JP6124266B2 - Mesoporous metal film - Google Patents

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Description

本発明はメソポーラス金属膜に関する。 The present invention relates to the mesoporous metal film.

これまでにない化学的また物理的な特性の発現のために、物質のナノ構造制御は材料化学分野において極めて重要である。特に、ナノ(メソ)ポーラス構造は急を要する諸問題を解決するために必須である多くの機能サイトを有する表面を確実に提供することができる。これまで、各種の組成を有する多くのメソポーラス材料が両親媒性有機分子の自己組織化により作製されたとの報告がなされており、またガス吸蔵、分離、触媒、イオン交換、センシング、高分子重合、薬物送達等を含む広い応用可能性のために強い関心を集めてきた(非特許文献1〜3)。   Due to the development of unprecedented chemical and physical properties, the nanostructure control of substances is extremely important in the field of material chemistry. In particular, the nano (meso) porous structure can reliably provide a surface having many functional sites that are essential for solving urgent problems. Up to now, it has been reported that many mesoporous materials with various compositions were produced by self-organization of amphiphilic organic molecules, and gas occlusion, separation, catalyst, ion exchange, sensing, polymer polymerization, There has been strong interest due to its wide applicability including drug delivery and the like (Non-Patent Documents 1 to 3).

とりわけ、金属メソポーラス材料はかなりのキャリア密度を示し、これによって注目すべき光応答を示すことができる。これは、他の組成のメソポーラス材料(例えば、シリカ組成(非特許文献4、5)、カーボンベース組成(非特許文献6、7)等)を使用しても達成できない。例えば、近赤外(NIR)領域から可視(VIS)領域における光の自由空間輻射波長(free space radiation wavelength)は、それが金属表面における自由電子のプラズマ振動と相互作用するとき、その大きさが1〜2桁小さくなる(非特許文献8、9)。励起された表面プラズマ振動(excited surface plasma oscillation)つまり表面プラズモンにより、金属の表面モルフォロジーをナノメートルスケールで制御することによって柔軟に操作できるという注目すべき特性がもたらされる(非特許文献10〜13)。焼結によって大サイズの集塊になりがちであることでしばしば制約を受けている金属ナノ粒子の動作機構を検討するに、三次元(3−D)的に広がった金属フレームワークは緊急に必要とされている機能を設計するために極めて重要であるところの、豊富な反応/吸着サイトを確実にもたらすであろう。   In particular, metal mesoporous materials can exhibit significant carrier density, thereby providing a remarkable photoresponse. This cannot be achieved by using mesoporous materials having other compositions (for example, silica compositions (Non-Patent Documents 4 and 5), carbon-based compositions (Non-Patent Documents 6 and 7), etc.). For example, the free space radiation wavelength of light in the near infrared (NIR) to visible (VIS) region is such that when it interacts with plasma oscillations of free electrons on the metal surface, 1 to 2 digits smaller (Non-Patent Documents 8 and 9). Excited surface plasma oscillation or surface plasmon provides the remarkable property that it can be manipulated flexibly by controlling the surface morphology of the metal on the nanometer scale (Non-Patent Documents 10-13). . A three-dimensional (3-D) spread metal framework is urgently needed to investigate the mechanism of operation of metal nanoparticles that are often constrained by the tendency to become large agglomerates due to sintering It will surely result in abundant reaction / adsorption sites, which are crucial for designing the functions that are considered.

膜及び粒子の形状をとるナノ構造化された金(Au)材料は、いくつかの酸化反応(例えばCO、ブドウ糖、メタノールの酸化反応)及びO還元反応で高度の触媒活性を示した(非特許文献14〜18)だけではなく、その局所化された表面プラズモン共鳴のために独特な光特性をも示した(非特許文献19〜21)。ソフトテンプレート法及びハードテンプレート法により多様なメソポーラス金属及び合金が作製されたが(非特許文献22〜26)、一様なメソ細孔を有する金薄膜はこのような方法では未だに作成できていない。それは、テンプレート周囲でのAuの結晶成長を制御するのが困難だからである。ハードテンプレートを使用するほとんど全ての場合において、ナノ構造化されたAu材料は、メソポーラス構造を持たないナノ粒子、ナノシート及びナノワイヤとして得られるのみであった(非特許文献27、28)。コロイド結晶テンプレート法は三次元秩序を有するマクロポーラス(3-D ordered macroporous, 3-DOMとも呼ばれる)材料を形成するための有効的な技法のひとつであるが(非特許文献29〜32)、周期的なメソポーラス構造(例えば3−D六角形構造と類似した逆オパール)を有するAu材料の合成はきわめて難しい(非特許文献33)。本願発明者の知る限り、メソポーラス/ナノポーラスAu材料を作成する唯一の道は、脱合金化によるものが報告されているだけである(非特許文献34〜36)。これは,合金(2元以上)から特定金属を選択的に溶出させることでポーラス構造を作成するプロセスである(非特許文献37、38)。しかしながら、この脱合金化という手法では構造的なパラメータに対する制御性が乏しく、厳格な実験条件下でのプロセスを必要とするが、それにも拘わらず出来上がる孔はサイズ及び形状が不規則である。従って、Au結晶の形状をナノポーラス構造化することは非常に困難である。また、Auに限らず、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、すず(Sn)等の金属についても、メソポーラス金属膜を得ることは非常に困難である。ましてや、安定した品質のメソポーラス金属膜を製造し、更にメソ細孔サイズなども広い範囲で調節することは、極めて困難である。 Nanostructured gold (Au) materials in the form of membranes and particles showed a high degree of catalytic activity in some oxidation reactions (eg CO, glucose, methanol oxidation reactions) and O 2 reduction reactions (non- Not only Patent Documents 14 to 18) but also unique optical properties due to its localized surface plasmon resonance (Non-Patent Documents 19 to 21). Various mesoporous metals and alloys have been produced by the soft template method and the hard template method (Non-Patent Documents 22 to 26), but a gold thin film having uniform mesopores has not yet been produced by such a method. This is because it is difficult to control the crystal growth of Au around the template. In almost all cases using hard templates, nanostructured Au materials were only obtained as nanoparticles, nanosheets and nanowires without mesoporous structures (Non-Patent Documents 27 and 28). The colloidal crystal template method is one of effective techniques for forming a macroporous (3-D ordered macroporous, also called 3-DOM) material having a three-dimensional order (Non-Patent Documents 29 to 32). It is very difficult to synthesize Au materials having typical mesoporous structures (for example, inverted opals similar to 3-D hexagonal structures) (Non-patent Document 33). As far as the inventor of the present application knows, the only way to create a mesoporous / nanoporous Au material has been reported by dealloying (Non-Patent Documents 34 to 36). This is a process for creating a porous structure by selectively eluting a specific metal from an alloy (two or more) (Non-patent Documents 37 and 38). However, this dealloying technique has poor controllability over structural parameters and requires a process under rigorous experimental conditions. Nevertheless, the resulting holes are irregular in size and shape. Therefore, it is very difficult to make the Au crystal shape into a nanoporous structure. In addition to Au, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), tin (Sn It is very difficult to obtain a mesoporous metal film for metals such as). In addition, it is extremely difficult to produce a mesoporous metal film having a stable quality and further adjust the mesopore size in a wide range.

本発明の課題は、上述した従来技術では得られなかった新規なAu等の金属を用いたメソポーラス金属膜を提供すること、及びメソポーラス金属膜の新規な製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a novel mesoporous metal film using a metal such as Au, which has not been obtained by the above-described prior art, and to provide a novel method for producing a mesoporous metal film.

本発明の一側面によれば、メソ細孔(ナノ細孔)を有する金属膜であって、前記金属は、Au、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、及びこれらの2種以上の合金からなる群より選択される少なくとも1種であるメソポーラス金属膜が与えられる。
ここで、前記メソ細孔の平均直径が5nmから100nmであってよい。
また、前記メソポーラス金属膜は導電性基板上に形成されてよい。
また、隣接する前記メソ細孔の間の平均壁厚が10nmから50nmであってよい。
また、膜厚が0nm超10mm未満であってよい。
また、平均直径×0.9から平均直径×1.1の範囲の直径を有するメソ細孔の割合が、全メソ細孔中、60%から100%であってよい。
本発明の他の側面によれば、両親媒性ブロックコポリマーのミセルと金属化合物とを含む電解質溶液中に浸漬した電極間に電圧を印加して、一方の電極上に前記金属と前記ブロックコポリマーとの複合体を堆積させる工程を含み、前記金属は、Au、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Pt、Sn、及びこれらの2種以上の合金からなる群より選択される少なくとも1種である、メソポーラス金属膜の製造方法が与えられる。
ここで、前記堆積の終了後に前記一方の電極上の前記複合体から前記ブロックコポリマーを除去する工程を含んでよい。
また、前記電解質溶液は、更に、前記両親媒性ブロックコポリマー中の疎水性ブロックを溶解する溶媒を含んでよい。
また、前記溶媒は環状エーテル系溶媒であってよい。
また、前記電解質溶液中の前記溶媒の量を変化させることにより、製造されるメソポーラス金属膜のメソ細孔の平均直径を調節してよい。
また、前記電解質溶液中に疎水性の有機化合物を添加することにより、製造されるメソポーラス金属膜のメソ細孔の平均直径を調節してよい。
また、前記疎水性の有機化合物は1,3,5−トリイソプロピルベンゼンであってよい。
According to one aspect of the present invention, a metal film having mesopores (nanopores), the metal being Au, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Sn, and A mesoporous metal film that is at least one selected from the group consisting of these two or more alloys is provided.
Here, the mesopores may have an average diameter of 5 nm to 100 nm.
The mesoporous metal film may be formed on a conductive substrate.
The average wall thickness between adjacent mesopores may be 10 nm to 50 nm.
The film thickness may be more than 0 nm and less than 10 mm.
Further, the proportion of mesopores having a diameter in the range of average diameter × 0.9 to average diameter × 1.1 may be 60% to 100% in all mesopores.
According to another aspect of the present invention, a voltage is applied between electrodes immersed in an electrolyte solution containing micelles of an amphiphilic block copolymer and a metal compound, and the metal and the block copolymer are formed on one electrode. The metal is selected from the group consisting of Au, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Sn, and alloys of two or more thereof. A method for producing a mesoporous metal film is provided.
Here, a step of removing the block copolymer from the composite on the one electrode after completion of the deposition may be included.
The electrolyte solution may further include a solvent that dissolves the hydrophobic block in the amphiphilic block copolymer.
The solvent may be a cyclic ether solvent.
Moreover, you may adjust the average diameter of the mesopores of the mesoporous metal film manufactured by changing the quantity of the said solvent in the said electrolyte solution.
Moreover, you may adjust the average diameter of the mesopores of the mesoporous metal film manufactured by adding a hydrophobic organic compound in the electrolyte solution.
The hydrophobic organic compound may be 1,3,5-triisopropylbenzene.

本発明によれば、従来得られなかったメソポーラス構造を有するAu等の金属膜を与えることができるので、新規な応用が期待できる。また、本発明の製造方法は実行が容易であり、また安定した品質のメソポーラス金属膜を製造でき、更にメソ細孔の大きさや壁厚なども広い範囲で容易に調節することができる。   According to the present invention, a metal film made of Au or the like having a mesoporous structure that has not been obtained in the past can be provided, so that a novel application can be expected. In addition, the production method of the present invention is easy to execute, can produce a mesoporous metal film having a stable quality, and can easily adjust the size and wall thickness of mesopores in a wide range.

本発明の一実施例のメソポーラスAu膜の製造方法を説明する図であり、(A)ミセル集合体からのメソポーラスAu膜形成のメカニズムを概念的に説明する図。(B)液相中で(3mLのTHFを使って)形成されたPS18000−b−PEO7500ミセルのTEM像。(B−1)HAuCl源なしの場合、(B−2)HAuCl源を使用した場合。(B)のTEM像中で、黒点は電子ビーム照射によってミセルの表面上に形成されたAuナノ粒子である。(B−1)及び(B−2)右上の差し込み図に、それぞれの場合のチンダル現象を示す。It is a figure explaining the manufacturing method of the mesoporous Au film | membrane of one Example of this invention, (A) The figure which illustrates notionally the mechanism of mesoporous Au film | membrane formation from a micelle aggregate. (B) TEM image of PS 18000- b-PEO 7500 micelles formed in the liquid phase (using 3 mL of THF). (B-1) when the HAuCl 4 sources without, when using the (B-2) HAuCl 4 source. In the TEM image of (B), the black dots are Au nanoparticles formed on the surface of the micelle by electron beam irradiation. (B-1) and (B-2) In the upper right inset, the Tyndall phenomenon in each case is shown. (A−1)及び(A−2)本発明の一実施例においてPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液を使用して作製したメソポーラスAu膜の上側表面のSEM像。ここで、堆積時間は1000秒であった。(B−1)〜(B−3)本発明の一実施例において、PS18000−b−PEO7500ミセル及び異なる量のTHFを含む3種類の電解液を使用して作製したメソポーラスAu膜の上側表面のSEM像(THF量:(B−1)1mL、(B−2)2mL、(B−3)3mL)。(C−1)〜(C−3)本発明の一実施例においてPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液を使用して作製したメソポーラスAu膜の高倍率TEM像。結晶格子の割り付けは図13に示す。(A-1) and (A-2) Upper side of a mesoporous Au film made using a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and 3 mL THF as solvent in one embodiment of the present invention. SEM image of the surface. Here, the deposition time was 1000 seconds. (B-1) to (B-3) In one embodiment of the present invention, the upper side of a mesoporous Au film prepared using three types of electrolytes containing PS 18000 -b-PEO 7500 micelles and different amounts of THF SEM image of the surface (THF amount: (B-1) 1 mL, (B-2) 2 mL, (B-3) 3 mL). (C-1) to (C-3) High mesoporous Au film prepared using a typical electrolyte containing PS 18000 -b-PEO 7500 micelles and 3 mL THF as solvent in one embodiment of the present invention. Magnification TEM image. The crystal lattice assignment is shown in FIG. 本発明の一実施例において、PS18000−b−PEO7500ミセル及び異なる溶媒組成(試料II:3mLのTHF、試料III:3mLのTHF+40μLの1,3,5−TIPBz)を含む2種類の電解液で作製したメソポーラスAu膜のSEM像((A−1)、(B−1))及びその上の対応する532nmの励起の下での電場分布を示す図((A−2)、(B−2)、(B−3))。(A−2)及び(B−2)の電場の大きさは膜中の10nmの深さで得られたものであり、適度なEフィールドの大きさは破線の正方形で示すように細孔表面の内側あるいは周辺で明確に観測される。(B−3)の電場分布は膜表面から得られたものであり、突出した物体の周辺における強い電場(ホットスポット)を示す(実線の正方形でマーキングしている)。(B−4)はメソポーラスAu膜上の断面電場分布(試料III)。(C−1)、(C−2)、(D−1)、(D−2)それぞれ(A−1)及び(A−2)中の破線の正方形で示される領域の拡大SEM像、並びに(B−1)及び(B−2)中の破線の正方形で示される領域中の電場分布を示す図。In one embodiment of the present invention, two electrolytes comprising PS 18000- b-PEO 7500 micelles and different solvent compositions (Sample II: 3 mL THF, Sample III: 3 mL THF + 40 μL 1,3,5-TIPBz) (S-1) and (B-1)) of the mesoporous Au film prepared in step 1 and the electric field distribution under the corresponding excitation at 532 nm ((A-2), (B- 2), (B-3)). The electric field magnitudes of (A-2) and (B-2) were obtained at a depth of 10 nm in the film, and the appropriate E field magnitude is the pore surface as shown by the dashed square. Observed clearly inside or around. The electric field distribution of (B-3) is obtained from the film surface and shows a strong electric field (hot spot) around the protruding object (marked by a solid square). (B-4) is a cross-sectional electric field distribution on the mesoporous Au film (sample III). (C-1), (C-2), (D-1), (D-2) an enlarged SEM image of a region indicated by a dashed square in (A-1) and (A-2), respectively, and The figure which shows the electric field distribution in the area | region shown with the square of the broken line in (B-1) and (B-2). 本発明の一実施例のメソポーラスAu膜上に被覆されたナイルブルー分子の表面増強ラマン散乱(SERS)測定を示す図。(A)PS18000−b−PEO7500ミセル及び3mLのTHF+40μLの1,3,5−TIPBz溶媒を含む電解液を用いて作製されたメソポーラスAu膜(試料III)の写真。(B)振動強度についての対応するSERSスペクトルマッピングを示す図。(C)メソポーラスAu膜(試料III)上の代表的なSERSスペクトル。メソポーラスAu領域(堆積領域)及び非多孔性領域(堆積していない領域)の両者を測定した。(D)PS18000−b−PEO7500ミセル及び異なる溶媒組成(試料I:1mLのTHF、試料II:3mLのTHF、試料III:3mLのTHF+40μLの1,3,5−TIPBz)を含む3種類の電解液で作製したメソポーラスAu膜上での代表的なSERSスペクトル。比較のために、メソ細孔を持っていないスパッタされたAu膜についてのデータも示す。SERSスペクトルのばらつきはそれぞれにつき±5%である。このばらつきは、吸着された分子層の表面粗さ及び非一様性によるものである。The figure which shows the surface enhancement Raman scattering (SERS) measurement of the Nile blue molecule | numerator coat | covered on the mesoporous Au film | membrane of one Example of this invention. (A) Photograph of a mesoporous Au film (sample III) prepared using an electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and 3 mL of THF + 40 μL of 1,3,5-TIPBz solvent. (B) The figure which shows the corresponding SERS spectrum mapping about vibration intensity. (C) Representative SERS spectrum on mesoporous Au film (Sample III). Both mesoporous Au regions (deposited regions) and non-porous regions (non-deposited regions) were measured. (D) Three types including PS 18000- b-PEO 7500 micelles and different solvent compositions (Sample I: 1 mL THF, Sample II: 3 mL THF, Sample III: 3 mL THF + 40 μL 1,3,5-TIPBz) A typical SERS spectrum on a mesoporous Au film prepared with an electrolytic solution. For comparison, data for a sputtered Au film without mesopores is also shown. The SERS spectrum variation is ± 5% for each. This variation is due to the surface roughness and non-uniformity of the adsorbed molecular layer. PS18000−b−PEO7500ミセル及び異なる量のTHF((A):1mL、(B):2mL、(C):3mL)を含む3種類の電解液で作製したメソポーラスAu膜の上面のSEM像及び対応する細孔サイズ分布曲線を示す図。平均細孔サイズは(A):19nm、(B):24nm及び(C):25nmであった。SEM image of the top surface of a mesoporous Au film made with three electrolytes containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and different amounts of THF ((A): 1 mL, (B): 2 mL, (C): 3 mL) The figure which shows the corresponding pore size distribution curve. The average pore size was (A): 19 nm, (B): 24 nm, and (C): 25 nm. (A1)3mLのTHFを含むがHAuCl源は含まない水溶液中で形成されたPS18000−b−PEO7500ミセルのSEM像。(B1)3mLのTHF及びHAuCl源を含む水溶液中で形成されたPS18000−b−PEO7500ミセルのSEM像。(A2)、(B2)それぞれ(A1)及び(B1)のミセルサイズ分布ヒストグラム。(A1) SEM image of PS 18000 -b-PEO 7500 micelles formed in an aqueous solution containing 3 mL THF but no HAuCl 4 source. (B1) SEM image of PS 18000- b-PEO 7500 micelles formed in an aqueous solution containing 3 mL of THF and HAuCl 4 source. (A2) and (B2) The micelle size distribution histograms of (A1) and (B1), respectively. 非常に短い堆積時間((A):10秒、(B):30秒、(C):100秒)で作製したメソポーラスAu膜の上面のSEM像。ここに示したすべての膜はPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液で作製した。The SEM image of the upper surface of the mesoporous Au film | membrane produced with very short deposition time ((A): 10 second, (B): 30 second, (C): 100 second). All films shown here were made with a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and 3 mL of THF as solvent. PS18000−b−PEO7500ミセル及び異なる量の1,3,5−TIPBz((A):10μL、(B):20μL、(C):30μL及び(D):40μL)を含む4種類の電解液で作製したメソポーラスAu膜の条件のSEM像及び対応する細孔サイズ分布曲線を示す図。電解液中のTHF量は3mLに固定した。平均メソ細孔サイズは(A):32nm、(B):32nm、(C):40nm及び(D):40nmであった。Four types of electrolysis including PS 18000- b-PEO 7500 micelles and different amounts of 1,3,5-TIPBz ((A): 10 μL, (B): 20 μL, (C): 30 μL and (D): 40 μL)) The figure which shows the SEM image of the conditions of the mesoporous Au film | membrane produced with the liquid, and a corresponding pore size distribution curve. The amount of THF in the electrolyte was fixed at 3 mL. The average mesopore size was (A): 32 nm, (B): 32 nm, (C): 40 nm, and (D): 40 nm. (A):PS18000−b−PEO7500ミセル及び(B):PS63000−b−PEO26000ミセルを含む2種類の異なる電解液で作製したメソポーラスAu膜のSEM像及び対応する細孔サイズ分布曲線を示す図。電解液中のTHF量は3mLに固定した。平均メソ細孔サイズは(A):25nm及び(B):60nmであった。SEM images and corresponding pore size distribution curves of mesoporous Au films prepared with two different electrolytes including (A): PS 18000- b-PEO 7500 micelles and (B): PS 63000- b-PEO 26000 micelles. FIG. The amount of THF in the electrolyte was fixed at 3 mL. The average mesopore size was (A): 25 nm and (B): 60 nm. 堆積時間と膜厚との関係を示す図。(A〜E)PS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液を用いて作製したメソポーラスAu膜の断面SEM像。堆積時間は(A):600秒、(B):1000秒、(C):1800秒、(D):2500秒及び(E):3600秒とした。(F)はメソポーラスAu膜の成長速度を示す。The figure which shows the relationship between deposition time and a film thickness. (A to E) Cross-sectional SEM images of mesoporous Au films prepared using a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and 3 mL of THF as solvent. Deposition times were (A): 600 seconds, (B): 1000 seconds, (C): 1800 seconds, (D): 2500 seconds, and (E): 3600 seconds. (F) shows the growth rate of the mesoporous Au film. PS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液により作製したメソポーラスAu膜についてのECSA(electrochemically active surface area)の計算結果を示す図。(A)酸性溶液(0.5M HSO)中での色々な膜厚のメソポーラスAu膜のサイクリックボルタモグラム(CV)。(B)ECSAと膜厚との関係を示す図。(C)全ECSAと膜堆積との関係を示す図。Graph showing the calculation results of the ECSA (electrochemically active surface area) of the mesoporous Au film fabricated by typical electrolyte containing THF in 3mL as PS 18000 -b-PEO 7500 micelles and solvent. (A) Cyclic voltammograms (CV) of mesoporous Au films of various thicknesses in an acidic solution (0.5 MH 2 SO 4 ). (B) The figure which shows the relationship between ECSA and a film thickness. (C) A diagram showing the relationship between total ECSA and film deposition. 単層メソポーラスAu膜中のメソ細孔配置モデルを示す概念図。The conceptual diagram which shows the mesopore arrangement | positioning model in a single layer mesoporous Au film | membrane. PS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液で作製したメソポーラスAu膜の高拡大TEM像。(A)中において、(a)積層欠陥(stacking fault)、(b)転位、(c)折れ曲がりバンド(kink band)のようないくつかの欠陥を矢印で示す。スケールバーは(A)が5nm、(B)〜(G)は1nmであり、ゾーン軸は[110]方向である。High magnification TEM image of a mesoporous Au film made with a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and 3 mL THF as solvent. In (A), some defects such as (a) stacking faults, (b) dislocations, (c) kink bands are indicated by arrows. The scale bar (A) is 5 nm, (B) to (G) are 1 nm, and the zone axis is the [110] direction. (a)〜(c)はPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液によって作製されたメソポーラスAu膜のXPSスペクトル(測定対象:(a)ポリマーミセルを除去した後のメソポーラスAu膜、(b)エッチング処理後のメソポーラスAu膜(上面から5nmの厚さの部分を除去)、(c)ポリマーミセルを除去する前のメソ構造化されたAu膜)。(d)はスパッタリング法によって作製された非多孔質Au膜のXPSスペクトル。(A) to (c) are XPS spectra of mesoporous Au films prepared by a typical electrolyte containing PS 18000 -b-PEO 7500 micelles and 3 mL of THF as a solvent (measuring object: (a) polymer micelles removed) (B) Mesoporous Au film after etching (removed 5 nm thick portion from the upper surface), (c) Mesostructured Au film before removal of polymer micelles). (D) is an XPS spectrum of a non-porous Au film produced by a sputtering method. 電解液中に溶解したAu種の配位状態(coordination environment)を調べるための測定結果を示す図。(A)各種の溶液(PS−b−PEOミセルとHAuClの両方を含む溶媒、PS−b−PEOミセルのみを含む溶媒、及びHAuClのみを含む溶媒)のUV−bisスペクトル。(B)同じ溶媒のラマンスペクトル。(C)(B)の左端の長方形領域の拡大図。The figure which shows the measurement result for investigating the coordination state (Auordination environment) of Au seed | species melt | dissolved in electrolyte solution. (A) UV-bis spectra of various solutions (a solvent containing both PS-b-PEO micelles and HAuCl 4 , a solvent containing only PS-b-PEO micelles, and a solvent containing only HAuCl 4 ). (B) Raman spectrum of the same solvent. (C) The enlarged view of the rectangular area of the left end of (B). PS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒としてTHFを含む典型的な電解液により作製されたメソポーラスAu膜の各種の位置のSEM像。電解液の二つの別個に準備したバッチから二つの膜を別々に作製した。SEM images of various positions of a mesoporous Au film made with a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and THF as solvent. Two membranes were made separately from two separately prepared batches of electrolyte. (A)剥離試験前の典型的なメソポーラスAu膜の写真。(B)剥離試験前の典型的なメソポーラスAu膜のSEM像。(C)剥離試験後の典型的なメソポーラスAu膜の写真。(D)剥離試験後の典型的なメソポーラスAu膜のSEM像。試験対象の試料であるメソポーラスAu膜はPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒としてTHFを含む典型的な電解液によって作製された。(A) A photograph of a typical mesoporous Au film before the peel test. (B) SEM image of a typical mesoporous Au film before the peel test. (C) A photograph of a typical mesoporous Au film after the peel test. (D) SEM image of a typical mesoporous Au film after the peel test. The sample to be tested, the mesoporous Au film, was made with a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and THF as the solvent. 各種の温度の下でのメソポーラスAu膜の堆積プロセス中の電流測定結果のプロット。全ての堆積プロセスはPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液の下で行われた。Plot of current measurement results during the deposition process of mesoporous Au film under various temperatures. All deposition processes were performed under a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and 3 mL of THF as solvent. 各種の温度((A)0℃、(B)25℃、(C)40℃、及び(D)60℃)で作製したAu膜のSEM像。全ての膜はPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として3mLのTHFを含む典型的な電解液によって作製した。SEM images of Au films prepared at various temperatures ((A) 0 ° C., (B) 25 ° C., (C) 40 ° C., and (D) 60 ° C.). All membranes were made with a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 micelles and 3 mL of THF as solvent. (A)三種類の電解液で作製したメソポーラスAu膜のSEM像。ここで三種類の電解液はそれぞれPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として三種類の溶媒組成、すなわち(試料I)1mLのTHF,(試料II)3mLのTHF及び(試料III)3mLのTHF+40μLの1,3.5−TIPBzを使用した。(B)メソポーラスAu膜(試料I、試料II及び試料III)の散乱スペクトル。比較のため、メソ細孔を持たないスパッタされたAu膜についても測定した。(C)メソポーラスAu膜(試料III)の散乱スペクトルの膜上位置依存性を示すグラフ。(B)のグラフ中に見られる広帯域のスペクトルは、膜中の色々なタイプのメソ細孔及びナノ突起からの光学的応答がまとめられた効果によるものである。(A) SEM images of mesoporous Au films prepared with three types of electrolytes. Here, the three kinds of electrolytes are PS 18000- b-PEO 7500 micelles and three kinds of solvent compositions as solvent, respectively (sample I) 1 mL THF, (sample II) 3 mL THF, and (sample III) 3 mL THF + 40 μL 1,3.5-TIPBz was used. (B) Scattering spectra of mesoporous Au films (Sample I, Sample II, and Sample III). For comparison, a sputtered Au film without mesopores was also measured. (C) The graph which shows the position dependence on the film | membrane of the scattering spectrum of a mesoporous Au film | membrane (sample III). The broadband spectrum seen in the graph of (B) is due to the combined effect of optical responses from various types of mesopores and nanoprotrusions in the film. (A−1)、(B−1)、(C−1)三種類の電解液で作製したメソポーラスAu膜のSEM像。ここで三種類の電解液はそれぞれPS18000−b−PEO7500ミセル及び溶媒として三種類の溶媒組成、すなわち(試料I)1mLのTHF,(試料II)3mLのTHF及び(試料III)3mLのTHF+40μLの1,3,5−TIPBzを使用した。(A−2)、(B−2)、(C−2)532nmでの励起の下での(A−1)、(B−1)及び(C−1)にそれぞれ対応するメソポーラスAu膜上のEフィールド分布を示す図。メソポーラスAu構造上での電界増強は、細孔サイズが大きくなるについて増大する。(A-1), (B-1), (C-1) SEM images of mesoporous Au films prepared with three types of electrolytes. Here, the three kinds of electrolytes are PS 18000- b-PEO 7500 micelles and three kinds of solvent compositions as solvent, respectively (sample I) 1 mL THF, (sample II) 3 mL THF, and (sample III) 3 mL THF + 40 μL 1,3,5-TIPBz was used. (A-2), (B-2), (C-2) on mesoporous Au films corresponding respectively to (A-1), (B-1) and (C-1) under excitation at 532 nm The figure which shows E field distribution. The field enhancement on the mesoporous Au structure increases with increasing pore size. メソポーラスAu膜(試料I)上での牛血清アルブミンの自己組織化単分子層(SAM−BSA)のFT−IR吸収スペクトル。比較のため、メソ細孔のない平坦なAu表面上でのSAM−BSAのFT−IR吸収スペクトル(図中、2本のスペクトル中の小さい方)も示す。裸のシリコン(Si)上のBSA膜からはFT−IR信号は検出されなかった。FT-IR absorption spectrum of bovine serum albumin self-assembled monolayer (SAM-BSA) on mesoporous Au film (Sample I). For comparison, the FT-IR absorption spectrum of SAM-BSA on a flat Au surface without mesopores (the smaller of the two spectra in the figure) is also shown. No FT-IR signal was detected from the BSA film on bare silicon (Si). メソポーラスAu膜の電気化学的特性を調べるための、二種類の異なる電解液で作成されたメソポーラスAu膜(試料II及び試料III)のサイクリックボルタモグラム。比較対照用に、メソ細孔を持っていない、スパッタで作成したAu膜についても測定した。サイクリックボルタモグラムを得るために使用した溶液は0.1M KOHに2M CHOHを添加したものであり、走引速度は50mVs−1とした。Cyclic voltammograms of mesoporous Au films (sample II and sample III) made with two different electrolytes to investigate the electrochemical properties of the mesoporous Au film. For comparison, an Au film prepared by sputtering and having no mesopores was also measured. The solution used to obtain the cyclic voltammogram was obtained by adding 2 M CH 3 OH to 0.1 M KOH, and the running speed was 50 mVs −1 . 同じ細孔サイズ(25nm)で膜厚の異なる複数種類のメソポーラスAu膜の検知性能の測定結果を示す図。メソポーラスAu膜の膜厚の違いは、電着時間を300秒、600秒及び1500秒の三通りに変化させることにより実現した。比較対照用に、メソ細孔を持っていない、スパッタで作製したAu膜についても測定した。(a)濃度が0.0mMから18mMまでグルコースを連続的に添加していったときの、上記三種類のメソポーラスAu膜及びスパッタで作製したAu膜の0.3Vにおける動的アンペロメトリー応答。(b)(a)の測定対象である三種類のメソポーラスAu膜及びスパッタで作製したAu膜にそれぞれ対応するキャリブレーションカーブ。(c)濃度が低濃度域の0.00mMから0.18mMまでグルコースを連続的に添加していったときの、上記電着時間が1500秒のメソポーラスAu膜の0.3Vにおける動的アンペロメトリー応答。(d)(c)の測定対象である電着時間が1500秒のメソポーラスAu膜に対応するキャリブレーションカーブ。The figure which shows the measurement result of the detection performance of several types of mesoporous Au film | membranes from which film thickness differs by the same pore size (25 nm). The difference in film thickness of the mesoporous Au film was realized by changing the electrodeposition time in three ways: 300 seconds, 600 seconds and 1500 seconds. For comparison, an Au film prepared by sputtering and having no mesopores was also measured. (A) Dynamic amperometric response at 0.3 V of the above three kinds of mesoporous Au films and an Au film prepared by sputtering when glucose is continuously added from 0.0 mM to 18 mM. (B) Calibration curves respectively corresponding to the three types of mesoporous Au films to be measured in (a) and an Au film produced by sputtering. (C) Dynamic ampero at 0.3 V of the mesoporous Au film having the electrodeposition time of 1500 seconds when glucose is continuously added from 0.00 mM to 0.18 mM in a low concentration range. Metric response. (D) A calibration curve corresponding to a mesoporous Au film having an electrodeposition time of 1500 seconds, which is a measurement target of (c). 図24(a)の動的アンペロメトリー応答の測定結果(メソポーラスAu膜は電着時間1500秒のもの)と特許文献1のメソポーラスPt膜(膜厚はメソポーラスAu膜とほぼ同じであり、平均メソ細孔サイズは18nm)を使用して同じ条件で行った実験結果とを比較する図。この図ではメソ細孔を持っていないスパッタで作製したAu膜についての測定結果も示す。The measurement result of the dynamic amperometry response in FIG. 24A (mesoporous Au film has an electrodeposition time of 1500 seconds) and the mesoporous Pt film of Patent Document 1 (thickness is almost the same as the mesoporous Au film, average The figure which compares with the experimental result performed on the same conditions using mesopore size 18nm). This figure also shows the measurement results for an Au film produced by sputtering that does not have mesopores. (A)PS18000−b−PEO7500を含む典型的な電解液で作製したメソポーラスCu膜のSEM像。(B)PS18000−b−PEO7500を含む典型的な電解液で作製したメソポーラスAgベース合金のSE像。(A) SEM image of a mesoporous Cu film produced with a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 . (B) SE image of a mesoporous Ag base alloy made with a typical electrolyte containing PS 18000- b-PEO 7500 . 実施例のメソポーラスAu膜を作成するために使用した電気化学セルの概念図。The conceptual diagram of the electrochemical cell used in order to produce the mesoporous Au film | membrane of an Example.

本発明に係るメソポーラス金属膜は、メソ細孔を有するメソポーラス金属膜であって、前記金属は、Au、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、及びこれらの2種以上の合金からなる群より選択される少なくとも1種である。前記金属の中でも、触媒活性、光特性等の点で、金が好ましい。
なお、本明細書において、「金属膜」とは、一対の主平面を有し、一方の主平面と他方の主平面との間が金属結合で連結された部分を有する膜であり、金属粒子からなる単層膜を包含せず、及び/又は、面方向に1000nm超の距離にわたり金属結合で連結された部分を有する膜をいう。
The mesoporous metal film according to the present invention is a mesoporous metal film having mesopores, and the metal includes Au, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Sn, and two kinds thereof. It is at least one selected from the group consisting of the above alloys. Among the metals, gold is preferable in terms of catalytic activity, optical properties, and the like.
In this specification, the “metal film” is a film having a pair of main planes and having a portion in which one main plane and the other main plane are connected by a metal bond. And / or a portion having a portion connected by a metal bond over a distance of more than 1000 nm in the plane direction.

前記メソ細孔の平均直径は、特に限定されず、メソポーラス金属膜の特性や作製の容易さ等の観点から、好ましくは5nmから100nmであり、より好ましくは10nmから90nmであり、更により好ましくは20nmから70nmである。なお、本明細書において、「メソ細孔の直径」とは、SEM像から測定されるものをいい、「メソ細孔の平均直径」とは、SEM像から測定されるメソ細孔の直径の分布曲線から算出されるものをいう。また、本明細書において、「メソ細孔の直径」を「メソ細孔サイズ」ともいい、「メソ細孔の平均直径」を「平均メソ細孔サイズ」ともいう。   The average diameter of the mesopores is not particularly limited, and is preferably 5 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 90 nm, and still more preferably, from the viewpoint of the characteristics of the mesoporous metal film and the ease of production. 20 nm to 70 nm. In the present specification, “diameter of mesopores” means that measured from an SEM image, and “average diameter of mesopores” means the diameter of mesopores measured from an SEM image. It is calculated from the distribution curve. Further, in the present specification, “the diameter of mesopores” is also referred to as “mesopore size”, and “average diameter of mesopores” is also referred to as “average mesopore size”.

本発明に係るメソポーラス金属膜は、作製の容易さや用途の観点から、導電性基板上に形成されたものであることが好ましい。導電性基板としては、特に限定されず、Au、Pt、Cu等の導電性金属を表面に蒸着したSiウエハが挙げられる。導電性基板の具体例としては、Au−Siウエハ、Pt−Siウエハ、Cu−Siウエハ等が挙げられ、特性等の観点から、Au−SiウエハやPt−Siウエハが好ましい。   The mesoporous metal film according to the present invention is preferably formed on a conductive substrate from the viewpoint of ease of production and use. The conductive substrate is not particularly limited, and examples thereof include a Si wafer on which a conductive metal such as Au, Pt, or Cu is deposited on the surface. Specific examples of the conductive substrate include an Au—Si wafer, a Pt—Si wafer, a Cu—Si wafer, and the like. From the viewpoint of characteristics and the like, an Au—Si wafer and a Pt—Si wafer are preferable.

隣接する前記メソ細孔の間の平均壁厚は、特に限定されず、メソポーラス金属膜の特性や作製の容易さ等の観点から、好ましくは10nmから40nmであり、より好ましくは15nmから35nmであり、更により好ましくは20nmから30nmである。なお、本明細書において、「隣接するメソ細孔の間の壁厚」とは、SEM像から測定されるものをいい、「隣接するメソ細孔の間の平均壁厚」とは、SEM像から測定されるメソ細孔の間の壁厚の分布曲線から算出されるものをいう。   The average wall thickness between the adjacent mesopores is not particularly limited, and is preferably 10 nm to 40 nm, more preferably 15 nm to 35 nm, from the viewpoint of the characteristics of the mesoporous metal film and the ease of production. Even more preferably, it is 20 nm to 30 nm. In this specification, “wall thickness between adjacent mesopores” refers to a value measured from an SEM image, and “average wall thickness between adjacent mesopores” refers to an SEM image. Calculated from a distribution curve of wall thickness between mesopores measured from.

本発明に係るメソポーラス金属膜の膜厚は、いかようにも制御することが可能であり、具体的には、めっき時間を調節することにより、所望の値とすることができる。原理的にはミリメートルオーダーの膜厚を実現することもできる。したがって、本発明に係るメソポーラス金属膜の膜厚は、特に限定されず、好ましくは0nm超10mm未満であり、膜表面の均一性やクラックの少なさ等の観点から、より好ましくは0nm超1μm以下であり、更により好ましくは0.5nmから500nmである。   The film thickness of the mesoporous metal film according to the present invention can be controlled in any way. Specifically, it can be set to a desired value by adjusting the plating time. In principle, a film thickness on the order of millimeters can also be realized. Therefore, the film thickness of the mesoporous metal film according to the present invention is not particularly limited, and is preferably more than 0 nm and less than 10 mm, and more preferably more than 0 nm and less than 1 μm from the viewpoint of the uniformity of the film surface and the few cracks. And even more preferably from 0.5 nm to 500 nm.

本発明に係るメソポーラス金属膜において、メソ細孔の直径の分布範囲は特に限定されず、メソ細孔の直径の均一性が高くなりやすく、得られるメソポーラス金属膜の特性等が良好となりやすいことから、平均直径×0.9から平均直径×1.1の範囲の直径を有するメソ細孔の割合が、全メソ細孔中、好ましくは60%から100%であり、より好ましくは70%から100%であり、更により好ましくは80%から100%であり、特に好ましくは90%から100%である。   In the mesoporous metal film according to the present invention, the distribution range of the mesopore diameter is not particularly limited, and the uniformity of the mesopore diameter is likely to be high, and the characteristics of the obtained mesoporous metal film are likely to be favorable. The proportion of mesopores having a diameter in the range of average diameter × 0.9 to average diameter × 1.1 is preferably 60% to 100%, more preferably 70% to 100% in all mesopores. %, Even more preferably from 80% to 100%, particularly preferably from 90% to 100%.

本発明に係るメソポーラス金属膜の製造方法は、両親媒性ブロックコポリマーのミセルと金属化合物とを含む電解質溶液中に浸漬した電極間に電圧を印加して、一方の電極上に前記金属と前記ブロックコポリマーとの複合体(以下では複合ミセルとも言う)を堆積させる工程を含み、前記金属は、金、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、白金、スズ、及びこれらの2種以上の合金からなる群より選択される少なくとも1種である。前記金属の中でも、触媒活性、光特性等の点で、金が好ましい。   In the method for producing a mesoporous metal film according to the present invention, a voltage is applied between electrodes immersed in an electrolyte solution containing a micelle of an amphiphilic block copolymer and a metal compound, and the metal and the block are formed on one electrode. Depositing a composite with a copolymer (hereinafter also referred to as composite micelle), wherein the metal is gold, iron, cobalt, nickel, copper, ruthenium, rhodium, palladium, silver, platinum, tin, and two of these It is at least one selected from the group consisting of more than one type of alloy. Among the metals, gold is preferable in terms of catalytic activity, optical properties, and the like.

両親媒性ブロックコポリマーとは、疎水性部分と親水性部分とを含むブロックコポリマーをいい、疎水性ポリマーと親水性ポリマーとのブロックコポリマーであっても、疎水性部分と親水性部分とを含む互いに異なる2種のポリマー同士のブロックコポリマーであってもよく、ミセル形成能等の観点から、疎水性ポリマーと親水性ポリマーとのブロックコポリマーが好ましい。両親媒性ブロックコポリマーは、2種のポリマーから構成されるジブロックコポリマーであっても、3種以上のブロックから構成されるトリブロックコポリマー以上であってもよく、入手のしやすさ等の観点から、ジブロックコポリマーまたはトリブロックコポリマーが好ましい。   The amphiphilic block copolymer refers to a block copolymer including a hydrophobic portion and a hydrophilic portion, and even a block copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer includes a hydrophobic portion and a hydrophilic portion. A block copolymer of two different kinds of polymers may be used, and a block copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer is preferable from the viewpoint of micelle forming ability and the like. The amphiphilic block copolymer may be a diblock copolymer composed of two kinds of polymers, or may be a triblock copolymer or more composed of three or more kinds of blocks. Therefore, a diblock copolymer or a triblock copolymer is preferable.

以下、両親媒性ブロックコポリマーが疎水性ポリマーと親水性ポリマーとのブロックコポリマーである場合について、説明する。疎水性ポリマーとしては、特に限定されず、ポリスチレン(「PS」という場合がある。)等のフェノール性水酸基含有ポリマーが挙げられ、より剛直で、構造規定剤としての機能により優れるミセルが形成されやすい点から、ポリスチレンが好ましい。親水性ポリマーとしては、特に限定されず、ポリ(オキシエチレン)(「PEO」という場合がある。)等のポリ(オキシアルキレン);ジメチルポリシロキサン等のポリシロキサン;ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等のカルボキシル基含有ポリマー;ポリ(N−メチル−2−ビニルピリジニウム)ヨウ素塩等が挙げられ、疎水性ポリマー、特にポリスチレンとの親水性・疎水性差が大きくなりやすい点から、ポリ(オキシエチレン)が好ましい。疎水性ポリマーと親水性ポリマーとのブロックコポリマーとしては、ミセル形成能等の観点から、フェノール性水酸基含有ポリマー−ポリ(オキシアルキレン)ブロックコポリマーが好ましい。   Hereinafter, the case where the amphiphilic block copolymer is a block copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer will be described. The hydrophobic polymer is not particularly limited, and examples thereof include phenolic hydroxyl group-containing polymers such as polystyrene (sometimes referred to as “PS”), which are more rigid and easily form micelles that are superior in function as a structure-directing agent. From the viewpoint, polystyrene is preferable. The hydrophilic polymer is not particularly limited, and poly (oxyalkylene) such as poly (oxyethylene) (sometimes referred to as “PEO”); polysiloxane such as dimethylpolysiloxane; polyacrylic acid, polymethacrylic acid, etc. Carboxyl group-containing polymers; poly (N-methyl-2-vinylpyridinium) iodine salts and the like, and hydrophobic (especially, the difference in hydrophilicity / hydrophobicity from polystyrene) tends to increase. preferable. As a block copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer, a phenolic hydroxyl group-containing polymer-poly (oxyalkylene) block copolymer is preferable from the viewpoint of micelle forming ability and the like.

両親媒性ブロックコポリマーの具体例としては、ポリスチレン−b−ポリ(オキシエチレン)、ポリスチレン−b−ポリ(2−ビニルピリジン)−b−ポリ(オキシエチレン)、ポリ(2−ビニルピリジン)−b−ジメチルポリシロキサン、ポリスチレン−b−ポリアクリル酸、ポリスチレン−b−ポリ(N−メチル−2−ビニルピリジニウム)ヨウ素塩等が挙げられ、ミセル形成能等の観点から、ポリスチレン−b−ポリ(オキシエチレン)が好ましい。なお、「−b−」とは、ポリマー同士がブロックコポリマーを形成していることを表す。   Specific examples of amphiphilic block copolymers include polystyrene-b-poly (oxyethylene), polystyrene-b-poly (2-vinylpyridine) -b-poly (oxyethylene), and poly (2-vinylpyridine) -b. -Dimethylpolysiloxane, polystyrene-b-polyacrylic acid, polystyrene-b-poly (N-methyl-2-vinylpyridinium) iodine salt, and the like. From the viewpoint of micelle formation ability, polystyrene-b-poly (oxy Ethylene) is preferred. “-B-” means that the polymers form a block copolymer.

両親媒性ブロックコポリマー中の各ブロックを構成するポリマーの分子量は、ミセル形成能等の観点から、3000から100000が好ましく、5000から70000がより好ましい。両親媒性ブロックコポリマーが疎水性ポリマーと親水性ポリマーとのブロックコポリマーである場合、ミセル形成能等の観点から、疎水性ポリマーの分子量は、7000から100000が好ましく、10000から70000がより好ましく、親水性ポリマーの分子量は、3000から50000が好ましく、5000から30000がより好ましい。   The molecular weight of the polymer constituting each block in the amphiphilic block copolymer is preferably from 3000 to 100,000, more preferably from 5000 to 70000, from the viewpoint of micelle forming ability. When the amphiphilic block copolymer is a block copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer, the molecular weight of the hydrophobic polymer is preferably 7000 to 100,000, more preferably 10,000 to 70,000 from the viewpoint of micelle forming ability and the like. The molecular weight of the conductive polymer is preferably 3000 to 50000, more preferably 5000 to 30000.

金属化合物としては、例えば、金、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、白金、スズまたはこれらの2種以上の金属の酸化物、塩化物、フッ化物、臭化物、ヨウ化物、水酸化物、硫化物、無機酸塩(硫酸塩、硝酸塩等)、錯体等が挙げられ、反応性、安定性、入手のしやすさ等の観点から、上記金属の錯体が好ましく、HAuCl等の、上記金属のハロゲノ錯体がより好ましい。 Examples of the metal compound include gold, iron, cobalt, nickel, copper, ruthenium, rhodium, palladium, silver, platinum, tin, or an oxide, chloride, fluoride, bromide, or iodide of two or more of these metals. , Hydroxides, sulfides, inorganic acid salts (sulfates, nitrates, etc.), complexes and the like. From the viewpoints of reactivity, stability, availability, etc., the above metal complexes are preferred, and HAuCl 4 More preferred are halogeno complexes of the above metals.

電解質溶液は、例えば、両親媒性ブロックコポリマーの溶液と金属化合物の水溶液とを混合し、水の存在により両親媒性ブロックコポリマーのミセルを形成することにより、得ることができる。よって、電解質溶液における溶媒としては、例えば、両親媒性ブロックコポリマーの溶液における溶媒や水等が挙げられる。両親媒性ブロックコポリマーの溶液における溶媒としては、両親媒性ブロックコポリマーを溶解することができる限り、特に限定されず、例えば、両親媒性ブロックコポリマー中の疎水性ブロックを溶解する溶媒が挙げられ、優れた溶解性が得られやすいことから、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロピラン、4,4−ジメチル−1,3−ジオキサン等の環状エーテル系溶媒が好ましく、テトラヒドロフランがより好ましい。なお、両親媒性ブロックコポリマー中の疎水性ブロックとは、両親媒性ブロックコポリマー中で疎水性を示す部分をいい、両親媒性ブロックコポリマーが、疎水性ポリマーと親水性ポリマーとのブロックコポリマーである場合は、疎水性ポリマーを指し、両親媒性ブロックコポリマーが、疎水性部分と親水性部分とを含む互いに異なる2種のポリマー同士のブロックコポリマーである場合は、疎水性部分を指す。
電解質溶液は、更にエタノール等のアルコール等を溶媒として含んでいてもよい。
The electrolyte solution can be obtained, for example, by mixing a solution of an amphiphilic block copolymer and an aqueous solution of a metal compound and forming micelles of the amphiphilic block copolymer in the presence of water. Therefore, examples of the solvent in the electrolyte solution include a solvent and water in an amphiphilic block copolymer solution. The solvent in the solution of the amphiphilic block copolymer is not particularly limited as long as the amphiphilic block copolymer can be dissolved, and examples thereof include a solvent that dissolves the hydrophobic block in the amphiphilic block copolymer. Cyclic ether solvents such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, tetrahydropyran, 4,4-dimethyl-1,3-dioxane are preferred, and tetrahydrofuran is more preferable because excellent solubility is easily obtained. preferable. The hydrophobic block in the amphiphilic block copolymer means a portion showing hydrophobicity in the amphiphilic block copolymer, and the amphiphilic block copolymer is a block copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer. The term refers to a hydrophobic polymer, and when the amphiphilic block copolymer is a block copolymer of two different polymers containing a hydrophobic portion and a hydrophilic portion, it refers to a hydrophobic portion.
The electrolyte solution may further contain alcohol such as ethanol as a solvent.

電解質溶液中の両親媒性ブロックコポリマーの濃度としては、例えば、0.25mg/mLから2.5mg/mLが挙げられ、0.5mg/mLから2.0mg/mLが好ましい。   Examples of the concentration of the amphiphilic block copolymer in the electrolyte solution include 0.25 mg / mL to 2.5 mg / mL, and 0.5 mg / mL to 2.0 mg / mL are preferable.

電解質溶液中の金属化合物の濃度としては、例えば、1mMから10mMが挙げられ、3mMから8mMが好ましい。   Examples of the concentration of the metal compound in the electrolyte solution include 1 mM to 10 mM, and 3 mM to 8 mM are preferable.

電極間に印加される電圧は、通常の標準電極電位に従う。得られるメソポーラス金属膜の特性、金属とブロックコポリマーとの複合体の堆積の効率等の観点から、電流値を上げる方向(堆積速度を上げる)に作用させても問題はない。   The voltage applied between the electrodes follows a normal standard electrode potential. From the viewpoint of the characteristics of the obtained mesoporous metal film, the efficiency of deposition of the composite of metal and block copolymer, etc., there is no problem even if it is applied in the direction of increasing the current value (increasing the deposition rate).

本発明に係るメソポーラス金属膜の製造方法は、一方の電極上への上記複合体の堆積の終了後に、上記一方の電極上の上記複合体から上記ブロックコポリマーを除去する工程を含んでもよい。上記工程において上記ブロックコポリマーが除去された箇所はメソ細孔に転換されて、メソポーラス金属膜が得られる。ブロックコポリマーを除去する方法としては、特に限定されず、例えば、UVオゾンクリーナー、Oプラズマ処理等を用いて、上記複合体中のブロックコポリマーを分解する方法等の乾式除去法や、上述の両親媒性ブロックコポリマーの溶液における上述の溶媒で上記複合体中のブロックコポリマーを溶解する方法等の湿式除去法が挙げられる。 The method for producing a mesoporous metal film according to the present invention may include a step of removing the block copolymer from the composite on the one electrode after completion of the deposition of the composite on the one electrode. The portion where the block copolymer is removed in the above step is converted into mesopores, and a mesoporous metal film is obtained. The method for removing the block copolymer is not particularly limited. For example, a dry removal method such as a method for decomposing the block copolymer in the complex using a UV ozone cleaner, O 2 plasma treatment, or the like, Examples thereof include a wet removal method such as a method of dissolving the block copolymer in the complex with the above-mentioned solvent in the solution of the amphiphilic block copolymer.

本発明に係るメソポーラス金属膜の製造方法において、製造されるメソポーラス金属膜のメソ細孔の平均直径は、上記電解質溶液中の上記溶媒(即ち、両親媒性ブロックコポリマー中の疎水性ブロックを溶解する溶媒)の量を変化させることにより、及び/または上記電解質溶液中に疎水性の有機化合物を添加することにより、調節することができる。   In the method for producing a mesoporous metal film according to the present invention, the average diameter of the mesopores of the produced mesoporous metal film dissolves the solvent in the electrolyte solution (that is, the hydrophobic block in the amphiphilic block copolymer). It can be adjusted by changing the amount of the solvent) and / or by adding a hydrophobic organic compound to the electrolyte solution.

電解質溶液において、両親媒性ブロックコポリマー中の疎水性ブロックを溶解する溶媒)の量としては、例えば、5体積%から50体積%が挙げられ、10体積%から45体積%が好ましい。この範囲内において上記濃度を増加させるほど、メソ細孔の平均直径が大きくなる傾向にある。なお、本明細書において、体積に関する数値は、特に断りがない限り、室温(具体的には、20〜30℃)における値である。   In the electrolyte solution, the amount of the solvent that dissolves the hydrophobic block in the amphiphilic block copolymer is, for example, 5% to 50% by volume, and preferably 10% to 45% by volume. The average diameter of the mesopores tends to increase as the concentration increases within this range. In addition, in this specification, the numerical value regarding a volume is a value in room temperature (specifically 20-30 degreeC) unless there is particular notice.

上記疎水性の有機化合物としては、特に限定されず、例えば、1,3,5−トリイソプロピルベンゼン、n−ヘプタン、1,3,5−トリメチルベンゼン、1,3,5−トリエチルベンゼン等が挙げられる。電解質溶液中の上記疎水性の有機化合物の濃度としては、例えば、0.25μL/mLから10μL/mLが挙げられ、0.5μL/mLから7μL/mLが好ましい。この範囲内において上記濃度を増加させるほど、メソ細孔の平均直径が大きくなる傾向にある。   The hydrophobic organic compound is not particularly limited, and examples thereof include 1,3,5-triisopropylbenzene, n-heptane, 1,3,5-trimethylbenzene, 1,3,5-triethylbenzene and the like. It is done. Examples of the concentration of the hydrophobic organic compound in the electrolyte solution include 0.25 μL / mL to 10 μL / mL, and 0.5 μL / mL to 7 μL / mL are preferable. The average diameter of the mesopores tends to increase as the concentration increases within this range.

本発明に係るメソポーラス金属膜は、メソ細孔に起因する優れた特性に基づき、種々の用途に用いることが可能である。このような用途としては、例えば、上記メソポーラス金属膜を備える酸化及び/または還元触媒、上記メソポーラス金属膜を備える分子センサー、上記メソポーラス金属膜を備えるリチウムイオン電池電極等が挙げられる。上記酸化及び/または還元触媒としては、例えば、メタノール酸化触媒が挙げられる。本発明に係るメソポーラス金属膜を備える酸化及び/または還元触媒は、例えば、燃料電池電極触媒等への応用が期待される。上記分子センサーとしては、例えば、グルコースセンサー、pHセンサー等が挙げられる。上記リチウムイオン電池電極は、例えば、負極として用いることができる。上記酸化及び/または還元触媒、上記分子センサー、及び上記リチウムイオン電池電極は、本発明に係るメソポーラス金属膜に加えて、上記メソポーラス金属膜を支持する基材、上記メソポーラス金属膜以外の無機膜、無機粒子、有機膜、有機粒子等を備えていてもよい。   The mesoporous metal film according to the present invention can be used for various applications based on excellent characteristics resulting from mesopores. Examples of such applications include oxidation and / or reduction catalysts having the mesoporous metal film, molecular sensors having the mesoporous metal film, and lithium ion battery electrodes having the mesoporous metal film. Examples of the oxidation and / or reduction catalyst include a methanol oxidation catalyst. The oxidation and / or reduction catalyst including the mesoporous metal film according to the present invention is expected to be applied to, for example, a fuel cell electrode catalyst. Examples of the molecular sensor include a glucose sensor and a pH sensor. The lithium ion battery electrode can be used as a negative electrode, for example. In addition to the mesoporous metal film according to the present invention, the oxidation and / or reduction catalyst, the molecular sensor, and the lithium ion battery electrode include a base material that supports the mesoporous metal film, an inorganic film other than the mesoporous metal film, Inorganic particles, organic films, organic particles and the like may be provided.

本発明に係るメソポーラス金属薄膜(特に,メソポーラス金薄膜)は、他のメソポーラス白金膜(特許文献1)やメソポーラス金属粉体等の従来のメソポーラス金属材料と比較して、触媒活性、光吸収特性、光散乱特性、吸着特性等の特性に優れており、触媒材料、分子センサー、電極材料、吸着材料等への応用がはるかに期待されるものである。特に,薄膜の形態であるため,電極としてそのまま使用できることが利点である。   The mesoporous metal thin film (especially mesoporous gold thin film) according to the present invention has catalytic activity, light absorption characteristics, compared with other mesoporous metal materials such as other mesoporous platinum films (Patent Document 1) and mesoporous metal powders. It is excellent in properties such as light scattering properties and adsorption properties, and its application to catalyst materials, molecular sensors, electrode materials, adsorbent materials, etc. is much expected. In particular, since it is in the form of a thin film, it can be used as it is as an electrode.

金属粒子の間に形成されるナノスケール間隙に大きな電磁場増強効果が発生することは、良く知られているが、光学のバビネの原理(Babinet principle)を考えれば、この逆のメソ細孔の間に存在する薄い壁や突起の周りにも電磁場増強効果が発現する。本発明で提案する材料は、メソ細孔中に加えて細孔間の薄い壁や突起物の近くにも形成された多くの「電磁場ホットスポット」のために、光散乱効果だけではなく分子検出のための表面増強ラマン散乱(SERS)でも高い性能を示す(非特許文献39)。本願発明者は、図1(A)に示すように、ソフトテンプレートとしてポリスチレン−block−ポリ(オキシエチレン)(polystyrene-block-poly(oxyethylene、PS−b−PEO)ジブロックコポリマーを利用することによって、細孔サイズを微調節したメソポーラスAu膜を作成する効率的な方法を見出した。この方法では、電解質溶液中で、HAuClがHイオンとAuCl イオンとに分解され、水素結合によりミセルのオキシエチル(EO)シェルと相互作用する。この相互作用はAuCl よりもHとの間の方が大きく、その結果、作用電極表面へと向かう、正に帯電したミセルを生成する。ここにおいて、AuCl イオンはミセルの電気化学的堆積に伴ってそれぞれ還元されて金属のAuとなる。その結果得られるメソポーラスAu膜は実際に高い散乱性能を示し、従ってSERS(非特許文献40)や表面増強赤外吸収(SEIRA)(非特許文献41)で見られるような分子検出についての高い活性を示した。局所化された表面プラズモン(LSPR)により大きく増強された電界(E-field)の大きさが、メソ細孔内やその周辺ではっきりと見られた。電場の大きさ及びLSPR周波数は単に細孔のサイズを調節するだけで簡単に調節できる。この方法により、簡単なソフトテンプレート法で光学機能を調節するための新規な手段が与えられる。 It is well known that a large electromagnetic field enhancement effect occurs in the nanoscale gap formed between metal particles, but considering the optical principle of the Babinet principle, the opposite mesopores Electromagnetic field enhancement effect also appears around thin walls and protrusions present in The material proposed in the present invention is not only a light scattering effect but also a molecular detection because of many “electromagnetic field hot spots” formed in the mesopores and also near the thin walls and protrusions between the pores. High performance is also exhibited by surface enhanced Raman scattering (SERS) for (Non-Patent Document 39). As shown in FIG. 1A, the inventor of the present application uses a polystyrene-block-poly (oxyethylene, PS-b-PEO) diblock copolymer as a soft template. Have found an efficient method for producing a mesoporous Au film with finely tuned pore size, in which HAuCl 4 is decomposed into H 3 O + ions and AuCl 4 ions in an electrolyte solution, and hydrogen Bonding interacts with the micelle's oxyethyl (EO) shell, this interaction being greater with H 3 O + than with AuCl 4 , resulting in positively charged micelles toward the working electrode surface. Here, the AuCl 4 ions are reduced to the metallic Au as the micelles are electrochemically deposited. The mesoporous Au film actually showed high scattering performance and thus showed high activity for molecular detection as seen in SERS (Non-Patent Document 40) and Surface Enhanced Infrared Absorption (SEIRA) (Non-Patent Document 41). The magnitude of the electric field (E-field), greatly enhanced by localized surface plasmons (LSPR), was clearly seen in and around the mesopores. It can be easily adjusted simply by adjusting the size of the holes, and this method provides a novel means for adjusting the optical function with a simple soft template method.

更には、同様な方法により、Auだけではなく、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Pt、Sn、またこれらの合金のメソポーラス金属膜を作成することもできる。   Furthermore, by the same method, not only Au but also mesoporous metal films of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Sn, and alloys thereof can be formed.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。ここで、以下の実施例は本発明を限定するためのものではなく、あくまでその理解を助けるために説明することに注意されたい。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によってのみ規定されるものである。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. Here, it should be noted that the following examples are not intended to limit the present invention, but are described only to help understanding. The technical scope of the present invention is defined only by the claims.

以下の実施例ではメソポーラスAu膜を図1(A)に概念的に示す新規な製造方法で作成するとともに、その各種の特徴を調べる。この製造方法は連続金属膜の作成のために実際に使用されてきた電気化学的方法に基づくものである。PS−b−PEOミセルの存在下で電極表面にAuめっきするため、前駆体溶液を以下のようにして準備した。PS−b−PEOジブロックコポリマーを、そのユニマーとしてのPSブロックの良好な溶媒であるテトラヒドロフラン(tetrahydrofuran、THF)中に完全に溶解した。透明なPS−b−PEO/THF溶液中には、動的光散乱(DLS)で測定したところ、ミセルも凝集体も検出されなかった。この作成に当たって、THFは必須であった。それは、PS−b−PEOはTHFなしでは水中にもエタノール中にも溶解できないからである。エタノールを連続的に添加した後、この溶液中にHAuCl水溶液をゆっくりと滴下し、その結果、ポリスチレン(PS)ブロックの方が水への溶解度が低いことによってPSをコアとするPS−b−PEOの球形のミセルが形成された。図1(B)に示すように、PSコアとPEOシェルによって構築された球形ミセルが透過型電子顕微鏡(TEM)により観察され、これらの平均直径は約25nmであった。図1(B)に示すように、電解液中ではチンダル現象も観察された。図1(A)に示したように、親水性のEOブロックはミセルの外層付近にある水−HAuCl錯体と相互作用することができる。これについては後述する。電解液中にPS−b−PEOミセルが存在することを直接確認するため、ブラウン運動している一様サイズのポリマーミセルを共焦点レーザー走査顕微鏡(confocal scanning laser microscope)を用いて視覚化した。電位を印加することによって、Au種と相互作用した複合ミセル(ブロックコポリマーのEOシェル中に一部Au化合物イオンが取り込まれたり、あるいはEOシェルの周囲にAu化合物イオンが引き寄せられた状態、つまりブロックコポリマーのミセルとAu化合物イオンが複合したもの)は作用電極に近づけられ、作用電極その上にメソポーラスAu材料として堆積した。 In the following examples, a mesoporous Au film is prepared by a novel manufacturing method conceptually shown in FIG. 1A, and various characteristics thereof are examined. This manufacturing method is based on electrochemical methods that have been used in practice for the production of continuous metal films. In order to perform Au plating on the electrode surface in the presence of PS-b-PEO micelles, a precursor solution was prepared as follows. The PS-b-PEO diblock copolymer was completely dissolved in tetrahydrofuran (tetrahydrofuran, THF), which is a good solvent for the PS block as its unimer. Neither micelles nor aggregates were detected in the transparent PS-b-PEO / THF solution as measured by dynamic light scattering (DLS). In making this, THF was essential. This is because PS-b-PEO cannot be dissolved in water or ethanol without THF. After continuously adding ethanol, an aqueous solution of HAuCl 4 was slowly dropped into this solution. As a result, PS-b— having PS as the core due to the lower solubility of polystyrene (PS) block in water. PEO spherical micelles were formed. As shown in FIG. 1B, spherical micelles constructed with a PS core and a PEO shell were observed with a transmission electron microscope (TEM), and their average diameter was about 25 nm. As shown in FIG. 1B, a Tyndall phenomenon was also observed in the electrolyte. As shown in FIG. 1A, the hydrophilic EO block can interact with the water-HAuCl 4 complex in the vicinity of the outer layer of the micelle. This will be described later. In order to directly confirm the presence of PS-b-PEO micelles in the electrolyte, uniform-sized polymer micelles in Brownian motion were visualized using a confocal scanning laser microscope. Composite micelles that interact with Au species by applying an electric potential (a state in which Au compound ions are partially taken into the EO shell of the block copolymer or Au compound ions are attracted around the EO shell, ie, block Copolymer micelles and Au compound ions) were brought close to the working electrode and deposited as mesoporous Au material on the working electrode.

PS−b−PEO、ポリ(エチレン−co−ブチレン)−b−PEO(KLE)等のブロックコポリマーは,しばしばメソポーラス金属酸化物を合成するための鋳型としてゾルゲル反応に基づいて使用されている(非特許文献41、42)。これらの場合に、溶液の蒸発によって予め形成された規則的に配列したメソ構造体が形成される。ここで、この相の中で無機フレームワークは確実に誘導される。これはメソポーラスPtの生成過程の大筋(非特許文献22)とある種類似した状況である。これに対して、本願の方法は電気的駆動力により引き起こされる「ミセル集合体」に基づいている。ここにおいて、金属の堆積(フレームワーク構築)とミセルの集積とは同時に生起する。これは、球体の複合ミセルの電気化学的堆積過程は溶媒の蒸発を伴わず完全に液相中で進行するからである。従って、本願の方法は,先行するメソポーラス膜の作製方法(溶媒揮発法(evaporation-induced self-assembly)、EISAと呼ばれる)とはその考え方が異なる。   Block copolymers such as PS-b-PEO, poly (ethylene-co-butylene) -b-PEO (KLE) are often used on the basis of sol-gel reactions as templates for the synthesis of mesoporous metal oxides (non- Patent Documents 41 and 42). In these cases, regularly arranged mesostructures formed in advance by evaporation of the solution are formed. Here, the inorganic framework is reliably induced in this phase. This is a kind of situation similar to the outline of the mesoporous Pt generation process (Non-patent Document 22). In contrast, the method of the present application is based on a “micelle assembly” caused by an electrical driving force. Here, metal deposition (framework construction) and micelle accumulation occur simultaneously. This is because the electrochemical deposition process of spherical composite micelles proceeds completely in the liquid phase without solvent evaporation. Therefore, the method of the present application is different in concept from the preceding method for producing a mesoporous film (referred to as evaporation-induced self-assembly, EISA).

ミセルの役割をもっと明確に確認するため、メソ構造の成長をその初期段階(開始後10秒、30秒及び100秒)においてSEMを使用して検討した。10秒経過後、図7(A)で矢印によって示すように、多量の初期Au種子が形成された。図7(A)中の斜め楕円で示すようなAu枝状部の曲がった表面はミセルの方向付け効果(directing effect)による。堆積時間をさらに延長して30秒とすると、図7(B)に示すように、多数のメソ細孔が観察されたが、各メソ細孔の形成は完全には終わっていなかった。堆積を100秒まで進行させると、推定される膜厚はメソ細孔サイズのほぼ半分に到達し、図7(C)に示すように、Au骨格が充分に構築されていた。   In order to more clearly confirm the role of micelles, the growth of mesostructures was examined using SEM at its initial stage (10, 30, and 100 seconds after initiation). After 10 seconds, a large amount of initial Au seeds was formed as indicated by arrows in FIG. 7 (A). The curved surface of the Au branch as shown by the slanted ellipse in FIG. 7A is due to the directing effect of the micelles. When the deposition time was further extended to 30 seconds, a large number of mesopores were observed as shown in FIG. 7B, but the formation of each mesopore was not completely completed. When the deposition was advanced to 100 seconds, the estimated film thickness reached almost half of the mesopore size, and the Au skeleton was sufficiently constructed as shown in FIG.

ここで、図7に示すAu膜の膜厚について説明すれば、Au堆積の初期段階ではAu膜は基板上に一様に成長してはいないため、正確な膜厚を示すことは困難である。しかし、図10に示すように、Au膜厚が一定の成長速度で増加すると仮定した場合には、平均膜厚は図7の(A)(10秒後)、(B)(30秒後)及び(C)(100秒後)についてそれぞれ1nm、4nm及び11nmと推定される。   Here, the film thickness of the Au film shown in FIG. 7 will be described. Since the Au film does not grow uniformly on the substrate in the initial stage of Au deposition, it is difficult to show an accurate film thickness. . However, as shown in FIG. 10, when it is assumed that the Au film thickness increases at a constant growth rate, the average film thicknesses are (A) (after 10 seconds) and (B) (after 30 seconds) in FIG. And (C) (after 100 seconds) are estimated to be 1 nm, 4 nm and 11 nm, respectively.

PS−b−PEOミセルを完全に除去した後に、メソポーラスAu膜が得られた。その特性を注意深く測定した。図2(A)に示すように、この膜の全体に渡って互いに連結された籠状の一様なメソ細孔が観察された。図2(A)及び図5(C)に示すように、メソポーラスAu膜の上面の走査型電子顕微鏡(SEM)像は一様なサイズ(平均25±5nm)で壁厚が25nm±5nmのメソ細孔の存在を示した。メソポーラスAu膜(図2(A))中にできた細孔のサイズはTEM(図1(B))及びSEM(図6)で観察された球形ミセルのサイズとほとんど同じであった。このことは、球形ミセルが鋳型として働くことを意味している。   After completely removing PS-b-PEO micelles, a mesoporous Au film was obtained. Its properties were carefully measured. As shown in FIG. 2 (A), cage-like uniform mesopores connected to each other over the entire membrane were observed. As shown in FIGS. 2A and 5C, the scanning electron microscope (SEM) image of the upper surface of the mesoporous Au film has a uniform size (average 25 ± 5 nm) and a wall thickness of 25 nm ± 5 nm. The presence of pores was indicated. The size of the pores formed in the mesoporous Au film (FIG. 2A) was almost the same as the size of the spherical micelles observed by TEM (FIG. 1B) and SEM (FIG. 6). This means that the spherical micelle acts as a mold.

これに加えて、メソポーラスAu膜の細孔サイズは、THFの量を変えることによって非常に容易に制御可能であった。THFの量は、ここでは1mLから3mLまで変化させた。これは凹状のAu表面によって引き起こされるメソポーラスAu膜の光学的特性を調節することに関する最も重要な技術である。THFはPSブロックの良好な溶媒であるため、ミセル中のPSコアはTHFの量を減らすにつれて次第に縮小する。実際、THFの量を減らすことによって、図2(B)及び図5に示すように、壁厚に大きな変化をもたらすことなく、細孔サイズを約19nmまで小さくなるように制御できた。PS−b−PEOを完全に溶解するためのTHFの最小量(1mL)を使用しても、ポリマーのミセルは縮小した形態で安定して元の形態を維持することができ、これによってできたメソ細孔は図2(B−1)に示すように実際に球形の形態であった。その平均の細孔サイズ及び壁厚はそれぞれ約19nm及び約25nmであった。   In addition to this, the pore size of the mesoporous Au film was very easily controllable by changing the amount of THF. The amount of THF was changed here from 1 mL to 3 mL. This is the most important technique for adjusting the optical properties of the mesoporous Au film caused by the concave Au surface. Since THF is a good solvent for PS blocks, the PS core in micelles gradually shrinks as the amount of THF is reduced. In fact, by reducing the amount of THF, the pore size could be controlled to be reduced to about 19 nm without causing a large change in the wall thickness as shown in FIGS. 2 (B) and 5. Even using the minimum amount of THF (1 mL) to completely dissolve PS-b-PEO, the polymer micelles were able to stably maintain their original form in a reduced form. The mesopores were actually spherical in shape as shown in FIG. 2 (B-1). The average pore size and wall thickness were about 19 nm and about 25 nm, respectively.

一方、疎水性の有機化合物を添加することによって、細孔サイズを拡大することができる。細孔膨張剤として1,3,5−トリイソプロピルベンゼン(1,3,5-triisopropylbenzene、1,3,5−TIPBz)を使用した場合には、実効細孔サイズが1,3,5−TIPBzなしの場合の25nmから、図8に示すように、32nm(10μLの1,3,5−TIPBz)、32nm(20μLの1,3,5−TIPBz)、40nm(30μLの1,3,5−TIPBz)及び40nm(40μLの1,3,5−TIPBz)へと増大した。細孔サイズの増大とともに、細孔壁は突出部の様相を呈するようになった。   On the other hand, the pore size can be increased by adding a hydrophobic organic compound. When 1,3,5-triisopropylbenzene (1,3,5-TIPBz) is used as the pore expansion agent, the effective pore size is 1,3,5-TIPBz. From 25 nm without, 32 nm (10 μL 1,3,5-TIPBz), 32 nm (20 μL 1,3,5-TIPBz), 40 nm (30 μL 1,3,5- TIPBz) and 40 nm (40 μL of 1,3,5-TIPBz). As the pore size increased, the pore walls became more like protrusions.

これに加えて、図9に示すように、PS−b−PEO中のPSブロックの分子量はまた細孔サイズの制御にも使用することができる。SEMにより見積もったところ、PS63000−b−PEO26000を使用して作製したメソポーラスAu膜の平均細孔サイズは約60nmであった。なお、今回の実験結果からは,PEOブロック側の分子量の影響はほとんど確認されなかった。 In addition, as shown in FIG. 9, the molecular weight of the PS block in PS-b-PEO can also be used to control the pore size. As estimated by SEM, the average pore size of the mesoporous Au film produced using PS 63000- b-PEO 26000 was about 60 nm. In addition, from this experimental result, the influence of the molecular weight on the PEO block side was hardly confirmed.

ゾル−ゲル法を用いたメソポーラス金属酸化物膜の製造方法とは異なり、本願の製造方法では、電気化学析出(electrochemical deposition)により膜成長速度の容易かつ正確な制御を行なうことができるという利点がもたらされる。すなわち、この方法を使用することで、単に堆積時間を調節するだけで膜厚を細かく調整することが可能となる。図10に示したところのPS18000−b−PEO7500を使用して作製したメソポーラスAu膜の膜厚は、堆積時間が600秒、1000秒、1800秒、2500秒及び3600秒の場合にそれぞれ70nm、140nm、170nm、230nm及び440nmであり、この場合の成長速度はおよそ0.1nm/秒と計算された。 Unlike the method of manufacturing a mesoporous metal oxide film using the sol-gel method, the manufacturing method of the present application has an advantage that the film growth rate can be easily and accurately controlled by electrochemical deposition. Brought about. That is, by using this method, the film thickness can be finely adjusted simply by adjusting the deposition time. The film thickness of the mesoporous Au film produced using PS 18000- b-PEO 7500 shown in FIG. 10 is 70 nm when the deposition time is 600 seconds, 1000 seconds, 1800 seconds, 2500 seconds and 3600 seconds, respectively. 140 nm, 170 nm, 230 nm, and 440 nm, and the growth rate in this case was calculated to be approximately 0.1 nm / second.

また、図11に示すように、酸性媒体(0.5M HSO)中でのサイクリックボルタンメトリーを使用して電気化学的活性表面積(electrochemically active surface area、ECSA)も計算した。 In addition, as shown in FIG. 11, the electrochemically active surface area (ECSA) was also calculated using cyclic voltammetry in an acidic medium (0.5 MH 2 SO 4 ).

ここで図11について補足説明すれば、理想表面積は以下の計算により見積もることができる。先ず、図12に示す単層のメソポーラスAu膜を考える。平均細孔サイズ及び平均壁厚は、それぞれ25nm及び25nmと仮定する。また、図12に示すように、この膜が長さ125nm、幅100nm及び高さ25nmの直方体であり、3個の球状メソ細孔及び4個の半球状メソ細孔を有すると仮定する。   Here, if FIG. 11 is supplementarily explained, the ideal surface area can be estimated by the following calculation. First, consider a single-layer mesoporous Au film shown in FIG. The average pore size and average wall thickness are assumed to be 25 nm and 25 nm, respectively. Further, as shown in FIG. 12, it is assumed that this film is a rectangular parallelepiped having a length of 125 nm, a width of 100 nm, and a height of 25 nm, and has three spherical mesopores and four hemispherical mesopores.

図12のモデルを使用することで、メソ細孔内の全表面積Sは5個の球状メソ細孔を検討することによって求めることができる。
S=5×4・π・R=5×4×3.14×(12.5×10−9=9.8125×10−15(m
また、このモデルのバルク膜堆積Vは以下のように求めることができる。
V=(125×10−7)×(100×10−7)×(25×10−7)=3.125×10−16(cm
従って、体積で正規化した表面積Pは以下のように求めることができる。
P=S・V−1=31.4(m・cm−3
この計算結果は電気化学的計測によって求められた値49.1m・cm−3(後述)よりも少し小さい。その理由は、メソポーラスAu膜中の実際の細孔の表面は凹凸がある(つまり、平坦ではない)からである。図2及び図13の高分解能TEM像にも原子サイズの段差や折れ曲がりを有する凹凸の表面が示されているが、これらにより想定したよりも表面積が大きくなる。
By using the model of FIG. 12, the total surface area S in the mesopores can be determined by examining five spherical mesopores.
S = 5 × 4 · π · R 2 = 5 × 4 × 3.14 × (12.5 × 10 −9 ) 2 = 9.8125 × 10 −15 (m 2 )
Further, the bulk film deposition V of this model can be obtained as follows.
V = (125 × 10 −7 ) × (100 × 10 −7 ) × (25 × 10 −7 ) = 3.125 × 10 −16 (cm 3 )
Therefore, the surface area P normalized by volume can be obtained as follows.
P = S · V −1 = 31.4 (m 2 · cm −3 )
This calculation result is slightly smaller than the value 49.1 m 2 · cm −3 (described later) obtained by electrochemical measurement. The reason is that the surface of the actual pores in the mesoporous Au film is uneven (that is, not flat). The high-resolution TEM images of FIGS. 2 and 13 also show uneven surfaces having atomic size steps and bends, but these increase the surface area than expected.

ここで図11に戻れば、同図(A)において破線の楕円で示されたピークの面積はAu酸化物種の還元に対応する。Au表面についての酸化物種の還元に対応する電荷は400μCcm−2である(非特許文献45、46)との仮定に基づき、膜中のECSAを観察された電荷から理論的に計算した。図11(B)及び(C)に示すように、メソポーラスAu膜の全表面積は比例的に増加した。体積で正規化したECSA(膜体積(cm)当たり)は、図11(C)に示すように約49.1mcm−3であり、膜厚が5μmに到達するまでほとんど一定であった。従って、厚膜であっても,メソポーラスAu膜の内部は電気化学的活性を有する表面としても動作することができ、またメソポーラス構造がこの膜の内部で一様に形成されることが証明された。 Here, returning to FIG. 11, the area of the peak indicated by the dashed ellipse in FIG. 11A corresponds to the reduction of the Au oxide species. Based on the assumption that the charge corresponding to the reduction of the oxide species on the Au surface is 400 μCcm −2 (Non-Patent Documents 45 and 46), ECSA in the film was theoretically calculated from the observed charge. As shown in FIGS. 11B and 11C, the total surface area of the mesoporous Au film increased proportionally. ECSA normalized by volume (per membrane volume (cm 3 )) was approximately 49.1 m 2 cm −3 as shown in FIG. 11 (C) and was almost constant until the film thickness reached 5 μm. . Therefore, even in the case of a thick film, the inside of the mesoporous Au film can operate as a surface having electrochemical activity, and it has been proved that the mesoporous structure is uniformly formed inside the film. .

細孔壁中のAuの原子構造を広範かつ注意深く調べるため、単層のメソポーラスAu膜を作成して、図2(C)及び図13に示すように、その断面の試料をTEMにより観察した。これらのTEM像より、球状のメソ細孔は結晶化したAuの連続したネットワークによって取り囲まれていることがわかった。Auのfcc結晶に対応付けられる格子縞は細孔壁の内側にはっきりと観察された。図13に示す、[001]方向に沿って見た高分解能TEM像は、(111)格子縞を、メソポーラスAu膜の単結晶性の積層欠陥とともに示していた。図2(C)に示すように、高次面を露出する凹状表面を生成するために、いくつかの結晶ドメイン連続的に結合されていた。図13(A)中で矢印で示したように、(a)積層欠陥、(b)転位、(c)折れ曲がりバンドのようないくつかの欠陥が存在していた。これらの欠陥はAuの結晶成長時の局所的なひずみ及び/または可溶性のAu種の還元に伴うメソポーラス構造の膜の電気化学的堆積によるものかもしれない。XPSを使用してAu膜の表面組成及び酸化状態を判定した。図14に示すように、高分解能Au 4fスキャンは、スピン軌道結合により3.7eVだけ分離している87.7eV及び84.0eVのダブレットを示し、膜中にAu(0)種が存在することが確認された。   In order to investigate the atomic structure of Au in the pore wall extensively and carefully, a single-layer mesoporous Au film was prepared, and a sample of the cross section was observed by TEM as shown in FIG. 2 (C) and FIG. From these TEM images, it was found that the spherical mesopores were surrounded by a continuous network of crystallized Au. Lattice fringes associated with Au fcc crystals were clearly observed inside the pore walls. The high-resolution TEM image seen along the [001] direction shown in FIG. 13 showed (111) lattice fringes together with single crystal stacking faults in the mesoporous Au film. As shown in FIG. 2 (C), several crystal domains were sequentially joined to produce a concave surface that exposes higher order surfaces. As indicated by arrows in FIG. 13A, there were some defects such as (a) stacking faults, (b) dislocations, and (c) bent bands. These defects may be due to local strain during Au crystal growth and / or electrochemical deposition of mesoporous films accompanying reduction of soluble Au species. XPS was used to determine the surface composition and oxidation state of the Au film. As shown in FIG. 14, the high-resolution Au 4f scan shows 87.7 eV and 84.0 eV doublets separated by 3.7 eV due to spin orbit coupling, and there is an Au (0) species in the film. Was confirmed.

電解質溶液を、図15に示すように、UV−Vis吸収及びラマン分光法によって調べた。紫外線スペクトルにおいて、324nm付近のピークはAuCl 種の典型的なd−d遷移に対応する。278nm付近のもう一つのバンドは、PSブロック中のベンゼン環の存在によって現れる。ラマンスペクトルでは、溶液中のAuCl 種の対称モード(A1g)、半対称モード(B2g)及び曲げモード(B1g)により、それぞれ347cm−1、324cm−1及び171cm−1にピークが現れる。他の全てのピークは溶媒及びPS−b−PEOジブロックコポリマーに関連していた。UV−Vis吸収とラマンスペクトルの両方から、Au種はClが配位子となったAu(III)であると考えられることがわかる。従って、本願におけるメソポーラスAu膜を得る方法は、PS−b−PEOミセルと可溶性のAu種との相互作用により実現される。すなわち、図1(A)に示すように、HAuClがHとAuCl とに分解して、水素結合によって、PS−b−PEOミセルのEOシェル領域と相互作用する。更に、AuCl は溶液中だけではなくPS−b−PEOミセルの親水性領域中でも自由イオンであると考えられる。AuCl を含むミセルは、EOシェル部分中のH/AuCl 比により、電気的に中性でも、あるいは負または正に帯電することもある。本願の実験条件では、HAuCl水溶液添加後のミセル溶液はゼータ電位で僅かに正であった。従って、H3Oに富むミセルは正に帯電して作用極(負極)表面に移動した。 The electrolyte solution was examined by UV-Vis absorption and Raman spectroscopy as shown in FIG. In the ultraviolet spectrum, the peak around 324 nm corresponds to the typical dd transition of the AuCl 4 species. Another band around 278 nm appears due to the presence of a benzene ring in the PS block. The Raman spectra, AuCl 4 in solution - species symmetric mode (A 1 g), the half symmetric mode (B 2 g) and bending mode (B 1 g), respectively 347cm -1, a peak at 324cm -1 and 171cm -1 appear. All other peaks were associated with solvent and PS-b-PEO diblock copolymer. From both UV-Vis absorption and the Raman spectrum, it can be seen that the Au species is considered to be Au (III) in which Cl - is a ligand. Therefore, the method for obtaining a mesoporous Au film in the present application is realized by the interaction between PS-b-PEO micelles and soluble Au species. That is, as shown in FIG. 1A, HAuCl 4 is decomposed into H 3 O + and AuCl 4 and interacts with the EO shell region of the PS-b-PEO micelle by hydrogen bonding. Furthermore, AuCl 4 is considered to be a free ion not only in solution but also in the hydrophilic region of PS-b-PEO micelles. A micelle containing AuCl 4 may be electrically neutral, or may be negatively or positively charged, depending on the H 3 O + / AuCl 4 ratio in the EO shell portion. Under the experimental conditions of the present application, the micelle solution after the addition of the HAuCl 4 aqueous solution was slightly positive at the zeta potential. Therefore, micelles rich in H3O + were positively charged and moved to the working electrode (negative electrode) surface.

図16に示すように、本発明の方法は非常に高い再現性(100%)を示す。実際、本願発明者は同じ実験手順を多数回繰り返し、毎回正確に同じメソポーラス構造を得た。縁の部分であっても、同じメソポーラス構造が確実に形成された。本方法の高い再現性を示すため、二つの膜A、Bを別個に作成して、それぞれについてその多くの位置P1〜P9のSEM像を示したものが図16である。これからわかるように、膜A、B、また位置P1〜P9が違っても、それらのSEM像は酷似している。   As shown in FIG. 16, the method of the present invention exhibits very high reproducibility (100%). In fact, the inventor of the present application repeated the same experimental procedure many times and obtained the same mesoporous structure exactly every time. Even at the edge portion, the same mesoporous structure was reliably formed. In order to show the high reproducibility of this method, FIG. 16 shows two films A and B separately prepared and showing SEM images at many positions P1 to P9 for each. As can be seen, the SEM images of the films A and B and the positions P1 to P9 are very similar.

電着されたメソポーラスAu膜は、図17に示すように、基板(つまり、作用電極)上に良好に接着していた。図17にその結果を示した剥離試験は、電着されたメソポーラスAu膜と基板との接着性を、3M社のスコッチテープ(登録商標)を使用して膜の試料上で行う90°剥離試験である。メソポーラスAu膜からのテープ剥離は、一定の力5.0±0.1N、試験距離20mmで行った。剥離試験後、堆積したAu膜は依然として基板上に付着していることが観察された。剥離試験前後の試料をSEMで観察し、元のメソポーラス構造が、メソ細孔の変形もクラックや擦り傷の形成もなく、良好に維持されていることを確認した。   As shown in FIG. 17, the electrodeposited mesoporous Au film adhered well on the substrate (that is, the working electrode). The peel test whose result is shown in FIG. 17 is a 90 ° peel test in which adhesion between an electrodeposited mesoporous Au film and a substrate is performed on a film sample using Scotch Tape (registered trademark) of 3M Company. It is. The tape was peeled from the mesoporous Au film at a constant force of 5.0 ± 0.1 N and a test distance of 20 mm. After the peel test, it was observed that the deposited Au film was still attached on the substrate. Samples before and after the peel test were observed with an SEM, and it was confirmed that the original mesoporous structure was maintained well without deformation of mesopores and formation of cracks and scratches.

良好なメソポーラス構造を実現するためには、結晶成長速度、つまり結果として得られる結晶サイズが最も重要なファクターである。非特許文献23によれば、Wiesner他はビルディングブロックとしてのナノ粒子の直径が、これらのナノ粒子が相互作用するブロックのサイズについての臨界点以下である必要があることを見出した。非特許文献44によれば、メソポーラス金属酸化物の場合には、メソポーラス構造は壁厚が核形成及び粒子成長速度により制御される結晶サイズよりも大きい場合だけ充分に維持される。本願の電気化学的方法では、Au結晶サイズはAu成長速度によって支配される。堆積のための浴温はAu成長速度制御のための重要な因子の一つである。図18に示す色々な温度下でのメソポーラスAu膜堆積についての電流測定結果のプロットから、浴温の上昇に伴って、還元電流が増大する(つまり、堆積速度が増加する)ことが判明した。図19に示すように、明らかに、温度が25℃以下の場合だけメソポーラス構造が形成されることが確認された。これと対照的に、40℃以上の場合には、Au結晶成長速度が速くなり、大きなバルクAu結晶が主に形成されて、その結果メソポーラス構造はうまく発達しなかった。   In order to realize a good mesoporous structure, the crystal growth rate, that is, the resulting crystal size is the most important factor. According to Non-Patent Document 23, Wiesner et al. Found that the diameter of the nanoparticles as building blocks must be below the critical point for the size of the blocks with which these nanoparticles interact. According to Non-Patent Document 44, in the case of mesoporous metal oxides, the mesoporous structure is sufficiently maintained only when the wall thickness is larger than the crystal size controlled by the nucleation and grain growth rates. In the electrochemical method of the present application, the Au crystal size is governed by the Au growth rate. The bath temperature for deposition is one of the important factors for controlling the Au growth rate. From the plots of current measurement results for mesoporous Au film deposition under various temperatures shown in FIG. 18, it was found that the reduction current increases (that is, the deposition rate increases) as the bath temperature increases. As shown in FIG. 19, it was clearly confirmed that a mesoporous structure was formed only when the temperature was 25 ° C. or lower. In contrast, when the temperature was 40 ° C. or higher, the Au crystal growth rate was increased, and large bulk Au crystals were mainly formed. As a result, the mesoporous structure did not develop well.

メソポーラスAu膜の基本的な光学的性質を調べるため、細孔サイズの異なる三点の典型的な膜を比較した。ここで、PS18000−b−PEO7500ミセル及び三種類の溶媒組成(試料I:1mLのTHF(平均細孔サイズ15nm)、試料II:3mLのTHF(同25nm)、及び試料III:3mLのTHFと40μLの1,3,5−TIPBz(同40nm))を含む三種類の電解液で作製したメソポーラスAu膜を選択した。
特注の暗視野分光顕微鏡を使用して、図20に示す代表的な散乱スペクトルを測定し、スパッタで作製したメソ細孔を持っていないAu膜から得たスペクトルと比較した。図20(B)からわかるように、散乱光強度は、細孔サイズが大きくなるにつれて系統的に増大した。これは、メソ細孔表面と可視周波数領域の電磁波との相互作用が増大したことを示している。この結果は、Au表面と光との相互作用が強くなったことを示唆している。これは個々のメソ細孔周辺の電磁界が大きくなることによるものであろう。細孔サイズが大きくなるにつれて、入射光の電磁界(Eフィールド)に曝されるAu体積が増大することから、細孔の表面に誘起される電荷も増大するからである。他の観点として、そのようになる理由は、細孔を大きくすると、細孔サイズが可視光によって誘起されるところのAu表面上で振動する電荷密度波の波長に近づいてくることから、光に対してより効率的に応答できるようになるということに関係があるかもしれない。ここで、(局所化された)表面プラズモンの電荷密度波波長は100nmよりも下の範囲であることに注意されたい。図20(C)からわかるように、Au表面の各点は、ナノメートルスケールでのそれらの多様なモルフォロジーを反映して、様々な散乱強度また様々な共鳴周波数を以て、様々な態様で応答する。従って、図20(B)に示すように、広帯域の散乱スペクトルは、膜中の多数のメソ細孔について総和を取った効果によるものである。
In order to investigate the basic optical properties of mesoporous Au films, three typical films with different pore sizes were compared. Here, PS 18000- b-PEO 7500 micelles and three types of solvent composition (Sample I: 1 mL of THF (average pore size 15 nm), Sample II: 3 mL of THF (25 nm)), and Sample III: 3 mL of THF And 40 μL of 1,3,5-TIPBz (40 nm) were used to select mesoporous Au films prepared with three types of electrolytes.
Using a custom-made dark field spectroscopic microscope, the representative scattering spectrum shown in FIG. 20 was measured and compared with a spectrum obtained from an Au film having no mesopores prepared by sputtering. As can be seen from FIG. 20B, the scattered light intensity increased systematically as the pore size increased. This indicates that the interaction between the mesopore surface and electromagnetic waves in the visible frequency region has increased. This result suggests that the interaction between the Au surface and light has increased. This may be due to the increased electromagnetic field around the individual mesopores. This is because as the pore size increases, the Au volume exposed to the electromagnetic field (E field) of the incident light increases, so that the charge induced on the surface of the pores also increases. Another reason for this is that when the pore size is increased, the pore size approaches the wavelength of the charge density wave that vibrates on the Au surface where it is induced by visible light. It may be related to being able to respond more efficiently to it. Note that the charge density wave wavelength of (localized) surface plasmons is in the range below 100 nm. As can be seen from FIG. 20C, the points on the Au surface respond in different ways with different scattering intensities and different resonance frequencies, reflecting their different morphology at the nanometer scale. Therefore, as shown in FIG. 20B, the broadband scattering spectrum is due to the effect of summing up a large number of mesopores in the film.

観察されたスペクトルに対する更に深い洞察を得るために、有限差分時間領域(finite-difference time domain、FDTD)アルゴリズムを使用したシミュレーションに基づいて電場分布を評価した。明確にわかるように、実験的に観察されたところの図20に示す三種類の膜の散乱強度の傾向は、図3及び図21中の電場の強度に明確に対応した。図21からわかるように、電場の大きさは細孔サイズが大きくなるにつれて増大した。図3(C)及び図3(D)からわかるように、メソ細孔の内部または周辺にかなりの大きさの電場の大きさがはっきりと見られた。一方、もっと大きな細孔については、図3(B−3)から明瞭にわかるように、強い電場点(ホットスポット)が突出物の周辺に出現するというはっきりした傾向がある。図3(B−4)の断面像からもまた、メソ細孔内部で強い電場が発生することを示す上記特徴が確認される。特に、試料IIIについては、図3(B−3)に示すように、細孔が顕著なナノサイズの突出部を持つ連結して屈曲した細孔壁と集塊をなし、電場がそこに集中して大きな強度を与える傾向を有する。このような延伸した壁上の突出部は、より長い波長(近赤外)領域でのプラズモン共振周波数を示す。これと対照的に、他の二つの膜(より小さい細孔を持つ試料I及び試料II)は波形の表面及び突出部がより少なく、共振周波数が少し高く(つまり、波長がより短く)なり、電場や散乱がより小さくなる。     In order to gain deeper insight into the observed spectrum, the electric field distribution was evaluated based on simulations using a finite-difference time domain (FDTD) algorithm. As can be clearly seen, the tendency of the scattering intensity of the three types of films shown in FIG. 20 observed experimentally clearly corresponds to the electric field strengths in FIGS. As can be seen from FIG. 21, the magnitude of the electric field increased with increasing pore size. As can be seen from FIGS. 3C and 3D, a considerable electric field was clearly observed in or around the mesopores. On the other hand, for larger pores, as clearly shown in FIG. 3B-3, there is a clear tendency that a strong electric field point (hot spot) appears around the protrusion. Also from the cross-sectional image of FIG. 3 (B-4), the above characteristics indicating that a strong electric field is generated inside the mesopores are confirmed. In particular, for sample III, as shown in FIG. 3 (B-3), the pores have a conglomerated and bent pore wall with prominent nano-sized protrusions, and the electric field is concentrated there. And has a tendency to give large strength. Such protrusions on the stretched wall exhibit a plasmon resonance frequency in the longer wavelength (near infrared) region. In contrast, the other two membranes (Sample I and Sample II with smaller pores) have fewer corrugated surfaces and protrusions and a slightly higher resonance frequency (ie shorter wavelength), Electric field and scattering are smaller.

メソポーラスAu膜は水中で安定であり、またAu表面へのタンパク質及びアミノ酸との親和性が高いことは、この膜をバイオセンシングのための基板として利用する際に大いに有益である。最先端のアプタマー利用センシング(apta-sensing)のほとんどのものは、しばしば特定のターゲット分子のために合理的に設計されたリンカー分子を有する、チオール基が導入されたアプタマーに基づいている。よって、本願のメソポーラスAu膜はアプタマー利用センシング用SERSに適する最良の基板であると考えられる。   The mesoporous Au film is stable in water, and its high affinity with proteins and amino acids on the Au surface is greatly beneficial when the film is used as a substrate for biosensing. Most of the state-of-the-art aptamer-sensing is based on aptamers with thiol groups introduced, often with linker molecules rationally designed for specific target molecules. Therefore, the mesoporous Au film of the present application is considered to be the best substrate suitable for aptamer-based sensing SERS.

ここで、図4に示すように、細孔サイズの異なる上述の三つのタイプの膜(試料I、試料II及び試料III、なお、全図においてこれらはそれぞれSample I、Sample II及びSample IIIと表記)についてSERS性能を調べた。具体的には、ナイルブルー(Nile blue)溶液(10−6Mエタノール溶液)の液滴(5μL)をメソポーラスAu膜(0.3cm×1.5cm)上に一様に広げ、当該基板を窒素ガス気流の下で室温において大気中で乾燥させた。メソポーラスAu膜上にコーティングしたナイルブルー分子から波長532nmのレーザーでの励起によって得られたSERSスペクトルを記録した。試料IIIについての光学顕微鏡像及び対応するSERSスペクトルマッピング像を図4(A)〜(C)に示す。ここで、メソポーラスAu領域上ではSERS信号が大幅に増大することが明瞭に視覚化されている。SERS効果の増強機構は主にメソポーラスAuにより引き起こされる電磁場増強効果によるものである。メソ細孔を持たないスパッタされたAu膜(全図においてSputtered Auと表記)表面ははるかに少ないSERS信号強度を示す。ナノ細孔モルフォロジーにより引き起こされるもっとも劇的な効果は、実際のところ、図20(B)に示す増強された光散乱からわかるように、光と金表面との強い相互作用によって引き起こされたフィールド増強であり、従ってこのSERS効果を、図3及び図21に示すように、電磁的な起源に帰することができる。これに加えて、分子吸着によって引き起こされる化学的SERS効果は小さいはずである。それは、SERS強度への分子吸着の寄与は、電磁界の大きさがメソポーラスAu膜に比べて大幅に低減している、図4(C)中の下側のカーブのオーダーだからである。更には、化学的SERS効果はナイルブルー分子とAu原子との間の局所的な結合の性質によって決まる吸着単分子層の効果であり、なおかつ、吸着されたナイルブルーは多層になっているはずであるから、SERS強度の違いは表面モルフォロジーの効果に帰結されると、問題なく結論付けることができる。 Here, as shown in FIG. 4, the above-mentioned three types of membranes having different pore sizes (sample I, sample II and sample III, which are denoted as Sample I, Sample II and Sample III respectively in all drawings) ) SERS performance was investigated. Specifically, a droplet (5 μL) of a Nile blue solution (10 −6 M ethanol solution) is spread evenly on a mesoporous Au film (0.3 cm × 1.5 cm), and the substrate is expanded with nitrogen. Dry in air at room temperature under a gas stream. SERS spectra obtained from Nile blue molecules coated on mesoporous Au films by excitation with a laser of wavelength 532 nm were recorded. Optical microscope images and corresponding SERS spectrum mapping images for Sample III are shown in FIGS. Here, it is clearly visualized that the SERS signal greatly increases on the mesoporous Au region. The enhancement mechanism of the SERS effect is mainly due to the electromagnetic field enhancement effect caused by mesoporous Au. The surface of the sputtered Au film without mesopores (denoted as Sputtered Au in all figures) shows much less SERS signal intensity. The most dramatic effect caused by nanopore morphology is actually the field enhancement caused by the strong interaction between light and the gold surface, as can be seen from the enhanced light scattering shown in FIG. 20B. Therefore, this SERS effect can be attributed to electromagnetic origin, as shown in FIGS. In addition to this, the chemical SERS effect caused by molecular adsorption should be small. This is because the contribution of molecular adsorption to the SERS intensity is in the order of the lower curve in FIG. 4C where the magnitude of the electromagnetic field is significantly reduced compared to the mesoporous Au film. Furthermore, the chemical SERS effect is an adsorption monolayer effect determined by the nature of the local bond between the Nile blue molecule and the Au atom, and the adsorbed Nile blue should be multi-layered. So, if the difference in SERS intensity is attributed to the effect of surface morphology, it can be concluded without problems.

更に、図4(D)に示すように、分子からのSERS信号強度は、メソ細孔サイズが大きくなるにつれて増大した。この結果は、図20(B)に示す散乱強度と同じ傾向を示し、これらの膜の細孔構造の影響を示している。つまり、より大きなメソ細孔においては、局所化された表面プラズモンの励起による電場増強がより強く生じ、このためより強い光散乱が生じるからである。増強された電場は、本願での測定で見られるように、吸着された分子からのより強いSERS信号をもたらす。なお、最も強いSERS強度は、散乱スペクトル中のピーク位置の波長に近い670nm付近のレーザー励起波長について期待されることに注意されたい。しかしながら、必ずしも最適ではない532nmのレーザーを使用した本願の実験においても、既に十分高いSERS信号を示している。このことは、本願のメソポーラスAu基板の高い性能の証拠となる。   Furthermore, as shown in FIG. 4D, the SERS signal intensity from the molecule increased as the mesopore size increased. This result shows the same tendency as the scattering intensity shown in FIG. 20B, and shows the influence of the pore structure of these films. That is, in the larger mesopores, the electric field enhancement due to localized surface plasmon excitation occurs more strongly, which results in stronger light scattering. The enhanced electric field results in a stronger SERS signal from the adsorbed molecule, as seen in the measurements herein. Note that the strongest SERS intensity is expected for a laser excitation wavelength near 670 nm, which is close to the wavelength of the peak position in the scattering spectrum. However, even the experiments of the present application using a 532 nm laser, which is not necessarily optimal, already show a sufficiently high SERS signal. This proves the high performance of the mesoporous Au substrate of the present application.

SERS増強係数を見積もるため、Auをスパッタした同じ面積の膜(つまり非SERS基板)を、(非SERSの弱い信号を可視化するために)ナイルブルーの10−3Mという高濃度のエタノール溶液の液滴(5μL)で被覆した。その結果を図4(C)に示す(ラマン強度が大幅に低い方)。同じ測定条件を使用した場合、SERS増強係数(EF)は以下の式により簡単に計算される。
EF=[ISERS/CSERS]/[IRS/CRS
ここで、ISERS及びIRSはそれぞれSERS信号及び非SERS信号のラマン強度、CSERS及びCRSはそれぞれSERS基板及び非SERS基板上に滴下された分子の濃度である。1642cm−1における最も強いピークをこの計算に使用して、1.2×10という増強指数の計算結果を得た。本願材料の信号増強係数は以前報告されたナノ構造の試料(非特許文献48〜50)と同じ様なオーダーであるが、メソポーラスAu基板を使用することで、高い空間分解能を有するスペクトルマッピングを用いることによって、局所的な光学的特性と微調整されたモルフォロジーとを関連付けるための体系的な理解に至ることができた。このような情報は電磁界増強の起源及びメカニズムを解明するために間違いなく有用である。
In order to estimate the SERS enhancement factor, a film of the same area sputtered with Au (ie, a non-SERS substrate) was added to a solution of Nile Blue's 10 −3 M ethanol solution (to visualize weak signals of non-SERS). Covered with drops (5 μL). The result is shown in FIG. 4C (the Raman intensity is significantly lower). When the same measurement conditions are used, the SERS enhancement factor (EF) is simply calculated by the following equation.
EF = [I SERS / C SERS ] / [I RS / C RS ]
Here, I SERS and I RS are the Raman intensities of the SERS signal and the non-SERS signal, respectively, and C SERS and C RS are the concentrations of the molecules dropped on the SERS substrate and the non-SERS substrate, respectively. The strongest peak at 1642 cm −1 was used for this calculation, resulting in an enhancement index calculation of 1.2 × 10 5 . The signal enhancement factor of the material of the present application is in the same order as that of the nanostructure sample (Non-Patent Documents 48 to 50) reported previously, but by using a mesoporous Au substrate, spectral mapping having high spatial resolution is used. This has led to a systematic understanding for associating local optical properties with fine-tuned morphology. Such information is definitely useful to elucidate the origin and mechanism of electromagnetic field enhancement.

大サイズのメソ細孔を更に明らかにするために、以下で図22を参照して、本願のメソポーラスAu膜上での大きな生体分子(タンパク質)を選択検出する例を示す。減衰全反射(ATR)形態でのFT−IR構成を使用して表面増強赤外吸収分光(SEIRA)を行った。この測定では、清浄なメソポーラス基板上に吸着された牛血清アルブミン(BSA、平均直径8.6nm)の自己組織化単分子層(SAM)を検体タンパク質として使用した。メソポーラスAu膜(試料II)(0.3cm×1.5cm)をBSA溶液(10−3M水溶液、pH=7.1)中に24時間浸漬し、その後蒸留水で完全にすすいでBSA単分子層を細孔表面に残し、最後に窒素ガス流中で乾燥させた。図22に示すように、FT−IR吸収スペクトル中にはタンパク質のバンド(Amide−I及びAmide−II)がはっきりと観察され、BSAの単分子層が吸着されていることの証拠が示された。本願のメソポーラスAu膜ではSAM−BSAタンパク質の非常に大きな信号強度が観察された。なお、SEIRAについての可視周波数領域での増強係数は、SERSの場合の(E/Eとは異なり、(E/Eに比例することに注意されたい(ここで、EはメソポーラスAu基板上の局所電界の振幅を意味し、Eは入射光の電界の振幅を意味する)。上述の差異、及び本試料では可視領域に比べて赤外領域での電磁界強度が小さいことを考慮すれば、ここで示されたSEIRAの信号増強は十分満足できるものである。 In order to further clarify the large-sized mesopores, an example in which a large biomolecule (protein) is selectively detected on the mesoporous Au film of the present application will be described below with reference to FIG. Surface enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRA) was performed using an FT-IR configuration in attenuated total reflection (ATR) form. In this measurement, a self-assembled monolayer (SAM) of bovine serum albumin (BSA, average diameter 8.6 nm) adsorbed on a clean mesoporous substrate was used as a sample protein. A mesoporous Au film (sample II) (0.3 cm × 1.5 cm) was immersed in a BSA solution (10 −3 M aqueous solution, pH = 7.1) for 24 hours, and then completely rinsed with distilled water to give a single BSA molecule The layer was left on the pore surface and finally dried in a stream of nitrogen gas. As shown in FIG. 22, protein bands (Amide-I and Amide-II) were clearly observed in the FT-IR absorption spectrum, showing evidence that the monolayer of BSA was adsorbed. . In the mesoporous Au film of the present application, a very large signal intensity of the SAM-BSA protein was observed. Note that the enhancement factor in the visible frequency region for SEIRA is proportional to (E / E i ) 2 , unlike (E / E i ) 4 for SERS (where E is It means the amplitude of the local electric field on the mesoporous Au substrate, and E i means the amplitude of the electric field of the incident light). Considering the above-mentioned differences and the fact that the electromagnetic field intensity in the infrared region is smaller than that in the visible region in this sample, the signal enhancement of SEIRA shown here is sufficiently satisfactory.

上で示したように、本願の電気化学的に堆積させた、調節可能な細孔を有するメソポーラスAu膜は、ソフトテンプレートで作製した一様なメソ空間を設計することによって調節される魅力的な光学特性を提供することができる。メソポーラスAu膜を作成するためにいくつかの努力がなされてきたが、Auの結晶成長を制御するのが困難であるために、精密に設計されたメソ細孔を有する連続したAu膜はまだ実現されていない。この問題を克服するため、本願で提案したところの、安定したPS−b−PEOジブロックコポリマーを構造規定剤(pore directing agent)として利用する電気化学的合成は極めて効率的である。出来上がった膜では、一様なサイズにされたメソ細孔が膜全体に分布し、このメソ細孔サイズはPS−b−PEOジブロックコポリマーの分子量及び電解液組成を変化させることにより、19nmから60nm、あるいは更に広い範囲で制御される。本方法はメソポーラスAu膜の新規な光学的用途を示すだけではなく、ソフトテンプレートを用いて,メソポーラス金属を合成する画期的な手法を提供している。このような三次元的に広がった金属フレームワークは目的とする分子のための十分な吸着及び反応サイトを確実に提供することができるが、これは将来的に新たな機能を実現するために極めて重要である。本願の電気化学的方法により,一様なメソ細孔を他の金属や合金に組み込んだ材料を合成することが可能である。   As indicated above, the electrochemically deposited mesoporous Au film with tunable pores of the present application is tuned by designing a uniform mesospace made with a soft template. Optical properties can be provided. Several efforts have been made to create mesoporous Au films, but continuous Au films with precisely designed mesopores are still realized due to the difficulty of controlling Au crystal growth It has not been. In order to overcome this problem, the electrochemical synthesis proposed here, utilizing a stable PS-b-PEO diblock copolymer as a pore directing agent, is extremely efficient. In the finished membrane, uniformly sized mesopores are distributed throughout the membrane, and this mesopore size can be increased from 19 nm by changing the molecular weight and electrolyte composition of the PS-b-PEO diblock copolymer. It is controlled within 60 nm or a wider range. This method not only shows a novel optical application of the mesoporous Au film, but also provides an innovative method of synthesizing mesoporous metal using a soft template. Such a three-dimensionally expanded metal framework can reliably provide sufficient adsorption and reaction sites for the molecules of interest, but this is extremely important to realize new functions in the future. is important. By the electrochemical method of the present application, it is possible to synthesize materials in which uniform mesopores are incorporated into other metals and alloys.

SARS用途のほかに、本願のメソポーラスAu膜は燃料電池用触媒等の電極触媒用途やアンペロメトリー型センサー等のセンサー材料としても良好な性能を示す。これについて実験結果を参照して以下で説明する。   In addition to the SARS application, the mesoporous Au film of the present application shows good performance as an electrode catalyst application such as a fuel cell catalyst and a sensor material such as an amperometric sensor. This will be described below with reference to experimental results.

図23に示すように、本願のメソポーラスAu膜は、メソ細孔を持っていないスパッタで作製したAu膜に比べて非常に高い電極触媒性能を発揮することが明らかになった。表面積による正規化の後でもまだ、本願のメソポーラスAu膜はスパッタで作製したAu膜に比べて3倍も高い活性を示した。このことは、メソポーラスAu表面の高い触媒効率を示している。他の金属ナノ粒子担持カーボンなどの触媒と比較して,自己支持型Au多孔質系は支持体は必要なく,そのまま電極として使用できることから,将来理想的な触媒となるであろう。   As shown in FIG. 23, it has been clarified that the mesoporous Au film of the present application exhibits extremely high electrocatalytic performance as compared with an Au film produced by sputtering without mesopores. Even after normalization by the surface area, the mesoporous Au film of the present application showed an activity three times higher than the Au film prepared by sputtering. This indicates a high catalytic efficiency of the mesoporous Au surface. Compared to other metal nanoparticle-supported carbon and other catalysts, the self-supporting Au porous system does not require a support and can be used as an electrode as it is, so it will be an ideal catalyst in the future.

Auはまたセンサー用途のための良好な候補とみなされている。ここでは例としてグルコースを検出対象物質とし、図10に示すように、同じ細孔サイズで堆積時間を変化させた本願の三種類のメソポーラスAu膜の検出性能を調べた。本願のメソポーラスAu膜の検出特性を、メソ細孔を持っていないスパッタで作製したAu膜と比較した。メソポーラスAu膜の性能は堆積時間、つまり膜厚に依存していた。図24(a)及び(b)に示すように、グルコースの広い濃度範囲(0.0mMから18.0mM)で、メソポーラスAu膜は卓越したアンペロメトリー応答を示すとともに、劣化は比較的僅かであった。グルコース濃度が非常に低い場合(0.00mMから0.18mMの範囲)であっても、メソポーラスAu膜電極はグルコースに対して非常に高感度であるという性能を示した。注意深く計算した結果、図24(c)及び(d)に示すように、現在得られているメソポーラスAu膜を使用することで、3.35μMという検出限界を得た。重要なことに、膜を水ですすぐことで、洗浄して本来の状態まで繰り返し戻すことができるが、これは本センサーが臨床検査室での高い実用可能性を持っていることを示している。   Au is also considered a good candidate for sensor applications. Here, as an example, the detection performance of the three types of mesoporous Au films of the present application in which the deposition time was changed with the same pore size as shown in FIG. The detection characteristics of the mesoporous Au film of the present application were compared with an Au film produced by sputtering without mesopores. The performance of the mesoporous Au film was dependent on the deposition time, that is, the film thickness. As shown in FIGS. 24 (a) and (b), over a wide concentration range of glucose (0.0 mM to 18.0 mM), the mesoporous Au film exhibits an excellent amperometric response and relatively little degradation. there were. Even when the glucose concentration was very low (in the range of 0.00 mM to 0.18 mM), the mesoporous Au membrane electrode showed the performance of being very sensitive to glucose. As a result of careful calculation, as shown in FIGS. 24C and 24D, a detection limit of 3.35 μM was obtained by using the currently obtained mesoporous Au film. Importantly, rinsing the membrane with water allows it to be washed back and returned to its original state, indicating that the sensor has great practicality in clinical laboratories. .

なお、以上の説明ではメソポーラス金属膜としてAuの膜だけについて説明したが、他の金属または合金を使用したメソポーラス金属膜も同様に実現できる。   In the above description, only the Au film has been described as the mesoporous metal film, but mesoporous metal films using other metals or alloys can be realized in the same manner.

ここで、図24(a)で使用したメソポーラスAu膜と特許文献1のメソポーラスPt膜とを比較するため、図24(a)と実験条件をそろえてグルコースの検出を行った。その結果を、図25に示す。これからわかるように、本発明に係るメソポーラスAu膜の方が比較対象のメソポーラスPt膜に比べて2倍を超える検出出力を得ることができ、本発明の膜の分子センサーへの適合性が確認された。   Here, in order to compare the mesoporous Au film used in FIG. 24A and the mesoporous Pt film of Patent Document 1, glucose was detected under the same experimental conditions as in FIG. The result is shown in FIG. As can be seen, the mesoporous Au film according to the present invention can obtain a detection output more than twice that of the mesoporous Pt film to be compared, confirming the suitability of the film of the present invention for a molecular sensor. It was.

図26にはこのようなAu以外の金属でできたメソポーラス金属膜の例のSEM像を示す。図26(A)にメソポーラスCu膜の例を示す。よく知られているように、Cu塩は容易に水に溶解してアクア錯体を形成する。従って、これらのCuアクア錯体は効果的にEO基(つまり、ポリマーミセル表面)と相互作用を起こす。本願発明者はこのようにして、Au以外では既にFe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Pt、Snという広い範囲の金属について同様にして細孔サイズのばらつきの非常に少ないメソポーラス金属膜を作成することができた。   FIG. 26 shows an SEM image of an example of such a mesoporous metal film made of a metal other than Au. FIG. 26A shows an example of a mesoporous Cu film. As is well known, Cu salts readily dissolve in water to form aqua complexes. Therefore, these Cu aqua complexes effectively interact with the EO group (that is, the polymer micelle surface). In this way, the inventor of the present application similarly has a very small variation in pore size with respect to a wide range of metals such as Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, and Sn other than Au. A mesoporous metal film could be created.

更に、単体の金属だけではなく、合金でも同様なメソポーラス金属膜が実現できることを、図26(B)に示すように、Cuベースの合金について実証した。   Furthermore, as shown in FIG. 26B, it has been demonstrated that a similar mesoporous metal film can be realized not only by a single metal but also by an alloy, as shown in FIG.

図26の(A)、(B)に示されたメソポーラス金属膜は、先に示したAuの場合に比べると表面凹凸は多いが、連続した膜となっている。更に、上述の形成メカニズムから当然予測できるように、これらの何れのメソポーラス金属膜でも、その細孔サイズのばらつきが非常に小さくなっていることが図からわかる。   The mesoporous metal film shown in FIGS. 26A and 26B is a continuous film, although there are many surface irregularities compared to the case of Au shown above. Further, as can be naturally predicted from the above-mentioned formation mechanism, it can be seen from the figure that the variation in pore size is very small in any of these mesoporous metal films.

[製造方法の細部]
実施例のメソポーラスAu膜の製造は電気化学的な方法に基づいている。この電気化学的方法は一様な金属膜の一般的な製造に実際に使用されてきたものである。実施例として既に述べたメソポーラスAu膜の典型的な製造方法の細部を以下で説明する。
[Details of manufacturing method]
The production of the mesoporous Au film of the example is based on an electrochemical method. This electrochemical method has been used in practice for the general production of uniform metal films. Details of a typical method for manufacturing a mesoporous Au film already described as an example will be described below.

10mgのポリスチレン−b−ポリ(オキシエチレン)(PS−b−PEO)を3mLのTHFに40℃で完全に溶解し、次にこの溶液に1.5mLのエタノールを添加した。HAuClの水溶液(最終濃度は8mLの電解液に5mM)を透明なPS−b−PEO溶液にゆっくりと添加すると、水の存在により、球形のミセルが形成された。室温で30分間静かに攪拌を行い、溶解した金種がミセルの外側部のPEO領域中に充分に取り込まれるようにした。最後に、透明で明黄色の電解液(pH=2.5)が得られ、これをそのまま電着に使用した。 10 mg of polystyrene-b-poly (oxyethylene) (PS-b-PEO) was completely dissolved in 3 mL of THF at 40 ° C., and then 1.5 mL of ethanol was added to this solution. When an aqueous solution of HAuCl 4 (final concentration 5 mM in 8 mL electrolyte) was slowly added to the clear PS-b-PEO solution, spherical micelles were formed due to the presence of water. The mixture was gently stirred at room temperature for 30 minutes so that the dissolved denomination was sufficiently taken into the PEO region outside the micelle. Finally, a transparent and light yellow electrolyte (pH = 2.5) was obtained and used as it was for electrodeposition.

電気化学装置(米国のCH Instruments社のCHI 842B電気化学アナライザー(electrochemical analyzer))を使用して、前駆体溶液からの電気化学的堆積を行った。ここで、電気化学装置は対電極としてのプラチナワイヤー、参照電極としてのAg/AgCl、及び作用電極としての導電性基板を含む従来の三電極システムを使用した。典型的な電着セルの概念図を図27に示す。本実施例では、使用した典型的な導電性基板は代表的なサイズが0.45cm(0.3cm×1.5cm)のAu−Siウエハであり、ダイシングカッターで作製した。最適なAuの電着は、−0.5Vの一定の電位(vs.Ag/AgCl)で1000秒間、室温で攪拌なしで行った。電着処理の間、図18に示すように金の還元のために安定な電流が流れた。Auの堆積後、ミセル(ソフトテンプレートとして使用したもの)を、UVオゾンクリーナーあるいは低出力Oプラズマ処理によって完全に除去した。これはIR分析によって確認した。メソポーラス金属酸化膜から有機テンプレートを完全に除去するために広く使用されている手法である大気中でのか焼をこの膜に適用したところ、テンプレートは除去できたが、Auの粒子成長によってメソポーラス構造が崩れてしまった。 Electrochemical deposition from the precursor solution was performed using an electrochemical device (CHI 842B electrochemical analyzer from CH Instruments, USA). Here, the electrochemical device used a conventional three-electrode system including platinum wire as the counter electrode, Ag / AgCl as the reference electrode, and a conductive substrate as the working electrode. A conceptual diagram of a typical electrodeposition cell is shown in FIG. In this example, a typical conductive substrate used was an Au—Si wafer having a typical size of 0.45 cm 2 (0.3 cm × 1.5 cm), and was produced by a dicing cutter. Optimal Au electrodeposition was performed at a constant potential of -0.5 V (vs. Ag / AgCl) for 1000 seconds without stirring at room temperature. During the electrodeposition process, a stable current flowed due to the reduction of gold as shown in FIG. After Au deposition, micelles (used as a soft template) were completely removed by UV ozone cleaner or low power O 2 plasma treatment. This was confirmed by IR analysis. Application of atmospheric calcination, a widely used technique to completely remove organic templates from mesoporous metal oxide films, applied the film to the film, but the template was removed, but the growth of Au particles resulted in a mesoporous structure. It collapsed.

[特性評価方法]
上述の実施例で多くの測定結果を示した。これらの測定に使用した機器などを以下にまとめて示す。
[Characteristic evaluation method]
A number of measurement results have been shown in the above examples. The equipment used for these measurements is summarized below.

走査型電子顕微鏡(SEM)像は、日立製のHR−SEM SU8000顕微鏡を加速電圧5kVで使用することで得た。透過型電子顕微鏡(TEM)像は、日本電子製のJEM−2100Fを加速電圧200kVで使用して撮影した。X線光電子分光(XPS)スペクトルはMg Kα X線源付きの日本電子製JPS−9010TRを使用して、室温で記録した。全ての結合エネルギーはC1s(285.0eV)を参照して較正した。UV−Vis吸収スペクトルは日本分光製のV−570 UV−Vis−NIR分光計によって記録した。ラマンスペクトルはHoriba-Jobin-Yvon製のT64000ラマン分光システムを使用し、レーザー波長514.5nmとして記録した。メソポーラスAu膜電着及びサイクリックボルタンメトリー測定は上述のCHI 842B電気化学アナライザー(CH Instruments)を使用して行った。対電極としてのプラチナワイヤー、参照電極としてのAg/AgCl、及び作用電極を含む従来の三電極セルを使用した。散乱スペクトル及びSERS特性測定は、共焦点ラマン顕微鏡(WITec Alpha 300S)を使用して行った。暗視野及びSERS走査の空間分解能は何れも0.2秒/ピクセルの積分時間で約300nm(20×20μmの走査面積上に64×64ピクセル)であった。UV−NIR光源(ZEISS製のハロゲンランプHAL 100)及び暗視野レンズ(ZEISS製の50×/0.55NA)を使用して暗視野散乱特性を調べた。SERS特性の測定のため、532nmでの第2高調波ダイオードポンプNd:VOレーザー(Witec)(0.5mW)を、100×対物レンズ(オリンパス製、0.9NA)を使用してナイルブルーで処理したAu多孔質部の走査領域上にフォーカスした。各測定の前に、SiウエハのSiラマンピーク強度を測定することにより、強度の較正を慎重に行った。表面増強赤外吸収分光(SEIRA)は減衰全反射(ATR)形態でのFT−IR構成(Thermo Fisher Scientific製のNicolet IS50R−FTIR)を使用して行った。Auメソポーラス構造の電界分布は三次元有限差分時間領域(FDTD)法を使用して計算した(Synopsys社製微小光学素子設計・解析ソフトウェアRsoft Fullwave使用)。三次元モデル化は、メソポーラスAu膜の走査電子顕微鏡写真の形状に基づいて行った。z軸に沿い、その電気ベクトルがxz面に沿って振動する励起電界伝搬は、Auメソポーラス表面の頂部から注入した。 A scanning electron microscope (SEM) image was obtained by using an HR-SEM SU8000 microscope manufactured by Hitachi at an acceleration voltage of 5 kV. A transmission electron microscope (TEM) image was taken using JEM-2100F manufactured by JEOL Ltd. at an acceleration voltage of 200 kV. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra were recorded at room temperature using JPS-9010TR manufactured by JEOL with Mg Kα X-ray source. All binding energies were calibrated with reference to C1s (285.0 eV). The UV-Vis absorption spectrum was recorded with a V-570 UV-Vis-NIR spectrometer manufactured by JASCO. Raman spectra were recorded using a T64000 Raman spectroscopy system manufactured by Horiba-Jobin-Yvon, with a laser wavelength of 514.5 nm. Mesoporous Au film electrodeposition and cyclic voltammetry measurements were performed using the CHI 842B electrochemical analyzer (CH Instruments) described above. A conventional three-electrode cell was used containing a platinum wire as the counter electrode, Ag / AgCl as the reference electrode, and a working electrode. Scattering spectra and SERS property measurements were performed using a confocal Raman microscope (WItec Alpha 300S). The dark field and SERS scan spatial resolution were both about 300 nm (64 × 64 pixels on a 20 × 20 μm scan area) with an integration time of 0.2 sec / pixel. The dark field scattering characteristics were examined using a UV-NIR light source (halogen lamp HAL 100 manufactured by ZEISS) and a dark field lens (50 × / 0.55 NA manufactured by ZEISS). For measurement of SERS characteristics, a second harmonic diode pump Nd: VO 4 laser (Witec) (0.5 mW) at 532 nm is used in Nile blue using a 100 × objective lens (Olympus, 0.9 NA). Focus was on the scanned area of the treated Au porous part. Prior to each measurement, the intensity was carefully calibrated by measuring the Si Raman peak intensity of the Si wafer. Surface enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRA) was performed using an FT-IR configuration (Nicolet IS50R-FTIR from Thermo Fisher Scientific) in attenuated total reflection (ATR) form. The electric field distribution of the Au mesoporous structure was calculated using a three-dimensional finite difference time domain (FDTD) method (using Synopsys micro-optical element design / analysis software Rsoft Fullwave). Three-dimensional modeling was performed based on the shape of a scanning electron micrograph of a mesoporous Au film. Excitation field propagation along which the electric vector oscillates along the xz plane along the z axis was injected from the top of the Au mesoporous surface.

特開2012−167300号公報JP 2012-167300 A

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Claims (6)

メソ細孔を有するメソポーラス金属膜であって、前記金属は、金、銅、銀及びこれらの2種以上の合金からなる群より選択される少なくとも1種であり、
平均直径×0.9から平均直径×1.1の範囲の直径を有するメソ細孔の割合が、全メソ細孔中、60%から100%である、
メソポーラス金属膜。
A mesoporous metal film having mesopores, wherein the metal is at least one selected from the group consisting of gold, copper, silver and alloys of two or more thereof;
The proportion of mesopores having a diameter in the range of average diameter × 0.9 to average diameter × 1.1 is 60% to 100% in all mesopores,
Mesoporous metal film.
前記メソ細孔の平均直径が5nmから100nmである、請求項1に記載のメソポーラス金属膜。   The mesoporous metal film according to claim 1, wherein an average diameter of the mesopores is 5 nm to 100 nm. 導電性基板上に形成された、請求項1または2に記載のメソポーラス金属膜。   The mesoporous metal film according to claim 1 or 2, formed on a conductive substrate. 隣接する前記メソ細孔の間の平均壁厚が10nmから50nmである、請求項1から3の何れかに記載のメソポーラス金属膜。   The mesoporous metal film according to any one of claims 1 to 3, wherein an average wall thickness between adjacent mesopores is 10 nm to 50 nm. 膜厚が0nm超10mm未満である、請求項1から4の何れかに記載のメソポーラス金属膜。   The mesoporous metal film according to any one of claims 1 to 4, wherein the film thickness is more than 0 nm and less than 10 mm. 前記メソ細孔は球形である、請求項1から5の何れかに記載のメソポーラス金属膜。
The mesoporous metal film according to claim 1, wherein the mesopores are spherical.
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