(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）以下を含有するアルコールベースの溶液を調製する工程；
ｉ．アルコール溶媒；および
ｉｉ．該溶液を７以上のｐＨに維持するように機能可能な塩基性種；
ｂ）該アルコールベースの溶液に粉末の形態の金属酸化物前駆体を添加して反応混合物を形成する工程であって、該反応混合物が７以上の反応混合物ｐＨに維持される、該工程；および
ｃ）該反応混合物を反応させて、ナノサイズの金属酸化物ゾルを形成する工程であって、該反応混合物が７以上の反応混合物ｐＨに維持される、該工程、
を含む、方法。
【請求項２】
アルコールが、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノールおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
塩基性種が、ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、それらの水和物およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
塩基性種がアルコール中に溶解される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
塩基性種が、０．００２Ｍと２．０Ｍとの間のモル濃度で存在する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
塩基性種が、０．０１Ｍと０．４Ｍとの間のモル濃度で存在する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
アルコールベースの溶液が、水、有機溶媒およびそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つのさらなる種をさらに含有する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
さらなる種が有機溶媒を含み、該有機溶媒がアセトン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、メシチレン、ジエチルエーテル、ジクロロメタン、クロロホルムおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
反応混合物のｐＨが、７と９との間に維持される、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
金属酸化物前駆体が、金属酢酸塩、金属アルコキシド、ハロゲン化金属、金属硝酸塩、それらの水和物およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｚｒおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属成分を含有する、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
金属酸化物前駆体が、ＩＩＡ族金属、ＩＩＩＡ族金属、ＩＶＡ族金属、ＶＡ族金属、遷移金属、ランタニド金属、アクチニド金属およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属成分を含有する、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
金属酸化物前駆体が亜鉛を含有する、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
金属酸化物前駆体が、酢酸亜鉛、酢酸亜鉛二水和物およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
反応混合物中の金属酸化物前駆体：塩基性種のモル比が、１：１．２と１：３との間である、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
反応させる工程が、２０℃〜１００℃の範囲の反応温度を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
反応させる工程が、数秒間と数日間との間の反応持続期間を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
反応させる工程が、数分間と数日間との間の反応持続期間を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｚｒおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含有するナノサイズの金属酸化物粒子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、亜鉛を含有するナノサイズの金属酸化物粒子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、１ｎｍと１００ｎｍとの間の平均直径を有する粒子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２１】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、１ｎｍと５０ｎｍとの間の平均直径を有する粒子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２２】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、１ｎｍと１０ｎｍとの間の平均直径を有する粒子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２３】
金属酸化物前駆体を添加する前に、アルコールベースの溶液にドーパント種を添加し、それによって、ドープされたナノサイズの金属酸化物粒子を提供する工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項２４】
ナノサイズの金属酸化物ゾルをゲルとして保存する工程をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項２５】
ナノサイズの金属酸化物粒子のナノサイズの金属酸化物ゾルが、ナノサイズの金属酸化物粒子の凝集を防止する温度で保存される、請求項１記載の方法。
【請求項２６】
ａ）アルコールベースの溶液を調製する工程であって、該溶液がアルコール溶媒と該溶液のｐＨを維持するように機能可能な塩基性物質とを含有し、該塩基性物質が０．０１Ｍと０．４Ｍとの間の濃度で存在し、該塩基性物質が該アルコール溶媒中に溶解される、該工程；
ｂ）該アルコールベースの溶液に金属酸化物前駆体を粉末として添加して反応混合物を形成する工程であって、金属酸化物前駆体：塩基性物質のモル比が、１：１．２と１：３との間である、該工程；および
ｃ）２０℃と１００℃との間の反応温度で該反応混合物を反応させて、安定なナノサイズの金属酸化物ゾルを形成する工程、
を含む、方法。
【請求項２７】
塩基性物質が、アルコールベースの溶液および反応混合物を７以上のｐＨに維持する、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
塩基性物質がアルコール溶媒中に溶解され、該アルコール溶媒が、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノールおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
金属酸化物前駆体が、金属酢酸塩、金属アルコキシド、ハロゲン化金属、金属硝酸塩、それらの水和物およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、かつ、該金属酸化物前駆体が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｚｒおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属成分を含有する、請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、１ｎｍと５０ｎｍとの間の平均直径を有するナノサイズの金属酸化物粒子を含む、請求項２６記載の方法。
【請求項３１】
金属酸化物前駆体の添加の前に、アルコールベースの溶液にドーパント種を添加し、それによって、ドープされたナノサイズの金属酸化物粒子を提供する工程をさらに含む、請求項２６記載の方法。
【請求項３２】
ナノサイズの金属酸化物ゾルを保存する工程をさらに含み、該ナノサイズの金属酸化物粒子のゾルが、ナノサイズの金属酸化物粒子の凝集を防止する温度で保存される、請求項２６記載の方法。
【請求項３３】
ａ）アルコール溶媒とヒドロキシルイオンの供給源とを含有するアルコールベースの溶液を調製する工程であって、該ヒドロキシルイオンの供給源が０．０１Ｍと０．４Ｍとの間の濃度で存在し、該ヒドロキシルイオンの供給源が該アルコール溶媒中に溶解される、該工程；
ｂ）該アルコールベースの溶液に金属酸化物前駆体を添加して反応混合物を形成する工程であって、金属酸化物前駆体に対するヒドロキシルイオンの化学量論比が、１と２との間であり、該反応混合物のｐＨが７〜９である、該工程；および
ｃ）２０℃と１００℃との間の反応温度で該反応混合物を反応させて、ナノサイズの金属酸化物ゾルを形成する工程、
を含む、方法。
【請求項３４】
ヒドロキシルイオンの供給源がアルコール溶媒中に溶解され、該アルコール溶媒が、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノールおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
金属酸化物前駆体が、金属酢酸塩、金属アルコキシド、ハロゲン化金属、金属硝酸塩、それらの水和物およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、かつ、該金属酸化物前駆体が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｚｒおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属成分を含有する、請求項３３記載の方法。
【請求項３６】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、１ｎｍと５０ｎｍとの間の平均直径を有する粒子を含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３７】
金属酸化物前駆体の添加の前に、アルコールベースの溶液にドーパント種を添加し、それによって、ドープされたナノサイズの金属酸化物粒子を提供する工程をさらに含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３８】
ナノサイズの金属酸化物ゾルをゾルとして保存する工程をさらに含み、該ナノサイズの金属酸化物粒子のゾルが、ナノサイズの金属酸化物粒子の凝集を防止する温度で保存される、請求項３３記載の方法。
【請求項３９】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、１ｎｍと１０ｎｍとの間の平均直径を有する粒子を含む、請求項２６記載の方法。
【請求項４０】
ナノサイズの金属酸化物ゾルが、１ｎｍと５０ｎｍとの間の平均直径を有する粒子を含む、請求項３３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００４年５月１９日出願の以下の米国特許出願第１０／８４８，８８２号の優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本発明は、一般に金属酸化物粒子に関し、特に、ナノメートルサイズの金属酸化物粒子の調製方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景情報
ナノ結晶性の半導体および酸化物は、バルク物質と分子種との間のギャップを橋渡しする基本的な重要性から、近年研究の興味を大いに引き付けてきた。A. P. Alivisatos, "Perspectives on the Physical Chemistry of Semiconductor Nanocrystals," J. Phys. Chem., 100, 13226-13239, (1996); A. S. Edelstein and R. C. Cammarata, Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, Eds. Institute of Physics Publishing: Bristol, 1996を参照のこと。量子閉じ込め効果の結果として、ナノサイズの金属酸化物粒子は、対応するバルク材料よりも大きい電子バンドギャップを有し得る。さらに、これらの量子閉じ込めされたナノサイズの金属粒子のバンドギャップは、粒子サイズを変化させることおよび／または混合することによって、ナノサイズの形態（regime）内で調整され得る。L. Li et al., "Band Gap Variation of Size- and Shape-Controlled Colloidal CdSe Quantum Rods," Nano Letters, 1, 349-351 (2001)を参照のこと。このようなナノサイズの金属酸化物粒子の調整可能な光電子特性は、おそらく、マイクロメートルのオーダーのサイズを有する従来の金属酸化物粒子をはるかに上回る性能特徴をそのような粒子に提供するであろう。
【０００４】
ナノ結晶性の半導体および酸化物の分野における最近の研究努力は、かなりの程度、このようなナノサイズの粒子が使用を見出すと予測される多くの用途によって突き動かされている。このような用途には、新規の光学的、電気的および機械的デバイス、太陽光電池、発光ダイオード、バリスタ、光触媒、ガスセンサー、光電子デバイス、光学スイッチ、ＵＶ吸収体、ナノレーザー、イオン挿入電池（ion-insertion battery）、エレクトロクロミック素子などが挙げられる。A. S. Edelstein and R. C. Cammarata, Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, Eds. Institute of Physics Publishing: Bristol, 1996; B. O'Regan and M. Gratzel, "A Low-Cost, High-Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films, " Nature, 353, 737-740 (1991); M. A. Fox and M. T. Dulay, "Heterogeneous Photocatalysis," Chem. Rev. , 93, 341-357 (1993); V. L. Colvin, M. C. Schlamp and A. P. Alivisatos, "Light-Emitting Diodes Made from Cadmium Selenide Nanocrystals and a Semiconducting Polymer," Nature 370, 354-357 (1994); J. Lee, J.-H. Hwang, J. J. Mashek, T. O. Mason, A. E. Miller and R. W. Siegel, "Impedance Spectroscopy of Grain Boundaries in Nanophase ZnO, " J. Mater. Res. , 10, 2295-2300 (1995); M. H. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Yan, Y. Wu, H. Kind, E. Weber, R. Russo and P. Yang, "Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers, " Science, 292, 1897-1899 (2001)を参照のこと。実際、このようなナノサイズの粒子は、活性なＵＶ吸収成分として日焼け止めおよび化粧品において既に商業的用途を見出している（Katsuyamaらへの米国特許第６，１７１，５８０号）。
【０００５】
ナノサイズの金属酸化物粒子に利用可能な潜在的な用途の幅は、それらの合成および製造へのさらなる研究を刺激した。ナノサイズの金属酸化物粒子は、化学蒸着（ＣＶＤ）および有機金属化学蒸着（ＭＯ−ＣＶＤ）、分子線エピタキシー法、ならびにプラズマ合成法のような化学気相成長法を含む、種々の方法によって現在製造することができる。Siegelらへの米国特許第５，１２８，０８１号およびPetersonらへの米国特許第６，５８０，０５１号を参照のこと。しかし、これらの方法は、高価で複雑な設備を必要とする。他方、ゾル−ゲル法は、上記方法と比較して、比較的安価な装置を用いて比較的低い温度でナノサイズの金属酸化物粒子を製造することができる。結果として、これらのゲル−ゾル法は、近年好評を博している。
【０００６】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、特に興味が持たれる金属酸化物材料であり、この酸化亜鉛からナノサイズの金属酸化物粒子が製造され得る。実験的に許容可能なサイズ範囲で量子閉じ込め効果を示す数少ない広いバンドギャップの半導体酸化物の１つであるＺｎＯは、約７ｎｍ未満の直径を有するナノ結晶（量子ドット）として公知のクラスターで得られた場合、対応するバルク固体では観察されない独自の物理的、化学的および光学的特性を有する単純で安定な種である。これらの量子サイズ効果は、ドットの大きい表面積対質量と組み合わせて、オプティクスからデータ保存のための高強度の材料までの範囲にわたる用途においてこのような量子閉じ込めを利用することを求める場合に、ＺｎＯナノ粒子を高度に望ましいものにする。さらに、他の広いバンドギャップの半導体と比較して、ＺｎＯは、発光体として６０ｍｅＶの非常に高い励起子結合エネルギーを有する；比較として、ＧａＮは２５ｍｅＶである。電子用途について、その魅力は、高い破壊強さおよび高い飽和速度を有する点にある。ＺｎＯはまた、放射線損傷に対して、他の一般的な半導体材料（例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｄＳおよびＧａＮでさえ）よりもはるかに抵抗性がある。D. C. Look, "Recent Advances in ZnO Materials and Devices," Materials Science and Engineering, B80, 383-387 (2001)を参照のこと。
【０００７】
他のナノサイズの金属酸化物粒子の調製と同様、化学蒸着、分子線エピタキシー、有機金属気相エピタキシーおよびコロイド調製のような、ナノサイズのＺｎＯを調製するために開発された多数の方法が存在する。コロイド状（ゾル−ゲル）調製は、実施が容易であるので、これらのアプローチの中でも広く使用されている。ゾル−ゲル法を使用するＺｎＯナノ粒子の合成を記載している独創的な論文は、Bahnemann et al., "Preparation and Characterization of Quantum Size Zinc Oxide: A Detailed Spectroscopic Study," J. Phys. Chem. , 91, 3789-3798 (1987)である。この論文は、酢酸亜鉛−アルコール溶液への金属水酸化物種の添加によってＺｎＯナノ粒子が形成される方法を記載している。このような開示に続いて、粒子サイズが２〜７ｎｍの範囲の高度に濃縮されたＺｎＯ粒子が、Meulenkamp, "Synthesis and Growth of ZnO Nanoparticles," J. Phys. Chem. B, 102, 5566- 5572 (1998)に記載のように、酢酸亜鉛−アルコール溶液への金属水酸化物の添加を含むゾル−ゲル法を使用して得られた。この研究はさらに、光吸収およびルミネッセンス分光法によって粒子サイズをモニターする方法を記載しており、それによってＺｎＯ粒子サイズが反応時間および温度に依存することが見出された。しかし、この方法は、高濃度（例えば約０．１Ｍ）の金属酸化物前駆体で実施した場合には、大きい粒子の形成をさらに導く。
【０００８】
Wongらは、ＺｎＯナノ粒子の成長に関与する反応速度論[E. M. Wong, J. E. Bonevich and P. C. Searson, "Growth Kinetics of Nanocrystalline Particles from Colloidal Suspensions," J. Phys. Chem. B, 102, 7770-7775 (1998)]、ならびにこのようなＺｎＯナノ粒子の成長に対する有機キャッピングリガンド（capping ligand）の効果[E. M. Wong, P. G. Hoertz, C. J. Liang, B. M. Shi, G. J. Meyer and P. C. Searson, "Influence of Organic Capping Ligands on the Growth Kinetics of ZnO Nanoparticles," Langmuir, 17, 8362-8367 (2001)]を研究している。しかし、この方法は時間がかかり、得られたゾル中のＺｎＯの相対濃度に関して非常に低い収率を与える。高度に濃縮されたＺｎＯコロイドは、L. SpanhelおよびM. A. Andersonによって１９９１年に開発されたゾル−ゲル合成[L. Spanhel and M. A. Anderson, "Semiconductor Clusters in the Sol-Gel Process: Quantized Aggregation, Gelation, and Crystal Growth in Concentrated ZnO Colloids," J. Am. Chem. Soc., 113, 2826-2833 (1991)]を使用して調製されてきた。その手順によれば、Ｚｎ２＋前駆体は、Ｚｎ（ＯＡｃ）２・２Ｈ２Ｏ−エタノール溶液を還流し、その後ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ粉末をこの溶液中に添加することによって調製された。E. A. Meulenlcampは、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ−エタノール溶液を使用し、反応温度を０℃に低下させることによってこの方法を改変した。E. A. Meulenkamp, J. Phys. Chem. B, 102, 5566-5572 (1998)を参照のこと。
【０００９】
現在の理解に基づくと、ＺｎＯナノ結晶の成長は、反応時間、温度および反応物質の化学量論に明らかに依存する。しかし、詳細な反応機構は未だ不明である。他の塩基（例えば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｍｇ（ＯＨ）２）および他のアルコール（例えば、メタノールおよびプロパノール）の使用は、所望の結果を達成することができないと言われてきた。L. Spanhel and M. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc., 113, 2826-2833 (1991)を参照のこと。さらに、低温処理は、ある種のインサイチュの有機材料ベースのナノコンポジットの調製には不利である。結果として、上記問題点および不確実性に対処する必要性が示されている。
【００１０】
上記技術水準の結果として、大きい（非ナノサイズの）粒子の同時形成を伴わずに高濃度でナノサイズの金属酸化物粒子を製造することができる新規ゾル−ゲル法を見出すことが非常に所望されるであろう。さらに、ナノサイズのＺｎＯを製造することができる任意のこのような方法が特に所望されるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
発明の要旨
本発明は、金属酸化物前駆体とアルコールベースの溶液とを混合して反応混合物を形成し、次いでこの反応混合物を反応させてナノサイズの金属酸化物粒子を製造する、新規ゾル−ゲル法に関する。本発明の方法は、以前に記載されたゾル−ゲル法よりも、ナノサイズの金属酸化物を調製するのに適している。本発明は、使用すべき金属酸化物前駆体の反応混合物中でのより高い濃度を可能とすることによって、以前に記載されたゾル−ゲル法よりも効率的にナノサイズの金属酸化物粒子を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のある実施態様において、上記アルコールベースの溶液は一般に、アルコールベースの溶液および生じる反応混合物を７以上のｐＨで維持するように機能可能な塩基性種を含有する。ある実施態様において、この塩基性種はヒドロキシルイオンの供給源である。ある実施態様において、反応混合物のｐＨを、７の最小値および約１０．５の最大値の範囲に限定することがさらに望ましい。
【００１３】
本発明のある実施態様において、上記塩基性種に加えて、アルコールベースの溶液は一般に、Ｃ１−Ｃ６アルコールを含有する。典型的には、塩基性種はこのアルコール溶媒中に溶解される。さらに、アルコールベースの溶液へのさらなる成分が存在してもよい。このような成分としては、水および１つ以上の有機種が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１４】
本発明のある実施態様によれば、適切な金属酸化物前駆体としては、金属酢酸塩、金属アルコキシド、金属硝酸塩、ハロゲン化金属、それらの水和物およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。本発明に従って、多数の金属含有種が金属酸化物前駆体として使用され得るが、例示的な金属酸化物前駆体、即ち本発明に従うナノサイズの金属酸化物粒子を製造するためのものは、酢酸亜鉛二水和物、Ｚｎ（Ｃ２Ｈ３Ｏ２）２・２Ｈ２Ｏである。
【００１５】
本発明は、１〜１００ｎｍのサイズ形態の平均直径を有するナノサイズの金属酸化物粒子の製造を提供する。ある実施態様において、これらのナノサイズの金属酸化物粒子は量子閉じ込めされている。本発明のある実施態様によれば、製造されたナノ粒子のこのような平均粒径は、反応パラメータ、特に温度および反応持続期間だけでなく、反応混合物内の金属酸化物前駆体：塩基性種の比を調整することによって調節することができる。ある実施態様において、これらのナノサイズの金属酸化物粒子は、しばしばそれらの凝集を防止する温度で、ゾルとして保存される。
【００１６】
上記は、以下の本発明の詳細な説明がよりよく理解され得るように、本発明の特徴をかなり広く概説している。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明のさらなる特徴および利点は、本明細書中以下に記載される。
【００１７】
本発明およびその利点をより完全に理解するために、添付の図面と共に、ここで以下の説明をします。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
詳細な説明
本発明は、金属酸化物前駆体とアルコールベースの溶液とを混合して反応混合物を形成し、次いでこの反応混合物を反応させてナノサイズの金属酸化物粒子を製造する、新規ゾル−ゲル法に関する。本発明の方法は、以前に記載されたゾル−ゲル法よりも、ナノサイズの金属酸化物を調製するのに適している。本発明は、使用すべき金属酸化物前駆体の反応混合物中でのより高い濃度を可能とすることによって、以前に記載されたゾル−ゲル法よりも効率的にナノサイズの金属酸化物粒子を提供することができる。
【００１９】
本明細書中で使用される用語の殆どは当業者に理解可能であろうが、それでもなお、以下の定義が本発明の理解の助けとなるように示される。しかし、明白に定義されていない場合、用語は、当業者に現在容認されている意味を採用しているものとして解釈すべきであることを理解すべきである。
【００２０】
本発明に従う「金属酸化物」は、金属成分および酸素成分を含有する物質であり、酸素成分に対する金属成分の化学量論比は、金属の型およびその酸化状態に依存する。
【００２１】
本発明に従う「コロイド」または「コロイド状懸濁物」は、一般に溶媒媒体中の小さい粒子の懸濁物であり、この懸濁物中では、この粒子は、その小さいサイズの結果として沈降していない。このようなコロイド状懸濁物は「ゾル」ともいう。「ゾル−ゲル法」は、液体で殆どコロイド状の「ゾル」から殆ど固体の「ゲル」相への系の転移を含む方法である。ゲル−ゾル法は、セラミック材料の形成において広く使用される。
【００２２】
本発明に従う「ナノサイズの」または「ナノスケール」は一般に、１００ナノメートル（ｎｍ）未満の少なくとも１つの寸法を含むものを意味する。本明細書中で定義される「ナノ粒子」は、１００ｎｍ未満の少なくとも２つの寸法を有する粒子である。従って、このようなナノ粒子には「ナノロッド」が含まれる。典型的には、より球状の粒子は等方性を示すが、より棒状の粒子は異方性を示す傾向がある。
【００２３】
半導体材料に関連して本明細書中で使用する「バンドギャップ」は、１つの電子がその材料の価電子帯から伝導帯（ここでは、電子がより自由に動く）へ移動するのに必要なエネルギーの最小量をいう。
【００２４】
本明細書中で使用する「量子閉じ込め」とは、それらのボーア励起子半径の寸法未満にそれらの寸法を減少させ、それによってバンドギャップを増大させた、半導体材料すなわち広いバンドギャップの材料をいう。「量子閉じ込めされた」寸法を有する半導体粒子はしばしば、「量子ドット」または「Ｑ−粒子」という。
【００２５】
一般に、本発明は、アルコールベースの溶液を調製する第一の工程、このアルコールベースの溶液に金属酸化物前駆体を添加して反応混合物を形成する第二の工程、およびこの反応混合物を反応させてナノサイズの金属酸化物粒子を形成する第三の工程を含む方法である。
【００２６】
本発明のある実施態様において、上記アルコールベースの溶液は一般に、アルコールベースの溶液および得られる反応混合物を７以上のｐＨに維持するように機能可能な塩基性種を含有する。ある実施態様において、反応混合物のｐＨを、７の最小値および約１０．５の最大値の範囲に限定することがさらに望ましい。
【００２７】
ある実施態様において、この塩基性種はヒドロキシルイオンの供給源であるが、このような塩基性種は一般に、少なくとも約７のアルコールベースの溶液および反応混合物のｐＨを提供する任意の種であり得る。このような塩基性種には、ＬｉＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、それらの水和物およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。このような塩基性種は典型的に、一般に約０．００２Ｍと約２．０Ｍとの間、具体的には約０．０１Ｍと約０．４Ｍとの間のモル濃度で、アルコールベースの溶液中に溶解される。
【００２８】
本発明のある実施態様において、上記塩基性種に加えて、このアルコールベースの溶液は一般に、Ｃ１−Ｃ６アルコールを含有する。このようなアルコールとしては、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノールおよびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。典型的には、塩基性種はこのアルコール溶媒中に溶解される。さらに、アルコールベースの溶液へのさらなる成分が存在してもよい。このような成分としては、水および有機種が挙げられるが、これらに限定されない。本発明に従う適切な有機種としては、アセトン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、メシチレン、ジエチルエーテル、ジクロロメタン、クロロホルムおよびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。アルコールとは別に、塩基性種および／またはさらなる（任意の）成分が、得られるアルコールベースの溶液の約５０重量％程度、典型的には約３０重量％未満を構成してもよい。
【００２９】
本発明のある実施態様に従う適切な金属酸化物前駆体は、反応して本発明に従うナノサイズの金属酸化物前駆体を形成する、任意の金属酸化物前駆体であり得る。このような金属酸化物前駆体としては、金属酢酸塩、金属アルコキシド、金属硝酸塩、ハロゲン化金属、それらの水和物およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。ある実施態様において、このような金属酸化物前駆体は一般に、ＩＩＡ族金属、ＩＩＩＡ族金属、ＩＶＡ族金属、ＶＡ族金属、遷移金属、ランタニド金属、アクチニド金属およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属成分を含有する。これらの実施態様のあるものにおいて、ナノサイズの金属酸化物粒子は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｚｒおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含有する。本発明に従って、多数の金属含有種が金属酸化物前駆体として使用され得るが、本発明に従うナノサイズの金属酸化物粒子を製造するための例示的な金属酸化物前駆体は、酢酸亜鉛二水和物、Ｚｎ（Ｃ２Ｈ３Ｏ２）２・２Ｈ２Ｏであり、ここで、酢酸亜鉛二水和物は、亜鉛（金属）成分を含有する金属酢酸塩種を示す。ある実施態様において、金属酸化物前駆体は室温で固体であるが、他の実施態様では、金属酸化物前駆体は室温で液体または気体である。ある実施態様において、金属酸化物前駆体は粉末の形態である。
【００３０】
上記のように、金属酸化物前駆体は、アルコールベースの溶液に添加されて反応混合物を形成する。ある実施態様において、金属酸化物は粉末としてアルコールベースの溶液に添加される。他の実施態様において、金属酸化物前駆体は、最初にアルコールまたは他の溶媒中に溶解され、次いで本発明のアルコールベースの溶媒に添加される。このような添加は、ある添加速度の範囲で、かつこのような添加に適切なある温度範囲内でおこなってもよく、攪拌またはある種の他の型の適切なかき混ぜプロセスを含み得る−その結果、全てが、本発明に従うナノサイズの金属酸化物粒子を提供する。ある実施態様において、１つ以上の特定の雰囲気条件（例えば、窒素ブランケットまたはある種の他の型の不活性雰囲気環境）が使用され得る。一般に、反応混合物内の金属酸化物前駆体種：塩基性種のモル比は、約１：１．２と約１：３との間である。
【００３１】
反応混合物を反応させてナノサイズの金属酸化物粒子を形成させる際に、このような粒子の形成に適切な反応条件を維持する必要がある。このような反応条件は典型的に、反応温度、反応持続期間、かき混ぜ手段、および必要に応じて不活性反応雰囲気を含む。本発明に従う反応温度は、一般に少なくとも約０℃〜最大で約１００℃、具体的には少なくとも約２０℃〜最大で約８０℃、より具体的には少なくとも約３０℃〜最大で約８０℃の範囲である。本発明に従う反応持続期間は、一般に約数秒間〜約数日間、より具体的には約数分間〜約数日間の範囲である。かき混ぜ方法としては、攪拌、振盪、超音波処理、振動およびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３２】
本発明のある実施態様において、１つ以上のドーパント種が反応混合物に添加され、それによって、ドープされたナノサイズの金属酸化物粒子が結果として形成される。ある実施態様において、このようなドーパント種は、得られるナノサイズの金属酸化物粒子の電気および／または光学特性を調節するために使用される。適切なドーパント種としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｉｒおよびそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。異なる方法によって製造されたドープされたナノサイズのＺｎＯ粒子が以前に記載されている。Agne et al., "Doping of the nanocrystalline semiconductor zinc oxide with the donor iridium," Appl. Phys. Lett., 83(6), 1204-1206 (2003)を参照のこと。
【００３３】
本発明は、一般に１〜１００ｎｍのサイズ形態の平均直径を有するナノサイズの金属酸化物粒子を提供する。しかし、ある実施態様において、ナノサイズの金属酸化物粒子は、１〜５０ｎｍまたはさらには１〜１０ｎｍのサイズ形態の平均直径を有する。ある実施態様において、これらのナノサイズの金属酸化物粒子は量子閉じ込めされている。本発明のある実施態様によれば、このような平均粒径は、反応パラメータ、特に温度および反応持続期間だけでなく、反応混合物内の金属酸化物前駆体：塩基性種の比を調整することによって調節することができる。ある実施態様において、これらのナノサイズの金属酸化物粒子は、しばしばそれらの凝集を防止する温度で、コロイド状懸濁物またはゾルとして保存される。ある実施態様または他の実施態様において、揮発性溶媒が除去されて、ナノサイズの金属酸化物粒子はゲルとして保存される。
【００３４】
以下の実施例は、本発明の特定の実施態様を示すために提供される。以下の実施例中に開示された方法は、本発明の例示的な実施態様を示すに過ぎないことが、当業者に理解されるべきである。しかし、本開示を踏まえて、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、記載された特定の実施態様に多数の変更がなされ、同じまたは類似の結果をなおも得ることができることを、当業者は理解すべきである。全ての実施例について、製造されたナノサイズの金属酸化物粒子の平均直径は一般に、Meulenkamp, "Synthesis and Growth of ZnO Nanoparticles," J. Phys. Chem. B, 102, 5566-5572 (1998)に記載の技術に従って、ＵＶ−ｖｉｓ吸収分光法によって評価したことに留意されたい。このような評価は、標準金属酸化物サンプル（これについては、透過型電子顕微鏡を使用して平均粒径を確認した）を用いた較正を含んだ。
【実施例】
【００３５】
実施例１
この実施例は、ＺｎＯコロイドを調製する本発明に従う経路（文献中に以前に記載された経路よりも単純でより一般的である）を示す役割を果たす。
【００３６】
この実施例および続く実施例において記載される化学物質および溶媒は、試薬グレードのものであり、さらに精製することなく使用した。脱イオン水をｐＨ測定のために使用した。ｐＨ測定は、約ｐＨ１４までの操作範囲を有する複合ガラス電極を使用するＢｅｃｋｍａｎ  φ３４０  ｐＨメーター（Ｃｏｒｎｉｎｇ製）で行なった。ＵＶ−ｖｉｓ吸収スペクトルは、ＨＰ  ８４５１ダイオード−アレイ分光光度計またはＳｈｉｍａｄｚｕ  ＵＶ−１６０１分光光度計のいずれかを使用して記録した。コロイドからのスペクトルは、１ｃｍの石英セルを用いて得た。メタノールを参照溶媒として使用した。蛍光スペクトルは、ＳＬＭ  Ａｍｉｎｏｃｏ  ＭＣ２００分光蛍光光度計を使用して記録した。
【００３７】
ＺｎＯ粒子サイズは、２００ｋＶで作動するＪＥＯＬ  ＪＥＭ−２０１０  ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて決定した。サンプルを、炭素フィルムで被覆した銅メッシュにコロイド状溶液の液滴を配置することによって調製した。過剰な液体を３０秒後に除去し、サンプルグリッドを空気中で蒸発させることによって乾燥させた。
【００３８】
典型的な合成のために、メタノール中０．０４ＭのＫＯＨ（アルコールベースの溶液）５０ｍｌを調製し、攪拌しながら６０℃で加熱した。次に、このアルコールベースの溶液に、０．２２ｇ（１ｍｍｏｌ）のＺｎ（ＡＯｃ）２・２Ｈ２Ｏ（酢酸亜鉛二水和物）粉末を、還流および攪拌下で添加した。こうして、反応混合物中の酢酸亜鉛無水物：ＫＯＨの反応化学量論は、１：２（０．０２Ｍ対０．０４Ｍ）であった。この反応混合物を、３０分間の反応時間の後に、３つの部分に分割した。１つを−１０℃でエージングし、１つを攪拌しながら２５℃でエージングし、残りの１つを６０℃でエージングおよび攪拌した。
【００３９】
アルコールベースの（ＫＯＨ／メタノール）溶液にＺｎ（ＡＯｃ）２・２Ｈ２Ｏ粉末を添加した直後に白色沈殿物が形成したことが観察された。次いで、この沈殿物が約５分以内に溶解したことが観察され、透明なＺｎＯコロイド状溶液が形成した。６０℃で約３０分間攪拌した後に得られたＺｎＯコロイドの吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルを図１中に示す。図中、吸収スペクトルは線１０１として示し、蛍光スペクトルは線１０３として示す。吸収の立ち上がり（ベースラインに向かうＵＶ吸収の急勾配部分の直線外挿によって決定される）は、λｏｓ＝３２８ｎｍで観察される。２つの発光ピークが観察され、ＺｎＯ量子ドットに対する実験から通常報告されるものと一致する。例えば、L. Spanhel and M. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc., 113, 2826-2833 (1991); E. A. Meulenkamp, J. Phys. Chem. B, 102, 5566-5572 (1998); A. Van Dijken, E. A. Meulenkamp, D. Vanmaekelbergh and A. Meijerink, J. Lumin., 87, 454 (2000)を参照のこと。これらの発光ピークの一方は約５００ｎｍ（２．３５ｅＶ）の広い緑色ルミネッセンスバンドであり、他方は約３８０ｎｍ（３．２５ｅＶ）のかなり弱い紫外発光バンドである。図２は、上記ＺｎＯコロイド状溶液からの透過型電子顕微鏡写真を示す。製造したナノサイズの金属酸化物粒子の直径は、約３ｎｍであると決定された。
【００４０】
得られたＺｎＯコロイドを、約３０分間の反応後、３つの部分に分割した。１つの部分は６０℃で攪拌し続け、１８時間の反応後には濁った。１つの部分は２５℃で攪拌し続け、２週間後でも透明のままであった。最後に、１つは−１０℃で保存し、数ヵ月後でさえもなお透明であった。これにより、粒子成長速度がエージング温度に高度に依存することが確認される。ＺｎＯナノ粒子は、高温で非常に迅速に成長し、凝集する傾向がある。詳細な成長速度論は、続く実施例中で議論する。異なる水酸化物（例えば、ＮａＯＨおよびＬｉＯＨ）および異なるアルコール（例えば、エタノールおよびイソプロパノール）をＫＯＨ／メタノールの代わりに使用し、上記合成方法の多様性を確認したことに留意されたい。
【００４１】
実施例２
この実施例は、異なる濃度のＫＯＨ、ならびに異なる反応化学量論の酢酸亜鉛無水物およびＫＯＨによって、実施例１に記載した反応が如何に影響されるかを示す役割を果たす。この目的のために、得られた溶液および反応混合物のｐＨ値を測定し、かつ、この溶液および反応混合物の吸収スペクトルをモニターして、反応パラメータの特定のセットについてＺｎＯコロイドが形成したか否かを確認した。実験データを表１中に示す。表中、「開始」は、酢酸亜鉛二水和物を添加する前のＫＯＨ／メタノール溶液をいい、「５分」は、酢酸亜鉛二水和物を添加した後６０℃で５分の反応混合物をいい、「２時間」は、酢酸亜鉛二水和物を添加した後６０℃で２時間の反応混合物をいう。表において理解できるように、Ｚｎ（ＡＯｃ）２・２Ｈ２Ｏは、メタノールが溶媒である場合、ＫＯＨの濃度が０．０２Ｍでも０．０４Ｍでも、５０％の化学量論量のＫＯＨの存在下、安定なＺｎＯコロイドを生じる。得られた両方の生成ＺｎＯコロイドのｐＨ値は、約８〜９の範囲である。コロイド形成は、実施例１に記載した現象（反応の開始時に白色沈殿物が形成し、次いで溶解し、その後透明なＺｎＯコロイドが形成した）の後に生じた。しかし、酢酸亜鉛無水物およびＫＯＨの化学量論比が０．０１Ｍ対０．０４Ｍである場合、白色沈殿物もＺｎＯコロイドも形成しなかった。２時間の反応後にこのような様式で得られた溶液のｐＨは１１．６であった。
【００４２】
【表１】
0005383043.tif 000002
【００４３】
このように、反応性種の化学量論およびｐＨは、ＺｎＯコロイド合成に対する強い影響を有することが示される。最も安定なＺｎＯコロイドは、イソプロパノールを溶媒として用いて、１：１．２５の酢酸亜鉛：ＮａＯＨの化学量論比から生じることが報告されている。D. W. Bahnemann, C. Kormann and M. R. Hoffmann, J. Phys. Chem., 91, 3789-3798 (1987)を参照のこと。この報告において、コロイド状粒子の最も高い凝集は、それらの水性ＺｎＯゾルについてｐＨ９．２で現れた。Anderson [L. Spanhel and M. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc., 113, 2826-2833 (1991)]およびMeulenkamp [E. A. Meulenkamp, J. Phys. Chem. B, 102, 5566-5572 (1998)]によって報告されたゾル−ゲル合成において、Ｚｎ（ＡＯｃ）２・２Ｈ２Ｏ：ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの化学量論比は、共に１：１．４である。
【００４４】
理論に束縛されることを意図しないが、酸化物は、反応性種の加水分解（１）および縮合（２）によって形成されると考えられる(C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-gel Science, Academic Press. San Diego, 1990):
【００４５】
【化１】
0005383043.tif 000003
【００４６】
このようなゾル−ゲル反応について、より高い成長速度に一致して、より高いｐＨはより速い縮合を誘導し、その逆もまた同様である[E. A. Meulenkamp, J. Phys. Chem. B, 102, 5566-5572 (1998)]。しかし、本実施例に開示した観察（白色沈殿物が反応の開始時に形成し、次いで溶解する）に基づくと、このような指示は、Ｚｎ（ＯＨ）２の形成および解離を示している。反応の間の反応混合物中のＺｎＯＨ種は、ＺｎＯＨ＋、Ｚｎ（ＯＨ）２、Ｚｎ（ＯＨ）３−およびＺｎ（ＯＨ）４２−であることが示唆される。反応混合物が高いｐＨを有し（即ち、ｐＨが約１１よりも高い）、かつＯＨ−の化学量論量が酢酸亜鉛の化学量論量よりもかなり高い場合、可溶性のＺｎ（ＯＨ）３−およびＺｎ（ＯＨ）４２−種が優勢であり、それらのＺｎＯへの解離は有利ではない。従って、このような状況では、ＺｎＯコロイドは形成されない。しかし、酸化亜鉛二水和物に対する水酸化物の化学量論比が１と２との間である場合、溶液のｐＨは約７〜９である。このような状況では、種ＺｎＯＨ＋、Ｚｎ（ＯＨ）２が優勢であり、これらは容易に解離してＺｎＯを生じる。
【００４７】
異なる水酸化物（例えば、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ）および異なるアルコール（例えば、エタノールおよびイソプロパノール）もまた、上記合成方法における塩基およびアルコールの選択の代わりに使用することができる。このような置換を実施する際に、同様の現象が観察され、透明なＺｎＯコロイド状溶液が同様に得られたが、アルコール中へのＬｉＯＨの溶解は比較的遅い傾向があった。上記結果は、非常に単純な経路による種々の系における安定で透明なＺｎＯコロイドの合成を明らかに示している。
【００４８】
ＺｎＯナノ粒子は、合成後に成長し続ける。この成長プロセスは、吸収スペクトルおよび発光スペクトルによってモニターすることができる。粒子成長について実施例３で記載する系は、メタノール中の酢酸亜鉛二水和物とＫＯＨとである。
【００４９】
実施例３
この実施例は、如何に光学分光学を使用して、本発明のナノサイズの金属酸化物生成物のサイズを決定し得るか、ならびにこのような生成物の合成、成長およびエージングをモニターする手段として作用するその能力の両方を示す役割を果たす。
【００５０】
ＵＶ／ｖｉｓ吸収スペクトル
ＺｎＯは、７ｎｍ以下の粒子について量子サイズ効果を示す。U. Koch, A. Fojtik, H. Weller and A. Henglein, "Photochemistry of Semiconductor Colloids. Preparation of Extremely Small ZnO Particles, Fluorescence Phenomenoa and Size Quantization Effects," Chem. Phys. Lett. 122, 507-510 (1985)を参照のこと。従って、光学吸収スペクトルは、この量子閉じ込めされたサイズ領域内でのＺｎＯナノ粒子の成長を調査するための簡便な方法を提供する。本実施例において、ＵＶ−ｖｉｓ吸収スペクトルは、６０℃で調製される安定で透明なＺｎＯコロイドの調製の間の種々の時間で記録した。これらのスペクトルを図３に示す。図３中、線３０１は５分間に対応し、線３０２は１５分間に対応し、線３０３は３０分間に対応し、線３０４は３時間に対応し、線３０５は６時間に対応し、線３０６は１８時間に対応する。図３において理解できるように、吸収の立ち上がり（λｏｓ＝３１４ｎｍ）は、酢酸亜鉛二水和物を塩基溶液と５分間混合した後に観察される。このλｏｓは、６０℃で１８時間継続的に加熱および攪拌する間に、３５５ｎｍに向かって漸次レッドシフトするようになる。
【００５１】
吸収波長から粒子サイズを計算するいくつかの方法がある。Meulenkamp [E. A. Meulenkamp, J. Phys. Chem. B, 102, 5566-5572 (1998)]によって提供された等式を使用して、λ１／２（吸収が肩での吸収の半分である波長）の測定値を、ＴＥＭ顕微鏡写真およびＸＲＤ線広がりからのサイズ決定結果に基づいて粒子サイズへと変換する：
１２４０／λ１／２＝ａ＋ｂ／Ｄ２−ｃ／Ｄ
式中、ａ＝３．３０１、ｂ＝２９４．０かつｃ＝−１．０９であり；λ１／２はｎｍ、直径ＤはＡである。上記等式を使用して、吸収からＺｎＯ粒子サイズを計算した。これは図４中に示される。製造したＺｎＯナノ粒子の直径は、６０℃での１８時間の加熱後に、２．０ｎｍから３．４ｎｍに増大することに留意のこと。出願人の研究において、計算した粒子サイズは、ＴＥＭ顕微鏡写真から決定した粒子サイズよりも僅かに小さく、これは粒子の僅かな凝固を示唆することに留意すべきである。凝固率は、水性コロイド状ＺｎＯについてｐＨ９．２でピークに達することが以前に報告された[D. W. Bahnemann, C. Kormann and M. R. Hoffmann, J. Phys. Chem., 91, 3789-3798 (1987)]。巨大結晶性ＺｎＯについての文献値は、ほぼ９．０で平均ｐＨｚｐｃ（電荷ゼロ点のｐＨ、凝固率は、表面の電気的中性に起因してｐＨｚｐｃで最大値である）を与える[G. A. Parks, "The Isoelectric Points of Solid Oxides, Solid Hydroxides, and Aqueous Hydroxo Complex Systems," Chem. Rev., 65, 177-198 (1965) ]。従って、ほぼ８〜９のｐＨのコロイド状溶液中で得られるＺｎＯナノ粒子は、比較的高い凝固率を有すると予測される。
【００５２】
透明なＺｎＯコロイドを６０℃で３０分間合成し、次いで２つの部分に分割し、一方は２５℃でエージングし、他方は−１０℃で保存した。ＵＶ−ｖｉｓ吸収スペクトルを、２５℃でのエージングおよび−１０℃での保存の間に、両方の部分について種々の時間で記録した。これを図５および６中に示す。図５は２５℃でのエージングを示し、図中、線５０１は反応直後のＵＶ−ｖｉｓ吸収であり、線５０２はエージング３時間に対応し、線５０３はエージング１２時間に対応し、線５０４はエージング２４時間に対応し、線５０５はエージング５６時間に対応し、線５０６はエージング８０時間に対応し、線５０７はエージング５日間に対応し、線５０８はエージング７日間に対応する。λｏｓは、２５℃での７日間のこのエージング期間にわたり、３２８ｎｍから３４８ｎｍに向かって徐々にレッドシフトすることが分かる。このことから、ＺｎＯのナノ粒子の直径は、２．３ｎｍから３．３ｎｍに増大すると推測される。しかし、−１０℃で７日間の保存は、ＺｎＯナノ粒子コロイドの吸収スペクトルにおいて有意な変化を全く生じなかった。これは図６中に示され、図中、線６０１は開始ＵＶ−ｖｉｓ吸収に対応し、線６０２は２日間のエージングに対応し、線６０３は７日間のエージングに対応する。このように、粒子成長は、温度および時間の両方に依存することが示される。結果として、活性化プロセスおよび拡散に制御されないプロセスが生じる。
【００５３】
実施例４
ルミネッセンス発光スペクトル
上記実施例のＵＶ−ｖｉｓ分光法に加えて、この実施例は、如何に発光分光法を使用して、本発明の方法に従って製造されたナノサイズの金属酸化物粒子をモニターして特徴付け得るかを示す。
【００５４】
ＺｎＯのルミネッセンスについての殆どの文献報告は、単結晶性粉末または単結晶に関する。このような報告において、２つの発光バンドが通常見出される。第１の比較的弱く狭いＵＶ発光バンドが、吸収の立ち上がりの直下、３８０ｎｍ（３．２５ｅＶ）付近で観察される。このバンドは、励起子の放射消滅（radiative annihilation）に起因する。この励起子発光の寿命は非常に短い（数十〜数百ピコ秒のオーダー）。V. V. Travnikov, A. Freiberg and S. F. Savikhin, "Surface Excitons in ZnO Crystals," J. Lumin. 47, 107-112 (1990)を参照のこと。第２のものは、かなり強くより広い発光バンドであり、可視スペクトルの緑色部分に位置し、５００ｎｍと５３０ｎｍとの間（２．３５〜２．５０ｅＶ）に最大値がある。励起子発光とは対照的に、可視発光の寿命はかなり長く、即ちμ秒の範囲である。M. Anpo and Y. Kubokawa, "Photoluminescence of Zinc Oxide Powder as a Probe of Electron-Hole Suface Processes," J. Phys. Chem. 88, 5556-5560 (1984)を参照のこと。ＺｎＯ量子ドットに対する実験は、良好な品質のＺｎＯ単結晶またはＺｎＯ粉末と比較して、量子ドットにおいてＵＶバンドギャップルミネッセンスが強力に消光されることを示している。L. Spanhel and M. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc., 113, 2826-2833 (1991); E. A. Meulenkamp, J. Phys. Chem. B, 102, 5566- 5572 (1998); A. Van Dijken, E. A. Meulenkamp, D. Vanmaekelbergh and A. Meijerink, "The Luminescence of Nanocrystalline ZnO Particles: The Mechanism of the Ultraviolet and Visible Emission," J. Lumin., 87, 454-456 (2000)を参照のこと。ＵＶバンドは、粒子サイズの増大と共に僅かに増大することが観察されている[Van Dijken et al., J. Lumin., 87, 454-456 (2000)]が、広い緑の領域が優勢である。Andersonらは、ＺｎＯゾルの緑色ルミネッセンス発光バンドが、エージング後に５００ｎｍから５６０ｎｍにシフトすることを観察した。L. Spanhel and M. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc., 113, 2826-2833 (1991)を参照のこと。しかし、今までのところ、発光バンドのこのようなレッドシフトに基づいて実施された粒子成長速度論研究は存在しない。
【００５５】
本実施例の発光スペクトルを、６０℃での安定で透明なＺｎＯコロイドの調製の間の種々の時間で記録した。λｅｘ＝３４０ｎｍを有するスペクトルが生じた。緑色のルミネッセンスバンドは、酢酸亜鉛二水和物の塩基溶液との５分間の混合後に、４８３ｎｍでピークに達し、次いで６０℃で１８時間の継続的な加熱および攪拌の間に、５１８ｎｍに向かって漸次レッドシフトすることが観察された。これは図７中に示され、図中、線７０１は５分間に対応し、線７０２は１５分間に対応し、線７０３は３０分間に対応し、線７０４は３時間に対応し、線７０５は６時間に対応し、線７０６は１８時間に対応する。対数時間の関数としてのＵＶスペクトルのλｏｓおよび緑色ルミネッセンススペクトルのλｍａｘ（最大バンドに対応する波長）のプロットを、６０℃で加熱した酢酸亜鉛二水和物／ＫＯＨ／ＭｅＯＨ系について図８中に示し、図中、プロット８０１は吸収データに対応し、プロット８０２はルミネッセンス（発光）データに対応する。ＵＶのλｏｓおよび緑色ルミネッセンスのλｍａｘは両方とも、対数時間に対する類似した線形依存性を示す。このように、緑色ルミネッセンスバンドを利用して、ＺｎＯナノ粒子の成長の時間依存性を調査することもできる。
【００５６】
次いで、６０℃で３０分間にわたり合成した透明ＺｎＯコロイドを、２５℃でのさらなるエージングのための開始サンプルとして使用した。発光スペクトルを、エージングプロセスの間に種々の時間で記録した。図９中に示されるように、最大緑色発光バンドは、４９８ｎｍから５１５ｎｍへと容易にレッドシフトすることが観察された。図中、線９０１は開始発光スペクトルに対応し、線９０２は１２時間のエージングに対応し、線９０３は５６時間のエージングに対応し、線９０４は７日間のエージングに対応する。対数時間の関数としてのＵＶスペクトルのλｏｓおよび緑色ルミネッセンススペクトルのλｍａｘのプロットを図１０に示し、図中、プロット１００１は吸収データに対応し、プロット１００２はルミネッセンスデータに対応する。ＵＶのλｏｓおよび緑色ルミネッセンスのλｍａｘは、それらの時間依存性に関して同様の傾向を示すことが認識された。しかし、合成したＺｎＯコロイドを、同じ温度で加熱する代わりにより低い温度でエージングした場合、これらの吸収および発光バンドのシフトと対数時間との間の関係は、エージング開始時には線形ではなかった。このことは、同時の停止プロセスおよび再活性化プロセスが生じてもよいことを示し、ここで、粒子成長は、ＺｎＯコロイドが冷却されたときに停止し、結果として、再活性化されるのに相対的により長い時間を必要とする。
【００５７】
実施例５
この実施例は、比較例６と共に、ＺｎＯナノ粒子形成に対するｐＨの重要性、ならびに本発明の少なくとも１つの実施態様に従って反応物質を混合しなければならない本質的な順序を示す。
【００５８】
メタノール中０．２ＭのＫＯＨ（アルコールベースの溶液）１００ｍｌを調製し、攪拌しながら６０℃で加熱した。この溶液は１３．１のｐＨを有していた。次いで、この溶液を攪拌しながら６０℃まで加熱し、２．２０ｇ（１０ｍｍｏｌ）のＺｎ（ＯＡｃ）２・２Ｈ２Ｏ粉末をこの溶液に添加した。こうして得られた反応混合物は、０．１Ｍの酢酸亜鉛濃度を有していた。１時間継続的に攪拌した後、この溶液を２３℃に冷却した。反応中、溶液のｐＨを７．０以上に維持し、最終ｐＨは９．４であった。生成物は、３．４ｎｍの平均直径を有するナノサイズのＺｎＯを含有する透明ゾルであった。
【００５９】
比較例６
実施例５に概説した手順とは対照的に、メタノール中０．１ＭのＺｎ（ＯＡｃ）２・２Ｈ２Ｏ（アルコールベースの溶液）１００ｍｌを調製し、攪拌しながら６０℃で加熱した。この溶液は６．３のｐＨおよび０．１Ｍの酢酸亜鉛濃度を有していた。この溶液を攪拌しながら６０℃まで加熱し、１．１３ｇ（２０ｍｍｏｌ）のＫＯＨペレットをこの溶液に添加した。攪拌を１時間継続した後、この系を２３℃に冷却した。反応中、ｐＨは６．３から１１．７に増大したことが観察された。得られた溶液は濁っており、これは、かなり大きい直径、即ち、可視光の波長のオーダーまたはそれ以上のＺｎＯ粒子の存在を明らかに示す。
【００６０】
対照的に、実施例５および本発明に従う他の手順に記載されるように、７．０以上のｐＨを維持しながら金属酸化物前駆体をアルコール性溶液と混合することによって、非常に簡単に、かつ、既存の技術において見出されるものよりもさらに高い濃度下で、ナノサイズの金属酸化物粒子を得ることができることが見出された。
【００６１】
このように、本発明は、ＺｎＯおよび他の金属酸化物ナノ粒子のゾル−ゲル合成の新規経路を提供する。特に、２〜４ｎｍのオーダーのサイズを有するＺｎＯナノ粒子が、簡単かつ効率的な方法によって調製され、この方法は、いくつかの異なる水酸化物反応物質およびアルコール溶媒を用いた場合にも成功することが示された。ナノサイズのＺｎＯの調製について、酢酸亜鉛二水和物およびＫＯＨの反応化学量論、ならびに溶液および反応混合物のｐＨ値は、反応の収率および効率に影響を与えることが示された。系中の過剰なＯＨ−は、ＺｎＯコロイドの形成にとって好ましくない。ＺｎＯの粒子サイズは、エージングによって容易に制御することができる。粒子成長は、時間および温度の両方に依存性であることが見出される。ＵＶ−ｖｉｓ吸収と共に、緑色ルミネッセンスバンドを使用して、粒子エージング速度論を調査することもできる。緑色ルミネッセンスに基づくＺｎＯナノ粒子成長の時間依存性は、ＵＶ−ｖｉｓ吸収に基づくものと同様の傾向を示す。しかし、合成したＺｎＯコロイドをより低い温度でエージングした場合、停止プロセスおよび再活性化プロセスが生じ得る。粒子成長は、ＺｎＯコロイドが（−１０℃に）冷却されたときに停止し、結果として、再活性化されるのに相対的により長い時間を必要とし得る。
【００６２】
本明細書中で参照した全ての特許および刊行物は、本明細書により参考として援用される。上記実施態様の上記の構造、機能および操作のうちあるものは、本発明を実施するのに必要ではなく、単に例示的な実施態様（単数または複数）の完全性のために記載に含まれることが理解されるであろう。さらに、上記で参照した特許および刊行物中に示される特定の構造、機能および操作は、本発明と合わせて実施することができるが、その実施に必須ではないことが理解されるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神および範囲から実質的に逸脱することなく、具体的に記載されたものとは別の方法で実施され得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の一実施態様に従う、６０℃で３０分間合成したＺｎＯコロイドの吸収スペクトルおよび発光スペクトルの両方を示す。
【図２】図２は、本発明の一実施態様に従う、６０℃で３０分間合成したＺｎＯコロイドの透過型電子顕微鏡写真を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施態様に従う、６０℃でエージングしたＺｎＯコロイドのＵＶ−ｖｉｓ吸収スペクトルを示す。
【図４】図４は、本発明の実施態様に従う、異なる反応時間に対応する吸収測定値から計算した粒径をグラフで示す。
【図５】図５は、２５℃でエージングしたＺｎＯコロイドのＵＶ−ｖｉｓ吸収スペクトルを示し、このＺｎＯコロイドは、６０℃で３０分間の反応によって最初に得たものであった。
【図６】図６は、−１０℃でエージングしたＺｎＯコロイドのＵＶ−ｖｉｓ吸収スペクトルを示し、このＺｎＯコロイドは、６０℃で３０分間の反応によって最初に得たものであった。
【図７】図７は、６０℃で形成されたＺｎＯコロイドの、λｅｘ＝３４０ｎｍで生じ、スケールに対して正規化したルミネッセンススペクトルを示す。
【図８】図８は、本発明の一実施態様に従う、６０℃で成長させたＺｎＯナノ粒子のＵｖ−ｖｉｓ吸収および緑色ルミネッセンスからの、λａｂ  ｏｎｓｅｔおよびλｅｍ  ｍａｘの時間依存性を示す。
【図９】図９は、２５℃でエージングしたＺｎＯコロイドの、λｅｘ＝３４０ｎｍで生じ、スケールに対して正規化したルミネッセンススペクトルを示し、このＺｎＯコロイドは、６０℃で３０分間の反応によって最初に得たものであった。
【図１０】図１０は、本発明の一実施態様に従う、２５℃でエージングしたＺｎＯナノ粒子のＵｖ−ｖｉｓ吸収および緑色ルミネッセンスからの、λａｂ  ｏｎｓｅｔおよびλｅｍ  ｍａｘの時間依存性を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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