JP5586682B2 - 金属微粒子複合体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
1)金属微粒子の大きさが所定の範囲内に制御されていること、
2)金属微粒子の形状が均一であること、
3)金属微粒子が隣り合う金属微粒子とある一定以上の粒子間隔を保った状態でお互いが離れていること、
4)金属微粒子複合体に対する金属微粒子の体積充填割合がある一定の範囲で制御されていること、
5)金属微粒子がマトリックスの表層部から存在するとともに、その厚さ方向にも所定の粒子間距離を保ちながら偏りなく分散していること、
などの構造的特性を金属微粒子複合体が備えていることが必要である。
a)金属微粒子は、マトリックス樹脂層又はその前駆体の樹脂層に含まれる金属イオン又は金属塩を加熱還元することによって得られるものである;
b)金属微粒子は、マトリックス樹脂層の表面から少なくとも50nmの厚さ範囲内に存在する;
c)金属微粒子の粒子径(D)は、1nm〜100nmの範囲にあり、平均粒子径は3nm以上である;
d)隣り合う金属微粒子の間隔が、隣り合う金属微粒子における大きい方の金属微粒子の粒子径以上である;
を備えている。
e)金属微粒子は、380nm以上の波長の光と相互作用して局在型表面プラズモン共鳴を生じる;
を備えていてもよい。
A)ポリアミド酸樹脂と、金属化合物とを含有する塗布液を、金属分の含有量として1μg/cm2〜30μg/cm2の範囲内となるように基材上に塗布し、乾燥して、乾燥後の厚さが30nm以上1.7μm以下の範囲内にある塗布膜を形成する工程、
B)前記塗布膜を、200℃〜450℃の範囲内で熱処理することにより、前記塗布膜中の金属イオン(又は金属塩)を還元して金属微粒子となる粒子状金属を析出させ、塗布膜中に分散させるとともに、前記塗布膜中の前記ポリアミド酸樹脂をイミド化して厚みが25nm〜1μmの範囲内にあるポリイミド樹脂層を形成する工程、
を備えている。この場合、隣り合う金属微粒子における粒子径の大きい方の金属微粒子の粒子径以上の間隔で存在することが好ましい。
まず、本発明の第1の実施の形態に係る金属微粒子複合体及びその製造方法について説明する。
<金属微粒子複合体>
図1は、本実施の形態に係る金属微粒子複合体としての金属微粒子分散ナノコンポジット(以下、単に「ナノコンポジット」ともいう)10の厚み方向の断面構造を模式的に示している。ナノコンポジット10は、マトリックス樹脂層1と、該マトリックス樹脂層1中に固定された金属微粒子3とを備えている。図2は、ナノコンポジット10の面方向の断面構造を模式的に示しており、図3は、金属微粒子3を拡大して説明する図面である。なお、図3では、隣り合う金属微粒子3における大きい方の金属微粒子3の粒子径をDL、小さい方の金属微粒子3の粒子径をDSと表しているが、両者を区別しない場合は単に粒子径Dと表記する。
マトリックス樹脂層1は、全体がフィルム状に形成されていてもよいし、樹脂フィルムの一部分として形成されていてもよい。マトリックス樹脂層1の厚みTは、金属微粒子3の粒子径Dによっても異なるが、局在型表面プラズモン共鳴を利用する用途においては、例えば20nm〜25μmの範囲内が好ましく、30nm〜1μmの範囲内がより好ましい。
本実施の形態のナノコンポジット10において、金属微粒子3は、以下に示すa)〜d)の要件を具備するものである。
図4は、ナノコンポジット10を例えば圧力センサーに利用した場合の計測原理を模式的に説明している。例えば、マトリックス樹脂層1はある程度の弾性を有するため、ナノコンポジット10に圧力Fが加えられると、その大きさに応じてナノコンポジット10の厚み方向(図4中の黒矢印で示す方向)において隣接する金属微粒子3どうしの間隔(粒子間距離L)が小さくなる。このように粒子間距離Lが変化すると、光を照射した場合の局在型表面プラズモン共鳴による吸収スペクトルのプロファイルが変化する。例えば、隣接する金属微粒子3の粒子間距離Lが一定以下に小さくなると、あたかも一つの微粒子のように振る舞い、発色が変化する。このように、局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルの変化を測定することによって、圧力を高感度に検出することができる。局在型表面プラズモン共鳴を利用する圧力センサーは、複雑な機構を使用する必要がなく、発色によって識別が可能であるため、簡易な構成による圧力の検出手法として幅広い分野に利用できる。
次に、本実施の形態のナノコンポジット10の製造方法について説明する。ナノコンポジット10の製造は、(1)金属イオン(又は金属塩)含有樹脂膜の形成工程、(2)還元工程、を含み、さらに、任意工程を含むことができる。ここでは、マトリックス樹脂層1がポリイミド樹脂により構成される場合について代表的に例示して説明を行う。
まず、金属イオン(又は金属塩)を含有するポリアミド酸樹脂膜(又はポリアミド酸樹脂層)を準備する。金属イオン(又は金属塩)を含有するポリアミド酸樹脂膜(又はポリアミド酸樹脂層)は、例えば以下に挙げるキャスト法又はアルカリ改質法のいずれかの方法で調製できる。
キャスト法は、ポリアミド酸樹脂を含有するポリアミド酸樹脂溶液を任意の基材上にキャストすることによりポリアミド酸樹脂膜を形成する方法であるが、以下の(I)〜(III)のいずれかの方法によって、金属イオン(又は金属塩)を含有するポリアミド酸樹脂膜を形成することができる。
(I)ポリアミド酸と金属化合物とを含有する塗布液を任意の基材上にキャストすることにより金属イオン(又は金属塩)を含有するポリアミド酸樹脂膜を形成する方法。
(II)金属イオン(又は金属塩)を含有しないポリアミド酸樹脂溶液を任意の基材上にキャストしてポリアミド酸樹脂膜を形成した後に、該ポリアミド酸樹脂膜に金属イオン(又は金属化合物)を含有する溶液(以下、「金属イオン溶液」とも記す)を含浸させる方法。
(III)上記の(I)の方法によって形成した、金属イオン(又は金属塩)を含有するポリアミド酸樹脂膜に、更に金属イオン溶液を含浸させる方法。
アルカリ改質法は、ポリイミドフィルムの表面をアルカリ改質してポリアミド酸樹脂層を形成した後に、該ポリアミド酸樹脂層に金属イオン溶液を含浸させる方法である。なお、使用するポリイミド樹脂としては、上記キャスト法と同様であるため、説明を省略する。
還元工程では、上記のようにして得られた金属イオン含有ポリアミド酸層を、好ましくは140℃以上、より好ましくは160〜450℃の範囲内、更に好ましくは200〜400℃の範囲内で熱処理することにより金属イオン(又は金属塩)を還元して金属微粒子3を析出させる。熱処理温度が140℃未満では、金属イオン(又は金属塩)の還元が十分に行われず、金属微粒子3の平均粒子径を前述の下限(3nm)以上にすることが困難となる場合がある。また、熱処理温度が140℃未満では、還元によって析出した金属微粒子3のマトリックス樹脂層1中での熱拡散が十分に起こらない場合がある。さらに、熱処理温度が140℃未満では、マトリックス樹脂層1としてポリイミド樹脂を適用した場合に、ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミド酸樹脂のイミド化が不十分となり、再度加熱によるイミド化の工程が必要となる場合がある。一方、熱処理温度が450℃を超えると、マトリックス樹脂層1が熱により分解し、局在型表面プラズモン共鳴に由来する吸収以外のマトリックス樹脂層1の分解に伴う新たな吸収が生じやすくなることや、隣り合う金属微粒子3の間隔が小さくなることによって、隣り合う金属微粒子3同士での相互作用を生じやすくなるなど、局在型表面プラズモン共鳴による吸収スペクトルがブロードになる原因となる。
エッチング工程では、ナノコンポジット10のマトリックス樹脂層1中に存在する金属微粒子3の一部をマトリックス樹脂層1の表面から露出させることもできる。例えばナノコンポジット10において、金属微粒子3を露出させたい面側の表面をエッチングによって除去することによって行う。エッチング方法としては、例えばヒドラジド系溶液やアルカリ溶液を用いた湿式のエッチング方法や、プラズマ処理を用いた乾式のエッチング方法が挙げられる。
パターニングは、フォトリソグラフィー技術とエッチングを組み合わせて、例えば以下の手順で実施できる。まず、任意の基材上に、ナノコンポジット10を積層形成したものを準備する。ここで、基板としては、上述のものを使用できる。そして、ナノコンポジット10の上に、レジスト液を塗布し、乾燥することによりレジスト層を形成する。次に、レジスト層を所定のパターンのフォトマスクを使用して露光し、現像することにより、ナノコンポジット10上のレジスト層をパターン形成する。このパターン形成されたレジスト層をマスクとして用い、上述のエッチング工程と同様の方法によって、レジスト層でマスクされていない部分のナノコンポジット10を除去する。エッチングは、基材が露出するまで行うことができる。次に、レジスト層を除去することにより、基材上にパターン化されたナノコンポジットを得ることができる。このようにパターン化されたナノコンポジットは、例えばマルチチャンネルのセンシングデバイス、局在型表面プラズモン共鳴を発現する微細構造を利用したプラズモン導波路や微小光学素子等の用途に好ましく適用できる。
次に、本発明の第2の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る金属微粒子複合体の製造方法は、ポリイミド樹脂中に、平均粒子径が20nm〜30nmの範囲内にある金属微粒子が互いに接することなく、独立して(好ましくは完全に独立して)分散してなる金属微粒子複合体を製造するものであり、以下の工程A及び工程Bを備えている。ここで、ポリイミド樹脂は、その前駆体であるポリアミド酸樹脂を加熱して脱水・環化反応させてイミド化したポリイミド樹脂を主体とするものである。ポリイミド樹脂は、他の合成樹脂例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂に比べて、耐熱性および寸法安定性に優れた性質を有しているため好ましく用いられる。また、ポリイミド樹脂は、金属微粒子を形成する過程で熱処理を行うために、少なくとも160℃の温度での耐熱性を有する点でも有利である。
本実施の形態の金属微粒子複合体の製造方法では、ポリアミド酸樹脂と、金属化合物とを含有する塗布液を、基材上に塗布し、乾燥することによって、塗布膜を形成する。
工程Bでは、上記のようにして得られた塗布膜を、200〜450℃の範囲内、好ましくは300〜400℃の範囲内で熱処理することにより金属イオン(又は金属塩)を還元して金属微粒子となる粒子状金属を析出させる。また、この熱処理によって塗布膜中のポリアミド酸樹脂をイミド化して、金属微粒子の含有量が1μg/cm2〜30μg/cm2の範囲内、好ましくは1.5μg/cm2〜25μg/cm2の範囲内、より好ましくは2μg/cm2〜25μg/cm2の範囲内にあり、且つ厚みが25nm〜1μmの範囲内、好ましくは25nm〜600nmの範囲内、より好ましくは30nm〜300nmの範囲内にあるポリイミド樹脂層を形成する。熱処理温度が200℃未満では、金属イオン(又は金属塩)を還元して得られる金属微粒子の平均粒子径を前述の下限以上にすることが困難となる場合がある。一方、熱処理温度が450℃を超えると、ポリイミド樹脂層が熱により分解し、金属微粒子同士の粒子間隔を制御しにくい。熱処理温度を200℃以上とすることによって、還元によって析出した金属微粒子のポリイミド樹脂層(又はポリアミド酸樹脂層)の内部での熱拡散を十分に行うことができ、さらに、ポリアミド酸樹脂のイミド化を行うことができ、再度加熱によるイミド化の工程を省略できる。
金属微粒子の平均粒子径の測定は、試料の断面をミクロトーム(ライカ社製、ウルトラカットUTCウルトラミクロトーム)を用いて超薄切片を作製し、透過型電子顕微鏡(TEM;日本電子社製、JEM−2000EX)により観測した。尚、ガラス基板上に作製した試料を上記の方法で観測することは困難であるため、ポリイミドフィルム上に同条件で作製したものを用い観測した。また、金属微粒子の平均粒子径は面積平均径とした。
作製した試料の吸収スペクトルは、紫外・可視・近赤外分光法(日立製作所社製、U−4000)により観測した。
光透過率は、紫外・可視分光分析(日本分光社製、UV−vis V−550)を用いて測定した。
線熱膨張係数の測定は、サーモメカニカルアナライザー(セイコーインスツルメンツ社製)を用い、250℃まで昇温し、更にその温度で10分保持した後、5℃/分の速度で冷却し、240℃から100℃までの平均線熱膨張係数(CTE)を求めた。
吸水率の測定は、試料を80℃の温度条件で2時間乾燥させ、乾燥後の試料の質量aを測定し、次に、乾燥後の試料を温度23℃、湿度50%で24時間放置(環境試験)し、24時間放置後の試料の質量bを測定した。このようにして測定された試料の質量を利用して下記式(A)にしたがって吸水率を求めた。
1000mlのセパラブルフラスコ内において、425gのN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)に、31.8gの2,2'−ジメチル−4,4'−ジアミノビフェニル(m−TB)及び4.9gの1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン(APB)を室温で30分撹拌した。その後、28.6gのピロメリット酸二無水物(PMDA)及び9.6gの3,4,3',4'−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)を加え、窒素雰囲気下、室温で3時間撹拌を続けて重合反応を行い、粘調なポリアミド酸樹脂溶液S1を得た。得られたポリアミド酸溶液S1の粘度は、E型粘度計(ブルックフィールド社製、DV−II +Pro CP型)により測定した結果、28,000ポイズ(25℃)であった。
500mlのセパラブルフラスコ内において、撹拌しながら、15.24gの2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル (TFMB)47.6mmolを170gのDMAcに溶解させた。次に、その溶液に窒素気流下で14.76gの4,4’−オキシジフタル酸無水物 (ODPA)47.6mmolを加え、室温で4時間攪拌を続けて重合反応を行い、無色の粘調なポリアミド酸樹脂溶液S2を得た。得られたポリアミド酸溶液S2の粘度は、E型粘度計(ブルックフィールド社製、DV−II +Pro CP型)により測定した結果、3251cP (25℃)であった。重量平均分子量(Mw)は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC;東ソー株式会社製、HLC−8220GPC)により測定し、Mw=163,900であった。
無アルカリガラス(旭硝子株式会社製、AN−100)の試験片10cm×10cm(厚み0.7mm)を50℃の5N水酸化ナトリウム水溶液により5分間処理した。次に、試験片のガラス基板を、純水で洗浄し、乾燥した後、1重量%の3−アミノプロピルトリメトキシシラン(「γ−APS」と略す)水溶液に浸漬させた。このガラス基板を、γ−APS水溶液から取り出した後乾燥し、150℃で5分間加熱して、ガラス基板G1を作製した。
無アルカリガラス(旭硝子株式会社製、AN−100)の試験片10cm×10cm(厚み0.7mm)を50℃の5N水酸化ナトリウム水溶液により5分間処理した。次に、試験片のガラス基板を、純水で洗浄し、乾燥した後、1重量%の3−アミノプロピルトリメトキシシラン(γ−APS)水溶液に浸漬させた。このガラス基板を、γ−APS水溶液から取り出した後乾燥し、110℃で5分間加熱して、ガラス基板G2を作製した。
合成例1で得られたポリアミド酸樹脂溶液S1(固形分濃度15wt%)の2.67gに、7.33gのDMAcに溶解した0.242gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例1のガラス基板G1の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で20分間乾燥して、ガラス基板G1上に厚さ335nmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を形成した。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、200℃、10分間加熱処理することによって金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム1(厚さ200nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム1中に形成した金属金微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属金微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;ほぼ球形、平均粒子径;約9.8nm、最小粒子径;約3.0nm、最大粒子径;約19.0nm、ナノコンポジットフィルム1に対する体積分率;1.9%、粒子間距離の平均値;約19.6nm。
また、ナノコンポジットフィルム1の金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが556nm、半値幅が99nmの吸収ピークが観測された。
実施例1における、金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、200℃、10分間加熱処理することの代わりに、金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、300℃、10分間加熱処理したこと以外、実施例1と同様にして、金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム2(厚さ200nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム2中に形成した金属金微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属金微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;ほぼ球形、平均粒子径;約13.2nm、最小粒子径;約4.0nm、最大粒子径;約19.0nm、ナノコンポジットフィルム2に対する体積分率;1.9%、粒子間距離の平均値;約26.5nm。
実施例1における、金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、200℃、10分間加熱処理することの代わりに、金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、300℃、60分間加熱処理したこと以外、実施例1と同様にして、金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム3(厚さ200nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム3中に形成した金属金微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属金微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;ほぼ球形、平均粒子径;約13.9nm、最小粒子径;約4.0nm、最大粒子径;約20.0nm、ナノコンポジットフィルム3に対する体積分率;1.9%、粒子間距離の平均値;約27.9nm。
合成例2で得られたポリアミド酸樹脂溶液S2の2.67gに、17.33gのDMAcに溶解した0.174gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例1のガラス基板G1の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で20分間乾燥して、ガラス基板G1上に厚さ50nmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を形成した。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、300℃、10分間加熱処理することによって、赤色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム4(厚さ30nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム4中に形成した金属金微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属金微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;ほぼ球形、平均粒子径;約4.2nm、最小粒子径;約3.0nm、最大粒子径;約9.8nm、ナノコンポジットフィルム4に対する体積分率;1.35%、粒子間距離の平均値;約17.4nm。
また、ナノコンポジットフィルム4の金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが544nm、半値幅が78nmの吸収ピークが観測された。
実施例4と同様にして、赤色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム5(厚さ30nm)を作製した。
合成例2で得られたポリアミド酸樹脂溶液S2の2.67gに、5.33gのDMAcに溶解した0.174gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例1のガラス基板G1の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で20分間乾燥して、ガラス基板G1上に厚さ330nmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を形成した。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、300℃、10分間加熱処理することによって、赤色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム6(厚さ200nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム6中に形成した金属金微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属金微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;ほぼ球形、平均粒子径;約16.5nm、最小粒子径;約11.2nm、最大粒子径;約23.1nm、ナノコンポジットフィルム6に対する体積分率;1.35%、粒子間距離の平均値;約39.4nm。
また、ナノコンポジットフィルム6の金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが562nm、半値幅が76nmの吸収ピークが観測された。
合成例2で得られたポリアミド酸樹脂溶液S2の2.67gに、2.66gのDMAcに溶解した0.174gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例1のガラス基板G1の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で20分間乾燥して、ガラス基板G1上に厚さ1μmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を形成した。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、300℃、10分間加熱処理することによって、紫色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム7(厚さ600nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム7中に形成した金属金微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属金微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;ほぼ球形、平均粒子径;約20.2nm、最小粒子径;約10.3nm、最大粒子径;約44.9nm、粒子間距離の平均値;約20.4nm。
2)ナノコンポジットフィルム7の表面側の面から100nm〜600nmの厚さ範囲内の領域:
形状;正八面体、平均粒子径;約65.1nm、最小粒子径;約24.8nm、最大粒子径;約105.6nm、粒子間距離の平均値;約100.2nm。
3)ナノコンポジットフィルム7に対する体積分率;13.5%
また、ナノコンポジットフィルム7の金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが620nmと688nmに観測され、ピーク形状は、らくだこぶ状であった。また、半値幅は189nmであった。
実施例7と同様にして、紫色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム8(厚さ600nm)を作製した。
形状;正八面体、平均粒子径;約65.1nm、最小粒子径;約24.8nm、最大粒子径;約105.6nm、粒子間距離の平均値;約100.2nm。
合成例2で得られたポリアミド酸樹脂溶液S2をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例1のガラス基板G1の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で20分間乾燥して、ガラス基板G1上に厚さ320nmのポリアミド酸樹脂膜を形成した。この樹脂膜を100mM 硝酸銀水溶液(25℃)に60分間浸漬し、蒸留水で洗浄後、乾燥して、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂膜を形成した。次に、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂膜を大気下、200℃、10分間、加熱処理することによって、黄色に呈色した金属銀微粒子分散ナノコンポジットポリイミドフィルム9(厚さ200nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム9中に形成した金属銀微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属銀微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属銀微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属銀微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;球形、平均粒子径;約4.8nm、最小粒子径;約3.3nm、最大粒子径;約5.0nm、ナノコンポジットフィルム9に対する体積分率;3.99%、粒子間距離の平均値;約5.0nm。
また、ナノコンポジットフィルム9の金属銀微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが442nm、半値幅が61nmの吸収ピークが観測された。
ポリイミドフィルム(東レ・デュポン株式会社製、カプトンEN、厚さ25μm、400nm、500nm及び600nmでの光透過率;それぞれ0%、37.7%、及び71.7%、吸水率;1.7%)を5N 水酸化カリウム水溶液に50℃、85秒間浸漬することによって、フィルム表面に厚さ約200nmの改質層を形成した。その後、このフィルムを100mM 硝酸銀水溶液(25℃)に60分間浸漬し、蒸留水で洗浄後、乾燥して、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を形成した。次に、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を大気下、200℃、10分間、加熱処理することによって、金属銀微粒子分散ナノコンポジットポリイミドフィルム10(金属銀微粒子分散ナノコンポジット層の厚さ約120nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム10中に形成した金属銀微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属銀微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属銀微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属銀微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;球形、平均粒子径;約4.1nm、最小粒子径;約2.0nm、最大粒子径;約5.9nm、ナノコンポジットフィルム10に対する体積分率;5.96%、粒子間距離の平均値;約4.4nm。
また、ナノコンポジットフィルム10の金属銀微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが446nm、半値幅が64nmの吸収ピークが観測された。
実施例10における、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を大気下、200℃、10分間、加熱処理することの代わりに、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を大気下、200℃、20分間、加熱処理したこと以外、実施例10と同様にして、金属銀微粒子分散ナノコンポジットポリイミドフィルム11(金属銀微粒子分散ナノコンポジット層の厚さ約120nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム11中に形成した金属銀微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属銀微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属銀微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属銀微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;球形、平均粒子径;約5.3nm、最小粒子径;約3.2nm、最大粒子径;約7.0nm、ナノコンポジットフィルム11に対する体積分率;5.96%、粒子間距離の平均値;約5.7nm。
また、ナノコンポジットフィルム11の金属銀微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが446nm、半値幅が69nmの吸収ピークが観測された。
実施例10における、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を大気下、200℃、10分間、加熱処理することの代わりに、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を大気下、300℃、10分間、加熱処理したこと以外、実施例10と同様にして、金属銀微粒子分散ナノコンポジットポリイミドフィルム12(金属銀微粒子分散ナノコンポジット層の厚さ約120nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム12中に形成した金属銀微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で、各々が完全に独立し、隣り合う金属銀微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。なお、金属銀微粒子は、該フィルムの表面側の面から0nm〜50nmの厚さ範囲内にも存在していた。また、該フィルム中に形成した金属銀微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;球形、平均粒子径;約7.2nm、最小粒子径;約5.0nm、最大粒子径;約9.9nm、ナノコンポジットフィルム12に対する体積分率;5.96%、粒子間距離の平均値;約7.7nm。
また、ナノコンポジットフィルム12の金属銀微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが454nm、半値幅が80nmの吸収ピークが観測された。
実施例10と同様にして、金属銀微粒子分散ナノコンポジットフィルム13(金属銀微粒子分散ナノコンポジット層の厚さ約120nm)を作製した。
実施例10と同様にして、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を形成した。次に、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層に、水銀キセノンランプを用いて紫外線照射(270mW/cm2の強度で5分間照射)することによってフィルム内部に金属銀微粒子が分散したナノコンポジットポリイミドフィルムを作製した。このフィルム中に形成した金属銀微粒子はフィルム表面付近に密集し、深さ方向に進むにつれて金属銀微粒子の密度が小さくなっていた。また、該フィルム中に形成した金属銀微粒子の特徴は、次のとおりであった。
2)ナノコンポジットフィルムの表面側の面から100nm付近における金属微粒子の平均粒径;約8.0nm、粒子間距離の平均値;15.4nm。
また、フィルムの金属銀粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが440nm、半値幅が156nmの吸収ピークが観測された。
実施例10における、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を大気下、200℃、10分間、加熱処理することの代わりに、銀(I)イオンを含有するポリアミド酸樹脂層を大気下、300℃、60分間、加熱処理したこと以外、実施例10と同様にして、金属銀微粒子が分散したナノコンポジットポリイミドフィルム(ナノコンポジット層の厚さ約120nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム中に形成した金属銀微粒子は、該フィルムの表層部から厚さ方向に至るまでの領域内で分散していたが、隣り合う金属銀微粒子における大きい方の粒子径より狭い間隔で近接している金属銀微粒子が確認された。また、該フィルム中に形成した金属銀微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;球形、平均粒子径;約18.5nm、最小粒子径;約9.0nm、最大粒子径;約25.0nm、粒子間距離の平均値;約14.9nm。
また、フィルムの金属銀粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが536nm、半値幅が182nmの吸収ピークが観測された。
合成例1で得られたポリアミド酸樹脂溶液S1 2.67gに、5.33gのDMAcに溶解した0.726gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例2のガラス基板G2の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で10分間乾燥して、ガラス基板G2上に、膜厚が約333nmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜14を形成した。金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜14は、金の単位面積当たりの含有量が21.4μg/cm2であった。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜14を大気下、400℃、10分間加熱処理することによって赤色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム14(厚さ200nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム14中に形成した金属金微粒子は、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;多面体状および球状粒子が混在、平均粒子径;24.5nm、最大粒子径;54.0nm、最小粒子径;5.0nm、ナノコンポジットフィルム14における金の体積分率;5.54%、粒子間距離の平均値;27.3nm。
また、ナノコンポジットフィルム14の金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが578nm、半値幅が107nmの吸収ピークが観測された。
合成例2で得られたポリアミド酸樹脂溶液S2 2.67gに、17.33gのDMAcに溶解した0.522gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例2のガラス基板G2の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で10分間乾燥して、ガラス基板G2上に、膜厚が約40nmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜15を形成した。金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜15は、金の単位面積当たりの含有量が2.29μg/cm2であった。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜15を大気下、400℃、10分間加熱処理することによって赤色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム15(厚さ30.3nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム15中に形成した金属金微粒子は、各々が完全に独立し、隣り合う金属金微粒子における大きい方の粒子径以上の間隔で分散していた。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;多面体状、平均粒子径;20.9nm、最大粒子径;29.0nm、最小粒子径;10.0nm、ナノコンポジットフィルム15における金の体積分率;3.96%、粒子間距離の平均値;28.5nm。
また、ナノコンポジットフィルム15の金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが568nm、半値幅が106nmの吸収ピークが観測された。
合成例1で得られたポリアミド酸樹脂溶液S1 2.67gに、5.33gのDMAcに溶解した0.726gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例2のガラス基板G2の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で10分間乾燥して、ガラス基板G2上に膜厚が約670nmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を形成した。金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜は、金の単位面積当たりの含有量が42.8μg/cm2であった。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、400℃、10分間加熱処理することによって紫色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム(厚さ400nm)を作製した。ナノコンポジットフィルム中に形成した金属金微粒子は、部分的に凝集していることが確認された。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;多面体状および球状粒子が混在、平均粒子径;33.9nm、最大粒子径;70.2nm、最小粒子径;7.0nm、ナノコンポジットフィルムにおける金の体積分率;5.54%、粒子間距離の平均値;37.8nm。
また、ナノコンポジットフィルムの金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが594nm、半値幅が172nmの吸収ピークが観測された。
合成例1で得られたポリアミド酸樹脂溶液S1 2.67gに、2.67gのDMAcに溶解した0.174gの塩化金酸・四水和物を加え、窒素雰囲気下、室温で15分間攪拌することにより、金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液を調整した。得られた金錯体含有ポリアミド酸樹脂溶液をスピンコーター(ミカサ株式会社製、SPINCOATER 1H−DX2)を用いて、作製例2のガラス基板G2の上に塗布した後、70℃で3分間及び130℃で10分間乾燥して、膜厚が約2μmの金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を形成した。金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜は、金の単位面積当たりの含有量が32.12μg/cm2であった。この金錯体含有ポリアミド酸樹脂膜を大気下、400℃、10分間加熱処理することによって紫色に呈色した金属金微粒子分散ナノコンポジットフィルム(厚さ1.2μm)を作製した。また、該フィルム中に形成した金属金微粒子の特徴は、次のとおりであった。
形状;多面体状および球状粒子が混在、平均粒子径;69.0nm、最大粒子径;120.3nm、最小粒子径;8.0nm、ナノコンポジットフィルムにおける金の体積分率;1.35%。ナノコンポジットフィルムの表面側の面から0nm〜約150nm迄の厚さ範囲内の領域で、平均粒子径約30nmの金属金微粒子が存在し、ナノコンポジットフィルムの表面側の面から約150nm〜1.2μmの厚さ範囲内の領域で、平均粒子径約90nmの金属金微粒子が存在していた。
また、ナノコンポジットフィルムの金属金微粒子による局在型表面プラズモン共鳴の吸収スペクトルは、ピークトップが689nm、半値幅が190nmの吸収ピークが観測された。
実施例4と同様にして、ガラス基板G1上に金属金微粒子分散ナノコンポジット膜16(厚さ30nm)を形成した。
実施例16における作製例1のガラス基板G1を使用したことの代わりに、基板としてシリコンウェハーを使用したこと以外、実施例16と同様にして、金属金微粒子分散ナノコンポジットの微細パターンが形成されたSi基板17bを得た。得られたSi基板17bにおける微細パターンの評価は、顕微鏡観察によって行い、最小10μmのラインパターンの形成を確認した。
Claims (16)
- マトリックス樹脂層と、該マトリックス樹脂層に固定された金属微粒子とを備えた金属微粒子複合体であって、前記金属微粒子は、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、錫(Sn)、ロジウム(Rh)及びイリジウム(Ir)よりなる群から選ばれる金属種により形成されており、以下のa〜eの構成:
a)金属微粒子は、マトリックス樹脂層又はその前駆体の樹脂層に含まれる金属イオン又は金属塩を加熱還元することによって得られるものである;
b)金属微粒子は、マトリックス樹脂層の表面から少なくとも50nmの厚さ範囲内に存在する;
c)金属微粒子の粒子径(D)は、1nm〜100nmの範囲にあり、平均粒子径は3nm以上である;
d)隣り合う金属微粒子の間隔が、隣り合う金属微粒子における大きい方の金属微粒子の粒子径以上である;
e)金属微粒子は、380nm以上の波長の光と相互作用して局在型表面プラズモン共鳴を生じる;
を備えた金属微粒子複合体。 - 金属微粒子の体積分率は、金属微粒子複合体に対して、0.05〜23%の範囲内である請求項1に記載の金属微粒子複合体。
- 前記マトリックス樹脂層が、ポリイミド樹脂により構成されている請求項1又は2に記載の金属微粒子複合体。
- 前記ポリイミド樹脂が、透明又は無色を呈するポリイミド樹脂である請求項4に記載の金属微粒子複合体。
- 前記マトリックス樹脂層が、基材上にポリアミド酸樹脂溶液を塗布し、乾燥してポリアミド酸樹脂膜とした後、イミド化することにより得られるものである請求項4又は5に記載の金属微粒子複合体。
- 前記ポリアミド酸樹脂溶液が前記金属微粒子の原料となる金属化合物を含有するものである請求項6に記載の金属微粒子複合体。
- 前記金属微粒子の粒子径が30nm以上100nm以下の範囲内である請求項7に記載の金属微粒子複合体。
- 前記ポリアミド酸樹脂膜に、前記金属微粒子の原料となる金属イオン又は金属化合物を含有する溶液を含浸させた後、イミド化するものである請求項6に記載の金属微粒子複合体。
- 前記マトリックス樹脂層が、ポリイミドフィルムの表層をアルカリ改質してポリアミド酸樹脂層とした後、イミド化することにより得られるものである請求項4又は5に記載の金属微粒子複合体。
- 前記ポリアミド酸樹脂層に、前記金属微粒子の原料となる金属イオン又は金属化合物を含有する溶液を含浸させた後、イミド化するものである請求項10に記載の金属微粒子複合体。
- 基材上に所定のパターンで形成されてなる請求項1、2、4〜11のいずれか1項に記載の金属微粒子複合体。
- ポリイミド樹脂中に、380nm以上の波長の光と相互作用して局在型表面プラズモン共鳴を生じる平均粒子径が20nm〜30nmの範囲内にある金属微粒子が互いに接することなく、独立して分散してなる金属微粒子複合体の製造方法であって、前記金属微粒子は、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、錫(Sn)、ロジウム(Rh)及びイリジウム(Ir)よりなる群から選ばれる金属種により形成されており、以下の工程A及びB;
A)ポリアミド酸樹脂と、金属化合物とを含有する塗布液を、金属分の含有量として1μg/cm2〜30μg/cm2の範囲内となるように基材上に塗布し、乾燥して、乾燥後の厚さが30nm以上1.7μm以下の範囲内にある塗布膜を形成する工程、
B)前記塗布膜を、200℃〜450℃の範囲内で熱処理することにより、前記塗布膜中の金属イオン(又は金属塩)を還元して金属微粒子となる粒子状金属を析出させ、塗布膜中に分散させるとともに、前記塗布膜中の前記ポリアミド酸樹脂をイミド化して厚みが25nm〜1μmの範囲内にあるポリイミド樹脂層を形成する工程、
を備えたことを特徴とする金属微粒子複合体の製造方法。 - 前記金属微粒子は、隣り合う金属微粒子における粒子径の大きい方の金属微粒子の粒子径以上の間隔で存在することを特徴とする請求項13に記載の金属微粒子複合体の製造方法。
- 前記金属微粒子の体積分率は、金属微粒子複合体に対して、1〜10%の範囲内であることを特徴とする請求項13又は14に記載の金属微粒子複合体の製造方法。
- 前記B)の工程が、不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする請求項13〜15のいずれか1項に記載の金属微粒子複合体の製造方法。
- 前記金属化合物が、Auの前駆体であることを特徴とする請求項13〜16のいずれか1項に記載の金属微粒子複合体の製造方法。
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