KR20000011546A - 전이금속의나노입자생산방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전이금속으로부터 금속 전구체 용액의 형성 단계, 금속 전구체 용액을 계면활성제 용액에 주입하는 단계, 영구적인 응집 없이 용액에서 나노 입자가 침전되게 하는 엉김제를 첨가하는 단계 및 나노입자가 재분산 또는 재해교(repeptizing)되게 하는 탄화수소 용매를 첨가하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전이 금속의 나노 입자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바람직하게는 실질적으로 약 1에서 20 nm 범위 내의 크기를 갖는 안정한 단분산상 (육방 밀집(hcp), 면심 입방(fcc) 및 코발트의 새로운 입방상과 같은) 원소, 합금(Co/Ni, Ni/Fe, Co/Fe/Ni)(여기에서 원소의 상대농도는 연속적으로 변할 수 있다), 금속간 화합물(Co3Pt, CoPt, CoPt3, Fe3Pt, FePt, FePt3등은 명확히 화학량론적으로 서로 다른 화합물이다), 및 코팅(over-coated)된 자기 나노결정(magnetic nanoparticles)(예를 들면, 일련의 공정에 의해 생산된 서로 다른 화학 조성 물질의 동심 쉘(shell)로 이루어지는 입자)의 화학 합성에 관한 것이다.
미세 입자의 자기 특성은 "유한 크기(finite size)" 효과로 인하여 덩어리 상태와는 다른 특성을 가진다.
특히, 유한 크기 효과와 함께, 입자 크기가 마이크로미터에서 나노미터 스케일로 축소됨에 따라, 보자력(coercive force)은 증가하고 입자가 단일 자구(single-domain) 크기에 도달하면 최대가 된다.
미세 자성 입자의 잠재적인 응용 범위는 초고밀도 기록, 나노 스케일 전자 공학 및 영구자석 뿐만 아니라, 생체분자 표시제(agent)에서 새로운 촉매 및 약제 담체(carrier)로 사용되는 것을 포함한다. 이러한 잠재적 응용 범위 각각에 관련되는 한가지 중요한 목표는 높은 내구성과 내부식성을 가진 단분산 자구를 만드는 것이다.
다양한 물리적, 화학적 합성 경로가 안정성 있고, 단분산상이며 원자가가 영가(zero-valent)인 자성 나노 결정을 생산하기 위해 시도되어왔다. 그러한 것들은 스퍼터링(sputtering), 금속 증착, 연마, 금속염 환원 및 중성 유기금속 전구체 분해를 포함한다.
종래에는, 나노 구조 금속 집합체의 입자 크기의 조정은 단지 Au, Ag, Pd, Pt 입자 같은 뒷 전이 금속(late transition metal)에만 제한된다. 종래 방법에 따라 제조된 앞 전이 금속(early transition metal) 입자는 응집된 분말 형태이거나 대기에 민감하며, 비가역적으로 응집되는 경향이 있다. 이러한 대기 민감성은 많은 양의 물질이 있을 경우 안정성 문제를 일으키며, 공정 중에 고가의 공기 차단 처리 절차를 채용하지 않고 최종 제품이 밀봉 포장되지 않으면 그 시간 동안 산화에 의해 붕괴되는 결과를 가져오기 때문에 문제가 된다. 입자의 비가역적인 응집은 입자 크기 분포를 좁힐 수 없는 분리 공정을 일으키고, 자기 기록 응용 분야에서 필수적인 부드럽고 얇은 필름을 쉽게 형성하는 것을 막는다. 그 응집체는 촉매 작용을 위한 화학적으로 활성인 표면적을 감소시키고, 생화학적 표지, 분리, 약품 전달 응용 분야에 필수적인 용해도를 중대하게 제한한다.
그래서, 입자 차원의 정확한 제어와 단분산상 나노 결정을 제조하는 것은 나노 물질의 기술적인 응용 분야에서는 중요한 목표이다. 강자성(ferromagnetic) 단축 결정(uniaxial)의 코발트가 기초가 된 나노 물질 (많은 이러한 물질들은 hcp 구조가 단축 결정인 것과 같이 사면체(tetragonal) 결정 구조이고, 예를 들면, CoPt과 금속간 화합물(inter-metallics), 그리고 Co/Ta/Cr 합금이 있다.)은 고밀도 기록 매체에 사용되어 왔고, fcc 코발트가 베이스가 된 나노 입자 또는 Ni/Fe 합금 입자는 낮은 이방성(anisotropy)을 갖는 자기적으로 소프트(soft)한 물질이며, 그 자기적으로 소프트한 물질은 판독 헤드(read head)의 현상 공정과 자기적인 차폐(shielding) 응용 분야에서 유리하다. 육방 밀집 구조(hcp)라는 용어와 면심 입방체(fcc)라는 용어는 입자들의 특정한 내부 결정 구조를 지칭하는 것이며, 이는 자기 특성의 이방성을 결정함에 있어서 중요하다. 또한, 이러한 물질들이 확장된 배열로 조직될 경우에는 매우 큰 자기 저항 특성을 나타내어, 예를 들어, 자기저항(magnetoresistive) 판독 헤드(read head) 감지기에 적용될 수 있는 재료의 후보 물질이 될 수 있으리라고 기대된다.
더욱이, 종래에는, 입경의 편차가 5 % 이하인 자기 전이 금속 나노결정을 재생산할 수 있는 화학적인 합성은 어려웠거나 불가능하였다. 입경에서 5 % 보다 더 균일하게 나노결정 크기를 제한하는 것이 불가능하다는 것은 결과적으로 이러한 균일한 전이 금속과 금속 합금 나노 결정의 2-, 3- 차원의 질서화된 어셈블리를 제조하는 노력을 좌절시켰다. 금속 나노 결정의 제조에 대한 종래의 방법은 기계적인 연마, 금속 증착 축합, 레이저 어블레이션(ablation), 전기 스파크 부식과 같은 물리적인 방법과 금속염의 용액 상태의 환원, 금속 카르보닐 전구체의 열 분해, 그리고 전기화학적인 도금을 포함하는 화학적인 방법을 포함한다.
이러한 물리적 또는 화학적인 공정 중에 어떤 것은 적당한 안정제 그리고 전달 유체 또는 적당한 안정제를 포함하는 전달 유체에서 증기 상태로부터 집적된 금속 입자의 존재에서 직접적으로 수행될 때, 자기 콜로이드(예를 들면, 강자성 유체(ferrofluid))가 생성될 수 있다. 상기 언급된 모든 기술들은 수년동안 실용화되어 왔으나, 그러한 기술들은 금속 합금과 전이 금속의 안정한 자기 콜로이드 제조를 위하여 본 발명자에 의하여 개시되어진 수준만큼 필요한 제어 수준으로 개선하는 것은 불가능하였다.
몇 가지 요소들이 기존의 기술들의 효능을 제한해 왔다. 첫째, 자기 콜로이드의 분리/정제와 관련된 기술적인 어려움은 크고, 사실 지난 수십 년 동안 단지 물질들과 자기 물질들에 기초한 장치 그리고 5 %보다 더 우수한 크기에서 균일한 다른 특별한 이점을 얻기 위하여 제한된 장치들의 수행에 대하여 허용 오차를 가지고 있었다. 둘째, 의약과 생화학기술 공업에서 자기 기술의 놀라운 성장은 새로운 많은 응용 분야를 열어 놓았다.
그래서, 종래의 기술들은 전이 금속과 금속 합금의 안정한 자기 콜로이드의 제조에서 요구되는 제어에 사용하는 것은 불가능하게 되었다. 종래의 금속 입자의 불량한 화학적 안정성은 그 물질들이 서로 결합되어지는 시스템의 신뢰성을 제한하여 왔고, 산화 금속 입자에서 고유하고 약한 자기 특성에도 불구하고 많은 응용 분야에서 산화 금속 나노 입자의 넓은 범위의 사용을 촉진하여 왔다.
종래의 방법과 공정은 앞에 기술한 바와 같은 많은 문제점이 있으므로, 본 발명의 목적은 안정하고 단분산상의 원소, 금속간 화합물(intermetallic), 합금 그리고 코팅된 나노 결정을 제조하는 값싼 화학적인 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정확하게 제어된 크기와 자기 저장 응용 분야(기록 매체, 판독 기록 헤드)를 위한 것과 같은 자기 기록 응용 분야를 위한 단분산상을 갖는 나노 결정 물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 강자성 유체를 제조하는 것이다.
본 발명의 첫 번째 관점에서 본 발명자들은 고질의 자기 나노 결정을 얻을 수 있도록 새롭고, 값싸고 매우 편리한 단분산상 자기 원소의 나노 입자와 합금 나노 입자의 제조를 위한 공정을 개발하였다.
더욱 상세하게는 나노 입자를 형성하는 방법은 전이 금속으로부터 금속 전구체 용액을 형성하는 단계; 계면활성용액에 그 금속 전구체 용액을 도입하는 단계; 나노입자를 영구적인 응집 없이 용액으로부터 침전시키도록 엉김제를 첨가하는 단계; 나노입자를 재분산과 재해교시키기 위하여 탄화 수소 용매를 첨가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 두 번째 관점에서 나노입자를 형성하는 방법은 비활성 용매에서 최적으로 계면 활성제, 비이온성 계면 활성제(예를 들면, 삼급 유기포스파인) 그리고 음이온성 계면 활성제(예를 들면, 카르복실레이트)를 포함하는 금속염 전구체 용액을 형성하는 단계; 그 자리(in situ)에서 콜로이드 금속 입자를 제조하는 금속염을 환원시키기 위하여 환원제를 용액에 주입하는 단계; 영구적인 응집 없이 나노입자를 용액으로부터 침전시키도록 엉김제를 첨가하고 용액에 남아있는 그 합성물의 부산물을 분리하는 단계; 그리고 정제된 나노입자를 재분산 또는 재해교하기 위하여 그 침전물에 탄화수소 용매를 첨가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 세 번째 관점에서 나노입자를 형성하는 방법은 제 1 온도에서 전이 금속 착체(complex)의 금속 전구체 용액을 형성하는 단계; 제 1 온도보다 더 높은 온도로 가열되어진 계면 활성제를 형성하는 단계; 그 가열된 계면 활성제 용액에다 금속 전구체 용액을 주입하고 콜로이드 금속 입자를 생성하는 단계; 나노 입자가 영구적인 응집 없이 용액으로부터 침전되도록 그 혼합물에 엉김제를 첨가하는 단계; 그리고 나노 입자를 재분산 또는 재해교하는 탄화수소 용매를 첨가하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 본 발명에 의하여 육방 밀집 구조(hcp) 코발트 입자는 코발트 염(예를 들면, 아세테이트와 같은 카르복실레이트) 또는 베타-디케노네이트(예를 들면, 아세틸아세토네이트)를 환원하는 장쇄(예를 들면, C8 - C12 ) 2가 알코올(예를 들면, 다이올)을 사용함으로써 합성된다. 면심 입방체(fcc) 코발트 나노 입자는 원자가 영가의 코발트 착체(예를 들면, 코발트 카르보닐 그리고 코발트 유기포스파인 착체)의 열분해를 통하여 얻어진다. 새로운 입방상의 코발트 나노 입자는 코발트염의 초수소화물(superhydride) 환원을 통하여 제조된다.
본 발명에서는, 더욱 바람직하게는 코발트 입자의 모든 형태는 장쇄 카르복실산(예를 들면, C8 - C12)과 최적의 올레인산(oleic acid) 그리고 트리알킬포스파인과의 조합에 의해 안정화된다. 이러한 안정화는 효과적이어서 그 입자들이 용액 상태에서 또는 대기하 고체 형태로서 쉽게 취급될 수 있다. 그 입자들은 일반적인 비양자성(aprotic) 용매(예를 들면, 에테르, 알칸, 아렌(arene), 그리고 염소화된 탄화수소) 내에서 쉽게 재분산될 수 있다. 또한, (바람직하게는 입자들의 비양자성 용매 알칸 용액에 비용매(예를 들면, 알코올)를 첨가함에 의하여) 입자 선택성 침전은 원래 분포로부터 단분산상 단결정 부분으로 분리된다. 코발트가 기초가 된 입자들을 제외하고, 본 발명은 또한 Ni, Cu, Pd, Pt 그리고 Ag 나노 입자를 제조하는 데에 유용하다. 본 발명은 2성분의 금속간 화합물 (Co3Pt, CoPt, CoPt3, Fe3Pt, FePt, 그리고 FePt3) 그리고 2성분 합금(예를 들면, Co/Ni, Ni/Fe 및 Co/Fe) 그리고 3성분 합금 (예를 들면, Co/Fe/Ni)을 제조한다. 본 발명은 또한 코팅된(예를 들면, Co-Ag 그리고 Co-Pt) 나노 구조의 입자를 제조한다.
그래서, 본 발명의 유일하고 비자명한 특성으로, 안정한 단분산상 원소, 금속간 화합물, 합금 그리고 코팅된 자기 나노 결정을 제조하는 경제적인 화학 공정을 제공한다. 더욱, 나노 결정 물질들은 효과적으로 자기 기록 매체, 판독 기록 헤드를 위한 것과 같은 자기 기록 응용 분야를 위하여 제어된 크기 그리고 단분산상을 갖도록 제조된다. 그리고 강자성 유체를 값싸게 제조한다.
그래서, 본 발명은 원소(elemental) 코발트, 니켈, 또는 철, 금속간 화합물(예를 들면, CoPt 그리고 FePt) 또는 합금(예를 들면, Co/Ni, Ni/Fe 및 Co/Fe와 같은 2성분 합금 그리고 Co/Fe/Ni와 같은 3성분 금속 또는 그와 같은 것), 콜로이드 안정제, 그리고 유기 전달 유체의 나노미터 크기(예를 들면, 실질적으로 약 1에서 20 nm 범위 내)의 단결정 (예를 들면, 나노 결정)을 필수적으로 포함하는 단분산상 자기 콜로이드(예를 들면, 강자성 유체)의 개선된 제조 공정을 제공한다.
본 발명에 따른 자기 콜로이드를 제조하는 공정에 있어서, 몇 가지 중요한 개혁은 화학적 분해(예를 들면, 산화)에 대하여 나노 결정의 증진된 저항성뿐만 아니라 나노 결정 크기, 형태, 그리고 결정 구조에서 균일성을 실질적으로 개선한다.
예를 들면, 본 발명의 개선은
1) 불활성 가스 분위기(예를 들면, 바람직하게는 Ar, He 또는 N2)하에서 격렬하게 혼합된 모든 다른 필요 반응물의 고온 용액을 포함하는 플라스크에 반응을 위한 필수적인 반응물 중의 최소한 하나를 포함하는 용액의 빠른 주입(예를 들면, 본 발명의 적용 목적으로 "빠르기(rapid)"는 5 초 내, 최적으로는 0.5 초에서 2 초 내에 반응물의 전체 전달을 표현한다.)에 의한 핵생성(nucleation)을 제어하는 단계;
2) 금속 입자 성장을 조정하는 삼급 알킬포스파인 또는 아릴포스파인을 첨가하는 단계;
3) 표준 공정보다 더 높은 온도에서 제어된 성장이 개개의 나노결정의 질을 개선하도록 반응 매체의 구성물을 변화하는 단계; 및
4) 입경에서 10 %(그리고 최적으로 5 % 이하)의 표준 편차(deviation)보다 작은 정도로 입자 크기 분포를 좁히는 합성의 초기 단계 후에 입자의 선택적 침전과 원심분리를 수행하는 단계
를 포함한다.
상기 언급된 개선은 매질(medium)로부터 고질의 자기 나노 결정을 분리할 수 있는 것을 제공하는 것에 덧붙여서 강자성 유체의 작용과 조성물의 제어를 개선하도록 단독으로 또는 조합하여 수행할 수 있다.
본 발명의 합성과 측정 결과뿐만 아니라 여러 가지 목적, 관점, 그리고 이점들은 도면과 관련하여 본 발명의 바람직한 구체예의 아래의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실리콘 기질(예를 들면, (100) Si)위에서 입자들이 녹아 있는 헥산 용액의 증발에 의해 제조된 샘플을 사용하는 디올 환원으로부터 다른 크기 범위를 갖는 다른 입자들의 X-선 분말 분석을 도시한 그래프이다.
도 2는 초수소화물 환원으로부터 입자들의 X-선 분말 패턴을 도시한 그래프이고, 망간(Mn) 입방상으로 된 망간(예를 들면, 더 낮은 두 개의 회절 패턴에 의해 보여지는 것과 같이, β- Mn 상태의 가열이 알려진 덩어리 상태로 변화된다; 즉, 400 ℃ 이하에서 가열하면 현저하게 hcp를 형성하고 400 ℃ 이상으로의 가열은 현저하게 fcc를 제조한다.)의 β-상태의 X-선 회절과 유사한 패턴을 보여준다.
도 3은 입자들이 옥탄 용액의 증발에 의해 제조되고 실온, 진공 하에서 건조된 디올 환원으로부터 제조된 6 nm hcp 코발트 나노 결정의 전자 전달 마이크로그래프(TEM) 영상이다.
도 4는 초수소화물 환원으로부터 단분산상 β-Mn 형태의 코발트 입자의 TEM 영상이다.
도 5는 디코발트 옥타카르보닐의 분해로부터 얻은 8 nm 단분산상 fcc 코발트 나노 결정의 영상이고, 도데칸 용액으로부터 실온에서 제조된 샘플을 갖는 입자들 사이의 인력(예를 들면, 이러한 인력은 자기 쌍극자 상호 작용(dipolar interaction)과 반데르 바알스 힘의 합계이다.)에 기인한 단(terrace) 구조를 나타낸다.
도 6은 fcc 코발트 입자의 자기적 그리고 반데르 바알스 상호작용에 기인하여 형성된 초격자를 보여주는 TEM 영상이고, 그것은 입자들이 도데칸 용액으로부터 60 ℃에서 집적된 샘플을 사용하여 육방 밀집 배열(hcp array)을 형성하는 경향을 나타내는 것이다.
도 7은 60 ℃에서 도데칸의 증발 동안 기질에 평행하게 적용된 작은 자기장에 대한 입자들의 반응을 보여주는 TEM 영상이다. 여기에서 스트라이프 형태와 같은 초격자(superlattice) 자기장 패턴이 형성된다.
도 8은 실온에서 부탄올 용액의 증발에 의해 제조된 폴리비닐피롤리돈(PVP)으로 보호된 fcc 코발트 입자들의 TEM 영상이다.
도 9는 hcp 코발트 입자들의 온도에 대한 입자 의존 영 자기장 냉각(ZFC)-자기장 냉각(FC) 자기화를 도시한 그래프이다.
도 10은 5 K에서 hcp 코발트 나노 결정의 크기, 온도 의존성 히스테리시스 고리(hysteresis loop)를 도시한 그래프이다.
도 11a는 단분산상 나노 결정의 일반적인 화학 합성을 도시한 것이고, 도 11b는 반응 시간에 대한 전구체 농도를 나타내는 그래프를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 합성을 수행하기 위한 장치의 개략도이고, (고농도 무기 코아의 임계 구조와 표면 위에 유기 보호막(organic passivants) 층을 보여주는 나노 입자의 개략도와 함께) 개략적으로 전체를 구성하는 나노 입자의 폭발(blow-up)을 설명한다.
도 13은 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 다른 장치의 개략도이고, 더욱 상세하게는 콜로이드 분산물에 대하여 엉김제 입자의 첨가(예를 들면, 느린 적가)로 일어나는 크기 선택성 침전이 그 분산물을 엉기게 하고 침전한다. 그 침전물은 원심 분리에 의해 분리된다.
도 14는 도 13의 장치로부터 출력(output)된 입자들의 TEM이다.
도 15는 본 발명의 공정 단계를 나타내는 플로우차트를 도시한 것이고;
도 16은 본 발명 공정의 또 다른 방법의 단계를 나타내는 플로우차트를 도시한 것이다.
이제 그 도면들 그리고 더욱 상세하게는 도 1-16까지의 도면을 언급하면서 본 발명의 구체예를 설명하겠다.
일반적으로, 본 발명은 단분산상 자성 원소 그리고 합금 나노입자를 제조하는 값싸고 효율적인 공정이어서, 고질의 자성 나노결정을 형성할 수 있다. 아래에 설명한 바와 같이, 코발트 아세테이트의 장쇄 2가 알코올(예를 들면, 디올)의 환원에 의하여 육방 밀집 구조(hcp) 코발트 입자는 합성되고, 면심 입방(fcc) 코발트 나노 결정을 얻기 위하여서는 예를 들면, 디코발트 옥타카르보닐의 열분해를 통하여 얻을 수 있다. 새로운 입방상의 코발트 나노 입자는 코발트염의 초수소화물 환원을 통하여 제조된다.
본 발명에 따르면, 코발트 입자의 모든 형태는 올레인산과 트리알킬포스파인의 조합에 의하여 안정화되고, 그것은 효과적이어서 입자들이 용액 상태에서 또는 대기 하에서 고체 형태로써 쉽게 취급될 수 있다. 그 입자들은 비양자성 용매에서 쉽게 재분산된다. 또한, 입자 선택성 침전(예를 들면, 바람직하게는 입자들의 알칸 용액에 비용매성 알코올을 첨가함으로써)은 단분산상 나노 결정을 형성한다. 그것에 한정되지 않을 지라도, 본 발명은 또한 아래에 기술한 바와 같이, Ni, Cu, Pd, Pt 그리고 Ag 나노입자를 제조하는데 유용하다. 본 발명은 금속간 화합물(예를 들면, CoPt, FePt), 2성분 합금(Co/Ni, Co/Fe, 그리고 Fe/Ni) 그리고 3성분 합금(예를 들면, Co/Fe/Ni)의, 그리고 코팅된 (예를 들면, Co-Ag, Co-Pt 그리고 Fe-Ni-Ag와 같은)입자들을 제조한다.
본 발명은 안정한 단분산상의 원소, 금속간 화합물, 코팅 및 합금인 자기 나노 결정을 제조하는 경제적인 화학 공정을 제공한다.
더욱, 나노 결정 물질은 디스크 그리고 헤드 매체를 위한 것과 같이 자기 기록 응용 분야를 위하여 제어된 크기 그리고 단분산상을 갖도록 효율적으로 제조되며, 강자성 유체는 값싸게 제조된다.
제 1 구체예로 되돌아가서, 트리알킬포스파인은 하나의 안정화 리간드로써 선택된다. 왜냐하면, 그것은 σ- 도네이팅 그리고 π- 백(π-back) 결합에 기인한 원자가 영가인 금속을 안정화시키는 잘 알려진 리간드이기 때문이다.
본 발명에서 다른 많은 포스파인은 대칭 삼급 포스파인(예를 들면, 트리부틸, 트리옥틸, 트리페닐) 등 또는 비대칭 포스파인(예를 들면, 디메틸 옥틸 포스파인)과 같은 것을 사용할 수 있다. 이러한 포스파인은 단독 또는 그 상태가 보장된다면 함께 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명자들은 트리알킬포스파인이 입자들의 성장 속도를 감소시키나 그 입자들을 (예를 들면, 100 ℃ 내지 350 ℃의 온도에서 20 nm 보다 더 큰) 분산될 수 없는 집합체로 성장할 수 없도록 금지하지는 않는다는 것을 알아냈다.
본 발명에 일반적으로 따를 때, 계면 활성제는 R-X 형태로 표현될 수 있는 장쇄 유기 화합물인 유기 안정제를 포함한다;
여기에서 (1) R- 은 직쇄 또는 가지 탄화수소 또는 플루오르탄소사슬인 "꼬리 그룹(tail group)"이다. R- 는 전형적으로 8-22의 탄소 원자를 포함한다.
(2) X- 는 나노 입자의 표면에 특정한 화학적인 부착을 제공하는 부분(moiety)인 "머리 그룹(head group)"이다. 활성 그룹들은 설피네이트(-SO2OH), 설포네이트(-SOOH), 포스피네이트(-POOH), 포스포네이트(-OPO(OH)2), 카르복실레이트 그리고 티올이다. 그래서 그 안정제들은 다음과 같은 것으로 된다.
설폰산 (R-SO2OH), 설핀산 (R-SOOH), 포스핀산 (R2POOH0, 포스폰산 (R-OPO(OH)2), 카르복실산 (R-COOH), 티올 (R-SH).
유기 안정제 물질의 하나의 특수한 바람직한 선택은 올레인산이다.
올레인산은 콜로이드를 안정화하는데 잘 알려진 계면 활성제이고 철 나노 입자를 보호하는데 사용되어 왔다. 올레인산의 상대적으로 긴(예를 들면, 올레인산은 ~20 Å 길이의 18개 탄소수의 사슬을 갖고 올레인산은 지방족이 아니고, 하나의 이중 결합을 가지고 있다.) 사슬은 입자들 사이에서 강한 자기 상호 작용에 대하여 반작용하는 중요한 스테아릭 장벽(stearic barrier)을 표현한다. 에루시산(erucic acid) 그리고 리놀렌산(linoleic acid)과 같은 유사 장쇄 사슬 카르복실산은 또한 올레인산에 대한 첨가물(예를 들면, 8 내지 22 사이의 탄소 원자를 갖는 어떤 장쇄 사슬 유기산은 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다.)로 사용될 수 있다. 올레인산은 전형적으로 쉽게 얻을 수 있는 값싼 자연적인 원료(예를 들면, 올리브유)이기 때문에 바람직하다. 그러므로, 카르복실산 단독으로는 최적 성장을 위하여 Co 입자의 성장을 방해할 수는 없다.
상기 언급된 포스파인 그리고 유기 안정제(예를 들면, 트리유기포스파인/산)의 조합은 입자 성장과 안정에 대한 좋은 제어를 제공한다. 디-데실 그리고 디-도데실에테르가 채용될 수 있을 지라도 페닐에테르 또는 n-옥틸에테르는 낮은 비용과 높은 끓는점에 때문에 용매로써 바람직하게 사용된다. 그 반응은 필요한 나노입자 그리고 끓는점에 의존하는 100 ℃에서 360 ℃까지의 온도에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 ~240 ℃에서 수행될 수 있다. 만약 온도가 이 온도 범위보다 낮으면 그 입자들은 성장하지 않는다. 만약 온도가 이 온도 범위보다 높으면 입자는 바람직하지 않은 부산물의 증가 때문에 제어되지 않고 성장한다.
종래의 기술에서 일반적으로 알려진 공정인 폴리올 공정은 디올에 의한 금속염의 환원과 관계한다. 그 일반적인 공정은 순수 디올에서 금속 전구체를 용해하는 것과 관계하고 금속염의 환원을 개시하도록 가열하고, 입자를 생성한다. 일시적으로 분리된 핵생성 단계는 없고 크기 제어는 없거나 거의 없다. 그래서, 그 폴리올 공정은 금속 입자에 대하여 코발트 아세테이트를 포함하는 금속염을 환원하는 데 사용되어 왔다. 에틸렌 글리콜은 환원제로써 가장 자주 사용된다. 그 환원은 일어나는 데 수시간(예를 들면, 전형적으로 수시간)이 걸리고, 입자들의 안정화는 상대적으로 화학적으로 불활성인 Ag, Pt 그리고 Pd와 같은 뒷 전이 금속(late transition metal)을 제외하고는 어렵다. 코발트의 전형적인 폴리올 환원에서 최종 생성물은 코발트의 hcp와 fcc 상태 둘 다를 포함한다.
에틸렌 글리콜과 비교하여, 1,2-옥탄디올, 1,2-도데칸디올 그리고 1,2-헥사데칸디올과 같은 장쇄 디올은 더 높은 끓는점(예를 들면, 200 ℃인 에틸렌 글리콜의 끓는점과 비교하여 200-300 ℃)을 갖고, 만약 재순환하여 사용한다면, 그 장쇄 디올은 쉽고 빠르게 금속염을 환원시킬 수 있다. 그래서, 200-240 ℃에서 이러한 디올에 의한 코발트 아세테이트의 환원은 20 분 내에 끝난다. 장쇄 디올을 사용함에 의해서 제공되는 가장 중요한 개선은 높은 끓는점을 갖는 용매에서 용해될 때 이러한 분자들이 입자들을 합성하는 동안에 분산된 상태로 남게 된다는 것이다. 종래의 방법에서는 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 같은 순수 디올을 채용하는 것은 입자들이 생성될 때 그 입자들이 디올에 용해되지 않고 즉시 응집하기 때문에 대부분 실패하였다. 본 발명에 따른 방법과 공정은 불활성 용매와 장쇄 디올의 사용에 의해 이것을 회피하였다. 디코발트 옥타카르보닐의 열분해는 fcc 코발트에 대하여 사용되어진 또 다른 알려진 환원 공정이다.
다양한 고분자와 계면 활성제는 입자 크기를 제어하기 위하여 종래부터 사용되어 왔다. 그러나, 입자들의 산화가 자발적으로 일어나고, 산화 코발트 입자가 일반적으로 얻어진다. 초수소화물(LiBHEt3)은 작은 입자(〈약 4 nm)들을 제공하기 위하여 실온에서 알킬암모늄 브로마이드(R4NBr)의 존재 하에서 테트라하이드로퓨란(THF)에서 금속 할로겐을 환원하는데 사용되어 왔다.
본 발명에 의하여, 높은 끓는점을 갖는 에테르(예를 들면, 옥틸에테르 또는 페닐에테르)에서 약 100-240 ℃에서 환원 반응이 사용되어 왔고, 그리고 그 환원 반응은 코발트의 새로운 결정 상태를 나타내는 잘 결정된 X-선 분말 회절 패턴을 형성하게 한다. 본 발명에 의하면, 코발트 나노 입자의 모든 세 가지 종류의 안정화는 올레인산과 트리알킬포스파인의 조합에 의하여 얻어진다. 그 동일한 원리는 Ni, Cu, Pd 그리고 Ag와 같은 다른 금속 시스템에 또한 적용된다. 그리고 Ni이 기초가 된 합금 나노 입자는 상대적으로 화학적으로 불활성인 입자들이다. 그 최종 생성물은 또한 본 발명의 명세서의 관점에서 동 기술 분야의 당업자에게 잘 알려진 것과 유사하고 쉽게 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 예시 공정으로 되돌아가서, 그 합성은 장쇄 카르복실산(예를 들면, C8 내지 C12)과 트리알킬포스파인의 존재 하에서 환원제 또는 디코발트 옥타카르보닐의 에테르 용액의 주입으로 시작하였다. 주입에 의한 반응물의 도입은 바람직하게는 전체량의 전달을 위하여 5 초 이내로 지속되는 단독 주입이었다.
그 환원 또는 분해는 짧은 시간(예를 들면, 약 10 분)에 일어났고, 일시적으로 균질(homogeneous)의 핵생성을 분리하게 되었다. 입자들의 성장은 30 분내에 완결되었고, 코발트 또는 다른 금속 그리고 그들의 합금 입자들은 불활성 대기의 보호 없이 취급될 수 있다. 수 시간 걸린 상기에서 기술된 종래의 방법과 비교할 때, 나노입자를 증가시키는 데 있어서 본 발명의 방법은 (예를 들면, 종래의 방법보다 훨씬 낮은 차수이기 때문에) 매우 효과적이다.
본 발명에 따라, 입자 선택성 침전은 비용매성 에틸 알코올로 입자들이 녹아있는 헥산 용액을 적정하고, 알칸 용매에서 쉽게 재분산될 수 있는 실질적으로 단분산상 코발트 나노 결정을 제공하는 것에 의해서 수행될 수 있다.
최종 생성물의 결정 상태는 X-선 분말 회절에 의해 결정되고, 전자 회절이 선택된다. 대기압에서 원소 코발트에 대해 알려진 단지 두 개의 안정한 상태가 있다. 그 hcp 형태는 425 ℃ 이하의 온도에서 안정한 반면, fcc 형태는 425 ℃ 이상에서 안정한 구조이다.
도 1은 본 발명의 상기 방법에 따라 제조된 hcp 코발트 나노결정의 X-선 패턴을 도시한 것이다. 2θ= 49, 52, 55 그리고 91˚에서 나타나는 피크는 d100=2.17Å, d002=2.02Å, d101=1.91Å 그리고 d110=1.25Å에 해당하고, 각각, 육방 밀집 구조(hcp) 코발트 결정 상태의 그것들과 일치한다. 샘플 크기로써 반사선 폭의 넓이는 "한정된 크기 폭(finite size broadening)"으로써 언급되어진 것과 같이 감소된다. 선 폭의 상세한 분석은 일반적으로 나노 결정 크기의 결정에 적용된다. 도 1은 응집 fcc 격자 공간을 확인하는 fcc 코발트 나노 결정 샘플의 X-선 회절 패턴을 보여준다. 초수소화물 환원으로부터 얻어진 입자들의 그 X-선 패턴은 hcp 또는 fcc 코발트 상태와 일치하지 않으나, 도 2에서 보여주는 것과 같이, Mn 금속의 특수한 β상태로써 동일한 대칭성을 나타낸다. 그 패턴은 Mn 그리고 코발트 원자들의 크기 차이에 대하여 스케일된 β-Mn 구조의 대칭성과 잘 맞는다. 그러므로, 이러한 구조는 300 ℃ 이상의 온도에서 안정하지 않다. 이러한 열적 불안정성은 나노 결정의 내부 구조를 fcc 또는 hcp 형태로 변환할 수 있도록 단순한 통로를 제공하도록 개발되어질 수 있고, 그래서 자기적 이방성을 변화시킬 수 있다. 이 새로운 입방상을 가열하면 300 ℃에서 hcp 코발트 상태로 변화될 수 있고, 500 ℃에서 fcc 코발트 상태로 변화될 수 있다. CoO 와 CoP에 일치하는 어떤 특별한 피크도 X-선 분석에서 검출되지 않았고, 원소 분석은 포스퍼러스(phosphorous) 결합이 3% 이하임을 보여주고 있다.
안정화 리간드의 비율에 따라, 크기가 다른 입자를 제조할 수 있는데 금속 전구체 용액에 대한 안정제/계면 활성제의 비율을 높임으로써 선호되는 더 작은 입자들을 제조할 수 있다. 예를 들면, 트리알킬포스파인의 1 당량과 올레인산의 1 당량(예를 들면, 올레인산에 대한 트리알킬포스파인의 1:1 비율)의 존재하에서 코발트 원료의 2 당량(예를 들면, 몰 분율)의 환원은 입자들의 크기를 약 13 nm까지 유도한다. 반면에 올레인산과 트리알킬포스파인의 더 많은 (예를 들면, 트리알킬포스파인과 올레인산에 대한 금속 원료의 2:1:1 비율보다 더 큰) 당량의 존재 하에서 더 작은 입자들이 얻어진다. 입자 크기의 더 특정한 하한치는 없지만 가장 작은 코발트를 코발트를 너무 적게 함유하는 종류들은 내부 격자를 잘 형성할 만한 원자가 없어서 분자와 유사하게 된다.
도 1의 삽입된 100은 그렇게 하여 제조된 hcp 코발트 입자의 X-선 패턴의 계열을 도시한 것이다. 진공 하 300 ℃에서 입자들을 서냉하는 것은 나노 결정의 회절 패턴이 삽입된 100의 파장 형태 f에서 나타내어진 것처럼 커다란 나노 결정의 불용성 덩어리를 만드는 안정화 리간드의 손실로 나타난다. 그 입자들은 X-선 회절 패턴(예를 들면, 도 1의 삽입된 100을 보면)에서 보여지듯이 이러한 서냉(annealing) 상태에서 발산하고 성장하며, 매우 대기에 민감하게 된다. 만약 샘플이 대기에 노출되면 산화 코발트 입자는 즉시 얻어진다.
입자 크기와 입자 분포를 결정하기 위하여, 그 생성물의 ~500 ppm을 함유하는 옥탄 또는 도데칸 용액의 한 방울은 탄소가 코팅된 구리 격자 위로 첨가된다. 특히, 콜로이드의 방울은 탄소가 코팅된 구리 TEM 격자 위로 위치하여진다. 그 격자는 진공 하 실온의 진공실에서 마지막으로 건조된다.
약 6 nm hcp 코발트 나노 결정의 그 TEM(전자 전이 마이크로그래프) 영상은 도 3에서 보여준다. 약 8.5 nm, β- Mn 형태 코발트 입자의 TEM 영상은 도 4에서 보여준다.
각각의 경우에서 나노 결정의 크기는 매우 균일하고, 입자들은 표면에 배위된 올레인산의 층에 의해 각각 서로로부터 분리되어진다. 코발트 카르보닐의 분해는 고질의 fcc 코발트 나노 결정을 제공한다.
도 5에서 보여주듯이, 단 형태와 같은 다중층은 실온에서 비결정성 탄소 필름 위로 8 nm 단분산상 fcc 코발트 나노 결정을 보여준다. 이러한 3차원적인 배열은 단지 극도로 균일한 크기와 형태의 단분산상 입자 시스템을 가능하게 한다. 그 입자들은 그 입자들 사이에서 인력인 자성 그리고 반데르 바알스 상호작용에 기인하여 다중층 단 초격자(superlattice) 구조로 자기 조립(self-assembly)하는 경향을 갖는다.
만약 격자가 60 ℃에서 제조된다면, 그 첨가된 열에너지는 그 입자들이 증발하는 동안에 더 낮은 에너지 격자 자리로 분산되도록 하고 잘 결정된 대면한 초격자를 제조하도록 한다. 이 초격자의 육각 패턴은 도 6에 나타나 있고, 그 구조에서 개개의 나노 결정이 본래의 육각형의 밀집 구조임을 나타내고 있다. 만약, 자기장이 격자의 면에 적용될 동안에 TEM 연구를 위한 샘플이 용액으로부터 침전되면 그 코발트 입자는 그 장의 방향에 따라서 조직되어지는 경향이 있고, 결과적으로 도 7에서 보여주듯이 코발트 입자의 스트라이프 형태의 초격자로 된다.
배열된 구조에서 고체 표면에 대한 나노 구조의 금속 입자의 자기 조립은 본 발명에 의하여 채용된 굉장히 힘든 제조 노력이 필요하다. 이러한 도전은 판독 기록 감지기(예를 들면, 디스크, 헤드 등 매체) 뿐만 아니라 기록과 재생산 매체를 포함하는 다양한 다른 응용 분야에 적합한 특수한 전기 및/또는 자기 특성을 갖는 구조적으로 균일한 물질 제조의 진보로 진행된다.
본 발명에 따라서 제조된 코발트 입자는 고차의 배열 정도를 나타내고 있다. 그 나노 결정은 육방 밀집 구조로 자기-조직화(self-organized)되는 경향이 있다. 그 입자들의 TEM 영상은 약 3.5 nm 정도의 코발트 코아의 중심 사이의 거리를 보여준다. 그 올레인산의 사슬 길이는 약 2.5 nm이다. 그래서, 약 3.5 nm 정도의 분리는 입자 표면 위에서 보호 구조물이 서로 얽히게 한다. 입자 주위의 올레인산은 1,2-헥사디에논산과 폴리부타디엔 디카르복실산과 같은 다양한 다른 산들로 대체될 수 있다.
고체 표면 위에 자성 양자 도트의 나노 공학 공간이 단순히 카르복실산의 알킬 그룹의 길이를 변화시킴에 의해 가능할 수 있는 범위 내와 종래 주어진 이러한 개시에서 당업자에게는 명백할 것이다.
생화학적 시스템에서 입자들을 사용하는 것과 같이 다른 응용 가능한 분야를 추구하는 데에서 폴리비닐피롤리돈(PVP)은 다른 종류의 리간드를 안정화하는 종류로써 선택될 수 있다. 왜냐하면, PVP는 DNA, 폴리펩티드 또는 생체 분자에서 기초 단위인 아세틸아미드 그룹을 포함하기 때문이다. 그 결과는 PVP가 PVP로 보호되는 입자들을 형성함으로써 올레인산을 기꺼이 대체할 수 있다는 것을 보여준다. 리간드로써 올레인산을 가지면서 형성되었던 초격자는 이제 없어진다. 그 입자들은 도 8에서 보듯이, 전형적인 폴리머 고리 패턴에서 잘 분산될 수 있다. 그리고 그것은 본 발명에 따라서 제조된 입자들이 생화학적 표지와 영상에서 큰 가능성을 갖는다는 것을 알려준다. 또한, 그 입자들의 자발적인 용해성은 생화학 생성물의 자성 분리에 대하여 바람직하다.
자성 연구는 MPMS2 양자 고안 초전도 양자 간섭 장치(SQUID) 마그노미터(magonometer)를 사용함으로써 수행되어진다. 첫째, 그 샘플은 펜탄 또는 헥산(예를 들면, 리간드를 안정화하는 것으로써 올레인산을 사용한다.) 또는 디클로로메탄(예를 들면, 리간드를 안정화하는 것으로써 PVP를 사용한다)을 사용하여 용해시킨다. 그리고, 고질의 석영 튜브로 하중시킨다.
그 용매를 증발시키고 그 생성물을 실온, 진공 하에서 건조시켰다. 자기화의 온도 의존성은 영-자기장-냉각(ZFC)/자기장-냉각(FC) 공정에 따라서 5 에서 300 K 사이에서 10 Oe 장에서 측정되었다. 코발트에 대한 임계 크기는 10 나노미터의 차수이기 때문에 여기에서 제조된 입자들은 자성 단일 자구의 그룹이었다. 이러한 초미세 영역에서 열 불규칙성은 자기 결정 이방성을 극복할 것이고, 초-상자기성(superparamagnetism)이 일어날 때 자기 용이 축(magnetic easy axis)을 따라 그 입자들이 자기 불규칙성을 갖도록 할 것이다. 이것은 전형적으로 도 9의 그래프에서 보여주듯이 입자들의 온도 의존 자성화에서 나타난다. 특히, 도 9는 다른 크기의 코발트 입자의 온도에 대한 자기화를 보여준다.
도 9에서 보여주듯이 약 3 nm로부터 약 10 nm까지의 범위의 크기를 갖는 입자들은 실온에서 초-상자성체이다. 그러므로, 초-상자성 특성은 저온에서 금지된다. 약 9 nm의 크기를 갖는 입자들에 대하여 금지 온도는 TB=약 255 K에서 일어나고, 반면에 약 6 nm의 입자와 약 3 nm의 입자들은 (예를 들면, 도 9를 보면) 그들의 TB는 각각 47 K과 약 15 K에서 위치하고, 크기에 의존하는 방해(block behavior)을 나타낸다.
그 입자들의 강자성 특성은 그들의 히스테리시스 행동을 통하여 실험될 수 있다. 그 M-H(예를 들면, 자성화 대 자기장 강도)의 히스테리시스 고리는 자기장 하에서 5 K에서 1.0 T 까지 기록된다. 입자 그리고 온도 의존성 히스테리시스 곡선은 도 10에서 표현된다.
약 11 nm 입자에 대하여 보자성(coercivity)은 2000 Oe에 도달한다. 반면에 입자 크기가 약 9 nm로부터 약 6 nm까지 감소될 때 그리고 더욱 약 3 nm까지 감소될 때, 그들의 보자성은 약 897 Oe로부터 약 291 Oe 까지 그리고 약 219 Oe까지 각각 감소된다. 실온에서 약 9 nm 이하의 크기를 갖는 입자들의 히스테리시스는 사라지고 반면에 약 11 nm의 크기를 갖는 입자들이 여전히 약 135 Oe(예를 들면, 도 9를 보면)의 Hc를 갖는 강자성 행동을 보여준다. 이러한 값들은 (예를 들면, 코발트에 대하여 약 11 nm 주위의) 상기 초-상자기성 한계 이상으로 입자들의 보자력이 입자 부피를 감소시키도록 급격히 떨어진다는 것을 나타내는 앞선 실험 결과와 잘 일치한다.
미래의 초고밀도 기록 매체에 대하여 약 8-10 nm 또는 그 이하의 평균 입경을 갖는 균일한 입자들과 2500 Oe의 높은 Hc가 요구된다는 것은 예견되어 왔다. 원소 코발트 입자들이 초-상자기성 한계에 기인하여 실온에서 매체와 같은 것으로써는 거의 사용되지 않을지라도, 본 발명의 합성의 접근은 고농도 기록 응용 분야에 적용될 수 있는 강자성 물질들을 보여준다(헤드, 디스크, 등, 매체).
특히, 본 발명자들은 다른 금속 시스템으로 본 발명의 합성 방법을 확장하는데 성공하였다.
예를 들면, 단분산상 fcc Ni 나노 결정, 그리고 더욱 중요하게는 단분산상, Co-Pt 금속간 화합물 입자들 그리고 (예를 들면, 약 20 nm의 크기까지의)Co-Ni와 Ni-Fe 입자들과 같은 합금 나노 입자는 관련된 금속 아세테이트, 또는 금속 아세틸아세톤네이트의 환원에 의하여 만들어진다. Ni-Fe 입자 물질들은 거대한 자기저항 헤드에 사용된다. Co-Pt 합금 입자들은 초고밀도 기록 매체에 대한 입자로써 알려져 있다. 더욱 균일하고 잘 분리된 Co-Pt 합금 입자는 본 발명의 중요한 목적이고, 본 발명의 방법은 단분산상 Co-Pt 나노 결정을 만드는데 기여한다.
그리하여, 상기에서 기술된 바와 같이, 본 발명은 용액 상태, 금속염의 고온 환원과 금속 나노 입자로 유도되는 중성 유기 금속의 전구체의 분해를 달성한다. 입자들의 안정화는 예를 들면, 올레인산과 트리알킬포스파인의 조합에 의하여 달성된다. 단분산상 나노 결정은 입자 선택성 침전에 의하여 분리될 수 있다. 그 개별적인 입자들은 유기층에 의하여 서로 각각으로부터 잘 분리되어진다. 그리하여, 이러한 입자들 사이에서 입자간(intergranular) 교환은 매우 감소한다.
도 11a는 나노 입자의 핵생성을 제어하는 반응물의 주입을 채용하는 본 발명의 상태 합성 기술을 보여준다.
도 11b는 단분산상 마이크론 크기의 설퍼(sulphur) 콜로이드의 성장을 설명하는 다분산 콜로이드의 제조에 필수적인 상태의 표준 표현이다. 그것의 임계 특성은 핵에서 느린 성장에 의해서 뒤따라 일어나는 일시적으로 분리된 핵생성 현상이다. 이러한 일반적인 반응 아웃라인에 따르는 특수한 화학공정의 일련의 공정을 고안함으로서 본 발명자들은 단분산상 자성 나노 결정의 성장에 대한 상태를 최적화하였다.
도 12는 아래의 실시예에서 기술하였듯이 입자 선택성 침전에서 기본적인 과정을 나타낸다.
도 13은 고체 기질 위에 콜로이드 분산의 증발에 의한 나노 입자들의 질서 정연한 배열의 형식을 보여준다.
도 14는 현재의 개선으로부터 결과된 fcc 코발트 입자들의 극도의 균일성을 보여준다. 도 14의 TEM 영상에서 고자성 삽입물은 나노 결정의 육방 밀집 구조(hcp)를 명백하게 보여주고 있고, 밑에 깔린 입자들의 위치를 나타내는 것에 의하여 어셈블리의 3차원 구조를 확인하는 초격자에서 하나의 공간을 나타낸다.
도 15는 본 발명 공정 150의 플로우챠트를 도시하는데, 그것은 그 한 방법을 나타내고 도 16은 플로우챠트 160에서 두 번째 방법을 도시한다.
도 15에서 나노 입자를 형성하는 본 발명의 방법은 계면 활성제 용액과 함께 금속 전구체 용액을 형성하는 첫 번째 과정 1501을 포함한다. 그 금속 전구체 용액은 전이 금속으로부터 형성된다. 위 아래의 실시예에서 금속 전구체 용액은 착체 또는 전이 금속의 염으로부터 형성되어질 수 있다. 금속 전구체 용액과 계면 활성제 용액을 함께 형성하는 데에 있어서, 실시예에서 기술된 바와 같이, 그 금속 전구체 용액이 계면 활성제 용액으로 또는 역으로 주입될 수도 있다.
그 계면 활성제 용액은 이미 정해진 온도(예를 들면, 실온보다 최적의 더 높은 온도)에서 수행될 수 있다. 금속 전구체 용액과 계면 활성제 용액을 형성하는 것은 실온 또는 약 100 ℃에서 300 ℃ 사이 그리고 가장 바람직하게는 약 240 ℃의 승온에서 수행될 수 있다.
1502 과정에서 그 혼합물(예를 들면, 금속 전구체 용액과 계면 활성제 용액)은 실온 또는 약 100 ℃에서 300 ℃ 사이 또는 가장 바람직하게는 240 ℃의 승온에서 수행될 수 있다.
1503 과정에서 환원제는 금속 전구체와 계면 활성제 용액에 도입(예를 들면, 신속히 주입)되어 진다.
1504 과정에서 그 혼합물은 냉각되고, 실시예에서 기술된 바와 같이엉김제는 콜로이드 분산액에 첨가되고, 나노 입자가 영구적인 응석 없이 용액으로부터 침전이 되도록 한다.
1505 과정에서 침전물(예를 들면, 입자들)은 분리된다.
1506 과정에서 용매(예를 들면, 비양자성 탄화수소 용매)는 침전물에 첨가되고, 그것에 의해서 그 침전물이 재용해될 수 있다(예를 들면, 나노 입자를 재분산 또는 재해교한다).
1507 과정에서 입자 분포가 허용될 수 있는지가 결정되고, 만약 그렇다면, 그 공정은 끝난다. 만약 입자 분포가 허용될 수 없다면 1504 내지 1507 과정을 반복하여 입자 분포의 폭이 바람직하도록 그 분포를 좁힌다.
도 16은 전이 금속으로부터 금속 전구체를 형성하는 첫 번째 과정 1601을 포함하는 나노 입자 형성의 본 발명의 공정의 다른 방법의 플로우 챠트를 도시한다. 실시예에서 기술된 바와 같이, 그 금속 전구체 용액은 전이 금속의 착체 또는 염으로부터 형성될 수 있다. 그러한 과정은 실온 또는 약 100 ℃에서 300 ℃ 사이 그리고 가장 바람직하게는 약 240 ℃의 승온에서 수행될 수 있다.
1602 과정에서 실시예에서 기술된 바와 같이, 계면 활성제 용액은 형성되고 가열된다. 계면 활성제 용액은 이미 결정된 온도(예를 들면, 실온보다 최적의 더 높은 온도)에서 수행될 수 있다.
1603 과정에서 금속 전구체 용액은 고온 계면 활성제 용액에 도입(예를 들면, 신속히 주입)되어진다. 금속 전구체 용액을 계면 활성제 용액에 도입(예를 들면, 신속히 주입)하는 대신, 그 계면 활성제 용액은 금속 전구체 용액에 도입(예를 들면, 신속히 주입)될 수 있다는 것을 알 수 있다.
1604 과정에서 그 혼합물(예를 들면, 콜로이드 분산액)은 냉각되고, 침전물(입자들)을 분리하기 위하여 실시예에서 기술된 바와 같이, 엉김제는 그 혼합물에 첨가된다.
1605 과정에서 침전물은 분리된다. 특히, 그 입자들(나노 입자들)은 영구적인 응석 없이 용액으로부터 침전된다.
마지막으로, 1606 과정에서 용매(예를 들면, 바람직하게는 비양자성 탄화수소 용매)는 그 동일한 것(나노 입자를 재분산 또는 재해교된 것)을 재분해하기 위하여 침전물에 첨가된다.
1607 과정에서 그 입자 분포가 허용될 수 있는지가 결정된다. 만약 그렇다면, 그 공정은 끝난다. 만약 그 입자 분포가 허용될 수 없다면, 1604 내지 1607 과정은 그 입자 분포를 좁힐 수 있도록 바람직하게 반복될 수 있다.
그래서, 본 발명의 방법은 아래의 실시예에서 도시한 바와 같이, 단분산상 전이 금속 나노 구조를 제조하기 위한 유일하고 비자명한 접근을 제공한다.
실시예 1
단분산상 6 nm hcp 코발트 나노 입자는 아래와 같이 합성되었다. 첫째, 1 mmol/2 mmol/ 2 mmol/10 mL의 비율로 코발트 아세테이트 테트라하이드레이트/올레인산/PR3/페닐에테르를 (예를 들면, 도 11a에서 보여주듯이) 서냉된 용기에서 질소 분위기 하에서 혼합하고, 30 분 이상 240 ℃로 가열하였다. 금속 전구체의 완전한 용해는 명확하고, 검고 푸른 용액으로 나타난다는 것으로 알 수 있다.
1,2-도데칸디올의 80 ℃ 페닐 에테르 용액(코발트 2.5 당량)은 셉텀(septum)을 통하여 (예를 들면, 자기 스터 바 또는 기계적인 장치로) 매우 격렬하게 휘저어 준금속 전구체 용액으로 신속히(1-2 초) 주입되어, 금속염의 환원을 개시하였다. 푸른 코발트 염의 종류가 소비되었을 때 용액의 색깔은 5 분 동안 검푸른색이 검은색으로 변화되었고, 검은색 코발트 금속이 형성되었다. 그 검은색 용액을 입자들의 성장을 완결하기 위하여 약 총 15 분 동안 240 ℃에서 격렬하게 휘저어 주었고, 그 반응 혼합물을 실온까지 냉각하였다. 그 반응 혼합물이 60 ℃ 이하로 냉각된 후, 메탄올을 대기 안정성 자기성 검은색 침전물이 용액으로부터 분리되기 시작할 때까지 (예를 들면, 도 12에서 보듯이) 적가하는 방법으로 첨가하였다. 그리고 나서, 침전물을 (예를 들면, 도 12에서 보듯이) 원심 분리 또는 상층물(supernatant)을 버린 후에 여과함에 의해서 분리하였고, 검은 왁스의 자기성 침전물은 올레인산의 약 100 내지 500 마이크로리터의 존재 하에서 헥산에 재분산시켰다. 입자 특이성 침전은 단쇄의 알코올(예를 들면, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 및/또는 이소프로판올, 그러나 바람직하게는 에탄올)로 헥산 용액을 적정함에 의해 수행되었다.
자기 전이 금속 금속간 화합물(예를 들면, CoPt, Co3Pt, 등)과 예를 들면, Co/Ni, Ni/Fe 또는 그와 같은 합금 입자는 유사한 공정으로 합성될 수 있다. 그 공정에서 금속염의 혼합물은 금속 전구체 용액을 제조하는데 사용된다. 금속간 화합물 입자들의 상태와 합금의 조성은 출발 금속염의 몰분율을 변화시킴에 의해서 쉽게 조정될 수 있다. 니켈 아세테이트 테트라수화물, 철 아세테이트, 그리고 플라티늄 아세틸아세토네이트는 각각 Ni, Fe, 그리고 Pt의 원료로써 사용되었다.
실시예 2
단분산상 8 nm fcc 코발트 나노 결정은 아래와 같이 제조되었다. 첫째, 질소 분위기 하에서, 1 mmol/1 mmol/ 20 mL의 비율로 올레인산/PR3/페닐에테르 각각을 혼합하고, 30 분 이상 200 ℃로 가열하였다. 페닐에테르 용액 디코발트 옥타카르보닐(1 mmol)을 (예를 들면, 자성 스터 바 또는 기계 장치와 같은 장치로) 격렬히 휘저어 준 후에 고온 혼합물에 주입시켰다. 검은색 용액은 즉시 형성되었고, 그것은 카르보닐의 분해와 코발트 입자의 형성을 나타내는 것이다.
그 용액을 총 15 분 동안 200 ℃에서 격렬히 휘저어 주고, 그리고 나서 실온으로 냉각시켰다. 메탄올의 (도 12에서 보듯이) 적가는 대기 안정성 검은색 침전물을 생성하였다. 그 생성된 대기 안정성 자기성 검은색 침전물은 원심분리 또는 여과에 의해 분리되었고, 그 상층물을 제거하였다. 그 검은색 자성 왁스성 생성물은 약 100 내지 500 마이크로리터의 올레인산의 존재 하에서 헥산에서 재분산시켰다. 에탄올로 헥산 용액을 적정하는 것에 의해 입자 선택성 침전을 수행하였다.
실시예 1의 공정과 대비하여 실시예 2의 공정은 다른 결정 상태를 갖는 입자들에 대한 접근을 제공한다. 또한, 실시예 2의 방법은 다른 결정 구조에 더 나은 통로를 제공하고, 실시예 1 보다 더 나은 초기 입자 크기 분포를 제공한다. 그것은 입자 선택성 침전의 거의 손색없는 과정에서 단분산상 입자의 분리를 허용한다.
카르보닐 분해 통로가 도 11b에서 기술된 단분산상 콜로이드에 대한 이상적인 성장 곡선에 더욱 가깝게 접근하기 때문에 그 개선된 초기 입자 분포를 달성할 수 있다. 카르보닐 분해의 속도는 일시적으로 분리된 핵생성 현상을 일으키는 폴리올 환원보다 훨씬 더 빠르고, 핵생성의 분리와 반응의 성장 상태가 더 양호하다. 카르보닐 분해 공정을 사용하는 물질 생성의 극도의 균일성은 도 14의 TEM 영상에서 증명된다.
도 14에서 8 nm 입경의 fcc 코발트 입자들의 총체는 (예를 들면, 콜로이드 또는 단결정 초격자와 관계된) 규칙적인 3차원 배열로 조직화된 것을 보여준다. 그 영상에서 입자들의 통계적인 분석을 통하여 입자 크기에서 입자 입경의 표준 편차가 5 %보다 적은 제한된 표준 편차를 제공하는 것을 알 수 있다.
실시예 3
단분산상 10 nm 정육면체 상태의 코발트 나노 입자들은 아래와 같이 제조되었다. 첫째, 1 mmol/3 mmol/20 mL의 비율로 CoCl2(무수물)/올레인산/트리부틸포스파인/n-옥틸에테르, 각각을 질소 분위기 하에서 혼합하였다. 그리고, 200 ℃까지 가열하였다. LiBHEt3(초수화물)(2 mmol)을 격렬한 교반하에서 고온의 푸른색 용액에 주입하였다. 검고/갈색 용액은 즉시 형성되었고, 이것은 CoCl2의 환원과 코발트 입자의 형성을 알려주는 것이었다. 그 용액은 약 15 분 동안 200 ℃에서 휘저어 주었고, 60 ℃ 이하로 냉각시켰다. 에탄올의 첨가는 도 12에서 예를 들어, 보여준 것과 같이 대기 안정성 자성의 검은색 침전물을 생성하였다. 그 침전물을 원심 분리 또는 여과에 의해 분리하였고, 그 상층물을 제거하였다. 자성 왁스의 생성물을 약 100 내지 500 마이크로리터의 올레인산의 존재 하에서 헥산에서 재분산시켰다. 입자 선택성 침전을 에탄올로 헥산 용액을 적정함으로써 수행하였다.
실시예 3의 생성물은 코발트 입자들의 다른 결정 상태를 만들고 그것에 의해서 여러 가지 응용에 대한 더 많은 물질들을 선택할 수 있도록 하였다. 이 물질은 망간의 β상태의 결정성 대칭을 나타낸다. 코발트의 이러한 새로운 상태는 제어된 서냉에 의하여 hcp 또는 fcc 결정 구조로 결과적으로 변환될 수 있다. 400 ℃보다 더 낮은 온도에서 (β-Mn) 나노 입자를 가열하는 것은 그 물질이 이미 정해진 hcp 입자(예를 들면, hcp는 425 ℃ 이하에서 바람직한 응집 상태이다.)로 변환된다. 만약 서냉이 400 ℃ 이상에서 수행되면, 실시예 3의 공정에 의해서 제조된 나노 입자는 fcc 입자(예를 들면, 425 ℃ 이상의 온도에서 안정한 덩어리 상태)로 변환된다. 도 2B의 회절 패턴은 구조의 전이를 보고한다.
알킬보로수화물 환원의 속도와 비율은 카르보닐 분해(실시예 2의 방법)와 유사하지만 폴리올 환원(예를 들면, 실시예 1의 방법)보다는 더 빠르다. 그것에 의하여, 일시적인 분리 핵생성 현상은 발생되고, 핵생성의 우수한 분리와 반응의 성장상태를 발생한다. 그 초수화물 환원 공정을 사용하여 제조된 물질의 극도의 균일성은 도 4의 TEM 영상에서 증명된다.
도 4에서 8 nm 입경의 코발트 입자의 총체는 (예를 들면, 콜로이드 결정 또는 나노 결정 초격자와 관련된) 규칙적인 3차원 배열로 조직되어지는 것을 보여준다. 그 영상에서 입자의 통계적인 분석은 입경에서 5 % 이하로 입자의 크기에서의 측정 제한된 표준 편차를 보여준다. 한 번 더 강조하지만, 어셈블리의 현저한 규칙성은 구성 입자들의 균일성의 명확한 지표이다.
실시예 4
Ag가 코팅된 코발트 입자에 대하여, 그 공정은 아래와 같았다. 첫째, 상기(예를 들면, 실시예 1, 2 또는 3의 방법 중 어느 하나) 방법처럼 합성된 코발트 입자를 질소 분위기 하에서 페닐에테르에서 재분산시켰다. AgNO3 1,2-도데칸디올(Ag〉NO3의 1 당량)을 그 분산액에 첨가하였다. 그 혼합물은 기계적으로 또는 그 반응물의 완전한 분해를 확인하기 위하여 약 10 분 동안 실온에서 자기적으로 휘저어 주었다. 그리고 나서, 그 온도를 계속적으로 스터링하면서 20 분 동안 100 ℃로 천천히 올려주었다.
실온으로 냉각한 후, 그 혼합물을 메탄올로 처리하였다. 그것은 대기 안정성인 검고 갈색의 침전물을 생성하였고, 그 혼합물을 원심분리하였다. 그 상층물을 원심분리 후 제거하였다. 그 생성물을 약 100 내지 500 마이크로리터의 올레인산 존재 하에서 헥산에서 재분산시켰다. 입자 선택적 침전은 에탄올로 헥산 용액을 적정함으로써 수행되었다.
유사한 공정은 Pd(아세테이트), Pt(아세테이트) 그리고 니켈 아세테이트, 각각을 AgNO3로 단지 치환함에 의하여 Pd- 그리고 Pt-코팅된 Co 입자 그리고 다른 강자성 금속이 기초(예를 들면, Ni이 기초)가 된, 코팅된 나노 결정을 제조하는데 사용될 수 있다. 그 결과 입자들 각각은 화학적으로 덜 활성인 금속의 표면 쉘(shell)을 갖는다. 그 금속은 입자들의 내부식성을 개량하고, 그 표면에 새로운 화학 그룹을 결합할 수 있도록 한다.
입자들의 표면 화학을 변화시킬 수 있는 이러한 능력은 설파이드 고리를 통하여 새로운 생화학적으로 활성인 그룹의 부착을 제공한다. 설파이드-고리가 된 생체 분자를 갖는 Au 그리고 Ag의 사용은 잘 확립되어 있고, 상기 윤곽잡힌 공정으로 이러한 영역에서 존재하는 기술 모두가 생화학적 표지 그리고 분리 응용에 대한 자성 코어-쉘 구조의 표면을 얻을 수 있도록 개발될 수 있다.
그래서, 상기 설명과 실시예로부터 명확하듯이 본 발명은 자성 전이 금속 나노 결정(콜로이드)과 그들의 2- 그리고 3- 차원의 격자 그리고 분산된 콜로이드의 사용 방법의 화학적 합성 방법을 제공한다.
더욱 상세하게는 상기 기술된 바와 같이, 본 발명은 (예를 들면, Co, Fe, Ni와 CoxFe(1-x), CoxNi(1-x), FexNi(1-x) 와 같은 그들의 합금과 같은, 여기에서 x는 0에서 1 몰 분율의 범위 내이고, CoxFeyNiz 여기에서 x+y+z=1인 몰분율) 그리고, 입경이 5 % 크기 또는 그 이하에서 표준 편차를 갖는 약 1-20 nm의 범위 내에서 입경을 갖는 자성 전이 금속 콜로이드의 화학적인 합성 방법을 제공한다. 상기 기술된 바와 같이, 본 발명은 응용 적용 범위에서 중요한 이점을 갖는 이러한 일반적이지 않은 균일하게 분산된 자성 나노 결정을 채용한다. 그 응용 범위는 현재 콜로이드적 또는 과립상의 자성 물질이 현재 덜 균일한 것이 채용되었다.
본 발명이 몇 개의 바람직한 구체예의 관점에서 기술된 반면, 당업자는 본 발명을 그 정신과 청구항의 범위 내에서 조정함으로써 실시할 수 있을 것이다.
예를 들면, 분산된 자성 나노 결정과 조직된 얇은 필름의 나노 결정 둘 다 많은 유용한 응용 분야가 있다. 그리하여, 상기 기술된 그 사용은 어떠한 방법으로든지 본 발명을 제한함으로써 분석될 수는 없다.
특히, 균일한 자성 콜로이드는 조성물의 의문(interrogation)에 대한 전기자기적 표지로써, 개별적인 입자들의 강자성 공명 주파수 근처의 전기자기적 방사의 영향하에 있을 때 격리된 열원으로써 그리고 마그네토페레틱(magnetopheretic) 디스플레이에서 활성광 조절제로써 자성 물질의 변형과 흐르는(magnetorheological) 유체를 포함하는 자성 잉크로 분산된 상태에서 또는 응용 공학 기술에 있어서 유용할 것이다.
생활 과학에서 몇 가지 중요한 응용 분야는 또한 자기 공명 영상 장치(MRI)에서 대비-강화제, 외부의 전자기장의 영향 하에서 조직의 초-열 파괴에 대한 격리된 열원, 외부적으로 원인이 된 약품 전달체, 생체 분자 그리고 세포 조직 생성물의 정제/분리의 고 경사 자성 분리에서 선택적인 자성 라벨(label), 그리고 질병 또는 육체적인 기능적 장애의 존재를 지시하는 것을 알려주는 생화학적 생성물의 선택적인 분리를 통하여 의료 진단에서 사용을 위한 것으로써 분산된 자성 나노 결정의 사용을 예상할 수 있다.
자성 나노 결정의 조직된 어셈블리는 (예를 들면, 테이프, 소프트(soft) 디스크, 하드(hard) 디스크, 자성 스마트 카드 등과 같은) 고농도 자성 기록 매체로써 중요한 가능성을 갖는다. 이러한 자성 나노 결정의 밀집 어셈블리는 비휘발성 자성 저장 기술의 두 가지 요소에서 활성 자기저항 매체, 조절된 외부 자기장의 존재 하에서 또는 자기 암호화된 패턴에 대한 근접에서 이웃하는 나노 결정 사이에서 조절 스핀-의존성 호핑/터넬링(hopping/tunneling)을 개발하는 자기 감지기(예를 들면, 판독 헤드)에서 자기저항 매체로써 실현되었다.
균일한 자성 나노 결정의 어셈블리는 또한 비휘발성 자성 랜덤 액세스 메모리(RAM)에 대한 트랜지스터의 도관에서 활성 원소들로써 실현되었다. RAM에서 스핀-의존성(자기저항성)이고 나노 결정의 히스테리시스 특성은 동시에 개발되었다. 예를 들면, (예를 들어, 기록 펄스의 의해 생성되었거나 이와 같은) 강한 자기장은 그 도관에서 나노 결정의 자기 극성을 배향하기에 충분한 온-칩 전류(on-chip current) 흐름에 의하여 만들어진다.
Claims (44)
- a) 전이금속에서 금속 전구체 용액을 형성하는 단계;b) 상기 금속 전구체 용액을 계면활성제 용액에 도입하는 단계;c) 영구 응집 없이 용액에서 나노입자가 침전되게 하는 엉김제를 첨가하는 단계; 및d) 상기 나노입자의 재분산 또는 재해교를 위한 탄화수소 용매를 첨가하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 제1 온도―여기서 제1 온도는 상온임―에서 전이금속의 착물로 금속 전구체 용액을 형성하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 약 240℃에서 전이금속염, 이온성 계면활성제 및 비활성 용매로부터 금속 전구체 용액을 형성하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 상온에서 전이금속염, 이온성 계면활성제 및 끓는점이 높은 비활성 용매로부터 금속 전구체 용액을 형성하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 제1 온도에서 수행되고 상기 금속 전구체를 상기 계면활성제 용액에 도입하는 단계가 제2 온도에서 수행되는 나노입자 형성 방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 온도가 상온이고 상기 도입 단계가 실질적으로 약 200 ℃에서 약 300 ℃사이의 범위 내의 온도에서 수행되는 나노입자 형성 방법.
- 제6항에 있어서,상기 도입 단계가 실질적으로 약 240 ℃에서 수행되는 나노입자 형성 방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 온도가 실질적으로 약 200 ℃에서 약 300 ℃사이의 범위 내에 있고, 상기 제2 온도는 240 ℃보다 낮은 나노입자 형성 방법.
- 제8항에 있어서,상기 제1 온도가 실질적으로 약 240 ℃인 나노입자 형성 방법.
- 제4항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 약 240 ℃에서 전이금속염, 이온성 계면활성제 및 비활성 용매로부터 금속 전구체 용액을 형성하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제5항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 전이금속염, 이온성 계면활성제 및 비활성 용매로부터 금속 전구체 용액을 형성하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자가 코발트에 기초한 나노입자를 포함하고, 카르복실산과 트리알킬포스파인의 결합은 상기 코발트 합금 나노입자를 보호하는데 사용되며, 상기 입자의 크기가 상기 산과 상기 트리알킬포스파인의 비율 변화에 의해 제어되고, 산은 RCOOH이고 R은 C12H24, C17H34, C21H42중 하나와 같으며, 트리알킬포스파인은 PR3이며 R은 페닐(Phenyl), C2H5, C4H9, C8H17중 하나인 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 탄화수소 용매가 페닐에테르와 n-옥틸에테르 중 하나를 포함하고, 상기 나노입자가 코발트에 기초한 나노입자이며,상기 제1 온도가 실질적으로 약 100 ℃에서 약 300 ℃사이의 범위 내에 있는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,장쇄 디올(diol)이 육방 밀집 구조(hcp) 코발트 나노입자를 제공하기 위해 코발트 염을 환원하는데 사용되고,상기 디올은 1,2-옥탄디올, 1,2-도데칸디올(1,2-dodecanediol) 및 1,2-헥사데칸디올(1,2-hexadecanediol) 중 하나를 포함하고,코발트 아세테이트 테트라하이드레이트(tetrahydrate)와 코발트 아세틸아세토네이트(acetylacetonate)가 코발트 원료로 사용되는나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 금속 전구체 용액이 Ni(Ac)2-4H2O, NiCl2Cu(Ac)2H2O, Cu(acac)2, Pd(Ac)2, PdCl2, Ag(Ac), AgNO3, 및 PtC12중 하나를 포함하는 금속계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자가 코발트에 기초한 나노입자를 포함하고, 상기 계면활성제 용액이 디코발트 옥타카르보닐(dicobalt octacarbonyl)을 포함하며,상기 디코발트 옥타카르보닐(dicobalt octacarbonyl)의 분해가 면심입방(fcc) 코발트 나노입자를 제공하는나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 탄화수소 용매를 첨가하는 단계가 초수소화물(superhydride)에 의한 코발트 염화물의 환원으로 입방상 코발트 나노입자를 형성하는 결과를 가져오는 단계를 포함하며,상기 초수소화물(superhydride)이 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 페닐에테르(phenylether), 옥틸에테르(octylether) 중 하나인 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 탄화수소 용매를 첨가하는 단계가 초수소화물(superhydride)에 의한 금속계의 환원으로 상기 나노입자를 형성하는 결과를 가져오는 단계를 포함하며,상기 초수소화물(superhydride)이 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 페닐에테르(phenylether), 옥틸에테르(octylether) 중 하나이며,상기 금속계가 Co(Ac)2-4H2O, NiCl2(H2O), NiAc2-4H2O, CuCl2(H2O), PdCl2, PdAc2, AgAc, AgNO3, PtCl2중 하나를 포함하는나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,두 금속염의 동시환원이 Co3Pt, CoPt, CoPt3, Fe3Pt, FePt, FePt3중 하나를 포함하는 금속간 화합물과 Co/Ni, Ni/Fe 및 Co/Fe 중 하나를 포함하는 2원 합금, Co/Fe/Ni 입자의 삼원합금 중 하나를 포함하는 합금을 제공하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,금속염과 귀금속염의 연속적인 환원이 귀금속 코팅 입자를 제공하는 나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,a) 상기 계면활성제 용액이 상기 나노입자를 보호하기 위한 유기 안정제와 트리알킬포스파인의 결합을 포함하고,b) 상기 나노입자의 입자 크기가 상기 유기 안정제와 상기 트리알킬포스핀의 비율 변화에 따라 제어되고,c) 상기 유기 안정제가 R-X 형―여기서 R은 1) 6 내지 22개의 탄소 원자로 구성되는 직쇄 또는 가지 배열의 탄화수소 사슬, 2) 6 내지 22개의 탄소 원자로 구성되는 직쇄 또는 가지 배열의 플루오로카본 사슬로 이루어진 그룹의 구성원 중에서 선택하며, X는 카르복실산, 포스폰산, 포스핀산, 설폰산, 설핀산, 및 티올 중에서 선택함―의 장쇄 유기 화합물인나노입자 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자가 그 주위에 산과 아세틸아미드 배위자 (acetylamide ligand therearound)를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- a) 제1 온도에서 전이금속의 착체(complex)로 금속 전구체 용액을 형성하는 단계;b) 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 계면활성제 용액을 형성하는 단계;c) 혼합물을 형성하도록 상기 금속 전구체 용액을 상기 계면활성제 용액에 도입하는 단계;d) 영구 응집 없이 용액에서 나노입자가 침전되도록 엉김제를 상기 혼합물에 첨가하는 단계; 및e) 상기 나노입자의 재분산 또는 재해교를 위한 탄화수소 용매를 첨가하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제23항에 있어서,상기 제1 온도가 상온이고 상기 제2 온도가 약 240℃인 나노입자 형성 방법.
- 제23항에 있어서,상기 계면활성제 용액이 약 200℃에서 약 300℃사이의 범위 내에서 실질적으로 끓는점을 가진 끓는점이 높은 비활성 용매를 포함하고, 상기 제2 온도는 약 240℃인 나노입자 형성 방법.
- 제25항에 있어서,상기 용매가 에테르를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제26항에 있어서,상기 금속 전구체 용액이 상온에서 형성되는 나노입자 형성 방법.
- 제23항에 있어서,상기 계면활성제 용액이 적어도 하나의 이온성 계면활성제, 하나의 중성 계면활성제 및 하나의 비활성 용매를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제28항에 있어서,상기 용매가 에테르를 포함하고, 상기 제1 온도가 상온이며 제2 온도가 약 240 ℃인 나노입자 형성 방법.
- 제23항에 있어서,상기 나노입자가 코발트에 기초한 나노입자를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- a) 제1 온도에서 금속 전구체 용액을 형성하는 단계;b) 제2 온도에서 상기 금속 전구체 용액 내로 환원제를 도입하는 단계;c) 영구 응집 없이 용액에서 나노입자가 침전되도록 엉김제를 첨가하는 단계; 및d) 상기 나노입자의 재분산 및 재해교를 위해 탄화수소 용매를 첨가하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제31항에 있어서,상기 제1 온도가 약 240 ℃이고 상기 제2 온도가 약 240 ℃ 이하인 나노입자 형성 방법.
- 제31항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 약 100 ℃에서 약 300 ℃의 범위 내의 온도에서 전이금속염, 이온 계면활성제 및 비활성 용매로부터 금속 전구체 용액을 형성하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제33항에 있어서,상기 용매가 에테르를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제31항에 있어서,상기 제 2 온도가 상온인 나노입자 형성 방법.
- 제32항에 있어서,a) 상기 나노입자가 코발트에 기초한 나노입자와, 카르복실산과 트리알킬포스파인의 결합이 상기 코발트 합금 나노입자를 보호하는데 사용되고,b) 입자의 크기가 상기 산과 상기 트리알킬포스파인의 비율 변화에 따라 제어되고,c) 산은 RCOOH이고 R은 C12H24, C17H34, C21H42중 하나와 같으며, 트리알킬포스파인은 PR3이며 R은 페닐(Phenyl), C2H5, C4H9, C8H17중 하나인나노입자 형성 방법.
- 제33항에 있어서,상기 탄화수소 용매가 페닐에테르와 n-옥틸에테르 중 하나를 포함하고, 상기 나노입자가 코발트에 기초한 나노입자이며,상기 제1 온도가 실질적으로 약 100 ℃에서 약 300 ℃사이의 범위 내에 있는 나노입자 형성 방법.
- 제31항에 있어서,상기 금속 전구체 용액이 상온에서 형성되는 나노입자 형성 방법.
- 제31항에 있어서,상기 나노입자가 코발트에 기초한 입자를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- a) 전이금속염으로 금속 전구체 용액을 형성하는 단계;b) 계면활성제 용액에 상기 금속 전구체 용액을 신속히 주입하는 단계;c) 영구 응집 없이 용액에서 나노입자가 침전되도록 엉김제를 첨가하는 단계; 및d) 상기 나노입자의 재분산 또는 재해교를 위한 탄화수소 용매를 첨가하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제40항에 있어서,상기 금속 전구체 용액을 형성하는 단계가 실질적으로 약 100 ℃에서 300 ℃ 사이의 범위 내의 온도에서 전이금속염, 이온성 계면활성제, 중성 계면활성제 및 비활성 에테르로부터 금속 전구체 용액을 형성하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- a) 무반응성 용매에서 계면활성제를 함유하는 금속염 전구체 용액을 형성하는 단계;b) 금속염을 환원해서 그 자리에서 콜로이드 금속 입자를 생산하기 위해 용액에 환원제를 주입하는 단계;c) 영구 응집 없이 용액에서 나노입자가 침전되도록 엉김제를 첨가하고 용액에 남아있는 합성 부산물을 분리하는 단계; 및d) 상기 나노입자의 재분산 및 재해교 중 어느 하나를 위해 탄화수소 용매를 침전된 나노입자에 첨가하는 단계를 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제42항에 있어서,계면활성제가 알킬포스파인과 유기 안정제 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 유기 안정제는 R-X 형―여기서 R은 1) 6 내지 22개의 탄소 원자로 구성되는 직쇄 또는 가지 배열의 탄화수소 사슬, 2) 6 내지 22개의 탄소 원자로 구성되는 직쇄 또는 가지 배열의 플루오로카본 사슬로 이루어진 그룹의 구성원 중에서 선택되며, X는 카르복실산, 포스폰산, 포스핀산, 설폰산, 설핀산, 및 티올 중에서 선택됨―의 장쇄 유기 화합물을 포함하는 나노입자 형성 방법.
- 제43항에 있어서,상기 알킬포스파인은 제3급 알킬포스파인이며 상기 유기 안정제는 올레인산인 나노입자 형성 방법.
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