JPWO2014185426A1 - 不揮発なフォトニック材料及びその製法 - Google Patents
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Abstract
Description
ABジブロック共重合体として、ポリスチレン−b−ポリ(2−ビニルピリジン)(以下、「PS−P2VP」という)を、Polymer Journal 18, 493-499(1986)に記載のブロック共重合体合成法(高真空ブレイカブルシール法)を参考にして合成した。具体的な手順を以下に示す。
クミルカリウムのTHF溶液(1.92×10-2M、4.2mL)を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてPS−P2VPを合成した。得られたPS−P2VPは、Mw/Mn=1.14、φs=0.47,Mn=108kであった。このPS−P2VPをSP02と称することとする。このSP02を用いて、実施例1と同様にして、実施例2のフォトニック膜を作製した。
クミルカリウムのTHF溶液(1.92×10-2M、3.2mL)を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてPS−P2VPを合成した。得られたPS−P2VPは、Mw/Mn=1.06、φs=0.50,Mn=158kであった。このPS−P2VPをSP03と称することとする。このSP03を用いて、実施例1と同様にして、実施例3のフォトニック膜を作製した。
クミルカリウムのTHF溶液(1.92×10-2M、1.4mL)を用いたこと、THFの蒸気を用いてアニールを行ったこと以外は、実施例1と同様にしてPS−P2VPを合成した。得られたPS−P2VPは、Mw/Mn=1.10、φs=0.51,Mn=334kであった。このPS−P2VPをSP04と称することとする。このSP04を用いて、実施例1と同様にして、実施例4のフォトニック膜を作製した。
実施例1〜4のフォトニック膜の可視光と紫外光、赤外光に対する反射率を以下の装置、条件で測定した。
光源:オーシャン・オプティクス社製のDH2000−BAL重水素・ハロゲンランプ
分光器:オーシャン・オプティクス社製のQE−65000
露光時間:8msec
測定環境:暗室内、室温
イオン液体による膨潤前後の薄膜のナノ相分離構造を観察するため、実施例1のフォトニック膜を別途調製し、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてそれを観察した。薄膜を形成するにあたって、石英スライドガラスの代わりにポリイミド膜を用いた。また、膜の表面を親水化するため、膜を40℃の1M KOH水溶液中で15分間浸すというアルカリ処理を行った。そして、イオン液体を添加する前の薄膜とイオン液体を添加した後の薄膜をそれぞれ切り取ってエポキシ樹脂に包埋した後、ミクロトームを用いて超薄切片(厚さ50nm)を作製し、Cuグリッドの上に載せた。その後、超薄切片をヨウ素により40分間染色し、以下の装置、条件でTEM観察を行った。
装置:日本電子(株)製のJEM−1400
加速電圧:120kV
イオン液体の膨潤前後の薄膜の膜厚を測定するために、実施例1でイオン液体を添加する前後の薄膜を別途調製し、電界放出形走査電子顕微鏡(FE−SEM)を用いてそれを観察した。ここでは、薄膜を形成するにあたって、石英スライドガラスの代わりにカバーグラスを用いた。観察に用いた装置、条件は以下のとおりである。図4(a)はイオン液体添加前のSEM像、図4(b)はイオン液体添加後のSEM像である。図4から、イオン液体添加後は添加前の3.4倍(=7.9μm/2.3μm)に膨潤していることがわかった。
装置:日本電子(株)製のJSM−7500FA
加速電圧:1kV
イオン液体の膨潤前後の構造の大きさを求めるために、実施例1でイオン液体を添加する前後の薄膜をポリイミド基板上に別途調製し、小角X線散乱(SAXS)測定を行った。イオン液体によって膨潤したものと膨潤していない膜を作製し、膜を切り取りSAXS測定用試料とした。装置、条件は以下のとおりである。図5(a)はイオン液体添加前のSAXSプロファイル、図5(b)はイオン液体添加後のSAXSプロファイルである。イオン液体によって膨潤していないもののSAXSプロファイルには、奇数次ピークが観測されたため、2成分の組成が等しいラメラ構造を形成していると判断した。繰り返し周期Dは43nmであった。一方、イオン液体によって膨潤したもののSAXSプロファイルでは、最も低q値に見えるピークを2次と仮定すると、その後に見えるピークのq値の比が3:4:5:6になったことから、1次ピークは隠れて見えていないが、ラメラ構造を形成していると判断した。繰り返し周期は138nmであった。すなわちイオン液体添加後は添加前の3.2倍(=138nm/43nm)に膨潤していることがわかる。
装置:高エネルギー加速器研究機構(KEK)Photon Factory(PF) beamline 10C
X線波長:0.15nm
カメラ長:199cm
イオン液体として、ImHTFSIの代わりにEMITFSI(エチル−3−メチルイミダゾリウム ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド、化2参照)を用いた以外は、実施例1と同様にして薄膜を作製したが、近紫外光から近赤外光までの波長領域の光を反射しなかった。このような結果に終わった原因は、実施例1で用いたImHTFSIがプロトン性イオン液体だったのに対して、比較例1で用いたEMITFSIは非プロトン性イオン液体だったことによると考えられる。P2VPを溶解、膨潤するプロトン性イオン液体とP2VPとの間には、水素結合やイオン性相互作用などが生じていると考えられ、一方非プロトン性イオン液体ではそのような作用が生じず、P2VPを膨潤しなかったと考えられる。
ABジブロック共重合体として、40.5k−41k、40k−44k、55k−50k、84k−69k、102k−97kの計5つのPS−P2VPをポリマー・ソース社(Polymer Source Inc.)から購入し、上述した実施例1と同様にしてフォトニック薄膜を作製した。それぞれのポリマーをSP05、SP06、SP07、SP08、SP09と命名し、フォトニック膜作製工程についてはそれぞれ実施例5〜実施例9とする。図6(a)〜(e)にそれらの反射スペクトルを示す。実施例5のフォトニック膜は、393nmの青紫色の光を反射した。実施例6のフォトニック膜は、398nmの青紫色の光を反射した。実施例7のフォトニック膜は、455nmの青色の光を反射した。実施例8のフォトニック膜は、584nmの黄緑色の光を反射した。実施例9のフォトニック膜は、629nmの赤色の光を反射した。また、実施例9のフォトニック膜は、322nmに2次ピークが見えており、ラメラ構造の存在が示唆された。
ABジブロック共重合体として、SP09を用い、上述した実施例1と同様にしてフォトニック薄膜を作製した。ここでは、イオン液体として、ImHTFSIとEMITFSIとの混合比(重量比)を表2に示すものを用いた。そして、これらの反射光の色や反射スペクトルを測定した。その結果を表2に示す。表2に示すように、EMITFSIを単独で用いた場合(比較例2)には可視光を反射しなかったが、ImHTFSIを単独で用いた場合(実施例9)やImHTFSIとEMITFSIとの混合溶媒を用いた場合(実施例10〜13)には可視光を反射した。こうしたことから、可視光を反射するフォトニック膜を得るためには、使用する溶媒に不揮発なプロトン性溶媒を含んでいればよいことがわかった。図8は、ImHTFSIの濃度(wt%)と反射光スペクトルのピーク波長との関係を表すグラフである。ImTFSIの濃度(wt%)は、EMITFSIとImTFSIとの混合溶媒に対するImTFSIの重量割合である。このグラフから明らかなように、ImHTFSIの濃度が高くなるにつれて反射光スペクトルのピーク波長も高くなることがわかった。つまり、反射スペクトルのピーク波長は、不揮発なプロトン性溶媒であるImHTFSIの濃度によって制御できることがわかった。
実施例14では、イオン液体としてトリアゾ−ル塩であるTAZHTFSI(下記化3参照)を用いた以外は実施例1と同様にしてフォトニック膜を作製し、実施例15では、イオン液体としてメチルイミダゾリウム塩であるMImHTFSI(下記化3参照)を用いた以外は実施例1と同様にしてフォトニック膜を作製した。図9(a)、(b)にそれらの反射スペクトルを示す。いずれのフォトニック膜も、イオン液体によって膨潤化した。また、実施例14では396nmの可視光を、実施例15では411nmの可視光を反射することを確認した。なお、TAZHTFSIはTm=22.8℃の無色透明の液体であり、MImHTFSIはTm=9℃の無色透明の液体である。
実施例16では、イオン液体として3級アミンのアンモニウム塩であるTEATFSI(下記化4参照)を用いた以外は実施例1と同様にしてフォトニック膜を作製し、実施例17では、イオン液体として3級アミンのアンモニウム塩であるtBATfO(下記化4参照)を用いた以外は実施例1と同様にしてフォトニック膜を作製した。図10(a)、(b)にそれらの反射スペクトルを示す。いずれのフォトニック膜も、イオン液体によって膨潤化した。また、実施例16では341nmの光を、実施例17では361nmの光を反射することを確認した。なお、TEATFSIは無色透明の液体であり、tBATfOは無色透明の液体である。
実施例18では、イオン液体としてピリジニウム塩である2MPyTFA(下記化5参照)を用いた以外は実施例1と同様にしてフォトニック膜を作製し、実施例19では、エチルイミダゾリウム塩であるEImTfO(下記化5参照)を用いた以外は実施例1と同様にしてフォトニック膜を作製した。図11(a)、(b)にそれらの反射スペクトルを示す。いずれのフォトニック膜も、イオン液体によって膨潤化した。また、実施例18では356nmの光を、実施例19では387nmの光を反射することを確認した。なお、2MPyTFAは淡黄色の液体であり、EImTfOは無色透明の液体である。
ABジブロック共重合体として、80k−80kのポリスチレン−ポリメチルメタクリレート(以下、「PS−PMMA」という)を、ポリマー・ソース社(Polymer Source Inc.)から購入した。このPS−PMMAを用いて、実施例1と同様にして、ImHTFSIを用いて実施例20のフォトニック膜を作製した。図12に反射スペクトルを示す。637nmの光を反射することを確認した。このフォトニック膜は、赤色の可視光を反射した。
ABジブロック共重合体として、66k−63.5kのPS−PMMAを、ポリマー・ソース社(Polymer Source Inc.)から購入した。このPS−PMMAを用いて、実施例1と同様にして、ImHTFSIを用いて実施例21のフォトニック膜を作製した。図13に反射スペクトルを示す。薄膜表面に乱れが見られたため、鋭い反射ピークを確認することはできなかったが、453m周辺の光を反射することを確認した。このフォトニック膜は、青色の可視光を反射した。
実施例1において、ImHTFSIの代わりにEHIBr、EPyTFSI、EMIBF4、TOMAC(下記化6参照)を用いてフォトニック薄膜を作製しようとしたが(比較例3〜6)、可視光を反射しなかった。また実施例20において、ImHTFSIの代わりにEMITFSI、EHIBr、EPyTFSI、EMIBF4、TOMACを用いてフォトニック薄膜を作製しようとしたが(比較例7〜11)、これも可視光を反射しなかった。このような結果に終わった原因は、実施例1や実施例20で用いたImHTFSIがプロトン性イオン液体だったのに対して、比較例3で用いたEMITFSIは非プロトン性イオン液体だったことによると考えられる。P2VPやPMMAを膨潤化させるプロトン性イオン液体とP2VPやPMMAとの間には、水素結合やイオン性相互作用などが生じていると考えられる。一方非プロトン性イオン液体ではそのような作用は生じず、P2VPやPMMAを膨潤しなかったと考えられる。
Claims (16)
- 近紫外光から近赤外光までの波長領域の一部の光を反射する不揮発なフォトニック材料であって、
複数の異なるポリマー鎖が繋がり、各ポリマー鎖が独立して凝集したナノ相分離構造を形成するブロック共重合体
を備え、
前記複数の異なるポリマー鎖のうちの少なくとも1つは、不揮発性溶媒によって膨潤されている、
不揮発なフォトニック材料。 - 可視光の波長領域の一部の光を反射する、
請求項1に記載の不揮発なフォトニック材料。 - 前記不揮発性溶媒は、不揮発なプロトン性溶媒又はそれを含有する不揮発な溶媒である、
請求項1又は2に記載の不揮発なフォトニック材料。 - 前記不揮発性溶媒は、プロトン性イオン液体又はそれを含有する不揮発な溶媒である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発なフォトニック材料。 - 前記不揮発なプロトン性溶媒は、含窒素ヘテロ環の窒素上にプロトンを持つ含窒素ヘテロ環の塩からなるイオン液体又は有機アミンの窒素上にプロトンを持つアンモニウム塩のイオン液体である、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の不揮発なフォトニック材料。 - 前記含窒素ヘテロ環は、イミダゾール、トリアゾール又はピリジンである、
請求項5に記載の不揮発なフォトニック材料。 - 前記複数の異なるポリマー鎖は、第1ポリマー鎖と第2ポリマー鎖であり、
前記第2ポリマー鎖の方が前記第1ポリマー鎖に比べて前記不揮発性溶媒によって大きく膨潤されている、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の不揮発なフォトニック材料。 - 前記第1ポリマー鎖は、ポリスチレン鎖であり、
前記第2ポリマー鎖は、ポリビニルピリジン鎖又はポリメタクリル酸エステル類である、
請求項7に記載の不揮発なフォトニック材料。 - 近紫外光から近赤外光までの波長領域の一部の光を反射する不揮発なフォトニック材料の製法であって、
複数の異なるポリマー鎖が繋がったブロック共重合体を含む溶液を用いて基板上に薄膜を形成し、該薄膜を不揮発性溶媒によって膨潤させる、
不揮発なフォトニック材料の製法。 - 前記フォトニック材料は、可視光の波長領域の一部の光を反射する、
請求項9に記載の不揮発なフォトニック材料の製法。 - 前記不揮発性溶媒は、不揮発なプロトン性溶媒又はそれを含有する不揮発な溶媒である、
請求項9又は10に記載の不揮発なフォトニック材料の製法。 - 前記不揮発性溶媒は、プロトン性イオン液体又はそれを含有する不揮発な溶媒である、
請求項9〜11のいずれか1項に記載の不揮発なフォトニック材料の製法。 - 前記不揮発なプロトン性溶媒は、含窒素ヘテロ環の窒素上にプロトンを持つ含窒素ヘテロ環の塩からなるイオン液体又は有機アミンの窒素上にプロトンを持つアンモニウム塩のイオン液体である、
請求項9〜12のいずれか1項に記載の不揮発なフォトニック材料の製法。 - 前記含窒素ヘテロ環は、イミダゾール、トリアゾール又はピリジンである、
請求項13に記載の不揮発なフォトニック材料の製法。 - 前記複数の異なるポリマー鎖は、第1ポリマー鎖と第2ポリマー鎖であり、
前記第2ポリマー鎖の方が前記第1ポリマー鎖に比べて前記不揮発性溶媒によって大きく膨潤されている、
請求項9〜14のいずれか1項に記載の不揮発なフォトニック材料の製法。 - 前記第1ポリマー鎖は、ポリスチレン鎖であり、
前記第2ポリマー鎖は、ポリビニルピリジン鎖又はポリメタクリル酸エステル類である、
請求項15に記載の不揮発なフォトニック材料の製法。
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