JP6966805B2 - ナノ結晶配列構造体の製造方法、ナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、ナノ結晶配列構造体固定化基板、ナノ結晶配列構造体の製造方法、およびナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法に関する。
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）やチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）などのナノ結晶（ナノクリスタル）は、サイズに起因した特徴的な物性を発現し、新規材料としての応用が期待されている。こうしたナノ結晶を電子デバイス等に応用するために、基板上にナノ結晶を整列（配列）させる技術の確立が望まれている。例えば、特許文献１には、基板上にナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を形成（固定化）する方法が開示されている。
特許文献１に開示されている方法では、ナノ結晶を非極性溶媒に分散させた分散液に基板を浸漬してから引き上げることで、毛管現象によって基板上にナノ結晶配列構造体を形成している。しかしながら、こうした方法では、非極性溶媒が蒸発する過程でナノ結晶配列構造体に多数のクラックが生じることが確認されている。このため、基板表面に沿った方向において、数百μｍ以上の実用的なサイズのナノ結晶配列構造体を得ることが困難であるという課題があった。
本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、ナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を、より大きな面積で基板上に形成（固定化）するナノ結晶配列構造体固定化基板、ナノ結晶配列構造体の製造方法、ナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明のナノ結晶配列構造体の製造方法は、以下の構成を有する。
第１溶媒の表面に界面活性剤を展開させた配列媒体液を調製する配列媒体液調製工程と、第２溶媒にナノ結晶を分散させた分散液を調製する分散液調製工程と、前記配列媒体液の表面に前記分散液を滴下する分散液滴下工程と、前記第２溶媒を気化させ、前記配列媒体液の表面に前記ナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を形成する配列構造体形成工程と、を有し、前記界面活性剤はカルボン酸系の界面活性剤であり、前記ナノ結晶はオレイン酸を含む環境下で水熱合成されたものであり、前記第１溶媒は極性媒体、前記第２溶媒は非極性媒体であり、前記第１溶媒と前記第２溶媒とは、互いに混和しないことを特徴とする。
第１溶媒の表面に界面活性剤を展開させた配列媒体液を調製する配列媒体液調製工程と、第２溶媒にナノ結晶を分散させた分散液を調製する分散液調製工程と、前記配列媒体液の表面に前記分散液を滴下する分散液滴下工程と、前記第２溶媒を気化させ、前記配列媒体液の表面に前記ナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を形成する配列構造体形成工程と、を有し、前記界面活性剤はカルボン酸系の界面活性剤であり、前記ナノ結晶はオレイン酸を含む環境下で水熱合成されたものであり、前記第１溶媒は極性媒体、前記第２溶媒は非極性媒体であり、前記第１溶媒と前記第２溶媒とは、互いに混和しないことを特徴とする。
また、本発明では、前記ナノ結晶はチタン酸バリウムナノ結晶であることが好ましい。
また、本発明は、前記配列構造体形成工程では、前記分散液に含まれる前記ナノ結晶の濃度に応じて、前記配列媒体液の表面に配列させる前記ナノ結晶配列構造体の鉛直方向の積み数を調整することが好ましい。
また、本発明では、前記配列構造体形成工程において、前記第１溶媒の表面に展開させた前記界面活性剤の凝集力によって、前記ナノ結晶を前記第２溶媒の周囲に凝集させることが好ましい。
また、本発明では、前記界面活性剤はオレイン酸であることが好ましい。
本発明のナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法は、以下の構成を有する。
基板の一面にナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を固定化したナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法であって、第１溶媒の表面に界面活性剤を展開させた配列媒体液を調製する配列媒体液調製工程と、第２溶媒に前記ナノ結晶を分散させた分散液を調製する分散液調製工程と、前記配列媒体液の表面に前記分散液を滴下する分散液滴下工程と、前記第２溶媒を気化させ、前記配列媒体液の表面に前記ナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を形成する配列構造体形成工程と、前記配列構造体形成工程を経て前記配列媒体液の表面に形成された前記ナノ結晶配列構造体を基板の一面に転写させる転写工程を備え、前記界面活性剤はオレイン酸であり、前記ナノ結晶はチタン酸バリウムナノ結晶であり、前記第１溶媒は極性媒体、前記第２溶媒は非極性媒体であり、前記第１溶媒と前記第２溶媒とは、互いに混和しないことを特徴とする。
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また、本発明では、前記転写工程を複数回繰り返し、前記基板の一面に複数の前記ナノ結晶配列構造体を積層させてもよい。
本発明によれば、ナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を、より大きな面積で基板上に形成（固定化）するナノ結晶配列構造体固定化基板、ナノ結晶配列構造体の製造方法、ナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法を提供することが可能になる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態のナノ結晶配列構造体固定化基板、ナノ結晶配列構造体の製造方法、ナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
本発明において「ナノ結晶」とは、例えば、六面体状の結晶である、いわゆるナノキューブの他、ナノキューブの合成若しくは作製工程において同時に生成される、六面体の頂点が面取りされた不完全な六面体状の結晶をも含む。なお、この六面体の頂点が面取りされた不完全な六面体状の結晶は六面体状の結晶になる途上のものである。また、そのサイズとしては、例えば、チタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウムが六面体状になりえるナノメートルサイズであれば、サイズは限定しないが、例えば１〜２０ｎｍ程度である。
まず最初に、ナノ結晶の製造方法の一例を説明する。例えば、ナノ結晶の一例であるチタン酸バリウムナノ結晶の製造方法としては、水酸化バリウム水溶液と、水溶性チタン錯体の水溶液と、水酸化ナトリウム水溶液と、アミン化合物と、有機カルボン酸とを混合して溶液を得て、前記溶液を加熱することにより合成できる。
水酸化バリウム水溶液に含まれるバリウムと、水溶性チタン錯体の水溶液に含まれるチタンとのモル比（バリウム：チタン）は１：２〜２：１の範囲であることが好ましい。
本発明の水溶性チタン錯体としては、水に溶解された後チタン原子から配位子がはずれてチタン原子と酸素原子との結合が形成されるような化合物を用いることができる。そのような化合物としては、例えばチタニウムビス（アンモニウムラクテート）ジヒドロキシド（Titanium bis(ammonium lactate) dihydroxide、「ＴＡＬＨ」）、配位子がグリコール酸（HOCH2COOH）である(NH4)6[Ti4(C2H2O3)4(C2H3O3)2(O2)4O2]・6H2O、配位子がクエン酸（（CH2COOH)2C(OH)COOH）である(NH4)8[Ti4(C6H4O7)4(O2)4]・8H2O、又は配位子がリンゴ酸（CH2CHOH(COOH)2）若しくは酒石酸（(CHOH)2(COOH)2）であるチタン錯体などが挙げられる。
このようにして得られたナノ結晶を用いて、本発明のナノ結晶配列構造体固定化基板を製造する。ナノ結晶配列構造体を製造する際には、こうしたナノ結晶を後述する第２溶媒に分散させた分散液を用いる。
本発明のナノ結晶配列構造体固定化基板は、基板と、この基板の一面（表面）に形成されたナノ結晶配列構造体と、から構成されている。ナノ結晶配列構造体は、多数のナノ結晶を所定面に沿って配列（整列）させたものからなる。
なお、本発明で言う「ナノ結晶を配列させた」とは、ナノ結晶を規則的に整列させた状態を示し、ナノ結晶を単にランダムに積み重ねて堆積させた状態とは異なる。
なお、本発明で言う「ナノ結晶を配列させた」とは、ナノ結晶を規則的に整列させた状態を示し、ナノ結晶を単にランダムに積み重ねて堆積させた状態とは異なる。
本発明のナノ結晶配列構造体固定化基板は、基板の一面に対するナノ結晶配列構造体の被覆率が８５％以上、１００％以下である。また、基板の一面に沿ったナノ結晶配列構造体の形成面積は１００００μｍ２以上である。そして、幅１００ｎｍ以上のサイズの亀裂やボイドが存在しない。なお、ナノ結晶配列構造体の形成面積の上限は、基板の面積に依存する。
ナノ結晶配列構造体固定化基板のナノ結晶配列構造体を構成するナノ結晶としては、チタン酸化合物、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛などが挙げられる。
次に、本発明のナノ結晶配列構造体の製造方法、ナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法を説明する。
図１は、ナノ結晶配列構造体の製造方法を含むナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法を段階的に示した模式図である。
まず最初に、液槽１０に第１溶媒１１を入れる（図１（ａ）参照）。第１溶媒としては、極性媒体または非極性媒体のいずれかを用いる。第１溶媒１１として極性媒体を用いる際には、後述する第２溶媒１２には非極性媒体を用いる。また、第１溶媒１１として非極性媒体を用いる際には、後述する第２溶媒１２には極性媒体を用いる。本実施形態では、第１溶媒１１として水を用いている。
図１は、ナノ結晶配列構造体の製造方法を含むナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法を段階的に示した模式図である。
まず最初に、液槽１０に第１溶媒１１を入れる（図１（ａ）参照）。第１溶媒としては、極性媒体または非極性媒体のいずれかを用いる。第１溶媒１１として極性媒体を用いる際には、後述する第２溶媒１２には非極性媒体を用いる。また、第１溶媒１１として非極性媒体を用いる際には、後述する第２溶媒１２には極性媒体を用いる。本実施形態では、第１溶媒１１として水を用いている。
次に、この第１溶媒１１の液面に界面活性剤１３を展開させる（図１（ｂ）参照）。これにより、第１溶媒１１に界面活性剤１３を展開させた配列媒体液１４を得る（配列媒体液調製工程）。
配列媒体液１４を構成する界面活性剤１３としては、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤の何れも用いることができる。界面活性剤１３の具体例としては、カルボン酸系の界面活性剤、例えばオレイン酸が好ましく挙げられる。
なお、配列媒体液調製工程においては、第１溶媒１１よりも極めて少量の界面活性剤１３を第１溶媒１１の液面にムラなく展開させるために、界面活性剤１３を揮発性の展開溶媒、例えばトルエンなどで希釈してこれを第１溶媒１１の液面に滴下し、トルエンを全て揮発させることで、界面活性剤１３を展開することが好ましい。
次に、予め製造したナノ結晶１５を第２溶媒１２に分散させ、分散液１６を形成する（分散液調製工程：図１（ｃ）参照）。第２溶媒１２としては、極性媒体または非極性媒体のいずれかを用いる。具体的には、例えば、揮発性の有機溶媒を用いる。本実施形態では、第２溶媒１２としてメシチレン（1,3,5-trimethylbenzene）を用いている。また、本実施形態では、ナノ結晶１５として、チタン酸バリウムからなるナノ結晶を用いている。
分散液１６に含まれるナノ結晶１５の濃度（第２溶媒１２の質量にするナノ結晶１５の質量）は、任意に設定可能であるが、こうしたナノ結晶１５の濃度を高めて、ナノ結晶配列構造体を２層以上に積層することができる。
次に、分散液調製工程で得られた分散液１６を、配列媒体液調製工程で得られた配列媒体液１４に滴下する（分散液滴下工程：図１（ｄ）参照）。分散液１６は、滴下直前に良く撹拌し、ナノ結晶１５を第２溶媒１２中に均一に分散させておく。なお、分散液１６の滴下量は、後ほど用いる基板の一面の面積などに応じて調整すればよい。
図２は、第１溶媒に界面活性剤を展開させてなる配列媒体液に対して、分散液を滴下した後の作用を示す説明図である。
配列媒体液１４に分散液１６を滴下させると、水からなる第１溶媒１１よりも比重の軽いメシチレン（比重0.83）からなる第２溶媒１２を含む分散液１６は、配列媒体液１４の液面に広がる。この時、配列媒体液１４を構成する、第１溶媒１１の表面の界面活性剤１３は、分散液１６によって押し広げられ、分散液１６が第１溶媒１１の表面に直接接するように広がり、その周囲を界面活性剤１３が取り囲む状態になる。
配列媒体液１４に分散液１６を滴下させると、水からなる第１溶媒１１よりも比重の軽いメシチレン（比重0.83）からなる第２溶媒１２を含む分散液１６は、配列媒体液１４の液面に広がる。この時、配列媒体液１４を構成する、第１溶媒１１の表面の界面活性剤１３は、分散液１６によって押し広げられ、分散液１６が第１溶媒１１の表面に直接接するように広がり、その周囲を界面活性剤１３が取り囲む状態になる。
そして、この状態で暫く静置させると、分散液１６に分散していたナノ結晶１５が第２溶媒の底部、即ち第１溶媒１１の表面まで沈み、同時に第２溶媒１２であるメシチレンが揮発する（配列構造体形成工程：図１（ｅ）参照）。
この時、ナノ結晶１５は、第２溶媒１２の揮発によって生じる毛管現象によって、第１溶媒１１の表面に整列する。また、第１溶媒１１の表面にあるナノ結晶１５の周囲を取り囲むように広がる界面活性剤１３の凝集力（外圧）によって、ナノ結晶１５が第２溶媒１２の周囲に集められる。これにより、第１溶媒１１の表面に、ナノ結晶１５が配列（整列）したナノ結晶配列構造体２１が得られる。
こうしたナノ結晶配列構造体２１は、分散液１６に分散させたナノ結晶１５の濃度に応じて、ナノ結晶１つ分の厚みで広がる単層のナノ結晶配列構造体や、鉛直方向にナノ結晶が積み重なった複層のナノ結晶配列構造体などを作り分けることができる。
この後、ナノ結晶配列構造体２１が表面に形成されている配列媒体液１４に基板２２を対面させ、基板２２の一面（表面）２２ａにナノ結晶配列構造体２１を転写させる（転写工程：図１（ｆ）参照）。
なお、分散液滴下工程から転写工程までを、１つの基板２２に対して繰り返し実行することによっても、鉛直方向にナノ結晶が積み重なった複層のナノ結晶配列構造体を形成することができる。
以上のような工程によって、基板２２の一面（表面）２２ａにナノ結晶配列構造体２１が固定化（形成）されたナノ結晶配列構造体固定化基板２０が得られる。
なお、分散液滴下工程から転写工程までを、１つの基板２２に対して繰り返し実行することによっても、鉛直方向にナノ結晶が積み重なった複層のナノ結晶配列構造体を形成することができる。
以上のような工程によって、基板２２の一面（表面）２２ａにナノ結晶配列構造体２１が固定化（形成）されたナノ結晶配列構造体固定化基板２０が得られる。
こうして得られたナノ結晶配列構造体固定化基板２０は、基板２２の一面２２ａに対するナノ結晶配列構造体２１の被覆率が８５％以上、１００％以下であり、かつ基板２２の一面２２ａに沿ったナノ結晶配列構造体２１の形成面積が１００００μｍ２以上である。そして、幅１００ｎｍ以上のサイズの亀裂やボイドが存在しない。なお、ナノ結晶配列構造体２１の形成面積の上限は、基板の面積に依存する。
以上、詳細に説明したように、本発明のナノ結晶配列構造体の製造方法、ナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法によれば、界面活性剤１３を展開させた第１溶媒１１に、ナノ結晶１５を含む分散液１６を広げることで、界面活性剤１３が第１溶媒１１上でナノ結晶１５を集めて配列させる役割を果たす。これによって、ナノ結晶１５を大きな面積で均一に配列（整列）させたナノ結晶配列構造体２１を得ることができる。
また、こうして形成したナノ結晶配列構造体２１を、基板２２の一面（表面）２２ａに転写させることによって、ヒビや傷のない大きな面積のナノ結晶配列構造体２１をもつナノ結晶配列構造体固定化基板２０を得ることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下、本発明のナノ結晶配列構造体のより具体的な製造例を述べる。
〔ナノ結晶の合成〕
ナノ結晶の一例として、チタン酸バリウムナノ結晶の具体的な合成方法を記載する。
水酸化バリウム水溶液と、水溶性チタン錯体の水溶液と、水酸化ナトリウム水溶液と、アミン化合物と、有機カルボン酸とを混合して溶液を得て、その溶液を加熱して合成することにより、チタン酸バリウムナノ結晶を得ることができる。この合成は、上記加熱を、容器を密閉する等により加圧した状態で行う水熱合成により行うのが好ましい。
〔ナノ結晶の合成〕
ナノ結晶の一例として、チタン酸バリウムナノ結晶の具体的な合成方法を記載する。
水酸化バリウム水溶液と、水溶性チタン錯体の水溶液と、水酸化ナトリウム水溶液と、アミン化合物と、有機カルボン酸とを混合して溶液を得て、その溶液を加熱して合成することにより、チタン酸バリウムナノ結晶を得ることができる。この合成は、上記加熱を、容器を密閉する等により加圧した状態で行う水熱合成により行うのが好ましい。
０．０５ｍｏｌ／Ｌ(０．０５Ｍ)の水酸化バリウム水溶液（Ｂａ（ＯＨ）２）２４ｍｌと、ＴＡＬＨ（水溶性チタン錯体）０．７２ｍｌと、オレイン酸（ＯＬＡ）（有機カルボン酸）３．８ｍｌと、ｔｅｒｔ−ブチルアミン（アミン化合物）１．２８ｍｌと、１ｍｏｌ／Ｌ(１Ｍ)の水酸化ナトリウム（Ｎａ（ＯＨ））水溶液６ｍｌとをオートクレーブに入れて混合した。ここで、水酸化バリウム水溶液とＴＡＬＨはＢａ：Ｔｉ＝１：１に、また、Ｂａ：ＯＬＡ：ｔｅｒｔ−ブチルアミン＝１：８：８になるように混合した。密閉したオートクレーブを２００℃で７２時間加熱した後、室温まで冷却して、チタン酸バリウムナノ結晶を合成した。
ここで、水酸化ナトリウム（Ｎａ（ＯＨ））水溶液はｐＨ調整剤として添加している。
水熱合成においてｐＨ調整剤としてよく用いられるアンモニアでは合成が進みやすい十分な強塩基条件になりにくいが（ｐＨ１４の条件にさらにアンモニアを加えてもより強塩基にはならないが）、水酸化ナトリウム（Ｎａ（ＯＨ））を用いれば十分な強塩基条件になり、チタン酸バリウムナノ結晶の合成が進みやすい。
水熱合成においてｐＨ調整剤としてよく用いられるアンモニアでは合成が進みやすい十分な強塩基条件になりにくいが（ｐＨ１４の条件にさらにアンモニアを加えてもより強塩基にはならないが）、水酸化ナトリウム（Ｎａ（ＯＨ））を用いれば十分な強塩基条件になり、チタン酸バリウムナノ結晶の合成が進みやすい。
有機カルボン酸としては、デカン酸（カプリン酸）ＣＨ３（ＣＨ２）８ＣＯＯＨ等の炭素鎖が長いカルボン酸であれば、二重結合を含まなくても用いることができる。
図３及び図４は、上述の例で示した条件により合成したチタン酸バリウムナノ結晶のＴＥＭ像である。
図３及び図４は日本電子株式会社製ＪＥＯＬ−２１００（３００ｋＶ）を用いて得たものである。
チタン酸バリウムナノ結晶のＴＥＭ像観察用のサンプルは、オートクレーブ内の上澄み液を濾紙上に配置したＴＥＭグリッド（基板）上に滴下し、滴下した上澄み液中の溶媒を濾紙に吸収させて除去して作製した。ＴＥＭグリッドはカーボンで被覆した銅（メッシュをコロジオン膜で支持した構造）からなる。
図３及び図４は日本電子株式会社製ＪＥＯＬ−２１００（３００ｋＶ）を用いて得たものである。
チタン酸バリウムナノ結晶のＴＥＭ像観察用のサンプルは、オートクレーブ内の上澄み液を濾紙上に配置したＴＥＭグリッド（基板）上に滴下し、滴下した上澄み液中の溶媒を濾紙に吸収させて除去して作製した。ＴＥＭグリッドはカーボンで被覆した銅（メッシュをコロジオン膜で支持した構造）からなる。
図４の電子回折スポット像の各点のスポットの位置からそのナノ結晶の格子面間隔を決定し、チタン酸バリウム単結晶の（１００）面、（００１）面に対応する４．０４Å、２．８５Åのスポットが得られた。
図３及び図４のＴＥＭ像及びその電子回折スポット像から、上述の合成方法により、チタン酸バリウムのナノ結晶が合成されていることが確認された。
また、Ｘ線粉末回折法により、（１００）回折線が２２°付近に、また、（２００）回折線が４４°付近に現れることによってもチタン酸バリウムであることを同定した。
図３及び図４のＴＥＭ像及びその電子回折スポット像から、上述の合成方法により、チタン酸バリウムのナノ結晶が合成されていることが確認された。
また、Ｘ線粉末回折法により、（１００）回折線が２２°付近に、また、（２００）回折線が４４°付近に現れることによってもチタン酸バリウムであることを同定した。
次いで、オートクレーブからチタン酸ストロンチウムナノ結晶含有溶液を専用の容器に移して、その容器を遠心分離（５３００ｒｐｍ（第１の回転速度）、３分間（第１の回転時間））し、容器の底に沈殿したチタン酸バリウムナノ結晶を回収した。遠心分離機は株式会社コクサン製のＨ９ＲＨ型を用いた。
以上のようにして得られたチタン酸バリウムのナノ結晶を、以下に述べるナノ結晶配列構造体の製造方法で用いる分散液に適用した。
以上のようにして得られたチタン酸バリウムのナノ結晶を、以下に述べるナノ結晶配列構造体の製造方法で用いる分散液に適用した。
〔ナノ結晶配列構造体固定化基板の製造〕
（実施例１）
まず、内径約７ｃｍのガラス製のシャーレに数センチの高さまで第１溶媒として水を張る。次に、その水面に、界面活性剤としてオレイン酸を体積比１０００倍のトルエン（非極性溶媒）で希釈した溶液４０μｌをマイクロシリンジで滴下した。トルエンを完全に蒸発させて、水の表面に界面活性剤を展開させた配列媒体液を形成した。
（実施例１）
まず、内径約７ｃｍのガラス製のシャーレに数センチの高さまで第１溶媒として水を張る。次に、その水面に、界面活性剤としてオレイン酸を体積比１０００倍のトルエン（非極性溶媒）で希釈した溶液４０μｌをマイクロシリンジで滴下した。トルエンを完全に蒸発させて、水の表面に界面活性剤を展開させた配列媒体液を形成した。
また、第２溶媒としてメシチレンに、前述した方法で製造したチタン酸バリウムナノ結晶（結晶サイズ１５〜２０ｎｍ）を分散させて分散液を形成した。
そして、シャーレ中の配列媒体液に、分散液４０μｌを滴下し、シャーレに蓋をしてメシチレンが完全に蒸発するまで静置した。メシチレンが完全に蒸発した後、水面には、チタン酸バリウムナノ結晶配列構造体が浮遊した状態で得られた。
そして、シャーレ中の配列媒体液に、分散液４０μｌを滴下し、シャーレに蓋をしてメシチレンが完全に蒸発するまで静置した。メシチレンが完全に蒸発した後、水面には、チタン酸バリウムナノ結晶配列構造体が浮遊した状態で得られた。
こうして得られたチタン酸バリウムナノ結晶配列構造体を、水平付着法によって基板の表面に転写した。水平付着法とは、基板表面が液面に対して水平になるような角度で、液面に基板表面を付着させ、そのまま基板を引き上げて乾燥させることで、液面の浮遊物を基板表面に転写する手法である。基板はシリコンを使用し、転写を行う前にエタノール中で超音波洗浄をして大気乾燥させた。
以上の手順で、シリコン基板にチタン酸バリウムナノ結晶配列構造体を形成したナノ結晶配列構造体固定化基板が得られた。
以上の手順で、シリコン基板にチタン酸バリウムナノ結晶配列構造体を形成したナノ結晶配列構造体固定化基板が得られた。
図５はシリコン基板上に形成したチタン酸バリウムナノ結晶配列構造体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（全体像、拡大像）である。この写真の全体像から、チタン酸バリウムナノ結晶配列構造体が全体として数百μｍの大きさを持つこと、及びマイクロメートルスケールの亀裂（ヒビ）が見られないことが確認された。また、拡大像で確認できる小さな四角のひとつひとつがチタン酸バリウムナノ結晶であり、この拡大像から、チタン酸バリウムナノ構造体がチタン酸バリウムナノ結晶の規則配列によって形成される単層膜であることが確認された。
（実施例２）
実施例２は、分散液中のチタン酸バリウムナノ結晶の濃度を、実施例１よりも５倍高くした。これ以外の条件は実施例１と同様である。
図６に、実施例２で得られた、シリコン基板上に形成したチタン酸バリウムナノ結晶配列構造体のＳＥＭ写真を示す。図６の写真によれば、分散液中のナノ結晶の濃度を上げることにより、単層膜だけでなく、ナノ結晶配列が二層重なった積層構造のナノ結晶配列構造体が得られることが確認された。
実施例２は、分散液中のチタン酸バリウムナノ結晶の濃度を、実施例１よりも５倍高くした。これ以外の条件は実施例１と同様である。
図６に、実施例２で得られた、シリコン基板上に形成したチタン酸バリウムナノ結晶配列構造体のＳＥＭ写真を示す。図６の写真によれば、分散液中のナノ結晶の濃度を上げることにより、単層膜だけでなく、ナノ結晶配列が二層重なった積層構造のナノ結晶配列構造体が得られることが確認された。
（実施例３）
実施例３は、基板としてサファイア基板、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）基板、ルテニウム酸ストロンチウムコート（ＳＲＯ／ＳＴＯ）基板、及び金コート雲母（Ａｕ／Ｍｉｃａ）基板を用いた。これ以外の条件は実施例１と同様である。
図７に、これら４種類の基板のそれぞれに形成したナノ結晶配列構造体のＳＥＭ写真を示す。図７の写真によれば、基板の材質を問わずナノ結晶の規則配列からなるナノ結晶配列構造体を基板表面に形成可能であることが確認された。
実施例３は、基板としてサファイア基板、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）基板、ルテニウム酸ストロンチウムコート（ＳＲＯ／ＳＴＯ）基板、及び金コート雲母（Ａｕ／Ｍｉｃａ）基板を用いた。これ以外の条件は実施例１と同様である。
図７に、これら４種類の基板のそれぞれに形成したナノ結晶配列構造体のＳＥＭ写真を示す。図７の写真によれば、基板の材質を問わずナノ結晶の規則配列からなるナノ結晶配列構造体を基板表面に形成可能であることが確認された。
（実施例４）
実施例４は、基板として透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）用グリッドを用いていること、及びこの基板へのナノ結晶配列構造体の転写前に、基板にエタノール洗浄を施していないことが実施例１と異なる。これ以外の条件は実施例１と同様である。
基板であるＴＥＭグリッドは厚さ５０ｎｍの窒化ケイ素メンブレンに直径約２ｎｍの孔が等間隔に形成された構造を有する。図８に、ＴＥＭグリッドの孔内に形成したナノ結晶配列構造体のＳＥＭ写真を示す。図８の写真によれば、平坦な基板上ではなく、孔内の中空領域にもナノ結晶の規則配列からなるナノ結晶配列構造体が形成可能であることが確認された。
実施例４は、基板として透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）用グリッドを用いていること、及びこの基板へのナノ結晶配列構造体の転写前に、基板にエタノール洗浄を施していないことが実施例１と異なる。これ以外の条件は実施例１と同様である。
基板であるＴＥＭグリッドは厚さ５０ｎｍの窒化ケイ素メンブレンに直径約２ｎｍの孔が等間隔に形成された構造を有する。図８に、ＴＥＭグリッドの孔内に形成したナノ結晶配列構造体のＳＥＭ写真を示す。図８の写真によれば、平坦な基板上ではなく、孔内の中空領域にもナノ結晶の規則配列からなるナノ結晶配列構造体が形成可能であることが確認された。
１０…液槽
１１…第１溶媒
１２…第２溶媒
１３…界面活性剤
１４…配列媒体液
１５…ナノ結晶
１６…分散液
２０…ナノ結晶配列構造体固定化基板
２１…ナノ結晶配列構造体
２２…基板
１１…第１溶媒
１２…第２溶媒
１３…界面活性剤
１４…配列媒体液
１５…ナノ結晶
１６…分散液
２０…ナノ結晶配列構造体固定化基板
２１…ナノ結晶配列構造体
２２…基板
Claims (7)
- 第１溶媒の表面に界面活性剤を展開させた配列媒体液を調製する配列媒体液調製工程と、
第２溶媒にナノ結晶を分散させた分散液を調製する分散液調製工程と、
前記配列媒体液の表面に前記分散液を滴下する分散液滴下工程と、
前記第２溶媒を気化させ、前記配列媒体液の表面に前記ナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を形成する配列構造体形成工程と、を有し、
前記界面活性剤はカルボン酸系の界面活性剤であり、
前記ナノ結晶はオレイン酸を含む環境下で水熱合成されたものであり、
前記第１溶媒は極性媒体、前記第２溶媒は非極性媒体であり、前記第１溶媒と前記第２溶媒とは、互いに混和しないことを特徴とするナノ結晶配列構造体の製造方法。 - 前記ナノ結晶はチタン酸バリウムナノ結晶であることを特徴とする請求項１に記載のナノ結晶配列構造体の製造方法。
- 前記配列構造体形成工程では、前記分散液に含まれる前記ナノ結晶の濃度に応じて、前記配列媒体液の表面に配列させる前記ナノ結晶配列構造体の鉛直方向の積み数を調整することを特徴とする請求項１または２に記載のナノ結晶配列構造体の製造方法。
- 前記配列構造体形成工程において、前記第１溶媒の表面に展開させた前記界面活性剤の凝集力によって、前記ナノ結晶を前記第２溶媒の周囲に凝集させることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項に記載のナノ結晶配列構造体の製造方法。
- 前記界面活性剤はオレイン酸であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項に記載のナノ結晶配列構造体の製造方法。
- 基板の一面にナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を固定化したナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法であって、
第１溶媒の表面に界面活性剤を展開させた配列媒体液を調製する配列媒体液調製工程と、
第２溶媒に前記ナノ結晶を分散させた分散液を調製する分散液調製工程と、
前記配列媒体液の表面に前記分散液を滴下する分散液滴下工程と、
前記第２溶媒を気化させ、前記配列媒体液の表面に前記ナノ結晶を配列させたナノ結晶配列構造体を形成する配列構造体形成工程と、
前記配列構造体形成工程を経て前記配列媒体液の表面に形成された前記ナノ結晶配列構造体を基板の一面に転写させる転写工程を備え、
前記界面活性剤はオレイン酸であり、
前記ナノ結晶はチタン酸バリウムナノ結晶であり、
前記第１溶媒は極性媒体、前記第２溶媒は非極性媒体であり、前記第１溶媒と前記第２溶媒とは、互いに混和しないことを特徴とするナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法。 - 前記転写工程を複数回繰り返し、前記基板の一面に複数の前記ナノ結晶配列構造体を積み上げることを特徴とする請求項６記載のナノ結晶配列構造体固定化基板の製造方法。
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| WO2019150670A1 (ja) | 2019-08-08 |
| JPWO2019150670A1 (ja) | 2021-02-12 |
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