(57)【要約】【課題】ナノワイヤの取り扱い性が良好なナノワイヤ部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】基材１２と、該基材１２上に形成されたナノワイヤ１０と、を含むことを特徴とするナノワイヤ部材である。ＳｉおよびＦｅを含有する基材上にＧａを介在させ、６５０℃以上で加熱処理を施すことを特徴とするナノワイヤ部材の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材上に形成されたナノワイヤと、を含むことを特徴とするナノワイヤ部材。
【請求項２】
前記ナノワイヤの径および長さが均一であることを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤ部材。
【請求項３】
前記ナノワイヤの成長方向が前記基材に対し垂直方向であることを特徴とする請求項１または２に記載のナノワイヤ部材。
【請求項４】
前記基材がＳｉを含み、前記基材の中心部のＳｉ含有率が、前記基材の表面側のＳｉ含有率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のナノワイヤ部材。
【請求項５】
前記基材がＳｉおよびＦｅを含み、前記基材の中心部における前記Ｓｉと前記Ｆｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）が０．５〜１．５であり、前記基材の表面側における前記Ｓｉと前記Ｆｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）が２．５〜６であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のナノワイヤ部材。
【請求項６】
パターニングされた領域に前記ナノワイヤが形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のナノワイヤ部材。
【請求項７】
ＳｉおよびＦｅを含有する基材上にＧａを介在させ、６５０℃以上で加熱処理を施すことを特徴とするナノワイヤ部材の製造方法。
【請求項８】
前記加熱処理の温度を７００〜９００℃とすることを特徴とする請求項７に記載のナノワイヤ部材の製造方法。
【請求項９】
少なくとも、前記加熱処理を施す際の真空度を１３３×１０−３Ｐａ以下とすることを請求項７または８に記載のナノワイヤ部材の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｇａの量を０．０１〜０．６ｇ／ｃｍ２とし、前記基材の厚みを１０μｍ以上とすることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のナノワイヤ部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノワイヤ部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノワイヤは、ナノエレクトロニクスおよびナノスケールにおける光デバイスへの応用が期待される材料の一つである。ナノワイヤの製造方法としては、種々のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記製造方法によればナノワイヤを良好に製造できるが、製造後のナノワイヤの取り扱い性は低い。すなわち、製造後のナノワイヤは、細い線状で絡み合いやすかったり、隣接するナノワイヤ同士が衝突して破損しやすかったりする。ナノワイヤを種々の製品に応用しようとする際に製造工程中で玉状となってしまうことも多い。利用する直前に玉状となると、ナノワイヤをほぐす工程が必要となり、生産性を低下させてしまう。また、玉状となったナノワイヤを完全にほぐすこと自体が困難であり、利用できるナノワイヤの割合も減少してしまうことがある。
【特許文献１】特開２００５−１５２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上から、本発明は、上記従来の課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、ナノワイヤの取り扱い性が良好なナノワイヤ部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは、下記本発明に想到し当該課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は、基材と、該基材上に形成されたナノワイヤと、を含むことを特徴とするナノワイヤ部材である。
【０００６】
本発明のナノワイヤ部材には、下記第１〜第５の態様のうち、少なくとも１の態様が適用されることが好ましい。
【０００７】
（１）第１の態様は、前記ナノワイヤの径および長さが均一である態様である。
（２）第２の態様は、前記ナノワイヤの成長方向が前記基材に対し垂直方向である態様である。
（３）第３の態様は、前記基材がＳｉを含み、前記基材の中心部のＳｉ含有率が、前記基材の表面側のＳｉ含有率よりも大きい態様である。
（４）第４の態様は、前記基材がＳｉおよびＦｅを含み、前記基材の中心部における前記Ｓｉと前記Ｆｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）が０．５〜１．５であり、前記基材の表面側における前記Ｓｉと前記Ｆｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）が２．５〜６である態様である。
（５）第５の態様は、パターニングされた領域に前記ナノワイヤが形成されている態様である。
【０００８】
また、本発明は、ＳｉおよびＦｅを含有する基材上にＧａを介在させ、６５０℃以上で加熱処理を施すことを特徴とするナノワイヤ部材の製造方法である。
【０００９】
本発明のナノワイヤ部材の製造方法には、下記第１〜第３の態様のうち、少なくとも１の態様が適用されることが好ましい。
（１）第１の態様は、前記加熱処理の温度を７００〜９００℃とする態様である。
（２）第２の態様は、少なくとも、前記加熱処理を施す際の真空度を１３３×１０−３Ｐａ以下とする態様である。
（３））第３の態様は、前記Ｇａの量を０．０１〜０．６ｇ／ｃｍ２とし、前記基材の厚みを１０μｍ以上とする態様である。
【００１０】
なお、ここで「ナノワイヤ」とは、少なくとも径が１５ｎｍ〜２５ｎｍの柱状物または針状物をいい、組成としてＳｉとＯとを含むものをいう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［ナノワイヤ部材］
図１（Ａ）に示すように、本発明のナノワイヤ部材１０は、ナノワイヤ１２が基材１４上に形成されて、この状態で保持された態様となっている。このような態様によれば、ナノワイヤ１２同士が絡まりあったり、衝突して破損したり、脱落したりすることがほとんどなくなるため、取り扱い性を良好なものとすることができる。
【００１２】
ナノワイヤ１２の径および長さは均一であることが好ましい。均一であることで、全てのナノワイヤ１２の外観的な品質を一定なものにすることができる。ここで、「径が均一」とは、平均径の変動係数が±５ｎｍであることをいう。また、「長さが均一」とは、平均長さの変動係数が、例えば、平均長さが７００μｍの場合で±３０μｍであることをいう。上記のような平均径および平均長さ、並びにこれらの変動係数は、ナノワイヤ（ナノファイバー）をサンプリングし電子顕微鏡観察により測定し求めることができる。また、後述する本発明のナノワイヤの製造方法によれば、ナノワイヤ１２の径および長さは均一なものとすることができる。
【００１３】
ナノワイヤ１２の成長方向（軸方向）は、図１（Ａ）に示すように、基材１４に対し垂直方向であることが好ましい。ナノワイヤ１２の成長方向が基材１４に対し垂直方向であることで、取り扱いをより良好なものとすることができる。
【００１４】
基材１４はＳｉを含み、前記基材の中心部のＳｉ含有率が、基材１２の表面側のＳｉ含有率よりも高いことが好ましい。特に、基材１４がＳｉおよびＦｅを含む場合、基材１４の中心部におけるＳｉとＦｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）は０．５〜１．５であり、基材１４の表面側におけるＳｉとＦｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）が２．５〜６であることが好ましい。このような範囲にあることで、ナノワイヤ１２を高密度状態で安定して保持することができる。
【００１５】
例えば、基材１４がＦｅとＳｉとからなる場合、基材１４の中心部におけるＳｉとＦｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）が１で、基材１４の表面側におけるＳｉとＦｅとの原子比（Ｆｅ／Ｓｉ）が３であると、基材１４上にナノワイヤ１２を高密度に形成させてこれらを保持することができる。これは、表面側のＳｉが優先的にナノワイヤとなるため、表面側にＳｉが多く存在するほうが、高密度なナノワイヤを効率よく形成できることを示唆しているものと考えられる。ここで、基材１４の中心部とは、ナノワイヤ１２が形成された領域で厚み方向の中央部分をいう。また、基材１４の表面側とは前記中心部の直上部の表面をいう。
【００１６】
基材１２の形態としては、特に限定されず、板状、線状、球状など種々のものを適用することができる。また、パターニングされた領域にナノワイヤ１２が形成されていてもよい。ナノワイヤ１２を設ける領域は、図１（Ａ）に示すように基材の主面上であってもよいが、図１（Ｂ）に示すように、公知の方法で基材１４表面をパターニングし選択的にナノワイヤ１２を設けることで、高機能化を図ることができる。また、種々の用途に利用することができる。
【００１７】
［ナノワイヤ部材の製造方法］
ＳｉおよびＦｅを含有する基材上にＧａを介在させ、６５０℃以上で加熱処理を施す。Ｇａを介在させるには、まず、２９．８℃程度で溶融したＧａ溶融液を調製し、基材上に塗布すればよい。塗布後、加熱処理を行うことでシリカ（ＳｉＯｘ）からなるナノワイヤが形成される。当該ナノワイヤは、その径および長さが均一で、その成長方向は基材に対し垂直方向となる。このようなナノワイヤの形成についての詳細な機構は明らかではないが、以下に説明するような現象によるものと考えられる。
【００１８】
すなわち、６５０℃以上の加熱処理により、基材上のＧａが基材の構成成分であるＳｉとＦｅとの間の相互作用（結合力）を弱くする。その結果、表面側のＳｉが拡散しやすくなる。ＦｅはＧａと何らかの相互作用をするようになる。表面側で拡散しやすくなったＳｉは、さらに「ＦｅおよびＧａ」を介して、雰囲気内の酸素と反応しシリカ（ＳｉＯｘ）からなるナノワイヤが形成される。このナノワイヤは、Ｇａドット上にＳｉおよび酸素の供給元に向かって成長することから、基材に対し垂直方向に成長し、その径および長さが均一になるものと考えられる。また、加熱時間が長くなるに伴い、Ｇａの量も減少する。同様に、基材中のＳｉの量も減少する。かかる現象より、Ｇａの量および基材中のＳｉの量から、加熱時間を調整することで、ナノワイヤの形態（長さや径）を制御できる。特に、加熱時間を長くするとナノワイヤの長さ（ファイバー長）を大きくすることができる。なお、「径および長さが均一」の意義は、既述の通りである。
【００１９】
ナノワイヤを良好に形成させることを考慮すると、加熱処理の温度は７００〜９００℃とすることが好ましい。加熱時間としては、２０〜１１４時間とすることが好ましいが、望みのファイバー長で定めることが好ましい。加熱時間を適宜設定することで、既述のようにナノワイヤの長さを調整することができる。また、加熱時に酸素の濃度が高すぎると、基材表面に酸化皮膜が形成されることがある。酸化皮膜が形成されると、ナノワイヤの形成が阻害されること場合が多い。そこで、加熱処理は減圧下で行うことが好ましく、その際の真空度は１３３×１０−３Ｐａ（１×１０−３Ｔｏｒｒ）以下とすることがより好ましく、１３３×１０−６Ｐａ〜１３３×１０−４Ｐａとすることがさらに好ましい。
【００２０】
Ｇａの量は、０．０１〜０．６ｇ／ｃｍ２とすることが好ましい。このような範囲により、Ｇａの量が不足することなく、成長後にＦｅＳｉとナノワイヤとの間に多量のＧａが残留することをさけることができる。また、基材の厚みは、所望のファイバー長に依存するが、１０μｍ以上とすることが好ましく、ファイバー長を大きくしたい場合は厚い基板を用いることができる。
【００２１】
図１（Ｂ）に示すように、基材上に選択的にナノワイヤを形成するには、公知の方法でパターニングを行い、例えば、溝部１６に溶融したＧａ１８を塗布し、既述のように熱処理を行えばよい。
【００２２】
以上のようなナノワイヤ部材は、部材上にナノワイヤが保持された状態で使用することが可能である。また、ナノワイヤ部材におけるナノワイヤは、例えば、ピンセット等で容易に分離できる。そのため、種々の用途に適用する直前までナノワイヤ部材としておき、適用する際にナノワイヤだけを分離してもよい。適用直前まで、ナノワイヤは基材上に安定して保持されているため、ナノワイヤの絡み合いや破損、脱落を防ぐことができる。
【００２３】
二酸化ケイ素ナノワイヤは、ナノスケールの場合に青色発光することが知られている。従って、分離したナノワイヤは、発光材料として応用することができる。また、光学ヘッドや光学デバイス等への応用も期待される。分離したナノワイヤの直径が光の波長より小さい場合は、光ファイバーへの利用も考えられる。この場合、光はファイバーの外周を螺旋状に伝搬する。当該光ファイバーの応用としては、例えば、僅かなスペースを利用して多くの情報を送るデバイスが考えられる。また、医療品およびナノスケールのレーザー装置のような極めて小さい光機器、通信用およびセンサーツールにも適用することができる。センシングには大きさが非常に重要で、同じ場所により多くのファイバーが詰め込めるので、例えば、多くの毒素を一度に正確に検出できるようになる。
【００２４】
さらに、ナノファイバーフィルターへの応用も考えられる。現在のエアフィルターのファイバー径は数マイクロメートルであり、サブミクロンから２μｍ程度の粒子の除去は非常に困難とされている。そこで、このようなミクロファイバーフィルターに、本発明のナノワイヤ部材から分離したナノワイヤを混合することで、サブミクロンから２μｍ程度の粒子の除去が可能となり、すべての微粒子の除去ができることになる。
【００２５】
上記のようなナノファイバーフィルターは、例えば、自動車やトラックのエアフィルター、集塵機用のフィルターカートリッジ、タービンエンジン用のフィルター等に適用することができる。ナノファイバーフィルターとなるナノワイヤは、比表面積が大きいためフィルトレーション効率が高まることが期待される。その結果、ナノファイバーフィルターの寿命を長くすることができると予想される。
【００２６】
また、本発明のナノワイヤ部材は、触媒の支持体としても利用できる。例えば、二酸化チタン微粒子といった触媒粒子をナノワイヤ上に担持することが考えられる。
【実施例】
【００２７】
本発明を下記実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２８】
（実施例１：ナノワイヤの成長時間依存性）
ＦｅＳｉ基板（高純度化学研究所製ＦｅＳｉフェロシリコンの粒状物を厚さ３５０μｍの板状に成形）の表面に２９．８℃に溶融したＧａを塗布スティックにより塗布した。塗布量は、０．０１ｇ／ｃｍ２であった。真空チャンバー内に上記基板を設置し、真空度１３３×１０−４Ｐａ（１０−４Ｔｏｒｒ）、温度９００℃で加熱処理を行った。加熱時間（成長時間）を１時間、８時間、２０時間、および１１４時間として、それぞれについてのナノワイヤの成長状態を走査型電子顕微鏡により観察した結果（ＳＥＭ写真）およびＳＥＭ写真をトレースした図をそれぞれ図２および図３に示す。また、ナノワイヤの成長時間と長さとの関係を図４に示す。
【００２９】
図２〜図４より、ファイバー長は成長時間とともに増加するが、径は成長時間によらず一定であることがわかった。
【００３０】
（実施例２：成長温度依存性）
加熱時間を２０時間とし、温度を５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、および９００℃とした以外は、実施例１と同様にして、ナノワイヤの成長状態を走査型電子顕微鏡により観察した。ＳＥＭ写真の結果およびＳＥＭ写真をトレースした図をそれぞれ図５および図６に示す。また、ナノワイヤの成長時間と長さとの関係を図７に示す。
【００３１】
図５〜図７より、ファイバー長は成長温度が高くなるにつれて長くなるが、径は、７００〜９００℃の範囲で成長した場合ほぼ一定であることがわかった。
【００３２】
（実施例３：ナノワイヤのＰＬスペクトル分析）
加熱時間を１１４時間とし、温度を９００℃とした以外は、実施例１と同様にして、ナノワイヤ部材と作製した。このナノワイヤ部材に、Ｈｄ−Ｃｄ  ３２５ｎｍ（５０ｍＷ）を照射することにより、ＰＬスペクトルの分析を行った。結果を図８に示す。
【００３３】
図８より、波長４６０ｎｍ付近に強い発光が観測された。この発光は、酸素欠損によるものであると考えられる。この結果から、当該ナノワイヤ部材は、発光材料として有効であることがわかった。
【００３４】
（比較例１）
Ｇａを介在させなかった以外は、実施例３と同様にして、ナノワイヤ部材の作製を試みた。しかし、反応後の基板には、ナノワイヤの存在は確認できなかった。
【００３５】
（比較例２）
ＦｅＳｉ基板の代わりにＳｉ基板（コマツ電子社製（１１１）基板；Ｓｉ粒状物を厚さ０．４ｍの板状に成形）を使用した以外は、実施例３と同様にして、ナノワイヤ部材の作製を試みた。しかし、反応後の基板には、ナノワイヤの存在は確認できなかった。
【００３６】
以上の結果から、ナノワイヤを基板上に形成するにはＧａおよびＦｅの存在が必要であり、これらの存在により均一で安定したナノワイヤが得られることがわかった。９００℃で１１４時間の熱処理を行って形成されたナノワイヤは、直径が２０ｎｍのアモルファスＳｉＯｘナノファイバーで、その密度は約１０１０本／ｃｍ２と非常に高いものであった。また、本実施例では、熱処理の温度が７００℃以上でＳｉＯｘナノファイバーの形成が確認され、その長さは温度および時間に依存することがわかった。さらに、本実施例のナノワイヤ部材のナノワイヤは、取り扱い時に絡み合ったり、脱落や破損したりすることがなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のナノワイヤ部材を例示する概略断面図であり、（Ａ）は部材の一主面にナノワイヤを成長させた状態を示し、（Ｂ）は部材の一部に選択的にナノワイヤを成長させた状態を示す。
【図２】加熱時間を変化させてナノワイヤの成長状態を観察した結果（ＳＥＭ写真）を示す図である。
【図３】加熱時間を変化させてナノワイヤの成長状態を観察した結果（トレース）を示す図である。
【図４】ナノワイヤの成長時間と長さとの関係を示す図である。
【図５】温度を変化させてナノワイヤの成長状態を観察した結果（ＳＥＭ写真）を示す図である。
【図６】温度を変化させてナノワイヤの成長状態を観察した結果（トレース）を示す図である。
【図７】温度とナノワイヤの長さとの関係を示す図である。
【図８】ナノワイヤのＰＬスペクトル分析の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０・・・ナノワイヤ部材
１２・・・ナノワイヤ
１４・・・基材
１６・・・溝部
１８・・・Ｇａ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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【図５】
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