2020 Fiscal Year Research-status Report
Development Synthesis Route of Oxide Nanosheets with Single-unit-cell Thickness by Utilizing Langmuir Film Interface as Reaction Field
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20K05262
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
久保田 雄太 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (80851279)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 数nm厚酸化セリウムナノシート / ボトムアップ溶液プロセス / 酸素ガスセンサ特性 / ラングミュア膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単位格子厚酸化物ナノシート合成に向けたボトムアップ溶液プロセスの開拓として、本年度は主に結晶性酸化物であるCeO2のナノシート合成の他、プロセスにおけるナノシート形成メカニズム理解のためにアモルファス酸化物としてSnO2のナノシート合成に取り組んだ。原料溶液pH上昇手法や合成条件の検討を行う中で、CeO2では厚さ1.3 nm、横方向に870 nm程度と高アスペクト比約870を有するナノシートが合成された。単位格子厚が約0.54 nmであることを考慮すると、この厚みは単位格子2-3個に相当する。従って、数nm厚は達成しているものの、単位格子厚化に向けてさらにプロセスの改良、パラメータ条件振りが必要である。SnO2のナノシート合成では、TEM観察による一部結晶化した箇所の格子縞間隔からSnO2の他、Sn3O4の存在も示唆された。これら析出物は厚さ0.9 nm、横方向に920 nm程度の大きさであり、1000を超える高アスペクト比のナノシートであった。以上のことから、本研究のようなイオンから酸化物ナノシートを形成するボトムアッププロセスでは、形成物の結晶性や結晶構造によらずナノシートの形成が可能であると考えられた。
また、合成されたCeO2ナノシートをくし形電極に転写して400℃で表面に残存する界面活性剤を除去した後、600℃で酸素ガスセンサ特性を評価したところ、酸素ガス濃度変化に伴う抵抗変化が得られた。これにより、合成されたCeO2ナノシートは酸素ガスセンサ特性を有することが示された。さらにその抵抗変化は、バルク体とは異なる特徴的な変化であった。これは界面活性剤由来の不純物がナノシート表面に吸着した影響によると思われるが、この点については次年度さらに分析を進める予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ラングミュア膜界面を反応場としたボトムアップ溶液プロセスの開拓により、本年度はCeO2に対して(I)数nmシート厚・高アスペクト比ナノシートの合成、(II)単位格子厚・高アスペクト比ナノシートを得るための合成条件最適化、(III)単位格子厚・高アスペクト比の特異形状がもたらす特性・物性変化の評価・解明を行う予定であった。これら研究計画に対して、原料溶液pH上昇手法や合成条件の検討過程で数nmシート厚・高アスペクト比CeO2ナノシートの合成に成功した。また、ラングミュア膜界面を形成する界面活性剤の滴下量、合成温度、合成pH、合成時間が試料形態に大きな影響を与えることを明らかとして、単位格子厚化に向けたプロセス改良、パラメータ条件振りの方向性を得ることができた。さらに、合成されたCeO2ナノシートの酸素ガスセンサ特性評価を行うことで、バルク体と異なる特徴的な抵抗変化を示すことや、その要因がナノシート表面に吸着した界面活性剤由来の不純物であろうという候補を得た。次年度以降にCeO2以外の酸化物であっても同様に数nm厚、ひいては単位格子厚ナノシートを合成することが可能であるか検討する予定であったが、本年度にSnO2について検討を行い、良好な結果を得ることもできた。その他、本年度導入した表面張力計により、界面活性剤滴下に伴う原料溶液表面の表面張力測定が可能となった。これにより、界面活性剤種を変更した際にもラングミュア膜が形成される滴下量条件範囲を得ることができる。従って、今後の研究において滴下界面活性剤種を変化させることも考えられ、それによりナノシートの特性がさらに向上する可能性がある。以上のような研究成果とナノシート特性向上に向けた新たな指針を得たことから、現在までの進捗はおおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究として、本年度の研究により試料形態に大きな影響を与えることが明らかとなったラングミュア膜界面を形成する界面活性剤の滴下量、合成温度、合成pH、合成時間といった合成条件をさらに検討することで、現在の数nm厚CeO2ナノシートよりもさらに薄い単位格子厚CeO2ナノシートの合成を目指す。また、合成された数nm厚CeO2ナノシートにおいて、酸素ガスセンサ特性評価でバルク体と異なる特徴的な抵抗変化を示すことが明らかとなったため、合成に使用する界面活性剤の官能基を変化させることで、この特徴がどのように変化するかを検討する。さらに、現在合成されている数nm厚SnO2ナノシートについて湿度センサ特性評価を行うことで、上記数nm厚CeO2ナノシート同様にバルク体と異なる特徴的な抵抗変化を示すか確認する。
今後の単位格子厚CeO2ナノシート合成で得られた知見に基づき、本年度検討した単位格子厚SnO2ナノシートの合成の他、単位格子厚Cu2Oナノシートの合成も目指す。これまでの予備実験においてCeO2と比較してCu2Oは析出しやすいことが明らかとなっており、単位格子厚化するために特に合成温度を室温付近で行うことを検討する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症拡大への対応により、学会が延期・中止され参加費・旅費がかからなかったこと、実質的な研究稼働率が低下して消耗品費・装置利用料・依頼分析費用が当初予定よりかからなかったことに伴い、次年度使用額が生じた。生じた額は、本年度合成したCeO2ナノシートがバルク体と異なる特徴的な酸素ガスセンサ特性を示すことが明らかとなったため、その要因解明に向けた分析装置利用や、その成果の公表に向けた学会発表の参加費・旅費、論文投稿費に使用する予定である。
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