Synthesizing Process of Metal Oxides Nanostructured Materials from Aqueous Solutions

Abstract

1 ．はじめに 無機材料とりわけ金属酸化物材料は，各種機能性材料とし て広く用いられている。エレクトロニクス，磁性材料，各種 合成用触媒，エネルギー変換材料，耐熱材料などその用途は 多岐にわたっている。原材料と異なり機能性材料は一般に， その形状は非常に重要で，用途ならびに利用する機能に依存 して， 様々の形状で用いられる。その上， 用途によりバルク・ セラミックス，繊維，薄膜，ナノ粒子などのさまざまな形状 をとり機能を発現する範囲もマクロサイズからミクロ，ナノ サイズと幅広い。また，状態も単結晶，多結晶，非晶質，ガ ラスなどさまざまであり，局所，多相，多層構造，傾斜組成 を有するなど千差万別であると言えよう。 無機材料の中でも金属酸化物は高融点を有するため耐熱材 料として古くより用いられてきた。金属材料と異なり硬度も 高く，延性，展性も乏しく，その塑性加工は金属やポリマー と異なり容易ではない。そのため，セラミック技術を用い一 旦粉末として原料合成し，粉体の焼結を利用して形状化する か，もしくは非晶質化もしくはガラス化し軟化点を利用した 形状化が成されてきた。近年は光学材料の製造にゾル-ゲル 法や気相軸付け （VAD） 法のような各種の液体，気体の前駆体 （プレカーサー） からのバルク材料の合成法も開発されている。 薄膜材料に関しては，材料の軽薄短小化が強く求められる エレクトロニクス分野において主に活発な実用化の技術開発 がなされ，スパッター，CVD，蒸着など乾式製膜技術が大 きな進歩を遂げた。エレクトロニクス分野における機能性材 料の薄膜化・微細化への流れの中，複雑な微細配線や素子の 多層構造の作製に，液相もしくは気相エッチングによる微細 化プロセス （top-down process，break-down） が用いられてきた。 UV や X 線，電子線による感光性レジストを用いたリソグラ フィー （マスク・プロセス） の開発で大きく進歩した。一方， 製 膜 技 術 も 積 み 上 げ プ ロ セ ス （bottom-up process，build-up process） に分類される基板の表面形状に沿って成膜するオ ン・サーフェス・プロセス （on-surface process） が一般的となっ た。それらのハイブリッド・プロセスも用いられている。例 えば，オン・サーフェス・プロセスである金属めっき法とリ フ ト・ オ フ 法 を 巧 み に 組 み 合 わ せ た ダ マ シ ン プ ロ セ ス （damascene 法） は新しい配線の微細化プロセスとして広く用 いられるようになっている。 現在， 酸化物薄膜の調製には， 主に乾式法に分類されるスッ パター法，CVD，蒸着法などが用いられているが，複雑な 表面にも緻密な薄膜を均一に調製する方法として，近年，大 きなエネルギーを必要とせず，環境負荷も少ない溶液を用い るソフトプロセスとして「ソフト溶液プロセス （SSP：Soft Solution Process） 」が，環境・エネルギー問題への関心の高 まりとともに注目を集めるようになってきた。とりわけ，著 者らが開発してきた液相析出法 （LPD：Liquid Phase Deposition） は大面積，複雑形状表面への析出が可能であることから特徴 ある製膜法として注目されている。著者らは，その発展型で ある液相充填法 （LPI：Liquid Phase Infiltration） を，金属酸化 物の薄膜もしくはセラミックス様の多結晶ナノ構造体 （ナノ セラミックス） を調製法として提案している （図 1） 。各種基 板またはテンプレートを処理溶液に浸漬させることにより， 溶液内平衡反応を利用して基板上に自己析出・成長型の成膜 法で，湿式セラミックス製造法とも言える手法である。析出 メカニズムは異なるが金属の無電解めっきに類似した成膜法 である。 従来のセラミックスの概念では微細な粉体を焼結して形状 を与えるが，微細形状を従来の焼結法で調製しようとすると， 高温では微細化による融点，軟化点の低下が生じ，焼成時に 目的とする微細構造の破壊が生じる。一方，本法では，常温 で，かつ水溶液系から穏和な条件で調製するため，各種テン プレート （型） の利用が可能で，精度良く微細構造を有する材 料調製が可能になる。著者らは LPD 法・LPI 法により，様々 なスケールの規則構造や単分散な高次構造有するナノ構造セ ラミックスを調製することができることが明らかにしてきた。 水溶液からの酸化物ナノ構造材料の合成 出 来 成 人 a,b ，水 畑 穣 b a