WO2009031332A1 - Substrate for crystal growth and method for crystal growth using the substrate - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a crystal growth substrate and a crystal growth method using the same.
- High-quality Z obtained by epitaxial growth or orientation growth on single crystal substrates such as S i, sapphire (ct—A l 2 0 3 ), S r T i O 3 , MgO, T i ⁇ 2
- S i sapphire
- S r T i O 3 MgO
- T i ⁇ 2 There are light emitting devices, semiconductor elements, dielectric elements, etc. using n O, G a N, B a T i O 3 and the like. If a single crystal substrate can be used in this way, it is preferable because a high-quality epitaxial film or alignment film can be obtained.
- these single crystal substrates have problems such as size limit and high cost.
- Patent Document 1 in order to obtain a high-quality buffer layer having high smoothness and crystallinity, it is necessary to irradiate nitrogen plasma using high frequency or electron cyclotron resonance. Such high frequency and electron cyclotron resonance is expensive. This is not only a costly device but also a problem that the work becomes complicated.
- the buffer layer is manufactured, for example, heat treatment at 400 ° C. to 1 200 ° C. is required, and therefore, the buffer layer is limited to a substrate composed of a base material having thermal stability.
- the organic template that is the buffer layer can be easily applied to the substrate by the self-assembled film, the organic template is unstable to heat. Therefore, the technique of Non-Patent Document 1 is not suitable for crystal growth of inorganic materials such as oxides and nitrides that require high temperatures on an organic template.
- Patent Document 1 JP 2004-55881 A
- Non-Patent Document 1 R. Hiremath, et al., J. Am. Chem. Soc 2005, 127, 18321 Disclosure of the Invention
- An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a crystal growth substrate that enables an increase in size and cost of a film for crystal growth. Means for solving the problem
- the crystal growth substrate of the invention 1 is a crystal growth substrate having a buffer layer formed on a surface thereof, wherein the buffer layer is composed of a nanosheet monolayer film made of a two-dimensional crystal.
- Invention 2 is characterized in that, in the crystal growth substrate of Invention 1, the nanosheet monolayer film is peeled off from the layered compound.
- Invention 3 is the crystal growth substrate according to Invention 2, wherein the layered compound comprises a layered oxide, a layered phosphate, a layered double hydroxide, a layered metal chalcogenite, and a layered It is selected from the group consisting of kaates.
- Invention 4 is the crystal growth substrate according to Invention 3, wherein the layered compound is a layered oxide, and the nanosheet monolayer film is a titanate nanosheet, a layered perovskite nanosheet, a manganate nanosheet, a niobium tantalate nanosheet, titanium Niobic acid nanosheets, ruthenic acid nanosheets, and tungstate nanosheets are selected from the group consisting of single-layer films.
- Invention 5 is the crystal growth substrate according to Invention 4, wherein the manganate nanosheet monolayer film is an MnO 2 nanosheet monolayer film.
- Invention 6 in the crystal growth substrate of the invention 4, the layered base mouth Busukai Tonano sheet monolayer film, characterized in that it is a C a 2 N b 3 O 1 0 nanosheet monolayer film.
- Invention 7 is the crystal growth substrate according to Invention 3, wherein the layered compound is a layered phosphate salt, and the nanosheet monolayer film is a zirconium phosphate nanosheet monolayer film or a vanadium phosphate nanosheet monolayer film Special feature.
- Invention 8 is the crystal growth substrate of Invention 3, wherein the layered compound is a layered double hydroxide, and the nanosheet monolayer film is a hydroxide nanosheet monolayer film.
- Invention 9 is the crystal growth substrate of Invention 3, wherein the layered compound is a layered metal force rucogenite compound, and the nanosheet monolayer film is a metal chalcogenide nanosheet monolayer film.
- Invention 10 is characterized in that in the crystal growth substrate according to Invention 3, the layered compound is a layered silicate, and the nanosheet monolayer film is a smectite nanosheet monolayer film.
- Invention 11 is the crystal growth substrate according to any one of Inventions 1 to 10, wherein the base material provided with the buffer layer is selected from the group consisting of glass, metal, semiconductor single crystal, and plastic A substrate for crystal growth, wherein
- Invention 12 is a crystal growth method using the crystal growth substrate according to any one of Inventions 1 to 9, wherein the lattice lengths a and b of the crystal plane of the alignment film on which the crystal is grown on the crystal growth substrate
- the two-dimensional lattice shape of the nanosheet monolayer film is set as shown in Table A so that the angle 0 formed by the lattice lengths a and b has a desired relationship. It is characterized by.
- Invention 14 is a crystal growth method using the crystal growth substrate of Invention 6, wherein S r T is formed on the crystal growth substrate on which the C a 2 N b 3 0 1 0 nanosheet monolayer film is formed. i O 3 or T i O 2 is oriented and grown.
- Invention 15 is a crystal growth method using the substrate for crystal growth of Invention 12 from the group consisting of a sol-gel method, a liquid phase epitaxy method, a physical vapor deposition method and a chemical vapor deposition method. The method selected is used. The invention's effect
- a crystal growth substrate according to the present invention includes a substrate and a nanosheet monolayer film positioned on the substrate.
- the nanosheet monolayer film is a two-dimensional crystal having a submicro to micrometer spread in the horizontal direction of the sheet, and has high crystallinity comparable to that of a single crystal in the plane. As a result, it has become possible to achieve the same crystal growth as when a conventional single crystal substrate is used regardless of the material of the base material.
- a seed layer (buffer layer) necessary for crystal growth can be produced at room temperature.
- a seed layer has a feature that individual nanosheets are smooth and there is almost no thickness distribution, and therefore a crystal growth substrate having an extremely smooth surface can be provided.
- Such a seed layer has a strong bond in the in-plane direction of the sheet and a high structural flexibility. Therefore, the seed layer can be applied to a substrate having an arbitrary shape such as a substrate having a curved surface and a substrate having an uneven surface. Can also be applied, which makes it possible to design according to the device, which is advantageous.
- nanosheet monolayer films that matches the crystal structure of the film to be grown and placing it on the substrate, films having various crystal structures can be easily obtained.
- the seed layer can be modified to mitigate the lattice mismatch between the crystal structure of the seed layer and the crystal structure of the film to be grown.
- various alignment films can be manufactured, and alignment films with high crystallinity can be obtained.
- nanosheet monolayer films can easily be made of any material and any shape using the LB method, alternate adsorption method, spin coating method, etc. without employing an expensive physical Z chemical vapor deposition method. Formed on a substrate.
- FIG. 1 is a schematic view of a crystal growth substrate according to the present invention.
- FIG. 2 is a schematic diagram of an exemplary nanosheet monolayer film 120.
- FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of a substrate for crystal growth using the L a n g m u i r -B 10 dge t t (L B) method.
- FIG. 4 is a schematic diagram showing matching between an exemplary nanosheet monolayer film and an alignment film.
- FIG. 4 is a view showing an AFM image of a glass substrate.
- Figure 6 shows C a 2 N b 3 O i. In the figure showing the UV-visible absorption spectrum of the glass substrate is there.
- FIG. 7 is a diagram showing XRD patterns of the SrTiO 3 films of Example 1 and Comparative Example 1.
- FIG. 8 is a diagram showing XRD patterns of the SrTiO 3 films of Example 2 and Comparative Example 2.
- Example 2 S r T i O 3 ( n 5) ZC a 2 N b 3 O t. It is a figure which shows the SEM image of the surface of Z glass substrate.
- FIG. 13 is a diagram showing XRD patterns of the Ti 2 O 2 films of Example 3 and Comparative Example 3.
- FIG. 14 is a diagram showing an AFM image of the MnO 2 glass substrate.
- FIG. 1′5 is a diagram showing XRD patterns of the ZnO films of Example 4 and Comparative Example 4.
- FIG. 16 is a view showing XRD patterns of the SrT i 0 3 films of Example 5 and Comparative Example 5.
- FIG. 18 is a diagram showing XRD patterns of the ZnO films of Example 6 and Comparative Example 6.
- FIG. 19 is a diagram showing XRD patterns of the ZnO films of Example 7 and Comparative Example 7.
- FIG. 20 is a view showing an AFM image of the Cs aW O / P ET substrate of Example 8.
- FIG. 21 shows C a 2 Nb 3 Oi of Example 9. A 1 2 0 3 AFM image of single crystal substrate (a) and (b), and A 1 2 O 3 single crystal substrate A before C a 2 N b 3 O 10 nanosheet application It is a figure which shows FM image (c) and (d). (Explanation of symbols)
- FIG. 1 is a schematic view of a crystal growth substrate according to the present invention.
- a crystal growth substrate 100 according to the present invention comprises a base material 110 and a nanosheet monolayer film 120.
- the base material 110 any material and any shape can be applied.
- the base material 110 is selected from the group consisting of glass, metal, semiconductor single crystal (for example, Si substrate), and plastic. In particular, glass and plastic are preferable because they are low cost and a large base material can be obtained. Naturally, conventionally applied metals and semiconductor single crystals may also be adopted as the substrate 110.
- the nanosheet monolayer film 120 is located on the substrate 110.
- the nanosheet monolayer film 120 is obtained by exfoliating the layered compound 1330 as a single layer (also simply called exfoliation). As schematically shown in FIG.
- the layered compound 130 is a highly crystalline inorganic compound having a layered structure in which nanosheet monolayer films 120 are stacked on each other.
- the interlayer of the nanosheet monolayer film 120 in the layered compound 130 has a weak bond because it is held by electrostatic force or intermolecular force, but in the plane of the nanosheet monolayer film 120 Has strong bond and high structural flexibility.
- Nanoshi As shown in FIG. 1, the single-layer film 120 is a two-dimensional crystal extending in the horizontal direction (that is, the in-plane direction of the nanosheet single-layer film), and in the plane, it is as high as a single crystal. It is known to have crystallinity (see, for example, the description of Patent 3726 140).
- the nanosheet monolayer film 120 can be regarded as a completely flat single crystal having a molecular thickness.
- a layered compound 130 is selected from the group consisting of a layered oxide, a layered phosphate, a layered double hydroxide, a layered metal chalcogenate, and a layered silicate. Any of these layered compounds is obtained by peeling off a single layer to obtain a nanosheet monolayer film. Each layered compound will be described in detail.
- Nanosheet monolayer film 120 consists of titanate nanosheets, layered perovskite nanosheets, manganate nanosheets, niobium Z tantalate nanosheets, titanate niobate nanosheets, ruthenate nanosheets, and tungstate nanosheets. Selected from the group.
- the titanate nanosheet monolayer is composed of T i i- ⁇ ⁇ 2 (0 ⁇ ⁇ 0.5), T i i-xM 1 xO 2 (Ml is V, C r, Mn, F e, C o selected, transition metals from the group consisting of N i and Cu is selected at least one from 0 ⁇ x ⁇ l), the group consisting of T i 3 O 7, T i 4 O 9 and T i 5 On Is done.
- the layered belobskite nanosheet monolayer is A 2 N a.
- Manganate nanosheet monolayer consists of Mn 0 2 , Mn i- y M2 y O 2 (M2 is a transition metal selected from the group consisting of Ni, Co and Fe, 0 ⁇ y ⁇ Selected from the group consisting of 0.5) and Mn 3 O 7 .
- Niobium tantalate nanosheet monolayer film is Nb 6 O 17 , Nb 3 O 8 And T a 0 3 .
- the titanium niobate nanosheet monolayer film is selected from the group consisting of T i N b 0 5 , T i 5 ⁇ b ⁇ 14 and ⁇ i 2 ⁇ b 0 7 .
- Ruthenate nanosheet monolayer film and the tungsten nanosheets monolayer film, it respectively, is Ru0 2 and C s WuOss.
- the nanosheet monolayer film 120 is each monolayer film of zirconium phosphate nanosheet or vanadium phosphate nanosheet. More specifically, the zirconium phosphate nanosheet monolayer film, a - Z r (HPO 4 ) is 2 ⁇ H 2 O or ⁇ - Z r PO 4 ⁇ H 2 ⁇ 4 ⁇ 2 ⁇ 2 0. The monolayer film of vanadium phosphate nanosheet is VOPO 4 '2 ⁇ 2 ⁇ .
- the nanosheet monolayer film 120 is a hydroxide nanosheet monolayer film.
- Hydroxide nanosheet monolayers are [ ⁇ 2 ⁇ -zM 3 + z (OH) 2] z + , [M + !-, M 3 + z (OH) 2] (2z — 1) + , and , O ⁇ + i— zM 4 + z (OH) 2] selected from the group consisting of 2z + (0 ⁇ z ⁇ 0.5).
- M + is a monovalent metal ion
- M 2 + is a divalent metal ion
- M 3 + is a trivalent metal ion
- M 4 + is a tetravalent metal ion.
- M + is L i
- M 2 + is, Mg, Mn, F e, Co, N i, Cu, selected from the group consisting of Z n and C a
- M 3 + is, A l, C r , Mn, Fe, Co, Ni and La
- M4 + is Ti or ⁇ r.
- the nanosheet monolayer film 120 is a metal chalcogenite nanosheet monolayer film.
- Metal chalcogenite nanosheet monolayer film is Mo S 2 , WS 2 , Ding & 52 2 1
- the nanosheet monolayer film 120 is a smectite nanosheet monolayer film. Sume Quetite nanosheet monolayers are (A 1 2- 'Mg') S i 4 Oio (OH) 2 '-(0 ⁇ 1 2), Mg a (S i- m A 1 Oio (OH) 2 m — Selected from the group consisting of (0 ⁇ m ⁇ 4) and A 1 (S i 1 Oio (OH) "one (0 ⁇ ⁇ 4).
- Figure 2 shows an exemplary nanosheet monolayer 120
- Figures 2 (A), (B), and (C) show C a 2 Nb 3 O 1 ( ) (A 2 N a n - 3 in the nanosheet monolayer film 120 described above, respectively.
- the thickness of the no-sheet monolayer film 120 is uniquely determined by the structure of the base layered compound, and thus has almost no thickness distribution, which produces a seed layer having a uniform thickness distribution.
- the nanosheet monolayer film 120 has a thickness of only about 1 to 2 nm as described above, an extremely thin seed layer can be formed.
- the nanosheet monolayer film 120 is a two-dimensional crystal that spreads in the horizontal direction and has a two-dimensional lattice, for example, C. a 2 Nb 3 O 10 (Fig. 2 (A)), T i,-, 0 2 (Fig. 2 (B)) and Mn0 2 (Fig.
- the nanosheet monolayer film 120 has one of a two-dimensional square lattice, a two-dimensional rectangular lattice, a two-dimensional hexagonal lattice, and a two-dimensional parallelogram lattice.
- a nanosheet monolayer film 1 2 0 having a two-dimensional lattice that matches the crystal structure of the alignment film to be grown and placing it on the substrate alignment films having various crystal structures can be obtained. Can be easily obtained.
- the lattice constant of the nanosheet monolayer film 120 is one of measured values, literature values, and estimated values.
- the inventors of the present application have found that the use of such a nanosheet monolayer film 120 as a seed layer (buffer layer) results in a crystal growth substrate comparable to the single crystal substrate. That is, the present inventors have found that an alignment film is formed on the nanosheet monolayer film 120 using the crystal structure of the nanosheet monolayer film 120.
- the nanosheet monolayer film 120 reflects the crystallinity of the layered compound 130 as the starting material and has extremely high crystallinity, and therefore has a high order of magnitude comparable to that of a single crystal substrate. It has a surface structure.
- the alignment film obtained can also be a high-quality film with high crystallinity reflecting the surface structure.
- the nanosheet monolayer film 120 has various constituent elements, a two-dimensional crystal lattice, and a lattice constant, as described with reference to Table 1, for example. Based on matching with the alignment film to be formed A wide range of material design is possible.
- the nanosheet monolayer film 120 is on the order of nanometers and has no film thickness distribution. By using such a nanosheet monolayer film 120 as a seed layer, a smooth crystal growth substrate can be obtained.
- the nanosheet monolayer film 120 reflects the size of the layered compound 130 as a starting material in the in-plane direction of the sheet, and has a spread of submicron to several tens of micrometers. Therefore, the substrate can be coated with the nanosheet monolayer film 120 at a high coverage.
- the nanosheet monolayer film 120 is obtained by peeling off the base layered compound 130, and thus has a smooth atomic surface. Since such a nanosheet monolayer film 120 is used as a seed layer, the substrate for crystal growth also has a step-free surface in the nanosheet monolayer film plane, and the alignment film to be formed is of good quality. .
- the schematic and exemplary crystal growth substrate 100 according to the present invention has been described above with reference to FIG.
- the nanosheet monolayer film 120 has been described as a complete monolayer film over the entire substrate 110, but is not limited thereto.
- the nanosheet monolayer film 120 is a complete monolayer film over the entire base material 110, but depending on the crystallinity required for the alignment film to be obtained. Need not be a complete monolayer over the entire substrate.
- the nanosheet monolayer film 120 is partially overlapped as long as it contributes to the crystallinity of the nanosheet monolayer film 120 described above and the crystallinity of the alignment film in which the two-dimensional crystal lattice should be formed. It may be a film (partially a multilayer film).
- a method for manufacturing the crystal growth substrate 100 according to the present invention will be described.
- FIG. 3 is a diagram showing a process for manufacturing a substrate for crystal growth using the Langmuir-Blodgett (LB) method.
- Step S 3 10 Prepare a colloid solution containing nanosheets.
- the colloid solution is obtained by introducing a bulky guest such as tetra-n-butylammonium hydroxide after a hydrogen ion exchange of the layered oxide. Obtained by exfoliation (see, for example, patent 3726140 by the inventors).
- a diluted colloid solution is used as a developing solution.
- Step S320 The base material is immersed in a colloid solution to form a nanosheet monolayer film on the base material.
- the substrate is immersed in a trough, and then the surface of the developing solution is compressed to a certain surface pressure to form a nanosheet monolayer film at the gas-liquid interface.
- the nanosheet monolayer film is transferred (formed) onto the substrate by pulling up from the solution.
- a specific nanosheet monolayer film using the LB method For example, see Muramatsu et al., Langmuir 2 0 0 5, 5, 1, 6 5 9 0 to 6 5 9 5 for the development of the substrate. Again, the base material described with reference to Fig. 1 is adopted as the base material.
- the nanosheet monolayer film on the substrate thus obtained has an extremely smooth surface with no grain boundaries or steps in the range of a few micrometers, so that the size of the alignment film can be increased. It is valid.
- FIG. 3 illustrates the case where the LB method is used, the production of the crystal growth substrate according to the present invention is not limited to the LB method.
- the crystal growth substrate according to the present invention may be manufactured using an alternate adsorption method.
- step S is performed except that a step of adding a polymer having a charge opposite to that of the nanosheet monolayer film to be formed on the substrate in advance to the substrate surface is added. Same as 3 1 0 and S 3 2 0. In this case, it is preferable because the adhesion of the nanosheet monolayer film to the substrate is improved by electrostatic interaction.
- the crystal growth substrate according to the present invention may be manufactured using a spin coating method.
- the nanosheet monolayer film is easily formed on the substrate as compared to the LB method or the alternate adsorption method, but may partially overlap, making it difficult to obtain a good quality nanosheet monolayer film.
- the method for manufacturing the crystal growth substrate may be appropriately selected according to the degree of crystallinity required for the alignment film to be obtained.
- the crystal growth substrate according to the present invention is obtained by steps S 3 10 and S 3 2 0.
- Steps S 3 1 0 and S 3 2 0 are both cost effective because they do not require expensive physical Z chemical vapor deposition (MBE, sputtering, PLD, MO CVD, etc.) It is also a green chemical (energy-saving, low environmental load).
- the substrate for crystal growth according to the present invention is manufactured at room temperature without heat treatment because the nanosheet monolayer film has high crystallinity.
- materials with low thermal stability other than glass for example, plastic
- Such materials are inexpensive and can be made larger. Therefore, it will contribute to the enlargement and cost reduction of the target alignment film.
- the base material of the present invention is not limited to this.
- the nanosheet monolayer film has high structural flexibility in addition to strong bonding in the in-plane direction of the sheet.
- a nanosheet monolayer film can be formed while maintaining the bonding in the in-plane direction of the sheet (that is, while maintaining the crystal structure).
- the characteristics of the nanosheet monolayer film are maintained even on a substrate having a curvature or a substrate having irregularities, so that it can be a single crystal and a step-free seed layer.
- the nanosheet monolayer film according to the present invention can be applied to a substrate having an arbitrary shape, it is advantageous in material design.
- FIG. 4 is a schematic diagram showing matching between an exemplary nanosheet monolayer film and an alignment film.
- Figure 4 (A) shows that the nanosheet monolayer film is ⁇ & 2 1> 3 0 1 0 , and the alignment film is S r T a case of i O 3
- FIG. 4 (B) is a Ca 2 Nb 3 O 10 is nanosheet monolayer film, the case alignment film of anatase T i 0 2
- FIG. 4 (C) nanosheet This is the case when the single layer film is MnO z and the alignment film is Z ⁇ .
- Figure 4 (D) shows the case where the nanosheet monolayer film is C s AWUO and the alignment film is ZnO. C a zNbaOi as described with reference to Figure 2 (A).
- Nanosheet monolayer C a 2 Nb SOL The surface and T i 0 2 (00 1) have similar crystal structures and their lattice lengths are very close. The mismatch calculated from the lattice length is about 1.8%, which is the nanosheet monolayer C a 2 Nb 3 Oi. This suggests that Ti O 2 (001) grows on the surface.
- Z nO has a Wurtzite type (hexagonal) structure, and its (001) plane has a hexagonal lattice.
- the nanosheet monolayer film Mn_ ⁇ 2 and ZnO (001) has the same hexagon grid and the lattice length is relatively close. The mismatch calculated from the lattice length is about 13%.
- CS Has a two-dimensional hexagonal lattice.
- C s 4 W i O 36 and Z n O seem to be lattice mismatch.
- FIG. 4 exemplarily described the relationship between the crystal growth substrate according to the present application and the alignment film oriented thereon, the present invention is not limited to this.
- the general relationship between the nanosheet monolayer film of the crystal growth substrate according to the present invention and the alignment film oriented thereon is the lattice length a and b of the alignment surface of the alignment film, and the angle formed by the a and b. Using ⁇ , the following can be summarized as 1) 4).
- the nanosheet monolayer has a two-dimensional square lattice. This corresponds to the case of Fig. 4 (A) and (B).
- the nanosheet monolayer has a two-dimensional rectangular lattice.
- the nanosheet monolayer has a two-dimensional hexagonal lattice. This corresponds to the cases of Fig. 4 (C) and (D).
- the nanosheet monolayer has a two-dimensional parallelogram lattice.
- the absolute value of the lattice mismatch between the lattice length of the two-dimensional crystal lattice of the nanosheet monolayer film and the lattice length of the alignment plane of the alignment film to be manufactured thereon should be small. Is desirable.
- the nanosheet monolayer film since the nanosheet monolayer film has high structural flexibility, the lattice mismatch can be mitigated by the deformation of the nanosheet monolayer film. As a result, since the strain for relaxing the lattice mismatch can be suppressed in the alignment film, a high-quality alignment film having high crystallinity can be obtained.
- the crystal growth substrate of the present invention is advantageous in the production of the alignment film because the lattice mismatch limit is smaller than in the case of using the conventional rigid buffer layer.
- Table 2 shows exemplary alignment films and their structural characteristics. Table 2 also shows the crystal lattice of the alignment layer for reference.
- Table 2 Example iWJl Self-directed Moon fc and Sokyo Professor
- the nanosheet monolayer film that is the seed layer of the substrate for crystal growth and the matching orientation A combination of membranes can be appropriately selected.
- the crystal growth substrate of the present invention is advantageous for material design because the selection range of the nanosheet monolayer film is extremely wide.
- the crystal growth substrate according to the present invention is not limited to the alignment film shown in Table 2 above, and any material that matches the nanosheet monolayer film can be obtained as the alignment film. Please understand that you can.
- a liquid phase epitaxial growth method such as a sol-gel method such as a spin coating method, a dip coating method, or a spray coating method, a gradient method, or a sliding boat method
- Physical vapor deposition methods such as pulsed laser deposition (PLD), molecular beam epitaxy (MBE), sputtering, resistance heating deposition, electron beam deposition, and thermal CVD, photo CVD, plasma CVD, Chemical vapor deposition methods such as organometallic CVD can be used.
- the alignment film is formed at a low temperature and further at a room temperature. It becomes possible to form.
- a dry process eg, PLD, MBE, sputtering, plasma CVD, etc.
- the alignment film is formed at a low temperature and further at a room temperature. It becomes possible to form.
- an inexpensive plastic substrate with low thermal stability and a large size can be used as the base material for the crystal growth substrate, so that cost reduction is achieved.
- KC a 2 Nb 3 O 10 was exfoliated according to the procedure described in Ebina et al., Solid State Ionics 2002, 1 51, 1 77, and C a 2 Nb SOL. A colloid solution containing nanosheets was obtained. More specifically, K 2 CO 3 , C a O and Nb 2 0 5 are mixed and calcined at 1 200 ⁇ for 12 hours, and KCazNbaOt. Was synthesized. Next, KC a 2 Nb 3 10 was ion-exchanged with HN0 3 (5M) to obtain HC a zNbaO ⁇ * 1.5H 2 O.
- HC a 2 Nb 3 O 10 '1.5H 2 O was reacted with an aqueous solution containing tetra-n-butylammonium hydroxide and separated into a single layer to obtain a colloid solution (step S 31 above). Hi).
- the colloid solution was diluted with ultrapure water (eg, C azNbaOi. In the case of nanosheets, it was about 0.08 g cm– 3 ) and placed on the trough.
- a material that does not exist is simply referred to as a “nanosheet”, and a material that intentionally forms a “nanosheet” is referred to as a “nanosheet monolayer film”.
- a # 1 737 non-strengthening re-borosilicate glass substrate obtained from Corning Co. L t d., Hereinafter simply referred to as a glass substrate
- the glass substrate was washed by immersing it in HC lZCHaOH solution and then in concentrated H 2 SO 4 solution for 30 minutes each.
- Nano sheet colloid solution From the solution C a 2 Nb 3 Oi. A nanosheet monolayer film was formed. Specifically, the cleaned glass substrate was immersed in a trough that maintained the above conditions, and the surface was compressed at a speed of 0.5 mm * s_— 1 . Next, the glass substrate was pulled up at a vertical pulling rate of lmm ⁇ min 1 while maintaining a constant surface pressure (step S 320 described above). Ca 2 Nb 3 Oi. The nanosheet monolayer film was formed on the glass substrate with a surface pressure of 8.5 mN * ni- 1 . The best C a 2 N b 3 O when the surface pressure is 8. SmN'm- 1 .
- a nanosheet monolayer film was obtained.
- a crystal growth substrate was obtained.
- the obtained substrate for crystal growth was obtained using an atomic force microscope AFM (SP A400, Seiko Instrume nts Inc., Japan) .
- the AFM observation was performed in a tapping mode using a silicon chip cantilever. The observation results are shown in Fig. 5 and described later.
- the ultraviolet-visible light absorption spectrum of the Ca 2 Nb 3 0 10 glass substrate was measured using a spectrophotometer (U-4 100, Hitachi). The results are shown in Fig. 6 and described later.
- SrTiO 3 film was aligned on a C azNbsOwZ glass substrate by spin coating.
- SrTiO 3 coating solution precursor sol or simply called sol
- TTIP titanium isopropoxide
- Acetic acid was used as the solvent
- 2,4-pentanedione acetylacetone: A c A c
- the resulting clear solution was stirred continuously for 12 hours in a closed flask.
- S r T i O 3 coating solution is spin-coated with C a 2 Nb 3 O. It was applied on a glass substrate and then dried on a hot plate heated to 120 ° C. for 1 minute. The spin coat rotation speed was 2500 rpm. Next, the Ca 2 Nb 3 0 10 glass substrate to which the SrTiO 3 coating solution was applied was used in an atmosphere at 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C and 650 ° C using an electric furnace. Baked for 1 hour each.
- the crystal planes and crystal orientation of the samples fired at each firing temperature were examined by powder X-ray diffraction (XRD).
- XRD powder X-ray diffraction
- a powder X-ray diffractometer (R int 2200, Rigaku) was used for the measurement.
- the measurement conditions were a monochromated CuKa line, an acceleration voltage of 40 kV, and an applied current of 4 OmA. The results are shown in Fig. 7 and described later.
- Example 1 C a zN b aO t on a cleaned glass substrate. Since it is the same as Example 1 except that the SrTiO 3 coating solution is directly applied by spin coating without forming the nanosheet monolayer film, the description is omitted.
- the crystal plane and crystal orientation of the sample fired at each firing temperature were examined using XRD. The results are shown in Fig. 7 and described later.
- Example 2 grant of S r T i O 3 coating solution by spin coating, drying on a hot plate, and the operation of firing at 550 ° C, was repeated until either et 5 times once Other than this, the description is omitted because it is similar to the first embodiment.
- the crystal plane and crystal orientation of each application (coating) sample were examined using XRD. The results are shown in Fig. 8 and described later.
- the surface and cross-section of the sample with 5 application times were observed using a scanning electron microscope SEM (S-4200, Hitachi). The results are shown in Figure 9 and This is shown in Figure 11 and will be described later. (Comparative Example 2)
- Comparative Example 1 grant of S r T i 0 3 coating solution by spin coating, drying on a hot plate, and the operation of firing at 550 ° C, was repeated until either et 5 times once Other than this, the description is omitted because it is the same as Comparative Example 1.
- the crystal plane and crystal orientation of the sample with each application number were examined using XRD. The results are shown in Fig. 8 and described later.
- the surface and cross section of the sample with 5 application times were each observed using SEM. The results are shown in Fig. 10 and Fig. 12 and will be described later.
- a coating solution is based on a commercially available titanium I Seo propoxide (NDH- 510 C;.. N ippon S oda C o L t d, To kyo, J apan force 3 ⁇ 4 et obtain ) Was used.
- the TiO 2 coating solution was applied onto a Ca 2 Nb 3 Oio / glass substrate by spin coating, and then dried on a hot plate heated to 120 ° C. for 1 minute. The rotation speed of the spin coat was 1 500 rpm.
- Example 3 since a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate and the TiO 2 coating solution is directly applied by a spin coating method, the description is omitted because it is the same as Example 3.
- Example 3 the crystal plane and crystal orientation of the fired sample were examined by XRD. The results are shown in Fig. 13 and will be described later. (Example 4)
- Zeta Itaomikuron coating solution was applied to Myuitaomikuron 2 glass substrate by a spin encoding method, and dried on a hot plate heated to 1 20 ° C 1 min. The spin coat rotation speed was 2500 rpm. Then, the Mn0 2 Z glass substrate Z nO Koti packaging solution has been applied, using an electric furnace in the atmosphere, and baked for 1 hour at 40 0 ° C. This operation was repeated 1 to 5 times. The crystal plane and crystal orientation of the sample with each application number were examined using XRD. The results are shown in Fig. 15 and described later.
- Example 4 a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate, and the Z ⁇ coating solution is directly applied by a spin coating method.
- the crystals of the samples each given number of times The orientation of the plane and crystal was examined by XRD. The results are shown in Figure 15 and described later.
- the experimental conditions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 are summarized in Table 3.
- Table 3 Live cattle in examples 1-4 and tandem 1-4
- Substrate C a 2 N b sOt. Glass substrate
- Substrate temperature 500 ° C and 550 ° C
- Deposition time 60 minutes
- the crystal planes and crystal orientations of the samples obtained at substrate temperatures of 500 ° C. and 550 ° C. were examined by powder X-ray diffraction (XRD) in the same manner as in Example 1.
- the measurement conditions were an acceleration voltage of 40 kV, an applied current of 40 mA, a diverging slit (DS) and a scattering slit (SS) of 12 °, and a receiving slit (RS) of 0.3 mm.
- the measurement results are shown in FIG.
- the cross section of the sample obtained at a substrate temperature of 550 ° C was observed using a high-resolution transmission electron microscope (HR TEM, JEM-2010, JEOL).
- HR TEM high-resolution transmission electron microscope
- JEM-2010, JEOL high-resolution transmission electron microscope
- the sample for HRTEM was prepared by Ar ion milling. The observation results are shown in Fig. 17 and will be described later.
- Example 5 is the same as Example 5 except that a glass substrate was used instead of the crystal growth substrate and the SrTiO 3 film was directly grown by the pulse laser method, so the description was omitted. To do.
- the crystal planes and crystal orientations of the samples obtained at the substrate temperatures of 500 ° C. and 550 ° C. were examined by XRD. The results are shown in Fig. 16 and described later.
- a ZnO film was grown on the MnO 2 / glass substrate prepared in Example 4 by pulsed laser deposition. Specifically, a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, Camp exl 02) was used as the laser, and a polycrystalline ZnO pellet was used as the target. The film forming conditions are shown below.
- Substrate temperature room temperature (no heating)
- the crystal plane and crystal orientation of the obtained sample were measured by XRD as in Example 5. I investigated. The measurement results are shown in Fig. 18 and will be described later.
- Example 6 is the same as Example 6 except that a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate and the Z ⁇ film is directly grown by the pulse laser method, and thus the description thereof is omitted.
- the crystal plane and crystal orientation of the obtained sample were examined by XRD. The results are shown in Fig. 18 and described later. '
- the CS 6. 31 WnO 36 as layered compound releases Tanso ⁇ intercalation method. Specifically, ion exchange was performed by treating C s 6. 31 WnO 36 with an acid (here, 12N hydrochloric acid was used and reacted for 24 hours ⁇ 2 times). This
- the glass substrate was washed, and a C s AWUO nanosheet monolayer film was formed using the LB method (step S 320 described above).
- CS The nanosheet monolayer film was formed on a glass substrate by spreading the colloid solution in a trough and letting the glass substrate stand for 30 minutes after immersion. Next, after compressing to a surface pressure of 1 8. OmN ⁇ m ⁇ 1 , the glass substrate was pulled up vertically. In this way, a crystal growth substrate made of CS 4WHO36 / glass substrate was obtained.
- a ZnO film was grown on a C s 4 WnO 36 / glass substrate by pulsed laser deposition. Specifically, a KrF excimer laser (wavelength 248 ⁇ m, Camp exl 02) was used as the laser, and a polycrystalline ZnO pellet was used as the target. The film forming conditions are shown below. Laser intensity: approx. 1.7 J / cm 2
- Oxygen partial pressure 0.1 2 Pa and 1.7 Pa
- Substrate temperature room temperature (no heating) and 100 ° C
- Example 7 is the same as Example 7 except that a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate and the Z ⁇ film is directly grown by the pulse laser method, and thus the description is omitted.
- Example 5 the crystal plane and crystal orientation of the obtained sample were examined by XRD. The results are shown in Fig. 19 and described later. Table 4 summarizes the experimental conditions of Examples 5-7 and Comparative Examples 5-7.
- Example 7 a crystal growth substrate was produced using a polyethylene terephthalate substrate (hereinafter simply referred to as a PET substrate) instead of the glass substrate.
- a PET substrate polyethylene terephthalate substrate
- the surface of the PET substrate was cleaned by UVZO 3 treatment for 1 hour.
- the surface of the PET substrate was in a hydrophilic state, and water wettability was improved.
- any means for improving the wettability of the surface of the PET substrate to water can be used.
- plasma treatment may be performed instead of uv / o 3 treatment. .
- a CS 4WHO36 nanosheet monolayer film was formed on the PET substrate thus treated using the LB method in the same manner as in Example 7, and C s 4 ⁇ ⁇ 11 0 36
- a crystal growth substrate consisting of a £ 10 substrate was obtained.
- the surface of the obtained crystal growth substrate was observed using AFM as in Example 1. The observation results are shown in Fig. 20 and will be described later.
- Example 1 a step structure appears on the surface instead of the glass substrate.
- ⁇ 1 2 ⁇ 3 (000 1) Single crystal substrate (hereinafter simply referred to as A 1 2 0 3 single crystal substrate) The substrate for crystal growth was produced using it.
- the A 1 2 O 3 single crystal substrate was treated with UVZ03 for 30 minutes to clean the surface.
- a C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film was formed using the LB method in the same manner as in Example 1, and C a 2 Nb sOio / A 1 2 ⁇
- a crystal growth substrate composed of three single crystal substrates was obtained.
- the surface of the obtained crystal growth substrate was observed using AFM as in Example 1. The observation results are shown in Fig. 21 and will be described later.
- FIG. 5 is a diagram showing an AFM image of the C a 2 N b 3 0 1 ( ) Z glass substrate. According to Figure 5, very flat C a 2 Nb 3 Ot on a glass substrate. It can be seen that the nanosheet monolayer film was formed. Such a surface is extremely small between nanosheets It is comparable to a flat single crystal at the atomic level, except for the overlap and gaps.
- the surface roughness (R a) was calculated to be 0.6 1 nm.
- the film thickness of the nanosheet monolayer film was 1.5 to 1.6 nm. This value is C a 2 N b. This agrees with the crystallographic thickness of the nanosheet monolayer film (see Fig. 2 (A)), suggesting that a monolayer film was formed on the glass substrate.
- the Ca 2 N b 3 0 10 nanosheet monolayer was applied to 95% of the area of the glass substrate, indicating that there was the least overlap between nanosheets.
- Figure 6 shows C a 2 Nb sOi. It is a figure which shows the ultraviolet visible absorption spectrum of a glass substrate. From FIG.
- FIG. 7 is a diagram showing XRD patterns of the SrTi 0 3 films of Example 1 and Comparative Example 1. The upper part of FIG.
- FIG. 7 is an XRD pattern according to Example 1, and the lower part of FIG. 7 is an XRD pattern according to Comparative Example 1. From the upper part of FIG. 7, all the samples fired at 5503 ⁇ 4 or more showed clear peaks near 23 ° and 46 °. These peaks coincide with the 100 and 200 diffraction peaks of S r T i 0 3 . In addition, other diffraction peaks such as 1 1 0, 1 1 1 or 2 1 0 were not observed. From this, by firing at 5500 ° C or higher, the S r T iO 3 film is formed on the C a 2 Nb 3 O 10 / glass substrate (ie, on the C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film).
- FIG. 8 is a diagram showing 10 patterns of the SrTi 0 3 films of Example 2 and Comparative Example 2. The upper part of FIG.
- FIG. 8 is an XRD pattern according to Example 2, and the lower part of FIG. 8 is an XRD pattern according to Comparative Example 2. From the upper part of FIG. 8, only the 100 and 200 diffraction peaks of S r T i 0 3 were shown for all coating times 1 to 5. The peak intensity increased as the number of coatings increased. This suggests that an SrTiO 3 film oriented and grown in the (100) direction can be obtained even when the film thickness is increased.
- n indicates the number of coatings.
- the surface shapes of FIGS. 9 and 10 both show the surface structure of a typical sol-gel film in which fine particles are aggregated. The particle size is in the range of about 30 nm to 40 nm, indicating that the coating film is polycrystalline.
- FIG. 1 1 Oyopi Figure 1 2 the film thickness, both, about 4 0 0 nm.
- S r T i O 3 film having a thickness of about 80 nm by a single coating is obtained.
- FIG. 13 is a diagram showing XRD patterns of the Ti 2 O 2 films of Example 3 and Comparative Example 3.
- the XRD pattern of Comparative Example 3 showed peaks at about 25.5 ° and 38 °. Which corresponded to 101 diffraction peak Contact Yopi 004 diffraction peak of T i 0 2 ANATA one zero phase.
- FIG. 14 is a view showing an AFM image of the MnO 2 glass substrate. According to FIG. 14, it can be seen that a very flat MnO 2 nanosheet monolayer film was formed on the glass substrate. Similar to Fig. 5, such a surface is comparable to a flat single crystal at the atomic level, except for extremely small overlaps and gaps between nanosheet monolayers.
- the surface roughness (Ra) was 0.27 nm.
- FIG. 15 is a diagram showing XRD patterns of the Z ⁇ films of Example 4 and Comparative Example 4. The upper part (A) of FIG. 15 is an XRD pattern according to Example 4, and the lower part (B) of FIG.
- FIG. 16 is a diagram showing XRD patterns of the SrTiOa films of Example 5 and Comparative Example 5.
- the lower part of Fig. 16 shows the XRD pattern of the sample formed at a substrate temperature of 500 ° C
- the upper part of Fig. 16 shows the XRD pattern of the sample formed at a substrate temperature of 550 ° C.
- FIG. 17 shows the Sr T i Oa / C a 2 Nb 3 film formed at the substrate temperature of 550 ° C in Example 5.
- O t. A TEM image of the cross section of the glass substrate, Figure 17 shows that the Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer remains between the glass substrate and the Sr T i O 3 film . Further, it can be seen that S r T i O 3 film having uniform crystal axis C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film directly is growing well.
- FIG. 18 is a diagram showing XRD patterns of the Z ⁇ films of Example 6 and Comparative Example 6. According to the XRD pattern of the sample of Example 6 in FIG.
- FIG. 19 is a diagram showing XRD patterns of ⁇ films of Example 7 and Comparative Example 7.
- the lower part of Fig. 19 shows the XRD pattern of the sample deposited without substrate heating (room temperature), and the upper part of Fig. 19 shows the XRD pattern of the sample deposited at the substrate temperature of 100 ° C. According to the XRD pattern of the sample of Example 7 in the lower part of Fig. 9, a clear peak was observed around 35 °.
- Figure 20 shows the C s of Example 8. It is a figure which shows the AFM image of an ET board
- FIG. 21 shows C a zNbsOi of Example 9.
- a 1 2 O 3 AFM images of a single crystal substrate (a) and (b) and, C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet applied before the A 1 2 O 3 single crystal substrate A FM image (c) and (d)
- FIG. Figures 21 (a) and (c), and (b) and (d) show A FM images with different magnifications.
- Figures 21 (c) and (d) show a step with a period of about 200 nm, confirming that the surface of the A 12 O 3 single crystal substrate has atomic irregularities.
- the surface of the substrate for crystal growth consisting of C a 2 Nb 3 O 10 ZA 1 2 Oa single crystal substrate is C a 2 Nb 3 O 10 as shown in Fig. 2 (a) and (b).
- the nanosheet monolayer film is deformed at the atomic level so as to follow the steps shown in Fig. 21 (c) and (d), and the unevenness of the original A 1 2 O 3 single crystal substrate is It can be seen that it is directly reflected in the formed Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film.
- the nanosheet monolayer film can be provided even on a substrate having irregularities due to the structural flexibility of the nanosheet monolayer film obtained by peeling from the layered compound.
- a material having a two-dimensional square lattice for example, CazNbaOLo
- a sol-gel method cubic and tetragonal systems can be obtained.
- alignment film material is obtained, the material (e.g., Mn0 2) having a two-dimensional hexagonal lattice as a nanosheet monolayer film using, by adopting a sol-gel method, to obtain an alignment film material of hexagonal I was able to do that.
- a material having a two-dimensional square lattice (for example, C a zNbaO ⁇ ) is used as the nanosheet monolayer film as the nanosheet monolayer film.
- a phase growth method alignment films of cubic and tetragonal materials can be obtained, and materials with a two-dimensional hexagonal lattice as a nanosheet monolayer film (for example, M n O 2 and C s AW UO It has been found that an alignment film of a hexagonal material can be obtained even at room temperature by using a physical vapor deposition method.
- Examples 8 and 9 it was shown that a plastic substrate with low thermal stability can be used as a base material, and that a base material having unevenness can be used.
- the above Examples 1 to 9 are exemplifications, and the configuration of the substrate for crystal growth of the present invention (combination of a base material and a nanosheet monolayer film) and an alignment film formed thereon are included in this. It is not limited. Industrial applicability
- the substrate for crystal growth according to the present invention comprises a base material and a nanosheet monolayer film located on the base material and peeled from the layered compound.
- an alignment film matching the nanosheet monolayer film appropriately selected can be formed.
- Such a substrate for crystal growth can be used for a light emitting element, a semiconductor element, a ferroelectric device, a dielectric device, a magnetic device, etc., depending on the material of the alignment film.
- the nanosheet monolayer film of the crystal growth substrate according to the present invention is easily formed at room temperature, it is also applied to a plastic substrate with low thermal stability. As a result, an inexpensive and large area crystal growth substrate can be provided.
- the crystal growth substrate according to the present invention can also be used as a stable intermediate layer (for example, an intermediate layer of a photocatalyst) that separates the base material and the alignment film.
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Abstract
This invention provides a substrate for crystal growth, which can realize an increase in size of an aligning film and a reduction in cost. The substrate for crystal growth is characterized in that a buffer layer is formed on the surface of the substrate, and the buffer layer is formed of a nanosheet single layer film of two-dimensional crystals.
Description
明細書 結晶成長用基板とこれを用いた結晶成長方法 技術分野 Description Crystal growth substrate and crystal growth method using the same Technical Field
本発明は、 結晶成長用基板とこれを用いた結晶成長方法に関する。 背景技術 The present invention relates to a crystal growth substrate and a crystal growth method using the same. Background art
S i、 サファイア (ct—A l 20 3)、 S r T i O 3、 M g O、 T i Ο 2等の単結 晶基板上にェピタキシャル成長、 または、 配向成長させた良質な Z n O、 G a N、 B a T i O 3等を用いた発光デバイス ·半導体素子 ·誘電体素子等がある。 このように基板として単結晶基板を用いることができれば、 良質なェピタキシ ャル膜、 あるいは配向膜が得られるために好ましい。 しかしながら、 これら単 結晶基板には、 サイズ限界、 高コストといった問題がある。 このような問題を解決するために、 成長させる結晶と類似した結晶構造をも つバッファ層を表面に導入した基板により、 結晶成長をコントロールする方法 が提案されている。 例えば、 近年、 単結晶基板に替えて、 窒化物半導体用基板 として、 石英ガラス基板の表面にバッファ層として窒化珪素層が導入された基 板を用いた、 ェピタキシャル膜の大型化が報告された (例えば、 特許文献 1を 参照。)。 一方、 ガラスまたはプラスチック基板上の有機テンプレートをバッファ層と して配向膜を成長させる技術もある (例えば、 非特許文献 1を参照)。 上記特許文献 1によれば、 平滑性および結晶性の高い良質なバッファ層を得 るためには、 高周波または電子サイクロトロン共鳴を用いて窒素プラズマを照 射する必要がある。 このような高周波および電子サイクロトロン共鳴は高価な
装置であり、 高コスト化をまねくだけでなく、 作業が煩雑となるという問題が ある。 また、 バッファ層を製造する際に、 例えば、 400°C〜 1 200°Cの熱 処理が必要であるため、 熱安定性を有する基材で構成された基板に限定される。 上記非特許文献 1によれば、 バッファ層である有機テンプレートを自己組織 化膜によって容易に基材に付与できるものの、 有機テンプレートは熱に対して 不安定である。 したがって、 上記非特許文献 1の技術は、 有機テンプレート上 に高温を必要とする酸化物、 窒化物等の無機材料を結晶成長させるには、 不向 きである。 特許文献 1 :特開 2004— 5581 1号公報 High-quality Z obtained by epitaxial growth or orientation growth on single crystal substrates such as S i, sapphire (ct—A l 2 0 3 ), S r T i O 3 , MgO, T i Ο 2 There are light emitting devices, semiconductor elements, dielectric elements, etc. using n O, G a N, B a T i O 3 and the like. If a single crystal substrate can be used in this way, it is preferable because a high-quality epitaxial film or alignment film can be obtained. However, these single crystal substrates have problems such as size limit and high cost. In order to solve such problems, a method has been proposed in which crystal growth is controlled by a substrate in which a buffer layer having a crystal structure similar to the crystal to be grown is introduced on the surface. For example, in recent years, an increase in the size of an epitaxial film using a substrate in which a silicon nitride layer is introduced as a buffer layer on the surface of a quartz glass substrate as a substrate for a nitride semiconductor instead of a single crystal substrate has been reported. (For example, see Patent Document 1). On the other hand, there is also a technique for growing an alignment film using an organic template on a glass or plastic substrate as a buffer layer (see, for example, Non-Patent Document 1). According to Patent Document 1, in order to obtain a high-quality buffer layer having high smoothness and crystallinity, it is necessary to irradiate nitrogen plasma using high frequency or electron cyclotron resonance. Such high frequency and electron cyclotron resonance is expensive. This is not only a costly device but also a problem that the work becomes complicated. In addition, when the buffer layer is manufactured, for example, heat treatment at 400 ° C. to 1 200 ° C. is required, and therefore, the buffer layer is limited to a substrate composed of a base material having thermal stability. According to Non-Patent Document 1, although the organic template that is the buffer layer can be easily applied to the substrate by the self-assembled film, the organic template is unstable to heat. Therefore, the technique of Non-Patent Document 1 is not suitable for crystal growth of inorganic materials such as oxides and nitrides that require high temperatures on an organic template. Patent Document 1: JP 2004-55881 A
非特許文献 1 : R. H i r ema t hら, J. Am. C h e m. S o c 2005, 127, 18321 発明の開示 Non-Patent Document 1: R. Hiremath, et al., J. Am. Chem. Soc 2005, 127, 18321 Disclosure of the Invention
発明が解決しょうとする課題 Problems to be solved by the invention
本発明は、 上記従来技術の問題点を解決しょうとするものであり、 結晶成長 させる膜の大型化および低コスト化を可能にする結晶成長用基板を提供するこ とを課題とする。 課題を解決するための手段 An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a crystal growth substrate that enables an increase in size and cost of a film for crystal growth. Means for solving the problem
発明 1の結晶成長用基板は、 表面にバッファ層が形成されてなる結晶成長用 基板であって、 前記バッファ層が二次元結晶からなるナノシート単層膜からな ることを特徴とする。 The crystal growth substrate of the invention 1 is a crystal growth substrate having a buffer layer formed on a surface thereof, wherein the buffer layer is composed of a nanosheet monolayer film made of a two-dimensional crystal.
発明 2は、 発明 1の結晶成長用基板において、 ナノシート単層膜は、 層状化 合物から剥離されたものであることを特徴とする。 Invention 2 is characterized in that, in the crystal growth substrate of Invention 1, the nanosheet monolayer film is peeled off from the layered compound.
発明 3は、 発明 2の結晶成長用基板において、 前記層状化合物は、 層状酸化 物、 層状リン酸塩、 層状複水酸化物、 層状金属カルコゲナイト、 および、 層状
ケィ酸塩からなる群から選択されることを特徴とする。 Invention 3 is the crystal growth substrate according to Invention 2, wherein the layered compound comprises a layered oxide, a layered phosphate, a layered double hydroxide, a layered metal chalcogenite, and a layered It is selected from the group consisting of kaates.
発明 4は、 発明 3の結晶成長用基板において、 前記層状化合物は層状酸化物 であり、 前記ナノシート単層膜は、 チタン酸ナノシート、 層状ぺロブスカイ ト ナノシート、 マンガン酸ナノシート、 ニオブ タンタル酸ナノシート、 チタン ニオブ酸ナノシート、 ルテニウム酸ナノシート、 および、 タングステン酸ナノ シートの各単層膜からなる群から選択されることを特徴とする。 Invention 4 is the crystal growth substrate according to Invention 3, wherein the layered compound is a layered oxide, and the nanosheet monolayer film is a titanate nanosheet, a layered perovskite nanosheet, a manganate nanosheet, a niobium tantalate nanosheet, titanium Niobic acid nanosheets, ruthenic acid nanosheets, and tungstate nanosheets are selected from the group consisting of single-layer films.
発明 5は、 発明 4の結晶成長用基板において、 前記マンガン酸ナノシート単 層膜は、 M n O 2ナノシート単層膜であることを特徴とする。 Invention 5 is the crystal growth substrate according to Invention 4, wherein the manganate nanosheet monolayer film is an MnO 2 nanosheet monolayer film.
発明 6は、 発明 4の結晶成長用基板において、 前記層状べ口ブスカイ トナノ シート単層膜は、 C a 2 N b 3 O 1 0ナノシート単層膜であることを特徴とする。 発明 7は、 発明 3の結晶成長用基板において、 前記層状化合物は層状リン酸 塩であり、 前記ナノシート単層膜は、 リン酸ジルコニウムナノシート単層膜、 または、 リン酸バナジウムナノシート単層膜であることを特徵とする。 Invention 6, in the crystal growth substrate of the invention 4, the layered base mouth Busukai Tonano sheet monolayer film, characterized in that it is a C a 2 N b 3 O 1 0 nanosheet monolayer film. Invention 7 is the crystal growth substrate according to Invention 3, wherein the layered compound is a layered phosphate salt, and the nanosheet monolayer film is a zirconium phosphate nanosheet monolayer film or a vanadium phosphate nanosheet monolayer film Special feature.
発明 8は、 発明 3の結晶成長用基板において、 前記層状化合物は層状複水酸 化物であり、 前記ナノシート単層膜は、 水酸化物ナノシート単層膜であること を特徴とする。 Invention 8 is the crystal growth substrate of Invention 3, wherein the layered compound is a layered double hydroxide, and the nanosheet monolayer film is a hydroxide nanosheet monolayer film.
発明 9は、 発明 3の結晶成長用基板において、 前記層状化合物は層状金属力 ルコゲナイ ト化合物であり、 前記ナノシート単層膜は、 金属カルコゲナイ トナ ノシート単層膜であることを特徴とする。 Invention 9 is the crystal growth substrate of Invention 3, wherein the layered compound is a layered metal force rucogenite compound, and the nanosheet monolayer film is a metal chalcogenide nanosheet monolayer film.
発明 1 0は、 発明 3の結晶成長用基板において、 前記層状化合物は層状ケィ 酸塩であり、 前記ナノシート単層膜は、 スメクタイ ト系ナノシート単層膜であ ることを特徴とする。 Invention 10 is characterized in that in the crystal growth substrate according to Invention 3, the layered compound is a layered silicate, and the nanosheet monolayer film is a smectite nanosheet monolayer film.
発明 1 1は、 発明 1から 1 0の何れか一項の結晶成長用基板において、 前記 バッファ層が設けられた基材は、 ガラス、 金属、 半導体単結晶、 および、 ブラ スチックからなる群から選択されることを特徴とする結晶成長用基板。 Invention 11 is the crystal growth substrate according to any one of Inventions 1 to 10, wherein the base material provided with the buffer layer is selected from the group consisting of glass, metal, semiconductor single crystal, and plastic A substrate for crystal growth, wherein
発明 1 2は、 発明 1から 9の何れか一項の結晶成長用基板を用いた結晶成長 方法であって、 前記結晶成長用基板上に結晶成長する配向膜の結晶面の格子長 aおよび b、 ならびに、 格子長 aおよび bがなす角 0を所望の関係となるよう に前記ナノシート単層膜の二次元格子形状が次表 Aの通りに設定してあること
を特徴とする。 Invention 12 is a crystal growth method using the crystal growth substrate according to any one of Inventions 1 to 9, wherein the lattice lengths a and b of the crystal plane of the alignment film on which the crystal is grown on the crystal growth substrate The two-dimensional lattice shape of the nanosheet monolayer film is set as shown in Table A so that the angle 0 formed by the lattice lengths a and b has a desired relationship. It is characterized by.
(表 A) (Table A)
格子長 aの関係 b 格子長 aおよび bがなす角 0 二次元格子形状 a = b 0 = 9 0° 正方形 a≠b 0 = 9 0° 長方形 a = b 0 = 1 2 0。 六角形 a≠b θ≠9 0ύ 平行四辺形 発明 1 3は、 発明 5の結晶成長用基板を用いた結晶成長方法であって、 前記 M n 02ナノシート単層膜が形成されてなる結晶成長用基板上に Ζ η Οを配向成 長させることを特徴とする。 Relation of lattice length a b Angle formed by lattice lengths a and b 0 Two-dimensional lattice shape a = b 0 = 9 0 ° Square a ≠ b 0 = 9 0 ° Rectangular a = b 0 = 1 2 0. Hexagon a ≠ b θ ≠ 9 0 ύParallel quadrilateral Invention 1 3 is a crystal growth method using the crystal growth substrate of Invention 5, wherein the M n 0 2 nanosheet monolayer film is formed. It is characterized in that ΖηΟ is oriented and grown on a growth substrate.
発明 1 4は、 発明 6の結晶成長用基板を用いた結晶成長方法であって、 前記 C a 2 N b 3〇1 0ナノシート単層膜が形成されてなる結晶成長用基板上に S r T i O 3または T i O 2を配向成長させることを特徴とする。 Invention 14 is a crystal growth method using the crystal growth substrate of Invention 6, wherein S r T is formed on the crystal growth substrate on which the C a 2 N b 3 0 1 0 nanosheet monolayer film is formed. i O 3 or T i O 2 is oriented and grown.
発明 1 5は、 発明 1 2の結晶成長用基板を用いた結晶成長方法であって、 ゾ ルゲル法、 液相ェピタキシャル成長法、 物理的気相成長法および化学気相成長 法からなる群から選択される方法を用いることを特徴とする。 発明の効果 Invention 15 is a crystal growth method using the substrate for crystal growth of Invention 12 from the group consisting of a sol-gel method, a liquid phase epitaxy method, a physical vapor deposition method and a chemical vapor deposition method. The method selected is used. The invention's effect
本発明による結晶成長用基板は、 基板と、 基板上に位置するナノシート単層 膜とを有する。 ナノシート単層膜は、 シートの水平方向にサブマイクロ〜マイ クロメートルの広がりを有する二次元結晶であり、 その面内には単結晶に匹敵 する高い結晶性を有する。 その結果、 従来の単結晶基板を用いた場合と同様な 結晶成長を基材の材質によらずに達成し得るに至ったものである。 A crystal growth substrate according to the present invention includes a substrate and a nanosheet monolayer film positioned on the substrate. The nanosheet monolayer film is a two-dimensional crystal having a submicro to micrometer spread in the horizontal direction of the sheet, and has high crystallinity comparable to that of a single crystal in the plane. As a result, it has become possible to achieve the same crystal growth as when a conventional single crystal substrate is used regardless of the material of the base material.
さらに、 層状化合物から剥離されたナノシート単層膜を用いることで、 結晶 成長に必要なシード層 (バッファ層) を室温にて作製することができる。 この ようなシード層は、 個々のナノシートが平滑であり、 厚さの分布がほとんど存 在しないという特徴を有するため、 極めて平滑な表面を有する結晶成長用基板 を提供できる。
このようなシード層は、 シート面内方向の強固な結合を有するとともに、 高 い構造柔軟性を有するので、 曲率表面を有する基材、 凹凸表面を有する基材等 の任意の形状の基材にも適用され得るので、 デバイスに応じた設計が可能にな り有利である。 Furthermore, by using the nanosheet monolayer film peeled from the layered compound, a seed layer (buffer layer) necessary for crystal growth can be produced at room temperature. Such a seed layer has a feature that individual nanosheets are smooth and there is almost no thickness distribution, and therefore a crystal growth substrate having an extremely smooth surface can be provided. Such a seed layer has a strong bond in the in-plane direction of the sheet and a high structural flexibility. Therefore, the seed layer can be applied to a substrate having an arbitrary shape such as a substrate having a curved surface and a substrate having an uneven surface. Can also be applied, which makes it possible to design according to the device, which is advantageous.
また、 成長させるべき膜の結晶構造とマッチングするナノシート単層膜を選 択して基板上に配置することで、 種々の結晶構造を有する膜を容易に得ること ができる。 さらに、 上述の高い構造柔軟性により、 シード層は、 シード層の結 晶構造と成長されるべき膜の結晶構造との間の格子ミスマッチを緩和するよう に変形することができる。 そめ結果、 従来よりも格子ミスマッチの制限が緩和 されるので、 種々の配向膜の製造を可能にするとともに、 結晶性の高い配向膜 を得ることができる。 また、 ナノシート単層膜は、 高価な物理的 Z化学的気相成長法を採用するこ となく、 L B法、 交互吸着法、 スピンコート法等により、 容易に、 任意の材質 および任意の形状の基材上に形成される。 この結果、 高価な単結晶基板、 複雑 な手法を用いて作製されるシード層と異なり、 基材として大型かつ安価なガラ ス基板、 熱安定性の低いプラスチック基材等を採用することが可能となり、 配 向膜の大型化および低コスト化が可能となる。 図面の簡単な説明 In addition, by selecting a nanosheet monolayer film that matches the crystal structure of the film to be grown and placing it on the substrate, films having various crystal structures can be easily obtained. Furthermore, due to the high structural flexibility described above, the seed layer can be modified to mitigate the lattice mismatch between the crystal structure of the seed layer and the crystal structure of the film to be grown. As a result, since the restriction of lattice mismatch is relaxed compared to the conventional case, various alignment films can be manufactured, and alignment films with high crystallinity can be obtained. In addition, nanosheet monolayer films can easily be made of any material and any shape using the LB method, alternate adsorption method, spin coating method, etc. without employing an expensive physical Z chemical vapor deposition method. Formed on a substrate. As a result, unlike expensive single crystal substrates and seed layers fabricated using complex techniques, it is possible to use large and inexpensive glass substrates, plastic substrates with low thermal stability, etc. as the substrate. This makes it possible to increase the size and cost of the alignment film. Brief Description of Drawings
図 1は、 本発明による結晶成長用基板の模式図である。 FIG. 1 is a schematic view of a crystal growth substrate according to the present invention.
図 2は、 例示的なナノシート単層膜 1 2 0の模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram of an exemplary nanosheet monolayer film 120.
図 3は、 L a n g m u i r— B 1 0 d g e t t ( L B ) 法を用いた結晶成長 用基板の製造プロセスを示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of a substrate for crystal growth using the L a n g m u i r -B 10 dge t t (L B) method.
図 4は、 例示的なナノシート単層膜と配向膜とのマッチングを示す模式図で ある。 FIG. 4 is a schematic diagram showing matching between an exemplary nanosheet monolayer film and an alignment film.
図 5は、 C a 2 N b 3 O t。/ガラス基板の A F M像を示す図である。 Figure 5 shows C a 2 N b 3 O t. FIG. 4 is a view showing an AFM image of a glass substrate.
図 6は、 C a 2 N b 3 O i。/ガラス基板の紫外可視吸収スぺクトルを示す図で
ある。 Figure 6 shows C a 2 N b 3 O i. In the figure showing the UV-visible absorption spectrum of the glass substrate is there.
図 7は、 実施例 1および比較例 1の S r T i O3膜の XRDパターンを示す図 である。 FIG. 7 is a diagram showing XRD patterns of the SrTiO 3 films of Example 1 and Comparative Example 1.
図 8は、 実施例 2および比較例 2の S r T i O3膜の XRDパターンを示す図 である。 FIG. 8 is a diagram showing XRD patterns of the SrTiO 3 films of Example 2 and Comparative Example 2.
図 9は、 実施例 2の S r T i O3 (n = 5) ZC a 2 N b 3 O t。Zガラス基板の 表面の S EM像を示す図である。 9, Example 2 S r T i O 3 ( n = 5) ZC a 2 N b 3 O t. It is a figure which shows the SEM image of the surface of Z glass substrate.
図 1 0は、 比較例 2の S r T i O3 (n = 5) Zガラス基板の表面の S EM像 を示す図である。 FIG. 10 is a view showing an SEM image of the surface of the SrTiO 3 (n = 5) Z glass substrate of Comparative Example 2.
図 1 1は、 実施例 2の S r T i O3 (η = 5) /C a 2 N b 3 O ^ 0ノガラス基板 の断面の S EM像を示す図である。 FIG. 11 is a view showing an SEM image of a cross section of the SrTiO 3 (η = 5) / Ca 2 Nb 3 O ^ 0 glass substrate of Example 2.
図 1 2は、 比較例 2の S r T i O3 (n = 5) Zガラス基板の断面の S EM像 を示す図である。 FIG. 12 is a view showing an SEM image of a cross section of the SrTiO 3 (n = 5) Z glass substrate of Comparative Example 2.
図 1 3は、 実施例 3および比較例 3の T i O 2膜の XRDパターンを示す図で ある FIG. 13 is a diagram showing XRD patterns of the Ti 2 O 2 films of Example 3 and Comparative Example 3.
図 1 4は、 MnO2 ガラス基板の AFM像を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing an AFM image of the MnO 2 glass substrate.
図 1'5は、 実施例 4および比較例 4の Z nO膜の XRDパターンを示す図で ある。 FIG. 1′5 is a diagram showing XRD patterns of the ZnO films of Example 4 and Comparative Example 4.
図 1 6は、 実施例 5および比較例 5の S r T i 03膜の XRDパターンを示す 図である。 FIG. 16 is a view showing XRD patterns of the SrT i 0 3 films of Example 5 and Comparative Example 5.
図 1 7は、 実施例 5の基板温度 5 50°Cで成膜した S r T i Oa/C a 2Nb 3 Ot。 ガラス基板の断面の T EM像である。 1 7, S r T i Oa / C a 2 Nb 3 Ot was deposited at a substrate temperature of 5 50 ° C in Example 5. It is the TEM image of the cross section of a glass substrate.
図 1 8は、 実施例 6および比較例 6の Z nO膜の XRDパターンを示す図で ある。 FIG. 18 is a diagram showing XRD patterns of the ZnO films of Example 6 and Comparative Example 6.
図 1 9は、 実施例 7および比較例 7の Z nO膜の XRDパターンを示す図で ある。 FIG. 19 is a diagram showing XRD patterns of the ZnO films of Example 7 and Comparative Example 7.
図 20は、実施例 8の C s aW O /P ET基板の AFM像を示す図である。 図 2 1は、 実施例 9の C a 2Nb 3Oi。 A 1203単結晶基板の AFM像 (a) および (b) と、 C a 2N b 3O10ナノシート付与前の A 1 2O3単結晶基板の A
F M像 (c ) および (d ) とを示す図である。 (符号の説明) FIG. 20 is a view showing an AFM image of the Cs aW O / P ET substrate of Example 8. FIG. 21 shows C a 2 Nb 3 Oi of Example 9. A 1 2 0 3 AFM image of single crystal substrate (a) and (b), and A 1 2 O 3 single crystal substrate A before C a 2 N b 3 O 10 nanosheet application It is a figure which shows FM image (c) and (d). (Explanation of symbols)
1 0 0 結晶成長用基板 1 1 0 基材 1 2 0 ナノシート単層膜 1 0 0 Crystal growth substrate 1 1 0 Base material 1 2 0 Nanosheet monolayer film
1 3 0 層状化合物 2 1 0 二次元正方形格子 1 3 0 Layered compound 2 1 0 Two-dimensional square lattice
2 2 0 二次元長方形格子 2 3 0 二次元六角形格子 発明を実施するための最良の形態 2 2 0 2D rectangular grid 2 3 0 2D hexagonal grid BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明の実施の形態について、 図面を参照して説明する。 ( 1 :結晶成長用基板の構造) Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. (1: Crystal growth substrate structure)
図 1は、 本発明による結晶成長用基板の模式図である。 本発明による結晶成長用基板 1 0 0は、 基材 1 1 0とナノシート単層膜 1 2 0とからなる。 基材 1 1 0は、 任意の材料および任意の形状が適用可能である。 具体的には、 基材 1 1 0は、 ガラス、 金属、 半導体単結晶 (例えば、 S i基板)、 および、 プラスチックからなる群から選択される。 特に、 ガラスおよびプラス チックは、 低コス トであるとともに、 大型な基材を入手することができるため、 好ましい。 当然のことながら、 従来から適用される金属および半導体単結晶も また基材 1 1 0として採用してもよレ、。 ナノシート単層膜 1 2 0は、 基材 1 1 0上に位置する。 ナノシート単層膜 1 2 0は、 層状化合物 1 3 0を単層剥離 (単に剥離とも呼ぶ) することによって 得られる。 層状化合物 1 3 0は、 図 1に模式的に示すように、 ナノシート単層 膜 1 2 0が互いに積み重なった層状構造を有する結晶性の高い無機化合物であ る。 なお、 層状化合物 1 3 0におけるナノシート単層膜 1 2 0の層間は、 静電 気力や分子間力によって保持されているため弱い結合を有するが、 ナノシ一ト 単層膜 1 2 0の面内は強い結合および高い構造柔軟性を有する。 また、 ナノシ
一ト単層膜 120は、 図 1に示すように、 水平方向 (すなわち、 ナノシート単 層膜の面内方向) に広がりを有する二次元結晶であり、 その面内には単結晶に 匹敵する高い結晶性を有することが知られている (例えば、 特許 3726 14 0の記載を参照)。 したがって、 ナノシート単層膜 120は、 分子レベルの厚さ を有する完全に平坦な単結晶とみなすことができる。 このような層状化合物 1 30は、 層状酸化物、 層状リン酸塩、 層状複水酸化 物、 層状金属カルコゲナイ ト、 および、 層状ケィ酸塩からなる群から選択され る。 これらの層状化合物は、 いずれも、 単層剥離することによってナノシート 単層膜が得られる。 各層状化合物について詳述する。 FIG. 1 is a schematic view of a crystal growth substrate according to the present invention. A crystal growth substrate 100 according to the present invention comprises a base material 110 and a nanosheet monolayer film 120. As the base material 110, any material and any shape can be applied. Specifically, the base material 110 is selected from the group consisting of glass, metal, semiconductor single crystal (for example, Si substrate), and plastic. In particular, glass and plastic are preferable because they are low cost and a large base material can be obtained. Naturally, conventionally applied metals and semiconductor single crystals may also be adopted as the substrate 110. The nanosheet monolayer film 120 is located on the substrate 110. The nanosheet monolayer film 120 is obtained by exfoliating the layered compound 1330 as a single layer (also simply called exfoliation). As schematically shown in FIG. 1, the layered compound 130 is a highly crystalline inorganic compound having a layered structure in which nanosheet monolayer films 120 are stacked on each other. In addition, the interlayer of the nanosheet monolayer film 120 in the layered compound 130 has a weak bond because it is held by electrostatic force or intermolecular force, but in the plane of the nanosheet monolayer film 120 Has strong bond and high structural flexibility. Nanoshi As shown in FIG. 1, the single-layer film 120 is a two-dimensional crystal extending in the horizontal direction (that is, the in-plane direction of the nanosheet single-layer film), and in the plane, it is as high as a single crystal. It is known to have crystallinity (see, for example, the description of Patent 3726 140). Therefore, the nanosheet monolayer film 120 can be regarded as a completely flat single crystal having a molecular thickness. Such a layered compound 130 is selected from the group consisting of a layered oxide, a layered phosphate, a layered double hydroxide, a layered metal chalcogenate, and a layered silicate. Any of these layered compounds is obtained by peeling off a single layer to obtain a nanosheet monolayer film. Each layered compound will be described in detail.
<層状化合物 130が層状酸化物である場合 > <When layered compound 130 is a layered oxide>
ナノシート単層膜 1 20は、 チタン酸ナノシート、 層状ぺロブスカイ トナノ シート、 マンガン酸ナノシート、 ニオブ Zタンタル酸ナノシート、 チタンニォ ブ酸ナノシート、 ルテニウム酸ナノシート、 および、 タングステン酸ナノシー トの各単層膜からなる群から選択される。 より具体的には、 チタン酸ナノシート単層膜は、 T i i- δΟ2 (0≤ δ≤0. 5)、 T i i-xM 1 xO2 (Mlは V、 C r、 Mn、 F e、 C o、 N iおよび Cu からなる群から少なくとも 1種選択される遷移金属、 0<x< l)、 T i 3O7、 T i 4O9および T i 5Onからなる群から選択される。 層状べロブスカイ トナノ シート単層膜は、 A2N a。― 3Βπ〇3η+1 (Αは、 C a、 S rなどを含むアルカリ 土類金属からなる群から少なくとも 1種選択され、 Bは、 Nbまたは T a、 n =3〜5)、 N a AT a 3Oio (Aは、 C a、 S rなどを含むアルカリ土類金属 からなる群から少なくとも 1種選択される)、 L aNb2〇7、 L a2T i 3O10お よび W2O7からなる群から選択される。 マンガン酸ナノシート単層膜は、 Mn 02、 Mn i-yM2 yO2 (M2は N i、 C oおよび F eからなる群から少なくと も 1種選択される遷移金属、 0<y≤0. 5) および Mn3O7からなる群から 選択される。 ニオブ タンタル酸ナノシート単層膜は、 Nb6O17、 Nb3O8お
よび T a 03からなる群から選択される。 チタンニオブ酸ナノシート単層膜は、 T i N b 05、 T i 5Ν b Ο14および Τ i 2Ν b 07からなる群から選択される。 ルテニウム酸ナノシート単層膜およびタングステンナノシート単層膜は、 それ ぞれ、 Ru02および C s WuOssである。 Nanosheet monolayer film 120 consists of titanate nanosheets, layered perovskite nanosheets, manganate nanosheets, niobium Z tantalate nanosheets, titanate niobate nanosheets, ruthenate nanosheets, and tungstate nanosheets. Selected from the group. More specifically, the titanate nanosheet monolayer is composed of T i i- δ Ο 2 (0≤ δ≤0.5), T i i-xM 1 xO 2 (Ml is V, C r, Mn, F e, C o selected, transition metals from the group consisting of N i and Cu is selected at least one from 0 <x <l), the group consisting of T i 3 O 7, T i 4 O 9 and T i 5 On Is done. The layered belobskite nanosheet monolayer is A 2 N a. ― 3 Β π 〇 3η + 1 (Α is at least one selected from the group consisting of alkaline earth metals including C a and S r, B is Nb or Ta , n = 3 to 5), N a AT a 3 Oio (A is at least one selected from the group consisting of alkaline earth metals including C a, S r, etc.), L aNb 2 0 7 , L a 2 T i 3 O 10 and W Selected from the group consisting of 2 O 7 . Manganate nanosheet monolayer consists of Mn 0 2 , Mn i- y M2 y O 2 (M2 is a transition metal selected from the group consisting of Ni, Co and Fe, 0 <y≤ Selected from the group consisting of 0.5) and Mn 3 O 7 . Niobium tantalate nanosheet monolayer film is Nb 6 O 17 , Nb 3 O 8 And T a 0 3 . The titanium niobate nanosheet monolayer film is selected from the group consisting of T i N b 0 5 , T i 5 Ν b Ο 14 and Τ i 2 Ν b 0 7 . Ruthenate nanosheet monolayer film and the tungsten nanosheets monolayer film, it respectively, is Ru0 2 and C s WuOss.
<層状化合物 130が層状リン酸塩である場合 > <When layered compound 130 is a layered phosphate>
ナノシート単層膜 1 20は、 リン酸ジルコニウムナノシートまたはリン酸バ ナジゥムナノシートの各単層膜である。 より具体的には、 リン酸ジルコニウム ナノシート単層膜は、 a— Z r (HPO4) 2 · H2Oまたは γ— Z r PO4 · H2 ΡΟ4 · 2Η20である。 リン酸バナジウムナノシート単層膜は、 VOPO4 ' 2 Η2Οである。 The nanosheet monolayer film 120 is each monolayer film of zirconium phosphate nanosheet or vanadium phosphate nanosheet. More specifically, the zirconium phosphate nanosheet monolayer film, a - Z r (HPO 4 ) is 2 · H 2 O or γ- Z r PO 4 · H 2 ΡΟ 4 · 2Η 2 0. The monolayer film of vanadium phosphate nanosheet is VOPO 4 '2 Η 2膜.
<層状化合物 130が層状複水酸化物である場合 > <When layered compound 130 is a layered double hydroxide>
ナノシート単層膜 1 20は、 水酸化物ナノシート単層膜である。 水酸化物ナ ノシート単層膜は、 [Μ2^- zM3 + z (OH) 2] z +、 [M+!-,M3 + z (OH) 2] (2z — 1) +、 および、 O^ + i— zM4 + z (OH) 2] 2z+ (0≤ z≤0. 5) からなる群か ら選択される。 ここで、 M+は 1価金属イオンであり、 M2 +は 2価金属イオンで あり、 M3 +は 3価金属イオンであり、 M4 +は 4価金属イオンである。 例えば、 M+は L iであり、 M2 +は、 Mg、 Mn、 F e、 Co、 N i、 Cu、 Z nおよび C aからなる群から選択され、 M3 +は、 A l、 C r、 Mn、 F e、 C o、 N i および L aからなる群から選択され、 M4 +は T iまたは Ζ rである。 The nanosheet monolayer film 120 is a hydroxide nanosheet monolayer film. Hydroxide nanosheet monolayers are [Μ 2 ^-zM 3 + z (OH) 2] z + , [M + !-, M 3 + z (OH) 2] (2z — 1) + , and , O ^ + i— zM 4 + z (OH) 2] selected from the group consisting of 2z + (0≤z≤0.5). Here, M + is a monovalent metal ion, M 2 + is a divalent metal ion, M 3 + is a trivalent metal ion, and M 4 + is a tetravalent metal ion. For example, M + is L i, M 2 + is, Mg, Mn, F e, Co, N i, Cu, selected from the group consisting of Z n and C a, M 3 + is, A l, C r , Mn, Fe, Co, Ni and La, and M4 + is Ti or Ζr.
<層状化合物 130が層状金属カルコゲナイ トである場合〉 <When layered compound 130 is layered metal chalcogenite>
ナノシート単層膜 1 20は、 金属カルコゲナイ トナノシート単層膜である。 金属カルコゲナイ トナノシート単層膜は、 Mo S2、 WS2、 丁& 52ぉょび1^13The nanosheet monolayer film 120 is a metal chalcogenite nanosheet monolayer film. Metal chalcogenite nanosheet monolayer film is Mo S 2 , WS 2 , Ding & 52 2 1
S 2からなる群から選択される。 It is selected from the group consisting of S 2.
<層状化合物 1 30が層状ケィ酸塩である場合 > <When layered compound 1 30 is a layered silicate>
ナノシート単層膜 1 20は、 スメクタイ ト系ナノシート単層膜である。 スメ
クタイト系ナノシート単層膜は、 (A 12- 'Mg ') S i 4Oio (OH) 2'- (0 < 1く 2)、 Mg a (S i -mA 1 Oio (OH) 2 m— (0 <m< 4)、 および、 A 1 (S i 1 Oio (OH) "一 (0 < π < 4) からなる群から選択され る。 図 2は、 例示的なナノシート単層膜 120の模式図を示す。 図 2 (A)、 (B) および (C) は、 それぞれ、 上述したナノシート単層膜 1 20のうち C a 2Nb 3O1() (A2N a n- 3B nO3n + 1において n = 3、 A = C a、 B = Nbの場合)、 T iい aO2および MnO2の模式図である。 C a2Nb3O10 (図 2 (A))、 T i ι-δ02 (図 2 (Β)) および Mn02 (図 2 (Ο) のシート 厚は、 それぞれ、 1. 5 nm、 0. 71 111ぉょび0. 5 nmである。 一方、 図 2 (A) 〜 (C) のシート平面方向の長さは、 層状化合物の大きさにもよるが、 数百 nm〜数十 μ mの範囲である。 このように、 選択するナノシート単層膜 1 20の種類にもよるが、 ナノシー ト単層膜 1 20の厚みは母体となる層状化合物の構造によって一義的に決定さ れるため厚みの分布をほとんど有しない。 このことは、 均一な厚みの分布を有 するシード層を作製するうえで非常に有利である。 またナノシート単層膜 1 2 0の厚みは前述のように 1〜2 nm程度しかないことから、 極薄いシード層を 形成できる。 このことは、 シード層がその上に成長される薄膜の物性および光 学特性に及ぼす影響が少ないため好ましい。 また、 ナノシート単層膜 1 20は、 水平方向に広がりを有する二次元結晶で あり、 二次元格子を有する。 例えば、 C a2Nb3O10 (図 2 (A))、 T i ,-,02 (図 2 (B)) および Mn02 (図 2 (C)) は、 それぞれ、 二次元正方形格子 21 0、 二次元長方形格子 220および二次元六角形格子 230を有する。 表 1は、 各種のナノシート単層膜 120と二次元格子との関係を示す。
The nanosheet monolayer film 120 is a smectite nanosheet monolayer film. Sume Quetite nanosheet monolayers are (A 1 2- 'Mg') S i 4 Oio (OH) 2 '-(0 <1 2), Mg a (S i- m A 1 Oio (OH) 2 m — Selected from the group consisting of (0 <m <4) and A 1 (S i 1 Oio (OH) "one (0 <π <4). Figure 2 shows an exemplary nanosheet monolayer 120 Figures 2 (A), (B), and (C) show C a 2 Nb 3 O 1 ( ) (A 2 N a n - 3 in the nanosheet monolayer film 120 described above, respectively. B n O 3n + 1 where n = 3, A = C a and B = Nb), Ti is a schematic diagram of aO 2 and MnO 2. C a 2 Nb 3 O 10 (Fig. 2 (A) ), T i ι-δ0 2 (Fig. 2 (Β)) and Mn0 2 (Fig. 2 (Ο)) have thicknesses of 1.5 nm and 0.71 111 and 0.5 nm, respectively. 2A to 2C, the length in the sheet plane direction is in the range of several hundreds of nanometers to several tens of micrometers, depending on the size of the layered compound. Single layer film 1 Depending on the type of 20 The thickness of the no-sheet monolayer film 120 is uniquely determined by the structure of the base layered compound, and thus has almost no thickness distribution, which produces a seed layer having a uniform thickness distribution. In addition, since the nanosheet monolayer film 120 has a thickness of only about 1 to 2 nm as described above, an extremely thin seed layer can be formed. The nanosheet monolayer film 120 is a two-dimensional crystal that spreads in the horizontal direction and has a two-dimensional lattice, for example, C. a 2 Nb 3 O 10 (Fig. 2 (A)), T i,-, 0 2 (Fig. 2 (B)) and Mn0 2 (Fig. 2 (C)) are two-dimensional square lattices 21 0, 2 Has a two-dimensional rectangular lattice 220 and a two-dimensional hexagonal lattice 230. Table 1 shows various nanosheets The relationship between the single-layer film 120 and the two-dimensional lattice is shown.
表 1 : ¾のナノシート単層膜とニ^ ϊ;格子との関係 Table 1: Relationship between ¾ nanosheet monolayers and lattices
表 1に示されるように、 ナノシート単層膜 1 2 0は、 二次元正方形格子、 二 次元長方形格子、 二次元六角形格子および二次元平行四辺形格子のいずれかを 有する。 後述するように、 成長させるべき配向膜の結晶構造とマッチングする 二次元格子を有するナノシート単層膜 1 2 0を選択して基材上に配置すること で、 種々の結晶構造を有する配向膜を容易に得ることができる。 表 1に示され
るナノシート単層膜 1 2 0の格子定数は、 実測値、 文献値および推測値のいず れかである。 As shown in Table 1, the nanosheet monolayer film 120 has one of a two-dimensional square lattice, a two-dimensional rectangular lattice, a two-dimensional hexagonal lattice, and a two-dimensional parallelogram lattice. As will be described later, by selecting a nanosheet monolayer film 1 2 0 having a two-dimensional lattice that matches the crystal structure of the alignment film to be grown and placing it on the substrate, alignment films having various crystal structures can be obtained. Can be easily obtained. Shown in Table 1 The lattice constant of the nanosheet monolayer film 120 is one of measured values, literature values, and estimated values.
本願発明者らは、 このようなナノシート単層膜 1 2 0をシード層 (バッファ 層) として採用することにより、 単結晶基板に匹敵する結晶成長用基板となる ことを見出した。 すなわち、 本願発明者らは、 ナノシート単層膜 1 2 0の結晶 構造を利用して、 ナノシート単層膜 1 2 0上に配向膜が形成されることを見出 した。 上述したように、 ナノシート単層膜 1 2 0は、 出発物質である層状化合 物 1 3 0の結晶性を反映し、 極めて高い結晶性を有するので、 単結晶基板に匹 敵する秩序性の高い表面構造を有する。 その結果、 得られる配向膜もまた、 そ の表面構造を反映した高い結晶性の高品質な膜となり得る。 ナノシート単層膜 1 2 0は、 例えば、 表 1を参照して説明したように、 種々 の構成元素、 二次元結晶格子、 格子定数を有するため、 形成されるべき配向膜 とのマッチングに基づいて、 幅広い材料設計が可能となる。 また、 ナノシート 単層膜 1 2 0は、 ナノメートルオーダであり膜厚分布を有しない。 このような ナノシート単層膜 1 2 0をシード層として用いることによって、 平滑な結晶成 長用基板を得ることができる。 一方、 ナノシート単層膜 1 2 0は、 シート面内方向には、 出発物質である層 状化合物 1 3 0のサイズを反映し、 サブミクロンから数十マイクロメートルォ ーダの広がりを有する。 したがって、 ナノシート単層膜 1 2 0を高い被覆率で 基板を被覆できる。 このことは、 結晶成長用基板の大面積化に好ましい。 また、 ナノシート単層膜 1 2 0は母体である層状化合物 1 3 0を剥離することで得ら れることから、 平滑原子表面を有する。 このようなナノシート単層膜 1 2 0を シード層として用いるので、 結晶成長用基板もまた、 ナノシート単層膜面内で はステップフリーな表面を有し、 形成されるべき配向膜も良質となる。 The inventors of the present application have found that the use of such a nanosheet monolayer film 120 as a seed layer (buffer layer) results in a crystal growth substrate comparable to the single crystal substrate. That is, the present inventors have found that an alignment film is formed on the nanosheet monolayer film 120 using the crystal structure of the nanosheet monolayer film 120. As described above, the nanosheet monolayer film 120 reflects the crystallinity of the layered compound 130 as the starting material and has extremely high crystallinity, and therefore has a high order of magnitude comparable to that of a single crystal substrate. It has a surface structure. As a result, the alignment film obtained can also be a high-quality film with high crystallinity reflecting the surface structure. The nanosheet monolayer film 120 has various constituent elements, a two-dimensional crystal lattice, and a lattice constant, as described with reference to Table 1, for example. Based on matching with the alignment film to be formed A wide range of material design is possible. The nanosheet monolayer film 120 is on the order of nanometers and has no film thickness distribution. By using such a nanosheet monolayer film 120 as a seed layer, a smooth crystal growth substrate can be obtained. On the other hand, the nanosheet monolayer film 120 reflects the size of the layered compound 130 as a starting material in the in-plane direction of the sheet, and has a spread of submicron to several tens of micrometers. Therefore, the substrate can be coated with the nanosheet monolayer film 120 at a high coverage. This is preferable for increasing the area of the crystal growth substrate. Further, the nanosheet monolayer film 120 is obtained by peeling off the base layered compound 130, and thus has a smooth atomic surface. Since such a nanosheet monolayer film 120 is used as a seed layer, the substrate for crystal growth also has a step-free surface in the nanosheet monolayer film plane, and the alignment film to be formed is of good quality. .
以上、 図 1を参照して、 本発明による模式的かつ例示的な結晶成長用基板 1 0 0を説明してきた。 特に、 ナノシート単層膜 1 2 0は、 基材 1 1 0上全体に わたって完全な単層膜として説明してきたが、 これに限定されない。 極めて良
質な配向膜を得るためには、 ナノシート単層膜 1 20は、 基材 1 10上全体に わたって完全な単層膜であることが望ましいが、 得るべき配向膜に要求される 結晶性によっては、 基材全体にわたって完全な単層膜である必要はない。 例え ば、 ナノシート単層膜 1 20は、 上述のナノシート単層膜 1 20固有の結晶性 およぴ二次元結晶格子が形成されるべき配向膜の結晶性に寄与する限り、 一部 重なりを持った膜 (部分的に多層膜) であってもよい。 次に、 本発明による結晶成長用基板 100の製造方法を説明する。 The schematic and exemplary crystal growth substrate 100 according to the present invention has been described above with reference to FIG. In particular, the nanosheet monolayer film 120 has been described as a complete monolayer film over the entire substrate 110, but is not limited thereto. Very good In order to obtain a high-quality alignment film, it is desirable that the nanosheet monolayer film 120 is a complete monolayer film over the entire base material 110, but depending on the crystallinity required for the alignment film to be obtained. Need not be a complete monolayer over the entire substrate. For example, the nanosheet monolayer film 120 is partially overlapped as long as it contributes to the crystallinity of the nanosheet monolayer film 120 described above and the crystallinity of the alignment film in which the two-dimensional crystal lattice should be formed. It may be a film (partially a multilayer film). Next, a method for manufacturing the crystal growth substrate 100 according to the present invention will be described.
(2 :結晶成長用基板の製造方法) (2: Manufacturing method of substrate for crystal growth)
本発明による結晶成長用基板の例示的な製造方法をステップごとに説明する。 図 3は、 L a n gmu i r— B l o d g e t t (LB) 法を用いた結晶成長 用基板の製造プロセスを示す図である。 ステップ S 3 1 0 :ナノシートを含むコロイ ド溶液を調製する。 コロイ ド溶 液は、 例えば、 層状化合物として層状酸化物を選択した場合、 層状酸化物を水 素イオン交換した後、 水酸化テトラ n—プチルアンモニゥム等の嵩高いゲスト を導入し、 単層剥離することによって得られる (例えば、 本願発明者らによる 特許 3726140を参照されたい)。 LB法では、 希釈されたコロイ ド溶液を 展開液として用いる。 コロイ ド溶液はトラフ (水槽) に展開され、 単層剥離さ れたナノシートの一部は、 気液界面に浮遊する。 層状化合物は、 図 1を参照し て説明した層状化合物が採用される。 ステップ S 320 : コロイ ド溶液に基材を浸漬させ、 基材上にナノシート単 層膜を形成する。 LB法では、 トラフに基材を浸漬させた後、 展開液表面を一 定の表面圧まで圧縮して、 ナノシート単層膜を気液界面に形成し、 垂直引き上 げ法で基材をコロイ ド溶液から引上げることによって、 基材上にナノシート単 層膜を転写 (形成) する。 なお、 具体的な、 LB法を用いたナノシート単層膜
の基材への开成は、 例えば、 M u r a m a t s uら, L a n g m u i r 2 0 0 5, 2 1, 6 5 9 0〜6 5 9 5を参照されたい。 ここでも基材には、 図 1を参 照して説明した基材が採用される。 このようにして得られた基材上のナノシ一 ト単層膜は、 数マイクロメートルの範囲では粒界もステップも存在しない極め て平滑な表面を有しているので、 配向膜の大型化に有効である。 図 3では、 L B法を用いた場合を説明したが、 本発明による結晶成長用基板 の製造は、 L B法に限定されない。 本発明による結晶成長用基板を、 交互吸着 法を用いて製造してもよい。 交互吸着法を用いた場合も、 基材に形成されるべ きナノシート単層膜が有する電荷と反対の電荷を有するポリマーをあらかじめ 基材表面に付与するステップが追加される以外は、 上記ステップ S 3 1 0およ ぴ S 3 2 0と同様である。 なお、 この場合には、 静電相互作用によりナノシー ト単層膜の基材への密着性が向上するため好ましい。 An exemplary method for manufacturing a crystal growth substrate according to the present invention will be described step by step. FIG. 3 is a diagram showing a process for manufacturing a substrate for crystal growth using the Langmuir-Blodgett (LB) method. Step S 3 10: Prepare a colloid solution containing nanosheets. For example, when a layered oxide is selected as the layered compound, the colloid solution is obtained by introducing a bulky guest such as tetra-n-butylammonium hydroxide after a hydrogen ion exchange of the layered oxide. Obtained by exfoliation (see, for example, patent 3726140 by the inventors). In the LB method, a diluted colloid solution is used as a developing solution. The colloid solution is developed in a trough (aquarium), and a part of the nanosheet that has been separated from the single layer floats at the gas-liquid interface. As the layered compound, the layered compound described with reference to FIG. 1 is adopted. Step S320: The base material is immersed in a colloid solution to form a nanosheet monolayer film on the base material. In the LB method, the substrate is immersed in a trough, and then the surface of the developing solution is compressed to a certain surface pressure to form a nanosheet monolayer film at the gas-liquid interface. The nanosheet monolayer film is transferred (formed) onto the substrate by pulling up from the solution. In addition, a specific nanosheet monolayer film using the LB method For example, see Muramatsu et al., Langmuir 2 0 0 5, 5, 1, 6 5 9 0 to 6 5 9 5 for the development of the substrate. Again, the base material described with reference to Fig. 1 is adopted as the base material. The nanosheet monolayer film on the substrate thus obtained has an extremely smooth surface with no grain boundaries or steps in the range of a few micrometers, so that the size of the alignment film can be increased. It is valid. Although FIG. 3 illustrates the case where the LB method is used, the production of the crystal growth substrate according to the present invention is not limited to the LB method. The crystal growth substrate according to the present invention may be manufactured using an alternate adsorption method. Even when the alternate adsorption method is used, the above-described step S is performed except that a step of adding a polymer having a charge opposite to that of the nanosheet monolayer film to be formed on the substrate in advance to the substrate surface is added. Same as 3 1 0 and S 3 2 0. In this case, it is preferable because the adhesion of the nanosheet monolayer film to the substrate is improved by electrostatic interaction.
また、 本発明による結晶成長用基板を、 スピンコート法を用いて製造しても よい。 この場合、 ナノシート単層膜は、 L B法または交互吸着法にくらべて、 簡便に基材上に形成されるものの、 部分的に重なりを生じる場合もあり、 良質 なナノシート単層膜が得られにくい。 しかしながら、 このようなナノシート単 層膜であっても、 その上に形成されるべき配向膜の結晶性の改善に寄与するこ とができる。 したがって、 結晶成長用基板の製造方法は、 得るべき配向膜に要 求される結晶性の程度に応じて適宜選択してもよい。 本発明による結晶成長用基板は、 ステップ S 3 1 0および S 3 2 0によって 得られる。 ステップ S 3 1 0および S 3 2 0は、 いずれも、 高価な物理的 Z化 学的気相成長法 (M B E、 スパッタ、 P L D、 MO C V D等) を不要とするの で、 コスト効率がよいだけでなく、 グリーンケミカル (省エネルギー低環境負 荷) である。 また、 本発明による結晶成長用基板は、 ナノシート単層膜があら かじめ高い結晶性を有しているため、 熱処理することなく、 常温で製造される。 これにより、 ガラス以外の熱安定性の低い材料 (例えば、 プラスチック) も基 材として採用できる。 このような材料は、 安価であり、 大型化が可能であるた
め、 最終的に目標とする配向膜の大型化および低コスト化に寄与する。 なお、 図 3では、 基材として基板状の平板を用いた例を説明したが、 本発明 の基材はこれに限定されない。 図 1を参照して上述したように、 ナノシート単 層膜は、 シート面内方向の強固な結合に加えて、 高い構造柔軟性を有するため、 曲率を有する基材上または凹凸を有する基材上にもシート面内方向の結合を維 持したまま (すなわち、 結晶構造を維持したまま) ナノシート単層膜を形成す ることができる。 当然のことながら曲率を有する基材上または凹凸を有する基 材上でも、 ナノシート単層膜の有する特徴は、 維持されるので、 単結晶および ステップフリーのシード層となり得る。 このように、 本発明によるナノシート 単層膜は、 任意の形状を有する基材上にも適用可能であるため、 材料設計にお いて有利である。 次に、 本発明による結晶成長用基板とその上に製造される配向膜との関係を 説明する。 Further, the crystal growth substrate according to the present invention may be manufactured using a spin coating method. In this case, the nanosheet monolayer film is easily formed on the substrate as compared to the LB method or the alternate adsorption method, but may partially overlap, making it difficult to obtain a good quality nanosheet monolayer film. . However, even such a nanosheet monolayer film can contribute to the improvement of crystallinity of the alignment film to be formed thereon. Therefore, the method for manufacturing the crystal growth substrate may be appropriately selected according to the degree of crystallinity required for the alignment film to be obtained. The crystal growth substrate according to the present invention is obtained by steps S 3 10 and S 3 2 0. Steps S 3 1 0 and S 3 2 0 are both cost effective because they do not require expensive physical Z chemical vapor deposition (MBE, sputtering, PLD, MO CVD, etc.) It is also a green chemical (energy-saving, low environmental load). In addition, the substrate for crystal growth according to the present invention is manufactured at room temperature without heat treatment because the nanosheet monolayer film has high crystallinity. As a result, materials with low thermal stability other than glass (for example, plastic) can also be used as the base material. Such materials are inexpensive and can be made larger. Therefore, it will contribute to the enlargement and cost reduction of the target alignment film. Although FIG. 3 illustrates an example in which a substrate-like flat plate is used as a base material, the base material of the present invention is not limited to this. As described above with reference to FIG. 1, the nanosheet monolayer film has high structural flexibility in addition to strong bonding in the in-plane direction of the sheet. In addition, a nanosheet monolayer film can be formed while maintaining the bonding in the in-plane direction of the sheet (that is, while maintaining the crystal structure). As a matter of course, the characteristics of the nanosheet monolayer film are maintained even on a substrate having a curvature or a substrate having irregularities, so that it can be a single crystal and a step-free seed layer. Thus, since the nanosheet monolayer film according to the present invention can be applied to a substrate having an arbitrary shape, it is advantageous in material design. Next, the relationship between the crystal growth substrate according to the present invention and the alignment film produced thereon will be described.
( 3 :結晶成長用基板と配向膜との関係) (3: Relationship between crystal growth substrate and alignment film)
本発明による結晶成長用基板を用いれば、 従来の高価な単結晶基板を用いる ことなく、 配向膜を得ることができる。 配向成長は、 結晶成長用基板のナノシ 一ト単層膜と目的とする配向膜との間の結晶構造の整合性が高い条件で実現さ れる。 基板上に所定の材料を配向成長させる場合には、 基板と所定の材料との 間の格子ミスマッチが寄与することが知られている。 通常、 薄膜成長の分野に おいて、 基板と所定の材料との結晶構造が同じであり、 格子ミスマッチの絶対 値が、 小さいことが望ましい。 具体例を挙げて説明する。 図 4は、 例示的なナノシート単層膜と配向膜とのマッチングを示す模式図で ある。 図 4 (A) は、 ナノシート単層膜が〇 & 2 1> 30 1 0でぁり、 配向膜が S r T
i O3の場合であり、 図 4 (B) は、 ナノシート単層膜が Ca2Nb3O10であり、 配向膜がアナターゼ T i 02の場合であり、 図 4 (C) は、 ナノシート単層膜が MnOzであり、 配向膜が Z ηθの場合である。 図 4 (D) は、 ナノシート単層 膜が C s AWUO であり、 配向膜が Z nOの場合である。 図 2 (A) を参照して説明したように、 C a zNbaOi。は、 ぺロブスカイト 構造に関連した構造を有しており、 二次元正方形格子を有する。 図 4 (A) に 示されるように、 二次元正方形格子の格子長は、 a = b = 3. 86 A (0. 3 86 n m) である。 一方、 誘電体材料として知られる S r T i O3は、 立方晶系 のべ口ブスカイト構造を有し、 その (1 00) 面は正方形格子を有する。 S r T i Oa (100) の正方形格子の格子長は、 a = b = 3. 9A (0. 390 η m) である (当然のことながら、 aと bとのなす角 Θは 90° である)。 ナノシ 一ト単層膜 C a 2Nb 3Oi。表面と S r T i 03 (100) とは、 同じ結晶構造を 有し、 かつ、 その格子長は極めて近い。 格子長から算出される格子ミスマッチ は、 1%以下であり、 この値は、 ナノシート単層膜 C a 2N b 3Ο 。上に S r T i O3 (100) が配向成長することを示唆する。 同様に、 図 4 (Β) に示されるように、 光触媒材料として知られているアナタ ーゼ T i O2の (001) 面もまた正方形格子を有する。 T i O2 (001) の 正方形格子の格子長は、 a = b = 3. 79 A (0. 379 nm) である (当然 のことながら、 aと bとのなす角 0は 90° である)。 ナノシート単層膜 C a 2 Nb SOL。表面と T i 02 (00 1) とは、 類似した結晶構造を有し、 かつ、 そ の格子長は極めて近い。 格子長から算出されるミスマッチは、 約 1. 8%であ り、 この値は、 ナノシート単層膜 C a 2Nb 3Oi。表面上に T i O2 (001) が 配向成長することを示唆する。 図 2 (C) を参照して説明したように、 MnO2は、 二次元六角形格子を有す る。 二次元六角形格子の格子長は、 a = b = 2. 87 A (0. 287 n m) で あり、 aと bとのなす角 Θは 1 20° である。 一方、 半導体材料として知られ
る Z nOは、 ウルッ鉱型 (六方晶) 構造を有し、 その (001) 面は、 六角形 格子を有する。 Z nO (00 1) の六角形格子の格子長は、 a = b = 3. 25 A (0. 3 2 5 nm) であり、 aと bとのなす角 0は 120° .である。 図 4 (C) に示されるように、 ナノシート単層膜 Mn〇2と ZnO (001) とは、 同じ六 角形格子を有し、 かつ、 その格子長は比較的近い。 格子長から算出されるミス マッチは、 約 1 3 %であり、 この値は、 比較的大きいものの、 ナノシート単層 膜 MnO2上に Z nO (001) が配向成長する可能性があることを示唆する。 同様に、 図 4 (D) に示されるように、 C S
は、 二次元六角形格子 を有する。 二次元六角形格子の格子長は、 a =b = 7. 3 A (0. 73 n m) であり、 aと bとのなす角 Θは 1 20° である。 上述したように Ζ ηθの格子 長は、 a = b = 3. 25 A (0. 325 nm) であり、 C s 4W i O36と Z n O とは格子不整合に見える。 しかしながら、 ナノシート単層膜の単位格子 1つに 配向膜の単位格子が 4つ入ることにより、 格子ミ マッチが約 1 2%となる。 その結果、 C s AWHO と Z nOとが格子整合する。 以上、 図 4は、 本願による結晶成長用基板と、 その上に配向する配向膜との 関係を例示的に説明したが、 これに限らない。 本発明による結晶成長用基板の ナノシート単層膜と、 その上に配向する配向膜との一般的関係は、 配向膜の配 向面の格子長 aおよび b、 ならびに、 それら aおよび bがなす角 Θを用いて、 以下 1) 4) のようにまとめられる。 By using the crystal growth substrate according to the present invention, an alignment film can be obtained without using a conventional expensive single crystal substrate. Oriented growth is realized under the condition that the crystal structure consistency between the nanosheet monolayer film of the crystal growth substrate and the target oriented film is high. It is known that when a predetermined material is oriented and grown on a substrate, a lattice mismatch between the substrate and the predetermined material contributes. Usually, in the field of thin film growth, it is desirable that the crystal structure of the substrate and the predetermined material be the same, and the absolute value of the lattice mismatch be small. A specific example will be described. FIG. 4 is a schematic diagram showing matching between an exemplary nanosheet monolayer film and an alignment film. Figure 4 (A) shows that the nanosheet monolayer film is ○ & 2 1> 3 0 1 0 , and the alignment film is S r T a case of i O 3, FIG. 4 (B) is a Ca 2 Nb 3 O 10 is nanosheet monolayer film, the case alignment film of anatase T i 0 2, FIG. 4 (C) nanosheet This is the case when the single layer film is MnO z and the alignment film is Z ηθ. Figure 4 (D) shows the case where the nanosheet monolayer film is C s AWUO and the alignment film is ZnO. C a zNbaOi as described with reference to Figure 2 (A). Has a structure related to the perovskite structure and has a two-dimensional square lattice. As shown in Fig. 4 (A), the lattice length of the two-dimensional square lattice is a = b = 3.86 A (0.386 nm). On the other hand, SrTiO 3, which is known as a dielectric material, has a cubic system of buzzite structure and its (100) plane has a square lattice. The lattice length of the square lattice of S r T i Oa (100) is a = b = 3.9A (0. 390 η m). (Of course, the angle Θ between a and b is 90 °. is there). Nanosheet monolayer film C a 2 Nb 3 Oi. The surface and S r T i 0 3 (100) have the same crystal structure, and their lattice lengths are very close. The lattice mismatch calculated from the lattice length is 1% or less, and this value is the nanosheet monolayer film C a 2 N b 3 Ο. This suggests that S r T i O 3 (100) is oriented and grown. Similarly, as shown in Fig. 4 (Β), the (001) plane of anatase T i O 2 known as a photocatalytic material also has a square lattice. The lattice length of the square lattice of T i O 2 (001) is a = b = 3. 79 A (0. 379 nm) (Of course, the angle 0 between a and b is 90 ° ). Nanosheet monolayer C a 2 Nb SOL. The surface and T i 0 2 (00 1) have similar crystal structures and their lattice lengths are very close. The mismatch calculated from the lattice length is about 1.8%, which is the nanosheet monolayer C a 2 Nb 3 Oi. This suggests that Ti O 2 (001) grows on the surface. As explained with reference to Fig. 2 (C), MnO 2 has a two-dimensional hexagonal lattice. The lattice length of the two-dimensional hexagonal lattice is a = b = 2. 87 A (0. 287 nm), and the angle Θ between a and b is 120 °. On the other hand, known as a semiconductor material Z nO has a Wurtzite type (hexagonal) structure, and its (001) plane has a hexagonal lattice. The lattice length of the hexagonal lattice of Z nO (00 1) is a = b = 3.25 A (0. 3 25 nm), and the angle 0 between a and b is 120 °. As shown in FIG. 4 (C), and the nanosheet monolayer film Mn_〇 2 and ZnO (001), has the same hexagon grid and the lattice length is relatively close. The mismatch calculated from the lattice length is about 13%. This value is relatively large, but suggests that ZnO (001) may grow on the nanosheet monolayer MnO 2 by orientation. To do. Similarly, as shown in Figure 4 (D), CS Has a two-dimensional hexagonal lattice. The lattice length of the two-dimensional hexagonal lattice is a = b = 7.3 A (0.73 nm), and the angle Θ between a and b is 120 °. As described above, the lattice length of ηηθ is a = b = 3.25 A (0. 325 nm), and C s 4 W i O 36 and Z n O seem to be lattice mismatch. However, when four unit lattices of the alignment film are included in one unit lattice of the nanosheet monolayer film, the lattice mismatch is about 12%. As a result, C s AWHO and Z nO are lattice matched. Although FIG. 4 exemplarily described the relationship between the crystal growth substrate according to the present application and the alignment film oriented thereon, the present invention is not limited to this. The general relationship between the nanosheet monolayer film of the crystal growth substrate according to the present invention and the alignment film oriented thereon is the lattice length a and b of the alignment surface of the alignment film, and the angle formed by the a and b. Using Θ, the following can be summarized as 1) 4).
1) a = b、 0 =90° の場合、 ナノシート単層膜は二次元正方形格子を有 する。 これは、 図 4 (A) .および (B) の場合に相当する。 1) When a = b and 0 = 90 °, the nanosheet monolayer has a two-dimensional square lattice. This corresponds to the case of Fig. 4 (A) and (B).
2) a≠b、 θ =90° の場合、 ナノシート単層膜は二次元長方形格子を有 する。 2) When a ≠ b and θ = 90 °, the nanosheet monolayer has a two-dimensional rectangular lattice.
3) a = b、 θ = 1 20° の場合、 ナノシート単層膜は二次元六角形格子を 有する。 これは、 図 4 (C) および (D) の場合に相当する。 3) When a = b and θ = 120 °, the nanosheet monolayer has a two-dimensional hexagonal lattice. This corresponds to the cases of Fig. 4 (C) and (D).
4) a≠b、 0≠90° の場合、 ナノシート単層膜は二次元平行四辺形格子 を有する。
また、 上述したように、 ナノシート単層膜の二次元結晶格子の格子長と、 そ の上に製造されるべき配向膜の配向面の格子長との間の格子ミスマッチの絶対 値は、 小さいことが望ましい。 しかしながら、 上述したように、 ナノシート単 層膜は高い構造柔軟性を有するので、 ナノシート単層膜が変形することにより 格子ミスマッチを緩和することができる。 その結果、 配向膜において格子ミス マッチを緩和するための歪み等を抑制できるので、 高い結晶性を有する良質な 配向膜が得られる。 このように、 本発明の結晶成長用基板は、 従来のリジッド なバッファ層を用いた場合に比べて、 格子ミスマッチの制限が小さいので、 配 向膜の製造に有利である。 表 2は例示的な配向膜およびその構造的特徴を示す。 表 2では、 参考のため 配向膜の結晶格子を合わせて示す。 4) When a ≠ b and 0 ≠ 90 °, the nanosheet monolayer has a two-dimensional parallelogram lattice. In addition, as described above, the absolute value of the lattice mismatch between the lattice length of the two-dimensional crystal lattice of the nanosheet monolayer film and the lattice length of the alignment plane of the alignment film to be manufactured thereon should be small. Is desirable. However, as described above, since the nanosheet monolayer film has high structural flexibility, the lattice mismatch can be mitigated by the deformation of the nanosheet monolayer film. As a result, since the strain for relaxing the lattice mismatch can be suppressed in the alignment film, a high-quality alignment film having high crystallinity can be obtained. As described above, the crystal growth substrate of the present invention is advantageous in the production of the alignment film because the lattice mismatch limit is smaller than in the case of using the conventional rigid buffer layer. Table 2 shows exemplary alignment films and their structural characteristics. Table 2 also shows the crystal lattice of the alignment layer for reference.
表 2:例iWJl己向月 fcよびそ 冓 教 例えば、 当業者であれば、 表 1および表 2を参照することにより、 結晶成長 用基板のシード層であるナノシート単層膜およびそれにマッチングする配向膜 の組み合わせを適宜選択することができる。 このように、 本発明の結晶成長用 基板は、 ナノシート単層膜の選択幅が極めて広いため、 材料設計に有利である。 なお、 本発明による結晶成長用基板は、 上記表 2に示される配向膜用に限定さ れず、 ナノシート単層膜にマッチングする任意の材料を配向膜として得ること
ができることを理解されたい。 Table 2: Example iWJl Self-directed Moon fc and Sokyo Professor For example, if one skilled in the art refers to Table 1 and Table 2, the nanosheet monolayer film that is the seed layer of the substrate for crystal growth and the matching orientation A combination of membranes can be appropriately selected. Thus, the crystal growth substrate of the present invention is advantageous for material design because the selection range of the nanosheet monolayer film is extremely wide. The crystal growth substrate according to the present invention is not limited to the alignment film shown in Table 2 above, and any material that matches the nanosheet monolayer film can be obtained as the alignment film. Please understand that you can.
本発明の結晶成長用基板を用いて配向膜を製造する場合、 スビンコ一ト法、 ディップコート法、 スプレーコート法等のゾルゲル法、 傾斜法、 スライ ドボー ト法等の液相ェピタキシャル成長法、 パルスレーザ蒸着法 (PLD)、 分子線ェ ピタキシ一法 (MBE)、 スパッタ法、 抵抗加熱蒸着、 電子線ビーム蒸着等の物 理的気相成長法、 および、 熱 CVD、 光 CVD、 プラズマ CVD、 有機金属 C V D等の化学気相成長法を用レ、ることができる。 When an alignment film is produced using the crystal growth substrate of the present invention, a liquid phase epitaxial growth method such as a sol-gel method such as a spin coating method, a dip coating method, or a spray coating method, a gradient method, or a sliding boat method, Physical vapor deposition methods such as pulsed laser deposition (PLD), molecular beam epitaxy (MBE), sputtering, resistance heating deposition, electron beam deposition, and thermal CVD, photo CVD, plasma CVD, Chemical vapor deposition methods such as organometallic CVD can be used.
特に、 本発明による結晶成長用基板と、 上記方法のうちドライプロセス (例 えば、 PLD、 MBE、 スパッタ法、 プラズマ CVD等) とを組み合わせれば、 配向膜を低温にて、 さらには室温にて形成することが可能となる。 これにより、 結晶成長用基板の基材として、 熱安定性の低い大型化可能な安価なプラスチッ ク基板が利用可能となるので、'低コスト化が達成される。 次に、 実施例を述べるが、 本発明は実施例に限定されるものではないことに 留意されたい。 In particular, when the substrate for crystal growth according to the present invention is combined with a dry process (eg, PLD, MBE, sputtering, plasma CVD, etc.) among the above methods, the alignment film is formed at a low temperature and further at a room temperature. It becomes possible to form. As a result, an inexpensive plastic substrate with low thermal stability and a large size can be used as the base material for the crystal growth substrate, so that cost reduction is achieved. Next, examples will be described, but it should be noted that the present invention is not limited to the examples.
(実施例 1 ) (Example 1)
層状化合物として KC a 2Nb3O10を Eb i n aら, S o l i d S t a t e I o n i c s 2002, 1 51, 1 77に記載のプロシージャにしたがって、 単層剥離し、 C a 2Nb SOL。ナノシートを含むコロイ ド溶液を得た。 より詳細 には、 K2CO3、 C a Oおよび Nb 205を混合し、 1 200 ^で 1 2時間焼成 し、 KCazNbaOt。を合成した。 次いで、 KC a 2Nb 3〇10を HN03 (5M) でイオン交換し、 HC a zNbaO^ * 1. 5H2Oを得た。 HC a2Nb3O10 ' 1. 5H2Oと、 水酸化テトラ n—プチルアンモニゥムを含む水溶液とを反応さ せ、 単層剥離させ、 コロイ ド溶液を得た (上述のステップ S 31ひ)。 このよう に、 ナノシートの単層剥離をソフトケミカル的な手法で行なえることも、 プロ セスの省エネルギー化に有利である。 コロイ ド溶液は超純水で希釈 (例えば、 C a zNbaOi。ナノシートの場合、 約 0. 08 g cm— 3) され、 トラフに配置 された。 なお、 本明細書において、 単層剥離された層状化合物であり、 膜状で
ない材料を単に 「ナノシート」 と呼び、 「ナノシート」 を意図的に膜状に形成し た材料を 「ナノシート単層膜」 と呼ぶことに留意されたい。 基材として、 # 1 737無アル力リホウケィ酸ガラス基板 (C o r n i n g C o. L t d. より入手、 以降では単にガラス基板と呼ぶ) を用いた。 ガラス 基板を、 HC lZCHaOH溶液、 次いで、 濃 H2S04溶液に、 各 30分間浸漬 させて、 洗浄した。 洗浄したガラス基板に LB法を用いて、 C azNbaOi。ナノシートコロイ ド溶. 液から C a 2Nb 3Oi。ナノシート単層膜を形成した。 詳細には、 洗浄したガラ ス基板を、 上記の条件を維持したトラフに浸漬させ、 0. 5 mm * s_— 1の速度 で表面を圧縮した。 次いで、 ガラス基板を、 一定表面圧を維持したまま lmm · m i n 1の垂直引上げ速度で引上げた (上述のステップ S 320)。 Ca2Nb3 Oi。ナノシート単層膜のガラス基板への形成は、 表面圧 8. 5mN * ni— 1で行 つた。 なお、 表面圧が 8. SmN ' m—1のとき、 最も良好な C a 2 N b 3 O 。ナ ノシート単層膜が得られることを確認した。 このようにして結晶成長用基板を 得た。 得られた結晶成長用基板、 C a 2Nb3O10Zガラス基板を、 原子間カ顕 微鏡 AFM (S P A400, S e i k o I n s t r ume n t s I n c., J a p a n) を用いて観察した。 AFMの観察条件は、 シリコンチップカンチ レバーを用い、 タッピングモードで行った。 観察結果を図 5に示し、 後述する。 C a 2Nb 3010 ガラス基板の紫外可視光吸収スペク トルを、 分光光度計 (U -4 100, H i t a c h i ) を用いて測定した。 結果を図 6に示し、 後述す る。 As a layered compound, KC a 2 Nb 3 O 10 was exfoliated according to the procedure described in Ebina et al., Solid State Ionics 2002, 1 51, 1 77, and C a 2 Nb SOL. A colloid solution containing nanosheets was obtained. More specifically, K 2 CO 3 , C a O and Nb 2 0 5 are mixed and calcined at 1 200 ^ for 12 hours, and KCazNbaOt. Was synthesized. Next, KC a 2 Nb 3 10 was ion-exchanged with HN0 3 (5M) to obtain HC a zNbaO ^ * 1.5H 2 O. HC a 2 Nb 3 O 10 '1.5H 2 O was reacted with an aqueous solution containing tetra-n-butylammonium hydroxide and separated into a single layer to obtain a colloid solution (step S 31 above). Hi). In this way, the ability to perform single-layer exfoliation of nanosheets using a soft chemical method is also advantageous for energy saving in the process. The colloid solution was diluted with ultrapure water (eg, C azNbaOi. In the case of nanosheets, it was about 0.08 g cm– 3 ) and placed on the trough. In the present specification, it is a layered compound that has been peeled off in a single layer, It should be noted that a material that does not exist is simply referred to as a “nanosheet”, and a material that intentionally forms a “nanosheet” is referred to as a “nanosheet monolayer film”. As the base material, a # 1 737 non-strengthening re-borosilicate glass substrate (obtained from Corning Co. L t d., Hereinafter simply referred to as a glass substrate) was used. The glass substrate was washed by immersing it in HC lZCHaOH solution and then in concentrated H 2 SO 4 solution for 30 minutes each. CazNbaOi using the LB method on the cleaned glass substrate. Nano sheet colloid solution. From the solution C a 2 Nb 3 Oi. A nanosheet monolayer film was formed. Specifically, the cleaned glass substrate was immersed in a trough that maintained the above conditions, and the surface was compressed at a speed of 0.5 mm * s_— 1 . Next, the glass substrate was pulled up at a vertical pulling rate of lmm · min 1 while maintaining a constant surface pressure (step S 320 described above). Ca 2 Nb 3 Oi. The nanosheet monolayer film was formed on the glass substrate with a surface pressure of 8.5 mN * ni- 1 . The best C a 2 N b 3 O when the surface pressure is 8. SmN'm- 1 . It was confirmed that a nanosheet monolayer film was obtained. In this way, a crystal growth substrate was obtained. The obtained substrate for crystal growth, the C a 2 Nb 3 O 10 Z glass substrate, was observed using an atomic force microscope AFM (SP A400, Seiko Instrume nts Inc., Japan) . The AFM observation was performed in a tapping mode using a silicon chip cantilever. The observation results are shown in Fig. 5 and described later. The ultraviolet-visible light absorption spectrum of the Ca 2 Nb 3 0 10 glass substrate was measured using a spectrophotometer (U-4 100, Hitachi). The results are shown in Fig. 6 and described later.
次に、 C a zNbsOwZガラス基板上にスピンコート法により S r T i O3膜 を配向させた。 具体的には、 酢酸ストロンチウムとチタンイソプロボキシド (T T I P) とを用いて、 S r T i O3コーティング溶液 (前駆体ゾル、 または、 単 にゾルとも呼ぶ) を調製した。 溶媒として酢酸を用い、 安定剤として 2, 4— ペンタンジオン (ァセチルアセトン: A c A c ) を用いた。 TT I Pを Ac A cと混合比 1 : 1で混合し、 酢酸ス トロンチウムを溶解させた酢酸溶液に添加
した。 得られた透明な溶液を密閉したフラスコ内で 12時間連続して攪拌した。 次いで、 透明な溶液にメタノールを追加し、 0. 3Mの S r T i O3コーティン グ溶液を得た。 S r T i O3コーティング溶液をスピンコート法 よって C a 2 Nb 3 O 。 ガラス基板上に付与し、 その後、 1分間 1 20°Cに加熱したホット プレート上で乾燥させた。 スピンコートの回転速度は 2500 r pmであった。 次いで、 S r T i O3コーティング溶液が付与された C a 2Nb 3010ノガラス基 板を、 電気炉を用いて、 大気中、 500°C、 550°C、 600°Cおよび 650°C でそれぞれ 1時間焼成した。 各焼成温度で焼成された試料の結晶面および結晶 の配向性を、 粉末 X線回折法 (XRD) により調べた。 測定は、 粉末 X線回折 計 (R i n t 2200, R i g a k u) を用いた。 測定条件は、 単色化された CuKa線を用い、 加速電圧 40 k Vおよび印加電流 4 OmAであった。 結果 を図 7に示し、 後述する。 Next, an SrTiO 3 film was aligned on a C azNbsOwZ glass substrate by spin coating. Specifically, SrTiO 3 coating solution (precursor sol or simply called sol) was prepared using strontium acetate and titanium isopropoxide (TTIP). Acetic acid was used as the solvent, and 2,4-pentanedione (acetylacetone: A c A c) was used as the stabilizer. Mix TT IP with Ac Ac at a mixing ratio of 1: 1 and add to the acetic acid solution in which strontium acetate is dissolved. did. The resulting clear solution was stirred continuously for 12 hours in a closed flask. Then, methanol was added to the clear solution to obtain a S r T i O 3 Kotin grayed solution 0. 3M. S r T i O 3 coating solution is spin-coated with C a 2 Nb 3 O. It was applied on a glass substrate and then dried on a hot plate heated to 120 ° C. for 1 minute. The spin coat rotation speed was 2500 rpm. Next, the Ca 2 Nb 3 0 10 glass substrate to which the SrTiO 3 coating solution was applied was used in an atmosphere at 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C and 650 ° C using an electric furnace. Baked for 1 hour each. The crystal planes and crystal orientation of the samples fired at each firing temperature were examined by powder X-ray diffraction (XRD). A powder X-ray diffractometer (R int 2200, Rigaku) was used for the measurement. The measurement conditions were a monochromated CuKa line, an acceleration voltage of 40 kV, and an applied current of 4 OmA. The results are shown in Fig. 7 and described later.
(比較例 1 ) (Comparative Example 1)
実施例 1において、 洗浄したガラス基板上に、 C a zN b aO t。ナノシート単 層膜を形成することなく、 直接、 スピンコート法により S r T i O3コ一ティン グ溶液を付与した以外は、 実施例 1と同様であるため説明を省略する。 実施例 1と同様に、 各焼成温度で焼成された試料の結晶面および結晶の配向性を、 X RDを用いて調べた。 結果を図 7に示し、 後述 る。 In Example 1, C a zN b aO t on a cleaned glass substrate. Since it is the same as Example 1 except that the SrTiO 3 coating solution is directly applied by spin coating without forming the nanosheet monolayer film, the description is omitted. In the same manner as in Example 1, the crystal plane and crystal orientation of the sample fired at each firing temperature were examined using XRD. The results are shown in Fig. 7 and described later.
(実施例 2) (Example 2)
実施例 1において、 スピンコート法による S r T i O3コーティング溶液の付 与、 ホットプレート上での乾燥、 および、 550°Cでの焼成の操作を、 1回か ら 5回まで繰返し行った以外は、 実施例 1と同様であるため説明を省略する。 各付与 (コーティング) 回数の試料の結晶面および結晶の配向性を、 XRDを 用いて調べた。 結果を図 8に示し、 後述する。 付与回数が 5回の試料の表面および断面について、 走査電子顕微鏡 SEM (S -4200, H i t a c h i ) を用いて表面観察を行った。 結果を図 9および
図 1 1に示し、 後述する。 (比較例 2) In Example 1, grant of S r T i O 3 coating solution by spin coating, drying on a hot plate, and the operation of firing at 550 ° C, was repeated until either et 5 times once Other than this, the description is omitted because it is similar to the first embodiment. The crystal plane and crystal orientation of each application (coating) sample were examined using XRD. The results are shown in Fig. 8 and described later. The surface and cross-section of the sample with 5 application times were observed using a scanning electron microscope SEM (S-4200, Hitachi). The results are shown in Figure 9 and This is shown in Figure 11 and will be described later. (Comparative Example 2)
比較例 1において、 スピンコート法による S r T i 03コーティング溶液の付 与、 ホットプレート上での乾燥、 および、 550°Cでの焼成の操作を、 1回か ら 5回まで繰返し行った以外は、 比較例 1と同様であるため説明を省略する。 各付与回数の試料の結晶面および結晶の配向性を、 XRDを用いて調べた。 結 果を図 8に示し、 後述する。 付与回数が 5回の試料の表面および断面について、 それぞれ、 SEMを用い て表面観察を行った。 結果を図 10および図 1 2に示し、 後述する。 In Comparative Example 1, grant of S r T i 0 3 coating solution by spin coating, drying on a hot plate, and the operation of firing at 550 ° C, was repeated until either et 5 times once Other than this, the description is omitted because it is the same as Comparative Example 1. The crystal plane and crystal orientation of the sample with each application number were examined using XRD. The results are shown in Fig. 8 and described later. The surface and cross section of the sample with 5 application times were each observed using SEM. The results are shown in Fig. 10 and Fig. 12 and will be described later.
(実施例 3) (Example 3)
実施例 1と同様にして得られた結晶成長用基板、 C a 2Nb 3O10Zガラス基 板上に T i 02膜を配向させた。 詳細には、 T i〇2コーティング溶液として、 市販のチタンィソプロポキシドに基づくコーティング溶液 (NDH— 510 C ; N i p p o n S o d a C o. L t d., To k y o, J a p a n力 ¾ら入手) を 用いた。 T i O2コーティング溶液をスピンコート法によって C a 2Nb3Oio/ ガラス基板上に付与し、 その後、 1分間 1 20°Cに加熱したホットプレート上 で乾燥させた。 スピンコートの回転速度は 1 500 r pmであった。 次いで、 T i O2コーティング溶液が付与された C a sNbaOi。/ガラス基板を、 電気炉 を用いて、 大気中、 500°Cで 1時間焼成した。 焼成された試料の結晶面およ び結晶の配向性を、 XRDにより調べた。 結果を図 13に示し、 後述する。 In the same manner as in Example 1 to obtained a substrate for crystal growth, to align the T i 0 2 film C a 2 Nb 3 O 10 Z glass base plate. In particular, the T I_〇 2 coating solution, a coating solution is based on a commercially available titanium I Seo propoxide (NDH- 510 C;.. N ippon S oda C o L t d, To kyo, J apan force ¾ et obtain ) Was used. The TiO 2 coating solution was applied onto a Ca 2 Nb 3 Oio / glass substrate by spin coating, and then dried on a hot plate heated to 120 ° C. for 1 minute. The rotation speed of the spin coat was 1 500 rpm. Then C a sNbaOi provided with T i O 2 coating solution. / The glass substrate was baked at 500 ° C for 1 hour in the air using an electric furnace. The crystal plane and crystal orientation of the fired sample were examined by XRD. The results are shown in Fig. 13 and will be described later.
(比較例- 3) (Comparative Example-3)
実施例 3において、 結晶成長用基板の代わりに、 ガラス基板を用い、 直接、 スピンコート法により T i O 2コーティング溶液を付与した以外は、 実施例 3と 同様であるため説明を省略する。 実施例 3と同様に、 焼成された試料の結晶面 および結晶の配向性を、 XRDにより調べた。 結果を図 13に示し、 後述する。
(実施例 4) In Example 3, since a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate and the TiO 2 coating solution is directly applied by a spin coating method, the description is omitted because it is the same as Example 3. As in Example 3, the crystal plane and crystal orientation of the fired sample were examined by XRD. The results are shown in Fig. 13 and will be described later. (Example 4)
層状化合物として Ko.45Mn 02を Om o m oら, J. Am. C h e m. S o c . 2003, 1 25, 3568に記載のプロシージャにしたがって、 単層 剥離し、 MnO2ナノシート単層膜のコロイ ド溶液を得た (上述のステップ S 3 10)。 実施例 1と同様に、 コロイ ド溶液を超純水で希釈 (c a. 0. 08 g c m一3) し、 トラフに展開した。 実施例 1と同様に、 ガラス基板を洗浄し、 LB法を用いて MnO2ナノシート 単層膜を形成した (上述のステップ S 320)。 なお、 MnO2ナノシート単層 膜のガラス基板への形成は、 表面圧 8. OmN · m— 1で行った。 このようにし て結晶成長用基板を得た。 得られた結晶成長用基板、 MnO2Zガラス基板を、 AFMを用いて観察した。 観察結果を図 14に示す。 次に、 Mn02/ガラス基板上にスピンコート法により Z ηθ膜を配向成長さ せた。 具体的には、 酢酸亜鉛 (2水和物) [Z n (CHaCOO) 2 · 2Η20] を、 キレート配位子として所定量のジエタノールァミンとともに (モル比 1 : 1 ) イソプロパノール溶液に溶解させ、 0. 2Μの Ζ ηθコーティング溶液を 調製した。 Ζ ηΟコーティング溶液をスピンコード法によって ΜηΟ2 ガラス 基板上に付与し、 1分間 1 20°Cに加熱したホットプレート上で乾燥させた。 スピンコートの回転速度は 2500 r pmであった。 次いで、 Z nOコーティ ング溶液が付与された Mn02Zガラス基板を、 電気炉を用いて、 大気中、 40 0°Cで 1時間焼成した。 この操作を 1回〜 5回繰り返した。 各付与回数の試料 の結晶面および結晶の配向性を、 XRDを用いて調べた。 結果を図 15に示し、 後述する。 Ko. 45 Mn 0 2 to Om omo et a layered compound, according to the procedure described in J. Am. C he m. S oc. 2003, 1 25, 3568, and peeling single layer of MnO 2 nanosheet monolayer film A colloid solution was obtained (step S 3 10 above). In the same manner as in Example 1, the colloid solution was diluted with ultrapure water (c a. 0.08 gcm 3 ) and developed on a trough. In the same manner as in Example 1, the glass substrate was washed, and an MnO 2 nanosheet monolayer film was formed using the LB method (step S 320 described above). The MnO 2 nanosheet monolayer film was formed on the glass substrate at a surface pressure of 8. OmN · m- 1 . In this way, a crystal growth substrate was obtained. The obtained crystal growth substrate, MnO 2 Z glass substrate, was observed using AFM. The observation results are shown in FIG. Next, the Z Itashita film was oriented growth by spin coating Mn0 2 / glass substrate. Specifically, zinc acetate (dihydrate) [Z n (CHaCOO) 2 · 2Η 20 ] is dissolved in an isopropanol solution with a predetermined amount of diethanolamine (molar ratio 1: 1) as a chelating ligand. A 0.2 Ζ ηθ coating solution was prepared. Zeta Itaomikuron coating solution was applied to Myuitaomikuron 2 glass substrate by a spin encoding method, and dried on a hot plate heated to 1 20 ° C 1 min. The spin coat rotation speed was 2500 rpm. Then, the Mn0 2 Z glass substrate Z nO Koti packaging solution has been applied, using an electric furnace in the atmosphere, and baked for 1 hour at 40 0 ° C. This operation was repeated 1 to 5 times. The crystal plane and crystal orientation of the sample with each application number were examined using XRD. The results are shown in Fig. 15 and described later.
(比較例 4) (Comparative Example 4)
実施例 4において、 結晶成長用基板の代わりに、 ガラス基板を用い、 直接、 スピンコート法により Z ηθコーティング溶液を付与した以外は、 実施例 4と 同様であるため説明を省略する。 実施例 4と同様に、 各付与回数の試料の結晶
面および結晶の配向性を、 XRDにより調べた。 結果を図 1 5に示し、 後述す る。 以上の実施例 1〜 4および比較例 1〜 4の実験条件をまとめて表 3に示す。 In Example 4, a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate, and the Z ηθ coating solution is directly applied by a spin coating method. In the same manner as in Example 4, the crystals of the samples each given number of times The orientation of the plane and crystal was examined by XRD. The results are shown in Figure 15 and described later. The experimental conditions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 are summarized in Table 3.
表 3:諭例 1〜4および遍列 1〜4の実 牛 Table 3: Live cattle in examples 1-4 and tandem 1-4
(実施例 5) (Example 5)
実施例 1で作製した C a 2Nb 3Oi。/ガラス基板上にパルスレーザ蒸着法に より S r T i 03膜を成長させた。 具体的には、 レーザとして K r Fエキシマレ 一ザ (波長 248 nm、 C omp e x l 02) を、 ターゲットとして S r T i O3 (100) 面の単結晶をそれぞれ用いた。 レーザは、 真空チャンバに設置し た石英ガラス窓を通してチャンバ内に導入された。 以下に成膜条件を示す。 レーザ強度:約 3 J cm2 C a 2 Nb 3 Oi produced in Example 1. / Sr T i 0 3 films were grown on glass substrates by pulsed laser deposition. Specifically, K r F excimer monodentate (wavelength 248 nm, C omp exl 02) as a laser was used S r T i O 3 (100 ) plane of the single crystal, respectively as a target. The laser was introduced into the chamber through a quartz glass window installed in the vacuum chamber. The film forming conditions are shown below. Laser intensity: approx. 3 J cm 2
ターゲットと基板との距離: 50mm Distance between target and substrate: 50mm
基板: C a 2N b sOt。メガラス基板 Substrate: C a 2 N b sOt. Glass substrate
酸素分圧: 0. 12 P a Oxygen partial pressure: 0.12 Pa
基板温度: 500°Cおよび 550°C Substrate temperature: 500 ° C and 550 ° C
成膜時間: 60分
基板温度 500°Cおよび 550°Cそれぞれで得られた試料の結晶面および結 晶の配向性を、 実施例 1と同様に粉末 X線回折法 (XRD) により調べた。 測 定条件は、 加速電圧 40 k V、 印加電流 40m A、 発散スリット (DS) およ び散乱スリット (S S) を 1 2° 、 受光スリット (RS) を 0. 3 mmとし た。 測定結果を図 16に示し後述する。 Deposition time: 60 minutes The crystal planes and crystal orientations of the samples obtained at substrate temperatures of 500 ° C. and 550 ° C. were examined by powder X-ray diffraction (XRD) in the same manner as in Example 1. The measurement conditions were an acceleration voltage of 40 kV, an applied current of 40 mA, a diverging slit (DS) and a scattering slit (SS) of 12 °, and a receiving slit (RS) of 0.3 mm. The measurement results are shown in FIG.
基板温度 550°Cで得られた試料の断面を、 高分解能透過電子顕微鏡 (HR TEM、 J EM— 201 0、 J EOL) を用いて観察した。 なお、 HRTEM 用の試料は、 A rイオンミリングによって調整した。 観察結果を図 17に示し、 後述する。 The cross section of the sample obtained at a substrate temperature of 550 ° C was observed using a high-resolution transmission electron microscope (HR TEM, JEM-2010, JEOL). The sample for HRTEM was prepared by Ar ion milling. The observation results are shown in Fig. 17 and will be described later.
(比較例 5) (Comparative Example 5)
実施例 5において、 結晶成長用基板の代わりに、 ガラス基板を用い、 直接、 パルスレーザ法により S r T i O 3膜を成長させた以外は、 実施例 5と同様であ るため説明を省略する。 実施例 5と同様に、 基板温度 500°Cおよび 550°C それぞれで得られた試料の結晶面および結晶の配向性を、 XRDにより調べた。 結果を図 16に示し、 後述する。 Example 5 is the same as Example 5 except that a glass substrate was used instead of the crystal growth substrate and the SrTiO 3 film was directly grown by the pulse laser method, so the description was omitted. To do. In the same manner as in Example 5, the crystal planes and crystal orientations of the samples obtained at the substrate temperatures of 500 ° C. and 550 ° C. were examined by XRD. The results are shown in Fig. 16 and described later.
(実施例 6) (Example 6)
実施例 4で作製した MnO2/ガラス基板上にパルスレーザ蒸着法により Z n O膜を成長させた。 具体的には、 レーザとして K r Fエキシマレーザ (波長 2 48 n m、 C omp e x l 02) を、 ターゲットとして多結晶 Z n Oペレット をそれぞれ用いた。 以下に成膜条件を示す。 A ZnO film was grown on the MnO 2 / glass substrate prepared in Example 4 by pulsed laser deposition. Specifically, a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm, Camp exl 02) was used as the laser, and a polycrystalline ZnO pellet was used as the target. The film forming conditions are shown below.
レーザ強度:約 1. 7 J/cm2 Laser intensity: approx. 1.7 J / cm 2
ターゲットと基板との距離: 50mm Distance between target and substrate: 50mm
基板: MnO2/ガラス基板 Substrate: MnO 2 / Glass substrate
酸素分圧: 0. 12 P a Oxygen partial pressure: 0.12 Pa
基板温度:室温 (無加熱) Substrate temperature: room temperature (no heating)
成膜時間: 180分 Deposition time: 180 minutes
得られた試料の結晶面および結晶の配向性を.、 実施例 5と同様に XRDによ
り調べた。 測定結果を図 18に示し後述する The crystal plane and crystal orientation of the obtained sample were measured by XRD as in Example 5. I investigated. The measurement results are shown in Fig. 18 and will be described later.
(比較例 6) (Comparative Example 6)
実施例 6において、 結晶成長用基板の代わりに、 ガラス基板を用い、 直接、 パルスレーザ法により Z ηθ膜を成長させた以外は、 実施例 6と同様であるた め説明を省略する。 実施例 6と同様に、 得られた試料の結晶面および結晶の配 向性を、 XRDにより調べた。 結果を図 18に示し、 後述する。 ' Example 6 is the same as Example 6 except that a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate and the Z ηθ film is directly grown by the pulse laser method, and thus the description thereof is omitted. As in Example 6, the crystal plane and crystal orientation of the obtained sample were examined by XRD. The results are shown in Fig. 18 and described later. '
(実施例 7) (Example 7)
層状化合物として C S 6. 31WnO36をインターカレーション法により単層剥 離した。 詳細には、 C s 6. 31WnO36を酸処理 (ここでは 1 2規定の塩酸を用 い、 24時間 X 2回反応) することによって、 イオン交換をした。 これにより、The CS 6. 31 WnO 36 as layered compound releases Tanso剥intercalation method. Specifically, ion exchange was performed by treating C s 6. 31 WnO 36 with an acid (here, 12N hydrochloric acid was used and reacted for 24 hours × 2 times). This
C S 6. 3 1Wn036のホスト層間に水素イオンまたはォキソニゥムイオンが導入 された水素イオン交換体を得た。 次いで、 水素イオン交換体とカチオン性の剥 離促進剤 (ここではテトラアンモニゥムイオン TBA +を用いた) とを室温にて 混合 '振盪させた。 これにより、 C S 4W 036ナノシート単層膜のコロイ ド溶 液を得た (上述のステップ S 310)。 実施例 1と同様に、 コロイ ド溶液を超純 水で希釈 (c a. 0. 08 g cm-3) し、 トラフに展開した。. 実施例 1と同様に、 ガラス基板を洗浄し、 L B法を用いて C s AWUO ナノ シート単層膜を形成した (上述のステップ S 320)。 なお、 C S
ナ ノシート単層膜のガラス基板への形成は、 コロイ ド溶液をトラフに展開し、 ガ ラス基板を浸漬後 30分間静置させた。 次いで、 表面圧 1 8. OmN · m— 1ま で圧縮した後、 ガラス基板を垂直に引上げた。 このようにして C S 4WHO36/ ガラス基板からなる結晶成長用基板を得た。 We obtained a hydrogen ion exchanger in which hydrogen ions or oxonium ions were introduced between CS 6. 31 Wn0 36 host layers. Next, a hydrogen ion exchanger and a cationic exfoliation promoter (here, tetraammonium ion TBA +) was mixed and shaken at room temperature. As a result, a colloid solution of CS 4W 036 nanosheet monolayer film was obtained (step S 310 described above). In the same manner as in Example 1, the colloid solution was diluted with ultrapure water (ca. 0.08 g cm- 3 ) and developed on a trough. In the same manner as in Example 1, the glass substrate was washed, and a C s AWUO nanosheet monolayer film was formed using the LB method (step S 320 described above). CS The nanosheet monolayer film was formed on a glass substrate by spreading the colloid solution in a trough and letting the glass substrate stand for 30 minutes after immersion. Next, after compressing to a surface pressure of 1 8. OmN · m− 1 , the glass substrate was pulled up vertically. In this way, a crystal growth substrate made of CS 4WHO36 / glass substrate was obtained.
次に、 C s 4WnO36/ガラス基板上にパルスレーザ蒸着法により Z nO膜を 成長させた。 具体的には、 レーザとして K r Fエキシマレーザ (波長 248 η m、 C omp e x l 02) を、 ターゲットとして多結晶 Z n Oペレッ トをそれ ぞれ用いた。 以下に成膜条件を示す。
レーザ強度:約 1. 7 J /cm2 Next, a ZnO film was grown on a C s 4 WnO 36 / glass substrate by pulsed laser deposition. Specifically, a KrF excimer laser (wavelength 248 ηm, Camp exl 02) was used as the laser, and a polycrystalline ZnO pellet was used as the target. The film forming conditions are shown below. Laser intensity: approx. 1.7 J / cm 2
ターゲッ卜と基板との距離: 5 Omm Distance between target and substrate: 5 Omm
酸素分圧: 0. 1 2 P aおよび 1. 7 P a Oxygen partial pressure: 0.1 2 Pa and 1.7 Pa
基板温度:室温 (無加熱) および 1 00°C Substrate temperature: room temperature (no heating) and 100 ° C
成膜時間: 1 80分 Deposition time: 1 80 minutes
異なる酸素分圧および基板温度で得られた各試料の結晶面および結晶の配向 性を、 実施例 5と同様に XRDにより調べた。 測定結果を図 1 9に示し後述す る。 The crystal plane and crystal orientation of each sample obtained at different oxygen partial pressures and substrate temperatures were examined by XRD as in Example 5. The measurement results are shown in Fig. 19 and described later.
(比較例 7) (Comparative Example 7)
実施例 7において、 結晶成長用基板の代わりに、 ガラス基板を用い、 直接、 パルスレーザ法により Z ηθ膜を成長させた以外は、 実施例 7と同様であるた め説明を省略する。 実施例 5と同様に、 得られた試料の結晶面および結晶の配 向性を、 XRDにより調べた。 結果を図 1 9に示し、 後述する。 以上の実施例 5〜 7および比較例 5〜 7の実験条件をまとめて表 4に示す。 Example 7 is the same as Example 7 except that a glass substrate is used instead of the crystal growth substrate and the Z ηθ film is directly grown by the pulse laser method, and thus the description is omitted. As in Example 5, the crystal plane and crystal orientation of the obtained sample were examined by XRD. The results are shown in Fig. 19 and described later. Table 4 summarizes the experimental conditions of Examples 5-7 and Comparative Examples 5-7.
実施例 7において、 ガラス基板に替えてポリエチレンテレフタレート基板 (以 降では、 単に PET基板と呼ぶ) を用いて結晶成長用基板を作製した。 PET 基板に UVZO3処理を 1時間行い、 表面を洗浄した。 これにより、 PET基板 の表面は、 親水的な状態となり、 水に対する濡れ性が向上した。 なお、 PET 基板の前処理は、 P E T基板の表面の水に対する濡れ性を向上させる任意の手 段を用いることができ、 例えば、 uv/o3処理に替えてプラズマ処理を行って もよレ、。 このようにして処理された PET基板上に、 実施例 7と同様に LB法 を用いて C S 4WHO36ナノシート単層膜を形成し、 C s 4\^11036ノ?£丁基 板からなる結晶成長用基板を得た。 得られた結晶成長用基板の表面を実施例 1 と同様に AFMを用いて観察した。 観察結果を図 20に示し、 後述する。 In Example 7, a crystal growth substrate was produced using a polyethylene terephthalate substrate (hereinafter simply referred to as a PET substrate) instead of the glass substrate. The surface of the PET substrate was cleaned by UVZO 3 treatment for 1 hour. As a result, the surface of the PET substrate was in a hydrophilic state, and water wettability was improved. For the pretreatment of the PET substrate, any means for improving the wettability of the surface of the PET substrate to water can be used. For example, plasma treatment may be performed instead of uv / o 3 treatment. . A CS 4WHO36 nanosheet monolayer film was formed on the PET substrate thus treated using the LB method in the same manner as in Example 7, and C s 4 \ ^ 11 0 36 A crystal growth substrate consisting of a £ 10 substrate was obtained. The surface of the obtained crystal growth substrate was observed using AFM as in Example 1. The observation results are shown in Fig. 20 and will be described later.
(実施例 9) (Example 9)
実施例 1において、 ガラス基板に替えて、 表面にステップ構造が出現してい る Α 12Ο3 (000 1 ) 単結晶基板 (以降では、 単に A 1203単結晶基板と呼 ぶ) を用いて結晶成長用基板を作製した。 A 12O3単結晶基板に UVZ03処理 を 30分間行い、 表面を洗浄した。 処理された A 12O3単結晶基板上に、 実施 例 1と同様に LB法を用いて C a 2Nb 3O10ナノシート単層膜を形成し、 C a 2 Nb sOio/A 12Ο3単結晶基板からなる結晶成長用基板を得た。 得られた結晶 成長用基板の表面を実施例 1と同様に AFMを用いて観察した。 観察結果を図 21に示し、 後述する。 図 2 1には、 C a zNbsOt。ナノシート単層膜付与前 の A 12O 3単結晶基板の表面の AFM像も合わせて示す。 以降では実施例 1〜 9および比較例 1〜 7の結果を詳述する。 図 5は、 C a 2N b 301()Zガラス基板の AFM像を示す図である。 図 5によれば、 ガラス基板上に極めて平坦な C a 2Nb 3Ot。ナノシート単層 膜が形成されたことが分かる。 このような表面は、 ナノシート間の極めて小さ
な重なりや隙間を除けば、 原子レベルで平坦な単結晶に匹敵する。 表面粗さ (R a) は 0. 6 1 nmと算出された。 ナノシート単層膜の膜厚は、 1. 5〜 1. 6 nmであった。 なお、 この値は、 C a 2N b 。ナノシート単層膜の結晶学 的厚さ (図 2 (A) を参照) に一致し、 ガラス基板上に単層膜が形成されたこ とを示唆する。 表面圧 8. 5 mN · m— 1において、 C a 2N b 3010ナノシート 単層膜は、 ガラス基板の面積の 9 5%に付与され、 最もナノシート間の重なり が少ないことが分かった。 図 6は、 C a 2Nb sOi。 ガラス基板の紫外可視吸収スぺク トルを示す図で ある。 図 6より、 3 0 0 nm以下のブロードな吸収端は、 ナノシート単層膜による ものであり、 2 0 0 nmにおける吸光度は約 0. 1であった。 ナノシート単層 膜のモル吸光係数 ( ε = 4. 3 9 X 1 04 m ο 1 _1 · d m3 · c m' @ 20 0 nm) によれば、 この値は、 ガラス基板の両面に単層膜が堆積された場合の 理論値 (吸光度 = 0. 0 94) に匹敵することが分かった。 このことは、 LB 法によって形成された C a 2Nb 3O10ナノシートは、 単層膜であることを示唆 する。 図 7は、 実施例 1および比較例 1の S r T i 03膜の XRDパターンを示す図 である。 図 7の上段は、 実施例 1による XRDパターンであり、 図 7の下段は、 比較 例 1による XRDパターンである。 図 7の上段から、 5 50¾以上で焼成した 試料は、 いずれも 2 3° 付近および 4 6° 付近に明瞭なピークを示した。 これ らのピークは、 S r T i 03の 1 00回折ピークと 200回折ピークとに一致す る。 また、 1 1 0、 1 1 1または 2 1 0等の他の回折ピークは見られなかった。 このことから、 5 5 0°C以上の焼成により、 S r T i〇3膜が、 C a 2Nb 3O10 /ガラス基板上に (すなわち、 C a 2Nb 3O10ナノシート単層膜上) に (1 0
0) 方向に配向成長することが分かった。 なお、 500°Cで焼成した試料がァ モルファスであるのは、 焼成温度が低いために、 S r T i 03ゾルが結晶化しな かったためである。 一方、. 図 7の下段は、 600°C以上の焼成で 32° 付近に微弱な S r T i Oa の 1 10回折ピークが観測された以外には、 明瞭なピークは見られなかった。 この S r T i O3の 1 10回折ピークは、 J C PD Sパターンに示される S r T i O 3の最強ピークであり、 S r T i O 3薄膜が 600 °C以上の焼成においてラ ンダムに配向して結晶化していることを示唆するものである。 以上より、 C a 2Nb301() /ガラス基板上に立方晶系の S r T i 03膜が (1 00) 配向成長することが示された。 また、 結晶化温度は、 上記の前躯体ゾル を用いた場合、 550°C以上が好ましいことが分かった。 図 8は、 実施例 2および比較例 2の S r T i 03膜の 1 0パターンを示す図 である。 図 8の上段は、 実施例 2による XRDパターンであり、 図 8の下段は、 比較 例 2による XRDパターンである。 図 8の上段から、 コーティング回数が 1〜 5回のいずれも、 S r T i 03の 100回折ピークおよび 200回折ピークのみ を示した。 また、 そのピーク強度は、 コーティング回数が増加するにつれて、 増大した。 このことは、 膜厚を増加させても、 (100) 方向に配向成長した S r T i O3膜が得られることを示唆する。 In Example 1, a step structure appears on the surface instead of the glass substrate. Α 1 2 Ο 3 (000 1) Single crystal substrate (hereinafter simply referred to as A 1 2 0 3 single crystal substrate) The substrate for crystal growth was produced using it. The A 1 2 O 3 single crystal substrate was treated with UVZ03 for 30 minutes to clean the surface. On the treated A 1 2 O 3 single crystal substrate, a C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film was formed using the LB method in the same manner as in Example 1, and C a 2 Nb sOio / A 1 2 Ο A crystal growth substrate composed of three single crystal substrates was obtained. The surface of the obtained crystal growth substrate was observed using AFM as in Example 1. The observation results are shown in Fig. 21 and will be described later. Figure 2 shows C a zNbsOt. An AFM image of the surface of the A 1 2 O 3 single crystal substrate before the nanosheet monolayer is also shown. Hereinafter, the results of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 7 will be described in detail. FIG. 5 is a diagram showing an AFM image of the C a 2 N b 3 0 1 ( ) Z glass substrate. According to Figure 5, very flat C a 2 Nb 3 Ot on a glass substrate. It can be seen that the nanosheet monolayer film was formed. Such a surface is extremely small between nanosheets It is comparable to a flat single crystal at the atomic level, except for the overlap and gaps. The surface roughness (R a) was calculated to be 0.6 1 nm. The film thickness of the nanosheet monolayer film was 1.5 to 1.6 nm. This value is C a 2 N b. This agrees with the crystallographic thickness of the nanosheet monolayer film (see Fig. 2 (A)), suggesting that a monolayer film was formed on the glass substrate. At a surface pressure of 8.5 mN · m- 1 , the Ca 2 N b 3 0 10 nanosheet monolayer was applied to 95% of the area of the glass substrate, indicating that there was the least overlap between nanosheets. Figure 6 shows C a 2 Nb sOi. It is a figure which shows the ultraviolet visible absorption spectrum of a glass substrate. From FIG. 6, the broad absorption edge below 300 nm is due to the nanosheet monolayer film, and the absorbance at 200 nm was about 0.1. According to the molar extinction coefficient of the nanosheet monolayer film (ε = 4. 3 9 X 1 0 4 m ο 1 _1 · dm 3 · cm '@ 20 0 nm), this value is It was found to be comparable to the theoretical value (absorbance = 0.0.94) when. This suggests that the Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet formed by the LB method is a single layer film. FIG. 7 is a diagram showing XRD patterns of the SrTi 0 3 films of Example 1 and Comparative Example 1. The upper part of FIG. 7 is an XRD pattern according to Example 1, and the lower part of FIG. 7 is an XRD pattern according to Comparative Example 1. From the upper part of FIG. 7, all the samples fired at 550¾ or more showed clear peaks near 23 ° and 46 °. These peaks coincide with the 100 and 200 diffraction peaks of S r T i 0 3 . In addition, other diffraction peaks such as 1 1 0, 1 1 1 or 2 1 0 were not observed. From this, by firing at 5500 ° C or higher, the S r T iO 3 film is formed on the C a 2 Nb 3 O 10 / glass substrate (ie, on the C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film). ) To (1 0 0) Orientation growth was found in the direction. Incidentally, the sample was calcined at 500 ° C in the range of § Amorphous, since the firing temperature is low, because the S r T i 0 3 sol was not crystallized. On the other hand, in the lower part of Fig. 7, no clear peak was observed except that a weak 1 10 diffraction peak of S r T i Oa was observed at around 32 ° after firing at 600 ° C or higher. 1 10 diffraction peak of the S r T i O 3 is the strongest peak of S r T i O 3 shown in JC PD S pattern, La in S r T i O 3 thin film is calcined above 600 ° C randomly This suggests that the crystal is oriented and crystallized. From the above, it was shown that a cubic SrTi 0 3 film grows in a (1 00) orientation on a Ca 2 Nb 3 0 1 ( ) / glass substrate. Further, it was found that the crystallization temperature is preferably 550 ° C. or higher when the above precursor sol is used. FIG. 8 is a diagram showing 10 patterns of the SrTi 0 3 films of Example 2 and Comparative Example 2. The upper part of FIG. 8 is an XRD pattern according to Example 2, and the lower part of FIG. 8 is an XRD pattern according to Comparative Example 2. From the upper part of FIG. 8, only the 100 and 200 diffraction peaks of S r T i 0 3 were shown for all coating times 1 to 5. The peak intensity increased as the number of coatings increased. This suggests that an SrTiO 3 film oriented and grown in the (100) direction can be obtained even when the film thickness is increased.
—方、 図 8の下段は、 コーティング回数が 4回以上め厚膜において、 比較例 1で確認された S r T i 03の 1 10の回折ピークに加えて、 複数のピークが観 察された。 これらは、 それぞれ、 1 1 1、 210、 200および 2 1 1の回折 ピークに一致した。 このことから、 ガラス基板直上には、 S r T i Oa膜が 10 0配向成長せず、 ランダム配向した S r T i O 3多結晶膜が成長することが分か
つた。 実施例 2および比較例 2のコーティング回数が 5回の XRDパターンのうち 2 0 0回折ピークに注目すると、 その半値幅 (FWHM) は、 それぞれ、 0. 2 3° および 0. 3 3° であった。 これは、 C a 2N b 3O10Zガラス基板上の S r T i O 3膜の方が、 ガラス基板直上の S r T i 03膜よりも結晶性が高いこ とを示している。 このことから、 C a 2N b 3O10ナノシート単層膜は、 結晶成 長を促進する機能を有することが示唆される。 以上、 図 7およぴ図 8から、 C a 2N b 3Ot。/ガラス基板は、 1 0 0配向し た S r T i O 3膜を得るに好適であることが分かった。 図 9は、 実施例 2の S r T i O3 (n = 5) /C a 2N b 3O 10 ガラス基板の 表面の S EM像を示す図である。 図 1 0は、 比較例 2の S r T i O3 (n = 5) /ガラス基板の表面の S EM像 を示す図である。 nは、 コーティング回数を示す。 図 9およぴ図 1 0の表面形状は、 いずれも、 微粒子が凝集した典型的なゾル ·ゲル膜の表面構造を示した。 粒径は、 約 3 0 nm〜4 0 nmの範囲であり、 コーティング膜が多結晶であることがわかる。 図 1 1は、 実施例 2の S r T i Oa (n = 5) /C a 2N b 3O 1(>Zガラス基板 の断面の S EM像を示す図である。 図 1 2は、 比較例 2の S r T i O3 (n = 5) Zガラス基板の断面の S EM像 を示す図である。 図 1 1およぴ図 1 2から、 膜厚は、 いずれも、 約 4 0 0 nmであった。 膜厚
がコーティング回数に比例すると仮定すれば、 1回のコーティングによって約 80 nmの厚さの S r T i O3膜が得られる。 図 13は、 実施例 3および比較例 3の T i O2膜の XRDパターンを示す図で ある。 比較例 3の XRDパターンは、 約 25. 5° および 38° にピークを示した。 これは、 T i 02のアナタ一ゼ相の 101回折ピークおょぴ 004回折ピークに 一致した。 一方、 実施例 3の XRDパターンは、 約 38° の鋭く、 かつ、 高強 度のピークを示すのみであった。 このことから正方晶系のアナターゼ T i O2が、 C a 2Nb 3O10Zガラス基板上では c軸方向に配向成長することが示される。 図 14は、 MnO2 ガラス基板の AFM像を示す図である。 図 14によれば、 ガラス基板上に極めて平坦な MnO 2ナノシート単層膜が形 成されたことが分かる。 このような表面は、 図 5と同様に、 ナノシート単層膜 間の極めて小さな重なりや隙間を除けば、 原子レベルで平坦な単結晶に匹敵す る。 表面粗さ (Ra) は、 0. 27 nmであった。 ナノシート単層膜の膜厚は、 0. 5〜0. 9 nmであり、 ナノレベルであった。 なお、 この値は、 MnO2ナ ノシート単層膜の結晶学的厚さに匹敵し (図 2 (C) を参照)、 ガラス基板上に 単層膜が形成されたことを示唆する。 表面圧 8. OmN ' rn— 1において、 Mn O2ナノシート単層膜は、 ガラス基板の面積の約 90%に形成され、 最もナノシ 一ト単層膜の重なりが少ないことが分かった。 図 1 5は、 実施例 4および比較例 4の Z ηθ膜の XRDパターンを示す図で ある。 図 1 5の上段 (A) は、 実施例 4による XRDパターンであり、 図 1 5の下 段 (B) は、 比較例 4による XRDパターンである。 図 1 5の上段 (A) から、
コーティング回数が 1〜5回のいずれも、 35° 付近に明瞭なピークを示した。 このピークは、 Z nOの 002回折ピークに一致した。 また、 そのピーク強度 は、 実施例 2と同様に、 コーティング回数が増加するにつれて、 増大した。 こ のことは、 膜厚を増加させても、 (001) 方向に配向成長した ZnO膜が得ら れることを示唆する。 一方、 図 15の下段 (B) は、 コーティング回数が 3回以上の厚膜において、 複数のピークが観察された。 これらのピークは、 それぞれ、 Z nOの 1 00、 002および 10 1回折ピークに一致した。 このことから、 ガラス基板直上に は、 例えコーティング回数が多い厚膜であっても、 Z nO膜が (001) 配向 しないこと、 すなわち、 ランダム配向した Ζ,ηΟ多結晶が成長することが示さ れる。 図 16は、 実施例 5および比較例 5の S r T i Oa膜の XRDパターンを示す 図である。 図 1 6の下段は基板温度 500°Cで成膜した試料の XRDパターンであり、 図 1 6の上段は基板温度 550°Cで成膜した試料の XRDパターンである。 図 1 6力、ら、 C s 4WuO 36 ガラス基板上に成膜された S r T i O 3膜の XRD パターンは、 いずれも、 23° 付近および 46° 付近に明瞭なピークを示した。 これらのピークは、 S r T i 03の 100回折ピークと 200回折ピークとに一 致する。 また、 1 10、 1 1 1または 2 10等の他の回折ピークは見られなか つた。 なお、 基板温度 500°Cで成膜した試料のピーク強度に比べて、 基板温 度 550°Cで成膜した試料のピーク強度の方が高い。 これは、 基板温度を増加 させることにより、 S r T i 03膜の結晶化が促進されたことを示す。 On the other hand, in the lower part of Fig. 8, in the thick film with more than 4 coatings, in addition to the 110 diffraction peak of Sr T i 0 3 confirmed in Comparative Example 1, multiple peaks were observed. It was. These corresponded to the diffraction peaks of 1 1 1, 210, 200 and 2 11, respectively. From this, it can be seen that the SrTiOa film does not grow in 100 orientation directly on the glass substrate, but the randomly oriented SrTiO3 polycrystalline film grows. I got it. Looking at the 200 diffraction peaks in the XRD pattern with 5 coatings in Example 2 and Comparative Example 2, their half-widths (FWHM) were 0.23 ° and 0.33 °, respectively. It was. This is because the C a 2 N b 3 O 10 Z glass S r T i O 3 film on the substrate, and indicates that higher crystallinity than S r T i 0 3 film directly on a glass substrate . This suggests that the C a 2 N b 3 O 10 nanosheet monolayer film has a function of promoting crystal growth. From Fig. 7 and Fig. 8, C a 2 N b 3 Ot. The glass substrate was found to be suitable for obtaining a 100-oriented SrTiO3 film. FIG. 9 is a view showing a SEM image of the surface of the SrTiO 3 (n = 5) / Ca 2 Nb 3 O 10 glass substrate of Example 2. FIG. FIG. 10 is a view showing an SEM image of the surface of SrTiO 3 (n = 5) / glass substrate of Comparative Example 2. n indicates the number of coatings. The surface shapes of FIGS. 9 and 10 both show the surface structure of a typical sol-gel film in which fine particles are aggregated. The particle size is in the range of about 30 nm to 40 nm, indicating that the coating film is polycrystalline. FIG. 11 is a diagram showing a SEM image of a cross section of SrT i Oa (n = 5) / C a 2 N b 3 O 1 ( > Z glass substrate of Example 2. FIG. Comparative example 2 of S r T i O 3 (n = 5) is a diagram showing the S EM image of a cross-section of the Z glass substrate. FIG. 1 1 Oyopi Figure 1 2, the film thickness, both, about 4 0 0 nm. There Assuming proportional to coating times, S r T i O 3 film having a thickness of about 80 nm by a single coating is obtained. FIG. 13 is a diagram showing XRD patterns of the Ti 2 O 2 films of Example 3 and Comparative Example 3. The XRD pattern of Comparative Example 3 showed peaks at about 25.5 ° and 38 °. Which corresponded to 101 diffraction peak Contact Yopi 004 diffraction peak of T i 0 2 ANATA one zero phase. On the other hand, the XRD pattern of Example 3 only showed a sharp and high intensity peak of about 38 °. This indicates that tetragonal anatase T i O 2 grows in the c-axis direction on a C a 2 Nb 3 O 10 Z glass substrate. FIG. 14 is a view showing an AFM image of the MnO 2 glass substrate. According to FIG. 14, it can be seen that a very flat MnO 2 nanosheet monolayer film was formed on the glass substrate. Similar to Fig. 5, such a surface is comparable to a flat single crystal at the atomic level, except for extremely small overlaps and gaps between nanosheet monolayers. The surface roughness (Ra) was 0.27 nm. The film thickness of the nanosheet monolayer film was 0.5 to 0.9 nm, which was nano level. This value is comparable to the crystallographic thickness of the MnO 2 nanosheet monolayer (see Fig. 2 (C)), suggesting that the monolayer was formed on the glass substrate. At a surface pressure of 8. OmN 'rn- 1 , it was found that the Mn O 2 nanosheet monolayer film was formed in about 90% of the area of the glass substrate, and the overlap of the nanosheet monolayer film was the smallest. FIG. 15 is a diagram showing XRD patterns of the Z ηθ films of Example 4 and Comparative Example 4. The upper part (A) of FIG. 15 is an XRD pattern according to Example 4, and the lower part (B) of FIG. 15 is an XRD pattern according to Comparative Example 4. From the top (A) of Fig. 5 In all cases where the number of coatings was 1 to 5, a clear peak was observed around 35 °. This peak coincided with the 002 diffraction peak of ZnO. The peak intensity increased as the number of coatings increased, as in Example 2. This suggests that a ZnO film oriented and grown in the (001) direction can be obtained even when the film thickness is increased. On the other hand, in the lower part (B) of Fig. 15, multiple peaks were observed in the thick film with 3 or more coatings. These peaks corresponded to the 100, 002 and 101 diffraction peaks of ZnO, respectively. This indicates that the ZnO film is not (001) oriented, that is, randomly oriented Ζ, ηΟ polycrystals grow on the glass substrate even if it is a thick film with many coatings. . FIG. 16 is a diagram showing XRD patterns of the SrTiOa films of Example 5 and Comparative Example 5. The lower part of Fig. 16 shows the XRD pattern of the sample formed at a substrate temperature of 500 ° C, and the upper part of Fig. 16 shows the XRD pattern of the sample formed at a substrate temperature of 550 ° C. 1 6 forces, et al, XRD patterns of C s 4 WuO 36 S r T i O 3 film formed on a glass substrate are all showed a clear peak in the vicinity of 23 ° and near 46 °. These peaks coincide with the 100 and 200 diffraction peaks of S r T i 0 3 . In addition, other diffraction peaks such as 1 10, 1 1 1 or 2 10 were not observed. Note that the peak intensity of the sample deposited at the substrate temperature of 550 ° C is higher than the peak intensity of the sample deposited at the substrate temperature of 500 ° C. This indicates that the crystallization of the SrT i 0 3 film was promoted by increasing the substrate temperature.
一方、 ガラス基板上に直接成膜した試料の XRDパターンは、 いずれも、 回 折ピークを示さず、 成膜された S r T i 03膜がアモルファス状態であった。 図 1 7は、 実施例 5の基板温度 550°Cで成膜した S r T i Oa/C a 2Nb 3
O t。 ガラス基板の断面の T EM像を示す, 図 1 7から、 ガラス基板と S r T i O3膜との間に C a 2Nb3O10ナノシート 単層膜が残存していることが示される。 また、 C a 2Nb3O10ナノシート単層 膜直上に結晶軸のそろった S r T i O3膜が良好に成長していることが分かる。 なお、 S r T i O 3膜の膜厚は約 120 nmであっ 。 以上より、 C azNbaOi。ナノシート単層膜が、 S r T i O3膜のバッファ層 として有効であることに加えて、 物理気相成長法 (ここではパルスレーザ蒸着 法) により、 C a 2Nb 3010 ガラス基板上 (すなわち、 C a 2Nb3O10ナノ シート単層膜上) に S r T i 03膜を (100) 方向に良好に配向成長させるこ とができることが分かった。 図 18は、 実施例 6および比較例 6の Z ηθ膜の XRDパターンを示す図で ある。 図 1 8の実施例 6の試料の XRDパターンによれば、 35° 付近に明瞭なピ ークを示した。 このピークは Z ηθの 002回折ピークに一致した。 一方、 図 1 8の比較例 6の試料の XRDパターンもまた、 35° 付近にピークを示した が、 その強度は極めて小さかった。 これは、 ΜηΟ 2ナノシート単層膜上では、 Ζ ηθの結晶成長が促進され、 結晶方位がそろって成長するためである。 この こと力、ら、 ΜηΟ 2ナノシート単層膜が、 Ζ ηθ膜のバッファ層として有効であ ることに加えて、 物理気相成長法 (ここではパルスレーザ蒸着法) により、 基 板加熱することなく、 すなわち、 室温であっても、 ΜηΟ2/ガラス基板上に (す なわち、 ΜηΟ2ナノシート単層膜上) に Ζ ηΟ膜を (001) 方向に良好に配 向成長させることができることが分かった。 図 1 9は、 実施例 7および比較例 7の Ζ ηθ膜の XRDパターンを示す図で ある。
図 19の下段は基板無加熱 (室温) で成膜した試料の XRDパターンであり、 図 1 9の上段は基板温度 100°Cで成膜した試料の XRDパターンである。 図 1 9の下段の実施例 7の試料の XRDパターンによれば、 35° 付近に明瞭な ピークを示した。 このピークは Z ηθの 002回折ピークに一致した。 一方、 図 1 9の下段の比較例 7の試料の XRDパターンもまた、 35° 付近にピーク を示したが、 その強度は極めて小さかった。 これは、 C s
ノシート 単層膜上であれば、 Mn02ナノシート単層膜と同様に、 Z nOの結晶成長が促 進され、 結晶方位がそろって成長するためである。 このことから、 物理気相成 長法 (ここではパルスレーザ蒸着法) により、 基板加熱することなく、 すなわ ち、 室温であっても、 C s 4WHO36 ガラス基板上に (すなわち、 C s 4Wn O36ナノシート単層膜上) に Z nO膜を (001) 方向に配向成長させること ができることが分かった。 図 1 9の上段の実施例 7の試料の XRDパターンのピーク強度は、 図 1 9の 下段の実施例 7の試料の XRDパターンのそれよりも大きかった。 これは、 基 板温度を室温から 100°Cに上昇したことによって、 結晶性が向上したためで ある。 また、 100°Cの加熱でも、 C s WuO ナノシート単層膜は安定に配 向膜 (ここでは Z nO) のバッファ層として機能することが分かった。 また、 図 4 (D) を参照して説明したように、 一見すると格子不整合と思われる組み 合わせであっても、 C s AW O の単位格子と Z ηθの単位格子との関係が整 数倍であれば、 格子整合となり、 配向膜を製造することができることが分かつ た。 図 20は、実施例 8の C s
ET基板の AFM像を示す図である。 図 20 (a) および (b) は、 それぞれ異なる倍率の AFM像を示す。 図 2 0によれば、 C s WnOae/PET基板の表面は、 実施例 7の C a 2 N b 3 O o Zガラス基板の AFM像 (図示せず) と同様のモルフォロジを示すことを確認 した。 このことから、 PET基板上に平坦な C s AW O ナノシート単層膜が
形成されたことがわかる。 ナノシート間の極めて小さな重なりまたは隙間を除 けば、 原子レベルで平坦な単結晶に匹敵し、 PET基板のような熱安定性の低 いプラスチック基板上においてもナノシート単層膜を形成することができるこ とが示された。 図 21は、 実施例 9の C a zNbsOi。 A 12O3単結晶基板の AFM像 (a) および (b) と、 C a 2Nb 3O10ナノシート付与前の A 12O3単結晶基板の A FM像 (c) および (d) とを示す図である。 図 21 (a) および (c) と、 (b) および (d) とは、 それぞれ異なる倍率 の A FM像を示す。 図 2 1 (c) および (d) には、 約 200 nmの周期のス テツプが示されており、 A 12 O 3単結晶基板の表面に原子レベルの凹凸がある ことを確認した。 一方、 C a 2Nb 3O10ZA 12Oa単結晶基板からなる結晶成 長用基板の表面は、 図 2 1 (a) および (b) に示されるように、 C a 2Nb3 O10ナノシート単層膜が、 図 21 (c) および (d) に示されたステップに沿 うように原子レベルで変形し、 もとの A 12O 3単結晶基板の凹凸が、 その上に' 形成された C a 2Nb3O10ナノシート単層膜にそのまま反映されていることが わかる。 このことから、 層状化合物から剥離されて得られるナノシート単層膜 の構造柔軟性により、 凹凸を有する基材上にも、 ナノシート単層膜を付与する ことができることが示された。 以上、 実施例 1〜4により、 ナノシート単層膜として二次元正方形格子を有 する材料 (例えば、 C a zNbaOLo) を用い、 ゾルゲル法を採用することによ つて、 立方晶系および正方晶系の材料の配向膜が得られ、 ナノシート単層膜と して二次元六角形格子を有する材料 (例えば、 Mn02) を用い、 ゾルゲル法を 採用することによって、 六方晶系の材料の配向膜を得ることができることが分 力つた。 Meanwhile, XRD pattern of the sample which was deposited directly on the glass substrate are both not show diffraction peaks, S r T i 0 3 film formed was an amorphous state. Figure 17 shows the Sr T i Oa / C a 2 Nb 3 film formed at the substrate temperature of 550 ° C in Example 5. O t. A TEM image of the cross section of the glass substrate, Figure 17 shows that the Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer remains between the glass substrate and the Sr T i O 3 film . Further, it can be seen that S r T i O 3 film having uniform crystal axis C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film directly is growing well. Note that the film thickness of the SrTiO 3 film was about 120 nm. From the above, C azNbaOi. In addition to being effective as a buffer layer for S r T i O 3 films, nanosheet monolayer films can be obtained on a Ca 2 Nb 3 0 10 glass substrate by physical vapor deposition (here, pulsed laser deposition). It was found that the SrT i 0 3 film can be oriented and grown well in the (100) direction (that is, on the Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film). FIG. 18 is a diagram showing XRD patterns of the Z ηθ films of Example 6 and Comparative Example 6. According to the XRD pattern of the sample of Example 6 in FIG. 8, a clear peak was observed at around 35 °. This peak coincided with the 002 diffraction peak of Z ηθ. On the other hand, the XRD pattern of the sample of Comparative Example 6 in Fig. 18 also showed a peak near 35 °, but its intensity was very small. This is, on Myuitaomikuron 2 nanosheet monolayer film, it is accelerated crystal growth Zeta Itashita, in order to grow uniform crystal orientation. In addition to the fact that 単 η の2 nanosheet monolayer film is effective as a buffer layer for ηηθ film, it is possible to heat the substrate by physical vapor deposition (here, pulsed laser deposition method). no, that is, even at room temperature, ΜηΟ 2 / on glass substrates (ie, Myuitaomikuron 2 nanosheet monolayer film) of the Zeta Itaomikuron membrane (001) that can be favorably oriented growth direction I understood. FIG. 19 is a diagram showing XRD patterns of ηηθ films of Example 7 and Comparative Example 7. The lower part of Fig. 19 shows the XRD pattern of the sample deposited without substrate heating (room temperature), and the upper part of Fig. 19 shows the XRD pattern of the sample deposited at the substrate temperature of 100 ° C. According to the XRD pattern of the sample of Example 7 in the lower part of Fig. 9, a clear peak was observed around 35 °. This peak coincided with the 002 diffraction peak of Z ηθ. On the other hand, the XRD pattern of the sample of Comparative Example 7 in the lower part of Fig. 19 also showed a peak near 35 °, but its intensity was extremely small. This is C s If the Noshito monolayer film, like the Mn0 2 nanosheet monolayer film, the crystal growth of Z nO is promoting, in order to grow uniform crystal orientation. From this, the physical vapor phase growth method (here, pulsed laser deposition) can be used on a C s 4 WHO 36 glass substrate (ie, C s) without heating the substrate, that is, even at room temperature. It was found that a ZnO film can be grown in the (001) direction on a 4 WnO 36 nanosheet monolayer film. The peak intensity of the XRD pattern of the sample of Example 7 in the upper part of FIG. 19 was larger than that of the sample of Example 7 in the lower part of FIG. This is because the crystallinity was improved by raising the substrate temperature from room temperature to 100 ° C. It was also found that the Cs WuO nanosheet monolayer film functions stably as a buffer layer for the alignment film (here, ZnO) even at 100 ° C heating. In addition, as explained with reference to Fig. 4 (D), the relationship between the unit cell of C s AW O and the unit cell of Z ηθ is an integer even in a combination that seems to be lattice mismatch at first glance. If it is doubled, it is found that lattice alignment is achieved and an alignment film can be manufactured. Figure 20 shows the C s of Example 8. It is a figure which shows the AFM image of an ET board | substrate. Figures 20 (a) and (b) show AFM images at different magnifications. According to FIG. 20, it was confirmed that the surface of the C s WnOae / PET substrate showed the same morphology as the AFM image (not shown) of the C a 2 N b 3 O o Z glass substrate of Example 7. . From this, a flat C s AW O nanosheet monolayer film is formed on a PET substrate. It can be seen that it was formed. Except for extremely small overlaps or gaps between nanosheets, nanosheet monolayers can be formed even on plastic substrates with low thermal stability, such as PET substrates, which are comparable to atomically flat single crystals. This was shown. FIG. 21 shows C a zNbsOi of Example 9. A 1 2 O 3 AFM images of a single crystal substrate (a) and (b) and, C a 2 Nb 3 O 10 nanosheet applied before the A 1 2 O 3 single crystal substrate A FM image (c) and (d) FIG. Figures 21 (a) and (c), and (b) and (d) show A FM images with different magnifications. Figures 21 (c) and (d) show a step with a period of about 200 nm, confirming that the surface of the A 12 O 3 single crystal substrate has atomic irregularities. On the other hand, the surface of the substrate for crystal growth consisting of C a 2 Nb 3 O 10 ZA 1 2 Oa single crystal substrate is C a 2 Nb 3 O 10 as shown in Fig. 2 (a) and (b). The nanosheet monolayer film is deformed at the atomic level so as to follow the steps shown in Fig. 21 (c) and (d), and the unevenness of the original A 1 2 O 3 single crystal substrate is It can be seen that it is directly reflected in the formed Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film. From this, it was shown that the nanosheet monolayer film can be provided even on a substrate having irregularities due to the structural flexibility of the nanosheet monolayer film obtained by peeling from the layered compound. As described above, according to Examples 1 to 4, by using a material having a two-dimensional square lattice (for example, CazNbaOLo) as a nanosheet monolayer film and adopting a sol-gel method, cubic and tetragonal systems can be obtained. alignment film material is obtained, the material (e.g., Mn0 2) having a two-dimensional hexagonal lattice as a nanosheet monolayer film using, by adopting a sol-gel method, to obtain an alignment film material of hexagonal I was able to do that.
また、 実施例 5〜 7により、 ナノシート単層膜としてナノシート単層膜とし て二次元正方形格子を有する材料 (例えば、 C a zNbaO^) を用い、 物理気
相成長法を採用することによって、 立方晶系および正方晶系の材料の配向膜が 得られ、 ナノシート単層膜として二次元六角形格子を有する材料 (例えば、 M n O 2および C s AW U O ) を用い、 物理気相成長法を採用することによって、 六方晶系の材料の配向膜を室温でも得ることができることが分かつた。 Further, according to Examples 5 to 7, a material having a two-dimensional square lattice (for example, C a zNbaO ^) is used as the nanosheet monolayer film as the nanosheet monolayer film. By adopting the phase growth method, alignment films of cubic and tetragonal materials can be obtained, and materials with a two-dimensional hexagonal lattice as a nanosheet monolayer film (for example, M n O 2 and C s AW UO It has been found that an alignment film of a hexagonal material can be obtained even at room temperature by using a physical vapor deposition method.
さらに、 実施例 8および 9によれば、 基材として熱安定の低いプラスチック 基板を用いることができること、 および、 凹凸を有する基材を用いることがで きることが示された。 以上の実施例 1〜9は、 例示であって、 本発明の結晶成 長用基板の構成 (基材とナノシート単層膜との組み合わせ)、 ならびに、 その上 に形成される配向膜はこれに限定されない。 産業上の利用可能性 Furthermore, according to Examples 8 and 9, it was shown that a plastic substrate with low thermal stability can be used as a base material, and that a base material having unevenness can be used. The above Examples 1 to 9 are exemplifications, and the configuration of the substrate for crystal growth of the present invention (combination of a base material and a nanosheet monolayer film) and an alignment film formed thereon are included in this. It is not limited. Industrial applicability
本発明による結晶成長用基板は、 基材と、 基材上に位置し、 層状化合物から 剥離されたナノシート単層膜とからなる。 このような結晶成長用基板は、 適宜 選択されたナノシート単層膜上に、 それとマッチングする配向膜を形成するこ とができる。 このような結晶成長用基板は、 配向膜の材料に応じて、 発光素子、 半導体素子、 強誘電体デバイス、 誘電体デバイス、 磁気デバイス等に利用可能 である。 また、 本発明による結晶成長用基板のナノシート単層膜は、 室温にて 容易に形成されるので、 熱安定性の低いプラスチック基板上にも適用される。 その結果、 安価であり大面積な結晶成長用基板を提供できる。 また、 本発明に よる結晶成長用基板は、 基材と配向膜とを隔てる安定な中間層 (例えば、 光触 媒の中間層) としても利用可能である。
The substrate for crystal growth according to the present invention comprises a base material and a nanosheet monolayer film located on the base material and peeled from the layered compound. In such a crystal growth substrate, an alignment film matching the nanosheet monolayer film appropriately selected can be formed. Such a substrate for crystal growth can be used for a light emitting element, a semiconductor element, a ferroelectric device, a dielectric device, a magnetic device, etc., depending on the material of the alignment film. In addition, since the nanosheet monolayer film of the crystal growth substrate according to the present invention is easily formed at room temperature, it is also applied to a plastic substrate with low thermal stability. As a result, an inexpensive and large area crystal growth substrate can be provided. The crystal growth substrate according to the present invention can also be used as a stable intermediate layer (for example, an intermediate layer of a photocatalyst) that separates the base material and the alignment film.
Claims
1.表面にバッファ層が形成されてなる結晶成長用基板であって、 1. A crystal growth substrate having a buffer layer formed on its surface,
前記バッファ層が二次元結晶からなるナノシート単層膜からなることを特徴 とする結晶成長用基板。 The crystal growth substrate, wherein the buffer layer is composed of a nanosheet monolayer film composed of a two-dimensional crystal.
2 . 請求の範囲第 1項に記載の結晶成長用基板において、 ナノシート単層膜は、 層状化合物から剥離されたものであることを特徴とする結晶成長用基板。 2. The crystal growth substrate according to claim 1, wherein the nanosheet monolayer film is peeled off from the layered compound.
3 . 請求の範囲第 2項に記載の結晶成長用基板において、 前記層状化合物は、 層状酸化物、 層状リン酸塩、 層状複水酸化物、 層状金属カルコゲナイト、 およ び、 層状ケィ酸塩からなる群から選択されることを特徴とする結晶成長用基板。 3. The substrate for crystal growth according to claim 2, wherein the layered compound is composed of a layered oxide, a layered phosphate, a layered double hydroxide, a layered metal chalcogenite, and a layered cate salt. A crystal growth substrate selected from the group consisting of:
4 . 請求の範囲第 3項に記載の結晶成長用基板において、 4. In the crystal growth substrate according to claim 3,
前記層状化合物は層状酸化物であり、 The layered compound is a layered oxide,
前記ナノシート単層膜は、 チタン酸ナノシート、 層状べロブスカイ トナノシ ート、 マンガン酸ナノシート、 ニオブ Zタンタル酸ナノシート、 チタンニオブ 酸ナノシート、 ルテニウム酸ナノシート、 および、 タングステン酸ナノシート の各単層膜からなる群から選択されることを特徴とする、 結晶成長用基板。 The nanosheet monolayer film is composed of a monolayer film of a titanate nanosheet, a layered berovskite nanosheet, a manganate nanosheet, a niobium Z tantalate nanosheet, a titanium niobate nanosheet, a ruthenate nanosheet, and a tungstate nanosheet. A substrate for crystal growth, which is selected.
5 . 請求の範囲第 4項に記載の結晶成長用基板において、 前記マンガン酸ナノ シート単層膜は、 M n O 2ナノシート単層膜であることを特徴とする、 結晶成長 用基板。 5. The crystal growth substrate according to claim 4, wherein the manganate nanosheet monolayer film is an MnO 2 nanosheet monolayer film.
6 . 請求の範囲第 4項に記載の結晶成長用基板において、 前記層状ぺロブス力 ィトナノシート単層膜は、 C a 2 N b 3 O 1 0ナノシート単層膜であることを特徵 とする、 結晶成長用基板。
6. The crystal growth substrate according to claim 4, wherein the layered perovsk force nanosheet monolayer film is a Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet monolayer film. Growth substrate.
7 . 請求の範囲第 3項に記載の結晶成長用基板において、 7. In the crystal growth substrate according to claim 3,
前記層状化合物は層状リン酸塩であり、 The layered compound is a layered phosphate;
前記ナノシート単層膜は、 リン酸ジルコニウムナノシート単層膜、 または、 リン酸バナジゥムナノシート単層膜であることを特徴とする、 結晶成長用基板。 The substrate for crystal growth, wherein the nanosheet monolayer film is a zirconium phosphate nanosheet monolayer film or a vanadium phosphate nanosheet monolayer film.
8 . 請求の範囲第 3項に記載の結晶成長用基板において、 8. In the crystal growth substrate according to claim 3,
前記層状化合物は層状複水酸化物であり、 The layered compound is a layered double hydroxide,
前記ナノシート単層膜は、 水酸化物ナノシート単層膜であることを特徴とす る、 結晶成長用基板。 . The substrate for crystal growth, wherein the nanosheet monolayer film is a hydroxide nanosheet monolayer film. .
9 . 請求の範囲第 3項に記載の結晶成長用基板において、 9. In the crystal growth substrate according to claim 3,
前記層状化合物は層状金属カルコゲナイト化合物であり、 The layered compound is a layered metal chalcogenite compound,
前記ナノシート単層膜は、 金属カルコゲナイ トナノシート単層膜であること を特徴とする、 結晶成長用基板。 The substrate for crystal growth, wherein the nanosheet monolayer film is a metal chalcogenide nanosheet monolayer film.
1 0 . 請求の範囲第 3項に記載の結晶成長用基板において、 1 0. In the crystal growth substrate according to claim 3,
前記層状化合物は層状ケィ酸塩であり、 The layered compound is a layered silicate;
前記ナノシート単層膜は、 スメクタイ ト系ナノシート単層膜であることを特 徴とする、 結晶成長用基板。 The substrate for crystal growth, wherein the nanosheet monolayer film is a smectite nanosheet monolayer film.
1 1 . 請求の範囲第 1項に記載の結晶成長用基板において、 前記バッファ層が 設けられた基材は、 ガラス、 金属、 半導体単結晶、 および、 プラスチックから なる群から選択されることを特徴とする結晶成長用基板。 1 1. The substrate for crystal growth according to claim 1, wherein the base material provided with the buffer layer is selected from the group consisting of glass, metal, semiconductor single crystal, and plastic. A crystal growth substrate.
1 2 . 請求の範囲第 1項から第 1 1項の何れか一項に記載の結晶成長用基板を 用いた結晶成長方法であって、 前記結晶成長用基板上に結晶成長する配向膜の 結晶面の格子長 aおよび b、 ならびに、 格子長 aおよび bがなす角 Θを所望の 関係となるように前記ナノシート単層膜の二次元格子形状が次表 Aの通りに設 定してあることを特徴とする結晶成長用基板を用いた結晶成長方法。
(表 A) 12. A crystal growth method using the crystal growth substrate according to any one of claims 1 to 11, wherein the crystal of the alignment film grows on the crystal growth substrate. The two-dimensional lattice shape of the nanosheet monolayer film is set as shown in the following table A so that the lattice lengths a and b of the surface and the angle Θ formed by the lattice lengths a and b have a desired relationship. A crystal growth method using a crystal growth substrate characterized by the above. (Table A)
格子長 aの関係 b 格子長 aおよび bがなす角 0 二次元格子形状 a = b 0 = 90° 正方形 a≠b 0 = 9 Οβ 長方形 a = b 0 = 120。 六角形 a≠b θ≠=90° 平行四辺形 Relation between lattice length a b Angle formed by lattice lengths a and b 0 Two-dimensional lattice shape a = b 0 = 90 ° Square a ≠ b 0 = 9 Ο β rectangle a = b 0 = 120. Hexagon a ≠ b θ ≠ = 90 ° Parallelogram
1 3. 請求の範囲第 5項に記載の結晶成長用基板を用いた結晶成長方法であつ て、 前記 ΜηΟ2ナノシート単層膜が形成されてなる結晶成長用基板上に Ζ ηθ を配向成長させることを特徴とする結晶成長用基板を用いた結晶成長方法。 1 3. shall apply in the crystal growth method using the crystal growth substrate according to claim 5, causing the Myuitaomikuron 2 nanosheet monolayer film oriented growth of Zeta Itashita to become formed crystal growth substrate A crystal growth method using the crystal growth substrate.
14. 請求の範囲第 6項に記載の結晶成長用基板を用いた結晶成長方法であつ て、 前記 C a 2N b 3Ο10ナノシート単層膜が形成されてなる結晶成長用基板上 に S r T i 03または T i O2を配向成長させることを特徴とする結晶成長用基 板を用いた結晶成長方法。 14. shall apply in claims 6 crystal growth method using the crystal growth substrate according to Section the C a 2 N b 3 Ο 10 S in nanosheet monolayer film is formed crystal growth substrate A crystal growth method using a crystal growth substrate, characterized by orientation-growing r T i 0 3 or T i O 2 .
1 5. 請求の範囲第 1 2項に記載の結晶成長用基板を用いた結晶成長方法 'あ つて、 ゾルゲル法、 液相ェピタキシャル成長法、 物理的気相成長法および化学 気相成長法からなる群から選択される方法を用いることを特徴とする、 結晶成 長方法。
1 5. Crystal growth method using the crystal growth substrate according to claim 1 'From sol-gel method, liquid phase epitaxy method, physical vapor deposition method and chemical vapor deposition method A crystal growth method, characterized in that a method selected from the group consisting of:
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