JP5663736B2 - プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子構造体の製造方法、これにより得られる構造体、これを用いた構造体配設基板、エレクトロクロミック素子、整流装置、及び光応答素子 - Google Patents
プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子構造体の製造方法、これにより得られる構造体、これを用いた構造体配設基板、エレクトロクロミック素子、整流装置、及び光応答素子 Download PDFInfo
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Description
(1)下記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子を基材に配設して構造体をなすに当たり、下記a、cおよびdのいずれかの工程により水中安定化された構造体とすることを特徴とするプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の構造体の製造方法。
(a:前記基材の前記ナノ粒子を配設する面が仕事関数4.5eV以上の原子MSで構成されたものとする工程。)
(c:前記ナノ粒子を金属もしくは金属錯体のイオンを含む剤で処理する工程。)
(d:前記ナノ粒子を加熱する工程。)
[前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子は、下記金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基CNが架橋してなる金属錯体が、金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含有する水溶液および/または金属原子MDの陽イオンを含有する水溶液で処理されたものである。]
[金属原子MAは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MBは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MCは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MDは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
(2)前記ナノ粒子を水性媒体もしくはアルコール溶媒からなる媒体に分散させた分散液とし、該分散液を前記基材に塗布し前記媒体を乾燥除去して前記ナノ粒子を基材に配設することを特徴とする(1)に記載の構造体の製造方法。
(3)前記工程cにおいて、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が前記金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンで覆われている場合には、前記金属原子MBのイオンを含む剤で処理し、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が金属原子MDの陽イオンで覆われている場合には、前記金属原子MAを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含む剤で処理することを特徴とする(1)又は(2)に記載の構造体の製造方法。
(4)前記工程aで適用する原子MS、前記工程cで適用する金属もしくは金属錯体のイオンの種類を変えてプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の光学特性を変化させることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
(5)前記安定化された構造体の配設を繰り返し行い積層された構造体とすることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
(6)前記安定化された構造体とこれとは別の部材とを組み合わせて積層又は造形された構造体とすることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
(7)下記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が基材に配設された構造体であって、下記e、gおよびhのいずれかにより水中安定化されたことを特徴とするプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の構造体。
(e:前記基材の前記ナノ粒子を配設する面が仕事関数4.5eV以上の原子MSで構成されたこと。)
(g:前記ナノ粒子を金属もしくは金属錯体のイオンを含む剤で処理したこと。)
(h:前記ナノ粒子を加熱したこと。)
[前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子は、下記金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基CNが架橋してなる金属錯体が、金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含有する水溶液および/または金属原子MDの陽イオンを含有する水溶液で処理されたものである。]
[金属原子MAは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MBは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MCは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MDは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
(8)前記ナノ粒子の平均粒子径が500nm以下であることを特徴とする(7)に記載の構造体。
(9)前記ナノ粒子を水性媒体もしくはアルコール溶媒からなる媒体に分散させた分散液を前記基材に塗布し前記媒体を乾燥除去してなることを特徴とする(7)又は(8)に記載の構造体。
(10)前記工程gにおいて、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が前記金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンで覆われている場合には、前記金属原子MBのイオンを含む剤で処理し、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が金属原子MDの陽イオンで覆われている場合には、前記金属原子MAを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含む剤で処理したことを特徴とする(7)〜(9)のいずれか1項に記載の構造体。
(11)前記工程eで適用する原子MS、前記工程gで適用する金属もしくは金属錯体のイオンの種類を変えて前記プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の光学特性を変化させたことを特徴とする(7)〜(10)のいずれか1項に記載の構造体。
(12)前記安定化されたプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の層にプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の層が積層されたことを特徴とする(7)〜(11)のいずれか1項に記載の構造体。
(13)前記積層された層が互いに異なる種類のプルシアンブルー型金属錯体を含有する(12)に記載の構造体。
(14)前記構造体とこれとは別の部材とを組み合わせて積層又は造形されたことを特徴とする(7)〜(13)のいずれか1項に記載の構造体。
(15)電気化学応答性を示すことを特徴とする(7)〜(14)のいずれか1項に記載の構造体。
(16)前記基材として基板を用い、(7)〜(15)のいずれか1項に記載のプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の構造体を前記基板の少なくとも片側に設けた構造体配設基板。
(17)(16)に記載の構造体配設基板を備えたエレクトロクロミック素子。
(18)(12)〜(14)のいずれか1項に記載の積層された前記プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の薄膜を有する構造体を備えた整流素子。
(19)(12)〜(14)のいずれか1項に記載の積層された前記プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の薄膜を有する構造体を備えた光応答素子。
工程(1):水分散性のプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の作製
工程(2):工程(1)で作製したナノ粒子を用いた薄膜等の構造体の作製
工程(3):工程(2)で作製した構造体への安定性の付与
以下、上記本実施態様における工程(1)〜(3)について順に詳しく説明する。ただし、本発明がこの工程(1)〜(3)に限定して解釈されるものではない。なお、本発明において「プルシアンブルー型金属錯体」とは下記金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基CNが架橋してなる金属錯体と定義し、これをプルシアンブルー錯体類似体(PBA)ということがある。
本実施態様の製造工程(1)においては、金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基CNが架橋してなるプルシアンブルー型金属錯体の結晶を、金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオン及び/又は金属イオンMDによって表面処理し、好ましくはこれらにより被覆し、水に分散するプルシアンブルー型錯体ナノ粒子を作製する。本発明においては、このように水に分散する性質を水分散性といい、例えば分散体を1日静置した後でも粒子が沈降しないことが好ましい。ここで金属原子MA、MB、MC、MDは同じであっても異なっていてもよい。さらに、金属原子MC及びMDはプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の作製工程において被覆される必要はなく、最終的に得られた微粒子が上記金属原子により処理され、好ましくは上記金属による被覆構造を持っていればよい。また、金属原子MC及び/又はMDによる被覆は結晶表面上において均一かつ全面的になされる必要はなく、例えば結晶表面の全面積の1/3以上を覆うことが好ましい。さらに、他の物質を表面に吸着させ、他の溶媒への分散性向上や、光応答性などの改善を加えてもよい。例えば、特願2006−355513号明細書(国際公開2008/081923号パンフレット)に記載の後述する配位子を加えて配位させてもよい。
このように、本発明で使用するナノ粒子は、シェル部を構成する所定の金属陽イオン及びヘキサシアノ金属錯体陰イオンを、所定の順序で、原子もしくは分子を積み上げて所望の層構造に形成したナノ粒子でもよい。シェル部を複数層設けて多層構造の微粒子とするとき、各シェル部の金属組成は互いに同一であっても異なっていてもよい。
なお、一般式(1)〜(3)のいずれかで表される化合物は、本発明の効果を妨げなければ置換基を有していてもよい。
本実施態様の製造工程(2)においては、製造工程(1)で作製したプルシアンブルー型錯体ナノ粒子を利用し、構造体を作製する。本発明においてナノ粒子からなる構造体とは例えば薄膜であるが、これ以外にも微細加工が施された多様な形態のものを含み、ドット状のものなど所望の微細形状にされていてもよい。また、ナノ粒子からなる構造体を配設する基材は、平板状の基板上に配設されることが好ましいが、それに限定されず、例えば物品や建材などの壁面を基材として構造体を配設してもよい。なかでも、本発明のプルシアンブルー型ナノ粒子構造体の形状は、薄膜状が好ましいが、それに限定されない。この構造体を薄膜とするときには、例えばその厚さを0.01〜10μmとすることが好ましく、0.05〜1μmとすることがより好ましい。構造体中のプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の含有率は特に限定されないが、該ナノ粒子の電気的特性等をそのまま引き出して利用する観点からは、後述する処理剤や基材上の金属原子等の不可避的なもの以外の成分が十分に少量であることが好ましく、該ナノ粒子が30〜100質量%であることが好ましく、60〜100質量%であることがより好ましい。また、複数の異なるプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子を含んでいたり、複数の異なるプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子からなる層を複数積層したりしてもよい。その場合、積層された複数の層は形状が同じである必要はない。
製造工程(3)は、製造工程(2)で得られたプルシアンブルー型ナノ粒子構造体を安定化する工程である。安定化とは具体的には外部からの刺激によって構造体の形状が変更を受けにくいことをいう。例えば、水の付着や水中に浸漬したときに構造体の一部又は相当の部分が破壊されたり、基材から剥離したり、溶出したり、再分散して散逸したりすることを抑制・防止し薄膜や微細加工体の形態を維持する性質を高めることをいう。ここで、本発明における安定化の技術的意味について述べる。一般的にナノ粒子から作成した薄膜は、基板上にナノ粒子が積層した構造をとっており、液体の付着や、他の物質との衝突等に弱い場合がある。とくに水分散性のナノ粒子からなる構造体はそのままでは水中に浸漬することにより、剥離、分散するなどの問題が生じることがある。プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子のもつ電気化学的特性をそのまま発現させようとすれば、安定性を向上するためのバインダー等を過剰に添加することは好ましくない。しかし、バインダー等を付与しないナノ粒子構造体においては、このナノ粒子が水分散性である場合、水との接触や水中にいれることにより再度分散してしまうため、構造体の形態を維持することが難しい。そのため、そのままでは構造体と接触させる電解液として水を主媒体とするものを用いることができず、適用できるデバイスの構造や材料の種類は極めて限定されたものとなる。
金属ナノ粒子等の場合は、高温焼結することにより、表面処理剤等有機物を燃焼除去し、さらにナノ粒子間に結合を生じさせることにより安定化を図ることがある。一方、プルシアンブルー型ナノ粒子構造体は、物質にもよるが300℃以上の加熱により、ナノ粒子自体が酸化、分解される恐れがあり、高温焼結による安定化は困難であるため、本発明による方法が非常に有効である。
本発明において、「安定化」は上述のとおりであるが、さらに「水に対する安定性」ないし「水中安定性」というとき、水の付着や水中に浸漬したときに構造体の一部又は相当の部分が破壊されたり、基材から剥離したり、溶出したり、再分散して散逸したりすることを抑制・防止し薄膜や微細加工体の形態を維持する性質を高めることを意味する。この水中安定性の付与を本発明においては「水中安定化」という。
また、本発明においては上記のとおり構造体に水の接触に対する安定性が付与された結果、例えば構造体の製造時に構造体の作製工程と安定化工程とを交互にすすめることで、積層構造や立体的に造形された構造体とすることができる。これは、安定性の付与されていない従来の構造体ないしその製造方法では得がたい。従来の製造方法においては、例えばスピンコート法で膜厚の厚い膜を作製する場合、一度に厚膜を作成すると、乾燥工程において剥離等が見られる場合がある。たとえ所定の厚さより薄い膜とし、これを繰り返し製膜したとしても、既に形成された膜には安定性がない。したがって、次に配設される途膜中の水(水分)が接触することになり、結果として形成済みの膜に剥離等が生じる。これに対し、本発明によれば、所望の厚さの構造体(例えば膜)が安定化されており、これを積層して基材から高さのある構造体を積み上げた、例えば厚膜とすることができる。また、安定化された構造体(例えば薄膜)と、これとは異なる部材とを組み合わせた多層膜や立体構造体なども製造可能である。さらにまた、本発明を適用することにより、膜と基板の密着性や膜の強度を向上させることができ、その後の微細加工の精度を上げることも可能である。例えばフォトリソグラフィー法による微細加工を行う場合、本発明の適用により、所望のパターンを高精度に作成することが可能になる。
本実施態様においては、プルシアンブルー型ナノ粒子を仕事関数4.5以上の原子MSからなる基材あるいは上記金属原子により表面被覆した基材等に配設し構造体を形成する。この実施態様によれば、上記ナノ粒子を配設して所定期間静置するだけで構造体の水中安定性を高めることができる。例えば、上記特定基板の上にスピンコート等でプルシアンブルー型金属錯体薄膜を製膜し、数日大気中で静置した後に水中に静置すると剥離等がみられなくなる。
本実施態様においては、プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子に電気化学的処理を施すが、好ましくは、基材上に配設したプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子構造体前駆体をまず作製し、該構造体前駆体に電気化学的処理を施すことにより、その水中安定性を向上させることが可能である。より具体的には、電解質中でプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子構造体の電位を制御し、その酸化数を変化させることによって、水中安定性を高め制御することができる。
特定の剤(薬液等)による洗浄や液中静置によっても、プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の安定性を向上させることが可能である。このとき前記ナノ粒子を配設した構造体前駆体とし、その後に上記薬液処理を施すことが好ましい。その際の薬液は、その中にナノ粒子構造体前駆体の粒子表面に付着させるイオンが安定に分散していることが好ましく、所望のイオンを含む溶液かあるいはイオン液体が好ましい。本実施態様で使用する水分散性のプルシアンブルー型錯体ナノ粒子は、前述の通り、その表面が陽イオンあるいは陰イオンで覆われており、その結果としてのナノ粒子表面が帯電し、極性溶媒中の分散性を示すものが好ましい。例えば、そのナノ粒子表面の帯電を除去することによって、逆に極性溶媒中での分散性を低下させることができる。本発明はこの実施態様に限定されるものではないが、上記イオンを含む剤による処理の結果として構造体の安定性を向上させることができる。典型的には、構造体前駆体中のプルシアンブルー型錯体ナノ粒子を陽イオンおよび/あるいは陰イオンを含有する薬液で処理することにより、ナノ粒子の表面が正に帯電している場合には陰イオンを吸着させ、負に帯電している場合は陽イオンを吸着させることによってナノ粒子表面の帯電が除去され、安定性を付与することができる。
本実施態様においては、プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子を特定の温度に加熱するが、その時機は特に限定されず、前記粒子を基材に配設する前、配設する際、及び配設した後のいずれであってもよく、中でも基材に配設する際又は基材に配設した後に加熱処理することが好ましい。基材に配設する際に加熱処理する場合には、基材を加熱しておくことが望ましい。前述の通り、一般にプルシアンブルー型金属錯体は300℃以上で分解するため、それより高温での焼結は困難である。しかしながら、それより低温での加熱によって安定化を実現することが可能である。この場合、表面全体がヘキサシアノ金属錯体陰イオンで覆われていないことが好ましく、表面全体の1/3〜3/4程度が覆われていることが好ましい。温度としては、70℃〜150℃が好ましく、特に80℃〜120℃が好ましい。加熱時間は1分以上2時間以内が好ましく、特に5分以上30分以内が好ましい。ただし、上記の条件に制限されるものではない。
本発明のプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の構造体の安定性は極めて高く、特に水中での利用が可能になったことで、センサ用途など、水中での使用が必須である用途についても適用することができる。さらに、基材との接着力を増し電気的な刺激によって制御を実現する電気的素子への利用も可能である。さらには、他材料や、異なるナノ粒子材料間の多層膜、複合膜などの作製も容易になるため、多様な用途において装置の製造が容易となる。具体的には、メモリ素子、調光素子、表示素子、一次電池、二次電池、抵抗可変素子、センサなど、広範なアプリケーションに適用可能である。
(水分散性のプルシアンブルーナノ粒子の調製1)
フェロシアン化ナトリウム・10水和物14.5gを水60mLに溶解した水溶液に硝酸鉄・9水和物16.2gを水に溶解した水溶液30mLを混合し、5分間攪拌した。析出した青色のプルシアンブルー(PB)沈殿物を遠心分離し、これを水で3回、続いてメタノールで1回洗浄し、減圧下で乾燥した。このときの収量は11.0gであり、収率はFe4[Fe(CN)6]3・15H2Oとして97.4%であった。
作製したプルシアンブルー錯体(沈殿物)を粉末X線回折装置で解析した結果を図2に示す。これは標準試料データベースから検索されるプルシアンブルー(Fe4[Fe(CN)6]3)のもの(図示せず)と一致した。また、FT−IR測定においても、2080cm−1付近にFe−CN伸縮振動に起因するピークが現れており(図示せず)、この固形物がプルシアンブルーであることを示した。透過型電子顕微鏡で測定したところ、図3に示したように、このプルシアンブルーは10〜20nmのナノ粒子の凝集体であった。
<調製例2>
調製例1において、プルシアンブルー錯体(凝集体)0.40gを水8mlに懸濁させた懸濁液にフェロシアン化ナトリウム10水和物80mgを加え、撹拌したところ同様に青色透明分散液が得られた(分散液2)。
(水分散性のNiPBAナノ粒子の調製)
フェロシアン化カリウム25.3gを水80mLに溶解した溶液と、硝酸ニッケル・6水和物33.6gを水20mLに溶解した溶液を一気に混合し、5分間攪拌した。析出した黄褐色のニッケルプルシアンブルー錯体類似体(NiPBA)の沈殿物を遠心分離で取り出し、これを水で3回、続いてメタノールで1回洗浄し、減圧下で乾燥した。このときの収量は30.0gであり、収率はNi3[Fe(CN)6]2・10H2Oとしてほぼ100%であった。
作製したニッケルプルシアンブルー錯体類似体(沈殿物)を粉末X線回折装置で解析した結果を図5に示す。これは標準試料データベースから検索されるニッケルプルシアンブルー類似体(Ni3[Fe(CN)6]2)のもの(図示せず)と一致した。またその粒子の大きさを、粉末X線回折パターンのピーク幅から見積もったところ、20nmのナノ粒子の凝集体であった。
調製したNiPBA水分散液(黄褐色液)において溶媒である水を減圧留去することで、ニッケルプルシアンブルー錯体類似体ナノ粒子の粉末を凝集固体としてほぼ定量的に得た。得られた粉末は、水に再分散し、濃黄褐色の透明な分散液となった(分散液3)。
(水分散性のCuPBAナノ粒子の調製)
フェロシアン化カリウム・3水和物1.69gを水15mLに溶解した溶液と、塩化銅・2水和物1.36gを水15mLに溶解した溶液を一気に混合し、5分間攪拌した。析出した赤色の銅プルシアンブルー錯体類似体(Cu-PBA)の沈殿物を遠心分離で取り出し、これを水で3回洗浄した。得られた沈殿物にフェロシアン化カリウム・3水和物0.33gを水20mLを溶解した溶液を加えた。この懸濁液を一昼夜攪拌したところ、赤色分散液へと変化した。このようにして水分散性の銅プルシアンブルー類似体のナノ粒子分散液を得た。
(水分散性プルシアンブルーナノ粒子のスピンコート製膜)
調製例1で調製したプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子分散液(分散液1、濃度0.1g/ml)を用いて、ITO被膜ガラス基板(縦2.5cm、横2.5cm、厚さ1.1mm)のITO膜上にスピンコート法によりナノ粒子薄膜(構造体前駆体)(薄膜i)を製膜した。具体的には、スピンコーターにITO基板を設置し、分散液1を0.2ml滴下し、2000rpmでの回転を10秒で行った。これを120分間、約25℃の大気中で静置して、媒体を乾燥除去し、プルシアンブルーナノ粒子からなる薄膜状構造体前駆体を作製した。触針段差計((株)ケーエルエー・テンコール製、触針式段差計:α−STEP(商品名))を用いて膜厚を測定したところ、約200nmであった。また、調製例2で調製した分散液2を用いた場合も同様の薄膜(薄膜ii)が得られた。
(水分散性NiPBAナノ粒子のスピンコート製膜)
調製例3で調製したNiPBAナノ粒子分散液(分散液3、濃度0.1g/ml)を用いて、ITO被膜ガラス基板(縦2.5cm、横2.5cm、厚さ1.1mm)のITO膜上にスピンコート法によりナノ粒子薄膜(構造体前駆体)(薄膜iii)を製膜した。具体的には、スピンコーターにITO基板を設置し、分散液3を0.2ml滴下し、2000rpmでの回転を10秒で行った。これを120分間、約25℃の大気中で静置して、媒体を乾燥除去し、プルシアンブルーナノ粒子からなる薄膜状構造体前駆体を作製した。触針段差計((株)ケーエルエー・テンコール製、触針式段差計:α−STEP(商品名))を用いて膜厚を測定したところ、約200nmであった。
(水分散性プルシアンブルーナノ粒子のインクジェット製膜)
上記分散液試料を用い、インクジェット印刷装置を利用し微細加工体を作製した。具体的には、調製例1で作製したプルシアンブルーナノ粒子分散液1を0.01g/mlに希釈し、インクジェット吐出装置(クラスターテクノロジー社製、パルスインジェクター(商品名)及びウェイブビルダー(商品名))を使用し、ITOガラス基板(縦2.5cm、横2.5cm、厚さ1.1mm)のITO膜上にドット状薄膜(構造体前駆体)(薄膜iv)を作製した。この1点のドットは円換算して直径約2mm程度であり、このようなドットを約2mmの間隔をあけて上記ガラス基板上全面にほぼまんべんなく配設した。
(電気化学処理による水中安定化)
分散液1を用い作製例1と同様の工程により、プルシアンブルーナノ粒子薄膜をITO基板上に作製し、一日間大気中乾燥を行い、薄膜(構造体前駆体)1aを得た。この薄膜(構造体前駆体)にサイクリックボルタンメトリー法を用いて電気化学的処理を施した。その際、対極、参照極はそれぞれプラチナ、飽和カロメロ電極、電解液は0.1MのアセトニトリルのKPF6溶液、電位挿引は+0.8V〜−0.4Vを5回、スキャンレートは20mV/秒で実施した。その後アセトニトリルで洗浄し、24時間乾燥し、薄膜(構造体)1を得た。薄膜1を基板ごと蒸留水に5分間浸漬して静置したところ(水中安定性試験)、基板周縁部等に一部剥離がみられたものの薄膜の大部分は安定に存在していた。
(電気化学処理による水中安定化)
参考例1に対して電位挿引回数を25回とした以外同様にしてプルシアンブルーナノ粒子薄膜(構造体前駆体)2a、薄膜(構造体)2を得た。参考例1と同様にして水中安定性試験を行ったところ、ほぼ剥離した構造体部分はなく全体が安定に残留して存在していた。
薄膜(構造体前駆体)2a、薄膜2(水中安定性試験前)、薄膜2(水中安定性試験後)について吸収スペクトルを測定したところ図7のようになった。図中、それぞれ、上記の薄膜試料の順でスペクトル(a)(b)(c)として示した。この結果より、電気化学的処理を施すことにより、水中安定化させるとともに、明確なスペクトルの変化を生じさせ、色調の調節・制御が可能であることがわかった。
分散液2を用いた以外参考例1の薄膜(構造前駆体)1aと同様に薄膜1bを作製し、この薄膜に矩形波ボルタンメトリー法を用いて電気化学処理を施し、薄膜1cを得た。電位は飽和カロメロ電極を標準電位として−0.4Vを20秒の後、+0.8Vを20秒と設定した。その際の対極、参照極、電解液は参考例1と同様である。参考例1と同様にして水中安定性試験を行ったところ、ほぼ剥離した構造体部分はなく全体が安定に残留して存在していた。
(仕事関数の高い原子を表面に有する基板上塗布による水中安定化)
金(膜厚100nm)/クロム(膜厚5nm)/ガラス(膜厚1.5mm)の金属被覆基板(縦2.5cm、横2.5cm)を真空蒸着で作製し、プラズマアッシャー(ヤマト科学社製、PR500(商品名))で金表面を親水化処理(300W,180sec)した。その後に、上記基板の金表面に分散液1(0.1g/ml)をスピンコート法にて、回転数1500rpmを20秒の条件で塗布した。その後、24時間大気中にて乾燥し、媒体を乾燥除去し薄膜(構造体)3を得た。この薄膜の膜厚は185nmであった。
(仕事関数の高い原子を表面に有する基板上塗布による水中安定化)
銅(膜厚100nm)/クロム(膜厚5nm)/ガラス(膜厚1.5mm)の金属被覆基板を真空蒸着で作製し、上記基板の銅表面上に分散液1(0.1g/ml)をスピンコート法にて、回転数1500rpmを20秒の条件で塗布した。その後、24時間大気中にて媒体を乾燥除去し、薄膜(構造体)4を得た。この薄膜の膜厚は200nmであった。薄膜4について参考例1と同様の水中安定性試験を行ったところ、プルシアンブルーナノ粒子薄膜(構造体)の剥離等はなく、安定に存在した。
(薬液(処理剤)による水中安定化)
分散液1を用い作製例1と同様にしてプルシアンブルー薄膜(構造体前駆体)5aを作製した。この薄膜5aの一部を0.1M塩化鉄水溶液中に5秒静置し、その一部をさらに5秒引き続き静置(計10秒静置)した。5秒薬液中に静置した部分を薄膜(構造体)5−1とし、10秒静置した部分を薄膜(構造体)5−2とした。薬液中静置終了後、ただちに薄膜5−1及び5−2について参考例1と同様の水中安定性試験を行ったが、薄膜構造体の剥離は見られなかった。
(薬液(処理剤)による水中安定化)
分散液3を用い作製例2と同様にしてNiPBA薄膜(構造体前駆体)6aを作製した。この薄膜6aの一部を0.1M硝酸ニッケル水溶液中に5秒静置し、その一部をさらに5秒引き続き静置(計10秒静置)した。5秒薬液中に静置した部分を薄膜(構造体)6−1とし、10秒静置した部分を薄膜(構造体)6−2とする。薬液中静置終了後、ただちに薄膜6−1及び6−2について参考例1と同様の水中安定性試験を行ったが、薄膜構造体の剥離は見られなかった。
(薬液(処理剤)による水中安定化)
分散液3を用い作製例2と同様にしてNiPBAナノ粒子薄膜(構造体前駆体)7aを作製した。この薄膜7aの一部を0.1M塩化鉄水溶液中に5秒静置し、その一部をさらに5秒引き続き静置(計10秒静置)した。5秒薬液中に静置した部分を薄膜(構造体)7−1とし、10秒静置した部分を薄膜(構造体)7−2とする。いずれも、黄色から薬液浸漬直後に緑色への色変化が見られた。これは、もともとのNiPBAの黄色に加え、プルシアンブルーの原料である鉄イオンを添加したことにより、材料の一部がプルアンブルーと同一構造になり、青色の色調を持ったためであると考えられる。このように、薬液処理によって色調の調節・制御が可能である。上記薬液中静置終了後、ただちに薄膜7−1及び7−2について参考例1と同様の水中安定性試験を行ったが、薄膜構造体の剥離は見られなかった。
(薬液(処理剤)による水中安定化)
実施例7に対して、ナノ粒子の種類及び薬液の種類や濃度を下記表1のように変えた以外同様にして薄膜構造体8−1〜8−22を作製した。得られた薄膜構造体試料について、実施例7と同様にして水中安定性試験及び電気化学応答性試験を行ったところ、いずれも良好な水中安定性及び電気化学応答性を示した。
(インクジェット吐出により作製した構造物の薬液処理による水中安定化)
作製例3で作製したインクジェット吐出によるドット状のプルシアンブルーナノ粒子薄膜(構造体前駆体)9aを0.1M硝酸鉄水溶液に10秒間浸漬することにより、ドット状薄膜(構造体)9を得た。薄膜9を上記浸漬終了後、直ちに水中に浸漬したところ薄膜の剥離などは見られず、安定に存在していた。一方、硝酸鉄に浸漬しなかった部分については、水中に浸漬すると直ちに構造体が剥離、分散した。
(加熱による安定化)
作製例1で得た水中安定化されていない薄膜iiをオーブンにより100℃10分加熱した後、この薄膜を基板ごと蒸留水に5分間浸漬して静置したところ(水中安定性試験)、基板周縁部等に一部剥離がみられたものの薄膜の大部分は安定に存在していた。また、120℃に加熱し温度を維持したITO基板上に、調製例1で得られた分散液1を市販のスプレーにより塗布したところ、上記と同様の水中安定化効果がみられた。
(電気化学処理による多層膜化)
参考例1で得られる薄膜1の上部に、分散液3を用い、スピンコート法によりNiPBA薄膜を設置することで多層膜1を得た。具体的には、スピンコーターに薄膜を設置し、分散液3を0.2ml滴下し、2000rpmでの回転を10秒で行った。これを120分間、約25℃の大気中で静置して、媒体を乾燥除去することにより、多層膜1を得た。図15は、電気化学処理による不溶化処理を利用して作製された上記多層膜1の光学的透過率スペクトルである。(a)はNiPBA薄膜のスペクトル、(b)はPBのスペクトル、(c)は電気化学処理により不溶化したPB薄膜上にNiPBA薄膜を設置した多層膜のスペクトルである。
(薬液処理による安定化を利用した多層膜)
参考例12と同様にプルシアンブルーナノ粒子薄膜のスピンコート法による製膜および薬液処理による安定化を逐次実施することで多層膜が得られた。図16では、最初のスピンコート後薬液処理前のものを一層薬液処理前(a)、これを薬液処理したものを一層薬液処理後(b)、さらに2回目のスピンコートと薬液処理を施したものを二層積層膜(c)、3回目のスピンコートと薬液処理を施したものを三層積層膜(d)、4回目のスピンコートと薬液処理を施したものを四層積層膜(e)として、その外観写真を示している。なお、(a)〜(e)のそれぞれにおいて中央やや上方の小さな正方形の領域がプルシアンブルーナノ粒子薄膜の色を示す部分である。その周りの大きな正方形の領域は、後述する電気化学測定時に反応面積を規定するためにポリイミドテープをプルシアンブルーナノ粒子薄膜の上に接着させた部分である。同図に示すとおり、積層数を増すごとに色の濃い膜が得られた。また、このようにして得られた四層膜の電気化学測定を行ったところ、図17に示すとおり着色(電圧印加なし[off])と消色(電圧印加時[on])とのエレクトロクロミック特性が実現できた。
(薬液処理による安定化を利用した多層膜の色制御)
実施例6と同様に青色を呈するプルシアンブルーナノ粒子薄膜のスピンコート法による製膜及び薬液処理による安定化後、その上部に黄色を呈するNiPBA粒子薄膜を設置することにより、青と黄色の混合色である緑色を示す多層膜2が得られた。具体的には、参考例12と同様にプルシアンブルーナノ粒子薄膜の製膜及び薬液処理による安定化後、スピンコーターにその薄膜を設置し、分散液3を0.2ml滴下し、2000rpmでの回転を10秒で行った。これを120分間、約25℃の大気中で静置して、媒体を乾燥除去することにより、多層膜2を得た。
(不溶化を利用したフォトレジストパターニング)
ウェットプロセスによるパターン印刷の一例として、プルシアンブルー金属錯体のナノ粒子分散水溶液を用いて、ITO基板上にフォトリソグラフィー技術を用いたパターン印刷を行った。用いたナノ粒子分散液は0.1gの試料を1mlの水に分散させたものである。ITO基板上に感光性レジストを塗布し、紫外線によるパターン転写、現像を行った後、残ったレジストパターン上にプルシアンブルー金属錯体のナノ粒子分散水溶液を用いてスピンコート製膜を行った。一晩静置した後、レジストが溶け出しにくい溶媒を用いて電気化学的酸化還元を複数回行うことにより、ITOに密着した部分のナノ粒子膜が水や有機溶媒に対して不溶化すると同時に、膜のITOへの密着性が増すことがわかった。これをレジストが溶けやすい有機溶媒を用いてレジスト膜を剥離することによりITOに密着した部分の膜がパターンとして残り、図19に示したようにITO基板上にプルシアンブルー金属錯体ナノ粒子のパターン(五角形の輪郭のヒトの顔にあたる図形)が作成できた。この手法により、1mm以下の細かいパターンの作成が可能である。
(不溶化を利用したフォトレジストパターニング)
参考例15で作製したパターニングされた安定化プルシアンブルーナノ粒子薄膜の上部に、作製例2と同様に調製例3で得られたNi−PBA分散液をスピンコート法で塗布することにより、プルシアンブルーナノ粒子薄膜とNi−PBAナノ粒子薄膜の多層膜を得た。このように、多層膜を作製する場合の薄膜の形状は異なっていてもよい。
(整流機能を有する構造体の作製)
多層膜を電極で挟むことによって、整流装置が得られる。参考例12と同様にITO上に設置されたプルシアンブルーナノ粒子薄膜とNi−PBAナノ粒子薄膜の多層膜を得た。この上に、スパッタ法によってITO薄膜を製膜することで、所望の構造体を得た。
得られた構造にプルシアンブルーナノ粒子側に−3V、0V,3Vの電圧を10秒毎に切り替えて印可した際の電流特性を図20に示す。ここで見られるように、電圧の向きによって最大12倍の電流の差が現れ、整流機能を持つことがわかった。併せて、−3V時には黄色、3V時には青への色変化が観測された。
(光応答機能を有する構造体の作製)
実施例5で作製した構造体にキセノンランプ(朝日分光社製MAX−310)に均一照射レンズ(朝日分光社製RLQ−1)を接続し、10cmの距離から照射したところ、図21に示すとおり照射開始直後にパルス的な電流が観測された。光照射前に電流が0ではないのは、このデバイスが電池機能を有しているからである。また、光照射によって逆方向に電流が流れていることがわかる。すなわち、この素子は電池の正・負極を光照射によって切り替えることが可能である素子と言える。さらには、非常に高速で光照射に対し電流が応答していることがわかり、フォトセンサとしての役割も果たしていることがわかる。
(アルコール溶媒を利用して作製された構造体の安定化)
調製例1で得られた分散液を乾燥、乾固させ、粉末を得た後、メタノールに再分散させることにより、水分散性プルシアンブルーナノ粒子のメタノール分散液を得た。このメタノール分散液を利用し、作製例1と同様にスピンコート薄膜を作製した。この薄膜を利用し、参考例1,実施例4,実施例6と同様の処理をしたところ、いずれも薄膜は水中での剥離が見られず安定化が確認できた。
Claims (19)
- 下記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子を基材に配設して構造体をなすに当たり、下記a、cおよびdのいずれかの工程により水中安定化された構造体とすることを特徴とするプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の構造体の製造方法。
(a:前記基材の前記ナノ粒子を配設する面が仕事関数4.5eV以上の原子MSで構成されたものとする工程。)
(c:前記ナノ粒子を金属もしくは金属錯体のイオンを含む剤で処理する工程。)
(d:前記ナノ粒子を加熱する工程。)
[前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子は、下記金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基CNが架橋してなる金属錯体が、金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含有する水溶液および/または金属原子MDの陽イオンを含有する水溶液で処理されたものである。]
[金属原子MAは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MBは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MCは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MDは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。] - 前記ナノ粒子を水性媒体もしくはアルコール溶媒からなる媒体に分散させた分散液とし、該分散液を前記基材に塗布し前記媒体を乾燥除去して前記ナノ粒子を基材に配設することを特徴とする請求項1に記載の構造体の製造方法。
- 前記工程cにおいて、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が前記金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンで覆われている場合には、前記金属原子MBのイオンを含む剤で処理し、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が金属原子MDの陽イオンで覆われている場合には、前記金属原子MAを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含む剤で処理することを特徴とする請求項1又は2に記載の構造体の製造方法。
- 前記工程aで適用する原子MS、前記工程cで適用する金属もしくは金属錯体のイオンの種類を変えてプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の光学特性を変化させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
- 前記安定化された構造体の配設を繰り返し行い積層された構造体とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
- 前記安定化された構造体とこれとは別の部材とを組み合わせて積層又は造形された構造体とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
- 下記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が基材に配設された構造体であって、下記e、gおよびhのいずれかにより水中安定化されたことを特徴とするプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の構造体。
(e:前記基材の前記ナノ粒子を配設する面が仕事関数4.5eV以上の原子MSで構成されたこと。)
(g:前記ナノ粒子を金属もしくは金属錯体のイオンを含む剤で処理したこと。)
(h:前記ナノ粒子を加熱したこと。)
[前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子は、下記金属原子MA及び金属原子MBの間をシアノ基CNが架橋してなる金属錯体が、金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含有する水溶液および/または金属原子MDの陽イオンを含有する水溶液で処理されたものである。]
[金属原子MAは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MBは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MCは、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ニッケル、白金、及び銅からなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。]
[金属原子MDは、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ルテニウム、コバルト、ロジウム、ニッケル、パラジウム、白金、銅、銀、亜鉛、ランタン、ユーロピウム、ガドリニウム、ルテチウム、バリウム、ストロンチウム、及びカルシウムからなる群より選ばれる一種または二種以上の金属原子である。] - 前記ナノ粒子の平均粒子径が500nm以下であることを特徴とする請求項7に記載の構造体。
- 前記ナノ粒子を水性媒体もしくはアルコール溶媒からなる媒体に分散させた分散液を前記基材に塗布し前記媒体を乾燥除去してなることを特徴とする請求項7又は8に記載の構造体。
- 前記工程gにおいて、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が前記金属原子MCを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンで覆われている場合には、前記金属原子MBのイオンを含む剤で処理し、前記プルシアンブルー型金属錯体からなる水分散性のナノ粒子が金属原子MDの陽イオンで覆われている場合には、前記金属原子MAを中心金属とする金属シアノ錯体陰イオンを含む剤で処理したことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の構造体。
- 前記工程eで適用する原子MS、前記工程gで適用する金属もしくは金属錯体のイオンの種類を変えて前記プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の光学特性を変化させたことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の構造体。
- 前記安定化されたプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の層にプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の層が積層されたことを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の構造体。
- 前記積層された層が互いに異なる種類のプルシアンブルー型金属錯体を含有する請求項12に記載の構造体。
- 前記構造体とこれとは別の部材とを組み合わせて積層又は造形されたことを特徴とする請求項7〜13のいずれか1項に記載の構造体。
- 電気化学応答性を示すことを特徴とする請求項7〜14のいずれか1項に記載の構造体。
- 前記基材として基板を用い、請求項7〜15のいずれか1項に記載のプルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の構造体を前記基板の少なくとも片側に設けた構造体配設基板。
- 請求項16に記載の構造体配設基板を備えたエレクトロクロミック素子。
- 請求項12〜14のいずれか1項に記載の積層された前記プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の薄膜を有する構造体を備えた整流素子。
- 請求項12〜14のいずれか1項に記載の積層された前記プルシアンブルー型金属錯体ナノ粒子の薄膜を有する構造体を備えた光応答素子。
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