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JP7498938B2 - Thin film manufacturing method - Google Patents
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Description

本開示は、薄膜及びその製造方法に関する。 This disclosure relates to thin films and methods for producing the same.

セリア(酸化セリウム(IV)、CeO)は、高いイオン伝導性を有することから、固体酸化物形燃料電池(SOFC)などへの応用が注目されている。また、表面におけるプロトンホッピングを利用して、触媒、センサーなどへの応用が注目されている。 Ceria (cerium (IV) oxide, CeO 2 ) has attracted attention for its application to solid oxide fuel cells (SOFCs) and other devices due to its high ionic conductivity. It is also attracting attention for its application to catalysts, sensors, and other devices that utilize proton hopping on the surface.

Aqueous-Phase Synthesis of Single-Crystal Ceria Nanosheets、Taekyung Yu,Byungkwon Lim,Younan Xia、Angewandte Chemie International Edition、2010、第49巻、第4484-4487頁Aqueous-Phase Synthesis of Single-Crystal Ceria Nanosheets, Taekyung Yu, Byungkwon Lim, Younan Xia, Angewandte Chemie International Edition, 2010, Vol. 49, pp. 4484-4487

セリアをSOFCや触媒などとして好適に利用するために、優れた特性を有するセリアの薄膜を製造する技術が求められている。また、その他の金属酸化物や金属水酸化物などの金属化合物についても、薄膜にすることによって特性が向上することが期待される。 In order to use ceria effectively in SOFCs and catalysts, there is a demand for technology to manufacture thin films of ceria with excellent properties. It is also expected that the properties of other metal compounds such as metal oxides and metal hydroxides can be improved by forming them into thin films.

本開示は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、優れた特性を有する金属化合物の薄膜を提供することである。 This disclosure has been made in light of these problems, and its purpose is to provide a thin film of a metal compound with excellent properties.

上記課題を解決するために、本開示のある態様は、薄膜の製造方法である。この方法は、界面活性剤の層状結晶の層間に金属イオンが含まれた複合体を生成するステップと、複合体に塩基の蒸気を作用させることにより層間に金属化合物を生成するステップと、界面活性剤を溶媒に溶解させることにより金属化合物の薄膜を生成するステップと、薄膜を熱処理することにより金属化合物の結晶構造を変換するステップと、を備える。 To solve the above problems, one aspect of the present disclosure is a method for producing a thin film. This method includes the steps of: generating a complex containing metal ions between layers of a layered crystal of a surfactant; generating a metal compound between the layers by applying base vapor to the complex; generating a thin film of the metal compound by dissolving the surfactant in a solvent; and converting the crystal structure of the metal compound by heat-treating the thin film.

本開示の別の態様もまた、薄膜の製造方法である。この方法は、界面活性剤の層状結晶の層間に金属イオンが含まれた複合体を生成するステップと、複合体とアンモニウム塩の固体又は水溶液とを容器内に並置して複合体にアンモニアの蒸気を作用させることにより層間に金属化合物を生成するステップと、界面活性剤を溶媒に溶解させることにより金属化合物の薄膜を生成するステップと、を備える。 Another aspect of the present disclosure is also a method for producing a thin film. This method includes the steps of: producing a complex containing metal ions between layers of layered crystals of a surfactant; arranging the complex and a solid or aqueous solution of an ammonium salt side by side in a container and applying ammonia vapor to the complex to produce a metal compound between the layers; and producing a thin film of the metal compound by dissolving the surfactant in a solvent.

本開示のさらに別の態様は、薄膜である。この薄膜は、蛍石型の結晶構造を有する酸化セリウム(IV)を含み、膜厚が2nm未満である。 Yet another aspect of the present disclosure is a thin film. The thin film includes cerium(IV) oxide having a fluorite-type crystal structure and has a thickness of less than 2 nm.

本開示によれば、優れた特性を有する金属化合物の薄膜を提供することができる。 This disclosure makes it possible to provide a thin film of a metal compound with excellent properties.

実施の形態に係る薄膜の製造方法を模式的に示す図である。1A to 1C are diagrams illustrating a method for manufacturing a thin film according to an embodiment of the present invention. 化合物1のSEM像及びTEM像を示す図である。FIG. 1 shows SEM and TEM images of Compound 1. 化合物1を対象とする各種の測定データを示す図である。FIG. 1 shows various measurement data for Compound 1. 化合物1の予想される構造を示す図である。FIG. 1 shows the predicted structure of Compound 1. 化合物2のSEM像とX線回折パターンを示す図である。FIG. 2 shows an SEM image and an X-ray diffraction pattern of Compound 2. 化合物2を対象とする各種の測定データを示す図である。FIG. 1 shows various measurement data for Compound 2. 化合物2の予想される構造を示す図である。FIG. 2 shows the predicted structure of compound 2. 化合物2から界面活性剤を除去して得られた薄膜のCryo-TEM像及び電子線回折パターンを示す図である。FIG. 1 shows a Cryo-TEM image and an electron beam diffraction pattern of a thin film obtained by removing the surfactant from Compound 2. 熱処理を実施した後の薄膜を対象とする各種の測定データを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing various measurement data of a thin film after a heat treatment is performed. 熱処理を実施した後の薄膜の共焦点レーザー顕微鏡画像及び原子間力顕微鏡画像を示す図である。1A and 1B are confocal laser microscope images and atomic force microscope images of the thin film after heat treatment. 薄膜の予想される構造を示す図である。FIG. 1 shows the expected structure of a thin film. 櫛形電極を薄膜の上に載置した様子を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic diagram of an interdigital electrode placed on a thin film. 測定されたインピーダンスのナイキストプロットを示す図である。FIG. 1 shows a Nyquist plot of measured impedance. 薄膜におけるプロトンの伝導性を示す図である。FIG. 1 shows proton conductivity in a thin film.

本開示では、セリアの特性を高めるために、ナノメーターオーダーの薄膜(ナノシート)を製造する技術を開示する。セリアを薄膜化することにより、蛍石型の結晶構造が歪んで、酸化物イオンが移動する際の活性化エネルギーが変化すると考えられるので、イオン伝導性の向上が期待できる。また、セリアを薄膜化することにより、表面積を増加させることができるので、表面におけるプロトンホッピングによる触媒効果の向上が期待できる。 This disclosure discloses a technique for producing a thin film (nanosheet) on the nanometer order in order to enhance the properties of ceria. By thinning ceria, the fluorite-type crystal structure is distorted, which is thought to change the activation energy when oxide ions move, and therefore improved ion conductivity can be expected. In addition, by thinning ceria, the surface area can be increased, and therefore improved catalytic effects due to proton hopping on the surface can be expected.

これまでの研究により、セリアのイオン伝導性が薄膜の膜厚に強く依存することが示唆されているが、膜厚が2nm未満のナノシートは報告されていない。蒸着法やゾル-ゲル法などによって作製可能なセリアのナノシートの膜厚はせいぜい2~3nm程度であり、それよりも薄いセリアのナノシートを作製するのは困難であった。また、横幅も数μm程度であり、SOFCや触媒などの応用に好適な、大きなナノシートを作製するのは困難であった。 Previous research has suggested that the ionic conductivity of ceria is strongly dependent on the thickness of the thin film, but no nanosheets with a thickness of less than 2 nm have been reported. Ceria nanosheets that can be produced by deposition or sol-gel methods have a thickness of at most 2-3 nm, and it has been difficult to produce ceria nanosheets thinner than this. In addition, the width is only a few micrometers, making it difficult to produce large nanosheets suitable for applications such as SOFCs and catalysts.

界面活性剤のラメラー型の液晶をテンプレートとして、層間にナノシートを作製する技術が知られているが、2nm未満のナノシートを作製する場合には適用できない。 There is a known technique for creating nanosheets between layers using lamellar surfactant liquid crystals as a template, but this is not applicable to creating nanosheets smaller than 2 nm.

したがって、本開示に係る薄膜の製造方法では、界面活性剤の層状結晶をテンプレートとして薄膜を製造する。液晶相よりも狭い界面活性剤の層間で薄膜を生成するので、厚み方向への成長を制限することができ、2nm未満のナノシートを製造することができる。また、横サイズの大きな界面活性剤の層状結晶をテンプレートとして使用することにより、数十μm以上の横サイズを有する大きなナノシートを製造することができる。 Therefore, in the method for producing a thin film according to the present disclosure, a thin film is produced using layered crystals of a surfactant as a template. Since a thin film is produced between surfactant layers narrower than the liquid crystal phase, growth in the thickness direction can be restricted, and nanosheets of less than 2 nm can be produced. In addition, by using layered crystals of a surfactant with a large lateral size as a template, large nanosheets with lateral sizes of several tens of μm or more can be produced.

図1は、実施の形態に係る薄膜の製造方法を模式的に示す。まず、界面活性剤の層状結晶の層間に金属イオンが含まれた複合体を生成する。この複合体を化合物1とする。つづいて、複合体に塩基の蒸気を作用させることにより層間に金属化合物を生成する。この複合体を化合物2とする。界面活性剤を溶媒に溶解させることにより金属化合物を含む薄膜を生成する。最後に、薄膜を熱処理することにより金属化合物の結晶構造を変換する。 Figure 1 shows a schematic diagram of a method for producing a thin film according to an embodiment. First, a complex containing metal ions is generated between the layers of the layered crystals of the surfactant. This complex is called compound 1. Next, a metal compound is generated between the layers by applying base vapor to the complex. This complex is called compound 2. A thin film containing a metal compound is generated by dissolving the surfactant in a solvent. Finally, the crystal structure of the metal compound is transformed by heat-treating the thin film.

界面活性剤は、層状結晶を形成可能な任意のアニオン界面活性剤であってもよく、例えば、アルキル硫酸塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルリン酸塩などであってもよい。界面活性剤は、結晶構造、層間のサイズ、製造する薄膜の膜厚や特性、金属化合物の種類や量などに応じて選択されてもよい。 The surfactant may be any anionic surfactant capable of forming layered crystals, such as an alkyl sulfate, an alkyl sulfonate, or an alkyl phosphate. The surfactant may be selected depending on the crystal structure, the size between the layers, the thickness and characteristics of the thin film to be produced, the type and amount of the metal compound, etc.

複合体は、界面活性剤の水溶液と、金属イオンを含む水溶液とを混合して、界面活性剤に含まれていた陽イオンを金属イオンに置換することにより生成されてもよい。複合体に含まれる金属イオンは、水溶液中で安定な任意の金属イオンであってもよく、例えば、セリウムイオン、ランタンイオン、ガリウムイオン、ジルコニウムイオン、バリウムイオン、ガドリニウムイオン、又はそれらの2以上の組合せであってもよい。複合体に含まれる金属イオンは、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、ランタノイドイオン、アクチノイドイオン、遷移金属イオンなどであってもよい。アニオン界面活性剤の対イオンは、置換する金属イオンの価数よりも低い価数の陽イオンであってもよい。これにより、金属イオンを含む界面活性剤の複合体を析出しやすくすることができる。界面活性剤に対して過剰量の金属イオンを含む水溶液が界面活性剤の水溶液に混合されてもよい。これによっても、金属イオンを含む界面活性剤の複合体を析出しやすくすることができる。 The complex may be produced by mixing an aqueous solution of a surfactant with an aqueous solution containing a metal ion to replace the cations contained in the surfactant with metal ions. The metal ions contained in the complex may be any metal ion stable in an aqueous solution, such as cerium ions, lanthanum ions, gallium ions, zirconium ions, barium ions, gadolinium ions, or a combination of two or more thereof. The metal ions contained in the complex may be alkali metal ions, alkaline earth metal ions, lanthanide ions, actinide ions, transition metal ions, etc. The counter ion of the anionic surfactant may be a cation with a lower valence than the valence of the metal ion to be replaced. This makes it easier to precipitate the surfactant complex containing the metal ion. An aqueous solution containing an excess amount of metal ions relative to the surfactant may be mixed with the aqueous solution of the surfactant. This also makes it easier to precipitate the surfactant complex containing the metal ion.

複合体に作用させる塩基は、アンモニアであってもよい。複合体と、アンモニア又はアンモニウム塩の水溶液を入れた容器とを、より大きな容器内に並置して静置することにより、複合体にアンモニアの蒸気を作用させてもよい。アンモニアの蒸気と水蒸気が複合体に作用することにより、層間の金属イオンを加水分解して、金属酸化物や金属水酸化物などの金属化合物を層間に析出させることができる。アンモニアと水を蒸気で複合体に作用させることにより、複合体の層状構造を崩さずに層間に金属化合物を生成することができる。 The base to be applied to the complex may be ammonia. The complex and a container containing an aqueous solution of ammonia or an ammonium salt may be placed side by side in a larger container and allowed to stand, allowing ammonia vapor to be applied to the complex. By allowing ammonia vapor and water vapor to act on the complex, metal ions between the layers can be hydrolyzed, and metal compounds such as metal oxides and metal hydroxides can be precipitated between the layers. By allowing ammonia and water vapor to act on the complex, metal compounds can be generated between the layers without destroying the layered structure of the complex.

複合体と、炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムの固体とを容器内に並置して、炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムの分解温度以上の温度に加熱してもよい。炭酸アンモニウム及び炭酸水素アンモニウムは、分解温度以上の温度に加熱すると、アンモニア、水、二酸化炭素に分解する。したがって、複合体に作用させるアンモニアと水の量を制御することができる。このような方法により、特性の良好な薄膜が製造できることが本発明者らの実験により明らかになっている。 The complex and ammonium carbonate or ammonium bicarbonate solid may be placed side by side in a container and heated to a temperature equal to or higher than the decomposition temperature of ammonium carbonate or ammonium bicarbonate. When ammonium carbonate and ammonium bicarbonate are heated to a temperature equal to or higher than their decomposition temperature, they decompose into ammonia, water, and carbon dioxide. Therefore, the amounts of ammonia and water that are applied to the complex can be controlled. Experiments by the present inventors have demonstrated that thin films with good properties can be produced by this method.

界面活性剤を溶解させて除去するための溶媒の種類や量は、界面活性剤の種類や量などに応じて任意に選択されてもよい。 The type and amount of the solvent used to dissolve and remove the surfactant may be selected as appropriate depending on the type and amount of the surfactant.

熱処理は、金属化合物を所望の結晶構造に変換させるのに必要な温度、時間、雰囲気などの条件で実施されてもよい。例えば、蛍石型の結晶構造を有するセリアのナノシートを製造する場合、熱処理は、900℃以上の温度で6時間以上実施されてもよい。熱処理は、溶媒に溶解しなかった界面活性剤を除去するために実施されてもよい。複合体の層間で生成された金属化合物が、界面活性剤を除去した段階で既に所望の結晶構造を有している場合は、熱処理は実施されなくてもよい。 The heat treatment may be performed under conditions such as temperature, time, and atmosphere required to convert the metal compound into the desired crystal structure. For example, when producing ceria nanosheets having a fluorite-type crystal structure, the heat treatment may be performed at a temperature of 900°C or higher for 6 hours or more. The heat treatment may be performed to remove the surfactant that was not dissolved in the solvent. If the metal compound generated between the layers of the composite already has the desired crystal structure at the stage when the surfactant is removed, the heat treatment may not be performed.

[実施例]
実施の形態に係る薄膜の製造方法にしたがってセリアのナノシートを製造し、特性を評価した。
[Example]
A ceria nanosheet was produced according to the thin film production method of the embodiment, and its characteristics were evaluated.

[化合物1の調整]
アニオン界面活性剤である硫酸ナトリウムオクタデシル(Sodium Octadecyl Sulfate:SOS)の水溶液に、過剰量(Ce:SOS=20:1)の硝酸セリウム(III)六水和物(Ce(NO・6HO)の水溶液を加えた。生成した沈殿を洗浄して乾燥し、化合物1を得た。
[Preparation of Compound 1]
An excess amount (Ce:SOS=20:1) of an aqueous solution of cerium (III) nitrate hexahydrate (Ce( NO3 ) 3.6H2O ) was added to an aqueous solution of sodium octadecyl sulfate (SOS), an anionic surfactant. The resulting precipitate was washed and dried to obtain compound 1.

[化合物2の調整]
化合物1の結晶を入れたバイアル瓶と、アンモニア水を入れたバイアル瓶を、それぞれ蓋を開けた状態で容器中に封入し、室温で2日静置した。生成した化合物2を80℃で乾燥した。
[Preparation of Compound 2]
The vial containing the crystals of Compound 1 and the vial containing the aqueous ammonia were sealed in a container with their lids open, and left to stand at room temperature for 2 days. The resulting Compound 2 was dried at 80°C.

[ナノシートの生成]
化合物2をホルムアミドに分散させて化合物2に含まれる界面活性剤を溶解させ、ナノシートを得た。
[Nanosheet generation]
Compound 2 was dispersed in formamide to dissolve the surfactant contained in Compound 2, thereby obtaining nanosheets.

[結晶構造の変換]
ナノシートをシリコン基板の上に載置し、900℃で6時間熱処理した。これにより、後述するように、蛍石型の結晶構造を有するセリアの薄膜が製造された。
[Crystal structure conversion]
The nanosheet was placed on a silicon substrate and heat-treated for 6 hours at 900° C. This produced a thin film of ceria with a fluorite-type crystal structure, as described below.

図2は、化合物1のSEM像及びTEM像を示す。図2(a)に示したSEM像から、化合物1が板状の結晶であることが分かる。図2(b)に示したTEM像において、直線状の黒い部分はセリウムイオン、直線間のやや白い部分は界面活性剤であると考えられる。これらから、化合物1が約5nm周期の層状構造を有することが分かる。 Figure 2 shows SEM and TEM images of compound 1. From the SEM image shown in Figure 2(a), it can be seen that compound 1 is a plate-like crystal. In the TEM image shown in Figure 2(b), the straight black parts are thought to be cerium ions, and the slightly white parts between the lines are thought to be surfactants. From these, it can be seen that compound 1 has a layered structure with a periodicity of about 5 nm.

図3は、化合物1を対象とする各種の測定データを示す。図3(a)は、化合物1の元素分析結果を示す。図3(b)は、化合物1の熱重量分析結果を示す。図3(c)は、化合物1のXPSスペクトルを示す。SOSに含まれていたNaは、化合物1では失われており、代わって、界面活性剤に由来するSの1/3の量のCeが含まれている。XPSスペクトルでは、Ce3+に対応するピークが観測されている。熱重量曲線における100℃付近の重量減少は、結晶水の離脱に由来すると考えられる。 FIG. 3 shows various measurement data for compound 1. FIG. 3(a) shows the elemental analysis results for compound 1. FIG. 3(b) shows the thermogravimetric analysis results for compound 1. FIG. 3(c) shows the XPS spectrum for compound 1. The Na contained in SOS is lost in compound 1, and instead, Ce is contained in an amount 1/3 of the S derived from the surfactant. In the XPS spectrum, a peak corresponding to Ce 3+ is observed. The weight loss around 100° C. in the thermogravimetric curve is thought to be due to the removal of water of crystallization.

図4は、化合物1の予想される構造を示す。化合物1は、界面活性剤の層状構造の層間に、Ce3+をCe3+:OS=1:3の比で含む構造を有すると考えられる。また、HO:OS=1:2の比で結晶水が含まれていると考えられる。 4 shows the predicted structure of compound 1. Compound 1 is believed to have a structure containing Ce 3+ between the layers of the surfactant layer structure in a ratio of Ce 3+ :OS =1:3. It is also believed to contain water of crystallization in a ratio of H 2 O:OS =1:2.

図5は、化合物2のSEM像とX線回折パターンを示す。図5(a)に示したSEM像から、化合物2も板状の結晶であることが分かる。図5(b)に示したX線回折パターンから、化合物2が約4.2nm周期の層状構造を有することが分かる。化合物2では、約5nmの周期に対応するブロードなピークも観測されている。なお、化合物1にアンモニアの蒸気を作用させる際に、炭酸アンモニウムを加熱することによりアンモニアの蒸気を生成した場合は、このブロードなピークは観測されなかった。なお、化合物2は不安定であり、TEM像を撮影することはできなかった。 Figure 5 shows the SEM image and X-ray diffraction pattern of compound 2. From the SEM image shown in Figure 5(a), it can be seen that compound 2 is also a plate-like crystal. From the X-ray diffraction pattern shown in Figure 5(b), it can be seen that compound 2 has a layered structure with a period of about 4.2 nm. In compound 2, a broad peak corresponding to a period of about 5 nm is also observed. Note that when ammonia vapor is applied to compound 1 by heating ammonium carbonate to generate ammonia vapor, this broad peak is not observed. Note that compound 2 is unstable, and a TEM image could not be taken.

図6は、化合物2を対象とする各種の測定データを示す。図6(a)は、化合物2の元素分析結果を示す。図6(b)は、化合物2の熱重量分析結果を示す。図6(c)は、化合物2のXPSスペクトルを示す。化合物2に含まれるCとSの比は化合物1と同じであり、界面活性剤はそのまま化合物2にも含まれていると考えられる。化合物2には、アンモニアに由来すると考えられるNが含まれる。XPSスペクトルにおいて、Ce3+に対応するピークに加えて、Ce4+に対応するピークも観測されている。 FIG. 6 shows various measurement data for compound 2. FIG. 6(a) shows the elemental analysis results for compound 2. FIG. 6(b) shows the thermogravimetric analysis results for compound 2. FIG. 6(c) shows the XPS spectrum for compound 2. The ratio of C and S contained in compound 2 is the same as that in compound 1, and it is considered that the surfactant is also contained in compound 2 as it is. Compound 2 contains N that is considered to be derived from ammonia. In addition to the peak corresponding to Ce 3+ , a peak corresponding to Ce 4+ is also observed in the XPS spectrum.

図7は、化合物2の予想される構造を示す。化合物2は、界面活性剤の層状構造の層間に、対イオンとしてアンモニウムイオンがNH4+:OS-=0.9:1の比で含み、さらに、Ce3+及びCe4+を含む層状のセリウム化合物を含む構造を有すると考えられる。 7 shows a predicted structure of compound 2. Compound 2 is considered to have a structure containing ammonium ions as counter ions at a ratio of NH4+:OS−=0.9:1 between layers of the layered structure of the surfactant, and further containing a layered cerium compound containing Ce3 + and Ce4 + .

図8は、化合物2から界面活性剤を除去して得られた薄膜のCryo-TEM像及び電子線回折パターンを示す。図8(a)に示すCryo-TEM像及び図8(b)に示す電子線回折パターンから、薄膜が蛍石型ではない単結晶性材料であることが示唆される。 Figure 8 shows a Cryo-TEM image and an electron diffraction pattern of a thin film obtained by removing the surfactant from compound 2. The Cryo-TEM image shown in Figure 8(a) and the electron diffraction pattern shown in Figure 8(b) suggest that the thin film is a single-crystalline material that is not of the fluorite type.

図9は、熱処理を実施した後の薄膜を対象とする各種の測定データを示す。図9(a)は、薄膜のラマンスペクトルを示す。蛍石型のセリアのCe-O振動に対応するピークが観測されている。図9(b)は、薄膜のIn-Plane X線回折パターンを示す。蛍石型のセリアの(200)に対応するピークが観測されている。蛍石型のセリアの(111)に対応するピークが観測されていないが、これは、セリアが二次元平面構造を有することを示唆している。図9(c)は、薄膜のXPSスペクトルを示す。Ce4+に対応するピークが観測されている。これらから、薄膜を熱処理することによりセリアの結晶構造が蛍石型に変換されたことが示された。 FIG. 9 shows various measurement data for the thin film after heat treatment. FIG. 9(a) shows the Raman spectrum of the thin film. A peak corresponding to the Ce-O vibration of fluorite-type ceria is observed. FIG. 9(b) shows the in-plane X-ray diffraction pattern of the thin film. A peak corresponding to (200) of fluorite-type ceria is observed. No peak corresponding to (111) of fluorite-type ceria is observed, which suggests that ceria has a two-dimensional planar structure. FIG. 9(c) shows the XPS spectrum of the thin film. A peak corresponding to Ce 4+ is observed. These results show that the crystal structure of ceria was converted to the fluorite type by heat treatment of the thin film.

図10は、熱処理を実施した後の薄膜の共焦点レーザー顕微鏡画像及び原子間力顕微鏡画像を示す。図10(a)は、薄膜の共焦点レーザー顕微鏡画像を示す。薄膜は、折り畳まれたシート状の形状を有する。図10(b)は、図10(a)の破線で囲った部分を拡大した原子間力顕微鏡画像を示し、図10(c)は、図10(b)の破線で囲った部分を更に拡大した原子間力顕微鏡画像を示す。薄膜は、多数の微少な結晶を含む多結晶体であることが示唆される。図10(d)は、原子間力顕微鏡によって測定された薄膜の表面形状を示す。折り畳まれた部分における厚みの差から、薄膜の膜厚は約1.5nmであることが示された。表面吸着水などの影響を加味すると、セリアの単位格子1~2個分の膜厚であると予想される。 Figure 10 shows confocal laser microscope images and atomic force microscope images of the thin film after heat treatment. Figure 10(a) shows a confocal laser microscope image of the thin film. The thin film has a folded sheet shape. Figure 10(b) shows an atomic force microscope image of an enlarged portion enclosed by a dashed line in Figure 10(a), and Figure 10(c) shows an atomic force microscope image of an enlarged portion enclosed by a dashed line in Figure 10(b). It is suggested that the thin film is a polycrystalline body containing many minute crystals. Figure 10(d) shows the surface shape of the thin film measured by an atomic force microscope. The difference in thickness in the folded portion indicated that the film thickness was about 1.5 nm. Taking into account the effects of surface adsorbed water, etc., it is expected that the film thickness is equivalent to one or two unit cells of ceria.

図11は、薄膜の予想される構造を示す。薄膜は、膜厚が約1.5nmで、幅が数十nmのセリアの多結晶を含む、幅数十μmのシート状の構造を有すると考えられる。 Figure 11 shows the expected structure of the thin film. The thin film is thought to have a thickness of about 1.5 nm and a sheet-like structure several tens of μm wide, containing polycrystals of ceria several tens of nm wide.

蛍石型のセリアのナノシートのイオン伝導性を評価するために、金の櫛形電極を作製し、実施例の薄膜の上に櫛形電極を載置して、電気化学インピーダンス測定を行った。図12は、櫛形電極を薄膜の上に載置した様子を模式的に示す。櫛形電極のそれぞれの櫛の間における薄膜のイオン伝導性が測定される。図13は、測定されたインピーダンスのナイキストプロットを示す。実施例の薄膜がイオン伝導性を有することが示唆される。薄膜における伝導の形態として、薄膜に含まれるセリアの多結晶の粒子内及び粒子間におけるプロトン及び酸化物イオンによる伝導が考えられるが、表面におけるプロトンのグロッタス機構による伝導が支配的であると仮定して、プロトンの伝導性を解析した。 To evaluate the ionic conductivity of the fluorite-type ceria nanosheet, a gold comb electrode was prepared and placed on the thin film of the example to perform electrochemical impedance measurement. Figure 12 shows a schematic diagram of the comb electrode placed on the thin film. The ionic conductivity of the thin film between each comb of the comb electrode was measured. Figure 13 shows a Nyquist plot of the measured impedance. It is suggested that the thin film of the example has ionic conductivity. As a form of conduction in the thin film, conduction by protons and oxide ions within and between the polycrystalline particles of ceria contained in the thin film is considered, but the proton conductivity was analyzed assuming that conduction by the Grotthuss mechanism of protons on the surface is dominant.

図14は、薄膜におけるプロトンの伝導性を示す。図14(a)は、プロトンの電気伝導率の温度依存性を示す。図14(b)は、アレニウスプロットを示す。プロトン移動の活性化エネルギーは、0.21eVであった。蛍石型のセリアのナノシートがバルクの同等物よりも高いイオン伝導性を有することが示された。 Figure 14 shows the proton conductivity in the thin film. Figure 14(a) shows the temperature dependence of the proton electrical conductivity. Figure 14(b) shows the Arrhenius plot. The activation energy for proton transfer was 0.21 eV. It was shown that fluorite-type ceria nanosheets have higher ionic conductivity than their bulk counterparts.

以上、本開示を、実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present disclosure has been described above based on examples. These examples are merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications are possible in the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present disclosure.

Claims (4)

界面活性剤の層状結晶の層間にセリウムイオンが含まれた複合体を生成するステップと、
前記複合体とアンモニウム塩の固体又は水溶液とを容器内に並置して前記複合体にアンモニアの蒸気を作用させることにより前記層間に酸化セリウム(IV)を生成するステップと、
前記界面活性剤を溶媒に溶解させることにより酸化セリウム(IV)を含む薄膜を生成するステップと、
前記薄膜を熱処理することにより酸化セリウム(IV)の結晶構造を蛍石型に変換するステップと、
を備える薄膜の製造方法。
A step of forming a complex containing cerium ions between layers of a layered crystal of a surfactant;
A step of juxtaposing the composite and a solid or aqueous solution of an ammonium salt in a container and applying ammonia vapor to the composite to generate cerium (IV) oxide between the layers;
forming a thin film comprising cerium (IV) oxide by dissolving the surfactant in a solvent;
heat-treating the thin film to convert the crystal structure of cerium (IV) oxide into a fluorite type;
A method for producing a thin film comprising the steps of:
前記アンモニウム塩は炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムである請求項に記載の薄膜の製造方法。 2. The method for producing a thin film according to claim 1 , wherein the ammonium salt is ammonium carbonate or ammonium hydrogen carbonate. 前記層間に酸化セリウム(IV)を生成するステップにおいて、前記複合体と炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムの固体とを容器内に並置して炭酸アンモニウム又は炭酸水素アンモニウムの分解温度以上の温度に加熱する請求項に記載の薄膜の製造方法。 3. The method for producing a thin film according to claim 2, wherein in the step of generating cerium (IV) oxide between the layers, the complex and a solid of ammonium carbonate or ammonium hydrogen carbonate are placed side by side in a container and heated to a temperature equal to or higher than a decomposition temperature of ammonium carbonate or ammonium hydrogen carbonate. 前記熱処理は、900℃以上の温度で6時間以上実施する請求項1から3のいずれかに記載の薄膜の製造方法。 The method for producing a thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat treatment is carried out at a temperature of 900°C or higher for 6 hours or more.
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