JP5154346B2 - Sensor electrodes and sensors - Google Patents
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Description
本発明は、表面処理された材料に関する。また、本発明は、そのような表面処理された材料の製造方法、そのような表面処理された材料を有するセンサ用の電極、およびそのような電極を有するセンサに関する。 The present invention relates to a surface treated material. The invention also relates to a method for producing such a surface-treated material, an electrode for a sensor having such a surface-treated material, and a sensor having such an electrode.
ダイオキシンやビスフェノールAを検知する分子センサ、DNAセンサ、溶液センサ等の各種センサにおいては、検出対象に対して高い感度を示す電極(検出部)の開発が求められている。 In various sensors such as a molecular sensor, a DNA sensor, and a solution sensor that detect dioxin and bisphenol A, it is required to develop an electrode (detection unit) that exhibits high sensitivity to a detection target.
一般のセンサ電極は、検出対象物質を電極表面に特異吸着させ、これにより生じる微小な物性値(例えば電流値)の変化を検出することにより、検出対象物質を定量的に検出する構造となっている。このためセンサの感度は、この検出対象物質の電極表面への吸着の度合いに大きく依存する。 A general sensor electrode has a structure for quantitatively detecting a detection target substance by specifically adsorbing the detection target substance on the electrode surface and detecting a change in a minute physical property value (for example, current value) generated thereby. Yes. Therefore, the sensitivity of the sensor greatly depends on the degree of adsorption of the detection target substance on the electrode surface.
一方、従来より、酸化亜鉛は、特定の物質に対して良好な特異吸着性を示すことが知られている。従って、電極表面を酸化亜鉛で表面処理することにより、センサの感度を向上させる技術が報告されている(非特許文献1)。
しかしながら、前述の非特許文献1のように、センサの高感度化を図るため、電極表面を酸化亜鉛で改質した場合、検出対象物質に対する特異吸着性は、向上するものの、これにより、同時に非検出対象物質の吸着性も向上してしまう。従って、そのようなセンサ電極をセンサに使用した場合、好ましくない非検出対象物質の吸着により、センサ電極の信号対ノイズ比S/N比が低下してしまい、感度が低下してしまう可能性がある。 However, as described in Non-Patent Document 1, when the electrode surface is modified with zinc oxide in order to increase the sensitivity of the sensor, the specific adsorptivity to the detection target substance is improved. The adsorptivity of the detection target substance is also improved. Therefore, when such a sensor electrode is used for a sensor, the signal-to-noise ratio S / N ratio of the sensor electrode may be reduced due to undesired adsorption of a non-detection target substance, which may reduce sensitivity. is there.
また、センサの感度を高めるため、例えば、前述のような酸化亜鉛の多孔質膜を表面に設置することにより、センサ電極の表面積を大きくしようとすると、膜自身の電気抵抗のため、電極全体の電気抵抗が増大し、これにより検出対象の検出時に、適正な電流検出ができなくなってしまうという問題が生じる。 In addition, in order to increase the sensitivity of the sensor, for example, by installing a porous film of zinc oxide as described above on the surface to increase the surface area of the sensor electrode, due to the electric resistance of the film itself, As a result, the electrical resistance increases, which causes a problem that proper current detection cannot be performed when a detection target is detected.
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、センサの電極として使用した際に、適正な電流検出が可能であり、S/N比が高く、高い感度が得られる材料を提供することを目的とする。また、そのような材料の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and provides a material that can detect an appropriate current when used as an electrode of a sensor, has a high S / N ratio, and provides high sensitivity. For the purpose. Moreover, it aims at providing the manufacturing method of such a material.
本発明では、
基板と、
該基板の表面に設置された酸化スズのナノ結晶と、
を有する表面処理された材料が提供される。
In the present invention,
A substrate,
A tin oxide nanocrystal placed on the surface of the substrate;
A surface-treated material is provided.
ここで、本発明の材料において、前記酸化スズのナノ結晶は、3nm〜50nmの平均長さを有しても良い。 Here, in the material of the present invention, the tin oxide nanocrystal may have an average length of 3 nm to 50 nm.
また本発明の材料は、さらに、前記基板の表面に、短冊シート状の酸化スズ結晶を有しても良い。 The material of the present invention may further have a strip-sheet tin oxide crystal on the surface of the substrate.
また本発明の材料において、前記短冊シート状の酸化スズ結晶は、10nm〜1000nmの平均長さを有しても良い。 Moreover, the material of this invention WHEREIN: The said strip-shaped tin oxide crystal | crystallization may have an average length of 10 nm-1000 nm.
また本発明の材料において、前記基板は、透明基板であっても良い。 In the material of the present invention, the substrate may be a transparent substrate.
また本発明の材料において、前記基板は、導電性基板であっても良い。 In the material of the present invention, the substrate may be a conductive substrate.
また本発明の材料において、前記基板は、フッ素がドープされた酸化スズ基板であっても良い。 In the material of the present invention, the substrate may be a tin oxide substrate doped with fluorine.
また、本発明では、前述の特徴を有する表面処理された材料を備えるセンサ用の電極が提供される。 The present invention also provides an electrode for a sensor comprising a surface-treated material having the aforementioned characteristics.
また、本発明では、そのような電極を有する、分子センサ、DNAセンサ、溶液センサまたはガスセンサが提供される。 The present invention also provides a molecular sensor, DNA sensor, solution sensor or gas sensor having such an electrode.
さらに本発明では、表面処理された材料の製造方法であって、
(1)基板を準備するステップと、
(2)液体中にスズ化合物を添加して、スズイオンを含む溶液を調製するステップと、
(3)前記スズイオンを含む溶液中に、前記基板を浸漬するステップであって、これにより、前記基板の表面に、酸化スズのナノ結晶を析出させるステップと、
を有する、表面処理された材料の製造方法が提供される。
Furthermore, in the present invention, a method for producing a surface-treated material,
(1) preparing a substrate;
(2) adding a tin compound in the liquid to prepare a solution containing tin ions;
(3) immersing the substrate in a solution containing the tin ions, thereby precipitating tin oxide nanocrystals on the surface of the substrate;
A method for producing a surface-treated material is provided.
ここで、本発明による製造方法において、前記酸化スズのナノ結晶は、3nm〜50nmの平均長さを有しても良い。 Here, in the manufacturing method according to the present invention, the tin oxide nanocrystal may have an average length of 3 nm to 50 nm.
また、本発明の製造方法では、(3)のステップにおいて、さらに、前記基板の表面に、短冊シート状の酸化スズ結晶が析出されても良い。 In the production method of the present invention, in the step (3), a strip-sheet tin oxide crystal may be further deposited on the surface of the substrate.
この場合、前記短冊シート状の酸化スズ結晶は、10nm〜1000nmの平均長さを有しても良い。 In this case, the strip-shaped tin oxide crystals may have an average length of 10 nm to 1000 nm.
また、本発明の製造方法において、前記基板は、透明基板であっても良い。 In the manufacturing method of the present invention, the substrate may be a transparent substrate.
また、本発明の製造方法において、前記基板は、導電性基板であっても良い。 In the manufacturing method of the present invention, the substrate may be a conductive substrate.
また、本発明の製造方法において、前記基板は、フッ素がドープされた酸化スズ基板であっても良い。 In the production method of the present invention, the substrate may be a tin oxide substrate doped with fluorine.
また、本発明の製造方法において、前記基板は、酸化スズのナノ結晶を析出させる一つの処理表面と、該処理面と反対側の非処理表面とを有し、
(3)のステップにおいて、前記スズイオンを含む溶液中の前記基板は、前記スズイオンを含む溶液の液面側から、該液面、前記非処理表面、前記処理表面の順となるように、前記スズイオンを含む溶液中に配置されても良い。
Further, in the production method of the present invention, the substrate has one treated surface on which tin oxide nanocrystals are deposited, and a non-treated surface opposite to the treated surface,
In the step of (3), the substrate in the solution containing tin ions is arranged so that the liquid surface, the non-treated surface, and the treated surface are in this order from the liquid surface side of the solution containing tin ions. You may arrange | position in the solution containing.
また、本発明の製造方法において、前記液体は、水であっても良い。 In the production method of the present invention, the liquid may be water.
また、本発明の製造方法において、前記スズ化合物は、SnF4(フッ化スズ)、SnCl4(四塩化スズ)やSnCl2(二塩化スズ)、SnCl2・2H2O(塩化スズ二水和物)、SnCl4・5H2O(塩化スズ五水和物)、SnBr2(臭化スズ)、SnI2(ヨウ化スズ)、SnI4(ヨウ化スズ)、酢酸スズ、シュウ酸スズ、ステアリン酸スズ、硫酸スズ、酒石酸スズ、テトラフルオロホウ酸スズ、トリフルオロメタンスルホン酸スズ、およびスズ金属アルコキシドからなる群から選定された、少なくとも一つの化合物を含んでも良い。 In the production method of the present invention, the tin compound may be SnF 4 (tin fluoride), SnCl 4 (tin tetrachloride), SnCl 2 (tin dichloride), SnCl 2 .2H 2 O (tin chloride dihydrate). Product), SnCl 4 .5H 2 O (tin chloride pentahydrate), SnBr 2 (tin bromide), SnI 2 (tin iodide), SnI 4 (tin iodide), tin acetate, tin oxalate, stearin At least one compound selected from the group consisting of tin oxide, tin sulfate, tin tartrate, tin tetrafluoroborate, tin trifluoromethanesulfonate, and tin metal alkoxide may be included.
本発明では、センサの電極として使用した際に、適正な電流検出が可能であり、S/N比が高く、高い感度が得られる材料を提供することができる。また、そのような材料の製造方法を提供することが可能となる。 In the present invention, when used as an electrode of a sensor, it is possible to provide a material that can detect an appropriate current, has a high S / N ratio, and can obtain high sensitivity. Moreover, it becomes possible to provide the manufacturing method of such a material.
以下、本発明の特徴についてより詳しく説明する。 Hereinafter, features of the present invention will be described in more detail.
一般に、センサの感度を高める場合、センサの電極(検出部)には、(i)検出対象物質に対して高い特異吸着性を有すること、および(ii)反応サイトができるだけ増加するような構造にすることが必要となる。 In general, when increasing the sensitivity of a sensor, the sensor electrode (detection unit) has (i) a high specific adsorptivity to a substance to be detected, and (ii) a structure that increases the number of reaction sites as much as possible. It is necessary to do.
このうち項目(i)については、従来より酸化亜鉛が所定の検出対象物質に対して高い特異吸着性を有することが知られており、そのため、酸化亜鉛で表面が改質された材料を使用することが提案されている。しかしながら、酸化亜鉛には、検出対象物質に限らず、非検出対象物質に対しても高い吸着性を有するという特徴がある。従って、酸化亜鉛膜が表面に設置された材料をセンサの電極に使用した場合、検出対象物質と、非検出対象物質の双方が酸化亜鉛に捕獲されてしまい、これによりS/N比が低下し、結果的に感度を十分に高めることはできなくなるという問題が生じ得る。 Of these, for item (i), it is conventionally known that zinc oxide has a high specific adsorptivity with respect to a predetermined substance to be detected. Therefore, a material whose surface is modified with zinc oxide is used. It has been proposed. However, zinc oxide has a feature that it has high adsorptivity not only for detection target substances but also for non-detection target substances. Therefore, when a material having a zinc oxide film on the surface is used for the sensor electrode, both the detection target substance and the non-detection target substance are trapped by the zinc oxide, thereby reducing the S / N ratio. As a result, there may arise a problem that the sensitivity cannot be sufficiently increased.
一方、項目(ii)については、基板材料の表面に、特異吸着性を有する材料からなる多孔質コーティング膜を設置して、電極の表面積を高めることにより、反応サイトを増加させ、感度を向上させることが考えられる。しかしながら、そのような多孔質コーティング膜は、特に厚くなると、電気抵抗が有意に大きくなる。従って、仮に基板材料が導電性であっても、そのようなコーティング膜を設置することにより、電極全体の電気抵抗が上昇してしまう。そのような電極の電気抵抗の上昇は、センサの測定効率の低下やセンサの感度低下につながるという問題がある。 On the other hand, for item (ii), a porous coating film made of a material having specific adsorptivity is provided on the surface of the substrate material to increase the surface area of the electrode, thereby increasing the reaction site and improving the sensitivity. It is possible. However, such a porous coating film has a significantly increased electrical resistance, especially when it becomes thicker. Therefore, even if the substrate material is conductive, the electrical resistance of the entire electrode is increased by providing such a coating film. Such an increase in the electric resistance of the electrode has a problem that it leads to a decrease in measurement efficiency of the sensor and a decrease in sensitivity of the sensor.
これに対して、本発明による材料は、基板の表面に、多数の酸化スズのナノ結晶が設置されて構成されているという特徴を有する。このような特徴により、前述の項目(i)、(ii)がいずれも満足されるため、本発明による材料を、例えばセンサの電極に使用した場合、適正な電流検出が可能である上、従来の電極に比べて有意に高い感度を有する電極を得ることができる。 On the other hand, the material according to the present invention is characterized in that a large number of tin oxide nanocrystals are provided on the surface of the substrate. Due to such characteristics, both the above-mentioned items (i) and (ii) are satisfied. Therefore, when the material according to the present invention is used for, for example, an electrode of a sensor, an appropriate current can be detected, and the conventional method is used. It is possible to obtain an electrode having significantly higher sensitivity than that of the electrode.
より具体的に説明すると、本発明では、項目(i)については、検出対象物質を捕獲する物質として、酸化亜鉛の代わりに酸化スズを使用することにより、非検出対象物質に対する吸着性を抑制する。なお、本願発明者らの経験では、酸化スズは、酸化亜鉛に比べて、検出対象物質に対する特異吸着性が幾分劣る傾向にある。しかしながら、酸化スズは、酸化亜鉛に比べて非検出対象物質に対する吸着性が有意に低く、前述の欠点を考慮してもなお、酸化亜鉛を超える有意性を有する。 More specifically, in the present invention, with regard to item (i), the adsorptivity to the non-detection target substance is suppressed by using tin oxide instead of zinc oxide as the substance that captures the detection target substance. . In the experience of the inventors of the present application, tin oxide has a tendency to be somewhat inferior in specific adsorption to the detection target substance as compared with zinc oxide. However, tin oxide has a significantly lower adsorptivity to non-detection target substances than zinc oxide, and still has significance over zinc oxide even in consideration of the above-mentioned drawbacks.
また、本発明の材料は、基板の表面に、(酸化スズのナノ結晶により生じた)ナノレベルの凹凸が多数形成されており、高い表面積を有する。従って、このような特徴的な構造により、前述の項目(ii)が満たされる。また、このような表面の凹凸は、酸化物のような高電気抵抗物質または半導体物質を、いわゆる「膜」として設置することにより構成されたものではない。すなわち、本発明では、表面の凹凸は、酸化スズのナノオーダーの結晶を基板表面全体に分散させることにより形成されたものであり、酸化スズは、「膜」として基板表面全体を被覆してはいない。従って、本発明では、表面処理により材料全体の電気抵抗が増加するという問題を有意に抑制することができる。そして、これらの効果により、本発明では、適正な電流検出が可能となり、測定効率が高く、高い感度を有するセンサ用の材料を提供することができる。 In addition, the material of the present invention has a high surface area because a large number of nano-level irregularities (generated by the tin oxide nanocrystals) are formed on the surface of the substrate. Therefore, the above item (ii) is satisfied by such a characteristic structure. Further, such unevenness on the surface is not constituted by installing a high electrical resistance material such as an oxide or a semiconductor material as a so-called “film”. That is, in the present invention, the unevenness of the surface is formed by dispersing nano-order crystals of tin oxide over the entire substrate surface, and the tin oxide does not cover the entire substrate surface as a “film”. Not in. Therefore, in this invention, the problem that the electrical resistance of the whole material increases by surface treatment can be suppressed significantly. And by these effects, in this invention, appropriate electric current detection is attained, the measurement efficiency is high, and the material for sensors which has high sensitivity can be provided.
なお本願において、「酸化スズ」とは、SnOとSnO2の一方または両方を含む用語であることに留意する必要がある。 In the present application, it should be noted that “tin oxide” is a term including one or both of SnO and SnO 2 .
以下、図面を参照して、本発明による材料の構成をより詳しく説明する。図1には、本発明による材料のSEM写真を示す。図1において、(a)〜(c)は、倍率の異なる表面SEM写真であり、(d)は、本発明による材料の極表面の断面SEM写真である。 Hereinafter, the structure of the material according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a SEM picture of the material according to the invention. 1, (a) to (c) are surface SEM photographs having different magnifications, and (d) is a cross-sectional SEM photograph of the extreme surface of the material according to the present invention.
本発明による材料は、基板10と、該基板10上に設置された、多数の酸化スズのナノ結晶とを有する。図1(a)において、写真全体にわたって、比較的寸法の揃った多角形状の結晶15で構成されている部分が基板10の表面である。図の例では、多角形状の結晶15の寸法は、100〜300nm程度である。また図1(b)、(c)に示されているように、基板表面を構成する多角形状結晶15の表面に、うっすらと付着しているように見える白っぽい糸状の物質が、酸化スズのナノ結晶30である。写真の方向からは、明確ではないが、酸化スズのナノ結晶30は、それぞれが細長い板状の形態を有し、その単独の長さは、10〜30nm程度である。 The material according to the invention comprises a substrate 10 and a number of tin oxide nanocrystals placed on the substrate 10. In FIG. 1A, the surface of the substrate 10 is a portion composed of polygonal crystals 15 having relatively uniform dimensions throughout the photograph. In the example of the figure, the dimension of the polygonal crystal 15 is about 100 to 300 nm. Further, as shown in FIGS. 1B and 1C, whitish thread-like substances that appear to be slightly attached to the surface of the polygonal crystals 15 constituting the substrate surface are formed of nano-sized tin oxide. Crystal 30. Although not clear from the direction of the photograph, each of the tin oxide nanocrystals 30 has an elongated plate-like form, and the single length thereof is about 10 to 30 nm.
なお図1(d)に示すように、これらの酸化スズのナノ結晶30は、基板の表面を構成する多角形状の結晶15の表面に多数形成されている。これにより、基板の(表面を構成する多角形状の結晶15の)表面には、ナノレベルの極めて微細な多数の凹凸が形成される。 As shown in FIG. 1D, a large number of these tin oxide nanocrystals 30 are formed on the surface of a polygonal crystal 15 constituting the surface of the substrate. As a result, a large number of extremely fine irregularities at the nano level are formed on the surface (of the polygonal crystals 15 constituting the surface) of the substrate.
ここで、本発明の場合、酸化スズのナノ結晶30は、一般的な膜としての形態ではなく、基板10の表面に分散された、多数の微小析出物として存在していることに留意する必要がある。酸化スズのナノ結晶30のこのような設置態様により、本発明の材料は、電気抵抗の著しい上昇を抑制することができるとともに、表面の表面積を有意に上昇させることができる。 Here, it should be noted that in the case of the present invention, the tin oxide nanocrystals 30 exist not as a general film form but as a large number of fine precipitates dispersed on the surface of the substrate 10. There is. By such an installation mode of the nanocrystal 30 of tin oxide, the material of the present invention can suppress a significant increase in electric resistance and can significantly increase the surface area of the surface.
また、図1において、基板10の表面には、酸化スズのナノ結晶30の他、複数の短冊状析出物40が認められる。この短冊状析出物40は、酸化スズで構成されており、異なる方向から見た場合、板状にも見える。従って、以降この短冊状析出物40を、短冊シート状酸化スズ結晶40と称することにする。なお、表面処理条件によっては、この短冊シート状酸化スズ結晶40は、形成されない場合もある。 Further, in FIG. 1, a plurality of strip-like precipitates 40 are recognized on the surface of the substrate 10 in addition to the tin oxide nanocrystals 30. The strip-shaped precipitate 40 is made of tin oxide, and also looks like a plate when viewed from different directions. Therefore, hereinafter, this strip-like precipitate 40 will be referred to as a strip-sheet-like tin oxide crystal 40. Depending on the surface treatment conditions, the strip-shaped tin oxide crystal 40 may not be formed.
このように本発明では、酸化亜鉛よりも非検出対象物質に対する吸着性の弱い酸化スズを、ナノ結晶の状態で基板表面に設置することにより、基板表面にナノレベルの微小な凹凸を多数形成させることができる。またこれにより、材料表面の表面積が有意に上昇するとともに、材料の電気抵抗の顕著な上昇が抑制され、適正な電流検出が可能で、高感度のセンサ電極用材料を得ることができる。 As described above, in the present invention, a large amount of nano-level irregularities are formed on the substrate surface by placing tin oxide having a lower adsorptivity to the non-detection target substance than zinc oxide on the substrate surface in a nanocrystal state. be able to. This also significantly increases the surface area of the material surface, suppresses a significant increase in the electrical resistance of the material, enables appropriate current detection, and provides a highly sensitive sensor electrode material.
さらに酸化スズのナノ結晶は、基板表面上で直接核生成し、成長することができる。従って、本発明では、基板と酸化スズのナノ結晶の間に、シード層や中間層のような第3の物質を介在させる必要はない。 Furthermore, tin oxide nanocrystals can be directly nucleated and grown on the substrate surface. Therefore, in the present invention, it is not necessary to interpose a third substance such as a seed layer or an intermediate layer between the substrate and the tin oxide nanocrystal.
このような本発明による材料は、例えば分子センサ、DNAセンサ、溶液センサおよびガスセンサ等の電極(検出部)に使用することができる。本発明による材料を、そのようなセンサの電極に使用した場合、酸化スズのナノ結晶により生じた表面凹凸による高表面積と、酸化スズ自身の非検出物質に対する低特異吸着特性とにより、S/N比の高い高感度なセンサを得ることができる。 Such a material according to the present invention can be used, for example, for an electrode (detection unit) such as a molecular sensor, a DNA sensor, a solution sensor, and a gas sensor. When the material according to the present invention is used for the electrode of such a sensor, the S / N ratio is high due to the high surface area due to surface irregularities caused by the nanocrystals of tin oxide and the low specific adsorption properties of the tin oxide itself for non-detectable substances. A highly sensitive sensor with a high ratio can be obtained.
この他、本発明による材料は、ガスセンサ、色素増感型太陽電池、フィルタおよび触媒等にも使用することができる。 In addition, the material according to the present invention can also be used for gas sensors, dye-sensitized solar cells, filters, catalysts, and the like.
なお本発明において、酸化スズのナノ結晶が設置される基板は、特に限られず、いかなる材料、形態、構造であっても良い。例えば、本発明による材料を分子センサ等の電極に使用する場合、基板は、透明材料で構成される必要があるが、その他の用途に使用する場合(例えばガスセンサの検出部などに使用する場合)、基板は、不透明材料で構成されても良い。同様に、基板は、導電性材料で構成されても、非導電性材料で構成されても良い。例えば、基板の材質は、ガラス、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、シリコン、インジウムスズ酸化物(ITO)等であっても良い。あるいは、高分子フィルム、紙、ゴムなど、熱に弱い材料であっても良い。なお、強いて言えば、基板は、酸化スズを含むものが好ましい。この場合、ナノ結晶と基板の双方に酸化スズが含まれるため、ナノ結晶の基板への密着性をより向上させることができるからである。 In the present invention, the substrate on which the tin oxide nanocrystals are placed is not particularly limited, and may be of any material, form and structure. For example, when the material according to the present invention is used for an electrode of a molecular sensor or the like, the substrate needs to be made of a transparent material, but when used for other purposes (for example, when used for a detection part of a gas sensor). The substrate may be composed of an opaque material. Similarly, the substrate may be made of a conductive material or a non-conductive material. For example, the material of the substrate may be glass, FTO (fluorine-doped tin oxide), silicon, indium tin oxide (ITO), or the like. Alternatively, a heat-sensitive material such as a polymer film, paper, or rubber may be used. Speaking of strength, the substrate preferably contains tin oxide. In this case, since tin oxide is contained in both the nanocrystal and the substrate, the adhesion of the nanocrystal to the substrate can be further improved.
基板の形態は、平板状の他、粒子状、繊維状等であっても良く、その他の複雑な形状のものであっても良い。基板の表面状態も、特に限られない。基板表面は、例えば親水性または疎水性になっていても良い。 The form of the substrate may be a flat shape, a particle shape, a fiber shape, or the like, or may have another complicated shape. The surface state of the substrate is not particularly limited. The substrate surface may be hydrophilic or hydrophobic, for example.
また、本発明において、酸化スズのナノ結晶30の寸法は、特に限られない。酸化スズのナノ結晶30の平均長さは、例えば、約1nm〜100nmの範囲であっても良い。同様に、本発明において、短冊シート状酸化スズ結晶40の平均長さは、特に限られない。短冊シート状酸化スズ結晶40の平均長さは、例えば、約10nm〜1000nmの範囲であっても良い。 In the present invention, the size of the tin oxide nanocrystal 30 is not particularly limited. The average length of the tin oxide nanocrystals 30 may be, for example, in the range of about 1 nm to 100 nm. Similarly, in the present invention, the average length of the strip-shaped tin oxide crystals 40 is not particularly limited. The average length of the strip-shaped tin oxide crystals 40 may be, for example, in the range of about 10 nm to 1000 nm.
なお、本願において、酸化スズのナノ結晶30の「平均長さ」は、SEM写真において、典型的な寸法の酸化スズのナノ結晶30の長さの10点の平均として求めた。同様に、短冊シート状酸化スズ結晶40の「平均長さ」は、SEM写真において、典型的な寸法の短冊シート状酸化スズ結晶40の長さの10点の平均として求めた。 In the present application, the “average length” of the tin oxide nanocrystals 30 was determined as an average of 10 points of the length of the tin oxide nanocrystals 30 having typical dimensions in the SEM photograph. Similarly, the “average length” of the strip-sheet-shaped tin oxide crystals 40 was determined as an average of 10 points of the length of the strip-sheet-shaped tin oxide crystals 40 having typical dimensions in the SEM photograph.
(本発明による材料の製造方法)
次に、図2を参照して、前述のような特徴を有する本発明による材料の製造方法について説明する。図2は、本発明による材料の製造工程を示したフロー図である。
(Method for producing material according to the present invention)
Next, a method for producing a material according to the present invention having the above-described features will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flow diagram illustrating a material manufacturing process according to the present invention.
(1.基板)
まず、ステップS110において、酸化スズのナノ結晶を設置するための基板を準備する。前述のように、基板は、特に限られず、いかなる材料、形態、構造であっても良い。通常の場合、基板表面は、アセトン、エタノール等の有機溶媒による洗浄や紫外線照射等により、清浄化される。
(1. Substrate)
First, in step S110, a substrate for installing a tin oxide nanocrystal is prepared. As described above, the substrate is not particularly limited, and may be any material, form, or structure. In a normal case, the substrate surface is cleaned by washing with an organic solvent such as acetone or ethanol, ultraviolet irradiation, or the like.
なお基板は、被表面処理領域を除き、マスキングテープ等でマスキングされても良い。 The substrate may be masked with a masking tape or the like except for the surface treatment region.
(2.溶液)
次に、ステップS120において、1の基板に酸化スズのナノ結晶を析出させるための溶液を調製する。溶液は、取扱上の容易性から、水溶液であることが好ましいが、酸化スズが析出する系であれば、有機溶媒等の非水溶媒であっても良い。また、水熱反応を利用することもできる。
(2. Solution)
Next, in step S120, a solution for depositing tin oxide nanocrystals on one substrate is prepared. The solution is preferably an aqueous solution from the viewpoint of ease of handling, but may be a non-aqueous solvent such as an organic solvent as long as tin oxide is precipitated. A hydrothermal reaction can also be used.
ここでは、水溶液を例に説明する。水溶液に、スズ化合物を添加して、スズイオンを含む溶液を調製する。スズ化合物は、何価のスズを含んでも良く、スズは、2価、4価であっても良い。スズ化合物としては、例えば、SnF4(フッ化スズ)、SnCl4(四塩化スズ)、SnCl2(二塩化スズ)、SnCl2・2H2O(塩化スズ二水和物)、SnCl4・5H2O(塩化スズ五水和物)、SnBr2(臭化スズ)、SnI2(ヨウ化スズ)、SnI4(ヨウ化スズ)、酢酸スズ、シュウ酸スズ、ステアリン酸スズ、硫酸スズ、酒石酸スズ、テトラフルオロホウ酸スズ、トリフルオロメタンスルホン酸スズ、およびスズメトキシドなどのスズ金属アルコキシドを使用することができる。 Here, an aqueous solution will be described as an example. A tin compound is added to the aqueous solution to prepare a solution containing tin ions. The tin compound may contain any valent tin, and the tin may be divalent or tetravalent. Examples of the tin compound include SnF 4 (tin fluoride), SnCl 4 (tin tetrachloride), SnCl 2 (tin dichloride), SnCl 2 · 2H 2 O (tin chloride dihydrate), SnCl 4 · 5H. 2 O (tin chloride pentahydrate), SnBr 2 (tin bromide), SnI 2 (tin iodide), SnI 4 (tin iodide), tin acetate, tin oxalate, tin stearate, tin sulfate, tartaric acid Tin metal alkoxides such as tin, tin tetrafluoroborate, tin trifluoromethanesulfonate, and tin methoxide can be used.
溶液中に含まれるスズイオンの濃度は、特に限られない。スズイオンの濃度は、例えば、0.1mM〜100mMの範囲であっても良い。スズイオンの濃度が100mMよりも大きくなると、析出反応の時間が有意に短くなるため、制御が比較的難しくなる。また、スズイオンの濃度が0.1mMよりも小さくなると、析出反応の時間が有意に長くなる。ただし、スズイオンの濃度が0.1mM〜100mMの範囲以外の場合であっても、得られる酸化スズのナノ結晶の特性に、大きな変化はなく、必要な場合そのような濃度を採用しても良い。 The concentration of tin ions contained in the solution is not particularly limited. The concentration of tin ions may be in the range of 0.1 mM to 100 mM, for example. If the concentration of tin ions is higher than 100 mM, the time for the precipitation reaction is significantly shortened, so that the control becomes relatively difficult. Further, when the tin ion concentration is less than 0.1 mM, the time for the precipitation reaction is significantly increased. However, even if the concentration of tin ions is outside the range of 0.1 mM to 100 mM, there is no significant change in the properties of the resulting tin oxide nanocrystals, and such a concentration may be adopted if necessary. .
(3.処理)
次に、ステップS130において、1の基板を2の溶液に浸漬させて、基板上に、酸化スズのナノ結晶を析出成長させる。図3には、スズイオンを含む溶液60中に、基板10が浸漬された状態を模式的に示す。基板10は、酸化スズで表面処理される被表面処理面70と、その反対側の非処理面80とを有する。
(3. Processing)
Next, in step S130, one substrate is immersed in the second solution, and tin oxide nanocrystals are deposited and grown on the substrate. FIG. 3 schematically shows a state where the substrate 10 is immersed in a solution 60 containing tin ions. The substrate 10 has a surface-treated surface 70 that is surface-treated with tin oxide and a non-treated surface 80 on the opposite side.
ここで、基板10を溶液60に浸漬する際には、基板10の被表面処理面70がいわゆる「下向き」になるように設置することが好ましい。基板10の被表面処理面70をいわゆる「上向き」にした場合、析出後に溶液中に浮遊した酸化スズが基板10の被表面処理面70に滞留して、以降の酸化スズの析出、成長を妨害する恐れがあるからである。なお、「下向き」とは、基板10の被表面処理面70が、溶液60の液面90と平行に、下向きに設置される状態の他、図3に示すように、基板10の被表面処理面70が、溶液60の液面90に対して90゜以外の角度で傾斜した状態で、下向きに設置されている状態も含まれることに留意する必要がある。基板10の被表面処理面70が下向きの場合、浮遊性の酸化スズは、被表面処理面70に滞留せず、溶液60の底部に向かって落下し、沈殿物を形成することになる。 Here, when the substrate 10 is immersed in the solution 60, it is preferable to install the substrate 10 so that the surface to be treated 70 of the substrate 10 is so-called “downward”. When the surface-treated surface 70 of the substrate 10 is so-called “upward”, tin oxide floating in the solution after deposition stays on the surface-treated surface 70 of the substrate 10 and interferes with subsequent deposition and growth of tin oxide. Because there is a risk of doing. Note that “downward” means that the surface to be treated 70 of the substrate 10 is disposed in a downward direction in parallel with the liquid surface 90 of the solution 60, as shown in FIG. It should be noted that the state in which the surface 70 is inclined downward with respect to the liquid surface 90 of the solution 60 at an angle other than 90 ° is also included. When the surface-treated surface 70 of the substrate 10 is facing downward, the floating tin oxide does not stay on the surface-treated surface 70 and falls toward the bottom of the solution 60 to form a precipitate.
処理の際の溶液の温度および処理時間は、特に限られないが、温度が低い場合は、より長い時間、基板を浸漬保持させる必要がある。処理温度は、例えば室温〜99℃の範囲であり、例えば90℃である。また、処理時間は、特に限られないが、例えば、1分〜24時間の範囲であり、例えば、20分である。 The temperature of the solution and the treatment time during the treatment are not particularly limited. However, when the temperature is low, it is necessary to immerse and hold the substrate for a longer time. The processing temperature is, for example, in the range of room temperature to 99 ° C., for example, 90 ° C. Further, the processing time is not particularly limited, but is, for example, in the range of 1 minute to 24 hours, for example, 20 minutes.
浸漬処理後、基板を溶液から取り出し、水洗する。その後、マスキング処理を行っていた場合は、マスキング材が除去される。 After the immersion treatment, the substrate is taken out of the solution and washed with water. Thereafter, when the masking process is performed, the masking material is removed.
以上の工程により、酸化スズのナノ結晶が表面に析出した基板を得ることができる。酸化スズのナノ結晶の寸法は、処理条件により変化するが、例えば、1nm〜100nm程度である。また、前述のように、酸化スズのナノ結晶と同時に存在し得る短冊シート状酸化スズ結晶の寸法(全長)は、処理条件により変化するが、例えば、10nm〜300nm程度である。 Through the above steps, a substrate on which tin oxide nanocrystals are deposited can be obtained. The size of the tin oxide nanocrystal varies depending on the processing conditions, and is, for example, about 1 nm to 100 nm. In addition, as described above, the size (full length) of the strip-shaped tin oxide crystals that can be present simultaneously with the tin oxide nanocrystals varies depending on the processing conditions, but is, for example, about 10 nm to 300 nm.
このように本発明では、酸化スズナノ結晶の形成に、高温の処理を必要としない。従って、基板材料の選択の自由度が広がり、熱に弱い材料も基板に使用することが可能となるという利点が得られる。 Thus, in the present invention, high-temperature treatment is not required for the formation of tin oxide nanocrystals. Therefore, there is an advantage that the degree of freedom in selecting the substrate material is widened, and a material that is weak against heat can be used for the substrate.
以下実施例について説明する。 Examples will be described below.
(酸化スズで表面処理された基板の作製)
まず表面清浄化のため、FTO基板(縦26mm×横50mm×厚さ1.1mm、9.3−9.7Ω/□、旭硝子社製)に、紫外線(UV)照射を行った。UV照射には、セン特殊光源製低圧水銀ランプ(PL16−110)を用いた。この光源での光の主波長は、184.9nmおよび253.7nmである。照射時間は、10分とした。
(Production of substrate surface-treated with tin oxide)
First, for surface cleaning, an FTO substrate (length 26 mm × width 50 mm × thickness 1.1 mm, 9.3-9.7Ω / □, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was irradiated with ultraviolet rays (UV). For UV irradiation, a low-pressure mercury lamp (PL16-110) manufactured by Sen Special Light Source was used. The main wavelengths of light from this light source are 184.9 nm and 253.7 nm. The irradiation time was 10 minutes.
なお、UV照射時間により、FTO表面の接触角は、変化(低下)する。例えば、初期のFTO基板表面は、水に対する接触角が96°であり、疎水性表面であるのに対し、30秒のUV照射により、接触角は、70°となった。また、1分、2分、3分および4分のUV照射により、接触角は、それぞれ、54°、30°、14°および5°に変化した。5分以上の照射では、FTO表面の接触角は、測定限界以下のほぼ0°の超親水性を示した。 Note that the contact angle of the FTO surface changes (decreases) depending on the UV irradiation time. For example, the initial FTO substrate surface has a contact angle with water of 96 ° and is a hydrophobic surface, whereas the contact angle becomes 70 ° by 30 seconds of UV irradiation. Further, the contact angles were changed to 54 °, 30 °, 14 ° and 5 ° by UV irradiation for 1 minute, 2 minutes, 3 minutes and 4 minutes, respectively. In the irradiation for 5 minutes or more, the contact angle on the FTO surface showed superhydrophilicity of almost 0 ° below the measurement limit.
次に、FTO基板の表面処理領域に、マスキングテープを設置し、マスキング処理を行った。ここでは、UV照射を実施した表面のうち、FTO基板の横幅の両端のそれぞれの側から、14mm内側の領域まで、およびUV照射を実施していない表面側を、非表面処理領域(すなわちマスキング領域)とした。 Next, the masking tape was installed in the surface treatment area | region of the FTO board | substrate, and the masking process was performed. Here, among the surfaces that have been subjected to UV irradiation, from the respective sides at both ends of the width of the FTO substrate to the inner region of 14 mm, and the surface side that has not been subjected to UV irradiation, non-surface-treated regions (that is, masking regions) ).
次に、表面処理用の溶液を調製した。溶液は、蒸留水に、SnF2(質量数156.71g、純度90.0%、和光純化学社製)を5mMの濃度で添加して調製した。 Next, a solution for surface treatment was prepared. The solution was prepared by adding SnF 2 (mass number 156.71 g, purity 90.0%, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to distilled water at a concentration of 5 mM.
次に、前述のようにマスキングしたFTO基板を、溶液表面に対して約45゜の傾きとなるように、溶液中に完全に浸漬した。なお、この際には、被表面処理領域が下側となるようにして、FTO基板を溶液中に完全に浸漬した。溶液の温度は、90℃であった。また、浸漬時間は、20分であった。 Next, the FTO substrate masked as described above was completely immersed in the solution so as to have an inclination of about 45 ° with respect to the solution surface. At this time, the FTO substrate was completely immersed in the solution so that the surface treatment region was on the lower side. The temperature of the solution was 90 ° C. The immersion time was 20 minutes.
その後、FTO基板を溶液から取り出し流水で洗浄した。なおFTO基板と酸化スズナノ結晶との密着性は極めて良好であり、流水による処理においても、ナノ結晶の脱落は、生じなかった。 Thereafter, the FTO substrate was taken out of the solution and washed with running water. The adhesion between the FTO substrate and the tin oxide nanocrystals was extremely good, and the nanocrystals did not fall off even in the treatment with running water.
最後に、マスキングテープを除去して、所定の領域に酸化スズが設置されたFTO基板を得た。 Finally, the masking tape was removed to obtain an FTO substrate in which tin oxide was installed in a predetermined area.
(表面処理された基板の評価1:X線回折測定)
次に、表面処理されたFTO基板のXRD測定を行った。測定装置には、リガク社製RINT−2100Vを使用した。測定結果を図4(a)に示す。2θ=26.5°、33.8°、37.9°、42.6°、51.6°、54.6°、61.7°、65.8°、71.0°、78.6°、80.9°、89.5°、90.6°および93.0 °に、回折ピークが観察された。このピーク位置は、酸化スズ(SnOおよびSnO2)の回折ピーク位置と一致する。なお、本実施例では、FTO基板とナノ結晶の双方に、酸化スズが含まれており、図4(a)で得られたピークがいずれのものに起因するかは不明である。そこで、前述の酸化スズによる表面処理を実施した際に、FTO基板に付着せず、脱落して溶液中に沈殿した粒子を遠心分離器(モデル8920、クボタ社製)で回収し、この粒子を用いて、再度XRD測定を行った。なお、遠心分離器の回転速度は、4000rpmとし、遠心分離処理時間は、10分間とした。
(Evaluation of surface-treated substrate 1: X-ray diffraction measurement)
Next, XRD measurement was performed on the surface-treated FTO substrate. RINT-2100V manufactured by Rigaku Corporation was used as the measuring device. The measurement results are shown in FIG. 2θ = 26.5 °, 33.8 °, 37.9 °, 42.6 °, 51.6 °, 54.6 °, 61.7 °, 65.8 °, 71.0 °, 78.6 Diffraction peaks were observed at °, 80.9 °, 89.5 °, 90.6 ° and 93.0 °. This peak position coincides with the diffraction peak position of tin oxide (SnO and SnO 2 ). In this example, tin oxide is contained in both the FTO substrate and the nanocrystal, and it is unclear which one the peak obtained in FIG. Therefore, when the surface treatment with tin oxide is performed, the particles that do not adhere to the FTO substrate but fall off and settle in the solution are collected by a centrifuge (model 8920, manufactured by Kubota Corporation). Then, XRD measurement was performed again. The rotational speed of the centrifuge was 4000 rpm, and the centrifugation time was 10 minutes.
図4(b)には、そのようにして回収された粒子の測定結果を示す。2θ=18.3°、29.9°、33.3°、37.2°、44.0°、48.1°、50.8°および57.5°に、回折ピークが観察された。これらのピーク位置は、SnOのピークに相当する。また、2θ=27°、34°、38°、52°および57.5°の位置にも、回折ピークが観察された。これらのピーク位置は、SnO2のピークに相当する。従って、本実施例では、SnOとSnO2の両方を含むナノ結晶が得られたことが予想される。 FIG. 4 (b) shows the measurement results of the particles thus recovered. Diffraction peaks were observed at 2θ = 18.3 °, 29.9 °, 33.3 °, 37.2 °, 44.0 °, 48.1 °, 50.8 ° and 57.5 °. These peak positions correspond to SnO peaks. In addition, diffraction peaks were also observed at positions of 2θ = 27 °, 34 °, 38 °, 52 °, and 57.5 °. These peak positions correspond to SnO 2 peaks. Therefore, in this example, it is expected that nanocrystals containing both SnO and SnO 2 were obtained.
なおSnO2の回折ピークは、SnOの回折ピークよりもブロードであった。このことから、SnO2析出物は、SnO析出物に比べて、結晶子サイズが小さく、結晶性が低いと考えられる。 The diffraction peak of SnO 2 was broader than the diffraction peak of SnO. From this, it is considered that the SnO 2 precipitate has a smaller crystallite size and lower crystallinity than the SnO precipitate.
なお一般に、結晶サイズdは、回折角θ、入射X線の波長λ(1.54051Å)、半値幅βを用いて、以下のように表される(シェラーの式):
d=kλ/βcosθ 式(1)
ここでkは、0.9である。
Generally, the crystal size d is expressed as follows using the diffraction angle θ, the incident X-ray wavelength λ (1.540511.5), and the half-value width β (Scherrer's formula):
d = kλ / βcos θ Formula (1)
Here, k is 0.9.
この式(1)を用いて、SnOの(200)面に垂直な方向の結晶子サイズを求めると、d=24.2nmとなった(図4(C1)参照)。同様に、SnO2の(211)面に垂直な方向の結晶子サイズを求めると、d=2.9mmとなった(図4(C2)参照)。このことから、本実施例では、SnO析出物およびSnO2析出物は、いずれも結晶質であることがわかった。 Using this equation (1), the crystallite size in the direction perpendicular to the (200) plane of SnO was found to be d = 24.2 nm (see FIG. 4 (C1)). Similarly, when the crystallite size in the direction perpendicular to the (211) plane of SnO 2 was obtained, d = 2.9 mm was obtained (see FIG. 4 (C2)). From this, it was found that both the SnO precipitate and the SnO 2 precipitate were crystalline in this example.
またSnO2の(211)回折ピークに対する、SnOの(200)回折ピークの強度の比(高さ強度比)は、0.537であった。また、両者の積分強度の比は4.65であった。回折ピークの高さ強度の比および積分強度の比は、物質の存在量と相関があり、これらの結果は、試料中には、SnOよりもSnO2が多く含まれていることを示している。 The ratio of the intensity of the (200) diffraction peak of SnO to the (211) diffraction peak of SnO 2 (height intensity ratio) was 0.537. The ratio of the integrated intensities of both was 4.65. The ratio of the intensity intensity of the diffraction peak and the ratio of the integrated intensity correlate with the abundance of the substance, and these results indicate that the sample contains more SnO 2 than SnO. .
(表面処理基板の評価2:SEM観察結果)
前述の図1には、得られた表面処理基板のSEM写真を示す。(a)〜(c)は、倍率の異なる表面SEM写真であり、(d)は、断面SEM写真である。また図5には、参考のため、表面処理を実施していないFTO基板の表面SEM写真を示す。
(Surface treatment substrate evaluation 2: SEM observation results)
FIG. 1 described above shows an SEM photograph of the obtained surface-treated substrate. (A)-(c) is the surface SEM photograph from which magnification differs, (d) is a cross-sectional SEM photograph. For reference, FIG. 5 shows a surface SEM photograph of an FTO substrate not subjected to surface treatment.
図1(a)〜(d)から、FTO基板表面には、酸化スズのナノ結晶が均一に形成されていることがわかる。特に、図5(d)の写真中央部分から、FTOの表面には、酸化スズのナノ結晶により、5〜10nm前後の凹凸が形成されていることがわかる。また、FTO基板表面には、短冊シート状酸化スズ結晶が、全面に分散して存在する様子も観察された。短冊シート状酸化スズ結晶は、幅10−20nm、長さ100nm、厚さ5nm程度であり、アスペクト比は、5−10程度であった。 1A to 1D show that tin oxide nanocrystals are uniformly formed on the surface of the FTO substrate. In particular, it can be seen from the center of the photograph in FIG. 5D that irregularities of about 5 to 10 nm are formed on the surface of the FTO due to the nanocrystals of tin oxide. It was also observed that strip sheet-like tin oxide crystals were dispersed on the entire surface of the FTO substrate surface. The strip-shaped tin oxide crystals had a width of 10-20 nm, a length of 100 nm, a thickness of about 5 nm, and an aspect ratio of about 5-10.
図6には、表面処理されたFTO基板の断面TEM写真を示す。図において、黒っぽく見えるのが、FTO基板である。FTO基板の表面には、平坦な面と鋭利な角を有する多結晶面が混在している。また、このFTO表面には、ナノオーダーの寸法のナノ結晶が観察される。この結晶は、約10nmの大きさであり、丸みを帯びた形態であった。また、この結晶の一部には、格子像が観察され、格子間隔は、約0.33nm〜0.37nmであった。これは、SnO2の(110)面の間隔と一致した。 FIG. 6 shows a cross-sectional TEM photograph of the surface-treated FTO substrate. In the figure, the FTO substrate looks dark. A flat surface and a polycrystalline surface having a sharp angle are mixed on the surface of the FTO substrate. In addition, nanocrystals with nano-order dimensions are observed on the FTO surface. The crystal was about 10 nm in size and rounded. Moreover, a lattice image was observed in a part of this crystal, and the lattice spacing was about 0.33 nm to 0.37 nm. This was consistent with the interval of the SnO 2 (110) plane.
(表面処理基板の評価3:光学特性測定)
次に、酸化スズで表面処理されたFTO基板の光学特性について評価した。
(Surface Treatment Substrate Evaluation 3: Optical Property Measurement)
Next, the optical characteristics of the FTO substrate surface-treated with tin oxide were evaluated.
まず、FTO基板の目視観察の結果、酸化スズで表面処理された領域は、表面処理されていない領域と同様の色および光沢を示し、両領域の境界は、不明瞭であった。このことから、本発明による酸化スズの表面処理では、基板の色を変化させずに、表面処理を施工することができることがわかった。 First, as a result of visual observation of the FTO substrate, the region surface-treated with tin oxide showed the same color and gloss as the region not surface-treated, and the boundary between both regions was unclear. From this, it was found that the surface treatment of tin oxide according to the present invention can be performed without changing the color of the substrate.
次に、FTO基板の表面において、表面処理された領域と、表面処理されていない領域のそれぞれにおいて、透過率を評価した。測定には、UV−Vis紫外可視分光光度計(UV−VIS−NMR V670、ジャスコ社製)を使用した。図7には、両表面領域のUV−Visスペクトルを示す。実線は、酸化スズで表面処理された領域での結果であり、破線は、未表面処理領域での結果である。この図から、両者の透過特性は、ほとんど一致しており、酸化スズで表面処理を行っても、FTO基板の透過率はほとんど低下しないことがわかった。特に、可視光域において、散乱が十分に抑制されていることから、表面処理によって析出した酸化スズは、可視光波長以下のサイズ(すなわち300nm以下)であることがわかる。 Next, on the surface of the FTO substrate, the transmittance was evaluated in each of the surface-treated region and the non-surface-treated region. For the measurement, a UV-Vis UV-visible spectrophotometer (UV-VIS-NMR V670, manufactured by Jusco) was used. FIG. 7 shows UV-Vis spectra of both surface regions. A solid line is a result in a region surface-treated with tin oxide, and a broken line is a result in a non-surface-treated region. From this figure, it was found that the transmission characteristics of the two were almost the same, and the transmittance of the FTO substrate hardly decreased even when the surface treatment was performed with tin oxide. In particular, since the scattering is sufficiently suppressed in the visible light region, it can be seen that the tin oxide deposited by the surface treatment has a size not larger than the visible light wavelength (that is, 300 nm or less).
一般に、色素増感型太陽電池や色素増感型センサでは、光励起によりデバイスが駆動するため、電極には、高い可視光透過率が要求される。図7の結果から、本発明により形成された材料は、このような高い可視光透過率が必要なデバイスに、十分に使用することができる。 In general, in a dye-sensitized solar cell or a dye-sensitized sensor, a device is driven by photoexcitation, so that a high visible light transmittance is required for an electrode. From the result of FIG. 7, the material formed according to the present invention can be sufficiently used for a device that requires such a high visible light transmittance.
次に、得られた表面処理基板を用いて、以下の方法で、蛍光強度の評価を行った。 Next, fluorescence intensity was evaluated by the following method using the obtained surface-treated substrate.
酸化スズで処理されたFTO基板の表面処理領域に、3段にわたって合計9つの穴(3個×3段)の開いたポリ塩化ビニル(PVC)製テープ(厚さ0.1mm)を設置した。図8には、そのような基板の上面図を示す。FTO基板105は、中央側の既表面処理領域125と、両端側の未表面処理領域130とを有する。既表面処理領域125に設置されたテープ110は、9個の穴120を有し、これらの穴120は、図8に示すように、上段、中断、下段に各3個ずつ、ピッチM=5mmで設けられている。また、各段のピッチNは、5mmである。各穴の直径は、3mmである。 A polyvinyl chloride (PVC) tape (thickness: 0.1 mm) having a total of nine holes (three pieces × three steps) opened in three steps was installed in the surface treatment region of the FTO substrate treated with tin oxide. FIG. 8 shows a top view of such a substrate. The FTO substrate 105 has a surface-treated area 125 on the center side and unsurface-treated areas 130 on both ends. The tape 110 installed in the surface-treated region 125 has nine holes 120. As shown in FIG. 8, these holes 120 are three in each of an upper stage, an interruption, and a lower stage, and a pitch M = 5 mm. Is provided. Moreover, the pitch N of each step is 5 mm. The diameter of each hole is 3 mm.
次に、色素標識DNA:ssDNA−Cy5(cy5−DP53−t:Cy5−GCGGCATGAACCTGAGGCCCATCCT)を水に溶解させて、色素濃度が1μMおよび100nMの溶液を調製した(以下、それぞれ、A液およびB液という)。また、色素を含まないDNA:ssDNA(lambda−gt10:TTGAGCAAGTTCAGCCTGGTTAAG)を水に溶解させて、DNA濃度が1μMの溶液(以下、C液という)を調製した。 Next, dye-labeled DNA: ssDNA-Cy5 (cy5-DP53-t: Cy5-GCGGCATGAACCTGAGGCCCCATCCT) was dissolved in water to prepare solutions with dye concentrations of 1 μM and 100 nM (hereinafter referred to as A solution and B solution, respectively). ). In addition, a dye-free DNA: ssDNA (lamda-gt10: TTGAGCAAGTTCAGCCTGTGTAG) was dissolved in water to prepare a solution having a DNA concentration of 1 μM (hereinafter referred to as “C solution”).
上記3種類の溶液をピペットで採取し(採取量0.1ml)、前述のテープ110に設けられた各穴120に滴下した。この際、上段の3個の穴には、A液を滴下し、中断の3個の穴には、B液を滴下し、下段の3個の穴には、C液を滴下した。 The above three types of solutions were collected with a pipette (collected amount: 0.1 ml) and dropped into each hole 120 provided in the tape 110 described above. At this time, the liquid A was dropped into the upper three holes, the liquid B was dropped into the three interrupted holes, and the liquid C was dropped into the lower three holes.
次に、このFTO基板を95℃で10分間、大気乾燥させた後、硫酸ドデシルナトリウム (SDS、NaC12H25SO4)溶液を用いて、15分間ずつ3回リンスし、その後、さらに超純水にて3回リンスした。その後、FTO基板を純水中で2分間煮沸し、4℃の無水エタノールに1分間浸漬した後、エアブローにて乾燥させた。 Next, the FTO substrate was air-dried at 95 ° C. for 10 minutes, and then rinsed three times for 15 minutes each using a sodium dodecyl sulfate (SDS, NaC 12 H 25 SO 4 ) solution. Rinse 3 times with water. Thereafter, the FTO substrate was boiled in pure water for 2 minutes, immersed in absolute ethanol at 4 ° C. for 1 minute, and then dried by air blow.
このようにして得たFTO基板に、励起光633nmのHe/Neレーザ(タイフーントリオスキャナ、GEヘルスケアUK社)を照射し、各穴からの蛍光特性を評価した。 The FTO substrate thus obtained was irradiated with a He / Ne laser (Taihuntri scanner, GE Healthcare UK) with excitation light of 633 nm, and the fluorescence characteristics from each hole were evaluated.
表1には、FTO基板から得られた蛍光の強度を示す。 Table 1 shows the intensity of fluorescence obtained from the FTO substrate.
色素増感型太陽電池や色素増感型センサにおいては、高効率化のため、高い色素吸着特性が要求されている。本発明による材料は、これらのデバイスに有意に適用することができることがわかる。 In dye-sensitized solar cells and dye-sensitized sensors, high dye adsorption characteristics are required for high efficiency. It can be seen that the material according to the invention can be applied significantly to these devices.
次に、前述のようにして得られた表面処理FTO基板を用いて、以下の方法で、光電流の評価を行った。 Next, the photocurrent was evaluated by the following method using the surface-treated FTO substrate obtained as described above.
表面処理FTO基板に、0.7mWの赤色レーザ励起光(波長632nm)、または97mWの赤色レーザ励起光(波長650nm)を照射し、得られる光電流値を測定した。 The surface-treated FTO substrate was irradiated with 0.7 mW red laser excitation light (wavelength 632 nm) or 97 mW red laser excitation light (wavelength 650 nm), and the resulting photocurrent value was measured.
表2には、測定結果を示す。 Table 2 shows the measurement results.
IPCE(%)=1250Isc(μA/cm2)/λ(nm)
/Pin(W/m2)×100 式(2)
ここで、Isc:電流密度、λ:波長、Pin:励起光照射強度である(Nazeeruddin,M.K.;Kay,A.;Rodicio,I.;Humphrybaker,R.;Muller,E.;Liska,P.;Vlachopoulos,N.;Gratzel, M.Journal of the American Chemical Society,115,6382−6390(1993))。
IPCE (%) = 1250I sc ( μA / cm 2) / λ (nm)
/ P in (W / m 2 ) × 100 Formula (2)
Here, I sc : current density, λ: wavelength, P in : excitation light irradiation intensity (Nazeeruddin, MK; Kay, A .; Rodicio, I .; Humprybaker, R .; Muller, E .; Liska, P .; Vlachopoulos, N .; Gratzel, M. Journal of the American Chemical Society, 115, 6382-6390 (1993)).
この表に示すように、A液およびB液で色素吸着を行った表面処理FTO基板からは、0.7mWレーザの照射下において、4.0%および1.5%の光電変換効率が得られた。一方、C液でDNA吸着を行った表面処理FTO基板は、0.3%の光電変換効率を示した。同様に、97mWレーザの照射下においては、A液、B液およびC液を用いた際、それぞれ、1.1%、0.3%、0.04%の光電変換効率が得られた。 As shown in this table, 4.0% and 1.5% photoelectric conversion efficiencies are obtained from the surface-treated FTO substrate subjected to dye adsorption with the liquid A and liquid B under the irradiation of 0.7 mW laser. It was. On the other hand, the surface-treated FTO substrate subjected to DNA adsorption with C solution showed a photoelectric conversion efficiency of 0.3%. Similarly, under the irradiation of 97 mW laser, photoelectric conversion efficiencies of 1.1%, 0.3%, and 0.04% were obtained when the liquid A, liquid B, and liquid C were used, respectively.
なお表2のS/N比の欄には、C液で得られた光電流値に対するA液で得られた光電流値の比、すなわち信号対ノイズ比を示した。この表2から、0.7mWレーザの照射下において、信号対ノイズ比は、14であり、97mWレーザの照射下では、信号対ノイズ比は、29であることがわかった。 In the column of S / N ratio in Table 2, the ratio of the photocurrent value obtained with the A liquid to the photocurrent value obtained with the C liquid, that is, the signal-to-noise ratio is shown. From Table 2, it was found that the signal-to-noise ratio was 14 under the irradiation of 0.7 mW laser, and the signal-to-noise ratio was 29 under the irradiation of 97 mW laser.
このように本発明による表面処理基板では、信号対ノイズ比は、十分に大きく、本発明の材料は、高感度センサ用の電極として適用することができることが示された。 Thus, in the surface treatment substrate according to the present invention, the signal-to-noise ratio is sufficiently large, and it was shown that the material of the present invention can be applied as an electrode for a high-sensitivity sensor.
次に、実施例1と同様の方法で、表面処理FTO基板を作製した。ただし、この実施例では、溶液へのFTO基板の浸漬時間を変化させて、表面処理を行った。 Next, a surface-treated FTO substrate was produced in the same manner as in Example 1. However, in this example, the surface treatment was performed by changing the immersion time of the FTO substrate in the solution.
図9〜図10には、異なる浸漬時間で表面処理されたFTO基板の表面SEM写真を示す。図9(1a)、(1b)は、5分の浸漬時間で表面処理されたFTO基板であり、図9(2a)、(2b)は、10分の浸漬時間で表面処理されたFTO基板であり、図9(3a)、(3b)は、20分の浸漬時間で表面処理されたFTO基板であり(実施例1と同じ)、図10(4a)、(4b)は、30分の浸漬時間で表面処理されたFTO基板であり、図10(5a)、(5b)は、1時間の浸漬時間で表面処理されたFTO基板であり、図10(6a)、(6b)は、2時間の浸漬時間で表面処理されたFTO基板である。 9 to 10 show surface SEM photographs of FTO substrates that have been surface-treated at different immersion times. 9 (1a) and (1b) are FTO substrates surface-treated with a dipping time of 5 minutes, and FIGS. 9 (2a) and (2b) are FTO substrates surface-treated with a dipping time of 10 minutes. 9 (3a) and (3b) are FTO substrates that have been surface-treated with an immersion time of 20 minutes (same as Example 1), and FIGS. 10 (4a) and (4b) are immersions for 30 minutes. FIGS. 10 (5a) and (5b) are FTO substrates that have been surface-treated with an immersion time of 1 hour, and FIGS. 10 (6a) and (6b) are 2 hours. It is the FTO board | substrate surface-treated by soaking time.
これらの図から、浸漬時間の増加とともに、酸化スズナノ結晶の平均長さが増大する傾向にあることがわかる。すなわち、浸漬時間が5分、10分、20分、30分、1時間および2時間と増加するとともに、FTO基板表面の酸化スズナノ結晶の平均長さは、それぞれ3nm、5nm、10nm、20nm、50nmおよび100nmに成長した。また、短冊シート状酸化スズ結晶の平均長さも増加し、浸漬時間1時間のものでは、平均長さが100〜150nm程度にまで成長した。なお、浸漬時間が5分間以下の場合、短冊シート状酸化スズ結晶は、認められなかった。 From these figures, it can be seen that the average length of tin oxide nanocrystals tends to increase with increasing immersion time. That is, the immersion time increased to 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 1 hour, and 2 hours, and the average lengths of the tin oxide nanocrystals on the surface of the FTO substrate were 3 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, and 50 nm, respectively. And grown to 100 nm. Moreover, the average length of the strip-shaped tin oxide crystals also increased, and when the immersion time was 1 hour, the average length grew to about 100 to 150 nm. In addition, when the immersion time was 5 minutes or less, strip-sheet tin oxide crystals were not recognized.
次に、このように浸漬時間を変化させて作製した各表面処理FTO基板を用いて、前述の方法により、蛍光強度の評価試験を行った。 Next, using each surface-treated FTO substrate produced by changing the immersion time in this way, a fluorescence intensity evaluation test was performed by the method described above.
図11には、表面処理FTO基板に析出した酸化スズのナノ結晶の平均長さと、A液およびB液を滴下した際の蛍光強度の関係を示す。なお、C液を滴下した実験では、蛍光強度がほとんど得られなかったため、この結果は、図11には示していない。溶液中の色素濃度に関わらず、ナノ結晶の平均長さの増加とともに、蛍光強度が増加していることがわかる。 FIG. 11 shows the relationship between the average length of tin oxide nanocrystals deposited on the surface-treated FTO substrate and the fluorescence intensity when the liquid A and liquid B were dropped. In addition, since the fluorescence intensity was hardly obtained in the experiment in which the liquid C was dropped, this result is not shown in FIG. It can be seen that the fluorescence intensity increases with an increase in the average length of the nanocrystals regardless of the dye concentration in the solution.
この結果は、ナノ結晶の平均長さが増加するとともに、FTO基板表面の微細な凹凸が顕著となり、FTO基板の表面積が増加するため、FTO基板に吸着される色素量が増加し、これにより蛍光強度が向上することを示している。 As a result, the average length of the nanocrystals increases, the fine irregularities on the surface of the FTO substrate become remarkable, and the surface area of the FTO substrate increases. Therefore, the amount of dye adsorbed on the FTO substrate increases, thereby increasing the fluorescence. It shows that the strength is improved.
次に、浸漬時間を変化させて作製した表面処理FTO基板に対して、出力実測値が0.7mW(波長632nm)および97mW(波長650nm)の赤色レーザを照射し、FTO基板から生じる光電流値を測定した。結果を、それぞれ図12および図13に示す。図12および13において、横軸は、ナノ結晶の平均長さを示しており、縦軸は、得られた光電流を示している。 Next, the surface treatment FTO substrate produced by changing the immersion time was irradiated with a red laser having an actually measured output value of 0.7 mW (wavelength 632 nm) and 97 mW (wavelength 650 nm), and a photocurrent value generated from the FTO substrate Was measured. The results are shown in FIGS. 12 and 13, respectively. 12 and 13, the horizontal axis indicates the average length of the nanocrystal, and the vertical axis indicates the obtained photocurrent.
図12および図13から、いずれのレーザを照射した場合も、光電流値は、酸化スズのナノ結晶の平均長さが10nm(浸漬時間20分)の表面処理FTO基板において、最大値を示した(A液での測定値)。 12 and 13, the photocurrent value showed the maximum value in the surface-treated FTO substrate in which the average length of the tin oxide nanocrystals was 10 nm (immersion time: 20 minutes) in any laser irradiation. (Measurement value with liquid A).
前述の蛍光強度の測定では、図11に示すように、酸化スズナノ結晶の平均長さが増加するほど、蛍光強度は増加した。しかしながら、光電流値の測定の結果は、この傾向と一致せず、図12および図13に示すように、酸化スズのナノ結晶の平均長さが10nmのところで最大値を示した。これは、光電流は、表面処理FTO基板への色素吸着量のみに依存するのではなく、表面処理FTO基板の導電性にも大きく影響されることを示している。すなわち、浸漬時間が増加し、酸化スズナノ結晶の平均長さが増加すると、色素吸着量は、増加するものの、FTO基板とナノ結晶を合わせた材料全体の電気抵抗が上昇し、結果的に光電流が低下してしまうものと思われる。 In the above-described measurement of the fluorescence intensity, as shown in FIG. 11, the fluorescence intensity increased as the average length of the tin oxide nanocrystals increased. However, the result of the measurement of the photocurrent value did not agree with this tendency, and as shown in FIGS. 12 and 13, the maximum value was shown when the average length of the tin oxide nanocrystals was 10 nm. This indicates that the photocurrent is not only dependent on the amount of dye adsorbed on the surface-treated FTO substrate, but also greatly influenced by the conductivity of the surface-treated FTO substrate. That is, as the immersion time increases and the average length of tin oxide nanocrystals increases, the amount of dye adsorption increases, but the electrical resistance of the entire material combining the FTO substrate and the nanocrystals increases, resulting in a photocurrent. Seems to be reduced.
従って、分子センサ等のセンサの電極に、本発明の材料を適用する場合、ナノ結晶の平均長さが10nm程度の酸化スズを設置することが最も有効であると考えられる。ただし、図12および図13に示すように、酸化スズのナノ結晶の平均長さが3nmおよび50nm程度の場合においても、光電流の絶対値は、十分に大きいことから、平均長さが10nm以外の酸化スズナノ結晶を設置した表面処理基板も、センサ電極としての使用は、十分に可能であると言える。 Therefore, when the material of the present invention is applied to an electrode of a sensor such as a molecular sensor, it is considered most effective to install tin oxide having an average nanocrystal length of about 10 nm. However, as shown in FIGS. 12 and 13, even when the average length of the tin oxide nanocrystals is about 3 nm and 50 nm, the absolute value of the photocurrent is sufficiently large, so that the average length is other than 10 nm. It can be said that the surface-treated substrate on which the tin oxide nanocrystal is installed can be sufficiently used as a sensor electrode.
本発明は、例えば分子センサ、DNAセンサ、溶液センサおよびガスセンサ等の電極に使用することができる。また本発明による材料は、色素増感型太陽電池の電極、フィルタおよび触媒等にも使用することができる。 The present invention can be used for electrodes of, for example, molecular sensors, DNA sensors, solution sensors, and gas sensors. The material according to the present invention can also be used for electrodes, filters, catalysts and the like of dye-sensitized solar cells.
10 基板
15 基板表面を構成する多角形状の結晶
30 酸化スズのナノ結晶
40 短冊シート状酸化スズ結晶
60 溶液
70 被表面処理面
80 非処理面
90 液面
105 FTO基板
110 テープ
120 穴
125 表面処理領域
130 未表面処理領域。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 15 Polygonal crystal constituting substrate surface 30 Tin oxide nanocrystal 40 Strip sheet tin oxide crystal 60 Solution 70 Surface to be treated 80 Non-treated surface 90 Liquid surface 105 FTO substrate 110 Tape 120 Hole 125 Surface treatment region 130 Unsurfaced treatment area.
Claims (8)
前記表面処理された材料は、
基板と、
該基板の表面に設置された酸化スズのナノ結晶と、
を有し、
前記酸化スズのナノ結晶は、窒素成分を含まないスズイオン含有溶液中において、コア粒子を介さずに、前記基板の表面に直接成長させることにより、前記基板の表面に、膜としてではなく、微小析出物の形態で配置され、
前記酸化スズのナノ結晶は、3nm〜50nmの平均長さを有することを特徴とする電極。 An electrode for a sensor having a surface-treated material ,
The surface-treated material is
A substrate,
A tin oxide nanocrystal placed on the surface of the substrate;
Have
The tin oxide nanocrystals are grown on the surface of the substrate directly in the tin ion-containing solution that does not contain a nitrogen component, instead of a core particle. Arranged in the form of objects,
The electrode according to claim 1, wherein the tin oxide nanocrystal has an average length of 3 nm to 50 nm.
分子センサ、DNAセンサ、溶液センサおよびガスセンサからなる群から選定されたセンサ。 It has an electrode according to any one of claims 1 to 7 ,
A sensor selected from the group consisting of a molecular sensor, a DNA sensor, a solution sensor, and a gas sensor.
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