| 研究課題/領域番号 |
18K04242
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| 研究機関 | 兵庫県立大学 |
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研究代表者 |
佐藤 井一 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (90326299)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | シリコンナノコロイド / ゲルマニウムナノコロイド / 有機単分子層 |
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| 研究実績の概要 |
令和2年度は、令和元年度に得られた成果を元に、まず、シリコン(Si)ナノ結晶の準安定結晶構造を再現性良く作る方法を実験条件を振って探った。
表面がアルコキシ修飾あるいはチオール修飾されたSiナノ粒子に、様々な条件でフラッシュ光（数十μsec）を照射して室温環境下での結晶成長を調べた。フラッシュ光照射前はどちらの種類のSiナノ粒子もほぼアモルファスで実験を始めた。昨年度、ブトキシ修飾Siナノ粒子を用いた実験で、フラッシュ光強度を高めることで、一部の試料内にSiの高圧相である「単位格子内に8個の原子をもつBCC構造（BC-8構造）」の出現を確認したが、この結晶構造を成長させようと更なるフラッシュ光照射を工夫して行ったが、BC-8構造のSi結晶は成長せず、通常のダイヤモンド構造へと変わってしまった。BC-8構造のSi結晶を作製する方法としては、次の方法が適していることがわかった。
オクタノール内でのSiの遊星ボールミル粉砕でオクチルオキシ修飾Siナノ結晶を作製し、その結晶構造を調べたところ、試料内にBC-8構造のSiナノ結晶が生成されていることを確認した。粒径の大きなSi結晶はダイヤモンド構造であったが、直径約3 nmほどになるとBC-8構造であった。この実験結果は学会で発表した。
Siナノ結晶膜内にゲルマニウム(Ge)ナノ結晶が埋め込まれた膜を作製する目的で、チオール修飾Siナノ粒子分散液にチオール修飾Geナノ粒子分散液を混合してその塗布膜を形成し、フラッシュ光照射を行った。当初、ダイヤモンド構造の膜ができると考えていたが、結晶構造解析の結果、正方晶Geと思われる結晶成長が確認された。これは、Si微結晶が結晶核となり、そこにGe結晶が整合して成長することで、正方晶Geが形成されたものと考えられた。この現象は新構造Geの生成として興味深い。この実験結果についても学会で発表した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
これまで、Siナノ粒子の表面をチオール修飾とするかアルコキシ修飾とするかで、結晶の成長速度や結晶構造が大きく異なることを明らかにしてきた。BC-8構造のSi結晶を得るには、アルコキシ修飾の中でも、オクチルオキシ修飾が適していることを確認した。オクチルオキシ修飾Siナノ粒子がBC-8構造を取るときの直径（約3 nm）は、数値計算で得られている予測値（4.1±0.7 nm以下）に近い。今後、さらに実験データを集めて粒径と結晶構造の関係を明らかにし、学会・専門誌で発表するつもりである。
チオール修飾Siナノ粒子の電導度の雰囲気ガス依存性調査において、電極にアルミニウムを用いると、一部の試料で酸化性ガスに対する雰囲気ガス依存性が現れないことがあった。アルミニウムは仕事関数の小さい金属であるため、アルミニウムからの効率的な電子注入が酸化性ガスの検出に不利に働いたのかもしれないと考えている（例えば、チオールによるドナーとしての働きが、効率的な電子注入によって目立たなくなったのかもしれない）。今後、電極に用いる金属種と電導度の雰囲気ガス依存性を調べる必要がある。
令和2年度の研究では、意外な結果として、チオール修飾Siナノ粒子を利用して正方晶Geナノ結晶をフラッシュ光照射で作製することができた。この現象は、ダイヤモンド構造のSi格子にGe格子が整合して非平衡的に成長することで正方晶Geが現れたものと考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
現段階で、Siナノ粒子塗布膜の電導性の雰囲気ガス依存性調査、準安定結晶構造の構造解析、ナノ粒子超格子の作製について、当初の計画どおり進めることができていない。これは、試料の再現性の問題が若干あるが、新型コロナウイルス感染症の影響による他業務の大幅な増加のためである。令和3年度は、まず、再現性の点で良い成果が出つつある照射光依存性にやや重点をおき、Siナノ結晶の表面修飾および結晶構造の変化に伴う電気的性質の変化を明らかにしていく予定である。電極材料では、これまでの金、アルミニウム以外の金属（銅など）も用いる予定である。
オクチルオキシ修飾Siナノ粒子をサイズ分画し、電子顕微鏡観察およびX線回折測定により結晶構造の粒径依存性を調べる。そして、結晶構造の変化に伴う光学特性の変化を調べ、電子構造の変化を考察する。サイズ分画には超遠心分離あるいはゲル濾過法の利用を考えている。
最後に、ナノ粒子超格子の作製と、物性評価を行う。具体的には、親水性チオールで表面修飾したSiナノ粒子を数百mg作製し、化学自己集合により水溶液表面に配列させることにより超格子構造を形成することを目指す。得られた自己集合膜について、電子顕微鏡による構造観察および可視・近赤外領域の発光特性（フォトルミネッセンス、エレクトロルミネッセンス）の評価をおこなう。
前年度の研究協力者であった学生が卒業したため、令和3年度から新たな学生に研究協力者として参加してもらい、上記研究を効率的に進める。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
【理由】新型コロナウイルス感染症の影響により、授業やその他学内業務が想定外に多忙となり、当初の計画よりも研究が遅れたこと、および、予定していた県外の装置（元素分析、構造評価）利用を自粛したためである。
【使用計画】遅れていた研究を行うことで計画していた予算を使用する。2021年から、キャンパス内で元素分析と構造評価の装置が大学院共通施設として新たに設置されたため、これらを利用することで外部機関の装置を利用せずに研究を進めることが可能と考えている。
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