JP3697513B2 - Manganate nanosheet ultrathin film and method for producing the same - Google Patents

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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、マンガン酸ナノシートと有機ポリマーが交互に累積された超薄膜、ポリマーを除去して得たマンガン酸ナノシート超薄膜、及びこれらの各超薄膜の製造方法に関するものである。
特に、固相レドックス性を利用して電極材料などとして期待されているマンガン酸ナノシート超薄膜と、その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術と発明の課題】
近年、新機能創製の一環から遷移金属酸化物に注目が集まっている。特に、その薄膜技術について活発な提言、報告が各種学会、刊行物等に寄せられている。
マンガン酸化物の薄膜もその一つで例外ではない。その研究の方向については、極めて基礎的なものから、具体的利用技術の提言まで幅広い報告がなされている。 また、このような研究動向は特許文献においてもこれを反映して、各種分野において、マンガン酸化物の薄膜化技術に関する発明が活発になされている。
その成膜技術は、ゾル・ゲル法、電着、CVD法などにより製造されている。
【0003】
しかしながら、上記従来法は、ゾル・ゲル法、電解酸化法では、ナノメートルレンジでの膜厚のコントロールは難しく、CVD法は極めて高価な装置によらなければならず、一長一短があった。今後、マンガン酸化物薄膜の高度利用が進むにつれて、極めて厳密な膜厚コントロールが求められることが予想される。本発明は、如上の事情を考慮し、従来法とは全く異なる方法によって、膜厚を超微細な膜厚レベルで制御することのできるマンガン酸ナノシート超薄膜とその製造方法を提供しようと言うものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
そのため鋭意研究した結果、後述するように層状マンガン酸化物を特定の化学的処理に付すことによってマンガン酸ナノシートを得、得られたマンガン酸ナノシートと別途調製された有機ポリカチオンをそれぞれ液相から自己組織化的にサブnm〜nmレンジの厚みで基板材料に交互に吸着させ、これを繰り返すことによって製膜することができること、その吸着回数を調整、選定することによって極めて微細な膜厚の制御が可能であり、膜の組成、構造をナノレベルで制御しながらレイヤーバイレイヤーで製膜してなる超薄膜とその製造方法を提供することができることを知見した。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。
【0005】
すなわち、本発明は、マンガン酸ナノシートと有機ポリカチオンをそれぞれ交互に基板に吸着させ、これによってマンガン酸ナノシートの超薄膜とその製造方法を提供しようと言うものであり、従来困難であった極めて精密なサブnmでの厚みのコントロールを容易に達成しうる新しい超薄膜とその製造方法を提供することを課題とするもので、そのために講じた構成は、下記(1)〜(7)に記載する通りである。
【0006】
(1) 層状マンガン酸化物微結晶を剥離して得られるマンガン酸ナノシート(2次元結晶子)とポリマーとが交互に積層されてなることを特徴とするマンガン酸ナノシートとポリマーとからなる超薄膜。
(2) 該2次元結晶子がMnO2で示されるマンガン酸ナノシートからなることを特徴とする前記(1)項に記載のマンガン酸ナノシートとポリマーとからなる超薄膜。
(3) マンガン酸ナノシートが懸濁したコロイド溶液とカチオン性ポリマー溶液に基板を交互に浸漬する操作を反復することにより、基板上にナノシートとポリマーをそれぞれ吸着させ、該両成分がサブnm〜nmレベルの間隔で交互に繰り返す多層膜を累積することを特徴とするマンガン酸ナノシートとポリマーとからなる超薄膜の製造方法。
(4) 層状マンガン酸化物微結晶を剥離して得られる2次元結晶子(マンガン酸ナノシート)とポリマーとが交互に積層され、次いでポリマーを除去してマンガン酸ナノシート超薄膜を得ることを特徴とするマンガン酸ナノシート超薄膜。
(5) 該2次元結晶子がMnO2で示されるマンガン酸ナノシートからなることを特徴とする前記(4)項に記載のマンガン酸ナノシート超薄膜。
(6) マンガン酸ナノシートが懸濁したコロイド溶液とカチオン性ポリマー溶液に基板を交互に浸漬する操作を反復することにより、基板上にナノシートとポリマーをそれぞれ吸着させ、該両成分がサブnm〜nmレベルの間隔で交互に繰り返してなる膜を積層させ、次いでポリマーを除去してマンガン酸ナノシート超薄膜を得ることを特徴とするマンガン酸ナノシート超薄膜の製造方法。
(7) ポリマーを除去する手段が加熱することによって行われ、分解により除去されることを特徴とする前記(6)項に記載のマンガン酸化物超薄膜の製造方法。
【0007】
ここに基板上に積層する直接的原料となるマンガン酸ナノシートは、層状構造を有するマンガン酸化物に特殊な化学処理を施すことによって、ホスト層1枚にまで剥離して得られてなるものであり、1nm以下の分子的な厚み、高い2次元異方性などこれまでのマンガン酸化物にはない形態的、構造的特徴を具備したマンガン酸化物系ナノ素材(なお、これについては、同日付けにて別途特許出願中)である。
【0008】
ここに、本発明においてその出発物質として使用する層状構造を有するマンガン酸化物は、組成式AXMnO2(AはLi、Na、K、Rb、またはCsより選ばれる一種または2種以上のアルカリ金属、x≦1)で与えられる化合物群である。本発明において使用した層状マンガン酸化物(K0.45MnO2)は、後述する実施例に記載するように本発明者らにおいて開発した独自の方法により合成し、これを使用した。層状マンガン酸化物については、C.Delmas、C.Fouassierらによって“Les Phases KXMnO2(x<1)”なる表題にてZ.anorg.allg.Chem.vol.420、p.184−192(1976)にも報告されている。
【0009】
本発明者らにおいては、鋭意研究の結果、この層状マンガン酸化物を酸処理して水素型HX'MnO2・nH2O(x’≦1、0≦n≦3)に変換後、適当なアミンなどの水溶液中で振とうすることにより、母結晶を構成している層すなわちナノシートが1枚ずつ水中に剥離、分散したコロイド溶液を導くことに成功した。
なお、このナノシートは、それ自体を層状酸化物から単離して独立して提供したことは、本発明者らにおいて始めてであり、その形態や、性質等の特異性は、後述するように出発結晶である母結晶とも、そして従来法によるマンガン酸化物の微粉末とも全く異なる形態、構造、特性を有していることが明らかとなった。
ナノシートの厚みはその出発母結晶の結晶構造に依存するが、1nm以下と極めて薄い。一方横サイズはサブμm〜μmオーダーであり、非常に高い2次元異方性を有するものである。
【0010】
このマンガン酸ナノシートは負電荷を持つ一種のポリアニオンであるため、正電荷を持つポリマーと組み合わせることにより、適当に処理した基板表面上に自己組織化的に交互に吸着させることが可能となる。すなわち表面が正に帯電した基板をマンガン酸ナノシートが分散したコロイド溶液に浸漬させると、静電相互作用によりナノシートが基板表面に吸着すると言う特異な性質を有することが明らかとなった。
【0011】
そして、表面が完全にマンガン酸ナノシートで覆われると、基板表面の電荷状態は負に変化し、それ以上のナノシートの累積は静電反発により進まず、吸着反応は自己停止する。次にこの基板を有機ポリカチオン溶液に浸漬すると、今後はポリカチオンにより表面が被覆される。この自己組織化的吸着反応を繰り返すことによりレイヤーバイレイヤーでマンガン酸ナノシートとポリマーを交互に累積し、超薄膜の合成が可能となる。
【0012】
その結果、得られた薄膜中ではマンガン酸ナノシートと有機ポリマーがnmレンジで積み重なったナノ構造を持つ。
実際の製膜操作は、以下に示す手順、要領による。先ず基板を、(1)マンガン酸ナノシートコロイド溶液に浸漬→(2)純水で洗浄→(3)有機ポリカチオン溶液に浸漬→(4)純水で洗浄するという一連の操作を1サイクルとしてこれを必要回数分反復する。
【0013】
有機ポリカチオンとしてはポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロリド)(PDDA)、ポリエチレンイミン(PEI)、塩酸ポリアリルアミン(PAH)などが適当である。基板は石英ガラス板、Siウエハー、マイカ板、グラファイト板、アルミナ板等、様々な素材を用いることが可能で、大きさも原理的に制限はない。
【0014】
ただし、積層操作の前の表面の清浄および前処理は必要不可欠である。清浄化処理は代表的には中性洗剤による洗浄、有機溶剤による脱脂、濃硫酸などによる洗浄を行う。前処理は自己組織化反応を安定に開始するための操作であり、PEI等の有機ポリカチオン溶液に浸漬して、ポリカチオンを吸着させ基板表面に正電荷を導入する。
【0015】
多層超薄膜の成長は紫外・可視吸収スペクトルを累積操作ごとに測定することによってモニター可能である。図1に代表例としてマンガン酸ナノシートとPDDAを組み合わせて超薄膜を構築した場合の紫外・可視吸収スペクトルのデータを示す。このデータは、マンガン酸ナノシートコロイド溶液の濃度が、0.08g dm-3の下で測定した観測データである。PDDAは本測定波長領域に意味ある吸収を持たず、観測された吸収はマンガン酸ナノシートに由来するものである。その吸光度が累積回数にほぼ比例して増大することにより(図2)、累積操作ごとに一定量のマンガン酸ナノシートが基板上に累積されていることがわかり、規則的な薄膜成長が起きていることが証明される。図3は、このようにして製膜したサンプルの色調の変化を示すものであり、累積回数の増加に伴い次第にマンガン酸化物特有の焦げ茶色を呈している様子が確認される。
【0016】
図4は、同一製膜過程でのサンプルのX線回折データである。累積が進むに従い2θ=10°付近にブロードな回折ピークが出現し、その強度が徐々に増大する(図4)。このピークはマンガン酸ナノシートとPDDAの繰り返し周期を反映したものと考えることができ、やはり多層超薄膜が規則的に成長していることを裏付けている。その面間隔が0.80nm前後であることにより、サブnmレンジのナノ構造を有していることが確証された。
【0017】
本多層超薄膜へのマンガン酸ナノシートの累積量は、上記吸着サイクルのプロセスパラメータのうちナノシートコロイド溶液の濃度、pH、浸漬時間等を変化させることにより広い範囲で制御することができる。図5に1例として、マンガン酸ナノシートコロイド溶液の濃度が0.01g dm-3における濃度のマンガン酸ナノシートコロイド溶液を用いて製膜した場合の累積回数と紫外・可視吸収スペクトルの関係を示している。明らかに低い濃度の溶液を用いるとマンガン酸ナノシートの累積量を抑えることが可能である。このような場合でもレイヤーバイレイヤーの多層膜の規則正しい成長は可能である。
【0018】
このようにして調製されるマンガン酸ナノシートとポリマーが累積した有機/無機コンポジット超薄膜から有機ポリマーを加熱して除去し、無機膜化することもできる。図6は、マンガン酸ナノシート/PDDA超薄膜の累積回数と加熱過程の関係を示すX線回折パターンに基づいて明らかにした図である。この図において、矢印は、累積多層膜の積層周期(0.8nm)を示すブラッグピーク、黒丸はMn23の222反射を示す。2θが15〜30°におけるハロは、石英ガラス基板に由来するものである。図6に示すように100℃まではマンガン酸ナノシート/ポリマーのナノ構造を反映した回折ピークが見られるが、200℃以上の加熱によりこの回折線が消失する。これはポリマーが熱分解・除去されたためであり、無機膜が得られたことがわかる。さらに加熱すると500℃以上でMn23が結晶化し、マンガン酸化物薄膜が得られる。
【0019】
【発明の実施の態様】
以上説明したように本発明は、層状マンガン酸化物を特定の化学的処理に付すことによってえられたマンガンナノシートのコロイド溶液とポリマー溶液とを基板に交互に浸漬するだけで、膜厚が自立的にコントロールされ、その回数等を制御することによりサブナノメートルレンジで簡単に厚みを制御しうるマンガン酸化物の成膜に成功した。次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。ただし、この実施例は、あくまでも本発明の態様を具体例に基づいて説明し、発明の理解の一助とするためのものであり、本発明をこの限定する趣旨ではない。
【0020】
【実施例1】
組成式K0.45MnO2で示される層状マンガン酸カリウムを酸処理して得られる層状マンガン酸粉末(H0.13MnO2・0.7H2O)0.4gをテトラブチルアンモニウム水酸化物溶液100cm3に加えて室温で1週間程度振とう(150rpm)し、マンガン酸ナノシートが分散したコロイド溶液を得た。これを希釈して濃度を0.08g dm-3とし、さらに塩酸を添加してpHを9に調整した。一方2wt%のポリジメチルジアリルアンモニウム(PDDA)塩化物水溶液を調製し、そのpHを9に調整した。次に石英ガラス板(5cm×1cm)をメルク製ExtranMA022%液にて洗浄した後、濃硫酸、メタノールの1:1溶液にそれぞれ30分間浸漬した。30分後溶液より取り出し、Milli−Q純水で充分に洗浄した。
【0021】
次にこの基板を濃度0.25wt%のポリエチレンイミン水溶液中に20分間浸漬し、Milli−Q純水で充分に洗浄した。
このようにして洗浄・前処理を行った基板を(1)上記のマンガン酸ナノシートコロイド溶液に浸漬した。(2)20分経過後、Milli−Q純水で充分に洗浄し、アルゴン気流を吹きつけて乾燥させた。(3)次にこの基板をPDDA溶液に20分間浸漬し、(4)続いてMilli−Q純水で充分に洗浄した。以上の(1)〜(4)の操作を反復することにより、マンガン酸ナノシート超薄膜の合成を行った。
【0022】
上記の製膜サイクルを1回繰り返すごとに、紫外・可視吸収スペクトルを測定したところマンガン酸ナノシートに起因するブロードな吸収がみられ(図1)、その吸光度が1回の吸着サイクルごとにほぼリニアーに増大することが確認された(図2)。これによりほぼ等量のナノシートが基板に吸着・累積されていることが判明した。また図4に示したX線回折データからは約0.8nmの周期構造を示すブラックピークが出現し、吸着回数の増大にしたがって強度が増大した。
以上のデータから、マンガン酸ナノシートとPDDAがナノメータースケールレンジで交互に繰り返した多層超薄膜が構築できることが確認された。
【0023】
【実施例2】
実施例1と同様の手順でクリーニング、前処理を行った石英ガラス基板を(1)濃度0.01g dm-3のマンガン酸ナノシートコロイド溶液(pH=9)に浸漬した。(2)20分経過後、Milli−Q純水で充分に洗浄し、アルゴン気流を吹きつけて乾燥させた。(3)次にこの基板を実施例1のPDDA溶液に20分間浸漬し、(4)続いてMilli−Q純水で充分に洗浄した。
以上の(1)〜(4)の操作を反復し、製膜過程を実施例1と同様な方法にて調べた結果(図5)、マンガン酸ナノシートの累積量を実施例1の1/4以下に抑えた多層超薄膜の生成が確認された。
【0024】
【実施例3】
実施例1により合成したマンガン酸ナノシート/PDDA多層超薄膜を白金るつぼに入れ、電気炉で加熱した。加熱は室温から5℃ min-1の速度で昇温し、目的温度で1時間保持後、ヒーターを切り放冷した。室温に戻った後、サンプルを取りだしそのX線回折パターンを測定した(図6)。その結果、多層膜のナノ構造は200℃で破壊されることが明らかになった。これはPDDAが熱分解されたためと考えられ、無機膜の生成が確認された。500℃以上の加熱によりMn23の薄膜に変化することも分かった。
【0025】
【発明の効果】
以上開示したように、本発明は、これまでにない成膜方法によってマンガン酸化物の薄膜を提供することに成功した。その操作は、マンガン酸ナノシートのコロイド溶液と、有機ポリマー溶液の2種の溶液を準備し、成膜しようとする材料基板等をこの溶液に交互に浸漬するだけで、サブナノメートルレンジで厚みを自立的にコントロールすることができるという、極めて簡単で再現性に富んだユニークな方法によって可能となったものであり、その意義は、極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 マンガン酸ナノシート/PDDA多層超薄膜の累積過程の紫外・可視吸収スペクトル。
【図2】 マンガン酸ナノシート/PDDA超薄膜の累積過程の吸光度(340nm)と累積回数の関係を示す図。
【図3】 マンガン酸ナノシート/PDDA超薄膜の累積回数と色調の関係を観測した図。
【図4】 マンガン酸ナノシート/PDDA多層超薄膜の累積過程のX線回折パターン。
【図5】 マンガン酸ナノシート/PDDA多層超薄膜の累積過程の紫外・可視吸収スペクトル。
【図6】 マンガン酸ナノシート/PDDA多層超薄膜(10層)の加熱過程のX線回折パターン。
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an ultrathin film in which manganate nanosheets and organic polymers are alternately accumulated, an manganate nanosheet ultrathin film obtained by removing the polymer, and a method for producing each of these ultrathin films.
In particular, the present invention relates to an ultrathin manganate nanosheet that is expected as an electrode material using solid-state redox properties and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art and problems of the invention]
In recent years, transition metal oxides have attracted attention as part of creating new functions. In particular, active proposals and reports regarding the thin film technology have been sent to various academic societies and publications.
Manganese oxide thin film is one of them and is no exception. A wide range of reports have been made on the direction of research, from the very basic to the proposal of specific utilization technologies. In addition, such research trends are reflected in the patent literature, and in various fields, inventions relating to manganese oxide thinning technology have been actively made.
The film forming technique is manufactured by a sol-gel method, electrodeposition, a CVD method, or the like.
[0003]
However, in the conventional method, it is difficult to control the film thickness in the nanometer range in the sol-gel method and the electrolytic oxidation method, and the CVD method has to be based on an extremely expensive apparatus, and has advantages and disadvantages. In the future, it is expected that extremely precise control of the film thickness will be required as advanced use of manganese oxide thin films progresses. In consideration of the above circumstances, the present invention intends to provide a manganate nanosheet ultrathin film capable of controlling the film thickness at an ultrafine film thickness level by a method completely different from the conventional method and a method for producing the same. It is.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, as a result of earnest research, we obtained manganic acid nanosheets by subjecting layered manganese oxides to specific chemical treatment as described later, and obtained manganic acid nanosheets and separately prepared organic polycations from the liquid phase. It is systematically adsorbed to the substrate material with a thickness in the sub-nm to nm range, and it is possible to form a film by repeating this, and by adjusting and selecting the number of times of adsorption, a very fine film thickness can be controlled. It was found that it is possible to provide an ultra-thin film formed by layer-by-layer while controlling the composition and structure of the film at a nano level and a method for producing the same. The present invention has been made based on this finding.
[0005]
That is, the present invention is intended to provide an ultrathin film of a manganate nanosheet and a method for producing the same by alternately adsorbing the manganate nanosheet and the organic polycation to the substrate, respectively, which has been difficult to achieve. It is an object of the present invention to provide a new ultra-thin film that can easily achieve thickness control at a sub-nm and a method for manufacturing the same, and configurations taken for this purpose are described in (1) to (7) below. Street.
[0006]
(1) An ultrathin film comprising a manganate nanosheet and a polymer, wherein manganate nanosheets (two-dimensional crystallites) obtained by peeling off layered manganese oxide microcrystals and a polymer are alternately laminated.
(2) The ultrathin film comprising the manganate nanosheet and the polymer as described in (1) above, wherein the two-dimensional crystallite comprises a manganate nanosheet represented by MnO 2 .
(3) By repeating the operation of alternately immersing the substrate in the colloidal solution in which the manganic acid nanosheet is suspended and the cationic polymer solution, the nanosheet and the polymer are adsorbed on the substrate, respectively, and the both components are sub-nm to nm. A method for producing an ultrathin film comprising a manganic acid nanosheet and a polymer, wherein a multilayer film that repeats alternately at a level interval is accumulated.
(4) A two-dimensional crystallite (manganate nanosheet) obtained by peeling off layered manganese oxide microcrystals and a polymer are alternately laminated, and then the polymer is removed to obtain an ultrathin manganate nanosheet. Manganate nanosheet ultra-thin film.
(5) The ultrathin manganate nanosheet according to (4), wherein the two-dimensional crystallite is composed of a manganate nanosheet represented by MnO 2 .
(6) By repeating the operation of alternately immersing the substrate in the colloidal solution in which the manganic acid nanosheet is suspended and the cationic polymer solution, the nanosheet and the polymer are adsorbed on the substrate, respectively, and the two components are sub-nm to nm. A method for producing an ultra-manganese nanosheet ultrathin film, comprising laminating alternately repeating films at level intervals and then removing the polymer to obtain an ultrathin manganate nanosheet.
(7) The method for producing an ultrathin manganese oxide film as described in (6) above, wherein the means for removing the polymer is performed by heating and is removed by decomposition.
[0007]
The manganic acid nanosheet, which is a direct raw material to be laminated on the substrate, is obtained by exfoliating up to one host layer by applying a special chemical treatment to the manganese oxide having a layered structure. Manganese oxide-based nanomaterials with morphological and structural features that are not found in conventional manganese oxides, such as a molecular thickness of 1 nm or less and high two-dimensional anisotropy. (Patent pending).
[0008]
Here, the manganese oxide having a layered structure used as a starting material in the present invention is a composition formula A X MnO 2 (A is one or two or more alkalis selected from Li, Na, K, Rb, or Cs). It is a group of compounds given by metals, x ≦ 1). The layered manganese oxide (K 0.45 MnO 2 ) used in the present invention was synthesized and used by an original method developed by the present inventors as described in Examples described later. Regarding the layered manganese oxide, C.I. Delmas, C.I. By Fouassier et al. Under the title “Les Phases K X MnO 2 (x <1)”. anorg. allg. Chem. vol. 420, p. 184-192 (1976).
[0009]
As a result of diligent research, the present inventors have determined that this layered manganese oxide is acid-treated and converted to hydrogen type H X ′ MnO 2 .nH 2 O (x ′ ≦ 1, 0 ≦ n ≦ 3) By shaking in an aqueous solution of an amine or the like, a colloidal solution in which the layers constituting the mother crystal, that is, the nanosheets, were separated and dispersed in water one by one was succeeded.
This nanosheet was isolated for the first time from the layered oxide and independently provided by the present inventors, and the specificity of its form, properties, etc. was as described in the following. It has been clarified that it has a completely different form, structure, and properties from the parent crystal and the conventional manganese oxide fine powder.
The thickness of the nanosheet depends on the crystal structure of the starting mother crystal, but is extremely thin, 1 nm or less. On the other hand, the lateral size is on the order of sub-μm to μm and has a very high two-dimensional anisotropy.
[0010]
Since this manganic acid nanosheet is a kind of polyanion having a negative charge, it can be alternately adsorbed in a self-assembled manner on an appropriately treated substrate surface by combining with a polymer having a positive charge. That is, it has been clarified that when a substrate having a positively charged surface is immersed in a colloidal solution in which manganate nanosheets are dispersed, the nanosheet is adsorbed on the substrate surface by electrostatic interaction.
[0011]
Then, when the surface is completely covered with the manganate nanosheet, the charge state of the substrate surface changes to negative, the accumulation of the nanosheet beyond that does not proceed due to electrostatic repulsion, and the adsorption reaction self-stops. Next, when the substrate is immersed in an organic polycation solution, the surface is covered with the polycation in the future. By repeating this self-organized adsorption reaction, manganate nanosheets and polymers are alternately accumulated layer-by-layer, and an ultra-thin film can be synthesized.
[0012]
As a result, the obtained thin film has a nanostructure in which manganate nanosheets and organic polymers are stacked in the nm range.
The actual film forming operation is according to the following procedures and procedures. First, a series of operations of (1) immersing in a manganic acid nanosheet colloid solution → (2) cleaning with pure water → (3) immersing in an organic polycation solution → (4) cleaning with pure water is a cycle. Is repeated as many times as necessary.
[0013]
As the organic polycation, poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA), polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride (PAH) and the like are suitable. The substrate can be made of various materials such as a quartz glass plate, a Si wafer, a mica plate, a graphite plate, and an alumina plate, and the size is not limited in principle.
[0014]
However, cleaning and pretreatment of the surface prior to the lamination operation is essential. The cleaning treatment is typically performed by washing with a neutral detergent, degreasing with an organic solvent, washing with concentrated sulfuric acid or the like. The pretreatment is an operation for stably starting the self-assembly reaction, and is immersed in an organic polycation solution such as PEI to adsorb the polycation and introduce a positive charge on the substrate surface.
[0015]
The growth of the multilayer ultrathin film can be monitored by measuring the ultraviolet / visible absorption spectrum for each cumulative operation. As a representative example, FIG. 1 shows ultraviolet / visible absorption spectrum data when an ultrathin film is constructed by combining a manganate nanosheet and PDDA. This data is observation data measured when the concentration of the manganic acid nanosheet colloidal solution is 0.08 g dm −3 . PDDA has no meaningful absorption in this measurement wavelength region, and the observed absorption is derived from the manganate nanosheet. As the absorbance increases almost in proportion to the number of times of accumulation (FIG. 2), it can be seen that a certain amount of manganate nanosheets is accumulated on the substrate for each accumulation operation, and regular thin film growth occurs. It is proved that. FIG. 3 shows a change in the color tone of the sample thus formed, and it is confirmed that a dark brown color peculiar to manganese oxide is gradually exhibited as the cumulative number increases.
[0016]
FIG. 4 shows X-ray diffraction data of the sample in the same film forming process. As the accumulation proceeds, a broad diffraction peak appears in the vicinity of 2θ = 10 °, and its intensity gradually increases (FIG. 4). This peak can be considered to reflect the repetition period of the manganic acid nanosheet and PDDA, which again confirms that the multilayer ultrathin film is regularly grown. The interplanar spacing is around 0.80 nm, which confirms that the nanostructure has a sub-nm range.
[0017]
The cumulative amount of manganate nanosheets on the multilayer ultrathin film can be controlled over a wide range by changing the concentration, pH, immersion time, etc. of the nanosheet colloid solution among the process parameters of the adsorption cycle. As an example, FIG. 5 shows the relationship between the cumulative number of times when the manganate nanosheet colloid solution is formed using a manganate nanosheet colloid solution having a concentration of 0.01 g dm −3 and the ultraviolet / visible absorption spectrum. Yes. It is possible to suppress the cumulative amount of manganate nanosheets by using a solution with a clearly low concentration. Even in such a case, a regular growth of a layer-by-layer multilayer film is possible.
[0018]
The organic polymer can be removed by heating from the organic / inorganic composite ultrathin film in which the manganic acid nanosheets and polymer thus prepared are accumulated, thereby forming an inorganic film. FIG. 6 is a diagram clarified based on an X-ray diffraction pattern showing the relationship between the cumulative number of manganate nanosheets / PDDA ultrathin films and the heating process. In this figure, an arrow indicates a Bragg peak indicating a stacking period (0.8 nm) of the cumulative multilayer film, and a black circle indicates 222 reflection of Mn 2 O 3 . The halo at 2θ of 15 to 30 ° is derived from the quartz glass substrate. As shown in FIG. 6, a diffraction peak reflecting the nanostructure of the manganate nanosheet / polymer is seen up to 100 ° C., but this diffraction line disappears by heating at 200 ° C. or higher. This is because the polymer was thermally decomposed and removed, indicating that an inorganic film was obtained. When further heated, Mn 2 O 3 crystallizes at 500 ° C. or higher, and a manganese oxide thin film is obtained.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described above, according to the present invention, the film thickness is self-supporting by simply immersing the colloidal solution and the polymer solution of the manganese nanosheet obtained by subjecting the layered manganese oxide to a specific chemical treatment in the substrate. By controlling the number of times, etc., we succeeded in forming a manganese oxide film whose thickness can be easily controlled in the sub-nanometer range. Next, the present invention will be specifically described based on examples. However, this embodiment is only for the purpose of explaining the aspect of the present invention based on a specific example and assisting the understanding of the present invention, and is not intended to limit the present invention.
[0020]
[Example 1]
0.4 g of layered manganate powder (H 0.13 MnO 2 .0.7H 2 O) obtained by acid treatment of layered potassium manganate represented by composition formula K 0.45 MnO 2 was added to 100 cm 3 of tetrabutylammonium hydroxide solution. In addition, the mixture was shaken at room temperature for about 1 week (150 rpm) to obtain a colloidal solution in which the manganate nanosheets were dispersed. This was diluted to a concentration of 0.08 g dm −3 , and hydrochloric acid was further added to adjust the pH to 9. On the other hand, a 2 wt% polydimethyldiallylammonium (PDDA) chloride aqueous solution was prepared, and its pH was adjusted to 9. Next, the quartz glass plate (5 cm × 1 cm) was washed with Merck's ExtraMA022% solution, and then immersed in a 1: 1 solution of concentrated sulfuric acid and methanol for 30 minutes. After 30 minutes, the solution was taken out from the solution and thoroughly washed with Milli-Q pure water.
[0021]
Next, this substrate was immersed in a polyethyleneimine aqueous solution having a concentration of 0.25 wt% for 20 minutes and thoroughly washed with Milli-Q pure water.
The substrate thus cleaned and pretreated was immersed in (1) the manganic acid nanosheet colloid solution. (2) After 20 minutes, it was thoroughly washed with Milli-Q pure water and dried by blowing an argon stream. (3) Next, this substrate was immersed in a PDDA solution for 20 minutes, and (4) was then thoroughly washed with Milli-Q pure water. By repeating the above operations (1) to (4), an ultrathin manganate nanosheet was synthesized.
[0022]
When the above-described film formation cycle was repeated once, the ultraviolet / visible absorption spectrum was measured. As a result, broad absorption due to the manganate nanosheet was observed (FIG. 1), and the absorbance was almost linear for each adsorption cycle. (Fig. 2). As a result, it was found that almost the same amount of nanosheets was adsorbed and accumulated on the substrate. Further, from the X-ray diffraction data shown in FIG. 4, a black peak having a periodic structure of about 0.8 nm appeared, and the intensity increased as the number of adsorptions increased.
From the above data, it was confirmed that a multilayer ultrathin film in which manganate nanosheets and PDDA were alternately repeated in the nanometer scale range could be constructed.
[0023]
[Example 2]
A quartz glass substrate that had been cleaned and pretreated in the same procedure as in Example 1 was immersed in (1) a manganic acid nanosheet colloidal solution (pH = 9) having a concentration of 0.01 g dm −3 . (2) After 20 minutes, it was thoroughly washed with Milli-Q pure water and dried by blowing an argon stream. (3) Next, the substrate was immersed in the PDDA solution of Example 1 for 20 minutes, and (4) was then thoroughly washed with Milli-Q pure water.
As a result of repeating the above operations (1) to (4) and examining the film forming process in the same manner as in Example 1 (FIG. 5), the cumulative amount of manganate nanosheets was ¼ of that in Example 1. The production of the multilayer ultrathin film suppressed to the following was confirmed.
[0024]
[Example 3]
The manganate nanosheet / PDDA multilayer ultra-thin film synthesized according to Example 1 was placed in a platinum crucible and heated in an electric furnace. Heating was performed from room temperature at a rate of 5 ° C. min −1 , held at the target temperature for 1 hour, and then the heater was turned off and allowed to cool. After returning to room temperature, a sample was taken out and its X-ray diffraction pattern was measured (FIG. 6). As a result, it was revealed that the nanostructure of the multilayer film was destroyed at 200 ° C. This is probably because PDDA was thermally decomposed, and the formation of an inorganic film was confirmed. It was also found that the film was changed to a Mn 2 O 3 thin film by heating at 500 ° C. or higher.
[0025]
【The invention's effect】
As disclosed above, the present invention succeeded in providing a thin film of manganese oxide by an unprecedented film forming method. The operation consists of preparing a colloidal solution of manganic acid nanosheets and an organic polymer solution, and immersing the material substrate to be deposited alternately in this solution. This is made possible by a very simple and reproducible unique method that can be controlled automatically, and its significance is extremely large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an ultraviolet / visible absorption spectrum of a cumulative process of a manganate nanosheet / PDDA multilayer ultrathin film.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the absorbance (340 nm) in the accumulation process of manganate nanosheets / PDDA ultrathin films and the number of accumulations.
FIG. 3 is a diagram observing the relationship between the number of accumulated manganate nanosheets / PDDA ultrathin films and the color tone.
FIG. 4 is an X-ray diffraction pattern of a cumulative process of a manganate nanosheet / PDDA multilayer ultrathin film.
FIG. 5 shows an ultraviolet / visible absorption spectrum of a cumulative process of a manganate nanosheet / PDDA multilayer ultrathin film.
FIG. 6 is an X-ray diffraction pattern of a heating process of a manganate nanosheet / PDDA multilayer ultrathin film (10 layers).

Claims (7)

層状マンガン酸化物微結晶を剥離して得られる2次元結晶子(以下マンガン酸ナノシートと呼ぶ)とポリマーとが交互に積層されてなることを特徴とするマンガン酸化物ナノシートとポリマーとからなる超薄膜。An ultra-thin film comprising a manganese oxide nanosheet and a polymer, wherein two-dimensional crystallites (hereinafter referred to as manganate nanosheets) obtained by peeling off layered manganese oxide microcrystals and polymers are alternately laminated. . 該2次元結晶子がMnO2で示されるマンガン酸ナノシートからなることを特徴とする請求項1に記載のマンガン酸ナノシートとポリマーとからなる超薄膜。Ultrathin film the two-dimensional crystallite composed of a manganese oxide nanosheets and polymer according to claim 1, characterized in that it consists manganate nanosheet represented by MnO 2. マンガン酸ナノシートが懸濁したコロイド溶液とカチオン性ポリマー溶液に基板を交互に浸漬する操作を反復することにより、基板上にナノシートとポリマーをそれぞれ吸着させ、該両成分がサブnm〜nmレベルの間隔で交互に繰り返す多層膜を累積することを特徴とするマンガン酸ナノシートとポリマーとからなる超薄膜の製造方法。By repeating the operation of alternately immersing the substrate in the colloidal solution and the cationic polymer solution in which the manganic acid nanosheet is suspended, the nanosheet and the polymer are adsorbed on the substrate, respectively, and the two components are spaced at a sub-nm to nm level. A method for producing an ultrathin film comprising a manganic acid nanosheet and a polymer, wherein a multilayer film that repeats alternately is accumulated. 層状マンガン酸化物微結晶を剥離して得られる2次元結晶子(マンガン酸ナノシート)とポリマーとが交互に積層され、次いでポリマーを除去してマンガン酸ナノシート超薄膜を得ることを特徴とするマンガン酸ナノシート超薄膜。Manganic acid characterized in that two-dimensional crystallites (manganate nanosheets) obtained by peeling off layered manganese oxide microcrystals and polymers are alternately laminated, and then the polymer is removed to obtain an ultrathin manganate nanosheet Nanosheet ultra-thin film. 該2次元結晶子がMnO2で示されるマンガン酸ナノシートからなることを特徴とする請求項4に記載のマンガン酸ナノシート超薄膜。5. The ultrathin manganate nanosheet according to claim 4, wherein the two-dimensional crystallite comprises a manganate nanosheet represented by MnO 2 . マンガン酸ナノシートが懸濁したコロイド溶液とカチオン性ポリマー溶液に基板を交互に浸漬する操作を反復することにより、基板上にナノシートとポリマーをそれぞれ吸着させ、該両成分がサブnm〜nmレベルの間隔で交互に繰り返してなる膜を積層させ、次いでポリマーを除去してマンガン酸ナノシート超薄膜を得ることを特徴とするマンガン酸ナノシート超薄膜の製造方法。By repeating the operation of alternately immersing the substrate in the colloidal solution and the cationic polymer solution in which the manganic acid nanosheet is suspended, the nanosheet and the polymer are adsorbed on the substrate, respectively, and the two components are spaced at a sub-nm to nm level. A method for producing an ultra-manganese nanosheet ultrathin film, comprising laminating alternately repeating films and then removing the polymer to obtain an ultrathin manganate nanosheet. ポリマーを除去する手段が加熱することにより行われ、分解によって除去されることを特徴とする請求項6に記載のマンガン酸化物超薄膜の製造方法。The method for producing an ultrathin manganese oxide film according to claim 6, wherein the means for removing the polymer is performed by heating and is removed by decomposition.
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