固体基板上のナノパターンを鋳型とする金属酸化物ナノ中空構造の合成と形状デザイン

使用固体基底上的纳米图案作为模板的金属氧化物纳米空心结构的合成和形状设计

基本信息

批准号：
15710099
负责人：
藤川茂紀
金额：
$ 2.24万
依托单位：
The Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

マイクロリアクターなどへ応用が期待されるナノサイズの中空構造体は、主に鋳型合成法により作成される。中空構造体の機能は、その形状・サイズに大きく依存するため、形状デザインは極めて重要な検討課題である。しかしながら従来法では、複雑な構造をもつナノ鋳型を、溶液中で直接作成することは困難であっため、形状設計に大きな制約があった。そこで本研究では鋳型として基板上に作成されたナノ構造に着目しそれを薄膜で被覆後(surface covering)、鋳型除去によって中空構造(構造のpositive copy)を作成するというアプローチを検討した。薄膜形成手法として、表面ゾルゲル法を採用した。その結果、基板上に配列したナノ粒子をチタニア超薄膜で被覆後、鋳型粒子の除去にナノ中空構造作成に成功した。固体基板上で2次元あるいは3次元的にヘキサゴナル配列した粒子を用いた場合でも、その配列を反映した、中空ナノ構造体が形成された。さらにリソグラフィーで作成された縦400nm,横200nm〜1.5μmの断面を持つ矩形ナノライン構造や、直径1.5μm〜500nm、高さ400nmの穴構造を鋳型とした場合でも、その外形を忠実に反映した、中空チタニア構造体に成功した。シェル材料として酸化シリコンを用いた場合でも、同じ結果であった。以上の結果より、固体基板上に形成されたナノ鋳型を利用することで、その外形に従った中空構造体の作成が可能となった。球対称以外のより対称性の低い構造体でも、鋳型構造を反映した中空構造体が作成された。これは金属酸化物ナノ薄膜の酸化物ネットワークの高い構造適合性と、中空構造体保持のための自己支持性によるものと考えられる。これらの結果を踏まえると、より幅広いナノ構造を鋳型として利用可能である。よって本研究で検討したアプローチは、一般的なナノ中空構造体の形状デザイン手法となることが明らかとなった。

有望应用于微反应器的纳米中空结构主要是通过模板合成来制备的。中空结构的功能很大程度上取决于其形状和尺寸，因此形状设计是极其重要的考虑因素。然而，利用传统方法，很难在溶液中直接创建具有复杂结构的纳米模板，这对形状设计造成了很大的限制。因此，在本研究中，我们重点关注在基板上创建的纳米结构作为模板，用薄膜（表面覆盖物）覆盖它，然后考虑通过以下方式创建中空结构（结构的正副本）的方法：删除模板。采用表面溶胶-凝胶法作为薄膜形成方法。结果，在用超薄二氧化钛薄膜涂覆排列在基板上的纳米颗粒后，他们通过去除模板颗粒成功地创建了纳米空心结构。即使当使用在固体基底上以二维或三维排列的六角形颗粒时，也形成了反映该排列的中空纳米结构。此外，即使当使用通过光刻形成的具有长度400nm、宽度200nm至1.5μm的横截面的矩形纳米线结构或直径为1.5μm至500nm、高度400nm的孔结构作为模具，忠实地反映了外部形状，成功地创建了空心二氧化钛结构。当使用氧化硅作为壳材料时，获得了相同的结果。根据以上结果，通过使用在固体基底上形成的纳米模板，可以创建与其外部形状相符的中空结构。即使对于球对称性以外的对称性较低的结构，也可以创建反映模板结构的中空结构。这被认为是由于金属氧化物纳米薄膜的氧化物网络的高结构相容性和保持中空结构的自支撑能力。基于这些结果，更广泛的纳米结构可以用作模板。因此，很明显，本研究中考虑的方法可以用作纳米空心结构的通用形状设计方法。