(57)【要約】【課題】非接触の検知用途において適切に使用することができるデバイスを提供する。【解決手段】第１の光学厚さを有する活性材料の少なくとも１つの層を備えるデバイスに関連する。活性材料は、活性材料が環境の変化を受けるときに、（ｉ）少なくとも１つのサイズ寸法の変化、（ｉｉ）抵抗の変化、（ｉｉｉ）屈折率の変化、又は（ｉｖ）上記の２つ以上の組み合わせの変化を受けるように選択され、活性材料の少なくとも１つの層の少なくとも１つ、好ましくは全てが、活性材料の少なくとも２つのナノシートから構成され、少なくとも２つのナノシートは互いにランダムに重なり合う。本発明は、活性材料のナノシートと、材料のナノシートの使用とに更に関連する。【選択図】図４ａ
2019191191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光学厚さを有する活性材料の少なくとも１つの層（１４）を備えるデバイスであって、前記活性材料（１４）は、前記活性材料が環境の変化を受けるときに、（ｉ）少なくとも１つのサイズ寸法の変化、（ｉｉ）抵抗の変化、（ｉｉｉ）屈折率の変化、又は（ｉｖ）上記の２つ以上の組み合わせの変化を受けるように選択され、前記活性材料の前記少なくとも１つの層（１４）の少なくとも１つ、好ましくは全てが、前記活性材料の少なくとも２つのナノシート（１６）から構成され、前記少なくとも２つのナノシート（１６）は互いにランダムに重なり合う、デバイス。
【請求項２】
環境の前記変化は、前記環境の湿度の変化、及び／又は前記環境内に存在する化合物の量の変化である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの層（１４）の少なくとも１つ、好ましくは全ての前記活性材料は一般式：
Ｈａ（Ｍ１）ｘ（Ｍ２）ｙＯｚ・ｎＨ２Ｏ
を有し、Ｍ１は、２族元素、４族元素、５族元素、１４族元素、１５族元素、希土類元素並びにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ及びこれらの元素の全ての固溶体及び置換化合物を含む群から選択され、Ｍ２は、１５族元素、５族元素及びこれらの元素の全ての固溶体を含む元素の群から選択され、Ｍ２はＭ１とは異なり、ａ＝０〜１０、ｘ＝０〜１０、ｙ＝０〜１０、ｚ＝１〜３０、及びｎ＝０〜５０であり、ｘ＝０であるとき、ｙは０に等しくなく、ｙ＝０であるとき、ｘは０に等しくなく、好ましくは、前記活性材料は、少なくとも２０：２０：１の前記ナノシート（１６）の長さ：幅：高さのアスペクト比を有する、請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記少なくとも２つのナノシート（１６）のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てが、０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、好ましくは０．５ｎｍ〜３．５ｎｍ、最も好ましくは０．５ｎｍ〜２ｎｍ、特に１ｎｍ〜１．４ｎｍの平均シート厚を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記活性材料の少なくとも１つ、好ましくは全ての層（１４）は、４ｎｍ〜５ｍｍ、好ましくは１０ｎｍ〜３０００ｎｍ、より好ましくは１５ｎｍ〜２０００ｎｍ、特に３０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
サイズ寸法の前記変化及び／又は前記屈折率の前記変化は、（ａ）干渉効果に起因する前記デバイスの色の変化、及び／又は（ｂ）前記活性材料の前記抵抗及び／又は抵抗率の変化を引き起こす、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
好ましくは、石英、ガラス、プラスチック、ポリマー、金属、シリコン、酸化シリコンをコーティングされたシリコン、透明導電性酸化物、及び上述の化合物のうちの２つ以上の任意の組み合わせからなる材料群から選択された基板（１２）を更に備え、前記支持基板の厚さは、好ましくは２００ｎｍ〜２０ｍｍ、好ましくは２μｍ〜１０ｍｍの範囲内で選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１の光学厚さにおける前記活性材料の前記屈折率とは異なるか、又は同じである屈折率を有する第１の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層（２０）を更に備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記デバイスはスタック（２２）を備え、前記スタック（２２）は、少なくとも１つ、好ましくは２つの二重層（１８）から構成され、各二重層（１８）は、前記第１の光学コントラスト材料の１つの層（２０）及び前記活性材料の１つの層（１４）によって形成され、各スタック（２２）は好ましくは、２〜３０の第１の二重層、特に３〜１０の第１の二重層を備え、及び／又は好ましくは、前記活性材料の少なくとも１つの更なる層（１４）が、欠陥構造として、底層、上層のいずれかとして、又は前記スタック内の層、好ましくは前記スタックの中央にある層として、前記スタック内に組み込まれる、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の光学コントラスト材料は、誘電体材料、ポリマー、ゾルーゲル材料、ナノ粒子、構造体材料又はナノシート、及び上述の材料の２つ以上の任意の組み合わせからなる群から選択された材料から構成され、及び／又は前記活性材料の各層（１４）は、５ｎｍ〜２０００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有し、前記第１の光学コントラスト材料の各層（２０）は、５ｎｍ〜２０００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する、請求項８又は９に記載のデバイス。
【請求項１１】
色の前記変化は、有色から透明、透明から有色、透明から透明、又は青色から赤色のような第１の色から第２の色であり、第１の色から第２の色へのスペクトル変化は、少なくとも１ｐｍの反射率又は透過率において測定される光学ストップバンドの位置の変化に特に関連付けられる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層（２０）とは異なり、前記第１の光学コントラスト材料の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層（２４）を更に備え、前記第１の光学コントラスト材料（２０）、前記第２の光学コントラスト材料（２４）及び前記活性材料は、スタックを形成するように互いに積層され、前記スタックにおいて、前記第１の光学コントラスト材料及び前記第２の光学コントラスト材料は二重層（１８）を形成し、該二重層の上部又は底部に、前記スタック内の前記層とは異なる光学厚さを示す、前記活性材料のただ１つの層（１４）が欠陥構造として堆積されるか、又は活性材料の層（１４）を備える積層体が少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの二重層（１８）から構成されるスタック（２２）に組み込まれ、前記少なくとも１つの二重層（１８）のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てが、前記第１の光学コントラスト材料の１つの層（２０）及び前記第２の光学コントラスト材料の１つの層（２４）によって形成され、前記活性材料の層（１４）は、欠陥構造として前記スタックの中央に組み込まれることが好ましい、請求項８〜１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイス（１０）は、湿度レベルセンサー、湿度レベルインジケーター、抵抗性又は光学非接触位置決めインターフェース、非接触可視化プラットフォーム、呼吸制御又は分析器プラットフォーム、環境条件の変化とともに色を変更するスマートプライバシーウインドウ、及び湿潤物体又は湿度のための可視化プラットフォームからなる群から選択される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
一般式：
Ｈａ（Ｍ１）ｘ（Ｍ２）ｙＯｚ・ｎＨ２Ｏ
を有する活性材料のナノシートであって、Ｍ１は、２族元素、４族元素、５族元素、１４族元素、１５族元素、希土類元素並びにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ及びこれらの元素の全ての固溶体及び置換化合物を含む群から選択され、Ｍ２は、１５族元素、５族元素及びこれらの元素の全ての固溶体を含む元素の群から選択され、Ｍ２はＭ１とは異なり、ａ＝０〜１０、ｘ＝０〜１０、ｙ＝０〜１０、ｚ＝１〜３０、及びｎ＝０〜５０であり、ｘ＝０であるとき、ｙは０に等しくなく、ｙ＝０であるとき、ｘは０に等しくなく、前記ナノシートは０．３ｎｍ〜１０ｎｍの平均厚と、２０ｎｍより大きい平均幅と、２０ｎｍより大きい平均長とを有する、ナノシート。
【請求項１５】
湿度レベルセンサー、湿度レベルインジケーター、抵抗性非接触位置決めインターフェース、光学非接触位置決めインターフェース、抵抗性接触位置決めインターフェース、光学接触位置決めインターフェース、呼吸制御又は分析器プラットフォーム、環境条件の変化とともに色を変更するスマートプライバシーウインドウ、及び湿潤物体又は湿度のための可視化プラットフォームのうちの１つとして構成されるデバイス（１０、２２）における請求項１〜１４に記載の活性材料のナノシートの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境の湿度の変化のような環境の変化を受けるときに変化し得る活性材料の少なくとも１つの層を備える、抵抗性又は光学非接触位置決めインターフェースのようなデバイスに関する。さらに、本発明は、活性材料のナノシートと、特に抵抗性又は光学非接触位置決めインターフェースにおけるそのようなナノシートの使用とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ラップトップ、スマートフォン又はタブレットのような多種多様の電子デバイスのためのデジタル技術開発の指数関数的発展は、新規のハードウェア制御システムの迅速な開発を必要とする。この関連において、環境の水分含量に対して高い空間感度を示す湿度センサーは、人の指の周囲においてセンチメートル未満の厚さでの勾配に応答するという特性を有する、湿潤環境の局所的変化に基づいて動作する、スマート非接触位置決めインターフェース（ＴＰＩ）において使用するための有望な候補である。
【０００３】
しかしながら、既存のデバイスは、通常、あまりにも長い応答時間を示すので、満足のいくものではない。さらに、これらのデバイスの空間感度は、スマート非接触位置決めインターフェースにおいて実現するには、これまでのところ適していない。
【０００４】
例えば、環境の変化に応答してその特性が変化しやすい材料である活性材料として酸化亜鉛（ＺｎＯ）が知られている。この理由から、湿度センサー内、又は非接触位置決めインターフェース内のような、電子検知デバイス内で、この材料を使用できると考えられる。しかしながら、ＺｎＯは、その結晶構造に起因して、十分に大きい表面積を有する極薄の平坦な２Ｄ構造として作製することができない。このため、ＺｎＯは、大面積のディスプレイを必要とする、スマートフォン及びタブレットのような刺激応答デバイスにおいて使用するための超高感度２Ｄ材料を形成するのに適した材料ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このため、本発明の目的は、湿度の変化のような環境又は雰囲気の変化に対して迅速に、かつ十分大きい空間感度で反応し、大面積の２Ｄとして、又は平面的に、安価に、そしてコスト効率良く作製することができ、それゆえ、特に非接触の検知用途において適切に使用することができるデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は請求項１に記載のデバイスによって果たされる。
【０００７】
本発明によれば、そのようなデバイスは、第１の光学厚さを有する活性材料の少なくとも１つの層を備え、活性材料は、活性材料が環境の変化を受けるときに、（ｉ）少なくとも１つのサイズ寸法の変化、（ｉｉ）抵抗の変化、（ｉｉｉ）抵抗率の変化、（ｉｖ）屈折率の変化、又は（ｖ）上記の２つ以上の組み合わせの変化を受けるように選択され、活性材料の少なくとも１つの層のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てが、活性材料の少なくとも２つのナノシートから構成され、少なくとも２つのナノシートは互いにランダムに重なり合う。
【０００８】
環境の変化は、例えば、環境の湿度レベルの変化、及び／又は環境内に存在する、固体、ガス又は蒸気のような化合物の量の変化である。例えば、化合物は、一般に、以下の化合物、すなわち、例えば、エタノール、イソプロパノール、アセトン、他のアルコール、アミン、及び溶媒蒸気又はＣＯ２のようなガスのうちの１つとすることができる。
【０００９】
本発明によれば、検知用途において使用することができる平坦な２Ｄ構造を有するデバイスを提供することができる。その理由は、それらのデバイスが、デバイスが受ける環境の変化に対して感度があるためであり、特に、それらのデバイスが、環境の変化、特に、環境の湿度レベルの変化のような環境の変化に対して高い感度で、かつ非常に短い時間内に応答し、すなわち、それらのデバイスは高い感度を有するためである。より具体的には、本明細書において開示されるデバイスは、抵抗に関して５桁を超える応答範囲を有する高い感度と、良好な循環性と、数秒の範囲内の速い応答時間及び回復時間とを有する。
【００１０】
環境の変化への応答として、これらのデバイスは、（ｉ）少なくとも１つのサイズ寸法の変化、（ｉｉ）抵抗の変化、（ｉｉｉ）抵抗率の変化、（ｉｖ）屈折率の変化又は（ｖ）上記の２つ以上の組み合わせの変化を受ける。
【００１１】
これらのデバイスは、特に、ホスファトアンチモン酸（phosphatoantimonic acid）Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４３−ナノシートに基づいて薄膜湿度検知デバイスとして構成される非接触位置決めインターフェースのために使用することができる点で有利である。前述の特性に起因して、その薄膜デバイスは、指オン状態と指オフ状態との間で１７０倍のイオン伝導度の変化を有する非接触位置決めインターフェースとして利用することができる。
【００１２】
この関連において、活性材料は、外的影響に応答する材料と定義されることに留意されたい。そのような外的影響は、湿度の変化、又は活性材料が存在する環境内に存在する化合物の量の変化とすることができる。すなわち、活性材料は、外的刺激を受けるときに、その特性のうちの少なくとも幾つかが変化する。
【００１３】
本発明との関連において、活性材料の層は少なくとも２つのナノシート（シートとも呼ばれる）から構成され、少なくとも２つのナノシートは互いにランダムに重なり合う。さらに、最も好ましい場合には、ナノシートは単分子層である。したがって、個々のナノシートは、原子厚又は分子厚からなり、活性材料から構成される平坦なシートを形成することが好ましい。活性材料から構成される平坦なシートは、単一のシートの個々の原子が、互いに少なくとも実質的に全て化学結合されることを意味する。化学結合は、共有結合、イオン結合、又は共有結合及びイオン結合の混合のいずれかである。
【００１４】
スピンコーティングによって得られた透明の薄膜は、膜のイオン伝導度が周囲のＲＨ（相対湿度）に強く依存するので、例えば、抵抗性ＲＨセンサーとして利用することができる。
【００１５】
湿度応答フォトニックデバイスは、現在の最新のタッチスクリーン内の接触可視化のための用途においてそのデバイスを実現するために、更なるソフトウェア及びハードウェアが必要とされないように、インタラクションの成功に関する直接の光学的なフィードバックをユーザに与え、コストを削減する。例えば、本明細書において提案される非接触光学読出しを使用するとき、かき傷又は指紋のような、従来のタッチスクリーンの不都合な点を解消することができ、その一方で、複雑な電子回路を用いることなく、指運動の非接触追跡が簡単に達成される。
【００１６】
これらのデバイスで達成される、光学的な調整可能性、極めて高い感度、再現性、速い応答時間及び回復時間、並びに例えば、水蒸気に対する選択性が、光学非接触位置決めインターフェースの新たな概念を提供する。
【００１７】
この関連において、活性材料の少なくとも１つの層のナノシートのうちの少なくとも１つ、好ましくは全てのナノシートが、４０ｎｍ〜１ｍｍの範囲、好ましくは５０ｎｍ〜１０００００ｎｍの範囲内の平均幅と、４０ｎｍ〜１ｍｍの範囲、好ましくは５０ｎｍ〜１０００００ｎｍの範囲内の平均長とを有することが有利である。ナノシートの長さ：幅：高さの好ましいアスペクト比は少なくとも２０：２０：１であり、２００：２００：１のアスペクト比が望ましい。種々の形のセンサーにおいて、そのような材料を都合良く使用することができる。
【００１８】
例えば、環境の湿度の変化が少なくとも１つのサイズ寸法の変化及び／又は屈折率の変化を引き起こし、そのいずれも、第１の光学厚さから第２の光学厚さへの変化を引き起こす。これは、光学厚さを、屈折率に層厚を掛けた値と定義できるためである。
【００１９】
この関連において、サイズの変化は通常、層厚の変化であるが、材料は実際には、横方向（幅及び長さ）寸法のうちの１つについては変化を受けないことに留意されたい。
【００２０】
測定される活性材料の物理的特性のうちの１つの起こり得る更なる変化は、一般に、材料の抵抗であることにも留意されたい。この変化は、例えば、材料のイオン伝導度の変化から生じる可能性があり、イオン伝導度は更に、含水量によって影響を及ぼされる。
【００２１】
測定される抵抗の変化は、活性材料の他の変化と必ずしも相関はない。それにもかかわらず、測定される抵抗が変化するとき、環境の湿度レベルが変化したという指示、又は別の蒸気被分析物若しくはガスが存在するという指示が本質的に与えられる。
【００２２】
好適には、環境の変化は、環境の湿度の変化、環境内の或る特定のガスの存在の変化、及び／又は環境内の或る特定の蒸気の存在の変化によって引き起こされる。これは、多様な用途において使用できるように、そのデバイスを異なる種類の環境内で使用できること、及びそのデバイスがその環境内の特定の変化を検知できることを意味する。また、そのデバイスは、雰囲気内に存在する２つ以上の成分に対して選択性を有することができる。これは、環境内の水の存在の変化だけでなく、エタノール、アセトン等の或る特定の他の化合物の存在の変化も検出できることを意味する。
【００２３】
活性材料の少なくとも１つの層のうちの少なくとも１つ、好ましくは全ての層の活性材料は一般式：
Ｈａ（Ｍ１）ｘ（Ｍ２）ｙＯｚ・ｎＨ２Ｏ
を有することが好ましい。Ｍ１は、２族元素、４族元素、５族元素、１４族元素、１５族元素、希土類元素並びにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ及びこれらの元素の全ての固溶体及び置換化合物を含む群から選択され、Ｍ２は、１５族元素、５族元素及びこれらの元素の全ての固溶体を含む元素の群から選択され、Ｍ２はＭ１とは異なり、ａ＝０〜１０、好ましくはａ＝１〜５であり、ｘ＝０〜１０、好ましくはｘ＝１〜５、特にｘ＝１〜３であり、ｙ＝０〜１０、好ましくはｙ＝１〜１０、特にｙ＝１〜５であり、ｚ＝１〜３０、好ましくはｚ＝１〜２５、特にｚ＝１〜１０であり、ｎ＝０〜５０、好ましくはｎ＝０〜２０、最も好ましくはｎ＝０〜１０であり、ｘ＝０であるとき、ｙは０に等しくなく、ｙ＝０であるとき、ｘは０に等しくない。
【００２４】
そのような材料は、好適にはナノシートの形で与えることができ、通常、そのような検知用途、好ましくは非接触検知用途において機能するのに必要とされる変化を示すことができる。本発明による活性材料を構成するナノシートは、好ましくは、標準的な温度及び圧力において２次元の固体酸として知られているか、又は２次元の固体酸としての役割を果たすことができる。
【００２５】
本発明によれば、「ナノシート」という用語は、特に、少なくとも２０：２０：１の、特に少なくとも５０：５０：１の、好ましくは少なくとも１００：１００：１の幅：長さ：高さのアスペクト比を有する２Ｄ構造と定義される。
【００２６】
ナノシートはそれぞれ、０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、好ましくは０．５ｎｍ〜３．５ｎｍ、最も好ましくは０．５ｎｍ〜２ｎｍ、特に１ｎｍ〜１．４ｎｍの平均シート厚を有することが有利である。そのようなシート厚は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）測定によって求めることができるか、又は結晶厚を求めることによって得ることができる。平均シート厚を求めるために、活性材料シートのトポグラフィのＡＦＭ画像が撮影される（真空内で測定される）。シートが別個であるとき、その厚さは、基板上に堆積された異なるナノシートごとに個別に求めることができ、個々のナノシート（高さプロファイル）又は横方向に重なり合うナノシートの表面にわたるラインに沿って測定することができる。
【００２７】
活性材料の少なくとも１つの層のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てが、４ｎｍ〜５ｍｍの範囲、好ましくは１０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲、より好ましくは１５ｎｍ〜２０００ｎｍ、特に３０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有することが好ましい。これらの層厚は、ＵＶ、可視光及びＩＲスペクトル範囲における用途の場合に装置を使用できるように選択される。平均層厚は、断面走査電子顕微鏡によって、又は分光偏光解析法及びＡＦＭによって測定することができる。
【００２８】
そのような層厚は、薄膜と呼ぶこともできる。そのような薄膜は通常、活性材料の幾つかのランダムに重なり合うナノシート又は規則的な（ordered）単一のナノシートから構成され、好適には、スピンコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、ドロップキャスティング又は電気化学堆積法を用いて製造することができる。この関連において、「規則的な単一のナノシート」という用語は、ナノシート法線に沿った、すなわち、薄膜の積重方向における配向又は結晶規則化を指すことに留意されたい。
【００２９】
幾つかの実施形態において、ランダムに重なり合うナノシートは、層間に存在する空所を有することが可能である。空所はランダムに重なり合うナノシート間に形成され、一般的には、ナノシートが実効的には材料の単分子層であるが、層の高い異方性に起因して１００％平坦でない場合があり、しわ、シート曲げ及び重なり合うシートを形成し、組織的細孔を生み出すときにもたらされる。
【００３０】
本明細書において説明される活性材料は、低い湿度において水が構造的に入り込む状態（結果として層が膨張するが、一次元においてのみであり、全ての他の構造的特徴は無傷のままである）から、高い相対湿度において水の幾つかの層によって層間空間が膨張し、場合によって剥離し、結果として最終的には「粒子水和物（particle hydrate）」が生じる場合がある状態まで移行する材料であることにも留意されたい。
【００３１】
上記で言及されたように、少なくとも１つのサイズ寸法の変化及び／又は屈折率の変化が、第１の光学厚さから少なくとも第２の光学厚さへの変化を引き起こす。これは、第１の光学厚さから第２の光学厚さへの変化（例えば、少なくとも１つサイズ寸法の変化及び／又は屈折率の変化）が、（ａ）干渉効果に起因するデバイスの色の変化、及び／又は（ｂ）活性材料の抵抗及び／又は抵抗率の変化を引き起こすことを意味する。
【００３２】
第１の光学厚さから第２の光学厚さへの変化は、これらの効果を薄膜デバイスによって有益に表示し、利用できるような、デバイスの構造色の変化を引き起こす。
【００３３】
光学厚さの変化とともに色が変化するとき、例えば、環境の湿度レベルが変化したという指示、又は別の蒸気被分析物（例えば、エタノール、イソプロパノール、アンモニア、他のアルコール、アミン、及びＣＯ２又はＮＨ３のような溶媒蒸気若しくはガス）又はガスが存在するという指示が本質的に与えられる。
【００３４】
その代わりに、又はそれに加えて、光学厚さの変化は、例えば、活性材料への被分析物の収着（層内又は層間の被分析物の収着に起因する薄膜の化学組成の変化−これは、低い湿度レベルにおいて、１つ又は２つの水分子がナノシート層内の構造的細孔内に収容される場合があるのに対して、水の大部分が層のナノシート間に収容されることになるためである）によって引き起こされる。
【００３５】
被分析物の収着は、イオン伝導度の変化、それゆえ、薄膜デバイスの被測定抵抗の変化も引き起こす可能性がある。
【００３６】
そのデバイスは、好ましくは、石英、ガラス、プラスチック、ポリマー、金属、シリコン、酸化シリコンでコーティングされたシリコン、透明導電性酸化物、及び上述の化合物のうちの２つ以上の任意の組み合わせからなる材料群から選択された基板のような、基板を更に備えることが有利である。これらの種々の基板は、（ｉ）デバイスの色の変化の可能な検出を容易にし、（ｉｉ）例えば、導電率によって、電気回路への組み込みを確実にし、（ｉｉｉ）透明性を与え、（ｉｖ）デバイスのための機械的支持を与え、又は（ｖ）これらの態様のうちの１つ以上の組み合わせを与える。
【００３７】
また、デバイスは、活性材料の屈折率と異なるか、又は同等である屈折率を有する第１の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層を更に備える。これは、多層構造を構成できるようにする。
【００３８】
多層構造が第１の光学コントラスト材料及び活性材料から構成される周期的二重層から構築されることが特に好ましい。そのような多層構造は、ブラッグスタック又は一次元フォトニック結晶とも呼ばれる。結果として生じる二重層構造は、好適には、デバイスの更なる設計可能性の余地を与える。そのデバイスは、好適には、複数のそのような二重層から構成することができる。
【００３９】
ブラッグスタック（ＢＳ）又はブラッグミラーと呼ばれる１ＤＰＣは、異なる屈折率（ＲＩ）を有する２つの材料を備える周期的多層システムであり、そのシステムは、化学的、物理的、又は生物学的な環境刺激を、そのストップバンド位置のシフトによって誘発される光学読出しに変換することができる。さらに、これらの周期的構造は、その透明性を保ちながら、その構造が表示する色を調整することができ、それにより、環境条件に応じてその色を変更するスマートウインドウを製作する可能性を開く。
【００４０】
本発明によれば、粒子／ナノシート利用「スマート」１Ｄフォトニック結晶を、光学読出しを用いる多用途湿度センサーとして開発することもできる。例えば、Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ナノシート／ＴｉＯ２ナノ粒子利用ブラッグスタックを使用する５００ｎｍを超える超高ストップバンドシフト、又は例えば、Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ナノシート／ＳｉＯ２ナノ粒子利用ブラッグスタックの光学コントラスト損失を通しての切替可能な透明性は、提案される検知プラットフォームの固有の特徴である。そのようなセンサーは、水蒸気に対して高い選択性を有する色調整可能な「光学ノーズ（optical nose）」としての役割を果たす。湿度に対するフォトニック応答の先例のない感度は、この特定の構成における５１７ｎｍものブラッグピークの超高速（３ｓ未満）シフトによって実証される。ブラッグピークの大きなシフトは、接近しつつある指によって誘発することができ、それゆえ、非接触条件下でのフルスペクトル色シフトにつながる。ナノシートを、例えば、ＳｉＯ２のような低屈折率材料と組み合わせることによって、１ＤＰＣの反射率は水吸着時に完全に消失し、結果として、減少した屈折率コントラストに起因して完全に透明なデバイスになる。例えば、指先付近の全可視スペクトルにわたって観測される超高感度で、完全に可逆的で、空間的に限定された色変化は、固有の光学検知原理を与え、簡単な光学読出しに基づく指運動の非接触追跡を可能にする。また、この第２の特性、すなわち、色変化を伴って反射が次第に消失することは、そのような多層を、プライバシウインドウ又はスマートウインドウ用途において使用するための潜在的な候補にする。
【００４１】
幾つかの構成要素材料の多孔性を用いて、水分子による多層システムへの浸透時のＲＩ変化によって、異なる有機蒸気及び湿度を検出できることが知られている。しかしながら、これらの多孔性材料のブラッグピークの観測されたシフトは、めったに数十ナノメートルより大きくならず、１００ｎｍを大きく下回っており、湿度検知に関する分解能を制限する。これとは対照的に、本発明は、１００ｎｍを上回り、場合によっては、５００ｎｍを上回るブラッグピークのシフトを可能にし、これらの種類のデバイスを全く新しい分野の用途に適したものにする。用途によるが、それらのデバイスは、デバイスの色の変化によって検知結果を指示することができるので、環境の変化が検出されるときに検知結果を読み出す電気回路を必要としない場合もある。
【００４２】
良好な光学応答を有する以前のブラッグスタック利用デバイスは、例えば、活性ポリマー層をブラッグスタックの中に組み込むことによって達成された。しかしながら、液体水の存在時に層膨張によって誘発される全整色ストップバンドシフトは、活性有機層の遅い応答時間並びに低い熱的、化学的及び機械的安定性を犠牲にして成り立ち、これらの材料をそのような用途に適さないものにする。本発明による活性材料の使用にはこれらの不利な面はもはや存在せず、液体水だけでなく、水分の超高感度検出も可能にする。
【００４３】
好ましくは、本発明において使用される光学コントラスト材料は、以下の役割のうちの少なくとも１つを果たすように選択される。
（ｉ）環境内に存在する被分析物（例えば、水分子）が活性材料の水分感知層（複数の場合もある）に接近するのを確実にするゲート、
（ｉｉ）多層構造の光学特性、それゆえ、その構造色を決定し、調整できるようにすること、
（ｉｉｉ）活性材料に対して光学コントラスト材料の屈折率を調整することによって、光学コントラストを調整できるようにすること。
【００４４】
第１の光学コントラスト材料の屈折率は、湿度の変化が引き起こされたときに、又は湿度の変化が引き起こされる前に、活性材料の屈折率とは異なるように選択される。少なくとも実質的に同じ屈折率への、又は少なくとも実質的に同じ屈折率からの屈折率の変化は、有色から透明への変化又はその逆の変化を引き起こす。代替的には、屈折率は決して一致せず、屈折率の変化は、例えば、青色から赤色へのデバイスの色の変化を引き起こす。
【００４５】
完全に透明から有色への、又は有色から完全に透明への色変化は、活性材料の屈折率及び第１の光学コントラスト材料の屈折率が、環境の選択された湿度レベルにおいて少なくとも実質的に一致するように選択されるときに観測される。
【００４６】
好適には、第１の光学コントラスト材料は、誘電体材料、ポリマー、ゾル−ゲル材料、ナノ粒子、ナノ粒子の形の、又は均一な薄膜若しくはナノシートとしての構造体材料、及び上述の材料の２つ以上の任意の組み合わせからなる材料群から選択される。
【００４７】
ナノ粒子は好ましくはＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２ナノ粒子又は構造体材料ナノ粒子であり、構造体材料は好ましくは、ナノ粒子の形だけでなく、連続薄膜の形もとるゼオライト又は金属有機構造体又は多孔性ポリマーである。ナノシートは好ましくは、デバイスにおいて使用される活性材料のタイプに応じて選択されるが、ＭＯＦナノシート、層状複水酸化物（ＬＤＨ）、層状酸化物、層状遷移金属ジカルコゲナイド、又は粘土を含むこともできる。
【００４８】
本発明の特定の好ましい実施形態によれば、そのデバイスはスタックを備え、スタックは好ましくは少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの二重層から構成され、各二重層は、第１の光学コントラスト材料の１つの層と、活性材料の１つの層とによって形成される。
【００４９】
好適には、交互層からなる二重層のスタックは、一次元フォトニック結晶、すなわち、いわゆる、ブラッグスタック又はブラッグミラー又は誘電体ミラーを形成する。
【００５０】
さらに、そのような第１の二重層のうちの１〜３０、詳細には、３〜１０の第１の二重層が、互いに重ね合わせられ、第１の二重層のスタックを形成することが好ましく、第１の二重層は、活性材料が上部にあるか、又は第１の光学コントラスト材料が上部にあるように配置される、第１の光学コントラスト材料の１つの層及び活性材料の１つの層と定義される。
【００５１】
第１の二重層の種々の層が連続的に繰り返されることが特に好ましいが、この概念から逸脱する応用例も存在する場合がある。この関連において、任意選択で、二重層のスタック内に活性材料の少なくとも１つの更なる層を組み込むことができることに留意されたい。この更なる層は、その際、欠陥であり、この更なる層を、底層（底部欠陥）として、上層（上部欠陥）として、又はスタック内、好ましくはスタックの中央にある層として、共振器（若しくは空洞）構造として含むことができる。
【００５２】
好ましくは、ブラッグスタックの二重層の活性材料の各層は、５ｎｍ〜２０００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で選択される厚さを有する。これらの厚さは、０％相対湿度の乾燥条件の場合に真空中で測定され、これは、活性材料が最小層厚を有する状態にあることを意味する。
【００５３】
同様に、第１の光学コントラスト材料の各層は、５ｎｍ〜２０００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で選択される厚さを有する。これらの層の厚さは、ＡＦＭによって、偏光解析法によって、又は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって求めることもできる。
【００５４】
好ましくは、第１の二重層の活性材料の層の厚さは、第１の二重層のスタック内の活性材料の更なる層の厚さと少なくとも実質的に同じである。二重層の光学コントラスト材料の層の厚さは、二重層のスタック内の光学コントラスト材料の更なる層の厚さと少なくとも実質的に同じである。これは、各二重層が、スタック内の任意の他の二重層と実質的に同じ厚さを有することが好ましく、それゆえ、多層スタックが周期的であることを意味する。
【００５５】
二重層のスタックは、１０ｎｍ〜１２００００ｎｍの範囲内、好ましくは３００ｎｍ〜１２０００ｎｍの範囲内で選択される厚さを有することが好ましく、二重層の数と、光学コントラスト材料のそれぞれの活性材料のそれぞれの層厚とに依存する。その際、スタック内の二重層の通常の数は、例えば、５つの二重層のスタックに対応する。これらのデバイス厚は、ブラッグスタック（二重層）の材料に対して与えられ、支持基板の厚さを含まない。支持基板の厚さは、所望の用途に従って選択されることが好ましく、例えば、２００ｎｍから２０ｍｍに、好ましくは２μｍから１０ｍｍに及ぶことができる。
【００５６】
そのようなデバイスは、好適には、ＵＶ、可視光及びＩＲスペクトル範囲内の用途の場合に使用することができる。
【００５７】
本発明の更なる好ましい実施形態において、そのデバイスは色の変化を受け、これは、有色から透明、透明から有色、透明から透明、又は青色から赤色のような第１の色から第２の色への色の変化からなる群から選択することができ、第１の色から第２の色へのスペクトル変化は、少なくとも１ｐｍの反射率又は透過率において測定される光学ストップバンドの位置の変化に関連付けられる。
【００５８】
色変化は、被分析物分子（より好ましい実施形態において、これらは水分子である）の存在時の個々の層の光学厚さの変化によって引き起こされる。
【００５９】
この関連において、透明から透明への変化は、ＵＶ反射からＩＲ反射、ＵＶ反射から可視部分内の透明又はその逆、ＩＲ反射から可視部分内の透明又はその逆の変化とすることができることに留意されたい。これに関連して、ＵＶ反射は、光学バンドギャップがＵＶスペクトル範囲内に置かれ、ブラッグスタックが可視光に対して透過性であることを意味し、ＩＲ反射は、光学バンドギャップがＩＲスペクトル範囲内に置かれ、ブラッグスタックが可視スペクトル範囲において透明であることを意味し、可視部分において透明は、活性材料の屈折率及び光学コントラスト材料の屈折率が（実質的に）同じであることを意味することにも留意されたい。
【００６０】
好ましくは、そのデバイスは、第１の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層とは異なり、第１の光学コントラスト材料と少なくとも実質的に異なる屈折率を有する第２の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層を更に備え、第１の光学コントラスト材料、第２の光学コントラスト材料及び活性材料は、スタックを形成するように積層され、第１の光学コントラスト材料及び第２の光学コントラスト材料は二重層を形成し、上部に（「上部欠陥」）又は底部に（「底部欠陥」）に、スタック内のそれらの層とは異なる光学厚さを示すただ１つの活性材料の層が欠陥構造として堆積されるか、又は活性材料の層が少なくとも１つの、好ましくは２つの二重層から構成されるスタック内に組み込まれ、少なくとも１つの二重層のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てが、第１の光学コントラスト材料１つの層と、第２の光学コントラスト材料の１つの層とによって形成され、活性材料の層はスタック内に欠陥として組み込まれる。最後に述べられた実施形態において、活性材料の層はスタック内に、好ましくはスタックの中央に組み込まれ、「共振器構造」を形成する。
【００６１】
この関連において、第２の光学コントラスト材料は、第１の光学コントラスト材料と同じ材料群から選択され、その違いは、特定の用途のために、第２の光学コントラスト材料（それゆえ、その光学特性）が第１の光学コントラスト材料とは異なるように選択されることであることに留意されたい。
【００６２】
同様に、第１の光学コントラスト材料と同じ層厚が、第２の光学コントラスト材料の場合にも当てはまる。
【００６３】
この関連において、第２の光学コントラスト材料の屈折率と第１の光学コントラスト材料の屈折率との間の差は結局、少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％の差になることに留意されたい。
【００６４】
特に好ましくは、そのような第２の二重層のうちの１〜３０の第２の二重層、特に３〜１０の第２の二重層がスタックを形成し、互いに重ね合わせられる。欠陥層の下方及び上方にある二重層の数が実質的に同じであり、対称構造を形成することについては言及されるべきである。
【００６５】
これらの構造は、フォトニック欠陥構造、又はフォトニック共振器、又は空洞構造とも呼ばれる。２つの光学コントラスト材料を含む多層構造は通常、活性ではなく、欠陥層が活性材料から形成される。好適には、この欠陥層は、「ドーパント」のような役割を果たし、光をバンドギャップ内に局在させ、光学バンドギャップ内に許容波長範囲を生成する。
【００６６】
環境の変化によって引き起こされる欠陥層の変化は、有益には、少なくとも１ｐｍだけ許容波長範囲の変化を引き起こす。多層構造は、活性材料と、光学コントラスト材料の少なくとも１つの層とを含む。任意選択で、その構造は、光学コントラスト材料の２つ以上の層も含むことができ、光学コントラスト材料の各層は、異なる光学コントラスト材料から形成され、これらの異なる層は既に規定された厚さを有することができる。さらに、これらの積重されたアセンブリは、欠陥層に加えて、２〜３０、より好ましくは３〜１０の二重層を含むことができる。当然、この欠陥又は共振器構造は、任意選択で、上記で論じられたように基板の上に配置することができる。
【００６７】
また、この構造は、刺激応答層材料と、１つの光学コントラスト材料とから構成することができ、欠陥は刺激応答材料又は光学コントラスト材料のいずれかによって形成される。
【００６８】
好ましくは、本明細書において説明されるデバイスは、湿度レベルセンサー、湿度レベルインジケーター、抵抗性又は光学非接触又は接触位置決めインターフェース、非接触又は接触可視化プラットフォーム、呼吸制御又は分析器プラットフォーム、環境条件の変化とともに色を変更するスマートプライバシーウインドウ、及び湿潤物体又は湿度のための可視化プラットフォームからなる群から選択される。
【００６９】
本発明の更なる態様において、これは、一般式：
Ｈａ（Ｍ１）ｘ（Ｍ２）ｙＯｚ・ｎＨ２Ｏ（１）
を有する活性材料のナノシートに関連する。Ｍ１は、２族元素、４族元素、５族元素、１４族元素、１５族元素、希土類元素及びＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ並びにこれらの元素の全ての固溶体及び置換化合物を含む群から選択され、Ｍ２は、１５族元素、５族元素及びこれらの元素の全ての固溶体を含む元素の群から選択され、Ｍ２はＭ１とは異なり、ａ＝０〜１０、好ましくはａ＝１〜５であり、ｘ＝０〜１０、好ましくはｘ＝１〜５、特にｘ＝１〜３であり、ｙ＝０〜１０、好ましくはｙ＝１〜１０、特にｙ＝１〜５であり、ｚ＝１〜３０、好ましくはｚ＝１〜２５、特にｚ＝１〜１０であり、ｎ＝０〜５０であり、ｘ＝０であるとき、ｙは０に等しくなく、ｙ＝０であるとき、ｘは０に等しくなく、ナノシートは０．３ｎｍ〜１０ｎｍの平均厚と、２０ｎｍより大きい平均幅と、２０ｎｍより大きい平均長とを有する。
【００７０】
検知デバイスにおいて使用することができるＺｎＯのような材料とは対照的に、本発明による材料は、原子レベル又は分子レベルの薄いナノシートの形で作製することができる。ナノシートは、或る特定の厚さ（高さ、例えば、２ｎｍ）の場合に、最小長（例えば、２０ｎｍ）及び最小幅（例えば、２０ｎｍ）を有することができる材料から構成される。ナノシートは通常、１００超、好ましくは５００超のアスペクト比を有する。
【００７１】
好ましくは、式（１）は、以下に、式２として規定することができる。
Ｈａ（Ｍ１）ｘ（Ｍ２）ｙＯｚ・ｎＨ２Ｏ（２）
Ｍ１は、１４族元素、１５族元素、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ及びＣｄを含む群から選択され、Ｍ２は１５族元素及びバナジウムから選択され、ａ＝１〜５、ｘ＝１〜５、ｙ＝１〜１０、ｚ＝１〜２５、及びｎ＝０〜４０である。
【００７２】
より好ましくは、式（２）を以下に式（３）として規定することができる。
Ｈ（６−ｙ）ｘ（Ｍ１）ｘｙ＋（Ｍ２）２Ｏ３ｘ＋５・ｎＨ２Ｏ（３）
ｘ＝１、２、３、５、ｙ＝Ｍ１の酸化状態（ｙ＋によって示される）に依存、通常、４〜５、Ｍ１＝Ａｓ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、及びＭ２＝Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｖ、及びｎ＝０〜３０である。
【００７３】
応用例の最も好ましい場合には、活性材料は、ＨｘＳｂｘＰ２Ｏ５＋３ｘ・ｎＨ２Ｏ、Ｈ２ＳｎＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、Ｈ２ＺｒＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、ＨＴａＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、ＨＡｓＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ及びＨ３Ｓｂ３Ａｓ２Ｏ１４、ＨＳｂ１−ｙＴａｙＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、Ｈ３Ｓｂ３−ｚＴａｚＰ２Ｏ１４・ｎＨ２Ｏを含む群から選択されたナノシートに基づく。ｘ＝１、３、ｙは０〜１、ｚは０〜２、及びｎ＝１〜２０である。
【００７４】
この関連において、この態様に関連して説明される活性材料は、上記で説明された本発明によるデバイスにおいても使用できることに留意されたい。
【００７５】
本発明の更なる態様において、これは、湿度レベルセンサー、湿度レベルインジケーター、抵抗性非接触位置決めインターフェース、抵抗性接触位置決めインターフェース、光学非接触位置決めインターフェース、光学接触位置決めインターフェース、呼吸制御又は分析器プラットフォーム、環境条件の変化とともに色を変更するスマートプライバシーウインドウ、及び湿潤物体又は湿度のための非接触可視化プラットフォームにおける、本明細書において提示される教示による活性材料のナノシートの使用に関連する。
【００７６】
本発明は、図面を参照しながら、実施形態によって以下に更に詳細に説明されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施形態によるデバイスを示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態によるデバイスを示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態によるデバイスを示す図である。
【図４ａ】欠陥構造を示す本発明による更なるデバイスを示す図である。
【図４ｂ】欠陥構造を示す本発明による更なるデバイスを示す図である。
【図４ｃ】欠陥構造を示す本発明による更なるデバイスを示す図である。
【図５】本発明による、活性材料の構造モデル、剥離方式、ナノシート特性を示す図である。
【図６】本発明による、デバイスの伝導度利用湿度検知及び循環挙動を示す図である。
【図７】ＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４及びＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタックの光学湿度検知特性を示す図である。
【図８】ＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタックの選択特性を示す図である。
【図９】非接触位置決めインターフェース（ＴＰＩ）としての役割を果たすＨ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ナノシート利用光学デバイスを示す図である。
【図１０】ａ）石英基板、スピンコーティングされた薄膜及び上部にスパッタリングされた金コンタクトを備える透明薄膜デバイス、ｂ）上部に金コンタクトを備える領域のＳＥＭ断面（下から上に、石英基板、ナノシートの薄い層、Ａｕコンタクト真空）、ｃ）金コンタクトを使用しない薄膜領域の断面を示す図である。ナノシート膜は、ｃにおいて帯電効果に起因して厚く見える。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
図１は、本発明による、第１のタイプのデバイス１０の概略図を示す。この第１のデバイス１０はガラスの基板１２から構成される。活性材料の層１４がガラス基板１２上に堆積される。活性材料の層１４は、複数のナノシート１６から構成される。ナノシート１６はそれぞれ、ホスファトアンチモン酸（Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４）から形成される。
【００７９】
選択された活性材料の具体的なタイプに応じて、複数のナノシート１６を含む活性材料の層１４が約１０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内で選択された厚さを有することができるように、各ナノシート１６は、０．３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の平均厚を有する。活性材料の層１４は、それゆえ、通常、活性材料の少なくとも２つのナノシート１６から構成される。ナノシート１６は、例えば、スピンコーティングプロセスによって、又はディップコーティングプロセスによって、活性材料の層１４を形成するように互いに重ねて形成することができる。互いに重ねて異なるナノシート１６を形成した後、ナノシート１６は、互いにランダムに互いに重なり合う。
【００８０】
活性材料の層は、活性材料の層１４の厚さに活性材料の屈折率を掛けた値として定義される第１の光学厚さを有する。活性材料は、活性材料が環境の変化を受けるときに、少なくとも１つのサイズ寸法、すなわち、その厚さの変化、その抵抗の変化、屈折率の変化、又は上記の２つ以上の組み合わせの変化、すなわち、第２の光学厚さに対する第１の光学厚さの変化、そして任意選択で、抵抗率の変化を受けるように選択される。環境の変化は通常、湿度の変化、環境内に存在するガス又は蒸気の量の変化によって引き起こされる。
【００８１】
活性材料のただ１つの層１４が存在するデバイス１０は通常、薄膜デバイスと呼ばれる。そのような薄膜デバイスは、湿度レベルセンサー、湿度レベルインジケーター、抵抗性又は光学非接触位置決めインターフェース（薄膜干渉デバイスとして設計される）、可視化プラットフォーム、及び呼吸制御又は分析器プラットフォーム内に実装することができる。
【００８２】
図２は、第２のタイプのデバイス１０の更なる概略図を示す。デバイス１０のこの例において、３つの二重層１８が、基板１２の上に設けられる。各二重層１８は、活性材料の１つの層１４と、光学コントラスト材料の１つの層２０とから構成される。明確にするために、活性材料の個々のナノシート１６は、この図面から省略されている（図３及び図４に示される図面に関しても同じことが当てはまる）。しかしながら、活性材料の層１４は一般に、少なくとも２つのナノシート１６から構成されることは理解されたい。図２に示される３つの二重層１８はスタック２２を形成する。
【００８３】
スタック２２は、一次元フォトニック結晶、すなわち、いわゆる、ブラッグスタック又はブラッグミラー又は誘電体ミラーを形成する。この関連において、各二重層１８の活性材料の層１４は光学コントラスト材料の層２０とは異なる厚さを有することができ、各二重層１８は少なくとも実質的に同じ二重層厚を有し、スタック２２の活性材料の各層１４は同じスタック２２の活性材料の他の層１４と少なくとも実質的に同じ層厚を有することに留意されたい。各スタック２２の光学コントラスト材料の層２０の場合も同じことが当てはまる。
【００８４】
図２に従ってデバイス１０を形成すると、活性材料の層１４及び光学コントラスト材料の層２０の基本屈折率の選択に関して異なるオプションがある。
【００８５】
第１の設計オプションは、環境の所与の境界条件において両方の材料の屈折率が実質的に同じであるように、屈折率を選択することである。この所与の境界条件は、環境の湿度のレベル、又は環境のガス若しくは蒸気濃度とすることができる。環境の湿度レベルが変化するとき、この結果として、スタック２２の活性材料の層１４の屈折率の変化が生じ、結果として、光学コントラスト材料の光学厚さの変化が生じる場合もある。この結果として、２つの層１４と２０との間に光学的コントラストが生じ、結果として、検出可能な色（検知信号）が生じる。そのようなブラッグスタック２２は、透明から有色又は透明（同様の屈折率）から透明（異なる屈折率、ストップバンドは赤外線又はＵＶ範囲内にある）の色変化を示す。
【００８６】
第２の設計オプションは、活性材料の屈折率とは異なる屈折率を有する光学コントラスト材料を設けることである。それにより、光学バンドギャップが形成される。例えば、環境の湿度のレベルが増加又は減少するにつれて、光学バンドギャップが増加にシフトする。活性材料の層１４及び光学コントラスト材料の層２０の材料の選択に応じて、屈折率が同じになる可能性があり、すなわち、材料は有色から透明への色変化を受ける。代替的には、屈折率は異なるままであり、ブラッグスタック２２が受ける変化のうちの少なくとも１つは、有色から有色、例えば、青色から赤色である。
【００８７】
第１の設計オプションが選択されるか又は第２の設計オプションが選択されるかにかかわらず層厚が増加し、この結果として、さらに、バンドギャップ内に光学的シフトが生じるのが事実である。
【００８８】
この関連において、層厚の変化は、それゆえ、最初に構造の透明性に何も影響を及ぼさないが、例えば、青色から赤色への色のシフトに寄与することができ、検知信号にも寄与することができることに留意されたい。
【００８９】
図３は、第３のタイプのデバイス１０の更なる概略図を示す。この例において、４つの二重層１８を備える欠陥スタック２２が形成され、各二重層は、第１の光学コントラスト材料の層２０と、活性材料の層１４とから構成され、欠陥スタック２２の最も中心にある層は、活性材料の更なる層１４から構成される。活性材料のこの更なる層１４は、スタック２２の中央に共振器構造として含まれる。活性材料の更なる層１４が、二重層１８のスタック内の底層（底部欠陥）として、又は上層（上部欠陥）として含まれる実施形態もある（図示せず）。
【００９０】
図３に示されるようなデバイス１０は、「欠陥」ブラッグスタック又は共振器構造として知られている。これは、活性材料の１つの層１４が、多層構造内に形成され、それゆえ、その周期性を中断させるためである。代替的には、活性材料の１つの層１４は、多層構造の上に形成され、いわゆる、「上部欠陥」を形成することもできるか、又は多層構造の下に形成され、いわゆる、「底部欠陥」を形成することもできる。
【００９１】
欠陥層は「ドーパント」のような役割を果たし、光をバンドギャップ内に局在させ、光学バンドギャップ内に許容波長範囲（反射スペクトル内の低下）を生成し、環境の変化に起因して引き起こされる、活性材料の層１４の変化の結果として、欠陥層の変化が生じ、その結果として、少なくとも１ｐｍだけ許容波長範囲の変化が生じる。
【００９２】
図４ａ〜図４ｃは、欠陥構造を有する、本発明による更なるデバイス１０を示す。図４ａ〜図４ｃに示されるデバイス１０の二重層１８はそれぞれ、第１の光学コントラスト材料の層２０と、第２の光学コントラスト材料の層２４とから構成される。いずれの場合にも、欠陥構造又は欠陥層は活性材料の層１４である。これは、スタック２２の中央において共振器構造（図４ａを参照）として利用されるか、スタックの底部において（図４ｂを参照）底部欠陥として利用されるか、又はスタック２２の上部（図４ｃを参照）に上部欠陥として利用されるかのいずれかである。
【００９３】
少なくとも１つの二重層１８を含む、図２〜図４によるデバイス１０は通常、湿度レベルセンサー、湿度レベルインジケーター、光学非接触位置決めインターフェース、呼吸制御又は分析器プラットフォーム、環境条件の変化とともに色を変更するスマートプライバシーウインドウ、又は湿潤物体若しくは湿度のための可視化プラットフォームとして使用される。
【００９４】
水分によってもたらされるその著しい膨張特性と、結果として生じる湿度依存プロトン伝導性とに起因して、ホスファトアンチモン酸Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４が、局所湿度検知に基づくＴＰＩのための有望な候補である。２Ｄナノシートを抵抗性検知デバイスに組み込むことが、対応するバルク材料及び他のナノ形態に比べて優れた検知性能を生み出すことが証明されている。最近の研究において、抵抗性ＴＰＩのために、ＶＳ２ナノシートが使用された。しかしながら、これらのＶＳ２ナノシートセンサーは、周囲条件下での低い化学的安定性（Ｖ（ＩＶ）から（Ｖ）への酸化及び加水分解）及び予想以上に悪い感度のような或る特定の欠点を有する。
【００９５】
図１〜図４に示されるデバイス１０によって、接近しつつある指２６（図９を参照）の局所湿度シース（local humidity sheath）に対する著しく向上した応答を検出することができ、それは、（ｉ）バルク材料に比べて、ホスファトアンチモンナノシートのより円滑な（すなわち、より段階的でない）ＲＨ依存膨張挙動及び伝導度と、（ｉｉ）ナノ構造化１Ｄフォトニック結晶（１ＤＰＣ）に基づく、超高感度で、低コストの抵抗性及び光学ＴＰＩを作製できるようにする機械的に安定した薄膜の実現とに起因して、既存のデバイスより優れている。
【００９６】
ホスファトアンチモン酸ナノシートの薄膜及びそこから形成されるハイブリッド１ＤＰＣは、抵抗性及び光学読出しとともに動作する化学的に安定した透明な、低コストの湿度検知デバイスを形成し、いずれも非接触位置決めインターフェースとして利用することができる。指運動を追跡することができる光学ＴＰＩのこの新たな概念の実験的な実現は、極めて大きなストップバンドシフト（５００ｎｍ超）、層のＲＩコントラストの減少によって引き起こされる高い反射性から完全な透明性への切替、並びに速い応答時間（３ｓ未満）、高い再現性及び安定性のような固有の特徴の組み合わせによって実現される。
【００９７】
図１〜図４によるデバイス１０の製造方法は以下の通りである。
ａ）基板１２を設け、
ｂ）活性材料を設け、
ｃ１ａ）上記基板１２上に上記活性材料のナノシート１６を堆積し、ランダムに重なり合うナノシート１６から構成される活性材料１６の層１４を形成し、
ｃ１ａ）任意選択で、活性材料の上記層１４上に第１の光学コントラスト材料の層２０を堆積し、二重層１８を形成し、代替的には、
ｃ１ｂ）任意選択で、上記基板１２上に第１の光学コントラスト材料の層２０を堆積し、その後、上記活性材料のナノシート１６を堆積し、光学コントラスト材料の上記層２０上に活性材料の層１４を形成し、第１の二重層１８を形成し、
任意選択で、ステップｃ１ａ）又はｃ１ｂ）を複数回繰り返し、第１の二重層のスタックを形成するか、
又はｃ２）上記基板１２上に上記活性材料のナノシート１６を堆積し、活性材料の層１４を形成し、
ｃ２ａ）任意選択で、活性材料１６の上記層上に光学コントラスト材料の第１の層２０を堆積し、その後、光学コントラスト材料の上記第１の層２０上に第２の光学コントラスト材料の層２４を堆積し、第２の二重層１８を形成し、ステップｃ２ａ）を複数回繰り返して、活性材料の上記層１４上に第２の二重層１８のスタックを形成し、それにより、いわゆる「底部欠陥」を形成し、
ｃ２ｂ）任意選択で、上記基板１２上に光学コントラスト材料の第１の層２０を堆積し、その後、光学コントラスト材料の上記第１の層２０上に第２の光学コントラスト材料の層２４を堆積し、第２の二重層を形成し、任意選択で、ステップｃ２ｂ）を複数回繰り返して、上記基板１２上に第２の二重層１８のスタック２２を形成し、その後、上記スタック２２上に上記活性材料のナノシート１６の層１４を堆積し、いわゆる「上部欠陥」を形成し、
ｃ２ｃ）任意選択で、上記基板１２上に少なくとも１つの第２の二重層１８、好ましくは３〜１０のそのような第２の二重層１８を堆積し、その後、活性材料のナノシート１６を堆積し、上記第２の二重層１８上に活性材料の層１４を形成し、その後、活性材料の上記層１４上に少なくとも１つの更なる第２の二重層１８、好ましくは３〜１０のそのような第２の二重層１８を堆積し、いわゆる「共振器構造」を形成し、
ｄ）任意選択で、上記基板１２上に、又はデバイス１０の上部に、金コンタクト２８（図１０を参照）のような電気コンタクトを堆積し、
ｅ）任意選択で、デバイス１０から基板１２を除去する。
【００９８】
堆積するステップは、スピンコーティングプロセスを用いて実行されることが好ましい。そのようなプロセスは、以下に詳細に説明されることになる。
【００９９】
デバイス１０から基板１２を除去するステップは、例えば、酸若しくはアセトンを使用するエッチングステップを用いて、又はデバイス１０から基板１２を切除するか、若しくは切り離すか、又は膨張剤若しくは化学エッチング剤を用いて、若しくは用いることなく、基板１２からデバイス１０を剥離することによって機械的ステップを用いて実行されることが好ましい。
【０１００】
図５は、構造モデル、剥離方式及びナノシート特性を示す。詳細には、図５ａは、左から右に、［０１０］（左）及び［００１］（右）に沿って見たＫ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４・１．３Ｈ２Ｏの構造を示す。より良好に概観するために、［００１］に沿った１つの層のみが示され、Ｋ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４・１．３Ｈ２Ｏの場合に、層間のＯ位置が省略されている。図５ｂは、分離したＳｂ３Ｐ２Ｏ１４３−ナノシートのＡＦＭ（原子力間顕微鏡）画像及び対応する高さプロファイルを示す。図５ｃは、サンプルの典型的なＳＡＤパターンを伴う重なり合う剥離されたＳｂ３Ｐ２Ｏ１４３−ナノシートのＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）画像を示しており、そのパターンは、この場合には、互いに回転した２つのナノシート１６から生じるパターンである。図５ｄは、最初に膨張が起こり、その後、剥離が起こると仮定するときの、Ｋ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４の場合のイオン交換及び剥離の概略的なプロセスを示す。
【０１０１】
層状ホスファトアンチモネートＫ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４及びプロトン交換ホスファトアンチモン酸Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４が、ＫＮＯ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＮＨ４Ｈ２ＰＯ４から開始する従来の固相反応と、その後に続く８Ｍ硝酸とのイオン交換とによって合成された。ホスファトアンチモネートは、電荷補償カチオンによって交互配置されるアニオン帯電Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４３−２Ｄ層から構築される（図５ａ）。プロトン化及び純水における剥離プロセスが図５ｄに概略的に示される。ＡＦＭによって求められるようなＳｂ３Ｐ２Ｏ１４３−ナノシート１６の厚さは、結局、平均して１．３±１ｎｍになり（図５ｂを参照）、それは単層Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４３−ナノシート１６の場合の１．１０ｎｍの結晶厚と正確に一致する。ＴＥＭ及び対応するＳＡＤ画像（図５ｃを参照）は、薄く、ランダムに重なり合うナノシートを明確に示す（図５ｃ）。ＴＥＭ−ＥＤＸ及びＳＥＭ−ＥＤＸ解析は、元素組成が予想される組成に極めて近いことを裏付ける。ＳＡＤパターンのｄ値は、粉末Ｘ線回折によるナノシートペレットのｄ値と正確に一致する。１８０００ｒｐｍにおける遠心分離によって得られ、１００℃で乾燥した、乱層構造により無規則化された（turbostratically disorderd）ナノシートペレットのＸＲＤパターンは、三方晶系層群（trigonal layer group）に基づいて指標化することができ、２Ｄ材料に特有の（ｈｋ０）反射の迷路のような（Warren-like）ピークプロファイルを示す。剥離からのナノシートペレットは、ＳＥ及びＢＳＥ画像においてシルクのような形態を示し、これもまた剥離された２Ｄ材料に特有である。したがって、得られた全てのデータが、純水におけるナノシート１６の剥離成功を示す。
【０１０２】
５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内の厚さを有する再積重されたナノシート１６の薄膜は、剥離されたナノシートの水性懸濁液を異なる回転速度においてスピンコーティングすることによって調製することができる。０％から１００％まで相対湿度を上げると、ナノシート膜は、その厚さを概ね２倍にするように（例えば、７２ｎｍから１２８ｎｍまで）膨張する。これにより、９０％ＲＨより高い湿度範囲において、特に顕著な変化が観測される（１１２ｎｍ〜１２８ｎｍ）。この効果は、分光偏光解析法によって求められるような全湿度範囲におけるＲＩ減少（１．６２から１．５２）を伴い、吸水及び結果として生じる厚さ変化に対応して、９０％より高いＲＨ範囲において顕著な降下がある。１０％ＲＨまでの低い湿度範囲におけるＲＩ増加及び概ね変化しない層厚は、ランダムに再積重されたナノシートの構造的細孔充填によって合理的に説明される。その際、より高いＲＨ範囲内の連続的なＲＩ減少は、水の屈折率（１．３３）及びナノシート１６の屈折率を混合する結果である。
【０１０３】
湿度応答ナノシート薄膜は、抵抗性湿度検知に基づいて非接触位置決めインターフェースとして直接使用することができる。抵抗性検知のための透明薄膜デバイス１０が、異なるエリアからの２つのＳＥＭ断面画像とともに図１０に表示され、その画像は、デバイスの極薄性を示す。専用湿度チャンバーにおいてＲＨ依存伝導度が測定され、ＲＨは、飽和食塩水の規定された蒸気圧によって、又はそれぞれ０％ＲＨ及び９３．５％ＲＨでアルゴンを混合するガス流設定を用いて調整された。
【０１０４】
図６ａは、２０００ｒｐｍにおいてスピンコーティングされた膜デバイスの場合の、飽和食塩水上（塩吸着及び脱着）及びアルゴン流設定（ガス流脱着及び吸着）による測定から得られたＲＨの関数としてのイオン伝導度を示す。図６ｂは、０％ＲＨ〜４７％ＲＨの同じ膜デバイス１０の循環挙動を示す。
【０１０５】
注目すべきことに、ＲＨを増加させると、わずかなヒステリシスループのみを伴って、全湿度範囲にわたって５桁だけサンプルのイオン伝導度が増加するのを観測することができる（図６ａ）。０％ＲＨ〜４７％ＲＨの薄膜デバイス１０の循環挙動は、良好な可逆性と、明確で再現可能な応答動態とを示す（図６ｂ）。０％ＲＨ〜４７％ＲＨの場合に５７ｓの応答時間及び１１ｓの高速回復時間（全信号変化の９０％として求められる）を得ることができる。これは、ＶＳ２ナノシートデバイスの場合に報告された応答動態（応答時間及び回復時間の場合にそれぞれ３０ｓ〜４０ｓ及び１２ｓ〜５０ｓ）に十分に匹敵し、他のナノ構造化検知デバイスに比べてかなり速い。被測定応答時間は、チャンバー内のＲＨの飽和に達する時間に加えて、薄膜１４の湿度応答を含むことに留意されたい。ナノシート薄膜デバイス１０のプロトン伝導度のＲＨ依存性は、従来技術において報告されるような、ホスファトアンチモン酸バルク材料のＲＨ依存性とは全く異なる。バルク材料は明確な階段状の挙動を示すが、これは、薄いナノシート膜デバイス１０の場合には当てはまらない。ＲＨの増加に応じた伝導度の滑らかな増加は、粒径がより小さく、結果として粒界吸着量の増加につながることと、層間空間が不均一であり、結果としてランダムに方向づけられたナノシート１６間の明確な水吸着部位が少ないこととに起因する。そのような組織的効果は、同様に、格子水和物（lattice hydrate）（バルク材料）の吸水機構から粒子水和物（ナノシート）の吸水機構へ吸水機構を変更し、その吸水機構は、ナノシートの内面及び外面上に大量の水分子を収容する。
【０１０６】
ブラッグスタック２２は、（ｉ）湿度感知構成要素としてのＨ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ナノシート薄膜及び（ｉｉ）必要とされるＲＩコントラストを与えるＴｉＯ２又はＳｉＯ２いずれかのナノ粒子層２０から組み立てられた。周囲空気（３０％ＲＨ）において、ナノシート膜は、分光偏光解析法によって求められるような１．５６の屈折率を示し、一方、ＴｉＯ２ナノ粒子は、より高いＲＩ（１．８４）を示し、ＳｉＯ２ナノ粒子層は、より低いＲＩ（１．３４）を示す。ＴｉＯ２及びＳｉＯ２層の粒子性がゲートとしての役割を果たし、組織的多孔性を通して、水分子が水分感知ナノシート層に接近するのを確実にする。
【０１０７】
３つの異なる材料の形態、すなわち、球状シリカコロイド、不規則な形状のチタニア粒子及び薄層状ナノシート１６を、図の差込図において明確に区別することができる。垂直入射におけるブラッグピークの最大値のスペクトル位置、それゆえ、構造色は式（４）によって与えられる。
λＢ＝２・（ｎ１ｄ１＋ｎ２ｄ２）  （４）
ｎ１及びｎ２は異なる層のＲＩであり、ｄ１及びｄ２はそれぞれの厚さである。
【０１０８】
これによれば、スピンコーティング技法によって、堆積される膜の厚さを、それゆえ、ブラッグスタック２２によって表示される構造色を、実験パラメーターを変更することによって微調整できるようになる。この研究において実行された作製手順の場合、スピンコーティング速度のみが２０００ｒｐｍから４０００ｒｐｍまで変更され、一方、異なるコロイド懸濁液の濃度、又はプロセスの任意の他のパラメーターは一定に保たれた。
【０１０９】
光学湿度センサーの異なる特徴を調査するために、透明な上窓を有する閉じたチャンバー内に２つのブラッグスタック２２が導入され、２５℃において飽和食塩水によって制御される異なるＲＨ値についてブラッグピークの位置が測定された。ナノ粒子層の多孔性及びナノシート層の高速平衡時間が、デバイス１０への水分子の容易な接近及びデバイス１０にわたる水分子の高速平衡を確実にすることに留意されたい。
【０１１０】
図７ａは、提案される湿度検知機構の概略図を示す。図７ｂは、異なる相対湿度値におけるＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の実験（実線スペクトル）及びシミュレーション（破線スペクトル）の反射スペクトルを示す。図７ｃは、異なる相対湿度値におけるＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の実験（実線スペクトル）及びシミュレーション（破線スペクトル）の反射スペクトルを示す。
【０１１１】
ブラッグスタック２２の一般的な検知機構が図７ａに概略的に示される。本事例の場合、粒子層の厚さは不変であると仮定されるので、３つの主なプロセス、すなわち、（ｉ）組織的細孔（すなわち、粒子間空所）への水の吸着／脱着によるＴｉＯ２及びＳｉＯ２ナノ粒子層のＲＩの変化、（ｉｉ）水の吸水／損失を通してのナノシート層のＲＩの変化、（ｉｉｉ）ナノシート層１４の湿度依存厚さが、ブラッグスタック２２の湿度依存光学応答に影響を及ぼす（式（４）による）。ＳｉＯ２及びＴｉＯ２の場合、層の実効ＲＩは、細孔充填プロセスに起因する含水量の増加とともに増加するのに対して、ナノシート層１４の場合、水和度の増加とともに実効ＲＩが純水のＲＩに接近するので、層の実効ＲＩは減少する。後者の現象は、よりコンパクトなナノ粒子層とは対照的に、ＲＨの増加とともにナノシート層１４が実質的に膨張することによって引き起こされる。湿度依存反射スペクトルから抽出することができるこれらのパラメーターが光学特性を決定し、全体的な変化は、色の変化として視覚的に知覚することもできる。２つのブラッグスタック２２、Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４／ＳｉＯ２及びＨ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４／ＴｉＯ２は、定性的には、極めて異なるように挙動する。いずれの場合も、ナノシート１６の層１４の膨張挙動は、水の凝縮が生じるときに、２つの異なる応答範囲、すなわち、低いＲＨ範囲（９０％まで）及び高いＲＨ範囲（９０％〜１００％）を規定する。
【０１１２】
Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４／ＳｉＯ２利用ブラッグスタック２２の場合、フォトニックストップバンドは、低いＲＨ範囲において、１００ｎｍだけ赤方シフトする。異なるＲＨ値の場合に実験的に得られたスペクトルの系列が図７ｂにプロットされる（実線）。水蒸気圧の値が増加する場合、ブラッグピークは赤方にシフトし、一方、その強度は徐々に減少し、最終的には消失することがわかった。センサーによって表示される色はこの挙動に従い、最も高い湿度値の場合、ブラッグ反射体がオフに切り替わり、すなわち、完全に透明になる。この効果は、ＲＨの増加とともにブラッグスタック２２を形成する層間の光学コントラストが消失することで説明できる。粒子層（光学コントラスト材料の層２０）のＲＩは増加し、その厚さは概ね一定のままであるが、活性材料の層１４において２つの異なる効果、すなわち、（ｉ）ブラッグピークの青方シフトに寄与するＲＩの減少と、（ｉｉ）層厚の増加による過補償とにより、結果としてのブラッグピークの全体的な赤方シフトとが生じる。しかしながら、活性材料の層１４のＲＩは徐々に減少し、一方、ナノ粒子層のＲＩは増え続けるので、両方の値が最終的には約９０％ＲＨにおいて等しくなり、結果として、光学コントラストが消失する。フォトニックストップバンドが相殺されるので、光学センサーは、極めて可逆的な方法において完全に透明に変わり、その構造によって、可視範囲全体にわたって光が透過される。
【０１１３】
ＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ＢＳの場合に得られた鏡面反射スペクトルが図７ｃにプロットされる（実線）。ブラッグピークは、０％〜９０％のＲＨ範囲において１００ｎｍだけ赤方シフトされる。しかしながら、ＳｉＯ２を含むブラッグスタック２２とは対照的に、ＲＨの増加とともに反射率が上昇し、ストップバンドが広がり、それは、ＲＨの増加とともに層の光学コントラストが増加することによって合理的に説明することができる。ブラッグピークを可視範囲からＩＲにシフトする、５１７ｎｍより大きい総合赤方シフトが観測され、一方、４９５ｎｍにおいて、二次ブラッグピークが観測される（図７ｃの赤曲線）。高いＲＨにおいて観測される赤方シフトは、水分検知用途のためのＢＳの場合にこれまで観測された中で最も大きい。固有の色変化に加えて、ブラッグスタックデバイス１０の超高速応答時間並びに高い再現性及び循環性も、前例がないことに留意されたい。
【０１１４】
ブラッグスタック２２の場合に観測される光学特性を確認するために、光学スペクトルのシミュレーションがＭａｔｌａｂコードを用いて実行された（図７の破線。使用される入力パラメーターに関しては図１０並びに表１及び表２を参照）。両方の場合に観測された値が極めてよく一致していることが、本明細書において提示される測定の品質及び検知機構の品質を実証する。それゆえ、主な検知効果がナノシート層１４の膨張（元の値の最大で３倍）によって引き起こされるのに対して、ナノシート膜及び多孔性ナノ粒子層のＲＩの変化は、観測された効果に対する適度な寄与を有する。
【０１１５】
湿度センサーから要求される１つの不可欠の特性は、他の被分析物との低レベルのクロストーク、すなわち、例えば、水分子に対する排他的な応答である。２つの異なるブラッグスタック２２（ＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４（図８）及びＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４）を用いてブラッグピーク位置及びブラッグピーク総合シフトにかかる時間（応答時間と呼ばれる）を監視することによって、異なる化学的特性及び極性を有する溶媒蒸気（水、エタノール、トルエン、イソプロパノール、ヘプタン及びアセトニトリル）に対するセンサーの選択性を調査することにより、水に対する選択性が試験された。
【０１１６】
図８は、ＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の選択性の特徴を示す。詳細には、０％及び１００％相対湿度変化の応答時間の関数としてのＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の光学ストップバンドシフトを示す図が示される。水の結果が、極性プロトン性溶媒、すなわち、エタノール及びイソプロパノール、極性非プロトン性溶媒、すなわち、アセトニトリル、並びに非極性溶媒、すなわち、ヘプタン及びトルエンと比較される。
【０１１７】
水蒸気に比べて、非極性（ヘプタン、１０ｎｍ及びトルエン、１２ｎｍ）及び非プロトン性極性溶媒（アセトニトリル、１７ｎｍ）は、高速応答時間（数秒）で微小なシフトのみを示す。対照的に、中間極性を有するプロトン性溶媒（エタノール、３０ｎｍ及びイソプロパノール、２５ｎｍ）は、２０００ｓより長い応答時間で、幾分大きなシフトを示す。観測される応答は、おそらく、粒径が大きいほど減速されるプロトン性溶媒の遅延した層間拡散（イソプロパノール＞エタノール＞水）と、水と比べたときのアルコールのあまり顕著でない溶媒和／水素結合能力とに起因する。要するに、水蒸気に応答して著しく大きいストップバンドシフト（１５倍より大きい）が観測されるだけでなく、著しく短い応答時間（３０ｓ）も観測され、それらが、水蒸気に対するブラッグスタック２２の固有の選択性を確立する。
【０１１８】
図９ａは、３０００ｒｐｍのスピンコーティングによって得られた薄膜デバイスの指距離の関数としての検知応答特性を示す。その測定は、約３０％ＲＨにおいて実行された。図９ｂは、ニトリル手袋２７で覆われた指２６によって接近されるＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の写真を示す。この場合、応答は観測されない。図９ｃは、指２６によって接近されるＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の写真を示す。指２６はスタック２２と接触していないことに留意されたい。図９ｄは、指位置周囲の横方向色勾配を示す、ＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の実際のカラー顕微鏡画像を示す。指２６はブラッグスタック表面から１ｍｍの垂直距離において、右上角に位置決めされた。指２６から対応する画像位置までの実際の距離が示される。図９ｅは、指位置周囲の横方向色勾配を示す、ＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の実際のカラー顕微鏡画像を示す。その概略図は、１ｍｍの垂直距離における、右上画像角における指２６の位置を示す。対応する画像位置における指２６からの実際の距離（ピタゴラスの定理によって計算される）が示される。図９ｆは、指２６が接近しつつあるときの、３ｓ応答時間後に得られたＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４の反射率スペクトルを示す。異なる曲線（グレースケールにおいて表される）は、応答の異なる大きさに対応する。図９ｇは、指２６が接近しつつあるときの、３ｓ応答時間後に得られたＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４の反射率スペクトルを示す。
【０１１９】
薄膜の伝導度及びブラッグスタック２２の光学特性の両方が、ＲＨの変化に対して再現可能で、選択的な応答を示す。それゆえ、人の指２６は距離依存湿度環境によって取り囲まれるので、これらの薄膜デバイス１０は、非接触位置決めインターフェースのための潜在的な候補である。薄膜の非接触検知能力を精査するために、最初に、石英基板１２上のナノシート膜１４が調査された。それにより、基板からの指２６の距離が３０％周囲ＲＨにおいて１．６ｃｍから０．１ｃｍに短縮されるときに、１７０倍より大きい伝導度の増加が観測された（図９ａを参照）。これは、指オフ状態及び指オン状態の場合に３の最大信号変化を示した、ＶＳ２薄膜デバイスの場合に報告された値より著しく高い。０．８ｃｍのより長い距離の場合であっても、３３％の信号増加が得られ、このタイプのセンサーを、かなり長距離のインタラクションデバイスにおいて使用できることを示唆する。動的測定において指２６によって伝導度を操作することによって、薄膜デバイス１０は、指距離変化に対して非常に高速で可逆的な応答を有することが明らかである。
【０１２０】
上記で提示された高感度のフォトニック読出し方式によれば、裸眼によって見ることができる光学読出しによる「湿潤」物体の横方向の追跡に基づいて、更に一歩前進し、光学非接触位置決めインターフェースを開発するツールが手の届く所にある。これらのＢＳ利用光学デバイス１０の場合、フォトニック表面上方の指位置を可視化するために、電子アセンブリ内に組み込む必要はない。本明細書において提示される実験は、この非接触光学検知原理の実現可能性を実証し、図９に要約される。
【０１２１】
両方のブラッグスタック表面（ＴｉＯ２利用及びＳｉＯ２利用）から１ｍｍの垂直距離に指を位置決めする結果として、ＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４及びＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の場合にそれぞれ提案される２つの構成に対応する顕微鏡写真において示されるように（図９ｄ及び図９ｅ）、指先から１．０ｍｍと１．８ｍｍとの間の距離に沿って色勾配が生じる。人の指２６の周囲の空間依存湿度勾配に起因して、短い距離範囲において、検知信号が同様に迅速に降下するので（図９ａ）、これは伝導度挙動と完全に一致している。勾配の構造色を見ると、ＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタック２２の場合、１．０ｍｍの実際の距離における色は、１００％検知信号に対応する（光学コントラスト及び反射は失われる）。
【０１２２】
いずれの場合も、１．５ｍｍの距離の場合の構造色は、約９０％のＲＨに対応する（図７を参照）。両方のブラッグスタック２２の場合に取り込まれた反射スペクトル（図９ｆ及び図９ｇ）は、１００％ＲＨにおける被測定シフトに類似の、３ｓ後の最大ブラッグピークシフトを示す。ＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ＢＳに対応する循環挙動は、超高速の応答時間に加えて、検知事象の高い可逆性及び再現性を実証する。これらの特徴は、ブラッグスタック２２にわたる指２６の横方向運動によっても実証された。指２６の運動後の瞬時応答が観測され、その応答は指運動の高忠実度の追跡に対応する。
【０１２３】
（ｉ）指オン状態における応答は非常に高いＲＨにおける測定に完全に類似であり、（ｉｉ）指２６がニトリル手袋によって保護される場合には、色変化は観察されず（水雰囲気がなく、より高い局所温度）（図９ｂ）、その一方、接近しつつある露出した指２６によって高速で顕著な色変化が直接見られる（図９ｃ）ので、ブラッグスタック２２の応答は、温度効果ではなく、指周囲の局所的な水蒸気雰囲気に排他的に起因することに留意されたい。それにもかかわらず、体温が水分子の拡散を高めることによって役割を果たすと仮定され、それは、ＲＴにおいて実行される湿度検知測定と比べて、短い応答時間によって反映される。
【０１２４】
Ｋ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４の例示的な製造
Ｋ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４を合成するために、前駆物質（ＫＮＯ３（９９％、Ｍｅｒｃｋ）、Ｓｂ２Ｏ３（９９．６％、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（９８％＋、Ａｃｒｏｓ  Ｏｒｇａｎｉｃｓ））が、或る化学量論比において完全に粉砕され、最初のステップにおいて３００℃まで、粉砕後に、第２の加熱ステップにおいて１０００℃まで加熱された（それぞれ２４時間の期間にわたる）。プロトン交換反応のために、２ｇのＫ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４が２５０ｍＬの８Ｍ硝酸（希釈６５ｗｔ％、Ｍｅｒｃｋ）で一晩（１２時間の期間にわたる）処理され、濾過され、エタノール（９９．８％、ｃａ１５ｍＬ）で洗浄され、それを室温において４時間乾燥させた。交換反応を完全にするために、この処理は２回繰り返された。ＸＲＤによって成功が監視された。７．３ｍｍｏｌＬ−１の濃度のバルクプロトンとともにＨ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４を純水中で一晩（１６時間）激しく攪拌することによって、剥離が実行された。得られたコロイド懸濁液が、３０００ｒｐｍにおいて３０分間遠心分離され、非剥離バルク材料を除去した。上澄みは、主に単層ナノシートの懸濁物質である。ナノシートペレットを得るために、１８０００ｒｐｍにおいて３０分間、更なる遠心分離ステップにかけられた。上澄みは廃棄され、ゲル状無色の湿潤凝集体を１００℃において少なくとも４時間乾燥させた。
【０１２５】
本発明に関して使用することができる他のナノシートの例は、Ｈ２ＳｎＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、Ｈ２ＺｒＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、ＨＴａＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、ＨＳｂ１−ｙＴａｙＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、ＨＡｓＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、Ｈ３Ｓｂ３Ａｓ２Ｏ１４である。ｘ＝１、３、０＜ｙ＜１、及びｎ＝１〜２０である。この点において、既知の公表された合成方法に従って、上記で引用された材料のうちの幾つかを作製できると要約することができる。しかしながら、この関連において、材料の製造自体は既知であるが、これまで、これらの材料全てが２Ｄ平面ナノシート１６の形で作製されてきたとは限らず、これらのナノシート材料はいずれも、ブラッグスタック又は薄膜のような空間分解湿度センサーにおいて利用されてこなかったことに留意されたい。
【０１２６】
例えば、Ｈ２ＳｎＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、Ｈ２ＺｒＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏは、公表された合成方法に従って作製することができる。ＨＳｂＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏは、Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４・ｎＨ２Ｏと同じようにして、文献において記述される合成に従って合成することができる。ＨＳｂ１−ｙＴａｙＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏも同様に作製し、ＴＢＡＯＨを用いて剥離することができる。ＨＴａＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏ、ＨＡｓＰ２Ｏ８・ｎＨ２Ｏは文献に従って合成することができる。剥離は、水性ＴＢＡＯＨ溶液（モル比バルクプロトン：ＴＢＡＯＨ＝１：１及び７．３ｍｍｏｌＬ−１のバルクプロトン濃度）内で攪拌することによって達成することができる。
【０１２７】
ＴｉＯ２ナノ粒子ゾルが、以下の手順を用いて合成された。７５ｍｌの０．１Ｍ  ＨＮＯ３に、１２．５ｍｌ  Ｔｉ（ＯＥｔ）４が、室温において激しく攪拌しながら滴加された。反応混合物が８０℃で８時間加熱され、その後、８時間超音波処理され、凝集体を除去した。スピンコーティングのために使用されるチタニアナノ粒子のコロイド溶液は、２００００ｒｐｍにおいて繰り返し遠心分離し、メタノール内に再分散させることによって、一群の粒子として得られた。これとは対照的に、ＳｉＯ２ナノコロイドは、Ｄｕｐｏｎｔ（ＬＵＤＯＸ  ＴＭＡ、Ａｌｄｒｉｃｈ）（製造番号：４２０８５９−１Ｌ）から購入された。
【０１２８】
コロイド懸濁液を調製するために、水剥離Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ナノシート１６の乾燥した無色沈殿物が水／エタノール混合物（６０ｖｏｌ％エタノール）内に４２ｍｍｏｌ  Ｌ−１の濃度で再分散され、２時間、超音波処理された。ＴｉＯ２懸濁液は、メタノール内で２．５ｗｔ％の濃度を有する。ＳｉＯ２の市販のコロイドを、メタノール内に３ｗｔ％で再分散させた。
【０１２９】
ナノシート１６、薄膜１４、２０、２４及びブラッグスタック２２をそれぞれ作製するために、全てのシート、膜がそれぞれ、スピンコーター（ＷＳ−６５０Ｓ−ＮＰＰ−Ｌｉｔｅ、Laurell Technologies Corporation）及び上記で与えられた濃度を用いてスピンコーティングによって形成された。スピンコーティング速度を変更し、光学特性を微調整できるようにすることによって、異なる膜厚が達成された。４００μｌのコロイド懸濁液が、２．５ｃｍ×２．５ｃｍの寸法のプラズマ洗浄後の顕微鏡スライドガラス上に、規定された速度で１分間、交互にスピンコーティングされ、各層堆積後に、８０℃で１５分間加熱された。光学特性を調整するために、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ及び４０００ｒｐｍのスピンコーティング速度が適用された（ブラッグスタック内の層ごとに同じ速度）。伝導度測定のために、この再分散したＳｂ３Ｐ２Ｏ１４３−ナノシートコロイドが、１．５ｃｍ×１．５ｃｍプラズマ洗浄後の石英ガラス基板上に、１００００ｒｐｍ  ｓ−１加速度ランプで、３０００ｒｐｍ又は２０００ｒｐｍにおいて１分間スピンコーティングされた。金コンタクトが、１８０ｓのスパッタリング時間でスパッタコーティングされた（１０８ａｕｔｏ、Ｃｒｅｓｓｉｎｇｔｏｎ）。
【０１３０】
構造特性評価を実行するために、ＴＥＭ画像及び制限視野電子回折（ＳＡＤ：selected area electron diffraction）パターンが、Ｇａｔａｎ  ＣＣＤカメラを備えるＰｈｉｌｌｉｐｓ  ＣＭ３０  ＳＴ  ＴＥＭ（３００ｋＶ、ＬａＢ６カソード）を用いて得られた。Ｓｉ／Ｌｉ検出器（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ、Ｎｏｒａｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｓｅｖｅｎ）を用いて、ＴＥＭ−ＥＤＸ解析が実行された。ナノシートペレットのＳＥＭ画像及びブラッグスタック２２の断面画像が、Ｓｉ／Ｌｉ検出器（Ｏｘｆｏｒｄ）を備えたＶｅｇａ  ＴＳ  ５１３０  ＭＭ（Ｔｅｓｃａｎ）を用いて収集された。非接触モードにおいてＶｅｅｃｏ  ＣＰ  ＩＩシステムを用いて、ＡＦＭ測定値が得られた。ＸＲＤパターンが、デバイ−シェラー法におけるＧｅ（１１１）単色化Ｍｏ−Ｋα１放射（λ＝７０．９２６ｐｍ）又はＣｕ−Ｋα１放射（λ＝１５４．０５１ｐｍ）とともに、又は画像版検出器若しくは点検出器による透過幾何学とともに機能する粉末ｘ線回折装置（Ｓｔａｄｉ  Ｐ、ＳＴＯＥ）上で収集された。十分に粉砕されたサンプルが、２つのＭｙｌａｒ（登録商標）フォイル間に置かれたか、又はガラス毛管内に充填された。ソフトウェアＤｉｆｆｒａｃＰｌｕｓ  ＴＯＰＡＳ  ｖ４．２（Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ）を用いて、指標化が実行された。ブラッグスタックの表面の画像は、４×対物レンズを用いて反射モードにおいて動作する光学顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ  ＢＸ５１）で得られた。
【０１３１】
伝導度測定値を得るために、２つの異なる方法が使用された。第１の方法では、伝導度測定前に、少なくとも１５分間、約２５℃の閉じた雰囲気内で、膜が飽和食塩水上に保持された。第２の測定では、設定されたアルゴン流が使用された。乾燥Ａｒ流及び水蒸気飽和Ａｒストリームが異なる比で混合され、０％〜９３．５％の湿度を規定した。その設定は、食塩水によって規定されたＲＨにおいて以前に測定された伝導度値を用いて較正された。設定されたＡｒストリームを用いて、循環が実行された。伝導度の変化は、５００ｍＶのＡＣ電圧及び１Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲を適用して、インピーダンスブリッジ（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ａｐｌｌｉｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、ＶｅｒｓａＳＴＡＴ  ＭＣ）によるインピーダンス分光法によって監視された。３００Ｈｚの固定周波数で循環測定が実行された。
【０１３２】
全ての光学スペクトルが、垂直入射を用いる顕微鏡（ＤＭ２５００、Ｌｅｉｃａ）に取り付けられた光ファイバー分光計（ＵＳＢ２０００＋、Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ）を用いて測定され、光学スペクトルは常に同じスポット（１×１ｍｍ２の面積）において取り込まれた。相対湿度の変化に伴う光学的変化を得るために、透明なガラス窓を備える閉じたステンレス鋼チャンバー内で約２５℃において上記の２ｍＬの飽和食塩水上にブラッグスタック２２が保持された。各ステップにおいて、１５分の雰囲気平衡時間が必要とされた。異なる有機溶媒でブラッグピークのシフトを測定するために、異なる方法が適用された。規定された相対圧を有する他の溶媒蒸気の適用は、挿入されたピペット先端を、液体‐ガス流量コントローラー（Ｂｒｏｎｋｈｏｒｓｔ）と、質量流量制御キャリアガス流を用いる気化器（ＣＥＭ）とに接続することによって実現された。対象の被分析物の所望の相対圧を観測するために、キャリアガス窒素（２００ｍＬ  ｍｉｎ−１）及び液体溶媒がＣＥＭ（制御蒸発及び混合、Ｗ１０１Ａ−１３０−Ｋ、Ｂｒｏｎｋｈｏｒｓｔ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈ）に投入され、溶媒の熱蒸発が行われた。ＣＥＭは、沸点を超える温度まで加熱された。蒸気相対圧は、実際の雰囲気圧、温度及び被分析物の特性（蒸気圧、熱容量）を考慮するソフトウェアＦＬＵＩＤＡＴ、ＣＥＭ計算によって計算された。スペクトルは、ＬＥＩＣＡ  ＤＭ  ２５００  Ｍ顕微鏡とのインターフェースを有するＯＣＥＡＮ  ＯＰＴＩＣＳ  ＱＰ４００−２−ＵＶ−ＢＸ光ファイバーを用いて、可視範囲において測定された。得られたデータは、ＳＰＥＣＴＲＡ  ＳＵＩＴＥ（２００８）ソフトウェアを用いて解析された。
【０１３３】
非接触位置決めインターフェース測定が伝導度測定を用いて実行された。伝導度測定は、薄膜デバイス１０と接触させることなく、０．１ｃｍ〜１．６ｃｍの異なる距離に指２６を置くことによって、インピーダンス分光法（上記参照）によって実行された。
【０１３４】
光学測定も同様に実行された。指２６を用いて、１ｍｍの距離においてブラッグスタック２２に接近した。これにより、ＣＭＯＳカメラ及びＯｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ  ＵＳＢ４０００−ＸＲ１−ＥＳ分光計に結合された光学顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ  ＢＸ５１）によって、横方向の光学的変化が検出された。約１５秒の規則的な間隔において指２６を近接及び離反させることによって、指循環が実行された。ストップバンド変化を検出するために、その後、波長４７５ｎｍにおける強度変化が行われた。ブラッグスタック２２による指運動の光学的な追跡が、従来のスマートフォンカメラによって記録された。
【０１３５】
図１０ａは、石英基板１２と、スピンコーティングされた薄膜１４と、上部にスパッタリングされた金コンタクト２８とを備える薄い透明膜デバイス１０を示す。図１０ｂは、上部に金コンタクト２８を備える領域（下から上に、石英基板１２、ナノシート１６の薄い層及びＡｕコンタクト２８）のＳＥＭ断面を示す。図１０ｃは、金コンタクト２８を備えない薄膜領域の断面を示す。図１０ｃにおいて、帯電効果に起因して、ナノシート膜が厚く見える。
【０１３６】
表１は、異なる相対湿度値において偏光解析法によって測定されたＳｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタックの場合の屈折率及び単分子層厚を示す。これらの値は、異なる相対湿度値（図７）、ｎ＝屈折率、ｄ＝層厚におけるシミュレーションのために用いられた。
【０１３７】
【表１】
2019191191.tif 000003
【０１３８】
表２は、異なる相対湿度値において偏光解析法によって測定されたＴｉＯ２／Ｈ３Ｓｂ３Ｐ２Ｏ１４ブラッグスタックの場合の屈折率及び単分子層厚を示す。これらの値は、異なる相対湿度値（図７）、ｎ＝屈折率、ｄ＝層厚におけるシミュレーションのために用いられた。
【０１３９】
【表２】
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【符号の説明】
【０１４０】
１０  デバイス
１２  基板
１４  活性材料の層
１６  ナノシート
１８  二重層
２０  第１の光学コントラスト材料の層
２２  スタック
２４  第２の光学コントラスト材料の層
２６  指
２７  手袋
２８  コンタクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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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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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月22日(2019.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光学厚さを有する活性材料の少なくとも１つの層（１４）を備えるデバイスであって、前記活性材料（１４）は、前記活性材料が環境の変化を受けるときに、（ｉ）少なくとも１つのサイズ寸法の変化、（ｉｉ）抵抗の変化、（ｉｉｉ）屈折率の変化、又は（ｉｖ）上記の２つ以上の組み合わせの変化を受けるように選択され、前記活性材料の前記少なくとも１つの層（１４）の少なくとも１つが、前記活性材料の少なくとも２つのナノシート（１６）から構成され、前記少なくとも２つのナノシート（１６）は互いにランダムに重なり合い、
前記少なくとも１つの層（１４）の少なくとも１つ、あるいは全ての前記活性材料は一般式：
Ｈａ（Ｍ１）ｘ（Ｍ２）ｙＯｚ・ｎＨ２Ｏ
を有し、Ｍ１は、２族元素、４族元素、５族元素、１４族元素、１５族元素、希土類元素並びにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ及びこれらの元素の全ての固溶体及び置換化合物を含む群から選択され、Ｍ２は、１５族元素、５族元素及びこれらの元素の全ての固溶体を含む元素の群から選択され、Ｍ２はＭ１とは異なり、ａ＝０〜１０、ｘ＝０〜１０、ｙ＝０〜１０、ｚ＝１〜３０、及びｎ＝０〜５０であり、ｘ＝０であるとき、ｙは０に等しくなく、ｙ＝０であるとき、ｘは０に等しくなく、かつ、
前記少なくとも２つのナノシート（１６）の全てが、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの平均シート厚を有する、デバイス。
【請求項２】
前記活性材料の前記層（１４）のすべては、前記活性材料の少なくとも２つのナノシート（１６）を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
環境の前記変化は、前記環境の湿度の変化、及び／又は前記環境内に存在する化合物の量の変化である、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記活性材料は、少なくとも２０：２０：１の前記ナノシート（１６）の長さ：幅：高さのアスペクト比を有する、請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
前記少なくとも２つのナノシート（１６）のうちの少なくとも１つが、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの平均シート厚を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記活性材料の少なくとも１つの層（１４）は、４ｎｍ〜５ｍｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記活性材料の少なくとも１つの層（１４）は、１０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記活性材料の少なくとも１つの層（１４）は、１５ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記活性材料の少なくとも１つの層（１４）は、３０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記活性材料のすべての層（１４）は、１０ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記活性材料のすべての層（１４）は、１５ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記活性材料のすべての層（１４）は、３０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記活性材料のすべての層（１４）は、４ｎｍ〜５ｎｍの範囲内で選択された平均層厚を有する、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
サイズ寸法の前記変化及び／又は前記屈折率の前記変化は、（ａ）干渉効果に起因する前記デバイスの色の変化、及び／又は（ｂ）前記活性材料の前記抵抗及び／又は抵抗率の変化を引き起こす、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１５】
基板（１２）を更に備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記基板は、好ましくは、石英、ガラス、プラスチック、ポリマー、金属、シリコン、酸化シリコンをコーティングされたシリコン、透明導電性酸化物、及び上述の化合物のうちの２つ以上の任意の組み合わせからなる材料群から選択される、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記基板の厚さは、好ましくは２００ｎｍ〜２０ｍｍの範囲内で選択される、請求項１５または１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記基板の厚さは、２μｍ〜１０ｍｍの範囲内で選択される、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第１の光学厚さにおける前記活性材料の前記屈折率とは異なるか、又は同じである屈折率を有する第１の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層（２０）を更に備える、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記デバイスはスタック（２２）を備え、前記スタック（２２）は、少なくとも１つの二重層（１８）から構成され、各二重層（１８）は、前記第１の光学コントラスト材料の１つの層（２０）及び前記活性材料の１つの層（１４）によって形成される、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記スタック（２２）は、２つの二重層（１８）から構成される、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記スタック（２２）は、２〜３０の第１の二重層、又は、３〜１０の第１の二重層を備える、請求項２０または２１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記活性材料の少なくとも１つの更なる層（１４）が、底層、上層のいずれかとして、又は前記スタック内の層、又は前記スタックの中央にある層として、前記スタック内に組み込まれ、前記活性材料の少なくとも１つの更なる層（１４）は、前記スタック内の前記層とは異なる光学厚さを示すものである、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記第１の光学コントラスト材料は、誘電体材料、ポリマー、ゾルーゲル材料、ナノ粒子、構造体材料又はナノシート、及び上述の材料の２つ以上の任意の組み合わせからなる群から選択された材料から構成され、及び／又は前記活性材料の各層（１４）は、５ｎｍ〜２０００ｎｍの厚さを有し、前記第１の光学コントラスト材料の各層（２０）は、５ｎｍ〜２０００ｎｍの厚さを有する、請求項１９〜２３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２５】
色の前記変化は、有色から透明、透明から有色、透明から透明、又は青色から赤色のような第１の色から第２の色であり、第１の色から第２の色へのスペクトル変化は、少なくとも１ｐｍの反射率又は透過率において測定される光学ストップバンドの位置の変化に特に関連付けられる、請求項１〜２４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記第１の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層（２０）とは異なり、前記第１の光学コントラスト材料の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の光学コントラスト材料の少なくとも１つの層（２４）を更に備え、前記第１の光学コントラスト材料（２０）、前記第２の光学コントラスト材料（２４）及び前記活性材料は、スタックを形成するように互いに積層され、前記スタックにおいて、前記第１の光学コントラスト材料及び前記第２の光学コントラスト材料は二重層（１８）を形成し、該二重層の上部又は底部に、前記スタック内の前記層とは異なる光学厚さを示す、前記活性材料のただ１つの層（１４）が堆積される、請求項２０〜２５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２７】
活性材料の層（１４）を備える積層体が少なくとも１つの二重層（１８）または２つの二重層（１８）から構成されるスタック（２２）に組み込まれ、少なくとも１つの前記二重層（１８）またはすべての前記二重層（１８）が、前記第１の光学コントラスト材料の１つの層（２０）及び前記第２の光学コントラスト材料の１つの層（２４）によって形成される、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記活性材料の層（１４）は、前記スタックの中央に組み込まれ、前記活性材料の層（１４）は、前記スタック内の前記層とは異なる光学厚さを示すものである、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記デバイス（１０）は、湿度レベルセンサー、湿度レベルインジケーター、抵抗性又は光学非接触位置決めインターフェース、非接触可視化プラットフォーム、呼吸制御又は分析器プラットフォーム、環境条件の変化とともに色を変更するスマートプライバシーウインドウ、及び湿潤物体又は湿度のための可視化プラットフォームからなる群から選択される、請求項１〜２８のいずれか一項に記載のデバイス。