WO2024024637A1 - デバイス並びにこれを備える水酸化物イオン濃度の測定装置及びこれを用いた水酸化物イオン濃度の測定方法 - Google Patents
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- G01N27/416—Systems
Definitions
- the present invention relates to a device in which the ease of current flow changes depending on the concentration of hydroxide ions (OH - ), and more specifically, the present invention relates to a device that changes the ease of current flow depending on the concentration of hydroxide ions (OH - ), and more specifically, The present invention relates to a measuring device and a measuring method for measuring (OH - ) concentration.
- Hydroxide ions are one of the basic and important substances in various fields including materials chemistry and life science. Chemical reactions, chemical equilibrium, and electrochemical phenomena cannot be understood without considering the presence and chemical behavior of hydroxide ions.
- Patent Document 1 discloses that hydroxide ions in a solution are separated by chromatography and the hydroxide ion concentration is measured using an electrical conductivity method or a light absorption method.
- a pH meter measures the hydrogen ion concentration based on the potential difference between a glass electrode and a reference electrode, and can measure the hydroxide ion concentration based on that value, making it easy and quick to measure. , the accuracy was not high.
- Patent Document 1 Although the method of separating hydroxide ions using a chromatograph disclosed in Patent Document 1 has high measurement accuracy, it is essential to create a separation column, and the separation column must be selected depending on the type of solvent and pH range. In addition, there were other issues such as the separation column being prone to cracks and requiring careful handling, the chromatograph being expensive, and the inability to perform measurements easily.
- the present invention provides a hydroxide ion concentration measuring device and measurement device that can easily and quickly measure hydroxide ion concentration with high precision and at a relatively low cost.
- the purpose is to provide a method.
- Another object of the present invention is to provide a device whose conductivity changes depending on the hydroxide ion concentration, which can be used in the hydroxide ion concentration measuring apparatus and method described above.
- the present invention was invented in order to solve the problems in the prior art as described above, and includes a device of the present invention, a hydroxide ion concentration measuring device equipped with the same, and a hydroxide ion concentration measuring device using the same.
- Methods for measuring concentration include those configured as follows.
- a device comprising an insulating substrate, at least one insulating composite layer, and a liquid storage portion capable of holding an ion-containing liquid,
- the insulating composite layer has a pair of electrodes and a semiconductor layer in contact with the pair of electrodes,
- a device comprising a layered double hydroxide layer having an OH - ion conductivity of 1 ⁇ 10 ⁇ 5 S/cm or more between the insulating composite layer and the liquid storage portion.
- the insulating composite layer further includes a third electrode, and The device according to [1], further comprising an insulating layer between the pair of electrodes and semiconductor layer and the third electrode.
- the layered double hydroxide layer is made of pyreneboronic acid, 1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester, or
- the general formula is [M II 1-x M' III x (OH) 2 ] x+
- M II is Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2 + , Cu 2+ , Zn 2+ and 2Li +
- M III is selected from the group consisting of Al 3+ , Mn 3+ , Fe 3+ , Co 3+ , Cr 3+ and Ni 3+
- the device according to any one of [1] to [6], which contains at least one selected hydroxide.
- a hydroxide ion concentration measuring device comprising the device according to any one of [1] to [11].
- the hydroxide ion concentration in a solution as a test object is easily and quickly measured with high accuracy using a device whose conductivity changes depending on the hydroxide ion (OH - ) concentration. be able to.
- FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a hydroxide ion concentration measuring device in this embodiment.
- FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the configuration of a hydroxide ion concentration measuring device in another embodiment.
- the hydroxide ion concentration measuring device and method of the present invention can be measured in the ion-containing liquid to be tested, such as river water, seawater, purified water, washing water, or factory wastewater. For example, it will become possible to constantly monitor the quality of these waters, contributing to universal and equal access to safe and inexpensive drinking water.
- FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a hydroxide ion concentration measuring device in this embodiment.
- the hydroxide ion concentration measuring device 50 of this embodiment includes an insulating substrate 12, at least one insulating composite layer 14, and a liquid storage section 16 capable of holding an ion-containing liquid.
- a device 10 is provided. Note that the device 10 configured as below can also be a semiconductor element such as a field effect transistor (FET) or a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), for example.
- FET field effect transistor
- MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
- the insulating substrate 12 is, for example, a substrate made of an insulating material such as glass or ceramics.
- the insulating composite layer 14 includes a pair of electrodes (a first electrode 141 and a second electrode 142) and a semiconductor layer 144 in contact with the pair of electrodes 141 and 142.
- a layered double hydroxide layer 18 is provided between the insulating composite layer 14 and the liquid storage portion 16.
- the layered double hydroxide layer 18 contacts the ion-containing liquid L held in the liquid storage portion 16 and conducts hydroxide ions (OH ⁇ ) contained in the ion-containing liquid L.
- the OH - ion conductivity of the layered double hydroxide layer 18 in this embodiment is 1 ⁇ 10 ⁇ 5 S/cm or more, more preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 4 S/cm or more, and even more preferably 5.0 ⁇ 10 ⁇ 4 S/cm or more, most preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 3 S/cm or more. Note that there is no particular upper limit for the OH - ion conductivity of the layered double hydroxide layer 18, but 1.0 ⁇ 10 S/cm is common.
- a protective layer 20 is provided between the layered double hydroxide layer 18 and the semiconductor layer 144, and the layered double hydroxide layer 18 and the electrodes 141, 142 are connected to, for example, a partition part of the liquid storage section 16. It is electrically insulated by 16a.
- layered double hydroxide layer 18 pyreneboronic acid, 1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester, or
- the general formula of the layered double hydroxide layer 18 is [M II 1-x M' III x (OH) 2 ] x+
- M II is Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Fe 2 + , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ and 2Li +
- M III is Al 3+ , Mn 3+ , Fe 3+ , Co 3+ , Cr 3+
- the field effect mobility of the semiconductor layer 144 is preferably 20 cm 2 /Vs or more, and particularly preferably 60 cm 2 /Vs or more.
- the semiconductor layer 144 may contain at least one of oxygen, sulfur, nitrogen, boron, and carbon. Moreover, it is preferable that the semiconductor layer 144 further contains at least one of indium, zinc, tin, or a Group 13 element.
- the semiconductor layer 144 may include at least one of graphene, carbon nanotubes, boron nitride, metal dichalcogenide, and phosphorene. More specifically, as the semiconductor layer 144, for example, IZO (Indium-Zinc-Oxide) such as Ta-IZO can be used.
- IZO Indium-Zinc-Oxide
- the thickness of the semiconductor layer 144 is thinner, the change in the conductivity of the surface layer becomes larger, so as will be described later, the change in the moving charges becomes larger, and the measurement accuracy improves.
- the thickness of such a semiconductor layer 144 is preferably 0.5 ⁇ m or less, more preferably 0.1 ⁇ m or less, and particularly preferably 0.05 ⁇ m or less. Note that there is no particular regulation for the lower limit of the thickness of the semiconductor layer 144, but it is generally 0.005 ⁇ m or more.
- the surface 144a of the semiconductor layer 144 on the layered double hydroxide layer 18 side is as smooth as possible. If the surface 144a of the semiconductor layer 144 is not smooth, for example, a gap may be formed between the semiconductor layer 144 and the layered double hydroxide layer 18, or a gap may be formed between the semiconductor layer 144 and the layered double hydroxide layer 18. The adhesion between the semiconductor layer 144 and the semiconductor layer 144 deteriorates, and current flows only through a portion of the surface 144a of the semiconductor layer 144. As a result, measurement accuracy decreases and operation becomes unstable.
- the maximum height Sz of the surface 144a of the semiconductor layer 144 is preferably 0.05 ⁇ m or less, more preferably 0.01 ⁇ m or less, and most preferably 0.003 ⁇ m or less. Although there is no particular regulation for the lower limit of this maximum height Sz, it is generally 0.0005 ⁇ m or more.
- the arithmetic mean height Sa of the surface 144a of the semiconductor layer 144 on the layered double hydroxide layer 18 side is preferably 0.03 ⁇ m or less, more preferably 0.005 ⁇ m or less, and 0.002 ⁇ m or less. Most preferably. Although there is no particular regulation for the lower limit of this arithmetic mean height Sa, it is generally 0.0002 ⁇ m or more.
- the maximum height Sz and the arithmetic mean height Sa are surface roughness parameters defined in ISO25178, and such parameters can be measured using, for example, a 3D surface roughness profile measuring machine (manufactured by Zygo, NexView). It can be measured by etc. Note that the measurement conditions in this case are preferably performed in accordance with the following.
- Measurement is performed in accordance with ISO25178 under the conditions of a 50x objective lens, a 20x zoom lens, and a measurement range of 89 ⁇ m x 87 ⁇ m.
- a roughness curve with a range of 3 ⁇ m x 3 ⁇ m was extracted from the obtained three-dimensional surface shape, and the roughness curve was corrected under the following correction conditions using the analysis program "Mx" attached to the 3D surface roughness shape measuring machine. and calculate the maximum height Sz and the arithmetic mean height Sa.
- the protective layer 20 is provided to protect the semiconductor layer 144 from the ion-containing liquid L.
- the semiconductor layer 144 can be prevented from being corroded, and the durability and reliability of the semiconductor layer 144 can be improved.
- the material of the protective layer 20 any known insulating material can be used, and a corrosion-resistant material is preferable.
- the material is Ta 2 O 5 , Si 3 N 4 , SiO 2 , etc., and the thickness is preferably 0.01 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less, more preferably 0.03 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
- the insulating composite layer 14 further includes a third electrode 143.
- a third electrode 143 With such a configuration, by applying a voltage from the third electrode 143, it is possible to increase the current flowing between the first electrode 141 and the second electrode 142, and improve measurement accuracy.
- an insulating layer 145 is provided between the pair of electrodes 141 and 142 and the semiconductor layer 144 and the third electrode 143.
- the material of the insulating layer 145 any known material can be used as long as it can be electrically insulated.
- various ceramics and resins can be used, and the thickness is preferably 0.01 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less. More preferably, the thickness is 0.03 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
- the measuring device 50 of this embodiment also includes a variable voltage source 32 for applying a voltage between the first electrode 141 and the second electrode 142, and a variable voltage source 32 for applying a voltage between the first electrode 141 and the third electrode 143.
- the ease with which current flows through the semiconductor layer 144 changes depending on the OH ⁇ ion concentration of the ion-containing liquid L held in the liquid storage portion 16. Specifically, the greater the amount of OH - conducted through the layered double hydroxide layer 18, the easier the current flows through the semiconductor layer 144.
- the variable voltage source 32 is used to connect the first electrode 141 and the second electrode 142 with the ion-containing liquid L, which is the subject, stored in the liquid storage section 16.
- a predetermined voltage for example, about 1V to 10V, is applied, and the voltage applied between the first electrode 141 and the third electrode 143 is gradually increased by the variable voltage source 34, and the voltage is measured by the ammeter 36.
- the voltage value (V TH ) between the first electrode 141 and the third electrode 143 is measured by the voltmeter 38 when the current flowing between the first electrode 141 and the second electrode 142 reaches a predetermined current value. do.
- the OH - of a subject whose ion-containing liquid L has an unknown OH - ion concentration can be calculated. Ion concentration can be measured.
- the variable voltage source 32 is used to generate a voltage between the first electrode 141 and the second electrode 142.
- the current value (I DS ) of the current flowing between the first electrode 141 and the second electrode 142, that is, the semiconductor layer 144, is measured with the ammeter 36 while applying a predetermined voltage, for example, a voltage of about 1 V. You can also.
- FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the configuration of a hydroxide ion concentration measuring device in another embodiment.
- the hydroxide ion concentration measuring device 50 shown in FIG. 2 basically has the same configuration as the hydroxide ion concentration measuring device 50 shown in FIG. The detailed explanation will be omitted.
- the device 10 does not include the third electrode 143 and the insulating layer 145.
- the voltage value is applied between the first electrode 141 and the second electrode 142 by the variable voltage source 32.
- the current value (I DS ) of the current flowing between the first electrode 141 and the second electrode 142, that is, the semiconductor layer 144 is measured by the ammeter 36, Using the calibration curve of the current value I DS and the ion-containing liquid L whose OH - ion concentration is known, the OH - ion concentration of the ion-containing liquid L, which is a test subject and whose OH - ion concentration is unknown, is measured. Can be done.
- Device 12 Insulating substrate 14 Insulating composite layer 141 First electrode 142 Second electrode 143 Third electrode 144 Semiconductor layer 144a Surface 145 Insulating layer 16 Liquid storage part 16a Partition part 18 Layered double hydroxide layer 20 Protective layer 32 Variable voltage source 34 Variable voltage source 36 Ammeter 38 Voltmeter 50 Measuring device L Ion-containing liquid
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Abstract
［課題］水酸化物イオン濃度を高精度で容易かつ迅速に測定することができるとともに、比較的安価に測定することができる水酸化物イオン濃度の測定装置及び測定方法を提供する。 ［解決手段］絶縁基板と、少なくとも一つの絶縁複合層と、イオン含有液を保持可能な貯液部とを有し、絶縁複合層は、一対の電極と、該一対の電極と接触する半導体層と、を有し、絶縁複合層と貯液部との間に、ＯＨ-イオン導電率が１×１０-5Ｓ／ｃｍ以上の層状複水酸化物層を備える。
Description
本発明は、水酸化物イオン（ＯＨ-）濃度に応じて電流の流れやすさが変化するデバイスに関し、より具体的には、このような導電率の変化に基づいて被験体の水酸化物イオン（ＯＨ-）濃度を測定する測定装置及び測定方法に関する。
水酸化物イオン（ＯＨ-）は、材料化学や生命科学をはじめ、様々な分野において基本的で重要な物質の一つである。この水酸化物イオンの存在及び化学的挙動を考慮せずに、化学反応、化学平衡、電気化学現象を理解することはできない。
このような水酸化物イオンの濃度を測定する方法としては、従来、ｐＨ滴定法やｐＨメータを用いた方法などが知られている。
また、特許文献１では、溶液中の水酸化物イオンをクロマトグラフにより分離して、電気伝導度法や光吸光度法を用いて水酸化物イオン濃度を測定することが開示されている。
また、特許文献１では、溶液中の水酸化物イオンをクロマトグラフにより分離して、電気伝導度法や光吸光度法を用いて水酸化物イオン濃度を測定することが開示されている。
ｐＨ滴定法は、高精度に水酸化物イオン濃度を測定することができるが、正確に滴定を行うためには熟練をようするため簡便かつ正確に測定することができなかった。
ｐＨメータは、ガラス電極と比較電極との間の電位差によって水素イオン濃度を測定し、その値をもとに水酸化物イオン濃度を測定することができ、容易かつ迅速に測定することができるが、精度は高いものではなかった。
ｐＨメータは、ガラス電極と比較電極との間の電位差によって水素イオン濃度を測定し、その値をもとに水酸化物イオン濃度を測定することができ、容易かつ迅速に測定することができるが、精度は高いものではなかった。
また、特許文献１に開示されるクロマトグラフにより水酸化物イオンを分離する方法では、測定精度は高いものの、分離カラムの作成が必須であって溶媒の種類やｐＨ範囲によって分離カラムの選択が必要であり、また、分離カラムに割れなどが生じやすく扱いに注意が必要なこと、クロマトグラフが高価であること、簡便に測定することができないことなどが課題となっていた。
本発明では、このような現状に鑑み、水酸化物イオン濃度を高精度で容易かつ迅速に測定することができるとともに、比較的安価に測定することができる水酸化物イオン濃度の測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
また、本発明では、上述するような水酸化物イオン濃度の測定装置及び測定方法で用いることができる、水酸化物イオン濃度に応じて導電率の変化するデバイスを提供することを目的とする。
本発明は、上述するような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明のデバイス並びにこれを備える水酸化物イオン濃度の測定装置及びこれを用いた水酸化物イオン濃度の測定方法は、以下のように構成されたものを含む。
［１］ 絶縁基板と、少なくとも一つの絶縁複合層と、イオン含有液を保持可能な貯液部と、を有するデバイスであって、
前記絶縁複合層は、一対の電極と、該一対の電極と接触する半導体層と、を有し、
前記絶縁複合層と前記貯液部との間に、ＯＨ-イオン導電率が１×１０-5Ｓ／ｃｍ以上の層状複水酸化物層を備える、デバイス。
前記絶縁複合層は、一対の電極と、該一対の電極と接触する半導体層と、を有し、
前記絶縁複合層と前記貯液部との間に、ＯＨ-イオン導電率が１×１０-5Ｓ／ｃｍ以上の層状複水酸化物層を備える、デバイス。
［２］ 前記絶縁複合層が、第３電極をさらに備えるとともに、
前記一対の電極及び半導体層と、前記第３電極との間に絶縁層を備える、［１］に記載のデバイス。
前記一対の電極及び半導体層と、前記第３電極との間に絶縁層を備える、［１］に記載のデバイス。
［３］ 前記半導体層の電界効果移動度が２０ｃｍ2／Ｖｓ以上である、［１］または
［２］に記載のデバイス。
［２］に記載のデバイス。
［４］ 前記半導体層が、酸素、硫黄、窒素、ホウ素又は炭素のうち少なくともいずれか一種を含む、［１］から［３］のいずれかに記載のデバイス。
［５］ 前記半導体層が、インジウム、亜鉛、錫又は第１３族元素のうち少なくともいずれか一種を含む、［４］に記載のデバイス。
［６］ 前記半導体層が、グラフェン、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド又はホスホレンのうち少なくともいずれか一種を含む、［１］から［５］のいずれかに記載のデバイス。
［７］ 前記層状複水酸化物層が、ピレンボロン酸、１－ピレン酪酸Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル、または、
一般式が、［ＭII 1-xＭ'III x（ＯＨ）2］x+であって、ＭIIが、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｍｎ2+、Ｆｅ2+、Ｃｏ2+、Ｎｉ2+、Ｃｕ2+、Ｚｎ2+及び２Ｌｉ+から成る群から選択され、ＭIIIが、Ａｌ3+、Ｍｎ3+、Ｆｅ3+、Ｃｏ3+、Ｃｒ3+及びＮｉ3+から成る群から選択される水酸化物、のうち少なくともいずれか一種を含む、［１］から［６］のいずれかに記載のデバイス。
一般式が、［ＭII 1-xＭ'III x（ＯＨ）2］x+であって、ＭIIが、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｍｎ2+、Ｆｅ2+、Ｃｏ2+、Ｎｉ2+、Ｃｕ2+、Ｚｎ2+及び２Ｌｉ+から成る群から選択され、ＭIIIが、Ａｌ3+、Ｍｎ3+、Ｆｅ3+、Ｃｏ3+、Ｃｒ3+及びＮｉ3+から成る群から選択される水酸化物、のうち少なくともいずれか一種を含む、［１］から［６］のいずれかに記載のデバイス。
［８］ 前記層状複水酸化物層と、前記半導体層との間に保護層を有する、［１］から
［７］のいずれかに記載のデバイス。
［７］のいずれかに記載のデバイス。
［９］ 前記半導体層の厚さが、０．５μｍ以下である、［１］から［８］のいずれかに記載のデバイス。
［１０］ 前記半導体層の前記層状複水酸化物層側の表面の最大高さＳｚが０．０５μｍ以下である、［１］から［９］のいずれかに記載のデバイス。
［１１］ 前記半導体層の前記層状複水酸化物層側の表面の算術平均高さＳａが０．０３μｍ以下である、［１］から［１０］のいずれかに記載のデバイス。
［１２］ ［１］から［１１］のいずれかに記載のデバイスを備える、水酸化物イオン濃度の測定装置。
［１３］ ［１］から［１１］のいずれかに記載のデバイスを用いた、水酸化物イオン濃度の測定方法。
［１４］ 河川水、海水、浄水、洗浄水または工場排水のいずれかの水酸化物イオン濃度を測定する、［１３］に記載の水酸化物イオン濃度の測定方法。
本発明によれば、水酸化物イオン（ＯＨ-）濃度に応じて導電率の変化するデバイスを用いて、被験体である溶液中の水酸化物イオン濃度を高精度で容易かつ迅速に測定することができる。
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
なお、本発明の水酸化物イオン濃度の測定装置及び測定方法では、被験体であるイオン含有液として、例えば、河川水、海水、浄水、洗浄水または工場排水などの水酸化物イオン濃度を測定することができ、例えば、これらの水質の常時監視などが可能となり、安全で安価な飲料水の普遍的かつ平等なアクセスにも貢献しうる。
なお、本発明の水酸化物イオン濃度の測定装置及び測定方法では、被験体であるイオン含有液として、例えば、河川水、海水、浄水、洗浄水または工場排水などの水酸化物イオン濃度を測定することができ、例えば、これらの水質の常時監視などが可能となり、安全で安価な飲料水の普遍的かつ平等なアクセスにも貢献しうる。
図１は、本実施形態における水酸化物イオン濃度の測定装置の構成を説明するための模式図である。
図１に示すように、本実施形態の水酸化物イオン濃度の測定装置５０は、絶縁基板１２と、少なくとも一つの絶縁複合層１４と、イオン含有液を保持可能な貯液部１６とを有するデバイス１０を備えている。なお、以下のように構成されるデバイス１０は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの半導体素子とすることもできる。
図１に示すように、本実施形態の水酸化物イオン濃度の測定装置５０は、絶縁基板１２と、少なくとも一つの絶縁複合層１４と、イオン含有液を保持可能な貯液部１６とを有するデバイス１０を備えている。なお、以下のように構成されるデバイス１０は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの半導体素子とすることもできる。
絶縁基板１２は、例えば、ガラスやセラミックスなど絶縁性を有する材料からなる基板である。
絶縁複合層１４は、一対の電極（第１電極１４１及び第２電極１４２）と、一対の電極１４１，１４２と接触する半導体層１４４を有する。
また、絶縁複合層１４と貯液部１６との間には、層状複水酸化物層１８を備えている。層状複水酸化物層１８は、貯液部１６に保持されたイオン含有液Ｌと接触し、イオン含有液Ｌに含まれる水酸化物イオン（ＯＨ-）を伝導する。本実施形態における層状複水酸化物層１８のＯＨ-イオン伝導率は１×１０-5Ｓ／ｃｍ以上であり、より好ましくは１×１０-4Ｓ／ｃｍ以上、さらに好ましくは５．０×１０-4Ｓ／ｃｍ以上、最も好ましくは１×１０-3Ｓ／ｃｍ以上である。なお、層状複水酸化物層１８のＯＨ-イオン伝導率の上限値は特にないが、１．０×１０Ｓ／ｃｍが一般的である。
また、層状複水酸化物層１８と半導体層１４４との間には、保護層２０を備えており、層状複水酸化物層１８と電極１４１，１４２は、例えば、貯液部１６の仕切部１６ａにより電気的に絶縁されている。
また、層状複水酸化物層１８としては、ピレンボロン酸、１－ピレン酪酸Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル、または、
層状複水酸化物層１８の一般式が、［ＭII 1-xＭ'III x（ＯＨ）2］x+であって、ＭIIが、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｍｎ2+、Ｆｅ2+、Ｃｏ2+、Ｎｉ2+、Ｃｕ2+、Ｚｎ2+及び２Ｌｉ+から成る群から選択され、ＭIIIが、Ａｌ3+、Ｍｎ3+、Ｆｅ3+、Ｃｏ3+、Ｃｒ3+及びＮｉ3+から成る群から選択される水酸化物、のうち少なくともいずれか一種を含むことが好ましい。
層状複水酸化物層１８の一般式が、［ＭII 1-xＭ'III x（ＯＨ）2］x+であって、ＭIIが、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｍｎ2+、Ｆｅ2+、Ｃｏ2+、Ｎｉ2+、Ｃｕ2+、Ｚｎ2+及び２Ｌｉ+から成る群から選択され、ＭIIIが、Ａｌ3+、Ｍｎ3+、Ｆｅ3+、Ｃｏ3+、Ｃｒ3+及びＮｉ3+から成る群から選択される水酸化物、のうち少なくともいずれか一種を含むことが好ましい。
また、半導体層１４４は、電界効果移動度が２０ｃｍ2／Ｖｓ以上であることが好ましく、特に６０ｃｍ2／Ｖｓ以上であることがさらに好ましい。
半導体層１４４は、酸素、硫黄、窒素、ホウ素又は炭素のうち少なくともいずれか一種を含むことができる。また、半導体層１４４は、インジウム、亜鉛、錫又は第１３族元素のうち少なくともいずれか一種をさらに含むことが好ましい。
このような半導体層１４４としては、グラフェン、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド又はホスホレンのうち少なくともいずれか一種を含むことができる。
半導体層１４４としては、より具体的には、例えば、Ｔａ－ＩＺＯなどのＩＺＯ（Indium-Zinc-Oxide）を用いることができる。
半導体層１４４としては、より具体的には、例えば、Ｔａ－ＩＺＯなどのＩＺＯ（Indium-Zinc-Oxide）を用いることができる。
また、半導体層１４４の厚さとしては、薄いほど表層の導電率の変化が大きくなるため、後述するように移動する電荷の変化が大きくなり、測定精度が向上する。このような半導体層１４４の厚さは、０．５μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以下であることがさらに好ましく、０．０５μｍ以下であることが特に好ましい。なお、半導体層１４４の厚さの下限値の規定は特にないが、０．００５μｍ以上が一般的である。
また、半導体層１４４の層状複水酸化物層１８側の表面１４４ａはなるべく平滑な方が好ましい。半導体層１４４の表面１４４ａが平滑ではない場合、例えば、保護層２０との間に隙間が生じたり、保護層２０が不連続に形成されたりして、半導体層１４４と層状複水酸化物層１８との密着性が低下してしまい、半導体層１４４の表面１４４ａの一部にのみ電流が流れるようになってしまう。このため、測定精度が低下したり、動作が不安定になってしまう。
具体的には、半導体層１４４の表面１４４ａの最大高さＳｚが０．０５μｍ以下であることが好ましく、０．０１μｍ以下であることがさらに好ましく、０．００３μｍ以下であることが最も好ましい。この最大高さＳｚの下限値の規定は特にないが、０．０００５μｍ以上が一般的である。また、半導体層１４４の層状複水酸化物層１８側の表面１４４ａの算術平均高さＳａが０．０３μｍ以下であることが好ましく、０．００５μｍ以下であることがさらに好ましく、０．００２μｍ以下であることが最も好ましい。この算術平均高さＳａの下限値の規定は特にないが、０．０００２μｍ以上が一般的である。
ここで、最大高さＳｚ及び算術平均高さＳａは、ＩＳＯ２５１７８で規定される面粗さのパラメータであり、このようなパラメータは、例えば、３Ｄ表面粗さ形状測定機（Ｚｙｇｏ社製、ＮｅｘＶｉｅｗ）などによって測定することができる。なお、この場合の測定条件は、下記に従って行うことが好ましい。
ＩＳＯ２５１７８に準拠して、対物レンズ５０倍、ズームレンズ２０倍、測定範囲８９μｍ×８７μｍの条件にて測定する。得られた三次元表面形状から、範囲３μｍ×３μｍの粗さ曲線を抽出し、３Ｄ表面粗さ形状測定機に付属する解析プログラム「Ｍｘ」により、下記の補正条件にて粗さ曲線の補正を行い、最大高さＳｚ及び算術平均高さＳａを算出する。
＜補正条件＞
－Ｒｅｍｏｖｅ：Ｆｏｒｍ Ｒｅｍｏｖｅ
－Ｆｉｌｔｅｒ Ｔｙｐｅ：Ｓｐｌｉｎｅ
－Ｆｉｌｔｅｒ：Ｌｏｗ Ｐａｓｓ
－Ｔｙｐｅ：Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｓｐｌｉｎｅ Ａｕｔｏ
－Ｒｅｍｏｖｅ：Ｆｏｒｍ Ｒｅｍｏｖｅ
－Ｆｉｌｔｅｒ Ｔｙｐｅ：Ｓｐｌｉｎｅ
－Ｆｉｌｔｅｒ：Ｌｏｗ Ｐａｓｓ
－Ｔｙｐｅ：Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｓｐｌｉｎｅ Ａｕｔｏ
また、保護層２０は、イオン含有液Ｌから半導体層１４４を保護するために設けるものである。保護層２０を設けることによって、半導体層１４４が腐食されることなどを防止し、半導体層１４４の耐久性や信頼性を向上させることができる。保護層２０の材質としては、絶縁性のあるものであれば公知のものを適用でき、耐腐食性のあるものが好ましい。例えば、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2などであり、厚さは０．０１μｍ以上０．５μｍ以下が好ましく、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下がより好ましい。
また、本実施形態では、絶縁複合層１４が第３電極１４３をさらに備えている。このような構成として、第３電極１４３から電圧を印加することにより、第１電極１４１と第２電極１４２との間に流れる電流を上昇させ、測定精度を高めることが可能となる。また、一対の電極１４１，１４２及び半導体層１４４は、第３電極１４３との間には絶縁層１４５を備える。絶縁層１４５の材質としては、電気的に絶縁できるものであれば公知のものを適用でき、例えば、各種のセラミックスや樹脂などを使用でき、厚さは０．０１μｍ以上０．５μｍ以下が好ましく、０．０３μｍ以上０．２μｍ以下がより好ましい。
また、本実施形態の測定装置５０は、第１電極１４１と第２電極１４２との間に電圧を印加するための可変電圧源３２、第１電極１４１と第３電極１４３との間に電圧を印加するための可変電圧源３４、第１電極１４１と第２電極１４２との間の電流値を測定するための電流計３６、第１電極１４１と第３電極１４３との間の電圧値を測定するための電圧計３８とを備えている。
このように構成された本実施形態のデバイス１０では、貯液部１６に保持されたイオン含有液ＬのＯＨ-イオン濃度に応じて、半導体層１４４の電流の流れやすさが変化する。具体的には、層状複水酸化物層１８を伝導するＯＨ-の量が多くなるほど、半導体層１４４には電流が流れやすくなる。
このため、本実施形態の測定装置５０では、貯液部１６に被験体であるイオン含有液Ｌを貯留させた状態で、可変電圧源３２によって第１電極１４１と第２電極１４２との間に所定の電圧、例えば、１Ｖ～１０Ｖ程度の電圧を印加させるとともに、可変電圧源３４によって第１電極１４１と第３電極１４３との間に印加させる電圧を徐々に大きくしていき、電流計３６によって第１電極１４１と第２電極１４２との間に流れる電流が所定の電流値になった際の第１電極１４１と第３電極１４３との間の電圧値（ＶTH）を電圧計３８によって測定する。
ＯＨ-イオン濃度が既知のイオン含有液Ｌについて、この電圧値ＶTHとの対応を検量線として作成しておくことにより、ＯＨ-イオン濃度が未知のイオン含有液Ｌである被験体のＯＨ-イオン濃度を測定することができる。
また、本実施形態の測定装置５０では、貯液部１６に被験体であるイオン含有液Ｌを貯留させた状態で、可変電圧源３２によって第１電極１４１と第２電極１４２との間に、所定の電圧、例えば、１Ｖ程度の電圧を印加させた状態で、電流計３６によって第１電極１４１と第２電極１４２との間、すなわち半導体層１４４に流れる電流の電流値（ＩDS）を測定することもできる。
この電流値ＩDSと、ＯＨ-イオン濃度が既知のイオン含有液Ｌとの検量線を事前に作成しておくことにより、ＯＨ-イオン濃度が未知である被験体であるイオン含有液ＬのＯＨ-イオン濃度を測定することができる。
図２は、別の実施形態における水酸化物イオン濃度の測定装置の構成を説明するための模式図である。
図２に示す水酸化物イオン濃度の測定装置５０は、基本的には、図１に示す水酸化物イオン濃度の測定装置５０と同様な構成であり、同様な構成要素には、同じ符合を付して、その詳細な説明を省略する。
図２に示す水酸化物イオン濃度の測定装置５０は、基本的には、図１に示す水酸化物イオン濃度の測定装置５０と同様な構成であり、同様な構成要素には、同じ符合を付して、その詳細な説明を省略する。
本実施形態の水酸化物イオン濃度の測定装置５０では、デバイス１０が第３電極１４３及び絶縁層１４５を備えていない。
このような構成の場合も、貯液部１６に被験体であるイオン含有液Ｌを貯留させた状態で、可変電圧源３２によって第１電極１４１と第２電極１４２との間に、上記電圧値ＶTHよりも小さい所定の電圧を印加させた状態で、電流計３６によって第１電極１４１と第２電極１４２との間、すなわち半導体層１４４に流れる電流の電流値（ＩDS）を測定し、電流値ＩDSと、ＯＨ-イオン濃度が既知のイオン含有液Ｌとの検量線を用いて、ＯＨ-イオン濃度が未知である被験体であるイオン含有液ＬのＯＨ-イオン濃度を測定することができる。
このような構成の場合も、貯液部１６に被験体であるイオン含有液Ｌを貯留させた状態で、可変電圧源３２によって第１電極１４１と第２電極１４２との間に、上記電圧値ＶTHよりも小さい所定の電圧を印加させた状態で、電流計３６によって第１電極１４１と第２電極１４２との間、すなわち半導体層１４４に流れる電流の電流値（ＩDS）を測定し、電流値ＩDSと、ＯＨ-イオン濃度が既知のイオン含有液Ｌとの検量線を用いて、ＯＨ-イオン濃度が未知である被験体であるイオン含有液ＬのＯＨ-イオン濃度を測定することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
１０ デバイス
１２ 絶縁基板
１４ 絶縁複合層
１４１ 第１電極
１４２ 第２電極
１４３ 第３電極
１４４ 半導体層
１４４ａ 表面
１４５ 絶縁層
１６ 貯液部
１６ａ 仕切部
１８ 層状複水酸化物層
２０ 保護層
３２ 可変電圧源
３４ 可変電圧源
３６ 電流計
３８ 電圧計
５０ 測定装置
Ｌ イオン含有液
１２ 絶縁基板
１４ 絶縁複合層
１４１ 第１電極
１４２ 第２電極
１４３ 第３電極
１４４ 半導体層
１４４ａ 表面
１４５ 絶縁層
１６ 貯液部
１６ａ 仕切部
１８ 層状複水酸化物層
２０ 保護層
３２ 可変電圧源
３４ 可変電圧源
３６ 電流計
３８ 電圧計
５０ 測定装置
Ｌ イオン含有液
Claims (14)
- 絶縁基板と、少なくとも一つの絶縁複合層と、イオン含有液を保持可能な貯液部と、を有するデバイスであって、
前記絶縁複合層は、一対の電極と、該一対の電極と接触する半導体層と、を有し、
前記絶縁複合層と前記貯液部との間に、ＯＨ-イオン導電率が１×１０-5Ｓ／ｃｍ以上の層状複水酸化物層を備える、デバイス。 - 前記絶縁複合層が、第３電極をさらに備えるとともに、
前記一対の電極及び半導体層と、前記第３電極との間に絶縁層を備える、請求項１に記載のデバイス。 - 前記半導体層の電界効果移動度が２０ｃｍ2／Ｖｓ以上である、請求項１に記載のデバイス。
- 前記半導体層が、酸素、硫黄、窒素、ホウ素又は炭素のうち少なくともいずれか一種を含む、請求項１に記載のデバイス。
- 前記半導体層が、インジウム、亜鉛、錫又は第１３族元素のうち少なくともいずれか一種を含む、請求項４に記載のデバイス。
- 前記半導体層が、グラフェン、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素、金属ジカルコゲナイド又はホスホレンのうち少なくともいずれか一種を含む、請求項４に記載のデバイス。
- 前記層状複水酸化物層が、ピレンボロン酸、１－ピレン酪酸Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル、または、
一般式が、［ＭII 1-xＭ'III x（ＯＨ）2］x+であって、ＭIIが、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｍｎ2+、Ｆｅ2+、Ｃｏ2+、Ｎｉ2+、Ｃｕ2+、Ｚｎ2+及び２Ｌｉ+から成る群から選択され、Ｍ'IIIが、Ａｌ3+、Ｍｎ3+、Ｆｅ3+、Ｃｏ3+、Ｃｒ3+及びＮｉ3+から成る群から選択される水酸化物、のうち少なくともいずれか一種を含む、請求項１に記載のデバイス。 - 前記層状複水酸化物層と、前記半導体層との間に保護層を有する、請求項１に記載のデバイス。
- 前記半導体層の厚さが、０．５μｍ以下である、請求項１に記載のデバイス。
- 前記半導体層の前記層状複水酸化物層側の表面の最大高さＳｚが０．０５μｍ以下である、請求項１に記載のデバイス。
- 前記半導体層の前記層状複水酸化物層側の表面の算術平均高さＳａが０．０３μｍ以下である、請求項１に記載のデバイス。
- 請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイスを備える、水酸化物イオン濃度の測定装置。
- 請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイスを用いた、水酸化物イオン濃度の測定方法。
- 河川水、海水、浄水、洗浄水または工場排水のいずれかの水酸化物イオン濃度を測定する、請求項１３に記載の水酸化物イオン濃度の測定方法。
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2023
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