JP7475839B2 - Method for the synthesis of zinc-containing nanoparticles - Google Patents

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Description

本発明は、ウルツ鉱構造のナノ粒子とその製造方法に関し、特に亜鉛以外の元素の導入率を高めたナノ粒子に関する。 The present invention relates to nanoparticles with a wurtzite structure and a method for producing the same, and in particular to nanoparticles with an increased incorporation rate of elements other than zinc.

酸化亜鉛(ZnO)やその混晶組成のナノ粒子は、可視から紫外にエネルギーギャップを持つため、太陽電池やガス・化学・生体センサ等のオプトエレクトロニクス材料として有望な材料である。さらに、ZnOナノ粒子に元素を添加することで、光学特性だけでなく、電気的特性、磁気特性、触媒効果などを大きく変えることができ、様々な分野で応用が期待されている。 Zinc oxide (ZnO) and nanoparticles of its mixed crystal composition have an energy gap from the visible to the ultraviolet, making them promising optoelectronic materials for solar cells and gas, chemical, and biological sensors. Furthermore, by adding elements to ZnO nanoparticles, it is possible to significantly change not only their optical properties, but also their electrical properties, magnetic properties, catalytic effects, and other properties, and applications in a variety of fields are expected.

亜鉛ナノ粒子などの金属ナノ粒子の製造方法としては、金属錯体等の金属材料を液相で熱分解して合成する方法(熱分解法、錯体熱分解法とも言われる)が一般的であり、熱分解法により一種以上の金属を含むナノ粒子の合成方法も提案されている(特許文献1)。 The most common method for producing metal nanoparticles such as zinc nanoparticles is to synthesize metal materials such as metal complexes by thermal decomposition in a liquid phase (also called the thermal decomposition method or complex thermal decomposition method), and a method for synthesizing nanoparticles containing one or more metals by thermal decomposition has also been proposed (Patent Document 1).

しかし、ZnOナノ粒子は、非混和性が高いため添加元素を粒子結晶内に均一に混合することが困難である。すなわち、ZnO1-x結晶は、熱力学的な安定性からO及びSを均一に含む結晶とすることが非常に困難であることが理論的に示されおり、1000K以下の温度においては、ZnO結晶に対するSの固溶限界は2%以下、同様にZnSに対するOの固溶限界は2%以下、と予測されている。従って、一般的な熱分解法による合成では、均一で高いO組成或いはS組成を持つZnO1-xナノ粒子を製造することは困難であり、x=0.02以下のZnO1-xとx=0.98のZnO1-xの二つの相に分離される。 However, since ZnO nanoparticles are highly immiscible, it is difficult to uniformly mix the additive elements into the particle crystals. That is, it has been theoretically shown that it is very difficult to make ZnO 1-x S x crystals into crystals that uniformly contain O and S due to thermodynamic stability, and it is predicted that at temperatures below 1000K, the solid solubility limit of S in ZnO crystals is 2% or less, and similarly, the solid solubility limit of O in ZnS is 2% or less. Therefore, in synthesis by a general thermal decomposition method, it is difficult to manufacture ZnO 1-x S x nanoparticles having a uniform and high O composition or S composition, and they are separated into two phases, ZnO 1-x S x with x = 0.02 or less and ZnO 1-x S x with x = 0.98.

特許文献1には、反応系に塩基を導入することにより、GaをドープしたZnOナノ粒子を合成する技術が開示されているが、Gaドープ量はたかだか2.4原子%である(段落050)。
また非特許文献1には、異なる結晶系であるMnO(ロックソルト型)とZnO(ウルツ鉱型)との三元化合物(MnZn1-xO)では、Mnの割合(x)が0.6を越えると理論的にウルツ鉱型の構造を安定的に保てないことが報告されている。さらに、三元化合物の酸素の一部を硫黄に置換した四元系では、ロックソルト型結晶(MnO)と、ウルツ鉱型結晶(ZnO)及び閃亜鉛鉱型結晶(ZnS)との混晶が生成しやすくなるため、単一のウルツ鉱型結晶を製造することは困難である。
Patent Document 1 discloses a technique for synthesizing Ga-doped ZnO nanoparticles by introducing a base into a reaction system, but the amount of Ga doping is at most 2.4 atomic % (paragraph 050).
Also, Non-Patent Document 1 reports that in a ternary compound (Mn x Zn 1-x O) of MnO (rocksalt type) and ZnO (wurtzite type), which are different crystal systems, the wurtzite structure cannot theoretically be stably maintained if the ratio (x) of Mn exceeds 0.6. Furthermore, in a quaternary system in which part of the oxygen in the ternary compound is replaced with sulfur, mixed crystals of rocksalt type crystals (MnO), wurtzite type crystals (ZnO) and zinc blende type crystals (ZnS) tend to be generated, making it difficult to produce a single wurtzite type crystal.

一方、非特許文献2には、非混和性の高いナノ粒子の混和性が、その粒子サイズを小さくすることによって高められことが報告されている。非特許文献1では、LiFePO等のナノ粒子の数学的モデルを用いて、異なる相間の混和ギャップが粒子サイズを小さくすることにより縮むことを理論的に示している。 On the other hand, Non-Patent Document 2 reports that the miscibility of highly immiscible nanoparticles can be increased by reducing their particle size. Non-Patent Document 1 theoretically shows, using a mathematical model of nanoparticles such as LiFePO4 , that the miscibility gap between different phases is reduced by reducing the particle size.

特開2015-78109号公報JP 2015-78109 A

「Novel phaze diagram behavior and materials design in hetrostructural semiconductor alloys」、Hoder et al., Science Advances 2017:3:e1700270"Novel phase diagram behavior and materials design in heterostructural semiconductor alloys," Hoder et al. , Science Advances 2017:3:e1700270 「Size-Dependent Spinodal and Miscibility Gaps for Intercalation in Nanoparticles」,Damian Burch, Nano Lett.,2009,9(11),3795"Size-Dependent Spinodal and Miscibility Gaps for Intercalation in Nanoparticles," Damian Burch, Nano Lett. , 2009,9(11),3795

しかし、現在、ナノ粒子の製造に広く用いられている熱分解法によりZnOナノ粒子を合成した場合、原料に用いる化合物の種類によってサイズに違いがあるものの、粒子サイズ(平均粒子径)は18nm~200nm程度であり、混和性を高められると考えられる10nm以下のナノ粒子を合成することはできない。 However, when ZnO nanoparticles are synthesized by the thermal decomposition method currently widely used to manufacture nanoparticles, the particle size (average particle diameter) is about 18 nm to 200 nm, although the size varies depending on the type of compound used as the raw material, and it is not possible to synthesize nanoparticles of 10 nm or less, which is thought to improve miscibility.

本発明は、従来の亜鉛含有ナノ粒子よりもサイズの小さい、具体的には10nm以下のナノ粒子を合成する方法を提供すること、亜鉛含有ナノ粒子を基本として、基本元素以外の元素を比較的高い割合で含む亜鉛含有ナノ粒子を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide a method for synthesizing nanoparticles smaller than conventional zinc-containing nanoparticles, specifically nanoparticles of 10 nm or less, and to provide zinc-containing nanoparticles that are based on zinc-containing nanoparticles and contain a relatively high proportion of elements other than the basic elements.

上記課題を解決するため、本発明者らは熱分解法を基本とする亜鉛含有ナノ粒子の合成の条件について鋭意研究し、特定の反応条件及び添加剤を用いることで、従来得ることができなかった10nm以下のナノ粒子を製造できること、また亜鉛及び酸素以外の元素の含有率が高く、均一性の高い亜鉛含有ナノ粒子を製造できることを見出し、本発明に至ったものである。 In order to solve the above problems, the inventors conducted extensive research into the conditions for synthesizing zinc-containing nanoparticles based on a thermal decomposition method, and discovered that by using specific reaction conditions and additives, it is possible to produce nanoparticles of 10 nm or less that were previously unobtainable, and that it is possible to produce zinc-containing nanoparticles that have a high content of elements other than zinc and oxygen and are highly uniform, which led to the present invention.

さらに本発明者らは、亜鉛と置換される元素を含む三元系あるいは四元系の亜鉛含有ナノ粒子について、置換元素の材料として、酸化亜鉛の結晶核が生成する初期の段階で結晶粒子の周囲に配位する材料を用いることにより、ウルツ鉱型の結晶系を保ちながら、亜鉛以外の元素の含有率が高い亜鉛含有ナノ粒子を製造できることを見出したものである。 Furthermore, the inventors have discovered that for ternary or quaternary zinc-containing nanoparticles containing an element that is substituted for zinc, by using a material that coordinates around the crystalline particles at the early stage of the formation of zinc oxide crystal nuclei as the material for the substitution element, it is possible to produce zinc-containing nanoparticles that have a high content of elements other than zinc while maintaining the wurtzite crystal system.

すなわち本発明の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法は、亜鉛を含む化合物を溶媒中で熱分解してウルツ鉱型結晶構造の亜鉛含有ナノ粒子を合成する方法であり、反応系に、添加剤として、ポリオール系材料及びステアリン酸エチレングリコール系材料の少なくとも1種からなる第一の添加剤と、反応中に前記亜鉛含有ナノ粒子の表面に配位し、粒子サイズを抑制する第二の添加剤とを添加する。反応は、亜鉛を含む化合物から粒子を形成する温度より低い第一の温度で反応を行い、粒子結晶の核を生成する第一のステップと、前記第一の温度より高い第二の温度で、反応を継続し亜鉛含有ナノ粒子を生成する第二のステップとを含む。第一のステップは減圧下で行い、第二のステップは大気圧下で行うことが好ましい。 That is, the method for synthesizing zinc-containing nanoparticles of the present invention is a method for synthesizing zinc-containing nanoparticles having a wurtzite crystal structure by thermally decomposing a zinc-containing compound in a solvent, and a first additive consisting of at least one of a polyol-based material and an ethylene glycol stearate-based material and a second additive that coordinates to the surface of the zinc-containing nanoparticles during the reaction and suppresses the particle size are added to the reaction system. The reaction includes a first step of performing a reaction at a first temperature lower than the temperature at which particles are formed from the zinc-containing compound to generate nuclei of particle crystals, and a second step of continuing the reaction at a second temperature higher than the first temperature to generate zinc-containing nanoparticles. It is preferable that the first step is performed under reduced pressure, and the second step is performed under atmospheric pressure.

さらに本発明の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法は、上述した合成方法であって、且つ、前記反応系に、亜鉛を含む化合物及び亜鉛以外の元素Mを含む化合物を加えて反応を行い、酸化亜鉛の結晶格子における亜鉛及び/又は酸素の一部が元素Mで置換したMドープ酸化亜鉛ナノ粒子を合成し、その際、前記元素Mを含む化合物として、前記粒子結晶の核の周りに配位する配位系材料を用いることを特徴とする。配位系材料の代表的なものとして、ステアリン酸塩が挙げられる。 The method for synthesizing zinc-containing nanoparticles of the present invention is the above-mentioned synthesis method, and further comprises adding a compound containing zinc and a compound containing an element M other than zinc to the reaction system to carry out a reaction, synthesizing M-doped zinc oxide nanoparticles in which part of the zinc and/or oxygen in the zinc oxide crystal lattice is replaced with element M, and using a coordination material that coordinates around the core of the particle crystal as the compound containing element M. A representative example of the coordination material is stearate.

また本発明の亜鉛含有ナノ粒子は、下記一般式で表されるウルツ鉱型結晶構造の亜鉛含有化合物のナノ粒子であって、
(Zn1-x )(O1-y
(但し、Mは、Ga、In、Cu、Fe、Ni、Co、Mn、Mgから選ばれる1種以上の元素、Mは、S、Seから選ばれる1種以上の元素を表し、x及びyは、それぞれx≧0、y≧0を満たす。但しx=y=0を除く。)
平均粒子径が30nm以下である。
The zinc-containing nanoparticles of the present invention are nanoparticles of a zinc-containing compound having a wurtzite crystal structure represented by the following general formula:
(Zn1 - xM1x )( O1 - yM2y )
(wherein M1 represents one or more elements selected from Ga, In, Cu, Fe, Ni, Co, Mn, and Mg, M2 represents one or more elements selected from S and Se, and x and y respectively satisfy x≧0 and y≧0, except for x=y=0.)
The average particle size is 30 nm or less.

また本発明の亜鉛含有ナノ粒子は、下記一般式で表されるウルツ鉱型結晶構造の亜鉛含有化合物のナノ粒子であって、
(Zn1-xMn)(O1-y
(但し、Mは、S、Seから選ばれる1種以上の元素で、x及びyは、それぞれ0.9>x≧0.2、y≧0を満たす。)である。
The zinc-containing nanoparticles of the present invention are nanoparticles of a zinc-containing compound having a wurtzite crystal structure represented by the following general formula:
(Zn1 - xMnx )(O1 - yM2y )
(wherein M2 is one or more elements selected from S and Se, and x and y satisfy 0.9>x≧0.2 and y≧0, respectively).

なお本発明において「亜鉛含有ナノ粒子」とは、亜鉛酸化物、亜鉛硫化物または亜鉛硫酸化物など、亜鉛と酸素及び硫黄の少なくとも一方とを含む亜鉛化合物のナノ粒子、及び、それに加えて亜鉛/酸素/硫黄以外の元素を含む亜鉛化合物のナノ粒子を意味する。 In the present invention, "zinc-containing nanoparticles" refers to nanoparticles of zinc compounds that contain zinc and at least one of oxygen and sulfur, such as zinc oxide, zinc sulfide, or zinc sulfate, and also nanoparticles of zinc compounds that contain elements other than zinc, oxygen, and sulfur.

本発明によれば、所定の添加剤を組み合わせて結晶成長条件を制御することにより、熱分解法を基本として、従来の熱分解法では得られなかった10nm以下の亜鉛含有ナノ粒子を提供することができる。また本発明によれば、亜鉛含有ナノ粒子のサイズを10nm以下の極めて小さいサイズにすることにより、非混和性の高い元素を安定して結晶構造内に取り込むことができ、新規な3元以上の亜鉛含有ナノ粒子を提供することができる。 According to the present invention, by combining specific additives and controlling the crystal growth conditions, it is possible to provide zinc-containing nanoparticles of 10 nm or less that could not be obtained by conventional thermal decomposition methods, based on the thermal decomposition method. Furthermore, according to the present invention, by making the size of the zinc-containing nanoparticles extremely small, 10 nm or less, it is possible to stably incorporate highly immiscible elements into the crystal structure, and it is possible to provide novel zinc-containing nanoparticles with ternary or more elements.

さらに本発明によれば、亜鉛以外の元素の材料として、亜鉛含有ナノ粒子の結晶核が生成する反応の第一ステップにおいて、結晶粒子の周りに配位する配位系材料を用いることにより、ウルツ鉱の結晶構造を保ちながら、高い割合で亜鉛以外の元素を取り込んだ新規な亜鉛含有粒子を提供することができる。 Furthermore, according to the present invention, by using a coordination material that coordinates around the crystal particles as a material of an element other than zinc in the first step of the reaction in which the crystal nuclei of zinc-containing nanoparticles are generated, it is possible to provide new zinc-containing particles that incorporate elements other than zinc at a high ratio while maintaining the wurtzite crystal structure.

(a)~(d)は、実施例1及び比較例1~3の酸化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図。4A to 4D show TEM images of zinc oxide nanoparticles of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. 実施例1及び比較例1~3の酸化亜鉛ナノ粒子のXRDパターンを示すグラフ。Graph showing XRD patterns of zinc oxide nanoparticles of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. (a)~(c)は、実施例2~4のM元素含有酸化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図。4A to 4C are TEM images of the M1 element-containing zinc oxide nanoparticles of Examples 2 to 4. 実施例5(実験例1及び実験例2~6)のMn含有酸化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図。FIG. 13 shows TEM images of Mn-containing zinc oxide nanoparticles of Example 5 (Experimental Examples 1 and 2 to 6). 実施例5のMn含有酸化亜鉛ナノ粒子及び酸化亜鉛のXRDパターンを示すグラフ。Graph showing XRD patterns of Mn-containing zinc oxide nanoparticles and zinc oxide of Example 5. 実施例6のMn含有酸化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図。FIG. 13 shows a TEM image of the Mn-containing zinc oxide nanoparticles of Example 6. 実施例6のMn含有酸化亜鉛ナノ粒子及び酸化亜鉛のXRDパターンを示すグラフ。Graph showing XRD patterns of Mn-containing zinc oxide nanoparticles and zinc oxide of Example 6. 実施例5及び実施例6のMn含有酸化亜鉛ナノ粒子のRietveld解析結果のグラフを示す図。FIG. 13 is a graph showing the results of Rietveld analysis of the Mn-containing zinc oxide nanoparticles of Examples 5 and 6. 実施例7のS含有酸化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図。FIG. 13 shows a TEM image of the S-containing zinc oxide nanoparticles of Example 7. 実施例8のSe含有酸化亜鉛ナノ粒子のTEM像を示す図。FIG. 13 shows a TEM image of the Se-containing zinc oxide nanoparticles of Example 8. (a)、(b)は、実施例9、10の4元亜鉛含有ナノ粒子のTEM像を示す図。6A and 6B show TEM images of the quaternary zinc-containing nanoparticles of Examples 9 and 10. 実施例11のMnZnOSナノ粒子のTEM像を示す図。FIG. 13 shows a TEM image of the MnZnOS nanoparticles of Example 11. 実施例11のMnZnOSナノ粒子のXRDパターンを示すグラフ。Graph showing the XRD pattern of the MnZnOS nanoparticles of Example 11. 実施例11のMnZnOSナノ粒子のRietveld解析結果のグラフを示す図。FIG. 13 is a graph showing the results of Rietveld analysis of the MnZnOS nanoparticles of Example 11.

以下、本発明の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法の実施形態を説明する。
酸化亜鉛(ZnO)を基本として、Zn及びO以外の元素を添加する場合を説明する。合成に用いる亜鉛材料としては、酢酸亜鉛(Zn(AC))、ステアリン酸亜鉛(ST-Zn)、アセチルアセトナート亜鉛(Zn(ACAC))など亜鉛錯体を用いることができる。なおZn及びO以外の元素の原料として、後述する配位系の材料を用いる場合には、亜鉛材料は、それよりも分解温度の低い配位系ではない材料であることが好ましい。具体的には、アセチルアセトナート亜鉛が好適である。このような配位系ではない材料を用いることにより、結晶生成過程でウルツ鉱型の結晶核が優先的に生成され、他の結晶系の酸化物の生成を抑制することができる。
Hereinafter, an embodiment of the method for synthesizing zinc-containing nanoparticles of the present invention will be described.
The case where elements other than Zn and O are added to zinc oxide (ZnO) will be described. As the zinc material used in the synthesis, zinc complexes such as zinc acetate (Zn(AC) 2 ), zinc stearate (ST-Zn), and zinc acetylacetonate (Zn(ACAC) 2 ) can be used. When using a coordination material described later as a raw material for elements other than Zn and O, it is preferable that the zinc material is a non-coordination material with a lower decomposition temperature. Specifically, zinc acetylacetonate is suitable. By using such a non-coordination material, wurtzite-type crystal nuclei are preferentially generated during the crystallization process, and the generation of oxides of other crystal systems can be suppressed.

Zn及びO以外の元素としては、S、Se、Ga、In、Cu、Fe、Ni、Co、Mn、Mgから選ばれる1種以上の元素を用いることができる。これら元素のうち、VI族の元素S、Seは、ウルツ鉱型の酸化亜鉛結晶構造において、酸素(O)を置換する形で酸化亜鉛ナノ粒子に取り込まれる。そしてS、Seを導入することで酸化亜鉛のエネルギーギャップを紫外から可視領域に変化させることができる。それ以外の元素(M)はZn置換する形で酸化亜鉛ナノ粒子に取り込まれる。Ga、In、Cuを酸化亜鉛に導入することにより、透明性などの光学的な特性を変化させることができる。またFe、Ni、Co、Mnを酸化亜鉛に導入することにより、磁気的な性質を変化させることができる。 As the elements other than Zn and O, one or more elements selected from S, Se, Ga, In, Cu, Fe, Ni, Co, Mn, and Mg can be used. Among these elements, the VI group elements S and Se are incorporated into zinc oxide nanoparticles in the form of substituting oxygen (O) in the wurtzite zinc oxide crystal structure. The introduction of S and Se can change the energy gap of zinc oxide from the ultraviolet region to the visible region. The other elements (M 1 ) are incorporated into zinc oxide nanoparticles in the form of substituting Zn. The introduction of Ga, In, and Cu into zinc oxide can change optical properties such as transparency. The introduction of Fe, Ni, Co, and Mn into zinc oxide can change magnetic properties.

酸化亜鉛に添加する元素の原料化合物は、元素によって適宜選択することができるが、Ga、In、Cu、Fe、Ni、Coの場合、例えば、塩化物、ヨウ化物、臭化物、硝酸塩、酢酸塩、ステアリン酸塩、アセチルアセトナートなどの塩或いは錯体を用いることができる。また、Mnは、ステアリン酸塩、酢酸塩、アセチルアセトナート、或いはトリオクチルホスフィン(TOP)錯体などが好ましく、特に亜鉛材料よりも分解温度が高く、合成反応の初期において、酸化亜鉛粒子の周囲に配位する配位系の材料が好ましく、中でもステアリン酸マンガンが好適である。このような配位系の材料を用いることにより、ウルツ鉱型とは異なる結晶構造を持つ金属酸化物の生成を抑制しつつ、当該金属元素のドープ量(亜鉛含有粒子中の含有割合)を増加させることができる。 The raw material compound of the element to be added to zinc oxide can be appropriately selected depending on the element. In the case of Ga, In, Cu, Fe, Ni, and Co, for example, salts or complexes such as chlorides, iodides, bromides, nitrates, acetates, stearates, and acetylacetonates can be used. In addition, for Mn, stearates, acetates, acetylacetonates, and trioctylphosphine (TOP) complexes are preferred, and in particular, coordination materials that have a higher decomposition temperature than zinc materials and are coordinated around zinc oxide particles in the early stages of the synthesis reaction are preferred, and manganese stearate is particularly suitable. By using such coordination materials, it is possible to increase the doping amount of the metal element (the content ratio in the zinc-containing particles) while suppressing the generation of metal oxides with a crystal structure different from the wurtzite type.

酸素(O)の一部を置換するVI族の元素(M)については、ドデカンチオール、ヘキサデカンチオール等チオール系材料、1,1-ジメチルチオ尿素、1,3-ジメチルチオ尿素、1,1-ジエチルチオ尿素、1,3-ジエチルチオ尿素、1,1-ジブチルチオ尿素、1,3-ジブチルチオ尿素などのS含有有機化合物、硫黄粉末、1,1-ジメチルセレノ尿素、1,3-ジメチルセレノ尿素、1,1-ジエチルセレノ尿素、1,3-ジエチルセレノ尿素などのSe含有有機化合物を用いることができる。 As for the Group VI element (M 2 ) that replaces a portion of the oxygen (O), thiol-based materials such as dodecanethiol and hexadecanethiol, S-containing organic compounds such as 1,1-dimethylthiourea, 1,3-dimethylthiourea, 1,1-diethylthiourea, 1,3-diethylthiourea, 1,1-dibutylthiourea, and 1,3-dibutylthiourea, and Se-containing organic compounds such as sulfur powder, 1,1-dimethylselenourea, 1,3-dimethylselenourea, 1,1-diethylselenourea, and 1,3-diethylselenourea can be used.

これら元素は、例えば、II族及びVI族以外の元素と、VI族の元素を同時に用いてもよく、それにより(Zn、M)(OS)或いは(Zn、M)(OSe)のような4元系の亜鉛含有ナノ粒子を合成することができる。 These elements may be used, for example, in combination with elements other than Group II and Group VI, thereby synthesizing quaternary zinc-containing nanoparticles such as (Zn, M 1 )(OS) or (Zn, M 1 )(OSe).

亜鉛原料に対する原料化合物の割合(モル比)は、目的とするナノ粒子におけるドープ元素(M、M)の割合(原子%)に対応する量とする。元素やその組み合わせによっても異なるが、具体的には亜鉛または酸素に対し、20原子%以下であることが好ましい。ドープ元素の割合が過剰な場合には、酸化亜鉛のウルツ鉱型の結晶構造とは異なる晶系の結晶構造のものが生成される可能性がある。なおドープ元素(M)がMnの場合には、上述したように、原料として配位系の材料を用いることにより、亜鉛に対し20原子%以上添加してもウルツ鉱型の結晶構造を保つことができる。具体的には、酢酸塩、アセチルアセトナート、トリオクチルホスフィン(TOP)錯体を用いた場合には、40原子%程度まで、ステアリン酸マンガンを用いた場合には、理論的にウルツ鉱型結晶構造をとることができないとされる62原子%を越え、90原子%近くまで高めることができる。 The ratio (molar ratio) of the raw material compound to the zinc raw material is an amount corresponding to the ratio (atomic %) of the doping element (M 1 , M 2 ) in the target nanoparticle. Although it varies depending on the element and its combination, specifically, it is preferably 20 atomic % or less with respect to zinc or oxygen. When the ratio of the doping element is excessive, a crystal structure of a crystal system different from the wurtzite crystal structure of zinc oxide may be generated. Note that, when the doping element (M 1 ) is Mn, as described above, by using a coordination material as the raw material, the wurtzite crystal structure can be maintained even if 20 atomic % or more is added to zinc. Specifically, when acetate, acetylacetonate, or trioctylphosphine (TOP) complex is used, it can be increased to about 40 atomic %, and when manganese stearate is used, it can be increased to nearly 90 atomic %, exceeding 62 atomic %, which is theoretically considered impossible to obtain a wurtzite crystal structure.

添加剤には、結晶構造を維持する機能を持つ第一の添加剤と、生成するナノ粒子の結晶の表面に配位することで、結晶粒子の成長を抑制するサイズ制御剤として機能する第二の添加剤(以下、サイズ制御剤という)と、を用いる。 The additives used are a first additive that has the function of maintaining the crystal structure, and a second additive (hereafter referred to as the size control agent) that functions as a size control agent that inhibits the growth of crystal particles by coordinating with the surface of the nanoparticle crystals that are generated.

第一の添加剤としては、ヘキサデカンジオール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチルグリコール、ジエチレングリコール、エチレングリコール、ステアリルグリコール等のポリオール系材料、及び、ステアリン酸エチレングリコール系材料の少なくとも1種を用いる。これらのうち、特にエチレングリコールが好ましい。第一の添加剤の量は、極めて少量でよく、溶媒に対し0.5容量%程度とする。また添加量が多いと、反応系に留まらず突沸などの原因になるため、好ましくは1容量%以下、より好ましくは0.8容量%以下とする。 As the first additive, at least one of polyol-based materials such as hexadecanediol, tetraethylene glycol, propylene glycol, trimethyl glycol, diethylene glycol, ethylene glycol, stearyl glycol, and ethylene glycol stearate-based materials is used. Of these, ethylene glycol is particularly preferred. The amount of the first additive may be extremely small, about 0.5% by volume relative to the solvent. If a large amount is added, it will not remain in the reaction system and may cause bumping, so the amount is preferably 1% by volume or less, and more preferably 0.8% by volume or less.

サイズ制御剤としては、ZnO粒子のZnに配位する錯体であって嵩高いものが好ましく、例えば、トリオクチルホスフィン・スルフィド(以下、TOP:Sと記す)を用いることができる。TOP:Sは、トリオクチルホスフィンのリン原子(P)に硫黄(S)が配位結合によって結合した錯体であり、トリオクチルホスフィンと硫黄とから合成することができる。TOP:Sは硫黄を含む錯体であり、硫黄を含むナノ粒子の原料としては知られているが、本発明の反応においては、硫黄の供給源として機能することなく、ZnO粒子の表面に配位し、サイズを抑制する機能を持つことが本発明者らによって確認された。 As the size control agent, a bulky complex that coordinates with the Zn of the ZnO particles is preferable, and for example, trioctylphosphine sulfide (hereinafter, referred to as TOP:S) can be used. TOP:S is a complex in which sulfur (S) is bonded to the phosphorus atom (P) of trioctylphosphine by a coordinate bond, and can be synthesized from trioctylphosphine and sulfur. TOP:S is a complex containing sulfur and is known as a raw material for nanoparticles containing sulfur, but the inventors have confirmed that in the reaction of the present invention, it does not function as a sulfur source, but rather coordinates to the surface of the ZnO particles and has the function of suppressing the size.

サイズ制御剤の量は、亜鉛原料に対しモル比で0.1~1.0、好ましくは0.2~0.8、より好ましくは約0.4~0.6とする。またトリオクチルホスフィンと硫黄で錯体を合成し、それを反応系に投入する場合、トリオクチルホスフィンを化学量論的な割合よりも多くすることが好ましい。これにより、余剰の硫黄が反応系に入り、意図しない酸素との置換が起こるのを防止できる。 The amount of size control agent is 0.1 to 1.0, preferably 0.2 to 0.8, and more preferably about 0.4 to 0.6, in molar ratio to the zinc raw material. When synthesizing a complex with trioctylphosphine and sulfur and adding it to the reaction system, it is preferable to use more trioctylphosphine than the stoichiometric ratio. This prevents excess sulfur from entering the reaction system and causing unintended replacement with oxygen.

溶媒は、反応を比較的高温で行うため、沸点(b.p.)が反応温度より高い溶媒を用いる。具体的には、オレイルアミン(b.p.:350℃)やベンジルベンゾエート(b.p.:350℃)、1-オクタデセン(b.p.:179℃(15mmHg下))、オレイン酸(b.p.:360℃)、トリオクチルフォスフィンオキシド(b.p.:202℃(2mmHg下))、トリオクチルフォスフィン(b.p.:445℃)を用いることができる。特に高沸点のオレイルアミンが好適である。 Because the reaction is carried out at a relatively high temperature, a solvent with a boiling point (b.p.) higher than the reaction temperature is used. Specifically, oleylamine (b.p.: 350°C), benzyl benzoate (b.p.: 350°C), 1-octadecene (b.p.: 179°C (under 15 mmHg)), oleic acid (b.p.: 360°C), trioctylphosphine oxide (b.p.: 202°C (under 2 mmHg)), and trioctylphosphine (b.p.: 445°C) can be used. Oleylamine, which has a high boiling point, is particularly suitable.

反応は、溶媒中(液相)で加熱して行う。この際、減圧下で比較的低い温度で反応させるステップ(第一のステップ)と不活性雰囲気下で比較的高い温度で反応させるステップ(第二のステップ)とを含む複数段階の反応を行い、段階ごとに反応時間や雰囲気などの条件を異ならせることが好ましい。具体的には、第一のステップでは、まずN等の不活性雰囲気で100℃以下の温度(例えば70℃程度)で1時間以下の短時間保持したのち昇温し、減圧雰囲気下で200℃以下の温度(例えば130℃)で反応を進行させる。減圧雰囲気下の圧力は大気圧(約100kPa)の1/100以下とする。但し溶媒の突沸を防止するために15Pa以上とする。このような条件で、1~3時間程度保持したのち昇温し、再び不活性雰囲気下で200℃以上、溶媒の沸点以下の温度(例えば250℃)で1~2時間保持する(第二のステップ)。第一のステップから第二のステップの昇温レートは、限定されるものではないが、例えば50℃/5minとする。第二のステップの後、さらに温度を上げて(ただし溶媒の沸点以下)、短時間保持し反応を完了させる。 The reaction is carried out by heating in a solvent (liquid phase). In this case, it is preferable to carry out a multi-stage reaction including a step (first step) of reacting at a relatively low temperature under reduced pressure and a step (second step) of reacting at a relatively high temperature under an inert atmosphere, and to vary the reaction time, atmosphere, and other conditions for each stage. Specifically, in the first step, the reaction is first held for a short period of time of 1 hour or less at a temperature of 100°C or less (for example, about 70°C) in an inert atmosphere such as N2 , and then heated, and the reaction is allowed to proceed at a temperature of 200°C or less (for example, 130°C) under a reduced pressure atmosphere. The pressure under the reduced pressure atmosphere is 1/100 or less of atmospheric pressure (about 100 kPa). However, in order to prevent bumping of the solvent, the pressure is set to 15 Pa or more. After holding for about 1 to 3 hours under these conditions, the temperature is raised, and again held for 1 to 2 hours at a temperature of 200°C or more and below the boiling point of the solvent (for example, 250°C) under an inert atmosphere (second step). The temperature increase rate from the first step to the second step is not limited, but is, for example, 50° C./5 min. After the second step, the temperature is further increased (but not exceeding the boiling point of the solvent) and maintained for a short period of time to complete the reaction.

このように反応を複数段階に分けることで、結晶粒子の成長を抑制し、極めてサイズの小さい、例えば10nm以下の亜鉛含有ナノ粒子を得ることができる。これは次のような理由によるものと考えられる。まず、100℃以下の温度(例えば70℃程度)で1時間以下の短時間保持することにより、材料が溶解し、反応溶液が均一化する。次の、減圧雰囲気下で200℃以下の温度(例えば130℃程度)で1~3時間程度保持するステップ(第一のステップ)では、粒子結晶の核が形成されていると考えられる。その次の、不活性雰囲気下で200℃以上、溶媒の沸点以下の温度(例えば250℃)で1~2時間保持するステップ(第二のステップ)では、粒子結晶の核から粒子が成長すると考えられる。その後、更に温度を上げて(ただし、溶媒の沸点以下)、短時間保持するステップでは、結晶性を高めるとともに、粒子内に均一に元素を添加されていると考えられる。 By dividing the reaction into multiple stages in this way, the growth of crystal particles can be suppressed, and zinc-containing nanoparticles with extremely small sizes, for example, 10 nm or less, can be obtained. This is believed to be due to the following reasons. First, by holding the temperature at 100°C or less (for example, about 70°C) for a short time of 1 hour or less, the materials are dissolved and the reaction solution becomes homogenous. In the next step (first step), in which the temperature is held at 200°C or less (for example, about 130°C) for about 1 to 3 hours in a reduced pressure atmosphere, it is believed that the nuclei of particle crystals are formed. In the next step (second step), in which the temperature is held at 200°C or more and below the boiling point of the solvent (for example, 250°C) for 1 to 2 hours in an inert atmosphere, it is believed that particles grow from the nuclei of particle crystals. Then, in the step of further increasing the temperature (but below the boiling point of the solvent) and holding for a short time, it is believed that the crystallinity is increased and the elements are uniformly added within the particles.

また添加元素がMnであって、Mn材料が亜鉛材料よりも分解温度が高い配位系の材料の場合、第一のステップでウルツ鉱型の酸化亜鉛粒子の結晶核が生成すると、配位系材料が粒子表面に配位しながら分解と結晶成長が進むと考えられる。その結果、ウルツ鉱型酸化亜鉛の結晶構造を引き継ぎながら結晶成長が進行し、結晶構造を維持しながらMnドープMnZnO或いはMnZnOSを合成することが可能となる。特に配位系の材料がステアリン酸マンガンの場合、同じ配位系の溶媒であるオレイルアミンと同様にアルキル鎖を持つ材料であるため、粒子形成過程においてお互いが阻害されることなくい、粒子表面に配位できる。そのため、自発的な核生成や粒子成長が抑制され、ロックソルト(RS)型MnOの生成を抑えることができる。 In addition, when the added element is Mn and the Mn material is a coordination material with a higher decomposition temperature than the zinc material, it is thought that when the crystal nuclei of wurtzite zinc oxide particles are generated in the first step, decomposition and crystal growth proceed while the coordination material is coordinated to the particle surface. As a result, crystal growth proceeds while inheriting the crystal structure of wurtzite zinc oxide, and it becomes possible to synthesize Mn-doped MnZnO or MZnOS while maintaining the crystal structure. In particular, when the coordination material is manganese stearate, it is a material with an alkyl chain like oleylamine, which is a solvent of the same coordination system, so that they can be coordinated to the particle surface without being inhibited by each other during the particle formation process. Therefore, spontaneous nucleation and particle growth are suppressed, and the generation of rock salt (RS) type MnO can be suppressed.

反応終了後は、降温後、一般的な熱分解法によるナノ粒子の回収方法と同様の方法で、ナノ粒子を回収する。具体的には、降温後の反応液にヘキサン等の所定の溶媒を加えて拡散した後、貧溶媒を加えて粒子を凝集させて遠心分離する。この処理は、必要に応じて複数回繰り返してもよい。最後に粒子洗浄を行って、ナノ粒子の分散液を得る。 After the reaction is complete, the temperature is lowered and the nanoparticles are recovered in the same manner as in the general method of recovering nanoparticles by pyrolysis. Specifically, a specific solvent such as hexane is added to the reaction liquid after the temperature is lowered to cause dispersion, and then a poor solvent is added to cause the particles to aggregate and then centrifuged. This process may be repeated multiple times as necessary. Finally, the particles are washed to obtain a dispersion of nanoparticles.

本発明の亜鉛含有ナノ粒子の製造方法によれば、反応系に所定の添加剤を添加するとともに、これら添加剤を機能させるように反応条件を段階的に異ならせることで、従来では得ることができないサイズ、10nm以下ないし10nm未満の亜鉛含有ナノ粒子を得ることができる。また亜鉛含有ナノ粒子の結晶構造内に、非混和性の高い、他の元素を取り込むことができ、他元素の割合を高めた亜鉛含有ナノ粒子を製造することができる。具体的には、他元素の割合を20原子%まで高めることができる。 According to the method for producing zinc-containing nanoparticles of the present invention, by adding a specific additive to the reaction system and varying the reaction conditions stepwise to allow these additives to function, it is possible to obtain zinc-containing nanoparticles of a size that could not be obtained conventionally, that is, 10 nm or less or less than 10 nm. In addition, other elements that are highly immiscible can be incorporated into the crystal structure of the zinc-containing nanoparticles, and zinc-containing nanoparticles with an increased proportion of other elements can be produced. Specifically, the proportion of other elements can be increased to 20 atomic %.

また本発明の亜鉛含有ナノ粒子の製造方法によれば、ドープ元素の材料として配位系材料を用いることにより、ウルツ鉱の結晶構造を維持しながらドープ元素のドープ量を高めることができる。例えば、ドープ元素がMnである場合に、配位系材料を用いることにより、Znに対するMnの割合を80原子%以上に高めることができる。 In addition, according to the method for producing zinc-containing nanoparticles of the present invention, by using a coordination material as the material for the doping element, it is possible to increase the doping amount of the doping element while maintaining the wurtzite crystal structure. For example, when the doping element is Mn, the ratio of Mn to Zn can be increased to 80 atomic % or more by using a coordination material.

以上、本発明の亜鉛含有化合物のナノ粒子の製造方法を、亜鉛及び酸素/硫黄以外の元素M、Mを加える場合について説明したが、本発明の製造方法は、これら元素M、Mを加えない場合、即ち、ZnOナノ粒子を製造する場合にも適用することが可能であり、それによって従来の熱分解法では得ることができないサイズ、10nm以下の酸化亜鉛ナノ粒子を熱分解法により得ることができる。 The method for producing nanoparticles of a zinc-containing compound of the present invention has been described above in the case where elements M 1 and M 2 other than zinc and oxygen/sulfur are added. However, the production method of the present invention can also be applied to the case where these elements M 1 and M 2 are not added, i.e., when ZnO nanoparticles are produced. As a result, zinc oxide nanoparticles of 10 nm or less, which cannot be obtained by conventional thermal decomposition methods, can be obtained by a thermal decomposition method.

本発明の亜鉛含有ナノ粒子は、従来にはない極めてサイズの小さいナノ粒子であり、数10nmオーダーの粒子とは異なる挙動を示し、従来の用途における新たな特性の付与や新たな用途への適用(例えば、透明光源、ガンマーカなどの生体ラベル、光活性のあるドラッグデリバリーシステムなど)が期待できる。また本発明の亜鉛含有ナノ粒子は、Zn以外の元素の割合が高く、ZnOやZnSからなるナノ粒子とは異なるエネルギーギャップを持ち、異なる物性(電気的特性、磁気特性、光学特性など)を備える。従って、ZnOナノ粒子の適用範囲の拡大が期待される。 The zinc-containing nanoparticles of the present invention are nanoparticles with an unprecedentedly small size, and behave differently from particles on the order of several tens of nm. They are expected to be used to impart new properties to conventional applications and to be applied to new applications (e.g., transparent light sources, biological labels such as cancer markers, photoactive drug delivery systems, etc.). Furthermore, the zinc-containing nanoparticles of the present invention have a high proportion of elements other than Zn, a different energy gap from nanoparticles made of ZnO or ZnS, and different physical properties (electrical properties, magnetic properties, optical properties, etc.). Therefore, it is expected that the range of applications of ZnO nanoparticles will be expanded.

以下、本発明の亜鉛含有化合物のナノ粒子の製造方法の実施例を説明する。以下の実施例において、元素の割合について示す「%」は、特に限定しない限り「原子%」である。 Below, examples of the method for producing nanoparticles of zinc-containing compounds according to the present invention are described. In the following examples, the percentages shown for the proportions of elements are atomic percentages unless otherwise specified.

<実施例1>
溶媒としてオレイルアミン10mL、亜鉛材料としてZn(ACAC) 2.0mmol、第一の添加剤としてエチレングリコール(EG) 1.0mmol、サイズ制御剤としてTOP 1.2mmol及び硫黄 0.6mmolを用いた。
Example 1
10 mL of oleylamine was used as the solvent, 2.0 mmol of Zn(ACAC) 2 as the zinc material, 1.0 mmol of ethylene glycol (EG) as the first additive, 1.2 mmol of TOP as the size control agent, and 0.6 mmol of sulfur were used.

容器(100mL)に材料を充填後、窒素雰囲気下で70℃に30分保持したのち、昇温し減圧雰囲気下で130℃2時間保持した。この時の圧力は、約100Pa(10Pa以上1000Pa以下)とした。その後、50℃/5分の昇温レートで、N雰囲気下で250℃に2時間保持して合成を行った。 After filling the container (100 mL), the material was held at 70 ° C for 30 minutes under a nitrogen atmosphere, and then heated and held at 130 ° C for 2 hours under a reduced pressure atmosphere. The pressure at this time was about 100 Pa (10 Pa or more and 1000 Pa or less). Then, the material was heated at a rate of 50 ° C / 5 minutes and held at 250 ° C for 2 hours under a N 2 atmosphere to perform synthesis.

降温後の反応液にヘキサンを5ml加え撹拌した後に遠沈管に回収した。貧溶媒であるエタノールを加えて粒子を凝集させ、遠心分離機を用いて沈降させた。分離条件は12,000rpmで、60分とした。上澄み液を廃棄した後、ヘキサンを5mL加えて振とう機で30分撹拌して粒子を分散させた。もう一度エタノールを加え、同様の工程をもう1回繰り返して粒子洗浄を行い、ZnO分散液を得た。 After cooling, 5 ml of hexane was added to the reaction solution, which was then stirred and collected in a centrifuge tube. Ethanol, a poor solvent, was added to aggregate the particles, which were then allowed to settle using a centrifuge. Separation conditions were 12,000 rpm and 60 minutes. After discarding the supernatant, 5 ml of hexane was added and the particles were dispersed by stirring for 30 minutes using a shaker. Ethanol was added once more, and the same process was repeated once more to wash the particles, yielding a ZnO dispersion.

得られた粒子の透過型電子顕微鏡像(TEM像)を図1に、XRD回折パターンを図2に示す。粒子の粒子径は、TEM像から3~7nmであることが確認された。またXRDから、ZnOのピークが確認され、ピークの半値幅から算出した平均粒子径は5nmであった。 A transmission electron microscope (TEM) image of the obtained particles is shown in Figure 1, and an XRD diffraction pattern is shown in Figure 2. The TEM image confirmed that the particles had a particle size of 3 to 7 nm. Furthermore, XRD confirmed a ZnO peak, and the average particle size calculated from the half-width of the peak was 5 nm.

<比較例1~3>
添加剤(EG及びTOP:S)を加えない以外は実施例1と同様の方法でZnO粒子を合成した(比較例1)。また添加剤としてTOP:Sのみを加えた場合(比較例2)及びEGのみを加えた場合(比較例3)についても実施例1と同様の方法でZnO粒子を合成した。結果を実施例1の結果と併せて、図2及び図3に示す。
<Comparative Examples 1 to 3>
ZnO particles were synthesized in the same manner as in Example 1 except that no additives (EG and TOP:S) were added (Comparative Example 1). ZnO particles were also synthesized in the same manner as in Example 1 when only TOP:S was added as an additive (Comparative Example 2) and when only EG was added (Comparative Example 3). The results are shown in Figures 2 and 3 together with the results of Example 1.

また実施例1及び比較例1~3のZnO粒子について、TEM像及びXRDから求めた粒子径の結果を表1に示す。 Table 1 also shows the particle size results obtained from TEM images and XRD for the ZnO particles of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.

Figure 0007475839000001
Figure 0007475839000001

表1に示す結果からもわかるように、第一の添加剤(EG)及び/またはサイズ制御剤(TOP:S)を添加していない場合は10nm以上のZnO粒子が析出しているのに対し、第一の添加剤及びサイズ制御剤の両方を添加した場合は平均粒径5nmのZnO粒子が析出していた。また図2のXRDからもわかるように、実施例1のZnOのピークは、比較例1~3のピークに比べブロードで且つ強度が小さくなっており、粒子サイズが大幅に小さくなっていることが確認された。このように2種類の添加剤を加えることで初めて10nm未満の小さなZnO粒子を得ることができた。 As can be seen from the results shown in Table 1, when the first additive (EG) and/or size control agent (TOP:S) was not added, ZnO particles of 10 nm or more were precipitated, whereas when both the first additive and the size control agent were added, ZnO particles with an average particle size of 5 nm were precipitated. Also, as can be seen from the XRD in Figure 2, the ZnO peak in Example 1 was broader and less intense than the peaks in Comparative Examples 1 to 3, confirming that the particle size was significantly smaller. In this way, it was only by adding two types of additives that small ZnO particles of less than 10 nm were obtained.

粒子サイズが10nm以下のZnOナノ粒子ができたことで、その他元素を添加した際の非混和性を解消することができると予想されたので、次に、ZnOへの固溶度が低く、非混和性の高い元素を添加した実施例を行った。 Since it was expected that the creation of ZnO nanoparticles with a particle size of 10 nm or less would eliminate the immiscibility that occurs when other elements are added, we next carried out an example in which an element that has low solid solubility in ZnO and is highly immiscible was added.

<実施例2>
溶媒としてオレイルアミン10mL、亜鉛材料としてZn(ACAC) 2.0mmol、Ga材料としてGa(ACAC) 0.1mmol(5%)または0.2mmol(10%)を用いた。また第一の添加剤としてエチレングリコール(EG) 1.0mmol、サイズ制御剤としてTOP 1.2mmol及び硫黄 0.6mmolを用いた。
容器に材料充填後、窒素雰囲気下で70℃に30分保持したのち、昇温し減圧雰囲気下で130℃2時間保持した。この時の圧力は、約100Pa(10Pa以上1000Pa以下)とした。その後、50℃/5分の昇温レートで、N雰囲気下で250℃に2時間保持し、さらに昇温してN雰囲気下で300℃に15分保持して合成を行った。
Example 2
10 mL of oleylamine was used as a solvent, 2.0 mmol of Zn(ACAC) 2 was used as a zinc material, 0.1 mmol (5%) or 0.2 mmol (10%) of Ga(ACAC) 3 was used as a Ga material, 1.0 mmol of ethylene glycol (EG) was used as a first additive, and 1.2 mmol of TOP and 0.6 mmol of sulfur were used as size control agents.
After filling the container with the material, the material was held at 70°C for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, and then heated and held at 130°C for 2 hours in a reduced pressure atmosphere. The pressure at this time was about 100 Pa (10 Pa or more and 1000 Pa or less). After that, the material was held at 250°C for 2 hours in a N2 atmosphere at a temperature rise rate of 50°C/5 minutes, and further heated and held at 300°C for 15 minutes in a N2 atmosphere to perform synthesis.

降温後の反応液にヘキサンを5mL加え撹拌した後に遠沈管に回収した。貧溶媒であるエタノールを加えて粒子を凝集させ、遠心分離機を用いて沈降させた。分離条件は12,000rpmで、60分とした。上澄み液を廃棄した後、ヘキサンを5mL加えて振とう機で30分撹拌して粒子を分散させた。もう一度エタノールを加え、同様の工程をもう1回繰り返して粒子洗浄を行い、GaZnO粒子を得た。 After cooling, 5 mL of hexane was added to the reaction solution, which was then stirred and collected in a centrifuge tube. Ethanol, a poor solvent, was added to aggregate the particles, which were then allowed to settle using a centrifuge. Separation conditions were 12,000 rpm and 60 minutes. After discarding the supernatant, 5 mL of hexane was added and the particles were dispersed by stirring for 30 minutes using a shaker. Ethanol was added once more, and the same process was repeated once more to wash the particles, yielding GaZnO particles.

得られたナノ粒子のTEM像を図3(a)に示す。図3(a)において、上側はGaの添加量が5%の場合、下側は添加量が10%の場合である。これらTEM像から測定したナノ粒子の粒子径は、3~4nmであり、10nm以下であることが確認された。またナノ粒子のXRD及びXRF測定を行い、Gaが材料の混合比通りに均一に結晶構造内に取り込まれていることを確認した。 The TEM image of the obtained nanoparticles is shown in Figure 3(a). In Figure 3(a), the upper side is when the Ga addition amount is 5%, and the lower side is when the Ga addition amount is 10%. The particle diameter of the nanoparticles measured from these TEM images was confirmed to be 3-4 nm, less than 10 nm. In addition, XRD and XRF measurements were performed on the nanoparticles, and it was confirmed that Ga was uniformly incorporated into the crystal structure in accordance with the mixture ratio of the materials.

<実施例3、4>
Gaの代わりに、InまたはCuの原料を添加して、実施例2と同様に(ZnIn)O及び(ZnCu)Oのナノ粒子を合成した。原料として、Inを添加する場合(実施例3)はIn(AC)を、Cuを添加する場合(実施例4)はCuClを、使用した。添加量は、いずれも、0.1mmol(5%)又は0.2mmol(10%)とした。
<Examples 3 and 4>
Instead of Ga, the raw material In or Cu was added, and nanoparticles of (ZnIn)O and (ZnCu)O were synthesized in the same manner as in Example 2. When In was added (Example 3), In(AC) 3 was used as the raw material, and when Cu was added (Example 4), CuCl2 was used. The amount of addition was 0.1 mmol (5%) or 0.2 mmol (10%) in both cases.

得られたZnInOナノ粒子及びZnCuO粒子のTEM像を、それぞれ図3(b)、(c)に示す。これら図面においても上側はInまたはCuの添加量が5%の場合、下側は添加量が10%の場合である。これらTEM像から、粒子径が10nm以下であることが確認された。またXRD及びXRF測定結果から、In或いはCuが材料の混合比通りに結晶構造内に取り込まれていることを確認した。実施例3において、Inの材料としてIn(AC)の代わりに、InIを用いた場合にも同様の結果が得られた。 TEM images of the obtained ZnInO nanoparticles and ZnCuO particles are shown in Figures 3(b) and (c), respectively. In these figures, the upper side shows the case where the amount of In or Cu added is 5%, and the lower side shows the case where the amount added is 10%. From these TEM images, it was confirmed that the particle diameter was 10 nm or less. Furthermore, from the results of XRD and XRF measurements, it was confirmed that In or Cu was incorporated into the crystal structure according to the mixture ratio of the materials. In Example 3, similar results were obtained when InI 3 was used as the In material instead of In(AC) 3 .

実施例2~4により、ZnO粒子が直径10nm以下になるように成長条件を制御することによって、非混和性の高いGa、In、CuをZnOの結晶構造内に取り込むことができることが確認された。Ga、In、Cuは、いずれもZnOの電気的特性を変化させる元素であり、これら元素を導入したナノ粒子はZnOの応用範囲を広げることが期待される。 Examples 2 to 4 confirmed that highly immiscible elements Ga, In, and Cu can be incorporated into the crystal structure of ZnO by controlling the growth conditions so that the ZnO particles have a diameter of 10 nm or less. Ga, In, and Cu are all elements that change the electrical properties of ZnO, and nanoparticles incorporating these elements are expected to broaden the range of applications of ZnO.

<実施例5>
溶媒としてオレイルアミン10mL、亜鉛材料としてZn(ACAC)、Mn材料としてステアリン酸マンガン(st-Mn)を表2に示す割合で用いた(表中、st-Mnの%は、ZnとMnの合計に対するMnの割合(モル%)を表す)。また第一の添加剤としてエチレングリコール(EG) 1.0mmol、サイズ制御剤としてTOP 1.2mmol及び硫黄 0.6mmolを用いた。
Example 5
10 mL of oleylamine was used as a solvent, Zn(ACAC) 2 as a zinc material, and manganese stearate (st-Mn) as a Mn material in the proportions shown in Table 2 (in the table, the % of st-Mn represents the proportion (mol %) of Mn to the total of Zn and Mn). 1.0 mmol of ethylene glycol (EG) was used as the first additive, and 1.2 mmol of TOP and 0.6 mmol of sulfur were used as size control agents.

Figure 0007475839000002
それ以外は、実施例2と同様の反応条件で合成を行い、(ZnMn)Oのナノ粒子を合成した。
Figure 0007475839000002
Other than that, the synthesis was carried out under the same reaction conditions as in Example 2, and (ZnMn)O nanoparticles were synthesized.

得られたZnMnO粒子のTEM像を図4に、XRDパターンを図5に示す。図5において、Mn添加量0%はウルツ鉱型ZnOのXRDパターンである。Mnの添加量が90%である実験例5及び100%である実験例6のMnO粒子は、図4に示すTEM像から、ロックソルト型の結晶構造に特徴的な四角形の粒子であることがわかり、またXRDパターンでもロックソルト(RS)のピーク(42度付近及び58.5度付近)が観察された。一方、Mn材料の添加割合が80%以下では、いずれもTEM像からウルツ鉱型の球状粒子であることが確認され、XRDパターンにもロックソルトのピークはなくウルツ鉱構造が保たれていることが確認された。TEMから測定した粒子径は、Mnの割合が多くなるにつれて大きくなる傾向が見られ、40%以下では5nm以下、60%では8~10nm、80%では7~30nmであった。 The TEM image of the obtained ZnMnO particles is shown in FIG. 4, and the XRD pattern is shown in FIG. 5. In FIG. 5, the XRD pattern of 0% Mn addition is that of wurtzite-type ZnO. The MnO particles of Experimental Example 5, in which the amount of Mn added is 90%, and Experimental Example 6, in which the amount of Mn added is 100%, are found to be square particles characteristic of a rock salt-type crystal structure from the TEM image shown in FIG. 4, and rock salt (RS) peaks (near 42 degrees and 58.5 degrees) were also observed in the XRD pattern. On the other hand, when the amount of Mn added was 80% or less, it was confirmed that all of them were wurtzite-type spherical particles from the TEM image, and there was no rock salt peak in the XRD pattern, confirming that the wurtzite structure was maintained. The particle size measured from the TEM showed a tendency to increase as the amount of Mn added increased, being 5 nm or less at 40% or less, 8 to 10 nm at 60%, and 7 to 30 nm at 80%.

またZnMnO粒子の組成を、XRD及びXRF測定により分析した結果、原料におけるMnの割合が20%、40%、60%、80%において、生成した粒子におけるMnの割合(Zn1-xMnのx×100)は、それぞれ、18.4%、40.1%、61.0%、85.7%であり、原料の混合比通りに結晶構造内に取り込まれていることを確認した。 In addition, the composition of the ZnMnO particles was analyzed by XRD and XRF measurements. As a result, when the ratio of Mn in the raw materials was 20%, 40%, 60%, and 80%, the ratio of Mn in the generated particles (Zn1 - xMnx x x 100) was 18.4%, 40.1%, 61.0%, and 85.7%, respectively, and it was confirmed that Mn was incorporated into the crystal structure according to the mixing ratio of the raw materials.

<実施例6>
Mnの原料として、ステアリン酸マンガンの代わりに、Mn(ACAC)、Mn(ACAC)、Mn(AC)、TOP:Mnをそれぞれ用いて、実施例5と同様に、Mn原料の割合を20%、40%、60%及び80%と異ならせて、ZnMnO粒子を合成した。但し、TOP:Mnについては、Mnの割合が20%、60%の2つの実験例で合成を行った。
Example 6
Instead of manganese stearate, Mn(ACAC) 3 , Mn(ACAC) 2 , Mn(AC) 2 , and TOP:Mn were used as the Mn raw material, and ZnMnO particles were synthesized at different ratios of the Mn raw material, 20%, 40%, 60%, and 80%, in the same manner as in Example 5. However, for TOP:Mn, synthesis was performed in two experimental examples with Mn ratios of 20% and 60%.

得られたZnMnO粒子のTEM像及びXRDパターンを、図6及び図7に示す。図6において、TEM像の下側にTEM像から算出した粒径を示す。また図7のXRDの下側に、参考としてウルツ鉱型ZnOのパターン(点線四角)を示すとともに、ロックソルト(RS)型のMnOのピークが生じる領域を四角で囲って示す。 The TEM image and XRD pattern of the obtained ZnMnO particles are shown in Figures 6 and 7. In Figure 6, the particle size calculated from the TEM image is shown below the TEM image. Also, for reference, the pattern of wurtzite-type ZnO (dotted square) is shown below the XRD in Figure 7, and the area where the peak of rock salt (RS)-type MnO occurs is enclosed in a square.

これらの結果から、Mn(ACAC)、Mn(ACAC)、Mn(AC)を用いた場合にはMnの割合が40%まで、またTOP:Mnを用いた場合にはMnの割合が20%まで、安定して粒子径10nm以下のウルツ鉱型ZnMnO粒子が得られることが確認された。また、XRDパターンから、Mnの割合が異なるいずれの実験例でも、生成しているウルツ鉱型ZnMnO粒子には、原料の混合比とほぼ同じ割合でMnが取り込まれていることが確認された。ただし、Mnの割合が60%以上の場合には、MnOの安定な結晶系であるロックソルト型の粒子も生成し、添加量に対するウルツ鉱型粒子生成量が低下していた。 From these results, it was confirmed that wurtzite ZnMnO particles with a particle size of 10 nm or less could be obtained stably when the Mn ratio was up to 40% when Mn(ACAC) 3 , Mn(ACAC) 2 , or Mn(AC) 2 was used, and when the Mn ratio was up to 20% when TOP:Mn was used. Furthermore, from the XRD patterns, it was confirmed that in all experimental examples with different Mn ratios, Mn was incorporated in the wurtzite ZnMnO particles produced at approximately the same ratio as the raw material mixing ratio. However, when the Mn ratio was 60% or more, rock salt type particles, which is a stable crystal system of MnO, were also produced, and the amount of wurtzite particles produced relative to the amount added was reduced.

Mnの添加量ごとのウルツ鉱型ナノ粒子の生成量を、XRDパターンのRietveld解析によって算出した結果を、ステアリン酸マンガンを用いた実施例5の結果とともに図8に示す。図8の結果から、ステアリン酸マンガンを用いた場合に、Mn割合を最も高くすることができ、且つ他の結晶系の混入がないZnMnO粒子を得られることがわかる。 The amount of wurtzite nanoparticles produced for each amount of Mn added was calculated by Rietveld analysis of the XRD pattern, and the results are shown in Figure 8 along with the results of Example 5, in which manganese stearate was used. The results in Figure 8 show that when manganese stearate is used, the Mn ratio can be maximized and ZnMnO particles without contamination with other crystal systems can be obtained.

以上、実施例5、6では、第四周期の元素の代表例としてMnをドープした亜鉛含有ナノ粒子の製造例と、それに好適なMn材料の検討結果を示したが、これら実施例5、6の結果から、Znと同じ第四周期の元素Mnについても、ZnOの結晶構造内に取り込むことが十分可能であることが確認された。MnやFe、Co、Niなどの元素は、ZnOの磁気的な性質を変化させる元素であり、磁気的用途での適用範囲を広げることが期待される。 Above, in Examples 5 and 6, we have shown examples of manufacturing zinc-containing nanoparticles doped with Mn as a representative example of an element in the fourth period, and the results of examining suitable Mn materials for such nanoparticles. The results of Examples 5 and 6 confirmed that Mn, an element in the fourth period like Zn, can be fully incorporated into the crystal structure of ZnO. Elements such as Mn, Fe, Co, and Ni change the magnetic properties of ZnO, and are expected to expand the range of applications in magnetic applications.

<実施例7>
溶媒としてオレイルアミン10mL、亜鉛材料としてZn(ACAC) 2.0mmol、硫黄Sの材料として1,3-ジブチルチオ尿素を0.2mmol(10%)用いた。また第一の添加剤としてエチレングリコール(EG) 1.0mmol、サイズ制御剤としてTOP 1.2mmol及び硫黄 0.6mmolを用いた。
Example 7
10 mL of oleylamine was used as a solvent, 2.0 mmol of Zn(ACAC) 2 was used as a zinc material, and 0.2 mmol (10%) of 1,3-dibutylthiourea was used as a sulfur S material. 1.0 mmol of ethylene glycol (EG) was used as a first additive, and 1.2 mmol of TOP and 0.6 mmol of sulfur were used as size control agents.

容器に材料充填後、窒素雰囲気下で70℃に30分保持したのち、昇温し減圧雰囲気下で130℃に2時間保持した。この時の圧力は、約100Pa(10Pa以上1000Pa以下)とした。その後、50℃/5分の昇温レートで、N雰囲気下で250℃に2時間保持し、さらに昇温してN雰囲気下で300℃に15分保持して合成を行った。 After filling the container with the material, the material was held at 70°C for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, and then heated and held at 130°C for 2 hours in a reduced pressure atmosphere. The pressure at this time was about 100 Pa (10 Pa or more and 1000 Pa or less). After that, the material was held at 250°C for 2 hours in a N2 atmosphere at a temperature rise rate of 50°C/5 minutes, and further heated and held at 300°C for 15 minutes in a N2 atmosphere to perform synthesis.

降温後の反応液にヘキサンを5mL加え撹拌した後に遠沈管に回収した。貧溶媒であるエタノールを加えて粒子を凝集させ、遠心分離機を用いて沈降させた。分離条件は12,000rpmで、60分とした。上澄み液を廃棄した後、ヘキサンを5mL加えて振とう機で30分撹拌して粒子を分散させた。もう一度エタノールを加え、同様の工程をもう1回繰り返して粒子洗浄を行い、ZnOS粒子を得た。 After cooling, 5 mL of hexane was added to the reaction solution, which was then stirred and collected in a centrifuge tube. Ethanol, a poor solvent, was added to aggregate the particles, which were then allowed to settle using a centrifuge. Separation conditions were 12,000 rpm and 60 minutes. After discarding the supernatant, 5 mL of hexane was added and the particles were dispersed by stirring for 30 minutes using a shaker. Ethanol was added once more, and the same process was repeated once more to wash the particles, yielding ZnOS particles.

得られたZnOS粒子(S:10%)のTEM像を図9に示す。これらTEM像から測定した粒子径は3~4nmであった。またXRD及びXRF測定結果から、Sが材料の混合比通りに結晶構造内に取り込まれていることを確認した。 Figure 9 shows TEM images of the obtained ZnOS particles (S: 10%). The particle diameter measured from these TEM images was 3 to 4 nm. Furthermore, the results of XRD and XRF measurements confirmed that S was incorporated into the crystal structure in accordance with the mixture ratio of the materials.

<実施例8>
硫黄S材料の代わりに、セレンSe材料を用いて、実施例6と同様の方法で、ZnOSe粒子を合成した。Se材料として、Se(C(NH)を0.1mmol(5%)又は0.2mmol(10%)を用いた。
Example 8
ZnOSe particles were synthesized using selenium (Se) material instead of sulfur (S) material in the same manner as in Example 6. As the Se material, 0.1 mmol (5%) or 0.2 mmol (10%) of Se(C(NH) 2 ) 2 was used.

得られたZnOSe粒子のTEM像を図10に示す。図10左側が添加量5%の場合、右側が10%の場合である。これらTEM像から粒子径が10nm以下であることが確認された。またXRD及びXRF測定結果から、Seが材料の混合比通りに結晶構造内に取り込まれていることを確認した。 TEM images of the obtained ZnOSe particles are shown in Figure 10. The left side of Figure 10 shows the case where the additive amount was 5%, and the right side shows the case where the additive amount was 10%. These TEM images confirmed that the particle diameter was 10 nm or less. Furthermore, the results of XRD and XRF measurements confirmed that Se was incorporated into the crystal structure in accordance with the mixing ratio of the materials.

実施例7、8の結果から、粒子サイズが10nm以下となる成長条件で反応させることにより、ZnOの結晶構造内の酸素についてもII族の元素で置換された結晶粒子が合成できることが確認された。ZnOの酸素をS又はSeで置換することにより、エネルギーギャップを紫外域から可視領域に変化させることができ、半導体としての利用範囲を広げることができる。 The results of Examples 7 and 8 confirmed that by carrying out the reaction under growth conditions that result in a particle size of 10 nm or less, it is possible to synthesize crystal particles in which the oxygen in the ZnO crystal structure is replaced with a Group II element. By replacing the oxygen in ZnO with S or Se, it is possible to change the energy gap from the ultraviolet range to the visible range, expanding the range of use as a semiconductor.

<実施例9>
溶媒としてオレイルアミン10mL、亜鉛材料としてZn(ACAC) 2.0mmol、Ga材料としてGa(ACAC) 0.1mmol(5%)、硫黄Sの材料として1,3-ジブチルチオ尿素 0.2mmol(10%)を用いた。また第一の添加剤としてエチレングリコール(EG) 1.0mmol、サイズ制御剤としてTOP 1.2mmol及び硫黄 0.6mmolを用いた。
<Example 9>
10 mL of oleylamine was used as a solvent, 2.0 mmol of Zn(ACAC) 2 was used as a zinc material, 0.1 mmol (5%) of Ga(ACAC) 3 was used as a Ga material, and 0.2 mmol (10%) of 1,3-dibutylthiourea was used as a sulfur S material. 1.0 mmol of ethylene glycol (EG) was used as a first additive, and 1.2 mmol of TOP and 0.6 mmol of sulfur were used as size control agents.

容器に材料充填後、窒素雰囲気下で70℃に30分保持したのち、昇温し減圧雰囲気下で130℃2時間保持した。この時の圧力は、約100Pa(10Pa以上1000Pa以下)とした。その後、50℃/5分の昇温レートで、N雰囲気下で250℃に2時間保持し、さらに昇温してN雰囲気下で300℃に15分保持して合成を行った。 After filling the container with the material, the material was held at 70°C for 30 minutes in a nitrogen atmosphere, and then heated and held at 130°C for 2 hours in a reduced pressure atmosphere. The pressure at this time was about 100 Pa (10 Pa or more and 1000 Pa or less). After that, the material was held at 250°C for 2 hours in a N2 atmosphere at a temperature rise rate of 50°C/5 minutes, and further heated and held at 300°C for 15 minutes in a N2 atmosphere to perform synthesis.

降温後の反応液にヘキサンを5mL加え撹拌した後に遠沈管に回収した。貧溶媒であるエタノールを加えて粒子を凝集させ、遠心分離機を用いて沈降させた。分離条件は12,000rpmで、60分とした。上澄み液を廃棄した後、ヘキサンを5mL加えて振とう機で30分撹拌して粒子を分散させた。もう一度エタノールを加え、同様の工程をもう1回繰り返して粒子洗浄を行い、GaZnOS粒子(4元系結晶粒子)を得た。 After cooling, 5 mL of hexane was added to the reaction solution, which was then stirred and collected in a centrifuge tube. Ethanol, a poor solvent, was added to aggregate the particles, which were then allowed to settle using a centrifuge. Separation conditions were 12,000 rpm and 60 minutes. After discarding the supernatant, 5 mL of hexane was added and the particles were dispersed by stirring for 30 minutes using a shaker. Ethanol was added once more, and the same process was repeated once more to wash the particles, yielding GaZnOS particles (quaternary crystal particles).

得られたGaZnOS粒子(Ga:5%、S:10%)のTEM像を図11(a)に示す。このTEM像から測定した粒子径は3~4nmであった。またXRD及びXRF測定結果から、Ga及びSが材料の混合比通りに結晶構造内に取り込まれていることを確認した。 Figure 11(a) shows a TEM image of the obtained GaZnOS particles (Ga: 5%, S: 10%). The particle diameter measured from this TEM image was 3 to 4 nm. Furthermore, the results of XRD and XRF measurements confirmed that Ga and S were incorporated into the crystal structure in the correct mixture ratio of the materials.

<実施例10>
Ga材料の代わりに、In材料としてInIを用いた以外は実施例9と同様に、InZnOS粒子(4元系結晶粒子)を得た。得られたInZnOS粒子(In:5%、S:10%)のTEM像を図11(b)に示す。このTEM像から測定した粒子径は5~6nmであった。またXRD及びXRF測定結果から、In及びSが材料の混合比通りに結晶構造内に取り込まれていることを確認した。
Example 10
InZnOS particles (quaternary crystal particles) were obtained in the same manner as in Example 9, except that InI3 was used as the In material instead of the Ga material. The TEM image of the obtained InZnOS particles (In: 5%, S: 10%) is shown in FIG. 11(b). The particle diameter measured from this TEM image was 5 to 6 nm. Furthermore, from the results of XRD and XRF measurements, it was confirmed that In and S were incorporated into the crystal structure according to the mixing ratio of the materials.

<実施例11>
亜鉛材料としてZn(ACAC)を(2-x)mmol(但し、xは0.4、0.8、1.2、1.6のいずれか)を用い、Mn材料としてMn(ACAC)、Mn(ACAC)、Mn(AC)、ステアリン酸マンガン(st-Mn)、及びTOP:Mnのいずれかをxmmol用いた以外は、実施例9と同様にして、MnZnOS粒子(4元系結晶粒子)を合成した。但し、TOP:Mnについては、Mnの割合がx=0.4(20%)、1.2(60%)の2つの実験例で合成を行った。
Example 11
MnZnOS particles (quaternary crystal particles) were synthesized in the same manner as in Example 9, except that (2-x) mmol of Zn(ACAC) 2 (where x is any one of 0.4, 0.8, 1.2, and 1.6 ) was used as the zinc material, and x mmol of any one of Mn(ACAC) 3 , Mn(ACAC) 2 , Mn(AC)2, manganese stearate (st-Mn), and TOP:Mn was used as the Mn material. However, for TOP:Mn, synthesis was performed in two experimental examples where the Mn ratio was x=0.4 (20%) and 1.2 (60%).

得られたMnZnOS粒子のTEM像及びXRDパターンを、図12及び図13に示す。図12において、TEM像の下側にTEM像から算出した粒径を示し、ウルツ鉱型の粒子が概ね単一相で得られたTEM像を四角で囲って示している。また図13のXRDの下側に、参考としてウルツ鉱型ZnOのパターン(点線四角)を示すとともに、ロックソルト(RS)型のMnOのピークが生じる領域を四角で囲って示す。 The TEM image and XRD pattern of the obtained MnZnOS particles are shown in Figures 12 and 13. In Figure 12, the particle size calculated from the TEM image is shown below the TEM image, and the TEM image in which the wurtzite type particles are obtained in a roughly single phase is shown enclosed in a square. Also, below the XRD in Figure 13, the wurtzite type ZnO pattern (dotted square) is shown for reference, and the region where the peak of rock salt (RS) type MnO occurs is enclosed in a square.

図12及び図13に示す結果からわかるように、いずれのMn材料を用いても、Mnの割合を20%とした場合には、ロックソルトのXRDピークは観察されず、概ね単一相のウルツ鉱型の10nm未満のナノ粒子が得られた。特にMn材料としてステアリン酸マンガン(st-Mn)を用いた場合には、Mnの割合を60%にしても、他の結晶系の粒子の混入が全くなく、均一な結晶構造のウルツ鉱型ナノ粒子が生成していることが確認された。またXRF測定により算出したナノ粒子におけるMnの割合(Zn+Mnに対する%)は、Mnの添加量を60%としたときに60.9%であり、ほぼ材料の混合比通りに結晶構造内に取り込まれていることを確認した。 As can be seen from the results shown in Figures 12 and 13, no rock salt XRD peak was observed when the Mn ratio was 20%, regardless of which Mn material was used, and single-phase wurtzite nanoparticles less than 10 nm were obtained. In particular, when manganese stearate (st-Mn) was used as the Mn material, it was confirmed that even when the Mn ratio was 60%, there was no contamination with particles of other crystal systems and wurtzite nanoparticles with a uniform crystal structure were produced. In addition, the Mn ratio in the nanoparticles calculated by XRF measurement (% relative to Zn + Mn) was 60.9% when the amount of Mn added was 60%, confirming that it was incorporated into the crystal structure almost according to the mixing ratio of the materials.

さらに、XRDパターンのRietveld解析により算出したウルツ鉱型ナノ粒子(MnZnOS)の生成量を、各Mn材料について、Mnの割合毎に示すグラフを図14に示す。図14の結果からも、Mn原料として、ステアリン酸マンガンを用いたときに、ウルツ鉱型の結晶系を保ちながらMnのドープ量を60%以上まで高められることがわかる。 Furthermore, Figure 14 shows a graph showing the amount of wurtzite nanoparticles (MnZnOS) produced for each Mn material by Mn ratio, calculated by Rietveld analysis of the XRD pattern. The results in Figure 14 also show that when manganese stearate is used as the Mn raw material, the Mn doping amount can be increased to 60% or more while maintaining the wurtzite crystal system.

実施例9~11の結果から、ZnOのZn及びOの一部がそれぞれ異なる元素で置き換わった4元系の結晶についても、2種類の添加剤を用いるとともに成長条件を制御することで、混合割合で結晶中にZn及びO以外の元素が導入された結晶粒子が得られること、また平均粒子径が10nm未満の極めてサイズの小さいナノ粒子が得られることが確認された。このような4元系の結晶は、上述した二元系或いは三元系のナノ粒子の用途に加え、導電材料や蛍光体としても適用することができる。 From the results of Examples 9 to 11, it was confirmed that, even for quaternary crystals in which some of the Zn and O in ZnO are replaced with different elements, by using two types of additives and controlling the growth conditions, it is possible to obtain crystal particles in which elements other than Zn and O are introduced into the crystals in a mixed ratio, and to obtain extremely small nanoparticles with an average particle size of less than 10 nm. In addition to the applications of the binary or ternary nanoparticles described above, such quaternary crystals can also be used as conductive materials and phosphors.

また実施例5、6及び11の結果から、ドープ元素がMnの場合、原料化合物として配位系材料、特にステアリン酸マンガンを用いることで、均一なウルツ鉱型の結晶構造を保ちながら、Mnドープ量を大幅に増加することができることが確認された。 In addition, the results of Examples 5, 6, and 11 confirmed that when the doping element is Mn, the amount of Mn doping can be significantly increased while maintaining a uniform wurtzite crystal structure by using a coordination material, particularly manganese stearate, as the raw material compound.

本発明によれば、光学材料、磁気材料、電気材料或いは蛍光体等として適用可能な新規なナノ粒子が提供される。 The present invention provides novel nanoparticles that can be used as optical materials, magnetic materials, electrical materials, phosphors, etc.

Claims (10)

亜鉛を含む化合物である酢酸亜鉛(Zn(AC))、ステアリン酸亜鉛(ST-Zn)、アセチルアセトナート亜鉛(Zn(ACAC))から選択される少なくとも一つを溶媒中で熱分解してウルツ鉱型結晶構造の亜鉛含有ナノ粒子を合成する方法であって、
前記亜鉛を含む化合物を不活性雰囲気で100℃以下の温度で1時間以下の時間保持したのち昇温し、大気圧の1/100以下の減圧雰囲気下で200℃以下の温度で反応を進行させ、粒子結晶の核を生成する第一のステップと、
不活性雰囲気下で第一のステップの反応温度より高い200℃以上で且つ溶媒の沸点以下の温度で1~2時間保持し、亜鉛含有ナノ粒子を生成する第二のステップと、を含み、
反応系に、添加剤として、ポリオール系材料及びステアリン酸エチレングリコール系材料の少なくとも1種からなる第一の添加剤と、反応中に前記亜鉛含有ナノ粒子の表面に配位し、粒子サイズを抑制する第二の添加剤としてトリオクチルホスフィン・スルフィドを添加することを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles having a wurtzite crystal structure, comprising thermally decomposing at least one of zinc-containing compounds selected from zinc acetate (Zn(AC) 2 ), zinc stearate (ST-Zn), and zinc acetylacetonate (Zn(ACAC) 2 ) in a solvent, the method comprising the steps of:
a first step of holding the zinc-containing compound in an inert atmosphere at a temperature of 100° C. or less for one hour or less, and then raising the temperature to proceed with a reaction at a temperature of 200° C. or less under a reduced pressure atmosphere of 1/100 or less of atmospheric pressure to generate nuclei of particle crystals;
a second step of maintaining the temperature at 200° C. or higher, which is higher than the reaction temperature of the first step, and lower than the boiling point of the solvent, for 1 to 2 hours under an inert atmosphere to produce zinc-containing nanoparticles;
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, comprising adding to a reaction system a first additive consisting of at least one of a polyol-based material and an ethylene glycol stearate-based material, and trioctylphosphine sulfide as a second additive that coordinates to the surface of the zinc-containing nanoparticles during the reaction and suppresses the particle size.
請求項1記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
前記第二のステップを大気圧下で行うことを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
2. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to claim 1, comprising:
The method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, characterized in that the second step is carried out under atmospheric pressure.
請求項1又は2記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
前記反応系に、亜鉛を含む化合物及び亜鉛以外の元素Mを含む化合物を加えて反応を行い、酸化亜鉛の結晶格子における亜鉛及び/又は酸素の一部が元素Mで置換したMドープ酸化亜鉛ナノ粒子を合成することを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to claim 1 or 2, comprising the steps of:
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, comprising adding a compound containing zinc and a compound containing an element M other than zinc to the reaction system and carrying out a reaction to synthesize M-doped zinc oxide nanoparticles in which part of the zinc and/or oxygen in the crystal lattice of zinc oxide is replaced with the element M.
請求項3に記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
元素Mは、S、Se、Ga、In、Cu、Fe、Ni、Co、Mn、Mgから選ばれる1種以上であることを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
4. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to claim 3, comprising the steps of:
1. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, wherein element M is one or more selected from the group consisting of S, Se, Ga, In, Cu, Fe, Ni, Co, Mn, and Mg.
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
前記第一の添加剤は、溶媒に対し2容量%以下添加されることを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to any one of claims 1 to 4, comprising the steps of:
The method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, wherein the first additive is added in an amount of 2% by volume or less relative to the solvent.
請求項1ないし5のいずれか一項に記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
前記第二の添加剤は、前記亜鉛を含む化合物に対しモル比で0.3~1.0添加することを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to any one of claims 1 to 5, comprising the steps of:
The method for synthesizing zinc-containing nanoparticles is characterized in that the second additive is added in a molar ratio of 0.3 to 1.0 relative to the zinc-containing compound.
請求項3に記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
前記元素Mを含む化合物が、前記粒子結晶の核の周りに配位する配位系材料であることを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
4. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to claim 3, comprising the steps of:
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, characterized in that the compound containing the element M is a coordination system material that coordinates around the core of the particle crystal.
請求項7に記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
前記配位系材料は、前記亜鉛を含む化合物よりも分解温度が高く、前記第一のステップの反応温度で分解しないことを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
8. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to claim 7, comprising the steps of:
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, characterized in that the coordination material has a higher decomposition temperature than the zinc-containing compound and does not decompose at the reaction temperature of the first step.
請求項7に記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
前記配位系材料がステアリン酸塩であることを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
8. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to claim 7, comprising the steps of:
A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, characterized in that the coordination material is a stearate.
請求項9に記載の亜鉛含有ナノ粒子の合成方法であって、
元素Mは、Mnであって、前記配位系材料がステアリン酸マンガンであることを特徴とする亜鉛含有ナノ粒子の合成方法。
10. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles according to claim 9, comprising the steps of:
11. A method for synthesizing zinc-containing nanoparticles, wherein the element M is Mn and the coordination material is manganese stearate.
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