JP7029126B2 - Nanocrystal manufacturing method and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、ナノ結晶の製造方法、及び半導体デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing nanocrystals and a method for producing a semiconductor device.

近年、バルク材料とは異なる特性を持つナノマテリアルが注目を集めている。ナノマテリアルは、工学デバイスの分野で応用が進められている。ナノマテリアルとしては、例えば、酸化銅、酸化鉄、酸化タングステン、酸化錫、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム等の酸化物からなるナノ結晶が挙げられる。上記酸化物は、古くから色素、顔料、触媒、磁性材料、二次電池の正極材、研磨剤、導電材料、フィラー、接合材料、焼結助材等に応用されている。上記酸化物は、半導体の特性も有する。半導体の特性を有するナノ結晶は、光触媒材料、発光材料、太陽電池、量子コンピューター、バイオセンサ等のデバイスへの適用が進められている。 In recent years, nanomaterials with properties different from bulk materials have been attracting attention. Nanomaterials are being applied in the field of engineering devices. Examples of nanomaterials include nanocrystals made of oxides such as copper oxide, iron oxide, tungsten oxide, tin oxide, nickel oxide, titanium oxide, zinc oxide, and zirconium oxide. The oxides have long been applied to dyes, pigments, catalysts, magnetic materials, positive electrode materials for secondary batteries, abrasives, conductive materials, fillers, bonding materials, sintering aids and the like. The oxide also has the characteristics of a semiconductor. Nanocrystals having the characteristics of semiconductors are being applied to devices such as photocatalytic materials, light emitting materials, solar cells, quantum computers, and biosensors.

上記酸化物からなるナノ結晶を得る方法として、下記特許文献1~6には、水熱合成法、共沈法、レーザー照射法、又は化学気相成長法(CVD法)が開示されている。 As a method for obtaining nanocrystals composed of the above oxides, the following Patent Documents 1 to 6 disclose a hydrothermal synthesis method, a coprecipitation method, a laser irradiation method, or a chemical vapor deposition method (CVD method).

上記半導体に不純物元素を導入したり、欠陥を生じさせたりすることにより、上記半導体をp型半導体又はn型半導体として使用することがある。p型半導体において、電荷を運ぶキャリアは正孔である。n型半導体において、電荷を運ぶキャリアは自由電子である。p型半導体とn型半導体とが接触した構造をpn接合と呼ぶ。pn接合は、整流作用、発光、光電効果等を示す。pn接合は、ダイオード、トランジスタ、太陽電池等の半導体素子に応用されている。 The semiconductor may be used as a p-type semiconductor or an n-type semiconductor by introducing an impurity element into the semiconductor or causing a defect. In a p-type semiconductor, the carrier carrying an electric charge is a hole. In an n-type semiconductor, the carrier carrying an electric charge is a free electron. A structure in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are in contact with each other is called a pn junction. The pn junction exhibits rectifying action, light emission, photoelectric effect and the like. The pn junction is applied to semiconductor devices such as diodes, transistors, and solar cells.

例えば、下記非特許文献1には、pn接合を有するナノ構造体を用いることが開示されている。非特許文献1に記載の方法では、まず、Cu箔又はCuメッシュの熱酸化により、酸化銅(II)からなるナノワイヤーを形成する。酸化銅(II)はp型半導体である。次いで、水熱合成法により、ナノワイヤーの上に酸化亜鉛(II)のナノ結晶を枝状に形成する。酸化亜鉛(II)はn型半導体である。その結果、pn接合を有するナノ構造体が得られる。 For example, Non-Patent Document 1 below discloses the use of nanostructures having a pn junction. In the method described in Non-Patent Document 1, first, nanowires made of copper (II) oxide are formed by thermal oxidation of Cu foil or Cu mesh. Copper (II) oxide is a p-type semiconductor. Next, nanocrystals of zinc oxide (II) are formed into branches on the nanowires by a hydrothermal synthesis method. Zinc oxide (II) is an n-type semiconductor. The result is a nanostructure with a pn junction.

特公昭43-12435号公報Special Publication No. 43-12435 特開昭54-151598号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 54-151598 特開昭62-41722号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-41722 特開昭62-223027号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-22307 特開2009-57568号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-57568 特開昭63-181305号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-181305

A.Kargar et al., “ZnO/CuO Heterojunction Branched Nanowires for Photoelectrochemical Hydrogen Generation”, ACS Nano., vol.7, no.12, pp.11112-11120, 2013.A. Kargar et al. , "ZnO / CuO Heterojunction Branched Nanowires for Photoelectrochemical Hydrogen Generation", ACS Nano. , Vol. 7, no. 12, pp. 1112-111120, 2013.

特許文献1~4に記載の水熱合成法では、所望の組成を有する化合物をナノメートルオーダーのサイズに制御しながら形成できる。しかしながら、工程が多段階にわたると共に非常に複雑であり、高温高圧(例えば、150℃、10気圧)でのプロセスが必要である。また、高アルカリ水溶液を用いる場合には、pHの精密な制御が必要であることに加えて、環境負荷及び製造コストの面で課題がある。 In the hydrothermal synthesis methods described in Patent Documents 1 to 4, a compound having a desired composition can be formed while being controlled to a size on the order of nanometers. However, the process is multi-step and very complex and requires a process at high temperature and high pressure (eg 150 ° C., 10 atmospheres). Further, when a highly alkaline aqueous solution is used, in addition to requiring precise control of pH, there are problems in terms of environmental load and manufacturing cost.

特許文献5に記載のレーザー照射法、及び、特許文献6に記載のCVD法は、製造装置のサイズ及び製造コストの観点から、ナノ結晶の工業的な量産には不向きである。 The laser irradiation method described in Patent Document 5 and the CVD method described in Patent Document 6 are not suitable for industrial mass production of nanocrystals from the viewpoint of the size of the manufacturing apparatus and the manufacturing cost.

また、非特許文献1に記載の方法では、良好な特性を持つpn接合部が得られ、水分解を目的とした半導体デバイスへの応用が期待されるが、工程の一部に水熱合成法を使用していることから、上記で述べたプロセス及びコストの課題を解決する必要がある。 Further, the method described in Non-Patent Document 1 can obtain a pn junction having good characteristics and is expected to be applied to a semiconductor device for the purpose of water splitting. However, a hydrothermal synthesis method is part of the process. Therefore, it is necessary to solve the process and cost issues mentioned above.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含むナノ結晶を簡便に形成できるナノ結晶の製造方法、及び当該ナノ結晶の製造方法を利用した半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a method for producing nanocrystals capable of easily forming nanocrystals containing at least one of oxides and hydroxides, and a method for producing the nanocrystals. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method of a used semiconductor device.

本発明の一側面に係るナノ結晶の製造方法は、水中に浸された金属部材の表面に光を照射して、ナノ結晶を金属部材の表面上に形成する光照射工程を備え、金属部材が、第1金属を含む第1部材と、第2金属を含む第2部材と、を有し、第1金属の標準電極電位が-2.00Vよりも高く、第2金属の標準電極電位が-2.00Vよりも高く、第1部材と第2部材とが電気的に接続されており、上記ナノ結晶が、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含み、酸化物が、第1金属及び第2金属のうち少なくともいずれか一方の酸化物であり、水酸化物が、第1金属及び第2金属のうち少なくともいずれか一方の水酸化物である。 The method for producing a nanocrystal according to one aspect of the present invention comprises a light irradiation step of irradiating the surface of a metal member immersed in water with light to form nanocrystals on the surface of the metal member, and the metal member comprises a light irradiation step. It has a first member containing a first metal and a second member containing a second metal, the standard electrode potential of the first metal is higher than -2.00 V, and the standard electrode potential of the second metal is-. Higher than 2.00 V, the first member and the second member are electrically connected, the nanocrystal contains at least one of an oxide and a hydroxide, and the oxide is the first. It is an oxide of at least one of a metal and a second metal, and the hydroxide is a hydroxide of at least one of the first metal and the second metal.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、金属部材が合金を含んでよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the metal member may contain an alloy.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、第1部材における第1金属の含有率が、第1部材の全質量を基準として、10.0~100.0質量%であってよく、第2部材における第2金属の含有率が、第2部材の全質量を基準として、10.0~100.0質量%であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the content of the first metal in the first member may be 10.0 to 100.0% by mass based on the total mass of the first member. , The content of the second metal in the second member may be 10.0 to 100.0% by mass with respect to the total mass of the second member.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法は、光照射工程の前に、金属部材の表面を粗化する表面粗化工程を更に備えてよい。 The method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention may further include a surface roughening step of roughening the surface of the metal member before the light irradiation step.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、表面粗化工程が、機械加工、化学処理又は液中放電処理により行われてよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the surface roughening step may be performed by machining, chemical treatment, or subliquid discharge treatment.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、第1部材と第2部材とが直接接触してよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the first member and the second member may be in direct contact with each other.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、第1部材と第2部材とが溶接されてよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the first member and the second member may be welded together.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、金属部材が導電材料を更に有してよく、第1部材と第2部材とが導電材料を介して接続されてよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the metal member may further have a conductive material, and the first member and the second member may be connected via the conductive material.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、導電材料が、銅、銀、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、錫、又は鉛を含む配線材料、及びろう材からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the conductive material is a group consisting of a wiring material containing copper, silver, gold, platinum, aluminum, chromium, nickel, iron, tin, or lead, and a brazing material. It may be at least one more selected.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、光が、太陽光又は擬似太陽光であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the light may be sunlight or pseudo-sunlight.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長が360nm以上620nm未満であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the wavelength having the maximum intensity in the spectrum of light may be 360 nm or more and less than 620 nm.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、水が、純水、イオン交換水、雨水、水道水、河川水、井戸水、ろ過水、蒸留水、逆浸透水、泉水、湧水、ダム水及び海水からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, water is pure water, ion-exchanged water, rainwater, tap water, river water, well water, filtered water, distilled water, back-penetration water, spring water, spring water, and the like. It may be at least one selected from the group consisting of dam water and seawater.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、水のpHが、5.00~10.0であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the pH of water may be 5.00 to 10.0.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、水の電気伝導度が、0.05~1.0μS/cmであってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the electrical conductivity of water may be 0.05 to 1.0 μS / cm.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、ナノ結晶の形状が、針状、柱状、ロッド状、チューブ状、燐片状、塊状、フラワー状、ヒトデ状、枝状及び凸形状からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the shape of the nanocrystals can be changed from needle-like, columnar, rod-like, tube-like, flaky, lump-like, flower-like, starfish-like, branch-like and convex-like. It may be at least one selected from the group.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、光照射工程において、水素を含むガスが生成されてよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, a gas containing hydrogen may be generated in the light irradiation step.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、ガス中における酸素のモル数が、水素のモル数の0倍以上1/2倍未満であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the number of moles of oxygen in the gas may be 0 times or more and less than 1/2 times the number of moles of hydrogen.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法は、ナノ結晶を金属部材の表面から除去して回収する工程を更に備えてよい。 The method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention may further include a step of removing and recovering the nanocrystals from the surface of the metal member.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、第2金属の標準電極電位が、第1金属の標準電極電位よりも高くてよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the standard electrode potential of the second metal may be higher than the standard electrode potential of the first metal.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、水中に、第1部材の表面から第1金属のヒドロキソ錯イオンが生成してよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, hydroxocomplex ions of the first metal may be generated from the surface of the first member in water.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種が半導体であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, at least one of oxides and hydroxides may be a semiconductor.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、半導体が、ナノ結晶を含んでよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the semiconductor may include nanocrystals.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、半導体が、p型半導体及びn型半導体のうち少なくともいずれか一方を含んでよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the semiconductor may include at least one of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、n型半導体が、第1金属を含む酸化物であってよく、p型半導体が、第2金属を含む酸化物であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the n-type semiconductor may be an oxide containing a first metal, and the p-type semiconductor may be an oxide containing a second metal.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、p型半導体が、酸化銅(I)、酸化銅(II)、酸化銀(I)、酸化ニッケル(II)、酸化鉄(III)、酸化タングステン(VI)及び酸化錫(II)からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the p-type semiconductor is copper (I) oxide, copper (II) oxide, silver (I) oxide, nickel (II) oxide, iron (III) oxide, and the like. It may be at least one selected from the group consisting of tungsten oxide (VI) and tin (II) oxide.

本発明の一側面に係る上記ナノ結晶の製造方法では、n型半導体が、酸化鉄(III)、酸化インジウム(III)、酸化タングステン(VI)、酸化鉛(II)、酸化バナジウム(V)、酸化ニオブ(III)、酸化チタン(IV)、酸化亜鉛(II)、酸化錫(IV)、酸化アルミニウム(III)及び酸化ジルコニウム(IV)からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。 In the method for producing nanocrystals according to one aspect of the present invention, the n-type semiconductor is iron (III) oxide, indium (III) oxide, tungsten oxide (VI), lead (II) oxide, vanadium (V) oxide, and the like. It may be at least one selected from the group consisting of niobium oxide (III), titanium oxide (IV), zinc oxide (II), tin oxide (IV), aluminum oxide (III) and zirconium oxide (IV).

本発明の一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、上記ナノ結晶の製造方法を用いて半導体デバイスを製造する方法であって、p型半導体を含むp型層を第2部材の表面上に形成し、かつn型半導体を含むn型層をp型層の表面上に形成することにより、p型層及びn型層を含むpn接合層を得る。 The method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device using the above-mentioned method for manufacturing nanocrystals, in which a p-type layer containing a p-type semiconductor is formed on the surface of a second member. Further, by forming an n-type layer containing an n-type semiconductor on the surface of the p-type layer, a pn junction layer including the p-type layer and the n-type layer is obtained.

本発明の一側面に係る上記半導体デバイスの製造方法では、p型半導体が、酸化銅(I)及び酸化銅(II)のうち少なくともいずれか一方であってよく、n型半導体が、酸化亜鉛(II)であってよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, the p-type semiconductor may be at least one of copper (I) oxide and copper (II) oxide, and the n-type semiconductor may be zinc oxide ( II) may be.

本発明の一側面に係る上記半導体デバイスの製造方法では、pn接合層に光を照射することにより、光起電力を生じさせてよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention, a photovoltaic power may be generated by irradiating the pn junction layer with light.

本発明によれば、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含むナノ結晶を簡便に形成できるナノ結晶の製造方法、及び当該ナノ結晶の製造方法を利用した半導体デバイスの製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a method for producing nanocrystals capable of easily forming nanocrystals containing at least one of oxides and hydroxides, and a method for producing semiconductor devices using the method for producing nanocrystals. can do.

図1は、本発明の一実施形態に係るナノ結晶の製造方法を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a method for producing nanocrystals according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態に係るナノ結晶の製造方法を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a method for producing nanocrystals according to an embodiment of the present invention. 図3は、本発明の一実施形態に係る金属部材を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing a metal member according to an embodiment of the present invention. 図4は、本発明の一実施形態に係る金属部材を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic view showing a metal member according to an embodiment of the present invention. 図5は、本発明の一実施形態に係る金属部材を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic view showing a metal member according to an embodiment of the present invention. 図6は、本発明の一実施形態に係る金属部材を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic view showing a metal member according to an embodiment of the present invention. 図7は、本発明の一実施形態に係る金属部材を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic view showing a metal member according to an embodiment of the present invention. 図8は、代表的な金属酸化物半導体のバンドギャップ(伝導帯の下端と価電子帯の上端との間のエネルギー差)と、水の酸化還元電位との関係を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing the relationship between the band gap (energy difference between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band) of a typical metal oxide semiconductor and the redox potential of water. 図9は、n型半導体と水との接触に伴うn型半導体のエネルギーバンドの変化を示す概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing a change in the energy band of the n-type semiconductor due to contact between the n-type semiconductor and water. 図10は、p型半導体と水との接触に伴うp型半導体のエネルギーバンドの変化を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a change in the energy band of the p-type semiconductor due to contact between the p-type semiconductor and water. 図11は、水中で電気的に接続されたn型半導体及びp型半導体それぞれのエネルギーバンド構造、並びにn型半導体及びp型半導体に光照射したときの電子の流れを示す概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the energy band structures of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor electrically connected in water, and the flow of electrons when the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are irradiated with light. 図12は、pn接合層の形成に伴うp型半導体(CuO)及びn型半導体(ZnO)それぞれのエネルギーバンドの変化を示す概略図である。FIG. 12 is a schematic view showing changes in the energy bands of the p-type semiconductor (Cu 2O ) and the n-type semiconductor (ZnO) with the formation of the pn junction layer. 図13は、pn接合層の形成に伴うp型半導体(CuO)及びn型半導体(ZnO)それぞれのエネルギーバンドの変化を示す概略図である。FIG. 13 is a schematic view showing changes in the energy bands of the p-type semiconductor (CuO) and the n-type semiconductor (ZnO) with the formation of the pn junction layer. 図14は、走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影された、ロッド状のナノ結晶の一例を示す像である。FIG. 14 is an image showing an example of rod-shaped nanocrystals taken with a scanning electron microscope (SEM). 図15は、走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影された、ロッド状のナノ結晶の一例を示す像である。FIG. 15 is an image showing an example of rod-shaped nanocrystals taken with a scanning electron microscope (SEM).

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は下記実施形態に限られるものではない。本明細書において、「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の目的が達成されれば、本用語に含まれる。本明細書において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書において、組成物中の各成分の含有量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。図面において、同等の構成要素には同一の符号を付す。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification, the term "process" is included in this term not only as an independent process but also as long as the purpose of the process is achieved even if it cannot be clearly distinguished from other processes. In the present specification, the numerical range indicated by using "-" indicates a range including the numerical values before and after "-" as the minimum value and the maximum value, respectively. In the present specification, the content of each component in the composition refers to the content of each component in the composition when a plurality of substances corresponding to each component are present in the composition, unless otherwise specified. Means the total amount. In the drawings, equivalent components are designated by the same reference numerals.

(ナノ結晶の製造方法の概要)
本実施形態に係るナノ結晶の製造方法は、光照射工程(light irradiation step)を備える。図1に示すように、光照射工程では、水2中に浸された金属部材100の表面に光Lを照射して、ナノ結晶を金属部材100の表面上に形成する。金属部材100は、第1部材と第2部材とを有する。光Lは、第1部材及び第2部材の両方に照射されてよい。第1部材は第1金属を含む。第2部材は第2金属を含む。第1金属は、第2金属と異なる金属である。第1金属の標準電極電位は、第2金属の標準電極電位と異なる。第1金属の標準電極電位は-2.00Vよりも高い。第2金属の標準電極電位は-2.00Vよりも高い。第1部材と第2部材とは電気的に接続されている。上記ナノ結晶は、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含む。上記酸化物は、第1金属及び第2金属のうち少なくともいずれか一方の酸化物である。上記水酸化物は、第1金属及び第2金属のうち少なくともいずれか一方の水酸化物である。本実施形態に係るナノ結晶の製造方法は、ナノ結晶を金属部材100の表面から除去して回収する工程を更に備えてよい。
(Outline of manufacturing method of nanocrystals)
The method for producing nanocrystals according to the present embodiment includes a light irradiation step. As shown in FIG. 1, in the light irradiation step, the surface of the metal member 100 immersed in water 2 is irradiated with light L to form nanocrystals on the surface of the metal member 100. The metal member 100 has a first member and a second member. The light L may irradiate both the first member and the second member. The first member contains a first metal. The second member contains a second metal. The first metal is a metal different from the second metal. The standard electrode potential of the first metal is different from the standard electrode potential of the second metal. The standard electrode potential of the first metal is higher than -2.00V. The standard electrode potential of the second metal is higher than -2.00V. The first member and the second member are electrically connected to each other. The nanocrystals contain at least one of oxides and hydroxides. The oxide is an oxide of at least one of a first metal and a second metal. The hydroxide is a hydroxide of at least one of a first metal and a second metal. The method for producing nanocrystals according to the present embodiment may further include a step of removing and recovering the nanocrystals from the surface of the metal member 100.

光照射工程では、第1部材及び第2部材それぞれの表面にナノ結晶が生成してよい。第1部材の表面に生成するナノ結晶は、第1金属の酸化物、及び第1金属の水酸化物のうち少なくともいずれか一方を含んでよい。第2部材の表面に生成するナノ結晶は、第2金属の酸化物、及び第2金属の水酸化物のうち少なくともいずれか一方を含んでよい。以下では、第1金属の酸化物、及び第1金属の水酸化物のうち少なくともいずれか一方を含むナノ結晶を、第1ナノ結晶ともいう。第2金属の酸化物、及び第2金属の水酸化物のうち少なくともいずれか一方を含むナノ結晶を、第2ナノ結晶ともいう。また、第2部材の表面には、第2ナノ結晶に加えて、第1ナノ結晶が生成してよい。このように、光照射工程では、第1ナノ結晶が優先的(選択的)に生成してよい。第1ナノ結晶が優先的に生成する理由の一つは、第1部材と第2部材とが電気的に接続されていることにより、ガルバニック腐食が起こることである。別の理由は、n型半導体を含む酸化被膜が第1部材の表面に形成され、p型半導体を含む酸化被膜が第2部材の表面に形成されることである。また、第2部材の表面に形成されたp型半導体(酸化被膜又は第2ナノ結晶)の上にn型半導体(第1ナノ結晶)が形成されることにより、pn接合層が形成されてよい。このpn接合層が、第1部材の表面において、第1ナノ結晶の生成を促進してもよい。以下では、まず、第1部材の表面に第1ナノ結晶が生成する機構、及び第2部材の表面に第2ナノ結晶が生成する機構を説明する。次に、第1ナノ結晶が優先的に生成する機構について説明する。なお、本実施形態においてナノ結晶が生成するメカニズムは、上記の機構に限定されない。 In the light irradiation step, nanocrystals may be generated on the surfaces of the first member and the second member. The nanocrystals formed on the surface of the first member may contain at least one of an oxide of the first metal and a hydroxide of the first metal. The nanocrystals formed on the surface of the second member may contain at least one of the oxide of the second metal and the hydroxide of the second metal. Hereinafter, nanocrystals containing at least one of an oxide of the first metal and a hydroxide of the first metal are also referred to as first nanocrystals. A nanocrystal containing at least one of an oxide of a second metal and a hydroxide of a second metal is also referred to as a second nanocrystal. Further, on the surface of the second member, first nanocrystals may be formed in addition to the second nanocrystals. As described above, in the light irradiation step, the first nanocrystals may be preferentially (selectively) produced. One of the reasons why the first nanocrystals are preferentially generated is that galvanic corrosion occurs due to the electrical connection between the first member and the second member. Another reason is that an oxide film containing an n-type semiconductor is formed on the surface of the first member, and an oxide film containing a p-type semiconductor is formed on the surface of the second member. Further, a pn junction layer may be formed by forming an n-type semiconductor (first nanocrystal) on a p-type semiconductor (oxide film or second nanocrystal) formed on the surface of the second member. .. This pn junction layer may promote the formation of first nanocrystals on the surface of the first member. In the following, first, the mechanism by which the first nanocrystals are formed on the surface of the first member and the mechanism by which the second nanocrystals are formed on the surface of the second member will be described. Next, the mechanism by which the first nanocrystals are preferentially produced will be described. The mechanism by which nanocrystals are formed in this embodiment is not limited to the above mechanism.

(第1部材及び第2部材にナノ結晶が生成する機構)
光照射工程では、第1部材及び第2部材それぞれの表面において、水中結晶光合成(SPSC:Submerged Photosynthesis of Crystallites)が起こる。一般的に、SPSCとは、水中に浸された金属部材の表面に光を照射して、ナノ結晶を金属部材の表面上に形成する方法である。本実施形態では、SPSCにより、第1部材の表面に第1ナノ結晶が生成する。また、SPSCにより、第2部材の表面に第2ナノ結晶が生成する。第1部材におけるSPSCのメカニズムは、第2部材におけるSPSCのメカニズムと共通する。以下では、第1部材におけるSPSCについて説明する。光照射工程では、水中に浸された第1部材の表面に光を照射することにより、第1ナノ結晶を第1部材の表面に生成させる。
(Mechanism of forming nanocrystals on the first and second members)
In the light irradiation step, underwater crystal photosynthesis (SPSC: Submerged Photosynthesis of Crystallites) occurs on the surfaces of each of the first member and the second member. In general, SPSC is a method of irradiating the surface of a metal member immersed in water with light to form nanocrystals on the surface of the metal member. In this embodiment, SPSC produces first nanocrystals on the surface of the first member. In addition, SPSC produces second nanocrystals on the surface of the second member. The mechanism of SPSC in the first member is common to the mechanism of SPSC in the second member. Hereinafter, the SPSC in the first member will be described. In the light irradiation step, the surface of the first member immersed in water is irradiated with light to generate first nanocrystals on the surface of the first member.

光照射工程において、水素を含むガスが生成されてよい。例えば、光照射工程では、水中に浸された第1部材の表面に光を照射することにより、水素を含むガスを第1部材の表面近傍から生成させてよい。光照射工程では、水中に浸された第2部材の表面に光を照射することにより、水素を含むガスを第2部材の表面近傍から生成させてよい。第1部材の表面近傍から水素が生成するメカニズムは、第2部材の表面近傍から水素が生成するメカニズムと共通する。以下では、第1部材の表面近傍において水素が生成するメカニズムを説明する。「第1部材の表面近傍」とは、第1部材の表面、第1部材上に生成した酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一つを含意する。例えば、水酸化物が酸化物に変化する過程において、水分子及び水素ガスのうち少なくともいずれか一方が水酸化物から生成する可能性がある。 In the light irradiation step, a gas containing hydrogen may be generated. For example, in the light irradiation step, a gas containing hydrogen may be generated from the vicinity of the surface of the first member by irradiating the surface of the first member immersed in water with light. In the light irradiation step, a gas containing hydrogen may be generated from the vicinity of the surface of the second member by irradiating the surface of the second member immersed in water with light. The mechanism by which hydrogen is generated from the vicinity of the surface of the first member is common to the mechanism by which hydrogen is generated from the vicinity of the surface of the second member. Hereinafter, the mechanism by which hydrogen is generated near the surface of the first member will be described. The term "near the surface of the first member" implies at least one of the surface of the first member, the oxide formed on the first member, and the hydroxide. For example, in the process of converting a hydroxide into an oxide, at least one of water molecules and hydrogen gas may be generated from the hydroxide.

第1金属(M)を含む第1部材を水中に浸した場合は、第1金属が腐食する反応が進行する。すなわち、水中では第1金属がイオン化し、下記反応式(1)に示すとおり、第1金属のイオン(Mn+)を生じる。一般的に、金属の腐食反応は、金属が金属イオンとなって溶解するアノード反応と、水中の酸化剤が還元されるカソード反応とが組み合わさった反応である。下記反応式(1)に示す反応は、アノード反応である。下記反応式(2)に示す反応、及び下記反応式(3)に示す反応は、いずれもカソード反応である。下記反応式(2)に示す反応は、水が酸性である場合に起こる。下記反応式(3)に示す反応は、水が中性又はアルカリ性である場合、又は、水中に溶存酸素が含まれる場合に起こる。ここで、金属の標準電極電位が正である場合、一般的には、下記反応式(1)に示すアノード反応は起きないと考えられる。ただし、水中の水素イオン(H)の濃度又は溶存酸素の濃度によっては、金属がイオン化し、下記反応式(4)に示すとおり、Mn+を生じる。下記反応式(1)式に示す反応、又は下記反応式(4)に示す反応によって水中に溶け出したMn+は、例えば溶存酸素を含む水中では、下記反応式(3)に示す反応により生じた水酸化物イオン(OH)と反応する。その結果、下記反応式(5)に示すとおり、水酸化物(M(OH))を生じる。その後、水酸化物から水分子が離脱することで、下記反応式(6)に示すとおり、酸化物(MO)を生じる。しかしながら、以上のような一般的な金属の腐食反応では、結晶性の高い水酸化物及び酸化物が生成し難い。つまり、一般的な金属の腐食反応で生成する水酸化物及び酸化物は、本実施形態に係るSPSCで得られるナノ結晶に比べて、結晶性に劣る。また、一般的な金属の腐食反応では、水が中性又はアルカリ性である場合、水素ガス(H)は生成しない。また、水が酸性である場合、下記反応式(2)に示す反応により水素ガスが生成するが、金属の腐食反応は短時間で停止するため、水素ガスの生成量は少ない。
M→Mn++ne (1)
2H+2e→H (2)
+2HO+4e→4OH (3)
2M+O+2nH→2Mn++2HO (4)
n++nOH→M(OH) (5)
M(OH)→MO+(n-x)HO (6)
When the first member containing the first metal (M) is immersed in water, the reaction in which the first metal is corroded proceeds. That is, in water, the first metal is ionized to generate ions (M n + ) of the first metal as shown in the following reaction formula (1). In general, the corrosion reaction of a metal is a reaction in which an anodic reaction in which a metal is dissolved as a metal ion and a cathode reaction in which an oxidant in water is reduced are combined. The reaction shown in the following reaction formula (1) is an anodic reaction. The reaction shown in the following reaction formula (2) and the reaction shown in the following reaction formula (3) are both cathode reactions. The reaction shown in the following reaction formula (2) occurs when water is acidic. The reaction represented by the following reaction formula (3) occurs when the water is neutral or alkaline, or when the water contains dissolved oxygen. Here, when the standard electrode potential of the metal is positive, it is generally considered that the anodic reaction represented by the following reaction formula (1) does not occur. However, depending on the concentration of hydrogen ions (H + ) or dissolved oxygen in water, the metal is ionized and Mn + is generated as shown in the following reaction formula (4). Mn + dissolved in water by the reaction shown in the following reaction formula (1) or the reaction shown in the following reaction formula (4) is generated by the reaction shown in the following reaction formula (3), for example, in water containing dissolved oxygen. Reacts with hydroxide ion (OH- ) . As a result, a hydroxide (M (OH) n ) is produced as shown in the following reaction formula (5). After that, the water molecules are separated from the hydroxide to generate an oxide (MO x ) as shown in the following reaction formula (6). However, it is difficult to produce highly crystalline hydroxides and oxides in the above-mentioned general corrosion reaction of metals. That is, the hydroxides and oxides produced by the general corrosion reaction of metals are inferior in crystallinity to the nanocrystals obtained by SPSC according to the present embodiment. Further, in a general metal corrosion reaction, hydrogen gas (H 2 ) is not generated when water is neutral or alkaline. Further, when water is acidic, hydrogen gas is generated by the reaction represented by the following reaction formula (2), but the corrosion reaction of the metal is stopped in a short time, so that the amount of hydrogen gas generated is small.
M → M n + + ne- ( 1)
2H + + 2e- → H 2 (2)
O 2 + 2H 2 O + 4e-4OH- (3)
2M + O 2 + 2nH + → 2M n + + 2H 2O (4)
M n + + noh- → M (OH) n (5)
M (OH) n → MO x + (n−x) H 2 O (6)

なお、水酸化物イオンは、上記反応式(3)に示す反応以外でも生じていると考えられる。例えば、水分子の解離によって水酸化物イオンが存在している場合、及び、アルカリ性の水を用いることによって水酸化物イオンが存在している場合が考えられる。しかしながら、これらの水酸化物イオンによって、水酸化物(M(OH))及び酸化物(MO)が生じる反応は、上述の一般的な金属の腐食反応である。よって、この場合、本実施形態に係るSPSCで得られるようなナノ結晶は形成されない。It is considered that the hydroxide ion is generated in a reaction other than the reaction shown in the above reaction formula (3). For example, there are cases where hydroxide ions are present due to dissociation of water molecules, and cases where hydroxide ions are present due to the use of alkaline water. However, the reaction in which these hydroxide ions produce hydroxide (M (OH) n ) and oxide (MO x ) is the above-mentioned general metal corrosion reaction. Therefore, in this case, nanocrystals as obtained by the SPSC according to the present embodiment are not formed.

一般的な金属の腐食反応とは対照的に、SPSCを利用したナノ結晶の製造方法では、第1部材の表面への光照射によって、第1部材の表面に第1ナノ結晶が生成されると共に、第1部材の表面近傍から水素ガスが生成する。SPSCによるナノ結晶の生成機構は以下のとおりである、と本発明者らは推測する。本実施形態では、まず、上記反応式(1)~(5)に示す反応が起こる。その後、本実施形態の光照射工程では、第1金属の水酸化物(M(OH))から、第1金属の酸化物(MO)を含むナノ結晶が第1部材の表面に成長すると共に、副生成物として、水分子のみならず水素ガス(H)が生成する。例えば、生成した第1金属の水酸化物は、水中の水酸化物イオン(OH)と反応することで、第1金属のヒドロキソ錯イオン([M(OH)y-)を形成し、水中に再び溶解する。水のpHが大きいほど、ヒドロキソ錯イオンが生成し易い。次いで、上記ヒドロキソ錯イオンの少なくとも一部がナノ結晶に変化する。ナノ結晶は、水酸化物及び酸化物のうち少なくともいずれか一方を含む。例えば、金属(M)が亜鉛(Zn)である場合、下記反応式(7)に示す反応により、テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオン([Zn(OH)2-)を形成する。そして、下記反応式(8)に示す反応により、ZnOのナノ結晶が生成する。また、金属(M)が、第1金属ではなく、第2金属の銅(Cu)である場合、下記反応式(9)に示す反応により、テトラヒドロキソ銅(II)酸イオン([Cu(OH)2-)を形成する。そして、下記反応式(10)に示す反応により、CuOのナノ結晶が生成する。上記のナノ結晶の生成及び成長に伴い、水分子及び水素ガスが生成する。例えば、水酸化物が酸化物に変化する過程において、水分子及び水素ガスのうち少なくともいずれか一方が水酸化物から生成してよい。ここで、ナノ結晶は、例えば、光誘起先端成長により形成されてよい。光誘起先端成長とは、光照射によって柱状又は針状に、結晶の先端成長が促されることを意味する。なお、ナノ結晶が生成するメカニズムは、上記の反応機構に限定されない。
Zn(OH)+2OH→[Zn(OH)2- (7)
[Zn(OH)2-→ZnO+2OH+HO (8)
Cu(OH)+2OH→[Cu(OH)2- (9)
[Cu(OH)2-→CuO+2OH+HO (10)
In contrast to the general metal corrosion reaction, in the method of producing nanocrystals using SPSC, the surface of the first member is irradiated with light to generate the first nanocrystals on the surface of the first member. , Hydrogen gas is generated from the vicinity of the surface of the first member. The present inventors speculate that the mechanism of nanocrystal formation by SPSC is as follows. In the present embodiment, first, the reactions represented by the above reaction formulas (1) to (5) occur. After that, in the light irradiation step of the present embodiment, nanocrystals containing the oxide of the first metal (MO x ) grow from the hydroxide of the first metal (M (OH) n ) on the surface of the first member. At the same time, not only water molecules but also hydrogen gas (H 2 ) is produced as a by-product. For example, the generated hydroxide of the first metal reacts with the hydroxide ion (OH ) in water to form the hydroxo complex ion ([M (OH) x ] y −) of the first metal. , Dissolve again in water. The higher the pH of water, the easier it is to generate hydroxocomplex ions. Then, at least a part of the hydroxocomplex ion is changed into nanocrystals. Nanocrystals contain at least one of a hydroxide and an oxide. For example, when the metal (M) is zinc (Zn), tetrahydroxozinc (II) acid ion ([Zn (OH) 4 ] 2- ) is formed by the reaction represented by the following reaction formula (7). Then, the ZnO nanocrystals are produced by the reaction represented by the following reaction formula (8). When the metal (M) is not the first metal but the second metal copper (Cu), the reaction represented by the following reaction formula (9) causes a tetrahydroxocopper (II) acid ion ([Cu (OH). ) 4 ] 2- ) is formed. Then, nanocrystals of CuO are produced by the reaction represented by the following reaction formula (10). With the formation and growth of the above nanocrystals, water molecules and hydrogen gas are generated. For example, in the process of converting a hydroxide into an oxide, at least one of water molecules and hydrogen gas may be generated from the hydroxide. Here, the nanocrystals may be formed, for example, by photo-induced tip growth. Photoinduced tip growth means that the tip growth of crystals is promoted in a columnar or needle shape by light irradiation. The mechanism by which nanocrystals are formed is not limited to the above reaction mechanism.
Zn (OH) 2 + 2OH- → [Zn (OH) 4 ] 2- (7)
[Zn (OH) 4 ] 2- → ZnO + 2OH- + H 2O (8)
Cu (OH) 2 + 2OH- → [Cu (OH) 4 ] 2- (9)
[Cu (OH) 4 ] 2- → CuO + 2OH- + H 2 O (10)

光照射工程において、金属部材が浸された水に光を照射した際に、水の放射線分解が生じていてもよい。その分解種として、水素ラジカル(H・)、ヒドロキシラジカル(・OH)、及び水和電子(eaq )を生じる。これらのうち、ヒドロキシラジカルと水和電子とが反応することで、直ちに水酸化物イオンが生成する。上記の光照射工程では、上記のヒドロキシラジカルと水和電子との反応によって、水酸化物イオンの生成が促進され、ナノ結晶の生成が促進されてよく、水素ガスの生成も促進されてよい。つまり、光照射工程では、ラジカルの生成を伴う光化学反応が起こってもよい。In the light irradiation step, when the water in which the metal member is immersed is irradiated with light, radiolysis of the water may occur. Hydrogen radicals (H.), hydroxyl radicals ( .OH ), and hydrated electrons (e aq- ) are generated as the decomposition species. Of these, hydroxide ions are immediately generated by the reaction of hydroxyl radicals and hydrated electrons. In the light irradiation step, the reaction between the hydroxyl radical and the hydrated electron may promote the production of hydroxide ions, the production of nanocrystals, and the production of hydrogen gas. That is, in the light irradiation step, a photochemical reaction accompanied by the generation of radicals may occur.

上記のナノ結晶が生成する反応機構では、後述する光触媒反応による水の光分解とは異なり、酸素ガス(O)は生成し難い。水の光分解の場合は、生成する水素ガスのモル数と、生成する酸素ガスのモル数との比は、2:1である。つまり、化学量論に基づけば、生成する酸素ガスのモル数は、生成する水素ガスのモル数の1/2倍である。一方、SPSCを利用した上記のナノ結晶の製造方法では、光照射工程において生成するガス中における酸素のモル数は、水素のモル数の0倍以上1/2倍未満、0倍以上1/5倍以下、又は0倍以上1/10倍以下であってよい。生成するガス中における水素の濃度は、ガスの全体積を基準として、66.7体積%より大きくてよく、80.0~100体積%、又は90.0~100体積%であってよい。生成するガス中における水素の濃度は、ガスに含まれる全成分のモル数の合計を基準として、66.7モル%より大きくてよく、80.0~100モル%、又は90.0~100モル%であってよい。本実施形態に係るナノ結晶の製造方法では、ナノ結晶とともに、純度の高い水素ガスが得られてよい。In the reaction mechanism in which the above nanocrystals are generated, it is difficult to generate oxygen gas (O 2 ), unlike the photodecomposition of water by the photocatalytic reaction described later. In the case of photolysis of water, the ratio of the number of moles of hydrogen gas produced to the number of moles of oxygen gas produced is 2: 1. That is, based on stoichiometry, the number of moles of oxygen gas produced is half the number of moles of hydrogen gas produced. On the other hand, in the above method for producing nanocrystals using SPSC, the number of moles of oxygen in the gas generated in the light irradiation step is 0 times or more and less than 1/2 times, and 0 times or more and 1/5 of the number of moles of hydrogen. It may be double or less, or 0 times or more and 1/10 times or less. The concentration of hydrogen in the produced gas may be larger than 66.7% by volume, 80.0 to 100% by volume, or 90.0 to 100% by volume, based on the total volume of the gas. The concentration of hydrogen in the produced gas may be greater than 66.7 mol%, 80.0 to 100 mol%, or 90.0 to 100 mol, based on the total number of moles of all components contained in the gas. May be%. In the method for producing nanocrystals according to the present embodiment, hydrogen gas having high purity may be obtained together with the nanocrystals.

生成したガス中における水素の濃度は、ガスクロマトグラフィー質量分析法によって測定してよい。測定に用いる装置は、一般的なガスクロマトグラフであってよい。ガスクロマトグラフとしては、例えば、(株)島津製作所製のGC-14Bを用いてよい。ガスクロマトグラフを用いた測定は、キャリアーガスであるアルゴンと、サンプルとをシリンジに入れて行ってよい。 The concentration of hydrogen in the produced gas may be measured by gas chromatography-mass spectrometry. The device used for the measurement may be a general gas chromatograph. As the gas chromatograph, for example, GC-14B manufactured by Shimadzu Corporation may be used. The measurement using a gas chromatograph may be carried out by placing argon, which is a carrier gas, and a sample in a syringe.

ガスクロマトグラフィー質量分析法では、空気の混入を考慮して水素ガスの濃度を補正することが好ましい。金属部材及び水中に窒素(N)が含まれておらず、かつ、分析したガス中に窒素ガス(N)が含まれていた場合には、ガスクロマトグラフィー質量分析法による測定の際に、シリンジ内に空気が混入したと考えられる。生成した水素ガスの体積は、分析したガスの全体積から、窒素ガスの体積と、混入した空気のうち窒素ガスを除く成分(例えば、酸素ガス)の体積との合計を差し引くことで求めることができる。In gas chromatography-mass spectrometry, it is preferable to correct the concentration of hydrogen gas in consideration of air contamination. When nitrogen (N) is not contained in the metal member and water, and nitrogen gas (N 2 ) is contained in the analyzed gas, the measurement by gas chromatography-mass spectrometry is performed. It is probable that air was mixed in the syringe. The volume of the generated hydrogen gas can be obtained by subtracting the total of the volume of the nitrogen gas and the volume of the component (for example, oxygen gas) excluding the nitrogen gas from the mixed air from the total volume of the analyzed gas. can.

例えば、ガスクロマトグラフで測定した結果、分析したガス中に含まれるガスの種類及び体積比が、水素ガス(H):酸素ガス(O):窒素ガス(N)=A:B:Cであったとする。金属部材及び水中に窒素が含まれない場合は、生成したガスは水素ガスと酸素ガスのみであるとみなすことができる。このとき、ガスクロマトグラフを用いて測定した空気の分析値が、酸素ガス(O):窒素ガス(N)=b:cであったとする。空気分を差し引いたガスの比率は、水素ガス(H):酸素ガス(O)=A:{B-(C×b÷c)}である。この比率を用いて、生成した水素ガスの濃度を算出することができる。For example, as a result of measurement by a gas chromatograph, the type and volume ratio of the gas contained in the analyzed gas are hydrogen gas (H 2 ): oxygen gas (O 2 ): nitrogen gas (N 2 ) = A: B: C. Suppose that it was. When the metal member and the water do not contain nitrogen, the generated gas can be considered to be only hydrogen gas and oxygen gas. At this time, it is assumed that the analytical value of air measured by using the gas chromatograph is oxygen gas (O 2 ): nitrogen gas (N 2 ) = b: c. The ratio of the gas after deducting the air content is hydrogen gas (H 2 ): oxygen gas (O 2 ) = A: {B- (C × b ÷ c)}. Using this ratio, the concentration of the generated hydrogen gas can be calculated.

SPSCを利用した上記のナノ結晶の製造方法は、従来のナノ結晶の製造方法と比較して、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含むナノ結晶を簡便に形成できる。つまり、SPSCを利用した上記のナノ結晶の製造方法は、加熱工程、真空プロセス等を必要とせず、ナノ結晶を常温及び大気圧下で形成できる。また、SPSCを利用した上記のナノ結晶の製造方法では、形成されたナノ結晶を金属部材の表面から回収すれば、金属部材の表面が再び露出する。そして、露出した金属部材の表面をナノ結晶の形成のために再利用することができる。また、SPSCを利用した上記のナノ結晶の製造方法では、水熱合成反応などの高温プロセス、及び強アルカリ性の水を用いることなく、ナノ結晶を形成できる。以上のことから、SPSCを利用した上記のナノ結晶の製造方法では、ナノ結晶の製造コストが低減され、ナノ結晶の製造に伴う環境負荷を低減することができる。 The above-mentioned method for producing nanocrystals using SPSC can easily form nanocrystals containing at least one of oxides and hydroxides as compared with the conventional method for producing nanocrystals. That is, the above-mentioned method for producing nanocrystals using SPSC does not require a heating step, a vacuum process, or the like, and can form nanocrystals at room temperature and atmospheric pressure. Further, in the above method for producing nanocrystals using SPSC, if the formed nanocrystals are recovered from the surface of the metal member, the surface of the metal member is exposed again. Then, the surface of the exposed metal member can be reused for forming nanocrystals. Further, in the above-mentioned method for producing nanocrystals using SPSC, nanocrystals can be formed without using a high-temperature process such as a hydrothermal synthesis reaction or using strongly alkaline water. From the above, in the above-mentioned nanocrystal manufacturing method using SPSC, the manufacturing cost of nanocrystals can be reduced, and the environmental load associated with the manufacturing of nanocrystals can be reduced.

上述したSPSCは、金属(M)が第2金属である場合にも成り立つ。つまり、SPSCは、第2金属を含む第2部材においても進行する。 The above-mentioned SPSC also holds when the metal (M) is the second metal. That is, SPSC also proceeds in the second member containing the second metal.

(第1ナノ結晶が優先的に生成する機構)
(1)ガルバニック腐食
以下では、ガルバニック腐食が起こることにより、第1ナノ結晶が優先的に生成する機構を説明する。
(Mechanism of preferential production of first nanocrystals)
(1) Galvanic corrosion The mechanism by which first nanocrystals are preferentially generated due to galvanic corrosion will be described below.

第1部材に含まれる第1金属の標準電極電位は-2.00Vよりも高い。第2部材に含まれる第2金属の標準電極電位は-2.00Vよりも高い。標準電極電位とは、液体中における酸化還元反応系における、電子のやり取りの際に発生する電位である。水中における各元素の電極反応、及び各元素の標準電極電位を表1及び2に示す。標準電極電位は、金属の腐食し易さを示す尺度としても用いられる。水に溶け易く、イオン化し易い金属の標準電極電位は低い。本実施形態では、標準電極電位が-2.00Vより高い第1金属及び第2金属を用いることで、第1金属及び第2金属と水との過度な反応(第1金属及び第2金属と水との直接的な反応)が抑えられる。その結果、ナノ結晶及び高純度の水素ガスをSPSCにより効果的に製造できる。 The standard electrode potential of the first metal contained in the first member is higher than -2.00V. The standard electrode potential of the second metal contained in the second member is higher than -2.00V. The standard electrode potential is a potential generated during the exchange of electrons in a redox reaction system in a liquid. Tables 1 and 2 show the electrode reaction of each element in water and the standard electrode potential of each element. The standard electrode potential is also used as a measure of the susceptibility of metal to corrosion. The standard electrode potential of a metal that is easily dissolved in water and easily ionized is low. In this embodiment, by using the first metal and the second metal whose standard electrode potential is higher than -2.00 V, an excessive reaction between the first metal and the second metal and water (with the first metal and the second metal). (Direct reaction with water) is suppressed. As a result, nanocrystals and high-purity hydrogen gas can be effectively produced by SPSC.

Figure 0007029126000001
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Figure 0007029126000002
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ガルバニック腐食は、標準電極電位が異なる2種類の金属を水中で接触させたときに生じる。2種類の金属のうち、標準電極電位が低い金属を「卑な金属」という。2種類の金属のうち、標準電極電位が高い金属を「貴な金属」という。貴な金属とともに水中に浸された卑な金属の腐食速度は、卑な金属のみを水中に浸したときの卑な金属の腐食速度よりも大きい。卑な金属とともに水中に浸された貴な金属の腐食速度は、貴な金属のみを水中に浸したときの貴な金属の腐食速度よりも小さい。本実施形態では、第2金属の標準電極電位は、第1金属の標準電極電位よりも高くてよい。つまり、第1金属が卑な金属であり、第2金属が貴な金属であってよい。第1金属が卑な金属であり、第2金属が貴な金属である場合、ガルバニック腐食により、卑な第1金属を含む第1部材が優先的に腐食し、第1金属が第2金属に優先して水中に溶出する。つまり、金属Mが卑な第1金属である場合、ガルバニック腐食により、上記反応式(1)に示す反応の速度が増大する。その結果、上記反応式(5)に示す第1金属の水酸化物の形成と、それに次ぐSPSCによる第1ナノ結晶の形成及び水素ガスの生成とが促進される。一方、ガルバニック腐食により、第2金属の腐食反応は抑制される。つまり、金属Mが貴な第2金属である場合、上記反応式(1)に示す反応の速度が減少する。その結果、上記反応式(5)に示す第2金属の水酸化物の形成と、それに次ぐSPSCによる第2ナノ結晶の形成及び水素ガスの生成とが抑制される。よって、第1ナノ結晶が第1部材の表面に優先的に生成する。以下の実施形態は、第2金属の標準電極電位が、第1金属の標準電極電位よりも高いことを前提とする。 Galvanic corrosion occurs when two metals with different standard electrode potentials are brought into contact with each other in water. Of the two types of metals, the metal with the lower standard electrode potential is called the "base metal". Of the two types of metals, the metal with the higher standard electrode potential is called the "precious metal". The rate of corrosion of a base metal immersed in water with a noble metal is greater than the rate of corrosion of a base metal when only the base metal is immersed in water. The corrosion rate of a noble metal immersed in water with a lowly metal is lower than the corrosion rate of a noble metal when only the noble metal is immersed in water. In this embodiment, the standard electrode potential of the second metal may be higher than the standard electrode potential of the first metal. That is, the first metal may be a low-key metal and the second metal may be a noble metal. When the first metal is a base metal and the second metal is a noble metal, galvanic corrosion preferentially corrodes the first member containing the base first metal, and the first metal becomes the second metal. Priority is given to elution in water. That is, when the metal M is a base first metal, the reaction rate shown in the above reaction formula (1) increases due to galvanic corrosion. As a result, the formation of the hydroxide of the first metal represented by the reaction formula (5), the subsequent formation of the first nanocrystals by SPSC, and the production of hydrogen gas are promoted. On the other hand, galvanic corrosion suppresses the corrosion reaction of the second metal. That is, when the metal M is a noble second metal, the reaction rate shown in the above reaction formula (1) decreases. As a result, the formation of the hydroxide of the second metal represented by the reaction formula (5), the subsequent formation of the second nanocrystal by SPSC, and the generation of hydrogen gas are suppressed. Therefore, the first nanocrystals are preferentially generated on the surface of the first member. The following embodiments assume that the standard electrode potential of the second metal is higher than the standard electrode potential of the first metal.

第1金属の標準電極電位と第2金属の標準電極電位との差の絶対値(貴な金属の標準電極電位から卑な金属の標準電極電位を引いた値)は、0.10~3.00Vであることが好ましく、0.15~2.80Vであることがより好ましく、0.20~2.50Vであることが更に好ましい。第1金属の標準電極電位と第2金属の標準電極電位との差の絶対値が大きいほど、第1ナノ結晶の形成、及び第1部材における水素ガスの生成が優先的に起こり易い。 The absolute value of the difference between the standard electrode potential of the first metal and the standard electrode potential of the second metal (the value obtained by subtracting the standard electrode potential of the base metal from the standard electrode potential of the noble metal) is 0.10 to 3. It is preferably 00V, more preferably 0.15 to 2.80V, and even more preferably 0.20 to 2.50V. The larger the absolute value of the difference between the standard electrode potential of the first metal and the standard electrode potential of the second metal, the more likely it is that the formation of the first nanocrystal and the generation of hydrogen gas in the first member will occur preferentially.

第1金属の標準電極電位は、第1金属と水との反応性、及び第1金属のイオンの水への溶解性の観点から、-2.00~1.20Vであることが好ましく、-1.80~1.00Vであることがより好ましく、-1.70~0.90Vであることが更に好ましい。 The standard electrode potential of the first metal is preferably −2.00 to 1.20 V from the viewpoint of the reactivity between the first metal and water and the solubility of the ions of the first metal in water. It is more preferably 1.80 to 1.00V, and even more preferably -1.70 to 0.90V.

第2金属の標準電極電位は、第2金属と水との反応性、及び第2金属のイオンの水への溶解性の観点から、-2.00~1.20Vであることが好ましく、-1.80~1.00Vであることがより好ましく、-1.70~0.90Vであることが更に好ましい。 The standard electrode potential of the second metal is preferably −2.00 to 1.20 V from the viewpoint of the reactivity between the second metal and water and the solubility of the second metal ion in water. It is more preferably 1.80 to 1.00V, and even more preferably -1.70 to 0.90V.

第1金属は、例えば、金、白金、イリジウム、パラジウム、銀、ロジウム、銅、ビスマス、タングステン、鉛、錫、モリブデン、ニッケル、コバルト、インジウム、カドミウム、鉄、亜鉛、クロム、イッテルビウム、ニオブ、バナジウム、マンガン、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、トリウム、ベリリウム、イウロピウム等であってよい。 The first metal is, for example, gold, platinum, iridium, palladium, silver, rhodium, copper, bismuth, tungsten, lead, tin, molybdenum, nickel, cobalt, indium, cadmium, iron, zinc, chromium, itterbium, niobium, vanadium. , Manganese, zirconium, titanium, aluminum, thorium, beryllium, iridium and the like.

第2金属としては、第1金属と異なる金属が選択される。第2金属は、例えば、金、白金、イリジウム、パラジウム、銀、ロジウム、銅、ビスマス、タングステン、鉛、錫、モリブデン、ニッケル、コバルト、インジウム、カドミウム、鉄、亜鉛、クロム、イッテルビウム、ニオブ、バナジウム、マンガン、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、トリウム、ベリリウム、イウロピウム等であってよい。 As the second metal, a metal different from the first metal is selected. The second metal is, for example, gold, platinum, iridium, palladium, silver, rhodium, copper, bismuth, tungsten, lead, tin, molybdenum, nickel, cobalt, indium, cadmium, iron, zinc, chromium, itterbium, niobium, vanadium. , Manganese, zirconium, titanium, aluminum, thorium, beryllium, iridium and the like.

第1金属と第2金属との組み合わせは、第2金属の標準電極電位が第1金属の標準電極電位よりも高い限り、特に制限されない。第1金属と第2金属との組み合わせは、例えば、第1金属が亜鉛であり、第2金属が銅であってよい。第1金属が亜鉛であり、第2金属がタングステンであってもよい。第1金属が亜鉛であり、第2金属がニッケルであってもよい。第1金属がチタンであり、第2金属がタングステンであってもよい。 The combination of the first metal and the second metal is not particularly limited as long as the standard electrode potential of the second metal is higher than the standard electrode potential of the first metal. The combination of the first metal and the second metal may be, for example, the first metal being zinc and the second metal being copper. The first metal may be zinc and the second metal may be tungsten. The first metal may be zinc and the second metal may be nickel. The first metal may be titanium and the second metal may be tungsten.

(2)第2部材上のp型半導体から第1部材上のn型半導体への電子の移動
光照射工程では、n型半導体を含む酸化被膜が第1部材の表面に形成されてよく、かつp型半導体を含む酸化被膜が第2部材の表面に形成されてよい。n型半導体を含む酸化被膜が第1部材の表面に形成され、かつp型半導体を含む酸化被膜が第2部材の表面に形成されることにより、第1ナノ結晶の生成が促進される。以下にその理由を説明する。
(2) Electron transfer from the p-type semiconductor on the second member to the n-type semiconductor on the first member In the light irradiation step, an oxide film containing the n-type semiconductor may be formed on the surface of the first member, and An oxide film containing a p-type semiconductor may be formed on the surface of the second member. The formation of an oxide film containing an n-type semiconductor is formed on the surface of the first member, and the oxide film containing a p-type semiconductor is formed on the surface of the second member, whereby the formation of first nanocrystals is promoted. The reason will be explained below.

上述したガルバニック腐食により、第1部材の腐食反応は促進され、第2部材の腐食反応は抑制される。しかし、第2部材の腐食反応は完全に防止されるわけではなく、第2部材の腐食反応も起こる。その結果、第1部材の表面には、第1金属を含む酸化被膜が形成され、第2部材の表面には、第2金属を含む酸化被膜が形成される。酸化被膜は、水酸化物及び酸化物のうち少なくともいずれか一方を含んでよい。酸化被膜に含まれる水酸化物は、上記反応式(5)に示す反応により生じる。酸化被膜に含まれる酸化物は、上記反応式(6)に示す反応により生じる。上記の酸化被膜の形成(腐食反応)は、光を照射しない場合でも起こり、SPSCに依らない。酸化被膜に含まれる水酸化物及び酸化物は、SPSCにより得られるようなナノ結晶でなくてもよい。酸化被膜は、第1部材及び第2部材それぞれの表面を均一に覆うと考えられる。 Due to the above-mentioned galvanic corrosion, the corrosion reaction of the first member is promoted, and the corrosion reaction of the second member is suppressed. However, the corrosion reaction of the second member is not completely prevented, and the corrosion reaction of the second member also occurs. As a result, an oxide film containing the first metal is formed on the surface of the first member, and an oxide film containing the second metal is formed on the surface of the second member. The oxide film may contain at least one of a hydroxide and an oxide. The hydroxide contained in the oxide film is generated by the reaction represented by the above reaction formula (5). The oxide contained in the oxide film is generated by the reaction represented by the above reaction formula (6). The formation of the oxide film (corrosion reaction) described above occurs even when no light is irradiated, and does not depend on SPSC. The hydroxides and oxides contained in the oxide film do not have to be nanocrystals as obtained by SPSC. It is considered that the oxide film uniformly covers the surfaces of the first member and the second member.

酸化被膜に含まれる水酸化物及び酸化物のうち少なくともいずれか一種は、半導体であってよい。半導体は、p型半導体及びn型半導体のうち少なくともいずれか一方を含んでよい。n型半導体は、第1金属を含む酸化物又は水酸化物であってよい。第1部材の表面に形成された酸化被膜は、第1金属を含むn型半導体であってよい。p型半導体は、第2金属を含む酸化物又は水酸化物であってよい。第2部材の表面に形成された酸化被膜は、第2金属を含むp型半導体であってよい。以下では、n型半導体を含む酸化被膜が第1部材の表面に形成され、p型半導体を含む酸化被膜が第2部材の表面に形成された場合を例に説明する。 At least one of the hydroxide and the oxide contained in the oxide film may be a semiconductor. The semiconductor may include at least one of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. The n-type semiconductor may be an oxide containing a first metal or a hydroxide. The oxide film formed on the surface of the first member may be an n-type semiconductor containing the first metal. The p-type semiconductor may be an oxide containing a second metal or a hydroxide. The oxide film formed on the surface of the second member may be a p-type semiconductor containing a second metal. Hereinafter, a case where an oxide film containing an n-type semiconductor is formed on the surface of the first member and an oxide film containing a p-type semiconductor is formed on the surface of the second member will be described as an example.

図9の(a)は、n型半導体(第1部材の酸化被膜)と水とが接触した瞬間におけるn型半導体のエネルギーバンドを示す。図9の(b)は、n型半導体(第1部材の酸化被膜)と水とが接触した後の平衡状態におけるn型半導体のエネルギーバンドを示す。図9において、接触した瞬間とは、水中でn型半導体が形成された瞬間を意味する。平衡後とは、水中でn型半導体が形成された後、n型半導体のエネルギーバンドが平衡状態になった後を意味する。Eredoxは、水の酸化還元電位である。Eredoxは、水が酸性である場合、上記反応式(2)に示す反応が起こるときの電位に相当する。Eredoxは、水が中性又はアルカリ性である場合、又は水中に溶存酸素が含まれる場合に、上記反応式(3)に示す反応が起こるときの電位に相当する。Eはフェルミ準位を表す。フェルミ準位は、半導体において電子の存在確率が50%になるときのエネルギー準位を意味する。図9の(b)に示すように、n型半導体と水とが接触すると、EとEredoxとが等しくなる。つまり、n型半導体のエネルギー準位が下に移動し、水のエネルギー準位が上に移動する。その結果、n型半導体のエネルギーバンドが、n型半導体と水との界面付近で上に曲がる。エネルギーバンドが曲がることをバンドベンディングという。FIG. 9A shows the energy band of the n-type semiconductor at the moment when the n-type semiconductor (oxide film of the first member) comes into contact with water. FIG. 9B shows the energy band of the n-type semiconductor in an equilibrium state after contact between the n-type semiconductor (oxide film of the first member) and water. In FIG. 9, the moment of contact means the moment when the n-type semiconductor is formed in water. After equilibrium means after the n-type semiconductor is formed in water and the energy band of the n-type semiconductor is in an equilibrium state. E redox is the redox potential of water. When water is acidic, E redox corresponds to the potential at which the reaction represented by the above reaction formula (2) occurs. E redox corresponds to the potential at which the reaction represented by the above reaction formula (3) occurs when the water is neutral or alkaline, or when the water contains dissolved oxygen. EF represents the Fermi level. The Fermi level means an energy level when the probability of existence of an electron in a semiconductor becomes 50%. As shown in FIG. 9B, when the n-type semiconductor and water come into contact with each other, EF and E redox become equal. That is, the energy level of the n-type semiconductor moves downward, and the energy level of water moves upward. As a result, the energy band of the n-type semiconductor bends upward near the interface between the n-type semiconductor and water. Bending an energy band is called band bending.

図10の(a)は、p型半導体(第2部材の酸化被膜)と水とが接触した瞬間におけるp型半導体のエネルギーバンドを示す。図10の(b)は、p型半導体(第2部材の酸化被膜)と水とが接触した後の平衡状態におけるp型半導体のエネルギーバンドを示す。図10の(b)に示すように、p型半導体と水とが接触すると、EとEredoxとが等しくなる。つまり、p型半導体のエネルギー準位が上に移動し、水のエネルギー準位が下に移動する。その結果、p型半導体のエネルギーバンドが、p型半導体と水との界面付近で下に曲がる。FIG. 10A shows the energy band of the p-type semiconductor at the moment when the p-type semiconductor (oxide film of the second member) comes into contact with water. FIG. 10B shows the energy band of the p-type semiconductor in an equilibrium state after contact between the p-type semiconductor (oxide film of the second member) and water. As shown in FIG. 10 (b), when the p-type semiconductor and water come into contact with each other, EF and E redox become equal. That is, the energy level of the p-type semiconductor moves up, and the energy level of water moves down. As a result, the energy band of the p-type semiconductor bends downward near the interface between the p-type semiconductor and water.

上述したエネルギーバンドベンディングが生じる結果、n型半導体(第1部材の酸化被膜)と水との界面、及びp型半導体(第2部材の酸化被膜)と水との界面にエネルギー障壁が生じる。このエネルギー障壁があることにより、以下のとおり電荷の分離が生じる。図8に示すように、各種の酸化物半導体はそれぞれ固有なバンドギャップを有する。酸化物半導体が、バンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光を吸収した場合、価電子帯中の電子が伝導帯に励起され、価電子帯中に正孔が形成される。このとき、酸化物半導体と水との界面にエネルギー障壁があることで、電荷の分離が生じる。具体的には、図9に示すn型半導体(第1部材の酸化被膜)の場合、光照射により生じた電子は、n型半導体と水との界面からn型半導体バルクへ移動する。一方、光照射により生じた正孔は、n型半導体と水との界面へ移動する。対照的に、図10に示すp型半導体(第2部材の酸化被膜)の場合、光照射により生じた電子は、p型半導体と水との界面へ移動する。また、光照射により生じた正孔は、p型半導体と水との界面からp型半導体バルクへ移動する。 As a result of the above-mentioned energy band bending, an energy barrier is generated at the interface between the n-type semiconductor (oxide film of the first member) and water, and the interface between the p-type semiconductor (oxide film of the second member) and water. Due to this energy barrier, charge separation occurs as follows. As shown in FIG. 8, various oxide semiconductors have their own band gaps. When the oxide semiconductor absorbs light having an energy larger than the band gap, the electrons in the valence band are excited in the conduction band, and holes are formed in the valence band. At this time, charge separation occurs due to the presence of an energy barrier at the interface between the oxide semiconductor and water. Specifically, in the case of the n-type semiconductor (oxide film of the first member) shown in FIG. 9, electrons generated by light irradiation move from the interface between the n-type semiconductor and water to the n-type semiconductor bulk. On the other hand, the holes generated by light irradiation move to the interface between the n-type semiconductor and water. In contrast, in the case of the p-type semiconductor (oxide film of the second member) shown in FIG. 10, the electrons generated by light irradiation move to the interface between the p-type semiconductor and water. Further, the holes generated by light irradiation move from the interface between the p-type semiconductor and water to the p-type semiconductor bulk.

上述した電荷の分離が生じると、図11に示すように電子の移動が起こる。つまり、p型半導体(第2部材の酸化被膜)において伝導帯に励起された電子は、バンドベンディングによってp型半導体と水との界面へ移動する。そして、p型半導体(第2部材の酸化被膜)と水との界面へ移動した電子の少なくとも一部は、第1部材と第2部材とが電気的に接続されていることにより、n型半導体(第1部材の酸化被膜)へ移動する。一方、n型半導体(第1部材の酸化被膜)において価電子帯中に生じた正孔は、バンドベンディングによってn型半導体と水との界面へ移動する。そして、n型半導体(第1部材の酸化被膜)と水との界面へ移動した正孔は、下記反応式(11)に示す反応により、n型半導体を腐食することがある。下記反応式(11)におけるMは、第1金属を意味する。
MO+nh+xHO→Mn++nOH (11)
When the above-mentioned charge separation occurs, electron movement occurs as shown in FIG. That is, the electrons excited in the conduction band in the p-type semiconductor (oxide film of the second member) move to the interface between the p-type semiconductor and water by band bending. Then, at least a part of the electrons transferred to the interface between the p-type semiconductor (oxide film of the second member) and water is an n-type semiconductor because the first member and the second member are electrically connected. Move to (oxide film of the first member). On the other hand, holes generated in the valence band of the n-type semiconductor (oxide film of the first member) move to the interface between the n-type semiconductor and water by band bending. The holes that have moved to the interface between the n-type semiconductor (oxide film of the first member) and water may corrode the n-type semiconductor by the reaction represented by the following reaction formula (11). M in the following reaction formula (11) means the first metal.
MO x + nh + + xH 2 O → M n + + noh (11)

その後、n型半導体(第1部材の酸化被膜)へ移動した電子により、上記反応式(3)に示すとおり、水酸化物イオン(OH)が生成する。このように、上記反応式(3)に示す反応、及び上記反応式(11)に示す反応等により、第1部材の表面近傍において、水酸化物イオンの生成量が増大する。水酸化物イオンの生成量が増大すると、上記反応式(5)に示す第1金属の水酸化物(M(OH))の生成が促進され、SPSCによるヒドロキソ錯イオン([M(OH)y-)の形成が促進される。ここで、Mは、第1金属である。その結果、第1金属の水酸化物、及び第1金属の酸化物のうち少なくともいずれか一方を含むナノ結晶(第1ナノ結晶)がヒドロキソ錯イオンから生成するとともに、第1部材の表面近傍から水素ガスが優先的に生成する。よって、第1ナノ結晶を選択的にかつ効率よく製造することができる。また、第1部材の表面近傍から水素ガスを優先的に効率よく製造することができる。After that, the electrons transferred to the n-type semiconductor (oxide film of the first member) generate hydroxide ions (OH ) as shown in the above reaction formula (3). As described above, the reaction represented by the reaction formula (3), the reaction represented by the reaction formula (11), and the like increase the amount of hydroxide ion produced in the vicinity of the surface of the first member. When the amount of hydroxide ion produced increases, the production of the first metal hydroxide (M (OH) n ) represented by the above reaction formula (5) is promoted, and the hydroxo complex ion ([M (OH)) by SPSC is promoted. x ] The formation of y− ) is promoted. Here, M is the first metal. As a result, nanocrystals (first nanocrystals) containing at least one of the hydroxide of the first metal and the oxide of the first metal are generated from the hydroxo complex ion, and from the vicinity of the surface of the first member. Hydrogen gas is preferentially generated. Therefore, the first nanocrystal can be selectively and efficiently produced. Further, hydrogen gas can be preferentially and efficiently produced from the vicinity of the surface of the first member.

上記の現象は、以下の理由から、n型半導体のバンドギャップが大きい場合に有効である。第1部材と第2部材とが電気的に接続されておらず、n型半導体(第1部材の酸化被膜)が水中に単独で存在している場合、上記反応式(3)に示す反応に必要な電子は、n型半導体自身の光触媒反応のみにより生じなければならない。ここで、n型半導体(第1部材の酸化被膜)のバンドギャップが大きい場合、光触媒反応による電子の励起には、短い波長の光が必要である。そのため、太陽光を利用する場合は、太陽光の一部の光しか利用できない。よって、n型半導体(第1部材の酸化被膜)が水中に単独で存在している場合、SPSCによる水素ガス及びナノ結晶の製造効率は低い。一方、第1部材と第2部材とが水中において電気的に接続されている場合、上述したように、n型半導体(第1部材の酸化被膜)にp型半導体(第2部材の酸化被膜)から電子が供給される。そのため、n型半導体自身のバンドギャップが大きい場合でも、上記反応式(3)に示す反応により、水酸化物イオン(OH)を効率よく生成することができる。その結果、SPSCによる水素ガス及びナノ結晶の製造効率が向上する。The above phenomenon is effective when the bandgap of the n-type semiconductor is large for the following reasons. When the first member and the second member are not electrically connected and the n-type semiconductor (oxide film of the first member) is present alone in water, the reaction shown in the above reaction formula (3) can be obtained. The required electrons must be generated only by the photocatalytic reaction of the n-type semiconductor itself. Here, when the bandgap of the n-type semiconductor (oxide film of the first member) is large, light having a short wavelength is required for the excitation of electrons by the photocatalytic reaction. Therefore, when using sunlight, only a part of the sunlight can be used. Therefore, when the n-type semiconductor (oxide film of the first member) is present alone in water, the production efficiency of hydrogen gas and nanocrystals by SPSC is low. On the other hand, when the first member and the second member are electrically connected in water, as described above, the p-type semiconductor (the oxide film of the second member) is connected to the n-type semiconductor (the oxide film of the first member). Electrons are supplied from. Therefore, even when the band gap of the n-type semiconductor itself is large, the hydroxide ion (OH ) can be efficiently generated by the reaction represented by the reaction formula (3). As a result, the efficiency of producing hydrogen gas and nanocrystals by SPSC is improved.

本実施形態では、金属部材の表面に予め自然酸化膜が形成されていてもよい。つまり、第1部材の酸化被膜(n型半導体)は、自然酸化膜であってよい。第2部材の酸化被膜(p型半導体)は、自然酸化膜であってよい。自然酸化膜に含まれる酸化物は半導体特性を示すことがある。ただし、自然酸化膜は十分薄いため、金属部材を水中に浸した際に自然酸化膜が溶解して、金属部材の金属面が露出すると考えられる。 In the present embodiment, a natural oxide film may be formed in advance on the surface of the metal member. That is, the oxide film (n-type semiconductor) of the first member may be a natural oxide film. The oxide film (p-type semiconductor) of the second member may be a natural oxide film. Oxides contained in natural oxide films may exhibit semiconductor properties. However, since the natural oxide film is sufficiently thin, it is considered that the natural oxide film is dissolved when the metal member is immersed in water, and the metal surface of the metal member is exposed.

(3)第2部材の表面におけるpn接合層の形成
光照射工程では、水素ガスの生成に伴って、pn接合層が第2部材の表面に形成されてよい。つまり、p型半導体を含むp型層が第2部材の表面上に形成され、続いて、n型半導体を含むn型層がp型層の表面上に形成されることにより、p型層及びn型層を含むpn接合層が得られてよい。pn接合層の大きさは、ナノ結晶の大きさに準じていてよい。n型層は、第1ナノ結晶を含んでよい。n型層は、第1ナノ結晶のみからなっていてよい。p型層は、第2ナノ結晶を含んでよい。p型層は、第2ナノ結晶のみからなっていてよい。以下では、まず、pn接合層が形成される機構を説明する。次に、pn接合層が第1ナノ結晶の生成を促進する機構を説明する。pn接合層の形成機構は、第1部材の表面に形成された酸化被膜(n型半導体)と、第2部材の表面に形成された酸化被膜(p型半導体)とを前提とする。
(3) Formation of a pn junction layer on the surface of the second member In the light irradiation step, a pn junction layer may be formed on the surface of the second member with the generation of hydrogen gas. That is, the p-type layer containing the p-type semiconductor is formed on the surface of the second member, and subsequently, the n-type layer containing the n-type semiconductor is formed on the surface of the p-type layer, whereby the p-type layer and the p-type layer and A pn junction layer containing an n-type layer may be obtained. The size of the pn junction layer may be based on the size of the nanocrystals. The n-type layer may contain first nanocrystals. The n-type layer may consist of only the first nanocrystals. The p-type layer may contain second nanocrystals. The p-type layer may consist only of the second nanocrystal. In the following, first, the mechanism by which the pn junction layer is formed will be described. Next, the mechanism by which the pn junction layer promotes the formation of first nanocrystals will be described. The formation mechanism of the pn junction layer is premised on an oxide film (n-type semiconductor) formed on the surface of the first member and an oxide film (p-type semiconductor) formed on the surface of the second member.

上述したように、第2部材の表面のp型半導体から、第1部材の表面のn型半導体に電子が移動することにより、第1部材の表面におけるヒドロキソ錯イオン([M(OH)y-)の形成が促進される。ここで、Mは、第1金属である。第1金属のヒドロキソ錯イオンの一部は、第1部材の表面から水中へ溶け出し、第2部材の表面近傍にも移動する。例えば、第1金属のヒドロキソ錯イオンは、腐食反応により第2部材の表面に生成した酸化被膜(p型半導体)、及びSPSCにより第2部材の表面に生成した第2ナノ結晶(p型半導体)の近傍に移動する。そして、第2部材の表面を覆うp型半導体(p型層)が、水中の第1金属のヒドロキソ錯イオンと接触すると、SPSCにより、第1金属のヒドロキソ錯イオンがp型層の表面において第1金属の水酸化物又は酸化物(第1ナノ結晶)に変化するとともに、水素ガスが生成する。第1金属の水酸化物又は酸化物がn型半導体である場合、p型層の表面がn型半導体で覆われる。つまり、p型層の表面にn型層が形成される。以上のようなメカニズムにより、pn接合層が第2部材の表面に形成される。As described above, the transfer of electrons from the p-type semiconductor on the surface of the second member to the n-type semiconductor on the surface of the first member causes hydroxocomplex ions ([M (OH) x ]] on the surface of the first member. The formation of y- ) is promoted. Here, M is the first metal. A part of the hydroxocomplex ion of the first metal dissolves into water from the surface of the first member and moves to the vicinity of the surface of the second member. For example, the hydroxocomplex ion of the first metal is an oxide film (p-type semiconductor) formed on the surface of the second member by a corrosion reaction, and a second nanocrystal (p-type semiconductor) formed on the surface of the second member by SPSC. Move to the vicinity of. Then, when the p-type semiconductor (p-type layer) covering the surface of the second member comes into contact with the hydroxocomplex ion of the first metal in water, the hydroxocomplex ion of the first metal is transferred to the surface of the p-type layer by SPSC. 1 Metal is changed to hydroxide or oxide (first nanocrystal), and hydrogen gas is generated. When the hydroxide or oxide of the first metal is an n-type semiconductor, the surface of the p-type layer is covered with the n-type semiconductor. That is, an n-type layer is formed on the surface of the p-type layer. By the above mechanism, the pn junction layer is formed on the surface of the second member.

第1金属Mがアルミニウム(Al)である場合、第1部材から生成するヒドロキソ錯イオン([M(OH)y-)は、テトラヒドロキソアルミン酸イオン([Al(OH))であってよい。第1金属Mが亜鉛(Zn)である場合、第1部材から生成するヒドロキソ錯イオンは、テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオン([Zn(OH)2-)であってよい。第1金属Mが銅(Cu)である場合、第1部材から生成するヒドロキソ錯イオンは、テトラヒドロキソ銅(II)酸イオン([Cu(OH)2-)であってよい。第1金属Mが錫(Sn)である場合、第1部材から生成するヒドロキソ錯イオンは、テトラヒドロキソ錫(IV)酸イオン([Sn(OH)2-)であってよい。第1金属Mが鉛(Pb)である場合、第1部材から生成するヒドロキソ錯イオンは、テトラヒドロキソ鉛(II)酸イオン[Pb(OH)2-)であってよい。When the first metal M is aluminum (Al), the hydroxocomplex ion ([M (OH) x ] y− ) generated from the first member is a tetrahydroxoaluminate ion ([Al (OH) 4 ] ). May be. When the first metal M is zinc (Zn), the hydroxocomplex ion generated from the first member may be tetrahydroxozinc (II) acid ion ([Zn (OH) 4 ] 2- ). When the first metal M is copper (Cu), the hydroxocomplex ion generated from the first member may be tetrahydroxocopper (II) acid ion ([Cu (OH) 4 ] 2- ). When the first metal M is tin (Sn), the hydroxocomplex ion generated from the first member may be a tetrahydroxotin (IV) acid ion ([Sn (OH) 6 ] 2- ). When the first metal M is lead (Pb), the hydroxocomplex ion generated from the first member may be tetrahydroxolead (II) acid ion [Pb (OH) 4 ] 2- ).

水中にヒドロキソ錯イオンが存在しているか否かは、水に塩酸を加えたときに沈殿が生じるか否かで確認することができる。例えば、テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオン([Zn(OH)2-)の場合、水に塩酸を加えると、下記反応式(12)に示す反応により、水酸化物(Zn(OH))の白色沈殿を生じる。
[Zn(OH)2-+2H→Zn(OH)+HO (12)
Whether or not hydroxocomplex ions are present in water can be confirmed by whether or not precipitation occurs when hydrochloric acid is added to water. For example, in the case of tetrahydroxozinc (II) acid ion ([Zn (OH) 4 ] 2- ), when hydrochloric acid is added to water, the reaction shown in the following reaction formula (12) causes a hydroxide (Zn (OH)). 2 ) White precipitate is formed.
[Zn (OH) 4 ] 2- + 2H + → Zn (OH) 2 + H 2 O (12)

pn接合層は、p型半導体を含む酸化被膜の上にn型半導体を含む酸化物ナノ結晶が形成された構造を有してよい。pn接合層は、p型半導体を含む酸化物ナノ結晶の上にn型半導体を含む酸化物ナノ結晶が形成された構造を有してよい。pn接合層は、n型半導体を含む酸化被膜の上にp型半導体を含む酸化物ナノ結晶が形成された構造を有してよい。pn接合層は、n型半導体を含む酸化物ナノ結晶の上にp型半導体を含む酸化物ナノ結晶が形成された構造を有してよい。 The pn junction layer may have a structure in which oxide nanocrystals containing an n-type semiconductor are formed on an oxide film containing a p-type semiconductor. The pn junction layer may have a structure in which an oxide nanocrystal containing an n-type semiconductor is formed on an oxide nanocrystal containing a p-type semiconductor. The pn junction layer may have a structure in which oxide nanocrystals containing a p-type semiconductor are formed on an oxide film containing an n-type semiconductor. The pn junction layer may have a structure in which an oxide nanocrystal containing a p-type semiconductor is formed on an oxide nanocrystal containing an n-type semiconductor.

以下では、第1金属が亜鉛(Zn)であり、第2金属が銅(Cu)である場合を例に、pn接合層が形成される機構を説明する。第1金属の亜鉛は卑な金属であり、第2金属の銅は貴な金属である。上述したガルバニック腐食により、銅は腐食し難くなるが、銅を含む第2部材の表面にはある程度の厚さの酸化被膜が形成される。第2部材の表面に形成される酸化被膜の組成は、水のpH又は水に溶解しているイオン種に依る。第2部材の表面に形成される酸化被膜は、CuO及びCuOのうち少なくともいずれか一方を含む。CuO及びCuOは、いずれもp型半導体である。一方、亜鉛を含む第1部材においては、亜鉛の腐食反応が進行する。腐食反応により、第1部材の表面に酸化被膜が形成される。第1部材の表面に形成される酸化被膜は、酸化亜鉛(ZnO)を含む。ZnOは、n型半導体である。Hereinafter, the mechanism of forming the pn junction layer will be described by taking the case where the first metal is zinc (Zn) and the second metal is copper (Cu) as an example. Zinc, the first metal, is a lowly metal, and copper, the second metal, is a noble metal. Due to the above-mentioned galvanic corrosion, copper is less likely to be corroded, but an oxide film having a certain thickness is formed on the surface of the second member containing copper. The composition of the oxide film formed on the surface of the second member depends on the pH of water or the ionic species dissolved in water. The oxide film formed on the surface of the second member contains at least one of Cu 2 O and Cu O. Both Cu 2 O and Cu O are p-type semiconductors. On the other hand, in the first member containing zinc, the zinc corrosion reaction proceeds. An oxide film is formed on the surface of the first member by the corrosion reaction. The oxide film formed on the surface of the first member contains zinc oxide (ZnO). ZnO is an n-type semiconductor.

上述したように、第2部材の表面のp型半導体では、光照射により生成した電子の少なくとも一部が、第1部材の表面のn型半導体に移動する。そのため、第2部材の表面のp型半導体と水との界面付近では、電子が不足し、上記反応式(3)に示す水酸化物イオン(OH)の生成も少なくなる。また、ガルバニック腐食により、Cuイオン(Cu又はCu2+)の溶解量が減少する。その結果、第2部材の表面近傍では、銅水酸化物(Cu(OH))の生成、並びに、それに次ぐSPSCによる酸化銅(CuO又はCuO)を含むナノ結晶の生成及び水素ガスの生成が起こり難くなる。As described above, in the p-type semiconductor on the surface of the second member, at least a part of the electrons generated by light irradiation moves to the n-type semiconductor on the surface of the first member. Therefore, in the vicinity of the interface between the p-type semiconductor and water on the surface of the second member, electrons are insufficient, and the production of hydroxide ion (OH ) represented by the reaction formula (3) is also reduced. In addition, galvanic corrosion reduces the amount of Cu ions (Cu + or Cu 2+ ) dissolved. As a result, in the vicinity of the surface of the second member, copper hydroxide (Cu (OH) 2 ) is produced, followed by SPSC to produce nanocrystals containing copper oxide (Cu 2 O or Cu O) and hydrogen gas. Generation is less likely to occur.

一方、第1部材の表面のn型半導体の表面近傍では、第2部材の表面のp型半導体から電子が供給されることにより、水酸化物イオン(OH)の生成量が増加する。ガルバニック腐食により生じた亜鉛イオンと水酸化物イオンとが反応して、水酸化亜鉛(Zn(OH))の生成量が増加する。水酸化亜鉛と水酸化物イオン(OH)との反応により、テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオン([Zn(OH)2-)の生成量が増加する。SPSCにより、テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオンから酸化亜鉛(ZnO)のナノ結晶が生成するとともに、水素ガスが生成する。その結果、水素ガスの生成量及びナノ結晶の生成量が増加する。ここで、水中に溶け出したテトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオン([Zn(OH)2-)の一部は、第2部材の表面の酸化被膜に含まれるp型半導体、及びSPSCにより第2部材の表面に生成したp型半導体(第2ナノ結晶)の近傍に移動する。その結果、第2部材の表面のp型半導体の上で、SPSCにより、テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸イオンがナノ結晶(第1ナノ結晶)に変化するとともに、水素ガスが生成する。p型半導体の上に形成されたナノ結晶は、水酸化亜鉛(Zn(OH))及び酸化亜鉛(ZnO)を含む。酸化亜鉛(ZnO)は、n型半導体である。つまり、p型半導体の上に形成されたナノ結晶は、n型半導体を含む。したがって、第2部材の表面において、p型半導体の上にn型半導体が形成されることにより、pn接合層が得られる。On the other hand, in the vicinity of the surface of the n-type semiconductor on the surface of the first member, the amount of hydroxide ion (OH ) generated increases due to the supply of electrons from the p-type semiconductor on the surface of the second member. Zinc ion generated by galvanic corrosion reacts with hydroxide ion to increase the amount of zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ) produced. The reaction between zinc hydroxide and hydroxide ion (OH ) increases the amount of tetrahydroxozinc (II) acid ion ([Zn (OH) 4 ] 2- ) produced. SPSC produces nanocrystals of zinc oxide (ZnO) from tetrahydroxozinc (II) acid ions and hydrogen gas. As a result, the amount of hydrogen gas produced and the amount of nanocrystals produced increase. Here, a part of the tetrahydroxozinc (II) acid ion ([Zn (OH) 4 ] 2- ) dissolved in water is formed by the p-type semiconductor contained in the oxide film on the surface of the second member and SPSC. It moves to the vicinity of the p-type semiconductor (second nanocrystal) formed on the surface of the second member. As a result, on the p-type semiconductor on the surface of the second member, the tetrahydroxozinc (II) acid ion is changed into a nanocrystal (first nanocrystal) by SPSC, and hydrogen gas is generated. The nanocrystals formed on the p-type semiconductor contain zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ) and zinc oxide (ZnO). Zinc oxide (ZnO) is an n-type semiconductor. That is, the nanocrystal formed on the p-type semiconductor includes an n-type semiconductor. Therefore, the pn junction layer is obtained by forming the n-type semiconductor on the p-type semiconductor on the surface of the second member.

図12の(a)は、pn接合層が形成される前のp型半導体(CuO)及びn型半導体(ZnO)それぞれのエネルギーバンドを示す。図12の(b)は、pn接合層が形成された後のp型半導体(CuO)及びn型半導体(ZnO)のエネルギーバンドを示す。図12の(b)に示すとおり、pn接合層が形成された場合、p型半導体(CuO)のフェルミ準位Eとn型半導体(ZnO)のフェルミ準位Eとが等しくなる。つまり、p型半導体(CuO)のエネルギー準位が上に移動し、n型半導体(ZnO)のエネルギー準位が下に移動する。その結果、p型半導体(CuO)とn型半導体(ZnO)との界面付近にバンドベンディングが生じる。FIG. 12A shows the energy bands of the p-type semiconductor (Cu 2O ) and the n-type semiconductor (ZnO) before the pn junction layer is formed. FIG. 12B shows the energy bands of the p-type semiconductor (Cu 2O ) and the n-type semiconductor (ZnO) after the pn junction layer is formed. As shown in FIG. 12 (b), when the pn junction layer is formed, the Fermi level EF of the p-type semiconductor (Cu 2 O) and the Fermi level EF of the n-type semiconductor ( Zn O) become equal. .. That is, the energy level of the p-type semiconductor (Cu 2 O) moves upward, and the energy level of the n-type semiconductor (Zn O) moves downward. As a result, band bending occurs near the interface between the p-type semiconductor (Cu 2 O) and the n-type semiconductor (Zn O).

図13の(a)は、pn接合層が形成される前のp型半導体(CuO)及びn型半導体(ZnO)それぞれのエネルギーバンドを示す。図13の(b)は、pn接合層が形成された後のp型半導体(CuO)及びn型半導体(ZnO)のエネルギーバンドを示す。図13の(b)に示すとおり、pn接合層が形成された場合、p型半導体(CuO)のフェルミ準位Eとn型半導体(ZnO)のフェルミ準位Eとが等しくなる。つまり、p型半導体(CuO)のエネルギー準位が上に移動し、n型半導体(ZnO)のエネルギー準位が下に移動する。その結果、p型半導体(CuO)とn型半導体(ZnO)との界面付近にバンドベンディングが生じる。FIG. 13A shows the energy bands of the p-type semiconductor (CuO) and the n-type semiconductor (ZnO) before the pn junction layer is formed. FIG. 13B shows the energy bands of the p-type semiconductor (CuO) and the n-type semiconductor (ZnO) after the pn junction layer is formed. As shown in FIG. 13B , when the pn junction layer is formed, the Fermi level EF of the p-type semiconductor ( CuO ) and the Fermi level EF of the n-type semiconductor (ZnO) become equal. That is, the energy level of the p-type semiconductor (CuO) moves up, and the energy level of the n-type semiconductor (ZnO) moves down. As a result, band bending occurs near the interface between the p-type semiconductor (CuO) and the n-type semiconductor (ZnO).

光照射工程においてpn接合層が形成された後は、pn接合層にも光が照射される。pn接合層に光が照射されると、pn接合層に含まれるp型半導体及びn型半導体において電子が励起される。pn接合層は、光照射によって励起された電子と正孔との再結合を抑制しながら、pn接合層のn型半導体と水との界面に電子を効率よく移動させる。そして、pn接合層のn型半導体と水との界面へ移動した電子の少なくとも一部は、第1部材と第2部材とが電気的に接続されていることにより、第1部材の表面のn型半導体(酸化被膜又はナノ結晶)へ移動する。その後、第1部材の表面のn型半導体へ移動した電子により、上記反応式(3)に示すとおり、水酸化物イオン(OH)が生成する。このように、上記反応式(3)に示す反応により、第1部材の表面近傍において、水酸化物イオンの生成量が増大する。水酸化物イオンの生成量が増大すると、上記反応式(5)に示す第1金属の水酸化物(M(OH))の生成が促進され、SPSCによるヒドロキソ錯イオン([M(OH)y-)の形成が促進される。ここで、Mは、第1金属である。その結果、第1ナノ結晶がヒドロキソ錯イオンから生成するとともに、第1部材の表面近傍から水素ガスが優先的に生成する。以上のメカニズムにより、pn接合層は、第1ナノ結晶の生成を促進する。After the pn junction layer is formed in the light irradiation step, the pn junction layer is also irradiated with light. When the pn junction layer is irradiated with light, electrons are excited in the p-type semiconductor and the n-type semiconductor contained in the pn junction layer. The pn junction layer efficiently moves electrons to the interface between the n-type semiconductor and water of the pn junction layer while suppressing the recombination of electrons and holes excited by light irradiation. Then, at least a part of the electrons transferred to the interface between the n-type semiconductor of the pn junction layer and water is n of the surface of the first member because the first member and the second member are electrically connected. Move to a type semiconductor (oxide film or nanocrystal). After that, the electrons transferred to the n-type semiconductor on the surface of the first member generate hydroxide ions (OH ) as shown in the above reaction formula (3). As described above, the reaction represented by the reaction formula (3) increases the amount of hydroxide ion produced in the vicinity of the surface of the first member. When the amount of hydroxide ion produced increases, the production of the first metal hydroxide (M (OH) n ) represented by the above reaction formula (5) is promoted, and the hydroxo complex ion ([M (OH)) by SPSC is promoted. x ] The formation of y− ) is promoted. Here, M is the first metal. As a result, the first nanocrystal is generated from the hydroxocomplex ion, and hydrogen gas is preferentially generated from the vicinity of the surface of the first member. By the above mechanism, the pn junction layer promotes the formation of first nanocrystals.

pn接合層は、例えば、整流性、電界発光(エレクトロルミネッセンス)、光起電力効果等の性質を示す。光照射工程において形成された上記pn接合層は、上記性質を利用した半導体デバイスの小型化及び高性能化に応用することができる。上記pn接合層を備える半導体デバイスは、例えば、水素製造用光電陰極、ダイオード、トランジスタ等であってよい。 The pn junction layer exhibits properties such as rectification, electroluminescence, and a photovoltaic effect. The pn junction layer formed in the light irradiation step can be applied to miniaturization and high performance of semiconductor devices utilizing the above properties. The semiconductor device provided with the pn junction layer may be, for example, a photocathode for hydrogen production, a diode, a transistor, or the like.

水素製造用光電陰極は、例えば、Cu板と、Cu板の表面上に形成されたp型層と、p型層の表面上に形成されたn型層とを備えてよい。p型層はp型半導体を含む。n型層はn型半導体を含む。p型半導体は、例えば、CuO又はCuOからなっていてよい。n型半導体は、ZnOのナノ結晶からなっていてよい。水素製造用光電陰極は、動作電極として用いられてよい。また、水素製造用光電陰極のCu板に銅ワイヤーなどの配線材料を接続してよい。また、水素製造用光電陰極を備える水素製造装置は、上記動作電極の電位を制御するための参照電極及び定電位電解装置などを備えてよい。水素製造用光電陰極は、光照射によってp型半導体及びn型半導体に励起された電子と正孔との再結合を抑制しながら、n型半導体と水との界面に電子を効率よく移動させる。その結果、n型半導体と水との界面で電子の授受が起こる。例えば、水が酸性である場合、上記反応式(2)式に示す反応によって水素ガスを生成することができる。The photocathode for hydrogen production may include, for example, a Cu plate, a p-type layer formed on the surface of the Cu plate, and an n-type layer formed on the surface of the p-type layer. The p-type layer contains a p-type semiconductor. The n-type layer includes an n-type semiconductor. The p-type semiconductor may consist of, for example, Cu 2 O or Cu O. The n-type semiconductor may consist of ZnO nanocrystals. The photocathode for hydrogen production may be used as an operating electrode. Further, a wiring material such as a copper wire may be connected to the Cu plate of the photocathode for hydrogen production. Further, the hydrogen production apparatus provided with the photocathode for hydrogen production may include a reference electrode for controlling the potential of the operating electrode, a constant potential electrolyzer, and the like. The photoelectric cathode for hydrogen production efficiently moves electrons to the interface between the n-type semiconductor and water while suppressing the recombination of electrons and holes excited by the p-type semiconductor and the n-type semiconductor by light irradiation. As a result, electron transfer occurs at the interface between the n-type semiconductor and water. For example, when water is acidic, hydrogen gas can be generated by the reaction represented by the above reaction formula (2).

上記pn接合層を用いた半導体デバイスの他の例は、太陽電池素子である。太陽電池素子は、例えば、Cu板と、Cu板の表面上に形成されたp型層と、p型層の表面上に形成されたn型層とを備えてよい。p型半導体は、例えば、CuO又はCuOからなっていてよい。n型半導体は、ZnOのナノ結晶からなっていてよい。n型層の表面に導電層を成膜し、pn接合層をガラス基板などで封止してよい。導電層の材料は、ITO(インジウム-錫酸化物)、FTO(フッ素添加酸化錫)等であってよい。Cu板と導電層とを電気的に接続し、電圧を制御しながらpn接合層に光を照射することで、p型半導体及びn型半導体に発生したキャリアの再結合を抑制しながら、電気エネルギーを取り出すことができる。Another example of a semiconductor device using the pn junction layer is a solar cell element. The solar cell element may include, for example, a Cu plate, a p-type layer formed on the surface of the Cu plate, and an n-type layer formed on the surface of the p-type layer. The p-type semiconductor may consist of, for example, Cu 2 O or Cu O. The n-type semiconductor may consist of ZnO nanocrystals. A conductive layer may be formed on the surface of the n-type layer, and the pn junction layer may be sealed with a glass substrate or the like. The material of the conductive layer may be ITO (indium-tin oxide), FTO (fluorinated tin oxide) or the like. By electrically connecting the Cu plate and the conductive layer and irradiating the pn junction layer with light while controlling the voltage, electrical energy is suppressed while suppressing the recombination of carriers generated in the p-type semiconductor and the n-type semiconductor. Can be taken out.

本実施形態に係る半導体デバイスの製造方法は、本実施形態に係るナノ結晶の製造方法を用いて半導体デバイスを製造する製造方法であって、p型半導体を含むp型層を第2部材の表面上に形成し、かつn型半導体を含むn型層をp型層の表面上に形成することにより、p型層及びn型層を含むpn接合層を得る。上記半導体デバイスの製造方法は、光電気エネルギーの生成を伴ってよい。つまり、光照射工程において得られたpn接合層に光を照射することにより、光起電力を生じさせてよい。この場合、第1部材と第2部材との間にバイアスをかけて、p型半導体からn型半導体に向かう電子を光電流として取り出してよい。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment is a manufacturing method for manufacturing a semiconductor device using the method for manufacturing a nanocrystal according to the present embodiment, in which a p-type layer containing a p-type semiconductor is formed on the surface of a second member. By forming an n-type layer formed on the surface and containing an n-type semiconductor on the surface of the p-type layer, a pn junction layer including a p-type layer and an n-type layer is obtained. The method for manufacturing a semiconductor device may involve the generation of opto-electrical energy. That is, a photovoltaic power may be generated by irradiating the pn junction layer obtained in the light irradiation step with light. In this case, a bias may be applied between the first member and the second member, and electrons directed from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor may be extracted as a photocurrent.

n型層に含まれるn型半導体は、上述の酸化物半導体のうちいずれか一つであってよい。p型層に含まれるp型半導体は、上述の酸化物半導体のうちいずれか一つであってよい。n型半導体とp型半導体との組み合わせは特に制限されない。電子供給側の半導体(p型半導体)のバンドギャップ、並びに、ガルバニック腐食及び光触媒反応において生じた正孔による腐食の進行性の観点から、p型半導体が、酸化銅(I)及び酸化銅(II)のうち少なくともいずれか一方であることが好ましく、n型半導体が、酸化亜鉛(II)であることが好ましい。 The n-type semiconductor included in the n-type layer may be any one of the above-mentioned oxide semiconductors. The p-type semiconductor included in the p-type layer may be any one of the above-mentioned oxide semiconductors. The combination of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor is not particularly limited. From the viewpoint of the bandgap of the semiconductor (p-type semiconductor) on the electron supply side and the progress of corrosion due to holes generated in galvanic corrosion and photocatalytic reaction, the p-type semiconductor is copper (I) oxide and copper oxide (II). ), And the n-type semiconductor is preferably zinc oxide (II).

(金属部材の組成)
金属部材は、第1部材と第2部材とを有する。第1部材は、第1金属を含む部材であればよく、特に制限されない。第1部材は、第1金属のみからなっていてもよい。第1部材は、第1金属(単体)に加えて、第1金属の酸化物を含んでいてもよい。ただし、第1金属の酸化物のみからなる部材は、本実施形態に係る第1部材には相当しない。第1部材における第1金属の含有率は、ナノ結晶の生産性、及び水素ガスの生成の促進の観点から、第1部材の全質量を基準として、10.0~100.0質量%であることが好ましく、15.0~100.0質量%であることがより好ましく、20.0~100.0質量%であることが更に好ましい。第1部材における第1金属の含有率が高いほど、水素ガスが発生し易く、酸化物又は水酸化物が生成され易いと共に、酸化物又は水酸化物の組成が制御され易い。
(Composition of metal members)
The metal member has a first member and a second member. The first member may be any member as long as it contains the first metal, and is not particularly limited. The first member may be composed of only the first metal. The first member may contain an oxide of the first metal in addition to the first metal (elementary substance). However, the member made of only the oxide of the first metal does not correspond to the first member according to the present embodiment. The content of the first metal in the first member is 10.0 to 100.0% by mass based on the total mass of the first member from the viewpoint of the productivity of nanocrystals and the promotion of hydrogen gas production. It is preferably 15.0 to 100.0% by mass, more preferably 20.0 to 100.0% by mass, and even more preferably 20.0 to 100.0% by mass. The higher the content of the first metal in the first member, the more easily hydrogen gas is generated, the oxide or hydroxide is easily generated, and the composition of the oxide or hydroxide is easily controlled.

第2部材は、第2金属を含む部材であればよく、特に制限されない。第2部材は、第2金属のみからなっていてもよい。第2部材は、第2金属(単体)に加えて、第2金属の酸化物を含んでいてもよい。ただし、第2金属の酸化物のみからなる部材は、本実施形態に係る第2部材には相当しない。第2部材における第2金属の含有率は、水素ガスの生成の促進、及びナノ結晶の生産性の観点から、第2部材の全質量を基準として、10.0~100.0質量%であることが好ましく、15.0~100.0質量%であることがより好ましく、20.0~100.0質量%であることが更に好ましい。第2部材における第2金属の含有率が高いほど、酸化物又は水酸化物が生成され易いと共に、酸化物又は水酸化物の組成が制御され易く、水素ガスも発生し易い。 The second member may be any member as long as it contains the second metal, and is not particularly limited. The second member may be composed of only the second metal. The second member may contain an oxide of the second metal in addition to the second metal (elementary substance). However, the member made of only the oxide of the second metal does not correspond to the second member according to the present embodiment. The content of the second metal in the second member is 10.0 to 100.0% by mass based on the total mass of the second member from the viewpoint of promoting the production of hydrogen gas and the productivity of nanocrystals. It is preferably 15.0 to 100.0% by mass, more preferably 20.0 to 100.0% by mass, and even more preferably 20.0 to 100.0% by mass. The higher the content of the second metal in the second member, the easier it is for oxides or hydroxides to be generated, the easier it is for the composition of the oxides or hydroxides to be controlled, and the easier it is for hydrogen gas to be generated.

金属部材は、合金を含んでいてもよい。第1部材は、第1金属の合金を含んでいてもよく、第1金属の合金のみからなっていてもよい。第1金属の合金の組成は、第1金属を含む組成であればよく、特に制限されない。第1金属の合金は、例えば、鉄合金、銅合金、亜鉛合金等であってよい。第2部材は、第2金属の合金を含んでいてもよく、第2金属の合金のみからなっていてもよい。第2金属の合金の組成は、第2金属を含む組成であればよく、特に制限されない。第2金属の合金は、例えば、鉄合金、銅合金、亜鉛合金等であってよい。第1金属が合金である場合、第1金属の標準電極電位とは、合金の標準電極電位であってよい。第2金属が合金である場合、第2金属の標準電極電位とは、合金の標準電極電位であってよい。 The metal member may contain an alloy. The first member may contain an alloy of the first metal, or may be composed of only the alloy of the first metal. The composition of the alloy of the first metal may be any composition as long as it contains the first metal, and is not particularly limited. The alloy of the first metal may be, for example, an iron alloy, a copper alloy, a zinc alloy, or the like. The second member may contain an alloy of the second metal, or may be composed of only the alloy of the second metal. The composition of the alloy of the second metal may be any composition as long as it contains the second metal, and is not particularly limited. The alloy of the second metal may be, for example, an iron alloy, a copper alloy, a zinc alloy, or the like. When the first metal is an alloy, the standard electrode potential of the first metal may be the standard electrode potential of the alloy. When the second metal is an alloy, the standard electrode potential of the second metal may be the standard electrode potential of the alloy.

鉄合金としては、例えば、Fe-C系合金、Fe-Au系合金、Fe-Al系合金、Fe-B系合金、Fe-Ce系合金、Fe-Cr系合金、Fe-Cr-Ni系合金、Fe-Cr-Mo系合金、Fe-Cr-Al系合金、Fe-Cr-Cu系合金、Fe-Cr-Ti系合金、Fe-Cr-Ni-Mn系合金、Fe-Cu系合金、Fe-Ga系合金、Fe-Ge系合金、Fe-Mg系合金、Fe-Mn系合金、Fe-Mo系合金、Fe-N系合金、Fe-Nb系合金、Fe-Ni系合金、Fe-P系合金、Fe-S系合金、Fe-Si系合金、Fe-Si-Ag系合金、Fe-Si-Mg系合金、Fe-Ti系合金、Fe-U系合金、Fe-V系合金、Fe-W系合金、Fe-Zn系合金等が挙げられる。 Examples of the iron alloy include Fe—C alloys, Fe—Au alloys, Fe—Al alloys, Fe—B alloys, Fe—Ce alloys, Fe—Cr alloys, and Fe—Cr—Ni alloys. , Fe—Cr—Mo alloy, Fe—Cr—Al alloy, Fe—Cr—Cu alloy, Fe—Cr—Ti alloy, Fe—Cr—Ni—Mn alloy, Fe—Cu alloy, Fe -Ga-based alloys, Fe-Ge-based alloys, Fe-Mg-based alloys, Fe-Mn-based alloys, Fe-Mo-based alloys, Fe-N-based alloys, Fe-Nb-based alloys, Fe-Ni-based alloys, Fe-P. Based alloys, Fe—S based alloys, Fe—Si based alloys, Fe—Si—Ag based alloys, Fe—Si—Mg based alloys, Fe—Ti based alloys, Fe—U based alloys, Fe—V based alloys, Fe -W-based alloys, Fe-Zn-based alloys and the like can be mentioned.

銅合金としては、例えば、Cu-Sn系合金、Cu-Ni系合金、Cu-Zn系合金、Cu-P系合金、Cu-Sn-P系合金、Cu-Al系合金、Cu-Zn-Sn系合金、Cu-Zn-Mn系合金、Cu-Zn-Si系合金、Cu-Zn-Ni系合金、Cu-Mn系合金、Cu-Be系合金、Cu-Ag系合金、Cu-Zr系合金等が挙げられる。 Examples of the copper alloy include Cu—Sn based alloys, Cu—Ni based alloys, Cu—Zn based alloys, Cu—P based alloys, Cu—Sn—P based alloys, Cu—Al based alloys, and Cu—Zn—Sn. Based alloys, Cu—Zn—Mn based alloys, Cu—Zn—Si based alloys, Cu—Zn—Ni based alloys, Cu—Mn based alloys, Cu—Be based alloys, Cu—Ag based alloys, Cu—Zr based alloys And so on.

亜鉛合金としては、例えば、Zn-Ni系合金、Zn-Sb系合金、Zn-Cu系合金、Zn-Al系合金、Zn-Mg系合金等が挙げられる。 Examples of the zinc alloy include Zn—Ni based alloys, Zn—Sb based alloys, Zn—Cu based alloys, Zn—Al based alloys, Zn—Mg based alloys and the like.

第1金属の合金における第1金属の含有率は、ナノ結晶の生産性、及び水素ガスの生成の促進の観点から、10.0~99.8質量%であることが好ましく、15.0~99.5質量%であることがより好ましく、20.0~99.9質量%であることが更に好ましい。第2金属の合金における第2金属の含有率は、水素ガスの生成の促進、及びナノ結晶の生産性の観点から、10.0~99.8質量%であることが好ましく、15.0~99.5質量%であることがより好ましく、20.0~99.9質量%であることが更に好ましい。 The content of the first metal in the alloy of the first metal is preferably 10.0 to 99.8% by mass, preferably 15.0 to 99.8% by mass, from the viewpoint of promoting the productivity of nanocrystals and the production of hydrogen gas. It is more preferably 99.5% by mass, further preferably 20.0 to 99.9% by mass. The content of the second metal in the alloy of the second metal is preferably 10.0 to 99.8% by mass, preferably 15.0 to 99.8% by mass, from the viewpoint of promoting the production of hydrogen gas and the productivity of nanocrystals. It is more preferably 99.5% by mass, further preferably 20.0 to 99.9% by mass.

第1部材は、不可避的に混入する他の原子を更に含んでいてもよい。不可避的に混入する他の原子の含有率は、例えば、第1部材の全質量を基準として、3質量%以下であってよい。第1部材に含まれる上記原子の含有率は、ナノ結晶の生産性、及び水素ガスの生成の促進の観点から、1質量%以下であることが好ましい。第2部材は、不可避的に混入する他の原子を更に含んでいてもよい。不可避的に混入する他の原子の含有率は、例えば、第2部材の全質量を基準として、3質量%以下であってよい。第2部材に含まれる上記原子の含有率は、ナノ結晶の生産性、及び水素ガスの生成の促進の観点から、1質量%以下であることが好ましい。 The first member may further contain other atoms that are inevitably mixed. The content of other atoms inevitably mixed may be, for example, 3% by mass or less based on the total mass of the first member. The content of the atom contained in the first member is preferably 1% by mass or less from the viewpoint of the productivity of nanocrystals and the promotion of hydrogen gas production. The second member may further contain other atoms that are inevitably mixed. The content of other atoms inevitably mixed may be, for example, 3% by mass or less based on the total mass of the second member. The content of the atom contained in the second member is preferably 1% by mass or less from the viewpoint of the productivity of nanocrystals and the promotion of hydrogen gas production.

第1部材の形状は、特に制限されない。第1部材の形状としては、例えば、板状、ブロック状、リボン状、丸線状、シート状、メッシュ状、又はこれらを組み合わせた形状等が挙げられる。第1部材の形状は、ナノ結晶及び水素ガスの回収性、水中への浸漬の作業性の観点から、板状、ブロック状、又はシート状であることが好ましい。第2部材の形状は、第1部材の形状と同じであっても、異なっていてもよい。 The shape of the first member is not particularly limited. Examples of the shape of the first member include a plate shape, a block shape, a ribbon shape, a round wire shape, a sheet shape, a mesh shape, or a shape obtained by combining these. The shape of the first member is preferably plate-shaped, block-shaped, or sheet-shaped from the viewpoint of recoverability of nanocrystals and hydrogen gas and workability of immersion in water. The shape of the second member may be the same as or different from the shape of the first member.

(第1部材と第2部材との電気的な接続方法)
第1部材と第2部材との電気的な接続方法は、特に制限されない。例えば、第1部材と第2部材とが直接接触してよい。第1部材と第2部材とが溶接されてよい。金属部材は導電材料を更に有してよい。第1部材と第2部材とが導電材料を介して電気的に接続されてよい。第1部材と第2部材との電気的な接続とは、水を介した電気的接続を意味しない。
(Electrical connection method between the first member and the second member)
The method of electrically connecting the first member and the second member is not particularly limited. For example, the first member and the second member may be in direct contact with each other. The first member and the second member may be welded together. The metal member may further have a conductive material. The first member and the second member may be electrically connected via the conductive material. The electrical connection between the first member and the second member does not mean an electrical connection via water.

金属部材における第1部材及び第2部材の配置は、特に制限されない。金属部材を組み立てる際の作業性、ナノ結晶の回収性、ナノ結晶の組成の選択性、及び水素ガスの回収性等の観点から、図3~7に示す配置が好ましい。 The arrangement of the first member and the second member in the metal member is not particularly limited. The arrangement shown in FIGS. 3 to 7 is preferable from the viewpoints of workability when assembling the metal member, recoverability of nanocrystals, selectivity of composition of nanocrystals, recoverability of hydrogen gas, and the like.

図3~5は、第1部材と第2部材とが直接接触した金属部材の模式図である。例えば、図3に示す金属部材100のように、第1部材22aと第2部材24とを横並びに配置し、第1部材22aの側面と第2部材24の側面とを直接接触してよい。第1部材22a及び第2部材24の全体に接続材料26を巻き付けることにより、第1部材22a及び第2部材24を固定してよい。接続材料26を巻き付ける位置及び接続材料26の数は、特に制限されない。また、図4に示す金属部材110のように、第2部材24の表面に第1部材22bの全体を直接重ねてよい。第1部材22bの表面の面積は、第2部材24の表面の面積よりも小さくてよい。第1部材22bの表面の一方は、第2部材の表面に覆われてよい。また、図5に示す金属部材120のように、第1部材22aと第2部材24とを直接重ねてもよい。第1部材22a及び第2部材24の全体はクロス状の形状であってよい。つまり、第1部材22aが第2部材24と略垂直に交差していてよい。 3 to 5 are schematic views of a metal member in which the first member and the second member are in direct contact with each other. For example, as in the metal member 100 shown in FIG. 3, the first member 22a and the second member 24 may be arranged side by side, and the side surface of the first member 22a and the side surface of the second member 24 may be in direct contact with each other. The first member 22a and the second member 24 may be fixed by winding the connecting material 26 around the entire first member 22a and the second member 24. The position around which the connecting material 26 is wound and the number of connecting materials 26 are not particularly limited. Further, as in the metal member 110 shown in FIG. 4, the entire first member 22b may be directly overlapped on the surface of the second member 24. The area of the surface of the first member 22b may be smaller than the area of the surface of the second member 24. One of the surfaces of the first member 22b may be covered with the surface of the second member. Further, as in the metal member 120 shown in FIG. 5, the first member 22a and the second member 24 may be directly overlapped with each other. The entire first member 22a and the second member 24 may have a cross shape. That is, the first member 22a may intersect the second member 24 substantially perpendicularly.

接続材料26は、水中で溶解又は劣化を起こさず、第1部材と第2部材とを強固に固定できるものであればよく、特に制限されない。接続材料26は、導電材料であっても、非導電材料であってもよい。金属部材を水中に浸漬したとしても、図3~5に示すように第1部材と第2部材とが直接接触していれば、接続材料26は導電性を有していなくてよい。導電材料は、下記の導電材料28と同じであってよい。非導電材料は、例えば、綿製のタコ糸であってよい。 The connecting material 26 is not particularly limited as long as it does not dissolve or deteriorate in water and can firmly fix the first member and the second member. The connecting material 26 may be a conductive material or a non-conductive material. Even if the metal member is immersed in water, the connecting material 26 does not have to have conductivity as long as the first member and the second member are in direct contact with each other as shown in FIGS. 3 to 5. The conductive material may be the same as the conductive material 28 below. The non-conductive material may be, for example, cotton octopus yarn.

図6及び7は、第1部材と第2部材とが導電材料を介して電気的に接続している金属部材の模式図である。図6及び7の金属部材では、第1部材と第2部材とが直接接触していない。例えば、図6に示す金属部材130のように、第1部材22aと第2部材24とを導電材料28を介して電気的に接続してよい。図6の場合、導電材料28の一方の端部は、第1部材22aに巻き付いており、導電材料28の他方の端部は、第2部材24に巻き付いている。また、図7に示す金属部材140のように、導電材料28は、金属ワイヤー30と、金属ワイヤー30の両端に接続するろう材32とからなっていてもよい。ろう材32は、半田であってもよい。図7の場合、金属ワイヤー30の一方の端部と第1部材22aとがろう材32を介して接続し、金属ワイヤー30の他方の端部と第2部材24とが別のろう材32を介して接続している。また、第1部材22aと第2部材24との間に導電材料28を配置して、第1部材22aと第2部材24とを導電材料28を介して貼り合わせてもよい。 6 and 7 are schematic views of a metal member in which the first member and the second member are electrically connected via a conductive material. In the metal members of FIGS. 6 and 7, the first member and the second member are not in direct contact with each other. For example, as in the metal member 130 shown in FIG. 6, the first member 22a and the second member 24 may be electrically connected via the conductive material 28. In the case of FIG. 6, one end of the conductive material 28 is wound around the first member 22a, and the other end of the conductive material 28 is wound around the second member 24. Further, as in the metal member 140 shown in FIG. 7, the conductive material 28 may be composed of a metal wire 30 and a brazing material 32 connected to both ends of the metal wire 30. The brazing filler metal 32 may be solder. In the case of FIG. 7, one end of the metal wire 30 and the first member 22a are connected via the brazing material 32, and the other end of the metal wire 30 and the second member 24 form another brazing material 32. Connecting via. Further, the conductive material 28 may be arranged between the first member 22a and the second member 24, and the first member 22a and the second member 24 may be bonded to each other via the conductive material 28.

導電材料28は、例えば、銅、銀、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、錫、又は鉛を含む配線材料、及びろう材からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。 The conductive material 28 may be at least one selected from the group consisting of, for example, a wiring material containing copper, silver, gold, platinum, aluminum, chromium, nickel, iron, tin, or lead, and a brazing material.

ろう材32を用いた接続は、電気伝導性を必要とする場合に有効である。第1部材及び第2部材のうち少なくともいずれか一方が薄く、第1部材と第2部材とを溶接することが難しい場合、ろう材32を用いた接続が特に有効である。ろう材32としては、公知の組成のものを好適に用いることができる。ろう材32は、例えば、銀ろう(Ag-Cu-An系合金)、黄銅ろう(Cu-Zn系合金)、リン銅ろう(Cu-P系合金)、アルミろう(Al-Si系合金)等であってよい。 The connection using the brazing filler metal 32 is effective when electrical conductivity is required. When at least one of the first member and the second member is thin and it is difficult to weld the first member and the second member, the connection using the brazing material 32 is particularly effective. As the brazing filler metal 32, one having a known composition can be preferably used. The brazing material 32 may be, for example, silver brazing (Ag—Cu—An alloy), brass brazing (Cu—Zn based alloy), phosphor copper brazing (Cu—P based alloy), aluminum brazing (Al—Si based alloy) or the like. May be.

半田は、Sn-Pb系半田、Sn-Pb-Ag系半田、Sn-Ag-Cu系半田等であってよい。環境に対する影響を考慮すると、半田は、実質的に鉛を含まないSn-Ag-Cu系半田が好ましい。半田を用いて電気的な接続を行う際、半田を融点以上の温度に加熱してよい。具体的には、半田がSn-Pb系半田である場合、半田を230~300℃の温度範囲に加熱して、半田を溶融してよい。 The solder may be Sn—Pb-based solder, Sn-Pb-Ag-based solder, Sn-Ag—Cu-based solder, or the like. Considering the influence on the environment, the solder is preferably Sn-Ag-Cu based solder containing substantially no lead. When making an electrical connection using solder, the solder may be heated to a temperature above its melting point. Specifically, when the solder is a Sn—Pb-based solder, the solder may be heated to a temperature range of 230 to 300 ° C. to melt the solder.

(光照射方法について)
図1に示すように、水2及び金属部材100は、容器6a内に収容されていてよい。容器6aは、水2及び金属部材100を収容する容器本体8aと、蓋体10aとを備えてよい。容器6aは、蓋体10aを備えていなくてもよい。容器6aは、水素ガスを捕集する観点から、蓋体10aを備えていることが好ましい。蓋体10aは、容器本体8aを密閉してよい。ランプ(光源)12を用いて光Lを照射してよい。ランプ12を用いることで、金属部材100の表面に一定の強度の光を照射することができる。ランプ12の位置は、ナノ結晶又は水素ガスが効果的に生成するように適宜調整してよい。太陽光を照射する場合には、ランプ12は用いなくてもよい。太陽光を照射する場合には、金属部材100の表面に太陽光が照射されるように、容器6aの位置及び向きを適宜調整してよい。
(About light irradiation method)
As shown in FIG. 1, the water 2 and the metal member 100 may be housed in the container 6a. The container 6a may include a container body 8a for accommodating the water 2 and the metal member 100, and a lid 10a. The container 6a does not have to include the lid 10a. The container 6a preferably includes a lid 10a from the viewpoint of collecting hydrogen gas. The lid body 10a may seal the container body 8a. The lamp (light source) 12 may be used to irradiate the light L. By using the lamp 12, the surface of the metal member 100 can be irradiated with light of a certain intensity. The position of the lamp 12 may be appropriately adjusted so that nanocrystals or hydrogen gas are effectively generated. When irradiating sunlight, the lamp 12 may not be used. When irradiating sunlight, the position and orientation of the container 6a may be appropriately adjusted so that the surface of the metal member 100 is irradiated with sunlight.

金属部材100は、図1に示すように、光が照射される面を垂直に立ててもよく、図2に示すように、光が照射される面を水平にしてもよい。 As shown in FIG. 1, the metal member 100 may have a surface irradiated with light standing vertically, or the surface irradiated with light may be horizontal as shown in FIG.

水面から金属部材100の光照射面までの距離は、金属部材及び水の種類に応じて適宜設定することができ、特に制限されない。上記距離は、例えば、5mm~10mであってよい。光の散乱による効果の低下の抑制、ナノ結晶の回収、及び水素ガスの生成の促進の観点から、上記距離は、5mm~8mが好ましく、5mm~5mがより好ましい。 The distance from the water surface to the light irradiation surface of the metal member 100 can be appropriately set according to the type of the metal member and the water, and is not particularly limited. The distance may be, for example, 5 mm to 10 m. The distance is preferably 5 mm to 8 m, more preferably 5 mm to 5 m, from the viewpoint of suppressing the decrease in the effect due to light scattering, recovering nanocrystals, and promoting the generation of hydrogen gas.

容器本体8aの形状は、特に制限されない。容器本体8aの形状は、図6に示す容器本体8aように直方体状であってもよく、図2に示す容器6bが備える容器本体8bのように円柱状であってもよい。容器本体8aの形状は、光が金属部材100の表面に効果的に照射できるものを適宜選択してよい。 The shape of the container body 8a is not particularly limited. The shape of the container body 8a may be rectangular parallelepiped as in the container body 8a shown in FIG. 6, or may be columnar as in the container body 8b included in the container 6b shown in FIG. The shape of the container body 8a may be appropriately selected so that light can effectively irradiate the surface of the metal member 100.

蓋体10aの形状は、特に制限されない。蓋体10aの形状は、図1に示す蓋体10aのように直方体状であってもよく、図2に示す蓋体10bのように円柱状であってもよい。蓋体10aの形状は、光が金属部材100の表面に効果的に照射できるものを適宜使用してよい。 The shape of the lid 10a is not particularly limited. The shape of the lid 10a may be a rectangular parallelepiped like the lid 10a shown in FIG. 1, or may be a columnar shape like the lid 10b shown in FIG. As the shape of the lid 10a, one that can effectively irradiate the surface of the metal member 100 with light may be used as appropriate.

容器6a(容器本体8a及び蓋体10a)の材質は、光が金属部材100の表面に照射されるのを遮らないものであればよく、特に制限されない。容器本体8a及び蓋体10aの材質は、水と反応しないものが好ましい。容器本体8a及び蓋体10aの材質は、例えば、ガラス、プラスチック等であってよい。水素ガスを捕集する観点から、容器本体8a及び蓋体10aの材質は、ガラスであることが好ましい。 The material of the container 6a (container body 8a and lid 10a) is not particularly limited as long as it does not block the surface of the metal member 100 from being irradiated with light. The material of the container body 8a and the lid 10a is preferably one that does not react with water. The material of the container body 8a and the lid 10a may be, for example, glass, plastic, or the like. From the viewpoint of collecting hydrogen gas, the material of the container body 8a and the lid 10a is preferably glass.

(光の波長について)
光照射工程で用いる光の波長は特に制限されない。光の波長は、赤外線ランプの波長よりも短くてよい。例えば、光の波長は、1000nm以下であってよい。光照射工程で用いる光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長が360nm以上620nm未満であってよい。光のスペクトルとは、光の分光放射分布と言い換えてよく、強度とは、分光放射照度又はスペクトル放射照度と言い換えてよい。つまり本実施形態では、光照射工程で用いる光の分光放射分布(スペクトル)において、分光放射照度(強度)が最大である光の波長が360nm以上620nm未満であってよい。光の分光放射照度(強度)の単位は、例えば、W・m-2・nm-1であってよい。360nm以上620nm未満である波長領域において、金属部材に照射する光の波長を調整することにより、金属部材及び水から生成する酸化物及び水酸化物の組成を制御し易い。そのため、結晶性の高いナノ結晶が得られ、純度の高い水素ガスが得られ易い。ナノ結晶の結晶性(結晶度)は、例えば、X線回折(XRD)分析により確認することができる。酸化物及び水酸化物の組成は、例えば、エネルギー分散型X線分析(EDX)による点分析により確認することができる。上記波長が620nm以上である場合は、ナノ結晶が得られ難く、水素ガスが生成し難い。上記波長が360nm未満である場合は、ナノ結晶が分解され易く、ナノ結晶の形状が崩れ易く、純度の高い水素が得られ難い。上記波長が360nm未満である場合にナノ結晶が分解され易い理由は以下のとおりである、と本発明者らは推測する。
(About the wavelength of light)
The wavelength of light used in the light irradiation step is not particularly limited. The wavelength of the light may be shorter than the wavelength of the infrared lamp. For example, the wavelength of light may be 1000 nm or less. In the spectrum of light used in the light irradiation step, the wavelength having the maximum intensity may be 360 nm or more and less than 620 nm. The spectrum of light may be paraphrased as the spectral irradiance distribution of light, and the intensity may be paraphrased as the spectral irradiance or the spectral irradiance. That is, in the present embodiment, in the spectral radiation distribution (spectrum) of the light used in the light irradiation step, the wavelength of the light having the maximum spectral irradiance (intensity) may be 360 nm or more and less than 620 nm. The unit of the spectral irradiance (intensity) of light may be, for example, Wm- 2.m - 1 . By adjusting the wavelength of the light irradiating the metal member in the wavelength region of 360 nm or more and less than 620 nm, it is easy to control the composition of the oxide and the hydroxide generated from the metal member and water. Therefore, nanocrystals with high crystallinity can be obtained, and hydrogen gas with high purity can be easily obtained. The crystallinity (crystallinity) of nanocrystals can be confirmed by, for example, X-ray diffraction (XRD) analysis. The composition of oxides and hydroxides can be confirmed, for example, by point analysis by energy dispersive X-ray analysis (EDX). When the wavelength is 620 nm or more, it is difficult to obtain nanocrystals and it is difficult to generate hydrogen gas. When the wavelength is less than 360 nm, the nanocrystals are easily decomposed, the shape of the nanocrystals is easily deformed, and it is difficult to obtain high-purity hydrogen. The present inventors presume that the reason why nanocrystals are easily decomposed when the wavelength is less than 360 nm is as follows.

上記波長が360nm未満である場合は、ナノ結晶が半導体であると、光を照射したときにナノ結晶が光触媒として作用することがある。ナノ結晶が光触媒として作用すると、後述するように、水の光分解が生じて、水素ガスのみならず酸素ガスが生じる。その結果、形成された酸化物が水酸化物に戻ってしまい、ナノ結晶が分解され、得られる水素ガスの純度が低くなる。また、上記波長が360nm未満である場合は、エネルギーが熱に変わり易いため、エネルギー効率が低下し易く、熱により金属部材が損傷し易い。上記波長による上記効果を得られ易い観点から、光照射工程で用いる光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長は、380~600nmであることが好ましく、400~580nmであることがより好ましい。水の放射線分解の効率、設備の制約、酸化物及び水酸化物のバンドギャップ、及び励起された電子が緩和される際の熱エネルギーの発生(発熱)防止の観点から、上記波長は、上記範囲内で適宜調整されてよい。 When the wavelength is less than 360 nm, if the nanocrystal is a semiconductor, the nanocrystal may act as a photocatalyst when irradiated with light. When nanocrystals act as a photocatalyst, as will be described later, photodecomposition of water occurs, and not only hydrogen gas but also oxygen gas is generated. As a result, the formed oxide returns to the hydroxide, the nanocrystals are decomposed, and the purity of the obtained hydrogen gas becomes low. Further, when the wavelength is less than 360 nm, energy is easily converted into heat, so that energy efficiency is liable to decrease and the metal member is liable to be damaged by heat. From the viewpoint that the above effect can be easily obtained by the above wavelength, the wavelength having the maximum intensity in the spectrum of light used in the light irradiation step is preferably 380 to 600 nm, and more preferably 400 to 580 nm. From the viewpoint of the efficiency of radiolysis of water, equipment restrictions, band gaps of oxides and hydroxides, and prevention of heat energy generation (heat generation) when excited electrons are relaxed, the above wavelengths are in the above range. It may be adjusted as appropriate within.

金属部材に照射する光の光源は、上記光を照射できるものであればよく、特に制限されない。光源は、例えば、太陽、LED、キセノンランプ、水銀ランプ、蛍光灯等であってよい。金属部材に照射する光は、例えば、太陽光又は擬似太陽光であってよい。太陽光は、地球上に無尽蔵に降り注ぎ、温暖化ガスなどを排出しない再生可能エネルギーとしての利用が可能である観点から、好適に用いることができる。擬似太陽光とは、太陽を光源としない光であって、光のスペクトルが太陽光のスペクトルに合致している光のことを意味する。擬似太陽光は、例えば、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ又はキセノンランプを用いたソーラーシミュレーターにより発することができる。擬似太陽光は、一般的に、紫外線に対する材料の強度の評価、太陽電池の評価又は耐候性評価を目的として用いられる。本実施形態においても、擬似太陽光を好適に用いることができる。 The light source of the light to irradiate the metal member is not particularly limited as long as it can irradiate the above-mentioned light. The light source may be, for example, the sun, an LED, a xenon lamp, a mercury lamp, a fluorescent lamp, or the like. The light irradiating the metal member may be, for example, sunlight or pseudo-sunlight. Sunlight can be suitably used from the viewpoint that it can be used as a renewable energy that does not emit warming gas or the like by inexhaustibly falling on the earth. Pseudo-sunlight means light that does not use the sun as a light source and whose spectrum of light matches the spectrum of sunlight. Pseudo-sunlight can be emitted by, for example, a solar simulator using a metal halide lamp, a halogen lamp or a xenon lamp. Pseudo-sunlight is generally used for the purpose of evaluating the strength of a material against ultraviolet rays, evaluating a solar cell, or evaluating weather resistance. Also in this embodiment, pseudo-sunlight can be preferably used.

光照射工程では、金属部材の表面と水とが接触している界面に光を照射してよい。界面は、例えば、金属部材を水中に浸漬する方法、金属部材の一部又は全部に水を流通させる方法等によって得られる。光照射工程では、ナノ結晶の回収の観点から、金属部材を水面下に浸漬させることが好ましい。 In the light irradiation step, light may be irradiated to the interface where the surface of the metal member and water are in contact with each other. The interface is obtained, for example, by immersing the metal member in water, circulating water through a part or all of the metal member, and the like. In the light irradiation step, it is preferable to immerse the metal member under the water surface from the viewpoint of recovering the nanocrystals.

(ナノ結晶の詳細)
第1部材の表面に形成されるナノ結晶は、第1金属及び第2金属のうち少なくともいずれか一方を含む。第1部材の表面に形成されるナノ結晶は、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含む。第1部材の表面に形成されるナノ結晶は、酸化物及び水酸化物からなっていてもよく、酸化物のみからなっていてもよく、水酸化物のみからなっていてもよい。第2部材の表面に形成されるナノ結晶は、第1金属及び第2金属のうち少なくともいずれか一方を含む。第2部材の表面に形成されるナノ結晶は、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含む。第2部材の表面に形成されるナノ結晶は、酸化物及び水酸化物からなっていてもよく、酸化物のみからなっていてもよく、水酸化物のみからなっていてもよい。
(Details of nanocrystals)
The nanocrystals formed on the surface of the first member include at least one of a first metal and a second metal. The nanocrystals formed on the surface of the first member include at least one of an oxide and a hydroxide. The nanocrystals formed on the surface of the first member may be composed of an oxide and a hydroxide, may be composed of only an oxide, or may be composed of only a hydroxide. The nanocrystals formed on the surface of the second member include at least one of a first metal and a second metal. The nanocrystals formed on the surface of the second member include at least one of an oxide and a hydroxide. The nanocrystals formed on the surface of the second member may be composed of an oxide and a hydroxide, may be composed of only an oxide, or may be composed of only a hydroxide.

酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種は、半導体であることが好ましい。つまり、ナノ結晶は、半導体を含むことが好ましい。ナノ結晶は、半導体のみからなっていてもよい。ナノ結晶が半導体を含む場合、光触媒材料、発光材料、太陽電池、量子コンピューター、バイオセンサ等の半導体デバイスへのナノ結晶の適用が可能になる。図8は、代表的な金属酸化物半導体のバンドギャップ(伝導帯の下端と価電子帯の上端との間のエネルギー差)と、水の酸化還元電位との関係を示す模式図である。本実施形態に係るナノ結晶の製造方法により、図8に示すような様々なバンドギャップを有する金属酸化物半導体が製造されてよい。 It is preferable that at least one of the oxide and the hydroxide is a semiconductor. That is, the nanocrystals preferably contain semiconductors. Nanocrystals may consist only of semiconductors. When nanocrystals contain semiconductors, nanocrystals can be applied to semiconductor devices such as photocatalytic materials, light emitting materials, solar cells, quantum computers, and biosensors. FIG. 8 is a schematic diagram showing the relationship between the band gap (energy difference between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band) of a typical metal oxide semiconductor and the redox potential of water. A metal oxide semiconductor having various band gaps as shown in FIG. 8 may be produced by the method for producing nanocrystals according to the present embodiment.

半導体は、p型半導体及びn型半導体のうち少なくともいずれか一方を含んでよい。つまり、ナノ結晶は、p型半導体及びn型半導体のうち少なくともいずれか一方を含んでよい。ナノ結晶が、p型半導体及びn型半導体のうち少なくともいずれか一方を含むことで、ナノ結晶(半導体)の導電率が向上し、上記半導体デバイスへのナノ結晶の適用幅が広がる。更に、この場合、上述のpn接合層を簡便に形成できるため、ナノ結晶を用いた半導体デバイスの製造コストを抑えることができる。 The semiconductor may include at least one of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. That is, the nanocrystal may contain at least one of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. When the nanocrystal contains at least one of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, the conductivity of the nanocrystal (semiconductor) is improved, and the range of application of the nanocrystal to the semiconductor device is widened. Further, in this case, since the above-mentioned pn junction layer can be easily formed, the manufacturing cost of the semiconductor device using nanocrystals can be suppressed.

酸化物半導体(MO)は、酸化物半導体に不純物元素をドープしたり、金属と酸素との比率が化学量論組成からずれたりした場合に、p型半導体又はn型半導体になることがある。金属と酸素との比率が化学量論組成からずれた場合、酸化物半導体中の酸素が欠損して、酸化物半導体の組成がMOx-nとなり、結合に寄与しない金属の電子が余る。その結果、酸化物半導体がn型化する。また、酸化物半導体が過剰の酸素を取り込んだ場合、酸化物半導体の組成はMOx+nとなり、金属原子の欠損部が正孔として作用する。その結果、酸化物半導体がp型化する。Oxide semiconductors (MO x ) may become p-type semiconductors or n-type semiconductors when the oxide semiconductor is doped with an impurity element or the ratio of metal to oxygen deviates from the chemical quantitative composition. .. When the ratio of metal and oxygen deviates from the chemical quantitative composition, oxygen in the oxide semiconductor is lost, the composition of the oxide semiconductor becomes MO xn , and the electrons of the metal that do not contribute to the bond are left over. As a result, the oxide semiconductor becomes n-type. Further, when the oxide semiconductor takes in excess oxygen, the composition of the oxide semiconductor becomes MO x + n , and the defective portion of the metal atom acts as a hole. As a result, the oxide semiconductor becomes p-type.

p型半導体は、酸化銅(I)(CuO)、酸化銅(II)(CuO)、酸化銀(I)(AgO)、酸化ニッケル(II)(NiO)、酸化鉄(III)(Fe)、酸化タングステン(VI)(WO)及び酸化錫(II)(SnO)からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。The p-type semiconductors include copper (I) oxide (Cu 2 O), copper (II) oxide (Cu O), silver (I) oxide (Ag 2 O), nickel oxide (II) (NiO), and iron (III) oxide. It may be at least one selected from the group consisting of (Fe 2 O 3 ), tungsten oxide (VI) (WO 3 ) and tin (II) oxide (SnO).

n型半導体は、酸化鉄(III)(Fe)、酸化インジウム(III)(In)、酸化タングステン(VI)(WO)、酸化鉛(II)(PbO)、酸化バナジウム(V)(V)、酸化ニオブ(III)(Nb)、酸化チタン(IV)(TiO)、酸化亜鉛(II)(ZnO)、酸化錫(IV)(SnO)、酸化アルミニウム(III)(Al)及び酸化ジルコニウム(IV)(ZrO)からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。The n-type semiconductors include iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ), indium oxide (III) (In 2 O 3 ), tungsten oxide (VI) (WO 3 ), lead (II) oxide (PbO), and vanadium oxide. (V) (V 2 O 5 ), Niobide Oxide (III) (Nb 2 O 3 ), Tungsten Oxide (IV) (TIO 2 ), Zinc Oxide (II) (ZnO), Tin Oxide (IV) (SnO 2 ) , Aluminum (III) Oxide (Al 2 O 3 ) and Zinc Oxide (IV) (ZrO 2 ) may be at least one selected from the group.

上記酸化物の中には、p型半導体にもn型半導体にもなり得るものがある。例えば、酸化鉄(III)(Fe)では、通常、酸素が欠損し易いため、酸化鉄(III)はn型半導体として振舞う。しかし、酸化鉄(III)に窒素(N)がドープされると、酸化鉄(III)はp型化することがある。酸化タングステン(VI)(WO)では、金属(W)及び酸素のうちいずれか一方が欠損することがある。金属(W)が欠損した場合、酸化タングステン(VI)はp型半導体である。酸素が欠損した場合、酸化タングステン(VI)はn型半導体である。Some of the above oxides can be both p-type semiconductors and n-type semiconductors. For example, iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ) usually behaves as an n-type semiconductor because oxygen is easily deficient. However, when iron (III) is doped with nitrogen (N), iron (III) oxide may be p-typed. In tungsten oxide (VI) (WO 3 ), either the metal (W) or oxygen may be deficient. When the metal (W) is missing, the tungsten oxide (VI) is a p-type semiconductor. When oxygen is deficient, tungsten oxide (VI) is an n-type semiconductor.

ナノ結晶の形状は、針状、柱状、ロッド状、チューブ状、燐片状、塊状、フラワー状、ヒトデ状、枝状及び凸形状からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。フラワー状とは、結晶の中心から放射状に複数の柱状の結晶が延びている形状を意味する。ヒトデ状とは、結晶の中心から同一平面内でほぼ等間隔に複数の柱状の結晶が延びている形状を意味する。 The shape of the nanocrystals may be at least one selected from the group consisting of needle-like, columnar, rod-like, tubular, flint-like, lump-like, flower-like, starfish-like, branch-like and convex-like. The flower shape means a shape in which a plurality of columnar crystals radiate from the center of the crystal. The starfish shape means a shape in which a plurality of columnar crystals extend at substantially equal intervals in the same plane from the center of the crystal.

ナノ結晶の最大幅(例えば、長さ)は、2nm~10μm、又は2nm~1000nmであってよい。ナノ結晶の最大幅とは、複数のナノ結晶の集合体の最大幅を含意する。金属部材の表面からのナノ結晶の高さは、特に制限されない。ナノ結晶は、中実構造又は中空構造であってよい。 The maximum width (eg, length) of the nanocrystals may be 2 nm to 10 μm, or 2 nm to 1000 nm. The maximum width of nanocrystals implies the maximum width of an aggregate of a plurality of nanocrystals. The height of the nanocrystals from the surface of the metal member is not particularly limited. The nanocrystals may have a solid structure or a hollow structure.

(表面粗化工程について)
本実施形態に係るナノ結晶の製造方法は、光照射工程の前に、金属部材の表面を粗化する表面粗化工程を更に備えてよい。つまり、光照射工程では、粗化された金属部材の表面に光を照射してよい。表面粗化工程を施すことで、金属部材の表面に凹凸が形成され、ナノ結晶の成長速度が向上し易く、水素ガスの生成も促進され易い。金属部材の表面に凹凸が形成されると、ナノ結晶の先端部での電子密度が高くなる傾向がある。これにより、ナノ結晶の先端部に水和電子が多く生成し、上述した水酸化物イオンの生成と、それに次ぐナノ結晶の形成及び水素ガスの生成とが促進される、と推測される。
(About the surface roughening process)
The method for producing nanocrystals according to the present embodiment may further include a surface roughening step of roughening the surface of the metal member before the light irradiation step. That is, in the light irradiation step, the surface of the roughened metal member may be irradiated with light. By performing the surface roughening step, irregularities are formed on the surface of the metal member, the growth rate of nanocrystals is likely to be improved, and the generation of hydrogen gas is also likely to be promoted. When irregularities are formed on the surface of the metal member, the electron density at the tip of the nanocrystal tends to increase. It is presumed that this causes a large amount of hydrated electrons to be generated at the tip of the nanocrystal, which promotes the formation of the above-mentioned hydroxide ion, the subsequent formation of the nanocrystal, and the generation of hydrogen gas.

表面粗化工程により形成される金属部材の表面の凹凸の大きさは、特に制限されない。上記光化学反応を促進して、ナノ結晶の成長を促進し、水素ガスの生成を促進する観点から、凸部の底辺の大きさの平均値は10nm以上500nm以下であることが好ましく、かつ、隣り合う凸部同士の間隔の平均値は2nm以上200nm以下であることが好ましい。凸部の底辺の大きさの平均値は15nm以上300nm以下であることがより好ましく、かつ、隣り合う凸部同士の間隔の平均値は5nm以上150nm以下であることがより好ましい。凸部の底辺の大きさの平均値は20nm以上100nm以下であることが更に好ましく、かつ、隣り合う凸部同士の間隔の平均値は10nm以上100nm以下であることが更に好ましい。凸部の底辺の大きさとは、凸部の高さ方向に垂直な方向における凸部の最大幅を意味する。 The size of the unevenness on the surface of the metal member formed by the surface roughening step is not particularly limited. From the viewpoint of promoting the photochemical reaction, promoting the growth of nanocrystals, and promoting the generation of hydrogen gas, the average value of the size of the base of the convex portion is preferably 10 nm or more and 500 nm or less, and adjacent to each other. The average value of the spacing between the matching convex portions is preferably 2 nm or more and 200 nm or less. The average value of the size of the bottom of the convex portion is more preferably 15 nm or more and 300 nm or less, and the average value of the distance between the adjacent convex portions is more preferably 5 nm or more and 150 nm or less. It is more preferable that the average value of the size of the bottom of the convex portion is 20 nm or more and 100 nm or less, and the average value of the distance between the adjacent convex portions is 10 nm or more and 100 nm or less. The size of the base of the convex portion means the maximum width of the convex portion in the direction perpendicular to the height direction of the convex portion.

表面粗化工程は、例えば、金属部材の表面の機械加工、化学処理又は液中放電処理(discharge treatment in a liquid)により行われてよい。液中放電処理とは、導電性を有する液体中で放電する処理のことを意味する。機械加工としては、例えば、研磨紙、バフ、又は砥石を用いた研削加工、ブラスト加工、及び、紙やすり等を用いた加工等が挙げられる。化学処理としては、例えば、酸又はアルカリによるエッチング等が挙げられる。液中放電処理としては、例えば、国際公開第2008/099618号に記載されているように、導電性を有する液体中に配置された陽極及び陰極からなる対電極に電圧を印加して、陰極近傍にプラズマを発生させ、陰極を局所的に融解させることにより行ってよい。液中放電処理では、陰極に金属部材を用いることで、金属部材の表面に凸凹を形成することができる。 The surface roughening step may be performed, for example, by machining, chemical treatment, or liquid discharge treatment (discharge treatment in a liquid) on the surface of the metal member. The liquid discharge process means a process of discharging in a conductive liquid. Examples of machining include grinding using abrasive paper, buffs, or grindstones, blasting, and processing using sandpaper. Examples of the chemical treatment include etching with an acid or an alkali. As the submerged discharge treatment, for example, as described in International Publication No. 2008/099618, a voltage is applied to a counter electrode composed of an anode and a cathode arranged in a conductive liquid, and the vicinity of the cathode is applied. This may be done by generating plasma in the water and locally melting the cathode. In the liquid discharge treatment, by using a metal member for the cathode, unevenness can be formed on the surface of the metal member.

液中放電処理は、例えば、以下の装置を用いて行ってよい。液中放電処理を行う装置は、導電性を有する液体を収容するセルと、セル内に配置された互いに非接触の電極対と、電極対に電圧を印加する直流電源とを備える。電極対は、陰極及び陽極である。陰極には、金属部材を用いる。陽極の材料は、通電していない状態で、導電性を有する液体中で安定であればよく、特に制限されない。陽極の材料は、例えば、白金等であってよい。陽極の表面積は、陰極の表面積よりも大きくてよい。導電性を有する液体は、例えば、炭酸カリウム(KCO)水溶液等であってよい。The liquid discharge treatment may be performed using, for example, the following device. The device that performs the submerged discharge treatment includes a cell that houses a conductive liquid, a pair of electrodes that are not in contact with each other arranged in the cell, and a DC power supply that applies a voltage to the pair of electrodes. The electrode pair is a cathode and an anode. A metal member is used for the cathode. The material of the anode is not particularly limited as long as it is stable in a conductive liquid without being energized. The material of the anode may be, for example, platinum or the like. The surface area of the anode may be larger than the surface area of the cathode. The liquid having conductivity may be, for example, an aqueous solution of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) or the like.

表面粗化工程後の金属部材の表面は、外部に露出していてもよく、自然酸化膜で覆われていてもよい。 The surface of the metal member after the surface roughening step may be exposed to the outside or may be covered with a natural oxide film.

(水について)
金属部材が浸される水は、純水、イオン交換水、雨水、水道水、河川水、井戸水、ろ過水、蒸留水、逆浸透水、泉水、湧水、ダム水及び海水からなる群より選択される少なくとも一種であってよい。水としては、水素ガスの生成の促進、並びにナノ結晶の組成制御及び生産性の観点から、純水、イオン交換水、及び水道水が好ましい。ただし、自然由来の水として、河川水、井戸水、ダム水、海水等も好適に用いることができる。
(About water)
The water in which the metal parts are immersed is selected from the group consisting of pure water, ion-exchanged water, rainwater, tap water, river water, well water, filtered water, distilled water, back-penetration water, spring water, spring water, dam water and seawater. It may be at least one kind. As the water, pure water, ion-exchanged water, and tap water are preferable from the viewpoint of promoting the production of hydrogen gas, controlling the composition of nanocrystals, and productivity. However, as naturally derived water, river water, well water, dam water, seawater and the like can also be preferably used.

水のpHは、5.00~10.0であってよい。pHを5.00以上とすることで、光照射下におけるナノ結晶の形成を促進し、水素ガスの生成を促進することができる。また、pHを10.0以下とすることで、ナノ結晶を金属部材の表面から回収する際の作業性、及び水素ガスを回収する際の作業性が向上する。水のpHは、ナノ結晶の組成制御の観点から、5.5~9.5であることが好ましく、6.0~9.0であることがより好ましい。水のpHは、5.5~8.2、又は5.5~7.5であってよい。 The pH of the water may be 5.00 to 10.0. By setting the pH to 5.00 or higher, the formation of nanocrystals under light irradiation can be promoted and the production of hydrogen gas can be promoted. Further, by setting the pH to 10.0 or less, the workability when recovering the nanocrystals from the surface of the metal member and the workability when recovering the hydrogen gas are improved. The pH of water is preferably 5.5 to 9.5, more preferably 6.0 to 9.0, from the viewpoint of controlling the composition of nanocrystals. The pH of the water may be 5.5 to 8.2, or 5.5 to 7.5.

水のpHは、例えば、(株)堀場製作所製のpHメーター(LAQUAact、ポータブル型pHメーター・水質計)によって測定してよい。 The pH of water may be measured by, for example, a pH meter (LAQUAact, portable pH meter / water quality meter) manufactured by HORIBA, Ltd.

水の電気伝導度は、80000μS/cm以下であってよい。水の電気伝導度は、ナノ結晶の結晶性を高め、水素ガスの生成を促進する観点から、10000μS/cm以下であることが好ましく、5000μS/cm以下であることがより好ましく、1.0μS/cm以下であることが更に好ましい。水の電気伝導度の下限値は、例えば、0.05μS/cmであってよい。 The electrical conductivity of water may be 80,000 μS / cm or less. The electrical conductivity of water is preferably 10,000 μS / cm or less, more preferably 5000 μS / cm or less, and 1.0 μS / cm, from the viewpoint of enhancing the crystallinity of nanocrystals and promoting the generation of hydrogen gas. It is more preferably cm or less. The lower limit of the electrical conductivity of water may be, for example, 0.05 μS / cm.

水の電気伝導度は、例えば、(株)堀場製作所製のpHメーター(LAQUAact、ポータブル型pHメーター・水質計)によって測定してよい。 The electrical conductivity of water may be measured, for example, with a pH meter (LAQUAact, portable pH meter / water quality meter) manufactured by HORIBA, Ltd.

水の純度は、特に制限されない。水の純度とは、水に含まれる水分子の質量の割合を意味する。水の純度は、例えば、水の全質量を基準として、80.0質量%以上であってよい。水の純度を80.0質量%以上とすることで、光照射下における不純物の影響を抑えることができる。不純物の影響としては、例えば、塩の析出、及び不動態膜の形成が挙げられる。水の純度は、ナノ結晶の組成制御、及び水素ガスの生成の促進の観点から、85.0質量%以上であることが好ましく、90.0質量%以上であることがより好ましい。水の純度の上限値は、例えば、100.0質量%であってよい。 The purity of water is not particularly limited. The purity of water means the ratio of the mass of water molecules contained in water. The purity of water may be, for example, 80.0% by mass or more based on the total mass of water. By setting the purity of water to 80.0% by mass or more, the influence of impurities under light irradiation can be suppressed. The effects of impurities include, for example, salt precipitation and formation of a passivation film. The purity of water is preferably 85.0% by mass or more, more preferably 90.0% by mass or more, from the viewpoint of controlling the composition of nanocrystals and promoting the production of hydrogen gas. The upper limit of the purity of water may be, for example, 100.0% by mass.

水の純度は、電気伝導度で管理できる場合がある。例えば、水に溶解している溶質(不純物)の種類が特定されており、かつ、水の純度が上記範囲にある場合は、溶質の濃度と電気伝導度とが比例関係にある場合が多い。一方、複数の溶質(不純物)が混入している水では、電気伝導度を測定しても、その値から水の純度を把握することは困難である。水の純度は、水の電気伝導度で管理することが好ましい。 The purity of water may be controlled by electrical conductivity. For example, when the type of solute (impurity) dissolved in water is specified and the purity of water is within the above range, the concentration of the solute and the electrical conductivity are often in a proportional relationship. On the other hand, in water containing a plurality of solutes (impurities), it is difficult to grasp the purity of water from the value even if the electrical conductivity is measured. The purity of water is preferably controlled by the electrical conductivity of water.

水中の溶存酸素の濃度は、特に制限されない。水中の溶存酸素の濃度は、光照射によるナノ結晶の成長反応の促進、及び水素ガスの生成の促進の観点から、例えば、水の全体積を基準として、15mg/L以下が好ましく、12mg/L以下がより好ましく、10mg/L以下がさらに好ましい。水中の溶存酸素の濃度の下限値は、例えば、8.0mg/Lであってよい。 The concentration of dissolved oxygen in water is not particularly limited. The concentration of dissolved oxygen in water is preferably 15 mg / L or less, preferably 12 mg / L, based on, for example, the total volume of water, from the viewpoint of promoting the growth reaction of nanocrystals by light irradiation and promoting the production of hydrogen gas. The following is more preferable, and 10 mg / L or less is further preferable. The lower limit of the concentration of dissolved oxygen in water may be, for example, 8.0 mg / L.

水中の溶存酸素の濃度は、例えば、(株)堀場製作所製のpHメーター(LAQUAact、ポータブル型pHメーター・水質計)によって測定してよい。 The concentration of dissolved oxygen in water may be measured, for example, with a pH meter (LAQUAact, portable pH meter / water quality meter) manufactured by HORIBA, Ltd.

水の温度は、特に制限されない。水の温度は、水の凝固及び蒸発の防止、並びに金属材料の腐食を防止する観点から、例えば、0~80℃が好ましく、2~75℃がより好ましく、5~70℃が更に好ましい。 The temperature of water is not particularly limited. The temperature of water is preferably, for example, 0 to 80 ° C, more preferably 2 to 75 ° C, still more preferably 5 to 70 ° C, from the viewpoint of preventing solidification and evaporation of water and corrosion of metal materials.

(水素ガスの生成機構についての補足)
本実施形態においてナノ結晶(酸化物又は水酸化物)に伴い水素が生成する反応の機構は必ずしも解明されていない。本発明者らは、水素の生成反応機構の一つが、ナノ結晶自身が光触媒として機能する光触媒反応である、と考える。ただし、本実施形態において、ナノ結晶による光触媒反応は支配的な反応ではなく、上記のとおり、水酸化物及び酸化物の生成に伴って水及び水素が生成する反応が支配的な反応である、と本発明者らは考える。以下では、反応機構が比較的判明している光触媒反応について説明する。なお、以下では、酸化物が鉄酸化物であり、水酸化物が鉄水酸化物である場合の光触媒反応について説明する。ただし、以下に説明する光触媒反応は、酸化物が鉄酸化物でない場合、水酸化物が鉄水酸化物でない場合にも成立する。
(Supplementary information on hydrogen gas generation mechanism)
In this embodiment, the mechanism of the reaction in which hydrogen is generated with nanocrystals (oxide or hydroxide) has not always been elucidated. The present inventors consider that one of the hydrogen production reaction mechanisms is a photocatalytic reaction in which the nanocrystal itself functions as a photocatalyst. However, in the present embodiment, the photocatalytic reaction by nanocrystals is not a dominant reaction, but as described above, the reaction in which water and hydrogen are generated with the formation of hydroxides and oxides is the dominant reaction. The present inventors think. In the following, a photocatalytic reaction whose reaction mechanism is relatively known will be described. In the following, the photocatalytic reaction when the oxide is an iron oxide and the hydroxide is an iron hydroxide will be described. However, the photocatalytic reaction described below is also established when the oxide is not an iron oxide and the hydroxide is not an iron hydroxide.

本実施形態においてナノ結晶と共に水素ガスが生成する反応は、二酸化チタン(TiO)等の光触媒を用いた水の光分解反応とは異なる。二酸化チタンによる光触媒反応において水素ガスが生成する反応は以下のとおりである。二酸化チタンのバンドギャップEgは、3.2eVである。したがって、水中に浸された二酸化チタンに、二酸化チタンのバンドギャップに相当するエネルギーを有する380nm以下の波長の光を照射することにより、二酸化チタンが光を吸収する。その結果、電子と正孔とが励起される。正孔は水を酸化して、下記反応式(13)に示すとおり、酸素ガスを生じる。電子は水素イオン(H)を還元して、下記反応式(14)に示すとおり、水素ガスを生じる。光触媒反応では、水の光分解により、水素ガスのみならず酸素ガスが生成される。
O+2h→0.5O+2H (13)
2H+2e→H (14)
In the present embodiment, the reaction in which hydrogen gas is generated together with nanocrystals is different from the photodecomposition reaction of water using a photocatalyst such as titanium dioxide (TiO 2 ). The reaction that hydrogen gas is generated in the photocatalytic reaction with titanium dioxide is as follows. The bandgap Eg of titanium dioxide is 3.2 eV. Therefore, by irradiating the titanium dioxide immersed in water with light having an energy corresponding to the band gap of titanium dioxide and having a wavelength of 380 nm or less, the titanium dioxide absorbs the light. As a result, electrons and holes are excited. The holes oxidize water to produce oxygen gas as shown in the reaction equation (13) below. The electrons reduce hydrogen ions (H + ) to generate hydrogen gas as shown in the following reaction formula (14). In the photocatalytic reaction, not only hydrogen gas but also oxygen gas is generated by photodecomposition of water.
H 2 O + 2h + → 0.5O 2 + 2H + (13)
2H + + 2e- → H 2 (14)

上記の二酸化チタンによる光触媒反応では、水素発生電位を基準(ゼロ)としたときに、二酸化チタンの伝導帯のエネルギー準位が負であり、2:1のモル比(化学量論比)で水素ガス及び酸素ガスが発生する。対照的に、ナノ結晶(鉄酸化物又は鉄水酸化物)による光触媒反応では、ナノ結晶の伝導帯のエネルギー準位が正であり、発生するガスにおける水素及び酸素のモル比は、必ずしも化学量論比を満足しない。上記ナノ結晶による光触媒反応において水素ガスが生成する反応のメカニズムは以下のとおりである、と本発明者らは推測する。 In the above photocatalytic reaction with titanium dioxide, the energy level of the conduction band of titanium dioxide is negative when the hydrogen generation potential is used as a reference (zero), and hydrogen is hydrogen at a molar ratio of 2: 1 (chemical quantity theory ratio). Gas and oxygen gas are generated. In contrast, in photocatalytic reactions with nanocrystals (iron oxides or iron hydroxides), the energy level of the conduction band of the nanocrystals is positive, and the molar ratio of hydrogen and oxygen in the generated gas is not necessarily the chemical amount. I'm not satisfied with the argument. The present inventors speculate that the mechanism of the reaction in which hydrogen gas is generated in the photocatalytic reaction using the nanocrystals is as follows.

ナノ結晶に、鉄酸化物又は鉄水酸化物のバンドギャップに相当するエネルギーを有する光を照射することにより、鉄酸化物又は鉄水酸化物が光を吸収する。例えば、鉄酸化物が酸化鉄(Fe)の場合、バンドギャップEgは2.2eVであり、当該バンドギャップに相当するエネルギーを有する光の波長は563nm以下である。鉄酸化物又は鉄水酸化物が光を吸収すると、電子と正孔とが励起される。正孔は、水を酸化して、上記反応式(13)に示すとおり、酸素ガスを生じる。電子は、水素イオンを還元して、上記反応式(14)に示すとおり、水素ガスを生じる。By irradiating the nanocrystals with light having an energy corresponding to the band gap of iron oxide or iron hydroxide, the iron oxide or iron hydroxide absorbs the light. For example, when the iron oxide is iron oxide (Fe 2 O 3 ), the bandgap Eg is 2.2 eV, and the wavelength of light having energy corresponding to the bandgap is 563 nm or less. When iron oxide or iron hydroxide absorbs light, electrons and holes are excited. The holes oxidize water to produce oxygen gas, as shown in reaction equation (13) above. The electrons reduce hydrogen ions to generate hydrogen gas as shown in the above reaction formula (14).

ここで、光触媒反応において、水素イオンが電子によって還元されて水素ガスを生じる反応が起こるためには、光触媒のバンドギャップが大きく、水素発生電位を基準(ゼロ)としたときに、光触媒の伝導帯のエネルギー準位が負であるという条件を満たす必要がある。二酸化チタンは、この条件を満たしているものの、二酸化チタンの伝導帯のエネルギー準位は、水素発生電位に近い。また、二酸化チタンは、水素発生に対する触媒活性が低い。そのため、二酸化チタンを水分解の光触媒として実際に用いるためには、二酸化チタンの対極に白金(Pt)電極を設け、かつ、二酸化チタン側に負のバイアス電圧(例えば、-0.5V程度)を印加しなければならない場合がある。 Here, in the photocatalytic reaction, in order for a reaction in which hydrogen ions are reduced by electrons to generate hydrogen gas, the band gap of the photocatalyst is large and the conduction band of the photocatalyst is taken as a reference (zero). It is necessary to satisfy the condition that the energy level of is negative. Although titanium dioxide satisfies this condition, the energy level of the conduction band of titanium dioxide is close to the hydrogen generation potential. In addition, titanium dioxide has low catalytic activity for hydrogen generation. Therefore, in order to actually use titanium dioxide as a photocatalyst for water splitting, a platinum (Pt) electrode is provided at the counter electrode of titanium dioxide, and a negative bias voltage (for example, about -0.5 V) is applied to the titanium dioxide side. It may have to be applied.

一方、例えば、酸化鉄(Fe)からなるナノ結晶のバンドギャップは、二酸化チタンのバンドギャップよりも狭いので、二酸化チタンの場合よりも波長が長い光を用いることによって、ナノ結晶による光触媒反応が進行する。しかし、酸化鉄の伝導帯のエネルギー準位は、水素発生電位に対して正である。一般的には、光触媒の伝導帯のエネルギー準位が正である場合は、バイアス電圧なしでは水素が生成されないと考えられる。しかしながら、ナノ結晶による光触媒反応では、以下のように、バイアス電圧なしでも化学バイアスによって水素が生成される、と本発明者らは推測する。上述したとおり、水の放射線分解、又は水と正孔との反応によって生じた水酸化物イオンと、Fe3+との反応を経て、ナノ結晶の成長が起こる。そのため、特にナノ結晶の先端部では、水のpHが局所的にアルカリ側にシフトする。その結果、これが化学バイアスとなって、電子と正孔との電荷分離が効率的に進み、水素イオンが電子によって還元されて、水素ガスを生じる反応が促進する。On the other hand, for example, the bandgap of nanocrystals made of iron oxide (Fe 2 O 3 ) is narrower than the bandgap of titanium dioxide. The reaction proceeds. However, the energy level of the conduction band of iron oxide is positive with respect to the hydrogen generation potential. Generally, when the energy level of the conduction band of the photocatalyst is positive, it is considered that hydrogen is not produced without the bias voltage. However, we speculate that in the photocatalytic reaction with nanocrystals, hydrogen is produced by chemical bias even without a bias voltage, as described below. As described above, the growth of nanocrystals occurs through the reaction of hydroxide ions generated by the radiolysis of water or the reaction of water with holes with Fe 3+ . Therefore, the pH of water is locally shifted to the alkaline side, especially at the tip of the nanocrystal. As a result, this becomes a chemical bias, and charge separation between electrons and holes proceeds efficiently, hydrogen ions are reduced by electrons, and a reaction that produces hydrogen gas is promoted.

上記のナノ結晶による光触媒反応では、バイアス電圧の印加を必要とせず、可視光を用いて、ナノ結晶を形成しながら、水の光分解によって水素ガスを製造することができる。また、上記のナノ結晶による光触媒反応は、正極及び負極の2種類の電極を用いる必要がないこと、及び、可視光を利用して水素ガスを生成することが可能な点で、二酸化チタンによる光触媒反応に比べて工業的に優れる。 The photocatalytic reaction using the nanocrystals does not require the application of a bias voltage, and hydrogen gas can be produced by photodecomposition of water while forming nanocrystals using visible light. In addition, the photocatalytic reaction using nanocrystals described above does not require the use of two types of electrodes, a positive electrode and a negative electrode, and it is possible to generate hydrogen gas using visible light. Industrially superior to reaction.

一般的な水の光分解では、水素ガスの他に酸素ガスも生成するが、ナノ結晶による光触媒反応において生成するガスは、大部分が水素ガスであってよい。言い換えると、生成するガス中の水素の濃度は、水の分子式(HO)から化学量論的に算出される水素の濃度よりも大きくてよい。つまり、生成するガス中の水素の濃度は、ガスの全体積を基準として、66.7体積%より大きくてよい。生成するガス中の水素の濃度は、ガスに含まれる全成分のモル数の合計を基準として、66.7モル%より大きくてよい。ナノ結晶による光触媒反応において純度の高い水素ガスが得られるメカニズムは以下のとおりである、と本発明者らは推測する。ナノ結晶による光触媒反応では、上記のとおり、水と正孔との反応で酸素ガスが発生するが、酸素ガスが発生したとしても、酸素ガスと、水中でイオン化した鉄イオン(Fe2+又はFe3+)とが直接反応する。その結果、鉄酸化物(ナノ結晶)の成長が促進して、ガス中の酸素の濃度が低くなり、水素の濃度が高くなる。また、水中の溶解度は、水素ガスよりも酸素ガスの方が大きいことから、発生したガス中の水素ガスの濃度が高くなる。In general water photolysis, oxygen gas is also produced in addition to hydrogen gas, but most of the gas produced in the photocatalytic reaction by nanocrystals may be hydrogen gas. In other words, the concentration of hydrogen in the produced gas may be higher than the concentration of hydrogen stoichiometrically calculated from the molecular formula ( H2O ) of water. That is, the concentration of hydrogen in the generated gas may be larger than 66.7% by volume based on the total volume of the gas. The concentration of hydrogen in the produced gas may be greater than 66.7 mol% based on the total number of moles of all the components contained in the gas. The present inventors speculate that the mechanism for obtaining high-purity hydrogen gas in a photocatalytic reaction using nanocrystals is as follows. In the photocatalytic reaction using nanocrystals, as described above, oxygen gas is generated by the reaction between water and holes, but even if oxygen gas is generated, oxygen gas and iron ions (Fe 2+ or Fe 3+ ) ionized in water are generated. ) Reacts directly. As a result, the growth of iron oxides (nanocrystals) is promoted, the concentration of oxygen in the gas becomes low, and the concentration of hydrogen becomes high. Further, since the solubility of oxygen gas in water is higher than that of hydrogen gas, the concentration of hydrogen gas in the generated gas is high.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本発明の種々の変更が可能であり、これ等の変更例も本発明に含まれる。例えば、金属部材が、第1金属を含む第1部材と、第2金属を含む第2部材に加えて、第3金属を含む第3部材を有してもよい。つまり、金属部材が、3種類以上の部材(3種類以上の金属)を含んでいてもよい。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not necessarily limited to the above-described embodiment. Various modifications of the present invention can be made without departing from the spirit of the present invention, and examples of these modifications are also included in the present invention. For example, the metal member may have a first member containing the first metal, a second member containing the second metal, and a third member containing the third metal. That is, the metal member may include three or more types of members (three or more types of metal).

以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

<実施例1>
実施例1では、以下に示す方法により、金属部材を準備し、表面粗化工程及び光照射工程を行った。
<Example 1>
In Example 1, a metal member was prepared by the method shown below, and a surface roughening step and a light irradiation step were performed.

(第1部材及び第2部材)
純度が99.8質量%である亜鉛を圧延して、板状の第1部材を形成した。亜鉛(第1金属)の標準電極電位は、-2.00Vよりも高かった。第1部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。純度が99.9質量%である銅を圧延して、板状の第2部材を形成した。銅(第2金属)の標準電極電位は、-2.00Vよりも高かった。第2部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。
(1st member and 2nd member)
Zinc having a purity of 99.8% by mass was rolled to form a plate-shaped first member. The standard electrode potential of zinc (first metal) was higher than -2.00V. The dimensions of the first member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm. Copper having a purity of 99.9% by mass was rolled to form a plate-shaped second member. The standard electrode potential of copper (second metal) was higher than -2.00V. The dimensions of the second member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm.

(表面粗化工程)
次いで、以下に示す方法により、上記第1部材の表面に液中放電処理を行った。ガラス製の容器に、炭酸カリウム(KCO)の濃度が0.1mol/Lである炭酸カリウム水溶液を300mL収容した。炭酸カリウム水溶液中に、陰極及び陽極を液面から100mm以内の深さに配置した。陰極と陽極との間の距離は50mmであった。陰極としては、上記第1部材を用いた。陽極としては、網状の白金電極を用いた。白金電極の寸法は、40mm×550mmであった。白金電極の線幅は0.5mmであった。白金電極の電極面積内の白金線の長さは600mmであった。そして、セル電圧を120V、放電時間を10分間として、液中放電処理を行った。
なお、後述する実施例2~6、8~15及び全比較例の表面粗化工程は、実施例1の表面粗化工程と同じである。
(Surface roughening process)
Next, a liquid discharge treatment was performed on the surface of the first member by the method shown below. In a glass container, 300 mL of an aqueous potassium carbonate solution having a concentration of potassium carbonate (K 2 CO 3 ) of 0.1 mol / L was contained. The cathode and anode were placed in an aqueous potassium carbonate solution at a depth within 100 mm from the liquid surface. The distance between the cathode and the anode was 50 mm. As the cathode, the above-mentioned first member was used. A net-like platinum electrode was used as the anode. The dimensions of the platinum electrode were 40 mm × 550 mm. The line width of the platinum electrode was 0.5 mm. The length of the platinum wire in the electrode area of the platinum electrode was 600 mm. Then, the liquid discharge treatment was performed with the cell voltage set to 120 V and the discharge time set to 10 minutes.
The surface roughening steps of Examples 2 to 6, 8 to 15 and all the comparative examples described later are the same as the surface roughening steps of Example 1.

表面粗化工程後の第1部材の表面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。走査型電子顕微鏡としては、日本電子(株)製のJSM-7001Fを用いた。その結果、第1部材の表面には、凹凸が多数形成されていた。凸部の底辺の大きさは、平均5nmであった。 The surface of the first member after the surface roughening step was observed using a scanning electron microscope. As the scanning electron microscope, JSM-7001F manufactured by JEOL Ltd. was used. As a result, a large number of irregularities were formed on the surface of the first member. The size of the base of the convex portion was 5 nm on average.

上記と同様の方法により、上記第2部材の表面に液中放電処理を行った。表面粗化工程後の第2部材の表面を、上記走査型電子顕微鏡を用いて観察した。その結果、第2部材の表面には、凹凸が多数形成されていた。凸部の底辺の大きさは、平均5nmであった。 A liquid discharge treatment was performed on the surface of the second member by the same method as described above. The surface of the second member after the surface roughening step was observed using the scanning electron microscope. As a result, a large number of irregularities were formed on the surface of the second member. The size of the base of the convex portion was 5 nm on average.

(金属部材)
以下に示す方法により、表面粗化工程後の第1部材と、表面粗化工程後の第2部材とを電気的に接続して、金属部材を作製した。図5に示すように、第1部材と第2部材とをクロス状に配置して直接接触させた。第1部材と第2部材との接触部に銅ワイヤーを巻きつけて、第1部材及び第2部材を固定した。銅ワイヤーの純度は、99.9質量%であった。銅ワイヤーの直径は、0.5mmであった。
(Metal member)
A metal member was produced by electrically connecting the first member after the surface roughening step and the second member after the surface roughening step by the method shown below. As shown in FIG. 5, the first member and the second member were arranged in a cross shape and brought into direct contact with each other. A copper wire was wound around the contact portion between the first member and the second member to fix the first member and the second member. The purity of the copper wire was 99.9% by mass. The diameter of the copper wire was 0.5 mm.

(光照射工程)
次いで、以下に示す方法により、光照射工程を行った。ガラス製の容器に純水を入れ、金属部材を純水に浸漬した。純水のpH及び電気伝導度をpHメーターで測定した。pHメーターとしては、(株)堀場製作所製のLAQUAact(ポータブル型pHメーター・水質計)を用いた。純水のpHは、7.0であり、純水の電気伝導度は、1.0μS/cm以下であった。上記容器にプラスチック製の蓋をして容器を密閉した。
(Light irradiation process)
Then, the light irradiation step was performed by the method shown below. Pure water was put into a glass container, and the metal member was immersed in pure water. The pH and electrical conductivity of pure water were measured with a pH meter. As the pH meter, LAQUAact (portable pH meter / water quality meter) manufactured by HORIBA, Ltd. was used. The pH of pure water was 7.0, and the electrical conductivity of pure water was 1.0 μS / cm or less. The container was sealed with a plastic lid.

図1に示すように、金属部材、容器及び光源を配置し、水中の金属部材の表面に光を照射した。つまり、金属部材の表面に垂直な方向から、金属部材の表面に光を照射した。光源としては、キセノンランプを用いた。キセノンランプとしては、浜松ホトニクス(株)社製のスポット光源(LightningCureLC8)を用いた。キセノンランプに専用の光学フィルターを取り付けて光の波長範囲を400~600nmに設定した。金属部材の表面に光を48時間照射した。光の出力は、280Wであった。光の分光スペクトルを分光放射計で測定した。分光放射計としては、Gentec-EO社製のSOLO 2を用いた。その結果、キセノンランプから発せられる光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長は360nm以上620nm未満であった。キセノンランプから発せられる光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長は、約493nmであった。光源から5cm離れた光照射位置での光の強度は、3025Wm-2であった。なお、光照射位置とは、金属部材の表面の位置と言い換えてよい。As shown in FIG. 1, a metal member, a container and a light source were arranged, and the surface of the metal member in water was irradiated with light. That is, the surface of the metal member was irradiated with light from the direction perpendicular to the surface of the metal member. A xenon lamp was used as the light source. As the xenon lamp, a spot light source (LightningCureLC8) manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. was used. A special optical filter was attached to the xenon lamp to set the wavelength range of light to 400 to 600 nm. The surface of the metal member was irradiated with light for 48 hours. The light output was 280 W. The spectral spectrum of light was measured with a spectroradiometer. As the spectroradiometer, SOLO 2 manufactured by Gentec-EO was used. As a result, in the spectrum of the light emitted from the xenon lamp, the wavelength having the maximum intensity was 360 nm or more and less than 620 nm. In the spectrum of light emitted from a xenon lamp, the wavelength with the highest intensity was about 493 nm. The light intensity at the light irradiation position 5 cm away from the light source was 3025 Wm -2 . The light irradiation position may be rephrased as the position on the surface of the metal member.

<実施例2>
実施例2では、実施例1と同様の金属部材を準備した。次いで、以下の点を除いては、実施例1と同様にして、光照射工程を行った。実施例2の光照射工程では、光照射時間を72時間とした。
<Example 2>
In Example 2, the same metal member as in Example 1 was prepared. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 1 except for the following points. In the light irradiation step of Example 2, the light irradiation time was set to 72 hours.

<実施例3>
実施例3では、実施例2と同様の金属部材を準備した。次いで、以下の点を除いては、実施例2と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 3>
In Example 3, the same metal member as in Example 2 was prepared. Next, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 2 except for the following points.

実施例3の光照射工程では、光源としてキセノンランプを用いずに、擬似太陽光を金属部材の表面に照射した。擬似太陽光の光源としては、朝日分光(株)製のソーラーシミュレーター(HAL-320)を用いた。ソーラーシミュレーターはキセノンランプを用いたものである。ソーラーシミュレーターが発する擬似太陽光の波長範囲は、350~1100nmである。また、図2に示すように金属部材、容器及び光源を配置した。つまり、金属部材の表面に垂直な方向から、金属部材の表面に光を照射した。光の出力は300Wであった。光の分光スペクトルを上記分光放射計で測定した。その結果、擬似太陽光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長は360nm以上620nm未満であった。擬似太陽光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長は、約460nmであった。光源から60cm離れた光照射位置での光の強度は、1000W/mであった。In the light irradiation step of Example 3, pseudo-sunlight was irradiated on the surface of the metal member without using a xenon lamp as a light source. As a light source of pseudo-sunlight, a solar simulator (HAL-320) manufactured by Asahi Spectroscopy Co., Ltd. was used. The solar simulator uses a xenon lamp. The wavelength range of pseudo-sunlight emitted by the solar simulator is 350 to 1100 nm. Further, as shown in FIG. 2, a metal member, a container and a light source were arranged. That is, the surface of the metal member was irradiated with light from the direction perpendicular to the surface of the metal member. The light output was 300 W. The spectral spectrum of light was measured with the above spectroradiometer. As a result, in the spectrum of pseudo-sunlight, the wavelength having the maximum intensity was 360 nm or more and less than 620 nm. In the spectrum of pseudo-sunlight, the wavelength with the highest intensity was about 460 nm. The light intensity at the light irradiation position 60 cm away from the light source was 1000 W / m 2 .

<実施例4>
実施例4では、実施例2と同様の金属部材を準備した。次いで、以下の点を除いては、実施例2と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 4>
In Example 4, the same metal member as in Example 2 was prepared. Next, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 2 except for the following points.

実施例4の光照射工程では、光源としてキセノンランプを用いずに、太陽光を金属部材の表面に照射した。太陽光の波長範囲は、およそ300~3000nmである。太陽光の照射は、北緯43度の地域で、6月の晴天条件で、午前9時から午後3時までの間に行い、光照射の積算時間が72時間となるまで行った。光の分光スペクトルを上記分光放射計で測定した。その結果、太陽光スペクトルにおいて、強度が最大である波長は360nm以上620nm未満であった。太陽光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長は、約520nmであった。光照射位置での光の強度は、平均750W/mであった。In the light irradiation step of Example 4, sunlight was irradiated to the surface of the metal member without using a xenon lamp as a light source. The wavelength range of sunlight is approximately 300-3000 nm. The sunlight was irradiated from 9:00 am to 3:00 pm in the area of 43 degrees north latitude under fine weather conditions in June until the total time of light irradiation was 72 hours. The spectral spectrum of light was measured with the above spectroradiometer. As a result, in the sunlight spectrum, the wavelength having the maximum intensity was 360 nm or more and less than 620 nm. In the spectrum of sunlight, the wavelength with the highest intensity was about 520 nm. The light intensity at the light irradiation position was 750 W / m 2 on average.

<実施例5>
実施例5では、実施例3と同様の金属部材を準備した。次いで、以下の点を除いては、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 5>
In Example 5, the same metal member as in Example 3 was prepared. Next, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3 except for the following points.

実施例5の光照射工程では、純水の代わりに、河川水を用いた。河川水のpH及び電気伝導度を上記pHメーターで測定した。その結果、河川水のpHは、7.5であり、河川水の電気伝導度は、350μS/cmであった。 In the light irradiation step of Example 5, river water was used instead of pure water. The pH and electrical conductivity of river water were measured with the above pH meter. As a result, the pH of the river water was 7.5, and the electric conductivity of the river water was 350 μS / cm.

<実施例6>
実施例6では、実施例3と同様の金属部材を準備した。次いで、以下の点を除いては、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 6>
In Example 6, the same metal member as in Example 3 was prepared. Next, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3 except for the following points.

実施例6の光照射工程では、純水の代わりに、海水を用いた。海水のpH及び電気伝導度を上記pHメーターで測定した。その結果、海水のpHは、8.2であり、海水の電気伝導度は、55000μS/cmであった。 In the light irradiation step of Example 6, seawater was used instead of pure water. The pH and electrical conductivity of seawater were measured with the above pH meter. As a result, the pH of the seawater was 8.2, and the electrical conductivity of the seawater was 55,000 μS / cm.

<実施例7>
実施例7では、実施例3と同様の第1部材、及び実施例3と同様の第2部材を準備した。次いで、下記の表面粗化工程を行った。次いで、実施例3と同様にして、金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 7>
In Example 7, the same first member as in Example 3 and the same second member as in Example 3 were prepared. Then, the following surface roughening step was performed. Next, a metal member was prepared in the same manner as in Example 3. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(表面粗化工程)
以下に示す方法により、第1部材の表面を研磨紙で研磨した。まず、水に浸された第1部材の表面を#400の耐水研磨紙で研磨し、続いて、#800の耐水研磨紙で第1部材の表面を研磨した。耐水研磨紙としては、藤本科学(株)製の研磨紙を用いた。表面粗化工程後の第1部材の表面を、上記走査型電子顕微鏡を用いて観察した。その結果、第1部材の表面には、凹凸が多数形成されていた。隣り合う凸部同士の間隔は、平均13μmであった。
(Surface roughening process)
The surface of the first member was polished with abrasive paper by the method shown below. First, the surface of the first member immersed in water was polished with # 400 water-resistant abrasive paper, and then the surface of the first member was polished with # 800 water-resistant abrasive paper. As the water-resistant polishing paper, a polishing paper manufactured by Fujimoto Kagaku Co., Ltd. was used. The surface of the first member after the surface roughening step was observed using the scanning electron microscope. As a result, a large number of irregularities were formed on the surface of the first member. The distance between adjacent convex portions was 13 μm on average.

上記と同様の方法により、第2部材の表面を研磨紙で研磨した。表面粗化工程後の第2部材の表面を、上記走査型電子顕微鏡を用いて観察した。その結果、第2部材の表面には、凹凸が多数形成されていた。隣り合う凸部同士の間隔は、平均13μmであった。 The surface of the second member was polished with abrasive paper by the same method as described above. The surface of the second member after the surface roughening step was observed using the scanning electron microscope. As a result, a large number of irregularities were formed on the surface of the second member. The distance between adjacent convex portions was 13 μm on average.

<実施例8>
実施例8では、実施例3と同様の第1部材、及び実施例3と同様の第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、下記の金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 8>
In Example 8, the same first member as in Example 3 and the same second member as in Example 3 were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, the following metal members were prepared. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(金属部材)
以下に示す方法により、表面粗化工程後の第1部材と、表面粗化工程後の第2部材とを電気的に接続して、金属部材を作製した。図5に示すように、第1部材と第2部材とをクロス状に配置して直接接触させた。第1部材と第2部材との接触部にタコ糸を巻きつけて、第1部材及び第2部材を固定した。タコ糸は、非導電性の綿製の糸であった。タコ糸の直径は、0.5mmであった。
(Metal member)
A metal member was produced by electrically connecting the first member after the surface roughening step and the second member after the surface roughening step by the method shown below. As shown in FIG. 5, the first member and the second member were arranged in a cross shape and brought into direct contact with each other. An octopus thread was wound around the contact portion between the first member and the second member to fix the first member and the second member. The octopus thread was a non-conductive cotton thread. The diameter of the octopus thread was 0.5 mm.

<実施例9>
実施例9では、実施例3と同様の第1部材、及び実施例3と同様の第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、下記の金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 9>
In Example 9, the same first member as in Example 3 and the same second member as in Example 3 were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, the following metal members were prepared. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(金属部材)
以下に示す方法により、表面粗化工程後の第1部材と、表面粗化工程後の第2部材とを電気的に接続して、金属部材を作製した。図3に示すように、第1部材と第2部材とを横並びに配置して直接接触させた。第1部材及び第2部材の全体の上部及び下部の2箇所に銅ワイヤーを巻きつけて、第1部材及び第2部材を固定した。銅ワイヤーの純度は、99.9質量%であった。銅ワイヤーの直径は、0.025mmであった。
(Metal member)
A metal member was produced by electrically connecting the first member after the surface roughening step and the second member after the surface roughening step by the method shown below. As shown in FIG. 3, the first member and the second member are arranged side by side and brought into direct contact with each other. Copper wires were wound around the upper part and the lower part of the whole of the first member and the second member to fix the first member and the second member. The purity of the copper wire was 99.9% by mass. The diameter of the copper wire was 0.025 mm.

<実施例10>
実施例10では、実施例3と同様の第1部材、及び実施例3と同様の第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、下記の金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 10>
In Example 10, the same first member as in Example 3 and the same second member as in Example 3 were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, the following metal members were prepared. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(金属部材)
以下に示す方法により、表面粗化工程後の第1部材と、表面粗化工程後の第2部材とを銅ワイヤーを介して電気的に接続して、金属部材を作製した。図7に示すように、銅ワイヤーの一方の端部と第1部材とを半田を介して接続した。また、銅ワイヤーの他方の端部と第2部材とを半田を介して接続した。上記接続の際には、半田を280℃の温度で溶融した。半田は、Snを96.5質量%と、Agを3.0質量%と、Cuを0.5質量%とを含むSn-Ag-Cu系棒半田であった。銅ワイヤーの純度は、99.9質量%であった。銅ワイヤーの直径は、0.5mmであった。
(Metal member)
A metal member was produced by electrically connecting the first member after the surface roughening step and the second member after the surface roughening step via a copper wire by the method shown below. As shown in FIG. 7, one end of the copper wire and the first member were connected via solder. Further, the other end of the copper wire and the second member were connected via solder. During the above connection, the solder was melted at a temperature of 280 ° C. The solder was a Sn-Ag-Cu-based rod solder containing 96.5% by mass of Sn, 3.0% by mass of Ag, and 0.5% by mass of Cu. The purity of the copper wire was 99.9% by mass. The diameter of the copper wire was 0.5 mm.

<実施例11>
実施例11では、下記の第1部材及び第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、実施例3と同様にして、金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 11>
In Example 11, the following first member and second member were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, a metal member was prepared in the same manner as in Example 3. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(第1部材及び第2部材)
純度が99.8質量%である亜鉛を圧延して、板状の第1部材を形成した。第1部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。純度が99.9質量%であるタングステンを加工して、板状の第2部材を形成した。タングステン(第2金属)の標準電極電位は、-2.00Vよりも高かった。タングステンの加工は、放電加工により行った。第2部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。
(1st member and 2nd member)
Zinc having a purity of 99.8% by mass was rolled to form a plate-shaped first member. The dimensions of the first member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm. Tungsten having a purity of 99.9% by mass was processed to form a plate-shaped second member. The standard electrode potential of tungsten (second metal) was higher than -2.00V. Tungsten was processed by electric discharge machining. The dimensions of the second member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm.

<実施例12>
実施例12では、下記の第1部材及び第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、実施例3と同様にして、金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 12>
In Example 12, the following first member and second member were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, a metal member was prepared in the same manner as in Example 3. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(第1部材及び第2部材)
純度が99.8質量%である亜鉛を圧延して、板状の第1部材を形成した。第1部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。純度が99.5質量%であるニッケルを圧延して、板状の第2部材を形成した。ニッケル(第2金属)の標準電極電位は、-2.00Vよりも高かった。第2部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。
(1st member and 2nd member)
Zinc having a purity of 99.8% by mass was rolled to form a plate-shaped first member. The dimensions of the first member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm. Nickel having a purity of 99.5% by mass was rolled to form a plate-shaped second member. The standard electrode potential of nickel (second metal) was higher than -2.00V. The dimensions of the second member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm.

<実施例13>
実施例13では、下記の第1部材及び第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、実施例3と同様にして、金属部材を準備した。
<Example 13>
In Example 13, the following first member and second member were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, a metal member was prepared in the same manner as in Example 3.

(第1部材及び第2部材)
純度が99.5質量%であるチタンを加工して、板状の第1部材を形成した。チタンの加工は、放電加工により行った。チタン(第1金属)の標準電極電位は、-2.00Vよりも高かった。第1部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。純度が99.9質量%であるタングステンを加工して、板状の第2部材を形成した。タングステンの加工は、放電加工により行った。第2部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。
(1st member and 2nd member)
Titanium having a purity of 99.5% by mass was processed to form a plate-shaped first member. Titanium was processed by electric discharge machining. The standard electrode potential of titanium (first metal) was higher than -2.00V. The dimensions of the first member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm. Tungsten having a purity of 99.9% by mass was processed to form a plate-shaped second member. Tungsten was processed by electric discharge machining. The dimensions of the second member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm.

次いで、以下の点を除いては、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。実施例13の光照射工程では、純水の代わりに、水道水を用いた。水道水のpH及び電気伝導度を上記pHメーターで測定した。その結果、水道水のpHは、8.2であり、水道水の電気伝導度は、150μS/cmであった。 Next, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3 except for the following points. In the light irradiation step of Example 13, tap water was used instead of pure water. The pH and electrical conductivity of tap water were measured with the above pH meter. As a result, the pH of tap water was 8.2, and the electrical conductivity of tap water was 150 μS / cm.

<実施例14>
実施例14では、実施例2と同様の第1部材、及び実施例2と同様の第2部材を準備した。次いで、実施例2と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、下記の金属部材を準備した。次いで、実施例2と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 14>
In Example 14, the same first member as in Example 2 and the same second member as in Example 2 were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 2. Next, the following metal members were prepared. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 2.

(金属部材)
以下に示す方法により、表面粗化工程後の第1部材と、表面粗化工程後の第2部材とをろう材を介して電気的に接続して、金属部材を作製した。図5に示すように、第1部材と第2部材とをクロス状に配置した。第1部材と第2部材との間にはリン銅ろうを配置した。リン銅ろうは、93質量%の銅と、7質量%のリンとを含んでいた。第1部材、第2部材及びリン銅ろうの全体を750℃の真空炉内で加熱し、ろう材を完全に溶融させて、第1部材と第2部材とを固定した。
(Metal member)
By the method shown below, the first member after the surface roughening step and the second member after the surface roughening step were electrically connected via a brazing material to prepare a metal member. As shown in FIG. 5, the first member and the second member are arranged in a cross shape. Phosphor bronze brazing was placed between the first member and the second member. Phosphor bronze wax contained 93% by weight of copper and 7% by weight of phosphorus. The first member, the second member, and the entire phosphor bronze wax were heated in a vacuum furnace at 750 ° C. to completely melt the brazing material, and the first member and the second member were fixed.

<実施例15>
実施例15では、下記の第1部材及び第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、実施例3と同様にして、金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Example 15>
In Example 15, the following first member and second member were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, a metal member was prepared in the same manner as in Example 3. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(第1部材及び第2部材)
純度が99.8質量%である亜鉛を圧延して、板状の第1部材を形成した。第1部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。銅とニッケルの合金を圧延して、板状の第2部材を形成した。銅とニッケルの合金は、銅を75.0質量%と、ニッケルを25.0質量%とを含んでいた。銅とニッケルの合金(第1金属)の標準電極電位Vは、下記式(A)により求められる。下記式(A)において、VCuは、銅の標準電極電位である。CCuは、合金に含まれる銅の質量比である。VNiは、ニッケルの標準電極電位である。CNiは、合金に含まれるニッケルの質量比である。下記式(A)により求めたVは、0.325Vであり、-2.00Vよりも高かった。第2部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。
=(VCu×CCu)+(VNi×CNi) (A)
(1st member and 2nd member)
Zinc having a purity of 99.8% by mass was rolled to form a plate-shaped first member. The dimensions of the first member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm. A copper-nickel alloy was rolled to form a plate-shaped second member. The copper-nickel alloy contained 75.0% by weight of copper and 25.0% by weight of nickel. The standard electrode potential VA of the copper-nickel alloy (first metal) is obtained by the following formula (A). In the following formula (A), V Cu is the standard electrode potential of copper. C Cu is the mass ratio of copper contained in the alloy. V Ni is the standard electrode potential of nickel. C Ni is the mass ratio of nickel contained in the alloy. The VA obtained by the following formula ( A ) was 0.325V, which was higher than -2.00V. The dimensions of the second member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm.
V A = (V Cu x C Cu ) + (V Ni x C Ni ) (A)

<比較例1>
比較例1では、実施例1と同様の金属部材を準備した。次いで、ガラス製の容器に純水を入れ、金属部材を純水に浸漬した。純水のpH及び電気伝導度を上記pHメーターで測定した。その結果、純水のpHは、7.0であり、純水の電気伝導度は、1.0μS/cm以下であった。上記容器にプラスチック製の蓋をして容器を密閉し、48時間保持した。比較例1では、光照射工程を行わなかった。
<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, the same metal member as in Example 1 was prepared. Next, pure water was put into a glass container, and the metal member was immersed in pure water. The pH and electrical conductivity of pure water were measured with the above pH meter. As a result, the pH of pure water was 7.0, and the electrical conductivity of pure water was 1.0 μS / cm or less. The container was covered with a plastic lid, the container was sealed, and the container was held for 48 hours. In Comparative Example 1, the light irradiation step was not performed.

<比較例2>
比較例2では、実施例3と同様の金属部材を準備した。次いで、以下の点を除いては、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Comparative Example 2>
In Comparative Example 2, the same metal member as in Example 3 was prepared. Next, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3 except for the following points.

比較例2の光照射工程では、純水の代わりに、アセトンを用いた。アセトンとしては、和光純薬工業(株)製のアセトン(純度99.5質量%)を用いた。 In the light irradiation step of Comparative Example 2, acetone was used instead of pure water. As acetone, acetone (purity 99.5% by mass) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used.

<比較例3>
比較例3では、実施例3と同様の第1部材、及び実施例3と同様の第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、以下の点を除いては、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Comparative Example 3>
In Comparative Example 3, a first member similar to that of Example 3 and a second member similar to that of Example 3 were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3 except for the following points.

比較例3の光照射工程では、表面粗化工程後の第1部材と、表面粗化工程後の第2部材とを電気的に接続せず、隔離した状態で純水中に浸漬した。 In the light irradiation step of Comparative Example 3, the first member after the surface roughening step and the second member after the surface roughening step were not electrically connected and were immersed in pure water in an isolated state.

<比較例4>
比較例4では、下記の第1部材及び第2部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、表面粗化工程を行った。次いで、実施例3と同様にして、金属部材を準備した。次いで、実施例3と同様にして、光照射工程を行った。
<Comparative Example 4>
In Comparative Example 4, the following first member and second member were prepared. Then, the surface roughening step was performed in the same manner as in Example 3. Next, a metal member was prepared in the same manner as in Example 3. Then, the light irradiation step was performed in the same manner as in Example 3.

(第1部材及び第2部材)
純度が99.5質量%であるマグネシウムを圧延して、板状の第1部材を形成した。第1部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。マグネシウム(第1金属)の標準電極電位は、-2.00Vよりも低かった。純度が99.8質量%である亜鉛を圧延して、板状の第2部材を形成した。第2部材の寸法は、50mm×10mm×0.5mmであった。
(1st member and 2nd member)
Magnesium having a purity of 99.5% by mass was rolled to form a plate-shaped first member. The dimensions of the first member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm. The standard electrode potential of magnesium (first metal) was lower than -2.00V. Zinc having a purity of 99.8% by mass was rolled to form a plate-shaped second member. The dimensions of the second member were 50 mm × 10 mm × 0.5 mm.

実施例1~15及び比較例1~4の第1部材、第2部材、接続材料、第1部材及び第2部材の配置、水、並びに光照射条件を表3に示す。 Table 3 shows the first member, the second member, the connecting material, the arrangement of the first member and the second member, the water, and the light irradiation conditions of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 to 4.

Figure 0007029126000003
Figure 0007029126000003

<評価>
(結晶相)
実施例1~15及び比較例2~4それぞれの光照射工程後の第1部材の表面を個別にX線回折(XRD)法により分析して、第1部材の表面に生成した主な結晶相を特定した。比較例1では、金属部材を表3に示す時間にわたって水中に保持した後に、第1部材の表面をX線回折(XRD)法により分析して、第1部材の表面に生成した主な結晶相を特定した。XRD分析では、X線回折装置を用いて、Cu-Kα線を第1部材の表面に照射した。XRD分析の測定条件は下記のとおりであった。X線回折装置としては、(株)リガク製のATG-G(粉末X線回折)を用いた。上記と同様の方法により、第2部材の表面に生成した主な結晶層を特定した。検出された主な結晶相を表4に示す。
出力:50kV-300mA
スキャン速度:4.0°/分
測定モード:θ-2θ
回折角度:10~60°
<Evaluation>
(Crystal phase)
The surface of the first member after each of the light irradiation steps of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 2 to 4 was individually analyzed by the X-ray diffraction (XRD) method, and the main crystal phase generated on the surface of the first member. Was identified. In Comparative Example 1, after holding the metal member in water for the time shown in Table 3, the surface of the first member was analyzed by an X-ray diffraction (XRD) method, and the main crystal phase formed on the surface of the first member was formed. Was identified. In the XRD analysis, the surface of the first member was irradiated with Cu—Kα rays using an X-ray diffractometer. The measurement conditions for the XRD analysis were as follows. As the X-ray diffractometer, ATG-G (powder X-ray diffraction) manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used. By the same method as above, the main crystal layer formed on the surface of the second member was identified. The main crystal phases detected are shown in Table 4.
Output: 50kV-300mA
Scan speed: 4.0 ° / min Measurement mode: θ-2θ
Diffraction angle: 10-60 °

(ナノ結晶の有無及び形状)
実施例1~15及び比較例2~4それぞれの光照射工程後の金属部材の表面を個別に上記走査型電子顕微鏡で観察して、ナノ結晶の有無を調べた。比較例1では、金属部材を表3に示す時間にわたって水中に保持した後に、金属部材の表面を上記走査型電子顕微鏡で観察して、ナノ結晶の有無を調べた。また、ナノ結晶が形成されていた場合には、ナノ結晶の形状を評価した。さらに、上記走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析(EDX)による点分析により、金属部材の表面に生成した微細組織の元素分析を行った。
(Presence / absence and shape of nanocrystals)
The surfaces of the metal members after the light irradiation steps of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 2 to 4 were individually observed with the scanning electron microscope to check for the presence or absence of nanocrystals. In Comparative Example 1, after holding the metal member in water for the time shown in Table 3, the surface of the metal member was observed with the scanning electron microscope to check for the presence or absence of nanocrystals. When nanocrystals were formed, the shape of the nanocrystals was evaluated. Furthermore, elemental analysis of the microstructure generated on the surface of the metal member was performed by point analysis by energy dispersive X-ray analysis (EDX) attached to the scanning electron microscope.

実施例1~15の金属部材の表面には、図14及び15に示されるようなロッド状のナノ結晶が多く観察された。実施例1~10、14及び15では、第1部材が亜鉛であり、第2部材が銅又は銅合金であった。その結果、第1部材の表面にはZn(OH)のナノ結晶が多く生成し、第2部材の表面にはZnOのナノ結晶が多く生成した。また、第1部材の表面にはZnOが生成したものの、その量は少なかった。実施例1~10、14及び15では、通常の腐食又はSPSCにより、第1部材の表面にZnOが生成した後、光照射による腐食(上記反応式(11)に示す反応)により、ZnOからZnイオン(Zn2+)が溶け出したと考えられる。一方、第2部材の表面にZnOのナノ結晶が多く生成した理由は以下のとおりである、と本発明者らは考える。第1部材の表面に生成したZnOから溶け出したZn2+が、第2部材に到達する。また、第1部材の表面に生成したZn(OH)と水酸化物イオンとの反応により生じた[Zn(OH)2-も、第2部材に到達する。その結果、第2部材の表面に再びZn(OH)が生成する。その後、SPSCにより、第2部材の表面に形成されたZn(OH)がZnO(ナノ結晶)に変化し、ZnOが成長したと考えられる。実施例11及び12でも、第2部材の表面にZnOが多く生成した。実施例11及び12でも、上記と同様の反応が起こったと考えられる。また、実施例13では、第2部材の表面にTiOが多く生成した。第1部材がチタンである場合も、第1部材が亜鉛である場合と同様のメカニズムにより、第2部材の表面にTiOが多く生成したと考えられる。Many rod-shaped nanocrystals as shown in FIGS. 14 and 15 were observed on the surfaces of the metal members of Examples 1 to 15. In Examples 1-10, 14 and 15, the first member was zinc and the second member was copper or a copper alloy. As a result, many Zn (OH) 2 nanocrystals were generated on the surface of the first member, and many ZnO nanocrystals were generated on the surface of the second member. Further, although ZnO was generated on the surface of the first member, the amount thereof was small. In Examples 1 to 10, 14 and 15, ZnO is generated on the surface of the first member by normal corrosion or SPSC, and then ZnO is converted to Zn by corrosion by light irradiation (reaction shown in the above reaction formula (11)). It is probable that the ions (Zn 2+ ) have melted out. On the other hand, the present inventors consider that the reason why many ZnO nanocrystals are generated on the surface of the second member is as follows. Zn 2+ melted from ZnO generated on the surface of the first member reaches the second member. Further, [Zn (OH) 4 ] 2- generated by the reaction between Zn (OH) 2 generated on the surface of the first member and hydroxide ion also reaches the second member. As a result, Zn (OH) 2 is generated again on the surface of the second member. After that, it is considered that Zn (OH) 2 formed on the surface of the second member was changed to ZnO (nanocrystals) by SPSC, and ZnO grew. Also in Examples 11 and 12, a large amount of ZnO was generated on the surface of the second member. It is considered that the same reaction as described above occurred in Examples 11 and 12. Further, in Example 13, a large amount of TiO 2 was generated on the surface of the second member. Even when the first member is titanium, it is considered that a large amount of TiO 2 is generated on the surface of the second member by the same mechanism as when the first member is zinc.

金属部材の表面に生成した微細組織の観察及びEDX分析から、以下のことがわかった。実施例1~10及び14の第2部材の表面に生成したZnO(n型層)は、CuO及びCuOの少なくとも一方(p型層)に接していた。実施例11の第2部材の表面に生成したZnO(n型層)は、WO(p型層)に接していた。実施例12の第2部材の表面に生成したZnO(n型層)は、NiO(p型層)に接していた。実施例13の第2部材の表面に生成したTiOは、WOに接していた。実施例15の第2部材の表面に生成したZnO(n型層)は、CuO、CuO及びNiOのうち少なくとも一つ(p型層)に接していた。つまり、実施例1~15では、ナノ結晶が形成されるとともに、pn接合層が形成された。From the observation of the microstructure generated on the surface of the metal member and the EDX analysis, the following was found. The ZnO (n-type layer) formed on the surface of the second member of Examples 1 to 10 and 14 was in contact with at least one of Cu 2 O and Cu O (p-type layer). The ZnO (n-type layer) generated on the surface of the second member of Example 11 was in contact with WO 3 (p-type layer). The ZnO (n-type layer) formed on the surface of the second member of Example 12 was in contact with the NiO (p-type layer). The TiO 2 generated on the surface of the second member of Example 13 was in contact with WO 3 . The ZnO (n-type layer) formed on the surface of the second member of Example 15 was in contact with at least one of Cu 2O , CuO and NiO (p-type layer). That is, in Examples 1 to 15, nanocrystals were formed and a pn junction layer was formed.

比較例1及び2それぞれの金属部材の表面には、ナノ結晶は形成されていなかった。比較例1及び2では、表4に示す酸化物又は水酸化物が金属部材の表面を一様に被覆していた。 No nanocrystals were formed on the surfaces of the metal members of Comparative Examples 1 and 2. In Comparative Examples 1 and 2, the oxide or hydroxide shown in Table 4 uniformly covered the surface of the metal member.

比較例3では、第1部材の表面にZn(OH)の酸化被膜が多く形成され、第2部材の表面にCu(OH)の酸化被膜が多く形成された。また、金属部材の表面においてZnOのナノ結晶はほとんど確認されなかった。比較例3では、第1部材と第2部材とが電気的に接続していないため、第1部材及び第2部材それぞれの表面近傍において、SPSCに基づく反応が個別に行われた。しかし、ガルバニック腐食、及びp型半導体とn型半導体との電気的な接続による電子の移動が起こらなかった。その結果、第1部材からのZnの溶解、及び、水酸化物イオン(OH)の生成が減少し、ナノ結晶がほとんど生成しなかったと考えられる。In Comparative Example 3, a large amount of Zn (OH) 2 oxide film was formed on the surface of the first member, and a large amount of Cu (OH) 2 oxide film was formed on the surface of the second member. In addition, almost no ZnO nanocrystals were confirmed on the surface of the metal member. In Comparative Example 3, since the first member and the second member are not electrically connected, the reaction based on SPSC was individually performed in the vicinity of the surface of each of the first member and the second member. However, galvanic corrosion and electron transfer due to electrical connection between the p-type semiconductor and the n-type semiconductor did not occur. As a result, it is considered that the dissolution of Zn from the first member and the production of hydroxide ion (OH ) were reduced, and almost no nanocrystals were produced.

比較例4では、第1部材の表面にナノ結晶でないMg(OH)が多く形成され、第2部材の表面にZn(OH)の酸化被膜が多く形成された。また、金属部材の表面においてZnOのナノ結晶はほとんど確認されなかった。マグネシウムの標準電極電位は-2.00Vよりも低い。第1部材がマグネシウムであることで、マグネシウムと水との直接的な反応が進行した。その結果、第1部材において、Mg(OH)の生成が進んだと考えられる。なお、第1部材の表面では、熱力学的にMgOがわずかに生成していた。しかし、MgOのバンドギャップは、7.8eVであり、高い。よって、MgOは絶縁体とみなせる。したがって、第1部材と第2部材とが電気的に接続されていたにもかかわらず、電子の移動は実質的に起こらなかった。その結果、第1部材及び第2部材それぞれの表面近傍において、SPSCに基づく反応が個別に行われたため、比較例3と同様に、ZnOのナノ結晶がほとんど生成しなかったと考えられる。In Comparative Example 4, a large amount of non-nanocrystal Mg (OH) 2 was formed on the surface of the first member, and a large amount of an oxide film of Zn (OH) 2 was formed on the surface of the second member. In addition, almost no ZnO nanocrystals were confirmed on the surface of the metal member. The standard electrode potential of magnesium is lower than -2.00V. Since the first member was magnesium, the direct reaction between magnesium and water proceeded. As a result, it is considered that the production of Mg (OH) 2 has progressed in the first member. On the surface of the first member, a small amount of MgO was thermodynamically generated. However, the band gap of MgO is 7.8 eV, which is high. Therefore, MgO can be regarded as an insulator. Therefore, even though the first member and the second member were electrically connected, the movement of electrons did not substantially occur. As a result, it is considered that ZnO nanocrystals were hardly generated as in Comparative Example 3 because the SPSC-based reactions were individually performed in the vicinity of the surfaces of the first member and the second member.

(ガスの分析)
実施例1~15及び比較例2~4それぞれの光照射工程において容器内部にガスが生成したか否かを個別に目視で確認した。つまり、実施例1~15及び比較例2~4それぞれの光照射工程後の容器の上部に気泡が溜まっているか否かを個別に目視で確認した。比較例1では、金属部材を表3に示す時間にわたって水中に保持した後に、容器内部にガスが生成したか否かを目視で確認した。容器内部にガスが生成している場合は、生成ガスの体積を目視で測定した。また、ガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)法により、生成ガスに含まれる成分の種類及び濃度を測定した。ガスクロマトグラフィー質量分析では、ガスクロマトグラフを用いて、キャリアーガスとしてアルゴンと、サンプルとをシリンジに入れて測定した。ガスクロマトグラフとしては、(株)島津製作所製のGC-14Bを用いた。生成ガスの体積としては、金属部材の表面の光照射面積あたりの値(単位:cc/cm)を算出した。また、使用前の金属部材及び水に窒素が含まれておらず、かつ、分析したガス中に窒素ガスが含まれている場合は、上述した方法により、空気に由来する窒素及び酸素の体積が生成ガスの総体積から除外されるように、生成した水素ガスの濃度を補正した。
(Analysis of gas)
Whether or not gas was generated inside the container in each of the light irradiation steps of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 2 to 4 was visually confirmed individually. That is, it was individually visually confirmed whether or not air bubbles were accumulated in the upper part of the container after the light irradiation steps of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 2 to 4. In Comparative Example 1, after holding the metal member in water for the time shown in Table 3, it was visually confirmed whether or not gas was generated inside the container. When gas was generated inside the container, the volume of the generated gas was visually measured. In addition, the type and concentration of the components contained in the produced gas were measured by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). In gas chromatography-mass spectrometry, a gas chromatograph was used to measure argon as a carrier gas and a sample in a syringe. As the gas chromatograph, GC-14B manufactured by Shimadzu Corporation was used. As the volume of the generated gas, a value (unit: cc / cm 2 ) per light irradiation area on the surface of the metal member was calculated. If the metal member and water before use do not contain nitrogen and the analyzed gas contains nitrogen gas, the volume of nitrogen and oxygen derived from air can be increased by the above method. The concentration of the produced hydrogen gas was corrected so that it was excluded from the total volume of the produced gas.

実施例1~15並びに比較例3及び4では、光照射工程後の容器にガスが溜まっていることが目視で確認された。実施例1~15並びに比較例3及び4の生成ガスの体積を表4に示す。一方、比較例1及び2では、ガスは生成していなかった。ガスクロマトグラフィー質量分析の結果、実施例1~15並びに比較例3及び4それぞれのガスから、水素ガス(H)、窒素ガス(N)、及び酸素ガス(O)が検出された。また、実施例1~15並びに比較例3及び4それぞれのガスでは、水素ガス(H)が支配的であることが分かった。In Examples 1 to 15 and Comparative Examples 3 and 4, it was visually confirmed that gas was accumulated in the container after the light irradiation step. Table 4 shows the volumes of the produced gases of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 3 and 4. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, no gas was generated. As a result of gas chromatography-mass spectrometry, hydrogen gas (H 2 ), nitrogen gas (N 2 ), and oxygen gas (O 2 ) were detected from the gases of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 3 and 4, respectively. Further, it was found that hydrogen gas (H2) is dominant in each of the gases of Examples 1 to 15 and Comparative Examples 3 and 4.

ガスクロマトグラフィー質量分析法により、実施例2の光照射工程において生成したガスを分析した。実施例2の生成ガスでは、水素ガス(H):酸素ガス(O):窒素ガス(N)は、体積比率で、52:1:3であった。実施例2では、使用前の金属部材及び水中には窒素は含まれていなかった。したがって、ガスクロマトグラフィー質量分析で検出された窒素ガスは、分析中の空気の混入によるものと考えられる。ガスクロマトグラフィー質量分析法により空気のみを分析したところ、空気では、酸素ガス:窒素ガスは、体積比率で、2:7であった。この結果に基づき、上述した方法により、補正後の水素ガスの濃度(単位:体積%)を算出した。実施例2の水素ガスの濃度は、99.7体積%であった。実施例1及び3~15並びに比較例3及び4においても、実施例2と同様にして、補正後の水素ガスの濃度を算出した。実施例1~15並びに比較例3及び4の水素ガスの濃度を表4に示す。The gas produced in the light irradiation step of Example 2 was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry. In the produced gas of Example 2, the volume ratio of hydrogen gas (H 2 ): oxygen gas (O 2 ): nitrogen gas (N 2 ) was 52: 1: 3. In Example 2, nitrogen was not contained in the metal member and water before use. Therefore, it is considered that the nitrogen gas detected by gas chromatography-mass spectrometry is due to the mixing of air during the analysis. When only air was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry, the volume ratio of oxygen gas: nitrogen gas was 2: 7 in air. Based on this result, the corrected hydrogen gas concentration (unit: volume%) was calculated by the above-mentioned method. The concentration of hydrogen gas in Example 2 was 99.7% by volume. In Examples 1 and 3 to 15 and Comparative Examples 3 and 4, the corrected hydrogen gas concentration was calculated in the same manner as in Example 2. Table 4 shows the concentrations of hydrogen gas in Examples 1 to 15 and Comparative Examples 3 and 4.

表4に示すように、実施例1~15では、光照射面積あたりの生成ガスの体積は1cc/cmを超えており、かつ、高濃度の水素ガスが生成していることが分かった。また、表4に示すように、第1部材の組成、第2部材の組成、水のpH又は電気伝導度によって、生成ガスの体積に差が生じる傾向が見られた。ここで、実施例3で生成したガスの体積は、実施例7で生成したガスの体積に比べて多いことが分かった。実施例3と実施例7とでは、第1部材の表面及び第2部材の表面に対する表面粗化工程の方法が異なるだけである。実施例3の生成ガスの体積が実施例7の生成ガスの体積に比べて多い理由は以下のとおりである、と本発明者らは考える。実施例3の液中放電処理によって形成された第1部材の表面の凹凸は、実施例7の研磨により形成された第1部材の表面の凹凸に比べて、より微細である。また、実施例3の液中放電処理によって形成された第2部材の表面の凹凸は、実施例7の研磨により形成された第2部材の表面の凹凸に比べて、より微細である。そのため、実施例3の金属部材の表面に生成したナノ結晶の先端部での電子密度が高くなり、ナノ結晶の先端部に水和電子が多く生成する。その結果、水酸化物イオンの生成と、それに次ぐナノ結晶の形成、及び水素ガスの生成がより促進される。As shown in Table 4, in Examples 1 to 15, it was found that the volume of the produced gas per light irradiation area exceeded 1 cc / cm 2 , and high-concentration hydrogen gas was produced. Further, as shown in Table 4, there was a tendency for the volume of the produced gas to differ depending on the composition of the first member, the composition of the second member, the pH of water or the electrical conductivity. Here, it was found that the volume of the gas produced in Example 3 was larger than the volume of the gas produced in Example 7. The third and seventh embodiments differ only in the method of the surface roughening step for the surface of the first member and the surface of the second member. The present inventors consider that the reason why the volume of the produced gas of Example 3 is larger than the volume of the produced gas of Example 7 is as follows. The unevenness of the surface of the first member formed by the submerged discharge treatment of Example 3 is finer than the unevenness of the surface of the first member formed by the polishing of Example 7. Further, the unevenness of the surface of the second member formed by the submerged discharge treatment of Example 3 is finer than the unevenness of the surface of the second member formed by the polishing of Example 7. Therefore, the electron density at the tip of the nanocrystal generated on the surface of the metal member of Example 3 becomes high, and a large amount of hydrated electrons are generated at the tip of the nanocrystal. As a result, the production of hydroxide ions, the formation of subsequent nanocrystals, and the production of hydrogen gas are further promoted.

比較例1では、ガスが生成していなかった。また、比較例1では、上述したように、金属部材の表面にナノ結晶が形成されなかった。以上のことから、比較例1の金属部材の表面には、水中で金属部材が錆びたことにより、水酸化物が支配的に形成されていたため、光照射工程においてガスが生成しなかったと考えられる。 In Comparative Example 1, no gas was generated. Further, in Comparative Example 1, as described above, nanocrystals were not formed on the surface of the metal member. From the above, it is considered that no gas was generated in the light irradiation step because hydroxides were predominantly formed on the surface of the metal member of Comparative Example 1 due to the rusting of the metal member in water. ..

比較例2では、金属部材を水ではなくアセトンに浸漬したため、水酸化物イオンが存在せず、ナノ結晶が形成されなかった。その結果、光照射工程においてガスが生成しなかったと考えられる。アセトンでは、光を照射しても水の放射線分解が生じず、解離している水酸化物イオンも存在していない。 In Comparative Example 2, since the metal member was immersed in acetone instead of water, hydroxide ions did not exist and nanocrystals were not formed. As a result, it is considered that gas was not generated in the light irradiation step. With acetone, no radiolysis of water occurs even when irradiated with light, and there are no dissociated hydroxide ions.

比較例3の水素ガスの濃度は高かった。しかし、比較例3の生成ガスの体積は、実施例1~15の生成ガスの体積に比べて大幅に小さかった。比較例3では、第1部材と第2部材とを電気的に接続していないため、ガルバニック腐食が起こらず、第1部材からの第1金属のイオンの溶け出しが抑制されたと考えられる。また、比較例3では、第1部材の表面にZnOの酸化物半導体がわずかに形成された。しかし、ZnOのバンドギャップは大きいため、光触媒反応により得られる電子の量が少なかった。その結果、上記反応式(3)に示す水酸化物イオン(OH)の生成量が少なくなり、SPSCによるナノ結晶の生成と、それに次ぐ水素ガスの生成とが著しく抑制されたと考えられる。The concentration of hydrogen gas in Comparative Example 3 was high. However, the volume of the produced gas of Comparative Example 3 was significantly smaller than the volume of the produced gas of Examples 1 to 15. In Comparative Example 3, since the first member and the second member are not electrically connected, it is considered that galvanic corrosion does not occur and the leaching of the ions of the first metal from the first member is suppressed. Further, in Comparative Example 3, a ZnO oxide semiconductor was slightly formed on the surface of the first member. However, since the band gap of ZnO is large, the amount of electrons obtained by the photocatalytic reaction is small. As a result, it is considered that the amount of hydroxide ion (OH ) produced in the above reaction formula (3) was reduced, and the production of nanocrystals by SPSC and the subsequent production of hydrogen gas were significantly suppressed.

比較例4の生成ガスの体積は、実施例1~15の生成ガスの体積に比べて大きかった。比較例4では、第1部材であるマグネシウムの標準電極電位が低すぎたため、マグネシウムと水とが直接反応した。その結果、水酸化マグネシウムが生成し、それと同時に副産物として水素ガスが生成したことにより、生成ガスの体積が大きかったと考えられる。しかしながら、比較例4の水素ガスの濃度は、90.0体積%であり、実施例1~15の水素ガスの濃度に比べて低かった。比較例4の水素ガスの濃度が低い理由は以下のとおりである、と本発明者らは考える。マグネシウムと水とが反応して水素ガスを生成する反応は、光照射に依らない。つまり、比較例4の金属部材を水に浸漬した直後に水素ガスが発生する。このため、金属部材を水中に浸漬した後、容器を水で満たしながら密閉することが困難であり、容器に蓋をする際に空気が混入する傾向にある。容器内への空気の混入は、特にpHの低い酸性水溶液を用いた場合、及び工業的に大面積化した金属部材を用いる場合に大きな課題になり得る。さらに、比較例4では、光照射の開始からおよそ5時間にわたり水素が発生し続けた。しかし、5時間経過した後は、水素が発生しなかった。比較例4では、マグネシウムと水とが反応して生成した水酸化マグネシウムが不動態被膜として作用し、それ以降の水素ガスの発生が事実上停止した。そのため、比較例4では、水素ガスが発生した時間が短かったと考えられる。金属部材の表面に水酸化マグネシウムのような不動態膜が形成される場合、水素ガスの精製及び回収を工業的に所望の時間継続することが困難である。 The volume of the produced gas of Comparative Example 4 was larger than the volume of the produced gas of Examples 1 to 15. In Comparative Example 4, since the standard electrode potential of magnesium, which is the first member, was too low, magnesium and water reacted directly. As a result, magnesium hydroxide was produced, and at the same time, hydrogen gas was generated as a by-product, so that it is considered that the volume of the produced gas was large. However, the concentration of hydrogen gas in Comparative Example 4 was 90.0% by volume, which was lower than the concentration of hydrogen gas in Examples 1 to 15. The present inventors consider that the reason why the concentration of hydrogen gas in Comparative Example 4 is low is as follows. The reaction between magnesium and water to produce hydrogen gas does not depend on light irradiation. That is, hydrogen gas is generated immediately after the metal member of Comparative Example 4 is immersed in water. Therefore, after immersing the metal member in water, it is difficult to seal the container while filling it with water, and air tends to be mixed when the container is covered. Mixing air into the container can be a major problem, especially when an acidic aqueous solution having a low pH is used and when an industrially large area metal member is used. Further, in Comparative Example 4, hydrogen continued to be generated for about 5 hours from the start of light irradiation. However, after 5 hours, no hydrogen was generated. In Comparative Example 4, magnesium hydroxide produced by the reaction of magnesium and water acted as a passivation film, and the subsequent generation of hydrogen gas was substantially stopped. Therefore, in Comparative Example 4, it is considered that the time during which hydrogen gas was generated was short. When a passivation film such as magnesium hydroxide is formed on the surface of the metal member, it is difficult to continue the purification and recovery of hydrogen gas for an industrially desired time.

Figure 0007029126000004
Figure 0007029126000004

本発明によれば、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含むナノ結晶を簡便に形成できるナノ結晶の製造方法、及び当該ナノ結晶の製造方法を利用した半導体デバイスの製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a method for producing nanocrystals capable of easily forming nanocrystals containing at least one of oxides and hydroxides, and a method for producing semiconductor devices using the method for producing nanocrystals. can do.

2…水、6a,6b…容器、8a,8b…容器本体、10a,10b…蓋体、12…ランプ(光源)、22a,22b…第1部材、24…第2部材、26…接続材料、28…導電材料、30…金属ワイヤー、32…ろう材、100,110,120,130,140…金属部材、L…光。 2 ... water, 6a, 6b ... container, 8a, 8b ... container body, 10a, 10b ... lid, 12 ... lamp (light source), 22a, 22b ... first member, 24 ... second member, 26 ... connection material, 28 ... Conductive material, 30 ... Metal wire, 32 ... Wax material, 100, 110, 120, 130, 140 ... Metal member, L ... Light.

Claims (29)

水中に浸された金属部材の表面に光を照射して、ナノ結晶を前記金属部材の表面上に形成する光照射工程を備え、
前記金属部材が、
第1金属を含む第1部材と、
第2金属を含む第2部材と、
を有し、
前記第1金属は、前記第2金属と異なる金属であり、
前記第1金属の標準電極電位が-2.00Vよりも高く、
前記第2金属の標準電極電位が-2.00Vよりも高く、
前記第1部材と前記第2部材とが電気的に接続されており、
前記ナノ結晶が、酸化物及び水酸化物のうち少なくともいずれか一種を含み、
前記酸化物が、前記第1金属及び前記第2金属のうち少なくともいずれか一方の酸化物であり、
前記水酸化物が、前記第1金属及び前記第2金属のうち少なくともいずれか一方の水酸化物である、
ナノ結晶の製造方法。
A light irradiation step of irradiating the surface of a metal member immersed in water with light to form nanocrystals on the surface of the metal member is provided.
The metal member
The first member containing the first metal and
The second member containing the second metal and
Have,
The first metal is a metal different from the second metal,
The standard electrode potential of the first metal is higher than -2.00V,
The standard electrode potential of the second metal is higher than -2.00V,
The first member and the second member are electrically connected to each other.
The nanocrystals contain at least one of oxides and hydroxides.
The oxide is an oxide of at least one of the first metal and the second metal.
The hydroxide is a hydroxide of at least one of the first metal and the second metal.
Manufacturing method of nanocrystals.
前記金属部材が合金を含む、
請求項1に記載のナノ結晶の製造方法。
The metal member contains an alloy,
The method for producing nanocrystals according to claim 1.
前記第1部材における前記第1金属の含有率が、前記第1部材の全質量を基準として、10.0~100.0質量%であり、
前記第2部材における前記第2金属の含有率が、前記第2部材の全質量を基準として、10.0~100.0質量%である、
請求項1又は2に記載のナノ結晶の製造方法。
The content of the first metal in the first member is 10.0 to 100.0% by mass with respect to the total mass of the first member.
The content of the second metal in the second member is 10.0 to 100.0% by mass with respect to the total mass of the second member.
The method for producing nanocrystals according to claim 1 or 2.
前記光照射工程の前に、前記金属部材の表面を粗化する表面粗化工程を更に備える、
請求項1~3のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
Prior to the light irradiation step, a surface roughening step of roughening the surface of the metal member is further provided.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 3.
前記表面粗化工程が、機械加工、化学処理又は液中放電処理により行われる、
請求項4に記載のナノ結晶の製造方法。
The surface roughening step is performed by machining, chemical treatment, or submerged discharge treatment.
The method for producing nanocrystals according to claim 4.
前記第1部材と前記第2部材とが直接接触している、
請求項1~5のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The first member and the second member are in direct contact with each other.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 5.
前記第1部材と前記第2部材とが溶接されている、
請求項1~6のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The first member and the second member are welded to each other.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 6.
前記金属部材が導電材料を更に有し、
前記第1部材と前記第2部材とが前記導電材料を介して接続されている、
請求項1~7のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The metal member further has a conductive material and
The first member and the second member are connected via the conductive material.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 7.
前記導電材料が、銅、銀、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、錫、又は鉛を含む配線材料、及びろう材からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項8に記載のナノ結晶の製造方法。
The conductive material is at least one selected from the group consisting of wiring materials containing copper, silver, gold, platinum, aluminum, chromium, nickel, iron, tin, or lead, and brazing materials.
The method for producing nanocrystals according to claim 8.
前記光が、太陽光又は擬似太陽光である、
請求項1~9のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The light is sunlight or pseudo-sunlight.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 9.
前記光のスペクトルにおいて、強度が最大である波長が360nm以上620nm未満である、
請求項1~10のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
In the spectrum of light, the wavelength having the maximum intensity is 360 nm or more and less than 620 nm.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 10.
前記水が、純水、イオン交換水、雨水、水道水、河川水、井戸水、ろ過水、蒸留水、逆浸透水、泉水、湧水、ダム水及び海水からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項1~11のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The water is at least one selected from the group consisting of pure water, ion-exchanged water, rainwater, tap water, river water, well water, filtered water, distilled water, back-penetration water, spring water, spring water, dam water and seawater. be,
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 11.
前記水のpHが、5.00~10.0である、
請求項1~12のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The pH of the water is 5.00 to 10.0.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 12.
前記水の電気伝導度が、0.05~1.0μS/cmである、
請求項1~13のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The electric conductivity of the water is 0.05 to 1.0 μS / cm.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 13.
前記ナノ結晶の形状が、針状、柱状、ロッド状、チューブ状、燐片状、塊状、フラワー状、ヒトデ状、枝状及び凸形状からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項1~14のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The shape of the nanocrystal is at least one selected from the group consisting of needle-like, columnar, rod-like, tube-like, lint-like, lump-like, flower-like, starfish-like, branch-like and convex-like.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 14.
前記光照射工程において、水素を含むガスが生成される、
請求項1~15のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
In the light irradiation step, a gas containing hydrogen is generated.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 15.
前記ガス中における酸素のモル数が、前記水素のモル数の0倍以上1/2倍未満である、
請求項16に記載のナノ結晶の製造方法。
The number of moles of oxygen in the gas is 0 times or more and less than 1/2 times the number of moles of hydrogen.
The method for producing nanocrystals according to claim 16.
前記ナノ結晶を前記金属部材の表面から除去して回収する工程を更に備える、
請求項1~17のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
Further comprising a step of removing and recovering the nanocrystals from the surface of the metal member.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 17.
前記第2金属の標準電極電位が、前記第1金属の標準電極電位よりも高い、
請求項1~18のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The standard electrode potential of the second metal is higher than the standard electrode potential of the first metal.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 18.
前記水中に、前記第1部材の表面から前記第1金属のヒドロキソ錯イオンが生成する、
請求項19に記載のナノ結晶の製造方法。
Hydroxocomplex ions of the first metal are generated from the surface of the first member in the water.
The method for producing nanocrystals according to claim 19.
前記酸化物及び前記水酸化物のうち少なくともいずれか一種が半導体である、
請求項1~20のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
At least one of the oxide and the hydroxide is a semiconductor.
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 1 to 20.
前記半導体が、前記ナノ結晶を含む、
請求項21に記載のナノ結晶の製造方法。
The semiconductor contains the nanocrystals.
The method for producing nanocrystals according to claim 21.
前記半導体が、p型半導体及びn型半導体のうち少なくともいずれか一方を含む、
請求項21又は22に記載のナノ結晶の製造方法。
The semiconductor includes at least one of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor.
The method for producing nanocrystals according to claim 21 or 22.
前記n型半導体が、前記第1金属を含む酸化物であり、
前記p型半導体が、前記第2金属を含む酸化物である、
請求項23に記載のナノ結晶の製造方法。
The n-type semiconductor is an oxide containing the first metal.
The p-type semiconductor is an oxide containing the second metal.
The method for producing nanocrystals according to claim 23.
前記p型半導体が、酸化銅(I)、酸化銅(II)、酸化銀(I)、酸化ニッケル(II)、酸化鉄(III)、酸化タングステン(VI)及び酸化錫(II)からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項23又24に記載のナノ結晶の製造方法。
The p-type semiconductor is a group consisting of copper (I) oxide, copper (II) oxide, silver (I) oxide, nickel (II) oxide, iron (III) oxide, tungsten oxide (VI) and tin (II) oxide. At least one of the more selected,
The method for producing nanocrystals according to claim 23 or 24.
前記n型半導体が、酸化鉄(III)、酸化インジウム(III)、酸化タングステン(VI)、酸化鉛(II)、酸化バナジウム(V)、酸化ニオブ(III)、酸化チタン(IV)、酸化亜鉛(II)、酸化錫(IV)、酸化アルミニウム(III)及び酸化ジルコニウム(IV)からなる群より選択される少なくとも一種である、
請求項23~25のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法。
The n-type semiconductor includes iron (III) oxide, indium (III) oxide, tungsten oxide (VI), lead (II) oxide, vanadium (V) oxide, niobium (III) oxide, titanium (IV) oxide, and zinc oxide. (II), at least one selected from the group consisting of tin oxide (IV), aluminum oxide (III) and zirconium oxide (IV).
The method for producing nanocrystals according to any one of claims 23 to 25.
請求項23~26のいずれか一項に記載のナノ結晶の製造方法を用いて半導体デバイスを製造する方法であって、
前記p型半導体を含むp型層を前記第2部材の表面上に形成し、かつ前記n型半導体を含むn型層を前記p型層の表面上に形成することにより、前記p型層及び前記n型層を含むpn接合層を得る、
半導体デバイスの製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device by using the method for manufacturing nanocrystals according to any one of claims 23 to 26.
By forming the p-type layer containing the p-type semiconductor on the surface of the second member and forming the n-type layer containing the n-type semiconductor on the surface of the p-type layer, the p-type layer and A pn junction layer containing the n-type layer is obtained.
Manufacturing method of semiconductor device.
前記p型半導体が、酸化銅(I)及び酸化銅(II)のうち少なくともいずれか一方であり、
前記n型半導体が、酸化亜鉛(II)である、
請求項27に記載の半導体デバイスの製造方法。
The p-type semiconductor is at least one of copper (I) oxide and copper (II) oxide.
The n-type semiconductor is zinc oxide (II).
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 27.
前記pn接合層に前記光を照射することにより、光起電力を生じさせる、
請求項27又は28に記載の半導体デバイスの製造方法。
By irradiating the pn junction layer with the light, a photovoltaic power is generated.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 27 or 28.
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EP3508448A4 (en) * 2016-09-01 2020-01-15 Hitachi Chemical Company, Ltd. Hydrogen gas production method, and steel production method
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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