大きさの揃ったナノ粒子の調製と規則配列堆積膜の作製

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K04817
• 研究機関: 同志社大学
• 研究代表者: 森 康維 同志社大学, 理工学部, 教授 (60127149)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 化学工学 / ナノ材料 / 分離・分級 / 微粒子集積 / 表面・界面物性 / 貧溶媒添加法 / 薄膜作製プロセス / 電気泳動堆積法

研究実績の概要

直径10 nm以下の半導体ナノ粒子は，量子ドット（QD）と呼ばれ，特異な光学特性を持つことが知られている。この光学特性を向上させるには粒子径分布の狭いQD試料が必要で，工業的な規模でこのような試料を得るために，貧溶媒添加法（SSP；Size Selective Precipitation）が適用できる。この方法の適用条件として，QDをよく分散する溶媒を選定する必要がある。QDが分散した懸濁液から，高密度粒子配列膜を作製する方法として，電気泳動堆積法（EPD）を検討し，特に規則配列膜を作製する操作方法を見出す。
硫化亜鉛（ZnS）QDにおける表面修飾分子であるチオグリセロールの役割を検討した。SSP操作で分級したZnS QDの表面積あたりのチオグリセロールの分子数を，熱重量分析法を用いて決定した。予想とは反し，粒子径の 小さいQDの方が修飾分子密度は低いことが判明した。その結果と拡張DLVO理論から考えると，表面修飾分子の効果はvan der Waals力の影響に及ばないことが判った。また，SSP操作によって蛍光強度が向上することを確認した。
ビーズミルのミリング時間を変えることで，EPD法で堆積する粒子の粒子径が集積薄膜構造に与える影響を検討した。チタニア粒子の平均粒子径が小さくなるほど，粒子薄膜の空隙率が小さくなった。すなわち，懸濁液作製条件とEPDの操作条件によって，粒子薄膜の空隙率と膜厚を制御できることがわかった。一方，EPD操作による粒子堆積量を予測するため，印加した電流の全てが粒子の堆積に使われると仮定した推算式（Hamaker式）とアルミナ粒子を用いた実験結果から，Hamaker式では過大に見積もる場合もあることが判明した。さらに単分散シリカ粒子を用いて規則配列に有効なEPD操作条件を調べ，パルス印加電場が有効であることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

貧溶媒添加法（SSP）に関する検討として，硫化亜鉛（ZnS）QDを取り上げ，SSP操作の有用性を学術会議で発表することができた。口頭発表：Conference of International Association of Colloid and Interface Scientists 2018 (IACIS 2018), Rotterdam (Netherlands), 2018年5月，および10th Meeting of Kyoto International Forum for Environment and Energy (KIFEE-10), Trondheim (Norway), 2018年10月，
粒子集積薄膜の作製方法として取り上げた電気泳動法では，薄膜の空隙率評価や堆積量の推定に関する研究成果の一部を学術会議で発表することができた。口頭発表：CHISA 2018, Prague (Czech Republic), 2018年8月，および13th Korea-Japan Symposium on Materials and Interfaces, Busan (Korea), 2018年11月
粒子配列膜作製の予備検討結果も学術会議で発表することができた。口頭発表：World Congress on Particle Technology 2018 (WCPT 8), Orlando (USA), 2018年4月
本課題に関連する基礎研究の成果として，懸濁粒子の安定性に関する口頭発表（化学工学会 第50回秋季大会, 鹿児島, 2018年9月）や固体表面への粒子堆積時の相互作用に関する口頭発表（13th Korea-Japan Symposium on Materials and Interfaces, Busan (Korea), 2018年11月）も行った。

今後の研究の推進方策

貧溶媒添加法（SSP）に関しては， InPをコアに，ZnSをシェルにしたコア・シェルQDに対してSSP操作で蛍光特性の優れた材料創製法を確立する。さらにチオール類で表面修飾されたZnS QDを種々の溶媒に分散させ，その分散状態の変化をInstitute of Particle Technology, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nurnberg（FAU）所有の測定装置を用いて測定し，Hansen Solubility/Dispersibility ParameterからZnS QDの溶解度パラメーターを推定する。その推定した溶解度パラメーターを拡張DLVO理論に適用することで，ZnS QDの分散凝集現象が説明可能であることを立証する。
粒子集積薄膜の作製方法として電気泳動堆積法を採用し，直径数100 nmの無機粒子を用いて粒子集積薄膜を作製すると共に，規則配列膜の調製を検討する。

次年度使用額が生じた理由

本年度検討する予定であったFAU所有の装置を用いてHansen Solubility/Dispersibility Parameterの測定を次年度以降に延期したため，予算の一部を繰り越した。

研究成果

• [学会発表] Structure of Spherical Silica Colloid Film Prepared by Electrophoretic Deposition in Pulsed Direct Current Electric Field (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasushige Mori, Yoshiro Sadakami, Ken Nishimura, Katsumi Tsuchiya
  • 学会等名: World Congress on Particle Technology 2018 (WCPT 8)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Thioglycerol Ligand on Dispersibility of Zinc Sulfide Nanoparticles (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasushige Mori, Koki Obata, Kenji. Miwa, Katsumi Tsuchiya
  • 学会等名: Conference of International Association of Colloid and Interface Scientists 2018 (IACIS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of particle concentration of alumina particles suspension on electrophoretic deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasushige Mori, Kaori Ishihara, Kazuki Yoshimura, Katsumi Tsuchiya
  • 学会等名: CHISA 2018
  • 国際学会
• [学会発表] シリカナノ粒子の急速凝集に及ぼす溶存イオンの影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平村和志, 中村幸太, 山本真大, 土屋活美, 森康維, 東谷公
  • 学会等名: 化学工学会 第50回秋季大会
• [学会発表] Effect of Size Selective Precipitation on Photoluminescence of ZnS Quantum Dots (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasushige Mori, Kyoko Yamamoto, Yutaka Hitomi, Katsumi Tsuchiya
  • 学会等名: Kyoto International Forum for Environment and Energy 2018 (KEFEE 10)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measurement of Interaction Forces between Solid Surfaces under Humid Atmosphere by AFM (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Okada, Katsumi Tsuchiya. Yasushige Mori
  • 学会等名: 13th Korea-Japan Symposium on Materials and Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Particle Size on Porosity of Film Prepared by Electrophoretic Deposition from Titania Particle Suspension (2018)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Yagita, Katsumi Tsuchiya. Yasushige Mori
  • 学会等名: 13th Korea-Japan Symposium on Materials and Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of Thin Film of Almina Particles by Electrophoretic Deposition (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Yoshimura, Katsumi Tsuchiya. Yasushige Mori
  • 学会等名: 13th Korea-Japan Symposium on Materials and Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] 非平衡状態を利用したバイオテンプレート粒子の機能化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 塩井章久, 山本大吾, 彌田智一, 貞包浩一朗, 森康維, 吉川研一
  • 学会等名: 同志社大学ハリス理化学研究所発表会