JP4714829B2

JP4714829B2 - 固体粒子充填方法

Info

Publication number: JP4714829B2
Application number: JP2004235388A
Authority: JP
Inventors: 雅幸下条; チュー・フーミン; 美代子田中; 一夫古屋
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: JP2006051576A

Description

この出願の発明は、固体粒子充填方法に関するものである。

近年、半導体デバイスにおける集積度の高まりにつれ、より微細な構造を位置と大きさを制御しつつ作製する技術への要求が高まっている。さらに、量子効果を用いたデバイスの実用化に向けた取り組みも盛んに行われており、ナノメートルオーダーの量子ドットを作製して、特性を測る研究が行われてはじめている。このようなナノサイズの量子ドットを所望の位置に配列するために様々な手法が試みられている。その中で、アルミニウムを陽極酸化することで得られる、ナノサイズの孔が規則的に配列したアルミナ膜を鋳型として用いる方法が注目されており、実際にこの孔内に目的とする金属、半導体、有機物を充填することで新しい機能を持たせた素子が提案されている（例えば、特許文献１,２参照
）。

このようなナノサイズの孔内に所望の物質を充填するためにＣＶＤや蒸着、スパッタリング等（例えば、非特許文献１，２参照）の手法が用いられているが、これらは比較的高価な装置を必要とする。また、めっきにより充填する方法（例えば、特許文献３参照）も提案されているが、これは主に純金属を充填する場合であり、合金やセラミックス、半導体などを充填するのは困難であった。
特開２００３−２６８５９２号公報特開２００１−２０５６００号公報 G.Schmid;J.Mater.Chem.,12,(2002),1231 益田秀樹；応用物理,７２,（２００３）,１２８０ J.C.Hulteen&C.R.Martin;J.Mater.Chem,7,(1997),1075

そこで、この出願の発明は、以上のような背景から、従来の問題点を解消し、簡便かつ低コストでナノメートルオーダーの孔に物質を充填することができる固体物質充填方法を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、発明１の固体粒子充填方法は、基材とその表面に開口部を有したナノ径の細孔に対して、直径が１〜１００ｎｍの固体粒子が充填されてなるナノ構造体を製造する方法であって、被充填固体粒子がコロイド粒子として液体中に分散しているコロイド溶液を入れた容器の底部に、表面を上方に向けて前記基材を配置し、これらに容器の上面側を回転中心として、前記容器を回転させて、前記被充填固体粒子に遠心力を負荷して、微細な孔の直径と固体粒子の直径とを同程度にして前記固体粒子を孔内に順次充填させ、孔内では前記固体粒子が一列に充填されていることを特徴とする。

発明２は、先に記載の固体粒子充填方法であって、微細な孔に複数個の前記固体粒子を充填した後、前記基材を熱処理して孔内の複数個の前記固体粒子を一つにすることを特徴とする。

発明１によれば、非常に簡便かつ安価にナノサイズの孔に粒状の物質を充填することができる。また、微細な孔の直径と固体粒子の直径を同程度にして固体粒子を孔内に順次充填させることで、固体粒子を孔内に一列に充填させることができる。

第２の発明によれば、微細な孔に複数個の固体粒子を充填した後、基材を熱処理することで、孔内の複数個の固体粒子を一つにすることができ、所望の形状や機能を付与することができる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明の固体粒子充填方法は、固体粒子がコロイド粒子として液体中に分散しているコロイド溶液中に、直径１〜１００ｎｍの範囲の微細な孔が表面に形成された基材を配置し、この固体粒子に遠心力を負荷して微細な孔に固体粒子を充填するものである。そして、基材表面に形成された微細な孔の開口部が固体粒子の遠心方向と相対するように基材を配置するものである。

図１は、基材がコロイド溶液中に配置されている状態を模式的に示したものである。この図によれば、容器（１）内に導入されたコロイド溶液（２）中に基材（３）が配置され、コロイド溶液（２）中にはコロイド粒子として固体粒子（４）が分散している。基材（３）表面には微細な孔が形成されており、この孔の開口部（５）はコロイド溶液（２）と接触している。このコロイド溶液（２）中に基材（３）を配置した容器（１）に回転運動を与えることで、コロイド溶液（２）中に分散している固体粒子（４）に遠心力が負荷されることになり、回転運動の中心から外周方向に向かって、図１では図中の矢印の方向に固体粒子（４）が沈降する。このとき、基材（３）の微細な孔の開口部（５）を固体粒子（４）の沈降してくる方向（遠心方向）と相対して、すなわち回転運動の中心方向に向けて基材（３）をあらかじめ配置しておくことで、微細な孔に固体粒子（４）を効率良く充填させることができる。ここで回転速度や回転時間は、使用するコロイド溶液の状態や種類、容量及び基材の大きさ、種類等の条件によって適宜に設定される。

固体粒子としては、コロイドを形成することができるものであればよく、特に限定されるものではない。例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｆｅなどの金属や合金、ＺｎＯ,ＴｉＯ₂,ＳｎＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃などの酸化物半導体、有機物であってもよい。固体粒子の直径は、１〜１００ｎｍの範囲が考慮される。これらの物質のコロイド溶液は比較的容易かつ安価に作製可能である。

基材としては、その表面に微細な孔が形成され、開口部を有しているものであれば限定されるものではない。例えば、アルミナ、セラミックス、ガラス、樹脂、あるいはそれらの複合物等の各種のものであってよい。特に、アルミナであることが好ましい。アルミニウムをある条件で陽極酸化すると、表面に規則的に配列したナノサイズの孔を有するアルミナ皮膜が生成する。このナノサイズの孔は開口部を有しており、さらにその径や深さ、及び孔間の間隔をナノメートルオーダーで制御することができる。このような基材を鋳型として用いることで固体粒子を規則的に配列させることができる。

微細な孔の形成方法としては、通常の微細加工に用いる方法であれば特に限定されるものではない。例えば、上記のように陽極酸化による方法や、電子線や収束イオンビームを用いたリソグラフィ技術によるもの等が挙げられる。

この出願の発明の固体粒子充填方法は、基材の微細な孔の直径が１〜１００ｎｍの範囲にあることが必要である。ここで、微細な孔の直径とは開口部の直径を指すものである。この開口部の形状としては円形を基本としているが、異形のものであってもよく、この場合には最大径が１〜１００ｎｍの範囲にあればよい。コロイド溶液中の固体粒子をこの微細な孔に充填させることで、ナノサイズの量子ドットを作製することができる。孔の深さとしては数ｎｍから数十μｍ、孔間の間隔は数ｎｍから数百ｎｍの範囲とすることが考慮される。

この出願の発明は、微細な孔の直径と固体粒子の直径とを同程度にして固体粒子を孔内に順次充填させてもよい。これによって、固体粒子を孔内に一列に充填させることができる。ここで、微細な孔の直径と固体粒子の直径とが同程度とは、固体粒子の直径が微細な孔の直径に対して８０〜１００％の範囲にあることをいう。固体粒子の大きさはコロイド作製条件により制御することができるので、微細な孔の直径を考慮することで容易に微細な孔の直径と固体粒子の直径とを同程度とすることができ、固体粒子を孔内に一列に充填させることができる。

また、この出願の発明は、固体粒子が融点を有している場合には、微細な孔に複数個の固体粒子を充填した後、基材を熱処理して孔内の複数個の固体粒子を一つにしてもよい。この熱処理温度は、固体粒子の融点以上であることが考慮される。

以上のような固体粒子充填方法は、従来、ナノサイズの孔に物質を充填させるために高価な真空装置や温度制御装置を必要としていたのに対し、金属、合金、半導体等を含む多
くの物質について比較的容易かつ安価に作製可能なコロイド溶液を用いて、簡便かつ安価に基材表面の微細な孔に固体粒子を充填させることができるものである。また、例えば陽極酸化により作製した、微細な孔が規則的に配列しているアルミナを鋳型とすることで、非常に簡便かつ安価に所望の物質を規則的に配列させることができる。

この出願の発明のナノ構造体は、基材表面に形成された直径１〜１００ｎｍの範囲の微細な孔内に固体粒子が充填されている。このようなナノ構造体は、上記の固体粒子充填方法で作製してもよい。

固体粒子としては、コロイドを形成することができるものであればよく、特に限定されるものではない。例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｆｅなどの金属や合金、ＺｎＯ,ＴｉＯ₂,ＳｎＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃などの酸化物半導体、有機物であってもよい。

基材としては、その表面に微細な孔が形成され、開口部を有しているものであれば限定されるものではない。例えば、アルミナ、セラミックス、ガラス、樹脂、あるいはそれらの複合物等の各種のものであってよい。特に、アルミナであることが好ましい。アルミニウムをある条件で陽極酸化すると、表面に規則的に配列したナノサイズの孔を有するアルミナ皮膜が生成する。このナノサイズの孔は開口部を有しており、さらにその径や深さ、及び孔間の間隔をナノメートルオーダーで制御することができる。このような基材を鋳型として用いた場合には固体粒子は規則的に配列される。

ここで、微細な孔の直径は１〜１００ｎｍの範囲にあることが必要である。孔の深さとしては数ｎｍから数十μｍ、孔間の間隔は数ｎｍから数百ｎｍの範囲とすることが考慮される。

以上のような微細な孔に固体粒子が充填されているナノ構造体は、固体粒子がナノメートルオーダーであるためフォトニック構造体に限らず、磁性粒子を用いた場合には記憶媒体、半導体粒子を用いた場合には量子効果素子とすることができる。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

アルミニウムの陽極酸化により、約１００ｎｍ間隔で直径２０−３０ｎｍの孔が規則的に配列した多孔アルミナ膜を作製した。この多孔アルミナ膜の透過型電子顕微鏡写真（明視野像）を図２に示す。この図において、白い部分は孔であり、その孔の直径は２０−３０ｎｍで、約１００ｎｍの間隔で規則的に配列していることが観察された。

次に、この多孔アルミナ膜の孔の開口部が回転の中心方向に向くように容器内に設置し、直径１０ｎｍ以下の金粒子が分散したコロイド溶液を同容器内に入れた。このコロイド溶液の透過型電子顕微鏡写真（明視野像）を図３に示す。この図において、黒い部分が金粒子であり、多くの粒子が直径１０ｎｍ以下であることが観察された。

この容器を遠心器にて４０００回転／分の速度で１５０分間回転させることで遠心力を負荷した。その後、多孔アルミナ膜を取り出して透過型電子顕微鏡にて観察した。この透過型電子顕微鏡写真（明視野像）を図４に示す。この図において、色の濃い部分は金であり、多孔アルミナ膜の孔の位置に対応して金粒子群が約１００ｎｍ間隔で規則的に配列していることが観察された。

この出願の発明の固体物質充填方法において、基材の微細な孔の開口部が固体粒子の遠心方向と相対するようにコロイド溶液中に配置されている状態を模式的に示した図である。実施例で用いた多孔アルミナ膜の透過型電子顕微鏡写真（明視野像）である。実施例で用いた金コロイド溶液の透過型電子顕微鏡写真（明視野像）である。実施例で作製した金粒子が充填された多孔アルミナ膜の透過型電子顕微鏡写真（明視野像）である。

符号の説明

１容器
２コロイド溶液
３基材
４固体粒子
５開口部

Claims

基材とその表面に開口部を有したナノ径の細孔に対して、直径が１〜１００ｎｍの固体粒子が充填されてなるナノ構造体を製造する方法であって、被充填固体粒子がコロイド粒子として液体中に分散しているコロイド溶液を入れた容器の底部に、表面を上方に向けて前記基材を配置し、これらに容器の上面側を回転中心として、前記容器を回転させて、前記被充填固体粒子に遠心力を負荷して、微細な孔の直径と固体粒子の直径とを同程度にして前記固体粒子を孔内に順次充填させ、孔内では前記固体粒子が一列に充填されていることを特徴とする固体粒子充填方法。
請求項１に記載の固体粒子充填方法であって、微細な孔に複数個の前記固体粒子を充填した後、前記基材を熱処理して孔内の複数個の前記固体粒子を一つにすることを特徴とする固体粒子充填方法。