JP7694950B2 - Method for producing anatase titanium oxide film - Google Patents
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Description
本開示は、アナターゼ型酸化チタン膜の製造方法に関する。 This disclosure relates to a method for producing an anatase-type titanium oxide film.
酸化チタンは、光触媒及びn型半導体といった様々な技術分野で注目され続けている。例えば、光触媒において、アナターゼ型酸化チタンは、ルチル型酸化チタンよりも高い活性を示すことが知られている。酸化チタンに求められる特性が各用途で異なるため、目的の用途に適した酸化チタンを製造する方法が検討されている。 Titanium oxide continues to attract attention in various technical fields such as photocatalysis and n-type semiconductors. For example, it is known that anatase-type titanium oxide exhibits higher activity in photocatalysis than rutile-type titanium oxide. Since the properties required of titanium oxide differ depending on the application, methods for producing titanium oxide suitable for the intended application are being investigated.
アナターゼ型酸化チタンは、高温でルチル型酸化チタンへ不可逆的に変わるため、アナターゼ型酸化チタンの単結晶の多くは、エピタキシャル成長を利用して製造される。例えば、下記特許文献1は、レーザアブレーション成膜法によって単結晶基板の上にアナターゼ型結晶構造の二酸化チタン単結晶薄膜を作製する方法を開示している。 Since anatase titanium oxide irreversibly changes to rutile titanium oxide at high temperatures, most single crystals of anatase titanium oxide are produced using epitaxial growth. For example, the following Patent Document 1 discloses a method for producing a single crystal thin film of titanium dioxide with an anatase crystal structure on a single crystal substrate by a laser ablation film formation method.
酸化チタンは、水熱合成法といった液相法を利用して製造されることがある。水熱合成法は、ソルボサーマル法に分類される物質合成法である。例えば、下記特許文献2は、アナターゼ型酸化チタン粒子の合成方法を開示している。下記特許文献2に開示された酸化チタン粒子の合成方法は、チタンアルコキシドと水酸基含有アミンとを反応させて酸化チタン源を得る工程と、得られた酸化チタン源を溶解させた水溶液中に、炭素数8以上の有機酸とアミンとを反応させた有機酸アミン塩を添加して水熱合成を行う工程と、を含む。 Titanium oxide may be produced using a liquid phase method such as hydrothermal synthesis. Hydrothermal synthesis is a material synthesis method classified as a solvothermal method. For example, Patent Document 2 below discloses a method for synthesizing anatase-type titanium oxide particles. The method for synthesizing titanium oxide particles disclosed in Patent Document 2 below includes a step of reacting titanium alkoxide with a hydroxyl group-containing amine to obtain a titanium oxide source, and a step of adding an organic acid amine salt obtained by reacting an organic acid having 8 or more carbon atoms with an amine to an aqueous solution in which the obtained titanium oxide source is dissolved, thereby carrying out hydrothermal synthesis.
水熱合成法は、複合チタン酸化物膜の製造にも利用されている。例えば、下記特許文献3は、水熱合成法により基板の上に複合チタン酸化物膜を形成する方法を開示している。下記特許文献3において、複合チタン酸化物膜は、パターニングされたTi金属上にのみ選択的に形成される。 Hydrothermal synthesis is also used to manufacture composite titanium oxide films. For example, the following Patent Document 3 discloses a method for forming a composite titanium oxide film on a substrate by hydrothermal synthesis. In the following Patent Document 3, the composite titanium oxide film is selectively formed only on the patterned Ti metal.
レーザアブレーションといった気相法は、高い製造費用及び高い技術水準の要求といった問題を有する。例えば、気相法は、高価な成膜装置を必要とする。成膜装置が高価であるだけでなく、成膜装置の取り扱いにも高度な理解及び技能が求められる。上記のような問題に加えて、気相法は、大面積で均一な酸化チタン膜の製造に適していない。 Gas-phase methods such as laser ablation have problems such as high manufacturing costs and high technical requirements. For example, gas-phase methods require expensive deposition equipment. Not only is the deposition equipment expensive, but the operation of the deposition equipment also requires a high level of understanding and skill. In addition to the above problems, gas-phase methods are not suitable for producing large-area, uniform titanium oxide films.
ソルボサーマル法といった液相法は、上記のような気相法の問題を解決できるかもしれない。しかしながら、酸化チタン膜の製造への従来のソルボサーマル法の応用は、高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜を十分に成長させることできない。 Liquid-phase methods such as the solvothermal method may be able to solve the problems of the gas-phase method. However, the application of conventional solvothermal methods to the production of titanium oxide films does not allow the growth of sufficiently highly oriented anatase-type titanium oxide films.
本開示の一実施形態の目的は、ソルボサーマル法によって高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜を製造する方法を提供することである。 The objective of one embodiment of the present disclosure is to provide a method for producing a highly oriented anatase-type titanium oxide film by a solvothermal method.
本開示は、以下の態様を含む。
<1> 水と、アルコールと、ジケトンと、酸と、チタンアルコキシドと、フッ素原子含有チタン化合物と、を含むチタン含有液を準備することと、上記チタン含有液に基板を浸して、ソルボサーマル法によって上記基板の上にアナターゼ型酸化チタン膜を形成することと、を含む、アナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<2> 上記チタン含有液を準備することが、上記水と、上記アルコールと、上記ジケトンと、上記酸と、を含む混合物を準備することと、上記混合物と、上記チタンアルコキシドと、上記フッ素原子含有チタン化合物とを混合することと、を含む、<1>に記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<3> 上記アルコールが、エタノールを含む、<1>又は<2>に記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<4> 上記ジケトンが、β-ジケトンを含む、<1>~<3>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<5> 上記ジケトンが、アセチルアセトンを含む、<1>~<3>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<6> 上記酸が、ハロゲン化水素を含む、<1>~<5>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<7> 上記酸が、塩化水素を含む、<1>~<5>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<8> 上記チタンアルコキシドにおけるアルコキシ基の炭素数が、1個~8個である、<1>~<7>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<9> 上記チタンアルコキシドが、チタンテトライソプロポキシドを含む、<1>~<8>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<10> 上記フッ素原子含有チタン化合物が、TiF6
2-を含む塩を含む、<1>~<9>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<11> 上記フッ素原子含有チタン化合物が、ヘキサフルオロチタン酸アンモニウムを含む、<1>~<9>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<12> 上記基板が、LaAlO3基板又はSrTiO3基板である、<1>~<11>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
<13> 上記ソルボサーマル法における加熱温度が、110℃~170℃である、<1>~<12>のいずれか1つに記載のアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。
The present disclosure includes the following aspects.
<1> A method for producing an anatase type titanium oxide film, comprising: preparing a titanium-containing liquid containing water, an alcohol, a diketone, an acid, a titanium alkoxide, and a fluorine atom-containing titanium compound; and immersing a substrate in the titanium-containing liquid to form an anatase type titanium oxide film on the substrate by a solvothermal method.
<2> The method for producing an anatase titanium oxide film according to <1>, wherein preparing the titanium-containing liquid includes preparing a mixture containing the water, the alcohol, the diketone, and the acid, and mixing the mixture with the titanium alkoxide and the fluorine atom-containing titanium compound.
<3> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to <1> or <2>, wherein the alcohol includes ethanol.
<4> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <3>, wherein the diketone includes a β-diketone.
<5> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <3>, wherein the diketone contains acetylacetone.
<6> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <5>, wherein the acid contains a hydrogen halide.
<7> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <5>, wherein the acid contains hydrogen chloride.
<8> The method for producing an anatase titanium oxide film according to any one of <1> to <7>, wherein the alkoxy group in the titanium alkoxide has 1 to 8 carbon atoms.
<9> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <8>, wherein the titanium alkoxide includes titanium tetraisopropoxide.
<10> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <9>, wherein the fluorine atom-containing titanium compound includes a salt containing TiF 6 2−.
<11> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <9>, wherein the fluorine atom-containing titanium compound includes ammonium hexafluorotitanate.
<12> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <11>, wherein the substrate is a LaAlO3 substrate or a SrTiO3 substrate.
<13> The method for producing an anatase type titanium oxide film according to any one of <1> to <12>, wherein the heating temperature in the solvothermal method is 110° C. to 170° C.
本開示の一実施形態によれば、ソルボサーマル法によって高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜を製造する方法が提供される。 According to one embodiment of the present disclosure, a method for producing a highly oriented anatase-type titanium oxide film by a solvothermal method is provided.
以下、本開示の実施形態について詳細に説明する。本開示は、以下の実施形態に何ら制限されない。以下の実施形態は、本開示の目的の範囲内において適宜変更されてもよい。 The following describes in detail the embodiments of the present disclosure. The present disclosure is not limited to the following embodiments. The following embodiments may be modified as appropriate within the scope of the purpose of the present disclosure.
本開示において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。 In this disclosure, a numerical range expressed using "~" means a range that includes the numerical values written before and after "~" as the lower and upper limits.
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値に置き換えられてもよく、ある数値範囲で記載された下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の下限値に置き換えられてもよい。本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えられてもよい。 In the numerical ranges described in stages in this disclosure, the upper limit value described in a certain numerical range may be replaced with the upper limit value of another numerical range described in stages, and the lower limit value described in a certain numerical range may be replaced with the lower limit value of another numerical range described in stages. In the numerical ranges described in stages in this disclosure, the upper limit value or lower limit value described in a certain numerical range may be replaced with a value shown in the examples.
本開示において、「工程」との用語は、独立した工程だけでなく、所期の目的が達成される場合には他の工程と明確に区別できない工程も包含する。 In this disclosure, the term "process" includes not only independent processes, but also processes that cannot be clearly distinguished from other processes as long as the intended purpose is achieved.
本開示において、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中の各成分の量は、組成物中に存在する上記複数の物質の合計量を意味する。 In this disclosure, when a composition contains multiple substances corresponding to each component, the amount of each component in the composition means the total amount of the multiple substances present in the composition, unless otherwise specified.
本開示において、好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。 In this disclosure, combinations of preferred aspects are more preferred aspects.
<アナターゼ型酸化チタン膜の製造方法>
以下、本開示に係るアナターゼ型酸化チタン膜の製造方法について説明する。本開示の一実施形態において、アナターゼ型酸化チタン膜の製造方法は、以下の(1)~(2)を含む。
(1)水と、アルコールと、ジケトンと、酸と、チタンアルコキシドと、フッ素原子含有チタン化合物と、を含むチタン含有液を準備すること(以下、「工程(1)」という場合がある。)。
(2)チタン含有液に基板を浸して、ソルボサーマル法によって上記基板の上にアナターゼ型酸化チタン膜を形成すること(以下、「工程(2)」という場合がある。)。
<Method of manufacturing anatase titanium oxide film>
The method for producing an anatase type titanium oxide film according to the present disclosure will be described below. In one embodiment of the present disclosure, the method for producing an anatase type titanium oxide film includes the following steps (1) and (2).
(1) preparing a titanium-containing liquid containing water, an alcohol, a diketone, an acid, a titanium alkoxide, and a fluorine atom-containing titanium compound (hereinafter, sometimes referred to as “step (1)”).
(2) Immersing a substrate in a titanium-containing liquid and forming an anatase-type titanium oxide film on the substrate by a solvothermal method (hereinafter, sometimes referred to as "step (2)").
上記のような実施形態は、ソルボサーマル法によって高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜を製造する方法を提供する。上記のような酸化チタン膜が得られる理由は、高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜の成長に適した環境をチタン含有液が構築するためであると推定される。例えば、酸は、チタン含有液の酸性度を調整することによって、工程(2)において反応中間体(例えば、チタンアルコキシドの加水分解物)の脱水縮合反応の触媒となる。例えば、ジケトンは、チタン含有液においてチタン-ジケトン錯体を形成できる。チタン-ジケトン錯体の形成は、酸の量を多くしなくても、液中のチタン濃度を保つことができる。したがって、ジケトン及び酸の両方ではなく酸のみを使用する場合に比べて、ジケトン及び酸の使用は、酸に起因する基板の溶解を防止又は低減しつつ、チタン含有液において目的のアナターゼ型酸化チタン膜の成長に必要なチタン濃度を実現できる。さらに、フッ素原子含有チタン化合物の使用は、高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜の優先的な成長に寄与する。詳細な機構は明らかではないものの、フッ素原子含有チタン化合物におけるフッ素原子の作用が酸化チタン膜の結晶構造及び配向性に影響を及ぼしていると考えられる。したがって、高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜が形成される。 The above embodiment provides a method for producing a highly oriented anatase-type titanium oxide film by a solvothermal method. It is presumed that the reason why the above-mentioned titanium oxide film is obtained is that the titanium-containing liquid creates an environment suitable for the growth of a highly oriented anatase-type titanium oxide film. For example, the acid catalyzes the dehydration condensation reaction of the reaction intermediate (e.g., the hydrolyzate of titanium alkoxide) in step (2) by adjusting the acidity of the titanium-containing liquid. For example, the diketone can form a titanium-diketone complex in the titanium-containing liquid. The formation of the titanium-diketone complex can maintain the titanium concentration in the liquid without increasing the amount of acid. Therefore, compared to the use of only an acid rather than both a diketone and an acid, the use of a diketone and an acid can achieve the titanium concentration required for the growth of the target anatase-type titanium oxide film in the titanium-containing liquid while preventing or reducing the dissolution of the substrate caused by the acid. Furthermore, the use of a fluorine atom-containing titanium compound contributes to the preferential growth of a highly oriented anatase-type titanium oxide film. Although the detailed mechanism is unclear, it is believed that the action of the fluorine atoms in the fluorine-containing titanium compound affects the crystal structure and orientation of the titanium oxide film. Therefore, an anatase-type titanium oxide film with high orientation is formed.
[工程(1)]
工程(1)は、水と、アルコールと、ジケトンと、酸と、チタンアルコキシドと、フッ素原子含有チタン化合物と、を含むチタン含有液を準備することである。工程(1)は、チタン含有液を製造することを含んでいてもよい。
[Step (1)]
Step (1) is to prepare a titanium-containing liquid containing water, an alcohol, a diketone, an acid, a titanium alkoxide, and a fluorine atom-containing titanium compound. Step (1) may also include producing the titanium-containing liquid.
水は、主に溶媒としての役割を果たす。さらに、水は、工程(2)においてチタンアルコキシドの加水分解に関与する。 Water mainly functions as a solvent. In addition, water is involved in the hydrolysis of titanium alkoxide in step (2).
水としては、例えば、精製水が挙げられる。精製水の製造方法としては、例えば、ろ過、蒸留及びイオン交換が挙げられる。 An example of water is purified water. Methods for producing purified water include filtration, distillation, and ion exchange.
チタン含有液に占める水の割合は、体積基準で、5体積%~45体積%であることが好ましく、15体積%~25体積%であることが更に好ましい。「チタン含有液に占める水の割合」とは、チタン含有液の総量に対するチタン含有液における水の総量の割合を意味する。 The proportion of water in the titanium-containing liquid is preferably 5% to 45% by volume, and more preferably 15% to 25% by volume. "Proportion of water in the titanium-containing liquid" means the ratio of the total amount of water in the titanium-containing liquid to the total amount of the titanium-containing liquid.
アルコールは、主に溶媒としての役割を果たす。さらに、アルコールは、工程(2)においてチタンアルコキシドの加水分解の促進に寄与できる。チタンアルコキシドの加水分解の促進は、チタンアルコキシドにおける少なくとも1つのアルコキシ基がアルコールに由来のアルコキシ基によって置換されることに起因すると考えられる。 The alcohol mainly functions as a solvent. Furthermore, the alcohol can contribute to promoting the hydrolysis of the titanium alkoxide in step (2). The promotion of the hydrolysis of the titanium alkoxide is believed to be due to the replacement of at least one alkoxy group in the titanium alkoxide with an alkoxy group derived from the alcohol.
アルコールとしては、例えば、脂肪族アルコール及び芳香族アルコールが挙げられる。脂肪族アルコールは、飽和脂肪族アルコール又は不飽和脂肪族アルコールであってもよい。脂肪族アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール(別名:イソプロパノール)、2-メチル-1-プロパノール(別名:イソブチルアルコール)、2-メチル-2-プロパノール(別名:tert-ブチルアルコール)、1-ブタノール及び2-ブタノールが挙げられる。芳香族アルコールとしては、例えば、ベンジルアルコールが挙げられる。溶解性、混和性及び工程(2)におけるチタンアルコキシドの加水分解の促進の観点から、アルコールは、脂肪族アルコールを含むことが好ましく、エタノール及び2-プロパノールからなる群より選択される少なくとも1つを含むことが好ましく、エタノールを含むことが更に好ましい。 Examples of the alcohol include aliphatic alcohols and aromatic alcohols. The aliphatic alcohol may be a saturated aliphatic alcohol or an unsaturated aliphatic alcohol. Examples of the aliphatic alcohol include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (also known as isopropanol), 2-methyl-1-propanol (also known as isobutyl alcohol), 2-methyl-2-propanol (also known as tert-butyl alcohol), 1-butanol, and 2-butanol. Examples of the aromatic alcohol include benzyl alcohol. From the viewpoints of solubility, miscibility, and promotion of hydrolysis of titanium alkoxide in step (2), the alcohol preferably includes an aliphatic alcohol, preferably includes at least one selected from the group consisting of ethanol and 2-propanol, and more preferably includes ethanol.
溶解性、混和性及び工程(2)におけるチタンアルコキシドの加水分解の促進の観点から、アルコールの炭素数は、1個~8個であることが好ましく、1個~6個であることがより好ましく、2個~4個であることが更に好ましい。 From the viewpoints of solubility, miscibility, and promotion of hydrolysis of titanium alkoxide in step (2), the number of carbon atoms in the alcohol is preferably 1 to 8, more preferably 1 to 6, and even more preferably 2 to 4.
チタン含有液は、1種又は2種以上のアルコールを含んでいてもよい。 The titanium-containing liquid may contain one or more types of alcohol.
溶解性、混和性及び工程(2)におけるチタンアルコキシドの加水分解の促進の観点から、チタン含有液に占めるアルコールの割合は、体積基準で、5体積%~45体積%であることが好ましく、15体積%~25体積%であることが更に好ましい。「チタン含有液に占めるアルコールの割合」とは、チタン含有液の総量に対するチタン含有液におけるアルコールの総量の割合を意味する。 From the viewpoints of solubility, miscibility, and promotion of hydrolysis of titanium alkoxide in step (2), the proportion of alcohol in the titanium-containing liquid is preferably 5% to 45% by volume, and more preferably 15% to 25% by volume, based on volume. "Proportion of alcohol in the titanium-containing liquid" means the ratio of the total amount of alcohol in the titanium-containing liquid to the total amount of the titanium-containing liquid.
溶解性及び加水分解速度制御の観点から、チタン含有液においてチタンアルコキシドの含有量に対するアルコールの含有量の比は、体積基準で、10~50であることが好ましく、15~30であることが好ましい。 From the viewpoint of solubility and hydrolysis rate control, the ratio of the alcohol content to the titanium alkoxide content in the titanium-containing liquid is preferably 10 to 50, and more preferably 15 to 30, on a volume basis.
ジケトンは、主に、チタン含有液においてチタン-ジケトン錯体を形成して目的のアナターゼ型酸化チタン膜の成長に必要なチタン濃度を保つという役割を果たす。ジケトンは、溶媒としての役割も果たす。 The diketone mainly plays a role in forming a titanium-diketone complex in the titanium-containing liquid to maintain the titanium concentration required for the growth of the desired anatase-type titanium oxide film. The diketone also acts as a solvent.
ジケトンとしては、例えば、β-ジケトン及びγ-ジケトンが挙げられる。β-ジケトンとしては、例えば、アセチルアセトン(別名:2,4-ペンタンジオン)及びメチルアセチルアセトン(別名:3-メチル-2,4-ペンタンジオン)が挙げられる。γ-ジケトンとしては、例えば、2,5-ヘキサンジオンが挙げられる。 Examples of diketones include β-diketones and γ-diketones. Examples of β-diketones include acetylacetone (also known as 2,4-pentanedione) and methylacetylacetone (also known as 3-methyl-2,4-pentanedione). Examples of γ-diketones include 2,5-hexanedione.
ジケトンに含まれる少なくとも1つのカルボニル基(-CO-)は、エステル結合(-COO-)の一部であってもよい。例えば、本開示における用語「ジケトン」は、β-ケトエステルを包含する。β-ケトエステルとしては、例えば、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル及びアセト酢酸tert-ブチルが挙げられる。 At least one carbonyl group (-CO-) contained in a diketone may be part of an ester bond (-COO-). For example, the term "diketone" in this disclosure includes β-ketoesters. Examples of β-ketoesters include methyl acetoacetate, ethyl acetoacetate, and tert-butyl acetoacetate.
チタン-ジケトン錯体の形成性の観点から、ジケトンは、β-ジケトンを含むことが好ましく、アセチルアセトン及びアセト酢酸エチルからなる群より選択される少なくとも1つを含むことがより好ましく、アセチルアセトンを含むことが更に好ましい。 From the viewpoint of the ability to form a titanium-diketone complex, the diketone preferably contains a β-diketone, more preferably contains at least one selected from the group consisting of acetylacetone and ethyl acetoacetate, and even more preferably contains acetylacetone.
チタン-ジケトン錯体の形成性の観点から、ジケトンの炭素数は、5個~10個であることが好ましく、5個~8個であることがより好ましく、5個~6個であることが更に好ましい。 From the viewpoint of the formation of a titanium-diketone complex, the number of carbon atoms in the diketone is preferably 5 to 10, more preferably 5 to 8, and even more preferably 5 to 6.
チタン含有液は、1種又は2種以上のジケトンを含んでいてもよい。 The titanium-containing liquid may contain one or more diketones.
酸に起因する基板の溶解を防止又は低減しつつ、チタン含有液において目的のアナターゼ型酸化チタン膜の成長に必要なチタン濃度を保つ観点から、チタン含有液に占めるジケトンの割合は、体積基準で、15体積%~50体積%であることが好ましく、35体積%~50体積%であることが更に好ましい。「チタン含有液に占めるジケトンの割合」とは、チタン含有液の総量に対するチタン含有液におけるジケトンの総量の割合を意味する。 From the viewpoint of preventing or reducing dissolution of the substrate caused by acid while maintaining the titanium concentration necessary for the growth of the target anatase-type titanium oxide film in the titanium-containing liquid, the proportion of diketone in the titanium-containing liquid is preferably 15% by volume to 50% by volume, and more preferably 35% by volume to 50% by volume. "Proportion of diketone in the titanium-containing liquid" means the ratio of the total amount of diketone in the titanium-containing liquid to the total amount of the titanium-containing liquid.
チタン-ジケトン錯体の形成性の観点から、チタン含有液においてチタンアルコキシドの含有量に対するジケトンの含有量の比は、物質量基準で、3~200であることが好ましく、6~100であることが更に好ましい。 From the viewpoint of the formation of a titanium-diketone complex, the ratio of the diketone content to the titanium alkoxide content in the titanium-containing liquid is preferably 3 to 200, and more preferably 6 to 100, on a substance amount basis.
酸は、主に、チタン含有液の酸性度を調整することによって、工程(2)において反応中間体(例えば、チタンアルコキシドの加水分解物)の脱水縮合反応の触媒としての役割を果たす。 The acid primarily serves as a catalyst for the dehydration condensation reaction of the reaction intermediate (e.g., the hydrolysate of titanium alkoxide) in step (2) by adjusting the acidity of the titanium-containing liquid.
酸としては、例えば、リン酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、酢酸(CH3COOH)及びハロゲン化水素が挙げられる。ハロゲン化水素としては、例えば、塩化水素及び臭化水素が挙げられる。チタン含有液の製造において、ハロゲン化水素は、ハロゲン化水素の水溶液として添加されることが好ましい。例えば、塩化水素の水溶液は、塩酸と呼ばれる。効率的な高配向膜の成長の観点から、酸は、ハロゲン化水素を含むことが好ましく、塩化水素を含むことがより好ましい。 Examples of the acid include phosphoric acid ( H3PO4 ), nitric acid ( HNO3 ), sulfuric acid ( H2SO4 ), acetic acid ( CH3COOH ) and hydrogen halides. Examples of the hydrogen halides include hydrogen chloride and hydrogen bromide. In the production of the titanium-containing liquid, the hydrogen halide is preferably added as an aqueous solution of hydrogen halide. For example, an aqueous solution of hydrogen chloride is called hydrochloric acid. From the viewpoint of efficient growth of a highly oriented film, the acid preferably contains hydrogen halide, more preferably contains hydrogen chloride.
チタン含有液は、1種又は2種以上の酸を含んでいてもよい。 The titanium-containing liquid may contain one or more acids.
酸に起因する基板の溶解を防止又は低減しつつ、工程(2)における反応中間体の脱水縮合反応を促進する観点から、25℃でのチタン含有液のpHは、2~4であることが好ましく、2~2.5であることが更に好ましい。チタン含有液のpHは、25℃のチタン含有液を用いて市販のpH試験紙で測定される。市販のpH試験紙としては、例えば、「スティックpH試験紙 pH0-14.0(MACHEREY-NAGEL社)」が挙げられる。 From the viewpoint of preventing or reducing dissolution of the substrate due to acid while promoting the dehydration condensation reaction of the reaction intermediate in step (2), the pH of the titanium-containing liquid at 25°C is preferably 2 to 4, and more preferably 2 to 2.5. The pH of the titanium-containing liquid is measured using a commercially available pH test paper at 25°C. An example of a commercially available pH test paper is "Stick pH Test Paper pH 0-14.0 (MACHEREY-NAGEL)."
チタンアルコキシドは、酸化チタン源の役割を果たす。チタンアルコキシドは、工程(2)において加水分解及び脱水縮合を経て酸化チタンを形成する。 The titanium alkoxide serves as a titanium oxide source. In step (2), the titanium alkoxide undergoes hydrolysis and dehydration condensation to form titanium oxide.
チタンアルコキシドとしては、例えば、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラn-ブトキシド及びチタンテトラtert-ブトキシドが挙げられる。工程(2)におけるチタンアルコキシドの加水分解性の観点から、チタンアルコキシドは、チタンテトライソプロポキシドを含むことが好ましい。 Examples of titanium alkoxides include titanium tetramethoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetraisopropoxide, titanium tetra n-butoxide, and titanium tetra tert-butoxide. From the viewpoint of the hydrolysis property of the titanium alkoxide in step (2), it is preferable that the titanium alkoxide contains titanium tetraisopropoxide.
工程(2)におけるチタンアルコキシドの加水分解性の観点から、チタンアルコキシドにおけるアルコキシ基の炭素数は、1個~8個であることが好ましく、2個~8個であることがより好ましく、2個~6個であることが更に好ましい。チタンアルコキシドが複数のアルコキシ基を含む場合、「アルコキシ基の炭素数」は「各アルコキシ基の炭素数」を指す。 From the viewpoint of the hydrolysis property of the titanium alkoxide in step (2), the number of carbon atoms in the alkoxy group in the titanium alkoxide is preferably 1 to 8, more preferably 2 to 8, and even more preferably 2 to 6. When the titanium alkoxide contains multiple alkoxy groups, the "number of carbon atoms in the alkoxy group" refers to the "number of carbon atoms in each alkoxy group."
チタン含有液は、1種又は2種以上のチタンアルコキシドを含んでいてもよい。 The titanium-containing liquid may contain one or more titanium alkoxides.
工程(2)における酸化チタン膜の成長を促進する観点から、チタン含有液に占めるチタンアルコキシドの割合は、体積基準で、1.5体積%~5体積%であることが好ましく、1.5体積%~3体積%であることが更に好ましい。「チタン含有液に占めるチタンアルコキシドの割合」とは、チタン含有液の総量に対するチタン含有液におけるチタンアルコキシドの総量の割合を意味する。 From the viewpoint of promoting the growth of the titanium oxide film in step (2), the proportion of titanium alkoxide in the titanium-containing liquid is preferably 1.5% by volume to 5% by volume, and more preferably 1.5% by volume to 3% by volume, on a volume basis. "Proportion of titanium alkoxide in the titanium-containing liquid" means the ratio of the total amount of titanium alkoxide in the titanium-containing liquid to the total amount of the titanium-containing liquid.
十分な膜厚を持ったアナターゼ型酸化チタン膜作製の観点から、チタン含有液においてのフッ素含有チタン化合物含有量に対するチタンアルコキシドの含有量の比は、体積基準で、2/3~2であることが好ましく、1~2であることが更に好ましい。 From the viewpoint of producing an anatase-type titanium oxide film with a sufficient thickness, the ratio of the titanium alkoxide content to the fluorine-containing titanium compound content in the titanium-containing liquid is preferably 2/3 to 2, and more preferably 1 to 2, on a volume basis.
フッ素原子含有チタン化合物は、主に、高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜の優先的な成長に寄与するという役割を果たす。 The fluorine atom-containing titanium compound plays a major role in contributing to the preferential growth of a highly oriented anatase-type titanium oxide film.
フッ素原子含有チタン化合物としては、例えば、TiF6 2-を含む塩が挙げられる。TiF6 2-の対イオンとしては、例えば、金属イオン及びアンモニウムイオンが挙げられる。TiF6 2-を含む塩としては、例えば、ヘキサフルオロチタン酸ナトリウム(Na2TiF6)、ヘキサフルオロチタン酸カリウム(K2TiF6)及びヘキサフルオロチタン酸アンモニウム((NH4)2TiF6)が挙げられる。高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜の優先的な成長の観点から、フッ素原子含有チタン化合物は、TiF6 2-を含む塩を含むことが好ましく、ヘキサフルオロチタン酸アンモニウムを含むことがより好ましい。 The fluorine atom-containing titanium compound may, for example, be a salt containing TiF 6 2- . The counter ion of TiF 6 2- may, for example, be a metal ion or an ammonium ion. The salt containing TiF 6 2- may, for example, be sodium hexafluorotitanate (Na 2 TiF 6 ), potassium hexafluorotitanate (K 2 TiF 6 ), and ammonium hexafluorotitanate ((NH 4 ) 2 TiF 6 ). From the viewpoint of preferential growth of an anatase type titanium oxide film having high orientation, the fluorine atom-containing titanium compound preferably contains a salt containing TiF 6 2- , and more preferably contains ammonium hexafluorotitanate.
チタン含有液は、1種又は2種以上のフッ素原子含有チタン化合物を含んでいてもよい。 The titanium-containing liquid may contain one or more fluorine atom-containing titanium compounds.
高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜の優先的な成長の観点から、チタン含有液に占めるフッ素原子含有チタン化合物の割合は、体積基準で、0.8体積%~3.5体積%であることが好ましく、1体積%~2体積%であることが更に好ましい。「チタン含有液に占めるフッ素原子含有チタン化合物の割合」とは、チタン含有液の総量に対するチタン含有液におけるフッ素原子含有チタン化合物の総量の割合を意味する。 From the viewpoint of preferential growth of a highly oriented anatase-type titanium oxide film, the proportion of the fluorine atom-containing titanium compound in the titanium-containing liquid is preferably 0.8% by volume to 3.5% by volume, and more preferably 1% by volume to 2% by volume. "Proportion of the fluorine atom-containing titanium compound in the titanium-containing liquid" means the ratio of the total amount of the fluorine atom-containing titanium compound in the titanium-containing liquid to the total amount of the titanium-containing liquid.
高配向性を有するアナターゼ型酸化チタン膜の優先的な成長の観点から、チタン含有液においてチタンアルコキシドの含有量に対するフッ素原子含有チタン化合物の含有量の比は、体積基準で、0.5~1.5であることが好ましく、0.5~1であることが更に好ましい。 From the viewpoint of preferential growth of a highly oriented anatase-type titanium oxide film, the ratio of the content of the fluorine-containing titanium compound to the content of the titanium alkoxide in the titanium-containing liquid is preferably 0.5 to 1.5, and more preferably 0.5 to 1, on a volume basis.
チタン含有液は、本開示の趣旨を逸脱しない限り、他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、硝酸塩及び他の金属アルコキシドが挙げられる。 The titanium-containing liquid may contain other components without departing from the spirit of this disclosure. Examples of other components include nitrates and other metal alkoxides.
目的の酸化チタン膜を製造可能なチタン含有液が得られる限り、チタン含有液の製造方法は制限されない。例えば、チタン含有液は、水と、アルコールと、ジケトンと、酸と、チタンアルコキシドと、フッ素原子含有チタン化合物とを混合することによって製造される。混合方法は、公知の混合方法から選択されてもよい。各原材料の添加は、一度に又は数回に分けて実施されてもよい。 There are no limitations on the method for producing the titanium-containing liquid, so long as a titanium-containing liquid capable of producing the desired titanium oxide film can be obtained. For example, the titanium-containing liquid is produced by mixing water, alcohol, diketone, acid, titanium alkoxide, and a fluorine atom-containing titanium compound. The mixing method may be selected from known mixing methods. Each raw material may be added at once or in several portions.
工程(1)、すなわち、チタン含有液を準備することは、以下の(1)~(2)を含むことが好ましい。
(1)水と、アルコールと、ジケトンと、酸と、を含む混合物(以下、「混合物(A)」という場合がある。)を準備すること。
(2)混合物(A)と、チタンアルコキシドと、フッ素原子含有チタン化合物とを混合すること。
The step (1), i.e., preparing a titanium-containing liquid, preferably includes the following steps (1) to (2).
(1) Preparing a mixture containing water, an alcohol, a diketone, and an acid (hereinafter, sometimes referred to as “mixture (A)”).
(2) Mixing the mixture (A) with a titanium alkoxide and a fluorine atom-containing titanium compound.
例えば、混合物(A)は、水と、アルコールと、ジケトンと、酸とを混合することによって製造される。混合方法は、公知の混合方法から選択されてもよい。各原材料の添加は、一度に又は数回に分けて実施されてもよい。ジケトン及び酸は、水と、アルコールと、を含む混合物に添加されることが好ましい。さらに、酸の添加は、ジケトンの添加後に実施されることが好ましい。 For example, mixture (A) is produced by mixing water, an alcohol, a diketone, and an acid. The mixing method may be selected from known mixing methods. The addition of each raw material may be carried out all at once or in several portions. It is preferable that the diketone and the acid are added to a mixture containing water and an alcohol. Furthermore, it is preferable that the addition of the acid is carried out after the addition of the diketone.
混合物(A)と、チタンアルコキシドと、フッ素原子含有チタン化合物とを混合する方法は、公知の混合方法から選択されてもよい。液体の均一性の観点から、混合時間は、5時間~10時間であることが好ましい。各原材料の添加は、一度に又は数回に分けて実施されてもよい。チタンアルコキシド及びフッ素原子含有チタン化合物は、混合物(A)に添加されることが好ましい。さらに、フッ素原子含有チタン化合物の添加は、チタンアルコキシドの添加後に実施されることが好ましい。 The method for mixing the mixture (A), the titanium alkoxide, and the fluorine atom-containing titanium compound may be selected from known mixing methods. From the viewpoint of uniformity of the liquid, the mixing time is preferably 5 to 10 hours. The addition of each raw material may be carried out all at once or in several portions. The titanium alkoxide and the fluorine atom-containing titanium compound are preferably added to the mixture (A). Furthermore, the addition of the fluorine atom-containing titanium compound is preferably carried out after the addition of the titanium alkoxide.
[工程(2)]
工程(2)は、チタン含有液に基板を浸して、ソルボサーマル法によって上記基板の上にアナターゼ型酸化チタン膜を形成することである。
[Step (2)]
The step (2) is to immerse a substrate in a titanium-containing liquid and form an anatase type titanium oxide film on the substrate by a solvothermal method.
基板としては、例えば、LaAlO3基板及びSrTiO3基板が挙げられる。酸化チタン膜の配向性の観点から、基板は、LaAlO3基板又はSrTiO3基板であることが好ましく、LaAlO3基板であることがより好ましく、(001)面配向のLaAlO3基板であることが更に好ましい。基板の表面(好ましくは酸化チタン膜が形成される表面)は、鏡面仕上げを施されていてもよい。 Examples of the substrate include a LaAlO3 substrate and a SrTiO3 substrate. From the viewpoint of the orientation of the titanium oxide film, the substrate is preferably a LaAlO3 substrate or a SrTiO3 substrate, more preferably a LaAlO3 substrate, and even more preferably a ( 001 )-oriented LaAlO3 substrate. The surface of the substrate (preferably the surface on which the titanium oxide film is formed) may be mirror-finished.
チタン含有液及び基板を収容するための反応装置としては、例えば、耐熱性及び耐圧性の容器が挙げられる。耐熱性及び耐圧性の容器としては、例えば、オートクレーブが挙げられる。オートクレーブは、公知のオートクレーブであってもよい。耐熱性及び耐圧性の容器は、坩堝を収容していてもよい。例えば、耐熱性及び耐圧性の容器の中に配置された坩堝は、チタン含有液及び基板を収容するための容器として使用される。坩堝の成分としては、例えば、フッ素樹脂が挙げられる。フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。 The reaction apparatus for containing the titanium-containing liquid and the substrate may be, for example, a heat-resistant and pressure-resistant container. The heat-resistant and pressure-resistant container may be, for example, an autoclave. The autoclave may be a known autoclave. The heat-resistant and pressure-resistant container may contain a crucible. For example, a crucible placed in the heat-resistant and pressure-resistant container is used as a container for containing the titanium-containing liquid and the substrate. The components of the crucible may be, for example, a fluororesin. For example, a fluororesin may be polytetrafluoroethylene.
目的の酸化チタン膜が得られる限り、ソルボサーマル法の条件(例えば、加熱温度及び加熱時間)は制限されない。目的の酸化チタン膜の成長の観点から、ソルボサーマル法における加熱温度は、110℃~170℃であることが好ましく、120℃~160℃であることがより好ましい。目的の酸化チタン膜の成長の観点から、ソルボサーマル法における加熱時間は、15時間以上であることが好ましく、20時間以上であることがより好ましい。加熱時間の上限は、48時間又は30時間であってもよい。加熱時間は、酸化チタン膜の厚さを考慮して決定されてもよい。 As long as the desired titanium oxide film is obtained, the conditions of the solvothermal method (e.g., heating temperature and heating time) are not limited. From the viewpoint of growing the desired titanium oxide film, the heating temperature in the solvothermal method is preferably 110°C to 170°C, and more preferably 120°C to 160°C. From the viewpoint of growing the desired titanium oxide film, the heating time in the solvothermal method is preferably 15 hours or more, and more preferably 20 hours or more. The upper limit of the heating time may be 48 hours or 30 hours. The heating time may be determined taking into account the thickness of the titanium oxide film.
ソルボサーマル法によって形成されたアナターゼ型酸化チタン膜は、洗浄されてもよい。洗浄に使用される溶剤としては、例えば、アルコール及び水が挙げられる。 The anatase titanium oxide film formed by the solvothermal method may be washed. Examples of solvents used for washing include alcohol and water.
ソルボサーマル法によって形成されたアナターゼ型酸化チタン膜は、乾燥されてもよい。乾燥方法としては、例えば、加熱乾燥が挙げられる。 The anatase titanium oxide film formed by the solvothermal method may be dried. An example of the drying method is heat drying.
アナターゼ型酸化チタン膜の厚さは、制限されない。アナターゼ型酸化チタン膜の厚さは、用途を考慮して決定されてもよい。アナターゼ型酸化チタン膜の厚さは、0.2μm~3μmであってもよい。 The thickness of the anatase type titanium oxide film is not limited. The thickness of the anatase type titanium oxide film may be determined taking into consideration the application. The thickness of the anatase type titanium oxide film may be 0.2 μm to 3 μm.
アナターゼ型酸化チタン膜のX線回折パターンにおいて、アナターゼ型酸化チタンの(004)面に由来のピークの強度に対するルチル型酸化チタンの(211)面に由来のピークの強度の割合は、5%以下であることが好ましく、4%以下であることがより好ましく、3%以下であることが更に好ましい。さらに、上記の比は、2%以下であることが好ましく、1%以下であることがより好ましく、0.5%以下であることが更に好ましい。上記の比は、0%であってもよい。 In the X-ray diffraction pattern of an anatase titanium oxide film, the ratio of the intensity of the peak originating from the (211) plane of rutile titanium oxide to the intensity of the peak originating from the (004) plane of anatase titanium oxide is preferably 5% or less, more preferably 4% or less, and even more preferably 3% or less. Furthermore, the above ratio is preferably 2% or less, more preferably 1% or less, and even more preferably 0.5% or less. The above ratio may be 0%.
アナターゼ型酸化チタン膜の用途としては、例えば、光触媒及びn型半導体が挙げられる。 Applications of anatase titanium oxide films include, for example, photocatalysis and n-type semiconductors.
以下、実施例により本開示を詳細に説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に制限されるものではない。以下の実施例に示される事項は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更されてもよい。 The present disclosure will be described in detail below with reference to examples. However, the present disclosure is not limited to the following examples. The matters shown in the following examples may be modified as appropriate without departing from the spirit of the present disclosure.
<実施例1>
[酸化チタン膜の製造]
以下の手順に従って、酸化チタン膜を製造した。
(1)精製水14.5mLとエタノール15mLとを混合して、5分間攪拌した。
(2)上記(1)で得られた混合物にアセチルアセトン30mLを添加し、次に、得られた混合物を5分間攪拌した。
(3)上記(2)で得られた混合物に12mol/Lの塩酸51μLを添加し、次に、得られた混合物を5分間攪拌した。
(4)上記(3)で得られた混合物にチタンテトライソプロポキシド1mLを200μmずつ5回に分けて添加した。得られた混合物を5分間攪拌すると、黄色の透明液体が得られた。
(5)上記(4)で得られた黄色の透明液体に1mol/Lのヘキサフルオロチタン酸アンモニウム水溶液1mLを添加した。得られた混合物を10時間攪拌し、チタン含有液を得た。25℃でのチタン含有液のpHは、2~2.5の範囲内である。
(6)片面鏡面仕上げのLaAlO3(001)基板を2枚準備した。各LaAlO3基板を、アセトン、エタノール及び精製水の順番で各溶剤を用いて超音波洗浄した。溶剤ごとの洗浄時間は、15分間である。LaAlO3基板の鏡面仕上げが施された表面に付着した液体を送風機で除去し、LaAlO3基板の鏡面仕上げが施されていない表面に付着した液体をふき取った。
(7)上記(5)で得られたチタン含有液を100mLの容量を有するテフロン(登録商標)製坩堝に注ぎ、次に、洗浄後の2枚のLaAlO3基板をチタン含有液に浸した。各LaAlO3基板の配置に関して、各LaAlO3基板は、テフロン(登録商標)製坩堝の内壁面に立てかけられており、各LaAlO3基板の鏡面仕上げが施された表面は、テフロン(登録商標)製坩堝の底に向けられている。各LaAlO3基板の鏡面仕上げが施された表面がテフロン(登録商標)製坩堝の底に向けられると、酸化チタン膜に不純物が付着又は混入することが防止される。
(8)テフロン(登録商標)製坩堝をステンレス製オートクレーブに入れて、140℃で24時間加熱することで、LaAlO3基板の鏡面仕上げが施された表面に酸化チタン膜を形成した。加熱終了後、オートクレーブを室温になるまで自然冷却した。テフロン(登録商標)製坩堝から取り出されたLaAlO3基板をエタノール及び精製水ですすぎ、ホットプレート上で乾燥させた。得られた酸化チタン膜の厚さは、約2.5μmである。
Example 1
[Production of titanium oxide film]
The titanium oxide film was produced according to the following procedure.
(1) 14.5 mL of purified water and 15 mL of ethanol were mixed and stirred for 5 minutes.
(2) 30 mL of acetylacetone was added to the mixture obtained in (1) above, and the resulting mixture was then stirred for 5 minutes.
(3) 51 μL of 12 mol/L hydrochloric acid was added to the mixture obtained in (2) above, and the resulting mixture was then stirred for 5 minutes.
(4) To the mixture obtained in (3) above, 1 mL of titanium tetraisopropoxide was added in five separate 200 μm portions. The resulting mixture was stirred for 5 minutes to obtain a yellow, transparent liquid.
(5) 1 mL of 1 mol/L ammonium hexafluorotitanate aqueous solution was added to the yellow transparent liquid obtained in (4) above. The resulting mixture was stirred for 10 hours to obtain a titanium-containing liquid. The pH of the titanium-containing liquid at 25°C was in the range of 2 to 2.5.
(6) Two LaAlO3 (001) substrates with a mirror finish on one side were prepared. Each LaAlO3 substrate was ultrasonically cleaned using each solvent in the following order: acetone, ethanol, and purified water. The cleaning time for each solvent was 15 minutes. The liquid adhering to the mirror-finished surface of the LaAlO3 substrate was removed with a blower, and the liquid adhering to the non-mirror-finished surface of the LaAlO3 substrate was wiped off.
(7) The titanium-containing liquid obtained in (5) above was poured into a Teflon crucible having a capacity of 100 mL, and then the two LaAlO3 substrates after cleaning were immersed in the titanium-containing liquid. Regarding the arrangement of each LaAlO3 substrate, each LaAlO3 substrate was leaned against the inner wall surface of the Teflon crucible, and the mirror-finished surface of each LaAlO3 substrate was facing the bottom of the Teflon crucible. When the mirror-finished surface of each LaAlO3 substrate was facing the bottom of the Teflon crucible, it was possible to prevent impurities from adhering to or being mixed into the titanium oxide film.
(8) The Teflon crucible was placed in a stainless steel autoclave and heated at 140 ° C for 24 hours to form a titanium oxide film on the mirror-finished surface of the LaAlO3 substrate. After heating, the autoclave was naturally cooled to room temperature. The LaAlO3 substrate was removed from the Teflon crucible, rinsed with ethanol and purified water, and dried on a hot plate. The thickness of the obtained titanium oxide film was about 2.5 μm.
[X線回折法]
X線回折法によって酸化チタン膜の結晶相、結晶性及び配向性を評価した。測定装置は、株式会社リガク製のX線回折装置(RINT Ultima III)である。測定条件を表1に示す。
[X-ray diffraction method]
The crystal phase, crystallinity, and orientation of the titanium oxide film were evaluated by X-ray diffraction. The measurement device was an X-ray diffraction device (RINT Ultima III) manufactured by Rigaku Corporation. The measurement conditions are shown in Table 1.
以下、「θ/2θスキャン」の測定結果を「XRD図形」(すなわち、X線回折パターン)という。X線回折法では、CuKα線及びCuKβ線を特別の分離操作を行わずに使用したため、XRD図形において2種類のX線を反映したピークが生じる。そこで、XRD図形において、CuKβ線に起因するピークを「CuKβ」と明記する。一方、XRD図形において面指数以外の特定の表記が示されてないピークは、CuKα線に起因するピークである。 Hereinafter, the measurement results of the "θ/2θ scan" are referred to as "XRD pattern" (i.e., X-ray diffraction pattern). In the X-ray diffraction method, CuK α radiation and CuK β radiation were used without any special separation operation, so peaks reflecting two types of X-rays appear in the XRD pattern. Therefore, in the XRD pattern, peaks due to CuK β radiation are clearly indicated as "CuK β ". On the other hand, peaks in the XRD pattern that are not indicated with any specific notation other than the plane index are peaks due to CuK α radiation.
酸化チタン膜のXRD図形を図1に示す。酸化チタン膜の極点図を図2に示す。図1には、アナターゼ型酸化チタンが優先的に成長していることを示している。アナターゼ型酸化チタンの(004)面に由来のピークの強度に対するルチル型酸化チタンの(211)面に由来のピークの強度の割合は、約1%であった。図1及び図2は、アナターゼ型酸化チタンが面直方向及び面内方向の3軸すべての方向に良好な配向性を有していることを示している。気相法で作製された公知例と同様に、面直方向にアナターゼ型酸化チタンのc軸が揃い、面内方向にアナターゼ型酸化チタンのa軸が揃っている。すなわち、酸化チタン膜は、基板の結晶格子を引き継いで成長しており、エピタキシャル成長している。 The XRD pattern of the titanium oxide film is shown in Figure 1. The pole figure of the titanium oxide film is shown in Figure 2. Figure 1 shows that anatase-type titanium oxide grows preferentially. The ratio of the intensity of the peak derived from the (211) plane of rutile-type titanium oxide to the intensity of the peak derived from the (004) plane of anatase-type titanium oxide was about 1%. Figures 1 and 2 show that anatase-type titanium oxide has good orientation in all three directions, the perpendicular direction and the in-plane direction. As with known examples produced by the vapor phase method, the c-axis of anatase-type titanium oxide is aligned in the perpendicular direction and the a-axis of anatase-type titanium oxide is aligned in the in-plane direction. In other words, the titanium oxide film grows by inheriting the crystal lattice of the substrate, and grows epitaxially.
<実施例2>
[酸化チタン膜の製造]
ステンレス製オートクレーブにおける加熱温度を140℃から160℃に変更したこと以外は、既述の実施例1と同じ手順によって酸化チタン膜を製造した。得られた酸化チタン膜の厚さは、約2.5μmである。
Example 2
[Production of titanium oxide film]
A titanium oxide film was produced in the same manner as in Example 1, except that the heating temperature in the stainless steel autoclave was changed from 140° C. to 160° C. The thickness of the titanium oxide film obtained was about 2.5 μm.
[X線回折法]
既述のX線回折法によって酸化チタン膜の結晶相、結晶性及び配向性を評価した。酸化チタン膜のXRD図形を図3に示す。酸化チタン膜の極点図を図4に示す。図1及び図2と同様に、図3及び図4は、アナターゼ型酸化チタンが優先的に成長していること、そして、アナターゼ型酸化チタンが面直方向及び面内方向の3軸すべての方向に良好な配向性を有していることを示している。アナターゼ型酸化チタンの(004)面に由来のピークの強度に対するルチル型酸化チタンの(211)面に由来のピークの強度の割合は、約1%であった。XRD図形及び極点図において、実施例1の酸化チタン膜と実施例2の酸化チタン膜との間で大きな差異は観察されなかった。
[X-ray diffraction method]
The crystal phase, crystallinity and orientation of the titanium oxide film were evaluated by the X-ray diffraction method described above. The XRD pattern of the titanium oxide film is shown in FIG. 3. The pole figures of the titanium oxide film are shown in FIG. 4. As in FIG. 1 and FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4 show that anatase type titanium oxide grows preferentially and that anatase type titanium oxide has good orientation in all three directions of the perpendicular and in-plane axes. The ratio of the intensity of the peak derived from the (211) plane of rutile type titanium oxide to the intensity of the peak derived from the (004) plane of anatase type titanium oxide was about 1%. No significant difference was observed between the titanium oxide film of Example 1 and the titanium oxide film of Example 2 in the XRD pattern and pole figures.
<比較例1>
ヘキサフルオロチタン酸アンモニウム水溶液を使用しなかったこと、及びヘキサフルオロチタン酸アンモニウム水溶液の不使用によって不足した体積を精製水で補ったこと以外は、実施例1と同じ手順によって酸化チタン膜の製造を試みた。しかしながら、XRD図形において基板のLaAlO3に由来のピークのみが観察された。この結果は、酸化チタン膜が形成されていないことを示す。
<Comparative Example 1>
An attempt was made to produce a titanium oxide film by the same procedure as in Example 1, except that the aqueous solution of ammonium hexafluorotitanate was not used, and the volume that was insufficient due to the non-use of the aqueous solution of ammonium hexafluorotitanate was supplemented with purified water. However, only the peak derived from the LaAlO3 of the substrate was observed in the XRD pattern. This result indicates that a titanium oxide film was not formed.
<比較例2>
塩酸を使用しなかったこと、及び塩酸の不使用によって不足した体積を精製水で補ったこと以外は、実施例1と同じ手順によって酸化チタン膜の製造を試みた。しかしながら、XRD図形において基板のLaAlO3に由来のピークのみが観察された。この結果は、酸化チタン膜が形成されていないことを示す。
<Comparative Example 2>
An attempt was made to produce a titanium oxide film by the same procedure as in Example 1, except that hydrochloric acid was not used and the volume that was insufficient due to the non-use of hydrochloric acid was supplemented with purified water. However, only the peak derived from the LaAlO3 substrate was observed in the XRD pattern. This result indicates that a titanium oxide film was not formed.
Claims (13)
前記チタン含有液に基板を浸して、ソルボサーマル法によって前記基板の上にアナターゼ型酸化チタン膜を形成することと、を含む、
アナターゼ型酸化チタン膜の製造方法。 Preparing a titanium-containing liquid containing water, an alcohol, a diketone, an acid, a titanium alkoxide, and a fluorine atom-containing titanium compound;
and forming an anatase type titanium oxide film on the substrate by a solvothermal method by immersing the substrate in the titanium-containing liquid.
A method for producing an anatase type titanium oxide film.
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