JP5598805B2 - 有機高分子ナノワイヤーとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機高分子からなる線状のナノワイヤーとその製造方法に関する。

ナノテクノロジーの発展に伴って金属・半導体・セラミックス系各種ナノワイヤーが作製されており、様々な分野への応用展開が実現されつつある。最近では、中でも有機材料への注目が飛躍的に高まってきており、高分子のナノワイヤーの作製とその応用が注目を集めている。高分子ナノワイヤーは、サイズ効果をはじめとする物性研究や柔構造などその特異な性質を生かして発光素子、光導波素子、光スイッチ素子などへの応用が期待されているものの、その研究は、ナノワイヤー自体の作製が容易でないために、未だ多くはなされてきていない。その作製方法であるが、従来法では、サブミクロンレベルの多数の穴が開いているポーラスアルミナ基板をテンプレート（鋳型）として、その穴の中に高分子材料を溶かし込み、固化させた後に、アルミナ材料を溶かすことにより、高分子ナノワイヤーを析出させるという手間のかかる手法が用いられていた。この手法の場合、テンプレートを用いなければならないこと、さらに、その穴に高分子材料を溶かし込む必要があるために、ナノワイヤーの直径は、およそ300nm程度であった。今後、この高分子ナノワイヤーを用いた各種デバイスへの展開を考える場合には、更なる細線化やプロセスの簡略化を実現する必要があるが、本手法の改良では困難とされており、新たな高分子ナノワイヤーの簡便な生成法が待ち望まれていた。

本発明は、このような実情に鑑み、従来の方法では不可能であったより細い有機高分子ナノワイヤーと従来法とは全く異なる原理をもって有機高分子ナノワイヤーを製造することができる製造方法を提供することを目的とする。

発明１の有機高分子ナノワイヤーは、直径が300nm未満であることを特徴とする。

発明２の有機高分子ナノワイヤーの製造方法は、所定の有機高分子中に光吸収性剤が分散されてなる薄膜に対して、前記光吸収性剤の吸収波長に該当する波長のレーザー光を照射し、当該照射箇所を起点として、前記有機高分子からなるナノワイヤーを伸長させることを特徴とする。

従来の方法では全く不可能であった、300nm未満、具体的には下記実施例に示すように数十ｎｍの直径を持つ有機高分子ナノワイヤーを提供することができたにので、無機ナノワイヤーと同様なレベルでの研究および開発が容易に行えるようになった。

また、発明2により、レーザー光と吸収性剤を利用して有機高分子ナノワイヤーを創生することができ、レーザー光の強度やその他の要素および吸収性剤を調整することで、さまざまな形状の有機高分子ナノワイヤーを生成することが可能になった。

文部科学省運営交付金プロジェクト：研究開発課題「構造材料の時間依存型損傷評価技術の構築」、サブテーマ名「ナノ計測技術の高度化に関する研究」において、新たな高分子ナノワイヤーの製法の研究を開始した。
様々な実験を行った結果、ワイヤーの材料とする高分子のフィルムを準備し、それにレーザ光を吸収する光吸収剤（例えば、クマリン、ペリレンなどの有機分子）を分散させておき、そのフィルムにパルスレーザー光、1パルスを、対物レンズを用いて集光照射すると光吸収剤が光励起されると共に、そのエネルギーによって極めて細い（直径が20〜200nm程度、長さ100〜2000μm程度、条件により変化可能）高分子ナノワイヤーが生成されることを知見した。
条件によっては、中空状のナノワイヤー、つまりナノチューブも生成することができる。
本明細書では、別途ことわりがない限り、ナノワイヤーをナノチューブを含む意味で用いる。 図1にその実験概観を示す。同時に、この生成プロセスを解明するために、超高速度カメラならびにゲートCCDカメラによる測定を行った。

この本願発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。もちろん本願発明の内容は下記例示に限定されるものではない。

高分子ナノワイヤー作製装置は図１のような構成である。レーザーパルス周波数と波長、レーザー強度は以下の条件とした。
レーザー光源：宇翔窒素レーザー（KEN-3010）によりポンピングされるクマリンダイレーザー
パルス幅900ｐs、波長440nm、レーザー強度３００μＪ/パルス以下、パルス周波数10Hz以下
母材と光吸収剤は以下のものをモノクロロベンゼン（Wako製）に溶解し、スピンコーターを使ってカバーガラス上に約30μｍ厚にスピンコーティングした。
母材：ポリブチルメタクリレート（PBMA、PMMA,PEMA, Polystylene）
光吸収剤：クマリン６
そこに前述のレーザー光を1パルス照射した。PBMAのサンプルの場合には、レーザー強度590 mJ/cm²の時が長い高分子ナノワイヤーが作製できた。
その他、（PMMA,PEMA, Polystylene）を用いても同様にナノワイヤーを作製することができた。また、クマリン6の代わりにペリレン分子を同質量比で混合した高分子を用いてもナノワイヤーが作製されることが明らかとなった。しかしながら、それらの材料を変えた場合には、ナノワイヤーができる最適なレーザー強度は変化し、それぞれに最適な強度が存在する。
以上の内容の詳細を表1に具体的に示す。

図2(左)は、浜松ホトニクス製、ゲートCCDカメラ（C10042-03）にて測定した高分子ナノワイヤーの成長過程の時間分解画像である。図2（左）は、クマリン6分子が分散したポリブチルメタクリレート（PBMA）高分子フィルムにレーザー光を照射して表面から成長した高分子ナノワイヤーの成長過程をゲートCCDカメラで時間分解撮影したものである。生成時間は、約1μsであった。これまでに試みた高分子全てのナノワイヤー生成が可能であった。（PMMA,PEMA,PBMA,Polystylene）また、分散させる分子種を変更してもワイヤー作製は可能であるが、ワイヤーサイズ・形状のレーザー光強度依存性は変化した。いずれのケースでも高分子ナノワイヤーの生成には、レーザー光強度の最適化が必要であり、それ以外ではワイヤーの成長は難しかった。

図2（右）から図7に高分子ナノワイヤーの走査型電子顕微鏡イメージを示す（日立製作所製、S-4800）。 図2（右）は、表1の実験１の例を示し100nm径、全長10mmのナノワイヤーの例である。本実験条件では、図3に示すような長いナノチューブが作製されるが、その他に図2（右）に示すような短いナノワイヤーも同時に複数本作製される。
図3は、表1の実験No.１の例を示し、クマリン6分子分散PBMAのケースで、高分子ナノチューブは倒れている。
図4は、表1の実験No.２３の例を示し、クマリン6分子分散ポリスチレン（PS)のケース 高分子ナノチューブは細いものが渦巻いていたり倒れたりしている。
図5は、表1の実験No.２３の例を示し、クマリン6分子分散ポリスチレン（PS)のケースを示す。
図6は、表1の実験No.２３の例を示し、クマリン6分子分散ポリスチレン（PS)のケース 非常に細いワイヤーも作製可能である。
図7は、表1の実験No.２３の例を示す。

本発明の高分子ナノワイヤー作製手法を用いれば、大気中のドライプロセスで非常に簡単にナノレベルの高分子ナノワイヤーを広範囲のサイズで作製でき、また多品種の高分子材料を利用できると考えられることから、今後、様々な機能性高分子のナノワイヤーを創製し、高分子系ナノワイヤー材料としてのサイズ効果の関わる物性研究やその特異な光学的あるいは電子的な特徴を生かした超高速光スイッチングデバイスへの応用が期待される。

本製法を実施するための装置の概略図 ゲートCCDカメラを用いた高分子ナノワイヤー成長プロセスの時間分解測定（左）と走査型電子顕微鏡イメージ（右）：約100nm径、全長約10mm 表1の実験No.１のナノワイヤーを示す写真 表1の実験No.２３のナノワイヤーを示す写真 表1の実験No.２３のナノワイヤーを示す写真 表1の実験No.２３のナノワイヤーを示す写真 表1の実験No.２３のナノワイヤーを示す写真

Claims (2)

1. 所定の有機高分子中に光吸収性剤が分散されてなる薄膜に対して、前記光吸収性剤の吸収波長に該当する波長のレーザー光を照射し、当該照射箇所を起点として伸長させた、前記有機高分子からなり直径が300nm未満である線状の有機高分子ナノワイヤー。
   
2. 有機高分子からなる線状のナノワイヤーを製造する方法であって、所定の有機高分子中に、光吸収性剤が分散されてなる薄膜に対して、前記光吸収性剤の吸収波長に該当する波長のレーザー光を照射し、当該照射箇所を起点として、前記有機高分子からなるナノワイヤーを伸長させることを特徴とする有機高分子ナノワイヤーの製造方法。