2022 Fiscal Year Annual Research Report
コーヒーリング効果の原子膜制御と高次集積技術への展開
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21K19023
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長田 実 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10312258)
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2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 二次元物質 / ナノシート / コーヒーリング効果 / 単一液滴集積法 / マランゴニ対流 / 精密集積 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
一滴のコーヒーを乾かすと、液滴の縁に粒子が環状に集まる。コーヒーリング効果と呼ばれるこの身近な現象は、コロイド粒子懸濁液の蒸発という一見単純な過程であるが、温度・濃度差によるマランゴニ対流、表面張力などが絡み合った複雑な現象である。本研究では、研究代表者らが最近発見した溶液の滴下・吸引操作によりコーヒーリング効果を抑制した精密集積を可能とする「単一液滴集積法」を手がかりに、コーヒーリング効果を理解、制御し、２次元物質（ナノシート）の新しい薄膜製造技術への展開を目指した。
酸化チタンナノシートのコロイド水溶液をモデルケースに、ブリュースター角顕微鏡により、溶媒蒸発に伴うナノシートの配列挙動の解析を行い、コーヒーリング効果の制御機構の検討を行った。その結果、粒子濃度、蒸発速度、基板温度により、溶媒蒸発が誘起する毛細管流動、基板加熱によるマランゴニ対流、界面活性剤による表面吸着のバランスを調整することで、コーヒーリング効果の抑制・制御が可能であることを明らかにした。この知見をベースに、ナノシート集積技術への応用を目指し、酸化物、h-BNなどのナノシートコーティング液と製膜条件の最適化を行い、自動製膜、大面積化、積層化の検討を行った。自動製膜に向けては、コーティング液の液量を精密に制御して滴下・吸引できる自動製膜システムを開発し、各種ナノシートの大面積製膜（4インチ以上）を実現した。さらに、積層化に際しては、自動製膜システムを用いて、滴下・吸引の反復により、100層までの多層膜や、異種ナノシートを組み合わせた超格子膜の構築を実現した。
以上、本研究により、コーヒーリング効果の制御機構が解明され、それに裏付けられたコーティング液、製膜条件の最適化、大面積化、積層化、自動製膜技術の確立など、二次元物質の産業化に向けた革新的製造プロセスの創出につながった。
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