2016 Fiscal Year Annual Research Report
２次元無機ナノシートのヘテロ累積による新奇機能開拓
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15H02004
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
佐々木 高義 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 拠点長 (70354404)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ヘテロ累積 / ２次元物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度合成に成功した新規層状ペロブスカイト酸化物（Dion-Jacobson系列）KCa2MNb3TiO13（M= Co, Mn, Fe）およびバーネサイト型層状マンガン酸化物K0.8Mn1-xMxO2（M= Co, Fe）を酸水溶液後、水酸化テトラブチルアンモニウム（TBAOH）水溶液中で振盪・剥離することにより、単層剥離できることを明らかにした。一方水酸化物系においてはNi, Fe硝酸塩水溶液をH2O2存在下で均一沈殿させることにより層状複水酸化物Ni1-xFex(OH)2(CO3)x/2nH2Oが得られること、層間のCO32-イオンをClO4-にイオン交換した後、ホルムアミド中で振盪することにより単層剥離し、ナノシートを合成した。
酸化チタンナノシート（Ti0.87O2）の水系コロイド溶液を高速遠心分離してナノシートをすべて沈降させ、これをDMSO中に再分散させたゾルを用いてスピンコートを行った結果、適切な条件のもとでは、ナノシートが基板表面の広い範囲を隙間、重なりを作ることなくモノレイヤーで膜を形成することが明らかになった。この発見はナノシートの応用にとって重要な、新しい稠密配列法として活用できる可能性が高く、今後さらなる検討を続ける予定である。
高い誘電性を持つペロブスカイト型酸化物ナノシート（Ca2Nb3O10）と室温強磁性を示すCoドープ酸化チタンナノシート（Ti0.8Co0.2O2）をLB法により様々な順番で累積させ、多様な人工ヘテロ構造を構築した。それらの電気分極、磁気特性について調べたところ、特定の超格子構造を持つ膜は、強誘電性と強磁性を同時に示し、multiferroic特性を有することが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では１）組成、構造を精密にチューニングした無機ナノシートの合成、２）２次元ナノシートのヘテロ集積・複合化、３）ヘテロ集積体デザインによる機能開拓を重点実施項目に位置付けているが、過去２年間の研究においては当初計画を上回るピッチで進捗している。１）についてはCo, Mnなどの3d遷移金属元素をドープした新規層状ペロブスカイト型Nb酸化物ナノシートならびにバーネサイト型Mn酸化物ナノシートの合成を達成した。このような精密な組成調整により、これらナノシートの磁気的特性やレドックス反応性を変調、制御できると期待される。また水酸化物系についても均一沈殿法、トポ酸化法など我々の独自合成技術を駆使して、組成を様々に制御した各種水酸化物ナノシートが得られている。
２）の２次元ナノシートのヘテロ集積、複合化をより幅広く、自在に行うためには、新しいプロセスの開発が強く求められるところであるが、ナノシートのモノレイヤー稠密配列がスピンコート法により達成可能であることを見出したことは非常に重要な成果である。稠密配列のためにはこれまでラングミュア・ブロジェット法が主に適用されてきたが、熟練の技術と長い成膜時間がネックであった。スピンコート法ではLB膜と同等の品質の膜が簡便な操作で短時間で形成でき、大きな可能性を持っていると考えられる。
３）のヘテロ集積による機能開発においては、高誘電性と強磁性の２種類の酸化物ナノシートを様々な順番で積層すると、強誘電性と強磁性の交差機能であるMultiferroic性が発現することを突き止めた。本結果は２種類のナノシートをビルディングブロックに用いて人工積層させることによりMultiferroic材料を設計できることを示しており、興味深い。さらに水酸化物ナノシートとrGOの超格子的複合体においても初年度の成果をさらに発展させる成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
新規ナノシートの合成に関しては、これまでに得られた3d遷移金属元素をベースとした酸化物ならびに水酸化物ナノシートについて、組成、構造の詳細なキャラクタリゼーションを行うとともに、様々な機能の評価を進める。これにより２次元ナノシートライブラリーのバラエティーの充実を目指す。
一方前年度ナノシート稠密配列への有効性を見出したスピンコート法について、酸化チタンナノシート以外のナノシートへの適用の可否について調べる。併せて、スピンコートを反復することによってナノシートをレイヤーバイレイヤー累積して多層膜を構築できるかどうかについても検討する。
本年度は本研究の３年目にあたり、前半期に重点を置いてきたナノシート合成、累積・複合化法の開発に加えて、本研究の最終ターゲットである異種ナノシートのヘテロ集積・複合化による機能開発についても、本格的な検討を開始する。これまでの２年間ですでに計画を前倒しする形で興味深い結果がいくつか得られており、これらをシーズとして可能なナノシートの組み合わせなどについて検討を行い、研究の発展、成果拡大を図る。
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[Journal Article] Thermally Stable Dielectric Responses in Uniaxially (001)-Oriented CaBi4Ti4O15 Nanofilms Grown on a Ca2Nb3O10- Nanosheet Seed Layer2016
Author(s)
J. Kimura, I. Takuwa, M. Matsushima, T. Shimizu, H. Uchida, T. Kiguchi, T. Shiraishi, T. J. Konno, T. Shibata, M. Osada, T. Sasaki, and H. Funakubo
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Journal Title
SCIENTIFIC REPORTS
Volume: 6
Pages: 20713
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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