層において機能分離を図り、高効率化、長寿命化が達成されているからである。
しかし、この成膜プロセスは、高真空を必要とし、サイズ依存性が大きいため大面積化が困難というデメリットがある。また、真空蒸着法でna−g−C34薄膜を作製するとなると、構造が壊れて欠陥が生まれやすいことが問題となる。
そこで、本発明は、溶液ないし分散液から薄膜を形成する塗布法を用いた成膜を検討の前提とする。塗布法での成膜には、高真空不要、成膜装置が安価、成膜時間が短く、そして大面積化が可能といったメリットがあるため、より生産性が高く製造コストも抑えることができる。しかし、na−g−C34は、高い化学安定性をもつゆえに、様々な溶媒・分散媒に対して難溶性・難分散性を示す。
そこで、本発明は、塗布法で成膜するために、ナノアモルファス層状窒化炭素の分散性に優れた窒化炭素分散液を提供するとともに、この窒化炭素分散液を用いる窒化炭素膜の成膜方法を提供することを課題とする。
In order to produce a light emitting diode, it is necessary to repeat film formation on the electrode to form a laminated structure.
Currently, when producing OLEDs, film formation by the vacuum vapor deposition method is the mainstream. This is because the laminated structure can be easily incorporated, the functions are separated in each layer, and high efficiency and long life are achieved.
However, this film forming process requires a high vacuum and has a large size dependence, so that it is difficult to increase the area. Also, when it comes to making the na-g-C 3 N 4 thin film by a vacuum deposition method, defects that are likely birth problematic broken structure.
Therefore, the present invention is premised on the study of film formation using a coating method for forming a thin film from a solution or a dispersion. The film formation by the coating method has the advantages of not requiring a high vacuum, an inexpensive film forming apparatus, a short film forming time, and a large area, so that the productivity is higher and the manufacturing cost can be suppressed. However, since na-g-C 3 N 4 has high chemical stability, it exhibits poor solubility and poor dispersion in various solvents and dispersion media.
Therefore, the present invention provides a carbon nitride dispersion having excellent dispersibility of nano-amorphous layered carbon nitride in order to form a film by a coating method, and also provides a method for forming a carbon nitride film using this carbon nitride dispersion. The challenge is to provide.

上記課題を解決するため、本発明は下記構成を備える。
すなわち、本発明に係る窒化炭素分散液は、ナノアモルファス層状窒化炭素が分散媒に分散されてなり、前記分散媒が、強酸性のオキソ酸又は強塩基であるか、又は、ナノアモルファス層状窒化炭素が分散媒に分散されてなり、前記ナノアモルファス層状窒化炭素の表面自由エネルギーと前記分散媒の表面自由エネルギーの差が15mJ/m2以下である。
また、本発明に係る窒化炭素膜の成膜方法は、上記本発明に係る窒化炭素分散液を静電噴霧する方法である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
That is, in the carbon nitride dispersion liquid according to the present invention, nanoamorphous layered carbon nitride is dispersed in a dispersion medium, and the dispersion medium is a strongly acidic oxo acid or a strong base, or nanoamorphous layered carbon nitride is used. Is dispersed in a dispersion medium, and the difference between the surface free energy of the nanoamorphous layered carbon nitride and the surface free energy of the dispersion medium is 15 mJ / m 2 or less.
The method for forming a carbon nitride film according to the present invention is a method for electrostatically spraying the carbon nitride dispersion liquid according to the present invention.

本発明に係る窒化炭素分散液は、ナノアモルファス層状窒化炭素が良好に分散されているため、窒化炭素の薄膜作製に有用である。
また、本発明に係る窒化炭素分散液は、本発明に係る窒化炭素膜の成膜方法のように、静電噴霧が可能であることから、高真空不要、成膜装置が安価、成膜時間が短く、そして大面積化が可能といったメリットがあるため、生産性が高く製造コストも抑えることができる。
窒化炭素は、高い熱安定性・化学安定性・生体適合性・可変なバンドギャップ、また地球上に豊富に存在する窒素と炭素のみから合成できるという特徴を有し、青色発光するので、従来のOLEDsやInGaN青色LEDに代わる優れた発光材料として価値がある。そのため、窒化炭素の薄膜作製に有用な本発明の産業的価値は高い。
The carbon nitride dispersion liquid according to the present invention is useful for producing a thin film of carbon nitride because nanoamorphous layered carbon nitride is well dispersed.
Further, since the carbon nitride dispersion liquid according to the present invention can be electrostatically sprayed like the method for forming a carbon nitride film according to the present invention, high vacuum is not required, the film forming apparatus is inexpensive, and the film forming time is short. Because of the advantages of being short and capable of increasing the area, productivity is high and manufacturing costs can be suppressed.
Carbon nitride has the characteristics of high thermal stability, chemical stability, biocompatibility, variable band gap, and can be synthesized only from nitrogen and carbon, which are abundant on the earth, and emits blue light. It is valuable as an excellent light emitting material to replace OLEDs and InGaN blue LEDs. Therefore, the industrial value of the present invention, which is useful for producing a thin film of carbon nitride, is high.

s−ヘプタジン環状核(s−heptazine ring core)の分子構造を示す図である。It is a figure which shows the molecular structure of the s-heptazine ring core (s-heptazine ring core). na−g−C34の結晶モデルを示す図である。It is a figure which shows the crystal model of na-g-C 3 N 4 . na−g−C34の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure of na-g-C 3 N 4 . 大気圧窒素プラズマ法の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline of the atmospheric pressure nitrogen plasma method. 静電噴霧装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline of the electrostatic spraying apparatus. 実施例で作製したna−g−C34の写真である。It is a photograph of na-g-C 3 N 4 prepared in the example. 実施例の分散性の評価において、強酸によるna−g−C34の分散の過程を示す模式図である。In the evaluation of dispersibility of the embodiment is a schematic diagram showing the process of dispersion of the na-g-C 3 N 4 with a strong acid. 実施例の分散液の評価において、分散液から成膜化したna−g−C34膜のPLスペクトル測定結果を示すグラフである。In the evaluation of the dispersion of Example is a graph showing a PL spectrum measurement results of the na-g-C 3 N 4 film formed form a film from the dispersion. 実施例の分散液の評価において、分散液から成膜化したna−g−C34膜の吸収スペクトル測定結果を示すグラフである。In the evaluation of the dispersion of Example is a graph showing the absorption spectra measurement results of the na-g-C 3 N 4 film formed form a film from the dispersion. 実施例の分散液の評価において、分散液から成膜化したna−g−C34膜のIR測定結果を示すグラフである。In the evaluation of the dispersion of Example is a graph showing a result of IR measurement na-g-C 3 N 4 film formed form a film from the dispersion. na−g−C34に特有な赤外吸収振動数を示す図である。is a diagram illustrating a specific number of infrared absorption vibration to na-g-C 3 N 4 . 実施例の分散液の評価において、分散液から成膜化したna−g−C34膜のXPS測定結果(C1s)を示すグラフである。In the evaluation of the dispersion of Example is a graph showing XPS measurement results (C1s) of na-g-C 3 N 4 film formed form a film from the dispersion. 実施例の分散液の評価において、分散液から成膜化したna−g−C34膜のXPS測定結果(N1s)を示すグラフである。In the evaluation of the dispersion of Example is a graph showing XPS measurement results (N1s) of na-g-C 3 N 4 film formed form a film from the dispersion. 実施例の分散液の評価において、分散液から成膜化したna−g−C34膜のXPS測定結果(O1s)を示すグラフである。In the evaluation of the dispersion of Example is a graph showing XPS measurement results (O1s) of the na-g-C 3 N 4 film formed form a film from the dispersion. 実施例においてna−g−C34膜の成膜で用いた静電噴霧装置を示す概略図である。It is a schematic view showing an electrostatic spraying device used in the film formation na-g-C 3 N 4 film in the Examples. 実施例でのna−g−C34膜の成膜において、ワークディスタンスを10mmに固定し、ノズル径Φを25μm又は40μm、電圧を6,8又は10kVに変化させて成膜した時の表面の変化を示すSEM写真である。In na-g-C 3 N 4 film deposited in Example, to secure the working distance to 10 mm, nozzle diameter Φ of 25μm or 40 [mu] m, when formed by changing the voltage to 6,8 or 10kV It is an SEM photograph which shows the change of the surface. 実施例でのna−g−C34膜の成膜において、ワークディスタンスを12.5mmに固定し、ノズル径Φを25μm又は40μm、電圧を6,8又は10kVに変化させて成膜した時の表面の変化を示すSEM写真である。In na-g-C 3 N 4 film deposited in Example, to secure the working distance to 12.5 mm, 25 [mu] m or 40μm nozzle diameter [Phi, were formed by changing the voltage to 6,8 or 10kV It is an SEM photograph which shows the change of the surface with time. 実施例でのna−g−C34膜の成膜において、ワークディスタンスを15mmに固定し、ノズル径Φを25μm又は40μm、電圧を6,8又は10kVに変化させて成膜した時の表面の変化を示すSEM写真である。In na-g-C 3 N 4 film deposited in Example, to secure the working distance to 15 mm, nozzle diameter Φ of 25μm or 40 [mu] m, when formed by changing the voltage to 6,8 or 10kV It is an SEM photograph which shows the change of the surface. 実施例でのna−g−C34膜の成膜において、成膜したna−g−C34膜に見られる山脈構造の一例を示すSEM写真である。In na-g-C 3 N 4 film deposited in Example is an SEM photograph showing an example of a mountain range structure found in the formed na-g-C 3 N 4 film.

以下、本発明に係る窒化炭素分散液及びこれを用いた窒化炭素膜の成膜方法の好ましい実施形態について、詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更実施し得る。 Hereinafter, preferred embodiments of the carbon nitride dispersion liquid according to the present invention and the method for forming a carbon nitride film using the same will be described in detail, but the scope of the present invention is not limited to these explanations. Other than the above examples, modifications can be made as appropriate without impairing the gist of the present invention.

〔窒化炭素分散液〕
本発明に本発明に係る窒化炭素分散液は、ナノアモルファス層状窒化炭素が分散媒に分散されている。
[Carbon nitride dispersion]
In the carbon nitride dispersion liquid according to the present invention, nano-amorphous layered carbon nitride is dispersed in a dispersion medium.

<ナノアモルファス層状窒化炭素>
ナノアモルファス層状窒化炭素は、例えば、大気圧窒素プラズマ法で作製することができる。
このナノアモルファス層状窒化炭素は、次のように構成されていると考えられる。
すなわち、このナノアモルファス層状窒化炭素結晶は、s−ヘプタジン環状核(s−heptazine ring core)(C67)から構成されていると考えられる。s−ヘプタジン環状核を図1に示す。
<Nanoamorphous layered carbon nitride>
The nano-amorphous layered carbon nitride can be produced, for example, by the atmospheric pressure nitrogen plasma method.
This nano-amorphous layered carbon nitride is considered to be composed as follows.
That is, it is considered that this nanoamorphous layered carbon nitride crystal is composed of an s-heptazine ring core (C 6 N 7 ). The s-heptazine ring nucleus is shown in FIG.

s−ヘプタジン環状核はsp2混成軌道を持つ3配位の炭素C(sp2−C)、sp2混成軌道を持つ2配位、3配位の窒素N(sp2−N)から形成されている。
s−ヘプタジン環状核の連結はs−ヘプタジン環状核縁部の炭素C1に結合する連結基Xにより行われる。連結基Xは3配位窒素やイミド基>NHなどが考えられる。
s−ヘプタジン環状核は結合点炭素C1を3個持つ、連結基がすべて窒素Nであれば、各s−ヘプタジン環状核に3つのs−ヘプタジン環状核が連結して広がった2次元面が形成される。この結晶モデルを図2に示す。結晶モデルはBojdysらによって初めて提案された(上述の非特許文献1参照)。さらに、二次元状に広がった面はファンデルワールス力によって積み重なって図3のような層状の形をとる。
s- Heputajin cyclic nucleus bidentate having 3 carbon C (sp 2 -C) coordination, sp 2 hybrid orbital with sp 2 hybrid orbital is formed from 3-coordinate nitrogen N (sp 2 -N) ing.
The s-heptazine cyclic nucleus is linked by the linking group X that binds to carbon C1 at the s-heptazine cyclic nucleus edge. The linking group X may be tricoordinated nitrogen, imide group> NH, or the like.
The s-heptazine cyclic nucleus has three bond point carbons C1, and if all the linking groups are nitrogen N, a two-dimensional plane formed by connecting three s-heptazine cyclic nuclei to each s-heptazine cyclic nucleus is formed. Will be done. This crystal model is shown in FIG. The crystal model was first proposed by Bojdys et al. (See Non-Patent Document 1 above). Further, the two-dimensionally spread surfaces are stacked by Van der Waals force to form a layered shape as shown in FIG.

なお、終端基にはイミド基やアミノ基以外にもほかに様々な終端基が存在していると考えられ、層状窒化炭素の化学結合にはさらにバリエーションがあると思われる。大気圧窒素プラズマ法によるナノアモルファス層状窒化炭素の作製においては、真空にて熱処理をおこなっているため終端基のNH2基は少ないと考えられる。 In addition to the imide group and the amino group, various terminal groups are considered to exist in the terminal group, and it is considered that there are further variations in the chemical bond of the layered carbon nitride. In the production of nano-amorphous layered carbon nitride by the atmospheric nitrogen plasma method, it is considered that there are few NH 2 terminal groups because the heat treatment is performed in vacuum.

図4に大気圧窒素プラズマ装置の概略図を示す。
作製のメカニズムとしては、窒素ガスをプラズマヘッドから石英管へ流し、石英管内部の炭素棒の先端にマイクロ波の電力を集中させると窒素ガスが励起されて窒素プラズマが発生する。そのプラズマ熱によって炭素棒が昇華し、生成された活性窒素と活性炭素が窒化炭素(CN)分子を形成する。
CN分子が下流に流れていく際に、石英管を介して水冷され、モリブデン(Mo)板上にナノアモルファス層状窒化炭素が堆積する。
気相中でCN分子が3つ集まってトリアジン環を形成し、トリアジン環が3つ集まってヘプタジンを形成、ヘプタジン3つがNと3配位結合し、図3に表すナノアモルファス層状窒化炭素が合成されると考えられる。
処理条件は、特に限定されず、従来一般に採用されている条件を踏まえ、適宜決定すれば良い。
FIG. 4 shows a schematic view of the atmospheric pressure nitrogen plasma apparatus.
As a manufacturing mechanism, when nitrogen gas is flowed from a plasma head to a quartz tube and microwave power is concentrated on the tip of a carbon rod inside the quartz tube, the nitrogen gas is excited and nitrogen plasma is generated. The plasma heat sublimates the carbon rod, and the generated active nitrogen and activated carbon form carbon nitride (CN) molecules.
When the CN molecule flows downstream, it is water-cooled through a quartz tube, and nano-amorphous layered carbon nitride is deposited on the molybdenum (Mo) plate.
In the gas phase, three CN molecules gather to form a triazine ring, three triazine rings gather to form a heptadin, three heptazines are tricoordinated with N, and the nanoamorphous layered carbon nitride shown in FIG. 3 is synthesized. It is thought that it will be done.
The processing conditions are not particularly limited, and may be appropriately determined based on the conditions generally adopted in the past.

<分散媒>
分散媒としては、下記(1)、(2)のいずれかを用いる。
(1)強酸性のオキソ酸又は強塩基
(2)ナノアモルファス層状窒化炭素との表面自由エネルギーの差が15mJ/m2以下のもの
<Dispersion medium>
As the dispersion medium, either (1) or (2) below is used.
(1) Strongly acidic oxo acid or strong base (2) Difference in surface free energy from nano-amorphous layered carbon nitride is 15 mJ / m 2 or less

強酸性のオキソ酸としては、具体的には、例えば、硫酸、硝酸、メタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸などが好ましく挙げられる。 Specific examples of the strongly acidic oxo acid preferably include sulfuric acid, nitric acid, methanesulfonic acid, and trifluoroacetic acid.

強塩基としては、例えば、水酸化物、特に水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどが好ましく挙げられる。 As the strong base, for example, hydroxides, particularly sodium hydroxide, calcium hydroxide and the like are preferably mentioned.

ナノアモルファス層状窒化炭素との表面自由エネルギーの差が15mJ/m2以下のものとしては、例えば、ジメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。 Examples of those having a surface free energy difference of 15 mJ / m 2 or less from the nano-amorphous layered carbon nitride include dimethyl sulfoxide and γ-butyrolactone.

〔分散液〕
窒化炭素分散液の濃度としては、分散性や成膜性等を考慮して適宜決定すれば良い。
[Dispersion]
The concentration of the carbon nitride dispersion may be appropriately determined in consideration of dispersibility, film forming property and the like.

〔窒化炭素膜の成膜方法〕
本発明に係る窒化炭素膜の成膜方法では、上述した窒化炭素分散液を静電噴霧する。
静電噴霧は、エレクトロスプレーの原理を成膜に利用したものである。エレクトロスプレーは高電位に維持された毛細管ノズルから液体を吐出し、帯電した液滴が細かく分散してスプレー状になる現象を指す。
[Method for forming a carbon nitride film]
In the method for forming a carbon nitride film according to the present invention, the carbon nitride dispersion liquid described above is electrostatically sprayed.
Electrostatic spraying utilizes the principle of electrospray for film formation. Electrospray refers to a phenomenon in which a liquid is ejected from a capillary nozzle maintained at a high potential, and charged droplets are finely dispersed to form a spray.

静電噴霧装置は、図5に示すような構成を備える。
具体的な原理としては、まず、高電圧の印加によって正に帯電した液滴は、液滴同士のクーロン反発によって微細化を繰り返しながら空間に広がっていく。一定以下の大きさに微細化された液滴はクーロン力で基板に引き付けられる。そして、溶媒ないし分散媒が蒸発した状態で基板上に到達、あるいは微粒化した液体が基板に到達してから溶媒ないし分散媒が蒸発して薄膜を形成する。
液滴同士が正に帯電しているため、一般的なミスト法と比較して基板上に到達した際もムラが少ないという利点がある。
ここで、ウェットプロセスでは、スピンコート法などで成膜されることが多いが、この方法では溶媒を使用するために、積層構造を作るとなると下地の層を溶かしてしまう可能性がある。これに対し、静電塗布法では下地を溶かす心配もない。また、スピンコート法は基板が回転して周囲に液剤を飛ばしながら成膜するため液剤効率が良くない。これに対し、静電塗布法では、基板に集中してスプレーができる分、液剤効率が良く高価な材料を用いる際にもメリットがあり、生産の低コスト化が見込める。
このような特徴から、静電噴霧は、溶液だけでなく分散液での成膜も可能であり、量子ドットの成膜も期待される。
The electrostatic spray device has a configuration as shown in FIG.
As a specific principle, first, a droplet positively charged by applying a high voltage spreads in space while repeating miniaturization due to Coulomb repulsion between the droplets. Droplets that have been miniaturized to a certain size or less are attracted to the substrate by Coulomb force. Then, the solvent or dispersion medium reaches the substrate in a state of evaporation, or the atomized liquid reaches the substrate, and then the solvent or dispersion medium evaporates to form a thin film.
Since the droplets are positively charged, there is an advantage that there is less unevenness when the droplets reach the substrate as compared with the general mist method.
Here, in the wet process, a film is often formed by a spin coating method or the like, but since a solvent is used in this method, there is a possibility that the underlying layer will be melted when forming a laminated structure. On the other hand, with the electrostatic coating method, there is no need to worry about melting the substrate. Further, in the spin coating method, the liquid agent efficiency is not good because the substrate rotates and the liquid agent is formed while splashing the liquid agent around. On the other hand, in the electrostatic coating method, since the spray can be concentrated on the substrate, there is an advantage in using an expensive material with high liquid agent efficiency, and the cost of production can be expected to be reduced.
Due to these characteristics, electrostatic spray can be formed not only with a solution but also with a dispersion liquid, and the formation of quantum dots is also expected.

ナノアモルファス層状窒化炭素は、高い安定性を持つため、様々な溶媒・分散媒に対して難溶性・難分散性を示すが、本発明に係る窒化炭素分散液では、ナノアモルファス層状窒化炭素の分散性が高いため、上記のような静電噴霧を適用することが可能となる。 Since the nano-amorphous layered carbon nitride has high stability, it exhibits poor solubility and poor dispersibility in various solvents and dispersion media. However, in the carbon nitride dispersion liquid according to the present invention, the nano-amorphous layered carbon nitride is dispersed. Since of its high property, it is possible to apply the above-mentioned electrostatic spray.

静電噴霧装置における電極は、例えば、ITO(酸化インジウムスズ)電極、酸化亜鉛電極などの公知の電極を用いることができる。 As the electrode in the electrostatic spray device, for example, a known electrode such as an ITO (indium tin oxide) electrode or a zinc oxide electrode can be used.

また、静電噴霧の条件は、分散液の種類、得ようとする薄膜の面積や厚み等に応じて適宜決定すれば良い。
後述の実施例の結果から、例えば、以下のような観点に基づいて条件を決定することができる。
まず、平坦な薄膜を得るという観点からは、ワークディスタンスが大きすぎるとスプレーが広がりすぎるので、例えば、ワークディスタンス12.5mm以下が好ましい。
また、電圧が大きいほどクーロン力が大きくなり、単位時間当たりの堆積量が増加し、平坦な薄膜形成に繋がるため、分散媒の種類によっても異なるが、例えば、電圧は10kV以上が好ましい。
さらに、ノズル径については、液滴が基板に到達した際にすぐに揮発せずに、濡れた状態で、ナノアモルファス層状窒化炭素が集まる方が、平坦な薄膜形成に繋がるため、分散媒の種類や基板温度によっても異なるが、例えば、Φ=12.5mm以上が好ましい。
Further, the conditions for electrostatic spraying may be appropriately determined according to the type of dispersion liquid, the area and thickness of the thin film to be obtained, and the like.
From the results of the examples described later, for example, the conditions can be determined based on the following viewpoints.
First, from the viewpoint of obtaining a flat thin film, if the work distance is too large, the spray spreads too much. Therefore, for example, a work distance of 12.5 mm or less is preferable.
Further, the larger the voltage, the larger the Coulomb force, the larger the deposition amount per unit time, and the formation of a flat thin film. Therefore, although it depends on the type of dispersion medium, for example, the voltage is preferably 10 kV or more.
Furthermore, regarding the nozzle diameter, the type of dispersion medium is that the nanoamorphous layered carbon nitride gathers in a wet state without volatilizing immediately when the droplet reaches the substrate, which leads to the formation of a flat thin film. Although it depends on the temperature of the substrate and the temperature of the substrate, for example, Φ = 12.5 mm or more is preferable.

なお、本発明に係る窒化炭素分散液は、上記静電塗装に好適に使用できるが、それ以外にも、スピンコーティング、ロールコーティング、スピンキャスティング、ドクターブレーディング、ディップコーティング、スプレーコーティング、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷、ダイコート法などの種々の成膜方法を利用して成膜化することができる。 The carbon nitride dispersion according to the present invention can be suitably used for the above electrostatic coating, but in addition to this, spin coating, roll coating, spin casting, doctor braiding, dip coating, spray coating, screen printing, etc. The film can be formed by using various film forming methods such as gravure printing, inkjet printing, and die coating method.

以下、本発明に係る窒化炭素分散液及びこれを用いた窒化炭素膜の成膜方法について、より具体的な実施例を示すが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, more specific examples of the carbon nitride dispersion liquid according to the present invention and the method for forming a carbon nitride film using the same will be shown, but the present invention is not limited to the following examples.

〔分散液の実施例〕
<実施例1>
図4に示す大気圧窒素プラズマ装置を用いて、ナノアモルファス層状窒化炭素を作製した。
マイクロ波出力のための投入電力700Wで、60分間プラズマを生成し、試料を堆積させた。その後、石英管内に挿入したMo基板上に堆積した試料を真空中400℃で5時間熱処理した。Mo基板上に堆積したナノアモルファス層状窒化炭素(na−g−C34)を図6に示す。本実施例で使用する部分は、Aで示す領域(黄色い)である。なお、Cで示す領域(黒い)は炭素が多く含まれている。
作製したna−g−C34を、硝酸に対して、0.1重量%の割合(1mgのna−g−C34に対して999mgの硝酸)で添加し、6時間超音波分散を行った。その後、遠心分離機(クラボウ製 FB−4000)を用いて、12000rpmの回転数で15分間遠心分離を行い、不要な沈殿物の除去を試みた。その後、上澄みのみを回収した。
[Example of dispersion]
<Example 1>
A nano-amorphous layered carbon nitride was produced using the atmospheric pressure nitrogen plasma apparatus shown in FIG.
Plasma was generated for 60 minutes at an input power of 700 W for microwave output and samples were deposited. Then, the sample deposited on the Mo substrate inserted in the quartz tube was heat-treated in vacuum at 400 ° C. for 5 hours. The nano-amorphous layered carbon nitride (na-g-C 3 N 4 ) deposited on the Mo substrate is shown in FIG. The portion used in this embodiment is the region indicated by A (yellow). The region indicated by C (black) contains a large amount of carbon.
The prepared na-g-C 3 N 4 was added to nitric acid at a ratio of 0.1% by weight (999 mg of nitric acid to 1 mg of na-g-C 3 N 4 ), and ultrasonic waves were used for 6 hours. Dispersion was performed. Then, using a centrifuge (FB-4000 manufactured by Kurabo Industries), centrifugation was performed at a rotation speed of 12000 rpm for 15 minutes to try to remove unnecessary precipitates. After that, only the supernatant was collected.

<実施例2〜8、比較例1〜20>
硝酸を下表のとおりに変更したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2〜8、比較例1〜20の各上澄み液を調製した。なお、実施例2の「DMSO」は、ジメチルスルホキシドの略である。
<Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 to 20>
The supernatants of Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 to 20 were prepared in the same manner as in Example 1 except that the nitric acid was changed as shown in the table below. In addition, "DMSO" of Example 2 is an abbreviation of dimethylsulfoxide.

<分散性の評価及び考察>
上記で得た各実施例・比較例の上澄み液について、na−g−C34の分散性を確認した。
具体的には、まず、365nmのUVライトを照射し、液中のna−g−C34の蛍光を確認した。
また、レーザを照射し、チンダル現象の有無を確認して、コロイド溶液としての分散性を評価した。
その結果、実施例1〜8の各上澄み液では、蛍光が確認でき、ほとんどの分散液は、薄い黄色をした液体となり、例外として硫酸を用いた際のみ濃い茶色の液体となった。
これらの分散液はいずれも、レーザを照射すると光路が見えたことからコロイド溶液として分散しているのだと考えられる。そのため、粒径も直径が10-9から10-7m程度の大きさの粒子だと考えられる。また、いずれの分散液も3ヵ月間放置しても沈殿物などは生じず、安定して分散していた。
他方、比較例1〜20の各上澄み液では、蛍光やチンダル現象は認められず、所望の分散性は認められなかった。
<Evaluation and consideration of dispersibility>
The dispersibility of na-g-C 3 N 4 was confirmed for the supernatants of the above-mentioned Examples and Comparative Examples.
Specifically, first, irradiated with 365nm of UV light was confirmed fluorescence na-g-C 3 N 4 in the liquid.
In addition, the presence or absence of the Tyndall phenomenon was confirmed by irradiating a laser, and the dispersibility as a colloidal solution was evaluated.
As a result, fluorescence was confirmed in each of the supernatants of Examples 1 to 8, and most of the dispersions became pale yellow liquids, with the exception of dark brown liquids only when sulfuric acid was used.
It is considered that all of these dispersions are dispersed as colloidal solutions because the optical path was visible when the laser was irradiated. Therefore, the particle size is also considered to be particles with a diameter of about 10 -9 to 10 -7 m. In addition, even if any of the dispersions was left for 3 months, no precipitate was formed and the dispersions were stably dispersed.
On the other hand, in each of the supernatants of Comparative Examples 1 to 20, no fluorescence or Tyndall phenomenon was observed, and the desired dispersibility was not observed.

上記結果より、na−g−C34の分散性を高めるためには、2種類の方法があることが分かった。 From the above results, in order to improve the dispersibility of the na-g-C 3 N 4 It has been found that there are two ways.

1つ目は、強酸又は強塩基に分散する方法である。
実施例を分類すると、実施例1(硝酸、pKa=−1.4)、実施例3(トリフルオロ酢酸、pKa=−0.3)、実施例5(メタンスルホン酸、pKa=−2.6)、実施例6(硫酸、pKa=−3.0)は、強酸に分類され、実施例7(水酸化ナトリウム)、実施例8(水酸化カルシウム)は、強塩基に分類される。
比較例13(酢酸)、比較例14(無水酢酸)、比較例15(ギ酸)などの弱酸、比較例19(水酸化アンモニウム)などの弱塩基では、na−g−C34を安定的に分散させることはできなかった。
また、強酸であっても、比較例20(塩酸)のように、オキソ酸でない場合には、na−g−C34を安定的に分散させることはできなかった。
The first is a method of dispersing in a strong acid or a strong base.
When the examples are classified, Example 1 (nitric acid, pKa = -1.4), Example 3 (trifluoroacetic acid, pKa = -0.3), Example 5 (methanesulfonic acid, pKa = -2.6). ), Example 6 (sulfuric acid, pKa = -3.0) is classified as a strong acid, and Example 7 (sodium hydroxide) and Example 8 (calcium hydroxide) are classified as strong bases.
With weak acids such as Comparative Example 13 (acetic acid), Comparative Example 14 (acetic anhydride), Comparative Example 15 (formic acid), and weak bases such as Comparative Example 19 (ammonium hydroxide), na-g-C 3 N 4 is stable. Could not be dispersed in.
Further, even in a strong acid, as in Comparative Example 20 (hydrochloride), if not oxo acid, a na-g-C 3 N 4 could not be stably dispersed.

強酸による分散の過程については、次のように推測される(図7も参照)。
すなわち、液中に電離したプロトン(H+)をna−g−C34に受け渡し、超音波を当ててエネルギーを与えることで層間にプロトンが入り込み、ファンデルワールス力でスタックしていた層同士を剥離する。そして、剥離した層同士はプロトンが付与されているので電荷を保持しており、液中ではクーロン力で反発し合って分散すると考えられる。そのため、粒子は一層から数層積み重なったナノシートに近いものであると考えられる。この分散機構は水酸化ナトリウムでも同様であり、電離した水酸化物イオンが超音波のエネルギーによって層間に入り込み剥離し、分散すると考えられる。分散液の評価のために行った後述のIRスペクトル測定において、3400cm-1付近のピークの増加がプロトンの付与を示していると考えられる。
The process of dispersion with a strong acid is presumed as follows (see also FIG. 7).
That is, the ionized protons (H + ) in the liquid are transferred to na-g-C 3 N 4 , and the protons enter between the layers by applying ultrasonic waves to give energy, and the layers are stacked by van der Waals force. Peel each other. Since the separated layers are provided with protons, they retain an electric charge, and it is considered that they repel each other by Coulomb force and disperse in the liquid. Therefore, the particles are considered to be similar to nanosheets in which one to several layers are stacked. This dispersion mechanism is the same for sodium hydroxide, and it is considered that the ionized hydroxide ions enter the layers by the energy of ultrasonic waves, are separated, and are dispersed. In the IR spectrum measurement described later for the evaluation of the dispersion, it is considered that the increase of the peak around 3400 cm -1 indicates the addition of protons.

分散性を高めるためのもう1つの方法は、na−g−C34と表面自由エネルギーの近いものに分散させる方法である。
実施例では、実施例2(DMSO)や実施例4(γ−ブチロラクトン)がこれに分類される。
これらの実施例における分散は、強酸や強塩基の分散とは異なり、分散媒と分散質の表面自由エネルギーが近いことで、超音波を照射するなどにより層間に働くファンデルワールス力を引き離し、分散することができると推測される。DMSOとγ−ブチロラクトンの表面自由エネルギーは約60mJm-2である。一方で、na−g−C34は約70mJm-2である。このように、この表面自由エネルギーの値が近かったために分散できたと考えられる。
Another method for increasing the dispersibility is to disperse the na-g-C 3 N 4 in a material having a surface free energy close to that of the na-g-C 3N 4 .
In the examples, Example 2 (DMSO) and Example 4 (γ-butyrolactone) are classified into this.
The dispersion in these examples is different from the dispersion of a strong acid or a strong base, and the surface free energy of the dispersion medium and the dispersoid is close to each other, so that the van der Waals force acting between the layers is separated by irradiation with ultrasonic waves to disperse. It is speculated that it can be done. The surface free energy of DMSO and γ-butyrolactone is about 60 mJm- 2 . On the other hand, na-g-C 3 N 4 is about 70 mJm -2 . In this way, it is considered that the values could be dispersed because the values of the surface free energy were close.

<分散液の評価>
実施例1(硝酸)及び実施例2(DMSO)の各分散液について、合成石英基板上にキャスティングしてna−g−C34膜を成膜し、以下のとおり、PL(Photoluminescence)スペクトル、吸収スペクトル、IR吸収スペクトルを測定した。さらに、XPS(X線光電子分光法)測定を行った。
なお、以下では、実施例1(硝酸)の分散液を用いて得たna−g−C34膜を「SA−na−g−C34膜」と表記し、実施例2(DMSO)の分散液を用いて得たna−g−C34膜を「DMSO−na−g−C34膜」と表記することがある。
<Evaluation of dispersion>
For each dispersion of Example 1 (nitric acid) and Example 2 (DMSO), was cast into the synthetic quartz substrate was deposited na-g-C 3 N 4 film, as follows, PL (photo-luminescence) spectrum , Absorption spectrum and IR absorption spectrum were measured. Further, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) measurement was performed.
In the following, the na-g-C 3 N 4 membrane obtained by using the dispersion liquid of Example 1 (nitric acid) is referred to as "SA-na-g-C 3 N 4 membrane", and is referred to as Example 2 ( the na-g-C 3 N 4 film obtained using the dispersion of the DMSO) may be referred to as "DMSO-na-g-C 3 N 4 film."

(PLスペクトル)
分光蛍光光度計(FP−8500型、日本分光製)を用いて、na−g−C34膜のPLスペクトルを測定した。励起波長は325nmとした。
(PL spectrum)
Spectrofluorometer (FP-8500 type, manufactured by Nippon Spectroscopy) was measured using a PL spectrum of na-g-C 3 N 4 film. The excitation wavelength was 325 nm.

(吸収スペクトルの測定)
紫外可視分光光度計(UV 2450、島津製作所)を用いて、na−g−C34膜の吸収スペクトルを測定した。
(Measurement of absorption spectrum)
Ultraviolet-visible spectrophotometer (UV 2450, Shimadzu) was used to measure the absorption spectrum of the na-g-C 3 N 4 film.

(IR測定)
フーリエ変換赤外分光光度計(FT/IR−4100、日本分光製)を用いて、na−g−C34膜のIR吸収スペクトルを測定した。
(IR measurement)
Fourier transform infrared spectrophotometer (FT / IR-4100, manufactured by Nippon spectroscopy) was used to measure the IR absorption spectrum of the na-g-C 3 N 4 film.

(XPS測定)
X線光電子分光分析装置(PHI5000 VersaProbe2、アルバック・ファイ株式会社製)を用いて、na−g−C34膜について、XPS測定を行った。
(XPS measurement)
X-ray photoelectron spectrometer (PHI5000 VersaProbe2, manufactured by ULVAC-PHI, Inc.) was used to the na-g-C 3 N 4 film was subjected to XPS measurement.

<結果及び考察>
図8にPLスペクトルの変化、図9に吸収スペクトルの変化、図10にFT−IRスペクトルの変化を示す。
図8のPLスペクトルの結果より、硝酸およびDMSOを用いた際のPLスペクトルは、分散前と比較して、どちらもブルーシフトしたことがわかった。また、吸収スペクトルも同様に、硝酸・DMSOともにブルーシフトしたことが分かった。
SA−na−g−C34のPLの発光輝度は、na−g−C34と比較しても大きくなった。
上記の結果は、SA−na−g−C34自体の色が元の茶色から黄色に変化したことも考慮に入れると、吸収スペクトルがブルーシフトした分、長波長側の吸収が少なくなり、自己吸収による発光の阻害が生じなくなったためであると考えられる。
<Results and discussion>
FIG. 8 shows the change in the PL spectrum, FIG. 9 shows the change in the absorption spectrum, and FIG. 10 shows the change in the FT-IR spectrum.
From the results of the PL spectrum of FIG. 8, it was found that the PL spectrum when nitric acid and DMSO were used were both blue-shifted as compared with those before dispersion. It was also found that the absorption spectrum was also blue-shifted for both nitric acid and DMSO.
The emission brightness of the PL of SA-na-g-C 3 N 4 was larger than that of na-g-C 3 N 4 .
Taking into account that the color of SA-na-g-C 3 N 4 itself changed from the original brown to yellow, the above results show that the absorption spectrum is blue-shifted, resulting in less absorption on the long wavelength side. It is considered that this is because the inhibition of luminescence due to self-absorption no longer occurs.

また、図9のFT−IRのスペクトルを確認すると、約1400cm-1付近のスペクトルが硝酸を用いた際に大きく変化した。また、DMSOを用いた際も同じ波数周辺で大きく変化した。
メインとなる3つのピーク(図11参照)はいずれも観測されるものの比率が変化しているため、構造に変化を及ぼしていると考えられる。しかしながら、約811cm-1の窒化炭素特有のトリアジン骨格の振動が観測されるため窒化炭素由来の構造は少なからず残存していると考えられる。
また、SA−na−g−C34の約3400cm-1のブロードの吸収バンド上昇は、−OH、−NH由来の変化だと考えられる。この結果から、硝酸のプロトンがna−g−C34に吸着し、窒化炭素がプロトン化したことがうかがえる。
Moreover, when the spectrum of FT-IR in FIG. 9 was confirmed, the spectrum around about 1400 cm -1 changed significantly when nitric acid was used. Also, when DMSO was used, there was a large change around the same wavenumber.
Since the ratios of the three main peaks (see FIG. 11) are all observed, it is considered that the structure is changed. However, since the vibration of the triazine skeleton peculiar to carbon nitride of about 811 cm -1 is observed, it is considered that the structure derived from carbon nitride remains to some extent.
In addition, the increase in the broad absorption band of about 3400 cm -1 of SA-na-g-C 3 N 4 is considered to be a change derived from -OH and -NH. From this result, it can be seen that the proton of nitric acid was adsorbed on na-g-C 3 N 4 and the carbon nitride was protonated.

以上に見られる分散前後でのスペクトルの変化は、超音波分散できたことにより、以下の2つの要因によって生じていると予測できる。
仮説(1):na−g−C34化学構造が壊れることで、結合の共役長が短くなったことによってバンドギャップの上昇が生じた。
仮説(2):超音波分散によって、層が剥離しナノシートあるいは数層重なったナノ粒子が形成された。そのため、量子サイズ効果が生じバンドギャップが上昇した。
It can be predicted that the above-mentioned changes in the spectrum before and after the dispersion are caused by the following two factors due to the ultrasonic dispersion.
Hypothesis (1): na-g- C 3 N 4 by the chemical structure is broken, increase the band gap caused by the conjugation length of the bond is shortened.
Hypothesis (2): Ultrasonic dispersion caused the layers to peel off to form nanosheets or nanoparticles with several layers. Therefore, the quantum size effect is generated and the band gap is increased.

そこで、構造の変化を調べるために、上述のとおり、SA−na−g−C34、DMSO−na−g−C34のXPS測定を行った。図12にC1sスペクトルを示す。次に図13にN1sスペクトルを、最後に図14にO1sスペクトルを示す。 Therefore, in order to investigate the change in structure, XPS measurement of SA-na-g-C 3 N 4 and DMSO-na-g-C 3 N 4 was performed as described above. FIG. 12 shows the C1s spectrum. Next, FIG. 13 shows the N1s spectrum, and finally, FIG. 14 shows the O1s spectrum.

まず、図12に示すC1sスペクトルについてみると、SA−na−g−C34、DMSO−na−g−C34ともに、元のna−g−C34のスペクトルと比較して、左右の山の大きさが変化していることが分かる。左側の山の中心である288.2eV付近の山は図1のC1とC2にあたる炭素に関する結合を示すピークであり、na−g−C34に本来存在するピークである。右側の高い結合エネルギーの山である284.6eVのピークは炭化水素由来のピークである。
この結果より、SA−na−g−C34、DMSO−na−g−C34ともに元の窒化炭素の構造は持っていることが確認できた。
また、SA−na−g−C34、DMSO−na−g−C34は似たようなスペクトルとなった。炭化水素由来のピークが増えたことについては、一つは分散媒によって窒化炭素のs−ヘプタジン環状核の二重結合が切れ、分散媒はどちらも酸化剤の役割をもつので分散媒側から与えられた水素が結合することで増えた可能性がある。2つ目に、分散媒除去の過熱による可能性が考えられる。
First, looking at the C1s spectrum shown in FIG. 12, both SA-na-g-C 3 N 4 and DMSO-na-g-C 3 N 4 are compared with the original spectrum of na-g-C 3 N 4. It can be seen that the sizes of the left and right mountains are changing. The mountain near 288.2 eV, which is the center of the mountain on the left side, is a peak showing a bond related to carbon corresponding to C1 and C2 in FIG. 1, and is a peak originally existing in na-g-C 3 N 4 . The peak of 284.6 eV, which is the peak of high binding energy on the right side, is a peak derived from hydrocarbons.
From this result, it was confirmed that both SA-na-g-C 3 N 4 and DMSO-na-g-C 3 N 4 have the original carbon nitride structure.
Further, SA-na-g-C 3 N 4 and DMSO-na-g-C 3 N 4 had similar spectra. Regarding the increase in hydrocarbon-derived peaks, one is that the dispersion medium breaks the double bond of the s-heptazine cyclic nucleus of carbon nitride, and both dispersion media act as oxidants, so they are given from the dispersion medium side. It is possible that the amount of hydrogen produced has increased due to the binding. Secondly, it is possible that the dispersion medium removal is overheated.

次に、図13に示すN1sスペクトルについて比較する。
398.6eVのスペクトルは、図1のN1の窒素周辺の結合を示すピークである。また、400.3eVのスペクトルは、図1のN2周辺の結合、またs−ヘプタジン環状核同士を架橋する3配位窒素を示すスペクトルである。そのため、na−g−C34のスペクトルは、図13(a)のように左肩の部分の裾野が広がるスペクトルになる。一方で、SA−na−g−C34のN1sスペクトルにおいて、図13(b)の右側の398.6eV周辺のスペクトルは、400.3eVの山が小さい。このことはSA−na−g−C34は3配位窒素が少ない構造をとっていることを示している。つまり、s−ヘプタジン環状核同士が連続的に並んでおらず、ヘプタジンの構造(図1)に近づいていると予想される。このように予想すれば、SA−na−g−C34の色の変化をも説明でき、ヘプタジンの構造は重合の途中段階であるため色は薄いので、結果として全体の色が薄くなり黄色に変化したのだと考えられる。また、SA−na−g−C34では405.5eVのピークが新しく生じた。このピークは407eV周辺にあることから硝酸塩のスペクトルである。これは、硝酸を用いたことで図1のN1の窒素に付加されたことによるスペクトルだと考えられる。
Next, the N1s spectra shown in FIG. 13 are compared.
The 398.6 eV spectrum is a peak showing the bond around nitrogen in N1 in FIG. The spectrum of 400.3 eV is a spectrum showing the bonds around N2 in FIG. 1 and the tricoordinated nitrogen that crosslinks the s-heptazine cyclic nuclei. Therefore, the spectrum of na-g-C 3 N 4 is a spectrum in which the base of the left shoulder portion is widened as shown in FIG. 13 (a). On the other hand, in the N1s spectrum of SA-na-g-C 3 N 4 , the spectrum around 398.6 eV on the right side of FIG. 13 (b) has a small peak of 400.3 eV. This indicates that SA-na-g-C 3 N 4 has a structure with a small amount of tricoordinated nitrogen. That is, it is expected that the s-heptazine cyclic nuclei are not continuously arranged with each other and are approaching the structure of heptazine (FIG. 1). Thus expected, also illustrating the change in color of the SA-na-g-C 3 N 4, the structure of Heputajin so thin color because it is the middle stage of the polymerization, it results overall color as is thinned It is thought that it turned yellow. In addition, a new peak of 405.5 eV was generated in SA-na-g-C 3 N 4 . Since this peak is around 407 eV, it is a spectrum of nitrate. It is considered that this is a spectrum due to the addition of nitric acid to the nitrogen of N1 in FIG.

図14に示すO1sスペクトルに関しては、大きな変化は見られなかった。 No significant change was observed in the O1s spectrum shown in FIG.

以上の結果より、上記仮説(1)、すなわち、構造が壊れたことによってブルーシフトが起きているということが確認できた。このように、分散することによってna−g−C34の構造が変化することが分かった。このことは、分散媒の選定により、発光特性を変化・調製することができる可能性を示唆している。
なお、上記仮説(2)の熱による化学構造への影響については、今回の実験では、明らかになっておらず、今後調べる必要がある。
From the above results, it was confirmed that the above hypothesis (1), that is, the blue shift was caused by the broken structure. In this way, it was found that the structure of na-g-C 3 N 4 was changed by dispersion. This suggests that the emission characteristics can be changed and adjusted by selecting the dispersion medium.
The effect of heat on the chemical structure of the above hypothesis (2) has not been clarified in this experiment and needs to be investigated in the future.

〔窒化炭素膜の成膜方法の実施例〕
<実施例9〜26>
図15に示す構成を備える静電噴霧装置を用いて、窒化炭素分散液を静電噴霧して成膜化した。
用いた基板はITO基板で、分散液は、上記実施例2(DMSO)の分散液である。基板周りのステージ側に液滴が引き寄せられないように、ステージには絶縁性のポリイミドを用いた。
また、液滴は電荷を持っているので基板がチャージアップしてしまうと後から飛んでくるミストと反発してスプレーの広がりが大きくなり、基板に堆積しにくくなる。実際にガラス基板に成膜するとなるとほとんど堆積しなかった。そこで、ITOをグランドに接地しチャージを逃がすようなステージの設定を行った。
電圧はV=6、8、10kVで変化させ、ワークディスタンスはd=10、12.5、15mmで変化させ、ノズル先端の外径はΦ=25、40μmで変化させ、合計18パターンで薄膜を作製した。また、スプレー時の基板の温度は160℃に設定し、背圧はかけなかった。
下表に各実施例における条件をまとめた。
[Example of a method for forming a carbon nitride film]
<Examples 9 to 26>
A carbon nitride dispersion was electrostatically sprayed to form a film using an electrostatic spraying device having the configuration shown in FIG.
The substrate used was an ITO substrate, and the dispersion was the dispersion of Example 2 (DMSO). Insulating polyimide was used for the stage so that droplets would not be attracted to the stage side around the substrate.
In addition, since the droplets have an electric charge, when the substrate is charged up, it repels the mist that flies later and the spread of the spray becomes large, which makes it difficult to deposit on the substrate. When it was actually formed on a glass substrate, it hardly accumulated. Therefore, the stage was set so that the ITO was grounded to the ground and the charge was released.
The voltage is changed at V = 6, 8, 10 kV, the work distance is changed at d = 10, 12.5, 15 mm, and the outer diameter of the nozzle tip is changed at Φ = 25, 40 μm, and the thin film is formed in a total of 18 patterns. Made. The temperature of the substrate during spraying was set to 160 ° C., and no back pressure was applied.
The table below summarizes the conditions for each example.

<薄膜の評価及び考察>
上記のようにして得られた18種類の薄膜を、走査電子顕微鏡で表面観察し、どのように堆積しているかを観察した。
表2に示すとおり、図16(a)〜(f)は、それぞれ、実施例9〜14における表面写真を表し、図17(a)〜(f)は、それぞれ、実施例15〜20における表面写真を表し、図18(a)〜(f)は、それぞれ、実施例21〜26における表面写真を表す。
<Evaluation and consideration of thin films>
The 18 types of thin films obtained as described above were surface-observed with a scanning electron microscope, and how they were deposited was observed.
As shown in Table 2, FIGS. 16 (a) to 16 (f) represent surface photographs of Examples 9 to 14, respectively, and FIGS. 17 (a) to 17 (f) show the surfaces of Examples 15 to 20, respectively. Photographs are represented, and FIGS. 18 (a) to 18 (f) represent surface photographs of Examples 21 to 26, respectively.

まず、図18のワークディスタンスが15mmのとき、特に膜はまばらで、図18(d)、図18(c)のように基板が一部で見えるような形で堆積した。これは、ワークディスタンスが大きかったためにスプレーが広がった結果、基板に乗る量が少なかったためだと考えられる。塗布量を増やすことで比較的均一な薄膜を作製できると考えられる。ただし、液剤効率及び成膜時間の点では、好ましくない条件であると考えられる。 First, when the work distance of FIG. 18 was 15 mm, the film was particularly sparse, and as shown in FIGS. 18 (d) and 18 (c), the substrate was deposited in a partially visible form. It is considered that this is because the amount of spray on the substrate was small as a result of the spread of the spray due to the large work distance. It is considered that a relatively uniform thin film can be produced by increasing the coating amount. However, it is considered that the conditions are not preferable in terms of liquid agent efficiency and film formation time.

また、ノズル径が25μmのものと40μmで成膜したものを見比べると、全体の傾向として、ノズル径25μmで成膜した薄膜の方が、ノズル径40μmで成膜した薄膜よりも薄膜上で小さな粒が多くみられる。これに関しては、40μmよりも25μmのノズルの方が吐出時の液滴が小さく、基板到達時の液滴の大きさが小さい。そのため、基板到達後にすぐに分散媒が揮発して小さな粒がみられる結果となったと考えられる。 Comparing the one with a nozzle diameter of 25 μm and the one with a nozzle diameter of 40 μm, the overall tendency is that the thin film formed with a nozzle diameter of 25 μm is smaller on the thin film than the thin film formed with a nozzle diameter of 40 μm. Many grains are seen. In this regard, the nozzle of 25 μm has a smaller droplet size at the time of ejection than the nozzle of 40 μm, and the size of the droplet at the time of reaching the substrate is smaller. Therefore, it is considered that the dispersion medium volatilized immediately after reaching the substrate, resulting in the appearance of small particles.

40μmのノズルで成膜したもののうちワークディスタンスが10mm、12.5mmのもの(図16(d)〜(f)、図17(d)〜(f))は、薄膜の形状が丸みを持っており、山のような形をとりやすいことが分かった。この山の大きさなどは条件によって小さいものから大きいものまで様々であった。また、この形状は、図16(a)〜(c)でも同様に観察できた。この山は、25μmのノズルでは、ワークディスタンスが10mmと近い場合においてのみ観察された。この結果より、山ができる条件はいずれも基板に単位時間当たりに基板に堆積する量が比較的多い条件のみで発現することが分かった。これは、液滴が基板到達と同時に揮発してna−g−C34の粒になるのではなく、同時にいくつかの液滴が基板に到達することで濡れた状態で基板に付着して、その後、熱によって分散媒が飛んでいくことでna−g−C34の一つの大きな固まりになったために山が形成されたのだと考えられる。その証拠に、いずれの山も、一つの核が存在することが画像よりわかる。この核が基板に付着すると分散媒の揮発と同時に付着した周囲のna−g−C34粒子の凝集が起き、核に集まって山を形成する。そのため、基板到達時に液滴が揮発できるかどうかによって、山の形成に影響を及ぼすと考えられる。 Among those formed with a 40 μm nozzle, those having a work distance of 10 mm and 12.5 mm (FIGS. 16 (d) to (f) and 17 (d) to (f)) have a rounded thin film shape. It turned out that it was easy to take a mountain-like shape. The size of this mountain varied from small to large depending on the conditions. Further, this shape could be similarly observed in FIGS. 16A to 16C. This peak was only observed with a 25 μm nozzle when the work distance was close to 10 mm. From this result, it was found that all the conditions for forming peaks were expressed only under the condition that the amount deposited on the substrate per unit time was relatively large. This droplets rather than become grains na-g-C 3 N 4 and simultaneously volatilize the substrate reaches, attached to the substrate in a state that some of the liquid droplets at the same time wet by reaching the substrate After that, it is probable that a mountain was formed because the dispersion medium flew away due to heat and became one large mass of na-g-C 3 N 4 . As evidence, it can be seen from the image that each mountain has one nucleus. The nuclei occurs agglomeration around the na-g-C 3 N 4 particles deposited simultaneously with the volatilization of the dispersion medium to be attached to the substrate, gathered in the nucleus to form the mountain. Therefore, it is considered that the formation of ridges is affected by whether or not the droplets can volatilize when reaching the substrate.

また、図16(d)〜(f)、図17(d)〜(f)のいずれも電圧が高くなるほど山の直径が大きくなっていることが分かる。これに関しても、電圧が大きくなるほどクーロン力が大きくなるので、単位時間当たりの堆積量が増加することが関与していると考えられる。
例えば、図17(f)をみるといくつかの山が重なり合った結果、大きな山になったと考えられる。また、図16(d)の左側の山が三つある部分をみると、山が成長して連なる過程であることがうかがえる。つまり、単位時間当たりの堆積量が多いと、山を形成する核がたくさん形成される。そのため、凝集して核から成長した山同士が重なり合いやすく、大きな山となり平坦な形を形成するのだと考えられる。また、図16(a)、(b)、(d)の山に表面に存在する山脈も、山を形成する過程でできるものであると考えられる。この山脈同士が成長し大きくなることで、大きな山となり薄膜となるのだと考えられる。図19にその山脈構造の一例(ワークディスタンスd=10mm、Φ=25μm、電圧8kV)を示す。
これらの結果より、図17(f)のΦ=40μm、電圧10kV、d=12.5mmの条件が平坦性を持っており、デバイス化を試みる際に最適だと考えられる。特に、均一で平坦な薄膜であることで、発光ダイオード等への応用可能性が高い。
Further, it can be seen that the diameter of the mountain increases as the voltage increases in each of FIGS. 16 (d) to (f) and FIGS. 17 (d) to 17 (f). In this case as well, the Coulomb force increases as the voltage increases, so it is considered that the increase in the amount of deposition per unit time is involved.
For example, looking at FIG. 17 (f), it is considered that a large mountain was formed as a result of overlapping several mountains. Also, looking at the part with three mountains on the left side of FIG. 16 (d), it can be seen that the mountains are growing and continuing. In other words, if the amount of sedimentation per unit time is large, many nuclei forming mountains are formed. Therefore, it is considered that the mountains that have aggregated and grown from the nucleus easily overlap each other, forming a large mountain and forming a flat shape. Further, it is considered that the mountain ranges existing on the surface of the mountains in FIGS. 16A, 16B, and 16D are also formed in the process of forming the mountains. It is thought that when these mountains grow and grow larger, they become large mountains and become thin films. FIG. 19 shows an example of the mountain range structure (work distance d = 10 mm, Φ = 25 μm, voltage 8 kV).
From these results, it is considered that the conditions of Φ = 40 μm, voltage 10 kV, and d = 12.5 mm in FIG. 17 (f) have flatness and are most suitable when attempting to make a device. In particular, since it is a uniform and flat thin film, it is highly applicable to light emitting diodes and the like.

Claims (5)

ナノアモルファス層状窒化炭素が分散媒に分散されてなり、前記分散媒が、強酸性のオキソ酸又は強塩基である、窒化炭素分散液。 A carbon nitride dispersion in which nano-amorphous layered carbon nitride is dispersed in a dispersion medium, and the dispersion medium is a strongly acidic oxo acid or a strong base. 前記強酸性のオキソ酸が、硫酸、硝酸、メタンスルホン酸及びトリフルオロ酢酸から選ばれ、前記強塩基が水酸化ナトリウム又は水酸化カルシウムである、請求項1に記載の窒化炭素分散液。 The carbon nitride dispersion according to claim 1, wherein the strongly acidic oxo acid is selected from sulfuric acid, nitric acid, methanesulfonic acid and trifluoroacetic acid, and the strong base is sodium hydroxide or calcium hydroxide. ナノアモルファス層状窒化炭素が分散媒に分散されてなり、前記ナノアモルファス層状窒化炭素の表面自由エネルギーと前記分散媒の表面自由エネルギーの差が15mJ/m2以下である、窒化炭素分散液。 A carbon nitride dispersion in which nano-amorphous layered carbon nitride is dispersed in a dispersion medium, and the difference between the surface free energy of the nano-amorphous layered carbon nitride and the surface free energy of the dispersion medium is 15 mJ / m 2 or less. 前記分散媒が、ジメチルスルホキシド又はγ−ブチロラクトンである、請求項3に記載の窒化炭素分散液。 The carbon nitride dispersion according to claim 3, wherein the dispersion medium is dimethyl sulfoxide or γ-butyrolactone. 請求項1から4までのいずれかに記載の窒化炭素分散液を静電噴霧する、窒化炭素膜の成膜方法。 A method for forming a carbon nitride film, which comprises electrostatically spraying the carbon nitride dispersion according to any one of claims 1 to 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116371443A (en) * 2023-03-28 2023-07-04 江苏梵品新材料有限公司 Preparation method of carbon nitride composite photocatalyst, and product and application thereof

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