JP4855983B2 - Method for producing diamond electrode - Google Patents
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Description
本発明は、種々の用途に使用できる、針状突起配列構造を表面に有するダイヤモンド電極の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a diamond electrode having a needle-like projection arrangement structure on its surface, which can be used for various applications.
電気化学反応を利用した燃料電池、センサー、反応装置に用いられる電極もしくは触媒担体は、電気伝導性がよく、化学的に不活性で物理的にも強く、大表面積であることが好ましい。これらの条件を満たす電極もしくは触媒担体として、ホウ素等の不純物をドープした導電性ダイヤモンド電極が挙げられる。特に、針状突起配列構造を表面に有するダイヤモンド電極が、大表面積を実現しやすいため、注目されている(特許文献1、2参照)。 Electrodes or catalyst carriers used in fuel cells, sensors, and reactors utilizing electrochemical reactions preferably have good electrical conductivity, are chemically inert and physically strong, and have a large surface area. As an electrode or catalyst carrier that satisfies these conditions, a conductive diamond electrode doped with impurities such as boron can be cited. In particular, a diamond electrode having a needle-like protrusion arrangement structure on the surface is attracting attention because it easily achieves a large surface area (see Patent Documents 1 and 2).
上記特許文献1は、ダイヤモンド基板の上に、貫通孔を有する陽極酸化ポーラスアルミナをマスクとして載せ、真空蒸着により耐プラズマエッチング性のある金を蒸着し、陽極酸化ポーラスアルミナを除去した後、金の蒸着ドットをマスクとしてダイヤモンド基板を酸素プラズマエッチングすることで、直径20nmの針状ダイヤモンドが規則的に配列した構造体を得る技術を開示している。また、上記特許文献2は、ダイヤモンド表面を水素プラズマ照射することで繊毛状にする技術を開示している。
ダイヤモンド表面の物性は、終端元素種によって大きく変化し、水素終端ダイヤモンドは、その表面が疎水性でp型の伝導機構を有する導電体である。水素終端ダイヤモンドをアノード電極に使用すると、その表面は、徐々に酸化され、全く異なる特性を示す酸素終端ダイヤモンドとなる。このように、水素終端ダイヤモンドは、表面状態が経時的に変化してしまうという欠点を有している。一方、酸素終端ダイヤモンドは、その表面が親水性であり、電気的絶縁性を示す。 The physical properties of the diamond surface vary greatly depending on the type of terminal element, and hydrogen-terminated diamond is a conductor having a hydrophobic surface and a p-type conduction mechanism. When hydrogen-terminated diamond is used for the anode electrode, its surface is gradually oxidized to oxygen-terminated diamond exhibiting completely different characteristics. Thus, hydrogen-terminated diamond has the disadvantage that the surface state changes over time. On the other hand, oxygen-terminated diamond has a hydrophilic surface and exhibits electrical insulation.
上記特許文献1の技術は、酸素プラズマエッチングを用いるため、ダイヤモンド表面は酸素終端ダイヤモンドとなり、電気伝導性が低下してしまう。一方、上記特許文献2の技術では、水素プラズマエッチングを用いて繊毛状ダイヤモンドを形成するため、この繊毛状ダイヤモンドの表面は、水素終端ダイヤモンドと同様に、当初は、電極抵抗が小さく良好な電気化学特性を示すものの、使用を繰り返すに伴って表面が酸素終端化され、徐々に経時変化してしまう。 Since the technique of Patent Document 1 uses oxygen plasma etching, the diamond surface becomes oxygen-terminated diamond, resulting in a decrease in electrical conductivity. On the other hand, in the technique of Patent Document 2 described above, ciliary diamond is formed using hydrogen plasma etching, so that the surface of this ciliated diamond is initially low in electrode resistance and good electrochemical like hydrogen-terminated diamond. Although it exhibits characteristics, the surface is oxygen-terminated with repeated use and gradually changes over time.
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、表面積が大きく、表面における電気伝導性が高く、電気化学特性が経時変化しにくいダイヤモンド電極の製造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 points, and an object of the present invention is to provide a method for producing a diamond electrode having a large surface area, high electrical conductivity on the surface, and electrochemical characteristics that hardly change over time.
(1)請求項1の発明は、
ドーパントが3×10 20 〜8×10 21 個/cm 3 の平均濃度でドープされたダイヤモンド基材に対し、酸素ガスによるドライエッチングによって、前記ダイヤモンド基板の表面から深さ0.2μmまでの領域におけるドーパント濃度Csが前記平均濃度の1.01〜2.0倍となるまで、ダイヤモンド基材の表面を処理することにより、ダイヤモンド基材の表面に針状突起配列構造を形成することを特徴とするダイヤモンド電極の製造方法を要旨とする。
(1) The invention of claim 1
A diamond base material doped with an dopant at an average concentration of 3 × 10 20 to 8 × 10 21 atoms / cm 3 is subjected to dry etching with oxygen gas in a region from the surface of the diamond substrate to a depth of 0.2 μm. By processing the surface of the diamond substrate until the dopant concentration Cs is 1.01 to 2.0 times the average concentration, a needle-like protrusion arrangement structure is formed on the surface of the diamond substrate. The gist of the manufacturing method of the diamond electrode is as follows.
本発明により製造されるダイヤモンド電極は、針状突起配列構造を表面に有しているため、表面積が大きい。また、表面の近傍に、平均ドーパント濃度Caが3×1020〜8×1021個/cm3の範囲にあるドーパント領域を有するため、表面における電気伝導性が高い。 Since the diamond electrode manufactured according to the present invention has a needle-like projection arrangement structure on the surface, the surface area is large. In the vicinity of the surface, the average dopant concentration Ca has a dopant region in a range of 3 × 10 20 ~8 × 10 21 atoms / cm 3, a high electrical conductivity at the surface.
本発明は、例えば、以下のようにしてダイヤモンド電極を製造することができる。すなわち、ドーパントが3×1020〜8×1021個/cm3の平均濃度でドープ(添加)されたダイヤモンド基材に対し、酸素ガスによるドライエッチング(例えば、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング等のプラズマを利用したエッチング)によってダイヤモンド基材の表面を処理することによりダイヤモンド基材の表面に針状突起配列構造を形成することができる。 The present invention is, for example, can be manufactured diamond electrode as follows. That is, while de Panto is 3 × 10 20 ~8 × 10 21 atoms / cm 3 in average concentration doped (added) diamond substrate, dry etching with oxygen gas (e.g., plasma etching, reactive ion etching, etc. By processing the surface of the diamond base material by etching using plasma of the above, a needle-like projection arrangement structure can be formed on the surface of the diamond base material.
なお、従来、酸素ガスを利用したドライエッチングは、酸素プラズマ中のイオン及びラジカルの作用によってダイヤモンド等の炭素材料に対して高いエッチング効果を有することが知られている。しかし、炭素材料に対して酸素プラズマによるエッチングを実施すると、一般には、炭素材料の表面が一様にエッチングされるか、又は多少の凹凸が生じるだけである(特許文献2の段落「0008」参照)。このため、酸素プラズマによるエッチングによって針状突起配列構造を形成するためには、図8に示すように、ダイヤモンド薄膜の形成、アルミニウム層の形成、レジスト塗布、フォトマスク露光、現像−洗浄、アルミニウム層のエッチング、レジスト除去、酸素プラズマエッチングという多数の工程から成るフォトリソグラフィ処理が必要であった。 Conventionally, dry etching using oxygen gas is known to have a high etching effect on carbon materials such as diamond by the action of ions and radicals in oxygen plasma. However, when etching with oxygen plasma is performed on a carbon material, generally, the surface of the carbon material is etched uniformly or only slightly uneven (see paragraph “0008” of Patent Document 2). ). Therefore, in order to form an acicular protrusion arrangement structure by etching with oxygen plasma, as shown in FIG. 8, formation of a diamond thin film, formation of an aluminum layer, resist application, photomask exposure, development-cleaning, aluminum layer Therefore, a photolithographic process consisting of a number of processes including etching, resist removal, and oxygen plasma etching is required.
本願発明者らは、ホウ素等の各種ドーパントを3×1020〜8×1021個/cm3の濃度で添加したダイヤモンドに対して酸素ガスによるドライエッチングを施すことで、ナノオーダーの針状突起が規則的に配列した構造が表面に形成されることを見出した。 The present inventors have, by performing dry etching with oxygen gas to added diamond at a concentration of each species dopant 3 × 10 20 ~8 × 10 21 atoms / cm 3 such as boron, acicular nano-order It has been found that a structure in which protrusions are regularly arranged is formed on the surface.
ホウ素等の各種ドーパントが添加されたダイヤモンド基材に対して酸素プラズマによるエッチングを施した場合、ダイヤモンド基材表面近傍のドーパントがプラズマ中の酸素と化合して生成する酸化物や、ドーパント原子そのものが、酸素プラズマに対して耐性を有するマスクとして作用する。このマスクによる影響で酸素プラズマによるエッチングが選択的に進行し、その結果、ダイヤモンド基材の表面に針状突起配列構造が形成される。また、エッチングによって削りだされた内部にあるホウ素原子等は突起先端で再結合していることが、二次イオン質量分析(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry: SIMS)の深さ方向分析の結果から明らかとなっている。 If each type dopant such as boron is subjected to etching by oxygen plasma with respect to the diamond substrate is added, oxide dopant near the diamond substrate surface to produce combines with oxygen in the plasma and the dopant atom itself However, it acts as a mask resistant to oxygen plasma. Etching by oxygen plasma selectively proceeds under the influence of this mask, and as a result, a needle-like projection arrangement structure is formed on the surface of the diamond substrate. In addition, it is clear from the results of depth ion analysis of secondary ion mass spectrometry (SIMS) that boron atoms, etc. inside etched out are recombined at the tip of the protrusion. It has become.
この事実により、本願発明者らは、上記手法で得た針状突起配列構造を表面に有するダイヤモンドは、その突起先端においてより高濃度にホウ素等がドープされた高い電気伝導性を示す材料であることを見出した。つまり、酸素プラズマ照射しているので、ダイヤモンド表面は酸素終端化され安定である上、高濃度ホウ素ドープ層が形成された針状突起配列構造ダイヤモンドは、水素終端ダイヤモンド以上に優れた電気化学特性を示す。 Due to this fact, the inventors of the present application have a diamond having a needle-like protrusion arrangement structure obtained by the above method on the surface, and is a material exhibiting high electrical conductivity in which boron or the like is doped at a higher concentration at the tip of the protrusion. I found out. In other words, since the oxygen plasma irradiation is performed, the diamond surface is oxygen-terminated and stable, and the needle-shaped protrusion-structured diamond with the high-concentration boron-doped layer has electrochemical characteristics superior to those of the hydrogen-terminated diamond. Show.
なお、ダイヤモンドに添加するドーパントの種類については、製造するダイヤモンドの用途に適した特性が得られるドーパントを用いることができる。例えば、p型半導体の特性を有するダイヤモンド材料を製造する場合は、ホウ素等のp型ドーパントを用いればよい。また、n型半導体の特性を有するダイヤモンド材料を製造する場合は、リン等のn型ドーパントを用いればよい。 In addition, about the kind of dopant added to diamond, the dopant from which the characteristic suitable for the use of the diamond to manufacture can be used can be used. For example, when manufacturing a diamond material having the characteristics of a p-type semiconductor, a p-type dopant such as boron may be used. Further, when manufacturing a diamond material having the characteristics of an n-type semiconductor, an n-type dopant such as phosphorus may be used.
上記の製造方法によれば、酸素プラズマによるエッチングに際し、フォトリソグラフィ処理等の工程が不要であるので、生産性の大幅な向上を実現できる。また、ダイヤモンド基材の表面近傍に存在するドーパントが、原子レベルの非常に微細なマスクとして作用するため、リソグラフィ処理を経て形成した針状突起よりも格段に高細密・高アスペクト比である針状突起配列構造を形成可能である。よって、大きな表面積により優れた電極特性を有するダイヤモンドを提供することができる。 According to the above manufacturing method, a step such as a photolithography process is not required for etching using oxygen plasma, and thus a significant improvement in productivity can be realized. In addition, since the dopant existing in the vicinity of the surface of the diamond base material acts as a very fine mask at the atomic level, the needle shape is much finer and has a higher aspect ratio than the needle-like protrusions formed through lithography. A protrusion arrangement structure can be formed. Therefore, it is possible to provide diamond having excellent electrode characteristics with a large surface area.
さらに、ドーパントの濃度を変化させることで、ダイヤモンドの表面に存在するドーパントによるマスクの配列密度が変化する。つまり、ダイヤモンドに添加するドーパントの濃度を制御することで、ダイヤモンド表面に形成される針状突起の配列密度を制御できるので、用途に応じて好適な表面形状を有するダイヤモンド電極を提供可能である。また、上記製造方法は、フォトリソグラフィ処理等の工程を必要としないため、平面状の二次元材料だけでなく、球状等の三次元材料にも適用できる。 Furthermore, by changing the dopant concentration, the arrangement density of the mask due to the dopant existing on the surface of the diamond changes. That is, by controlling the concentration of the dopant added to the diamond, the arrangement density of the needle-like protrusions formed on the diamond surface can be controlled, so that a diamond electrode having a suitable surface shape can be provided depending on the application. In addition, since the manufacturing method does not require a step such as photolithography, it can be applied not only to a planar two-dimensional material but also to a three-dimensional material such as a spherical shape.
なお、酸素プラズマによってダイヤモンド基材をエッチングする処理は、高周波をプラズマ発生源とする反応性イオンエッチングや、反応性ビームエッチング、マイクロ波をプラズマ発生源とする反応性イオンエッチング等、何れのエッチング方法を用いてもよい。例えば、高周波をプラズマ発生源とする反応性イオンエッチングによってダイヤモンド基材のエッチングを行う場合、圧力が5〜100Pa、より好ましくは10〜50Paの酸素ガス雰囲気下で行うことでダイヤモンド基材の表面に針状突起配列構造を形成することができる。高周波出力は任意の値を選択でき、出力が低いとエッチング速度は遅く、出力が高いと同じ処理時間においても針状突起のアスペクト比を高くすることができる。 The process of etching the diamond substrate with oxygen plasma may be any etching method such as reactive ion etching using a high frequency as a plasma generation source, reactive beam etching, or reactive ion etching using a microwave as a plasma generation source. May be used. For example, when etching a diamond base material by reactive ion etching using a high frequency as a plasma generation source, the pressure is 5 to 100 Pa, more preferably 10 to 50 Pa in an oxygen gas atmosphere. An acicular protrusion arrangement structure can be formed. An arbitrary value can be selected as the high-frequency output. When the output is low, the etching rate is slow. When the output is high, the aspect ratio of the needle-like protrusion can be increased even in the same processing time.
また、処理時間にほぼ比例して突起径が大きくなり、例えば、高周波出力300W、酸素ガス圧20Paの条件下で反応性イオンエッチングを行うと、処理時間が30秒と短いときには表面に粒状の微突起(およそ5nm)が形成され、15分間処理した場合は、平均直径がおよそ25nm、長さがおよそ300nmのダイヤモンド針状突起が形成される。当然、直径の増大に伴い、針状突起の密度が減少するが、それでもなお、15分処理においても3.8×1010本/cm2といった高い密度で形成されていることが観測された。 Also, the protrusion diameter increases almost in proportion to the processing time. For example, when reactive ion etching is performed under the conditions of a high-frequency output of 300 W and an oxygen gas pressure of 20 Pa, when the processing time is as short as 30 seconds, the surface has a granular fine particle A protrusion (approximately 5 nm) is formed, and when treated for 15 minutes, diamond needle-shaped protrusions having an average diameter of approximately 25 nm and a length of approximately 300 nm are formed. Naturally, as the diameter increases, the density of the needle-like projections decreases, but it was still observed that the needles were formed at a high density of 3.8 × 10 10 pieces / cm 2 even in the 15-minute treatment.
ところで、基材となるダイヤモンドの生成方法は、マイクロ波プラズマCVDやホットフィラメントCVD等の化学気相蒸着法に限らず、高温高圧法であってもよい。また、ダイヤモンドにドーパントを添加するタイミングは、基材となるダイヤモンドの生成過程において添加してもよいし、ダイヤモンド生成後にイオン注入によって添加してもよい。 By the way, the method for producing diamond as a base material is not limited to chemical vapor deposition such as microwave plasma CVD or hot filament CVD, but may be a high temperature and high pressure method. Further, the timing of adding the dopant to diamond may be added in the process of producing diamond as a base material, or may be added by ion implantation after the diamond is produced.
このようにして得られた本発明のダイヤモンド電極は、そのままの状態で工業電解用電極や化学センサー用電極に用いることができる。また、金属触媒や酵素触媒等を担持することで、より選択性を向上させた化学センサー用電極や燃料電池用電極への応用が可能となる。 The diamond electrode of the present invention thus obtained can be used as it is for an industrial electrolysis electrode or a chemical sensor electrode. In addition, by supporting a metal catalyst, an enzyme catalyst, or the like, application to a chemical sensor electrode or a fuel cell electrode with improved selectivity becomes possible .
本発明により製造されるダイヤモンド電極は、ダイヤモンド基板の表面から深さ0.2μmまでの領域におけるドーパント濃度Csが、ダイヤモンド基板における平均濃度の1.01〜2.0倍(好ましくは1.015〜1.7倍)であることにより、一層、導電性が高い。 In the diamond electrode produced according to the present invention, the dopant concentration Cs in the region from the surface of the diamond substrate to a depth of 0.2 μm is 1.01 to 2.0 times (preferably 1.015 to 1.05) the average concentration in the diamond substrate. 1.7), the conductivity is even higher.
(2)請求項2の発明は、
前記ドーパントはホウ素であることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド電極の製造方法を要旨とする。
(2 ) The invention of claim 2
The gist of the method for producing a diamond electrode according to claim 1 , wherein the dopant is boron.
本発明により製造されるダイヤモンド電極は、ドーパントがホウ素であることにより、p型半導体の特性を有する。 The diamond electrode manufactured according to the present invention has the characteristics of a p-type semiconductor because the dopant is boron .
本発明を実施例に基づいて説明する。 The present invention will be described based on examples.
a)ダイヤモンド電極の製造
図2(a)は、針状突起配列構造を表面に有するダイヤモンド電極の製造過程を示す模式図である。まず、図2(a)の(1)に示すように、基板1上に、ホウ素が添加されたホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aを生成する。
a) Production of Diamond Electrode FIG. 2A is a schematic diagram showing a production process of a diamond electrode having a needle-like projection arrangement structure on the surface. First, as shown in (1) of FIG. 2A, a boron-doped diamond thin film 2a to which boron is added is formed on a substrate 1.
このホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aの生成方法の一例として、マイクロ波プラズマCVD法が挙げられる。まず基板1(n-Si(111)基板)に機械研磨によってダイヤモンドの種結晶を核付けする。そして、アセトンとメタノールの混合溶媒に酸化ホウ素を溶解させた溶液(ホウ素溶液)を水素ガスでバブリングすることにより発生したガスを炭素源及びホウ素源として、マイクロ波プラズマCVD法によってホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aを基板1上に生成する。 An example of a method for producing the boron-doped diamond thin film 2a is a microwave plasma CVD method. First, a diamond seed crystal is nucleated by mechanical polishing on the substrate 1 (n-Si (111) substrate). Then, boron-doped diamond thin film 2a is formed by a microwave plasma CVD method using a gas generated by bubbling a solution of boron oxide in a mixed solvent of acetone and methanol (boron solution) with hydrogen gas as a carbon source and a boron source. Is generated on the substrate 1.
なお、本発明の発明者らが行った実験では、上記ホウ素溶液におけるB/C比が10、000ppm、マイクロ波の周波数が2.45GHzという条件下において、7時間の生成処理で厚さが約18μmのホウ素ドープダイヤモンド薄膜が得られた。すなわち、成膜速度は2.6μm/hであった。また、生成したホウ素ドープダイヤモンド薄膜内におけるホウ素原子は、薄膜内に一様に分布しており、その濃度はSIMSの測定結果から、およそ2×1021個/cm3であることが判明した。 In an experiment conducted by the inventors of the present invention, a thickness of about 7 hours was generated under the condition that the B / C ratio in the boron solution was 10,000 ppm and the microwave frequency was 2.45 GHz. An 18 μm boron-doped diamond thin film was obtained. That is, the film formation rate was 2.6 μm / h. The boron atoms in the produced boron-doped diamond thin film were uniformly distributed in the thin film, and the concentration was found to be about 2 × 10 21 atoms / cm 3 from the SIMS measurement results.
つぎに、図2(a)の(2)に示すように、図2(a)の(1)で得られたホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aの表面に対して酸素プラズマによるエッチングを行うことで、ホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aの表面に針状突起3を多数形成する。 Next, as shown in (2) of FIG. 2 (a), the surface of the boron-doped diamond thin film 2a obtained in (1) of FIG. 2 (a) is etched by oxygen plasma to form boron. A large number of needle-like protrusions 3 are formed on the surface of the doped diamond thin film 2a.
酸素プラズマによるエッチング方法の一例として、高周波をプラズマ発生源とする反応性イオンエッチングが挙げられる。まず、平行平板型反応性イオンエッチング装置(サムコ株式会社製、リアクティブイオンエッチング装置RIE-10NR)の電極上にホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aが堆積した基板1を置き、100%酸素ガスをエッチングガスとして、ガス圧20Paの雰囲気下で、高周波周波数13.56MHz、高周波出力300Wで所定時間エッチングを行う。このエッチング処理により、図2(a)の(2)及び図2(b)に示すように、ホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aの表面に針状突起3が高密度で規則的に配列した構造が形成される。 As an example of an etching method using oxygen plasma, reactive ion etching using a high frequency as a plasma generation source can be given. First, a substrate 1 on which a boron-doped diamond thin film 2a is deposited is placed on an electrode of a parallel plate type reactive ion etching apparatus (reactive ion etching apparatus RIE-10NR, manufactured by Samco Corporation), and 100% oxygen gas is used as an etching gas. Etching is performed for a predetermined time at a high frequency of 13.56 MHz and a high frequency output of 300 W in an atmosphere of a gas pressure of 20 Pa. By this etching process, as shown in FIGS. 2A and 2B, a structure in which needle-like protrusions 3 are regularly arranged at high density on the surface of the boron-doped diamond thin film 2a is formed. The
本実施例1では、表1に示すように、上記エッチング時間を30秒、5分、10分、60分としてエッチング処理を行い、それぞれの場合に製造されたダイヤモンド電極を、1A〜1Dとする。 In Example 1, as shown in Table 1, the etching process was performed for 30 seconds, 5 minutes, 10 minutes, and 60 minutes, and the diamond electrodes manufactured in each case were set to 1A to 1D. .
上記の製造方法によれば、針状突起配列構造を形成するに際し、図8に示すようなフォトリソグラフィ処理等の工程が不要であるので、生産性の大幅な向上を実現できる。また、ダイヤモンド基材の表面近傍に存在するホウ素が、原子レベルの非常に微細なマスクとして作用するため、リソグラフィ処理を経て形成した針状突起(図8(b))よりも格段に高細密・高アスペクト比である針状突起配列構造(図2(b))を形成可能である。また、この製造方法は、フォトリソグラフィ処理等の工程を必要としないため、平面状の二次元材料だけでなく、球状等の三次元材料にも適用できる。 According to the above manufacturing method, when forming the needle-like projection arrangement structure, a process such as a photolithography process as shown in FIG. 8 is not required, and thus a significant improvement in productivity can be realized. Further, since boron existing in the vicinity of the surface of the diamond base material acts as a very fine mask at the atomic level, it is much finer and finer than the needle-like protrusions (FIG. 8B) formed through the lithography process. A needle-like protrusion arrangement structure (FIG. 2B) having a high aspect ratio can be formed. Further, since this manufacturing method does not require a step such as photolithography, it can be applied not only to a planar two-dimensional material but also to a three-dimensional material such as a spherical shape.
b)比較例の電極の製造
前記a)と同様にして基板1の表面にホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aを形成したが、酸素プラズマによるエッチングを行わないものをダイヤモンド電極R1とする。また、前記a)と同様にして基板1の表面にホウ素ドープダイヤモンド薄膜2aを形成した後、酸素プラズマによるエッチングを行わず、ダイヤモンド電極1Eと同様の陽極酸化処理を行ったものをダイヤモンド電極R2とする。これらダイヤモンド電極R1、R2の製造条件も上記表1に示す。
b) Manufacture of Electrode of Comparative Example A boron-doped diamond thin film 2a was formed on the surface of the substrate 1 in the same manner as in a) above, but a diamond electrode R1 that was not etched by oxygen plasma was used. In addition, a boron-doped diamond thin film 2a is formed on the surface of the substrate 1 in the same manner as in the above a), and the same anodic oxidation treatment as that of the diamond electrode 1E is performed without performing etching with oxygen plasma. To do. The manufacturing conditions for these diamond electrodes R1 and R2 are also shown in Table 1 above.
c)ダイヤモンド電極の最表面におけるホウ素濃度の測定
ダイヤモンド電極1C、1D、R1のそれぞれについて、二次イオン質量分析装置(CAMECA社製、IMS−6f)を用いて、最表面から20nmまでの領域、及び最表面から200nmまでの領域におけるホウ素の平均濃度をそれぞれ測定した。測定条件は、O2 +を5.5kVで試料に照射し、正の二次イオンを測定するものとした。また、ホウ素濃度換算は、既知濃度の標準試料により行い、深さ換算は、測定後のクレータ深さを実測して行った。測定結果を表2に示す。
c) Measurement of boron concentration on outermost surface of diamond electrode For each of diamond electrodes 1C, 1D, and R1, using a secondary ion mass spectrometer (IMS-6f, manufactured by CAMCA), a region from the outermost surface to 20 nm, And the average concentration of boron in the region from the outermost surface to 200 nm was measured. The measurement conditions were that the sample was irradiated with O 2 + at 5.5 kV to measure positive secondary ions. Moreover, the boron concentration conversion was performed using a standard sample having a known concentration, and the depth conversion was performed by actually measuring the crater depth after the measurement. The measurement results are shown in Table 2.
d)ダイヤモンド電極の表面形状の観察
ダイヤモンド電極1Cの表面を電子顕微鏡により観察した。その観察写真を図3に示す。この図3から明らかなとおり、ダイヤモンド電極1Cは、針状突起配列構造を表面に有していた。
d) Observation of surface shape of diamond electrode The surface of the diamond electrode 1C was observed with an electron microscope. The observation photograph is shown in FIG. As apparent from FIG. 3, the diamond electrode 1C had a needle-like protrusion arrangement structure on the surface.
e)電気化学的特性の試験
ダイヤモンド電極1C、1E、R1、R2について、サイクリックボルタンメトリーにより各種酸化還元種に対する電気化学応答を調べた。酸化還元種は、鉄シアノ錯体、ルテニウムアンミン錯体、鉄を用いた。酸化還元種の濃度を1mMとし、鉄シアノ錯体とルテニウムアンミン錯体のときは0.1Mの塩化カリウム、鉄は0.1M過塩素酸に溶解した試験液を用いて、走査速度を10mV/sに設定して測定を行った。
e) Test of electrochemical characteristics The diamond electrodes 1C, 1E, R1, and R2 were examined for electrochemical responses to various redox species by cyclic voltammetry. As the redox species, iron cyano complex, ruthenium ammine complex, and iron were used. The concentration of the redox species is 1 mM. When the iron cyano complex and the ruthenium ammine complex are used, the scanning speed is set to 10 mV / s using a test solution in which 0.1 M potassium chloride and iron are dissolved in 0.1 M perchloric acid. Measurement was performed with setting.
なお、鉄シアノ錯体、ルテニウムアンミン錯体、鉄は、それぞれ、下記化学式1〜3のように酸化還元反応する。 In addition, an iron cyano complex, a ruthenium ammine complex, and iron are each subjected to an oxidation-reduction reaction as represented by the following chemical formulas 1 to 3.
また、各電極のサイクリックボルタモグラムの結果と、Nicholson法(Analytical Chemistry 37 (1965) 1351.)によって求めた電子移動速度定数を表3に示す。 Table 3 shows the results of cyclic voltammograms for each electrode and the electron transfer rate constant determined by the Nicholson method (Analytical Chemistry 37 (1965) 1351.).
一方、水素終端ダイヤモンドであるダイヤモンド電極R1とそれを陽極酸化処理したダイヤモンド電極R2の結果は、水素終端表面が電気化学的に不安定であることを示していた。さらに、ダイヤモンド電極R1は、特開2001−348296号公報で示されているように、鉄シアノ錯体に対して速い電子移動速度を示し、ルテニウムアンミン錯体においても良好な結果を示した。ところが、二価・三価の鉄イオンの反応に関しては、他の鉄シアノ錯体やルテニウムアンミン錯体の反応に比べ1/20、針状突起配列構造を表面に有するダイヤモンド電極1C、1Eと比較しても1/30ほど遅い電子移動速度定数であった。 On the other hand, the results of the diamond electrode R1 which is hydrogen-terminated diamond and the diamond electrode R2 obtained by anodizing the diamond electrode indicate that the hydrogen-terminated surface is electrochemically unstable. Furthermore, the diamond electrode R1 showed a fast electron transfer rate with respect to the iron cyano complex as shown in JP-A No. 2001-348296, and showed a good result even with the ruthenium ammine complex. However, the reaction of divalent and trivalent iron ions is 1/20 compared to the reactions of other iron cyano complexes and ruthenium ammine complexes, compared with diamond electrodes 1C and 1E having a needle-like projection arrangement structure on the surface. The electron transfer rate constant was as slow as 1/30.
また、陽極酸化処理により表面が酸素終端化され、安定なダイヤモンド電極R2では、表面近傍が電気的絶縁体となり、また、その表面がカルボニル基やヒドロキシル基で覆われた負帯電であり、そのため負に帯電している鉄シアノ錯体との間に静電的斥力が働いた結果、電子移動速度定数は著しく減少していた。 Further, the surface of the diamond electrode R2 which is oxygen-terminated by the anodizing treatment and is stable is an electrical insulator in the vicinity of the surface, and the surface is negatively charged with a carbonyl group or a hydroxyl group. As a result of the electrostatic repulsion between the iron cyano complex and the charged cyano complex, the electron transfer rate constant was significantly reduced.
ダイヤモンド電極1C、1Eの優れた結果は、以下のような要因によってもたらされていると考えられる。まず第一に、製造方法が酸素プラズマエッチングであることから、形成された針の表面は、化学的にも電気化学的にも安定な酸素終端化されていることである。 The excellent results of the diamond electrodes 1C and 1E are considered to be caused by the following factors. First of all, since the manufacturing method is oxygen plasma etching, the surface of the formed needle is oxygen-terminated which is stable both chemically and electrochemically.
第二に、陽極酸化処理した平坦な表面形態をしたダイヤモンド電極R2では、平面全体で負に帯電しているのに対し、針状突起配列構造を表面に有したダイヤモンド電極1C、1Eは突起側面があるので、負の帯電効果が緩和されており、静電的な相互作用が働き難い構造となっている。さらに、上述したように、エッチングによって削りだされた内部にあるホウ素原子が突起先端で再結合していることから、表面近傍においても高い電気伝導性を有する。 Secondly, in the diamond electrode R2 having a flat surface form that has been anodized, it is negatively charged over the entire plane, whereas the diamond electrodes 1C and 1E having a needle-like protrusion arrangement structure on the surface have protrusion side surfaces. Therefore, the negative charging effect is mitigated, and the structure is such that electrostatic interaction is difficult to work. Furthermore, as described above, the boron atoms inside the etched-out portion are recombined at the tip of the protrusion, so that it has high electrical conductivity even in the vicinity of the surface.
第三に、ダイヤモンド電極1C、1Eは、静電的な相互作用が緩和されるものの、鉄の反応に見られるように、ダイヤモンド電極R1、R2に比べ、大幅に電子移動速度が向上しているからである。これは、ダイヤモンド電極R1で2.7×10-3cm/sであった電子移動速度定数が、陽極酸化し、負に帯電したダイヤモンド電極R2において静電的引力により8.7×10-3cm/sまで改善され、さらに針状突起配列構造を表面に有するダイヤモンド電極1C、1Eでは静電的な引力で引き寄せられた鉄イオンが、針状突起間に内包された結果、9.5×10-3cm/sや8.3×10-3cm/sまで飛躍的に向上したものと考えられる。言い換えると、この第三の要因は針状突起構造に由来していると言える。 Third, although the diamond electrodes 1C and 1E alleviate the electrostatic interaction, the electron transfer speed is significantly improved as compared with the diamond electrodes R1 and R2, as seen in the reaction of iron. Because. This is because the electron transfer rate constant, which was 2.7 × 10 −3 cm / s at the diamond electrode R1, was 8.7 × 10 −3 due to electrostatic attraction in the negatively charged diamond electrode R2, which was anodized. In the diamond electrodes 1C and 1E which are improved to cm / s and have a needle-like projection arrangement structure on the surface, iron ions attracted by electrostatic attraction are encapsulated between the needle-like projections. It is thought that it improved dramatically to 10 < -3 > cm / s and 8.3 * 10 < -3 > cm / s. In other words, it can be said that the third factor is derived from the acicular protrusion structure.
f)電極表面における接触角の測定
各電極の表面終端の違いを見るために、水の接触角を接触角測定器(OCA 15Plus, DataPhysics Instrument GmbH)にて測定した。その結果を上記表1に示す。水素終端ダイヤモンドから成るダイヤモンド電極R1における接触角が73度であることは表面が疎水性であることを示しており、ダイヤモンド電極1A,1B,1C,1D,1E,R2における接触角が20度以下であることは、表面に酸素含有基が導入された結果、水との親和性が向上し、表面が親水性となったことを表している。つまり、ダイヤモンド電極1A,1B,1C,1D,1E,R2は、表面が化学的に安定な酸素終端化されている。
f) Measurement of contact angle on electrode surface In order to see the difference in the surface termination of each electrode, the contact angle of water was measured with a contact angle measuring instrument (OCA 15Plus, DataPhysics Instrument GmbH). The results are shown in Table 1 above. A contact angle of 73 degrees in the diamond electrode R1 made of hydrogen-terminated diamond indicates that the surface is hydrophobic, and a contact angle in the diamond electrodes 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, and R2 is 20 degrees or less. This means that, as a result of the introduction of the oxygen-containing group on the surface, the affinity with water was improved and the surface became hydrophilic. In other words, the diamond electrodes 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, and R2 are oxygen-terminated with chemically stable surfaces.
図5に示すような二室型電解セル10を作成した。アノード電極11とカソード電極(白金メッシュ)13は隔膜(ナフィオン117、デュポン社製)15を介して、それぞれ1M硫酸(20mL)18中に配置されている。アノード電極11としては、前記実施例1で製造したダイヤモンド電極1C、R1のうちのいずれかを用いた。 A two-chamber electrolysis cell 10 as shown in FIG. 5 was prepared. The anode electrode 11 and the cathode electrode (platinum mesh) 13 are respectively disposed in 1 M sulfuric acid (20 mL) 18 through a diaphragm (Nafion 117, manufactured by DuPont). As the anode electrode 11, any one of the diamond electrodes 1C and R1 manufactured in Example 1 was used.
直流電源17によって両電極間に電流を流すと、硫酸水溶液が電気分解され、アノード電解室19からオゾンガスが発生する。発生したオゾンガスは、配管21を通して、予め計測試薬を溶け込ませた純水10mLに通気される。そして、計測試薬を溶け込ませた純水のオゾン水濃度を溶存オゾン計(笠原理化工業製、溶存オゾン03-2Z)にて測定する。なお、電解セル10は氷水浴によって常に15度以下に保つようにする。 When a current is passed between both electrodes by the DC power source 17, the sulfuric acid aqueous solution is electrolyzed and ozone gas is generated from the anode electrolysis chamber 19. The generated ozone gas is passed through the pipe 21 to 10 mL of pure water in which the measurement reagent is previously dissolved. Then, the ozone water concentration of pure water in which the measuring reagent is dissolved is measured with a dissolved ozone meter (manufactured by Kasahara Chemical Co., Ltd., dissolved ozone 03-2Z). The electrolytic cell 10 is always kept at 15 degrees or less by an ice water bath.
アノード電極11としてダイヤモンド電極1Cを用いた場合と、ダイヤモンド電極R1を用いた場合における、通電電流値に対するオゾン生成量を図6に示す。図6における横軸の値は幾何学的表面積あたりの通電電流値である。ダイヤモンド電極1Cを用いた場合は、ダイヤモンド電極R1を用いた場合よりも、効率的に水の電気分解が行え、オゾン生成量が二倍以上であった。これは、ダイヤモンド電極1Cは針状突起配列構造を表面に有し、表面積が大きく、また、親水性が高く針状突起間にも水が浸入しやすいためであると考えられる。 FIG. 6 shows the ozone generation amount with respect to the energization current value when the diamond electrode 1C is used as the anode electrode 11 and when the diamond electrode R1 is used. The value on the horizontal axis in FIG. 6 is the current value per geometric surface area. When the diamond electrode 1C was used, water was more efficiently electrolyzed than when the diamond electrode R1 was used, and the amount of ozone generated was twice or more. This is presumably because the diamond electrode 1C has a needle-like protrusion arrangement structure on the surface, has a large surface area, and has high hydrophilicity, so that water can easily enter between the needle-like protrusions.
酵素触媒の担体に適した材料の評価を以下のように行った。
a)酵素触媒担持電極の製造
酵素触媒担持電極の担体として、前記実施例1で製造したダイヤモンド電極1B、1C、1D、R1、R2を用意した。また、他の担体として、導電性のダイヤモンドライクカーボンR3、グラッシーカーボンR4、及びカーボンR5を用意した。
Evaluation of materials suitable for the enzyme catalyst support was carried out as follows.
a) Production of enzyme catalyst-carrying electrode Diamond electrodes 1B, 1C, 1D, R1, and R2 produced in Example 1 were prepared as carriers for the enzyme catalyst-carrying electrode. As other carriers, conductive diamond-like carbon R3, glassy carbon R4, and carbon R5 were prepared.
次に、各担体に酵素を固定化し、酵素触媒担持電極を完成した。具体的には、酵素としてのグルコースオキシダーゼ(和光純薬工業製、20,000 units)50mgと、架橋剤としてのセチルトリメチルアンモニウムブロミド100mgとを、10mLの0.1M燐酸緩衝液(pH7)に溶かし、そこへ各担体を浸漬させ、一晩冷蔵保存したのち取り出し、室温で十分に乾燥させてから、5%のナフィオン水溶液を塗布し乾燥させた。 Next, an enzyme was immobilized on each carrier to complete an enzyme catalyst-carrying electrode. Specifically, 50 mg of glucose oxidase (20,000 units, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as an enzyme and 100 mg of cetyltrimethylammonium bromide as a cross-linking agent were dissolved in 10 mL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7). Each carrier was dipped in, stored after refrigeration overnight, and taken out and dried sufficiently at room temperature, and then 5% Nafion aqueous solution was applied and dried.
b)電気化学測定
上記のように作製した酵素担持電極を作用極とし、白金コイルを対極とし、Ag/AgClを参照極とした三極式のセルをポテンショスタットに接続し電気化学測定を行った。メディエーターである0.5mMのフェロセンカルボン酸を0.1M燐酸緩衝液(pH7)に溶かした溶液をブランクとし、そこに10mMになるようにグルコースを溶かした溶液をサンプルとした。走査速度を1mV/sにしてサンクリックボルタモグラムを測定した。結果を表4に示す。
b) Electrochemical measurement Electrochemical measurement was performed by connecting a tripolar cell with the enzyme-supported electrode prepared as described above as a working electrode, a platinum coil as a counter electrode, and Ag / AgCl as a reference electrode to a potentiostat. . A solution prepared by dissolving 0.5 mM ferrocenecarboxylic acid as a mediator in 0.1 M phosphate buffer (pH 7) was used as a blank, and a solution prepared by dissolving glucose so as to be 10 mM was used as a sample. The sun click voltammogram was measured at a scanning speed of 1 mV / s. The results are shown in Table 4.
それに対し、担体が未処理のダイヤモンドであるダイヤモンド電極R1、グラッシーカーボンR4、導電性ダイヤモンドライクカーボンR3の場合は、表面が不活性であり、酵素との結合が弱く、グルコースに対する応答が小さいか、全く見られなかった。担体が陽極酸化処理したダイヤモンド電極R2の場合は、表面に酸素含有基が形成されており、そのため、酵素との結合が改善された結果、グルコース応答が見られた。しかし、表面抵抗の増加により反応開始電位が高くなった。このことは、グルコースセンサーに適用した場合、選択性が悪くなることが懸念され、また、バイオ燃料電池のアノード電極として使用するには取り出し電圧の低下に繋がる。担体がカーボンR5の場合は、電気容量が大きく、反応性を阻害していた。 On the other hand, in the case of the diamond electrode R1, the glassy carbon R4, and the conductive diamond-like carbon R3 whose carrier is untreated diamond, the surface is inactive, the bond with the enzyme is weak, and the response to glucose is small. It was not seen at all. In the case of the anodized diamond electrode R2 as a support, oxygen-containing groups were formed on the surface, and as a result, the glucose response was seen as a result of improved binding to the enzyme. However, the reaction initiation potential increased due to the increase in surface resistance. When this is applied to a glucose sensor, there is a concern that the selectivity is deteriorated, and it leads to a decrease in extraction voltage when used as an anode electrode of a biofuel cell. When the carrier was carbon R5, the electric capacity was large and the reactivity was hindered.
前記実施例1のダイヤモンド電極1Cと基本的には同様の製造方法であるが、ホウ素ドープダイヤモンド薄膜内におけるホウ素原子の濃度が、SIMSの測定値で、それぞれ、3×1020個/cm3、8×1021個/cm3となるようにした製造方法で、ダイヤモンド電極4A、4Cを製造した。 The manufacturing method is basically the same as that of the diamond electrode 1C of Example 1, except that the concentration of boron atoms in the boron-doped diamond thin film is 3 × 10 20 atoms / cm 3 , as measured by SIMS, Diamond electrodes 4A and 4C were manufactured by a manufacturing method of 8 × 10 21 pieces / cm 3 .
このダイヤモンド電極4A、4Cに対し、前記実施例1と同様に、ダイヤモンド電極の最表面におけるホウ素濃度の測定(最表面でどの程度ホウ素濃度が高まっているか)、ダイヤモンド電極の表面形状の観察、電気化学的特性の試験、電極表面における接触角の測定を行ったところ、ダイヤモンド電極1Cと略同様の結果となった。 For the diamond electrodes 4A and 4C, as in Example 1, measurement of the boron concentration on the outermost surface of the diamond electrode (how much the boron concentration is increased on the outermost surface), observation of the surface shape of the diamond electrode, electricity When the test of chemical characteristics and the measurement of the contact angle on the electrode surface were performed, the results were almost the same as those of the diamond electrode 1C.
1・・・基板 2a・・・ホウ素ドープダイヤモンド薄膜 3・・・針状突起
10・・・二室型電解セル 11・・・アノード電極 13・・・カソード電極
15・・・隔膜 17・・・直流電源 19・・・アノード電解室
21・・・配管 101・・・触媒 102・・・バインダー
103・・・担体 104・・・グルコース 105・・・メディエーター
106・・・電子の流れ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2a ... Boron dope diamond thin film 3 ... Needle-like protrusion 10 ... Two-chamber electrolysis cell 11 ... Anode electrode 13 ... Cathode electrode 15 ... Diaphragm 17 ... DC power source 19 ... anode electrolysis chamber 21 ... piping 101 ... catalyst 102 ... binder 103 ... carrier 104 ... glucose 105 ... mediator 106 ... flow of electrons
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