JP7799255B2 - Laminate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 令和2年9月2日、日本金属学会2020年秋期(第167回)講演大会講演のWEBサイトにおける公開 令和2年9月15日~9月18日、日本金属学会2020年秋期(第167回)講演大会講演にて発表Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. September 2, 2020: Publication on the website of the lecture at the 2020 Autumn Meeting (167th) of the Japan Institute of Metals. September 15-18, 2020: Presentation at the 2020 Autumn Meeting (167th) of the Japan Institute of Metals.
本発明は、積層体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a laminate and a method for manufacturing the same.
二酸化チタンは、光触媒として知られている材料である。二酸化チタンは、エネルギーの高い紫外線を吸収することができる一方、可視光領域における光吸収効率が低い。そのため、可視光領域の光を吸収する光触媒が求められている。 Titanium dioxide is a material known as a photocatalyst. While titanium dioxide can absorb high-energy ultraviolet light, it has low light absorption efficiency in the visible light range. Therefore, there is a demand for photocatalysts that can absorb light in the visible light range.
可視光領域の光を吸収する光触媒としては、マグネリ相酸化物が知られている。このようなマグネリ相酸化物としては、例えば、TinO2n-1のマグネリ相チタン酸化物が知られている。 Magneli phase oxides are known as photocatalysts that absorb light in the visible light region, such as the Magneli phase titanium oxide of Ti n O 2n-1 .
特許文献1及び2には、TinO2n-1を製造する方法が開示されている。具体的には、特許文献1には、10nm~30nmほどのTiO2ナノ粒子とCaH2、LiH,NaH,MgH2,LiAlH4,NaBH4等の水素還元剤を混合及び不活性ガス雰囲気下で加圧することによってペレット状の試料を作製し、当該試料を途中で粉砕しながら350℃程度の低温で数日間加熱して還元することで粒子状のTi2O3等の組成物が製造されることが記載されている。特許文献2には、多数の原料を所定の比率、所定の順序で混合及び撹拌し、所定の温度条件、所定の圧力条件で熱処理することで、LiαTiβOγで表されるチタン酸化物の結晶表面の一部にTinO2n-1を有するチタン酸化物結晶体が形成されることが記載されている。 Patent Documents 1 and 2 disclose methods for producing Ti n O 2n-1 . Specifically, Patent Document 1 describes a method for producing a pellet-shaped sample by mixing TiO 2 nanoparticles of approximately 10 nm to 30 nm with a hydrogen reducing agent such as CaH 2 , LiH, NaH, MgH 2 , LiAlH 4 , or NaBH 4 and pressurizing the mixture under an inert gas atmosphere, and then heating the pellet-shaped sample at a low temperature of approximately 350°C for several days for reduction while crushing the sample in the process, thereby producing a particulate Ti 2 O 3 or other composition. Patent Document 2 describes a method for producing a titanium oxide crystal having Ti n O 2n-1 on a portion of the crystal surface of a titanium oxide represented by Li α Ti β O γ by mixing and stirring a number of raw materials in a predetermined ratio and order and then heat-treating the mixture under predetermined temperature and pressure conditions.
しかしながら、特許文献1及び2の製造方法では、マグネリ相酸化物を形成するために複雑な処理が必要であり、また、マグネリ相酸化物で構成される層状体及びその製法についての開示は無い。また、表層部にマグネリ相酸化物で構成された層状体を有する積層体は知られていない。 However, the manufacturing methods described in Patent Documents 1 and 2 require complex processing to form Magneli phase oxide, and there is no disclosure of a layered body made of Magneli phase oxide or a manufacturing method thereof. Furthermore, no laminated body is known that has a layered body made of Magneli phase oxide in the surface layer portion.
本発明は、上記事情に鑑みてなされた発明であり、マグネリ相酸化物で構成される金属酸化物層を有する積層体を簡便な処理で得ることができる積層体の製造方法、及び該製造方法で得られる積層体を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for producing a laminate that can easily produce a laminate having a metal oxide layer composed of Magneli phase oxide, and a laminate obtained by this production method.
本発明者らは、鋭意研究の結果、金属基板の表面を大気中で酸化し、その後、酸素分圧が低くなるように制御した環境下で熱処理すると、金属イオンが外方拡散し、表面に形成された金属酸化物層の組成が変化すると共に当該金属酸化物層の厚みが変化することから、マグネリ相酸化物で構成される金属酸化物の薄層化、及び薄層状のマグネリ相酸化物の組成制御を簡便な処理で実現でき、その結果表層部にマグネリ相金属酸化物層を有する積層体を形成できること、および複雑形状の被処理体上にもマグネリ相金属酸化物層を容易に形成できることを見出した。 After extensive research, the inventors discovered that when the surface of a metal substrate is oxidized in the atmosphere and then heat-treated in an environment controlled to reduce the oxygen partial pressure, metal ions diffuse outward, changing the composition and thickness of the metal oxide layer formed on the surface. This makes it possible to thin the metal oxide layer made of Magneli phase oxide and control the composition of the thin-layered Magneli phase oxide through a simple process. As a result, it is possible to form a laminate having a Magneli phase metal oxide layer on the surface, and it is also possible to easily form a Magneli phase metal oxide layer on a substrate with a complex shape.
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。 In other words, the gist of the present invention is as follows:
(1)本発明の第一の態様に係る積層体は、金属層と、前記金属層上の表層部に設けられ、マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層と、を有し、前記マグネリ相チタン酸化物は、組成式TinO2n-1(n≧3)で表される。 (1) A laminate according to a first aspect of the present invention comprises a metal layer and a metal oxide layer formed on a surface portion of the metal layer and composed of Magneli-phase titanium oxide, the Magneli-phase titanium oxide being represented by a composition formula Ti n O 2n-1 (n≧3).
(2)上記態様に係る積層体において、前記マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層の平均厚みが2μm以上であってもよい。 (2) In the laminate according to the above aspect, the average thickness of the metal oxide layer composed of the Magneli phase titanium oxide may be 2 μm or more.
(3)上記態様に係る積層体において、前記金属酸化物層は、積層方向に関して、互いに異なる組成を有する2つの領域を有し、前記2つの領域のうち、前記金属層から離間している領域ほど、マグネリ相チタン酸化物中のチタン元素の組成比が低くてもよい。 (3) In the laminate according to the above aspect, the metal oxide layer may have two regions with different compositions in the stacking direction, and the more distant the region from the metal layer, the lower the composition ratio of titanium element in the Magneli phase titanium oxide.
(4)前記2つの領域のうちのいずれかが、Ti4O7で構成されていてもよる。 (4) Either of the two regions may be made of Ti 4 O 7 .
(5)上記態様に係る積層体において、前記金属層と前記マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層との間にボイドを有してもよい。 (5) In the laminate according to the above aspect, voids may be present between the metal layer and the metal oxide layer composed of the Magneli phase titanium oxide.
(6)本発明の第二の態様に係る積層体の製造方法は、第一の態様に係る積層体を製造する方法であって、チタン基板を大気中で予備加熱する第1工程と、予備加熱した前記チタン基板を低酸素分圧下で熱処理する第2工程と、を有する。 (6) A method for producing a laminate according to a second aspect of the present invention is a method for producing a laminate according to the first aspect, and includes a first step of preheating a titanium substrate in the atmosphere, and a second step of heat-treating the preheated titanium substrate under a low oxygen partial pressure.
(7)上記態様に係る積層体の製造方法は、第1工程において、チタン基板を650℃~750℃で予備加熱し、第2工程において、予備加熱した前記チタン基板を温度750℃~950℃、酸素分圧1.0×10-7atm以下で熱処理してもよい。 (7) In the method for producing a laminate according to the above aspect, in the first step, the titanium substrate may be preheated at 650°C to 750°C, and in the second step, the preheated titanium substrate may be heat-treated at a temperature of 750°C to 950°C and an oxygen partial pressure of 1.0 x 10-7 atm or less.
本発明によれば、マグネリ相酸化物で構成される金属酸化物層を有する積層体を提供することができる。 The present invention provides a laminate having a metal oxide layer composed of a Magneli phase oxide.
以下、本発明の実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある。このため、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっている場合がある。 An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following description may show enlarged portions of the features of the present invention for the sake of clarity. For this reason, the dimensional proportions of each component may differ from the actual dimensions.
[積層体]
図1は、本実施形態に係る積層体100の断面を模式的に示す断面模式図である。積層体100は、金属層10と、金属層10上の表層部に設けられ、マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層20と、を有する。
[Laminate]
1 is a schematic cross-sectional view showing a cross section of a laminate 100 according to this embodiment. The laminate 100 has a metal layer 10 and a metal oxide layer 20 made of Magneli-phase titanium oxide and provided on a surface layer portion of the metal layer 10.
(金属層)
金属層10は、例えばチタン元素を主成分として含む層である。
(metal layer)
The metal layer 10 is a layer containing, for example, titanium element as a main component.
(金属酸化物層)
金属酸化物層20は、金属層10の上方に設けられており、例えば金属層10の表面に設けられている。本実施形態における金属酸化物層20は、金属層10に直接接する構成に限定されず、金属層10と離間している構成、例えば金属層10上に1又は複数の他の層を介して設けられている構成を含む。尚、上方とは、必ずしも重力方向に沿う方向とは一致しない。
(Metal oxide layer)
The metal oxide layer 20 is provided above the metal layer 10, for example, on the surface of the metal layer 10. The metal oxide layer 20 in this embodiment is not limited to a configuration in which it is in direct contact with the metal layer 10, but also includes a configuration in which it is separated from the metal layer 10, for example, a configuration in which it is provided on the metal layer 10 via one or more other layers. Note that "above" does not necessarily coincide with the direction along the direction of gravity.
金属酸化物層20は、マグネリ相チタン酸化物で構成された層である。マグネリ相チタン酸化物は、組成式TinO2n-1(n≧3)で表される組成物である。このような組成物としては、例えばTi3O5、Ti4O7、Ti5O9、Ti6O11、Ti7O13等が含まれる。 The metal oxide layer 20 is a layer made of Magneli phase titanium oxide. Magneli phase titanium oxide is a composition expressed by the composition formula Ti n O 2n-1 (n≧3). Examples of such compositions include Ti O 5 , Ti O 7 , Ti O 9 , Ti O 11 , and Ti O 13 .
マグネリ相チタン酸化物は、ルチル型の金属二酸化物に酸素欠損が周期的に導入されたものである。3≦n≦9のマグネリ相チタン酸化物は、(121)面において、周期的に面欠陥が存在し、n≧10のマグネリ相チタン酸化物は、(132)面に周期的に面欠陥が存在する。 Magneli phase titanium oxide is a rutile-type metal dioxide in which oxygen vacancies are periodically introduced. Magneli phase titanium oxide with n 3≦n≦9 has periodic planar defects on the (121) plane, while Magneli phase titanium oxide with n≧10 has periodic planar defects on the (132) plane.
金属酸化物層20は、例えば、異なる組成比を有する2つ以上の化合物を含む。尚、金属酸化物層20に含まれるいずれの化合物もマグネリ相チタン酸化物で構成されている。 The metal oxide layer 20 contains, for example, two or more compounds with different composition ratios. Note that all of the compounds contained in the metal oxide layer 20 are composed of Magneli phase titanium oxide.
図1は、金属酸化物層20が互いに異なる組成を有する2つ以上の化合物を含む場合の例を示す。金属酸化物層20は、例えば、金属層10側から、第1領域21、第2領域22及び第3領域をこの順に有する。第1領域21は、金属層10に最も近い領域であり、金属層10に直接接している。第2領域22は、第1領域21よりも金属層10から離間した位置にあり、第1領域21の上記金属層10とは反対側に配置されている。第3領域23は、第2領域22よりも金属層10から離間した位置にあり、第2領域22の上記第1領域21とは反対側に配置されている。本実施形態では、第3領域23は、表面に露出している最外層を構成している。 Figure 1 shows an example in which the metal oxide layer 20 contains two or more compounds with different compositions. The metal oxide layer 20 has, for example, a first region 21, a second region 22, and a third region, in this order from the metal layer 10 side. The first region 21 is the region closest to the metal layer 10 and is in direct contact with the metal layer 10. The second region 22 is located farther from the metal layer 10 than the first region 21 and is disposed on the opposite side of the first region 21 from the metal layer 10. The third region 23 is located farther from the metal layer 10 than the second region 22 and is disposed on the opposite side of the second region 22 from the first region 21. In this embodiment, the third region 23 constitutes the outermost layer exposed on the surface.
第1領域21,第2領域22及び第3領域23の各々は、例えば同じ組成の化合物の領域であり、各化合物の結晶粒で構成された領域である。第1領域21,第2領域22及び第3領域23を構成するマグネリ相チタン酸化物のそれぞれは、例えば互いに組成が異なる。また、第1領域21、第2領域22及び第3領域23のそれぞれの間には、結晶粒界が存在する。 Each of the first region 21, second region 22, and third region 23 is, for example, a region of a compound having the same composition, and is a region composed of crystal grains of each compound. The Magneli phase titanium oxides constituting the first region 21, second region 22, and third region 23 have, for example, different compositions. Furthermore, crystal grain boundaries exist between each of the first region 21, second region 22, and third region 23.
金属酸化物層20の上記3つの領域うち、金属層10から離間している領域ほど、マグネリ相チタン酸化物中のチタン元素の組成比が低い。すなわち、図1に示す例では、第1領域21に含まれるマグネリ相チタン酸化物中のチタン元素の組成比が最も高く、第3領域23に含まれるマグネリ相チタン酸化物中のチタン元素の組成比が最も低い。このような例としては、第1領域21が組成式Ti3O5で構成され、第2領域22が組成式Ti4O7で構成され、第3領域23が組成式Ti5O9で構成される例が挙げられる。 Of the three regions of metal oxide layer 20, the farther a region is from metal layer 10, the lower the titanium element composition ratio in the Magneli phase titanium oxide. That is, in the example shown in Fig. 1, the titanium element composition ratio in the Magneli phase titanium oxide contained in first region 21 is the highest, and the titanium element composition ratio in the Magneli phase titanium oxide contained in third region 23 is the lowest. An example of such a case is one in which first region 21 is composed of the composition formula Ti3O5 , second region 22 is composed of the composition formula Ti4O7 , and third region 23 is composed of the composition formula Ti5O9 .
尚、第1領域21,第2領域、および第3領域23のそれぞれは、必ずしも単一の組成比を有する化合物の単体で構成されず、異なる組成比を有する2つの化合物の混晶であってもよい。このような例としては、第3領域23が組成式Ti4O7及び組成式Ti5O9の混晶で構成される例や、第2領域22が組成式Ti4O7の(1-20)双晶である例などが挙げられる。 Each of the first region 21, the second region, and the third region 23 does not necessarily have to be made of a single compound having a single composition ratio, but may be a mixed crystal of two compounds having different composition ratios. Examples of such a mixed crystal include a case where the third region 23 is made of a mixed crystal of TiO7 and TiO9 , and a case where the second region 22 is a (1-20 ) twin crystal of TiO7 .
金属酸化物層20がマグネリ相チタン酸化物で構成されていることは、X線回折法(XRD:X-ray Diffraction)により確認することができる。図2は、本実施形態にかかる積層体100の金属酸化物層20に対し、X線回折法を行った測定結果の一例であり、薄膜GI-XRD測定結果を示す。図2に示すように、金属酸化物層20では、XRDプロファイルにおいてマグネリ相チタン酸化物によるピークのみが検出され、Ti2Oなどの他のチタン酸化物のピークは検出されていないことが分かる。尚、XRDにおけるX線侵入深さは、金属酸化物層20の厚みに応じて調整されることが好ましい。 The fact that the metal oxide layer 20 is composed of Magneli phase titanium oxide can be confirmed by X-ray diffraction (XRD). FIG. 2 shows an example of the results of X-ray diffraction measurement of the metal oxide layer 20 of the laminate 100 according to this embodiment, showing the results of thin-film GI-XRD measurement. As shown in FIG. 2, in the XRD profile of the metal oxide layer 20, only peaks due to Magneli phase titanium oxide are detected, and peaks due to other titanium oxides such as Ti 2 O are not detected. Note that the X-ray penetration depth in XRD is preferably adjusted according to the thickness of the metal oxide layer 20.
金属酸化物層20を構成するマグネリ相チタン酸化物の組成は、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)を用いて測定することができる。マグネリ相チタン酸化物の組成を識別するためには、先ず、積層体100の断面を示すTEM像を観察し、結晶粒を識別する。次いで、結晶粒の電子線回折像を得る。この電子線回折像に基づいて、それぞれの結晶粒を構成するマグネリ相チタン酸化物の組成を識別することができる。 The composition of the Magneli phase titanium oxide that makes up the metal oxide layer 20 can be measured using a transmission electron microscope (TEM). To identify the composition of the Magneli phase titanium oxide, first, a TEM image showing a cross section of the laminate 100 is observed and the crystal grains are identified. Next, an electron diffraction image of the crystal grains is obtained. Based on this electron diffraction image, the composition of the Magneli phase titanium oxide that makes up each crystal grain can be identified.
図3は、本実施形態にかかる積層体100のTEM像の一例である。このTEM像において、金属酸化物層20の領域Ra,Rb及びRcは、後述する電子線解析像にてそれぞれの組成がTi3O5、Ti4O7、Ti5O9及びTi4O7の混晶であることを確認することができる。 3 is an example of a TEM image of the laminate 100 according to this embodiment. In this TEM image, it can be confirmed that the regions Ra, Rb, and Rc of the metal oxide layer 20 are mixed crystals of TiO , TiO , TiO9 , and TiO7 , respectively , using an electron beam analysis image described below.
具体的には、例えば組成式TinO2n-1(3≦n≦9)で表されるマグネリ相チタン酸化物の組成は、電子線回折像において、透過波が透過する(000)及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2との間に含まれる原子(スポット)の数により、識別することができる。組成式TinO2n-1(3≦n≦9)で表されるマグネリ相チタン酸化物のチタン原子カラムは、n周期で配列する。そのため、透過波が透過する(000)のスポット及びルチル型AO2面に対応する(121)R-TiO2のスポットを結ぶ線分上に位置するスポットの数が(N-1)個であれば、当該領域を構成するマグネリ相チタン酸化物の組成がTiNO2N-1であると識別できる。例えば、スポットの数が3個であれば、当該領域を構成するマグネリ相チタン酸化物は、Ti4O7であると識別でき、スポットの数が4個であれば、Ti5O9であると識別できる。これらのスポットは、例えば(000)のスポット及び(121)R-TiO2のスポットを結ぶ線分を等分する。 Specifically, for example, the composition of a Magneli-phase titanium oxide represented by the composition formula Ti n O 2n-1 (3≦n≦9) can be identified in an electron beam diffraction image by the number of atoms (spots) contained between the (000) spot through which the transmitted wave passes and the (121) R-TiO 2 corresponding to the rutile-type TiO 2 plane. The titanium atomic columns of a Magneli-phase titanium oxide represented by the composition formula Ti n O 2n-1 (3≦n≦9) are arranged in an n-cycle. Therefore, if the number of spots located on the line segment connecting the (000) spot through which the transmitted wave passes and the (121) R-TiO 2 spot corresponding to the rutile-type AO 2 plane is (N−1), the composition of the Magneli-phase titanium oxide constituting that region can be identified as TiN O 2N-1 . For example, if the number of spots is three, the Magneli phase titanium oxide constituting the region can be identified as Ti 4 O 7 , and if the number of spots is four, it can be identified as Ti 5 O 9. These spots equally divide the line segment connecting the (000) spot and the (121) R-TiO 2 spot, for example.
図4に組成式TinO2n-1(3≦n≦9)で表されるマグネリ相チタン酸化物の組成を識別するための電子線回折像の例を示す。図4に示される電子線回折像では、透過波が透過する(000)のスポット及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2のスポットを結ぶ線分上に位置するスポットの数が4つであり、上記2つのスポットを結ぶ線分を5等分している。従って、図4に電子線回折像が示される結晶粒は、Ti5O9であると識別できる。 Figure 4 shows an example of an electron diffraction image for identifying the composition of Magneli-phase titanium oxide represented by the composition formula Ti n O 2n-1 (3≦n≦9). In the electron diffraction image shown in Figure 4, there are four spots located on the line connecting the (000) spot through which the transmitted wave passes and the (121) R-TiO 2 spot corresponding to the rutile-type TiO 2 plane, and the line connecting these two spots is divided into five equal parts. Therefore, the crystal grains shown in the electron diffraction image in Figure 4 can be identified as Ti 5 O 9 .
同様に、組成式TinO2n-1(10≦n)で表されるマグネリ相チタン酸化物の組成は、電子線回折像において、(000)及び(132)との間に含まれる原子(スポット)の数により、識別することができる。組成式TinO2n-1(10≦n)で表されるマグネリ相チタン酸化物のチタン原子カラムは、n周期で配列する。そのため、透過波が透過する(000)のスポット及び(132)のスポットを結ぶ線分上に位置するスポットの数が(N-1)個であれば、当該領域を構成するマグネリ相チタン酸化物の組成がTiNO2N-1であると識別できる。これらのスポットは、例えば(000)のスポット及び(132)のスポットを結ぶ線分を等分する。 Similarly, the composition of a Magneli-phase titanium oxide represented by the composition formula Ti n O 2n-1 (10≦n) can be identified by the number of atoms (spots) between (000) and (132) in an electron diffraction image. Titanium atomic columns in a Magneli-phase titanium oxide represented by the composition formula Ti n O 2n-1 (10≦n) are arranged in an n-cycle. Therefore, if the number of spots located on the line segment connecting the (000) spot and the (132) spot, through which the transmitted wave passes, is (N−1), the composition of the Magneli-phase titanium oxide constituting that region can be identified as Ti N O 2N-1 . These spots are, for example, equally spaced apart by the line segment connecting the (000) spot and the (132) spot.
また、上記手法により一度電子回折像を指数付けできれば、(000)のスポット及び(121)R-TiO2のスポットの間、又は(000)のスポット及び(132)のスポットの間に(N-1)個のスポットが確認されていなくても、各々のスポットの間隔や角度の関係に基づき、結晶粒の組成の同定が可能である。尚、これらの結晶粒の組成においても、これらの結晶粒の組成が組成式TinO2n-1で表される場合、方位合わせを行えば、結晶粒の組成に応じて(000)のスポット及び(121)R-TiO2のスポットの間、又は(000)のスポット及び(132)のスポットの間に(N-1)個のスポットが位置することが確認される。 Furthermore, once the electron diffraction image can be indexed by the above method, even if (N-1) spots are not confirmed between the (000) spot and the (121) R-TiO2 spot, or between the (000) spot and the (132) spot, it is possible to identify the composition of the crystal grains based on the relationship between the spacing and angles of each spot. Furthermore, even with the composition of these crystal grains, if the composition of these crystal grains is expressed by the composition formula Ti n O 2n-1 , by performing orientation alignment, it is confirmed that (N-1) spots are located between the (000) spot and the (121) R-TiO2 spot, or between the (000) spot and the (132) spot, depending on the composition of the crystal grains.
金属酸化物層20を構成するマグネリ相チタン酸化物は、例えば、結晶子サイズが100nm~1.0μmである結晶粒を有するのが好ましく、結晶子サイズが100nm~1.0μmである結晶粒で構成されるのがより好ましい。 The Magneli phase titanium oxide constituting the metal oxide layer 20 preferably has crystal grains with a crystallite size of 100 nm to 1.0 μm, and more preferably is composed of crystal grains with a crystallite size of 100 nm to 1.0 μm.
金属層10と金属酸化物層20との間には、例えばボイドVが形成されている(図3)。ボイドVの積層方向におけるサイズは、例えば数十nm~数百nm程度であり、例えば金属層10と金属酸化物層20との界面に沿って、面内方向に分布している。ボイドVは、例えば、金属層10と金属酸化物層20との界面から積層方向において表層部に近づく方向に数100nmの範囲に、数10nm~数100nmサイズの略円筒状のボイドが、該界面の面内方向に沿って互いに連結している。 For example, voids V are formed between the metal layer 10 and the metal oxide layer 20 (Figure 3). The size of the voids V in the stacking direction is, for example, on the order of tens to hundreds of nanometers, and they are distributed in the in-plane direction, for example, along the interface between the metal layer 10 and the metal oxide layer 20. For example, the voids V are approximately cylindrical voids several tens to hundreds of nanometers in size that are connected to each other in the in-plane direction of the interface within a range of several hundreds of nanometers from the interface between the metal layer 10 and the metal oxide layer 20 in the stacking direction toward the surface layer.
本実施形態にかかる金属酸化物層20は、導電性向上の観点から、例えば平均厚みが200nm以上であるのが好ましく、500nm以上あるのがより好ましく、1μm以上あるのが更に好ましい。また、金属酸化物層20は、例えば平均厚みが2μm以下であってもよい。金属酸化物層20の平均厚みは、TEM像における積層体の最外層の表面からボイドまでの積層方向の距離を、積層体の面内方向において10箇所で測定し、その平均を求めることで算出することができる。 From the viewpoint of improving conductivity, the metal oxide layer 20 according to this embodiment preferably has an average thickness of 200 nm or more, more preferably 500 nm or more, and even more preferably 1 μm or more. The metal oxide layer 20 may also have an average thickness of 2 μm or less. The average thickness of the metal oxide layer 20 can be calculated by measuring the distance in the stacking direction from the surface of the outermost layer of the laminate to the voids in a TEM image at 10 points in the in-plane direction of the laminate and averaging the measurements.
また、第3領域23は、導電性向上の観点から、例えば平均厚みが200nm以上であるのが好ましく、500nm以上あるのがより好ましく、1μm以上であるのが更に好ましい。また、第3領域23は、例えば平均厚みが2μm以下であってもよい。第3領域23の平均厚みは、TEM像における積層体の第2領域22と第3領域23との境界から第3領域23とボイドとの境界までの積層方向の距離を、積層体の面内方向における10箇所で測定し、その平均を求めることで算出することができる。 From the viewpoint of improving conductivity, the third region 23 preferably has an average thickness of 200 nm or more, more preferably 500 nm or more, and even more preferably 1 μm or more. The third region 23 may have an average thickness of 2 μm or less. The average thickness of the third region 23 can be calculated by measuring the distance in the stacking direction from the boundary between the second region 22 and the third region 23 of the laminate to the boundary between the third region 23 and the void in the TEM image at 10 points in the in-plane direction of the laminate and averaging the measurements.
本実施形態にかかる金属酸化物層は、TiO2、並びにTiO2及びマグネリ相チタン酸化物の混合物と比較し、面内方向および積層方向の導電性が高い。また、本実施形態にかかる金属酸化物層は、可視光領域および近赤外光領域における光吸収効率が高いため、可視光、近赤外光領域の光触媒としての応用が期待される。 The metal oxide layer according to this embodiment has higher conductivity in the in-plane direction and the stacking direction than TiO2 and a mixture of TiO2 and Magneli phase titanium oxide. In addition, the metal oxide layer according to this embodiment has high light absorption efficiency in the visible light and near-infrared light regions, and is therefore expected to be used as a photocatalyst in the visible light and near-infrared light regions.
尚、図1には、第1領域21、第2領域22および第3領域23が層状に重なる構成を図示したが、本実施形態にかかる積層体はこの例に限定されない。例えば、図1では各層の表面が平坦面であるが、曲面或いは凹凸面であってもよい。また、各層の厚みが均一でなく、薄層部及び厚層部を有していてもよい。 Note that while Figure 1 illustrates a configuration in which the first region 21, second region 22, and third region 23 are layered, the laminate according to this embodiment is not limited to this example. For example, while the surface of each layer is flat in Figure 1, it may also be curved or uneven. Furthermore, the thickness of each layer may not be uniform, and may instead include thin and thick portions.
尚、図1では3つの領域を有するマグネリ相を示したが、領域の数は1つ以上の任意の数であり、金属酸化物層は特定の組成比の単一の領域からなっていてもよく、4つ以上の領域を含んでいてもよい。 Note that while Figure 1 shows a Magneli phase with three regions, the number of regions can be any number greater than or equal to one, and the metal oxide layer may consist of a single region with a specific composition ratio, or it may contain four or more regions.
図5~7は、図1の積層体100の変形例を模式的に示す断面図である。図5~7の積層体101,102,103において、積層体100と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省略する。 Figures 5 to 7 are cross-sectional views schematically illustrating modified examples of the laminate 100 of Figure 1. In the laminates 101, 102, and 103 of Figures 5 to 7, components similar to those in the laminate 100 are designated by the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.
図5に示すように、積層体101の金属酸化物層20は、第1領域21及び第2領域22で構成されている。第1領域21は、例えば組成式Ti3O5で構成されており、第2領域22は、例えば組成式Ti4O7で構成される。積層体101における第2領域22は、最外層を構成している。
また、図6に示すように、積層体102の金属酸化物層20は、第2領域22及び第3領域23で構成されている。第2領域22は、例えば組成式Ti4O7で構成されており、第3領域23は、例えば組成式Ti5O9で構成されている。積層体102における第3領域23は、最外層を構成している。
更に、図7に示すように、積層体103の金属酸化物層20は、第2領域22で構成されている。すなわち、積層体103では、金属酸化物層20の全体が特定の組成比を有する化合物の単体からなる1つのマグネリ相チタン酸化物で構成されている。積層体103における第2領域22は、最外層を構成している。
5, the metal oxide layer 20 of the laminate 101 is composed of a first region 21 and a second region 22. The first region 21 is composed of, for example, a composition formula Ti3O5 , and the second region 22 is composed of, for example, a composition formula Ti4O7 . The second region 22 in the laminate 101 constitutes the outermost layer.
6, the metal oxide layer 20 of the laminate 102 is composed of a second region 22 and a third region 23. The second region 22 is composed of, for example, a composition formula Ti4O7 , and the third region 23 is composed of, for example, a composition formula Ti5O9 . The third region 23 in the laminate 102 constitutes the outermost layer.
7, the metal oxide layer 20 of the laminate 103 is composed of a second region 22. That is, in the laminate 103, the entire metal oxide layer 20 is composed of a single Magneli-phase titanium oxide consisting of a single compound having a specific composition ratio. The second region 22 in the laminate 103 constitutes the outermost layer.
このように、本実施形態に係る積層体の金属酸化物層は、積層方向に関して、互いに異なる組成を有する2つの領域で構成されていてもよく、1つの領域で構成されていてもよい。この場合、上記2つの領域のうち、金属層10から離間している領域ほど、マグネリ相チタン酸化物中のチタン元素の組成比が低いことが好ましい。また、上記2つの領域のうちのいずれかが、マグネリ相チタン酸化物の中で電気的特性、特に電気伝導性が相対的に優れたTi4O7で構成されているのが好ましい(図5、図6参照)。また、各領域に含まれるマグネリ相チタン酸化物は、図1の対応する各領域に含まれるマグネリ相チタン酸化物と同様のものを含んでいてもよい。 As described above, the metal oxide layer of the laminate according to this embodiment may be composed of two regions having different compositions in the stacking direction, or may be composed of a single region. In this case, it is preferable that the region farther from the metal layer 10 has a lower titanium element composition ratio in the Magneli-phase titanium oxide. It is also preferable that one of the two regions is composed of Ti4O7 , which has relatively excellent electrical properties, particularly electrical conductivity, among Magneli-phase titanium oxides (see FIGS. 5 and 6 ). The Magneli-phase titanium oxide contained in each region may be the same as the Magneli-phase titanium oxide contained in the corresponding region in FIG. 1.
第1領域21、第2領域22及び第3領域23のそれぞれの厚みは、任意に選択することができる。例えば、図5では第2領域22の厚みが第1領域21の厚みよりも大きいが、第2領域22の厚みが第1領域21の厚みよりも小さくてもよい。また、図6では第2領域22の厚みが第3領域23の厚みよりも大きいが、第2領域22の厚みが第3領域23の厚みよりも小さくてもよい。 The thickness of each of the first region 21, second region 22, and third region 23 can be selected as desired. For example, in Figure 5, the thickness of the second region 22 is greater than the thickness of the first region 21, but the thickness of the second region 22 may be smaller than the thickness of the first region 21. Also, in Figure 6, the thickness of the second region 22 is greater than the thickness of the third region 23, but the thickness of the second region 22 may be smaller than the thickness of the third region 23.
各領域に含まれるマグネリ相チタン酸化物のうち、組成式Ti4O7で表されるマグネリ相チタン酸化物の導電性が最も高い。そのため、金属酸化物層20の導電性を高める観点から、第1領域21,第2領域22及び第3領域23のうち、最も厚みが大きい領域が組成式Ti4O7で構成されていることが好ましい。例えば、第1領域21,第2領域22及び第3領域23のうち第2領域22の厚みが最も大きく、且つ、第2領域22が組成式Ti4O7で表されるマグネリ相チタン酸化物で構成されるのが好ましい。 Of the Magneli phase titanium oxides contained in each region, the Magneli phase titanium oxide represented by the composition formula Ti4O7 has the highest conductivity. Therefore, from the viewpoint of increasing the conductivity of the metal oxide layer 20, it is preferable that the thickest region among the first region 21, the second region 22, and the third region 23 be composed of the composition formula Ti4O7 . For example, it is preferable that the second region 22 be thickest among the first region 21, the second region 22, and the third region 23, and that the second region 22 be composed of the Magneli phase titanium oxide represented by the composition formula Ti4O7 .
[積層体の製造方法]
本実施形態にかかる積層体の製造方法は、上記実施形態にかかる金属酸化物層を製造する方法であって、チタン基板を予備加熱する第1工程と、予備加熱した金属基板を低酸素分圧下で熱処理する第2工程と、を有する。
[Method of manufacturing laminate]
The method for producing a laminate according to this embodiment is a method for producing a metal oxide layer according to the above embodiment, and includes a first step of preheating a titanium substrate, and a second step of heat-treating the preheated metal substrate under a low oxygen partial pressure.
(第1工程)
第1工程では、例えば公知の電気炉等の加熱炉を用いて大気中で上記金属基板の予備加熱を行うことができる。第1工程により、金属基板の表面を二酸化チタンにすることができる。
(1st step)
In the first step, the metal substrate can be preheated in the atmosphere using a known heating furnace such as an electric furnace, etc. In the first step, the surface of the metal substrate can be converted into titanium dioxide.
基板としては、市販のものを用いてもよい。基板の厚みは、例えば3μm以上であり、5μm以上であることが好ましい。基板が所定値以上の厚みを持つことで、外方拡散するチタンイオン及びチタン元素を十分確保することができるため、マグネリ相チタン酸化物の形成を制御しやすい。基板としては、チタン元素を主成分として含む基板を用いてもよいが、チタン元素のみからなる基板を用いることが好ましい。基板は、チタン元素以外の第三元素を含む基板であってもよい。基板は、平坦な形状のものを用いてもよく、湾曲部や屈曲部を含む、複雑形状のものを用いてもよい。 Commercially available substrates may be used. The thickness of the substrate is, for example, 3 μm or more, and preferably 5 μm or more. By ensuring that the substrate is thick enough to provide a sufficient amount of titanium ions and titanium elements for outward diffusion, it is easier to control the formation of Magneli phase titanium oxide. The substrate may contain titanium as its main component, but it is preferable to use a substrate consisting only of titanium elements. The substrate may also contain a third element other than titanium. The substrate may be flat, or may have a complex shape including curved or bent portions.
第1工程を行う際の熱処理温度は、例えば、600℃~800℃、好ましくは650℃~750℃である。第1工程の熱処理温度をこれらの範囲に制御し、後述する第2工程を行うことで、上記実施形態にかかる金属酸化物層を含む積層体を製造することができる。チタン元素は、約800℃で急激に酸化反応が進行する。そのため、第1工程の熱処理温度が過剰に高いと、表面でのチタン元素の酸化反応が過剰に進行し、後述する第2工程を行ってもマグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層を得られない場合や、表面が脱落する場合がある。 The heat treatment temperature in the first step is, for example, 600°C to 800°C, preferably 650°C to 750°C. By controlling the heat treatment temperature in the first step within this range and performing the second step described below, it is possible to manufacture a laminate including a metal oxide layer according to the above embodiment. Titanium element undergoes a rapid oxidation reaction at approximately 800°C. Therefore, if the heat treatment temperature in the first step is excessively high, the oxidation reaction of titanium element on the surface may proceed excessively, and even when the second step described below is performed, a metal oxide layer composed of Magneli phase titanium oxide may not be obtained, or the surface may peel off.
第1工程を行う熱処理時間は、例えば30分間~5時間であり30分間~3時間であることが好ましい。尚、ここで熱処理時間とは、上述の熱処理温度に達してから維持される時間のことをいう。熱処理時間は、熱処理温度が高い場合には短くしてもよく、熱処理温度が低い場合には長くしてもよい。熱処理時間を上記範囲に制御することで、き裂や割れが生じることを抑制できる。 The heat treatment time for the first step is, for example, 30 minutes to 5 hours, and preferably 30 minutes to 3 hours. Note that the heat treatment time here refers to the time the temperature is maintained after reaching the heat treatment temperature. The heat treatment time may be shortened if the heat treatment temperature is high, and may be lengthened if the heat treatment temperature is low. By controlling the heat treatment time within the above range, it is possible to prevent cracks and fractures from occurring.
(第2工程)
第2工程は、予備加熱した金属基板を低酸素分圧下で熱処理する。第2工程では、例えば公知の電気炉の加熱炉を用いて熱処理を行うことができ、第1工程と同じ加熱炉を用いてもよいし、第1工程とは異なる加熱炉を用いてもよい。
(Second process)
In the second step, the preheated metal substrate is heat-treated under a low oxygen partial pressure. In the second step, the heat treatment can be performed using, for example, a known electric furnace. The same heating furnace as that used in the first step or a heating furnace different from that used in the first step can be used.
低酸素分圧下とは、空気の酸素分圧よりも十分に小さい酸素分圧を有するガス中で熱処理することを意味するである。上記ガスとしては、例えば、空気或いは酸素ガスを用いることができる。上記ガスは、酸素のみで構成されていてもよいし、酸素とN2、Arなどの不活性ガスとを含んでいてもよいが、酸素のみからなるか、又は酸素と不活性ガスとからなることが好ましい。 "Under a low oxygen partial pressure" means that the heat treatment is performed in a gas having an oxygen partial pressure sufficiently lower than that of air. The gas may be, for example, air or oxygen gas. The gas may be composed of oxygen alone, or may contain oxygen and an inert gas such as N2 or Ar. However, the gas is preferably composed of oxygen alone or oxygen and an inert gas.
第2工程を行う際の酸素分圧は、例えば1.0×10-7atm~1.0×10-15atmであり、好ましくは1.0×10-7atm~1.0×10-10atmである。 The oxygen partial pressure when the second step is carried out is, for example, 1.0×10 −7 atm to 1.0×10 −15 atm, and preferably 1.0×10 −7 atm to 1.0×10 −10 atm.
酸素分圧の制御は、公知の方法により行うことができる。例えば、空気と不活性ガスを加熱炉内に供給し、酸素分圧コントローラーを用いて、加熱炉内の酸素分圧の測定値に基づいて空気及び/又は不活性ガスの供給量を調整することにより、行うことができる。 Oxygen partial pressure can be controlled by known methods. For example, this can be done by supplying air and an inert gas into the heating furnace and using an oxygen partial pressure controller to adjust the amount of air and/or inert gas supplied based on the measured oxygen partial pressure in the heating furnace.
第2工程を行う際の熱処理温度は、予備加熱したチタン基板を熱処理する場合、例えば750℃~950℃、好ましくは780℃~930℃であり、より好ましくは870℃~930℃である。 When performing the second step on a preheated titanium substrate, the heat treatment temperature is, for example, 750°C to 950°C, preferably 780°C to 930°C, and more preferably 870°C to 930°C.
第2工程を行う際の上記熱処理温度は、第2工程における最高温度であり、上記熱処理温度で温度を維持しないのが好ましい。例えば、第2工程において上記最高温度に達するまで所定の昇温速度で加熱し、上記最高温度に達した後、好ましくは上記最高温度に達した直後に、所定の降温速度にて除熱する。第2工程を行う際の昇温速度は、例えば10℃/分であり、降温速度は、例えば3℃/分~5℃/分である。 The heat treatment temperature during the second step is the maximum temperature during the second step, and it is preferable not to maintain the temperature at this heat treatment temperature. For example, during the second step, heating is performed at a predetermined temperature increase rate until the maximum temperature is reached, and after the maximum temperature is reached, preferably immediately after the maximum temperature is reached, heat is removed at a predetermined temperature decrease rate. The temperature increase rate during the second step is, for example, 10°C/min, and the temperature decrease rate is, for example, 3°C/min to 5°C/min.
第2工程の熱処理において、上記最高温度に達した後、上記最高温度をある程度の時間維持してもよい。最高温度の維持時間は、例えば15時間以内であり、好ましくは、10時間以内である。 In the heat treatment of the second step, after the maximum temperature is reached, the maximum temperature may be maintained for a certain period of time. The maximum temperature may be maintained for, for example, 15 hours or less, and preferably 10 hours or less.
図8は、第2工程中の試料内部の組成の変化の一例を模式的に示す図である。第1工程後、金属基板の表面は、ルチル型の二酸化物となる。第2工程を行うことで、チタン基板のチタン元素及びチタンイオンが外方拡散し、試料の内側からマグネリ相チタン酸化物が形成し、第2工程完了時に金属酸化物層はマグネリ相チタン酸化物で構成されたものとなる。 Figure 8 is a diagram showing an example of the change in composition inside the sample during the second step. After the first step, the surface of the metal substrate becomes rutile dioxide. By performing the second step, titanium elements and titanium ions from the titanium substrate diffuse outward, forming Magneli phase titanium oxide from the inside of the sample. When the second step is completed, the metal oxide layer is composed of Magneli phase titanium oxide.
第2工程の酸素分圧の範囲と熱処理温度を上記範囲に制御することで、外部から酸素が侵入する速度、並びに外方拡散するチタン元素及びそのイオンと内部に取り込まれた酸素とが反応する速度を制御し、マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層を形成することができる。 By controlling the oxygen partial pressure range and heat treatment temperature in the second step within the above ranges, it is possible to control the rate at which oxygen penetrates from the outside and the rate at which the outward-diffusing titanium element and its ions react with the oxygen taken up inside, thereby forming a metal oxide layer composed of Magneli phase titanium oxide.
第2工程を行うことで、チタン基板のチタンイオン及びチタン元素が外方拡散する速度、外部から金属酸化物層内に酸素が侵入する速度、および外部から侵入した酸素が内部に進行する速度を制御し、金属層上にマグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層を形成することができる。尚、第2工程中も外部から酸素が内部に取り込まれており、かつ、金属層のチタン元素の外方拡散が進行するため、第2工程後の金属酸化物層の厚みは、第1工程直後の金属酸化物層の厚みより厚くなる。 By performing the second step, it is possible to control the rate at which titanium ions and titanium elements from the titanium substrate diffuse outward, the rate at which oxygen penetrates into the metal oxide layer from the outside, and the rate at which oxygen penetrated from the outside progresses inward, thereby forming a metal oxide layer composed of Magneli phase titanium oxide on the metal layer. Furthermore, because oxygen is being taken in from the outside and the outward diffusion of titanium elements from the metal layer continues during the second step, the thickness of the metal oxide layer after the second step is thicker than the thickness of the metal oxide layer immediately after the first step.
尚、第1工程の熱処理温度及び時間、並びに第2工程の酸素分圧、熱処理温度及び時間を調整することで、マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層の厚みや、形成される金属酸化物層におけるマグネリ相チタン酸化物の組成を調整することができる。 Furthermore, by adjusting the heat treatment temperature and time in the first step, and the oxygen partial pressure, heat treatment temperature and time in the second step, it is possible to adjust the thickness of the metal oxide layer composed of Magneli phase titanium oxide and the composition of Magneli phase titanium oxide in the formed metal oxide layer.
本実施形態にかかる積層体の製造方法では、安全かつ簡便にマグネリ相チタン酸化物を含む積層体を製造することができる。本実施形態に係る金属酸化物の製造方法では、温度、酸素分圧といった熱処理条件を制御することで、所望のマグネリ相チタン酸化物を含む積層体を製造できる。例えば、金属酸化物層の厚みや化学組成比を厳密に制御することができる。 The laminate manufacturing method according to this embodiment allows for the safe and easy production of a laminate containing Magneli phase titanium oxide. The metal oxide manufacturing method according to this embodiment allows for the production of a laminate containing the desired Magneli phase titanium oxide by controlling heat treatment conditions such as temperature and oxygen partial pressure. For example, the thickness and chemical composition ratio of the metal oxide layer can be precisely controlled.
本実施形態にかかる積層体の製造方法では、複雑形状の基板を用いても実施することができ、任意の形状のフレキシブル酸化物半導体も作製可能である。尚、本実施形態にかかる積層体の製造方法で製造した積層体から金属酸化物層を剥離し、金属酸化物層を独立で用いてもよい。金属酸化物層を独立で用いる場合、例えばピンセットで剥離させる方法,もしくは王水等の濃酸溶液を用いて,金属基板のみを溶解させる方法により積層体の金属基板から剥離することができる。また、3μm以下の薄い金属基板を出発材料として用いることでマグネリ相のみで構成された積層体、或いはマグネリ相のみで構成された層状物質(マグネリ相シート)を形成することも可能である。 The laminate manufacturing method according to this embodiment can be carried out even when substrates with complex shapes are used, making it possible to produce flexible oxide semiconductors of any shape. The metal oxide layer may be peeled off from the laminate manufactured by the laminate manufacturing method according to this embodiment and used independently. When using the metal oxide layer independently, it can be peeled off from the metal substrate of the laminate, for example, by using tweezers to peel it off, or by using a concentrated acid solution such as aqua regia to dissolve only the metal substrate. It is also possible to form a laminate composed solely of the Magneli phase, or a layered material composed solely of the Magneli phase (Magneli phase sheet), by using a thin metal substrate of 3 μm or less as the starting material.
図5~図7に示す積層体は、上記実施形態にかかる積層体の製造方法と同様の方法で製造される。このとき、適切な酸素分圧下で第2工程を行うことにより、2つの領域で構成される金属酸化物層、或いは1つの領域で構成される金属酸化物層を形成することができる。 The laminate shown in Figures 5 to 7 is manufactured using a method similar to the method for manufacturing the laminate according to the above embodiment. By performing the second step under an appropriate oxygen partial pressure, a metal oxide layer consisting of two regions, or a metal oxide layer consisting of one region, can be formed.
以下、本発明の実施例を説明する。本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。 The following describes examples of the present invention. The present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
先ず、厚み5μmのチタン基板を用意した。実施例1で用いたチタン基板は、99.9質量%がチタンであり、残りの0.1質量%がチタン以外の元素であった。
[Example 1]
First, a titanium substrate having a thickness of 5 μm was prepared. The titanium substrate used in Example 1 was composed of 99.9 mass % titanium and the remaining 0.1 mass % elements other than titanium.
次いで、第1工程として、電気炉内にチタン基板を配置し、大気雰囲気で予備加熱することで中間試料を作製した。チタン基板を予備加熱する際の昇温速度は約10℃/分とし、熱処理温度は700℃とし、熱処理時間は3時間とした。熱処理後、炉冷(約5℃/分の速度で冷却)を行った。 Next, in the first step, an intermediate sample was prepared by placing the titanium substrate in an electric furnace and preheating it in an air atmosphere. The temperature increase rate during preheating of the titanium substrate was approximately 10°C/min, the heat treatment temperature was 700°C, and the heat treatment time was 3 hours. After the heat treatment, the substrate was cooled in the furnace (at a rate of approximately 5°C/min).
次いで、第2工程として、中間試料を電気炉内に配置し、空気の酸素分圧よりも十分に小さい酸素分圧を有するガス中で熱処理した。上記ガスとしては、酸素ガスの他にプロセスガスとしてアルゴンガスを用いた。熱処理は、熱処理温度900℃、熱処理時間0分、酸素分圧1.0×10-10atmで行った。酸素分圧は、酸素分圧コントローラーにより制御した。熱処理する際の昇温速度は、約10℃/分で行った。第2工程では、最高温度である900℃まで昇温後、最高温度を維持せず、すぐに炉冷(約5℃/分の速度で冷却)を行い、試料を作製した。 Next, in the second step, the intermediate sample was placed in an electric furnace and heat-treated in a gas having an oxygen partial pressure sufficiently lower than that of air. In addition to oxygen gas, argon gas was used as a process gas. The heat treatment was performed at a heat treatment temperature of 900°C, a heat treatment time of 0 minutes, and an oxygen partial pressure of 1.0 x 10-10 atm. The oxygen partial pressure was controlled by an oxygen partial pressure controller. The temperature rise rate during the heat treatment was approximately 10°C/min. In the second step, after the temperature was raised to the maximum temperature of 900°C, the maximum temperature was not maintained, and the furnace was immediately cooled (cooled at a rate of approximately 5°C/min) to prepare the sample.
[実施例2]
第2工程における酸素分圧を1.0×10-7atmに変更したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Example 2]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxygen partial pressure in the second step was changed to 1.0×10 −7 atm.
[実施例3]
第2工程における最高温度を800℃に変更し、且つ最高温度を10時間に保持したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。すなわち、熱処理する際の昇温する速度及び炉冷する速度は、実施例1と同様にした。
[Example 3]
The samples were prepared in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature in the second step was changed to 800° C. and the maximum temperature was maintained for 10 hours. That is, the heating rate and furnace cooling rate during the heat treatment were the same as in Example 1.
[実施例4]
第2工程における熱処理温度を800℃に変更し、且つ最高温度を5時間に保持したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Example 4]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature in the second step was changed to 800° C. and the maximum temperature was maintained for 5 hours.
[実施例5]
第2工程における熱処理温度を800℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Example 5]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature in the second step was changed to 800°C.
[比較例1]
第2工程を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 1]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the second step was not carried out.
[比較例2]
第2工程における酸素分圧を1.0×10-5atmに変更こと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 2]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxygen partial pressure in the second step was changed to 1.0×10 −5 atm.
[比較例3]
第2工程を大気圧雰囲気で行ったこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 3]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the second step was carried out in an atmospheric pressure atmosphere.
[比較例4]
第2工程における熱処理温度を1000℃に変更し、酸素分圧を1.0×10-20atmに変更したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 4]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the heat treatment temperature in the second step was changed to 1000° C. and the oxygen partial pressure was changed to 1.0×10 −20 atm.
[比較例5]
第2工程における最高温度を1000℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 5]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature in the second step was changed to 1000°C.
[比較例6]
第2工程における最高温度を1000℃に変更し、酸素分圧を1.0×10-5atmに変更したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 6]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature in the second step was changed to 1000° C. and the oxygen partial pressure was changed to 1.0×10 −5 atm.
[比較例7]
第2工程における酸素分圧を1.0×10-5atmに変更し、且つ最高温度で5時間保持したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 7]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxygen partial pressure in the second step was changed to 1.0×10 −5 atm and the maximum temperature was maintained for 5 hours.
[比較例8]
第2工程における最高温度を800℃に変更し、最高温度で10時間に保持し、且つ酸素分圧を1.0×10-5atmに変更し、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 8]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature in the second step was changed to 800° C., the maximum temperature was maintained for 10 hours, and the oxygen partial pressure was changed to 1.0×10 −5 atm.
[比較例9]
第2工程における最高温度を800℃に変更し、且つ酸素分圧を1.0×10-5atmに変更したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 9]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature in the second step was changed to 800° C. and the oxygen partial pressure was changed to 1.0×10 −5 atm.
[比較例10]
第2工程における最高温度を900℃に変更し、且つ酸素分圧を1.0×10-5atmに変更したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 10]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature in the second step was changed to 900° C. and the oxygen partial pressure was changed to 1.0×10 −5 atm.
[比較例11]
第2工程における酸素分圧を1.0×10-5atmに変更し、且つ最高温度で3時間保持したこと以外は、実施例1と同様にして試料を作製した。
[Comparative Example 11]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that the oxygen partial pressure in the second step was changed to 1.0×10 −5 atm and the maximum temperature was maintained for 3 hours.
実施例1~5及び比較例1~11における、第1工程を行った後の試料作製条件を表1に纏める。表1において、第1工程に対応する工程を行った後に熱処理を行った条件に〇を示し、第1工程に対応する工程を行った後に熱処理を行わなかった条件に×を示す。 The sample preparation conditions after the first step in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 11 are summarized in Table 1. In Table 1, conditions in which a heat treatment was performed after a step corresponding to the first step is indicated by a circle, and conditions in which a heat treatment was not performed after a step corresponding to the first step is indicated by an x.
(試料の評価)
実施例1~5及び比較例1~11で作製した試料を以下の方法で測定、分析した。
(Sample Evaluation)
The samples prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 11 were measured and analyzed by the following methods.
(XRD測定、薄膜GI-XRD測定)
先ず、試料の任意断面を切り出し、XRD測定、薄膜GI-XRD測定を行った。XRD測定は、全自動多目的X線回折装置(株式会社リガク製、装置名:Utima IV)を用い,測定の条件は、(線源CuKα,管電圧40kV, 管電流40mA, 入射角20°~80°)とした。薄膜GI-XRD測定は、全自動多目的X線回折装置(株式会社リガク製、装置名:SmartLab)を用い、測定の条件は、(線源:CuKα,管電圧:45kV,管電流200mA,入射角:20°~60°)とした。図9は、実施例2の試料に対して薄膜GI-XRD測定を行った結果である。図10は、実施例3~5の試料に対して薄膜GI-XRD測定を行った結果である。図11は、比較例1~3の試料に対してXRD測定を行った結果である。図12は、比較例4~6の試料に対してXRD測定を行った結果である。図13は、比較例7の試料に対してXRD測定を行った結果である。図14は、比較例8及び9の試料に対して薄膜GI-XRD測定を行った結果である。図15は、比較例10の試料に対して薄膜GI-XRD測定を行った結果である。図16は、比較例11の試料に対してXRD測定を行った結果である。尚、図12~16における「I」は、第1工程が実施例1の第1工程と同じ熱処理工程であることを示す。
(XRD measurement, thin film GI-XRD measurement)
First, an arbitrary cross section of the sample was cut out, and XRD and thin-film GI-XRD measurements were performed. XRD measurements were performed using a fully automated multipurpose X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, model name: Utima IV) under the following measurement conditions: CuKα source, 40 kV tube voltage, 40 mA tube current, and 20°-80° incidence angle. Thin-film GI-XRD measurements were performed using a fully automated multipurpose X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, model name: SmartLab) under the following measurement conditions: CuKα source, 45 kV tube voltage, 200 mA tube current, and 20°-60° incidence angle. Figure 9 shows the results of thin-film GI-XRD measurements performed on the sample of Example 2. Figure 10 shows the results of thin-film GI-XRD measurements performed on the samples of Examples 3 to 5. Figure 11 shows the results of XRD measurements performed on the samples of Comparative Examples 1 to 3. Fig. 12 shows the results of XRD measurement performed on the samples of Comparative Examples 4 to 6. Fig. 13 shows the results of XRD measurement performed on the sample of Comparative Example 7. Fig. 14 shows the results of thin-film GI-XRD measurement performed on the samples of Comparative Examples 8 and 9. Fig. 15 shows the results of thin-film GI-XRD measurement performed on the sample of Comparative Example 10. Fig. 16 shows the results of XRD measurement performed on the sample of Comparative Example 11. Note that "I" in Figs. 12 to 16 indicates that the first step is the same heat treatment step as the first step in Example 1.
図2、9、10より、実施例1~5の積層体は、表層部にマグネリ相チタン酸化物からなる金属酸化物層を有することが確認された。このうち、実施例1,2及び4の表面部の主相は、マグネリ相チタン酸化物の中で最も電気伝導性に優れるTi4O7であることが確認された。 2, 9, and 10, it was confirmed that the laminates of Examples 1 to 5 had a metal oxide layer made of Magneli-phase titanium oxide in the surface layer portion. Of these, it was confirmed that the main phase in the surface portion of Examples 1, 2, and 4 was Ti4O7 , which has the highest electrical conductivity among Magneli-phase titanium oxides.
一方、比較例1~11の積層体は、表層部にマグネリ相チタン酸化物からなる金属酸化物層を有さないことが確認された。 On the other hand, it was confirmed that the laminates of Comparative Examples 1 to 11 did not have a metal oxide layer made of Magneli phase titanium oxide in the surface layer portion.
比較例1のように第1工程のみを行って第2工程を行わない場合、表層部にルチル型のTiO2で構成される金属酸化物層が形成されることが確認された。 When only the first step was performed without the second step as in Comparative Example 1, it was confirmed that a metal oxide layer composed of rutile-type TiO2 was formed on the surface layer.
比較例2のように第2工程の熱処理における酸素分圧が高い場合、積層体の内部や金属層との界面近傍にマグネリ相チタン酸化物が形成されるものの、表層部にはルチル型のTiO2が形成されており、マグネリ相チタン酸化物からなる金属酸化物層は形成されなかった。 When the oxygen partial pressure in the heat treatment of the second step was high, as in Comparative Example 2, Magneli phase titanium oxide was formed inside the laminate and near the interface with the metal layer, but rutile-type TiO2 was formed in the surface layer, and a metal oxide layer made of Magneli phase titanium oxide was not formed.
比較例3のように、第1工程に続く工程も大気圧雰囲気下で熱処理すると、マグネリ相チタン酸化物が形成されなかった。 When the heat treatment following the first step was also performed under atmospheric pressure, as in Comparative Example 3, Magneli phase titanium oxide was not formed.
比較例4~6のように第2工程の熱処理を高温で行う場合、酸素が過剰に取り込まれ、表層部にTi2O3や、TiOなどが形成された。 When the heat treatment in the second step was carried out at a high temperature as in Comparative Examples 4 to 6, excessive oxygen was taken in, resulting in the formation of Ti 2 O 3 , TiO, etc. in the surface layer.
比較例7,10,11のように第2工程を酸素分圧が高い場合、酸素が過剰に取り込まれ、ルチル型のTiO2が形成されてしまった。 When the oxygen partial pressure was high in the second step as in Comparative Examples 7, 10, and 11, excessive oxygen was taken in, resulting in the formation of rutile-type TiO 2 .
比較例8,9のように第2工程の酸素分圧が高い場合、熱処理温度が低くても表面が過剰に酸化してしまい、マグネリ相チタン酸化物を得られなかった。 When the oxygen partial pressure in the second step was high, as in Comparative Examples 8 and 9, the surface was excessively oxidized even when the heat treatment temperature was low, and Magneli phase titanium oxide could not be obtained.
比較例10,11のように酸素分圧が高く、第2工程の熱処理温度が高い場合、マグネリ相チタン酸化物は形成されているものの、ルチル型のTiO2も含まれており、表層部にマグネリ相チタン酸化物からなる金属酸化物層は形成されなかった。比較例10,11は、比較例8,9と比べ、熱処理温度が高く、金属層のチタン元素及びそのイオンの外方拡散が促進され、マグネリ相酸化物が生成した。一方、酸素分圧が高いことにより、外部から酸素が過剰に取り込まれ、表層部がルチル型のTiO2となっており、表層部がマグネリ相酸化物で構成された積層体を得られなかった。 When the oxygen partial pressure was high and the heat treatment temperature in the second step was high, as in Comparative Examples 10 and 11, Magneli phase titanium oxide was formed, but rutile TiO2 was also contained, and a metal oxide layer consisting of Magneli phase titanium oxide was not formed in the surface layer. In Comparative Examples 10 and 11, the heat treatment temperature was higher than in Comparative Examples 8 and 9, which promoted the outward diffusion of titanium elements and their ions in the metal layer, resulting in the formation of Magneli phase oxide. On the other hand, the high oxygen partial pressure caused excessive oxygen to be taken in from the outside, resulting in the surface layer consisting of rutile TiO2 , and a laminate with a surface layer consisting of Magneli phase oxide was not obtained.
(断面観察)
次に、TEMを用いて実施例1の試料の断面を観察した。実施例1の試料の異なる位置の断面を示すTEM像を図3、図17に示す。図3,図17のTEM像を観察した結果、実施例1の試料は積層方向と交差する方向にボイドVを有すること、ボイドVを挟む二つの層を有すること、二つの層のうち表面側の層には数100nm~約1.0μmの複数の結晶粒を有することが確認された。尚、試料の表面側の層は、マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層であることが薄膜GI-XRD測定で確認されている。次いで、TEM像における積層体の面内方向の10箇所で、金属酸化物層の最外層の表面からボイドまでの積層方向の距離を測定し、その平均値を求めることで、金属酸化物層の平均厚みを求めた。金属酸化物層の平均厚みは、3.2μmであった。
(Cross-section observation)
Next, the cross section of the sample of Example 1 was observed using a TEM. TEM images showing cross sections of the sample of Example 1 at different positions are shown in FIGS. 3 and 17. Observation of the TEM images in FIGS. 3 and 17 confirmed that the sample of Example 1 had a void V in a direction intersecting the stacking direction, had two layers sandwiching the void V, and that the surface layer of the two layers had multiple crystal grains ranging from several hundred nanometers to approximately 1.0 μm. Thin-film GI-XRD measurement confirmed that the surface layer of the sample was a metal oxide layer composed of Magneli-phase titanium oxide. Next, the distance in the stacking direction from the surface of the outermost layer of the metal oxide layer to the void was measured at 10 locations in the in-plane direction of the stack in the TEM image, and the average value was calculated to determine the average thickness of the metal oxide layer. The average thickness of the metal oxide layer was 3.2 μm.
実施例1と同様に、実施例2の試料の断面をTEMで観察した。実施例2の試料の断面を示すTEM像を図18に示す。図18のTEM像を観察した結果、実施例2の試料は積層方向と交差する方向にボイドVを有すること、ボイドVを挟む二つの層を有すること、二つの層のうち表面側の層には数100nm~約1.0μmの結晶粒で構成されていることが確認された。試料の表面側の層は、マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層であることが薄膜GI-XRD測定で確認されている。金属酸化物層の平均厚みは、2.9μmであった。 As in Example 1, the cross section of the sample of Example 2 was observed using a TEM. Figure 18 shows a TEM image of the cross section of the sample of Example 2. From the TEM image in Figure 18, it was confirmed that the sample of Example 2 has a void V in a direction intersecting the stacking direction, that it has two layers sandwiching the void V, and that the surface layer of the two layers is composed of crystal grains ranging from several hundred nm to approximately 1.0 μm. Thin-film GI-XRD measurement confirmed that the layer on the surface side of the sample is a metal oxide layer composed of Magneli phase titanium oxide. The average thickness of the metal oxide layer was 2.9 μm.
実施例1と同様に、比較例1の試料の断面をTEMで観察した。比較例1の試料の断面を示すTEM像を図19に示す。図19のTEM像を観察した結果、比較例1の試料は積層方向と交差する方向にボイドVを有すること、ボイドVを挟む二つの層を有すること、二つの層のうち表層部の層には数100nmの結晶粒で構成されていることが確認された。試料の金属層上に設けられた層は、TiO2で構成されていることがXRD測定で確認されている。 As in Example 1, the cross section of the sample of Comparative Example 1 was observed by TEM. A TEM image showing the cross section of the sample of Comparative Example 1 is shown in FIG. 19. Observation of the TEM image in FIG. 19 confirmed that the sample of Comparative Example 1 has a void V in a direction intersecting the stacking direction, has two layers sandwiching the void V, and that the surface layer of the two layers is composed of crystal grains of several hundred nanometers. XRD measurement confirmed that the layer provided on the metal layer of the sample is composed of TiO2 .
実施例1と同様に、比較例2の試料の断面をTEMで観察した。比較例2の試料の断面を示すTEM像を図20に示す。図20のTEM像を観察した結果、比較例2の試料は積層方向と交差する方向にボイドVを有すること、ボイドVを挟む二つの層を有すること、二つの層のうち表層部の層には数100nm~約1.0μmの結晶粒で構成されていることが確認された。試料の金属層上に設けられた層は、ルチル型のTiO2とマグネリ相チタン酸化物で構成されていることがXRD測定で確認されている。 As in Example 1, the cross section of the sample of Comparative Example 2 was observed using a TEM. A TEM image showing the cross section of the sample of Comparative Example 2 is shown in FIG. 20. Observation of the TEM image in FIG. 20 confirmed that the sample of Comparative Example 2 has a void V in a direction intersecting the stacking direction, has two layers sandwiching the void V, and that the surface layer of the two layers is composed of crystal grains ranging from several hundred nm to approximately 1.0 μm. XRD measurement confirmed that the layer provided on the metal layer of the sample is composed of rutile-type TiO2 and Magneli-phase titanium oxide.
(電子線回折)
先ず、実施例1の試料に対し、電子線回折を行った。電子線回折は、図3中の領域Ra、Rb及びRc並びに図17中の領域Rdの結晶粒に対して行った。
(Electron Diffraction)
First, electron beam diffraction was performed on the sample of Example 1. Electron beam diffraction was performed on the crystal grains in regions R a , R b and R c in FIG. 3 and region R d in FIG.
領域R c の電子線回折像において、透過波が透過する(000)及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2との間に含まれるスポットの数は、3個の箇所と4個の箇所があり、それぞれ上記2つの点を結ぶ線分を4等分、5等分していた。そのため、領域R c に位置するマグネリ相チタン酸化物は、Ti4O7とTi5O9との混晶であることが確認された。
領域Rbの電子線回折像において、(000)及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2との間に含まれるスポットの数は、3個であり、上記2つの点を結ぶ線分を4等分していた。また、(000)と(120)のスポットを結ぶ直線に対し、電子回折像が鏡面対象になっていた。そのため、領域Rbに位置するマグネリ相チタン酸化物は、Ti4O7の、(1-20)双晶であることが確認された。
領域R a の電子線回折像において、透過波が透過する(000)及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2との間に含まれるスポットの数は、2個であり、上記2つの点を結ぶ線分を3等分していた。そのため、領域R a に位置するマグネリ相チタン酸化物は、Ti3O5であることが確認された。
In the electron diffraction image of region Rc , the number of spots included between the (000) plane through which the transmitted wave passes and the (121) R-TiO2 plane corresponding to the rutile-type TiO2 plane was three and four, respectively, dividing the line segment connecting the two points into four and five equal parts. Therefore, it was confirmed that the Magneli-phase titanium oxide located in region Rc was a mixed crystal of Ti4O7 and Ti5O9 .
In the electron diffraction image of region Rb , the number of spots between the (000) and (121) R-TiO2 corresponding to the rutile TiO2 plane was three, and the line segment connecting these two points was divided into four equal parts. Furthermore, the electron diffraction image was mirror-symmetric with respect to the line connecting the (000) and (120) spots. Therefore, it was confirmed that the Magneli-phase titanium oxide located in region Rb was a ( 1-20 ) twin crystal of Ti4O7 .
In the electron diffraction image of region R a , the number of spots included between the (000) plane through which the transmitted wave passes and the (121) R-TiO2 plane corresponding to the rutile-type TiO2 plane was two, and the line segment connecting these two points was divided into three equal parts. Therefore, it was confirmed that the Magneli-phase titanium oxide located in region R a was Ti3O5 .
また、実施例1において、図17中の領域Rdの近傍の拡大図および電子線回折像を図21に示す。領域Rdの電子線回折像から、透過波が透過する(000)及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2との間に超格子反射が存在することが確認された。また(000)及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2との間に含まれるスポットの数は、3個の箇所であり、上記2つのスポットを結ぶ線分を4等分していた。そのため、領域R d に位置するマグネリ相チタン酸化物は、Ti4O7であることが確認された。従って、金属酸化物層においては、面欠陥が周期的に存在することが確認された。 In Example 1, an enlarged view and an electron diffraction image of the vicinity of region Rd in FIG. 17 are shown in FIG. 21. The electron diffraction image of region Rd confirmed the presence of superlattice reflection between the (000) plane through which the transmitted wave passes and the ( 121 ) R-TiO2 plane, which corresponds to the rutile TiO2 plane. Furthermore, the number of spots between the (000) plane and the (121) R-TiO2 plane , which corresponds to the rutile TiO2 plane, was three, and the line segment connecting these two spots was divided into four equal parts. Therefore, it was confirmed that the Magneli-phase titanium oxide located in region Rd was Ti4O7 . Therefore, it was confirmed that planar defects existed periodically in the metal oxide layer.
次に、実施例2の試料に対し、電子線回折を行った。電子線回折は、図18中の領域Re及びRfの結晶粒に対して行った。領域Reの電子線回折像において、(000)及び(121)R-TiO2との間に含まれるスポットの数は、5個であり、上記2つのスポットを結ぶ線分を6等分していた。そのため、領域R e は、Ti6O11であることが確認された。領域Rfの電子線回折像において、(000)及び(121)R-TiO2との間に含まれるスポットの数は、3個であり、上記2つのスポットを結ぶ線分を4等分していた。そのため、領域Rfは、Ti4O7であることが確認された。 Next, electron beam diffraction was performed on the sample of Example 2. Electron beam diffraction was performed on the crystal grains in regions R e and R f in FIG. 18. In the electron beam diffraction image of region R e , the number of spots contained between (000) and (121) R-TiO2 was five, and the line segment connecting these two spots was divided into six equal parts. Therefore, region R e was confirmed to be Ti 6 O 11. In the electron beam diffraction image of region R f , the number of spots contained between (000) and (121) R-TiO2 was three, and the line segment connecting these two spots was divided into four equal parts. Therefore, region R f was confirmed to be Ti 4 O 7 .
次に、比較例1の試料に対し、電子線回折を行った。図19中の領域R1の近傍の拡大図及び電子線回折像を図22に示す。領域R1の電子線回折像から、領域R1の結晶粒がルチル型のTiO2で構成されていることが確認された。 Next, electron beam diffraction was performed on the sample of Comparative Example 1. Fig. 22 shows an enlarged view of the vicinity of region R1 in Fig. 19 and an electron beam diffraction image. From the electron beam diffraction image of region R1, it was confirmed that the crystal grains in region R1 were composed of rutile-type TiO2 .
次に、比較例2の試料に対し、電子線回折を行った。電子線回折は、図20中の領域R2,R3及びR4に対して行った。領域R2の電子線回折像から、領域R2の結晶粒は、TiO2の(101)Rutile双晶で構成されていることが確認された。また、領域R3、R4の電子回折像において、透過波が透過する(000)及びルチル型TiO2面に対応する(121)R-TiO2との間に含まれるスポットの数が、3個であり、上記2つのスポットを結ぶ線分を4等分していた。そのため、領域R3、R4は、Ti4O7の(1-20)双晶であることが確認された。
また比較例2の電子線回折結果より、マグネリ相チタン酸化物は、二酸化チタンを表面に有する積層構造に対し、第2工程を低酸素分圧下で行うことで、図8に示されるようにチタン元素又はイオンの外方拡散により形成されることが確認された。比較例2のようなTiO2が残る積層体では、金属層上の表層部に設けられ、マグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層を有する積層体を得られない。
Next, electron beam diffraction was performed on the sample of Comparative Example 2. Electron beam diffraction was performed on regions R2 , R3 , and R4 in FIG. 20. From the electron beam diffraction image of region R2 , it was confirmed that the crystal grains in region R2 were composed of (101) rutile twin crystals of TiO2 . Furthermore, in the electron diffraction images of regions R3 and R4 , the number of spots included between the (000) plane through which the transmitted wave passes and the (121) R-TiO2 plane corresponding to the rutile TiO2 plane was three, and the line segment connecting these two spots was divided into four equal parts. Therefore, it was confirmed that regions R3 and R4 were ( 1-20 ) twin crystals of Ti4O7 .
Furthermore, the electron beam diffraction results for Comparative Example 2 confirmed that Magneli phase titanium oxide is formed by outward diffusion of titanium element or ions when the second step is performed under a low oxygen partial pressure on a laminate structure having titanium dioxide on the surface, as shown in Figure 8. In a laminate in which TiO2 remains as in Comparative Example 2, a laminate having a metal oxide layer composed of Magneli phase titanium oxide provided on the surface layer of the metal layer cannot be obtained.
(HAADF-STEM観察)
実施例1の試料の領域RBに対して、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡(HAADF-STEM)(装置名:Cs-correced Titan3 microscope、Fisher Scientific International Inc.製)により、断面の原子配列を確認した。図23は、HAADF-STEMにより観察した像(左図)及び左図の枠内を拡大し、さらにGatan社製ソフトウェアDigital micrographによるフーリエフィルター処理した画像である。HAADF-STEMにより観察した結果、領域RBが、Ti4O7であると同定できた。フーリエフィルター処理は、加速電圧300kV, 電子ビーム径:約0.08 nm, 収束角:17.8 mradで行った。
(HAADF-STEM observation)
The atomic arrangement of the cross section of region R B of the sample of Example 1 was confirmed using a high-angle annular dark-field scanning transmission microscope (HAADF-STEM) (instrument name: Cs-correced Titan3 microscope, manufactured by Fisher Scientific International Inc.). Figure 23 shows an image observed with HAADF-STEM (left image) and an enlarged image of the area within the frame on the left image, which was further subjected to Fourier filtering using Digital Micrograph software manufactured by Gatan. As a result of observation with HAADF-STEM, region R B was identified as Ti 4 O 7. Fourier filtering was performed at an acceleration voltage of 300 kV, an electron beam diameter of approximately 0.08 nm, and a convergence angle of 17.8 mrad.
図24は、図23におけるHAADF-STEM像のX-Y線上のコントラスト強度を示す図及び、コントラスト強度を基に算出した原子配列を模式的に示す図である。HAADF-STEM像中の明るいスポットは、コントラスト強度(Z=22)からTi原子の原子カラムであることが確認された。Ti原子の原子カラムよりもコントラスト強度が低いスポットのコントラスト強度は、(Z=8)であった。ここで、Zは原子番号を示す。この結晶粒では、Ti原子カラムが4周期で配列しており、先行研究(Y. Le Page, M. Marezio, Journal Solid State Chemistry, Volume 53, (1984) p13-21.)におけるTi4O7の原子配列と一致した。図23におけるTi原子カラムの周辺に位置する明度が低いスポットは、O原子カラムによるものと推察される。 Figure 24 shows the contrast intensity along the X-Y line of the HAADF-STEM image in Figure 23, and a schematic diagram of the atomic arrangement calculated based on the contrast intensity. The bright spots in the HAADF-STEM image were confirmed to be atomic columns of Ti atoms based on their contrast intensity (Z = 22). The contrast intensity of spots with lower contrast intensity than the Ti atomic columns was (Z = 8). Here, Z indicates the atomic number. In this crystal grain, the Ti atomic columns are arranged in a periodic pattern of four, which is consistent with the atomic arrangement of Ti 4 O 7 in previous research (Y. Le Page, M. Marezio, Journal Solid State Chemistry, Volume 53, (1984) pp. 13-21.). The low-brightness spots located around the Ti atomic columns in Figure 23 are presumed to be O atomic columns.
(光吸収効率)
次いで、実施例1,比較例1,比較例2の試料、およびルチル型の白色TiO2粉末の光吸収効率を求めるために、反射率を測定した。反射率の測定は、紫外可視近赤外分光光度計装置(装置名:UV-3600、株式会社島津製作所製)を用いて、300nm~1500nmの範囲で行った。
(Light absorption efficiency)
Next, the reflectance was measured to determine the light absorption efficiency of the samples of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, and the rutile white TiO2 powder. The reflectance was measured in the range of 300 nm to 1500 nm using an ultraviolet-visible-near-infrared spectrophotometer (instrument name: UV-3600, manufactured by Shimadzu Corporation).
実施例1,比較例1,比較例2の試料、およびルチル型の白色TiO2粉末の波長に対する反射率(%)を図25に示す。実施例1の試料は、紫外光領域だけでなく、可視光領域及び近赤外光領域において、低い反射率を示した。具体的には、実施例1の試料は約400nm~約1800nmの範囲で25%以下の反射率を示した。また、実施例1の試料は、約300nm~約1800nmの範囲で比較例1よりも低い反射率を示し、約350nm~約1250nmの範囲で比較例2よりも低い反射率を示した。特に、実施例1の試料は、約360nm~約830nmの範囲である可視光領域において、比較例1,2のいずれよりも低い反射率を示した。したがって、実施例1の試料は、可視光領域および近赤外光領域において優れた光吸収効率を示すことが分かった。 Figure 25 shows the reflectance (%) versus wavelength for the samples of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, and the rutile-type white TiO2 powder. The sample of Example 1 exhibited low reflectance not only in the ultraviolet light region, but also in the visible light region and near-infrared light region. Specifically, the sample of Example 1 exhibited a reflectance of 25% or less in the range of approximately 400 nm to approximately 1800 nm. Furthermore, the sample of Example 1 exhibited a lower reflectance than Comparative Example 1 in the range of approximately 300 nm to approximately 1800 nm, and a lower reflectance than Comparative Example 2 in the range of approximately 350 nm to approximately 1250 nm. In particular, the sample of Example 1 exhibited a lower reflectance than either Comparative Example 1 or Comparative Example 2 in the visible light region, which is approximately 360 nm to approximately 830 nm. Therefore, it was found that the sample of Example 1 exhibited excellent light absorption efficiency in the visible light region and near-infrared light region.
(抵抗値測定)
次いで、直流安定化電源(型番AD-8735D、エー・アンド・デイ株式会社製)を用い、4端子法を用いて、実施例1,比較例1及び比較例2の試料の構成相の面方向及び厚み方向の抵抗値を測定した。厚み方向の抵抗値の測定においては、試料の金属層から金属酸化物層を剥離せず、試料の表裏にて計測を行った。
(Resistance measurement)
Next, using a DC stabilized power supply (model number AD-8735D, manufactured by A&D Corporation), the four-terminal method was used to measure the resistance values in the plane direction and thickness direction of the constituent phases of the samples of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. When measuring the resistance value in the thickness direction, the metal oxide layer was not peeled off from the metal layer of the sample, and measurements were taken on the front and back of the sample.
表2に示すように、比較例1の構成相(ルチル型のTiO2)の面方向の抵抗値及び厚み方向の抵抗値は測定限界(3×104Ω)以上であった。また、比較例2の構成相(ルチル型のTiO2、Ti2O及びTi4O7)の面方向の抵抗値は0.56Ωであり、厚み方向の抵抗値は1.93Ωであった。一方、実施例1の構成相(マグネリ相チタン酸化物(Ti5O9及びTi4O7))の面方向の抵抗値は0.17Ω、厚み方向の抵抗値は0.04Ωであり、比較例1,2の抵抗値と比べて、面方向及び厚み方向の抵抗値のいずれも低く、特に厚み方向の抵抗値が格段に低いことが分かった。 As shown in Table 2, the resistance values in the plane direction and the thickness direction of the constituent phase (rutile-type TiO2 ) of Comparative Example 1 were equal to or greater than the measurement limit (3 x 104 Ω). The resistance value in the plane direction of the constituent phase (rutile-type TiO2 , Ti2O , and Ti4O7 ) of Comparative Example 2 was 0.56 Ω , and the resistance value in the thickness direction was 1.93 Ω. On the other hand, the resistance value in the plane direction of the constituent phase (Magneli-phase titanium oxide ( Ti5O9 and Ti4O7 )) of Example 1 was 0.17 Ω, and the resistance value in the thickness direction was 0.04 Ω. Compared with the resistance values of Comparative Examples 1 and 2, it was found that both the resistance values in the plane direction and the thickness direction were lower, and in particular the resistance value in the thickness direction was significantly lower.
[比較例12]
1cm×1cm×5μmのチタン基板を大気中で、一定の加熱速度で加熱し、熱重量測定(TG:Thermogravimetry)を行った。熱重量測定は、熱重量示差熱測定装置(NETCH製、装置名:STA2500)を用い、測定の条件は、(加熱速度:10(℃/分)とした。図26に比較例12の試料の熱重量曲線(TG曲線)を示す。比較例12の試料のTG曲線から、チタン基板は約600℃以上の温度範囲で、温度が高くなるほど金属基板の酸化が進行すること、温度変化に対する重量変化の勾配は、700℃、800℃、及び900℃の温度で大きく増大することが確認された。
[Comparative Example 12]
A 1 cm x 1 cm x 5 μm titanium substrate was heated in air at a constant heating rate, and thermogravimetry (TG) was performed. The thermogravimetry was performed using a thermogravimetric differential calorimeter (NETCH, model STA2500) under the condition of a heating rate of 10°C/min. Figure 26 shows the thermogravimetric curve (TG curve) of the sample of Comparative Example 12. From the TG curve of the sample of Comparative Example 12, it was confirmed that the oxidation of the titanium substrate progressed as the temperature increased in the temperature range of about 600°C or higher, and that the gradient of weight change with temperature increased significantly at temperatures of 700°C, 800°C, and 900°C.
図26中の状態a(室温)、b(700℃)、及びc(1000℃)における試料の外観写真、及び状態cにおけるXRD測定結果を図27に示す。外観写真に示される通り、状態cにおいては、試料の表面が脱落している。また、XRD測定結果から状態cの試料の表面がルチル型TiO2であることがXRD測定で確認されている。図27より、第1工程における温度を所定の範囲内に制御しないと表面が脱落することがわかる。 FIG. 27 shows photographs of the appearance of the sample in states a (room temperature), b (700°C), and c (1000°C) in FIG. 26, as well as the XRD measurement results for state c. As shown in the photographs, the surface of the sample in state c has fallen off. Furthermore, the XRD measurement results confirm that the surface of the sample in state c is rutile-type TiO2 . From FIG. 27, it can be seen that the surface will fall off if the temperature in the first step is not controlled within a predetermined range.
上記実施形態にかかるマグネリ相チタン酸化物で構成された金属酸化物層を有する積層体は、可視光域を有効利用でき、複雑な形状や任意の寸法に対応できる。そのため、上記実施形態にかかる積層体は、光触媒電極、光センサーとしての活用が期待される。上記実施形態にかかる積層体が有する金属酸化物層は、高い導電性を有し、高い耐酸化性を有し得ることから、燃料電池としての活用が期待される。 The laminate having a metal oxide layer composed of Magneli phase titanium oxide according to the above embodiment can effectively utilize the visible light range and can accommodate complex shapes and arbitrary dimensions. Therefore, the laminate according to the above embodiment is expected to be used as a photocatalytic electrode or an optical sensor. The metal oxide layer of the laminate according to the above embodiment has high conductivity and may have high oxidation resistance, so it is expected to be used as a fuel cell.
10:金属層、20:金属酸化物層、100,101,102,103:積層体、V:ボイド 10: Metal layer, 20: Metal oxide layer, 100, 101, 102, 103: Laminate, V: Void
Claims (7)
前記マグネリ相チタン酸化物は、組成式TinO2n-1(n≧3)で表され、
前記金属酸化物層は、積層方向に関して、互いに異なる組成を有する2つ又は3つの領域を有し、
前記2つ又は3つの領域のうち、前記金属層から離間している領域ほど、前記組成式におけるnの値が大きい、積層体。 a metal layer; and a metal oxide layer formed on a surface portion of the metal layer and composed of Magneli phase titanium oxide,
The Magneli phase titanium oxide is represented by a composition formula Ti n O 2n-1 (n≧3),
the metal oxide layer has two or three regions having different compositions in the stacking direction;
A laminate , wherein the value of n in the composition formula of one of the two or three regions is larger as the region is more distant from the metal layer .
前記2つの領域のうち、前記金属層から離間している領域は、前記金属層側の領域と比べ、前記組成式におけるnの値が大きい、請求項1または2に記載の積層体。 the metal oxide layer has two regions having different compositions in a stacking direction,
3. The laminate according to claim 1, wherein the region away from the metal layer has a larger value of n in the composition formula than the region on the metal layer side .
チタン基板を大気中で、後に行われる第2工程よりも低温で予備加熱する、第1工程と、
予備加熱した前記チタン基板を酸素分圧1.0×10 -7 atm以下の低酸素分圧下で、前記第1工程よりも高温で熱処理する、前記第2工程と、を有する、積層体の製造方法。 A method for producing the laminate according to any one of claims 1 to 5,
A first step of preheating a titanium substrate in the atmosphere at a temperature lower than that of a second step to be performed later ;
a second step of heat-treating the preheated titanium substrate under a low oxygen partial pressure of 1.0×10 −7 atm or less at a temperature higher than that of the first step .
前記第2工程において、予備加熱した前記チタン基板を温度750℃~950℃、酸素分圧1.0×10-7atm以下で熱処理する、請求項6に記載の積層体の製造方法。 In the first step, the titanium substrate is preheated at 650°C to 750°C,
7. The method for producing a laminate according to claim 6, wherein in the second step, the preheated titanium substrate is heat-treated at a temperature of 750° C. to 950° C. and an oxygen partial pressure of 1.0×10 −7 atm or less.
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