JP4671028B2 - Photonic crystal refractive index control method - Google Patents

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Description

本発明は、フォトニック結晶の屈折率制御方法に関する。   The present invention relates to a method for controlling the refractive index of a photonic crystal.

近年、触媒、記録材料、センサー、電子デバイス、光デバイス等の幅広い分野において、微粒子の三次元周期構造を利用する研究が盛んである。特に、光学材料分野ではフォトニック結晶への関心が高まり、微粒子の規則配列体から2次元あるいは3次元のフォトニック結晶を製造する研究も盛んに行われている。ここで、フォトニック結晶とは、屈折率の異なった二つ以上の材料を周期的に配列した結晶である。このような規則的な周期構造によって、フォトニック結晶は従来の光学材料においては得られなかった特性を発揮する。このようなフォトニック結晶の最も特徴的な点としてはフォトニックバンドギャップが挙げられる。フォトニックバンドギャップとは、光がフォトニック結晶内を進む場合に伝播できない光のエネルギー帯であり、このようなエネルギー帯に相当する波長の光はフォトニック結晶を透過することができない。そのため、このようなフォトニック結晶においては、例えばフォトニック結晶中に欠陥を導入し、フォトニックバンドギャップに相当する波長を持つ光をフォトニック結晶中の欠陥部分のみを透過させることで、微小領域における光の制御を可能としている。このような特徴を有するフォトニック結晶は光学分野において非常に有用であり、特にラボスケールでの検討が可能なポリスチレンやシリカ等の球状微粒子が配列されたフォトニック結晶への期待が高まっている。   In recent years, research using three-dimensional periodic structures of fine particles has been actively conducted in a wide range of fields such as catalysts, recording materials, sensors, electronic devices, and optical devices. In particular, in the field of optical materials, interest in photonic crystals has increased, and research on producing two-dimensional or three-dimensional photonic crystals from a regular array of fine particles has been actively conducted. Here, the photonic crystal is a crystal in which two or more materials having different refractive indexes are periodically arranged. Due to such a regular periodic structure, the photonic crystal exhibits characteristics that cannot be obtained with conventional optical materials. The most characteristic point of such a photonic crystal is a photonic band gap. The photonic band gap is an energy band of light that cannot propagate when light travels through the photonic crystal, and light having a wavelength corresponding to such an energy band cannot pass through the photonic crystal. Therefore, in such a photonic crystal, for example, a defect is introduced into the photonic crystal, and light having a wavelength corresponding to the photonic band gap is transmitted only through the defective portion in the photonic crystal, so that a small area is obtained. It is possible to control the light. Photonic crystals having such characteristics are very useful in the optical field, and in particular, there is an increasing expectation for photonic crystals in which spherical fine particles such as polystyrene and silica that can be studied on a laboratory scale are arranged.

例えば、特開2004−240008号公報(特許文献1)において、微粒子が3次元的に規則的に配列してなる微粒子構造体において、材質aからなる微粒子1および材質bの芯と材質cの外殻からなる多重構造を有する微粒子2とから形成され、且つ、前記微粒子1と前記微粒子2は同一粒子径且つ同一形状を有し、前記微粒子2が任意の箇所に導入されている微粒子構造体が開示されている。しかしながら、このような特許文献1に記載の微粒子構造体においては、その製造工程が煩雑であり実用的なものではなかった。また、このような微粒子構造体においては、その製造後において屈折率を任意に変化させることができなかった。   For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-240008 (Patent Document 1), in a fine particle structure in which fine particles are regularly arranged three-dimensionally, the fine particles 1 made of the material a, the core of the material b, and the outside of the material c. A fine particle structure formed of fine particles 2 having a multi-layer structure composed of shells, wherein the fine particles 1 and the fine particles 2 have the same particle diameter and the same shape, and the fine particles 2 are introduced at arbitrary positions. It is disclosed. However, such a fine particle structure described in Patent Document 1 is not practical because the manufacturing process is complicated. Further, in such a fine particle structure, the refractive index could not be arbitrarily changed after the production.

また、特開2005−82746号公報(特許文献2)においては、架橋した親水性有機高分子化合物と、無機酸化物とが一体化されてなる層と、前記層中に包含された微粒子とからなり、且つ前記微粒子が三次元周期をもって配列してなる三次元周期構造体が開示されている。しかしながら、このような特許文献2に記載の三次元周期構造体においては、その製造に多くの製造工程を経る必要があり、工程が煩雑であるばかりか、コアシェル粒子の配列方法が不明瞭であるため、高い規則性を持つ配列体が得られていなかった。また、このような三次元周期構造体においては、一度製造した配列体の構成を変化させることはできないことから製造後に屈折率を任意に変化させることができなかった。   In JP-A-2005-82746 (Patent Document 2), a layer in which a crosslinked hydrophilic organic polymer compound and an inorganic oxide are integrated, and fine particles included in the layer. And a three-dimensional periodic structure in which the fine particles are arranged with a three-dimensional period is disclosed. However, in such a three-dimensional periodic structure described in Patent Document 2, it is necessary to go through many production steps for the production thereof, and not only the steps are complicated, but the method for arranging the core-shell particles is unclear. Therefore, an array with high regularity has not been obtained. Further, in such a three-dimensional periodic structure, the configuration of the array once manufactured cannot be changed, so that the refractive index cannot be arbitrarily changed after manufacture.

また、特開2004−46224号公報(特許文献3)においては、同じ粒径の微粒子を周期配列して成るオパール構造体の各微粒子間に前記微粒子より粒径が小さく、且つ、前記微粒子とは異なる成分のナノサイズ粒子を充填して粒子膜を形成し、次いで、前記粒子膜から前記微粒子を除去することにより球状の空間が周期的に配列された逆オパール構造体を形成し、前記逆オパール構造体の各球状空間に、光異性化を起こす化合物とネマチック液晶との混合物を充填して成る光応答型液晶入りフォトニック結晶が開示されている。しかしながら、特許文献3に記載のフォトニック結晶においては、光応答性を得ることができるが波長の制御が用いるポリスチレン粒子径で決定されるため、一つの波長のみスイッチングが可能であるに過ぎず、フォトニック結晶を製造した後において任意に屈折率を変化させることはできなかった。   Moreover, in JP-A-2004-46224 (Patent Document 3), the particle diameter is smaller than the fine particles between the fine particles of the opal structure formed by periodically arranging fine particles having the same particle diameter, and the fine particles are Filling with nano-sized particles of different components to form a particle film, and then removing the fine particles from the particle film to form an inverse opal structure in which spherical spaces are periodically arranged, and the inverse opal A photonic crystal containing a photoresponsive liquid crystal is disclosed in which each spherical space of a structure is filled with a mixture of a compound causing photoisomerization and a nematic liquid crystal. However, in the photonic crystal described in Patent Document 3, photoresponsiveness can be obtained, but since the wavelength control is determined by the polystyrene particle diameter used, only one wavelength can be switched, The refractive index could not be arbitrarily changed after the photonic crystal was manufactured.

さらに、構造体を製造した後で、屈折率ではなくて配列体の間隔を変えることでフォトニック結晶を製造する方法も報告されている(S.H.Foulger,P.Jiang,A.Lattam,D.W.Smith Jr,J.Ballato,D.E.Dausch,S.Grego,B.R.Stoner.,”Photonic Crystal Composites with Reversible High−Frequency Stop Band Shifts”,Adv.Mater,2003年発行,No15,P685−P689(非特許文献1)参照)。このようなフォトニック結晶においては、コロイド粒子の規則配列体を鋳型として、隙間にハイドロジェルを導入して強固な構造体を作製し、このハイドロジェルが溶媒を吸着して膨潤する特性を利用して、粒子間隔の制御を試みている。しかしながら、ハイドロジェルの膨潤特性を利用するために、利用できる溶媒には制約があった。また、鋳型となるコロイド結晶を作製するにあたって多大な時間を必要であった。さらに、密に充填した粒子の隙間に有機又は無機材料を充填するため、充填する物質によっては均一に奥まで充填することが困難であった。   Furthermore, a method for producing a photonic crystal by changing the interval of the array instead of the refractive index after producing the structure has also been reported (SH Foulger, P. Jiang, A. Lattam, D. W. Smith Jr, J. Ballato, D. E. Dausch, S. Grego, B. R. Stoner, “Photonic Crystal Composites with Reverse High-Frequency Stop 3”. No15, P685-P689 (refer nonpatent literature 1). In such a photonic crystal, a regular structure of colloidal particles is used as a template, a hydrogel is introduced into the gap to produce a strong structure, and this hydrogel absorbs the solvent and swells. Attempts to control particle spacing. However, in order to utilize the swelling property of hydrogel, there are restrictions on the solvent that can be used. In addition, it takes a lot of time to produce a colloidal crystal as a template. Further, since the organic or inorganic material is filled in the gaps between the closely packed particles, it has been difficult to uniformly fill the inside depending on the substance to be filled.

また、特開2003−202402号公報(特許文献4)においては、基板中あるいは基板上に光学媒質を周期的に配列させた周期性構造物の周期性構造を制御する方法であって、前記周期性構造物に外場を印加する工程を具備し、それにより基板に寸法変化を生じさせる周期性構造物の周期性構造制御方法が開示されている。しかしながら、このような周期性構造制御方法においては、磁場を印加するためには、専門の装置が必要となるためコストが嵩んでしまう。また、磁歪材料基板と非磁性基板の2種類の基板に対して粒子を規則的に配列させる必要があるため、その製造工程も煩雑であった。
特開2004−240008号公報 特開2005−82746号公報 特開2004−46224号公報 特開2003−202402号公報 S.H.Foulger,P.Jiang,A.Lattam,D.W.Smith Jr,J.Ballato,D.E.Dausch,S.Grego,B.R.Stoner.,”Photonic Crystal Composites with Reversible High−Frequency Stop Band Shifts”Adv.Mater,2003年発行,No15,P685−P689
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-202402 (Patent Document 4) is a method for controlling the periodic structure of a periodic structure in which an optical medium is periodically arranged in or on a substrate, and the period A method for controlling a periodic structure of a periodic structure is disclosed that includes a step of applying an external field to the periodic structure, thereby causing a dimensional change in the substrate. However, in such a periodic structure control method, in order to apply a magnetic field, a specialized device is required, which increases costs. Further, since it is necessary to regularly arrange the particles on two types of substrates, a magnetostrictive material substrate and a non-magnetic substrate, the manufacturing process is complicated.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-240008 JP 2005-82746 A JP 2004-46224 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-202402 S. H. Foulger, P.A. Jiang, A .; Lattam, D.C. W. Smith Jr, J. Ballato, D.M. E. Dausch, S .; Grego, B.M. R. Stoner. , “Photonic Crystal Composites with Reversible High-Frequency Stop Band Shifts” Adv. Mater, published in 2003, No15, P685-P689

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、特別な装置を必要とせずに簡便な方法でフォトニック結晶の屈折率を任意に変化させることが可能なフォトニック結晶の屈折率制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and is a photonic crystal capable of arbitrarily changing the refractive index of a photonic crystal by a simple method without requiring a special device. An object of the present invention is to provide a refractive index control method.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、先ず、球状シリカ系メソ多孔体を規則的に配列させることで、雰囲気や圧力等に応じて様々な物質を吸着させることが可能なフォトニック結晶が得られ、このようにして得られるフォトニック結晶のメソ細孔内に様々な物質を導入することによって、フォトニック結晶の屈折率を任意に制御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 first adsorb various substances according to atmosphere, pressure, etc. by regularly arranging spherical silica-based mesoporous materials. Can be obtained, and by introducing various substances into the mesopores of the photonic crystal thus obtained, the refractive index of the photonic crystal can be arbitrarily controlled. As a result, the present invention has been completed.

すなわち、本発明のフォトニック結晶の屈折率制御方法は、球状シリカ系メソ多孔体が配列してなるフォトニック結晶の屈折率の制御方法であって、前記球状シリカ系メソ多孔体のメソ細孔内に脱着可能な物質を該メソ細孔内に導入し、該物質の濃度を増減させること又は該物質と他の物質とを置換することによってフォトニック結晶の屈折率を可逆的に制御することを特徴とする方法である。
That is, the method for controlling the refractive index of a photonic crystal according to the present invention is a method for controlling the refractive index of a photonic crystal in which spherical silica-based mesoporous materials are arranged, and the mesopores of the spherical silica-based mesoporous material Introducing a desorbable substance into the mesopores and reversibly controlling the refractive index of the photonic crystal by increasing or decreasing the concentration of the substance or replacing the substance with another substance It is the method characterized by this.

上記本発明においては、前記球状シリカ系メソ多孔体の平均粒径が0.01〜3μmであり、且つ、前記球状シリカ系メソ多孔体の中心細孔直径が1.8〜5nmであることが好ましい。   In the present invention, the spherical silica-based mesoporous material has an average particle diameter of 0.01 to 3 μm, and the spherical silica-based mesoporous material has a central pore diameter of 1.8 to 5 nm. preferable.

上記本発明にかかる前記メソ細孔内に脱着可能な物質としては、水、有機溶媒、錯体及び有機色素からなる群から選択される少なくとも一種の物質であることが好ましい。
As the removable substance into mesopores according to the present invention, water is preferably at least one material selected from the group consisting of organic solvents, complex body and an organic dye.

なお、本発明のフォトニック結晶の屈折率制御方法によって、簡便な方法でフォトニック結晶の屈折率を変化させ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、通常、球状粒子を用いたフォトニック結晶は、球状粒子の配列が最密充填構造で並んでおり、構造中における球状粒子の占める割合は約26%である。そして、このようなフォトニック結晶におけるストップバンドの波長は、下記のブラッグの回折式(1)で規定される。また、例えば細孔内に導入する物質が1種類である場合の配列体の屈折率は下記式(2)、(3)で示される。
λ=2×(2/3)1/2d{(neff−sinθ}1/2 (1)
(neff)={0.26×n +0.74×(n多孔体1/2 (2)
(n多孔体)={V×n +(1−V)×(n酸化物)}1/2 (3)
(式(1)〜(3)中、λはピーク波長を示し、dは球状粒子の粒子径を示し、θは光の入射角を示し、(neff)は式(2)で求められるフォトニック結晶全体の屈折率を示し、nは配列体の存在する雰囲気(空気)の屈折率を示し、n多孔体は球状シリカ系メソ多孔体の屈折率を示し、Vは球状シリカ系メソ多孔体の全体積に占める細孔容積の割合を示し、nはメソ細孔内に充填する物質の屈折率を示し、n酸化物は球状シリカ系メソ多孔体の原料として用いられるシリカ自体の屈折率を示す。)
Although the reason why the refractive index of the photonic crystal can be changed by a simple method by the method of controlling the refractive index of the photonic crystal of the present invention is not necessarily clear, the present inventors have as follows. I guess. That is, normally, in a photonic crystal using spherical particles, the spherical particles are arranged in a close-packed structure, and the proportion of the spherical particles in the structure is about 26%. The wavelength of the stop band in such a photonic crystal is defined by the Bragg diffraction equation (1) below. Further, for example, the refractive index of the array when the number of substances introduced into the pores is one is expressed by the following formulas (2) and (3).
λ = 2 × (2/3) 1/2 d {(n eff ) 2 −sin 2 θ} 1/2 (1)
(N eff ) = {0.26 × n 1 2 + 0.74 × (n porous body ) 2 } 1/2 (2)
(N porous body ) = {V × n 2 2 + (1−V) × (n oxide )} 1/2 (3)
(In the formulas (1) to (3), λ represents a peak wavelength, d represents a particle diameter of a spherical particle, θ represents an incident angle of light, and (n eff ) is a photo obtained by the formula (2). the refractive index of the entire photonic crystal, n 1 is the refractive index of the atmosphere (air) present in the array, n porous body is the refractive index of the spherical mesoporous silica material, V is spherical mesoporous silica Represents the ratio of the pore volume to the total volume of the body, n 2 represents the refractive index of the substance filled in the mesopores, and n oxide represents the refraction of silica itself used as a raw material for the spherical silica-based mesoporous material Indicates the rate.)

本発明においては、配列されている球状粒子が球状シリカ系メソ多孔体であるので、球状シリカ系メソ多孔体の全体積に占める細孔容積の割合(V)やメソ細孔内に充填する物質の屈折率nを変化させることにより、前記式(2)及び(3)に従って容易にフォトニック結晶全体の屈折率neffを直接変化させることが可能となる。このように、本発明に用いられるフォトニック結晶においては、球状シリカ系メソ多孔体のメソ細孔内に様々な物質を導入することができるため、屈折率を固定させることなく任意に変化させることができるものと本発明者らは推察する。また、本発明においては、前記球状シリカ系メソ多孔体のメソ細孔内に脱着可能な物質を、前記メソ細孔内に導入し、その濃度を増減させたり、他の物質と置換したりすることで、よりダイナミックに屈折率を変化させることが可能となるものと本発明者らは推察する。 In the present invention, since the arranged spherical particles are spherical silica-based mesoporous materials, the ratio (V) of the pore volume to the total volume of the spherical silica-based mesoporous materials and the substances filled in the mesopores By changing the refractive index n 2 , the refractive index n eff of the entire photonic crystal can be directly changed easily according to the above formulas (2) and (3). As described above, in the photonic crystal used in the present invention, since various substances can be introduced into the mesopores of the spherical silica-based mesoporous material, the refractive index can be arbitrarily changed without fixing. The present inventors speculate that this is possible. Further, in the present invention, a substance that can be desorbed into the mesopores of the spherical silica-based mesoporous material is introduced into the mesopores, and the concentration thereof is increased or decreased or replaced with other substances. Thus, the present inventors infer that the refractive index can be changed more dynamically.

本発明によれば、特別な装置を必要とせずに簡便な方法でフォトニック結晶の屈折率を任意に変化させることが可能なフォトニック結晶の屈折率制御方法を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the refractive index control method of the photonic crystal which can change the refractive index of a photonic crystal arbitrarily by a simple method, without requiring a special apparatus.

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.

先ず、本発明に用いられる球状シリカ系メソ多孔体について説明する。本発明に用いられる球状シリカ系メソ多孔体は、均一で規則的なチャンネルのメソ細孔を有する球状シリカ系メソ多孔体であればよく特に制限されないが、以下に詳述するものが好ましい。このような球状シリカ系メソ多孔体を用いることで、フォトニック結晶を製造した後において、任意の条件下でメソ細孔内に様々な物質を吸着又は導入することが可能となる。   First, the spherical silica mesoporous material used in the present invention will be described. The spherical silica-based mesoporous material used in the present invention is not particularly limited as long as it is a spherical silica-based mesoporous material having uniform and regular channel mesopores, but those described in detail below are preferable. By using such a spherical silica-based mesoporous material, it is possible to adsorb or introduce various substances into the mesopores under arbitrary conditions after the photonic crystal is manufactured.

本発明に好適な球状シリカ系メソ多孔体は、平均粒径が0.01〜3μm(より好ましくは0.1〜1μm)のものである。このような球状シリカ系メソ多孔体の平均粒径が前記下限未満では、合成時において、粒子を合成液から分離する過程が困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると粒子の大きさが光の波長に比較して非常に大きいためフォトニック結晶として機能しなくなる傾向にある。   The spherical silica-based mesoporous material suitable for the present invention has an average particle size of 0.01 to 3 μm (more preferably 0.1 to 1 μm). If the average particle size of such a spherical silica-based mesoporous material is less than the lower limit, the process of separating the particles from the synthesis solution tends to be difficult during synthesis, whereas if the upper limit is exceeded, the particle size is large. Is very large compared to the wavelength of light, so that it tends not to function as a photonic crystal.

また、本発明に好適な球状シリカ系メソ多孔体は、中心細孔直径が1.8〜5nmのものである。このような球状シリカ系メソ多孔体の中心細孔直径が前記下限未満では、物質を導入するために有効な細孔容量が十分に得られなくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると得られる細孔径の均一性が低下しやすくなる傾向にある。   In addition, the spherical silica-based mesoporous material suitable for the present invention has a central pore diameter of 1.8 to 5 nm. When the diameter of the central pore of such a spherical silica-based mesoporous material is less than the lower limit, a pore volume effective for introducing a substance tends to be insufficient, and on the other hand, when the upper limit is exceeded, it is obtained. The uniformity of the pore diameter tends to decrease.

また、本発明に用いられる球状シリカ系メソ多孔体としては、用いられる全ての球状シリカ系メソ多孔体のうちの90質量%以上が、前記平均粒径の±10%の範囲内の粒径を有しているものであることが好ましい。このようにして、前記平均粒径の±10%の範囲内の粒径を有している球状シリカ系メソ多孔体を90質量%以上の割合で用いることで、均一に前記球状シリカ系メソ多孔体が配列されたフォトニック結晶を製造することが可能となり、光学デバイス等に前記フォトニック結晶をより好適に使用することが可能となる。   Further, as the spherical silica-based mesoporous material used in the present invention, 90% by mass or more of all the spherical silica-based mesoporous materials used has a particle diameter within a range of ± 10% of the average particle diameter. It is preferable that it has. In this way, the spherical silica mesoporous material having a particle size in the range of ± 10% of the average particle size is used at a ratio of 90% by mass or more, so that the spherical silica mesoporous material is uniformly obtained. It becomes possible to manufacture a photonic crystal in which bodies are arranged, and it is possible to more suitably use the photonic crystal in an optical device or the like.

ここで、本発明でいう「球状」とは、真の球体に限定されるものではなく、最小直径が最大直径の80%以上(好ましくは90%以上)である略球体も包含するものである。また、略球体の場合、その粒径は原則として最小直径と最大直径との平均値をいう。更に、前記中心細孔直径とは、細孔容積(V)を細孔直径(D)で微分した値(dV/dD)を細孔直径(D)に対してプロットした曲線(細孔径分布曲線)の最大ピークにおける細孔直径である。なお、細孔径分布曲線は、次に述べる方法により求めることができる。すなわち、シリカ系メソ多孔体粒子を液体窒素温度(−196℃)に冷却して窒素ガスを導入し、定容量法或いは重量法によりその吸着量を求め、次いで、導入する窒素ガスの圧力を徐々に増加させ、各平衡圧に対する窒素ガスの吸着量をプロットし、吸着等温線を得る。この吸着等温線を用い、Cranston−Inklay法、Pollimore−Heal法、BJH法等の計算法により細孔径分布曲線を求めることができる。   Here, the term “spherical” as used in the present invention is not limited to a true sphere, but includes a substantially sphere having a minimum diameter of 80% or more (preferably 90% or more) of the maximum diameter. . In the case of a substantially spherical body, the particle size is an average value of the minimum diameter and the maximum diameter in principle. Further, the central pore diameter is a curve (pore diameter distribution curve) in which a value (dV / dD) obtained by differentiating the pore volume (V) with respect to the pore diameter (D) is plotted against the pore diameter (D). ) At the maximum peak. The pore size distribution curve can be obtained by the method described below. That is, silica-based mesoporous particles are cooled to a liquid nitrogen temperature (-196 ° C.), nitrogen gas is introduced, the adsorption amount is determined by a constant volume method or a gravimetric method, and then the pressure of the introduced nitrogen gas is gradually increased. And the adsorption amount of nitrogen gas for each equilibrium pressure is plotted to obtain an adsorption isotherm. Using this adsorption isotherm, a pore size distribution curve can be obtained by a calculation method such as Cranston-Inklay method, Pollimore-Heal method, BJH method or the like.

また、前記球状シリカ系メソ多孔体としては、細孔径分布曲線における中心細孔直径の±40%の範囲に全細孔容積の60%以上が含まれるものがより好ましい。このような条件を満たすシリカ系メソ多孔体粒子は、細孔の直径が非常に均一である。そして、このような細孔の直径が均一な球状シリカ系メソ多孔体を用いることで、前記細孔の奥まで均一に様々な物質を導入することが可能となり、屈折率の制御がより効率的に行えるフォトニック結晶を製造することが可能となる。また、このような球状シリカ系メソ多孔体の比表面積については特に制限はないが、700m2/g以上であることが好ましい。比表面積は、吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。 Further, the spherical silica-based mesoporous material is more preferably one in which 60% or more of the total pore volume is included in the range of ± 40% of the central pore diameter in the pore diameter distribution curve. Silica-based mesoporous particles satisfying such conditions have a very uniform pore diameter. By using a spherical silica-based mesoporous material having a uniform pore diameter, various substances can be introduced uniformly into the pores, and the refractive index can be controlled more efficiently. It is possible to manufacture a photonic crystal that can be performed easily. The specific surface area of such a spherical silica-based mesoporous material is not particularly limited, but is preferably 700 m 2 / g or more. The specific surface area can be calculated as a BET specific surface area from the adsorption isotherm using the BET isotherm adsorption equation.

さらに、このような球状シリカ系メソ多孔体としては、そのX線回折パターンにおいて1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークを有することが好ましい。X線回折ピークはそのピーク角度に相当するd値の周期構造が試料中にあることを意味する。したがって、1nm以上のd値に相当する回折角度に1本以上のピークがあることは、細孔が1nm以上の間隔で規則的に配列していることを意味する。   Further, such a spherical silica-based mesoporous material preferably has one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more in the X-ray diffraction pattern. The X-ray diffraction peak means that a periodic structure having a d value corresponding to the peak angle is present in the sample. Therefore, having one or more peaks at a diffraction angle corresponding to a d value of 1 nm or more means that the pores are regularly arranged at intervals of 1 nm or more.

また、このような球状シリカ系メソ多孔体が有する細孔は、多孔体の表面のみならず内部にも形成される。かかる多孔体における細孔の配列状態(細孔配列構造又は構造)は特に制限されないが、2d−ヘキサゴナル構造、3d−ヘキサゴナル構造又はキュービック構造であることが好ましい。また、このような細孔配列構造は、ディスオーダの細孔配列構造を有するものであってもよい。   In addition, the pores of such a spherical silica-based mesoporous material are formed not only on the surface of the porous material but also inside. The arrangement state (pore arrangement structure or structure) of the pores in such a porous body is not particularly limited, but is preferably a 2d-hexagonal structure, a 3d-hexagonal structure, or a cubic structure. Such a pore arrangement structure may have a disordered pore arrangement structure.

ここで、多孔体がヘキサゴナルの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が六方構造であることを意味する(S.Inagaki,et
al.,J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,680,1993;S.Inagaki,et al.,Bull.Chem.Soc.Jpn.,69,1449,1996、Q.Huo,et al.,Science,268,1324,1995参照)。また、多孔体がキュービックの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が立方構造であることを意味する(J.C.Vartuli,et al.,Chem.Mater.,6,2317,1994;Q.Huo,et al.,Nature,368,317,1994参照)。また、多孔体がディスオーダの細孔配列構造を有するとは、細孔の配置が不規則であることを意味する(P.T.Tanev,et al.,Science,267,865,1995;S.A.Bagshaw,et al.,Science,269,1242,1995;R.Ryoo,et al.,J.Phys.Chem.,100,17718,1996参照)。また、前記キュービック構造は、Pm−3n、Im−3m又はFm−3m対称性であることが好ましい。前記対称性とは、空間群の表記法に基づいて決定されるものである。
Here, that the porous body has a hexagonal pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is a hexagonal structure (S. Inagaki, et.
al. , J .; Chem. Soc. , Chem. Commun. 680, 1993; Inagaki, et al. Bull. Chem. Soc. Jpn. 69, 1449, 1996; Huo, et al. Science, 268, 1324, 1995). Moreover, the porous body having a cubic pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is a cubic structure (JC Vartuli, et al., Chem. Mater., 6, 2317, 1994). Q. Huo, et al., Nature, 368, 317, 1994). Further, that the porous body has a disordered pore arrangement structure means that the arrangement of the pores is irregular (PT Tanev, et al., Science, 267, 865, 1995; S; A. Bagshaw, et al., Science, 269, 1242, 1995; R. Ryoo, et al., J. Phys. Chem., 100, 17718, 1996). The cubic structure is preferably Pm-3n, Im-3m or Fm-3m symmetric. The symmetry is determined based on a space group notation.

以上、本発明に好適に用いられる球状シリカ系メソ多孔体について説明したが、次に、このような球状シリカ系メソ多孔体を製造するための好適な製造方法の一実施形態を説明する。すなわち、本発明に好適に用いられる球状シリカ系メソ多孔体を製造するための好適な製造方法としては、溶媒中でシリカ原料と界面活性剤とを混合し、前記シリカ原料中に前記界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体粒子を得る第1の工程と、前記多孔体前駆体粒子に含まれる前記界面活性剤を除去して球状シリカ系メソ多孔体を得る第2の工程とを含む方法が挙げられる。以下に、第1の工程と、第2の工程とを分けて説明する。   The spherical silica-based mesoporous material suitably used in the present invention has been described above. Next, an embodiment of a suitable manufacturing method for manufacturing such a spherical silica-based mesoporous material will be described. That is, as a suitable production method for producing a spherical silica mesoporous material suitably used in the present invention, a silica raw material and a surfactant are mixed in a solvent, and the surfactant is contained in the silica raw material. Including a first step of obtaining a porous precursor particle in which is introduced, and a second step of obtaining a spherical silica-based mesoporous material by removing the surfactant contained in the porous precursor particle A method is mentioned. Hereinafter, the first step and the second step will be described separately.

(第1の工程)
このような球状シリカ系メソ多孔体の製造方法においては、先ず、溶媒中でシリカ原料と界面活性剤とを混合し、前記シリカ原料中に前記界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体粒子を得る(第1の工程)。
(First step)
In such a method for producing a spherical silica-based mesoporous material, first, a porous precursor particle obtained by mixing a silica raw material and a surfactant in a solvent and introducing the surfactant into the silica raw material. (First step).

前記シリカ原料は、反応によりケイ素酸化物(ケイ素複合酸化物を含む)を形成可能なものであればよく特に制限されないが、反応効率や得られるケイ素酸化物の物性の観点から、アルコキシシラン、ケイ酸ナトリウム、層状シリケート、シリカ、またはこれらの任意の混合物を用いることが好ましく、中でもアルコキシシランを用いることがより好ましい。   The silica raw material is not particularly limited as long as it can form a silicon oxide (including a silicon composite oxide) by reaction. From the viewpoint of reaction efficiency and physical properties of the obtained silicon oxide, alkoxysilane, silica It is preferable to use sodium acid, layered silicate, silica, or any mixture thereof, and it is more preferable to use alkoxysilane.

このようなアルコキシシランとしては、アルコキシ基を4個有するテトラアルコキシシラン、アルコキシ基を3個有するトリアルコキシシラン、アルコキシ基を2個有するジアルコキシシランを用いることができる。アルコキシ基の種類は特に制限されないが、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等のようにアルコキシ基中の炭素原子の数が比較的少ないもの(炭素数として1〜4程度のもの)が反応性の点から有利である。また、アルコキシシランが有するアルコキシ基が3または2個である場合は、アルコキシシラン中のケイ素原子には有機基、水酸基等が結合していてもよく、当該有機基はアミノ基やメルカプト基等の官能基をさらに有していてもよい。   As such an alkoxysilane, tetraalkoxysilane having 4 alkoxy groups, trialkoxysilane having 3 alkoxy groups, or dialkoxysilane having 2 alkoxy groups can be used. The type of alkoxy group is not particularly limited, but those having a relatively small number of carbon atoms in the alkoxy group (such as those having about 1 to 4 carbon atoms) such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, etc. This is advantageous in terms of reactivity. Further, when the alkoxysilane has 3 or 2 alkoxy groups, an organic group, a hydroxyl group, or the like may be bonded to the silicon atom in the alkoxysilane, and the organic group is an amino group, a mercapto group, or the like. It may further have a functional group.

また、前記テトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、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、前記トリアルコキシシランとしては、トリメトキシシラノール、トリエトキシシラノール、トリメトキシメチルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、γ−(メタクリロキシプロピル)トリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等が挙げられる。また、前記ジアルコキシシランとしては、ジメトキシジメチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシ−3−グリシドキシプロピルメチルシラン、ジメトキシジフェニルシラン、ジメトキシメチルフェニルシラン等が挙げられる。   Examples of the tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, and dimethoxydiethoxysilane. Examples of the trialkoxysilane include trimethoxysilanol, triethoxysilanol, Trimethoxymethylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltri Methoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, γ- (methacryloxypropyl) trimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl Examples include trimethoxysilane. Examples of the dialkoxysilane include dimethoxydimethylsilane, diethoxydimethylsilane, diethoxy-3-glycidoxypropylmethylsilane, dimethoxydiphenylsilane, and dimethoxymethylphenylsilane.

さらに、このようなアルコキシシランは、単独で用いることもできるが2種類以上を組み合わせて用いることも可能である。また、上記のアルコキシ基を2〜4個有するアルコキシシランは、アルコキシ基を1個有するモノアルコキシシランと組み合わせて使用することも可能である。このようにして用いることのできるモノアルコキシシランとしては、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、3−クロロプロピルジメチルメトキシシラン等が挙げられる。   Further, such alkoxysilanes can be used alone or in combination of two or more. Moreover, the alkoxysilane having 2 to 4 alkoxy groups described above can be used in combination with a monoalkoxysilane having one alkoxy group. Examples of the monoalkoxysilane that can be used in this way include trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, and 3-chloropropyldimethylmethoxysilane.

アルコキシシランは、加水分解によりシラノール基を生じ、生じたシラノール基同士が縮合することによりケイ素酸化物が形成される。この場合において、分子中のアルコキシ基の数が多いアルコキシシランは、加水分解および縮合で生じる結合が多くなる。したがって、本発明において、アルコキシ基の多いテトラアルコキシシランをアルコキシシランとして用いることが好ましく、テトラアルコキシシランとしては、反応速度の観点からテトラメトキシシランまたはテトラエトキシシランを用いることが特に好ましい。   Alkoxysilane produces a silanol group by hydrolysis, and the resulting silanol groups condense to form a silicon oxide. In this case, an alkoxysilane having a large number of alkoxy groups in the molecule has many bonds generated by hydrolysis and condensation. Therefore, in the present invention, tetraalkoxysilane having a large number of alkoxy groups is preferably used as alkoxysilane, and tetramethoxysilane or tetraethoxysilane is particularly preferably used as tetraalkoxysilane from the viewpoint of reaction rate.

また、前記シリカ原料として用いられるケイ酸ナトリウムとしては、メタケイ酸ナトリウム(NaSiO)、オルトケイ酸ナトリウム(NaSiO)、二ケイ酸ナトリウム(NaSi)、四ケイ酸ナトリウム(NaSi)等が挙げられる。ケイ酸ナトリウムとしては、このような単一物質の他、水ガラス(NaO・nSiO、n=2〜4)等のように組成が場合により異なるものを使用することもできる。 Examples of sodium silicate used as the silica raw material include sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ), sodium orthosilicate (Na 4 SiO 4 ), sodium disilicate (Na 2 Si 2 O 5 ), and tetrasilicate. sodium (Na 2 Si 4 O 9), and the like. As the sodium silicate, in addition to such a single substance, water glass (Na 2 O · nSiO 2 , n = 2 to 4) or the like having a different composition depending on the case can be used.

さらに、前記層状シリケートとしては、カネマイト(NaHSi・3HO)、二ケイ酸ナトリウム結晶(α、β、γ、δ−NaSi)、マカタイト(NaSi・5HO)、アイアライト(NaSi17・xHO)、マガディアイト(NaSi1417・xHO)、ケニヤイト(NaSi2041・xHO)等が挙げられる。また、セピオライト、モンモリロナイト、バーミキュライト、雲母、カオリナイト、スメクタイト等の粘土鉱物を酸性水溶液で処理してシリカ以外の元素を除去したものも層状シリケートとして使用可能である。 Further, as the layered silicate, kanemite (NaHSi 2 O 5 .3H 2 O), sodium disilicate crystal (α, β, γ, δ-Na 2 Si 2 O 5 ), macatite (Na 2 Si 4 O 9) · 5H 2 O), ialite (Na 2 Si 8 O 17 · xH 2 O), magadiite (Na 2 Si 14 O 17 · xH 2 O), kenyaite (Na 2 Si 20 O 41 · xH 2 O), etc. Is mentioned. Further, a layer obtained by treating clay minerals such as sepiolite, montmorillonite, vermiculite, mica, kaolinite and smectite with an acidic aqueous solution to remove elements other than silica can be used as the layered silicate.

前記シリカ原料として用いられるシリカとしては、Ultrasil(Ultrasil社)、Cab−O−Sil(Cabot社)、HiSil(Pittsburgh Plate Glass社)等の沈降性シリカ;コロイダルシリカ;Aerosil(Degussa−Huls社)等のフュームドシリカを挙げることができる。   Examples of the silica used as the silica raw material include precipitated silicas such as Ultrasil (Ultrasil), Cab-O-Sil (Cabot), HiSil (Pittsburgh Plate Glass); colloidal silica; Aerosil (Degussa-Huls), etc. Of fumed silica.

上記のシリカ原料は、単独で用いることもできるが2種類以上を組み合わせて用いることも可能である。但し、2種類以上のシリカ原料を用いる場合は、製造時の反応条件が複雑化することがあるため、シリカ原料は単独のものを使用することが好ましい。   The above silica raw materials can be used alone or in combination of two or more. However, when two or more types of silica raw materials are used, it is preferable to use a single silica raw material because the reaction conditions during production may be complicated.

また、前記界面活性剤は、下記一般式(1)で表されるアルキルアンモニウムハライドである。   The surfactant is an alkyl ammonium halide represented by the following general formula (1).

[式中、R1、R2およびR3は同一でも異なっていてもよい炭素数1〜3のアルキル基、Xはハロゲン原子、nは13〜25の整数をそれぞれ示す。]
このように、一般式(1)におけるR、R、Rは同一でも異なっていてもよく、それぞれ炭素数1〜3のアルキル基を示す。このようなアルキル基としてはメチル基、エチル基、プロピル基が挙げられ、これらが一分子中に混在してもよいが、界面活性剤分子の対称性の観点からR、R、Rは全て同一であることが好ましい。界面活性剤分子の対称性が優れる場合は、界面活性剤同士の凝集(ミセルの形成等)が容易となる傾向にある。更に、R、R、Rのうち少なくとも1つはメチル基であることが好ましく、R、R、Rの全てがメチル基であることがより好ましい。
[Wherein, R 1 , R 2 and R 3 may be the same or different and each represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, X represents a halogen atom, and n represents an integer of 13 to 25, respectively. ]
Thus, R < 1 >, R < 2 >, R < 3 > in General formula (1) may be same or different, and respectively shows a C1-C3 alkyl group. Examples of such an alkyl group include a methyl group, an ethyl group, and a propyl group, and these may be mixed in one molecule. From the viewpoint of symmetry of the surfactant molecule, R 1 , R 2 , R 3 Are preferably the same. When the symmetry of the surfactant molecule is excellent, aggregation of the surfactants (formation of micelles, etc.) tends to be facilitated. Furthermore, R 1, it is preferable that at least one of R 2, R 3 is a methyl group, and more preferably all of R 1, R 2, R 3 is a methyl group.

また、一般式(1)におけるnは13〜25の整数を示し、13〜17の整数であることがより好ましい。前記nが12以下であるアルキルアンモニウムハライドでは、球状の多孔体は得られるものの、中心細孔直径が1.8nmより小さくなってしまい、分子量の大きい物質を細孔内に導入することができなくなる。他方、前記nが26以上のアルキルアンモニウムハライドでは、界面活性剤の疎水性相互作用が強すぎるため、層状の化合物が生成してしまい、球状の多孔体を得ることができなくなる。   Moreover, n in General formula (1) shows the integer of 13-25, and it is more preferable that it is an integer of 13-17. With the alkylammonium halide having n of 12 or less, a spherical porous body can be obtained, but the central pore diameter becomes smaller than 1.8 nm, and a substance having a large molecular weight cannot be introduced into the pores. . On the other hand, in the case of the alkylammonium halide having n of 26 or more, the hydrophobic interaction of the surfactant is too strong, so that a layered compound is generated and a spherical porous body cannot be obtained.

更に、一般式(1)におけるXはハロゲン原子を示し、このようなハロゲン原子の種類は特に制限されないが、入手の容易さの観点からXは塩素原子または臭素原子であることが好ましい。   Furthermore, X in the general formula (1) represents a halogen atom, and the kind of such a halogen atom is not particularly limited, but X is preferably a chlorine atom or a bromine atom from the viewpoint of easy availability.

したがって、上記一般式(1)で表される界面活性剤としては、R、R、Rの全てがメチル基でありかつ炭素数14〜26の長鎖アルキル基を有するアルキルトリメチルアンモニウムハライドであることが好ましく、中でもテトラデシルトリメチルアンモニウムハライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムハライド、エイコシルトリメチルアンモニウムハライド、ドコシルトリメチルアンモニウムハライドがより好ましい。 Therefore, as the surfactant represented by the general formula (1), all of R 1 , R 2 and R 3 are methyl groups and alkyltrimethylammonium halides having a long-chain alkyl group having 14 to 26 carbon atoms. Among them, tetradecyltrimethylammonium halide, hexadecyltrimethylammonium halide, octadecyltrimethylammonium halide, eicosyltrimethylammonium halide, and docosyltrimethylammonium halide are more preferable.

このような界面活性剤は、シリカ原料と共に溶媒中で複合体を形成する。複合体中のシリカ原料は反応によりケイ素酸化物へと変化するが、界面活性剤が存在している部分ではケイ素酸化物が生成しないため、界面活性剤が存在している部分に孔が形成されることになる。すなわち、界面活性剤はシリカ原料中に導入されて孔形成のためのテンプレートとして機能する。また、このような界面活性剤は1種類もしくは2種類以上を組み合わせて用いることが可能であるが、上記のように界面活性剤はシリカ原料の反応生成物に孔を形成させる際のテンプレートとして働き、その種類は多孔体の孔の形状に大きな影響を与えるため、より均一な球状多孔体が得るためには、界面活性剤は1種類のみを用いることが好ましい。   Such a surfactant forms a complex in a solvent together with the silica raw material. The silica raw material in the composite is changed to silicon oxide by the reaction, but silicon oxide is not generated in the part where the surfactant is present, so pores are formed in the part where the surfactant is present. Will be. That is, the surfactant is introduced into the silica raw material and functions as a template for pore formation. Further, such surfactants can be used alone or in combination of two or more, but as described above, the surfactant functions as a template for forming pores in the reaction product of the silica raw material. Since the type greatly affects the shape of the pores of the porous body, it is preferable to use only one type of surfactant in order to obtain a more uniform spherical porous body.

前記シリカ原料および前記界面活性剤を混合するための溶媒として、水とアルコールとの混合溶媒を用いる。このようなアルコールとしては、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、グリセリンが挙げられ、シリカ原料の溶解性の観点からメタノールまたはエタノールが好ましい。   As a solvent for mixing the silica raw material and the surfactant, a mixed solvent of water and alcohol is used. Examples of such alcohol include methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, ethylene glycol, and glycerin, and methanol or ethanol is preferable from the viewpoint of solubility of the silica raw material.

そして、前記シリカ原料中に前記界面活性剤が導入されてなる多孔体前駆体粒子を合成する際に、アルコールの含有量が45〜80容量%の水/アルコール混合溶媒を用いることが重要であり、アルコールの含有量が50〜70容量%のものを用いることがより好ましい。このように比較的多量のアルコールを含有する混合溶媒を使用することにより、均一な球状体の発生及び成長が実現され、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径が高度に均一に制御されることとなる。アルコールの含有量が45容量%未満の場合は、粒径及び粒径分布の制御が困難となり、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径の均一性が低くなる。他方、アルコールの含有量が80容量%を超える場合も、粒径及び粒径分布の制御が困難となり、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径の均一性が低くなる。   When synthesizing the porous precursor particles in which the surfactant is introduced into the silica raw material, it is important to use a water / alcohol mixed solvent having an alcohol content of 45 to 80% by volume. More preferably, the alcohol content is 50 to 70% by volume. Thus, by using a mixed solvent containing a relatively large amount of alcohol, generation and growth of uniform spheres are realized, and the particle diameter of the resulting spherical silica-based mesoporous material is highly uniformly controlled. It will be. When the alcohol content is less than 45% by volume, it is difficult to control the particle size and particle size distribution, and the particle size uniformity of the resulting spherical silica mesoporous material is reduced. On the other hand, when the alcohol content exceeds 80% by volume, it is difficult to control the particle size and particle size distribution, and the uniformity of the particle size of the obtained spherical silica-based mesoporous material is lowered.

また、前記の水とアルコールとの比率を変化させることにより、粒径の均一性は高水準に保持しつつ、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径を容易に制御することができる。すなわち、水の比率が高い場合は多孔体が析出し易くなるために粒径が小さくなり、逆にアルコールの比率が高い場合は大きい粒径の多孔体を得ることができる。   Further, by changing the ratio of water and alcohol, the particle size of the obtained spherical silica mesoporous material can be easily controlled while maintaining the uniformity of the particle size at a high level. That is, when the water ratio is high, the porous body is likely to precipitate, so the particle size is small. Conversely, when the alcohol ratio is high, a porous body having a large particle size can be obtained.

更に、前記シリカ原料および前記界面活性剤を前記混合溶媒中で混合して多孔体前駆体粒子を得る際に、上述した界面活性剤の濃度を溶液の全容量を基準として0.003〜0.03mol/L(好ましくは、0.01〜0.02mol/L)とし、上述したシリカ原料の濃度を溶液の全容量を基準として0.005〜0.03mol/L(好ましくは、0.008〜0.015mol/L)とする必要がある。このように界面活性剤およびシリカ原料の濃度を厳密に制御することによって、前述の混合溶媒を使用することと相俟って均一な球状体の発生及び成長が実現され、得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径が高度に均一に制御されることとなる。界面活性剤の濃度が0.003mol/L未満の場合は、テンプレートとなるべき界面活性剤の量が不足するために良好な多孔体を得ることができず、更に粒径及び粒径分布の制御が困難となって得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径の均一性が低くなる。他方、界面活性剤の濃度が0.03mol/Lを超える場合は、形状が球状である多孔体を高比率で得ることができず、更に粒径及び粒径分布の制御が困難となって得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径の均一性が低くなる。また、シリカ原料の濃度が0.005mol/L未満の場合は、形状が球状である多孔体を高比率で得ることができず、更に粒径及び粒径分布の制御が困難となって得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径の均一性が低くなる。他方、シリカ原料の濃度が0.03mol/Lを超える場合は、テンプレートとなるべき界面活性剤の比率が不足するために良好な多孔体を得ることができず、更に粒径及び粒径分布の制御が困難となって得られる球状シリカ系メソ多孔体の粒径の均一性が低くなる。   Furthermore, when the porous material precursor particles are obtained by mixing the silica raw material and the surfactant in the mixed solvent, the concentration of the surfactant described above is set to 0.003 to 0.00 on the basis of the total volume of the solution. 03 mol / L (preferably 0.01 to 0.02 mol / L), and the concentration of the silica raw material described above is 0.005 to 0.03 mol / L (preferably 0.008 to 0.015 mol / L). By strictly controlling the concentrations of the surfactant and the silica raw material in this way, the generation and growth of uniform spherical bodies can be realized in combination with the use of the above-mentioned mixed solvent, and the resulting spherical silica meso The particle size of the porous body is highly uniformly controlled. When the concentration of the surfactant is less than 0.003 mol / L, a sufficient porous body cannot be obtained because the amount of the surfactant to be a template is insufficient, and the particle size and particle size distribution are controlled. The particle size uniformity of the spherical silica-based mesoporous material obtained becomes difficult. On the other hand, when the concentration of the surfactant exceeds 0.03 mol / L, a porous body having a spherical shape cannot be obtained at a high ratio, and control of the particle size and particle size distribution becomes difficult. The uniformity of the particle size of the resulting spherical silica-based mesoporous material is reduced. In addition, when the concentration of the silica raw material is less than 0.005 mol / L, a porous body having a spherical shape cannot be obtained in a high ratio, and control of the particle size and particle size distribution becomes difficult. The uniformity of the particle size of the spherical silica-based mesoporous material is lowered. On the other hand, when the concentration of the silica raw material exceeds 0.03 mol / L, a good porous body cannot be obtained because the ratio of the surfactant to be a template is insufficient, and the particle size and particle size distribution are further reduced. The uniformity of the particle size of the spherical silica-based mesoporous material obtained because of difficulty in control becomes low.

また、前記シリカ原料および前記界面活性剤を混合する際に、塩基性条件下で混合することが好ましい。シリカ原料は、一般に塩基性条件下においても酸性条件下においても反応が生じケイ素酸化物へと変化するが、前記シリカ原料と前記界面活性剤の濃度は従来技術の方法に比較してかなり低いものとなっているために、酸性条件下では反応がほとんど進行しない。したがって、前記シリカ原料および前記界面活性剤を混合する際には、塩基性条件下でシリカ原料を反応させることが好ましい。なお、シリカ原料は、酸性条件で反応させる場合よりも塩基性条件で反応させる場合の方がケイ素原子の反応点が増加し、耐湿性や耐熱性等の物性に優れたケイ素酸化物を得ることができるため、塩基性条件下で混合することはこの点においても有利である。   Moreover, when mixing the said silica raw material and the said surfactant, it is preferable to mix on basic conditions. The silica raw material generally reacts under basic and acidic conditions and changes to silicon oxide, but the concentration of the silica raw material and the surfactant is considerably lower than that of the prior art method. Therefore, the reaction hardly proceeds under acidic conditions. Therefore, when mixing the silica raw material and the surfactant, it is preferable to react the silica raw material under basic conditions. In addition, when the silica raw material is reacted under basic conditions, the reaction point of silicon atoms is increased when the reaction is performed under basic conditions, and a silicon oxide having excellent physical properties such as moisture resistance and heat resistance is obtained. In this respect, mixing under basic conditions is also advantageous.

前記混合溶媒を塩基性にするためには、通常、水酸化ナトリウム水溶液等の塩基性物質を添加する。反応時の塩基性条件に関しては特に制限されないが、添加する塩基性物質のアルカリ当量を全シリカ原料中のケイ素原子モル数で除した値が0.1〜0.9となるようにすることが好ましく、0.2〜0.5となるようにすることがより好ましい。添加する塩基性物質のアルカリ当量を全シリカ原料中のケイ素原子モル数で除した値が0.1未満である場合は、収率が低下してしまう傾向があり、他方、0.9を超える場合は、多孔体の形成が困難となる傾向がある。   In order to make the mixed solvent basic, a basic substance such as an aqueous sodium hydroxide solution is usually added. There are no particular restrictions on the basic conditions during the reaction, but the value obtained by dividing the alkali equivalent of the basic substance to be added by the number of moles of silicon atoms in the total silica raw material should be 0.1 to 0.9. Preferably, it is more preferably 0.2 to 0.5. When the value obtained by dividing the alkali equivalent of the basic substance to be added by the number of moles of silicon atoms in the total silica raw material is less than 0.1, the yield tends to decrease, and on the other hand, it exceeds 0.9. In such a case, the formation of the porous body tends to be difficult.

また、前述の第1の工程における反応条件(反応温度、反応時間等)は特に制限されず、反応温度としては、例えば−20℃〜100℃(好ましくは0℃〜80℃、より好ましくは10℃〜40℃)とすることができる。また、反応は攪拌状態で進行させることが好ましい。具体的な反応条件は、用いるシリカ原料の種類等に基づいて決定することが好ましい。   The reaction conditions (reaction temperature, reaction time, etc.) in the first step are not particularly limited, and the reaction temperature is, for example, -20 ° C to 100 ° C (preferably 0 ° C to 80 ° C, more preferably 10 ° C). ° C to 40 ° C). Further, the reaction is preferably allowed to proceed with stirring. Specific reaction conditions are preferably determined based on the type of silica raw material used.

すなわち、シリカ原料としてアルコキシシランを用いる場合は、例えば、以下のようにして多孔体前駆体粒子を得ることができる。先ず、水とアルコールの混合溶媒に対して、界面活性剤および塩基性物質を添加して界面活性剤の塩基性溶液を調製し、この溶液にアルコキシシランを添加する。添加されたアルコキシシランは溶液中で加水分解(または、加水分解および縮合)するために、添加後数秒〜数十分で白色粉末が析出する。この場合において、反応温度は0℃〜80℃とすることが好ましく、10℃〜40℃とすることがより好ましい。また、溶液は攪拌することが好ましい。   That is, when using alkoxysilane as a silica raw material, for example, porous precursor particles can be obtained as follows. First, a surfactant and a basic substance are added to a mixed solvent of water and alcohol to prepare a basic solution of the surfactant, and alkoxysilane is added to this solution. Since the added alkoxysilane is hydrolyzed (or hydrolyzed and condensed) in the solution, a white powder is deposited several seconds to several tens of minutes after the addition. In this case, the reaction temperature is preferably 0 ° C to 80 ° C, more preferably 10 ° C to 40 ° C. The solution is preferably stirred.

沈殿物が析出した後、0℃〜80℃(好ましくは10℃〜40℃)で1時間〜10日、溶液をさらに攪拌してシリカ原料の反応を進行させる。攪拌終了後、必要に応じて室温で一晩放置して系を安定化させ、得られた沈殿物を必要に応じてろ過および洗浄することによって多孔体前駆体粒子が得られる。   After the precipitate is deposited, the solution is further stirred at 0 ° C. to 80 ° C. (preferably 10 ° C. to 40 ° C.) for 1 hour to 10 days to advance the reaction of the silica raw material. After completion of the stirring, if necessary, the system is allowed to stand overnight at room temperature to stabilize the system, and the resulting precipitate is filtered and washed as necessary to obtain porous precursor particles.

また、シリカ原料として、アルコキシシラン以外のシリカ原料(ケイ酸ナトリウム、層状シリケートまたはシリカ)を用いる場合は、シリカ原料を、界面活性剤を含有する水とアルコールの混合溶媒に添加し、シリカ原料中のケイ素原子と等モル程度になるように、水酸化ナトリウム水溶液等の塩基性物質をさらに添加して均一な溶液を調製する。その後、希薄酸溶液をシリカ原料中のケイ素原子に対して1/2〜3/4倍モル添加するという方法により多孔体前駆体粒子を作製することができる。塩基性物質は、シリカ原料中に既に形成されているSi−(O−Si)結合の一部を切断する目的のために過剰分必要となるが、その過剰分を酸により中和する必要がある。酸としては、塩酸、硫酸等の無機酸、酢酸等の有機酸のいずれを用いてもよい。 When silica raw material other than alkoxysilane (sodium silicate, layered silicate or silica) is used as the silica raw material, the silica raw material is added to a mixed solvent of water and alcohol containing a surfactant. A basic solution such as an aqueous sodium hydroxide solution is further added to prepare a uniform solution so as to have an equimolar amount with respect to the silicon atoms. Thereafter, porous precursor particles can be produced by a method in which a dilute acid solution is added in a molar amount of 1/2 to 3/4 times the silicon atoms in the silica raw material. The basic substance requires an excessive amount for the purpose of cleaving a part of the Si— (O—Si) 4 bond already formed in the silica raw material, but it is necessary to neutralize the excess with an acid. There is. As the acid, any of inorganic acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid, and organic acids such as acetic acid may be used.

(第2の工程)
次に、第2の工程においては、前記第1の工程で得られた多孔体前駆体粒子に含まれる界面活性剤を除去して球状シリカ系メソ多孔体を得る。このように界面活性剤を除去する方法としては、例えば、焼成による方法、有機溶媒で処理する方法、イオン交換法等を挙げることができる。
(Second step)
Next, in the second step, the surfactant contained in the porous precursor particles obtained in the first step is removed to obtain a spherical silica-based mesoporous material. Examples of the method for removing the surfactant as described above include a method by baking, a method of treating with an organic solvent, and an ion exchange method.

焼成による方法においては、多孔体前駆体粒子を300〜1000℃、好ましくは400〜700℃で加熱する。加熱時間は30分程度でもよいが、完全に界面活性剤を除去するには1時間以上加熱することが好ましい。また、焼成は空気中で行うことが可能であるが、多量の燃焼ガスが発生するため、窒素等の不活性ガスを導入して行ってもよい。また、有機溶媒で処理する場合は、用いた界面活性剤に対する溶解度が高い良溶媒中に多孔体前駆体粒子を浸漬して界面活性剤を抽出する。イオン交換法においては多孔体前駆体粒子を酸性溶液(少量の塩酸を含むエタノール等)に浸漬し、例えば50〜70℃で加熱しながら攪拌を行う。これにより、多孔体前駆体粒子の孔中に存在する界面活性剤が水素イオンでイオン交換される。なお、イオン交換により孔中には水素イオンが残存することになるが、水素イオンのイオン半径は十分小さいため孔の閉塞の問題は生じない。   In the method by firing, the porous precursor particles are heated at 300 to 1000 ° C, preferably 400 to 700 ° C. The heating time may be about 30 minutes, but it is preferable to heat for 1 hour or longer in order to completely remove the surfactant. The firing can be performed in the air, but since a large amount of combustion gas is generated, it may be performed by introducing an inert gas such as nitrogen. Moreover, when processing with an organic solvent, a porous body precursor particle is immersed in a good solvent with high solubility with respect to the used surfactant, and surfactant is extracted. In the ion exchange method, the porous precursor particles are immersed in an acidic solution (such as ethanol containing a small amount of hydrochloric acid) and stirred, for example, while heating at 50 to 70 ° C. Thereby, the surfactant existing in the pores of the porous precursor particles is ion-exchanged with hydrogen ions. In addition, although hydrogen ions remain in the hole by ion exchange, the problem of blockage of the hole does not occur because the ion radius of the hydrogen ion is sufficiently small.

このような製造方法により、本発明に好適な球状シリカ系メソ多孔体を製造することができる。すなわち、前述の製造方法によって、平均粒径が0.01〜3μmである球状シリカ系メソ多孔体であって、得られる全粒子の90質量%以上(好ましくは95質量%以上)が平均粒径の±10%の範囲内の粒径を有するという極めて粒径の均一性が高く、しかも中心細孔直径が1.8〜5nmと比較的大きい球状シリカ系メソ多孔体を得ることができる。   With such a production method, a spherical silica-based mesoporous material suitable for the present invention can be produced. That is, a spherical silica-based mesoporous material having an average particle size of 0.01 to 3 μm by the above-described production method, and 90% by mass or more (preferably 95% by mass or more) of the total particles obtained is an average particle size. Thus, it is possible to obtain a spherical silica-based mesoporous material having extremely high particle size uniformity having a particle size in the range of ± 10% and a relatively large central pore diameter of 1.8 to 5 nm.

また、このようにして得られる球状シリカ系メソ多孔体は、前記界面活性剤を鋳型として前記シリカ源を原料として作製されるものであり、ケイ素原子が酸素原子を介して結合した骨格−Si−O−を基本とし、高度に架橋した網目構造を有しているものとなる。更に、このようなシリカ系材料は、ケイ素原子及び酸素原子を主成分とするものであればよく、ケイ素原子の少なくとも一部が有機基の2箇所以上で炭素−ケイ素結合を形成しているものでもよい。また、このような有機基としては、例えば、アルカン、アルケン、アルキン、ベンゼン、シクロアルカン等の炭化水素から2つ以上の水素がとれて生じる2価以上の有機基が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、有機基は、アミド基、アミノ基、イミノ基、メルカプト基、スルフォン基、カルボキシル基、エーテル基、アシル基、ビニル基等を有するものであってもよい。   In addition, the spherical silica-based mesoporous material thus obtained is prepared using the surfactant as a template and the silica source as a raw material, and a skeleton-Si— in which silicon atoms are bonded through oxygen atoms. It is based on O- and has a highly crosslinked network structure. Further, such a silica-based material is only required to have a silicon atom and an oxygen atom as main components, and at least a part of the silicon atom forms a carbon-silicon bond at two or more sites of the organic group. But you can. Examples of such organic groups include divalent or higher valent organic groups generated by removing two or more hydrogens from hydrocarbons such as alkanes, alkenes, alkynes, benzenes, and cycloalkanes. Instead, the organic group may have an amide group, amino group, imino group, mercapto group, sulfone group, carboxyl group, ether group, acyl group, vinyl group or the like.

次に、本発明に用いられるフォトニック結晶について説明する。本発明に用いられるフォトニック結晶は、前述のような球状シリカ系メソ多孔体を規則的に配列してなるものである。そのため、本発明に用いられるフォトニック結晶は、配列された球状シリカ系メソ多孔体の細孔内に様々な物質を吸着させることができ、配列体作製後においても屈折率を任意に制御することが可能なものとなる。   Next, the photonic crystal used in the present invention will be described. The photonic crystal used in the present invention is formed by regularly arranging spherical silica-based mesoporous materials as described above. Therefore, the photonic crystal used in the present invention can adsorb various substances in the pores of the arranged spherical silica-based mesoporous materials, and can arbitrarily control the refractive index even after the array is produced. Is possible.

また、このようなフォトニック結晶における球状シリカ系メソ多孔体の配列形態は、基板上に球状シリカ系メソ多孔体を規則的に配列させた形態であればよく特に制限されず、基板上に規則的に前記球状シリカ系メソ多孔体を1層配列させた平面的な配列形態であっても、複数層配列させた立体的な配列形態であってもよい。また、このような立体的な配列形態としては、例えば、六方最密構造や立方最密構造のような配列形態が挙げられる。   The arrangement form of the spherical silica-based mesoporous material in such a photonic crystal is not particularly limited as long as the spherical silica-based mesoporous material is regularly arranged on the substrate. Specifically, it may be a planar arrangement form in which one layer of the spherical silica-based mesoporous material is arranged, or a three-dimensional arrangement form in which a plurality of layers are arranged. Examples of such a three-dimensional arrangement form include an arrangement form such as a hexagonal close-packed structure or a cubic close-packed structure.

このようなフォトニック結晶を製造するために採用される球状シリカ系メソ多孔体を基板上に配列する方法は基板上に球状シリカ系メソ多孔体を規則的に配列させることが可能な方法であればよく特に制限されず、従来公知の球状シリカ系メソ多孔体の配列方法を適宜採用することが可能である。   The method of arranging the spherical silica-based mesoporous material used for producing such a photonic crystal on the substrate is a method capable of regularly arranging the spherical silica-based mesoporous material on the substrate. There is no particular limitation, and a conventionally known method for arranging spherical silica-based mesoporous materials can be appropriately employed.

このような球状シリカ系メソ多孔体を配列する方法としては、具体的には、重力沈降などの粒子の自己集積を用いたり、外部から電気や磁場などの外力を強制的に与えたり、スピンコート、ディップコートなどを採用したりすることにより基板上に球状シリカ系メソ多孔体を規則的に配列させる方法や、マイクロピンセットを用いて基板上に球状シリカ系メソ多孔体を規則的に配列させる方法等が挙げられる。このような球状シリカ系メソ多孔体を配列する方法としては、配列体作製後に細孔内へ任意に物質を導入するという観点から、例えば、良好に分散させた球状シリカ系メソ多孔体の分散液を2枚のガラス板の間に充填して溶媒を蒸発させることで基板上に球状シリカ系メソ多孔体を規則的に配列させる方法を採用することが好ましい。   Specific methods for arranging such spherical silica-based mesoporous materials include self-assembly of particles such as gravity sedimentation, forcing external force such as electricity and magnetic field from the outside, spin coating, etc. , A method of regularly arranging spherical silica-based mesoporous materials on a substrate by employing dip coating, or a method of regularly arranging spherical silica-based mesoporous materials on a substrate using microtweezers Etc. As a method for arranging such spherical silica-based mesoporous materials, for example, from the viewpoint of arbitrarily introducing a substance into the pores after preparing the array, for example, a dispersion of a spherical silica-based mesoporous material that is well dispersed It is preferable to employ a method in which spherical silica-based mesoporous materials are regularly arranged on the substrate by filling the glass between two glass plates and evaporating the solvent.

また、このようなフォトニック結晶を製造する際に用いる基板としては、コロイド粒子が規則配列しやすいものであれば特に制限されず、ガラス基板の他、シリコンウェーハ等を用いることができる。   In addition, the substrate used in manufacturing such a photonic crystal is not particularly limited as long as colloidal particles are easily arranged regularly, and a silicon wafer or the like can be used in addition to a glass substrate.

以上、本発明に用いられる球状シリカ系メソ多孔体について説明したが、次に、本発明のフォトニック結晶の屈折率制御方法について説明する。すなわち、本発明のフォトニック結晶の屈折率制御方法は、球状シリカ系メソ多孔体からなる前記フォトニック結晶のメソ細孔内に、前記メソ細孔内に導入可能な物質を導入する方法である。このような屈折率の制御方法によって、特別な装置を必要とせずに簡便な方法でフォトニック結晶の屈折率を任意に変化させることが可能となる。   The spherical silica-based mesoporous material used in the present invention has been described above. Next, the method for controlling the refractive index of the photonic crystal of the present invention will be described. That is, the refractive index control method for a photonic crystal of the present invention is a method for introducing a substance that can be introduced into the mesopores into the mesopores of the photonic crystal made of a spherical silica-based mesoporous material. . With such a refractive index control method, it is possible to arbitrarily change the refractive index of the photonic crystal by a simple method without requiring a special device.

本発明に用いられる前記メソ細孔内に導入可能な物質としては、前記球状シリカ系メソ多孔体が有するメソ細孔内に導入可能な物質であればよく特に制限されないが、水、有機溶媒、金属、金属化合物、錯体及び有機色素からなる群から選択される少なくとも一種の物質を用いることが好ましい。   The substance that can be introduced into the mesopores used in the present invention is not particularly limited as long as it is a substance that can be introduced into the mesopores of the spherical silica-based mesoporous material, but water, an organic solvent, It is preferable to use at least one substance selected from the group consisting of metals, metal compounds, complexes and organic dyes.

このような有機溶媒としては、トルエン、ベンゼン、アセトン、エタノール、メタノール、プロパノール、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ヘキサン、クロロホルム等が挙げられ、前記金属としては、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)等が挙げられ、前記金属化合物としては、酸化チタン(TiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化鉄(Fe)、硫化亜鉛(ZnS)、硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)等が挙げられる。また、前記錯体としては、ポルフィリン錯体、クロロフィル誘導体、ルテニウム(Ru)錯体等が挙げられ、前記有機色素としては、Rhodamine 6G、Rhodamine B、メチレンブルー、クマリン、エオシン等が挙げられる。また、このようなメソ細孔内に導入可能な物質は、1種を単独で、又は2種以上を混合して導入させることもできる。また、このようなメソ細孔内に導入可能な物質を2種以上混合して用いる場合には、それらの物質を溶液又は分散液の状態にして用いることも可能である。 Examples of such an organic solvent include toluene, benzene, acetone, ethanol, methanol, propanol, chlorobenzene, dichlorobenzene, hexane, chloroform, and the like. As the metal, gold (Au), platinum (Pt), silver ( Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru) and the like. Examples of the metal compound include titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), Examples thereof include zinc sulfide (ZnS), cadmium sulfide (CdS), cadmium selenide (CdSe), and the like. Examples of the complex include porphyrin complexes, chlorophyll derivatives, and ruthenium (Ru) complexes. Examples of the organic dyes include Rhodamine 6G, Rhodamine B, methylene blue, coumarin, and eosin. Moreover, the substance which can be introduce | transduced in such a mesopore can also be introduced individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Moreover, when using 2 or more types of substances which can be introduce | transduced in such a mesopore, it is also possible to use those substances in the state of a solution or a dispersion liquid.

また、前記メソ細孔内に導入可能な物質としては、前記メソ細孔内に脱着可能な物質がより好ましい。このようにしてメソ細孔内に脱着可能な物質を用いることで、フォトニック結晶の使用状況に応じて、その屈折率を任意に、しかも可逆的に変化(増減)させることが可能となる。このようなメソ細孔内に脱着可能な物質としては、例えば、水、トルエンやベンゼン等の粘性の低い有機溶媒及び、それらに対する溶解性の高い錯体や色素等が挙げられる。   Further, the substance that can be introduced into the mesopores is more preferably a substance that can be desorbed into the mesopores. In this way, by using a detachable substance in the mesopores, the refractive index can be arbitrarily and reversibly changed (increased / decreased) according to the use state of the photonic crystal. Examples of the substance that can be desorbed into the mesopores include water, organic solvents having low viscosity such as toluene and benzene, and complexes and dyes having high solubility in them.

前記フォトニック結晶のメソ細孔内に導入可能な物質を前記メソ細孔内に導入するための方法(以下、単に「導入方法」と記載する。)としては特に制限されず、前記メソ細孔内に導入可能な物質の種類や、目的とする屈折率の値等に応じ、適宜好適な方法を選択する。このような導入方法としては、前記メソ細孔内に導入する物質自体の気体又は液体中、あるいは、前記メソ細孔内に導入する物質を含有する気体又は液体中に前記フォトニック結晶を静置する方法を挙げることができる。このような導入方法としては、例えば、前記メソ細孔内に導入する物質として水を使用する場合、前記フォトニック結晶を所定条件の恒温恒湿槽内に静置したり、適切な装置を用いて蒸気を流通させたりする方法を挙げることができる。また、前記メソ細孔内に導入する物質として疎水性の強い物質を使用する場合には、先ず、前記フォトニック結晶の前記メソ細孔内にカップリング剤(例えばシランカップリング剤)を導入して細孔内部を疎水化した後に、前記フォトニック結晶を疎水性の強い物質を含有する気体又は液体中に静置して、前記フォトニック結晶のメソ細孔内に疎水性の強い物質を導入する方法を採用することが好ましい。このようにして、先ず、前記フォトニック結晶の前記メソ細孔内にカップリング剤を導入して細孔内部を疎水化することで、前記疎水性の強い物質を容易に導入することが可能となる。また、前記フォトニック結晶の前記メソ細孔内に脱着可能な物質を導入した後に、その物質を除去する方法も特に制限されず、導入した物質に応じて適宜好適な方法を選択することができる。   A method for introducing a substance that can be introduced into the mesopores of the photonic crystal into the mesopores (hereinafter simply referred to as “introduction method”) is not particularly limited, and the mesopores are not limited. A suitable method is appropriately selected according to the type of substance that can be introduced into the inside, the target refractive index value, and the like. As such an introduction method, the photonic crystal is allowed to stand in the gas or liquid of the substance itself to be introduced into the mesopores, or in the gas or liquid containing the substance to be introduced into the mesopores. The method of doing can be mentioned. As such an introduction method, for example, when water is used as a substance to be introduced into the mesopores, the photonic crystal is allowed to stand in a constant temperature and humidity chamber under a predetermined condition, or an appropriate device is used. And a method of circulating steam. When a highly hydrophobic substance is used as the substance to be introduced into the mesopores, first, a coupling agent (for example, a silane coupling agent) is introduced into the mesopores of the photonic crystal. After hydrophobizing the inside of the pores, the photonic crystal is placed in a gas or liquid containing a highly hydrophobic substance to introduce a highly hydrophobic substance into the mesopores of the photonic crystal. It is preferable to adopt the method to do. In this way, first, by introducing a coupling agent into the mesopores of the photonic crystal to make the inside of the pores hydrophobic, the highly hydrophobic substance can be easily introduced. Become. Further, the method for removing the substance after the desorbable substance is introduced into the mesopores of the photonic crystal is not particularly limited, and a suitable method can be appropriately selected according to the introduced substance. .

また、前記フォトニック結晶のメソ細孔内に導入可能な物質を前記メソ細孔内に導入する量は特に制限されず、フォトニック結晶を使用する際に要求されるフォトニック結晶の屈折率の値に応じて、その導入量を適宜変化させて用いることとなる。従って、フォトニック結晶の屈折率をある特定の値とするために、その導入量を前記メソ細孔内に導入できる最大限の量とする必要がある場合には、前記メソ細孔内に導入可能な物質を前記最大限の量導入し、他方、フォトニック結晶の屈折率をある特定の値とするために、前記メソ細孔内に導入可能な物質を所定量導入すれば足りる場合には、前記メソ細孔内に導入可能な物質を前記所定量導入することとなる。   Further, the amount of the substance that can be introduced into the mesopores of the photonic crystal is not particularly limited, and the refractive index of the photonic crystal required when using the photonic crystal is not limited. Depending on the value, the introduction amount is appropriately changed and used. Therefore, in order to set the refractive index of the photonic crystal to a specific value, it is necessary to introduce the maximum amount that can be introduced into the mesopores. In the case where it is sufficient to introduce a predetermined amount of the substance that can be introduced into the mesopores in order to introduce the maximum possible amount of the substance and, on the other hand, to set the refractive index of the photonic crystal to a specific value. The predetermined amount of the substance that can be introduced into the mesopores is introduced.

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.

(製造例1:球状シリカ系メソ多孔体の製造)
先ず、水800g及びメタノール800gの混合溶液に対して、ヘキサデシル(界面活性剤)7.04g及び1規定の水酸化ナトリウム9.12gを添加した。これにテトラメトキシシラン(シリカ原料)5.28gを添加して攪拌を続けたところ、テトラメトキシシランは完全に溶解し、約200秒後に白色粉末が析出した。その後、室温下において更に8時間撹拌して一晩(14時間)放置した後、前記混合液を濾過と脱イオン水による洗浄を3回繰り返して白色粉末(多孔体前駆体)を得た。次いで、このようにして得られた白色粉末を熱風乾燥機で3日間乾燥させた後、550℃の温度条件で6時間焼成して前記白色粉末から界面活性剤を含む有機成分を除去し、球状シリカ系メソ多孔体を得た。
(Production Example 1: Production of spherical silica-based mesoporous material)
First, 7.04 g of hexadecyl (surfactant) and 9.12 g of 1N sodium hydroxide were added to a mixed solution of 800 g of water and 800 g of methanol. When 5.28 g of tetramethoxysilane (silica raw material) was added thereto and stirring was continued, tetramethoxysilane was completely dissolved, and a white powder was precipitated after about 200 seconds. Thereafter, the mixture was further stirred at room temperature for 8 hours and allowed to stand overnight (14 hours), and then the mixture was filtered and washed with deionized water three times to obtain a white powder (porous body precursor). Next, the white powder thus obtained was dried with a hot air dryer for 3 days, and then fired at a temperature condition of 550 ° C. for 6 hours to remove organic components including the surfactant from the white powder. A silica-based mesoporous material was obtained.

このようにして得られた球状シリカ系メソ多孔体のX線回折パターンのグラフを図1に示す。図1に示されたX線回折パターンより、得られた球状シリカ系メソ多孔体は2次元ヘキサゴナルの細孔配列構造を有していることが示された。   A graph of the X-ray diffraction pattern of the spherical silica-based mesoporous material thus obtained is shown in FIG. The X-ray diffraction pattern shown in FIG. 1 shows that the obtained spherical silica-based mesoporous material has a two-dimensional hexagonal pore arrangement structure.

次に、このような球状シリカ系メソ多孔体の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行った。得られたSEM写真を図2に示す。SEMにより観察された球状シリカ系メソ多孔体は、いずれも球状の形状を有していることが確認された。   Next, such a spherical silica-based mesoporous material was observed with a scanning electron microscope (SEM). The obtained SEM photograph is shown in FIG. It was confirmed that all of the spherical silica-based mesoporous materials observed by SEM have a spherical shape.

更に、25℃の温度条件下において、前記球状シリカ系メソ多孔体の水蒸気吸着等温線の測定を行った。得られた結果を図3に示す。図3に示すように、前記球状シリカ系メソ多孔体は、相対蒸気圧(P/P)の値がすなわち0.3〜0.5の範囲(0.4前後)において、急激な水蒸気吸着量の増加が見られることが確認された。このような事実から、前記相対蒸気圧(P/P)の値が0.3未満の場合においては前記球状シリカ系メソ多孔体の細孔内部には水が一層のみ吸着した状態であることが確認され、他方、曲線が急激に立ち上がっている相対蒸気圧(P/P)の値が0.5を超える場合には、毛管凝縮現象により細孔内部に水蒸気が導入され、前記球状シリカ系メソ多孔体の細孔内部は水蒸気でほぼ100%満たされていることが確認された。また、図3に示すような急激な立ち上がりを有する吸着等温線は、非常に均一なメソ細孔を持つ多孔体に特有のものであることから、前記球状シリカ系メソ多孔体が非常に均一で規則的なチャンネルのメソ細孔を持つことが分かる。 Furthermore, the water vapor adsorption isotherm of the spherical silica-based mesoporous material was measured under a temperature condition of 25 ° C. The obtained results are shown in FIG. As shown in FIG. 3, the spherical silica-based mesoporous material has a rapid water vapor adsorption when the relative vapor pressure (P / P 0 ) is in the range of 0.3 to 0.5 (around 0.4). It was confirmed that the amount increased. From this fact, when the relative vapor pressure (P / P 0 ) is less than 0.3, only one layer of water is adsorbed inside the pores of the spherical silica-based mesoporous material. On the other hand, when the value of the relative vapor pressure (P / P 0 ) at which the curve rises rapidly exceeds 0.5, water vapor is introduced into the pores by capillary condensation phenomenon, and the spherical silica It was confirmed that the inside of the pores of the system mesoporous material was almost 100% filled with water vapor. Further, the adsorption isotherm having a sharp rise as shown in FIG. 3 is peculiar to a porous body having very uniform mesopores, so that the spherical silica-based mesoporous body is very uniform. It can be seen that it has regular channel mesopores.

(製造例2:フォトニック結晶の製造)
前記製造例1で得られた球状シリカ系メソ多孔体を用いて、これを水に分散させて分散液を得た後、2枚のガラス板の間にその分散液を充填した。その後、水が蒸発することで、球状シリカ系メソ多孔体が自己集積して配列体が形成され、ガラス基板上に前記球状シリカ系メソ多孔体が配列したフォトニック結晶を得た。
(Production Example 2: Production of photonic crystal)
Using the spherical silica-based mesoporous material obtained in Production Example 1, this was dispersed in water to obtain a dispersion, and then the dispersion was filled between two glass plates. Thereafter, water evaporates, and the spherical silica-based mesoporous material was self-assembled to form an array, and a photonic crystal in which the spherical silica-based mesoporous material was arrayed on a glass substrate was obtained.

このようにして得られたフォトニック結晶の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行った。得られたSEM写真を図4(倍率20000倍)及び図5(倍率5000倍)に示す。図4及び図5に示す結果からも明らかなように、このようなフォトニック結晶においては、前記球状シリカ系メソ多孔体が広い範囲で規則的に最密構造に配列していることが確認された。   The photonic crystal thus obtained was observed with a scanning electron microscope (SEM). The obtained SEM photograph is shown in FIG. 4 (magnification 20000 times) and FIG. 5 (magnification 5000 times). As is clear from the results shown in FIGS. 4 and 5, in such a photonic crystal, it is confirmed that the spherical silica-based mesoporous materials are regularly arranged in a close-packed structure in a wide range. It was.

(実施例1)
前記製造例2で得られたフォトニック結晶を用いて、前記フォトニック結晶のメソ細孔内に水蒸気を導入して屈折率を変化させ、前記メソ細孔内部に水蒸気を導入する前後におけるフォトニック結晶の反射スペクトルの測定を行った。すなわち、先ず、真空乾燥により前記フォトニック結晶のメソ細孔内部の水蒸気を十分に除去した後、前記フォトニック結晶の反射スペクトルを測定した。次に、前記フォトニック結晶のメソ細孔の内部に水蒸気を導入するために、前記フォトニック結晶を温度30℃、相対湿度90%の恒温恒湿槽内に10時間静置した。このようにして前記フォトニック結晶のメソ細孔内部に水蒸気を導入した後に、そのフォトニック結晶の反射スペクトルを測定した。つまり、今回の測定は、図3の水蒸気吸着等温線における相対蒸気圧(P/P)の値が0.25の場合と、0.90の場合にそれぞれ行ったことに相当する。更に、フォトニック結晶の反射スペクトルの測定に際しては、ハロゲンランプ(スポット径:5mm)を光源とし、前記フォトニック結晶に対して、照射する光の入射角をそれぞれ9°、14°、20°、24°、30°、34°と変化させた。そして、前記フォトニック結晶に前記様々な入射角の光を照射して得られた反射スペクトルを、それぞれ記録した。得られた結果のうち、P/Pの値が0.25の場合を図6に、P/Pの値が0.90の場合を図7にそれぞれ示す。
Example 1
Using the photonic crystal obtained in Production Example 2, water vapor is introduced into the mesopores of the photonic crystal to change the refractive index, and the photonic before and after introducing water vapor into the mesopores. The reflection spectrum of the crystal was measured. That is, first, the water vapor in the mesopores of the photonic crystal was sufficiently removed by vacuum drying, and then the reflection spectrum of the photonic crystal was measured. Next, in order to introduce water vapor into the mesopores of the photonic crystal, the photonic crystal was left in a constant temperature and humidity chamber at a temperature of 30 ° C. and a relative humidity of 90% for 10 hours. Thus, after introducing water vapor into the mesopores of the photonic crystal, the reflection spectrum of the photonic crystal was measured. That is, this measurement corresponds to the case where the value of the relative vapor pressure (P / P 0 ) on the water vapor adsorption isotherm in FIG. 3 is 0.25 and 0.90. Furthermore, when measuring the reflection spectrum of the photonic crystal, a halogen lamp (spot diameter: 5 mm) is used as a light source, and the incident angles of the irradiated light with respect to the photonic crystal are 9 °, 14 °, 20 °, respectively. It was changed to 24 °, 30 °, and 34 °. Then, the reflection spectra obtained by irradiating the photonic crystal with light having various incident angles were recorded. Among the obtained results, FIG. 6 shows a case where the value of P / P 0 is 0.25, and FIG. 7 shows a case where the value of P / P 0 is 0.90.

このような図6及び図7に示す結果からも明らかなように、前記フォトニック結晶は、P/Pの値がいずれの値をとる場合であっても、照射された光の入射角度の異同に拘らず、それぞれ明瞭な反射スペクトルのピークが観察され、且つ、照射された光の入射角度が大きくなるにつれて反射スペクトルのピーク位置が低波長側に規則的にシフトしていたことが確認された。このような結果から、真空乾燥機及び水蒸気導入によって前記球状シリカ系メソ多孔体の規則配列が崩れていないことが確認された。また、水蒸気は気体の状態で導入されているので、フォトニック結晶内のメソ細孔内部に水蒸気が導入する際に前記フォトニック結晶の隙間を広げるようなことがなかったことが確認された。このような結果から、水蒸気導入前後では粒子配列体の間隔の変化がないことが分かる。 As is clear from the results shown in FIGS. 6 and 7, the photonic crystal has the incident angle of the irradiated light regardless of the value of P / P 0 . Regardless of the difference, it was confirmed that a clear peak of the reflection spectrum was observed, and that the peak position of the reflection spectrum was regularly shifted to the lower wavelength side as the incident angle of the irradiated light increased. It was. From these results, it was confirmed that the regular arrangement of the spherical silica-based mesoporous material was not broken by the vacuum dryer and the introduction of water vapor. In addition, since water vapor was introduced in a gaseous state, it was confirmed that when the water vapor was introduced into the mesopores in the photonic crystal, the gap between the photonic crystals was not widened. From these results, it can be seen that there is no change in the interval of the particle array before and after the introduction of water vapor.

また、次に、図6及び図7で得られたフォトニック結晶の反射スペクトルのピーク(λ)の位置と、光の入射角θとの関係をプロットしたグラフを図8に示す。図8に示す結果からも明らかなように、光の入射角θに対して得られるλの値は、P/Pの値が0.25の場合と、P/Pの値が0.90の場合における水蒸気導入前後では大きく異なっていた。また、前述のように水蒸気導入前後においてフォトニック結晶を構成する前記球状シリカ系メソ多孔体間の配列間隔(d)は不変であるため、前述のブラッグの回折条件に示したλを変化させるためには、前述のブラッグの回折条件に示したフォトニック結晶全体の屈折率neffが異なっていることが必要になる。実際に、得られた反射スペクトルを解析して前述のブラックの解析条件の式(1)〜(3)に数値を代入して得られるフォトニック結晶全体の屈折率の値はP/Pの値が0.25の場合においてはneff=1.1661±0.00359であり、他方、P/Pの値が0.90の場合においてはneff=1.2348±0.00559であることから、P/Pの値によって、フォトニック結晶全体の屈折率の値が、異なる値となることが分かった。このような事実から、均一で規則的なチャンネルのメソ細孔を有する球状シリカ系メソ多孔体においては、前記メソ細孔内に水等の物質を導入することによってフォトニック結晶の屈折率を任意に制御することが可能であることが確認された。 FIG. 8 is a graph plotting the relationship between the position of the reflection spectrum peak (λ) of the photonic crystal obtained in FIGS. 6 and 7 and the incident angle θ of light. As is apparent from the results shown in FIG. 8, the values of λ obtained with respect to the incident angle θ of light are the case where the value of P / P 0 is 0.25 and the value of P / P 0 is 0. In the case of 90, it was greatly different before and after the introduction of water vapor. In addition, since the arrangement interval (d) between the spherical silica-based mesoporous materials constituting the photonic crystal is unchanged before and after the introduction of water vapor as described above, in order to change λ shown in the Bragg diffraction conditions described above. For this, it is necessary that the refractive index n eff of the entire photonic crystal shown in the Bragg diffraction condition is different. Actually, the refractive index of the entire photonic crystal obtained by analyzing the obtained reflection spectrum and substituting the numerical values into the equations (1) to (3) of the black analysis conditions described above is P / P 0 . When the value is 0.25, n eff = 1.1661 ± 0.00359, while when the value of P / P 0 is 0.90, n eff = 1.2348 ± 0.00559. since, the value of P / P 0, the value of the refractive index of the entire photonic crystal, was found to be different values. From these facts, in the spherical silica-based mesoporous material having uniform and regular channel mesopores, the refractive index of the photonic crystal can be arbitrarily set by introducing a substance such as water into the mesopores. It has been confirmed that it is possible to control.

次に、水蒸気を導入した後の前記フォトニック結晶を再び真空乾燥して同じ測定を繰り返したところ、得られるスペクトルは水蒸気導入前の結果と一致した。このような事実から、蒸気吸着及び真空乾燥による蒸気脱着を繰り返しても、配列体の間隔は変化することなく可逆的に屈折率が変化させることが可能であることが分かった。したがって、前記メソ細孔内に導入可能な物質として、前記メソ細孔内に脱着可能な物質を用いることで、フォトニック結晶の屈折率を任意に可逆的に制御することが可能となることが確認された。   Next, the photonic crystal after the introduction of water vapor was vacuum dried again and the same measurement was repeated. As a result, the obtained spectrum agreed with the result before the introduction of water vapor. From these facts, it was found that the refractive index can be reversibly changed without changing the interval between the arrays even when the vapor adsorption and vapor desorption by vacuum drying are repeated. Therefore, it is possible to arbitrarily reversibly control the refractive index of the photonic crystal by using a substance that can be desorbed into the mesopores as a substance that can be introduced into the mesopores. confirmed.

以上説明したように、本発明によれば、特別な装置を必要とせずに簡便な方法でフォトニック結晶の屈折率を任意に変化させることが可能なフォトニック結晶の屈折率制御方法を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, there is provided a method for controlling the refractive index of a photonic crystal that can arbitrarily change the refractive index of the photonic crystal by a simple method without requiring a special device. It becomes possible.

したがって、本発明のフォトニック結晶の屈折率制御方法は、簡便な方法でフォトニック結晶の屈折率を任意に変化させることが可能であるため、光スイッチや光変調器等の光デバイスの分野に適用することが特に有用である。   Therefore, since the refractive index control method of the photonic crystal of the present invention can arbitrarily change the refractive index of the photonic crystal by a simple method, it is suitable for the field of optical devices such as optical switches and optical modulators. It is particularly useful to apply.

球状シリカ系メソ多孔体のX線回折パターンを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction pattern of a spherical silica type mesoporous material. 球状シリカ系メソ多孔体の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a spherical silica type mesoporous material. 球状シリカ系メソ多孔体の水蒸気吸着等温線を示すグラフである。It is a graph which shows the water vapor | steam adsorption isotherm of a spherical silica type mesoporous material. フォトニック結晶の走査型電子顕微鏡(SEM)写真(倍率20000倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (magnification 20000 times) of a photonic crystal. フォトニック結晶の走査型電子顕微鏡(SEM)写真(倍率5000倍)である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph (magnification 5000 times) of a photonic crystal. 相対蒸気圧(P/P)の値が0.25の場合におけるフォトニック結晶の反射スペクトルを示すグラフである。Value of the relative vapor pressure (P / P 0) is a graph showing the reflection spectrum of the photonic crystal in the case of 0.25. 相対蒸気圧(P/P)の値が0.90の場合におけるフォトニック結晶の反射スペクトルを示すグラフである。Value of the relative vapor pressure (P / P 0) is a graph showing the reflection spectrum of the photonic crystal in the case of 0.90. フォトニック結晶の反射スペクトルのピーク(λ)の位置と、光の入射角θとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the position of the peak ((lambda)) of the reflection spectrum of a photonic crystal, and the incident angle (theta) of light.

Claims (3)

球状シリカ系メソ多孔体が配列してなるフォトニック結晶の屈折率の制御方法であって、前記球状シリカ系メソ多孔体のメソ細孔内に脱着可能な物質を該メソ細孔内に導入し、該物質の濃度を増減させること又は該物質と他の物質とを置換することによってフォトニック結晶の屈折率を可逆的に制御することを特徴とするフォトニック結晶の屈折率制御方法。 A method for controlling the refractive index of a photonic crystal in which spherical silica-based mesoporous materials are arranged, wherein a detachable substance is introduced into the mesopores of the spherical silica-based mesoporous materials. A method for controlling the refractive index of a photonic crystal, wherein the refractive index of the photonic crystal is reversibly controlled by increasing or decreasing the concentration of the substance or substituting the substance with another substance . 前記球状シリカ系メソ多孔体の平均粒径が0.01〜3μmであり、且つ、前記球状シリカ系メソ多孔体の中心細孔直径が1.8〜5nmであることを特徴とする請求項1に記載のフォトニック結晶の屈折率制御方法。   The average particle diameter of the spherical silica-based mesoporous material is 0.01 to 3 μm, and the central pore diameter of the spherical silica-based mesoporous material is 1.8 to 5 nm. A method for controlling the refractive index of a photonic crystal according to 1. 前記メソ細孔内に脱着可能な物質が、水、有機溶媒、錯体及び有機色素からなる群から選択される少なくとも一種の物質であることを特徴とする請求項1又は2に記載のフォトニック結晶の屈折率制御方法。
Substance detachable in the mesopores, water, photonic according to claim 1 or 2, characterized in that at least one substance selected from the group consisting of organic solvents, complex body and an organic dye A method for controlling the refractive index of a crystal.
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